JP2016038321A

JP2016038321A - 光分析システム、センサ装置及び光分析方法

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Publication number: JP2016038321A
Application number: JP2014162602A
Authority: JP
Inventors: 雄司興; Yuji Oki; 宏晃吉岡; Hiroaki Yoshioka; 金市森田; Kinichi Morita
Original assignee: Kyushu University NUC; Ushio Denki KK; Ushio Inc
Current assignee: Kyushu University NUC; Ushio Denki KK; Ushio Inc
Priority date: 2014-08-08
Filing date: 2014-08-08
Publication date: 2016-03-22
Anticipated expiration: 2034-08-08
Also published as: JP6503658B2

Abstract

【課題】本発明は、屋外における流体の光分析の準備としてのサンプリングのプロセスが測定を制限する度合いを軽減する光分析システム等を提供することを目的とする。
【解決手段】測定部において検体に光を照射して当該検体からの光を分析する光分析システムであって、受光部を有する携帯型端末機器と、前記携帯型端末機器とは別体であり、前記検体である流体が通過する流路と、前記検体への光を発する光源と、前記測定部から延びて前記光源へと接続される第１光路と、前記測定部から延びて前記受光部へと接続される第２光路と、前記第２光路を前記携帯型端末機器に着脱可能であるように取り付ける取付部とを備え、前記第１光路から出た光が、前記測定部において前記流路を通過して前記第２光路に入射するように前記第１光路及び前記第２光路の光軸が調整されている、光分析システムである。
【選択図】図１

Description

本発明は、光分析システム、センサ装置及び光分析方法に関し、特に、検体に対して光を照射して当該検体からの光を分析する光分析システム等に関する。

近年、例えばシリコン、シリコーン、ガラスなどよりなる小さな基板上に、半導体微細加工の技術によってマイクロスケールの分析用チャネルなどを形成したマイクロチップよりなるマイクロリアクタを用いて微量の試薬の分離、合成、抽出、分析などを行う手法が注目されている。

このようなマイクロリアクタを用いた反応分析システムは、マイクロ・トータル・アナリシス・システム（以下、「μＴＡＳ」という。）と称されており、μＴＡＳによれば、試薬の体積に対する表面積の比が大きくなることなどから高速かつ高精度の反応分析を行うことが可能となり、また、コンパクトで自動化されたシステムを実現することが可能となる。

マイクロチップは、当該マイクロチップに設けられるマイクロチャンネルとも呼ばれる流路に試薬が配置された反応領域、流体制御素子（マイクロポンプ、マイクロバルブ、マイクロミキサ、フィルタ、センサ）など各種機能を有する領域を設けて集積化することにより、様々な用途に適応させることが可能となる。

上記したマイクロチップは、典型的には一対のマイクロチップ基板が対向して接着された構造を有し、少なくとも１つの上記マイクロチップ基板の表面に微細な流路（例えば、幅１０〜数１００μｍ、深さ１０〜数１００μｍ程度）が形成されている。

マイクロチップの用途としては、遺伝子解析、臨床診断、薬物スクリーニングなどの化学、生化学、薬学、医学、獣医学の分野における分析、あるいは、化合物の合成、環境計測などが代表的である。

本願出願時に非公知であるが、本発明者らは、光分析の専門家でなくとも、ディスポーザルなマイクロチップ及び一般的な携帯型端末機器を用いて安価にかつ簡便に、検体の光分析を実施する光分析方法等を開発してきた（例えば、特許文献１参照）。

この光分析方法において、流体の光分析の過程として、検体である流体のサンプリング（ピペットによる取得、サンプル管への移液、封止）、携帯型端末機器上に存在する測定部への挿入、光分析といったプロセスが一般的であった。

特願２０１４−０３２２４５

しかしながら、屋外で測定を行う場合、サンプル管やピペットチップ等の準備できる器材の数が制約条件となっていた。そのため、短時間の間隔で多数回の経時変化を測定したい場合、サンプリングに要する器材の数や機材の洗浄に要する時間が制約条件となっていた。

ゆえに、本発明は、屋外における流体の光分析の準備としてのサンプリングのプロセスが測定を制限する度合いを軽減する光分析システム等を提供することを目的とする。

本発明の第１の観点は、測定部において検体に光を照射して当該検体からの光を分析する光分析システムであって、受光部を有する携帯型端末機器と、前記携帯型端末機器とは別体であり、前記検体である流体が通過する流路と、前記検体への光を発する光源と、前記測定部から延びて前記光源へと接続される第１光路と、前記測定部から延びて前記受光部へと接続される第２光路と、前記第２光路を前記携帯型端末機器に着脱可能であるように取り付ける取付部とを備え、前記第１光路から出た光が、前記測定部において前記流路を通過して前記第２光路に入射するように前記第１光路及び前記第２光路の光軸が調整されている、光分析システムである。

