(57)【要約】【課題】測定対象の位置ずれに影響されることなく測定精度を確保しつつ測定時間を短縮できる光学系、蛍光検出装置および生体化学分析装置を提供する。【解決手段】対物レンズと、対物レンズの焦点位置に入射端を配置した導波路と、試料からの戻り光を対物レンズにてテレセントリックに集光するための光量調整用絞りと、を備え、光量調整用絞りは入射端に備えられ、導波路の伝播ＮＡは、試料からのすべての戻り光を導波路内で伝播する値に調整されている。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対物レンズと、
前記対物レンズの焦点位置に入射端を配置した導波路と、
試料からの戻り光を前記対物レンズにてテレセントリックに集光するための光量調整用絞りと、を備えた光学系であって、
前記光量調整用絞りは前記入射端に備えられ、
前記導波路の伝播ＮＡは、前記試料からのすべての戻り光を前記導波路内で伝播する値に調整された、
ことを特徴とする光学系。
【請求項２】
請求項１に記載の光学系と、
測定チャンバに格納され、照明光を蛍光標識された前記試料へ照明する照明部と、
前記試料からの蛍光を取得する蛍光取得部と、を備えた蛍光検出装置であって、
前記照明部からの照明光の照明領域は、前記測定チャンバの幅よりも大きい
ことを特徴とした蛍光検出装置。
【請求項３】
前記照明光の前記試料への照明は前記導波路を通る
ことを特徴とした請求項２に記載の蛍光検出装置。
【請求項４】
前記蛍光取得部は１つの受光用ファイバであり、前記受光用ファイバの外周に前記照明部として複数の照明用ファイバが備えられている
ことを特徴とした請求項３に記載の蛍光検出装置。
【請求項５】
請求項２に記載の蛍光検出装置と、
前記測定チャンバを複数個備えた測定用チップを保持する回転トイレと、を備えた
ことを特徴とする生体化学分析装置。
【請求項６】
前記回転トレイを回転させることで前記試料を逐次測定することを特徴とする請求項５に記載の生体化学分析装置。
【請求項７】
前記測定チャンバの幅は、前記回転トレイの回転方向の幅である
ことを特徴とする請求項６の生体化学分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、血液等の各種検体を処理チップに封入し、様々な試薬と混合して反応させ生体物質を検出する技術に関する。より詳細には、測定対象の位置ずれに影響されることなく、生体物質の反応を高分解能に解析するための技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
蛍光標識をした試料に光源からの照明光を当て、試料から発せられる蛍光を検出する装置として蛍光検出装置が知られている。ウェルは、試料を格納した複数のチャンバを備えている。それぞれの試料はチャンバ内で位置が異なるため、試料毎に試料を格納したチャンバと導波路の端部との距離を制御機構により調整し、蛍光の検出レベルを一定以上に維持している（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−２７１２２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記従来の構成は、試料の測定に時間がかかるという課題を有していた。すなわち、測定試料をセットする度に制御機構を用いた調整ステップを行って試料の検出レベルを確保するまでの余分な処理時間が必要となる。
【０００５】
そこで、本発明は、このような試料に対する調整時間をなくし測定時間を短縮することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
従来の課題を解決するために、本発明の光学系は、対物レンズと、対物レンズの焦点位置に入射端を配置した導波路と、試料からの戻り光を対物レンズにてテレセントリックに集光するための光量調整用絞りと、を備え、光量調整用絞りは入射端に備えられており、導波路の伝播ＮＡは、試料からのすべての戻り光を前記導波路内で伝播する値に調整されていることを特徴としたものである。
【０００７】
また、本発明は、測定チャンバに格納され、照明光を蛍光標識された試料へ照明する照明部と、試料からの蛍光を取得する蛍光取得部と、をさらに備え、照明部からの照明光の照明領域を、測定チャンバの幅よりも大きく設定された蛍光検出装置としてもよい。
【０００８】
また、本発明の蛍光検出装置は、照明光の試料への照明は前記導波路を通ることが好ましい。
