JP4547176B2 - 試料温度調節装置 - Google Patents

Description

本発明は、観察試料の温度を調節する試料温度調節装置に関する。

一般に、顕微鏡を使用した試料観察は、顕微鏡ステージ上に載置された試料に対して対物レンズを接近させ、試料上の観察要部を拡大することによって行なう。この場合、試料に近接される対物レンズは、倍率が高くなるほど焦点深度が小さくなるため、対物レンズと観察試料との位置合わせが難しくなるとともに、対物レンズと試料の間の微小な距離の変化に対しても観察像が大きくぼけてしまう。また、対物レンズと観察試料との見かけ上の位置は、非常に近接しているが、これらの機械的結合の長さは、顕微鏡フレーム、対物レンズ移動機構、レボルバーなどの多数の機械部品が介在するため非常に大きい。さらに、これらの機械部品は、温度変化によってその寸法を変えやすい。このため、試料観察時に、観察試料に対して対物レンズの焦点合わせを行なっても、例えば、照明のオンオフ、内部電源や空調設備の作動によって、周囲温度が変化して各機械部品の寸法が変化すると、対物レンズと試料の間の距離が変化するため焦点が簡単にずれてしまう。

この不具合を解決するため、特開２００１−３０５４３２号公報は、対物レンズと試料台の間の距離を変位センサーで検出し、この距離を一定に保つ装置を開示している。

一方、最近では、顕微鏡による生体試料観察が広くなされており、生体試料を顕微鏡上で長時間生かしつづける必要がある。このため、例えば、特開２００３−５０３５８号公報は、生体試料を一定の温度に保温する装置を開示している。
特開２００１−３０５４３２号公報 特開２００３−５０３５８号公報

生体試料を顕微鏡上で長時間生かしつづけながら安定して良好に観察する装置として、特開２００３−５０３５８号公報の装置と特開２００１−３０５４３２号公報の装置とを組み合わせた構成が考えられる。

特開２００３−５０３５８号公報に開示されている装置では、試料載置台は二枚の薄い板を積層して構成されている。このため、試料が載置された薄板の上面の変位と対物レンズ側の薄板下面の変位とは必ずしも一致しない。

従って、特開２００３−５０３５８号公報の装置と特開２００１−３０５４３２号公報の装置とを組み合わせた構成では、例えば、ヒーター温度やエアコンなどによる周囲温度変化、観察試料への培養液追加による重量変化などによって、光軸方向に薄板がたわんだ際に、観察試料の正確な変位測定ができない。その結果、観察試料の像ボケが発生してしまう。

本発明は、このような実情を考慮して成されたものであり、周囲温度変化に起因する像ボケの発生がほとんどなく観察試料を長時間安定に観察することを可能にする試料温度調節装置を提供することである。

本発明は、観察試料の温度を調節する試料温度調節装置であり、観察試料が載せられる試料台であって、観察試料が載せられる部分を取り囲んでいるリング状の溝を有している試料台と、試料台に取り付けられた温度調節素子であって、試料台の溝の中に配置されている温度調節素子とを備えている。

本発明の試料温度調節装置によれば、生体試料を顕微鏡上で長時間生かしつづけながら安定して良好に観察することが可能になる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

第一実施形態
本実施形態は、観察試料の温度を調節する試料温度調節装置を備えた倒立型の顕微鏡装置に向けられている。図１は、本発明の第一実施形態の顕微鏡装置を概略的に示している。

図１に示されるように、本実施形態の試料温度調節装置は、観察試料１６２を入れた培養容器１５０の使用に対応しており、観察試料１６２を入れた培養容器１５０が載せられる試料台１００と、試料台１００に取り付けられた温度調節素子１０３とを備えている。試料台１００は、観察試料１６２を入れた培養容器１５０が載せられる部分を取り囲んでいる溝１０２を有している。温度調節素子１０３は、試料台１００の溝１０２の中に配置されている。

溝１０２は、好ましくは、培養容器１５０が載せられる部分を連続的に取り囲んでいるとよい。さらに好ましくは、溝１０２は、培養容器１５０が載せられる部分を対称性良く取り囲んでいるとよい。このため、例えば、溝１０２はリング状の溝であるとよい。

