JP4974819B2 - マイクロ波を用いた試料調製装置 - Google Patents

Description

本発明は、１以上のマイクロ波発振器、１以上の処理対象の試料を受容するマイクロ波チャンバ、を持ち、マイクロ波チャンバの中で処理対象の試料を取り囲む液体のための２以上の容器の容器配列装置を有する、マイクロ波を用いた試料調製用装置に関する。

生物学的試料の調製は、例えば電子顕微鏡検査を目的として行われる。これに関し、マイクロ波は固定、置換、浸透ないし含浸及び重合プロセスの励起及び促進のために用いられる。調製プロセスの全所要時間はこれにより大きく減少できる。

マイクロ波を用いて初期材料から物質を抽出する装置が、ＵＳ５，６２０，６５９（特許文献１）に記載されている。多数の試料ホルダが回転木馬（カルーセル）式にターンテーブルに載置され、それは全体としてマルチモードチャンバ内に配置されている。各試料ホルダからの導管は、漏出ガスでマルチモードチャンバが汚染されるのを防ぐためにポンプ排液ができる、集合容器に通じている。

ＵＳ６，８７５，５８３（特許文献２）には、マイクロ波を用いた組織の迅速固定装置が開示されている。生物学的調製試料は、固定剤としてのホルマリン溶液中に入れられ、マルチモードチャンバのマイクロ波領域内に置かれる。マイクロ波出力は調節可能である。温度は、マイクロ波領域外の固定溶液をポンプ循環及び冷却して調節される。

生物学的試料の処理中に試薬をポンプ循環して冷却することは、試薬の置換には複雑さが必然的に伴うという点で不利である。バルブ、ポンプ、貯蔵容器、廃棄物容器が必要となるからである。そのためＵＳ６，８７５，５８３では、開示された発明の使用は、１つの特別なプロセスステップに限定されている。この種の構成に伴い、試薬の消費量も比較的多くなる。処理容器のみならず、冷却回路も（所定試薬で）完全に満たす必要があるからである。試薬の置換及び再充填は、冷却回路の洗浄ステップも伴うこととなる。

マルチモードマイクロ波チャンバ即ち比較的大きな容量を持つ家庭用電子レンジでは、マイクロ波強度に大きな局所的不均一さがある（「ホットスポット」、「コールドスポット」といわれる）。そのため、限定された、再現性のある処理条件を作るために、マイクロ波領域の均一化のための装置が必要である。

ＵＳ４，６８１，７４０（特許文献３）及びＵＳ５，４５９，３０２（特許文献４）では、導波管中に形成されたマイクロ波領域に反応容器を配置する構成を開示している。反応容器の受容器は、容器下部端がマイクロ波領域に配置され、上部端が導波管外に突き出ている実施形態としている。突き出た部分は、マイクロ波が漏洩しないようにチューブで覆われている。反応容器の温度は、パイロメータによりモニタできる。

ＵＳ６，７５３，５１７（特許文献５）、ＵＳ６，９１７，０２３（特許文献６）及びＵＳ６，７４４，０２４（特許文献７）では、マイクロ波を用いた化学合成装置が開示されている。試薬は、円筒リング形状のマイクロ波共振器の内部空間（孔）の内に配置された、マイクロ波を透過する反応容器内に配置されている。しかし試料は、該内部空間を円環状に取り囲む本来の導波管の中には配置されない。導波管の内壁に設けられた開口により、マイクロ波放射が反応容器まで到達するようになっている。反応が進行する領域に亘って比較的均一なマイクロ波放射分布がこうして達成されるが、この構成はマイクロ波が外部へ漏れないようにする複雑なシールが追加で必要となる。反応容器内の温度はセンサで制御され、マイクロ波出力を調整するか、反応容器の外壁をガス流又は液体流で冷却することにより調節される。
ＵＳ５，６２０，６５９ ＵＳ６，８７５，５８３ ＵＳ４，６８１，７４０ ＵＳ５，４５９，３０２ ＵＳ６，７５３，５１７ ＵＳ６，９１７，０２３ ＵＳ６，７４４，０２４

