(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
微小重力状態において、少なくとも二種類の試料液を混合したとき生じる反応を解析する反応解析装置において、
微小重力状態を認識する微小重力認識手段と、
該微小重力検出手段からの信号により前記試料液を反応器内にそれぞれ導入する試料供給手段と、
前記反応器内の反応の状況を所定時間毎にサンプリングするサンプリング手段と、
該サンプリング手段の検出結果を電子情報または画像情報として記録する記録手段とを備えた反応解析装置。
【請求項２】
前記サンプリング手段は、反応器内の溶液の吸光度の変化をサンプリングするようになっていることを特徴とする請求項１に記載の反応解析装置。
【請求項３】
前記微小重力認識手段は、落下による加速度変化が十分小さくなったことを示す信号を検出することによって、微小重力状態を認識するようになっていることを特徴とする請求項１に記載の反応解析装置。
【請求項４】
微小重力状態において、少なくとも二種類の試料液を反応器内で混合したとき生じる反応を解析する反応解析方法において、
前記微小重力状態を認識し、
該微小重力状態を認識したのち、前記試料液を反応器内に導入し、
前記反応器内の反応状況を所定時間毎にサンプリングし、
該サンプリング結果を電子情報として記録する工程を備えたことを特徴とする反応解析方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、無重力ないし無重力に近い状況で、所定の反応を行わせて、その反応の状況を解析する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
無重力状態あるいは微小重力状態での現象を解析するために、実験装置を落下させ、落下中に該装置内で所定の実験あるいは試験を行ういわゆる落下試験を行うことが従来から一般的に知られている。この落下試験を行うに際し、落下試験装置を制作しこれを用いて行う方法、あるいは航空機に実験装置を搭載して、落下状態に近い高度変更運転（パラボリックフライト）を行うことによって、無重力ないしこれに近い微小重力状態をつくり出すことが知られている。このように無重力状態での反応現象を正確に観察しあるいは解析することは、将来の宇宙空間でのさまざまな産業活動を予測する上で極めて重要である。
【０００３】
微小重力実験を行うための落下試験装置では、実験を行うことができる時間が落下中に限られるため、時間が短かい。したがって、効率よく実験を実行し、かつ正確かつ効率的にこの実験経過及び結果を記録することが必要となる。
【０００４】
また、落下開始時に急加速度増大を生じるとともに、落下終了時には、急減加速度の発生及びこれにともなう落下衝撃を必然的に受けることになるので、落下衝撃に耐えることができる十分な強度が必要となる。さらに、落下試験装置に搭載できる実験装置の大きさ及び重量が制限されるという制約もある。
【０００５】
従来知られている微小重力試験としては、材料に関係する材料系落下試験がある。また、ライフサイエンス系（生物化学、バイオメディカル、宇宙医学）の分野での落下試験が知られている。しかし、ライフサイエンス系の落下試験は材料系の試験に比して実験実績が少ない。その理由の一つとして実験装置の構造に起因して実験を適正に実行することができず、また、実験経過を正確に監視し、結果を正確に評価することが困難であった。特に、従来の落下装置に搭載する実験装置では、実験経過を正確に観察することが困難で反応の経過及び結果を分析することが困難であった。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みて構成されたもので、ライフサイエンス系の特に細胞内生体高分子反応に関し、微小重力下において適切に反応を行わせることができ、かつ，その反応の経過及び結果を正確に評価することができる落下試験装置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】
本発明の上記目的は、微小重力状態で、少なくとも二種類の試料液を混合したとき生じる反応を解析する反応解析装置において、
微小重力状態を認識する微小重力認識手段と、
該微小重力検出手段からの信号により前記試料液を反応器内にそれぞれ導入する試料供給手段と、