試料台１００は、好ましくは、円板状の比較的厚い一枚の板で構成される。試料台１００は、好ましくは、導電性で熱膨張率の低い材料、例えばインバーで構成される。

例えば、温度調節素子１０３は、加熱を行なえる素子、例えばヒーターで構成される。または、温度調節素子１０３は、加熱と冷却を行なえる素子、例えばペルチェ素子で構成されてもよい。

温度調節素子１０３は、リング状の一つの素子で構成されてもよいが、試料台１００の溝１０２の中に同心円上に好ましくは対称性良く配置された複数の素子で構成されてもよい。

温度調節素子１０３は、カバー１０４で覆われている。カバー１０４は、好ましくは、断熱性が高い材料、例えば樹脂で構成される。

試料温度調節装置は、さらに、試料台１００の温度を計測する温度センサー１１１と、温度センサー１１１で計測される温度に基づいて温度調節素子１０３を制御する温度コントローラー１１２とを備えている。

温度センサー１１１は、温度調節素子１０３に接して配置され、カバー１０４で覆われている。温度センサー１１１の配置形態は、これに限定されない。温度センサー１１１は、試料台１００の中央部の近く、すなわち、培養容器１５０が載置される部分の近くに配置されてもよい。

温度コントローラー１１２は、例えば、試料台１００の温度が一定に保たれるように、言い換えれば、温度センサー１１１の出力を一定に保つように、温度調節素子１０３を制御する。あるいは、試料台１００の温度が一定の温度サイクルで変化するように、温度調節素子１０３を制御する。

試料台１００は、中央部に開口１０１を有し、顕微鏡用ステージ１２１によって支持される。開口１０１は、下方からの観察試料１６２の光学的観察を可能にする。

観察試料１６２は、培養容器１５０の中に入れられた培養液１６１の中で培養されている。培養容器１５０は容器本体１５１の底部の中央に開口を有し、その開口は底部の下面に固定されたガラス板１５４によってふさがれている。また、容器本体１５１は、ガラス板１５４の底面よりも下方に突出している足１５２を有している。足１５２は例えばリング状の突起で構成されるが、特にこれに限定されるものではなく、同心円上に配置された複数の突起で構成されてもよい。

試料台１００は、さらに、培養容器１５０の足１５２が収まる凹部１０５を有している。凹部１０５は、その中に培養容器１５０の足１５２が収められたとき、培養容器１５０のガラス板１５４の底面が試料台１００と接触することを可能にする。凹部１０５は、例えばリング状の溝で構成されるが、これに限定されるものではなく、培養容器１５０の足１５２が収まる形態であればよい。

試料台１００と培養容器１５０のガラス板１５４との接触をさらに安定化させるために、好ましくは、試料台１００に載せられた培養容器１５０の上におもり１５５が載せられる。

観察試料１６２は、容器本体１５１の底部の中央に開口内に位置し、ガラス板１５４を介して下方から光学的に観察される。

顕微鏡装置は、観察試料１６２を光学的に観察するための対物レンズ１２２を備えている。対物レンズ１２２は、試料台１００の開口１０１の下方に位置し、図示しない観察光学系と共働して、試料台１００の開口１０１を通して、観察試料１６２を下方から光学的に観察する。

対物レンズ１２２はセンサー支持部材１２３を介して変位センサー１２４を支持している。変位センサー１２４と試料台１００は共働して静電容量型センサーを構成している。変位センサー１２４と試料台１００は共にセンサーアンプ１２５に接続されており、センサーアンプ１２５は変位センサー１２４から試料台１００の下面までの距離を反映した信号を出力する。対物レンズ１２２は、好ましくは、センサーアンプ１２５の出力に基づいて、光軸に沿った位置が制御される。例えば、対物レンズ１２２は、変位センサー１２４から試料台１００の下面までの距離を一定に保つように、光軸に沿って移動される。

