JP4645739B2 - 微量液体試料用光学測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、液体試料に光を照射してその透過光を測定する光学測定装置に関し、特に微量の液体試料の透過特性を測定するための分光光度計等の光学測定装置に関する。

紫外可視分光光度計等の分光光度計において、液体試料の透過率や吸光度などの透過特性を測定する際には、液体試料を収容する角形状或いは円筒形状のキュベットセルを用いるのが一般的である。一般的なキュベットセルの内容積は数ｍＬ以上であり、これを満たすために十分な量の液体試料を用意する必要がある。

近年、蛋白質やＤＮＡの定量などの生化学分野で紫外可視分光光度計が利用されることが多くなっているが、こうした際に分析対象である液体試料はその量が極めて少量であることが多い。特にＤＮＡ関連の分析においては、試料が貴重で且つ高価であるため、数μＬ以下の液体試料を用いて分析を行う必要がある場合もある。こうした微量液体試料の分析では上記のようなキュベットセルを用いることはできない。

微量液体試料の分光測定を行う装置として、従来、米国ナノドロップテクノロジーズ社が販売している分光光度計ND-1000が知られている（非特許文献１参照）。この分光光度計では、図８に示すように、上下に対向させて所定距離離間して設けた上部側基部５０と下部側基部５２との間の空間に表面張力によって液体試料５４を上下方向に橋架し、上部側基部５０内に設けた投光側光ファイバ５１から出射した測定光を液体試料５４中に通過させ、下部側基部５２内に設けた受光側光ファイバ５３で受ける構成となっている。液体試料５４中の光路長は１ｍｍ程度に設定されており、１〜２μＬ程度のごく微量の液体試料の分析が可能であるとされている。

しかしながら、上記従来の分光光度計では、１つの試料の測定を終了した後に次の試料の測定を行う際に投光側・受光側の両方の光ファイバ端面を例えばラボペーパーで拭うことで清浄化する必要がある。こうした作業は１つの試料測定が終了する毎に手作業で行う必要があるため手間がかかる。また、多数の試料を自動的に交換しながら測定することができないため、スループットが低いという問題もある。

「ナノドロップND-1000 オーバービュー (NanoDrop ND-1000 Overview)」、[online]、米国ナノドロップ・テクノロジーズ社 (NanoDrop Technologies)、[平成１８年３月１５日検索]、インターネット<URL : http://www.nanodrop.com/nd-1000-overview.html>

本発明は上記課題に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、１〜２μＬ程度或いはそれ以下のごく微量の液体試料の透過測定を、面倒な手作業に頼ることなく高いスループットで以て行うことができる微量液体試料用光学測定装置を提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明は、微量の液体試料の透過特性を測定するために該液体試料に測定光を照射し、液体試料を透過して出射する透過光を測定する光学測定装置であって、
a)少なくともその下部が透明であって上方から滴下された液体試料を保持可能である試料保持部が上面に複数形成されてなる平板状の支持手段と、
b)前記支持手段に設けられた複数の試料保持部が少なくとも測定位置と試料供給位置との間で順番に移動するように該支持手段を移動させる移動手段と、
c)前記試料供給位置において試料保持部に液体試料を滴下する試料供給手段と、
d)前記測定位置において試料保持部に保持されている液体試料の上にその底面と平行な界面を形成するように、該試料保持部上方に移動可能に設けられた透明な押さえ手段と、
e)前記測定位置において前記試料保持部と前記押さえ手段の下面とで囲まれる空間に液体試料を保持させた状態で、その上方向又は下方向から測定光を照射して下方向又は上方向に透過した光を測定する測光手段と、
f)前記測光手段により測定が終了した試料保持部が前記移動手段により測定位置から試料供給位置まで移動される間の移動経路上にあって、該試料保持部に接触して液体試料を拭き取る第１拭き取り手段と、
g)前記測光手段により測定が終了した後に前記押さえ手段の下面に接触して液体試料を拭き取る第２拭き取り手段と、
を備えることを特徴としている。