前記反応器内の反応の状況を所定時間毎にサンプリングするサンプリング手段と、
該サンプリング手段の検出結果を電子情報として記録する記録手段とを備えた反応解析装置によって達成することができる。
【０００８】
好ましい態様では、前記サンプリング手段は、反応器内の溶液の吸光度の変化をサンプリングするようになっている。
【０００９】
この場合、前記微小重力認識手段は、落下による加速度の変化が十分小さくなったことを示す信号を検出することによって、反応解析装置の落下の開始を認識するようになっている。この信号は、落下実験施設側から発生されるようになっている。たとえば、この落下実験施設が落下開始信号を発生した場合には、その信号を受け取り、タイマー等を用いて所定時間後の微小重力状態になったタイミングで本発明の解析装置を起動させるようにしてもよい。また、落下実験施設にμＧセンサを設け該センサからの信号を本発明の反応解析装置が受け取ることによって、反応を開始させるようにしてもよい。
【００１０】
本発明の別の特徴によれば、少なくとも二種類の試料液を反応器内で混合したとき生じる反応を解析する反応解析方法において、
前記微小重力状態を認識し、
該微小重力状態を認識したのち、前記試料液を反応器内に導入し、
前記反応器内の反応状況を所定時間毎にサンプリングし、
該サンプリング結果を電子情報として記録する工程を備えたことを特徴とする反応解析方法が提供される。
【００１１】
本発明は反応速度が比較的速い生化学分野での反応実験に好適である。そして、実験経過を電気信号主体のデータ処理によって、観察し、分析するようにしたので、正確に実験経過を観察することができる。また、実験装置とともに、この観察結果を処理し、分析するためのコンピュータを搭載するようにしたので、遠隔操作により、必要に応じて、連続処理を行い、高度の短時間時間分解能を付与することにより実質的に連続的に実験経過を観察し解析することができる。
【００１２】
本発明の反応解析装置は、基本的に以下の構成要素からなる。
すなわち、落下装置に搭載される本発明にかかる反応解析装置は、液状の実験原料（生体試料等）を送出する送液部と、この試料を混合し、反応せしめ、反応物を回収するための混合、反応、回収部を備えている。反応によっては、混合とほぼ同時に反応が開始するものがある。また、十分な混合があって反応が進行するものもある。したがって、混合部ないし反応部は、好ましくは、観察可能な石英等の透明材料からなる容器で構成される所定の容積を有する反応セルを有する。反応部では複数試料が混合されて反応を生じ、反応結果物及び未反応物質が残留する。回収部は、ベロー式アキュームレータを有し、反応終了後の試料を回収しあるいは反応結果物及び未反応物質を収容する。さらに反応系の温度を調節するための温度調節部を備えている。温度調節部は、具体的には、恒温水を循環させることによって温度を調節するようになっており、したがって、温度調節部は、恒温水のためのサーキュレータを備えている。落下装置は、反応経過および及び反応結果にかかる電子データを解析するための制御、データ処理部を備えている。反応の観察は反応部の外面を透明材料で構成し、一方の側に光源を配置し他方の側にＣＣＤカメラを配置し、ＣＣＤカメラの出力を処理するインターフェイスを設ける。顕微鏡等を用いて反応を拡大して観察することもできる。このような拡大手段を採用することにより反応を精密に観察することができかつ解析することができる。さらに、高速度カメラにより反応の微小な時間変化を精密に観察しおよび／または解析することができる。反応の観察するために反応の進行にともなって反応部内の色が変化する色素を使用することによって簡単に反応の変化を観察することができる。色の検出には色センサあるいは、タングステン・ハロゲンランプ光の透過光量により反応変化を検出することができる。また、反応の様子をＣＣＤカメラによって観察するようにしても良い。
【００１３】
