JP4631339B2 - 環境制御装置、温度調節装置および環境制御型分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、顕微鏡観察用容器内の環境を調節制御する環境制御装置に関する。

生物試料を培養中に観察したり分析するためには、所定の環境が必要である。そのために、生物試料を収納する培養容器が配置された閉鎖空間を所定の環境に制御する顕微鏡観察用容器が知られている（例えば、特許文献１参照）。この閉鎖空間の上下には、ヒータが配設されており、上方に配設されるヒータは、閉鎖空間を形成するスライドカバーに組み込まれ、スライドカバーの結露を防止する。

特開２００３−１０７３６４号公報（第８頁、第６図）

生物試料を培養しながら観察したり分析する場合、培養容器に雑菌などの異物が混入するのを防止するために、蓋付きの顕微鏡観察用培養容器が使用される。このような培養容器を用いると、容器内は密閉された状態あるいは密閉に近い状態となるため、水分などが蒸発して蓋の内面に曇りや結露を生じ易い。上記特許文献１の技術では、閉鎖空間の上面全体を覆うスライドカバーにヒータが取り付けられているので、スライドカバー自体の結露防止の効果はあるが、顕微鏡観察用容器の蓋の結露を防止することができないという問題がある。

請求項１に係る発明の環境制御装置は、試料室内の環境を調節する空調手段と、前記試料室内に収納される蓋付き培養容器の蓋の外表面温度を調節する調温手段と、前記空調手段および調温手段を制御する制御手段と、前記調温手段と前記蓋付き培養容器との距離を変えるように、前記調温手段を移動させる駆動機構を有し、前記調温手段を前記蓋付き培養容器の蓋に密着または近接させて保持する保持手段とを備えることを特徴とする。

請求項６に係る発明の温度調節装置は、試料室内に収納される蓋付き培養容器の蓋の外表面温度を調節する調温手段と、前記調温手段を制御する制御手段と、前記調温手段を前記蓋の上面と対峙するように保持する保持手段と、前記調温手段と前記蓋付き培養容器との距離を変えるように前記調温手段を移動させる駆動機構とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、調温手段を培養容器の蓋に密着または近接させて配置したので、培養容器の蓋の結露を防止することができる。

以下、本発明の実施の形態による環境制御装置について、図１〜６を参照しながら説明する。
〈第１の実施の形態〉
図１は、本発明の第１の実施の形態による環境制御装置の構成を模式的に示す全体構成図である。図２は、図１のＩ−Ｉ断面を拡大した矢視断面図である。図３は、図１のＩＩ−ＩＩ断面を拡大した矢視断面図である。図４は、本発明の第１の実施の形態による環境制御装置の制御回路の構成を示すブロック図である。

図１において、試料室１０は、蓋（カバー）付きのウエルプレートＷとウエルプレートＷの表面温度を調整する温度調節装置１とを収納しており、試料室１０全体は、密閉容器２０の中に収納されている。ウエルプレートＷは、生物試料Ｓを培養液や試薬とともに収容する複数のウエル（小室）を有し、生物試料などが収容された後に上面を密閉するカバーＣが付いている。

試料室１０は、天井部分が開放面１０Ａで示されるように開放され、底板１１には開口１１Ａが形成されている。カバー付きのウエルプレートＷは、各ウエルに生物試料Ｓと培養液が入れられた後、雑菌などの混入を防ぐためにカバーＣで上面を覆われ、試料室１０の開口１１Ａを閉鎖するように底板１１上に載置される。試料室１０は、二次元移動ステージ１２上に載置され、水平面に沿って２次元的に移動可能である。また、試料室１０の側面には、ウエルプレートＷを出し入れしたり、試料室内部のメンテナンスをするための開閉窓１３が設けられている。

密閉容器２０は、試料室１０、二次元移動ステージ１２および顕微鏡装置の対物レンズ２２を収納している。観察光学系２３、撮像装置２４および透過照明光学系２５は、密閉容器２０の外に配置されている。試料室１０の開放面１０Ａは、密閉容器２０の上板２１の下面に近接して平行をなしている。試料室１０が水平面に沿って２次元移動したときでも、試料室１０の開放面１０Ａと密閉容器２０の上板２１の下面とは近接した平行状態を保つので、試料室１０の内部は、密閉容器２０内および外界に対して気密性が保持される。

