(57)【要約】【課題】細胞の３次元観察をおこなう装置において、弾性体を利用した磁性ピラーが設けられた磁気駆動式基材では、磁気ピラーの傾倒角が十分でなく、その上に載置された細胞の一部が観察できるに過ぎなかった。【解決手段】そこで、接触部が設けられたベース部と、外部磁場により傾倒方向および傾倒角の少なくともいずれかが変位する、接触部に点接触または線接触して連なる連接部と、連接部の先端部に設けられた、観察試料を載置する載置部とを備える試料観察用基材を提供する。【選択図】図３
2014106356.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
接触部が設けられたベース部と、
外部磁場により傾倒方向および傾倒角の少なくともいずれかが変位する、前記接触部に点接触または線接触して連なる連接部と、
前記連接部の先端部に設けられた、観察試料を載置する載置部と
を備える試料観察用基材。
【請求項２】
複数の前記連接部が連なって構成される請求項１に記載の試料観察用基材。
【請求項３】
前記連接部は、球体および円筒体の少なくともいずれかを含む請求項２に記載の試料観察用基材。
【請求項４】
前記連接部のうちの少なくとも１つは一端と他端でそれぞれ他の連接部と線接触し、それぞれの接触線は互いに平行ではない請求項２または３に記載の試料観察用基材。
【請求項５】
前記載置部は、前記観察試料の載置面に、前記観察試料としての細胞の付着を促進する促進層を有する請求項１から４のいずれか１項に記載の試料観察用基材。
【請求項６】
前記載置部は、前記観察試料の載置面の周縁部に、前記観察試料としての細胞の付着を阻害する阻害層を有する請求項１から５のいずれか１項に記載の試料観察用基材。
【請求項７】
前記連接部は、表面に前記観察試料としての細胞の付着を阻害する阻害層を有する請求項１から６のいずれか１項に記載の試料観察用基材。
【請求項８】
前記連接部は、前記外部磁場が印加された場合に、前記接触部に自己整列して連なる請求項１から７のいずれか１項に記載の試料観察用基材。
【請求項９】
磁性材を含む柱状構造体を磁場により傾倒させる磁場発生器において、
前記柱状構造体の傾倒角度を調整する傾倒角度調整部と、
前記柱状構造体の傾倒方向を調整する傾倒方向調整部と
を備える磁場発生器。
【請求項１０】
前記傾倒角度調整部は、発生させる磁束の大きさを調整する請求項９に記載の磁場発生器。
【請求項１１】
前記傾倒方向調整部は、発生させる磁場の向きを調整する請求項９または１０に記載の磁場発生器。
【請求項１２】
前記傾倒方向調整部は、磁場を発生させる磁性体を変位させることにより磁場の向きを調整する請求項１１に記載の磁場発生器。
【請求項１３】
前記柱状構造体として、請求項１から８のいずれか１項に記載の試料観察用基材における前記連接部を傾倒させる請求項９から１２のいずれか１項に記載の磁場発生器。
【請求項１４】
観察試料が先端部に載置される、磁性材を含む柱状構造体と、
前記磁性材に作用して前記先端部を変位させる磁場を発生させる磁場発生器と、
前記磁場に基づく前記先端部の変位量を演算して、前記先端部の観察状態を調整する調整部と
を備える観察装置。
【請求項１５】
前記調整部は、観察方向における前記先端部の変位量を演算して、前記観察試料に対する焦点調整を実行する請求項１４に記載の観察装置。
【請求項１６】
前記調整部は、観察方向に直交する方向における前記先端部の変位量を演算して、前記柱状構造体を載置するステージの位置調整を実行する請求項１４または１５に記載の観察装置。
【請求項１７】
磁場発生器は、請求項９から１３のいずれか１項に記載の磁場発生器であり、
前記調整部は、前記傾倒角度調整部と前記傾倒方向調整部の調整に基づいて前記先端部の変位量を演算する請求項１４から１６のいずれか１項に記載の観察装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料観察用基材、磁場発生器および観察装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
細胞の３次元観察をおこなう装置が知られている。例えば、基材に弾性体の磁性ピラーが複数立設された磁気駆動式基材を用いて、磁性ピラーの先端に載せられた細胞を３次元的に観察する装置が開示されている。
［先行技術文献］
［特許文献］
［特許文献１］特開２０１１−１４０１０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
弾性体を利用した磁性ピラーでは、磁気の作用による傾倒角が十分でなく、細胞の一部が観察できるに過ぎなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の第１の態様における試料観察用基材は、接触部が設けられたベース部と、外部磁場により傾倒方向および傾倒角の少なくともいずれかが変位する、接触部に点接触または線接触して連なる連接部と、連接部の先端部に設けられた、観察試料を載置する載置部とを備える。
【０００５】
本発明の第２の態様における磁場発生器は、磁性材を含む柱状構造体を磁場により傾倒させる磁場発生器において、柱状構造体の傾倒角度を調整する傾倒角度調整部と、柱状構造体の傾倒方向を調整する傾倒方向調整部とを備える。
【０００６】
本発明の第３の態様における観察装置は、観察試料が先端部に載置される、磁性材を含む柱状構造体と、磁性材に作用して先端部を変位させる磁場を発生させる磁場発生器と、磁場に基づく先端部の変位量を演算して、先端部の観察状態を調整する調整部とを備える。
【０００７】
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本実施形態に係る観察装置を概念的に示す概念図である。