本発明の好ましい態様では、微小重力試験装置を落下装置に搭載する。落下準備が整った場合には、該落下装置を落下させる。落下装置は落下信号あるいは、μＧセンサからの信号を発生する。落下信号あるいはμＧ信号を検出したとき、微小重力装置はタイマーを作動させて、該タイマーのカウント値が所定以下になったとき、試料供給用のバルブのコントローラからの制御信号によりバルブを開いて、試料の反応部への供給を開始する。これに同期して、反応部において反応を観察する。この場合、特定波長の光の透過率が変化するように構成されている。例えば、反応の進行とともに試料あるいは反応結果物に、着色、減色等の色の変化が生じたり、特定波長のスペクトル吸収特性の変化が生じるようになっている。すなわち、反応の進行に対応して、反応物に何らかの光学的変化が生じた際は、この光学的変化を観察することによって反応を観察するようになっている。或いは、反応結果物が着色するように構成されている。吸光度特性の時間変化にもとづいて、データを処理し、反応解析を行う。また、反応によっては、濁度の変化によって観察できる場合があるが、この場合には、反応の推移をＣＣＤカメラを使用して観察することができる。このように、吸光度特性による観察を行うか、あるいは、ＣＣＤによる観察を行うかは、試料の種類、反応の形態等によって適宜設定することができる。反応速度は、反応温度に大きな影響を受けるので、反応部の温度管理を行う。この場合、反応部を巡って恒温水を循環させて、反応部の温度を所定温度に制御するようにしている。このように本発明においては、反応の開始から反応結果の解析まで一連の作業を連続してかつ、リアルタイムで処理することができるようにした点において、従来のシステムが奏し得ない有利な効果を奏することができるものである。
【００１４】
【本発明の実施の形態】
以下図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。
【００１５】
図１は、本発明の微小重力試験装置の１実施形態にかかる生体試料送液混合装置１の概念図である。本例の生体試料送液混合装置１は、出発原料である試料液を定量的に送出する送液部２と、複数の試料液を均一混合する混合部３と、混合された試料液を導入して、所定の反応が生じる反応部４と、反応部４における反応を観察するため観察部５と、反応結果物を処理し、残留原料の回収する回収部６を備えている。
【００１６】
送液部２は送出能力（１０−２０μｌ／５０−１００ｍｓ）の送液シリンダ７を備えており、該送液シリンダ７は試料液を収容した約２０００μｌ程度の容量を有する２つのシリンジ８、９のプランジャ１０、１１の一端に連結されている。二つのシリンジ８、９の出口側は、１つの混合部３に連通している。該混合部３は、反応部４に連通しており、混合部３ないしは反応部４の側部には、ランプあるいはレーザー等の光源１３と分光光度計１４からなる観察装置１５及びＣＣＤカメラ１７から構成される別の観察装置１８が設けられる。また、反応部４の側部には、蛍光系の観察装置を設けることもできる。
【００１７】
さらに、本発明の生体試料送液混合装置１は、反応部４の温度を制御するための温度調節部１９を備えている。温度調節部１９は、反応部４を巡って恒温媒体を循環させる機構からなる。温度調節部１９は、恒温媒体、一般的には、水を送出する供給シリンダ２０を備えている。また、恒温媒体の温度を調節して保存する保存タンク２１及びこの保存タンク２１に収容された恒温媒体を循環させるための循環ポンプ２２を備えている。循環系と、供給系との合流部分には、両者の量を調節するための調節バルブ２３が設けられている。調節バルブ２３は、反応部４に送出される恒温媒体の温度が所定の温度になるように循環系及び供給系からの恒温媒体の量を調節するようになっている。
【００１８】
さらに本発明にかかる生体試料送液混合装置１は、反応を停止させるための停止液を供給するための、停止部２５を備えており、この停止部２５には、反応部における化学反応を停止させる停止液が収容されている。そして、停止部２５は、該停止液を混合部３を介して、反応部に導入するための送液シリンダ１２を備えている。さらに、本例の装置では、第３の試料を送出するための送液シリンダ２６を備えている。したがって、本例では、三種類の試料による反応を生じさせることもできる。回収部６には、反応部４からの異なる複数の成分を分離収集するための容量約１０ｍｌ程度の反応液回収シリンジが設けられる。そして、残留成分は、廃液として処理される。本例の装置では、ＣＣＤカメラ１７からの映像をテープ等の記録媒体に記録し、あるいは分光光度計からのサンプリングデータをディスク等記録媒体に記録するためのコンピュータから構成されるコントローラ２８が設けられる。このコントローラ２８は、μＧセンサ２９（微小重力実験装置外に設けられる）からの信号を入力して実験装置の送液シリンダ７の動作およびバルブの開閉を開始あるいは、ＣＣＤカメラ１７による記録開始及び、分光光度計１４によるサンプリングデータの記録の開始、データ解析等を行うようになっている。
