(57)【要約】【課題】試料の分析精度が高精度のマイクロ分析システム用光学系を提供する。【解決手段】光ファイバ１４の先端から出射される光が、集光部１３を通過した後、分離流路６内を電気泳動する試料に照射される。集光部１３は、光ファイバ１４側に向かって凸となる第１の非球面なシリンドリカル面１０と、この第１の非球面なシリンドリカル面１０と反対側に凸となる第２の非球面なシリンドリカル面１１と、この第２の非球面なシリンドリカル面１１に向かって凸となる第３の非球面なシリンドリカル面１２とからなっている。これら第１から第３の非球面なシリンドリカル面１０〜１２は、光ファイバ１４側から分離流路６に向かって順に配置されている。そして、第１から第３の非球面なシリンドリカル面１０〜１３によって光ファイバ１４から出射した光を集光し、その集光した光を電気泳動する試料に照射する。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバの先端から出射される光が、複数のレンズ面からなる集光部を通過した後、微量試料を扱う凹部に照射されるように構成されたマイクロ分析システム用光学系であって、
前記集光部が、前記光ファイバ側に向かって凸となる第１の非球面と、この第１の非球面と反対側に凸となる第２の非球面と、この第２の非球面に向かって凸となる第３の非球面とからなり、
これら第１から第３の非球面が、前記光ファイバ側から前記凹部に向かって順に配置されたことを特徴とするマイクロ分析システム用光学系。
【請求項２】
光ファイバの先端から出射される光が、複数のレンズ面からなる集光部を通過した後、チャネル内を電気泳動する試料に照射されるように構成されたマイクロ分析システム用光学系であって、
前記集光部が、前記光ファイバ側に向かって凸となる第１の非球面なシリンドリカル面と、この第１の非球面なシリンドリカル面と反対側に凸となる第２の非球面なシリンドリカル面と、この第２の非球面なシリンドリカル面に向かって凸となる第３の非球面なシリンドリカル面とからなり、
これら第１から第３の非球面なシリンドリカル面が、前記光ファイバ側から前記チャネルに向かって順に配置されたことを特徴とするマイクロ分析システム用光学系。
【請求項３】
分析対象となる微量試料を取り扱う凹部と、この凹部内の前記微量試料に光を照射する集光部と、を備えたマイクロ分析システム用光学系において、
前記集光部が前記微量試料に向けて光りを集光する少なくとも一つの非球面を含むことを特徴とするマイクロ分析システム用光学系。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、生化学や分析化学等の化学又は医学の分野等において、微量の試料を光学的に分析するために使用されるマイクロ分析システム用光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ガラス製又はプラスチック製のマイクロチップの内部に流路、反応部、分離部、検出部等の機能を有するミクロな空間を形成し、微量の試料をマイクロチップ内において、高速に処理するマイクロ分析システムの開発が進んでいる。図９は、従来のマイクロ分析システム用光学系４８が適用された電気泳動用マイクロチップ４１の一例を示すものである。この図９に示すように、このマイクロチップ４１は、プレート部材４２の内部に、試料流路４５と分離流路４６が交差するように形成されており、これら試料流路４５内及び分離流路４６内に予め試料分離用の媒体が満たされている。そして、このマイクロチップ４１は、次のようにして試料を分離同定するようになっている。先ず、試料流路４５の一端側から試料を注入し、この試料流路４５の両端に電圧を印加して、試料の先端が流路交差部４７を越える位置まで電気泳動させる。次いで、分離流路４６の両端に電圧を印加し、流路交差部４７に位置する微量の試料を分離流路４６に導入し、試料の分離を開始する。図１０乃至図１１に示すように、分離流路４６内を電気泳動により移動する試料は、分子量等の差異によって電気泳動速度が異なり、マイクロ分析システム用光学系４８に到達するまでに複数のバンド（物質群）４３に分離する。マイクロ分析システム用光学系４８に到達した試料（バンド４３）に光ファイバ５４からの光を照射し、試料の蛍光標識から発せられる蛍光を検知手段（例えば、受光素子）５５で検知して、試料の分析が行われる（例えば、特許文献１及び２参照）。