例えば、上記試料保持部は底面が平面である溝であるものとすることができる。この溝は平板状の基体の上面を切削することにより形成してもよいが、平板状の基体の上面に、開口を形成した平板状部材を貼着したり或いは２枚の平板状部材を所定距離離間して貼着したりすることで溝を形成するようにしてもよい。また、上記試料保持部はその周囲の平面よりも上方に突出した、上面が平面である突部とすることもできる。いずれにしても、試料保持部はその底面が平面であり、該底面よりも下部が透明体で構成されることが必要である。

本発明に係る光学測定装置においては、複数の試料保持部の中の或る１つの試料保持部が試料供給位置にあるときに試料供給手段は液体試料をその試料保持部に微量滴下する。滴下された液体試料は液体の表面張力によって、例えば溝の内部又は突部の上面で盛り上がった液滴状となる。その後に、移動手段により支持手段が移動されて該試料保持部が測定位置に達すると、試料保持部に保持されている液滴の上を覆うように押さえ手段が移動されて該押さえ手段の下面と試料保持部の底面との間に液体試料が満ちる。その状態で測光手段により液体試料に測定光が照射され、透過光が測定される。液体試料と押さえ板との界面である上面と、液体試料と試料保持部との界面である底面との間の間隔が、液体試料中の光路長となる。

上記のように測定が終了すると、移動手段により支持手段が移動されて上記試料保持部は測定位置から試料供給位置へと移動するが、その移動の途中に第１拭き取り手段が設けられており、試料保持部は第１拭き取り手段に接触し、或いは接触した状態で摺動するので、試料保持部に保持されていた液体試料は第１拭き取り手段により拭き取られる。そして、試料保持部に次の測定対象である液体試料を滴下し得る状態となって試料供給位置に戻る。一方、測光手段による測定が終了すると、第２拭き取り手段は押さえ手段の下面に付着している液体試料の残滓を拭き取り、次の測定に備える。

複数の各試料保持部に対して上述したような作業が順番に繰り返し実行され、或る試料保持部において測定が実行されているときに別の試料保持部に液体試料を滴下し、さらに別の試料保持部では第１拭き取り手段による測定済み液体試料の拭き取りが実行される等、同時に異なる作業が実行される。

このように本発明に係る微量液体試料用光学測定装置によれば、支持手段の移動に伴う試料保持部の位置の切り替えに連動して、測定後の不要になった液体試料を除去する動作が自動的に実行される。したがって、作業者が試料の拭き取り等の面倒な作業を行う必要がなく省力化を図ることができる。また、液体試料の供給（滴下）→測定→液体試料の除去、の各作業が自動的に且つ循環的に実行されるため、測定のスループットを向上させ、大量の試料を比較的短い時間で処理することが可能である。

また本発明の一態様として、上記移動手段は垂直な軸に対して前記支持手段を回転駆動するものであり、前記複数の試料保持部は前記軸を中心とする円上に配置され、該支持手段の一方向への回転に伴って１つの試料保持部は前記測定位置と前記試料供給位置との間で移動し、その間の移動経路上に前記第１拭き取り手段が配設されている構成とすることができる。

この構成によれば、回転の軸を中心にしてその周囲に、測光手段、試料供給手段、及び第１拭き取り手段を適宜に配置すればよく、また移動手段は支持手段を一方向に回転させるために一般のモータを用いればよいので、構造が簡単になりコストを低く抑えることができる。

また上記構成では、前記第１拭き取り手段が拭き取り位置に設けられ、前記支持手段に設けられた１つの試料保持部が、前記試料供給位置、前記測定位置、及び前記拭き取り位置に順次移動して停止するように、前記移動手段は前記支持手段を間欠的に移動させる構成とするのがよい。また、この場合、前記移動手段による前記支持手段の間欠的な移動に伴い、該支持手段に設けられた複数の試料保持部は、前記試料供給位置、前記測定位置、及び前記拭き取り位置に順次移動される構成とするとよい。

こうした構成によれば、複数の試料保持部で同時に異なる作業（動作）が実行されるので動作に無駄がなく、多数の試料に対する連続的な測定において測定間隔を短くしてスループットを向上させることができる。

また、前記押さえ手段は上下に移動可能であり、該押さえ手段が上方に移動した状態において前記第２拭き取り手段は水平に移動して該押さえ手段の下面の拭き取りを行う構成とすることができる。この構成によれば、押さえ手段の下面に付着した液体試料を測定終了毎に迅速に払拭することができる。

