(57)【要約】  固液界面検出装置２０は、試験管１４内における固体と液体との界面１４１を検出するための装置であって、面照明２１と、撮像部２２と、界面検出処理部３１とを備える。面照明２１は、試験管１４を外側から照明する。撮像部２２は、試験管１４に対して面照明２１とは反対側に配置され、界面１４１を含む画像を撮像する。界面検出処理部３１は、撮像部２２により撮像された画像から界面１４１を検出する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器内における固体と液体との界面を検出するための固液界面検出装置であって、
前記容器を外側から照明する面照明と、
前記容器に対して前記面照明とは反対側に配置され、前記界面を含む画像を撮像する撮像部と、
前記撮像部により撮像された画像から前記界面を検出する界面検出処理部とを備えることを特徴とする固液界面検出装置。
【請求項２】
前記容器の底部を受ける台座部と、
前記台座部を水平方向に対して交差する方向に移動させることにより、前記容器を撮像位置に位置決めする移動機構とをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の固液界面検出装置。
【請求項３】
前記移動機構により前記撮像位置に位置決めされた前記容器を当該撮像位置に保持するための保持機構をさらに備え、
前記移動機構は、前記保持機構により前記容器が前記撮像位置に保持された後に前記台座部を退避させ、
前記撮像部は、前記移動機構により前記台座部が退避された後に撮像を行うことを特徴とする請求項２に記載の固液界面検出装置。
【請求項４】
細胞に対する前処理を行うための前処理装置であって、
細胞を含む培養液が収容された容器に対して遠心分離を行う遠心分離機構と、
前記遠心分離機構により前記容器内で遠心分離された細胞と液体との界面を検出する請求項１に記載の固液界面検出装置と、
前記界面検出処理部により検出された前記界面の位置に基づいて、前記容器内における細胞以外の液体を除去する液体除去機構とを備えることを特徴とする前処理装置。
【請求項５】
前記液体除去機構は、前記容器内にニードルを挿入することにより、当該ニードルの先端から前記容器内の液体を吸引して除去するものであり、
前記撮像部は、前記容器内の液体中に前記ニードルを挿入する前後の画像を撮像し、
前記撮像部により撮像された前記容器内の液体中に前記ニードルを挿入する前後の画像の差分に基づいて、前記ニードルの先端位置を検出するニードル検出処理部をさらに備えることを特徴とする請求項４に記載の前処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、容器内における固体と液体との界面を検出するための固液界面検出装置及びこれを備えた前処理装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
微生物や植物の細胞を培養槽内の培養液中で培養し、その培養液から細胞を回収して前処理を行った上で、液体クロマトグラフ質量分析装置に供給することにより、メタボローム解析などの分析を行う技術が知られている。この種の技術では、細胞を含む培養液をサンプリングするためのサンプリング装置と、サンプリングされた培養液に含まれる細胞に対して前処理を行うための前処理装置とが用いられている。培養液のサンプリングは、無菌状態にて行われる（例えば、下記特許文献１参照）。【０００３】
前処理装置では、細胞を含む培養液が収容された容器に対して、例えば遠心分離機構により遠心分離が行われる。これにより、細胞が固体として容器の底部などに溜まり、細胞（固体）と液体とが分離した状態となる。この状態で、容器内にニードルを挿入し、ニードルの先端から容器内の液体を吸引して除去すれば、細胞（固体）のみを回収することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−２００２３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のようにして固体と液体とを分離し、液体のみを吸引して除去する場合には、ニードルの先端を固体と液体との界面に近付ける必要がある。ニードルの先端を、固体に接触しない範囲で可能な限り界面に近付ければ、ほぼ全ての液体を吸引して除去することができる。そこで、光電センサ又は超音波センサを用いて、固体と液体との界面を検出することが考えられる。【０００６】
光電センサを用いた方法では、容器の側面に沿って色の変化を検出することにより、固体と液体との界面を検出することが可能である。しかしながら、容器に対する光の当たり方によっては、検出感度にばらつきが生じ、検出される界面の位置に誤差が生じるおそれがある。【０００７】
