溶液遠心濃縮装置及び方法
【課題】 タンパク質溶液のような透明又は透明に近い溶液の液面位置を高速回転中に高い精度で検出する溶液遠心濃縮装置及び方法を提供する。
【解決手段】 上部容器と下部容器の間にフィルタが装着された透明な筒状容器１（チューブ）を用いる。複数の筒状容器１を鉛直回転軸Ｚに対し対称に装着可能であり鉛直回転軸Ｚを中心に高速回転可能なロータ１２と、ロータの回転中に各筒状容器の位置を検出する位置検出センサ１４と、ロータの回転中に筒状容器内の溶液の液面３を検出する液面検出装置１６と、ロータの回転及び停止を制御する遠心制御装置とを備える。液面検出装置１６は、複数対の発光素子１６ａと受光素子１６ｂを有し、各対の発光素子と受光素子は、溶液が無い場合には、光が筒状容器の表面で反射して受光素子に戻って受光素子がオンの状態となり、溶液が有る場合には、筒状容器と溶液でレンズ効果となり、光が散乱して受光素子がオフとなる。
【解決手段】 上部容器と下部容器の間にフィルタが装着された透明な筒状容器１（チューブ）を用いる。複数の筒状容器１を鉛直回転軸Ｚに対し対称に装着可能であり鉛直回転軸Ｚを中心に高速回転可能なロータ１２と、ロータの回転中に各筒状容器の位置を検出する位置検出センサ１４と、ロータの回転中に筒状容器内の溶液の液面３を検出する液面検出装置１６と、ロータの回転及び停止を制御する遠心制御装置とを備える。液面検出装置１６は、複数対の発光素子１６ａと受光素子１６ｂを有し、各対の発光素子と受光素子は、溶液が無い場合には、光が筒状容器の表面で反射して受光素子に戻って受光素子がオンの状態となり、溶液が有る場合には、筒状容器と溶液でレンズ効果となり、光が散乱して受光素子がオフとなる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タンパク質溶液のような実質的に透明又は透明に近い溶液を、高速回転による遠心力で短時間に濃縮し、かつ回転中に液面位置を高い精度で検出して無駄時間なく停止し、これにより濃縮を短時間に確実に行う溶液遠心濃縮装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
生化学分野において、血液から血液成分を分離する手段として、遠心分離器を用いた手段が開示されている（例えば、特許文献１〜３）。
これらの手段は、血液をその比重差により、血漿、白血球、血小板、赤血球等の血液成分に連続的に遠心分離し、成分間の界面を光学的センサで検出して遠心分離器の運転状態（例えば回転速度）を制御するものである。
【０００３】
また、成分間の界面を検出する手段として、特許文献２には、図７に示す光学センサ５１が開示されている。この光学センサ５１は、ＬＥＤのような発光素子とフォトダイオードのような受光素子が列状に配置されたラインセンサである。このラインセンサは、発光素子から発せられた光の血液成分での反射光を受光素子により受光し、その受光光量を光電変換するように構成されている。この構成により、分離されたバフィーコート層５２と赤血球層５３とで反射光の強度が異なるため、受光光量すなわち出力電圧が変化した受光素子に対応する位置を、界面の位置として検出する。
【０００４】
また、成分間の界面を検出する別の手段として、特許文献３には、図８に示す光学センサ６１が開示されている。この光学センサ６１は、投光部６２から光（例えばレーザー光）を照射（投光）し、ロータ６３の反射面６４で反射された反射光を受光部６５で受光し、受光光量の変動を受光部６５からの出力電圧の変化として検出するものである。
【０００５】
一方、例えば、核磁気共鳴（ＮＭＲ）スペクトルやＸ線結晶構造解析により、タンパク質の構造解析を行うために、タンパク質を含む溶液（以下、「タンパク質溶液」と呼ぶ）を精製後、濃縮して測定試料を調製するための溶液濃縮手段として、遠心分離限外ろ過法が知られている。
この遠心分離限外ろ過法は、所定の分画分子量を有するろ膜（フィルタ）が装着された遠心分離用のチューブ（筒状容器）に少量のタンパク質液を入れ（分注し）、遠心分離器を用いて各チューブ内の溶液を遠心力で限外ろ過するものである。
【０００６】
タンパク質は、変性、分解、吸着などにより失活するので、タンパク質溶液の濃縮は、できるだけ短時間に行うことが必要となる。
しかし、従来の遠心分離限外ろ過法では、濃縮液の量が測定所要量になるまでに遠心分離器を何度も停止させて目視による確認を行わなければならず、目的の濃縮液が得られるまでに長時間（例えば４〜８時間）かかる問題点があった。
また特に、複数種類の溶液を同一の遠心分離器で濃縮する場合には、それぞれの溶液のろ過速度が相違するため、遠心分離器の停止頻度が増加し、チューブ内溶液の目視観察に時間と手間がさらにかかる問題点があった。
【０００７】
そこで、上述した従来の遠心分離限外ろ過法の問題点を解決するため、本発明の発明者らは、先にこれらの操作を自動化可能な溶液濃縮装置を創案し出願している（特許文献４）。
【０００８】
この装置は、図９に示すように、複数の溶液収容手段７１と、溶液収容手段を保持するロータ７２と、そのロータを回転させる駆動モータ７３と、溶液収容手段に収容された溶液の液面レベルを検出する液面検出手段７５と、液面検出手段により検出された液面レベル情報に基づいて、溶液収容手段に供給すべき溶液の量を制御する溶液供給量制御手段７７と、溶液供給量制御手段により求められた量の溶液を溶液収容手段に供給する溶液供給手段７９とを具備したものである。
【０００９】
また、この発明の好ましい実施例では、溶液収容手段７１の回転周期に同期して溶液供給手段７９を回転駆動する回転機構と、溶液収容手段と溶液収容手段とを連結する溶液供給路を更に備え、溶液収容手段への溶液の供給を溶液収容手段の回転駆動中に行うようになっている。
【００１０】
また、この出願において、液面検出手段７５は、例えばＣＣＤセンサであり、チューブ内の液面の画像情報、光透過、光吸収、光散乱等の状態変化、又は反射率の変化から液面位置を検出する。
さらに、この液面検出手段７５は、溶液収容手段の回転周期に同期したタイミングで溶液の液面レベルを検出するようになっていた。
【００１１】
【特許文献１】特開平７−２０６６９１号公報、「自動化された血漿隔離のための装置と方法」
【特許文献２】特開平９−４７５０５号公報、「血液成分分離装置および血小板採取方法」
【特許文献３】特開２００２−２９１８７２号公報、「血液成分採取装置」
【特許文献４】特開２００４−７３９９３号公報、「溶液濃縮装置」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上述したように、タンパク質は、変性、分解、吸着などにより失活するので、タンパク質溶液の濃縮は、できるだけ短時間に行う必要がある。
また、タンパク質の構造解析等を目的とする場合、ヒトのタンパク質だけでも約１００００種類にも及ぶため、異なるタンパク質溶液を、解析可能な少量ずつ、できるだけ複数を同時に濃縮することが要望される。
【００１３】
上述した特許文献１〜３の手段は、比重差による連続遠心分離であるため、複数の異なる溶液を、少量ずつ同時に濃縮（フィルタを用いてろ過）することはできない。
また、特許文献２、３の界面検出手段は、光の吸収率が大きく異なる血液成分（例えば、バフィーコート層と赤血球層）の界面を反射光又は透過光の受光光量の変化から検出するため、タンパク質溶液のように、実質的に透明又は透明に近い溶液の場合、液面からの反射光又は溶液の透過光は、受光光量がほとんど変化しないため、正確な検出が困難であった。
【００１４】
また、特許文献４に開示した液面検出手段の場合、液面の画像情報から液面位置を検出することは原理的には可能であるが画像処理等を必要とするため、複雑でありかつ位置検出精度が低い問題点があった。また、光透過、光吸収、光散乱等の状態変化、又は反射率の変化から液面位置を検出するのは、実質的に透明な溶液の場合、光透過、光吸収、光散乱、反射光の光量はほとんど変化しないため、特許文献１〜３と同様に正確な検出が困難であった。
【００１５】
本発明は上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、タンパク質溶液のような実質的に透明又は透明に近い溶液を対象とすることができ、複数の異なる溶液の液面位置を高速回転中に高い精度で検出することができ、複数の異なる溶液を少量ずつ同時に短時間に濃縮でき、かつ溶液の再注入や緩衝液の注入を短時間に確実に行うことができる溶液遠心濃縮装置及び方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明によれば、上部容器と下部容器が着脱可能に連結されその間にフィルタが装着された透明な複数の筒状容器を鉛直回転軸に対し対称に装着可能であり、前記鉛直回転軸を中心に高速回転可能なロータと、
ロータの回転中に各筒状容器の位置を検出する位置検出センサと、
ロータの回転中に各筒状容器内の溶液の液面を検出する液面検出装置と、