本発明の一実施例である紫外可視分光光度計の概略構成図。 本実施例の紫外可視分光光度計における試料プレートの上面とその上方に配置される部材とを示す図。 図２中のＡ−Ａ’矢視線断面図。 図１中のＢ−Ｂ’矢視線端面図。 窓板拭き取り用のクリーニングパッド構造を示す概略上面図。 ４つの試料保持部の動作の遷移を示す図。 試料プレート上の試料保持部の他の形態を示す断面図。 従来の微量液体試料の保持方法の説明図。

以下、本発明に係る微量液体試料用光学測定装置の一実施例である紫外可視分光光度計について図面を参照して説明する。図１は本実施例による紫外可視分光光度計の概略構成を示す側面図である。

図１において、略水平に延展する円盤形状である試料台１０の上には、液体試料を保持するための試料保持部１２が４つ形成された円盤形状の試料プレート（本発明における支持手段に相当）１１が装着されており、この試料プレート１１は試料台１０と一体に図示しないモータ等を含む駆動機構（本発明における移動手段に相当）により回転軸１３を中心に略水平面内で回転自在となっている。なお、試料台１０には４つの試料保持部１２の下方にそれぞれ開口が形成されている。

直立して設けられた支持柱１５の上部に取り付けられた光源１６から略水平方向に出射された光は平面鏡１７でほぼ真下に向けられ、集光レンズ１８により集光されて測定光として、後述する測定位置にある試料保持部１２に保持されている液体試料にほぼ真上から照射される。測定光は液体試料中を通過して透過光として真下に抜け、その下方に設置されているスリット１９で光域が制限された後に回折格子２０に導入される。この回折格子２０で透過光は波長分散されて拡がり、拡がった波長分散光は例えばＣＣＤリニアセンサ等であるマルチチャンネル型の検出器２１により一斉に検出される（これら構成要素は本発明における測光手段に相当する）。

集光レンズ１８と試料プレート１１の間の光路中には透明体から成る窓板２２が設けられ、窓板（本発明における押さえ手段に相当）２２は支持柱１５に対して上下動自在である窓板ホルダ２３により保持されている。図１では、窓板２２の下面は試料プレート１１の上面から離れているが、実際に測定を行うときには窓板２２の下面は試料プレート１１の上面に接触している。

図２は試料プレート１１の上面とその上方に配置される部材との位置関係を示す図、図３は図２中のＡ−Ａ’矢視線断面図、また図４は図１中のＢ−Ｂ’矢視線端面図である。図２に示すように、円盤形状の試料プレート１１の外周側で回転軸１３を中心とする同一円上には、９０°の回転角度間隔で以て４つの試料保持部１２が形成されている。

図３（ａ）に示すように、試料プレート１１は、光の透過性が良好である材料、例えば石英ガラスなどから成る薄い平板状の基台１１ａの上面に、径方向に細長い矩形状の開口部が形成された遮光性を有する材料、例えば金属から成る薄い遮光部材１１ｂを貼着したものである。その開口部のエッジは略Ｖ字状に形成されている。これにより、基台１１ａの上には、垂直断面台形状（底辺が上辺より短い）であって試料プレート１１の径方向に細長い上面矩形状の溝が形成され、この溝が試料保持部１２となっている。遮光部材１１ｂの開口部の内側面がこの試料保持部１２の側面であり、基台１１ａの上面が試料保持部１２の底面となる。

上述したように試料プレート１１は回転軸１３を中心に回転駆動されるが、この回転に伴う試料保持部１２の移動軌跡上には４つの位置が固定的に設定されている。即ち、上記窓板２２の真下には測定位置Ｕ２が設けられ、該測定位置Ｕよりも９０°回転後方の位置には試料供給位置Ｕ１が設けられ、上記測定位置よりも９０°回転前方の位置には拭き取り位置Ｕ３が設けられ、測定位置Ｕ２と１８０°対向する位置には待機位置Ｕ４が設けられている。

