JP3964572B2 - 光学濃度の測定方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、実験室の技術に付随するものであり、光度計、比濁計または蛍光光度計等、光度密度を測定するための装置であって、同一の試料プレート上に置かれたいくつかの試料の光学濃度を測定するための装置に関する。本装置は、たとえば臨床検査室のように分析が大規模に連続して行われる場所において使用可能である。最も広範に使用されているプレートは、いわゆる微小滴定プレートであり、これは、９ｍｍ区画に８×１２試料ウェルからなるマトリクスを含んでいる。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
試料プレートの測定時間を可能な限り短くするために、多重チャネル装置が製造されている。微小滴定プレートの場合、１つの垂直または水平ストリップを一度に測定するための８または１２チャネルを供給された光度計（たとえば、ラブシステムズ オユ（Labsystems Oy）社のマルチスキャン（MULTISKAN）（商品名）およびＥＭＳリーダ（Reader）ＭＦ（商品名）などのアナライザ）が利用可能である。９６ものチャネルを備えた装置も製造されている。多重チャネル光度計によって達成される合計測定時間は、約５秒である。実際のところ、１０秒であれば充分に短い測定時間であるといえる。
【０００３】
多重チャネル光度計では、チャネル数に一致するだけの多数の検出器、検出器に接続された光学装置および前におかれる増幅器が必要とされる。光を光源から各チャネルに分配するためには、光学装置が必要である。概して測定中は、光がチャネル間を流れないようにすることも必要である。並行測定結果の処理にもまた、特殊な装置が必要である。したがって多重チャネル光度計は、必然的に比較的複雑で高価なものとなる。加えて、個々の測定チャネルは決して完全に同じであるわけではなく、正確な測定にとって有害な過誤をもたらす可能性がある。
【０００４】
また微小滴定プレート用として、より単純でより安価な単チャネル読み取り装置（たとえば、ラブシステムズ オユ社のバイオスクリーン（BIOSCREEN）（商品名）およびＡｕｔｏ−ＥＩＡアナライザ（商品名））も存在する。ただし、測定時間の長いことが欠点である（約３０秒）。全体的解析の観点からすれば測定時間が重要因子である必要はないが、ユーザは余分な遅延時間を問題ととらえる。
【０００５】
光源の強度には変動があり、測定においてはこれが考慮される。典型的な安定度要件は、およそ１：１０００である。光度計によっては、光源の強度は試料測定前に一度しか測定されない。こうした装置に対しては、測定を行う前に、光源をＯＮにした状態（点灯状態）で長時間の安定化を行わなければならない。典型的な安定化時間は約１０〜３０分であり、これは装置の使用速度を低下させる。したがって、装置によっては、光度の変動を監視し、測定結果の計算に際してこれを考慮するための別個の基準チャネルを備えたものがある。こうした装置を使用する場合は、装置のスイッチが入った直後に測定を実行することができる。ただし、この場合には、基準チャネルのために付加装置が必要であるという欠点がある。また、充分正確で安定した基準チャネルの実現にも特殊な装置が必要である。
【０００６】
測定にはまた、背景信号の変動も考慮される。これは検出器を含む電子的な構成要素のボトム信号に起因し、温度の関数として変化する。可能な限りリアルタイムに近い背景測定は、とくに高い光学濃度を測定する際に重要であり、背景測定の精度は測定範囲の規模に直接影響する。典型的な精度の要件は、およそ１：１０００００である。多くの光度計は光断続器を採用しており、これによって光源から取得される光が、たとえば周波数約３００Ｈｚで遮断される。したがって、遮断ポイントを背景測定に使用することができる。
【０００７】
本発明の目的は、叙上の従来の装置の問題点を解消し、多重チャネル装置と同様の速度レベルを達成し得る測定装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、添付の特許請求項１にかかわる光学濃度を測定するための方法に関する。その他の請求項には、本発明のいくつかの好適な実施の形態が提示されている。
【０００９】
本発明にかかわる方法は、互いに関連して移動可能な測定ヘッドとプレートとを用いており、測定はストリップ毎に行われる。おのおののストリップの測定の前および後に、光源の強度を前記ストリップの外部から測定する。２つの連続する光源の強さにもとづいて、両者のあいだでなされた試料測定のために対応した値を測定する。また前記ストリップの外部から背景信号を測定する。
【００１０】
本発明により、その測定原理が適用された単チャネル装置を使用すれば、事実上、多重チャネル装置を使用する場合と同様の速度レベルを達成することができる。しかも単チャネル装置は、多重チャネル装置よりもはるかに簡単に、また安価に製造することができる。また、１つの単チャネル装置によって複数の異なるプレートを測定することができる。