ロータの回転及び停止を制御する遠心制御装置とを備え、
前記液面検出装置は、複数対の発光素子と受光素子を有し、各対の発光素子と受光素子は、それぞれ所定位置の液面に対し、溶液が無い場合には、光が筒状容器の表面で反射して受光素子に戻って受光素子がオンの状態となり、溶液が有る場合には、筒状容器と溶液でレンズ効果となり、光が散乱して受光素子がオフとなる、ことを特徴とする溶液遠心濃縮装置が提供される。
【００１７】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記液面検出装置は、位置検出センサによる各筒状容器の検出と同期して、各筒状容器内の液面検出を行なう。
【００１８】
また、前記ロータは、前記複数対の発光素子と受光素子の検出位置において、各対の発光素子からの光をそれぞれ所定位置の筒状容器の表面に導き、かつそれぞれ所定位置の筒状容器の表面から反射した光を各対の受光素子のみに導く複数対の開口孔を有する。
【００１９】
また、前記ロータの上部に位置し、前記筒状容器内に所定の溶液又は緩衝液を注入する分注ユニットを備え、
前記遠心制御装置は、ロータ内の所定の筒状容器が所定の注入位置に位置するようにロータを停止させる。
【００２０】
前記分注ユニットは、所定の溶液又は緩衝液を内部に収容し、上部が閉じ下端部が細く下方に伸び、下端が開口した中空円筒形の複数の分注シリンジと、
該各分注シリンジの液面上に連通し、液面上の気体圧を調整可能な注圧調整装置と、
複数の分注シリンジを水平に間隔を隔てて保持し、順次所定の注入位置に間隔を保ちつつ水平に移動させる水平移動装置と、
所定の注入位置に位置する分注シリンジを下降させて、注入位置に位置する筒状容器内に分注シリンジの下端部を挿入する昇降装置と、
前記注圧調整装置、水平移動装置、及び昇降装置を制御する分注制御装置とを備える。
【００２１】
また、本発明によれば、上部容器と下部容器が着脱可能に連結されその間にフィルタが装着された透明な筒状容器を使用し、
複数の前記筒状容器を装着したロータを、ロータ内の所定の筒状容器が所定の注入位置に位置するようにロータを回転させるロータ位置決めステップと、
所定の溶液を内部に収容した中空円筒形の分注シリンジから前記筒状容器内に溶液を注入する溶液注入ステップと、
ロータを所定の速度で回転させ遠心力で溶液をフィルタによりろ過する遠心濃縮ステップと、
ロータの回転中に各筒状容器の位置を検出し、この検出と同期して、各筒状容器内の溶液の液面を検出する液面検出ステップと、
液面が所定位置に達したときに、ロータを減速し停止するロータ停止ステップと、を有することを特徴とする溶液遠心濃縮方法が提供される。
【００２２】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記液面検出ステップにおいて、予め複数の液面位置を設定し、
各液面位置に対し、溶液が無い場合には、光が筒状容器の表面で反射して受光素子に戻って受光素子がオンの状態となり、溶液が有る場合には、筒状容器と溶液でレンズ効果となり、光が散乱して受光素子がオフとなる。
【００２３】
また、予め再注入の有無を設定し、再注入有りの場合、前記ロータ位置決めステップ、溶液注入ステップ、遠心濃縮ステップ、及び液面検出ステップを設定回数繰り返す、ことが好ましい。
【００２４】
また、予め緩衝液の有無を設定し、緩衝液有りの場合、所定の緩衝液を内部に収容した中空円筒形の緩衝液シリンジから前記筒状容器内に緩衝液を注入する緩衝液注入ステップと、
ロータを所定の速度で回転させ遠心力で緩衝液をフィルタを透過させる緩衝液透過ステップとを設定回数繰り返す、ことが好ましい。
【発明の効果】
【００２５】
上記本発明の装置及び方法によれば、ロータの回転中に筒状容器内の溶液の液面を検出する液面検出装置を備え、各液面位置に対し、前記液面検出ステップにおいて、予め複数の液面位置を設定し、溶液が無い場合には、光が筒状容器の表面で反射して受光素子に戻って受光素子がオンの状態となり、溶液が有る場合には、筒状容器と溶液でレンズ効果となり、光が散乱して受光素子がオフとなるので、タンパク質溶液のような実質的に透明又は透明に近い溶液を対象とすることができる。
また、ロータの回転中に各筒状容器の位置を検出する位置検出センサを備え、位置検出センサによる各筒状容器の検出と同期して、各筒状容器内の液面検出を行なうので、複数の異なる溶液の液面位置を高速回転中に高い精度で検出することができる。
また、ロータの上部に位置し、前記筒状容器内に所定の溶液又は緩衝液を注入する分注ユニットを備え、ロータ位置決め、溶液注入、遠心濃縮、液面検出、ロータ停止の各ステップを順次自動でできるので、複数の異なる溶液を少量ずつ同時にかつ短時間に濃縮することができる。
さらに、再注入の有無及び緩衝液の有無を予め設定することにより、溶液の再注入や緩衝液の注入を自動でできるので、溶液の再注入や緩衝液の注入を短時間に確実に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面に基づき説明する。なお各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複して説明を省略する。
図１は、本発明の溶液遠心濃縮装置の全体構成図である。この図において、本発明の溶液遠心濃縮装置は、遠心ユニット１０、分注ユニット２０、及び制御ユニット３０からなる。
【００２７】
制御ユニット３０は、主制御装置３２、遠心制御装置３４、及び分注制御装置３６からなる。主制御装置３２は、入力装置３２ａ、表示装置３２ｂ、記憶装置３２ｃ、演算装置３２ｄ、及び入出力装置を備えたＰＣ（コンピュータ）であり、遠心制御装置３４及び分注制御装置３６を制御する。
入力装置３２ａは、例えばキーボードであり、複数の筒状容器１に対し、予め再注入の有無、緩衝液の有無、回転速度、液面検出位置等を設定する。これらの各データは記憶装置３２ｃに記憶される。
【００２８】
遠心ユニット１０は、ロータ１２、位置検出センサ１４、及び液面検出装置１６を備える。
ロータ１２は、透明な複数（例えば８本）の筒状容器１を鉛直回転軸Ｚに対し対称に装着可能であり、かつ鉛直回転軸Ｚを中心に高速モータ１３により高速回転可能に構成されている。
高速モータ１３は、好ましくはインバータ制御により、低速（例えば１０００ｒｐｍ）、中速（例えば３０００ｒｐｍ）、高速（例えば６２００ｒｐｍ）に変速可能であるのがよい。
【００２９】
図２は、本発明で使用する筒状容器１（チューブ）の模式図である。この図において、（Ａ）は部分分解図、（Ｂ）は組立状態図、（Ｃ）は使用状態図である。
この図に示すように、筒状容器１は、上部容器１ａにろ過前の溶液、下部容器１ｂにろ過後のろ液を収容し、その間にフィルタ２が装着された透明な容器である。上部容器１ａと下部容器１ｂは、（Ａ）のように分離可能であるが、（Ｂ）のように棒状に連結して使用する。上部容器１ａは、上端が開口しており、この開口からろ過前の溶液を注入するようになっている。
フィルタ２は、上部容器１ａの下端にこの例では斜めに装着され、これを通過したろ液が図示しない開口を介して下部容器１ｂに溜まるようになっている。フィルタ２には所定の分画分子量を有するものが用いられる。
筒状容器１は、（Ｃ）に示すようにロータ１２に斜めに装着される。従って、ロータ１２が高速回転するとき、上部容器１ａ内のろ過前の溶液の液面３は、ほぼ鉛直となる。上部容器１ａのろ過前の溶液量は、例えば定格２ｍｌである。
【００３０】
図１において、位置検出センサ１４は、ロータ１２の外周部に取り付けられたマーカー（図示せず）を非接触で検出する光学センサであり、ロータ１２の回転中に各筒状容器１（例えば８本それぞれ）の位置を検出する。
この例において、位置検出センサ１４は、基準位置検出センサ１４ａと容器位置検出センサ１４ｂとからなる。基準位置検出センサ１４ａは、ロータ１２の外周部下面に１つだけ設けられたマーカー（図示せず）を検出し、ロータの基準位置（例えば、第１の筒状容器の位置）を検出する。また、容器位置検出センサ１４ｂは、ロータ１２の外周部外面に各筒状容器１に対応して複数箇所（例えば、８箇所）に設けられたマーカー（図示せず）を検出し、各筒状容器１の位置を検出する。従って、基準位置検出センサ１４ａと容器位置検出センサ１４ｂの出力信号から、ロータ１２の回転中に各筒状容器１の位置を正確に検出することができる。
【００３１】
図１に示すように、本発明の遠心ユニット１０の遠心分離機筐体１１の内部には、ロータ１２を収納するための回転室（図示せず）が配置されており、回転室の上部には、ドア（図示せず）が開閉可能に設けられている。更に、回転室の低部ほぼ中央部にはロータ１２を回転駆動するための高速モータ１３が配置されている。
【００３２】