【０００９】
また、本発明の蛍光検出装置の光取得部は１つの受光用ファイバであり、受光用ファイバの外周に照明部として複数の照明用ファイバが備えられていることが好ましい。
【００１０】
また、本発明は、測定チャンバを複数個備えた測定用チップを保持する回転トイレと、を備え、生体化学分析装置としてもよい。
【００１１】
このとき、回転トレイを回転させることで試料を逐次測定することが好ましい。
【００１２】
さらに、測定チャンバの幅は、前回転トレイの回転方向の幅であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の蛍光検出装置によれば、蛍光標識された試料に対する調整時間をなくし測定時間を短縮することができる。
【００１４】
すなわち、測定試料をセットする度に制御機構を用いた調整ステップを行なって試料の検出レベルを確保するまでの余分な処理時間を必要とすることがない。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態１における生化学分析装置１０１の概観図
【図２】本発明の実施の形態１における生化学分析装置１０１の内部機構を示した模式図
【図３】本発明の実施の形態１における処理チップ１０２の平面模式図
【図４】本発明の実施の形態１における処理チップ１０２を保持した回転トレイ２０２の模式図
【図５】本発明の実施の形態１における光学部２０６の構成を示す平面模式図
【図６】本発明の実施の形態１における照明光光路を示した模式図
【図７】本発明の実施の形態１における蛍光受光光路を示した模式図
【図８】本発明の実施の形態２における光学部２０６の構成を示した平面模式図
【図９】本発明の実施の形態２における導波路８０４の端部を示した断面模式図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
（実施の形態１）
以下に、本発明の蛍光検出装置の実施の形態を図面とともに詳細に説明する。
【００１７】
図１は、本発明の実施の形態１における生体化学分析装置１０１の概観図を示す。この生体化学分析装置１０１は、病院や診療所等で生体化学を分析するための装置である。
【００１８】
処理チップ１０２に血液等の検体を点着した後、生体化学分析装置１０１に設けられた処理チップ投入口１０３から処理チップ１０２をセットし、生体化学分析を行う。生体化学分析装置１０１の前面にタッチパネル１０４を設けており、タッチパネル１０４を用いて測定開始操作および測定中止操作を行う。
【００１９】
図２は、生体化学分析装置１０１の内部機構を示した模式図である。生体化学分析装置１０１は、回転機構２１０、温調部２０４および光学部２０６を含む構成となっている。
【００２０】
円板形状の回転トレイ２０２は、その中心がモータ２０３の軸と接続され、回転機構２１０を構成している。また、後述するように、処理チップ１０２が回転トレイ２０２の裏面に保持されている。
【００２１】
温調部２０４は、内壁に断熱材（図示せず）が設けられ、回転機構２１０の回転トレイ２０２を覆う筐体２１１と、筐体２１１の内部を加温し、測定チャンバ２０１内に格納された混合液体試薬（請求項の「試料」に相当する）を加温するヒータ２０５とを備えている。温調部２０４は、また、温度を測定する温度センサ２０７を備え、筐体２１１の内部の温度を例えば６０℃に制御する。これによって、混合液体試薬の温度制御を行う。
【００２２】
光学部２０６は、温調部２０４により温度制御された混合液体試薬の光学検出を行なうものである。すなわち、照明光を照明し、蛍光を取得するためのファイバおよび対物レンズが処理チップ１０２の表面１０５側に配置されており、測定チャンバ２０１に格納され
た混合液体試薬へ照明光を照明する。そしてＦＡＭやＦＩＴＣなどの蛍光標識が施されている混合液体試薬からの蛍光を受光することで検体の光学検出を行う。このような光学部２０６は詳細に後で説明する。
【００２３】
図３は、処理チップ１０２の平面模式図である。処理チップ１０２は、その１辺が湾曲した厚さ６ｍｍの略長方形となっている。処理チップ１０２の一側面（流路形成面）には、前記の湾曲した一辺に沿うように、深さ２ｍｍ、短手幅３ｍｍ、長手幅５ｍｍの長穴形状のリザーバとなる溝が複数個、本実施例では１２個の溝が、一定の間隔を隔てて連続して形成されている。これらの溝を厚さ０．３ｍｍのアクリルやポリプロピレン等の樹脂製フィルムを覆い被せ、接着することで測定チャンバ２０１が形成される。なお、処理チップ１０２は、ＡＢＳ樹脂や、ポリプロピレン等の樹脂を材料としている。
