JP5869937B2 - 細胞培養液の液面高さの測定方法および測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、細胞培養器に収容された細胞培養液の液面高さを測定する方法および装置に関する。

細胞培養器に所定の量の細胞培養液が分注されたかを判断する方法として、電子天秤を用いて細胞培養器の重量変化を測定する方法が知られている。また発光部と受光部からなる光センサを設け、液面が所定の高さに達したときに受光強度が変化することを利用する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−２９４５１４号公報

電子天秤は装置が大型かつ高価であり、測定する空間に生ずるわずかな気流によっても計測値が変化する。また光センサを用いる方法の場合、複数種の液面高さを検出するためには、その数の分だけ光センサを設ける必要がある。したがって測定装置の大型化や高コスト化が避けられない上に、検出できる液面の高さは離散的にならざるを得ない。

よって本発明は、測定装置の大型化や高コスト化を回避しつつ、細胞培養液の液面高さを連続的に測定可能な技術を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明がとりうる第１の態様は、細胞培養器に収容された細胞培養液の液面高さを測定する方法であって、
第１の波長を有する第１の光と第２の波長を有する第２の光を含む少なくとも２種の光を細胞培養液に照射し、
前記細胞培養液について、前記第１の光に対する第１の吸光度と前記第２の光に対する第２の吸光度を測定し、
前記第１の吸光度と前記第２の吸光度に基づいて前記細胞培養液の液面高さを特定する。

このような構成によれば、測定した複数の吸光度より吸光に係る光路長（液面高さ）が求まるので、互いに異なる波長を有する複数種の光を細胞培養液に照射するのみで、液面高さについて連続的な測定値を得ることができる。また電子天秤のように測定空間に生じた気流等により測定値が変動してしまうこともない。したがって細胞培養器に分注された細胞培養液の量を正確かつ迅速に把握することができる。

前記少なくとも２種の光は、前記細胞培養液の種類に応じて、互いに波長が異なる４種の光から選択すればよい。

前記細胞培養液は、
第１の吸収ピークを３００〜８００ｎｍの波長領域内に有する第１の物質と、
第２の吸収ピークまたはｐＨによらず吸光度が一定値に収束する第１の収束点、および第３の吸収ピークまたはｐＨによらず吸光度が一定値に収束する第２の収束点を、前記波長領域内に有する第２の物質とを含んでおり、
前記４種の光は、
前記第１の吸収ピークに対応する波長を有する光と、
前記第２の吸収ピークまたは前記第１の収束点に対応する波長を有する光と、
前記第３の吸収ピークまたは前記第２の収束点に対応する波長を有する光と、
前記第１の物質と前記第２の物質の少なくとも一方の吸光度がｐＨによらず一定値に収束する波長を有する光とを含んでおり、
前記細胞培養液について前記４種の光の吸光度を測定することにより、前記細胞培養液のｐＨが特定される構成とすることができる。

この場合、細胞培養液のｐＨの測定と液面高さの測定を同時に行なうことができる。

例えば、前記第１の物質としてはウシ胎児血清または仔ウシ血清を用いることができ、前記第２の物質としてはフェノールレッドを用いることができる。

上記の目的を達成するために、本発明がとりうる第２の態様は、細胞培養器に収容された細胞培養液の液面高さを測定する装置であって、
第１の波長を有する第１の光と第２の波長を有する第２の光を含む少なくとも２種の光を出射する発光部と、
前記細胞培養液を通過した前記少なくとも２種の光を受光する受光部と、
前記受光部が受光した前記少なくとも２種の光の強度に基づいて前記細胞培養液の前記第１の光に対する第１の吸光度と前記第２の光に対する第２の吸光度を測定する測定部と、
前記第１の吸光度と前記第２の吸光度に基づいて前記細胞培養液の液面高さを特定する演算部とを備える。

このような構成によれば、測定した複数の吸光度より吸光に係る光路長（液面高さ）が求まるので、互いに異なる波長を有する複数種の光を細胞培養液に照射するのみで、液面高さについて連続的な測定値を得ることができる。また電子天秤のように測定空間に生じたわずかな気流等により測定値が変動してしまうこともない。したがって細胞培養器に分注された細胞培養液の量を正確かつ迅速に把握することができる。さらに一組の発光部と受光部を設けるのみで所望の測定値を得ることができるため、装置の大型化や高コスト化を回避することができる。