図３に示すように、ロータ１２には試料の入った複数のチューブ（筒状容器）１を挿入するためのチューブ挿入穴（図示せず）が所定の角度をなして形成されている。更に、チューブ挿入穴には複数のセンサ光路穴１２ａが設けられており、ロータ室内に設けられている、複数の光学センサ１６ａ，１６ｂによってチューブ１内の濾過の進行状態を検出するよう構成されている。
制御ユニット３０は、記憶装置３２ｃに入力装置３２ａから入力された条件（回転速度、温度、運転時間）を記憶し、高速モータ１やロータ１２の運転中の温度を各センサからの信号や、光学センサ１６ａ，１６ｂからの出力信号を元に、遠心ユニット１０を制御するように構成されている。
更に表示装置３２ｂには入力装置３２ａより入力された条件や、運転状態を表示する回転速度表示部（図示せず）を有している。
【００３３】
図３は、本発明による液面検出の原理図である。この図において、（Ａ）は図１の部分拡大図、（Ｂ）はそのＢ−Ｂ矢視図である。
この図に示すように、液面検出装置１６は、複数対（この例では５対）の発光素子１６ａと受光素子１６ｂを有する。 発光素子１６ａは、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）であり、受光素子１６ｂは例えばフォトセルである。
複数の発光素子１６ａからの光がロータ１２に配設されたセンサ光路穴１２ａを通過して、チューブ１内の溶液の有無を検出する。複数の受光素子１６ｂから出力される信号は溶液が無い場合には、発光素子１６ａから出た光はチューブ１の表面で反射し、受光部に戻り、受光素子１６ｂの信号はオンの状態となる。
溶液が有る場合、チューブ１と溶液でレンズ効果となり、光が散乱し、発光素子１６ａから出た光はチューブ１の表面で散乱され、受光部に戻ってこず受光素子１６ｂの信号はオフとなる。
なお、センサ光路穴１２ａは図３のように個々のセンサに対して１個づづの穴を有していなくても、全ての光学センサーをカバーするような１つの長穴であっても良い。
光学センサ１６ａ，１６ｂの信号はチューブがセットされない場合と液がある場合にはオフとなり、液がなくなるにつれて、上方から信号がオンする。フィルタ位置に対応したセンサからの信号がオンした時に、回転停止することで、所望の結果を得ることができる。また、詳細は示していないが、必要に応じて検出レベルを変更することで一定の位置まで遠心が進んだことを判断し停止することも可能である。
光学センサをラインセンサとすることでも、同様の結果を得ることができる。
なお、どのチューブが遠心完了したかを自動的に判別できるようにしている。
【００３４】
図１において、遠心制御装置３４は、主制御装置３２から速度指令及び停止指令を受け、ロータ１２の回転及び停止を制御する。また、この遠心制御装置３４は、基準位置検出センサ１４ａと容器位置検出センサ１４ｂの出力信号から、ロータ１２の回転中に各筒状容器１の位置を検出し、この検出と同期して、液面検出装置１６により各筒状容器１内の液面検出を行なうようになっている。
また遠心制御装置３４は、基準位置検出センサ１４ａと容器位置検出センサ１４ｂの出力信号を基に、ロータ１２の制動を制御して、ロータ１２内の所定の筒状容器１が所定の注入位置（この図で右端）に位置するようにロータ１２を停止させるようになっている。
【００３５】
上述した本発明の構成によれば、ロータ１２の回転中に筒状容器１内の溶液の液面３を検出する液面検出装置１６を備え、各液面位置３に対し、溶液が無い場合には、光はチューブ１の表面で反射し、受光部に戻り、受光素子１６ｂの信号はオンの状態となり、溶液が有る場合、チューブ１と溶液でレンズ効果となり、光が散乱し、受光素子１６ｂの信号はオフとなるので、タンパク質溶液のような実質的に透明又は透明に近い溶液を対象とすることができる。
また、ロータ１２の回転中に各筒状容器１の位置を検出する位置検出センサ１４を備え、位置検出センサ１４による各筒状容器１１の検出と同期して、各筒状容器内の液面検出を行なうので、複数の異なる溶液の液面位置を高速回転中に高い精度で検出することができる。
【００３６】
図１において、分注ユニット２０は、ロータ１２の上部に位置し、筒状容器１内に所定の溶液又は緩衝液を注入する機能を有する。この分注ユニット２０は、複数の分注シリンジ２１、注圧調整装置２２、水平移動装置２４、及び昇降装置２６を備える。
【００３７】
複数の分注シリンジ２１は、上部が閉じ、下端部が細く下方に伸び、下端が開口した中空円筒形の容器であり、所定の溶液又は緩衝液を内部に予め収容する。上部は開閉可能であり、この開口から溶液又は緩衝液を充填できるようになっているのがよい。
注圧調整装置２２は、各分注シリンジ２１の液面上に例えば細長いチューブを介して連通するガス吸引供給装置であり、各分注シリンジ２１内の液面上の気体（不活性ガス、空気）をわずかに減圧して内部の液の滴下を防止し、かつその気体圧を調整して、所定量の液を随時滴下できるようになっている。
水平移動装置２４は、例えば円形リングに沿って、複数の分注シリンジ２１を水平に間隔を隔てて保持し、円形リングを鉛直軸を中心に回転させて、順次所定の注入位置（この図で右から４番目）に分注シリンジ２１を間隔を保ちつつ水平に移動させるようになっている。
なお、本発明において、「水平に移動」とは、分注シリンジ２１の高さを水平に維持して移動することを意味し、水平である限り、円運動でも直線運動でもその他の移動であってもよい。
昇降装置２６は、所定の注入位置（右から４番目）に位置する分注シリンジ２１を下降させて、注入位置に位置する所定の筒状容器１内に分注シリンジ１２の下端部を挿入する。
【００３８】
分注制御装置３６は、 主制御装置３２から速度指令及び停止指令を受け、注圧調整装置２２、水平移動装置２４、及び昇降装置２６を制御し、筒状容器１内に所定の溶液又は緩衝液を注入する。
【００３９】
図４は、本発明の溶液遠心濃縮方法を示すフローチャートである。この図において、チューブ装填Ｓ１、スタートＳ２、チューブ検査Ｓ３、チューブ回収Ｓ４の各ステップは手動操作であり、ロータ１２に複数の筒状容器１を装着し（Ｓ１）、スタート釦を押す（Ｓ２）ことにより、この装置は自動運転を開始し、遠心濃縮が完了した時点で装置が自動的に停止し、チューブを回収して（Ｓ４）、一連の濃縮作業が完了する。
【００４０】
本発明の方法では、図２に示した筒状容器１（「チューブ」と呼ぶ）を使用する。この筒状容器１（チューブ）は、上部容器１ａにろ過前の溶液、下部容器１ｂにろ過後のろ液を収容し、その間にフィルタ２が装着された透明な容器である。
【００４１】
本発明のスタートＳ２の後の自動運転は、主としてロータ位置決めステップＳ１０、溶液注入ステップＳ２０、遠心濃縮ステップＳ３０、液面検出ステップＳ４０、ロータ停止ステップＳ５０の各ステップからなる。
【００４２】
ロータ位置決めステップＳ１０では、複数の筒状容器１を装着したロータ１２を、ロータ内の所定の筒状容器１が所定の注入位置（図１で右端）に位置するようにロータを回転させ停止する。
溶液注入ステップＳ２０では、所定の溶液を内部に収容した中空円筒形の分注シリンジ２１から筒状容器１内に溶液を注入する。
【００４３】
遠心濃縮ステップＳ３０では、ロータ１２を所定の速度（例えば高速：６２００ｒｐｍ）で回転させ、遠心力で溶液をフィルタ２によりろ過する。
液面検出ステップＳ４０では、ロータ１２の回転中に各筒状容器１の位置を検出し、この検出と同期して、各筒状容器１内の溶液の液面３（例えば最低液面＋α）を検出する。このαは、ロータを減速し停止するまでに濃縮される量を予め設定するのがよい。
ロータ停止ステップＳ５０では、液面３が所定位置（例えば最低液面＋α）に達したときに、ロータを減速し停止する。
【００４４】
上述した方法により、 スタートＳ２の後は、ロータ位置決め、溶液注入、遠心濃縮、液面検出、ロータ停止の各ステップを順次自動でできるので、複数の溶液を少量ずつ同時に、かつ短時間に濃縮できる。
複数の溶液は、できるだけろ過条件が同一であるものを同時に濃縮するのが好ましい。
また、複数の溶液のろ過速度が異なる場合、すべての筒状容器１がろ過される（すべての条件を満たす）まで、ロータ１２を回転するのが好ましい。しかしこの逆に、いずれか１つの筒状容器１がろ過された時に停止してもよい。
【００４５】
また本発明では、液面検出ステップＳ４０において、予め複数の液面位置３（例えば、最高液面から最低液面まで５段階）を設定し、各液面位置３に対し、図３（Ｂ）に示すように、溶液が無い場合には、光が筒状容器の表面で反射して受光素子に戻って受光素子がオンの状態となり、溶液が有る場合には、筒状容器と溶液でレンズ効果となり、光が散乱して受光素子がオフとなる。
この方法により、筒状容器の表面で反射した光の有無によりそれぞれ所定位置の溶液の有無を検出することができる。
【００４６】