本発明の第２の観点は、第１の観点の光分析システムであって、前記流路を保持する保持部材をさらに備え、前記保持部材は、前記光路と前記流路が交差する交差点への外部からの光を遮る遮光部を有する。

本発明の第３の観点は、第２の観点の光分析システムであって、前記保持部材の内部において前記流路が屈折する箇所が２か所以上あり、前記交差点は、複数の前記屈折する箇所の間に位置する。

本発明の第４の観点は、第３の観点の光分析システムであって、前記保持部材の外部から前記流路に流体を流入させ、及び／又は、前記流路内の流体を前記保持部材の外部に排出するポンプをさらに備える。

本発明の第５の観点は、第２から第４のいずれかの観点の光分析システムであって、前記交差点を含む空間に前記検体である流体を保持する流体保持機構をさらに備える。

本発明の第６の観点は、測定部において検体に光を照射して当該検体からの光を分析する光分析システムに用いる測定装置であって、受光部を有する携帯型端末機器とは別体であり、前記検体である流体が通過する流路と、光源からの光を前記測定部に導く第１光路と、前記測定部を経た光を前記受光部に導く第２光路と、前記第２光路を前記携帯型端末機器に接続する接続部とを備え、前記第１光路から出た光が、前記測定部において前記流路を通過して前記第２光路に入射するように前記第１光路及び前記第２光路の光軸が調整されている、測定装置である。

本発明の第７の観点は、測定部において検体に光を照射して当該検体からの光を分析する光分析システムを用いた光分析方法であって、前記光分析システムは、受光部を有する携帯型端末機器と、前記携帯型端末機器とは別体であり、前記検体である流体が通過する流路と、前記検体への光を発する光源と、前記測定部から延びて前記光源へと接続される第１光路と、前記測定部から延びて前記受光部へと接続される第２光路と、前記第２光路を前記携帯型端末機器に着脱可能であるように取り付ける取付部とを有し、前記第１光路から出た光が、前記測定部において前記流路を通過して前記第２光路に入射するように前記第１光路及び前記第２光路の光軸が調整されており、前記流路を流体中に浸す浸漬ステップと、前記流路を流れる流体に前記第１光路から光を照射する光照射ステップとを含む、光分析方法である。

本発明の各観点によれば、検体をサンプリングすることなく、流体中に測定部を浸して光分析を行うことが可能となる。そのため、そもそもサンプル管やピペットチップ等のサンプリングのための器材が不要となる。そのため、器材の数が制約条件とならず、短時間での多数回の測定が可能となる。さらには、連続的な経時変化の測定さえ可能となる。

また、サンプリングが不要となることから、検体を劣化させずに光分析を行うことが可能となる。

加えて、流路と携帯型端末機器とが別体で離れていることから、検体である流体を携帯型端末機器にこぼすなどして携帯型端末機器を汚染させたり故障させたりするリスクを軽減可能となる。

さらに、本発明の第２の観点によれば、遮光部が光分析のノイズとなる外部からの光を遮る。このため、屋外計測のような環境であっても高精度な光分析のための測定が容易となる。

さらに、本発明の第３の観点によれば、流路を経てノイズとなる外部からの光が測定部である交差点に到達しにくくなる。そのため、屋外計測のような環境であっても高精度な光分析のための測定がさらに容易となる。

さらに、本発明の第４の観点によれば、保持部材の内部の流路が屈折していても、流体の流速を制御することが容易となる。そのため、意図した光分析を行うことがさらに容易となる。

さらに、本発明の第５の観点によれば、取得した検体の測定に時間がかかる場合でも、測定中に検体である流体が入れ替わる事態を防ぐことが容易となる。

本発明に係る光分析システムの概要を示すブロック図である。実施例１に係る光分析システムの構造の一例を示す図である。実施例１の変形例を示す図である。図２の保持部材の端面図であり、（ａ）交差点及び流路を含む平面における端面図、並びに、（ｂ）交差点、第１光路及び第２光路を含む平面における端面図である。実施例２に係る保持部材の構造の一例を示す図である。

以下、図面を参照して、本願発明の実施例について述べる。なお、本願発明の実施の形態は、以下の実施例に限定されるものではない。

図１は、本願発明の実施例に係る光分析システム１の概要を示すブロック図である。以下、光分析システム１の概要を説明する。

図１を参照して、光分析システム１は、携帯型端末機器３と、保持部材５と、光源７と、第１光路９と、第２光路１１と、取付部１３と、ポンプ１５と、流体保持機構１７とを備える。携帯型端末機器３は、受光部１９と、表示部２０と、分析部２１と、通信部２３と、記録部２５とを有する。保持部材５は、測定部２７と、流路２９と、遮光部３１とを有する。