そして、試料プレート１１は、４つの試料保持部１２が上記４つの位置Ｕ１〜Ｕ４において一定時間停止するように９０°角度ずつ間欠的に回転駆動されるようになっている。したがって、或る１つの試料保持部１２に着目すれば、その試料保持部１２は、試料プレート１１の間欠的回転に伴って、試料供給位置Ｕ１→測定位置Ｕ２→拭き取り位置Ｕ３→待機位置Ｕ４、と順に移動し、その後は再び試料供給位置Ｕ１に戻り、これを循環的に繰り返すことになる。また、或る時点でみると、４つの試料保持部１２のうちの１つは試料供給位置Ｕ１に、１つは測定位置Ｕ２に、１つは拭き取り位置Ｕ３に、そして他の１つは待機位置Ｕ４にある。したがって、上述したように９０°角度ずつ試料プレート１１が回転されると、各位置Ｕ１〜Ｕ４に来る試料保持部１２が順番に入れ替わることになる。

測定位置Ｕ２の上下には窓板２２及び回折格子２０が存在するが、そのほか、図４に示すように、試料供給位置Ｕ１の上方には微量の液体試料を滴下する試料滴下部２５が設けられ、拭き取り位置Ｕ３の上方には試料プレート１１の上面に適度な圧力で以て押し付けられて接触している不織布等の吸収材から成るクリーニングパッド（本発明における第１拭き取り手段に相当）２６が配設されている。なお、実際には、図２に示すようにクリーニングパッド２６は拭き取り位置Ｕ３にのみ存在しているのではなく、その位置Ｕ３を挟んだ前後の或る程度の広い範囲をカバーするように配置されている。

図示しないが、試料滴下部２５は、予め用意された多数の液体試料を所定の順番に採取して滴下できる構成を有している。その滴下量は数μＬ以下、好ましくは１〜２μＬ乃至それ以下のごく微量である。

本実施例の紫外可視分光光度計による分析動作を説明する。いま、試料プレート１１上の１つの試料保持部１２に着目して説明すると、まずこの試料保持部１２が待機位置Ｕ４にあるときにはそれ以前の拭き取り動作により試料保持部１２の溝内部の液体試料の残滓はきれいに拭き取られた状態にある。この状態から試料プレート１１（及び試料台１０）が９０°回転駆動されると、上記試料保持部１２は試料供給位置Ｕ１に来る。すると、試料滴下部２５は予め用意された液体試料を規定量だけ滴下する。滴下された液体試料は表面張力によって試料保持部１２の溝内であまり広がらず、図３（ｂ）に示すように球形状に近い液滴となって盛り上がった状態で保持される。

次に、この状態から試料プレート１１が９０°回転駆動されると、上記試料保持部１２は測定位置Ｕ２に来る。この間の移動の際には窓板２２は窓板ホルダ２３により上方に退避されており、窓板２２の下面は試料プレート１１上面や液体試料に接触しない。試料プレート１１の回転が一時的に停止されると、窓板２２は、図３（ｃ）に示すように、その下面が試料プレート１１の上面に軽く接触する位置まで降下される。すると、窓板２２に押されて上述したように盛り上がっている余分な液体試料は試料保持部１２の溝の長手方向（つまり試料プレート１１の径方向）に拡がるように流れる。そして、測定光の通過位置では、試料保持部１２の溝と窓板２２の下面との間に形成される断面台形状の空間に液体試料が満ちた状態となる。

この状態で、上述したように測定光が真上から垂直下方に向けて照射され、この測定光の光軸は試料保持部１２の中心付近を通過し、上記のように略台形状の空間に満ちた液体試料中を通過した透過光が真下に抜けてスリット１９を通過する。したがって、試料保持部１２の溝の深さが液体試料の光路長となり、最初に滴下された液体試料の量に依存せずに光路長は一義的に決まる。測定光中の特定の波長成分は液体試料中で吸収されるから、検出器２１で一斉に検出される各波長毎の光強度信号を図示しない信号処理部で処理することにより、液体試料の透過特性を反映したスペクトルを作成することができる。なお、液体試料が存在する部分以外は遮光部材１１ｂに覆われているため、試料プレート１１の上面に照射される測定光の光径が試料保持部１２の溝の幅よりも大きくても、そのはみ出た部分は遮光部材１１ｂにより遮蔽される。