また図４において、溶液注入ステップＳ２０と遠心濃縮ステップＳ３０の間に、中速回転ステップＳ２１、液面検出ステップＳ２２を有し、中速回転ステップＳ２１で所定の中速（例えば３０００ｒｐｍ）でロータ１２を回転させ、その際の液面変化を液面検出ステップＳ２２で検出し、予め定めた液面範囲にあるときは、そのまま遠心濃縮ステップＳ３０に移行し、液面変化がない、或いは速すぎる等の異常がある場合には、ロータ停止ステップＳ２３で回転を自動的に停止し、チューブを手動で取り出して検査する（Ｓ３）ようになっている。
【００４７】
また予め再注入の有無を設定することにより、再注入有りの場合、ステップＳ４１でロータ位置決めステップＳ１０に戻り、溶液注入ステップＳ２０、遠心濃縮ステップＳ３０、及び液面検出ステップＳ４０を設定回数繰り返す。
【００４８】
さらに、予め緩衝液の有無を設定することにより、緩衝液有りの場合、ステップＳ４２でステップＳ４３に移行し、ここでロータの位置決めを行い（Ｓ４３）、緩衝液注入ステップＳ４４で、所定の緩衝液を内部に収容した中空円筒形の緩衝液シリンジ２１から筒状容器１内に緩衝液を注入する。
さらに、緩衝液透過ステップＳ４５でロータを所定の速度（例えば高速：６２００ｒｐｍ）で回転させ、遠心力で緩衝液をフィルタを透過させる。
次いで、液面検出ステップＳ４６で、ロータ１２の回転中に各筒状容器１の位置を検出し、この検出と同期して、各筒状容器１内の溶液の液面３（例えば最低液面＋α）を検出し、ステップＳ４７に移行する。
【００４９】
ステップＳ４７はならし運転であり、ロータを所定の低速（例えば１０００ｒｐｍ）で回転させ、遠心力でフィルタ上の濃縮液を均一に分散させる。
次いで、液面検出ステップＳ４８で、ロータ１２の回転中に各筒状容器１の位置を検出し、この検出と同期して、各筒状容器１内の溶液の液面３（例えば最低液面）を検出し、ロータ停止ステップＳ５０でロータを減速し停止する。
【００５０】
上述したように、本発明の方法では、ロータ位置決め、溶液注入、遠心濃縮、液面検出、ロータ停止の各ステップを順次自動でできるので、複数の異なる溶液を少量ずつ同時に遠心力により短時間に濃縮できる。
また、再注入の有無及び緩衝液の有無を予め設定することにより、溶液の再注入や緩衝液の注入を自動でできるので、溶液の再注入や緩衝液の注入を短時間に確実に行うことができる。
【００５１】
以下、本発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【００５２】
図５は、本発明による遠心ユニット１０の遠心加速度と検知液量の関係図である。この図において、横軸は遠心加速度、縦軸は検知液量である。また図中の○は純水の場合、□はタンパク質溶液の一例として使用した塩化リゾチームの場合である。
この図は、チューブ８本を同時に１０回試験し、その平均を示したものである。また、回転中の純水と塩化リゾチームの検知液量は、それぞれ０．３９ｇ、０．３７ｇであった。
【００５３】
この結果、全てのチューブで、液面検知がミスなく正常に行われた。また、チューブ８本の検出誤差はほとんどなく、ほぼ同一の値を示した。
なお、この図で、遠心加速度が高いほど、検知液量が少なくなっているが、これは液面検知後、回転停止までに濃縮が進行するためである。従って、この特性を考慮して、検出液面を設定することが望ましい。
【００５４】
図６は、本発明による遠心時間と残り液量の関係図である。この図において、横軸は遠心時間、縦軸は残り液量である。なおこの試験は遠心加速度を一定（５０００Ｇ）に設定して行った。
この図から、定格容量が２ｍｌのチューブを用い、最少液量を０．４ｍｌとする場合、塩化リゾチームでは約１０分間で濃縮が完了することがわかる。
また、この結果から、本発明の装置及び方法により、各筒状容器の検出と同期して、各筒状容器内の液面検出を行なうことにより、複数の異なる溶液の液面位置を高速回転中に高い精度で検出することにより、無駄な時間を減らし、短時間に確実に濃縮できることがわかる。
【００５５】
なお、本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の溶液遠心濃縮装置の全体構成図である。
【図２】本発明を構成するチューブ（筒状容器）と分注シリンジの模式図である。
【図３】本発明による液面検出の原理図である。
【図４】本発明の溶液遠心濃縮方法を示すフローチャートである。
【図５】本発明による遠心加速度と検知液量の関係図である。
【図６】本発明による遠心時間と残り液量の関係図である。
【図７】特許文献２の界面検出手段の模式図である。
【図８】特許文献３の界面検出手段の模式図である。
【図９】特許文献４の溶液濃縮装置の模式図である。
【符号の説明】
【００５７】
１ 筒状容器（チューブ）、１ａ 上部容器、１ｂ 下部容器、
２ フィルタ、３ 液面、
１０ 遠心ユニット、１２ ロータ、１２ａ 開口孔、１３ 高速モータ、
１４ 位置検出センサ、１４ａ 基準位置検出センサ、１４ｂ 容器位置検出センサ、
１６ 液面検出装置、１６ａ 発光素子（光学センサ）、
１６ｂ 受光素子（光学センサ）、
２０ 分注ユニット、２１ 分注シリンジ、２２ 注圧調整装置、
２４ 水平移動装置、２６ 昇降装置、
３０ 制御ユニット、３２ 主制御装置、３２ａ 入力装置、３２ｂ 表示装置、
３２ｃ 記憶装置、３２ｄ 演算装置、３４ 遠心制御装置、３６ 分注制御装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タンパク質溶液のような実質的に透明又は透明に近い溶液を、高速回転による遠心力で短時間に濃縮し、かつ回転中に液面位置を高い精度で検出して無駄時間なく停止し、これにより濃縮を短時間に確実に行う溶液遠心濃縮装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
生化学分野において、血液から血液成分を分離する手段として、遠心分離器を用いた手段が開示されている（例えば、特許文献１〜３）。
これらの手段は、血液をその比重差により、血漿、白血球、血小板、赤血球等の血液成分に連続的に遠心分離し、成分間の界面を光学的センサで検出して遠心分離器の運転状態（例えば回転速度）を制御するものである。
【０００３】
また、成分間の界面を検出する手段として、特許文献２には、図７に示す光学センサ５１が開示されている。この光学センサ５１は、ＬＥＤのような発光素子とフォトダイオードのような受光素子が列状に配置されたラインセンサである。このラインセンサは、発光素子から発せられた光の血液成分での反射光を受光素子により受光し、その受光光量を光電変換するように構成されている。この構成により、分離されたバフィーコート層５２と赤血球層５３とで反射光の強度が異なるため、受光光量すなわち出力電圧が変化した受光素子に対応する位置を、界面の位置として検出する。
【０００４】
また、成分間の界面を検出する別の手段として、特許文献３には、図８に示す光学センサ６１が開示されている。この光学センサ６１は、投光部６２から光（例えばレーザー光）を照射（投光）し、ロータ６３の反射面６４で反射された反射光を受光部６５で受光し、受光光量の変動を受光部６５からの出力電圧の変化として検出するものである。
【０００５】
一方、例えば、核磁気共鳴（ＮＭＲ）スペクトルやＸ線結晶構造解析により、タンパク質の構造解析を行うために、タンパク質を含む溶液（以下、「タンパク質溶液」と呼ぶ）を精製後、濃縮して測定試料を調製するための溶液濃縮手段として、遠心分離限外ろ過法が知られている。
この遠心分離限外ろ過法は、所定の分画分子量を有するろ膜（フィルタ）が装着された遠心分離用のチューブ（筒状容器）に少量のタンパク質液を入れ（分注し）、遠心分離器を用いて各チューブ内の溶液を遠心力で限外ろ過するものである。
【０００６】
タンパク質は、変性、分解、吸着などにより失活するので、タンパク質溶液の濃縮は、できるだけ短時間に行うことが必要となる。
しかし、従来の遠心分離限外ろ過法では、濃縮液の量が測定所要量になるまでに遠心分離器を何度も停止させて目視による確認を行わなければならず、目的の濃縮液が得られるまでに長時間（例えば４〜８時間）かかる問題点があった。
また特に、複数種類の溶液を同一の遠心分離器で濃縮する場合には、それぞれの溶液のろ過速度が相違するため、遠心分離器の停止頻度が増加し、チューブ内溶液の目視観察に時間と手間がさらにかかる問題点があった。
【０００７】
そこで、上述した従来の遠心分離限外ろ過法の問題点を解決するため、本発明の発明者らは、先にこれらの操作を自動化可能な溶液濃縮装置を創案し出願している（特許文献４）。
【０００８】
この装置は、図９に示すように、複数の溶液収容手段７１と、溶液収容手段を保持するロータ７２と、そのロータを回転させる駆動モータ７３と、溶液収容手段に収容された溶液の液面レベルを検出する液面検出手段７５と、液面検出手段により検出された液面レベル情報に基づいて、溶液収容手段に供給すべき溶液の量を制御する溶液供給量制御手段７７と、溶液供給量制御手段により求められた量の溶液を溶液収容手段に供給する溶液供給手段７９とを具備したものである。
【０００９】