密閉容器２０の上板２１には、開口２０Ａが設けられ、開口２０Ａを開閉したり部材を切り換えるシャッタ機構２６が設けられている。これにより、外部から開口２０Ａを通して生物試料Ｓや培養液などを注入したり、透過照明光学系２５からの照明光を透過させることができる。密閉容器２０の上板２１の下面には、試料室１０内の温度、湿度およびガス濃度を検出するための温度／湿度センサー１４とＣＯ_２ガスセンサー１５とが設けられている。密閉容器２０の側面には、ウエルプレートＷを出し入れしたり、試料室１０や密閉容器２０の内部のメンテナンスをするための開閉窓２７が設けられ、密閉容器２０の下部には、対物レンズ２２等の光学系を湿気から保護するための除湿器２８が設けられている。

上記のように構成された試料室１０の内部は、外部に配置された空調装置３０と配管接続されており、所定の環境に維持される。空調装置３０は、所望の温度、湿度および組成のガスを生成し、このガスを試料室１０内へ循環させる装置であり、加熱／冷却器３１と、加湿器３２と、送風機（循環ポンプ）３３と、ＣＯ_２ガスボンベ３４と、温度／湿度センサー３５およびリザーブタンク３６とを備えている。

空調装置３０は、加熱／冷却器３１、加湿器３２を収納する筺体３０ａを有し、筺体３０ａ内には、ＣＯ_２ガスボンベ３４からＣＯ_２ガスが供給される。空調装置３０は、ガス供給チューブ３７とガス排出チューブ３８とによって密閉容器２０の上板２１に配管接続されている。

加熱／冷却器３１は、例えばペルチエ素子を用いて加熱と冷却の両方を行うことができる。加湿器３２は、例えば超音波霧化素子を用いて水槽内の水３２ａから超音波振動によって水蒸気を発生させることができる。また、加湿器３２は、ＣＯ_２ガスボンベ３４から電磁弁３４ａを介してＣＯ_２ガスを導入し、リザーブタンク３６から水の供給を受け、除湿器２８からドレインチューブ３２ｂを介して除湿により貯められた水を回収するように構成されている。以上により、空調装置３０の筺体３０ａ内で調整された調整ガスは、送風機３３によりガス供給チューブ３７を通って試料室１０へ供給され、試料室１０内の雰囲気ガスは、ガス排出チューブ３８によって空調装置３０へ戻されるという循環系が形成される。

上述した空調装置３０に加えて、本実施の形態の環境制御装置では、ウエルプレートＷの温度を調整する温度調節装置１をさらに備えている。

図２および図３を参照すると、温度調節装置１は、調温プレート１ａと調温プレート１ａを保持する保持部１ｂとを備えている。調温プレート１ａは、ガラス基板２と、ガラス基板２の上面に形成された透明導電膜３と、透明導電膜３を保護する透明樹脂層４と、上蓋５と、温度センサー６とが一体化された構造である。調温プレート１ａの下面の面積は、ウエルプレートＷの上面の面積（カバーＣの面積）にほぼ等しい。なお、ガラス基板２は、透明プラスチック基板に置き換えてもよい。

透明導電膜３は、図３に示されるように、ガラス基板２の上面のほぼ全域にわたってパターン状に形成されており、導線３ａにより不図示の電源に接続され、電流を流すことによって発熱する。透明導電膜３としては、例えば既知のＩＴＯ（Ｉｎ_２Ｏ_３−ＳｎＯ_２）膜が用いられる。ＩＴＯ膜３は、ガラス基板２上に厚さ０．１μｍで蒸着され、可視領域の波長の光に対し平均約８０％の透過率を有するので、ウエルの位置によらず、任意のパターン形状で形成しても、生物試料Ｓの観察や分析に支障はない。温度センサー６は、ガラス基板２の下面に形成された凹部に嵌め込まれ、導線６ａにより不図示の測定回路に接続されている。

保持部１ｂは、フレーム７と電磁ソレノイド８を備えている。フレーム７は、電磁ソレノイド８の軸心８ａに固定され、調温プレート１ａがフレーム７の枠内に落とし込まれると、上蓋５と係合して調温プレート１ａを支持する。ガラス基板２の下面に面取り部２ａを形成しておくと、落とし込み作業が容易になる。電磁ソレノイド８は、試料室１０の底板１１に固設され、電磁力により軸心８ａを昇降できる。従って、調温プレート１ａとウエルプレートＷのカバーＣとの距離を調節でき、調温プレート１ａをカバーＣに密着または近接させることができる。また、保持部１ｂは、電磁ソレノイド８により調温プレート１ａを昇降できるので、ウエルプレートＷの交換作業をも容易に行うことができる。ウエルプレートＷの交換は、図１において、アクチュエータ２９によりウエルプレートＷを左右方向に移動させることで実行できる。