超音波センサを用いた方法では、容器の上部から超音波を照射し、容器内の固体までの距離を検出することが可能である。しかしながら、固体と液体との界面の検出結果に誤差が生じやすく、固体（細胞）を誤ってニードルで吸引してしまうおそれがある。【０００８】
上記のような問題は、固体としての細胞を液体から分離して回収するような場合だけでなく、細胞以外の固体を液体から分離して回収するような場合にも生じる場合がある。【０００９】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、固体と液体との界面をより精度よく検出することができる固液界面検出装置及びこれを備えた前処理装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
（１）本発明に係る固液界面検出装置は、容器内における固体と液体との界面を検出するための固液界面検出装置であって、面照明と、撮像部と、界面検出処理部とを備える。前記面照明は、前記容器を外側から照明する。前記撮像部は、前記容器に対して前記面照明とは反対側に配置され、前記界面を含む画像を撮像する。前記界面検出処理部は、前記撮像部により撮像された画像から前記界面を検出する。【００１１】
このような構成によれば、面照明により容器に対して外側から均一に照明を行い、照明された容器内における固体と液体との界面の画像を撮像部で撮像することができる。したがって、照明により影となる界面の位置が、光の当たり方に起因してずれることがなく、常に正確な位置で撮像されるため、固体と液体との界面をより精度よく検出することができる。【００１２】
（２）前記固液界面検出装置は、台座部と、移動機構とをさらに備えていてもよい。前記台座部は、前記容器の底部を受ける。前記移動機構は、前記台座部を水平方向に対して交差する方向に移動させることにより、前記容器を撮像位置に位置決めする。【００１３】
このような構成によれば、台座部で容器の底部を受けて、その台座部を移動機構で正確に移動させることにより、容器を撮像位置に正確に位置決めすることができる。したがって、固体と液体との界面をさらに精度よく検出することができる。【００１４】
（３）前記固液界面検出装置は、保持機構をさらに備えていてもよい。前記保持機構は、前記移動機構により前記撮像位置に位置決めされた前記容器を当該撮像位置に保持する。この場合、前記移動機構は、前記保持機構により前記容器が前記撮像位置に保持された後に前記台座部を退避させてもよい。また、前記撮像部は、前記移動機構により前記台座部が退避された後に撮像を行ってもよい。【００１５】
このような構成によれば、移動機構で容器を撮像位置に位置決めした後、その容器を撮像位置に保持機構で保持し、台座部を退避させてから撮像を行うことができる。これにより、撮像された画像において、固体と液体との界面が台座部で隠れてしまうといったことがないため、界面を確実に検出することができる。【００１６】
（４）本発明に係る前処理装置は、細胞に対する前処理を行うための前処理装置であって、遠心分離機構と、前記固液界面検出装置と、液体除去機構とを備える。前記遠心分離機構は、細胞を含む培養液が収容された容器に対して遠心分離を行う。前記固液界面検出装置は、前記遠心分離機構により前記容器内で遠心分離された細胞と液体との界面を検出する。前記液体除去機構は、前記界面検出処理部により検出された前記界面の位置に基づいて、前記容器内における細胞以外の液体を除去する。【００１７】
このような構成によれば、遠心分離された細胞（固体）と液体との界面を固液界面検出装置で検出し、その界面の位置に基づいて、容器内における細胞以外の液体を除去することができる。したがって、固液界面検出装置により精度よく検出された界面の位置に基づいて、ほぼ全ての液体を除去することが可能になる。【００１８】
（５）  前記液体除去機構は、前記容器内にニードルを挿入することにより、当該ニードルの先端から前記容器内の液体を吸引して除去するものであってもよい。この場合、前記撮像部は、前記容器内の液体中に前記ニードルを挿入する前後の画像を撮像してもよい。また、前記前処理装置は、前記撮像部により撮像された前記容器内の液体中に前記ニードルを挿入する前後の画像の差分に基づいて、前記ニードルの先端位置を検出するニードル検出処理部をさらに備えていてもよい。【００１９】
このような構成によれば、容器内の液体中にニードルを挿入する前後の画像の差分に基づいて、ニードルの先端位置を容易かつ正確に検出することができる。したがって、固液界面検出装置により精度よく検出された界面の位置に基づいて、ニードルの先端を、固体に接触しない範囲で可能な限り界面に近付けることができるため、ほぼ全ての液体をニードルで吸引して除去することが可能になる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、照明により影となる界面の位置が、光の当たり方に起因してずれることがなく、常に正確な位置で撮像されるため、固体と液体との界面をより精度よく検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態に係る固液界面検出装置が適用される前処理装置を備えた自動前処理システムの概略構成を示したブロック図である。