【図２】マイクロピラーの駆動原理を説明する説明図である。
【図３】第１実施例に係るマイクロピラーの断面図である。
【図４】第２実施例に係るマイクロピラーの断面図である。
【図５】第３実施例に係るマイクロピラーの断面図である。
【図６】第４実施例に係るマイクロピラーの断面図と斜視図である。
【図７】第５実施例に係るマイクロピラーの断面図である。
【図８】第６実施例に係るマイクロピラーの断面図である。
【図９】マイクロピラーを駆動する磁気発生器の正面概略図および上面概略図である。
【図１０】他の磁気発生器の概念的に示す概念図である。
【図１１】観察装置のシステム構成を示すブロック図である。
【図１２】試料観察の一連の処理を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００１０】
図１は、本実施形態に係る観察装置１００を概念的に示す概念図である。観察装置１００は、顕微鏡２００、観察用基材３００、ステージ４００、磁場発生器５００および制御装置６００を備える。観察装置１００は外部ＰＣ７００と接続されている。
【００１１】
観察用基材３００は、磁場が印加されることにより傾倒する複数のマイクロピラー３１０と、マイクロピラー３１０を支持するベース板３２０を備える。観察対象である細胞９００は、マイクロピラー３１０の先端部に載置されるように予め播種される。
【００１２】
顕微鏡２００は、観察用基材３００に対向して配置されている。顕微鏡２００は、撮像素子２１１を支持する撮像部２０１、およびフォーカスレンズ２２１を含む光学レンズ群を支持する鏡筒２０２を備える。鏡筒２０２に支持された光学レンズ群は、マイクロピラー３１０の先端部に載置された細胞９００を拡大して、撮像素子２１１の受光面に結像する。このとき、フォーカスレンズ２２１は、例えばピエゾ素子の作用によって光軸方向に移動し、焦点を調整する。細胞９００は、光学レンズ群の一部を透過する落射光によって照射される。撮像素子２１１は、結像した光学像を電気信号に変換する。撮像素子２１１から出力された電気信号は、画像データに変換されて、撮像部２０１から制御装置６００へ送信される。なお、光学レンズ群の光軸に沿って撮像素子２１１へ向かう方向をｚ軸プラス方向とする。また、ｚ軸に直交する一方向をｘ軸、ｚ軸およびｘ軸共に直交する方向をｙ軸とする。以降のいくつかの図においては、図１の座標軸を基準として、それぞれの図の向きがわかるように座標軸を表示する。
【００１３】
なお、本実施形態においては、落射照明を採用した正立顕微鏡を例に説明するが、如何なる照明を採用した如何なる顕微鏡に適用するかは、観察対象との関係等によって任意に定められる。例えば、正立顕微鏡であっても透過照明を採用して良い。観察用基材３００を透過して細胞９００を照明する場合に、マイクロピラー３１０の傾倒状態によっては細胞９００が陰となって観察に支障をきたすことがある。このような場合には、落射照明と併用しても良いし、側方から補助光を入射するように構成しても良い。また、倒立顕微鏡を適用することもできる。この場合は、マイクロピラー３１０の先端部を下方に向けて設置すれば良い。
【００１４】
ステージ４００は、ｘ軸方向およびｙ軸方向に移動する可動ステージである。ステージ４００は、載置される観察用基材３００を支持固定する。観察者は、ステージ４００をｘｙ平面方向に移動することにより、撮像素子２１１が捉える画角内において細胞９００の像位置を変更でき、また、観察対象を他の細胞９００に切り替えることができる。
【００１５】
磁場発生器５００は、ステージ４００に対して、顕微鏡２００とは逆側に配置されている。磁場発生器５００は、磁場を発生させる電磁石である発生部５１０と、発生部５１０を変位させる変位部５２０を備える。発生部５１０は、電磁石に通電する電流量が調整されることにより、発生させる磁束の大きさを変更し得る。変位部５２０は、発生部５１０をｘｙ平面方向へ平行移動させることができ、また、ｘ軸周りおよびｙ軸周りに回転移動させることができる。したがって、磁場発生器５００は、発生する磁場における磁束の大きさと磁束線の方向を調整することができる。マイクロピラー３１０の傾倒方向および傾倒角度は、このように印加された磁場の性質により定まる。
【００１６】
制御装置６００は、ＣＰＵによって構成される制御部６１０を含み、観察装置１００の全体を統括制御する。つまり、顕微鏡２００による画像取得、ステージ４００の移動、磁場発生器５００による磁場の印加はいずれも制御装置によって制御される。
【００１７】
外部ＰＣ７００は、制御装置６００とＩＦケーブル７２０により接続されている。外部ＰＣ７００は、撮像部２０１で生成された画像データを制御部６１０から受け取り、デコード処理等を施して、外部ＰＣ７００に備え付けられたモニタ７１０に表示する。モニタ７１０は、外部ＰＣ７００と一体でなくても良く、直接的に制御装置６００に接続されても良い。この場合は、画像データのデコード処理等は、制御部６１０によって実行される。外部ＰＣ７００は、観察者が観察装置１００に対する指示を入力する入力装置の役割を担う。入力された指示は、ＩＦケーブル７２０を介して制御部６１０へ送信される。なお、観察装置１００自身が入力操作部材を備えて、観察者からの指示を直接的に受付けても良い。
【００１８】
図２は、マイクロピラー３１０の駆動原理を説明する説明図である。マイクロピラー３１０は、後述するように様々な構造を採用し得るが、基本的な構造としてはいずれもベース板３２０に立設された全体として柱状構造であり、その先端に観察試料である細胞９００が載置される。ここでは、マイクロピラー３１０を模式的に円柱形状で表して説明する。
【００１９】