検出器２１で得られる光強度信号の取り込みが終了することで測定が終了すると、窓板ホルダ２３により窓板２２は上昇され、試料プレート１１は９０°回転駆動されて上記試料保持部１２は拭き取り位置Ｕ３に来る。上述したように実際には、試料保持部１２が拭き取り位置Ｕ３に到達するまでに該試料保持部１２はクリーニングパッド２６の下面に接触して摺動するから、試料保持部１２の溝内の液体試料はクリーニングパッド２６に吸収され、試料保持部１２が拭き取り位置Ｕ３に暫時停止している期間に液体試料はさらに吸収されて完全に除去される。

一方、測定の終了に伴い上昇された窓板２２が上昇位置で停止すると、図５に示すように、試料プレート１１の回転動作に連動して、側方に退避されていたアーム２８が揺動し、アーム２８の端部に設けられていた、上記クリーニングパッド２６と同様の材料から成るクリーニングパッド（本発明における第２拭き取り手段に相当）２７の上面が窓板２２の下面に接触して摺動する。先の測定の際に窓板２２の下面にも液体試料が付着するが、上記摺動により液体試料の残滓は拭き取られる。この窓板２２の下面の拭き取り動作は、測定の終了した試料保持部１２が測定位置Ｕ２から拭き取り位置Ｕ３に到達するまでの間に実行される。これにより、測定済みの液体試料は、試料保持部１２及び窓板２２の両方から除去される。

そして、さらに試料プレート１１が９０°回転駆動されると上記試料保持部１２は拭き取り位置Ｕ３から待機位置Ｕ４に移動し、待機位置Ｕ４で暫時待機した後に再び試料供給位置Ｕ１に進んで、上述したような動作を繰り返す。

上記一連の動作は試料プレート１１上の或る１つの試料保持部１２に着目したものであるが、前述のように４つの試料保持部１２は９０°角度間隔で設けられており、試料供給位置Ｕ１を初めとする４つの位置Ｕ１〜Ｕ４も同様に９０°角度間隔で設けられているため、４つの試料保持部１２に対して各位置Ｕ１〜Ｕ４での動作は同時に且つ循環的に実行されることになる。即ち、４つの試料保持部を１２ａ〜１２ｄとしたときに、９０°ずつの試料プレート１１の回転毎に各試料保持部１２ａ〜１２ｄに対して実行される動作は図６に示すようになる。このようにして、試料プレート１１を９０°回転させる毎にそれぞれ１つの液体試料に対する測定を実行することができ、測定を行っていない空き時間を少なくして効率的に連続分析を行うことができる。

図７は試料プレート１１上に設けられた試料保持部１２の別の形態を示す断面図である。図７（ａ）に示すように、遮光性を有する材料から成る円盤状の基台１１ｃに上下に貫通する円形状の穴が設けられ、その穴に透明な材料から成る円柱体１１ｄが挿設されている。円柱体１１ｄの平坦な下面は基台１１ｃの下面と面一にされ、円柱体１１ｄの平坦な上面は基台１１ｃの上面よりも上方に突出している。図７（ｂ）に示すように、この円柱体１１ｄの上面の上に微量の液体試料が滴下されるが、滴下された液体試料は表面張力によって球形状になる。

その上から窓板２２を、その下面と円柱体１１ｄの上面との間の間隔が所定距離となる位置まで降下させる。図７（ｃ）に示すように、窓板２２により押された液体試料は上記球形の液滴が崩れて広がるが、窓板２２の下面と円柱体１１ｄの上面との間の狭い空間には液体試料が満ちる。したがって、このようにしても液体試料中の測定光の光路長が定まり、円柱体１１ｄを通過して下方に抜けた透過光を測定することで上記と同様の透過測定が行える。このように試料保持部１２が上方に突出した構造であれば、上記のように溝形状である場合に比べてクリーニングパッドによる液体試料の拭き取りが容易であるという利点がある。

また、それ以外にも、光の透過性が良好である材料、例えば石英ガラスなどから成る薄い平板状の基台の上面に、遮光性を有する材料から成る平板状の２枚のスペーサを所定間隔離して貼着し、この２枚のスペーサの間に上記溝に代わる凹形状の溝を形成し、これを試料保持部１２としてもよい。