【図２】固液界面検出装置の斜視図である。
【図３】固液界面検出装置の平面図である。
【図４】固液界面検出装置の側面図である。
【図５】図４の固液界面検出装置のＡ−Ａ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
１．自動前処理システムの概略構成
図１は、本発明の一実施形態に係る固液界面検出装置が適用される前処理装置２を備えた自動前処理システム１０の概略構成を示したブロック図である。この自動前処理システム１０は、分析対象物に対する前処理を自動で行うための装置である。本実施形態において、分析対象物は、例えば培養された細胞であり、より具体的には菌体である。
【００２３】
自動前処理システム１０には、サンプリング装置１及び前処理装置２が備えられている。自動前処理システム１０により前処理が行われた後の細胞からは、その細胞の代謝産物が抽出されて、液体クロマトグラフ質量分析装置３に供給される。液体クロマトグラフ質量分析装置３は、分析対象物を分析するための分析装置の一例に過ぎず、他の分析装置を用いて分析を行うことも可能である。
【００２４】
サンプリング装置１は、容器（培養容器）から液体をサンプリングするための装置である。例えば、微生物や植物の細胞は、バイオリアクタと呼ばれる容器内において培養液中で培養され、バイオリアクタ内の細胞を含む培養液がサンプリング装置１によりサンプリングされる。バイオリアクタ内には、例えば磁力を用いて回転される攪拌部材や、溶存酸素の濃度を検知するための酸素濃度センサなどが設けられており、バイオリアクタ内において培養液を攪拌しながら溶存酸素濃度を調整することにより、サンプリング装置１内において細胞が培養される。
【００２５】
前処理装置２は、バイオリアクタ内からサンプリングされた培養液に含まれる細胞に対して前処理を行う。サンプリング装置１では、細胞を含む培養液が、容器（サンプリング容器）としての試験管に収容される。前処理装置２には、遠心分離機構４、液体除去機構５、試薬供給機構６、攪拌機構７及び抽出機構８などが備えられており、これらの各機構により、試験管内の培養液に含まれる細胞に対して前処理が順次行われる。
【００２６】
遠心分離機構４は、細胞を含む培養液が収容された試験管に対して遠心分離を行う。これにより、試験管内の培養液に遠心力が付与され、細胞（固体）と細胞以外の液体とに分離される。そして、遠心分離機構４により試験管内で遠心分離された細胞以外の液体が、液体除去機構５を用いて除去されることにより、細胞が回収される。
【００２７】
液体除去機構５により液体が除去された後の試験管内には、試薬供給機構６により試薬が供給される。これにより、試験管内の細胞に試薬が混合され、混合液が生成される。そして、試薬供給機構６により生成された混合液が、攪拌機構７により攪拌される。
【００２８】
本実施形態において使用される試薬は、細胞中の代謝産物を抽出するための試薬であり、細胞に試薬が混合された混合液を攪拌することにより、細胞中から代謝産物が抽出された懸濁液が得られる。このようにして得られた懸濁液の一部が、抽出液として抽出機構８により抽出され、液体クロマトグラフ質量分析装置３に供給される。
【００２９】
２．固液界面検出装置の具体的構成
図２は、固液界面検出装置２０の斜視図である。図３は、固液界面検出装置２０の平面図である。図４は、固液界面検出装置２０の側面図である。図５は、図４の固液界面検出装置２０のＡ−Ａ断面図である。
【００３０】
本実施形態では、前処理装置２の遠心分離機構４により遠心分離が行われた後の試験管１４に対して、固液界面検出装置２０により、試験管１４内における固体と液体との界面１４１を検出するための処理が行われる（図５参照）。すなわち、遠心分離が行われた後の試験管１４内では、細胞（固体）と細胞以外の液体とが分離され、その界面１４１が固液界面検出装置２０により検出される。
【００３１】
その後、液体除去機構５に含まれるニードル１５が試験管１４内に挿入され、固液界面検出装置２０により検出された界面１４１の位置に基づいて、ニードル１５の先端が細胞に接触しない範囲で可能な限り界面１４１に近付けられる。この状態でニードル１５の先端から液体を吸引することにより、試験管１４内のほぼ全ての液体を吸引して除去することができる。
【００３２】
固液界面検出装置２０には、試験管１４を外側から照明する面照明２１と、試験管１４に対して面照明２１とは反対側に配置された撮像部２２とが備えられている。面照明２１は、照射面２１１から面発光により均一に光が照射される。したがって、試験管１４は、外側から上下方向において均一に照明され、照明された試験管１４内における固体と液体との界面１４１を含む画像が撮像部２２により撮像される。
