JP2007003409A - マイクロチップ検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 省エネルギー型のマイクロチップ検査装置を提供すること。
【解決手段】 検体を収納したマイクロチップに光を照射し測定を行うマイクロチップ検査装置において、筐体と、該マイクロチップに所定の波長の光を照射する光源部と、該マイクロチップが取り付けられるチップホルダと、該マイクロチップより放出される光を受光する受光部とを有するものであって、該光源部からの放熱を該チップホルダに伝達する熱伝達手段を備え、該マイクロチップを所定の温度にすることを特徴とするマイクロチップ検査装置とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、吸光光度測定あるいは蛍光測定などにより測定対象の液状の検体中における検出対象成分を同定し、その濃度を測定するためのマイクロチップ検査装置に関する。特に、人体の肝機能を診断する上で必要とされるＧＰＴ（グルタミン酸ピルビン酸トランスアミナーゼ）やγ−ＧＴＰ（γグルタミルトランスペプチターゼ）等の酵素活性を測定するために使用するマイクロチップ検査装置に関する。

近年、マイクロマシン技術を応用して、化学分析等を従来の装置に比して微細化して行うμ−ＴＡＳ（μ−ＴｏＴａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ）や「Ｌａｂ ｏｎ ａ ｃｈｉｐ」と称されるマイクロチップをした分析方法が注目されている。特許文献１にはこの技術が開示されている。このようなマイクロチップを使用した分析システムは、マイクロマシン作製技術によって小さな基板上に形成された微細な流路の中において、試薬の混合、反応、分離、抽出及び検出等の分析全ての工程を行うことを目指したものであり、例えば、医療分野における血液の分析、超微量の蛋白質や核酸等の生体分子の分析等に用いられている。

μ−ＴＡＳでは、抽出物質や反応性生物などを定量するために吸光光度法や蛍光法などの光学的測定方法がよく用いられる。吸光光度法は、マイクロチップ内に形成された断面が約１０〜５００μｍ角と非常に小さい測定セル内に検体を充填し、測定光をその測定セルに入射し、測定セルを通過した通過光を受光しその通過光に基づいて液の吸光量を測定し、成分濃度を検出する方法である。蛍光法は同じくマイクロチップ内に形成された断面が約１０〜５００μｍ角程度の測定セル内に充填した検体に測定光を入射したときに試料から発する蛍光の波長や強度を測定して、成分濃度を検出する方法である。

μ−ＴＡＳを利用した検査装置（以降マイクロチップ検査装置と呼称）において吸光光度測定や蛍光測定を行うための光源は、ハロゲンランプ等の連続光を放射する管球や単一波長の光を放射する高輝度ＬＥＤなどが用いられる。そして、生体物質の吸光光度法、蛍光法においては、試薬の反応時には生体の通常温度、例えば血液測定などでは人の体温近くの３７℃付近に加温することが必要となる。

特許文献２には医療や化学工業を含む広範な分野に使用される部材中に微小な流路を有する板状の微小ケミカルデバイスを温度調節する装置とその方法について開示されている。しかしながら、この開示技術は微小ケミカルデバイスの表裏両外面に接する、設定希望温度±１０℃の温度範囲に設定された温度調節ブロックを有するという技術である。その実施例において温度調節ブロックの加温には電気ヒータを用いている。また、特許文献２の中にはペルチェ素子による温調、温水、冷水、オイル等の液体を温度調節ブロック内に流す温調、赤外線やマイクロ波などの電磁波による温調について記載があるが、単に列記されての記載であり、具体的に電気ヒータ以外の手段でどのようにして温度調節ブロックの加温を行っているかは一切開示はされていない。
特開２００４−１０９０９９号公報 特開２００２−５８４７０号公報