マイクロピラー３１０は、磁性体を含むように構成されている。本実施形態においては、外部磁場が印加されていない場合に磁化が零である磁性体と、事前に着磁されて永久磁石の性質を示す磁性体とが選択的に採用される。磁性体としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、これらの酸化物およびこれらを主成分とする合金が採用され得る。
【００２０】
発生部５１０が発生させる磁場がマイクロピラー３１０に印加されると、先端近傍の磁性体にモーメントが作用する。例えば図示するように、右斜め下からマイクロピラー３１０へ向けて磁力線８１０が生じるように磁場を印加すると、磁力線８１０にある程度沿うようにマイクロピラー３１０が左斜め上へ向かって傾いて湾曲する。マイクロピラー３１０は、根元部分がベース板３２０に接触支持されているので、支持に対する拘束力が生じる。また、柱状構造に起因する摩擦による抵抗、弾性による反発力などの傾倒抵抗も生じる。したがって、磁力線８１０にどれ程沿って傾倒するかはマイクロピラー３１０の構造次第である。
【００２１】
そこで、発生部５１０が発生させる磁束の大きさと磁束線の方向に対して、マイクロピラー３１０がどのように傾倒するかは、事前に実験的に検証されており、これらの情報は予め制御装置６００に記憶されている。これらの情報は、例えば、マイクロピラー３１０の種類ごとに、ルックアップテーブルとして記述される。ルックアップテーブルは、マイクロピラー３１０の根元を（０，０，０）としたときに、発生部５１０の離間量（Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）と回転角（Ｍθｘ，Ｍθｙ，Ｍθｚ）、およびコイルに流す電流値Ｍｉに対する、マイクロピラー３１０のｚ軸周りの回転角φｐ、および載置面とｘｙ平面の成す傾倒角θｐが、各パラメータの変化に対応して羅列される。ここで、回転角φｐは、マイクロピラー３１０を傾倒させる方向を表す傾倒方向と言える。回転角φｐは、発生部５１０の離間量と回転角に大きく依存する。また、傾倒角θｐは、マイクロピラー３１０の倒れ具合を表す傾倒角度である。傾倒角θｐは、発生部５１０のコイルに流す電流値Ｍｉに大きく依存する。
【００２２】
情報の記述は、ルックアップテーブルに限らず、発生部５１０の離間量、回転角、電流値を入力パラメータとする、回転角φｐ、傾倒角θｐの関数で記述しても良い。
【００２３】
φｐ＝Ｆφｐ（Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ，Ｍθｘ，Ｍθｙ，Ｍθｚ，Ｍｉ）  …（１）
θｐ＝Ｆθｐ（Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ，Ｍθｘ，Ｍθｙ，Ｍθｚ，Ｍｉ）  …（２）
このような情報を予め記憶しておけば、発生部５１０を制御することにより傾倒方向と傾倒角度を任意に調整することができる。つまり、観察者が希望する傾倒方向と傾倒角度を入力すると、制御装置６００は、ルックアップテーブル等を参照することにより、そのような傾倒方向と傾倒角度を実現するように発生部５１０を制御することができる。
【００２４】
本実施形態に係る観察装置１００の観察試料である細胞９００は単一の細胞であり、その大きさは５０μｍから１００μｍである。したがって、マイクロピラー３１０における細胞９００を載置する載置面は、円形であれば直径１２０μｍ程度、正方形であれば一辺１２０μｍ程度である。傾倒角度は、マイクロピラー３１０の構造によって制約されるが、本実施形態で採用し得る後述の各実施例における構造によれば、例えば９０度以上の比較的大きな値を採り得る。このとき、先端部である載置面が到達するｘｙ方向の駆動範囲は、およそ１５０μｍである。傾倒角度が９０度である場合、細胞９００は、鏡筒２０２に支持された光学レンズ群の光軸に対して真横を向く。したがって、細胞９００の高さを３０μｍとすると、マイクロピラー３１０がベース板３２０の表面に正方格子状に複数配置される場合、そのピッチは１８０μｍ、好ましくは３６０μｍ以上に設定されれば良い。
【００２５】
次に、本実施形態で採用し得るマイクロピラー３１０の具体的な構造を順次説明する。図３は、第１実施例に係るマイクロピラー３１０ａの断面図である。マイクロピラー３１０ａは、複数の連接部３３１と、観察試料が載置される載置部３３２によって構成される。
【００２６】
ベース板３２０には球面凹部３２１が設けられており、その表面には例えばＮｉによる磁性体アンカー３２２が球面凹部形状に沿って設けられている。具体的な加工法としては、例えば、ガラスであるベース板３２０の表面に部分研磨加工を施して球面凹部３２１を格子状に形成する。そして、フォトリソグラフィ法により球面凹部３２１に一致させたパターンを描画し、Ｎｉを蒸着する。その後、リフトオフによりレジストを取り除いて磁性体アンカー３２２を形成する。
【００２７】
連接部３３１は、磁性体により形成された直径１２０μｍ程度の球体である。連接部３３１は、上述のように磁性体としてＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、これらの酸化物およびこれらを主成分とする合金が採用され得る。そして、その表面には、観察試料である細胞９００の付着を阻害する阻害層３３３がコーティングされている。細胞９００の表面は一般的に負に帯電しており、この性質において細胞９００の付着を阻害するコーティング素材としてプロタミンが採用され得る。
【００２８】
載置部３３２は、細胞９００を載置する載置面が直径１２０μｍ程度の円形をなす円筒体と、連接部３３１と連なる半球体とが一体となった形状を成す。載置部３３２も、連接部３３１と同様に磁性体により形成される。
【００２９】