再び、図１を参照して、ウエルプレートＷ中の生物試料Ｓの顕微鏡観察について説明する。透過像観察では、透過照明装置２５からの照明光がシャッタ機構２６、開口２０Ａを通過し、調温プレート１ａを透過してウエル中の生物試料Ｓを照射する。生物試料Ｓを透過した光は、ウエルプレートＷの底板を介して対物レンズ２２に入射する。対物レンズ３１に入射した光は、観察光学系２３により撮像装置２４へ至り、撮像装置２４の撮像素子上に結像する。別のウエルに注入された生物試料Ｓを観察する場合は、二次元移動ステージ１２によりウエルプレートＷを水平面に沿って移動させる。

以下、図４を参照しながら、空調装置３０および温度調節装置１の調温プレート１ａの制御について説明する。図４では、試料室１０、密閉容器２０、空調装置３０および温度調節装置１は、図１に示すものと同じであるが、図１に比べて簡略化されている。

制御装置４０は、温度制御回路４１と、湿度制御回路４２と、ＣＯ_２ガス濃度制御回路４３と、これら３つを統括して制御する全体制御マイコン４４とを備えている。全体制御マイコン４４は、温度制御回路４１、湿度制御回路４２およびＣＯ_２ガス濃度制御回路４３と電気的に接続されている。温度制御回路４１は、結線４１ａにより加熱／冷却器３１に、結線４１ｂにより温度／湿度センサー３５に、結線４１ｃにより温度／湿度センサー１４に、結線４１ｄにより調温プレート１ａに、結線４１ｅにより温度センサー６にそれぞれ接続されている。

湿度制御回路４２は、結線４２ａにより加湿器３２に、結線４２ｂにより温度／湿度センサー３５に、結線４２ｃにより温度／湿度センサー１４にそれぞれ接続されている。ＣＯ_２ガス濃度制御回路４３は、結線４３ａにより電磁弁３４ａに、結線４３ｂによりＣＯ_２ガスセンサー１５にそれぞれ接続されている。

先ず、空調装置３０による試料室１０内の環境調節について説明する。温度の調整は、温度制御回路４１を用いて、空調装置３０内の温度／湿度センサー３５と試料室１０内の温度／湿度センサー１４の温度測定値をフィードバックして、加熱／冷却器３１のペルチエ素子に印加する電圧を制御することにより行われる。湿度の調整は、湿度制御回路４２を用いて、空調装置３０内の温度／湿度センサー３５と試料室１０内の温度／湿度センサー１４の湿度測定値をフィードバックして、加湿器３２の超音波霧化素子への駆動電圧を増減することにより行われる。ＣＯ_２ガス濃度の調整は、ＣＯ_２ガス濃度制御回路４３を用いて、試料室１０内のＣＯ_２ガスセンサー１５の測定値をフィードバックして電磁弁３４ａの開放量（バルブの回転数、回転角度）を増減することにより行われる。

このようにして調整されたガスは、試料室１０内で例えば、３７℃、８０％以上のＲＨ、５％のＣＯ_２ガス濃度であり、空調装置３０からガス供給チューブ３７によって試料室１０へ供給され、試料室１０からガス排出チューブ３８によって空調装置３０へ戻る。この循環経路により、試料室１０内は常に所定の環境に維持される。

次に、調温プレート１ａによるウエルプレートＷの表面温度の調節について説明する。ウエルプレートＷの表面温度の調整は、温度制御回路４１を用いて、調温プレート１ａの温度センサー６の温度測定値をフィードバックして、透明導電膜３に流す電流を増減することにより行われる。ウエルプレートＷの表面温度は、次のようにして設定される。