検体を収納したマイクロチップに光を照射し吸光光度測定あるいは蛍光測定を行うマイクロチップ検査装置において、測定に使用するハロゲンランプ等の管球は、測定に必要な波長の光や可視光のほかにも熱エネルギーを放射もしている。また、高輝度ＬＥＤも放射光以外に熱エネルギーを放出する。
その熱エネルギーはいずれの光源を使う場合においても利用せずにマイクロチップ検査装置の外へ排出しており、エネルギー的に非効率であった。そこで本発明の目的は、測定用光源の熱エネルギーを利用してマイクロチップの温度を上昇させる省エネルギー型のマイクロチップ検査装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、検体を収納したマイクロチップに光を照射し測定を行うマイクロチップ検査装置において、該マイクロチップ検査装置は、筐体と、該マイクロチップに光を照射する光源部と、該マイクロチップが組み込まれるチップホルダと、該マイクロチップより放出される光を受光する受光部とを有するものであって、該光源部から発する熱を該チップホルダに伝達する熱伝達手段を備え、該マイクロチップを所定の温度にすることを特徴とするマイクロチップ検査装置とする。

本発明によれば、光源部からマイクロチップへの熱伝達手段を備えたマイクロチップ検査装置とすることで、光源部の発する熱エネルギーを、マイクロチップを加温するための熱源として利用できる。また、マイクロチップを別の熱源により加熱する機構を設けなくてよくなるか、または別の熱源に供給するエネルギーを減少させられるため、省エネルギーとすることができる。

本発明の実施の形態について図１〜図３を用いて説明する。図１は、本発明の一実施形態であり吸光光度測定用の装置であり、装置の概略の断面図として示す。本発明のマイクロチップ検査装置は、筐体１と、筐体１内に光源部２と、チップホルダ３と、受光部４とを有する。

光源部２の光源はランプホルダ２０２に収納されたランプ２０１である。ランプ２０１としては、この実施形態では、ショートアークキセノンランプが使用されている。ランプホルダ２０２の開口部２０３からショートアークキセノンランプからの放射光は放射され、放射光は光学レンズ５を通過するときにほぼ平行光にされ、測定に必要な波長域の光を通過させるフィルタ６を通り、後述する樹脂製のマイクロチップ１０の組み込まれた金属製のチップホルダ３に到達し、アパーチャ３１を通り、例えば血液等からなる液体の検体の収容されたマイクロチップ１０の測定セル１１を通って、受光部４のフォトダイオードで受光する。

ランプホルダ２０２とチップホルダ３は金属製の熱伝導部材３０で接続されている。熱伝導部材３０は基台となる板部材のベースプレート３５から立設され樋状の溝を備えた部材３０ａに平板状の蓋部材３０ｂを乗せたものとなっている。図１（ｂ）はＡ−Ａ´断面図を示す。樋状の溝を備えた部材３０ａと平板状の蓋部材３０ｂの間に光路が形成されている。

ショートアークキセノンランプから放射される光の成分のうち、赤外領域の光はランプホルダ２０２を暖め、ランプホルダ２０２に接続された熱伝導部材３０を伝わって、チップホルダ３に伝熱する。チップホルダ３は昇温し、目標の温度、例えば３７℃に到達する。そして、チップホルダ３に組み込まれたマイクロチップ１０の温度も３７℃に到達する。

本実施形態においては、吸光光度測定を開始する前にショートアークキセノンランプへの入力を増減してチップホルダの温度を３７℃に調整する。なお、本実施形態では光源としてショートアークキセノンランプを用いる例を示したが、ハロゲンランプ等の白熱ランプであってもよい。

図２は本発明の他の実施形態であり、概略の断面図として示す。筐体５５と、筐体５５内に光源部４０と、チップホルダ４３と、受光部４５とを有する。筐体５５には給排気用のスリット５５ａ、５５ｂを備える。光源部４０としては指向性の発光ダイオード４０１とヒートシンク４４の組み合わせたものが使用されている。指向性の発光ダイオードであるため、図１の実施形態とは異なり、別途光学レンズは不要である。なお、発光ダイオード４０１とヒートシンク４４については便宜上、外観の図としており、断面図ではない。