外縁部を除く載置面には、細胞９００の付着を促進する促進層３３４がコーティングされている。細胞９００の表面が負に帯電している性質から、細胞９００の付着を促進するコーティング素材としてポリジンが採用され得る。また、細胞９００は、タンパクの特異的配列を認識して付着する性質を持つ分子（ｉｎｔｅｇｒｉｎ）を表面に持っており、この性質において、コラーゲン、ラミニン、フィブロネクチン、ビトロネクチンなども採用され得る。
【００３０】
外縁部とその他の側面には、細胞９００の付着を阻害する阻害層３３５がコーティングされている。載置部３３２に形成された阻害層３３５と連接部３３１に形成された阻害層３３３には、同様のコーティング素材が用いられる。このように連接部３３１の表面に阻害層３３３を形成し、載置部３３２の表面に促進層３３４と阻害層３３５を形成することにより、観察用基材３００の上部から播種される細胞９００を、マイクロピラー３１０ａに対してその載置面にのみ付着させることが期待できる。また、細胞９００が生きた細胞である場合に、細胞９００が載置面から移動してしまうことを抑制できる。これにより、顕微鏡２００は、安定的に観察対象である細胞９００を捉え続けることができる。また、阻害層３３３への細胞９００の付着が抑制されるので、細胞９００がマイクロピラー３１０ａの傾倒動作を妨害することも抑制される。
【００３１】
連接部３３１は、根元部の磁性体アンカー３２２から先端部の載置部３３２へ向かって複数個が磁力によって互いに吸着しながら連なり、載置部３３２と共にマイクロピラー３１０ａ全体として柱状構造を成す。最下端の連接部３３１は、磁性体アンカー３２２と点接触で連なる。連接部３３１は、外部磁場が印加されると傾倒するので磁性体アンカー３２２との接触点が変位し得るが、磁性体アンカー３２２は球面凹部形状に形成されているので、接触点が変位してもマイクロピラー３１０ａは安定的に柱状構造を維持できる。
【００３２】
さらに、連接部３３１同士、および最上端の連接部３３１と載置部３３２も点接触によって連なるので、互いの接触抵抗が小さい。したがって、外部磁場を印加してマイクロピラー３１０ａを傾倒させるときに、発生させる磁束を大きくしなくても、より磁力線に沿った傾倒角を実現することができる。つまり、マイクロピラー３１０ａは、小さな磁束でも、より自在に大きな角度で傾くことができる。
【００３３】
ここで、連接部３３１および載置部３３２が事前に着磁されていない場合のマイクロピラー３１０ａの整列方法について説明する。連接部３３１および載置部３３２は、事前に着磁されていなければ、外部磁場が印加されていない場合に磁化が零であって互いに吸着しない。
【００３４】
ベース板３２０は周囲に壁部を有する枡形状を成し、その内部に連接部３３１が多数収容されている。この状態でベース板３２０は、ステージ４００上に設置され、磁場発生器５００により磁場が印加される。磁場が印加されると、磁性体アンカー３２２を基点として、磁化された連接部３３１が複数連なって自己整列する。この状態で適当数の載置部３３２が投入すると、自己整列した連接部３３１のそれぞれの端部に、磁化した載置部３３２が吸着される。このようにしてマイクロピラー３１０ａが整列する。
【００３５】
ただし、連接部３３１が連なる個数は、整列されたマイクロピラー３１０ａごとに不規則である。そこで、マイクロピラー３１０ａをまず直立させて細胞９００を播種する。そして、例えば図示するように、連接部３３１が４個連なったマイクロピラー３１０ａが望ましければ、連接部３３１が４個に相当する高さに対応する載置部３３２の載置面近傍に顕微鏡２００の焦点を調整する。その結果、細胞９００を観察できれば当該マイクロピラー３１０ａに載置された細胞９００を観察対象とし、そうでなければ観察対象から除外する。このように、自己整列したマイクロピラー３１０ａを選別することにより、連なる連接部３３１の個数における不規則性を克服できる。
【００３６】
次に、磁性体アンカー３２２、連接部３３１および載置部３３２が事前に着磁されている場合のマイクロピラー３１０ａの整列方法について説明する。事前に着磁されている場合は、それぞれが永久磁石の性質を示し、外部磁場が印加されていなくても互いに吸着、反発した状態を維持する。
【００３７】
この場合は、事前に着磁されていない場合と異なり、事前に治具を用いて整列させる。すなわち、観察用基材３００をステージ４００に設置するときには、すでにマイクロピラー３１０ａが形成されている。
【００３８】
具体的には、板状の治具には、磁性体アンカー３２２に対応して複数の円柱穴が格子状に設けられている。円柱穴の深さは、連ねる個数分の連接部３３１の高さと載置部３３２の高さの和に相当する。また、円柱穴の直径は、連接部３３１の直径および載置部３３２の載置面の直径よりも若干大きい。この円柱穴にマイクロマニピュレータ等を利用して、まず載置部３３２を載置面が下方を向くように投下する。その後、連ねる個数分（図３の例では４個）の連接部３３１を投下する。全ての円柱穴にこれらの投下作業を行ったら、磁性体アンカー３２２が連接部３３１と接触するように位置合わせして、ベース板３２０を覆い被せる。この状態で上下を反転させ、治具を引き抜いて、マイクロピラー３１０ａが整列した観察用基材３００を完成させる。
【００３９】
図４は、第２実施例に係るマイクロピラー３１０ｂの断面図である。マイクロピラー３１０ｂは、複数の連接部３４１と、観察試料が載置される載置部３４２によって構成される。ベース板３２０には、第１実施例と同様に、球面凹部３２１が設けられており、その表面には例えばＮｉによる磁性体アンカー３２２が球面凹部形状に沿って設けられている。
【００４０】
連接部３４１は、連接部３４１ａと連接部３４１ｂの２種類から成る。連接部３４１ａは、第１実施例の連接部３３１と同様に、磁性体により形成された直径１２０μｍ程度の球体である。連接部３４１ｂは、磁性体により形成された、両端面の直径が直径１２０μｍ程度、高さが２２０μｍ程度の円筒体である。いずれの表面にも観察試料である細胞９００の付着を阻害する阻害層３３３がコーティングされている。