図２に示したように、カバー付きのウエルプレートＷは、各ウエルに生物試料Ｓと培養液Ｍが入れられた後にカバーＣで上面を覆われているので、ウエル内の相対湿度は１００％近くに達する。ウエルプレートＷの外部あるいは外側表面の温度がウエル内の温度より低くなると、ウエル内の水蒸気などが過飽和に達して曇りや結露といった現象が生じる。曇りや結露を防止するためには、ウエルプレートＷの外部あるいは外側表面の温度をウエル内の温度と同等以上にすればよい。温度制御上、安全を考えると、ウエルプレートＷの外部あるいは外側表面の温度をウエル内の温度よりやや高めとし、例えば温度差を０．２℃とすればよい。すなわち、調温プレート１ａの温度センサー６の測定温度を試料室１０内の温度／湿度センサー１４の測定温度よりも０．２℃だけ高く設定するように、全体制御マイコン４４から入力すればよい。

上述したように、本実施の形態では、調温プレート１ａをウエルプレートＷに密着ないし近接させてウエルプレートＷの表面温度を調節するので、ウエルプレートＷの曇りや結露を効率良く防止できる。また、保持部１ｂにより調温プレート１ａを昇降できるので、ウエルプレートＷの高さが変わっても調温プレート１ａを常に所定の位置にセットでき、ウエルプレートＷの試料室１０への出し入れを容易に行うことができる。

〈第２の実施の形態〉
図５は、本発明の第２の実施の形態による環境制御装置の温度調節装置の部分断面図である。図６は、図５のＩＩＩ−ＩＩＩ断面による矢視断面図である。
本実施の形態では、温度調節装置１０１のみが第１の実施の形態による温度調節装置１と異なるので、温度調節装置１０１のみを説明し、同じ構成部品には同一符号を付し、説明を省略する。なお、図５の部分断面図は、図１のＩ−Ｉ断面に相当するものであり、図６の部分断面図は、図１のＩＩ−ＩＩ断面に相当するものである。

図５において、カバー付きのウエルプレートＷは、図２と同様、各ウエルに生物試料Ｓと培養液Ｍが注入され、カバーＣで上面を覆われ、試料室１０の開口１１Ａを閉鎖するように底板１１上に載置される。温度調節装置１０１は、調温プレート１０１ａと調温プレート１０１ａを保持する保持部１ｂとを備えている。調温プレート１０１ａは、Ｎｉ合金抵抗体膜１０３と、Ｎｉ合金抵抗体膜１０３を挟持するヒータ保持シート１０４と、上蓋５と、温度センサー６とが一体化された構造である。調温プレート１０１ａの下面の面積は、ウエルプレートＷの上面の面積（カバーＣの面積）にほぼ等しい。

Ｎｉ合金抵抗体膜１０３は、図６に示されるように、ウエルプレートＷの各ウエルの位置と大きさに対応して円形パターン状に形成されており、導線３ａにより不図示の電源に接続され、電流を流すことによって発熱する。Ｎｉ合金抵抗体膜１０３は、照明光に対して透明ではないので、照明光が透過する領域には成膜しない。ヒータ保持シート１０４は、環状パターンのＮｉ合金抵抗体膜１０３を完全に挟み込み、図６に示されるように、６個の円形の開口１０２を有するシートである。従って、照明光は、調温プレート１０１ａを通過するときには、光強度の低下は全然ない。ヒータ保持シート１０４は、例えばシリコーンゴムで作製される。シリコーンゴムは、ウエルプレートＷのカバーＣに密着し易く、Ｎｉ合金抵抗体膜１０３の発熱エネルギーを効率良くウエルプレートＷへ伝達することができる。ヒータ保持シート１０４は、透明性は必要ないが可撓性は必要であり、シリコーンゴム以外の合成ゴムやプラスチックなどが使用可能である。

調温プレート１０１ａを保持する保持部１ｂは、第１の実施の形態と同一であり、温度制御回路４１を用いた温度調節方法や温度設定方法も第１の実施の形態と同じであり、同様の効果を奏する。

以上説明したように、本発明の環境制御装置は、空調装置３０と温度調節装置１，１０１とを有するので、ウエルプレートＷの温度を精密に設定することができ、ウエルプレートＷの曇りや結露を有効に防止できる。カバーＣにより、ウエル内が密閉状態に保たれている場合でも、わずかな隙間を残して密閉に近い状態に保たれている場合でも、カバーＣの内面の曇りや結露を有効に防止できる。

