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JP2013217673A - 計数チップ、計数方法、および計数装置 - Google Patents

計数チップ、計数方法、および計数装置 Download PDF

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JP2013217673A JP2012085933A JP2012085933A JP2013217673A JP 2013217673 A JP2013217673 A JP 2013217673A JP 2012085933 A JP2012085933 A JP 2012085933A JP 2012085933 A JP2012085933 A JP 2012085933A JP 2013217673 A JP2013217673 A JP 2013217673A
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理伸 三枝
Katsuyoshi Takahashi
克佳 高橋
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Abstract

【課題】着色による変性や形状変化を避け、高精度且つ簡易に計数対象物質を計数する。
【解決手段】計数チップ1は、計数対象物質5を含む試料7を挟み、透光性を有する1対の平板3a、3bを備え、試料7中における計数対象物質5以外の部分であって、着色剤13により着色された部分6bにより、試料7に照射される照射光が吸収される量を示す第1光吸収量と、上記照射光が上記計数対象物質により吸収される量を示す第2光吸収量との差を計測するための計測部2が、上記平板3a、3bにより構成されている。
【選択図】図1

Description

本発明は、血液や尿などの生体試料の中に含まれる粒子の数を計数するための計数チップ、計数方法、および及び計数装置に関するものであり、さらに詳しくは、臨床血液検査等に好適な血球計数方法に関する。
試料中の計数対象物質の計数は、医療分野において広く用いられるスクリーニング検査手法の一つである。上記計数対象物質として、具体的には、血液中の血球や、尿中の有形成分等が挙げられる。
血球計数は、尿検査、生化学検査とともに初診時に行うスクリーニング検査であり、感染症、貧血、出血等がある場合や、血液疾患の診断や経過観察に用いられる手法である。赤血球数は貧血等、白血球数は感染症等の診断のための基本指標となっている。
このうち、特に白血球数は、臨床における重要な指標である。具体的には、白血球数は、白血病、感染症、および炎症性疾患等によって変動する指標であり、そのため、白血球の計数は、これらの疾患の診断あるいは治療経過の観察において有用である。
血球数計数方法として、簡易なものとして、血球数計算盤による赤血球または白血球の計数方法がある。例えば、特許文献1において、白血球の計数は、白血球の核を染色する希釈液により希釈した血液試料を特殊な計算盤、例えばバーカー(Barker)計算盤に入れて顕微鏡で見ることにより、手作業で行われる。この計算盤は、明確に画定された複数の小体積に区切る格子を含み、格子中の1枡あたりの血球数を計数することにより、白血球数を決定することができる。この方法は、手作業で実行されるため、検査に時間がかかり、測定精度が悪い。
上記問題に鑑み、検査の省力化および高精度化を図るため、自動分析装置が開発されている。
血球を自動的に計数する方法として、顕微鏡像をカメラで撮像し、画像処理によって計数する方法がある。例えば、特許文献2に記載の血球自動分類装置は、ステージに置かれた血液標本中に散在する染色済みの血球の顕微鏡像をテレビカメラで撮像し、画像信号を画像処理装置に出力し、色濃度から血球分類分析を行い、自動的に血球数を計数する。この方法は装置の複雑化および大型化、およびこれによる高価格化を伴うものである。
血球を自動的に計数する別の方法として、フローシステムを利用した方法がある。この方法は、図12に示すように、血球を含んだ試料液を用い、血球が1個ずつ細い測定器を通過するように試料液を流し、上記測定器近傍に位置する検出器で発生する信号により血球を計数するものである。フローシステムを利用した方法として、光学的測定方法と、電気的測定方法がある。