【００３３】
本実施形態では、撮像部２２が試験管１４に対して面照明２１とは反対側に配置されているため、撮像部２２により撮像される画像においては、光を透過しない（又は透過しにくい）固体部分が影となり、光を透過しやすい液体部分が固体部分よりも明るくなる。したがって、撮像された画像における影の部分と明るい部分との境界位置を界面１４１の位置として検出することができる。
【００３４】
固液界面検出装置２０には、さらに、試験管１４の底部を受ける台座部２３と、台座部２３を移動させる移動機構２４と、試験管１４を撮像位置に保持するための保持機構２５とを備えている。撮像位置とは、撮像部２２により撮像を行う際の試験管１４の位置であり、界面１４１を含む画像を撮像部２２により撮像することができる位置として予め設定されている。
【００３５】
台座部２３は、上面に凹部２３１が形成された部材であり、凸湾曲した試験管１４の底部が凹部２３１内に入り込んだ状態で受けられる。本実施形態では、試験管１４が上下方向に延びるような状態で台座部２３により受けられる。ただし、試験管１４は、上下方向に対して傾斜した方向に延びるような状態で台座部２３により受けられるような構成であってもよい。
【００３６】
移動機構２４は、台座部２３に連結された軸部２４１を備えており、エアシリンダなどの駆動源（図示せず）を用いて軸部２４１を軸線方向にスライドさせることにより、台座部２３を移動させることができる。軸部２４１は、台座部２３により受けられた試験管１４と同じ方向に延びている。この軸部２４１をスライドさせることにより、台座部２３に受けられた試験管１４の位置を撮像位置に位置決めすることができる。この例では、軸部２４１が上下方向に延びているが、これに限らず、水平方向に対して交差する方向に台座部２３を移動させることができるような構成であればよい。
【００３７】
保持機構２５は、１対の変位部２５１を備えている。１対の変位部２５１は、水平方向に互いに対向するように配置されており、１対の変位部２５１の間に試験管１４を挟持することができる。試験管１４を挟持するときには、１対の変位部２５１が接近した状態となり、それらの間に試験管１４を挟持することができる。この状態から、１対の変位部２５１を互いに離間させ、試験管１４の外径よりも離間させれば、１対の変位部２５１が試験管１４を挟持しない状態となる。移動機構２４により試験管１４を撮像位置に位置決めした後、その位置で保持機構２５により試験管１４を保持すれば、試験管１４を撮像位置に保持することができる。
【００３８】
本実施形態では、撮像位置に保持された試験管１４の底部の周囲が、筐体２６により覆われる。筐体２６は、中空状であり、その内部に試験管１４の底部が挿入される。筐体２６の上面には、試験管１４を挿入するための開口２６１が形成されている。また、筐体２６の底面には、移動機構２４の軸部２４１を挿通させるための開口２６２が形成されている。面照明２１は筐体２６内に配置され、撮像部２２は一部が筐体２６内に挿入されている。このように、撮像部２２により撮像される試験管１４の底部の周囲を筐体２６で覆うことにより、撮像される画像に対する外乱光の影響を少なくすることができる。
【００３９】
３．撮像画像に対する画像処理
図５に概念的に示すように、本実施形態における固液界面検出装置２０には、撮像部２２により撮像された画像に対して画像処理を行うための画像処理部３０が備えられている。画像処理部３０は、例えばパーソナルコンピュータにより構成されており、画像処理部３０に備えられたＣＰＵ（Central Processing Unit）がプログラムを実行することにより、界面検出処理部３１及びニードル検出処理部３２として画像処理部３０が機能するようになっている。
【００４０】
界面検出処理部３１は、撮像部２２により撮像された画像から、試験管１４内における固体と液体との界面１４１を検出する処理を行う。具体的には、撮像された画像の各画素の輝度に基づいて、暗い部分（固体部分）と明るい部分（液体部分）との境界位置を界面１４１の位置として検出する。
【００４１】
撮像部２２により撮像を行う際には、まず、移動機構２４が軸部２４１を上下方向にスライドさせることにより、試験管１４が撮像位置に位置決めされる。そして、保持機構２５で試験管１４を保持することにより、撮像位置に試験管１４が固定された後、移動機構２４が軸部２４１を下方にスライドさせる。これにより、台座部２３が試験管１４の底部から離間し、台座部２３が撮像部２２の撮像範囲から退避する。
【００４２】
このようにして台座部２３が移動機構２４により退避された後、撮像部２２による撮像が行われる。これにより、試験管１４の底部が台座部２３によって隠れることなく、界面１４１を含む画像を撮像することができる。その後、保持機構２５により試験管１４を撮像位置に保持した状態のまま、ニードル１５が試験管１４内に挿入される。