次に本実施形態の顕微鏡装置の動作について説明する。以下では、温度調節素子１０３がヒーターである例をあげて説明する。

温度コントローラー１１２の電源を入れると、ヒーター１０３が発熱し、試料台１００の温度が上昇する。ヒーター１０３はカバー１０４で覆われているので、ヒーター１０３が発熱している間、培養液がヒーター１０３にかかったり、作業者の手がじかにヒーター１０３に触れたりする心配はない。また、カバー１０４は断熱性が高いため、試料台１００は効率よく暖められる。

ヒーター１０３の温度は温度センサー１１１によって検出され、温度コントローラー１１２にフィードバックされる。温度コントローラー１１２は、この信号を基づいてヒーター１０３への電流を調整し、試料台１００が所望の温度となるように調整する。

試料台１００の温度が上昇すると、試料台１００は熱によって変形する。図４は、試料台１００の熱による変形を模式的に示している。試料台１００は、一枚の板で構成されているとともに、培養容器１５０が載せられる部分を取り囲むリング状の溝１０２を有しているため、図４に示されるように、培養容器１５０が載せられる部分は、試料台１００の変形に伴って、光軸に沿って平行に移動する。また、試料台１００の上面と下面の変位は等しい。

培養容器１５０が載せられる部分は、変位センサー１２４と対向する部分、言い換えれば、変位センサー１２４のターゲットとなる部分を含んでいる。従って、変位センサー１２４のターゲットであるセンサー位置の光軸に沿った変位は、光軸上に位置する観察位置の光軸に沿った変位と等しい。その結果、変位センサー１２４によって検出される光軸に沿った変位は、観察位置の光軸に沿った変位を忠実に反映している。

従って、変位センサー１２４の出力信号が一定となるように対物レンズ１２２を光軸に沿って移動させることによって、観察試料１６２と対物レンズ１２２との位置関係が一定に保たれる。その結果、像ボケの発生が良好に防止される。また、試料台１００は熱膨張率の低い材料で作られているため、温度変化による熱変形は非常に小さい。これも、像ボケの発生防止に貢献している。

図５は、本実施形態の比較例として、培養容器１５０が載せられる部分を取り囲むリング状の溝を持たない試料台の熱による変形を模式的に示している。このような試料台では、図５に示されるように、中央に近い部分ほど光軸に沿って大きく変位する。つまり、光軸に沿った変位が光軸からの距離に依存して異なってしまう。その結果、センサー位置での光軸に沿った変位は、光軸上に位置する観察位置での光軸に沿った変位と異なってしまう。

このため、センサー位置で検出される変位を一定に保つように対物レンズを光軸に沿って移動させても、観察試料と対物レンズとの位置関係が一定に保たれず、その結果、像ボケが発生してしまう。

これに対して、本実施形態では、前述したように、観察位置での変位とセンサー位置での変位が等しいため、観察試料１６２と対物レンズ１２２との位置関係を一定に保つことができる。これによって、像ボケの発生を防止できる。

試料台１００の加熱に伴って、試料台１００と培養容器１５０の接触部を介して、試料台１００から培養容器１５０へ熱が伝わって、観察試料１６２が暖められる。本実施形態では、培養容器１５０は、足１５２に加えて、ガラス板１５４も試料台１００と接触している。つまり、培養容器１５０と試料台１００の接触面積が比較的大きい。このため、観察試料１６２は効率良く暖められる。

さらに、培養容器１５０に載せられたおもり１５５は、ガラス板１５４と試料台１００との接触圧力を高めて、接触熱抵抗を小さくする。その結果、試料台１００からガラス板１５４へ熱がさらに伝わりやすくなる。このため、観察試料１６２の保温効率が向上する。

本発明者らが行なった実験によれば、周囲環境温度とヒーター設定温度が同一の条件下において、培養容器１５０におもり１５５を載せることによって、培養液温度は３７℃から３８℃に上昇した。

図６は、本実施形態の比較例として、培養容器１５０の足１５２が収まる溝を持たない試料台を示している。このような試料台では、図６に示されるように、培養容器１５０は、足１５２の底面だけで試料台５００と接触する。つまり、培養容器１５０と試料台５００の接触面積が比較的小さい。従って、試料台５００から培養容器１５０への熱の伝達効率は低い。