【００４１】
載置部３４２は、連接部３４１ｂと同様の形状を有する円筒体である。載置部３４２も、連接部３４１と同様に磁性体により形成される。載置部３４２は、一端の端面（載置面）で細胞９００を載置し、他端の端面で連接部３４１と接触する。外縁部を除く載置面には、細胞９００の付着を促進する促進層３３４がコーティングされている。外縁部とその他の側面には、細胞９００の付着を阻害する阻害層３３５がコーティングされている。載置部３３２に形成された阻害層３３５と連接部３３１に形成された阻害層３３３には、同様のコーティング素材が用いられる。
【００４２】
連接部３４１は、根元部の磁性体アンカー３２２から先端部の載置部３４２へ向かって連接部３４１ａと連接部３４１ｂとが交互に磁力によって互いに吸着しながら連なり、載置部３４２と共にマイクロピラー３１０ｂ全体として柱状構造を成す。最下端の連接部３４１ａは、磁性体アンカー３２２と点接触で連なる。さらに、連接部３４１ａと連接部３４１ｂ、最上端の連接部３４１ａと載置部３４２も点接触によって連なるので、互いの接触抵抗が小さい。したがって、外部磁場を印加してマイクロピラー３１０ｂを傾倒させるときに、発生させる磁束を大きくしなくても、より磁力線に沿った傾倒角を実現することができる。
【００４３】
また、連接部３４１として球体の連接部３４１ａと円筒体の連接部３４１ｂを交互に配置したので、互いの接触は、点と面の接触による点接触である。したがって、目標とする傾倒方向および傾倒角度に対して、点と点による点接触よりも外乱による誤差が小さくなると期待できる。なお、この意味においては、連接部３４１ｂの端面を磁性体アンカー３２２のように、凹球面状に形成しても良い。なお、マイクロピラー３１０ｂの整列方法は、マイクロピラー３１０ａの整列方法と同様である。
【００４４】
図５は、第３実施例に係るマイクロピラー３１０ｃの断面図である。マイクロピラー３１０ｃは、載置部の機能を兼ね備えた単独の連接部３５１によって構成される。連接部３５１は、円筒体の下端が半球体である形状を成す。半球体は、磁性体アンカー３２３と点接触する。上端面は、細胞９００を載置する載置面であり、直径１２０μｍ程度である。連接部３５１は、第１実施例の連接部３３１と同様に、磁性体により形成される。外縁部を除く載置面には、細胞９００の付着を促進する促進層３３４がコーティングされている。外縁部とその他の側面には、細胞９００の付着を阻害する阻害層３３５がコーティングされている。
【００４５】
ベース板３２０には、例えばＮｉを素材とする半球状の磁性体アンカー３２３が設けられている。このように、磁性体アンカー３２３も凸状に形成されていれば、磁性体アンカー３２３と連接部３５１が点接触する上に、円筒状に形成された連接部３５１の移動を磁性体アンカー３２３が阻害する恐れがない。また、載置部と連接部を一体的に形成したので、胴体付近で湾曲することがなく、載置部の座標位置を簡易、精確にコントロールすることができる。また、マイクロピラー３１０ｃを整列させて観察用基材３００とする製造工程が比較的簡易で済む。
【００４６】
図６は、第４実施例に係るマイクロピラー３１０ｄの断面図と斜視図である。図６（ａ）はｙｚ平面における断面図であり、図６（ｂ）はｘｚ平面における断面図である。マイクロピラー３１０ｄは、複数の連接部３６１と、観察試料が載置される載置部３６２によって構成される。ベース板３２０には、半円筒形状から成る磁性体アンカー３２４が設けられている。
【００４７】
連接部３６１は、連接部３６１ａと連接部３６１ｂの２種類から成る。連接部３６１ａは、磁性体により形成された、両端面の直径が直径１２０μｍ程度、高さが１２０μｍ程度の円筒体である。ただし、この場合の高さは、図示するように、両端面間の距離であるｘｙ方向の長さである。連接部３６１ｂは、磁性体により形成された、捻れ円筒体である。連接部３６１ｂは、図６（ｃ）に示すように、円筒体である連接部３６１ａを、中心軸を通る平面で２つの半円筒体に分割し、一方を９０度回転させて互いに結合した形状を成す。いずれの表面にも観察試料である細胞９００の付着を阻害する阻害層３３３がコーティングされている。
【００４８】
載置部３６２は、細胞９００を載置する載置面が一辺１２０μｍ程度の正方形をなす直方体と、連接部３６１と連なる半円筒体とが一体となった形状を成す。載置部３６２も、連接部３６１と同様に磁性体により形成される。外縁部を除く載置面には、細胞９００の付着を促進する促進層３３４がコーティングされている。外縁部とその他の側面には、細胞９００の付着を阻害する阻害層３３５がコーティングされている。載置部３６２に形成された阻害層３３５と連接部３６１に形成された阻害層３３３には、同様のコーティング素材が用いられる。
【００４９】
連接部３６１は、根元部の磁性体アンカー３２４から先端部の載置部３６２へ向かって連接部３６１ａと連接部３６１ｂとが交互に磁力によって互いに吸着しながら連なり、載置部３６２と共にマイクロピラー３１０ｄ全体として柱状構造を成す。最下端の連接部３６１ａは、磁性体アンカー３２４と互いに円筒側面で接触するので、線接触により連なる。また、連接部３６１ａと連接部３６１ｂ、最上端の連接部３６１ａと載置部３６２も互いに円筒側面で接触するので、線接触により連なる。したがって、マイクロピラー３１０ｄは、互いに線接触によって連なって構成されるので、点接触で連なるよりも柱状構造として安定する。
【００５０】