【００１９】
なお、２種類の反応液を混合させる実験を行う場合には、停止部２５、上記恒温媒体系、供給シリンダ２０、送液シリンダ１２、停止部２５、送液シリンダ２６等は不要である。すなわち、送液部２を備えていれば良い。
【００２０】
図２及び図３を参照すると、本発明の生体試料送液混合装置１が斜視図及び分解斜視図の形式で示されている。上記のように本例の生体試料送液混合装置１は、試料液をそれぞれ送出する送液部２と、該二種類の試料液を混合する混合部３と、混合された試料液を導入して、所定の反応が生じる反応部４とを備えている。本例では、上記生体試料送液混合装置１の送液部２の送液シリンダ７は、基板３０状に固定されており、さらに、混合部３、反応部４等は、該基板状に固定されたチャンネル型の支持台３１の上に固定されている。そして、上記送液シリンダ７は、チャンネル型の支持台３１と、基板３０とで画成される空間部に収容されている。
【００２１】
本例の送液部２を構成する一対のシリンジ８、９は、上記支持台３１上に固定された混合セル用ホルダー３２内に形成されており、該シリンジ８、９に、それぞれ内部の試料を送出するために往復動するプランジャ１０、１１が配置される。プランジャ１０、１１を駆動するために、上記送液シリンダ７が設けられ、該シリンダ７の駆動源としてステップモータ（図示せず）が設けられる。プランジャ１０、１１は、送液シリンダ７に結合された往復動可能なスライダ３４のフランジに結合部材３５を介して固定されている。スライダ３４は、プランジャ１０、１１の往復動方向に延びるガイドレール３６に沿って移動するようになっている。プランジャ１０、１１を往復動させることによって、シリンジ８、９内の試料を混合部３へと送出する。なお、混合部３と反応部４とは、装置の上で厳密な区別がある訳ではない。混合した試料が即座に反応を開始し、この経過を監視することが重要である場合には、混合部３を監視可能に構成する。また、反応部４において反応を監視することによって、的確に反応を観察することができ、正確に反応の解析を行うことができる場合がある。本例の微小重力実験装置では、観察機構が混合部及び反応部にそれぞれ設けられる。混合部３には、ＣＣＤカメラ１７を用いた撮像機構が観察装置として設けられる。混合部３は図４に示すように、透明材料の混合セルで構成されており、内部の反応状態が外部から観察できるようになっている。そして、混合部３の混合セル３３の一方の側部にＣＣＤカメラ１７を配置する。この場合、上記透明材料の混合セル３３内の試料が収容される容積部の内部空間形状はＣＣＤカメラ１７の撮影方向の幅は薄く、これと直交方向に拡がった形状を有する。この内部空間の独特の形状により、混合セル３３の内部空間を全体にわたって明るく保つことができる。この結果、混合セル３３の反対側に配置されたＣＣＤカメラ１７によって、内部空間内の反応の進行を精密に観察することができる。
【００２２】
反応部４の側部に設けられる反応を観察するための観察部５は、吸光度測定機構によって構成される。
【００２３】
図５及び図６には、図４のものとは、異なる形態の混合セル３７、３８が示されている図６の混合セル３８は、試料の流れ方向に延びる一本の円筒状通路３９を備えている。この構造では、試料の混合は比較的緩慢に進行する。また、図５の混合セル３７では、上記のように流れ方向に延びる円筒状通路３９に対して、直交する方向に所定の邪魔棒４０がに設けられている。本例では、三箇所一定間隔で設けられて設けられている。すなわち、最も上流側と最も下流側の邪魔棒４０は水平方向（Ｘ方向）に流路方向に直交するように設けられ、真ん中の邪魔棒４０は垂直方向（Ｙ方向）に流路方向に直交するように設けられている。この構造では、図４の混合セル３３の場合に比して、試料の混合は比較的急激に且つ均一に進行する。
【００２４】