これに対して、本実施形態では、前述したように、培養容器１５０と試料台１００の接触面積が大きいため、観察試料１６２を効率良く暖めることができる。なお、ここでは、温度調節素子１０３がヒーターである例をあげために加熱について述べているが、冷却についても同様のことがいえる。

培養容器１５０の中の培養液１６１は蒸発するため、途中で液を追加する場合がある。試料台１００は、比較的厚い板で構成されているため、比較的高い剛性を有している。このため、培養液１６１の蒸発や追加に伴う重さの変化に対して、試料台１００が変形することはほとんどない。

第二実施形態
本実施形態は、温度センサーの配置位置の変形に向けられている。図２は、本発明の第二実施形態の顕微鏡装置を概略的に示している。図２において、図１に示された部材と同一の参照符号で指示された部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。

図２に示されるように、本実施形態の試料温度調節装置は、第一実施形態の温度センサー１１１と温度コントローラー１１２とに代えて、観察試料１６２の温度を計測する温度センサー２１１と、温度センサー２１１で計測される温度に基づいて温度調節素子１０３を制御する温度コントローラー２１２とを備えている。

温度センサー２１１は、培養容器１５０の中に配置されており、培養液１６１に浸っている。温度コントローラー２１２は、例えば、培養液１６１の温度が一定に保たれるように、言い換えれば、温度センサー２１１の出力を一定に保つように、温度調節素子１０３を制御する。あるいは、培養液１６１の温度が一定の温度サイクルで変化するように、温度調節素子１０３を制御する。

温度センサー２１１と温度コントローラー２１２のほかの構成は、第一実施形態と同じである。

本実施形態は、第一実施形態と同じ利点を有している。特に、本実施形態では、培養液１６１の中に配置された温度センサー２１１で計測される温度に基づいて温度制御を行なうので、観察試料１６２の温度をさらに精度良く制御することが可能である。

第三実施形態
本実施形態は、観察試料の温度を調節する試料温度調節装置を備えた正立型の顕微鏡装置に向けられている。図３は、本発明の第三実施形態の顕微鏡装置を概略的に示している。図２において、図１に示された部材と同一の参照符号で指示された部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。

図３に示されるように、本実施形態の試料温度調節装置は、第一実施形態の試料台１００に代えて、試料台３００を備えている。試料台３００は、観察試料１６２を入れた培養容器１５０が載せられる部分を取り囲んでいるリング状の溝３０２を有している。試料台３００の溝３０２の中に温度調節素子１０３が配置されている。温度調節素子１０３は、カバー１０４で覆われている。

試料台３００は、試料台１００と同様に、好ましくは、円板状の比較的厚い一枚の板で構成される。試料台３００は、好ましくは、導電性で熱膨張率の低い材料、例えばインバーで構成される。試料台３００は、中央部に開口３０１を有し、顕微鏡用ステージ１２１によって支持される。開口３０１は、例えば、その下方から観察試料１６２を照明することを可能にする。

試料台３００は、さらに、培養容器１５０の足１５２が収まる凹部３０５を有している。凹部３０５は、その中に培養容器１５０の足１５２が収められたとき、培養容器１５０のガラス板１５４の底面が試料台３００と接触することを可能にする。凹部３０５は、例えばリング状の溝で構成されるが、これに限定されるものではなく、培養容器１５０の足１５２が収まる形態であればよい。

本実施形態では、温度調節素子１０３が配置されるリング状の溝３０２は試料台３００の下面に設けられ、培養容器１５０の足１５２が収まる凹部１０５は、試料台３００の上面に設けられている。

顕微鏡装置は、観察試料１６２を光学的に観察するための対物レンズ３２２を備えている。対物レンズ３２２は、試料台３００の開口３０１の上方に位置し、図示しない観察光学系と共働して、観察試料１６２を上方から光学的に観察する。