【００１１】
本発明に使用される試料プレートは、各ストリップがいくつかの試料を含むような複数の試料ストリップを含んでいる。各試料の光学濃度の測定は、光を試料へと導き、試料から放射される光の強度を測定して行われる。これを実現するために、本方法は、互いに相対的に移動する測定ヘッドとプレートとを用いている。測定ヘッドには、光を試料へと導くための光源と、試料から放射される光を受ける検出器とが供給されている。さらに本方法には、検出器から受信される信号を処理し、それを先へと送り、および測定ヘッドまたはプレートを動作させている。
【００１２】
本方法は、光源の強度を監視するための透明領域と、背景を監視するための光を通さない領域の両方を含んでいる。実際には、透明領域は、光が空気単体を通って進行するようなものでなければならない。光は概して、試料内を垂直方向に導かれる。
【００１３】
試料はストリップ毎に効果的に測定され、測定ヘッドが連続的な前後運動によってストリップをチェックする。原則的には、とくに多くのストリップを有するプレートを読み取る場合は、２つ以上の測定ヘッドを使用することができる。こうした場合は、プレートの読み取り時間が各々低減されるが、装置はより複雑になる。
【００１４】
ストリップの測定の前後に、光源の強度を測定する。光度の測定を目的として、ストリップの外部、好適にはその拡張部の上に透明の領域が配置されている。試料へと導かれる光は、そこを通って検出器へと可能な限り自由に入っていく。背景の測定のためには、ストリップの外部に光を通さない領域がそれぞれ配置されている。試料へと導かれる光、試料から放射される光のいずれもそこから検出器には捕獲されない。前記領域は、プレート上に余分な場所を確保する必要のないようにプレートの外部に、プレートから離して配置されていることが効果的である。透明領域は、好適にはプレート近くに位置する完全に開放された領域であり、光はこれを通って空気単体の中を光源から検出器へと至る。この場合、測定される強度に影響するのは、空気に起因する減衰のみである。光を通さない領域は、たとえばストリップを横断し、プレート近くに位置する部分または小領域とすることができる。当然ながら、測定ヘッドは、測定の実行に際して前記両領域へと伸長可能でなければならない。
【００１５】
本方法は、可動式の測定ヘッドを用いることがもっとも効果的である。この場合、プレートは測定の全行程のあいだ完全に所定位置に在り続ける可能性があるため、測定ヘッドは、ストリップに対して平行、また反対にストリップに対して直角、の双方に移動可能であることが必要である。プレートが完全に不動であることの優位点は、液面がプレートの動作に伴って波立つことがなく、したがって測定が損なわれないことにある。
【００１６】
本方法はまた、プレートがストリップを横断する方向に移動し、測定ヘッドはストリップへの方向以外には動く必要がないようなタイプのものとすることができる。一方向にしか移動しない２つの部材からなるこのタイプの構造は、きわめて簡単に製造することができる。プレートの軌道は、装置内に供給された測定チャンバへのプレートの挿入、およびそこからのプレートの撤去に利用することができる。このため、測定チャンバの密閉が簡単になる。プレートの動作はまた、測定チャネルに供給されたハッチの開放にも利用することができる。プレートの移動に起因する欠点は、動作の後で液面がしばらく波立つ可能性があり、精密な測定が即座には実行できないことにある。ただし、余分の遅延はほんのわずかであって、しかもこれは第２のストリップおよび後続ストリップへと進行していく場合にしか発生しない。加えて、プレートが転移する間に背景または光度の測定を実行する時間がある。
【００１７】
好適な実施の形態によれば、背景または光源の強度は、とくにいずれかが一方の端で、もう片方が反対側の端で測定されるように、ストリップの一端でしか測定されない。測定ヘッドが常時反対方向に隣接するストリップを読み取る場合には、背景および光度の各測定は、２ストリップ分の同時行程が持続する間、処理過程にある。実際には、変化の発生は概してストリップの測定に消費される時間に比べると非常に遅いため、ほとんどの場合、これはリアルタイム測定として充分なレベルである。
【００１８】
背景および光源強度の測定のより頻繁な実行が望まれる場合は、いつでも両要素をストリップの両端で測定することができる。
【００１９】
また、測定間の変動は常に同一方向において発生することも予測される。こうした場合は、両端測定間隔で取得された値から直線状（または非直線状）に補間を行って各試料について個々の値を計算することにより、精度をさらに向上させることができる。
【００２０】
各測定は、測定ヘッドが各測定ポイントで瞬間的に停止され、信号が希望する時間期間で集積されるように実行することができる。したがって、信号は常時、単一スポットから正確に取得される。
【００２１】
測定はまた、測定ヘッドを停止させずに実行することができる。この場合は、速度は増すが、測定範囲が拡大する。後者の方法は、たとえば、各試料が異なるいくつかのスポットで測定されるような凝集測定に非常に適している。