【０００３】
このような従来のマイクロチップ４１に採用されるマイクロ分析システム用光学系４８は、図外の光源に接続された光ファイバ５４の先端から出射した光が、図１０及び図１１中紙面に直交する方向から見たレンズ面形状が球面形状のシリンドリカルレンズ４９で集光され、その球面形状のシリンドリカルレンズ４９で集光された光が分離流路４６内を電気泳動する試料（バンド４３）に照射され、試料が発する蛍光を検知手段５５で検知するようになっている（非特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−６４２７８号公報（段落番号０００７〜０００８参照）
【特許文献２】
特開２００２−２１４１９４号公報（段落番号００１１参照）
【非特許文献】
Ｓ，Ｃａｍｏｕ，ｅｔ  ａｌ，「Ｄｅｓｉｇｎ  ｏｆ  ２−Ｄ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｌｅｎｓ  ｏｎ  ａ  ＰＤＭＳ  ｍｉｃｒｏ−ｃｈｉｐ  ｔｏ  ｉｍｐｒｏｖｅ  ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ  ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ  ｕｓｉｎｇ  ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｅ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｆｉｂｅｒｓ」，Ｏｐｔｉｃａｌ  ＭＥＭＳ  ２００１，２５−２８，Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ  ２００１，ｐｐ．１３３−１３４。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１０に示したマイクロ分析システム用光学系４８では、所定のコア径を有する光ファイバから出射される発散光が球面状のシリンドリカルレンズにより集光された光の幅（試料が電気泳動する方向に沿っての幅）寸法が大きかったため、図１１に示すように、バンド４３の間隔を狭くした場合に、電気泳動方向に前後する複数のバンド４３に同時に光が照射され、複数のバンド４３から同時に発せられる蛍光を検知手段５５が検知してしまうことがあり、ターゲットである試料以外の試料からの蛍光をも同時に採り込むことがあるため、分析精度が必ずしも満足し得るものではなかった。また、分析精度を確保するため、ターゲットとなる試料（バンド）にのみ測定光が照射されるように、隣接するバンドの間隔を大きくすると、測定に要する時間が大きくなってしまう。そのため、生化学や分析化学等の化学又は医学の分野等の研究者から、試料の分析精度がより一層高精度であり、かつ高速に分析が可能なマイクロ分析システム用光学系の提供が望まれていた。
【０００６】
本発明は、このような要望に応えるために案出されたものであり、試料の分析精度が高精度であり、かつ高速に分析が可能なマイクロ分析システム用光学系を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、光ファイバの先端から出射される光が、複数のレンズ面からなる集光部を通過した後、微量試料を扱う凹部に照射されるように構成されたマイクロ分析システム用光学系に関するものである。そして、前記集光部が、前記光ファイバ側に向かって凸となる第１の非球面と、この第１の非球面と反対側に凸となる第２の非球面と、この第２の非球面に向かって凸となる第３の非球面とからなっている。また、これら第１から第３の非球面が、前記光ファイバ側から前記凹部に向かって順に配置されたことを特徴としている。
【０００８】