また、この発明の好ましい実施例では、溶液収容手段７１の回転周期に同期して溶液供給手段７９を回転駆動する回転機構と、溶液収容手段と溶液収容手段とを連結する溶液供給路を更に備え、溶液収容手段への溶液の供給を溶液収容手段の回転駆動中に行うようになっている。
【００１０】
また、この出願において、液面検出手段７５は、例えばＣＣＤセンサであり、チューブ内の液面の画像情報、光透過、光吸収、光散乱等の状態変化、又は反射率の変化から液面位置を検出する。
さらに、この液面検出手段７５は、溶液収容手段の回転周期に同期したタイミングで溶液の液面レベルを検出するようになっていた。
【００１１】
【特許文献１】特開平７−２０６６９１号公報、「自動化された血漿隔離のための装置と方法」
【特許文献２】特開平９−４７５０５号公報、「血液成分分離装置および血小板採取方法」
【特許文献３】特開２００２−２９１８７２号公報、「血液成分採取装置」
【特許文献４】特開２００４−７３９９３号公報、「溶液濃縮装置」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上述したように、タンパク質は、変性、分解、吸着などにより失活するので、タンパク質溶液の濃縮は、できるだけ短時間に行う必要がある。
また、タンパク質の構造解析等を目的とする場合、ヒトのタンパク質だけでも約１００００種類にも及ぶため、異なるタンパク質溶液を、解析可能な少量ずつ、できるだけ複数を同時に濃縮することが要望される。
【００１３】
上述した特許文献１〜３の手段は、比重差による連続遠心分離であるため、複数の異なる溶液を、少量ずつ同時に濃縮（フィルタを用いてろ過）することはできない。
また、特許文献２、３の界面検出手段は、光の吸収率が大きく異なる血液成分（例えば、バフィーコート層と赤血球層）の界面を反射光又は透過光の受光光量の変化から検出するため、タンパク質溶液のように、実質的に透明又は透明に近い溶液の場合、液面からの反射光又は溶液の透過光は、受光光量がほとんど変化しないため、正確な検出が困難であった。
【００１４】
また、特許文献４に開示した液面検出手段の場合、液面の画像情報から液面位置を検出することは原理的には可能であるが画像処理等を必要とするため、複雑でありかつ位置検出精度が低い問題点があった。また、光透過、光吸収、光散乱等の状態変化、又は反射率の変化から液面位置を検出するのは、実質的に透明な溶液の場合、光透過、光吸収、光散乱、反射光の光量はほとんど変化しないため、特許文献１〜３と同様に正確な検出が困難であった。
【００１５】
本発明は上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、タンパク質溶液のような実質的に透明又は透明に近い溶液を対象とすることができ、複数の異なる溶液の液面位置を高速回転中に高い精度で検出することができ、複数の異なる溶液を少量ずつ同時に短時間に濃縮でき、かつ溶液の再注入や緩衝液の注入を短時間に確実に行うことができる溶液遠心濃縮装置及び方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明によれば、上部容器と下部容器が着脱可能に連結されその間にフィルタが装着された透明な複数の筒状容器を鉛直回転軸に対し対称に装着可能であり、前記鉛直回転軸を中心に高速回転可能なロータと、
ロータの回転中に各筒状容器の位置を検出する位置検出センサと、
ロータの回転中に各筒状容器内の溶液の液面を検出する液面検出装置と、
ロータの回転及び停止を制御する遠心制御装置とを備え、
前記液面検出装置は、複数対の発光素子と受光素子を有し、各対の発光素子と受光素子は、それぞれ所定位置の液面に対し、溶液が無い場合には、光が筒状容器の表面で反射して受光素子に戻って受光素子がオンの状態となり、溶液が有る場合には、筒状容器と溶液でレンズ効果となり、光が散乱して受光素子がオフとなる、ことを特徴とする溶液遠心濃縮装置が提供される。
【００１７】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記液面検出装置は、位置検出センサによる各筒状容器の検出と同期して、各筒状容器内の液面検出を行なう。
【００１８】
また、前記ロータは、前記複数対の発光素子と受光素子の検出位置において、各対の発光素子からの光をそれぞれ所定位置の筒状容器の表面に導き、かつそれぞれ所定位置の筒状容器の表面から反射した光を各対の受光素子のみに導く複数対の開口孔を有する。
【００１９】
また、前記ロータの上部に位置し、前記筒状容器内に所定の溶液又は緩衝液を注入する分注ユニットを備え、
前記遠心制御装置は、ロータ内の所定の筒状容器が所定の注入位置に位置するようにロータを停止させる。
【００２０】
前記分注ユニットは、所定の溶液又は緩衝液を内部に収容し、上部が閉じ下端部が細く下方に伸び、下端が開口した中空円筒形の複数の分注シリンジと、
該各分注シリンジの液面上に連通し、液面上の気体圧を調整可能な注圧調整装置と、
複数の分注シリンジを水平に間隔を隔てて保持し、順次所定の注入位置に間隔を保ちつつ水平に移動させる水平移動装置と、
所定の注入位置に位置する分注シリンジを下降させて、注入位置に位置する筒状容器内に分注シリンジの下端部を挿入する昇降装置と、
前記注圧調整装置、水平移動装置、及び昇降装置を制御する分注制御装置とを備える。
【００２１】
また、本発明によれば、上部容器と下部容器が着脱可能に連結されその間にフィルタが装着された透明な筒状容器を使用し、
複数の前記筒状容器を装着したロータを、ロータ内の所定の筒状容器が所定の注入位置に位置するようにロータを回転させるロータ位置決めステップと、
所定の溶液を内部に収容した中空円筒形の分注シリンジから前記筒状容器内に溶液を注入する溶液注入ステップと、
ロータを所定の速度で回転させ遠心力で溶液をフィルタによりろ過する遠心濃縮ステップと、
ロータの回転中に各筒状容器の位置を検出し、この検出と同期して、各筒状容器内の溶液の液面を検出する液面検出ステップと、
液面が所定位置に達したときに、ロータを減速し停止するロータ停止ステップと、を有することを特徴とする溶液遠心濃縮方法が提供される。
【００２２】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記液面検出ステップにおいて、予め複数の液面位置を設定し、
各液面位置に対し、溶液が無い場合には、光が筒状容器の表面で反射して受光素子に戻って受光素子がオンの状態となり、溶液が有る場合には、筒状容器と溶液でレンズ効果となり、光が散乱して受光素子がオフとなる。
【００２３】
また、予め再注入の有無を設定し、再注入有りの場合、前記ロータ位置決めステップ、溶液注入ステップ、遠心濃縮ステップ、及び液面検出ステップを設定回数繰り返す、ことが好ましい。
【００２４】
また、予め緩衝液の有無を設定し、緩衝液有りの場合、所定の緩衝液を内部に収容した中空円筒形の緩衝液シリンジから前記筒状容器内に緩衝液を注入する緩衝液注入ステップと、
ロータを所定の速度で回転させ遠心力で緩衝液をフィルタを透過させる緩衝液透過ステップとを設定回数繰り返す、ことが好ましい。
【発明の効果】
【００２５】
上記本発明の装置及び方法によれば、ロータの回転中に筒状容器内の溶液の液面を検出する液面検出装置を備え、各液面位置に対し、前記液面検出ステップにおいて、予め複数の液面位置を設定し、溶液が無い場合には、光が筒状容器の表面で反射して受光素子に戻って受光素子がオンの状態となり、溶液が有る場合には、筒状容器と溶液でレンズ効果となり、光が散乱して受光素子がオフとなるので、タンパク質溶液のような実質的に透明又は透明に近い溶液を対象とすることができる。
また、ロータの回転中に各筒状容器の位置を検出する位置検出センサを備え、位置検出センサによる各筒状容器の検出と同期して、各筒状容器内の液面検出を行なうので、複数の異なる溶液の液面位置を高速回転中に高い精度で検出することができる。
また、ロータの上部に位置し、前記筒状容器内に所定の溶液又は緩衝液を注入する分注ユニットを備え、ロータ位置決め、溶液注入、遠心濃縮、液面検出、ロータ停止の各ステップを順次自動でできるので、複数の異なる溶液を少量ずつ同時にかつ短時間に濃縮することができる。
さらに、再注入の有無及び緩衝液の有無を予め設定することにより、溶液の再注入や緩衝液の注入を自動でできるので、溶液の再注入や緩衝液の注入を短時間に確実に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面に基づき説明する。なお各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複して説明を省略する。
図１は、本発明の溶液遠心濃縮装置の全体構成図である。この図において、本発明の溶液遠心濃縮装置は、遠心ユニット１０、分注ユニット２０、及び制御ユニット３０からなる。
【００２７】