発光ダイオード４０１の放射光は測定に必要な波長域の光であり、チップホルダ４３に到達し、アパーチャ４９を通り、マイクロチップ５０の測定セル５１を通って、受光部４５のフォトダイオードで受光する。発光ダイオード４０１は発光時には５０〜６０℃になる。発光ダイオード４０１の発光面とは反対側の面にヒートシンク４４が取り付けられ、送風ファン４７の送風によって発光ダイオード４０１から発生した熱を蓄熱したヒートシンク４４からの熱がチップホルダ４３に向かい輸送される。

チップホルダ４３内にはマイクロチップ１０の近傍に位置するように温度センサ４６が配設されており、不図示であるが、温度の昇降温のデータを用いたフィードバック制御により送風ファン４７の回転数を可変する機能を備え、チップホルダ４３を所定の温度、例えば３７℃に到達させる。

図３は本発明の他の実施形態であり、概略図として示す。筐体は省略してある。図１、図２と異なり、図３は光源部とチップホルダの配置を上方から見た図で描いてあり、図３（ｂ）はＢ−Ｂ´断面を示す。
図３（ｂ）にはベースプレート８０を示したが、図３（ａ）ではベースプレート８０は省略してある。本実施形態においては、チップホルダ６３内に電気ヒータ７５が組み込まれており、光源部３００からの熱は付加的にマイクロチップ６０の昇温に寄与する。光源部３００としてはランプホルダ３０２に収納されたランプ３０１である。ランプ３０１としてはハロゲンランプが使用されている。ランプホルダ３０２の開口部３０３を通りランプ３０１からの放射光は放射され、光学レンズ６５でほぼ平行光にされ、測定に必要な波長域の光を通過させるフィルタ６６で選択された光が、チップホルダ６３に到達し、アパーチャ６９を通り、マイクロチップの測定セル６１を通って、受光部６４のフォトダイオードで受光する。ランプホルダ３０２とチップホルダ６３間は純水等の熱媒体が充填されたヒートパイプ７０で接続される。

図４は本発明の実施の形態におけるヒートパイプによる熱の流れを示す。光源部３００とチップホルダ６３の間に配したヒートパイプ７０のうちの1本を示したものである。ハロゲンランプからの排熱がヒートパイプ７０内の熱媒体に伝熱し（図中の（イ））、ヒートパイプ内部で熱媒体の沸騰（図中の（ロ））から熱媒体蒸気の低温部への移動（図中の（ハ））となり、熱媒体の凝集（図中の（ニ））があって、熱の放出（図中の（ホ））が起きる。そして、毛細管現象による熱媒体の還流（図中の（ヘ））のサイクルが生じ、この間の潜熱のやり取りを通じて熱がチップホルダ６３に輸送される。
なお、本実施形態では光源としてハロゲンランプを用いる例を示したが、ショートアークキセノンランプであってもよい。

なお、図１から図３で示したマイクロチップは１チップ内に検体を収納する１つの測定セルしか備えない１チップ単一測定セルの例を示したが、本発明はマイクロチップの温度を所定の温度にすることを可能にするものであり、適用されるマイクロチップは１チップ単一測定セルのものに限らず、１チップ内に異なった検体を収納する複数の測定セルを備え、複数の成分分析を１チップで行うことができる１チップ複数測定セルのマイクロチップに対しても当然に適用されるものである。

図５に本発明のマイクロチップ検査装置に使用されるマイクロチップ１０とチップホルダ６の一構成例を示す。マイクロチップ１０はＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＣ（ポリカーボネート）等の熱可塑性樹脂やエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂等のプラスチック材料からなる。この例で示したマイクロチップ１０は、２枚の板部材が貼り合わされてできている。貼りあわせ面の片面に予め溝が形成され、貼りあわせることで溝が空洞を形成する。そしてチップ外部と連通し分析液をチップに導入する分析液導入部１４と分析液と反応させるための試薬を充填した試薬溜まり部１５と分析液と試薬を混合する試薬混合部１３と混合して出来た検査液に外部から光を通過させる測定セル１１を備える。測定セル１１は板部材の一端面に沿って直線状に配設されている。