【００２４】
図４は、処理チップ１０２を保持した回転トレイ２０２の模式図を示す。回転トレイ２０２は、その中心軸４０１を基準とし２枚の処理チップ１０２が対角に配置されている。また、処理チップ１０２は、１２個の測定チャンバ２０１が、中心軸４０１から同じ距離となるように配置されている。さらに、各測定チャンバ２０１の長手方向は、中心軸４０１に向かうように構成されている。別の言い方をすれば、測定チャンバ２０１は、中心軸４０１に対し放射状に配置されている。
【００２５】
光学部２０６のファイバからの照明光が照明される軌道４０２上に測定チャンバ２０１が配置されている。そのため、回転トレイ２０２の回転により逐次、照明光が測定チャンバ２０１へ照明され、混合液体試薬からの蛍光が検出される。すなわち、照明光は各測定チャンバ２０１の短手方向を横断するかたちで逐次測定していく。これにより各測定チャンバ２０１に格納された混合液体試薬を解析することが出来る。
【００２６】
次に、図５を用いて光学部２０６について詳細に説明する。光学部２０６は、照明部２０８、蛍光取得部２０９、ファイバ５０６および対物レンズ５０７から構成される。
【００２７】
照明部２０８は、光源５０１、コンデンサレンズ５０２、照明用波長フィルタ５０３、ビームスプリッタ５０４および集光レンズ５０５から構成され、これらは光源５０１の光軸上に順に配置されている。光源５０１は、例えば、波長４７０ｎｍのＬＥＤを用いる。光源５０１から照射された照明光は、コンデンサレンズ５０２により平行光束に変換され、照明用波長フィルタ５０３を透過し、ビームスプリッタ５０４を透過または反射した後、集光レンズ５０５にて集光される。ここで、照明用波長フィルタ５０３は、蛍光標識の照明波長を透過し、蛍光波長領域をカットする性質を有している。例えば、波長４３０ｎｍから４９０ｎｍまでの光を透過するバンドパスフィルタを用いる。
【００２８】
蛍光取得部２０９は、光源５１０、結像レンズ５０９、蛍光検出用波長フィルタ５０８、ビームスプリッタ５０４および集光レンズ５０５から構成され、これらは光源５１０の光軸上に順に配置されている。
【００２９】
蛍光検出用波長フィルタ５０８は、蛍光波長を透過し、照明波長領域をカットする性質を有している。例えば、波長５１０ｎｍから５６０ｎｍまでの光を透過するバンドパスフィルタを用いる。
【００３０】
集光レンズ５０５にて集光された照明光は、ファイバ５０６に結合される。さらに、ファイバ５０６を伝播した照明光の照明領域は、対物レンズ５０７にて測定チャンバ２０１に照明される。
【００３１】
照明光により、測定チャンバ２０１内に格納された混合液体試薬から発せられる蛍光は
、対物レンズ５０７によりファイバ５０６に結合され、ファイバ５０６内を伝播した後、集光レンズ５０５を透過する。そして、ビームスプリッタ５０４により反射または透過された後、蛍光取得部２０９にて検出される。詳細には、蛍光検出用波長フィルタ５０８を透過し、結像レンズ５０９にて受光素子５１０に結像される。
【００３２】
図６は、ファイバ５０６から照明される照明光光路を示した模式図である。照明光は、測定チャンバ２０１の短手幅よりも大きい範囲で照明している。具体的には、ファイバ５０６中心からの照明光の光束６０１は、対物レンズ５０７にて測定チャンバ２０１の短手幅とほぼ同じサイズの平行光束として照明される。また、ファイバ５０６の中心軸から離れた位置からの照射光の光束６０２は、対物レンズ５０７にて屈折された後測定チャンバ２０１の短手幅を超える位置にて照明される。
【００３３】
このように、照明光を測定チャンバ２０１の短手幅よりも大きい範囲で照明しているので、照明部２０８と蛍光取得部２０９の各光軸間で相対的な位置ずれが発生した場合でも、蛍光取得領域、つまり測定チャンバ２０１の短手幅全域を十分にカバーするように照明することが可能となる。
【００３４】
仮に、測定チャンバ２０１の短手幅と等しい範囲で照明した場合は、照明部２０８と蛍光取得部２０９の各光軸間位置ずれ等の要因により、測定チャンバ２０１の短手幅よりも小さい範囲で照明することとなる。
【００３５】