光分析システムは、測定部２７において検体に光を照射し、当該検体からの光を分析する。保持部材５は、携帯型端末機器３とは別体であり、検体である流体が通過する流路２９を保持する。光源７は、検体への光を発する。第１光路９は、測定部２７から延びて光源７に接続されており、光源７からの光を測定部２７に導く光路である。第２光路１１は、測定部２７から延びて受光部１９に接続されており、測定部２７を経た光を携帯型端末機器３が有する受光部１９へと導く。取付部１３は、第２光路１１を着脱可能であるように携帯型端末機器３に取り付ける。また、第１光路９から出た光が測定部２７において流路２９を通過して第２光路１１に入射するように、第１光路９及び第２光路１１の光軸が調整されている。

受光部１９は、携帯型端末機器３が有するカメラのレンズであり、第２光路１１から放射された光を受ける。なお、適宜必要に応じて、カメラのレンズの光入射側に当該レンズの結像性能を向上させるために、結像補助レンズ（集光レンズ）を設けてもよい。また、カメラのレンズの光入射側に、第２光路１１から放射された光以外を除去するための光学フィルタを設けてもよい。表示部２０は、携帯型端末機器３の操作画面や分析結果等を表示する。分析部２１は、受光部１９が受けた光を分析する。通信部２３は、他のコンピュータと通信を行う。記録部２５は、データを記録する。

測定部２７は、流路２９と光路とが交差する交差点３３を有する。測定部２７は、第１光路９から光が発せられた時に交差点３３を流れる流体を測定対象とする。また、流路２９は、屈折する箇所が２か所あり、流路２９と光路の交差点は、屈折する２箇所の間に存在する。ここで、保持部材５は、遮光し、かつ、吸光する遮光部３１が主な構成素材である。遮光部３１は、例えば、黒色の顔料を分散させたジメチルポリシロキサン（ＰＤＭＳ）で構成されている。

ポンプ１５は、流路２９内の流体がスムーズに流れるように流速を制御する。これにより、２か所の屈折する箇所を有する流路であっても流路内で淀むことなく流体を流すことが容易となる。また、流体保持機構１７は、図示しない開閉可能な流路の扉と、当該扉を制御する扉制御部を有する。流体保持機構１７は、必要に応じて流路における流体の流れを制限する。これにより、取得した検体を複数回測定する場合のように測定に時間がかかる場合でも、測定中に検体である流体が入れ替わる事態を防ぐことが容易となる。

次に、図２を参照して、光分析システム１の具体的な構造について述べる。図２は、本発明に係る光分析システム１の構造の一例を示す図である。

図２を参照して、携帯型端末機器３とは別体である保持部材５が流体中に浸漬されている。また、携帯型端末機器３と保持部材５とは、携帯型端末機器３から延びた第１光路９及び第２光路１１を介して流体中の保持部材５に光ファイバーの光路で接続されている。光源７が発した光が第１光路９を介して測定部２７に達し、流路２９を通過した光は、第２流路１１を介して受光部１９から携帯型端末機器３に入力される。分析部２１は、受光部１９への光入力に基づいて分析を行い、分析結果を表示部２０に表示すると共に記録部２５に記録する。

光源７は、携帯型端末機器３の表示部２０からの光を光源７として利用してもよいし、携帯型端末機器３とは別の光源ユニットでもよい。更に光源７が上記した別の光源ユニットである場合、上記携帯型端末機器から当該光源ユニットに電力を供給するようにしてもよい。また、第２光路１１は、正確に光が受光部１９に入力されるように、図示しない取付部１３によって携帯型端末機器３に取り付けられる。取付部１３により、汎用の携帯型端末機器３を用いて、流体の正確な光分析を現場で行うことが可能となる。また、携帯型端末機器３とは別体である保持部材５のみを流体中に浸漬することで分析が可能であるため、携帯型端末機器３を流体で汚染することがなくなる。

なお、第１光路９の光源７側端部と第２光路１１の受光部１９側端部は、内部に光導波路を有するマイクロチップと一体に構成してもよい。

図３は、実施例１の変形例を示す図であり、上記したマイクロチップを使用する例を示す。

同図において、マイクロチップ２６は、第１光路９の光源側端部と接続されている導波路と、第２光路１１の受光部側端部と接続されている導波路を内部に有する。そしてマイクロチップ２６は、携帯型端末機器３に貼り付けた際、第１光路９の光源側端部と接続されている導波路が携帯型端末機器３の表示部２０上に位置するように、かつ、第２光路１１の受光部側端部と接続されている導波路が携帯型端末機器３のカメラのレンズ（受光部１９）上に位置するように構成される。