前記発光部は、前記細胞培養液に対して第１の側に配置されており、前記受光部は、前記第１の側と反対の第２の側に配置されている構成とすることができる。あるいは、前記発光部から出射された光を反射する反射部をさらに備え、前記発光部と前記受光部は、前記細胞培養液に対して第１の側に配置されており、前記反射部は、前記第１の側と反対の第２の側に配置されている構成とすることができる。

前記発光部は互いに波長の異なる４種の光を出射し、前記演算部は、前記測定部が測定した前記４種の光の吸光度に基づいて前記細胞培養液のｐＨを特定する構成とすることができる。

この場合、発光部と受光部を細胞培養液の液面高さ測定とｐＨ測定に兼用することができるため、装置の小型化や低コスト化に寄与する。

本発明の第１の実施形態に係る測定装置の構成を示す機能ブロック図である。 ウシ胎児血清（ＦＢＳ）とフェノールレッドの吸光スペクトルを示す図である。 ５５８ｎｍ付近の波長の光に対するフェノールレッドの吸光係数とｐＨの関係を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る測定装置の構成を示す機能ブロック図である。

本発明の実施形態を添付の図面を参照しつつ以下詳細に説明する。なお以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするために縮尺を適宜変更している。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る測定装置１０の構成を示す機能ブロック図である。測定装置１０は、制御部１１、発光部１２、受光部１３、測定部１４、および演算部１５を備えている。

制御部１１は、ＣＰＵ等の演算素子、およびＲＡＭやＲＯＭ等のメモリを備える演算処理回路である。測定部１４および演算部１５としての機能は、回路素子等のハードウェアの動作、演算素子に格納されたプログラム等のソフトウェアの動作、あるいはこれらの組合せにより実現されうる。

発光部１２は、互いに波長の異なる４種の光を出射可能な発光ダイオードを備えている。発光部１２は、制御部１１より電力と駆動信号の供給を受けて所定の波長を有する光を順次出射する。波長の具体的な値については後述する。

受光部１３は、フォトダイオードを備えている。受光部１３は、発光部１２から順次出射された光を受光し、各波長ごとの受光強度に応じた信号を出力可能に構成されている。

測定装置１０においては、細胞培養液２０が収容された細胞培養器３０が、発光部１２と受光部１３の間に配置される。すなわち発光部１２は細胞培養液２０に対して第１の側に配置されており、受光部１３は第１の側とは反対の第２の側に配置されている。発光部１２と受光部１３は、細胞培養液２０を挟んで対向配置されているとも言える。

発光部１２から出射された各波長の光は、細胞培養液２０を通過することにより吸収を受けて強度が変化する。測定部１４は、発光部１２が出射した光の強度と受光部１３が受光した光の強度とに基づいて、各波長の光について細胞培養液２０の吸光度を測定する。

本実施形態の細胞培養液２０は、第１の物質としてのウシ胎児血清（ＦＢＳ）と、第２の物質としてのフェノールレッド（ＰＲ）を含んでいる。ＦＢＳは細胞を増殖させるための因子であり、ＰＲは細胞培養液２０のｐＨを検出するための指示薬である。

発光部１２が出射する第１の光の波長λ１は、本発明における第１の吸収ピークとしてのＦＢＳの吸収ピーク（図２参照）に対応するように定められおり、具体的には４１１ｎｍである。

発光部１２が出射する第２の光の波長λ２は、本発明における第２の吸収ピークとしてのＰＲの短波長側吸収ピーク（図２参照）に対応するように定められており、具体的には４３０ｎｍである。

発光部１２が出射する第３の光の波長λ３は、本発明における第３の吸収ピークとしてのＰＲの長波長側吸収ピーク（図２参照）に対応するように定められており、具体的には５５８ｎｍである。

発光部１２が出射する第４の光の波長λ４は、ＦＢＳおよびＰＲの吸光度が細胞培養液２０のｐＨによらず一定値に収束する波長（図２参照）に対応するように定められており、具体的には７００ｎｍである。

測定部１４は、受光部１３が備える４つの受光素子がそれぞれ受光した波長λ１〜λ４の光の強度に基づいて、当該４種の光に対する細胞培養液２０の吸光度Ａ_λ１、Ａ_λ２、Ａ_λ３、Ａ_λ４を測定する。