光学的測定方法として、特許文献3には、レーザー光源と、試料中の血球が1個ずつ細い流路を流れるようにしたフローセルと、血球からの前方散乱光と側方散乱光を検出する測光部と、検出信号を解析する解析装置とを備えたフローサイトメーターを使用する白血球分類方法が記載されている。この方法では、白血球を測定する場合は、予め、赤血球を溶血剤により溶血させて測定を行う。必要に応じて、白血球を染色剤により染色して、蛍光測定により計数を行う。
電気的測定方法として、特許文献4には、コールター(Coulter)の原理による方法が記載されている。この方法において、白血球を測定する場合は、赤血球を溶血剤で溶血させ、白血球のみを含んだ電解液を細孔中に流し、血球が細孔を通過するときの細孔部のインピーダンス変化を検出し、検出信号の強弱によって白血球を識別し計数を行う。
近年、医療診断のための検査において、微小化学分析システム(μTAS:Micro Total Analysis System)の適用が検討されている。μTASは、ガラスやシリコン等の基板上に、微小な流路、ポンプ、バルブ、センサ等が集積された化学分析システムであり、サンプル・試薬の少量化、検査チップの小型化・ディスポーザブル化、検査装置の小型化等のメリットがある。白血球の計数は、感染症等の初期診断のための基本検査であるため、μTASを利用した、迅速で小型の検査装置の開発が望まれている。
特開昭55−10906号公報(1980年1月25日公開) 特開昭61−258167号公報(1986年11月15日公開) 特開2002−303622号公報(2002年10月18日公開) 米国特許第5262302号明細書(1993年11月16日公開)
従来の血球計数方法では、白血球は無色透明のため、光吸収による測定が困難であり、予め白血球を染色する必要がある。しかしながら、白血球を染色剤によって染色する場合、白血球に形状変化が生じることで、白血球を識別できなくなり計数誤差を生じる虞がある。また、染色剤の染色カスや塵を白血球と誤って認識することにより計数誤差を生じる問題もあった。
また、白血球を計数する場合、赤血球と識別するために、予め溶血剤により赤血球を溶血させる。しかしながら、赤血球が完全に溶血しない場合、溶血せずに残った赤血球が計数誤差となる。さらに、溶血剤により、白血球の裸核化、膨潤、収縮等の形状変化が生じることで、計数誤差が生じる虞がある。
本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、着色による変性や形状変化を避け、なお且つ、着色カスや塵、計数対象物質以外の物質等の影響を受けず、高精度且つ簡易に計数対象物質を計数する計数チップ、計数方法、および計数装置を提供することにある。
本発明に係る計数チップは、前記課題を解決するために、計数対象物質を含む試料を挟み、透光性を有する1対の平板を備え、上記試料中における上記計数対象物質以外の部分であって、着色剤により着色された部分により、上記試料に照射される照射光が吸収される量を示す第1光吸収量と、上記照射光が上記計数対象物質により吸収される量を示す第2光吸収量との差を計測するための計測部が、上記平板により構成されていることを特徴とする。
また、本発明に係る計数方法は、試料中に含まれる計数対象物質を計数する計数方法であって、上記試料を、透光性を有する1対の平板の間に挟み、上記試料中における上記計数対象物質以外の部分を着色剤によって着色し、上記試料に照射される照射光が上記着色剤により着色された部分により吸収される量を示す第1光吸収量と、上記照射光が上記計数対象物質により吸収される量を示す第2光吸収量との差によって、上記計数対象物質を計数することを特徴とする。
また、本発明に係る計数装置は、上記の計数チップに対して照射光を照射する光源と、上記第1光吸収量と上記第2光吸収量との差を検出する検出部とを備えていることを特徴とする。
上記構成によれば、計数対象物質以外の部分が着色されることで、上記計数対象物質以外の部分と計数対象物質との光吸収量に差異が生じる。計測部においてこの差異が光学的に分析されることにより、上記計数対象物質は上記計数対象物質以外の部分と分類して識別される。
これにより、計数対象物質の着色が不要であるため、着色による変性や形状変化を避け、なお且つ、着色カスや塵、係数対象物質以外の物質等の影響を受けず、高精度且つ簡易に計数対象物質を計数することができる。
本発明に係る計数チップは、上記計測部に上記着色剤が乾燥固定されていてもよい。
上記構成によれば、計測部に液体試料が導入されることによって計数対象以外の部分が着色される。