また、連接部３６１ｂのうちの磁性体アンカー３２４側で接する連接部３６１ａとの接触線と、載置部３６２側で接する連接部３６１ａとの接触線とは、ｚ軸周りに９０度を成す。したがって、マイクロピラー３１０ｄは、連接部３６１ｂが介在することにより、２軸方向に傾倒できる。なお、連接部３６１ｂの一端と他端でそれぞれ連接部３６１ａと線接触する場合、これらの接触線が互い平行でなければ、すなわち連接部３６１ｂが捻れ円筒体であれば、マイクロピラー３１０ｄは、２軸方向に傾倒できる。マイクロピラー３１０ｄは、このような捻れ円筒体を連接部３６１ｂとして複数有しても良い。なお、マイクロピラー３１０ｄの整列方法は、マイクロピラー３１０ａの整列方法と同様である。
【００５１】
図７は、第５実施例に係るマイクロピラー３１０ｅの断面図である。マイクロピラー３１０ｅは、弾性樹脂からなる円筒体の胴体部３７１と、その先端部に分散された磁性粉３７２とにより構成される。胴体部３７１は、ベース板３２０に固着されている。上端面は、細胞９００を載置する載置面であり、直径１２０μｍ程度である。外縁部を除く載置面には、細胞９００の付着を促進する促進層３３４がコーティングされている。外縁部とその他の側面には、細胞９００の付着を阻害する阻害層３３５がコーティングされている。
【００５２】
胴体部３７１は、鋳型に例えばポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）樹脂を２段階に流し込んで形成される。具体的には、１段階目において、例えば鉄粉である磁性粉３７２を分散したＰＤＭＳ樹脂を流し込み、２段階目において、磁性粉３７２を分散していないＰＤＭＳ樹脂を流し込む。この後ベース板３２０で鋳型を覆い、加熱硬化させて鋳型を分離すれば観察用基材３００が完成する。
【００５３】
図８は、第６実施例に係るマイクロピラー３１０ｆの断面図である。マイクロピラー３１０ｆは、第５実施例と同様の弾性樹脂からなる円筒体の胴体部３８１と、載置部３８２によって構成される。胴体部３８１は、ベース板３２０に固着されている。胴体部３８１は、第５実施例の胴体部３７１とは異なり、磁性粉が分散されることなく形成されている。胴体部３８１の表面は、細胞９００の付着を阻害する阻害層３３５がコーティングされている。
【００５４】
胴体部３８１の上端部には、載置部３８２が固着されている。載置部３８２は、磁性体により形成された直径１５０μｍ程度の球体である。載置部３８２の表面は、細胞９００の付着を促進する促進層３３４がコーティングされている。マイクロピラー３１０ｆは、鋳型に先行して投入された載置部３８２に、例えばポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）樹脂を流し込んで、いわゆる二色成形により形成される。載置面には促進層３３４がコーティングされているので、細胞９００が離脱する恐れが少なく、本実施例のように載置面を曲面で構成しても良い。また、載置部３８２が磁性体により形成されており、かつ、胴体部３８１が弾性体によって形成されているので、外部磁場が印加されたときに、マイクロピラー３１０ｆ全体として傾倒することができる。なお、胴体部３８１には磁性粉が分散されていても良い。
【００５５】
次に、磁場発生器５００についてさらに説明する。図９は、マイクロピラー３１０を駆動する磁場発生器５００の正面概略図（図９（ａ））および上面概略図（図９（ｂ））である。
【００５６】
磁性体としての発生部５１０は、コイル５１１が巻回された電磁石であり、変位部５２０によって変位される。変位部５２０は、発生部５１０を支持する支持部５３０と、支持部５３０が配置される移動体５２３とを備える。支持部５３０は、３点の球状駆動ローラーから構成され、発生部５１０の底部曲面は、これらに接して滑らないように支持されている。各球状駆動ローラーは、制御部６１０の制御に従って独立して回転する。発生部５１０は、各球状駆動ローラーの独立した回転動作により、ｚ軸周りの回転角φｍと、ｚ軸と発生部５１０の中心軸が成す傾倒角θｍとが制御される。
【００５７】
変位部５２０はさらに、ｘ方向レール５２１とｙ方向レール５２２とを備える。ｘ方向レール５２１は、ｘ軸に沿った２本の平行レールであって、基台５４０に固定されている。ｙ方向レール５２２は、ｙ軸に沿った２本の平行レールであって、ｘ方向レール５２１上に移動可能に載置されている。ｙ方向レール５２２は、ｘ方向レール５２１に案内されて、モータ駆動によりｘ方向へ移動できる。移動体５２３は、ｙ方向レール５２２上に移動可能に載置されている。移動体５２３は、ｙ方向レール５２２に案内されて、モータ駆動によりｙ方向へ移動できる。このように、２つのモータの独立した動作により、移動体５２３は、ｘ方向への変位量ｘｍと、ｙ方向への変位量ｙｍとが制御される。
【００５８】
このような構成により、制御部６１０は、ステージ４００に設置された観察用基材３００の下方において、発生部５１０を任意の位置（ｘｍ，ｙｍ）へ移動させ、また、発生部５１０に任意の姿勢（φｍ，θｍ）を取らせることができる。さらに、制御部６１０は、発生部５１０に巻回されたコイル５１１に流す電流値Ｍｉを制御する。制御部６１０は、このように磁場発生器５００を制御することにより、マイクロピラー３１０の配置空間に対して印加する磁場における磁束の大きさと磁束線の方向を調整する。
【００５９】
マイクロピラー３１０は、制御された磁場の磁束の大きさと磁束線の方向により、傾倒方向と傾倒角度が定まる。上述のように、傾倒方向は主に発生部５１０の位置（ｘｍ，ｙｍ）と姿勢（φｍ，θｍ）に依存するので、変位部５２０は、いわば傾倒方向調整部の機能を担う。また、傾倒角度は主に発生部５１０に巻回されたコイル５１１に流す電流値Ｍｉに依存するので、コイル５１１は、いわば傾倒角度調整部の機能を担う。もちろん、マイクロピラー３１０は、およそ磁束線に沿って傾倒するので、発生部５１０の位置と姿勢も傾倒角度に影響を与える。他方、コイル５１１に流す電流値を変えれば、磁束の状態も変わるので、コイル５１１に流す電流値は、傾倒方向に影響を与え得る。したがって、コイル５１１を含む発生部５１０と変位部５２０の全体が統合的に、傾倒方向調整部と傾倒角度調整部の機能を担うと捉えることもできる。