制御ユニット３０は、主制御装置３２、遠心制御装置３４、及び分注制御装置３６からなる。主制御装置３２は、入力装置３２ａ、表示装置３２ｂ、記憶装置３２ｃ、演算装置３２ｄ、及び入出力装置を備えたＰＣ（コンピュータ）であり、遠心制御装置３４及び分注制御装置３６を制御する。
入力装置３２ａは、例えばキーボードであり、複数の筒状容器１に対し、予め再注入の有無、緩衝液の有無、回転速度、液面検出位置等を設定する。これらの各データは記憶装置３２ｃに記憶される。
【００２８】
遠心ユニット１０は、ロータ１２、位置検出センサ１４、及び液面検出装置１６を備える。
ロータ１２は、透明な複数（例えば８本）の筒状容器１を鉛直回転軸Ｚに対し対称に装着可能であり、かつ鉛直回転軸Ｚを中心に高速モータ１３により高速回転可能に構成されている。
高速モータ１３は、好ましくはインバータ制御により、低速（例えば１０００ｒｐｍ）、中速（例えば３０００ｒｐｍ）、高速（例えば６２００ｒｐｍ）に変速可能であるのがよい。
【００２９】
図２は、本発明で使用する筒状容器１（チューブ）の模式図である。この図において、（Ａ）は部分分解図、（Ｂ）は組立状態図、（Ｃ）は使用状態図である。
この図に示すように、筒状容器１は、上部容器１ａにろ過前の溶液、下部容器１ｂにろ過後のろ液を収容し、その間にフィルタ２が装着された透明な容器である。上部容器１ａと下部容器１ｂは、（Ａ）のように分離可能であるが、（Ｂ）のように棒状に連結して使用する。上部容器１ａは、上端が開口しており、この開口からろ過前の溶液を注入するようになっている。
フィルタ２は、上部容器１ａの下端にこの例では斜めに装着され、これを通過したろ液が図示しない開口を介して下部容器１ｂに溜まるようになっている。フィルタ２には所定の分画分子量を有するものが用いられる。
筒状容器１は、（Ｃ）に示すようにロータ１２に斜めに装着される。従って、ロータ１２が高速回転するとき、上部容器１ａ内のろ過前の溶液の液面３は、ほぼ鉛直となる。上部容器１ａのろ過前の溶液量は、例えば定格２ｍｌである。
【００３０】
図１において、位置検出センサ１４は、ロータ１２の外周部に取り付けられたマーカー（図示せず）を非接触で検出する光学センサであり、ロータ１２の回転中に各筒状容器１（例えば８本それぞれ）の位置を検出する。
この例において、位置検出センサ１４は、基準位置検出センサ１４ａと容器位置検出センサ１４ｂとからなる。基準位置検出センサ１４ａは、ロータ１２の外周部下面に１つだけ設けられたマーカー（図示せず）を検出し、ロータの基準位置（例えば、第１の筒状容器の位置）を検出する。また、容器位置検出センサ１４ｂは、ロータ１２の外周部外面に各筒状容器１に対応して複数箇所（例えば、８箇所）に設けられたマーカー（図示せず）を検出し、各筒状容器１の位置を検出する。従って、基準位置検出センサ１４ａと容器位置検出センサ１４ｂの出力信号から、ロータ１２の回転中に各筒状容器１の位置を正確に検出することができる。
【００３１】
図１に示すように、本発明の遠心ユニット１０の遠心分離機筐体１１の内部には、ロータ１２を収納するための回転室（図示せず）が配置されており、回転室の上部には、ドア（図示せず）が開閉可能に設けられている。更に、回転室の低部ほぼ中央部にはロータ１２を回転駆動するための高速モータ１３が配置されている。
【００３２】
図３に示すように、ロータ１２には試料の入った複数のチューブ（筒状容器）１を挿入するためのチューブ挿入穴（図示せず）が所定の角度をなして形成されている。更に、チューブ挿入穴には複数のセンサ光路穴１２ａが設けられており、ロータ室内に設けられている、複数の光学センサ１６ａ，１６ｂによってチューブ１内の濾過の進行状態を検出するよう構成されている。
制御ユニット３０は、記憶装置３２ｃに入力装置３２ａから入力された条件（回転速度、温度、運転時間）を記憶し、高速モータ１やロータ１２の運転中の温度を各センサからの信号や、光学センサ１６ａ，１６ｂからの出力信号を元に、遠心ユニット１０を制御するように構成されている。
更に表示装置３２ｂには入力装置３２ａより入力された条件や、運転状態を表示する回転速度表示部（図示せず）を有している。
【００３３】
図３は、本発明による液面検出の原理図である。この図において、（Ａ）は図１の部分拡大図、（Ｂ）はそのＢ−Ｂ矢視図である。
この図に示すように、液面検出装置１６は、複数対（この例では５対）の発光素子１６ａと受光素子１６ｂを有する。 発光素子１６ａは、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）であり、受光素子１６ｂは例えばフォトセルである。
複数の発光素子１６ａからの光がロータ１２に配設されたセンサ光路穴１２ａを通過して、チューブ１内の溶液の有無を検出する。複数の受光素子１６ｂから出力される信号は溶液が無い場合には、発光素子１６ａから出た光はチューブ１の表面で反射し、受光部に戻り、受光素子１６ｂの信号はオンの状態となる。
溶液が有る場合、チューブ１と溶液でレンズ効果となり、光が散乱し、発光素子１６ａから出た光はチューブ１の表面で散乱され、受光部に戻ってこず受光素子１６ｂの信号はオフとなる。
なお、センサ光路穴１２ａは図３のように個々のセンサに対して１個づづの穴を有していなくても、全ての光学センサーをカバーするような１つの長穴であっても良い。
光学センサ１６ａ，１６ｂの信号はチューブがセットされない場合と液がある場合にはオフとなり、液がなくなるにつれて、上方から信号がオンする。フィルタ位置に対応したセンサからの信号がオンした時に、回転停止することで、所望の結果を得ることができる。また、詳細は示していないが、必要に応じて検出レベルを変更することで一定の位置まで遠心が進んだことを判断し停止することも可能である。
光学センサをラインセンサとすることでも、同様の結果を得ることができる。
なお、どのチューブが遠心完了したかを自動的に判別できるようにしている。
【００３４】
図１において、遠心制御装置３４は、主制御装置３２から速度指令及び停止指令を受け、ロータ１２の回転及び停止を制御する。また、この遠心制御装置３４は、基準位置検出センサ１４ａと容器位置検出センサ１４ｂの出力信号から、ロータ１２の回転中に各筒状容器１の位置を検出し、この検出と同期して、液面検出装置１６により各筒状容器１内の液面検出を行なうようになっている。
また遠心制御装置３４は、基準位置検出センサ１４ａと容器位置検出センサ１４ｂの出力信号を基に、ロータ１２の制動を制御して、ロータ１２内の所定の筒状容器１が所定の注入位置（この図で右端）に位置するようにロータ１２を停止させるようになっている。
【００３５】
上述した本発明の構成によれば、ロータ１２の回転中に筒状容器１内の溶液の液面３を検出する液面検出装置１６を備え、各液面位置３に対し、溶液が無い場合には、光はチューブ１の表面で反射し、受光部に戻り、受光素子１６ｂの信号はオンの状態となり、溶液が有る場合、チューブ１と溶液でレンズ効果となり、光が散乱し、受光素子１６ｂの信号はオフとなるので、タンパク質溶液のような実質的に透明又は透明に近い溶液を対象とすることができる。
また、ロータ１２の回転中に各筒状容器１の位置を検出する位置検出センサ１４を備え、位置検出センサ１４による各筒状容器１１の検出と同期して、各筒状容器内の液面検出を行なうので、複数の異なる溶液の液面位置を高速回転中に高い精度で検出することができる。
【００３６】
図１において、分注ユニット２０は、ロータ１２の上部に位置し、筒状容器１内に所定の溶液又は緩衝液を注入する機能を有する。この分注ユニット２０は、複数の分注シリンジ２１、注圧調整装置２２、水平移動装置２４、及び昇降装置２６を備える。
【００３７】
複数の分注シリンジ２１は、上部が閉じ、下端部が細く下方に伸び、下端が開口した中空円筒形の容器であり、所定の溶液又は緩衝液を内部に予め収容する。上部は開閉可能であり、この開口から溶液又は緩衝液を充填できるようになっているのがよい。
注圧調整装置２２は、各分注シリンジ２１の液面上に例えば細長いチューブを介して連通するガス吸引供給装置であり、各分注シリンジ２１内の液面上の気体（不活性ガス、空気）をわずかに減圧して内部の液の滴下を防止し、かつその気体圧を調整して、所定量の液を随時滴下できるようになっている。
水平移動装置２４は、例えば円形リングに沿って、複数の分注シリンジ２１を水平に間隔を隔てて保持し、円形リングを鉛直軸を中心に回転させて、順次所定の注入位置（この図で右から４番目）に分注シリンジ２１を間隔を保ちつつ水平に移動させるようになっている。
なお、本発明において、「水平に移動」とは、分注シリンジ２１の高さを水平に維持して移動することを意味し、水平である限り、円運動でも直線運動でもその他の移動であってもよい。
昇降装置２６は、所定の注入位置（右から４番目）に位置する分注シリンジ２１を下降させて、注入位置に位置する所定の筒状容器１内に分注シリンジ１２の下端部を挿入する。
【００３８】