細胞培養液２０の各波長の光に対する吸光度Ａ_λ１、Ａ_λ２、Ａ_λ３、Ａ_λ４は、式（１）に示すように、各波長におけるＦＢＳの吸光度、ＰＲの吸光度、および散乱等によるオフセット成分の和として示される。

ここでα_{ＦＢＳ＿λｎ}は、ＦＢＳの波長λｎの光に対する吸光係数、α_{ＰＲ＿λｎ}は、ＰＲの波長λｎの光に対する吸光係数、Ｃ_ＦＢＳはＦＢＳの濃度、Ｃ_ＰＲはＰＲの濃度、Ｄは吸光に係る光路長（液面高さ）、Ａ_{ｏｆｆｓｅｔ＿λｎ}は、波長λｎの光に係るオフセット成分である。

ＰＲの波長λ１の光に対する吸光係数α_{ＰＲ＿λ１}と他の波長の光に対する吸光係数の関係は一次式で近似可能であることから、α_{ＰＲ＿λ１}を未知数として式（１）を次のように変形できる。

ここでＢ_０＿λｎは一次式の傾き、Ｂ_１＿λｎは一次式の切片であり、Ｓ_＿λｎは、波長λｎの光についての係数である。

式（２）は、次のように行列式で表すことができる。

式（３）は、さらに次のように変形できる。

演算部１５は、上記の演算を通じ、４種の光に対する吸光度Ａ_λ１、Ａ_λ２、Ａ_λ３、Ａ_λ４に基づいて細胞培養液２０の液面高さおよびｐＨを特定する。すなわち（４）式における左辺の３行目に現れるＣ_ＰＲ・ＤにおいてＣ_ＰＲは既知であるため、吸光に係る光路長（液面高さ）Ｄを特定することができる。Ｄは細胞培養液２０の液面高さに対応する値である。

また（４）式の左辺の２行目に現れるα_{ＰＲ＿λ１}・Ｃ_ＰＲ・ＤにおいてＣ_ＰＲ・Ｄの値は上記のように特定されるため、吸光係数α_{ＰＲ＿λ１}の値が定まる。吸光係数α_{ＰＲ＿λ１}とｐＨは図３に示す関係にあるため、細胞培養液２０のｐＨの値を特定することができる。

特定された液面高さおよびｐＨの値はデータとして出力され、図示しない記憶部に格納される。あるいは図示しない表示部に表示される。

以上より本実施の形態によれば、細胞培養液２０に４種の波長λ１〜λ４を有する光を照射して各波長についての吸光度Ａ_λ１〜Ａ_λ４を求めることにより、細胞培養液２０の液面高さを測定することができる。所定の液面高さに達したか否かを検出する従来のレベルセンサとは異なり、連続的な測定値を得ることができる。また電子天秤のように測定空間に生じた気流等により測定値が変動してしまうこともない。したがって細胞培養器３０に分注された細胞培養液２０の量を正確かつ迅速に把握することができる。

４種の波長λ１〜λ４を有する光を出射可能な発光部１２と、これに対応する受光部１３を一組設けるのみで細胞培養液２０の液面高さについて連続的な測定値を得ることができる。しかも発光部１２と受光部１３は細胞培養液２０のｐＨの測定と兼用されるため、装置の大型化や高コスト化を伴うことがない。

次に図４を参照しつつ、本発明の第２の実施形態に係る測定装置１０Ａについて説明する。第１の実施形態に係る測定装置１０と同一または同等の構成要素には同一の参照番号を付与し、繰り返しとなる説明は割愛する。

測定装置１０Ａにおいては、発光部１２と受光部１３が細胞培養器３０の上方に配置されている。細胞培養器３０は、発光部１２から出射された光を反射する反射部としての鏡面１６上に載置されている。すなわち発光部１２と受光部１３は細胞培養液２０に対して第１の側に配置されており、鏡面１６は第１の側とは反対の第２の側に配置されている。発光部１２および受光部１３と鏡面１６とは、細胞培養液２０を挟んで対向配置されているとも言える。

発光部１２から出射された各波長の光は、鏡面１６により反射されつつ細胞培養液２０を通過し、受光部１３による受光に供されることとなる。

このような構成によれば、発光部１２と受光部１３を測定空間の同じ側に隣接配置することができるため、駆動回路等をコンパクトにまとめることができ、さらなる装置の小型化に寄与する。

上記の実施形態は本発明の理解を容易にするためのものであって、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく変更・改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることは明らかである。