【００４３】
ニードル１５を試験管１４内に挿入する際には、ニードル１５の先端が撮像部２２の撮像範囲に入り、かつ、ニードル１５の先端が界面１４１に対して液体側に離間した位置まで、ニードル１５が降下される。この状態で撮像部２２による撮像が行われることにより、界面１４１及びニードル１５の先端を含む画像が撮像される。
【００４４】
このように、本実施形態では、試験管１４内の液体中にニードル１５を挿入する前の画像と、ニードル１５を挿入した後の画像とが、試験管１４の位置を移動させることなく撮像部２２により撮像される。この場合、撮像されたニードル１５の挿入前後の画像は、ニードル１５の有無のみが異なり、界面１４１の位置などは同一となる。
【００４５】
ニードル検出処理部３２は、撮像部２２により撮像されたニードル１５の挿入前後の画像の差分に基づいて、ニードル１５の先端位置を検出する。すなわち、ニードル１５を挿入する前の画像の各画素の輝度と、ニードル１５を挿入した後の画像の各画素の輝度との差分を算出すれば、ニードル１５の部分のみに大きな輝度差が算出される。したがって、その算出結果に基づいて、ニードル１５の先端位置を検出することができる。
【００４６】
このようにして、界面１４１の位置と、ニードル１５の先端位置とが検出されることにより、ニードル１５の先端を固体（細胞）に接触しない範囲で可能な限り界面１４１に近付けるのに必要なニードル１５の移動距離を算出することができる。その後、算出された移動距離だけニードル１５を降下させ、ニードル１５の先端から液体を吸引することにより、試験管１４内のほぼ全ての液体を吸引して除去することができる。
【００４７】
４．作用効果
（１）本実施形態では、面照明２１により試験管１４に対して外側から均一に照明を行い、照明された試験管１４内における固体（細胞）と液体（細胞以外）との界面１４１の画像を撮像部２２で撮像することができる。したがって、照明により影となる界面１４１の位置が、光の当たり方に起因してずれることがなく、常に正確な位置で撮像されるため、固体と液体との界面１４１をより精度よく検出することができる。
【００４８】
（２）本実施形態では、台座部２３で試験管１４の底部を受けて、その台座部２３を移動機構２４で正確に移動させることにより、試験管１４を撮像位置に正確に位置決めすることができる。したがって、固体と液体との界面１４１をさらに精度よく検出することができる。
【００４９】
（３）本実施形態では、移動機構２４で試験管１４を撮像位置に位置決めした後、その試験管１４を撮像位置に保持機構２５で保持し、台座部２３を退避させてから撮像を行うことができる。これにより、撮像された画像において、固体と液体との界面１４１が台座部２３で隠れてしまうといったことがないため、界面１４１を確実に検出することができる。
【００５０】
（４）本実施形態では、試験管１４内の液体中にニードル１５を挿入する前後の画像の差分に基づいて、ニードル１５の先端位置を容易かつ正確に検出することができる。したがって、固液界面検出装置２０により精度よく検出された界面１４１の位置に基づいて、ニードル１５の先端を、固体に接触しない範囲で可能な限り界面１４１に近付けることができるため、ほぼ全ての液体をニードル１５で吸引して除去することが可能になる。
【００５１】
５．変形例
本発明に係る固液界面検出装置２０は、前処理装置２に限らず、他の任意の装置に適用することができる。すなわち、固液界面検出装置２０は、試験管１４に限らず、他の任意の容器に対して、その内部における固体と液体との界面を検出する際に使用することができる。
【符号の説明】
【００５２】
１      サンプリング装置
２      前処理装置
３      液体クロマトグラフ質量分析装置
４      遠心分離機構
５      液体除去機構
６      試薬供給機構
７      攪拌機構
８      抽出機構
１０    自動前処理システム
１４    試験管
１５    ニードル
２０    固液界面検出装置
２１    面照明
２２    撮像部
２３    台座部
２４    移動機構
２５    保持機構
２６    筐体
３０    画像処理部
３１    界面検出処理部
３２    ニードル検出処理部
１４１  界面
【図１】
2020017411.tif 000003
【図２】
2020017411.tif 000004
【図３】
2020017411.tif 000005
【図４】
2020017411.tif 000006
【図５】
2020017411.tif 000007
【国際調査報告】
2020017411.tif 000008
2020017411.tif 000009
2020017411.tif 000010
2020017411.tif 000011