分注制御装置３６は、 主制御装置３２から速度指令及び停止指令を受け、注圧調整装置２２、水平移動装置２４、及び昇降装置２６を制御し、筒状容器１内に所定の溶液又は緩衝液を注入する。
【００３９】
図４は、本発明の溶液遠心濃縮方法を示すフローチャートである。この図において、チューブ装填Ｓ１、スタートＳ２、チューブ検査Ｓ３、チューブ回収Ｓ４の各ステップは手動操作であり、ロータ１２に複数の筒状容器１を装着し（Ｓ１）、スタート釦を押す（Ｓ２）ことにより、この装置は自動運転を開始し、遠心濃縮が完了した時点で装置が自動的に停止し、チューブを回収して（Ｓ４）、一連の濃縮作業が完了する。
【００４０】
本発明の方法では、図２に示した筒状容器１（「チューブ」と呼ぶ）を使用する。この筒状容器１（チューブ）は、上部容器１ａにろ過前の溶液、下部容器１ｂにろ過後のろ液を収容し、その間にフィルタ２が装着された透明な容器である。
【００４１】
本発明のスタートＳ２の後の自動運転は、主としてロータ位置決めステップＳ１０、溶液注入ステップＳ２０、遠心濃縮ステップＳ３０、液面検出ステップＳ４０、ロータ停止ステップＳ５０の各ステップからなる。
【００４２】
ロータ位置決めステップＳ１０では、複数の筒状容器１を装着したロータ１２を、ロータ内の所定の筒状容器１が所定の注入位置（図１で右端）に位置するようにロータを回転させ停止する。
溶液注入ステップＳ２０では、所定の溶液を内部に収容した中空円筒形の分注シリンジ２１から筒状容器１内に溶液を注入する。
【００４３】
遠心濃縮ステップＳ３０では、ロータ１２を所定の速度（例えば高速：６２００ｒｐｍ）で回転させ、遠心力で溶液をフィルタ２によりろ過する。
液面検出ステップＳ４０では、ロータ１２の回転中に各筒状容器１の位置を検出し、この検出と同期して、各筒状容器１内の溶液の液面３（例えば最低液面＋α）を検出する。このαは、ロータを減速し停止するまでに濃縮される量を予め設定するのがよい。
ロータ停止ステップＳ５０では、液面３が所定位置（例えば最低液面＋α）に達したときに、ロータを減速し停止する。
【００４４】
上述した方法により、 スタートＳ２の後は、ロータ位置決め、溶液注入、遠心濃縮、液面検出、ロータ停止の各ステップを順次自動でできるので、複数の溶液を少量ずつ同時に、かつ短時間に濃縮できる。
複数の溶液は、できるだけろ過条件が同一であるものを同時に濃縮するのが好ましい。
また、複数の溶液のろ過速度が異なる場合、すべての筒状容器１がろ過される（すべての条件を満たす）まで、ロータ１２を回転するのが好ましい。しかしこの逆に、いずれか１つの筒状容器１がろ過された時に停止してもよい。
【００４５】
また本発明では、液面検出ステップＳ４０において、予め複数の液面位置３（例えば、最高液面から最低液面まで５段階）を設定し、各液面位置３に対し、図３（Ｂ）に示すように、溶液が無い場合には、光が筒状容器の表面で反射して受光素子に戻って受光素子がオンの状態となり、溶液が有る場合には、筒状容器と溶液でレンズ効果となり、光が散乱して受光素子がオフとなる。
この方法により、筒状容器の表面で反射した光の有無によりそれぞれ所定位置の溶液の有無を検出することができる。
【００４６】
また図４において、溶液注入ステップＳ２０と遠心濃縮ステップＳ３０の間に、中速回転ステップＳ２１、液面検出ステップＳ２２を有し、中速回転ステップＳ２１で所定の中速（例えば３０００ｒｐｍ）でロータ１２を回転させ、その際の液面変化を液面検出ステップＳ２２で検出し、予め定めた液面範囲にあるときは、そのまま遠心濃縮ステップＳ３０に移行し、液面変化がない、或いは速すぎる等の異常がある場合には、ロータ停止ステップＳ２３で回転を自動的に停止し、チューブを手動で取り出して検査する（Ｓ３）ようになっている。
【００４７】
また予め再注入の有無を設定することにより、再注入有りの場合、ステップＳ４１でロータ位置決めステップＳ１０に戻り、溶液注入ステップＳ２０、遠心濃縮ステップＳ３０、及び液面検出ステップＳ４０を設定回数繰り返す。
【００４８】
さらに、予め緩衝液の有無を設定することにより、緩衝液有りの場合、ステップＳ４２でステップＳ４３に移行し、ここでロータの位置決めを行い（Ｓ４３）、緩衝液注入ステップＳ４４で、所定の緩衝液を内部に収容した中空円筒形の緩衝液シリンジ２１から筒状容器１内に緩衝液を注入する。
さらに、緩衝液透過ステップＳ４５でロータを所定の速度（例えば高速：６２００ｒｐｍ）で回転させ、遠心力で緩衝液をフィルタを透過させる。
次いで、液面検出ステップＳ４６で、ロータ１２の回転中に各筒状容器１の位置を検出し、この検出と同期して、各筒状容器１内の溶液の液面３（例えば最低液面＋α）を検出し、ステップＳ４７に移行する。
【００４９】
ステップＳ４７はならし運転であり、ロータを所定の低速（例えば１０００ｒｐｍ）で回転させ、遠心力でフィルタ上の濃縮液を均一に分散させる。
次いで、液面検出ステップＳ４８で、ロータ１２の回転中に各筒状容器１の位置を検出し、この検出と同期して、各筒状容器１内の溶液の液面３（例えば最低液面）を検出し、ロータ停止ステップＳ５０でロータを減速し停止する。
【００５０】
上述したように、本発明の方法では、ロータ位置決め、溶液注入、遠心濃縮、液面検出、ロータ停止の各ステップを順次自動でできるので、複数の異なる溶液を少量ずつ同時に遠心力により短時間に濃縮できる。
また、再注入の有無及び緩衝液の有無を予め設定することにより、溶液の再注入や緩衝液の注入を自動でできるので、溶液の再注入や緩衝液の注入を短時間に確実に行うことができる。
【００５１】
以下、本発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【００５２】
図５は、本発明による遠心ユニット１０の遠心加速度と検知液量の関係図である。この図において、横軸は遠心加速度、縦軸は検知液量である。また図中の○は純水の場合、□はタンパク質溶液の一例として使用した塩化リゾチームの場合である。
この図は、チューブ８本を同時に１０回試験し、その平均を示したものである。また、回転中の純水と塩化リゾチームの検知液量は、それぞれ０．３９ｇ、０．３７ｇであった。
【００５３】
この結果、全てのチューブで、液面検知がミスなく正常に行われた。また、チューブ８本の検出誤差はほとんどなく、ほぼ同一の値を示した。
なお、この図で、遠心加速度が高いほど、検知液量が少なくなっているが、これは液面検知後、回転停止までに濃縮が進行するためである。従って、この特性を考慮して、検出液面を設定することが望ましい。
【００５４】
図６は、本発明による遠心時間と残り液量の関係図である。この図において、横軸は遠心時間、縦軸は残り液量である。なおこの試験は遠心加速度を一定（５０００Ｇ）に設定して行った。
この図から、定格容量が２ｍｌのチューブを用い、最少液量を０．４ｍｌとする場合、塩化リゾチームでは約１０分間で濃縮が完了することがわかる。
また、この結果から、本発明の装置及び方法により、各筒状容器の検出と同期して、各筒状容器内の液面検出を行なうことにより、複数の異なる溶液の液面位置を高速回転中に高い精度で検出することにより、無駄な時間を減らし、短時間に確実に濃縮できることがわかる。
【００５５】
なお、本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の溶液遠心濃縮装置の全体構成図である。
【図２】本発明を構成するチューブ（筒状容器）と分注シリンジの模式図である。
【図３】本発明による液面検出の原理図である。
【図４】本発明の溶液遠心濃縮方法を示すフローチャートである。
【図５】本発明による遠心加速度と検知液量の関係図である。
【図６】本発明による遠心時間と残り液量の関係図である。
【図７】特許文献２の界面検出手段の模式図である。
【図８】特許文献３の界面検出手段の模式図である。
【図９】特許文献４の溶液濃縮装置の模式図である。
【符号の説明】
【００５７】
１ 筒状容器（チューブ）、１ａ 上部容器、１ｂ 下部容器、
２ フィルタ、３ 液面、
１０ 遠心ユニット、１２ ロータ、１２ａ 開口孔、１３ 高速モータ、
１４ 位置検出センサ、１４ａ 基準位置検出センサ、１４ｂ 容器位置検出センサ、
１６ 液面検出装置、１６ａ 発光素子（光学センサ）、
１６ｂ 受光素子（光学センサ）、
２０ 分注ユニット、２１ 分注シリンジ、２２ 注圧調整装置、
２４ 水平移動装置、２６ 昇降装置、
３０ 制御ユニット、３２ 主制御装置、３２ａ 入力装置、３２ｂ 表示装置、
３２ｃ 記憶装置、３２ｄ 演算装置、３４ 遠心制御装置、３６ 分注制御装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上部容器と下部容器が着脱可能に連結されその間にフィルタが装着された透明な複数の筒状容器を鉛直回転軸に対し対称に装着可能であり、前記鉛直回転軸を中心に高速回転可能なロータと、
ロータの回転中に各筒状容器の位置を検出する位置検出センサと、