本発明は、その特徴を損なわない限り、以上説明した実施の形態に何ら限定されない。
第１、第２の実施の形態では、本発明の環境制御装置を顕微鏡装置と組み合わせて、環境を制御されたウエルプレートＷ中の生物試料Ｓを顕微鏡装置により観察する場合を説明したが、顕微鏡装置に限らず、光学的な分析や測定を行う装置と組み合わせて使用することもできる。例えば、生物試料の生化学反応による発光の波長分析を行う装置や蛍光強度の測定を行う装置と組み合わせて使用することができる。なお、上記の実施の形態の調温プレート１ａ，１０１ａは、調温手段に対応し、保持部１ｂは、保持手段に対応する。

本発明の第１の実施の形態に係る環境制御装置の構成を模式的に示す全体構成図である。 図１のＩ−Ｉ断面を拡大した矢視断面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ断面を拡大した矢視断面図である。 本発明の第１の実施の形態による環境制御装置の制御回路の構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施の形態に係る環境制御装置の温度調節装置の部分断面図である。 図５のＩＩＩ−ＩＩＩ断面による矢視断面図である。

符号の説明

１，１０１：温度調節装置
１ａ，１０１ａ：調温プレート
１ｂ：保持部
２：ガラス基板
３：透明導電膜
４：透明樹脂層
５：上蓋
６：温度センサー
７：フレーム
８：電磁ソレノイド
１０：試料室
１４，３５：温度／湿度センサー
１５：ＣＯ_２ガスセンサー
２０：密閉容器
３０：空調装置
４０：制御装置
４１：温度制御回路
４２：湿度制御回路
４３：ＣＯ_２ガス濃度制御回路
４４：全体制御マイコン
１０２：開口
１０３：Ｎｉ合金抵抗体膜
１０４：ヒータ保持シート
Ｓ：生物試料
Ｗ：ウエルプレート

Claims (11)

1. 試料室内の環境を調節する空調手段と、
   前記試料室内に収納される蓋付き培養容器の蓋の外表面温度を調節する調温手段と、
   前記空調手段および調温手段を制御する制御手段と、
   前記調温手段と前記蓋付き培養容器との距離を変えるように、前記調温手段を移動させる駆動機構を有し、前記調温手段を前記蓋付き培養容器の蓋に密着または近接させて保持する保持手段とを備えることを特徴とする環境制御装置。
2. 請求項１に記載の環境制御装置において、
   前記調温手段は、前記蓋の上面と対峙するプレート状であって、前記蓋付き培養容器内の試料を照明する照明光の光束入射部分が透明であることを特徴とする環境制御装置。
3. 請求項２に記載の環境制御装置において、
   前記調温手段は、透明基板と、この透明基板に形成された透明導電膜とを有することを特徴とする環境制御装置。
4. 請求項２に記載の環境制御装置において、
   前記調温手段は、透明基板と、この透明基板に形成されて前記照明光の光束入射部分を取り囲む環状のパターン形状をなす電気抵抗体膜とを有することを特徴とする環境制御装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の環境制御装置と、
   顕微鏡装置または光学的分析装置とを備えることを特徴とする環境制御型分析装置。
6. 試料室内に収納される蓋付き培養容器の蓋の外表面温度を調節する調温手段と、
   前記調温手段を制御する制御手段と、
   前記調温手段を前記蓋の上面と対峙するように保持する保持手段と
   前記調温手段と前記蓋付き培養容器との距離を変えるように前記調温手段を移動させる駆動機構とを備えることを特徴とする温度調節装置。
7. 請求項６に記載の温度調節装置において、
   前記調温手段は、プレート状であって、前記蓋付き培養容器内の試料を照明する照明光の光束入射部分が透明であることを特徴とする温度調節装置。
8. 請求項７に記載の温度調節装置において、
   前記調温手段は、透明基板と、この透明基板に形成された透明導電膜とを有することを特徴とする温度調節装置。
9. 請求項７に記載の温度調節装置において、
   前記調温手段は、透明基板と、この透明基板に形成されて前記照明光の光束入射部分を取り囲む環状のパターン形状をなす電気抵抗体膜とを有することを特徴とする環境制御装置。
10. 請求項６〜９のいずれか一項に記載の温度調節装置と、
    前記試料室内の環境を調節する空調手段を有することを特徴とする環境制御装置。
11. 請求項１０に記載の環境制御装置と、
    顕微鏡装置または光学的分析装置を備えることを特徴とする環境制御型分析装置。
    

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