【００２２】
本発明の方法では、光学および電子要素に接続された測定チャネルが１つだけあればよい。単チャネル測定ヘッドはまた重量が軽く、組立工程が楽である。さらに、測定結果が逐次的に得られるため、処理が容易である。各試料が同じチャネル上で測定される場合には、異なるチャネル間に広がる差異による過誤は発生しない。
【００２３】
単チャネルという特徴と必要な構成要素数の少なさとは、いくつかの微小ウェルを装備したプレートを測定する場合にとくに優位である。現在では、とりわけ１６×２４のウェルを含む微小滴定プレートサイズのプレート（たとえば、ラブシステムズ オユ社のＣＬＩＮＩＰＬＡＴＥ３８４（商品名））が使用されている。このタイプのプレート用として多重チャネル読み取り装置を構築することはかなり困難であると思われ、何れにしてもその費用は比較的高いものとなる。この問題は、微小ウェルの測定に際して高性能の光学要素を使用する必要がありこうした要素がまた多くの空間を占める、といった場合にさらに増幅する。
【００２４】
また、無段階可動測定ヘッドを採用することによっても、異なる区分を有するプレートの測定が可能である。
【００２５】
本発明に従って光源強度が測定される場合には、ランプのための安定時間はまったく必要がない。スイッチを入れてからランプ光度が運転レベルに上昇するまでには当然ながら多少の時間（数秒）はかかるが、こうした時間でさえも、必要な作業である測定チャンバへのプレート輸送のために使うことができる。安定時間の消去は、運転速度を上げるだけでなく、ランプの寿命を延ばし、エネルギー消費を減らし、また装置内の温度を下げる。これは結果的に運転コストを引き下げ、また装置の冷却系も簡素な形で配置することができる。
【００２６】
本発明に従って背景を測定する場合は、光断続器も基準チャネルも必要としない。従って、本装置は簡素化される。また、測定も基準チャネルが使用される状況より信頼性が高い。
【００２７】
運転速度に関して言えば、本発明にかかわる方法は、多重チャネル装置と同一レベルにすることができる。
【００２８】
とくに、本発明にかかわる方法は光度計を用いることができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
図１の光学濃度を測定するための装置の測定ユニットは、複数のウェルストリップを含み、外光から保護された測定チャンバ２内に配置された試料プレート１を備えている。測定ヘッド３にはプレートの下側に伸長するブランチが供給されており、前記ブランチは、上方にある前記ウェルの透明な底部を通してウェルへと光を導くための集光部（light focusing unit）４を備えている。プレート上には、測定ヘッドの第２のブランチが配置されており、これには下側のウェルからの光を受け入れるための検出器ユニット５が装備されている。測定ヘッドはプレートに相関して移動が可能であり、プレートのウェルはストリップ毎に測定される。測定は、測定ヘッドが各測定ポイントで停止するように行う、あるいは測定部が測定ポイント上を移動すると同時に行うことができる。
【００３０】
集光部４は、柔軟性のある導光体３３によって光源３２に接続されている。集光部４では、レンズ等の光学要素３０ａによって希望するタイプの光線が生成される。検出器ユニット５では、ウェルから放射された光が光学要素３０ｂによって検出器に集束される。検出器ユニット５には、受信された信号を増幅するための増幅器３１が装備されている。増幅された信号６はさらに、本装置に包含された信号処理ユニットへと伝導される。
【００３１】
プレート１は、フレームによって支持されたキャリッジ７の中に置かれている。キャリッジの中央には、ウェルの測定を容易にするための開放領域８が配置されている。
【００３２】
測定ヘッド３側に位置するキャリッジ７の上には、遮るもののない透明領域９が配置されている。反対側のキャリッジには、光を通さない領域１０が配置されている。従って、各ストリップの測定の前または後で、光源強度または背景信号を測定することができる。これらは、各ストリップの測定結果を計算する際に考慮される。
【００３３】
図２によれば、プレート１の読み取り装置が、レール２′上のプレートキャリッジ７を備えており、前記キャリッジにはキャリッジを水平ストリップに対して平行に移動させるための手段が供給されている。測定ヘッド３のハウジングには、測定ヘッドを垂直ストリップに対して平行に移動させるための手段１２が含まれている。測定チャンバはさらに、プレートより外側の測定ヘッドの軌道上の片側に遮るもののない透明領域１３を、反対側に光を通さない領域１４を含んでいる。測定開始時点では、測定ヘッドは第１ストリップ、たとえば、透明領域に位置しており、そこで光源の第１値が測定される。その後は、第１ストリップのウェルが連続して測定され、測定ヘッドは光を通さない領域へと移動して第１背景値が測定される。同時に第２ストリップが測定ヘッドの下に来るようにプレートが移動し、続いて第２ストリップのウェルが逆順で測定される。すべてのストリップが測定されるまでこのシーケンスが繰り返され、そののち、測定ヘッドが開始位置に戻される。