上述のマイクロ波を用いた試料調製法は、試料が異なる溶液で交互（連続的）に処理される時は試薬を手動操作で交換しなければならず、労働集約的（labor-intensive,手間ないし工数がかかる）である。従来の組織処理装置では、処理手順にもよるが、試料処理に数時間（例えば２４時間）から数日かかる。このように長い待機時間を経て、やっと試料が電子顕微鏡検査に供されることになる。

さらに、試料の一連の液体（複数）による処理に関しては、ターンテーブル積載装置（いわゆるカルーセル）のキャリヤに液体をセットして、処理装置の中で交互に浸漬すべき試料をその中に浸漬することが知られている。通常の手順は、試料の下方にあるカルーセルを回転させ、対象の液体が試料の直下に来るようにする。そしてカルーセル全体を試料が浸漬するまで持ち上げるのである。加熱システムその他を用いた望ましいプロセスステップが追加的に（もし必要なら）行われることもある。その後カルーセルは降下され、さらに回転される、といった具合である。この方法はマイクロ波放射に関してはほとんど利点はない。なぜなら、カルーセルはかさばりすぎて導波管の中に入れられないこと、或いは使用しない液体（複数）もマイクロ波放射の影響を受けるのにもかかわらず、カルーセル全体を導波管の中に入れる必要がある（ＵＳ５，６２０，６５９のように）ためである。

本発明の課題は、マイクロ波チャンバの中で、試料の交互的な処理流体による処理が迅速かつより簡単な手間（ないし工数）で行えることを可能にする試料調製装置を提供することである。

この課題は、本発明の一視点において、最初に示した種類の装置において、マイクロ波チャンバは導波管として構成され、この導波管は、マイクロ波チャンバの中に導入された液体容器が１以上の試料を取り囲むように、１以上の試料を導入するための、１以上の第一種開口と、試料はそのままで保持しつつ、マイクロ波チャンバの中に１以上の液体容器を可逆的に導入可能な、１以上の第二種開口と、を含む、ことを特徴とする試料調製装置によって達成される。（基本形態）
なお、特許請求の範囲に付記された図面参照符号は、専ら理解を助けるためのものであり、図示の態様に本発明を限定することを意図しない。

このアプローチ（解決手段）により、複数の液体による試料（複数）の処理を、均一で再現性のあるマイクロ波場に結合する（切り替えて行う）ことができ、従って使用者がほとんど手動操作することなく迅速で、好ましくは自動的に試料（複数）を処理することが可能になる。

反応チャンバに液体を導入するためのただ１つの開口しか持たない公知のマイクロ波装置とは対照的に、本発明はマイクロ波チャンバに試料及び処理液体を別々に導入する。そのため、試料（複数）はチャンバ内に動かない（位置不動の）状態で置かれ、交互に複数の液体で（連続的に）処理される。

好ましい実施形態において、導波管は均一性及び再現性をさらに向上させるシングルモード導波管として構成される。（形態２）

装置の運転中に、１以上の第一種開口をマイクロ波を閉じ込めるようにシール可能な１以上の遮蔽手段を備えることが有利である。（形態３）これにより、周囲の領域をマイクロ波放射で汚染させないのみならず、導波管内のマイクロ波場の均一性と安定性を大きく改善することができる。この遮蔽手段は試料の保持装置に連結（ないし結合）できる。（形態４）これにより、導波管内で試料の位置決めが明確になり、同時に導波管を不注意で遮蔽しないままにすることを回避できる。

第二種開口にマイクロ波の漏洩を防ぐための減衰管を取り付けることが好ましい。（形態５）そうすることにより、カバーやその類似物がなくともマイクロ波チャンバの内部に接近できるようになり、また液体容器のチャンバ内外への移動がずっと単純化される。