上記混合セル３３は、混合セル用ホルダー３２内に保持されており、上記ＣＣＤカメラ１７及びその光源１６は、混合セル３３内を監視可能にその側部に混合セル用ホルダー３２のコネクト部４１にそれぞれに取りつけられる。この場合、混合セル３３は、混合セル用ホルダー３２に取付け板４２、４３を介して、固定部材４４により上方及び前方から固定される。混合セル用ホルダー３２の上部には、シリンジ内に試料を補充するための試料補充開口４５、４６が形成されている。また、混合セル用ホルダー３２の内部には、混合セル３３及びシリンジ８、９を所定温度に維持するための恒温水通路が形成されており、混合セル用ホルダー３２の両側側部には、恒温水を混合セル用ホルダー３２の内部の上記恒温水通路に連通する配管４７、４８が接続される。さらに、図において混合部３の前方すなわち、下流側には、固定部材４９、矩形形状の中板５０が配置され、この下流側には、反応セル５１を保持する反応セル用ホルダー５２が配置される。
【００２５】
反応セル５１は、透明材料から構成されており、図７に示すように両端が小径で中間部が、上下方向に広がり、光路方向（本例では横方向）に薄なった形状の内部空間を有している。容器の板厚は、ほぼ一定になっている。反応セル用ホルダー５２の両側部には、光源１３及び分光光度計１４が取りつけられる。反応セル５１は、その前方側から取付部材５３によって反応セル用ホルダー５２に固定されている。
【００２６】
つぎに、本発明にかかる生体試料送液混合装置１の動作について説明する。
【００２７】
まず、生体試料送液混合装置は、落下装置に搭載されて固定される。
この場合、落下装置には、落下開始時の振動及び落下終了時に大きな重力加速度が作用するので、この衝撃に耐え得るように落下装置に固定される。
【００２８】
つぎに、落下準備が整った場合には、落下装置の係止部材を解放する。これによって落下装置は、落下し始める。落下開始直後は、加速度が増大する増加速度運動である。この後、定速度微小加速度運動の状態となり、落下点において減加速度減速度運動して停止する。上記定速度、微小加速度運動の間に行われ、生体試料送液混合装置における反応が開始し、終了する。そしてこの状況が、分光光度計１４を備えた計測装置５８によってサンプリングされ、観察装置１５によって観察されて記録されるのである。上記定速度、微小加速度状態は、本例の場合、約４．５秒継続する。
【００２９】
落下の開始は、落下装置に取付られたＧセンサ２９によって検出される。そして、このＧセンサ２９の出力が十分に小さくなったとき落下装置を所定の信号を発生し、本発明にかかる生体試料送液混合装置は、この信号を受信することによって最適のタイミングで開始するように設定されている。すなわち、Ｇセンサ２９は所定値以下の加速度となったことを検出した場合には所定の信号を発生する。生体試料送液混合装置は、この信号を受信したとき、図８に示すようにコントローラ２８によって、タイマー５４に信号を出力して、タイマー５４を起動する。そして、所定時間経過後に反応の計測装置（分光光度計）を作動させて、サンプリングを開始する。本例では、サンプリング間隔は、１０ミリ秒に設定されている。したがって、一回の落下試験で約４５フレームのサンプリングが可能となる。
【００３０】
他方、Ｇセンサからの信号によって落下加速度が所定値以下になったことが判明した場合には、コントローラ２８は、別のタイマー５６を作動させて、所定時間経過後に送液シリンダ７を動作させるためのモータ５７を駆動する。計測装置を動作させるためのタイマー５４のタイマー値と、送液シリンダ７のモータ５７を動作させるためのタイマー５６のタイマー値とは、反応の形態、種類等によってそれぞれ別個に経験的に設定されるものであるが、計測装置５８が送液シリンダ７よりも所定時間遅れて起動されるように設定される。
【００３１】
上記のように、実験可能な落下時間は、約４．５秒であり、極めて短時間であるので、装置の動作開始タイミングと、計測開始タイミングとは極めて正確に整合させる必要がある。反応の開始と同時に計測を開始するれば、サンプリングの無駄がなくなり効率よく反応状況を監視することができるからである。計測開始のタイミングが反応の開始のタイミングとあっていない場合には、正しく反応を監視することができず、したがって、精密な反応観察あるいは解析ができなくなる。
【００３２】
なお、コントローラの設定によっては、一回の落下中に混合実験を反復して複数回、例えば、１０回程度行うことも可能である。