対物レンズ３２２はセンサー支持部材３２３を介して変位センサー３２４を支持している。変位センサー３２４と試料台３００は共働して静電容量型センサーを構成している。変位センサー３２４と試料台３００は共にセンサーアンプ３２５に接続されており、センサーアンプ３２５は変位センサー３２４から試料台３００の上面までの距離を反映した信号を出力する。対物レンズ３２２は、好ましくは、センサーアンプ３２５の出力に基づいて、光軸に沿った位置が制御される。例えば、対物レンズ３２２は、変位センサー３２４から試料台３００の上面までの距離を一定に保つように、光軸に沿って移動される。

本実施形態は、正立型の顕微鏡装置であり、観察試料１６２を上方から光学的に観察する点が異なるだけであり、第一実施形態と同じ利点を有している。

これまで、図面を参照しながら本発明の実施形態を述べたが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において様々な変形や変更が施されてもよい。

例えば、試料台１００は、実施形態では導電性の材料で構成されているが、ガラスなどの絶縁性の板と、その底面に設けた導電性の膜とで構成され、導電性の膜とセンサーアンプ１２５とがケーブルなどで電気的に接続される形態であってもよい。この場合、ガラスは透明であるので、中央部に観察用の開口を設ける必要はない。

また、試料台１００には、実施形態では観察試料１６２を入れた培養容器１５０が載せられるが、観察試料１６２を載せたスライドガラスが載せられてもよい。

また、温度調節素子１０３が配置される溝１０２は、実施形態では、培養容器１５０が載せられる部分を連続的に取り囲んでいるが、培養容器１５０が載せられる部分を不連続的に取り囲んでいてもよい。すなわち、温度調節素子１０３が配置される溝１０２は、培養容器１５０が載せられる部分の周囲に設けられた複数の凹部で構成されてもよい。その場合、複数の凹部は、対称性良く配置されているとよく、例えば、同心円上に等間隔で配置されているとよい。十分に多くの凹部があれば、上述した実施形態と同じ利点が期待できる。

本発明の第一実施形態の顕微鏡装置を概略的に示している。 本発明の第二実施形態の顕微鏡装置を概略的に示している。 本発明の第三実施形態の顕微鏡装置を概略的に示している。 図１に示された試料台の熱による変形を模式的に示している。 培養容器が載せられる部分を取り囲むリング状の溝を持たない試料台の熱による変形を模式的に示している。 培養容器の足が収まる溝を持たない試料台を示している。

符号の説明

１００…試料台、１０１…開口、１０２…溝、１０３…温度調節素子、１０４…カバー、１０５…凹部、１１１…温度センサー、１１２…温度コントローラー、１２１…顕微鏡用ステージ、１２２…対物レンズ、１２３…センサー支持部材、１２４…変位センサー、１２５…センサーアンプ、１５０…培養容器、１５１…容器本体、１５２…足、１５４…ガラス板、１６１…培養液、１６２…観察試料、２１１…温度センサー、２１２…温度コントローラー、３００…試料台、３０１…開口、３０２…溝、３０５…凹部、３２２…対物レンズ、３２３…センサー支持部材、３２４…変位センサー、３２５…センサーアンプ。

Claims (7)

1. 観察試料の温度を調節する試料温度調節装置であり、
   観察試料が載せられる試料台であって、観察試料が載せられる部分を取り囲んでいる溝を有している試料台と、
   試料台に取り付けられた温度調節素子であって、試料台の溝の中に配置されている温度調節素子とを備えている、試料温度調節装置。
2. 請求項１において、試料台が一枚の板で構成されている、試料温度調節装置。
3. 請求項１において、温度調節素子がヒーターで構成されている、試料温度調節装置。
4. 請求項１において、温度調節素子は加熱と冷却を行なえる、試料温度調節装置。
5. 請求項４において、温度調節素子がペルチェ素子で構成されている、試料温度調節装置。
6. 請求項１において、観察試料と試料台の少なくとも一方の温度を計測する温度センサーと、温度センサーによって計測される温度に基づいて温度調節素子を制御する温度コントローラーとをさらに備えている、試料温度調節装置。
7. 請求項１において、観察試料を入れた容器の使用に対応しており、容器は底面から突出している足を備えており、試料台は容器の足が収まる凹部を有しており、凹部は、その中に容器の足が収められたとき、容器の底面が試料台と接触することを可能にする、試料温度調節装置。

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