容器の位置決めのため、それぞれが１つの液体容器を取外し（係脱）可能に保持するための複数の受容開口を持つ容器配列（保持）装置が特に便利である。容器配列装置の位置は、それぞれ第二開口に隣接した取外し位置に異なる液体容器を配置する（複数の）位置の間で、（例えば段階的に）位置調節（移動）可能であり、また取外し位置から液体容器を取外すために備えられる（容器の）導入駆動装置は、容器を導波管内に導入し、その後取外し位置に戻す。（形態６）

容器配列装置は、受容開口がテーブルのリング縁に沿って配置可能な、軸周りに回転可能なターンテーブル装置として構成できる。（形態７）例えば揮発性及び／又は毒性のある液体を処理する場合、それぞれのカバーが、少なくとも受容開口のいくつかのために容器配列装置の上に設置され、そしてそれが受容開口に保持された液体容器を互いに独立して蓋をすることができるとさらに有利である。（形態８）開閉装置は、取外し位置にある液体容器の蓋を開ける（開閉する）ために備えることができる。（形態９）

簡単な配列としては、第一種及び第二種開口は互いに対向して配され、第二種開口は導波管の下面に配置されている。（形態１０）

安全性を向上するため、特に可燃性液体を用いる場合、マイクロ波チャンバ内のガスを排気するための吸引管をマイクロ波チャンバに設置することが好ましい。（形態１１）マイクロ波チャンバ内のガス組成は、マイクロ波チャンバ又は吸引管に備えた追加のガスセンサ手段によりモニタできる。（形態１２）この手段により、ある制限値、例えば特定のガス種の濃度を超えるとマイクロ波の電源を停止することができる。さらに温度センサ、特にＩＲセンサを、マイクロ波チャンバ内の試料温度をモニタするためにマイクロ波チャンバに備えることができる。（形態１３）

特に全ての駆動軸が電動化され、かつその駆動が制御ユニットにより集中制御されている場合、完全に装置を自動化することがプロセスの信頼性を向上させるために好ましい。これは、モータによる駆動、特に液体容器の導波管への導入及び取出しの駆動を、集中制御する制御ユニットにより達成される。（形態１４）この制御ユニットは、マイクロ波放射強度を調節し、それによって導波管内に導入される各液体容器の処理温度を調節するためにも設置されうる。（形態１５）さらに、マイクロ波処理中の小さな（導波管内のマイクロ波場が均一な範囲内）連続的上下動により、液体の十分な混合と試料の液体境界層の迅速な交換が達成される。この目的のため、マイクロ波処理中にこの種の１以上の試料の上下動を繰り返す制御のための、制御ユニットを用いることができる。（形態１６）

開示される装置の構成可能なさらなる実施形態を、好ましい実施例をもって、図面を参照して以下に説明する。

ここに示す実施例は実施例として理解されるべきものであり、本発明を図示された実施例に限定することを意図するものではない。

図１は、本発明即ち試料特にマイクロ波を用いた生物学的試料の調製装置の第一の好ましい典型的な実施例である。導波管２はシングルモード導波管、例えば矩形形状の導波管として構成されている。マグネトロン（マイクロ波発振器）１により発生された特別なモードのマイクロ波がその中に伝播し、導波管２内に、時間平均で一定のエネルギー分布を持つ本質的に定常波である波が生成される。エネルギー分布最大の領域において、導波管は２つの対向して垂直に配置された開口７ａ、８ａ（第一種、第二種開口）を有する。これらの開口には、マイクロ波の漏洩を防止する管７、８がセットされている。上部管７は、この目的のためカバー（遮蔽手段）３で閉止されており、カバー３はそれ自身を通じて、又は上部管７との間隙３ａを通じてマイクロ波が漏洩しないように構成されている。下部管８は、その全長に亘って実質的な減衰（例えば６０ｄＢ）を生ずる減衰管として構成され、マイクロ波が下部管８の外部への開口（図では下方に向いている）を通してそれほどの量は漏洩しないようになっている。従ってこの管はマイクロ波発振中でも開いたままであり、そのため簡単なやり方で容器を（下部管の開口から）自動的に導入することができる。