ロータの回転中に各筒状容器内の溶液の液面を検出する液面検出装置と、
ロータの回転及び停止を制御する遠心制御装置とを備え、
前記液面検出装置は、複数対の発光素子と受光素子を有し、各対の発光素子と受光素子は、それぞれ所定位置の液面に対し、溶液が無い場合には、光が筒状容器の表面で反射して受光素子に戻って受光素子がオンの状態となり、溶液が有る場合には、筒状容器と溶液でレンズ効果となり、光が散乱して受光素子がオフとなる、ことを特徴とする溶液遠心濃縮装置。
【請求項２】
前記液面検出装置は、位置検出センサによる各筒状容器の検出と同期して、各筒状容器内の液面検出を行なう、ことを特徴とする請求項１に記載の溶液遠心濃縮装置。
【請求項３】
前記ロータは、前記複数対の発光素子と受光素子の検出位置において、各対の発光素子からの光をそれぞれ所定位置の筒状容器の表面に導き、かつそれぞれ所定位置の筒状容器の表面から反射した光を各対の受光素子のみに導く複数対の開口孔を有する、ことを特徴とする請求項２に記載の溶液遠心濃縮装置。
【請求項４】
前記ロータの上部に位置し、前記筒状容器内に所定の溶液又は緩衝液を注入する分注ユニットを備え、
前記遠心制御装置は、ロータ内の所定の筒状容器が所定の注入位置に位置するようにロータを停止させる、ことを特徴とする請求項１に記載の溶液遠心濃縮装置。
【請求項５】
前記分注ユニットは、所定の溶液又は緩衝液を内部に収容し、上部が閉じ下端部が細く下方に伸び、下端が開口した中空円筒形の複数の分注シリンジと、
該各分注シリンジの液面上に連通し、液面上の気体圧を調整可能な注圧調整装置と、
複数の分注シリンジを水平に間隔を隔てて保持し、順次所定の注入位置に間隔を保ちつつ水平に移動させる水平移動装置と、
所定の注入位置に位置する分注シリンジを下降させて、注入位置に位置する筒状容器内に分注シリンジの下端部を挿入する昇降装置と、
前記注圧調整装置、水平移動装置、及び昇降装置を制御する分注制御装置とを備える、ことを特徴とする請求項４に記載の溶液遠心濃縮装置。
【請求項６】
上部容器と下部容器が着脱可能に連結されその間にフィルタが装着された透明な筒状容器を使用し、
複数の前記筒状容器を装着したロータを、ロータ内の所定の筒状容器が所定の注入位置に位置するようにロータを回転させるロータ位置決めステップと、
所定の溶液を内部に収容した中空円筒形の分注シリンジから前記筒状容器内に溶液を注入する溶液注入ステップと、
ロータを所定の速度で回転させ遠心力で溶液をフィルタによりろ過する遠心濃縮ステップと、
ロータの回転中に各筒状容器の位置を検出し、この検出と同期して、各筒状容器内の溶液の液面を検出する液面検出ステップと、
液面が所定位置に達したときに、ロータを減速し停止するロータ停止ステップと、を有することを特徴とする溶液遠心濃縮方法。
【請求項７】
前記液面検出ステップにおいて、予め複数の液面位置を設定し、
各液面位置に対し、溶液が無い場合には、光が筒状容器の表面で反射して受光素子に戻って受光素子がオンの状態となり、溶液が有る場合には、筒状容器と溶液でレンズ効果となり、光が散乱して受光素子がオフとなる、ことを特徴とする請求項６に記載の溶液遠心濃縮方法。
【請求項８】
予め再注入の有無を設定し、再注入有りの場合、前記ロータ位置決めステップ、溶液注入ステップ、遠心濃縮ステップ、及び液面検出ステップを設定回数繰り返す、ことを特徴とする請求項６に記載の溶液遠心濃縮方法。
【請求項９】
予め緩衝液の有無を設定し、緩衝液有りの場合、所定の緩衝液を内部に収容した中空円筒形の緩衝液シリンジから前記筒状容器内に緩衝液を注入する緩衝液注入ステップと、
ロータを所定の速度で回転させ遠心力で緩衝液をフィルタを透過させる緩衝液透過ステップとを設定回数繰り返す、ことを特徴とする請求項６に記載の溶液遠心濃縮方法。
【請求項１】
上部容器と下部容器が着脱可能に連結されその間にフィルタが装着された透明な複数の筒状容器を鉛直回転軸に対し対称に装着可能であり、前記鉛直回転軸を中心に高速回転可能なロータと、
ロータの回転中に各筒状容器の位置を検出する位置検出センサと、
ロータの回転中に各筒状容器内の溶液の液面を検出する液面検出装置と、
ロータの回転及び停止を制御する遠心制御装置とを備え、
前記液面検出装置は、複数対の発光素子と受光素子を有し、各対の発光素子と受光素子は、それぞれ所定位置の液面に対し、溶液が無い場合には、光が筒状容器の表面で反射して受光素子に戻って受光素子がオンの状態となり、溶液が有る場合には、筒状容器と溶液でレンズ効果となり、光が散乱して受光素子がオフとなる、ことを特徴とする溶液遠心濃縮装置。
【請求項２】
前記液面検出装置は、位置検出センサによる各筒状容器の検出と同期して、各筒状容器内の液面検出を行なう、ことを特徴とする請求項１に記載の溶液遠心濃縮装置。
【請求項３】
前記ロータは、前記複数対の発光素子と受光素子の検出位置において、各対の発光素子からの光をそれぞれ所定位置の筒状容器の表面に導き、かつそれぞれ所定位置の筒状容器の表面から反射した光を各対の受光素子のみに導く複数対の開口孔を有する、ことを特徴とする請求項２に記載の溶液遠心濃縮装置。
【請求項４】
前記ロータの上部に位置し、前記筒状容器内に所定の溶液又は緩衝液を注入する分注ユニットを備え、
前記遠心制御装置は、ロータ内の所定の筒状容器が所定の注入位置に位置するようにロータを停止させる、ことを特徴とする請求項１に記載の溶液遠心濃縮装置。
【請求項５】
前記分注ユニットは、所定の溶液又は緩衝液を内部に収容し、上部が閉じ下端部が細く下方に伸び、下端が開口した中空円筒形の複数の分注シリンジと、
該各分注シリンジの液面上に連通し、液面上の気体圧を調整可能な注圧調整装置と、
複数の分注シリンジを水平に間隔を隔てて保持し、順次所定の注入位置に間隔を保ちつつ水平に移動させる水平移動装置と、
所定の注入位置に位置する分注シリンジを下降させて、注入位置に位置する筒状容器内に分注シリンジの下端部を挿入する昇降装置と、
前記注圧調整装置、水平移動装置、及び昇降装置を制御する分注制御装置とを備える、ことを特徴とする請求項４に記載の溶液遠心濃縮装置。
【請求項６】
上部容器と下部容器が着脱可能に連結されその間にフィルタが装着された透明な筒状容器を使用し、
複数の前記筒状容器を装着したロータを、ロータ内の所定の筒状容器が所定の注入位置に位置するようにロータを回転させるロータ位置決めステップと、
所定の溶液を内部に収容した中空円筒形の分注シリンジから前記筒状容器内に溶液を注入する溶液注入ステップと、
ロータを所定の速度で回転させ遠心力で溶液をフィルタによりろ過する遠心濃縮ステップと、
ロータの回転中に各筒状容器の位置を検出し、この検出と同期して、各筒状容器内の溶液の液面を検出する液面検出ステップと、
液面が所定位置に達したときに、ロータを減速し停止するロータ停止ステップと、を有することを特徴とする溶液遠心濃縮方法。
【請求項７】
前記液面検出ステップにおいて、予め複数の液面位置を設定し、
各液面位置に対し、溶液が無い場合には、光が筒状容器の表面で反射して受光素子に戻って受光素子がオンの状態となり、溶液が有る場合には、筒状容器と溶液でレンズ効果となり、光が散乱して受光素子がオフとなる、ことを特徴とする請求項６に記載の溶液遠心濃縮方法。
【請求項８】
予め再注入の有無を設定し、再注入有りの場合、前記ロータ位置決めステップ、溶液注入ステップ、遠心濃縮ステップ、及び液面検出ステップを設定回数繰り返す、ことを特徴とする請求項６に記載の溶液遠心濃縮方法。
【請求項９】
予め緩衝液の有無を設定し、緩衝液有りの場合、所定の緩衝液を内部に収容した中空円筒形の緩衝液シリンジから前記筒状容器内に緩衝液を注入する緩衝液注入ステップと、
ロータを所定の速度で回転させ遠心力で緩衝液をフィルタを透過させる緩衝液透過ステップとを設定回数繰り返す、ことを特徴とする請求項６に記載の溶液遠心濃縮方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００７−７５９５（Ｐ２００７−７５９５Ａ）
【公開日】平成１９年１月１８日（２００７．１．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１９３５６０（Ｐ２００５−１９３５６０）
【出願日】平成１７年７月１日（２００５．７．１）
【出願人】（５０３３５９８２１）独立行政法人理化学研究所 (1,056)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１月１８日（２００７．１．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年７月１日（２００５．７．１）
【出願人】（５０３３５９８２１）独立行政法人理化学研究所 (1,056)
【Ｆターム（参考）】
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