請求項２の発明は、光ファイバの先端から出射される光が、複数のレンズ面からなる集光部を通過した後、チャネル内を電気泳動する試料に照射されるように構成されたマイクロ分析システム用光学系に関するものである。そして、前記集光部が、前記光ファイバ側に向かって凸となる第１の非球面なシリンドリカル面と、この第１の非球面なシリンドリカル面と反対側に凸となる第２の非球面なシリンドリカル面と、この第２の非球面なシリンドリカル面に向かって凸となる第３の非球面なシリンドリカル面とからなっている。また、これら第１から第３の非球面なシリンドリカル面が、前記光ファイバ側から前記チャネルに向かって順に配置されたことを特徴とするマイクロ分析システム用光学系。
【０００９】
請求項３の発明は、分析対象となる微量試料を取り扱う凹部と、この凹部内の前記微量試料に光を照射する集光部と、を備えたマイクロ分析システム用光学系に関するものである。そして、前記集光部が前記微量試料に向けて光りを集光する少なくとも一つの非球面を含むことを特徴としている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の実施の形態に係るマイクロ分析システム用光学系８を適用した電気泳動用のマイクロチップ１を示すものである。この図１に示すように、電気泳動用のマイクロチップ１は、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）、ＰＣ（ポリカーボネート）、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）、ＰＳ（ポリスチレン）、非晶質ポリオレフィン等の光学特性に優れた樹脂材料又はガラス材料により形成された第１プレート部材２と、この第１プレート部材２に接着又は溶着等で固着される第１プレート部材２と同じ材料で形成された第２プレート部材（説明の都合上、２点鎖線で示している）３とからなっている。第１プレート部材２は、その表面（第２プレート部材が固着される面）４側に、断面が略矩形形状の第１の溝５ａと、同じく断面が略矩形形状の第２の溝６ａが交差するように形成されている。そして、第１プレート部材２の表面４に第２プレート部材３が固着されることにより、第１の溝５ａの上方開口部が第２プレート部材３の表面に覆われ、試料流路（第１のチャネル）５が形成されるとともに、第２の溝６ａの上方開口部が第２プレート部材３の表面に覆われ、分離流路（第２のチャネル）６が形成される。また、分離流路６の流路交差部７よりも泳動方向下流側の所定位置には、マイクロ分析システム用光学系８を含み、分離流路６を泳動してきた試料に対して光学的な分析を行う分析部９が配置されている。
【００１１】
このマイクロシステム光学系８は、図２乃至図３に示すように、分離流路６の一方の側面側に、それぞれ、マイクロチップ１の第１プレート部材２の表面４に対して直交する方向から見たレンズ面形状が非球面で、かつ表面４に対して平行な方向から見たレンズ面の形状が垂直面（曲率が０）である３個の非球面のシリンドリカル面１０，１１，１２からなる集光部１３が配置されると共に、この集光部１３に向けて光を出射する出射面を有するコア径が５０μｍの光ファイバ１４（導光路）が配置されている。また、マイクロ分析システム用光学系８は、分離流路６の他方の側面側に、試料が発する蛍光を検知する検知手段１５が配置されている。光ファイバ１４は、光学フィルタ手段１６ａを介して水銀ランプ系光源１６に接続されており、この光源１６の光を入射面から導入し、集光部１３に対向する出射面まで導光し、マイクロチップ１内部の出射面から開口数（ＮＡ）＝０．２５の発散光を集光部に向けて出射するようになっている。光源１６は、特に限定されるものではないが、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ），レーザー，ＥＬ（ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）等が挙げられる。
【００１２】