カバー３には、生物学的試料（複数）を入れたバスケット５を導波管領域内に保持する保持要素（保持装置）４が挿入されており、保持要素自身及び試料バスケットはいずれもマイクロ波を透過する材料で作られている。下部管８の下方には、液体（複数）１０を（夫々）入れた複数の液体容器９が回転して下部管８の直下に位置するように、カルーセル（容器配列装置）１１が配置されている。各液体容器内の液体は、例えば試料を処理するそれぞれの場合の異なった試薬でありうる。カルーセル軸は装置に固定して取り付けられているが、必要な場合はベアリング１２から全体を取外すことができ、ベアリング１２に乗った位置ではカルーセル１１はモータ１３により移動（回転）することができる。マイクロ波を透過する材料でできた持ち上げアーム１４は、（他の）モータ１６によって駆動されるスピンドル１５を介して上方へ移動することができ、こうして下部管８の直下に位置する容器を導波管内に導入することができる。持ち上げアーム１４の材料として、プラスチックに加え機械加工可能（マシーナブル）なセラミックス（例えばMarcor（登録商標））を用いることができる。持ち上げアームを最大限に持ち上げた位置では、試料を入れたバスケット５は完全に液体１０の中に浸漬される。

カルーセル１１に乗った液体容器（複数）９は（夫々）異なる試薬１０を含むことができ、連続的に又はどのような順序でも、マイクロ波チャンバ内に持ち上げられて導入された容器（従ってその中の液体）がバスケット５を取り囲むようにできる。この動きは制御ユニット１７により制御される。制御ユニット１７は、さらにマイクロ波放射をモニタ（測定）し、ＩＲセンサ６を介して液体の温度を測定する。チャンバ内の試料及び試薬の加熱制御はこうして管理される。制御ユニット１７は、各作業ステップに試薬１０の１つを用いるように、及び／又は特定の処理時間とそれに応じた処理温度が適用できるように、使用者によりプログラムできる。これらのプログラムは、制御ユニット１７により自動的に実行される。特殊な立体的配置により、制御ユニット１７はマイクロ波処理中であっても液体容器９を持ち上げアーム１４を介して動かすことができる。このことは、短いストロークの上下動の助けを借りて、試料と直接接触する液体境界層の断えざる（断続的な）交換を達成するために、有利に活用される。均一性の向上と試料処理時間を短くすることはこうして達成できる。

既に述べたように、制御ユニットは個々の作業ステップの間、マイクロ波の出力を制御する。出力は、液体容器９が所定の温度に到達するようにも制御ユニットで制御される。もし必要であれば、選択した（又は全ての）ステップにおいて、連続的な、或いは（例えば特定の温度値に制御する場合等）一定の出力の代わりに、パルス状（即ち断続的）のマイクロ波発振を発生させることも可能である。通常、各処理ステップ間ではマイクロ波出力は停止される。

図２を参照して、カルーセル１１の好ましい一つの実施形態として、カルーセルにある液体容器９がカバー２４により蓋をされるように構成される。各カバー２４は、カバー下面に枢支された引張棒（操作ロッド）２６を介してばね２５の（下方への）閉止の付勢力により閉じられた状態にある。さらに、弾性サポート２７を、良好な閉じ込め（シール）を確実にするためにカバーの一部に取り付けることができる。これによって液体１０の蒸発率が最小化され、充填量が長時間一定に保たれるとともに、毒性のある、可燃性の、又は腐食性の蒸気により周囲の雰囲気を汚染することが大きく低減される。この実施形態では、カルーセルは、回転可能にかつ取外せないようにベアリング１２と結合されるカルーセルキャリヤ２８と、カバーを載せる実際のカルーセル１１とに有利に（二層に）分離できる。密閉された液体容器９を担持するカルーセル１１は、ユーザによりカルーセルキャリヤ２８と分離され、液体容器９に液体を入れたり出したりする区域へ安全に運ばれる。