これにより、チップ外での事前の処理が不要となり、より簡易に計数を行うことが可能となる。また、液体の着色剤を試料と混合する必要がないため、試料が希釈されることなく、よって計測部に充填される試料の体積に基づいた定量的な分析が簡易に可能となる。
本発明に係る計数チップは、上記計測部について、上記平板に対する垂直方向の距離をdとしたとき、上記dが、上記計数対象物質の最大径よりも大きく、平均径の4倍以下であることが望ましい。
上記構成によれば、計測部の厚みが計数対象物質の最大径より大きいので、計数対象物質は、形状を変化させることなく計測部に導入される。さらに、計測部の厚みが計数対象物質の平均径の4倍以下であることにより、計数対象物質への照射光が係数対象物質以外の部分によって遮蔽されにくくなる。
これにより、計測部における計数対象物質と計数対象物質以外の部分との光吸収量の差を大きくすることができ、よって高精度の計数が可能になる。
本発明に係る計数方法において、上記試料は、上記計数対象物質と、液体部と、計数対象ではない粒子とにより構成されるものであり、上記着色剤は、上記液体部を着色するものであるとともに、上記計数対象ではない粒子の吸収波長域に吸収波長のピークを有していてもよい。
上記構成によれば、着色後の液体部は、計数対象ではない粒子と同じ吸収波長のピークを有する。この着色後の液体部を含む試料に、計数対象ではない粒子の吸収波長と同一の波長を有する光が照射されると、計数対象物質と、液体部および計数対象ではない粒子とは、単一の閾値に基づいて光学的に分類・識別される。
これにより、計数対象ではない粒子と区別して計数対象物質の計数を行うことができる。
本発明に係る計数方法において、上記試料は血液であり、上記計数対象物質は白血球であり、上記液体部は血漿であることが好ましい。
上記構成によれば、無色透明である白血球が着色されず、同じく無色透明である血漿が着色されるため、白血球は変性や形状変化を生じず、なお且つ、着色カスや塵、赤血球等の影響を受けず、高精度且つ簡易に分類・識別される。
これにより、白血球数が重要な指標となる白血病、感染症、または炎症性疾患等の診断および治療を適切に行うことができる。
本発明に係る計数方法において、上記着色剤に含まれる色素はヘモグロビンであってもよい。
上記構成によれば、血漿をヘモグロビンで着色することにより、着色後の血漿は赤血球の吸収波長域に吸収波長のピークを有する。
これにより、赤血球と区別して白血球の計数を行うことができる。
本発明に係る計数方法において、上記計数対象ではない物質は赤血球であり、上記着色剤は溶血上清であってもよい。
上記構成によれば、溶血によって細胞外に拡散したヘモグロビンによって血漿が着色される。
これにより、赤血球と区別して白血球の計数を行うことができ、また、赤血球の影響を排除することができる。
また、本発明に係る計数方法において、上記試料は、上記計数対象物質としての第1の粒子および第2の粒子と、液体部とにより構成されるものであり、上記着色剤は、上記液体部を着色するものであるとともに、上記第1の粒子および上記第2の粒子の吸収波長域と異なる波長域に吸収波長のピークを有していてもよい。
上記構成によれば、着色後の液体部は、第2の粒子と異なる吸収波長のピークを有する。この着色後の液体部を含む試料に、上記着色後の液体部の吸収波長と同一の波長を有する光と、第2の粒子の吸収波長と同一の波長を有する光とが別々に照射されると、2回の光照射に伴う測定結果に基づいて、第1の粒子、第2の粒子、および液体部の3種が光学的に分類・識別される。
これにより、第1の粒子と第2の粒子の計数を同時に行うことができ、例えば、白血球と赤血球の計数を同時に行うことができる。
本発明に係る計数方法において、上記着色剤は水溶液であることが好ましい。
上記構成によれば、着色剤に含まれる色素が試料中に拡散しやすいため液体部を容易に着色できるほか、計数誤差を生じさせる巨大な粒子が試料に混入する虞がない。
これにより、効率的かつ高精度の計数が可能となる。
本発明に係る計数方法において、上記着色剤は、上記液体部の等張液であることが好ましい。
上記構成によれば、液体部の着色において、計数対象となる粒子の収縮や膨潤等の形状変化を生じない。
これにより、高精度の計数が可能となる。
本発明に係る計数方法において、上記透光性を有する1対の平板に挟まれた空間について、上記平板に対する垂直方向の距離をdとしたとき、上記着色剤により着色された後の上記計数対象物質以外の部分の、上記dを光路長としたときの吸光度は、0.05以上、2.5以下であることが好ましい。