【００６０】
磁場発生部の構成は図９の例に限らない。マイクロピラー３１０の傾倒方向と傾倒角度を調整できる構成であれば、様々な態様を採用し得る。図１０は、他の磁場発生部５５０の概念的に示す概念図である。
【００６１】
磁場発生部５５０は、３軸ソレノイドコイルを備える。３軸ソレノイドコイルは、観察用基材３００を中心として、ｘ軸方向に観察用基材３００を挟み込む一対のｘソレノイドコイル５５１と、ｙ軸方向に観察用基材３００を挟み込む一対のｙソレノイドコイル５５２と、ｚ軸方向に観察用基材３００を挟み込む一対のｚソレノイドコイル５５３とから成る。観察用基材３００はステージ４００に設置されるので、３軸ソレノイドコイルは、実際にはステージ４００を取り囲むように配置されている。
【００６２】
制御部６１０は、それぞれのソレノイドコイルに流す電流値を独立に制御することにより、マイクロピラー３１０に印加される磁束の大きさと磁束線の方向を調整する。これにより、マイクロピラー３１０の傾倒方向と傾倒角度を任意に調整することができる。この場合に予め準備されるルックアップテーブルは、中心部に位置するマイクロピラー３１０のｚ軸周りの回転角φｐ、および載置面とｘｙ平面の成す傾倒角θｐと、ｘソレノイドコイル５５１のそれぞれに流す電流値（Ｍｘａ，Ｍｘｂ）、ｙソレノイドコイル５５２のそれぞれに流す電流値（Ｍｙａ，Ｍｙｂ）、ｚソレノイドコイル５５３のそれぞれに流す電流値（Ｍｚａ，Ｍｚｂ）との関係が各パラメータの変化に対応して羅列される。
【００６３】
磁場発生部は、他にも、先鋭化したギャップを有する環状鉄心にコイルを巻き付けた磁気ヘッドを変位させる構成も採用し得る。この場合、対象とするマイクロピラー３１０へギャップを近接させ、ギャップの向きと電流値を制御することにより傾倒方向と傾倒角度を調整する。また、図９における発生部５１０のような磁性体を複数用意して、磁束を制御することもできる。また、ステージ４００の裏面側に、微小コイルをマトリックス状に多数配列して各々の電流値を独立に制御しても、磁束の大きさと磁束線の方向を調整することもできる。
【００６４】
次に、観察装置１００のシステム構成について説明する。図１１は、観察装置１００のシステム構成の概略を示すブロック図である。ここでは、図９を用いて説明した磁場発生器５００を採用した場合のシステム構成について説明する。
【００６５】
上述の通り制御部６１０は、観察装置１００の全体を統括制御する。制御部６１０は、撮像部２０１の撮像素子２１１を制御して、結像した光学像を電気信号に変換する。撮像素子２１１が出力した電気信号は、画像処理部２０３へ送信される。画像処理部２０３は、制御部６１０の指示に従って当該電気信号を画像データへ変換し、制御部６１０へ引き渡す。
【００６６】
制御部６１０は、受け取った画像データをワークメモリ６１１へ格納する。また、外部接続ＩＦ６１４を介して、ＩＦケーブル７２０で接続された外部ＰＣ７００へ送信する。外部ＰＣ７００は、受信した画像データを表示信号に変換してモニタ７１０に表示する。制御部６１０は、この一連の作業を例えば１秒間に６０回繰り返して、６０ｆｐｓのフレームレートを実現する。外部ＰＣ７００では、観察者の指示に従って、受信した画像データを静止画または動画として記録することができる。
【００６７】
制御部６１０は、ワークメモリ６１１へ逐次格納される画像データを解析して、焦点情報を取得する。そして、例えばコントラスト方式により、焦点調整部２２２を介してフォーカスレンズ２２１を光軸方向に移動し、オートフォーカスを実行する。
【００６８】
不揮発性メモリ６１２は、上述のルックアップテーブルを記憶すると共に、後述する処理フローを実行する制御プログラム、その他観察装置１００を動作させる様々な定数、プログラム等も記憶する。制御部６１０は、これらの定数、プログラム等を不揮発性メモリ６１２から適宜呼び出して参照する。
【００６９】
入力部６１３は、観察者の指示を受付ける。観察装置１００が操作部材を備える場合には当該操作部材の操作を検出し、外部ＰＣ７００を介して入力される場合には、外部接続ＩＦ６１４を介して入力を判断する。例えば、観察者が観察対象を変更する指示を入力部６１３が検出すると、入力部６１３は、これに応じた検出信号を制御部６１０へ送信する。制御部６１０は、当該検出信号を受信すると、ステージ移動部４１０を介してマイクロピラー３１０のピッチに相当する距離分だけステージ４００を移動させる。
【００７０】
制御部６１０は、入力部６１３を介して観察者から指示されるマイクロピラー３１０の傾倒方向、傾倒角度に従って、磁場発生器５００の通電調整部５１２およびコイル変位部５１３を制御する。より具体的には、制御部６１０は、入力された傾倒方向と傾倒角度を入力パラメータとして不揮発性メモリ６１２に記憶されたルックアップテーブルを参照する。その結果として発生部５１０の離間量（Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）と回転角（Ｍθｘ，Ｍθｙ，Ｍθｚ）、およびコイルに流す電流値Ｍｉを抽出する。制御部６１０は、電流値Ｍｉの情報を通電調整部５１２へ与え、これを受けて通電調整部５１２は、コイル５１１へ電流を流す。制御部６１０は、離間量（Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）と回転角（Ｍθｘ，Ｍθｙ，Ｍθｚ）の情報をコイル変位部５１３へ与え、これを受けてコイル変位部５１３は、発生部５１０を変位させる。なお、対象となるマイクロピラー３１０の中心位置を調整すべく、制御部６１０は、ステージ移動部４１０を介してステージ４００の位置を微調整することもある。