図１の装置構成における所定温度に維持する具体例を説明する。光源部２のランプは、ショートアークキセノンランプでありランプホルダ２０２内に装填し、６５Ｗで点灯した。マイクロチップ１０はたて３２ｍｍ横３０ｍｍ厚み２ｍｍのＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）樹脂製であり、３０ｍｍ角 ｔ２ｍｍ チップホルダ３内にセットされる。光学系は、レンズ５はΦ１５の平凸レンズ、フィルタ６は３４０ｎｍのバンドパスフィルタ、アパーチャ３１の径は０．３ｍｍであり、受光器４はシリコンフォトダイオードである。

被測定物としては血液分析における酵素のＧＯＴ（Glutamic-oxaloacetic tramsminase）であり、マイクロチップの設定温度を３７℃として測定時間は１チップあたり１０分を要する。

熱伝導部材３０として、銅またはアルミニウムなどの熱伝導性のよい金属のブロックを加工して、中空の角柱状の部材とし、その中空部分を光路としてランプホルダとチップホルダの間に接続し配設した。図１（ｂ）で示したように、樋状の溝を備えた部材３０ａと平板状の蓋部材３０ｂの間に光路が形成されている。マイクロチップ検査装置を設計するにあたり、チップホルダ３および熱伝導部材３０の寸法をその熱容量を計算し、マイクロチップ１０の温度が３７℃付近になるように決めた。特にチップホルダ３の寸法を大きくし、熱容量を大きくし、光学測定時にランプ電力を一定としたときにマクロチップの温度変化を低減させている。
吸光度測定を開始する前にショートアークキセノンランプへの入力を増減してチップホルダの温度を３７℃に調整した。その際、ランプ点灯１０分後に熱平衡に達した。光学測定時には、測定開始のとき３６．８℃であり、１０分後の測定終了時に３７．２であった。このように、測定の間の１０分間の温度変化は０．４ｅｇに収まり、ＧＯＴの測定に対して温度制御の精度は十分である。

図２の装置構成における所定温度に維持する具体例を説明する。発光波長４０５ｎｍの発光ダイオード４０１を６Ｗ点灯し、マイクロチップはたて３２ｍｍ横３０ｍｍ厚み２ｍｍのＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）樹脂製であり、３０ｍｍ角 厚み２ｍｍのチップホルダ４３内にセットされる。アパーチャ４９の径は０．３ｍｍであり、受光器４５はシリコンフォトダイオードである。

被測定物：γ−ＧＴＰ（γ−Glutamyltranspeptidase）であり、マイクロチップ５０の設定温度は３７℃で測定時間は１チップあたり１０分を要する。ベースプレート４８上にヒートシンク付きの発光ダイオード４０１、送風ファン４７、チップホルダ４３を取り付けた。チップホルダ４３の寸法は送風ファン４７からの風を十分受けられるように決めた。筐体５５の送風ファン４７の背面、チップホルダ４３の背面には筐体外部と通じるスリット５５ａ，５５ｂを設け、風がスムーズに流れるようにした。温度調節は送風ファン４７の回転数を、チップホルダ４３内に設置された温度センサからの温度データにより制御し風量を増減させることで実現した。発光ダイオード点灯２５分後に熱平衡に達し、温度調節時の温度は３７±０．２℃であった。光学測定時には測定開始のとき３７．１℃１０分後の測定終了時には３６．８℃であった。このように、測定の間の１０分間の温度変化は０．３ｄｅｇに収まり、γ−ＧＴＰの測定に対して温度制御の精度は十分である。