４種の光を用いる場合において、第２の波長λ２および第３の波長λ３は、ＰＲの吸収ピークに対応する波長に限られない。これに代えて、ＰＲの吸光度がｐＨによらず一定の値に収束する波長に対応する３６７ｎｍおよび４７９ｎｍの光を用いてもよい。

発光部１２が出射する光の波長の数は、４種に限られるものではない。細胞培養液２０における未知のパラメータを減らすことにより、少なくとも２種の光によって本発明の測定方法を実現することができる。したがって測定対象の細胞培養液２０の種類に応じて（既知のパラメータの種類に応じて）用いる少なくとも２種の光の波長を選定すればよい。

例えば、ＰＲの吸光度がｐＨによらず一定の値に収束する波長に対応する３６７ｎｍまたは４７９ｎｍの光と、ＦＢＳの吸光度がｐＨによらず一定の値に収束する波長に対応する７００ｎｍの光を用いることにより、ｐＨを未知のパラメータから除外することができる。したがって、（３）式における未知のパラメータはＤとＡ_offsetのみとなる。これらを求めるための演算式は以下のようになり、λ１（７００ｎｍ）とλ２（３６７ｎｍまたは４７９ｎｍ）の２波長のみを用いて液面高さの測定を行なうことができる。

またこのことからも判るように、発光部１２と受光部１３は、必ずしもｐＨの測定と兼用されることを要しない。

細胞培養液２０に含まれる第１の物質と第２の物質は、それぞれＦＢＳとＰＲに限られるものではない。第１の物質は吸収のピークを３００〜８００ｎｍの波長領域内に有する物質であればよく、例えば仔ウシ血清を用いることができる。

第２の物質は、吸収ピークまたはｐＨによらず吸光度が一定値に収束する点を各々２つ３００〜８００ｎｍの波長領域内に有する物質であればよい。例えばＢＰＢ（ブロモフェノールブルー）やＢＴＢ（ブロモチモールブルー）などを用いることができる。

複数種の光を出射する発光部１２は、必ずしも単一の発光素子で構成されることを要しない。波長ごとに発光素子を設けてもよい。各発光素子から出射される光を受光する受光素子も発光素子ごとに設ける構成としてもよい。

１０：測定装置、１２：発光部、１３：受光部、１４：測定部、１５：演算部、１６：鏡面、２０：細胞培養液、３０：細胞培養器、Ａ_λ１〜Ａ_λ４：吸光度、λ１〜λ４：発光部１２より出射される光の波長

Claims (8)