集光部１３は、光ファイバ１４の先端に対向するように配置されている第１の非球面なシリンドリカル面１０と、この第１の非球面なシリンドリカル面１０と背中合わせに配置されている第２の非球面なシリンドリカル面１１と、この第２の非球面なシリンドリカル面１１に対向するように配置されている第３の非球面なシリンドリカル面１２とからなっている。このうち、第１の非球面なシリンドリカル面１０は、光ファイバ１４の出射面に向かって凸となるように形成されている。また、第２の非球面なシリンドリカル面１１は、第１の非球面なシリンドリカル面１０とは逆方向に凸となるように（光ファイバ１４の出射面に向かって凹となるように）形成されており、第１の非球面なシリンドリカル面１０と一体に形成されている。第３の非球面なシリンドリカル面１２は、第２の非球面なシリンドリカル面１１に向かって凸となるように（光ファイバ１４の出射面に向かって凸となるように）形成されている。そして、これら第１〜第３の非球面なシリンドリカル面１０〜１２は、光ファイバ１４から分離流路６に向かう光軸Ｌに沿って、順に配置されている。
【００１３】
集光部１３は、光ファイバ１４の先端と第１の非球面なシリンドリカル面１０との間の第１の空間１７は、光軸Ｌに直交する断面の形状が矩形形状であり、光ファイバ１４の先端が開口する端面から第１の非球面なシリンドリカル面１０まで同一の溝幅寸法で形成されている。また、第２の非球面なシリンドリカル面１１と第３の非球面なシリンドリカル面１２との間の第２の空間１８は、光軸Ｌに直交する断面の形状が矩形形状であり、第２の非球面なシリンドリカル面１１から第３の非球面なシリンドリカル面１２に向かうにしたがって幅寸法を漸減するようになっている。そして、これら第１の空間１７及び第２の空間１８は、表面（図１及び図２の上面）４に開口しており、底面２０，２１が分離流路６の底面２２とほぼ同一平面上（同じ深さ位置）にあるように形成されている。なお、底面２０，２１は、底面２２と同一平面上にあるように形成するものに限定されるものでなく、底面２０，２１を底面２２より低く（より深く）なるように形成してもよい。
【００１４】
第１〜第３の非球面なシリンドリカル面１０〜１２は、図２に示すように、第１の空間１７又は第２の空間１８の深さ方向に同一形状を保つような形状である。そして、第１〜第３の非球面なシリンドリカル面１０〜１２は、図７に示すように、第１及び第２の空間１７，１８の底面２０，２１と平行な面で断面した形状が第１及び第２の空間１７，１８の深さ方向のどの位置でも同一の形状になるように形成されており、それぞれ次式（数１）及び図５中の表の数値で表される形状になっている。
【００１５】
【数１】
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【００１６】
上述のような、本実施の形態の第１〜第３の非球面なシリンドリカル面１０〜１２からなる集光部１３は、図４に示すように、コア径５０μｍの光ファイバ１４の出射面から出射された発散光を分離流路６の幅方向略中央で結像するように設計されており、分離流路６内の試料に照射される光の有効光幅Ｗ１がほぼ２５μｍ（倍率がほぼ０．５（２５／５０））となるように設計されている。一方、非特許文献１に開示された従来例は、コア径１００μｍの光ファイバ５４から出射された発散光に対し、分離流路６内の試料に照射される光の有効光幅がほぼ１５０μｍ（倍率がほぼ１．５（１５０／１００））であり、本実施の形態のよりも幅広の照射光幅で分析していたことになる。その結果、非特許文献１に開示された従来技術は、分離流路６内の前後の試料のバンド２３に同時に光を照射してしまう場合があり、ターゲットとなる試料から発せられた蛍光とともに、ターゲットの試料以外の試料からの蛍光を検知手段１５が検知してしまい、検知精度の低下を生じる場合があった。しかし、本実施の形態によれば、図６に示すように、分離流路６内の試料に対する光の有効光幅Ｗ１がほぼ２５μｍであるため、分離流路６内の試料のバンド２３の間隔Ｗ３が光の有効光幅Ｗ１を越えていれば、分離流路６内の前後の試料のバンド２３，２３に同時に光を照射するようなことがない。ここで、有効光幅とは、分離流路６内において、肉眼により発光が観察可能な光の幅（試料が電気泳動する方向に沿う方向の幅）のことをいう。
【００１７】
検知手段１５は、分離流路６を隔てて第３の非球面なシリンドリカル面１２に対向するように配置されている受光素子としての受光用光ファイバ２４と、この受光用光ファイバ２４に接続されている光電変換デバイス２５とからなっており、光電変換して得た電気信号を図示しないインターフェース等を介してコンピュータ等の分析用デバイスに出力するようになっている。
【００１８】