図示の実施形態においては、カルーセル１１上にあるカバー２４は、試料バスケット５を受入れるために持ち上げアーム１４により液体容器９が移動（上昇）される前に、開かれなければならないことが理解される。これは例えば偏心機構を介してモータ３０によって駆動されるプランジャ２９によって効果的に実施できる。他の例えばスピンドルを介した駆動方式、或いは他の適切な機械的結合（ないし伝導機構）でももちろん可能である。モータ３０の動きも、液体容器９がカルーセル１１によって配置され、次にカバー２４が開けられ、そして液体容器９が持ち上げアーム１４によってチャンバ内に運ばれるという統一された連続的な動きを達成するため、制御ユニット１７によって制御される。

図３は、カルーセル３１１が下部管８の直下には配置されていない、本発明の第二の実施例の概略図である。その代わり、持ち上げアーム３１４によりカルーセル３１１から移動された液体容器９は、さらに例えば（ネジ）スピンドル３１９ａを用いた移送（送り）機構３１８により下部管８の下に移送される。移送機構３１８は制御ユニット１７により制御されるモータ３１９により操作される。持ち上げアームの垂直方向持ち上げは、図１と対応する方法で、モータ３１６により駆動される（ネジ）スピンドル３１５（の回転）を介して行われる。アーム３１４はその下部（Ｌ字基部の一端）で（ネジ）スピンドル３１５と螺合する。

図４は、第一の実施例から導かれる、本発明の第三の実施例の概略図であるが、第二の実施例と組合わせることもできる。第一の実施例の上部管７のかわりに、上部開口７ａはさらに（吸引）管４０を取り付けた開口を有する（短）管４７で閉じられている。マイクロ波チャンバで発生した蒸気は、ファン４１により管４０で吸引され、ホース４２によって排気システムに送気される。マイクロ波を指数的に減少させて外部に漏洩しないようにするため、カバー（遮蔽手段）４３を備えた管４７，４０の組合せが再度適用される。可能であれば、形状に合わせた保持手段４４を採用する。この実施例では、チャンバ内の雰囲気をモニタし、制限値を超えるとマイクロ波放射を停止させる、ガスセンサ４６をさらに使用しうる。

本発明の第一の実施例を模式的に表わしたものであり、種々の液体が入った容器が回転式カルーセルから導波管内へ持ち上げられている断面図である。 個別に蓋を開ける容器を持つカルーセルの変形例である。 本発明の第二の実施例であり、容器の水平方向及び垂直方向の動きを示したものである。 本発明の第三の実施例であり、導波管のガス吸引システムを示したものである。

符号の説明

１ マグネトロン（マイクロ波発振器）
２ 導波管
３、４３ カバー（遮蔽手段）
４ 保持要素（保持装置）
５ 試料バスケット
６ ＩＲセンサ
７ 上部管
７ａ 上部開口（第一種開口）
８ 下部管（減衰管）
８ａ 下部開口（第二種開口）
９ 液体容器
１０ 液体（試薬）
１１、３１１ カルーセル（容器配列装置）
１２ ベアリング
１３、１６、３０、３１６ モータ
１４、３１４ 持ち上げアーム（導入駆動装置）
１５、３１５、３１９ａ スピンドル
１７ 制御ユニット
２４ カバー
２５ ばね
２６ 引張棒（操作ロッド）
２７ 弾性サポート
２８ カルーセルキャリヤ
２９ プランジャ
３１８ 移送機構
４０、４７ 管
４１ ファン
４２ ホース
４４ 保持手段

Claims (16)