【００７１】
制御部６１０がこのように制御を実行すると、マイクロピラー３１０は、観察者の指示による傾倒角度および傾倒方向に従って湾曲するので、観察対象である細胞９００に対してピントがずれる。しかしながら、湾曲によって光軸方向に移動する距離は、傾倒角度が既知である以上演算できる。そこで、制御部６１０は、この距離を演算して焦点のずれ量に換算し、これに対応させて焦点調整部２２２によりフォーカスレンズ２２１を移動する。このように、焦点調整を併せて自動的に実行すれば、観察者はマイクロピラー３１０の湾曲によるピントのずれを意識することなく、つねに鮮明な画像を観察することができる。
【００７２】
また、細胞９００が常に画角の中央で観察できるように、制御部６１０は、傾倒方向と傾倒角度よりｘｙ方向に対する細胞９００の変位量を演算し、これに対応させてステージ移動部４１０によりステージ４００を移動しても良い。この場合、発生部５１０とステージ４００の相対的な位置が変化してしまうと、マイクロピラー３１０の傾倒方向と傾倒角度が変化してしまうので、制御部６１０は、ステージ４００と発生部５１０の相対位置を維持するようにコイル変位部を同調させて、当該傾倒方向と傾倒角度を保つ。
【００７３】
図１２は、試料観察の一連の処理を示すフロー図である。ここでは、図９を用いて説明した磁場発生器５００を採用した場合の処理について説明する。フローは、観察装置１００の電源がオンにされた時点から開始する。
【００７４】
制御部６１０は、ステップＳ１０１で、コイル変位部５１３を介して、磁場発生器５００の発生部５１０を初期位置へ変位させる。具体的には、発生部５１０を顕微鏡２００の光軸の直下に直立させる。
【００７５】
ステップＳ１０２へ進み、制御部６１０は、通電調整部５１２を介して初期電流をコイル５１１へ流して、ｚ方向へ磁場を発生させる。これにより、マイクロピラー３１０は、直立する。観察者は、この段階で細胞９００を播種して載置部に付着させる。そして、ステップＳ１０３において、特定の観察対象である細胞９００が付着したマイクロピラー３１０を顕微鏡２００の直下に移動させて、焦点調整を行う。さらに制御部６１０は、ステップＳ１０４へ進み、この状態を初期状態としてワークメモリ６１１へ記憶する。初期状態の情報は、フォーカスレンズ２２１の焦点位置を含む。
【００７６】
制御部６１０は、ステップＳ１０５で、観察者からマイクロピラー３１０の傾倒方向と傾倒角度を受付ける。そして、ステップＳ１０６で、上述のように不揮発性メモリ６１２に記憶されたルックアップテーブルを参照して磁場発生器５００を駆動し、指示された傾倒方向と傾倒角度を実現する。
【００７７】
制御部６１０は、ステップＳ１０５へ進み、指示された傾倒方向と傾倒角度を実現したときの載置部の変位量を演算する。そして、細胞９００が画角の中央で観察できるように、ステージ４００と発生部５１０を移動する。また、ステップＳ１０９でｚ方向への変位量に従ってフォーカスを調整する。このとき、制御部６１０は、演算したｚ方向の変位量をステップＳ１０４で記憶した初期状態の焦点位置に加算してフォーカス調整を実行する。
【００７８】
制御部６１０は、ステップＳ１１０へ進み、観察者から他の細胞９００の観察指示がなされたか否かを判断する。なされたと判断した場合には、ステップＳ１１２へ進み、マイクロピラー３１０の１ピッチ分だけステージ４００を移動する。そして、隣接するマイクロピラー３１０の載置部に細胞９００が付着しているか否かを観察者が判断できるように、再びステップＳ１０３へ戻って初期操作の受付けを再実行する。具体的には、マイクロピラー３１０を直立させて焦点調整を行う動作から再実行する。
【００７９】
ステップＳ１１０で他の細胞９００の観察指示がなされていないと判断したら、制御部６１０は、ステップＳ１１１へ進み、終了指示がなされたか否かを判断する。終了指示がなされていないと判断したら、細胞９００の他の姿勢による観察を受け入れるべく、ステップＳ１０５へ戻る。終了指示がなされたと判断したら、一連の処理を終了する。
【００８０】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【００８１】
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
【符号の説明】
【００８２】
１００  観察装置、２００  顕微鏡、２０１  撮像部、２０２  鏡筒、２０３  画像処理部、２１１  撮像素子、２２１  フォーカスレンズ、２２２  焦点調整部、３００  観察用基材、３１０  マイクロピラー、３２０  ベース板、３２１  球面凹部、３２２、３２３、３２４  磁性体アンカー、３３１、３４１、３５１、３６１  連接部、３３２、３４２、３６２、３８２  載置部、３３３、３３５  阻害層、３３４  促進層、３７１、３８１  胴体部、３７２  磁性粉、４００  ステージ、４１０  ステージ移動部、５００  磁場発生器、５１０  発生部、５１１  コイル、５１２  通電調整部、５１３  コイル変位部、５２０  変位部、５２１  ｘ方向レール、５２２  ｙ方向レール、５２３  移動体、５３０  支持部、５４０  基台、５５０  磁場発生部、５５１  ｘソレノイドコイル、５５２  ｙソレノイドコイル、５５３  ｚソレノイドコイル、６００  制御装置、６１０  制御部、６１１  ワークメモリ、６１２  不揮発性メモリ、６１３  入力部、６１４  外部接続ＩＦ、７００  外部ＰＣ、７１０  モニタ、７２０  ＩＦケーブル、８１０  磁力線、９００  細胞
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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