このように構成されたマイクロ分析システム用光学系８を適用したマイクロチップ１は、第１プレート部材２の表面４に第２プレート部材３を固着することにより、試料流路５を構成する第１の溝５ａと分離流路６を構成する第２の溝６ａの各両端部を除く開口部分，分析部８における第１の空間１７及び第２の空間１８の開口部が第２プレート部材３によって塞がれることになる。
【００１９】
次に、本実施の形態のマイクロ分析システム用光学系８の使用状態（試料を分離同定する状態）を説明する。先ず、図１において、試料流路５及び分離流路６の端部に対応するように形成された第２プレート部材３の貫通穴２６から試料分離用の媒体が試料流路５及び分離流路６に注入され、これら試料流路５及び分離流路６に試料分離用の媒体が満たされる。
【００２０】
次いで、図１に示すように、第２プレート部材３の貫通穴２６から試料流路５の一端側に分析対象である試料を注入し、この試料流路５の両端に電圧を印加して、試料の先端が流路交差部７を越える位置まで電気泳動させる。次いで、分離流路６の両端に電圧を印加し、流路交差部７に位置する微量の試料を分離流路６に導入し、試料の分離を開始する。分離流路６内を電気泳動により移動する試料は、分子量等の差異によって電気泳動速度が異なり、分析部９に到達するまでに複数のバンド（物質群）２３に分離する（図６参照）。
【００２１】
図４に示すように、光ファイバ１４から発せられる光を第１〜第３の非球面なシリンドリカル面１０〜１２を順に通過させて集光し、その集光した光を分析部８に到達した試料（バンド）に照射する。試料は、光を照射されると、蛍光標識から蛍光を発するようになっている。そして、この試料から発せられる蛍光を検知手段（例えば、受光素子）１５で検知して、その検知結果に基づいて試料の分析が行われる。
【００２２】
以上のように、本実施の形態によれば、光ファイバ１４から発せられる光を、第１〜第３の非球面なシリンドリカル面１０〜１２によって２５μｍ程度に狭くなるように集光し、その集光した光を分離流路６内の試料に照射するようになっているため、隣り合うバンド２３，２３の間隔を従来例で正確に測定が可能なバンド間隔（１５０μｍ）よりも狭めても、隣り合うバンド２３，２３に光を同時に照射するようなことがなく、分析の解像度を高めることができる。また、シリンドリカル面を非球面に形成することにより、球面に形成したものに比べて、球面収差，コマ収差等の種々の収差を補正することができる。
【００２３】
また、本実施の形態によれば、バンド２３への光の照射幅（ほぼ２５μｍ）を越える程度の間隔で電気泳動するバンド２３の分析を行う場合、隣り合うバンド２３，２３が同時に光を照射されて蛍光発光するようなことがなくなるため、高精度の試料の分析が可能になる（図６参照）。
【００２４】
また、本実施の形態によれば、従来例（非特許文献１の従来例）に比較して、集光部１３の倍率が小さいため（本実施の形態がほぼ０．５の倍率であるのに対し、従来例がほぼ１．５の倍率であるため）、バンド２３の幅及び隣り合うバンド２３，２３の間隔を狭めても、試料分析を精度良くできるため、従来例の場合に必要とされる試料よりも微量の試料を高速度で分析することが可能になる。
【００２５】
（第１の実施の形態の変形例）
尚、本発明は、マイクロチャネル（分離流路６）内を電気泳動する試料に光を照射する態様である上述の実施の形態に限られず、ウェル内の試料に光を照射する態様に適用することもできる。
【００２６】
また、本発明は、試料に照射される光の有効光幅寸法Ｗ１（２５μｍ）が従来例（非特許文献１の従来例）の光の有効光幅寸法（１５０μｍ）よりも狭くでき、従来例よりも倍率を小さくできるので、従来例では正確に測定ができなかったバンド２３間隔の試料分析も精度良くできる限り、１個又は２個の非球面なシリンドリカル面で光ファイバ１４からの光を集光するようにしてもよい。また、非球面なシリンドリカル面の配置スペースが確保できるような場合には、３個を越える個数の非球面なシリンドリカル面で光ファイバ１４からの光を集光するようにしてもよい。
【００２７】
また、上述の実施の形態において、第２プレート部材３の集光部１３に対向する面に光反射手段を形成すると共に、第１プレート部材２の第１の空間１７及び第２の空間１８の両側面及び底面２０，２１に光反射手段（図示せず）を形成し、光が漏れ出るのを防止して、光を照明光として有効利用できるようにすることができる。