1. 細胞培養器に収容された細胞培養液の液面高さを測定する方法であって、
   前記細胞培養液は、
   第１の吸収ピークを３００〜８００ｎｍの波長領域内に有するウシ胎児血清または仔ウシ血清である第１の物質と、
   ｐＨによらず吸光度が一定値に収束する第１の収束点と第２の収束点を、前記波長領域内に有するフェノールレッド、ブロモフェノールブルー、ブロモチモールブルーのいずれかである第２の物質とを含んでおり、
   互いに波長が異なる４種の光から選択された少なくとも２種の光を細胞培養液に照射し、
   前記４種の光は、
   前記第１の吸収ピークに対応する波長を有する光と、
   前記第１の収束点に対応する波長を有する光と、
   前記第２の収束点に対応する波長を有する光と、
   前記第１物質と前記第２の物質の少なくとも一方の吸光度がｐＨによらず一定値に収束する波長を有する光とを含んでおり、
   前記細胞培養液について、前記４種の光から選ばれた第１の光に対する第１の吸光度と前記４種の光から選ばれた第２の光に対する第２の吸光度を測定し、
   前記第１の吸光度と前記第２の吸光度に基づいて前記細胞培養液の液面高さを特定する、測定方法。
2. 細胞培養器に収容された細胞培養液の液面高さを測定する方法であって、
   前記細胞培養液は、
   第１の吸収ピークを３００〜８００ｎｍの波長領域内に有するウシ胎児血清または仔ウシ血清である第１の物質と、
   第２の吸収ピークまたはｐＨによらず吸光度が一定値に収束する第１の収束点、および第３の吸収ピークまたはｐＨによらず吸光度が一定値に収束する第２の収束点を、前記波長領域内に有するフェノールレッド、ブロモフェノールブルー、ブロモチモールブルーのいずれかである第２の物質とを含んでおり、
   互いに波長が異なる４種の光を前記細胞培養液に照射し、
   前記４種の光は、
   前記第１の吸収ピークに対応する波長を有する光と、
   前記第２の吸収ピークまたは前記第１の収束点に対応する波長を有する光と、
   前記第３の吸収ピークまたは前記第２の収束点に対応する波長を有する光と、
   前記第１の物質と前記第２の物質の少なくとも一方の吸光度がｐＨによらず一定値に収束する波長を有する光とを含んでおり、
   前記細胞培養液について前記４種の光の吸光度を測定することにより、前記細胞培養液の液面高さを特定する、測定方法。
3. 前記細胞培養液について前記４種の光の吸光度を測定することにより、前記細胞培養液のｐＨが特定される、請求項１または２に記載の測定方法。
4. 細胞培養器に収容された細胞培養液の液面高さを測定する装置であって、
   互いに波長が異なる４種の光から選択された少なくとも２種の光を出射する発光部と、
   前記細胞培養液を通過した前記少なくとも２種の光を受光する受光部と、
   前記受光部が受光した前記少なくとも２種の光の強度に基づいて、前記細胞培養液の前記４種の光から選択された第１の光に対する第１の吸光度と前記４種の光から選択された第２の光に対する第２の吸光度を測定する測定部と、
   前記第１の吸光度と前記第２の吸光度に基づいて前記細胞培養液の液面高さを特定する演算部とを備え、
   前記細胞培養液は、
   第１の吸収ピークを３００〜８００ｎｍの波長領域内に有するウシ胎児血清または仔ウシ血清である第１の物質と、
   ｐＨによらず吸光度が一定値に収束する第１の収束点と第２の収束点を、前記波長領域内に有するフェノールレッド、ブロモフェノールブルー、ブロモチモールブルーのいずれかである第２の物質とを含んでおり、
   前記４種の光は、
   前記第１の吸収ピークに対応する波長を有する光と、
   前記第１の収束点に対応する波長を有する光と、
   前記第２の収束点に対応する波長を有する光と、
   前記第１物質と前記第２物質の少なくとも一方の吸光度がｐＨによらず一定値に収束する波長を有する光とを含んでいる、
   測定装置。
5. 細胞培養器に収容された細胞培養液の液面高さを測定する装置であって、
   互いに波長が異なる４種の光を出射する発光部と、
   前記細胞培養液を通過した前記４種の光を受光する受光部と、
   前記受光部が受光した前記４種の光の強度に基づいて、前記細胞培養液の前記４種の光の吸光度を測定する測定部と、
   前記４種の光の吸光度に基づいて前記細胞培養液の液面高さを特定する演算部とを備え、
   前記細胞培養液は、
   第１の吸収ピークを３００〜８００ｎｍの波長領域内に有するウシ胎児血清または仔ウシ血清である第１の物質と、
   第２の吸収ピークまたはｐＨによらず吸光度が一定値に収束する第１の収束点、および第３の吸収ピークまたはｐＨによらず吸光度が一定値に収束する第２の収束点を、前記波長領域内に有するフェノールレッド、ブロモフェノールブルー、ブロモチモールブルーのいずれかである第２の物質とを含んでおり、
   前記４種の光は、
   前記第１の吸収ピークに対応する波長を有する光と、
   前記第２の吸収ピークまたは前記第１の収束点に対応する波長を有する光と、
   前記第３の吸収ピークまたは前記第２の収束点に対応する波長を有する光と、
   前記第１物質と前記第２物質の少なくとも一方の吸光度がｐＨによらず一定値に収束する波長を有する光とを含んでいる、
   測定装置。
6. 前記発光部は、前記細胞培養液に対して第１の側に配置されており、前記受光部は、前記第１の側と反対の第２の側に配置されている、請求項４または５に記載の測定装置。
7. 前記発光部から出射された光を反射する反射部をさらに備え、
   前記発光部と前記受光部は、前記細胞培養液に対して第１の側に配置されており、前記反射部は、前記第１の側と反対の第２の側に配置されている、請求項４または５に記載の測定装置。
8. 前記発光部は前記４種の光を出射し、 前記演算部は、前記測定部が測定した前記４種の光の吸光度に基づいて前記細胞培養液のｐＨを特定する、請求項４から７のいずれか一項に記載の測定装置。

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