【００３３】
図９及び図１０を参照すると、本発明の生体試料送液混合装置における反応状況を示す分光光度計による計測結果にかかる吸光度特性が示されている。図示の例では、[Fe(CN)6]3-錯体によるブルー銅蛋白質アズリンの酸化反応である。図９は、重力加速度が１Ｇの状態すなわち地上での実験結果を示している。図１０は、重力加速度が実質的に０Ｇすなわち、落下実験における実験結果である。図１１は、上記図７及び図８において、６２０ｎｍの波長の吸光度変化に着目して吸光度特性の時間変化をプロットしたものである。図１１を分析することにより地上重力状態と微小重力状態とで反応の状況が異なることが判明する。
【００３４】
このように、微小重力状態と地上重力状態での反応の相違を様々な角度から分析することにより微小重力状態での反応の特徴を知ることができる。
【００３５】
図１２、図１３及び図１４は、アスコルビン酸（ビタミンｃ）による２，６−ジクロロフェノールインドフェノール還元反応に関する図９、図１０及び図１１と同様の図である。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、装置をコンパクトにすることができるとともに、有効に落下試験において、微小重力下における反応の状況を精密に観察し、その結果を落下終了時点ですでに記録媒体への記録を完了することができるので、記録をさらに処理することなく、そのまま記録結果を出力することにより、反応の状況を正確に再現することができる。したがって、従来の実験装置に比べて、迅速にかつ簡単に精度の高い反応解析が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施例にかかる生体試料送液混合装置のブロック図、
【図２】本発明の実施例にかかる生体試料送液混合装置の斜視図、
【図３】本発明の実施例にかかる生体試料送液混合装置の分解斜視図、
【図４】本発明に従う混合セルの例、
【図５】本発明に従う混合セルの他の例
【図６】本発明に従う混合セルの他の例、
【図７】本発明に従う反応セルの例、
【図８】本発明に従う落下試験の制御の概略ブロック図、
【図９】  [Fe(CN)6]3-錯体によるブルー銅蛋白質アズリンの酸化反応の地上試験における吸収スペクトルを示すグラフ、
【図１０】  [Fe(CN)6]3-錯体によるブルー銅蛋白質アズリンの酸化反応の落下試験における吸収スペクトルを示すグラフ、
【図１１】  Fe(CN)6]3-錯体によるブルー銅蛋白質アズリンの酸化反応の波長５５０ｎｍの吸収スペクトルの経時変化を示すグラフ、
【図１２】  [アスコルビン酸（ビタミンｃ）による２，６−ジクロロフェノール還元反応の地上試験における吸収スペクトルを示すグラフ、
【図１３】アスコルビン酸（ビタミンｃ）による２，６−ジクロロフェノール還元反応の落下試験における吸収スペクトルを示すグラフ、
【図１４】アスコルビン酸（ビタミンｃ）による２，６−ジクロロフェノール還元反応の波長５５０ｎｍの吸収スペクトルの経時変化を示すグラフである。
【符号の説明】
１  生体試料送液混合装置
２  送液部
３  混合部
４  反応部
５  観察部
６  回収部
７  送液シリンダ
８、９  シリンジ
１０、１１  プランジャ
１２  送液シリンダ
１３  光源
１４  分光光度計
１５、１８  観察装置
１７  ＣＣＤカメラ
１９  温度調節部
２０  供給シリンダ
２１  保存タンク
２２  循環ポンプ
２３  調節バルブ
２５  停止部
２６  送液シリンダ
２７  フラクションコレクタ
２８  コントローラ
２９  Ｇセンサ
３０  基板
３１  支持台
３２  混合セル用ホルダー
３３  混合セル
３４  スライダ。
【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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【図１３】
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【図１４】
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