マイクロチップ２６は、例えば、ＰＤＭＳ等のシリコーン樹脂からなり、外部からの光を遮光、または、吸光する顔料が分散している。顔料としては、例えば、黒色顔料が用いられる。

すなわち、マイクロチップ２６は、第２光路１１を着脱可能であるように携帯型端末機器３に取り付ける取付部１３として機能する。また、表示部２０からの光を光源７としているので、マイクロチップ２６は、第１光路９についても着脱可能であるように携帯型端末機器３に取り付ける取付部１３として機能する。

また、検体である流体をサンプリングすることなく分析可能であることから、サンプル管やピペットチップ等のサンプリングのための器材が不要となる。そのため、器材の数が制約条件とならず、短時間での多数回の測定が可能となる。さらには、連続的な経時変化の測定さえ可能となる。また、検体を劣化させずに光分析を行うことも可能となる。

続いて、図４を参照して、保持部材５の内部構造について述べる。図４は、図２の保持部材５の端面図であり、（ａ）交差点３３及び流路２９を含む平面における端面図、並びに、（ｂ）交差点３３、第１光路９及び第２光路１１を含む平面における端面図である。

図４（ａ）を参照して、光路と流路２９が交わる交差点３３は、２か所の流路２９が屈折する箇所の間に存在する。そのため、流路２９の出入口からの背景光は、交差点３３に達する前に遮光部３１に遮られ、又は、吸収される。よって、屋外であってもノイズを抑えて精度の高い光分析が可能となる。

流路２９には、屈折する箇所があり、保持部材５を流体中に浸漬した際に空気が流路２９内に残ることも考えられる。空気が残ると、交差点３３に気泡が入り、測定を阻害することもありうる。そのため、保持部材５は、空気を流路２９から排出するための図示しない抜気孔を備える。

また、図４（ｂ）を参照して、第１光路９及び第２光路１１の保持部材５側の先端には、それぞれプリズム３５及びプリズム３７が接続されている。これにより、第１光路９から発した光が、測定部２７及び第２光路１１を通るように光軸が調整されている。

なお、図４では図示を省略したが、適宜必要に応じて、プリズム３７の光入射側に、検体からの光を当該プリズム３７への入射を確実にするための補助レンズや、検体からの光の波長以外の光を制限する光学フィルタを配置するようにしてもよい。

次に、図５を参照して、実施例１とは異なる構造の保持部材について述べる。図５は、実施例３に係る保持部材５５の構造の一例を示す図であり、（ａ）保持部材５５の正面図、（ｂ）保持部材５５の底面図である。

図５（ａ）を参照して、保持部材５５を用いる実施例３に係る光分析システムは、保持部材以外は、実施例１と同様の構造である。保持部材５５は、第１光路５９と、第２光路６１と、第１光路５９に接続されたプリズム６３と、第２光路６１に接続されたプリズム６５とを有する。加えて、保持部材５５の内部は、検体である流体で満たされている。光源を発した光が、第１光路５９、プリズム６３、交差点６５、プリズム６７、第２光路６１を経て携帯型端末機器の受光部に到達する点も実施例１と同様である。

図５（ｂ）を参照して、流体が侵入する保持部材５５の底面には、フィルタ６９が設けられている。フィルタ６９は、不純物を通さないものであり、例えば１０〜３０μｍの穴が多数空いている。これにより、不純物が交差点６５に到達することを予防する。また、ノイズとなる背景光を遮光する効果もある。フィルタ６９は、底面から交差点６５にかけて複数設けられ、不純物除去と遮光の効果が高められている。複数のフィルタは、鉛直方向に穴の位置をずらすことで不純物除去及び遮光の効果がさらに高められる。

実施例１では、抜気孔を設けることで抜気を行った。実施例３に係る保持部材５５は、上面７１に抜気孔を有する。したがって、保持部材５５の内部を気泡が浮力によって上昇し、上面７１の抜気孔から除去されやすくなる。

なお、保持部材５５は、交差点６５の高さから上面７１の間も１つ又は複数のフィルタを有してもよい。これにより、気泡を除去しつつ、上面７１の抜気孔からの背景光を遮光する効果が期待できる。なお、気泡の除去を重視する場合は、交差点６５から上部にあるフィルタの穴の位置を鉛直方向にそろえることで気泡が抜気孔に達しやすくなる。