【００２８】
また、上述の実施の形態において、第１〜第３の非球面なシリンドリカル面１０〜１２に代えて、図７の非球面形状をＺ軸を回転中心として回転してできる非球面を使用するようにしてもよい。
【００２９】
また、上述の実施の形態において、集光部１３を構成する３枚のレンズ面に非球面のシリンドリカル面を使用したマイクロ分析システム用光学系について説明してきたが、本発明はこれに限られるものでなく、シリンドリカル面に代えて、例えば、非球面形状のトロイダル面を用いて集光部１３を構成するようにしてもよい。トロイダル面を用いることにより、第１プレート部材２の表面４と直交する面上の光を集光することも可能となる。なお、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）等の成形後においても、所定の弾性を有する材料を用いることにより、トロイダル面を有するマイクロ分析システム用光学系であっても、成形型を使った製作が可能となる。
【００３０】
［第２の実施の形態］
図８は、本発明の第２の実施の形態に係るマイクロ分析システム用光学系８を適用したマイクロチップ１に関するものであり、第２プレート部材３を省略して示すマイクロチップ１の平面図である。
【００３１】
この図８に示すように、分離流路６にほぼ平行で且つ、分離流路６とほぼ同じ断面形状の迷光遮蔽溝２７，２７を、第２の非球面なシリンドリカル面１１と第３の非球面なシリンドリカル面１２との間の位置にあり、且つ、その端部が第２の空間１８の近傍位置にあるように形成されている。
【００３２】
このように構成することにより、第１プレート部材２の集光部１３の近傍に漏れた迷光が迷光遮蔽溝２７，２７の側面で全反射され、迷光が分離流路６内に迷い込むことがなく、迷光によって分析精度が低下するのを防止することができる。
【００３３】
【発明の効果】
以上のように、本発明は、非球面なシリンドリカル面を使用してなる集光部によって光を従来例よりも小さな倍率で（より狭い有効光幅寸法となるように）集光し、その集光した幅の狭い光を分析のターゲットとなる凹部内の試料にのみ照射して、分析のターゲットとなる試料を高精度に、かつ高速に分析することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るマイクロ分析システム用光学系を含むマイクロチップの外観斜視図であり、説明の都合上、第２プレート部材を２点鎖線で示した図である。
【図２】第１の実施の形態におけるマイクロ分析システム用光学系を拡大して示す第１プレート部材の部分的外観斜視図である。
【図３】第１の実施の形態におけるマイクロ分析システム用光学系を拡大して示す第１プレート部材の部分的平面図である。
【図４】第１の実施の形態におけるマイクロ分析システム用光学系の集光状態を示す第１プレート部材の部分的拡大平面図である。
【図５】第１の実施の形態における集光部を構成する第１〜第３の非球面シリンドリカル面の設計数値を表で示す図である。
【図６】バンドの移動状態を示す図であり、図７（ａ）が分析前の状態図、図７（ｂ）が分析時の状態図である。
【図７】非球面なシリンドリカル面の断面形状図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態に係る第１プレート部材を部分的に拡大して示す平面図である。
【図９】従来のマイクロ分析システム用光学系を含むマイクロチップの平面図である。
【図１０】従来のマイクロ分析システム用光学系を拡大して示す平面図である。
【図１１】従来のマイクロ分析システム用光学系の作動状態を示す平面図である。
【符号の説明】
１……マイクロチップ、５……試料流路（第１のチャネル，凹部）、６……分離流路（第２のチャネル、凹部）、８……マイクロ分析システム用光学系、１０……第１の非球面なシリンドリカル面、１１……第２の非球面なシリンドリカル面、１２……第３の非球面なシリンドリカル面、１３……集光部、１４……光ファイバ
【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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