図３の装置構成における所定温度に維持する具体例を説明する。図３（ａ）は筐体を図示せず、装置を上方から見た図としている。図３（ｂ）はＢ−Ｂ´断面図であり、図３（ａ）では省略されているベースプレート８０を図示している。光源部３００のランプ３０１はハロゲンランプでありランプホルダ３０２内に装填し、５５Ｗで点灯した。マイクロチップ６０はたて３２ｍｍ横３０ｍｍ厚み２ｍｍのＰＥＴ樹脂製であり、３０ｍｍ角 厚み２ｍｍのチップホルダ６３内にセットされる。チップホルダ６３内には５Ｗの電気ヒータ７５が内装されている。光学系は、光学レンズ６５はΦ１５の平凸レンズ、フィルタ６６は４０５ｎｍのバンドパスフィルタ、アパーチャ６９の径は０．３ｍｍであり、受光器６４はシリコンフォトダイオードである。

被測定物としてはγ−ＧＴＰであり、マイクロチップ６０の設定温度は３７℃で測定時間は１チップあたり１０分を要する。ベースプレート８０上にランプホルダ３０２、チップホルダ６３、光学レンズ６５、フィルタ６６を取り付けた。ランプホルダ３０２とチップホルダ６３の間において、ランプ３０１とアパーチャ６９ を取り囲むようにヒートパイプ７０を取り付けた。取り付けるヒートパイプ７０の性能はマイクロチップ６０の温度が設定値よりやや低くなるように実験して決められた。ハロゲンランプ点灯１０分後に熱平衡に達し、電気ヒータ７５がＯＦＦのときの温度は３５℃であった。電気ヒータ７５をＯＮとしチップホルダ内に設置した温度センサ６７からの温度データにより電気ヒータ７５に印加する電圧を制御することにより温度調節を行うと３７±０．１℃であった。

なお、不図示ではあるが、ヒートパイプに替えて冷却液を充填した樹脂パイプをランプホルダとチップホルダとの間に接続して、ポンプで冷却液を循環させランプホルダからチップホルダに熱輸送する方法も採用できる。その場合は冷却液の循環速度を変えて温度調節する。

本発明の実施の形態を示す。 本発明の他の実施の形態を示す。 本発明の他の実施の形態を示す。 本発明の実施の形態におけるヒートパイプによる熱の流れを示す。 本発明のマイクロチップ検査装置に使用されるマイクロチップとチップホルダの一例を示す。

符号の説明

１ 筐体
２ 光源部
２０１ ランプ
２０２ ランプホルダ
２０３ 開口部
３ チップホルダ
４ 受光部
５ 光学レンズ
６ フィルタ
１０ マイクロチップ
１１ 測定セル
１２ アパーチャ部
１３ 試薬混合部
１４ 分析液導入部
１５ 試薬溜まり部
３０ 熱伝導部材
３０ａ 樋状の溝を備えた部材
３０ｂ 蓋部材
３１ アパーチャ
３５ ベースプレート
４０ 光源部
４０１ 発光ダイオード
４３ チップホルダ
４４ ヒートシンク
４５ 受光部
４６ 温度センサ
４７ 送風ファン
４８ ベースプレート
４９ アパーチャ
５０ マイクロチップ
５１ 測定セル
５５ 筐体
５５ａ、５５ｂ スリット
３００ 光源部
３０１ ランプ
３０２ ランプホルダ
３０３ 開口部
６０ マイクロチップ
６１ 測定セル
６３ チップホルダ
６４ 受光部
６５ レンズ
６６ フィルタ
６７ 温度センサ
６９ アパーチャ
７０ ヒートパイプ
７５ 電気ヒータ
８０ ベースプレート

Claims (1)

1. 検体を収納したマイクロチップに光を照射し測定を行うマイクロチップ検査装置において、
   該マイクロチップ検査装置は、筐体と、
   該マイクロチップに光を照射する光源部と、
   該マイクロチップが取り付けられるチップホルダと、
   該マイクロチップより放出される光を受光する受光部とを有するものであって、
   該光源部から発する熱を該チップホルダに伝達する熱伝達手段を備え、
   該マイクロチップを所定の温度にすることを特徴とするマイクロチップ検査装置。
   
   

Images