上記構成によれば、平板に挟まれた空間における白血球と血漿との吸光度の差が、光学的にこれらを分類して識別するために十分な値となる。
これにより、高精度な白血球の計数が可能になる。
本発明に係る計数装置において、上記検出部が、上記計数チップを構成する上記平板の面方向に2次元的に配置されるエリアセンサであってもよい。
上記構成によれば、計数装置は、平板方向の拡がりを有するエリアセンサを備えることで、該エリアセンサに重畳する測定部に充填された試料中の各領域の光吸収量を測定する。測定の結果、該エリアセンサに重畳する測定部の平板方向の面積をpとしたとき、計数装置は、p・dの体積を有する試料中の計数対象物質を計数することができる。なお、上記各領域は、該エリアセンサの受光素子の平板方向の大きさ、すなわち該エリアセンサの空間分解能と同義であってもよい。
これにより、試料中の計数対象物質を広範囲に亘って計数することができる。
本発明に係る計数装置において、上記検出部が、上記計数チップを構成する上記平板の面方向に水平であり、なおかつ上記計数チップにおける上記試料の導入方向に垂直な方向に1次元的に配置されたラインセンサであってもよい。
上記構成によれば、計数装置は、ラインセンサに重畳する測定部を流れる試料中の各領域の光吸収量を一定時間測定する。測定の結果、ラインセンサと重畳する測定部における該ラインセンサの線方向の距離をl、測定時間中の試料の移動距離をfとしたとき、計数装置は、l・f・dの体積を有する試料中の計数対象物質を計数することができる。なお、上記各領域は、該ラインセンサの受光素子の平板方向の大きさ、すなわち該ラインセンサの空間分解能と同義であってもよい。
これにより、平板方向の広がりを有するエリアセンサと比較し、必要となる発光素子および受光素子が少量で済むため、計数装置の小型化・低価格化が可能となる。
本発明に係る計数装置において、上記光源により照射される上記照射光が上記検出部により受光される状態を維持しつつ、上記光源および上記検出部が、上記計数チップにおける上記試料の導入方向に対して平行に移動してもよい。
上記構成によれば、計数装置は、光源と検出部を平行に移動させることで、ラインセンサの移動範囲に重畳する測定部に充填された試料中の各領域の光吸収量を測定する。測定の結果、ラインセンサと重畳する測定部における該ラインセンサの線方向の距離をl、該ラインセンサの移動距離をmとしたとき、l・m・dの体積を有する試料中の計数対象物質を計数することができる。なお、上記各領域は、該エリアセンサの受光素子の平板方向の大きさ、すなわち該エリアセンサの空間分解能と同義であってもよい。
これにより、小型の光源・検出部で広範囲に亘る計数が可能となる。
本発明に係る計数装置において、上記光源が半導体レーザーであり、上記検出部が上記半導体レーザーによって照射されたレーザー光を受光するフォトディテクタであってもよい。
上記構成によれば、レーザー光はLED等の他の発光素子と比較してより狭い波長域を有するため、着色剤の吸収波長のピークと同一の波長を有する照射光をより正確に照射することができる。
これにより、より高精度な計数が可能となる。
本発明に係る計数チップは、以上のように、計数対象物質を含む試料を挟み、透光性を有する1対の平板を備え、上記試料中における上記計数対象物質以外の部分であって、着色剤により着色された部分により、上記試料に照射される照射光が吸収される量を示す第1光吸収量と、上記照射光が上記計数対象物質により吸収される量を示す第2光吸収量との差を計測するための計測部が、上記平板により構成されているものである。
また、本発明に係る計数方法は、試料中に含まれる計数対象物質を計数する計数方法であって、上記試料を、透光性を有する1対の平板の間に挟み、上記試料中における上記計数対象物質以外の部分を着色剤によって着色し、上記試料に照射される照射光が上記着色された部分により吸収される量を示す第1光吸収量と、上記照射光が上記計数対象物質により吸収される量を示す第2光吸収量との差によって、上記計数対象物質を計数する方法である。
また、本発明に係る計数装置は、上記の計数チップに対して照射光を照射する光源と、上記第1光吸収量と上記第2光吸収量との差を検出する検出部とを備えているものである。
上記構成によれば、計数対象物質の着色が不要であるため、着色による変性や形状変化を避け、なお且つ、着色カスや塵、係数対象物質以外の物質等の影響を受けず、高精度且つ簡易に計数対象物質を計数することができる。