図７は、処理チップ１０２とファイバ５０６の先端付近との間における蛍光受光光路示した模式図である。測定チャンバ２０１の短手幅を外れた処理チップ１０２表面での照明光の反射光線７０２は、対物レンズ５０７にてファイバ５０６入射端５１１面に結合される。同様に測定チャンバ２０１内に格納された混合液体試薬から発せられる蛍光光線７０１（請求項の「戻り光」に相当する）は、対物レンズ５０７にてファイバ５０６入射端５１１面に結合される。ここで、ファイバ５０６の入射端５１１面は、対物レンズ５０７の焦点位置に配置されており、ファイバ５０６直径が開口絞り（請求項の「光量調整絞り」に相当する）の役割を果たすことによりテレセントリックな光学構成（請求項の「光学系」に相当する）となっている。蛍光光線６０１および反射光線７０２を主光線とする任意の立体角の光束がファイバ５０６へ入射することになる。
【００３６】
ファイバ５０６は、コア７０３とその外周にクラッド７０４を配した構成である。所定の入射角（請求項の「伝播ＮＡ」に相当する）以内の光はコア７０３とクラッド７０４の境界面において、クラッド７０４の屈折角θが９０度を越えることで、全反射しながらコア７０３内を伝播することが知られている。
【００３７】
そのため、光軸中心からの蛍光光線７０１の像高L１と光軸中心からの反射光線７０２の像高L２が異なることによって、ファイバ５０６の入射端面５１１への入射角が異なる。これを利用し、蛍光中心波長においてコア７０３とクラッド７０４の屈折率を所定の値となるように構成している。これにより光軸中心から像高L１までの領域、言い換えれば測定チャンバ２０１領域内の蛍光のみ、すなわちすべての蛍光光線７０１をコア７０３内で伝播させ、受光素子５１０にて検出することが可能となる。
【００３８】
この時、光軸中心からの像高Ｌ１からファイバ５０６のコア７０３へ入射した光線のコア７０３とクラッド７０４の境界面におけるクラッド７０４の屈折角θは、コア７０３の屈折率ｎ１、クラッド７０４の屈折率ｎ２、対物レンズ５０７の焦点距離ｆを用いて（式１）にて示される。
【００３９】
θ＝ｓｉｎ-1（ｎ１／ｎ２ｘｃｏｓ（ｓｉｎ-1（１／ｎ１ｘｓｉｎ（ｔａｎ-1（Ｌ１
／ｆ）））））＞９０度・・・（式１）
例えば、対物レンズ５０７の焦点距を２．５ｍｍ、コア７０３の材質をＰＭＭＡ（屈折率：１．４９）、クラッド７０４の材質をフッ素ポリマー（屈折率：１．４０）とした場合、屈折角θが９０度より大きくなる。すなわち、ファイバ５０６を伝播し、受光素子５１０にて検出される最大の像高Ｌ１は１．５ｍｍとなることから、回転トレイ２０２の円周方向である測定チャンバ２０１の短手幅３ｍｍを基準とする３ｍｍ直径の領域内からの蛍光のみをファイバ５０６にて伝播することができる。
【００４０】
このように、対物レンズ５０７の焦点位置にファイバ５０６の入射端５１１面を配したテレセントリック光学系において、ファイバ５０６のコア７０３および、クラッド７０４の屈折率を調整することにより、測定チャンバ２０１領域内の蛍光のみを受光素子５１０にて検出することが可能となる。
【００４１】
これにより、回転する複数の測定チャンバ２０１からの蛍光を逐次測定する場合、測定対象の測定チャンバ２０１と隣接する測定チャンバ２０１からの蛍光による干渉の影響をなくし、且つテレセントリックな光学系としたことにより位置ずれに対する影響なくしたことにより、検出精度の向上が期待される。
【００４２】
また、照明光の照明領域を短手幅より大きくすることにより、照明部２０８と蛍光取得部２０９の軸ずれによる影響をなくし、測定チャンバ２０１短手方向全域にて発した蛍光を全て検出することができる。
【００４３】
以上のように、本発明の実施の形態１においては、対物レンズ５０７の焦点位置にファイバ５０６の入射端５１１面を配したテレセン光学系において、ファイバ５０６のコア７０３およびクラッド７０４の屈折率を用いて全反射角を調整することにより測定視野の制限が可能となる。これにより、処理チップ１０２の位置ずれに影響されることなく、測定チャンバ２０１内の蛍光のみを受光素子５１０にて検出することが可能となる。
【００４４】
また、本実施の形態１においては、円形の受光領域について説明したが、対物レンズ５０７をトーリックレンズまたはバイコーニックレンズ等の直交する方向で曲率、すなわち焦点距離の異なるレンズを使用してもよい。この場合、ファイバ５０６内で伝播可能な像高が直交方向で異なる楕円の受光領域を形成することが可能となる。つまり、任意の測定チャンバ２０１内全ての蛍光のみを検出することが可能となる。
【００４５】