1. １以上のマイクロ波発振器と、１以上の処理対象の試料を受入れるマイクロ波チャンバと、該マイクロ波チャンバ内で該１以上の処理対象の試料を取り囲む液体のための２以上の容器の容器配列装置を含む、マイクロ波を用いた試料調製装置であって、
   該マイクロ波チャンバは導波管（２）として構成され、この導波管は、マイクロ波チャンバの中に導入された液体容器が１以上の試料（５）を取り囲むように、
   −１以上の試料（５）を導入するための１以上の第一種開口（７ａ）と、
   −試料（５）はそのままで保持しつつ、マイクロ波チャンバの中に１以上の液体容器（９）を可逆的に導入可能な、１以上の第二種開口（８ａ）と、
   を含む、ことを特徴とする試料調製装置。
2. 前記導波管がシングルモード導波管（２）として構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の試料調製装置。
3. 前記試料調製装置の運転中に、前記１以上の第一種開口をマイクロ波を閉じ込めるようにシールすることができる、１以上の遮蔽手段（３，４３）を備えることを特徴とする、請求項１又は２に記載の試料調製装置。
4. 前記遮蔽手段（３）は、試料（５）の保持装置（４）に連結ないし結合されていることを特徴とする、請求項３に記載の試料調製装置。
5. マイクロ波放射が外部に漏洩しないようにするための減衰管（８）が前記第二種開口（８ａ）に備えられることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の試料調製装置。
6. それぞれが１つの液体容器（９）を取外し可能に保持するための複数の受容開口を持ち、その容器配列装置（１１）の位置は、それぞれ第二種開口（８ａ）に隣接した取外し位置に異なる液体容器を配置する（複数の）位置の間で、位置調節（移動）可能である容器配列装置（１１）；及び該取外し位置から液体容器を前記導波管内に導入し、その後該取外し位置に戻すように構成された導入駆動装置（１４）を含むことを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の試料調製装置。
7. 前記容器配列装置（１１）は、軸周りに回転可能で、テーブルのリング縁に沿って前記受容開口が位置決め可能なターンテーブル装置として構成されることを特徴とする、請求項６に記載の試料調製装置。
8. 前記容器配列装置（１１）の少なくともいくつかの前記受容開口にそれぞれカバー（２４）が備えられ、そのカバーにより前記受容開口に保持された液体容器（９）を互いに独立に閉じることができることを特徴とする、請求項６に記載の試料調製装置。
9. 前記取外し位置にある前記液体容器の前記カバー（２４）の開閉装置を有することを特徴とする、請求項８に記載の試料調製装置。
10. 前記第一種開口及び前記第二種開口は互いに対向して配され、第二種開口（８ａ）は前記導波管の下面に配置されていることを特徴とする、請求項１〜９のいずれかに記載の試料調製装置。
11. 前記マイクロ波チャンバ内のガスを排気するための吸引管（４０）を前記マイクロ波チャンバに設置したことを特徴とする、請求項１〜１０のいずれかに記載の試料調製装置。
12. 前記マイクロ波チャンバ内のガス組成をモニタするために、前記マイクロ波チャンバ又は前記吸引管にガスセンサを備えることを特徴とする、請求項１１に記載の試料調製装置。
13. 前記マイクロ波チャンバ内の前記試料温度をモニタするために、温度センサを前記マイクロ波チャンバに備えることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれかに記載の試料調製装置。
14. モータによる、前記液体容器の前記導波管（２）への前記導入及び取出しの駆動を集中制御する、制御ユニット（１７）を有することを特徴とする、請求項１〜１３のいずれかに記載の試料調製装置。
15. 前記制御ユニット（１７）は、前記導波管内に導入される前記液体容器の処理温度を調節するためにマイクロ波放射強度を調節するためにも使用されることを特徴とする、請求項１４に記載の試料調製装置。
16. 前記制御ユニットは、マイクロ波処理中に前記１以上の試料（５）の小さな繰返し上下動の制御に用いられることを特徴とする、請求項１５に記載の試料調製装置。

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