実施例３においては、交差点の下部と交差点の上部でそれぞれ少なくとも１か所で鉛直方向にフィルタの穴の位置をずらすことにより、実施例１における流路の屈折する箇所を設けた構成と同様の遮光の効果が期待される。

なお、携帯型端末機器として、例えば、タブレット端末、スマートフォン、ノートパソコン等の処理装置を用いることができる。

また、携帯型端末機器は、分析部を有しなくともよい。代わりに、受光部から受領したデータを通信部から分析部を有する装置に送信するものであってもよい。このとき、受領したデータを記憶部がいったん蓄積してもよいし、蓄積せずにデータ受領の直後に送信してもよい。

さらに、受光部は、光を取り込むことができれば、カメラのレンズ以外であってもよく、例えば、通信用の受信部であってもよい。また、受光部の光入射側には、光取り込み性能を向上させるために、結像補助レンズ（集光レンズ）を設けてもよい。また、第２光路１１から放射された光以外を除去するための光学フィルタを設けてもよい。

さらに、流体保持機構は、保持部材が有するものであってもよい。

さらに、第１光路及び第２光路の先端にプリズムを接続する代わりに、それぞれの光路を削ってプリズム代わりとしてもよい。あるいは、それぞれの光路を曲げて光軸を調整してもよい。

さらに、実施例３のフィルタは、保持部材の底面から交差点まで複数設けられるとしたが、厚いフィルタを１つ設けてもよい。フィルタの厚みやフィルタの穴の大きさは、不純物除去と背景光の遮光の効果が十分期待できる程度とする。

１・・・光分析システム、３・・・携帯型端末機器、５・・・保持部材、７・・・光源、９・・・第１光路、１１・・・第２光路、１３・・・取付部、１５・・・ポンプ、１７・・・流体保持機構、１９・・・受光部、２７・・・測定部、２９・・・流路、３１・・・遮光部、３３・・・交差点

Claims

測定部において検体に光を照射して当該検体からの光を分析する光分析システムであって、
受光部を有する携帯型端末機器と、
前記携帯型端末機器とは別体であり、前記検体である流体が通過する流路と、
前記検体への光を発する光源と、
前記測定部から延びて前記光源へと接続される第１光路と、
前記測定部から延びて前記受光部へと接続される第２光路と、
前記第２光路を前記携帯型端末機器に着脱可能であるように取り付ける取付部とを備え、
前記第１光路から出た光が、前記測定部において前記流路を通過して前記第２光路に入射するように前記第１光路及び前記第２光路の光軸が調整されている、光分析システム。
前記流路を保持する保持部材をさらに備え、
前記保持部材は、前記光路と前記流路が交差する交差点への外部からの光を遮る遮光部を有する、請求項１記載の光分析システム。
前記保持部材の内部において前記流路が屈折する箇所が２か所以上あり、
前記交差点は、複数の前記屈折する箇所の間に位置する、請求項２記載の光分析システム。
前記保持部材の外部から前記流路に流体を流入させ、及び／又は、前記流路内の流体を前記保持部材の外部に排出するポンプをさらに備える、請求項３記載の光分析システム。
前記交差点を含む空間に前記検体である流体を保持する流体保持機構をさらに備える、請求項２から４のいずれかに記載の光分析システム。
測定部において検体に光を照射して当該検体からの光を分析する光分析システムに用いる測定装置であって、
受光部を有する携帯型端末機器とは別体であり、前記検体である流体が通過する流路と、
光源からの光を前記測定部に導く第１光路と、
前記測定部を経た光を前記受光部に導く第２光路と、
前記第２光路を前記携帯型端末機器に接続する接続部とを備え、
前記第１光路から出た光が、前記測定部において前記流路を通過して前記第２光路に入射するように前記第１光路及び前記第２光路の光軸が調整されている、測定装置。
測定部において検体に光を照射して当該検体からの光を分析する光分析システムを用いた光分析方法であって、
前記光分析システムは、
受光部を有する携帯型端末機器と、
前記携帯型端末機器とは別体であり、前記検体である流体が通過する流路と、
前記検体への光を発する光源と、
前記測定部から延びて前記光源へと接続される第１光路と、
前記測定部から延びて前記受光部へと接続される第２光路と、
前記第２光路を前記携帯型端末機器に着脱可能であるように取り付ける取付部とを有し、
前記第１光路から出た光が、前記測定部において前記流路を通過して前記第２光路に入射するように前記第１光路及び前記第２光路の光軸が調整されており、
前記流路を流体中に浸す浸漬ステップと、
前記流路を流れる流体に前記第１光路から光を照射する光照射ステップとを含む、光分析方法。