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２について、図８を用いて説明する。光学部８０５は、照明部８０６、蛍光取得部８０７、導波路８０４および対物レンズ５０７から構成される。実施の形態１の構成と主に異なる点は、実施の形態１で用いた１本のファイバ５０６を導波路８０４に置き換えたことである。
【００４６】
照明部８０６は、光源５０１、コンデンサレンズ５０２、照明用波長フィルタ５０３および集光レンズ５０５から構成され、これらは光源５０１の光軸上に順に配置されている。光源５０１は、例えば、波長４７０ｎｍのＬＥＤを用いる。
【００４７】
蛍光取得部８０７は、受光素子５１０、結像レンズ５０９、蛍光検出用波長フィルタ５０８およびコリメータレンズ８０３から構成され、これらは受光素子５１０の光軸上に順に配置されている。
【００４８】
導波路８０４は、複数の照明用ファイバ８０１および単一の受光用ファイバ８０２より構成されている。具体的には、複数の照明用ファイバ８０１の照明光出射端８０８と、１
本の受光用ファイバ８０２の蛍光入射端８０９とを１本に束ね、かつ複数の照明用ファイバ８０１の照明光入射端８１０を１つに束ねた構成とした。
【００４９】
照明部８０６の光源５０１から照射された照明光は、コンデンサレンズ５０２により平行光に変換され、照明用波長フィルタ５０３を透過する。照明用波長フィルタ５０３は、蛍光標識の照明波長を透過し、蛍光波長領域をカットする性質を有している。例えば、波長４３０ｎｍから４９０ｎｍまでの光を透過するバンドパスフィルタを用いる。
【００５０】
照明用波長フィルタ５０３を透過した光束は、集光レンズ５０５にて複数の照明用ファイバ８０１に結合される。さらに、複数の照明用ファイバ８０１を伝播した照明光は、対物レンズ５０７にて測定対象となった１つの測定チャンバ２０１を十分にカバーできる範囲で照明される。
【００５１】
この照明光により、測定チャンバ２０１内に格納された試料から発せられる蛍光は、対物レンズ５０７により受光用ファイバ８０２に結合され、この内部を伝播した後、蛍光取得部８０７にて検出される。詳細には、コリメートレンズ８０３、蛍光検出用波長フィルタ５０８を透過し、結像レンズ５０９にて受光素子５１０に結像される。ここで、蛍光検出用波長フィルタ５０８は、蛍光波長を透過し、照明波長領域をカットする性質を有している。例えば、波長５１０ｎｍから５６０ｎｍまでの光を透過するバンドパスフィルタを用いる。
【００５２】
図８は、１本の受光用ファイバ８０２を中心にその外周に、これと同径の６本の照明用ファイバ８０１を１本に束ねた導波路８０４の端部を示した断面模式図である。照明用ファイバ８０１が複数本周囲を取り囲むようにして構成されているので、照明の照度が平均化され測定チャンバ２０１に対し均等な照明ができ、測定精度を向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明は、導波路を用いた受光側テレセントリックな光学系にて、測定精度を確保できる点で有用である。
【符号の説明】
【００５４】
１０１  生体化学分析装置
１０２  処理チップ
１０３  処理チップ投入口
１０４  タッチパネル
１０５  処理チップの表面
２０１  測定チャンバ
２０２  回転トレイ
２０３  モータ
２０４  温調部
２０５  ヒータ
２０６  光学部
２０７  温度センサ
２０８  照明部
２０９  蛍光取得部
２１０  回転機構
２１１  筐体
４０１  中心軸
４０２  軌道
５０１  光源
５０２  コンデンサレンズ
５０３  照明用波長フィルタ
５０４  ビームスプリッタ
５０５  集光レンズ
５０６  ファイバ
５０７  対物レンズ
５０８  蛍光検出用波長フィルタ
５０９  結像レンズ
５１０  受光素子
５１１  入射端
６０１  ファイバ中心からの照明光束
６０２  ファイバ中心から離れた位置からの照明光束
７０１  蛍光光線
７０２  反射光線
７０３  コア
７０４  クラッド
８０１  照明用ファイバ
８０２  受光用ファイバ
８０３  コリメートレンズ
８０４  導波路
８０５  光学部
８０６  照明部
８０７  蛍光取得部
８０８  照明光出射端
８０９  蛍光入射端
８１０  照明光入射端
【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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