また上記実施例は本発明の一例であり、本発明の趣旨の範囲で適宜に変更や修正、追加を行うことができる。

例えば、クリーニングパッド２６、２７としては吸収性（吸水性）を有するいわゆる乾式の拭き取り手段でなく、水や所定の溶媒を含有するいわゆる湿式の拭き取り手段でもよく、両方を併用するようにしてもよい。また、上記説明で明らかなように、待機位置Ｕ４では試料保持部１２に対して何らの動作も行っていないから、この位置Ｕ４でも拭き取り動作を行うようにしてもよい。

また、クリーニングパッド２６、２７が汚れるとコンタミネーションの原因となるから、例えば不織布等の吸収材の自動送り機構を設け、一旦液体試料の吸収に利用された吸収材が再利用されないようにしてもよい。

また、上記実施例において試料保持部１２の数や試料プレート１１上での配置は一例であり、適宜に変更できることも明らかである。さらにまた、上記のように試料プレート１１を回転駆動するものでなく、例えば直線状或いは円弧状に往復駆動するものであってもよい。

Claims (7)

1. 微量の液体試料の透過特性を測定するために該液体試料に測定光を照射し、液体試料を透過して出射する透過光を測定する光学測定装置であって、
   a)少なくともその下部が透明であって上方から滴下された液体試料を保持可能である試料保持部が上面に複数形成されてなる平板状の支持手段と、
   b)前記支持手段に設けられた各試料保持部が少なくとも測定位置と試料供給位置との間で移動するように該支持手段を移動させる移動手段と、
   c)前記試料供給位置において前記試料保持部に液体試料を滴下する試料供給手段と、
   d)前記測定位置において前記試料保持部に保持されている液体試料の上にその底面と平行な界面を形成するように、該試料保持部上方に移動可能に設けられた透明な押さえ手段と、
   e)前記測定位置において前記試料保持部と前記押さえ手段の下面とで囲まれる空間に液体試料を保持させた状態で、その上方向又は下方向から測定光を照射して下方向又は上方向に透過した光を測定する測光手段と、
   f)前記測光手段により測定が終了した試料保持部が前記移動手段により測定位置から試料供給位置まで移動される間の移動経路上にあって、該試料保持部に接触して液体試料を拭き取る第１拭き取り手段と、
   g)前記側光手段により測定が終了した後に前記押さえ手段の下面に接触して液体試料を拭き取る第２拭き取り手段と、
   を備えることを特徴とする微量液体試料用光学測定装置。
2. 前記試料保持部は底面が平面である溝であることを特徴とする請求項１に記載の微量液体試料用光学測定装置。
3. 前記試料保持部はその周囲の平面よりも上方に突出した、上面が平面である突部であることを特徴とする請求項１に記載の微量液体試料用光学測定装置。
4. 前記移動手段は垂直な軸に対して前記支持手段を回転駆動するものであり、前記複数の試料保持部は前記軸を中心とする円上に配置され、該支持手段の一方向への回転に伴って１つの試料保持部は前記測定位置と前記試料供給位置との間で移動し、その間の移動経路上に前記第１拭き取り手段が配設されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の微量液体試料用光学測定装置。
5. 前記第１拭き取り手段が拭き取り位置に設けられ、前記支持手段に設けられた１つの試料保持部が、前記試料供給位置、前記測定位置、及び前記拭き取り位置に順次移動して停止するように、前記移動手段は前記支持手段を間欠的に移動させることを特徴とする請求項４に記載の微量液体試料用光学測定装置。
6. 前記移動手段による前記支持手段の間欠的な移動に伴い、該支持手段に設けられた複数の試料保持部は、前記試料供給位置、前記測定位置、及び前記拭き取り位置に順次移動されることを特徴とする請求項５に記載の微量液体試料用光学測定装置。
7. 前記押さえ手段は上下に移動可能であり、該押さえ手段が上方に移動した状態において前記第２拭き取り手段は水平に移動して該押さえ手段の下面の拭き取りを行うことを特徴とする請求項１に記載の微量液体試料用光学測定装置。

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