【００３４】
図２の装置では、垂直ストリップによる８×１２式プレートの測定が説明されている。当然、水平ストリップの場合も同様の測定を行うことができる。
【００３５】
図３の装置では、プレート１が固定キャリッジ７′に配置された測定チャンバ内に在る。この場合、測定ヘッド３のハウジングは、測定ヘッドを垂直ストリップの方向に移動するための手段１２と、ヘッドを水平ストリップの方向に移動させるための手段１５の両方を含んでいる。プレートのもう一方の側には、水平ストリップと平行に、少なくとも水平ストリップと同じ長さの透明領域１６が設置され、その反対側に光を通さない領域１７が設置されている。
【００３６】
図４の装置は図２で説明したものと類似した他の例であるが、この場合は、プレートの両側に透明領域１８および光を通さない領域１９の両方が配置されている。したがって、光源および背景は共に各ストリップの両端で常に測定が可能であるため、測定においてはむしろ高い精度が得られる。
【００３７】
図５の装置は図３で説明したものと類似した他の例であるが、プレートの両側に透明領域２０および光を通さない領域２１の両方が配置され、加えて、プレートの両端に少なくともプレート端と同じ長さである透明領域２２および光を通さない領域２３が設置されている。したがって、水平ストリップによる測定もまた可能であるため、光源および背景は各水平ストリップの両端で測定される。
【００３８】
８×１２式プレートの代わりに、図で説明された装置では、前記プレートの一部、あるいは異なる小部分で造られた１６×２４ウェルによるプレート等の１枚のより大きなプレートまたは小さいプレートを使用可能である。その場合、本装置の制御システムには、多様な異なるプレートを読み取るための機能を装備することができる。
【００３９】
たとえば、図２または４の装置が適度な２ｇ（２０ｍ／ｓ²）の加速と２０ミリ秒の測定間隔を適用した場合、微小滴定プレートの測定に要する時間は以下の通りとなる：ウェル間の移動４．１秒、試料測定１．９秒、プレート移動２．０秒（この間にも背景および光度が測定される）、終了から開始までの復帰動作０．３秒、すなわち合計８．３秒である。スィープ測定を適用した場合は、速度０．５ｍ／秒で達成される合計測定時間は、約３．３秒である。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、単チャネル装置で多重チャネル装置と同様の速度レベルを達成し得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に一致する測定装置の測定ユニットの端面図である。
【図２】プレートと測定ヘッドが共に移動していて、プレートの片側で背景が測定され、プレートの反対側で光源の強度が測定されている測定ユニットの平面図である。
【図３】プレートが不動のまま測定ヘッドが移動していて、プレートの片側で背景が測定され、プレートの反対側で光源の強度が測定されている測定ユニットの平面図である。
【図４】プレートと測定ヘッドが共に移動していて、背景と光源の強度が共にプレートの両側で測定されている測定ユニットの平面図である。
【図５】プレートが不動で測定ヘッドが移動していて、背景と光源の強度がプレートの両側および端で測定されている測定ユニットの平面図である。
【符号の説明】
２ 測定チャンバ
３ 測定ヘッド
４ 集光部

Claims (6)

1. 数個の試料の数個のストリップを含むプレート上に設けられた試料の光学濃度を測定するための方法であって、
   試料中に光を導くことによって光学濃度を測定するための光源が設けられ、試料をストリップごとに測定するために互いに相対的に移動しうる測定ヘッドおよびプレートと、試料から発光された光を検知するための検出器とを用いて測定を行い、
   おのおののストリップの測定の前および後において、該ストリップの外側から、透明領域において光源の強さの値を測定し、
   ２つの連続した光源の強さの値にもとづいて両者のあいだでなされた試料測定のために対応した値を測定し、
   光を通さない領域において該ストリップの外側から背景信号を測定する
   ことを特徴とする方法。
2. ２つの連続した背景信号の値にもとづいて両者のあいだでなされた試料測定のために対応した値を測定してなる請求項１記載の方法。
3. 前記測定ヘッドおよびプレートが、測定のあいだ互いに相対的に移動してなる請求項１または２記載の方法。
4. 前記測定ヘッドを移動してなる請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記測定ヘッドをストリップに平行な方向と横断する方向の両方に移動してなる請求項４記載の方法。
6. 前記ストリップの両端で光源の強さと背景信号の両方を測定してなる請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。

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