(a)は、本発明の一実施形態に係る計数チップの計測部に、血漿が着色されていない血液試料が充填された状態を、計測部の各領域における透過光量に対応させて示す図である。(b)は、上記計測部に、血漿が着色された血液試料が充填された状態を、計測部の各領域における透過光量に対応させて示す図である。 (a)は、本発明の一実施形態に係る計数チップの上面図であり、(b)は、上記計数チップの断面図である。 (a)は、図2に示す計数チップにおいて、計測部に液体着色剤が固定されている状態を示す上面図である。(b)は、図2に示す計数チップにおいて、計測部に液体着色剤が固定されている状態を示す断面図である。(c)は、図2に示す計数チップにおいて、導入流路に着色剤が乾燥固定されている例を示す上面図である。 (a)は、図2に示す計数チップに血液試料を導入した状態を示す上面図であり、(b)は、上記状態の断面図である。 本発明の一実施形態に係る計数装置および計数チップの外観を示す上面図である。 (a)および(b)は、図5に示す計数装置内部に備えられた光源および検出部を、図2に示す計数チップとともに示す断面図である。特に、(a)は、上記検出部をエリアセンサにて実現した例を示す断面図であり、(b)は、上記検出部をラインセンサにて実現した例を示す断面図である。 (a)は、図2に示す計数チップにおいて、ジグザグ状の蛇行流路である計測部を備えた構成を示す上面図である。(b)は、図2に示す計数チップにおいて、楕円形の計測部を備えた構成を示す上面図である。(c)は、図2に示す計数チップにおいて、流路内に複数のピラー構造を設けた計測部を備えた構成を示す上面図である。(d)は、(c)に示す計数チップの断面図である。(e)は、図2に示す計数チップにおいて、側面が開放された計測部を備えた構成を示す上面図である。(f)は、(e)に示す計数チップの断面図である。 (a)は、本発明の他の実施形態に係る計数チップの上面図であり、(b)は、(a)における合流部と計測部とを含む領域の拡大図である。 図8に示す計数チップを用いて計数対象を計数するために、図5に示す計数装置に備えられ得る光源と検出部とを、上記計数チップとともに示す断面図である。 (a)は、本発明のさらに他の実施形態に係る計数チップの上面図であり、(b)は、(a)における計測部を含む領域の拡大図である。 図10に示す計数チップを用いて計数対象を計数するために、図5に示す計数装置に備えられ得る光源と検出部とを、上記計数チップとともに示す断面図である。 公知技術であるフローシステムを利用した血球計数の概略図である。
以下、本発明の実施の形態について、図1〜図11に基づいて説明する。なお、本発明は、以下の記載に限定されるものではない。
本実施形態では、試料である血液のうち、血漿部分を着色した状態の血液試料を光学的に測定することで、血球、特に白血球の計数を行う例を示す。なお、本実施形態では赤血球の計数も同時に行うことが可能である。
〔1.計数チップ構造について〕
本発明の一実施形態に係る計数チップの構造について、図1〜図4を参照して説明する。
図2(a)は、本実施形態に係る計数チップ1の上面図であり、図2(b)は、計数チップ1の断面図である。
計数チップ1は、計測部2と、ガラス基板3と、試料導入孔8と、導入流路9と、空気孔10と、空気孔流路11とを備えてなる。
計測部2は、試料を充填し、光源から照射した光を検出部で検出することによって計数対象物質を計数するための流路であり、加工後のガラス基板3aとガラス基板3bとを貼り合わせたときに形成される空間である。
ガラス基板3は、計数チップ1の平板構造を構成する基板であり、ガラス基板3aとガラス基板3bとが接合されてなる。ガラス基板3aおよびガラス基板3bを、ウェットエッチングやドライエッチング等の技術を用いて加工することにより、各流路および開口部が成形され、これらを備える計数チップ1が構成される。なお、本実施形態では、計数チップ1の平板構造を構成する基板をガラス基板3としているが、計数チップ1は透光性を有する平板によって構成されていればよいので、上記基板はガラスに限定されず、プラスチック等であってもよい。
試料導入孔8は、計測部2に充填すべき試料を計数チップ1に導入するための開口部である。具体的には、血液等の液体試料が試料導入孔8から計数チップ1に導入される。
導入流路9は、試料導入孔8と計測部2とを接続する流路であり、試料導入孔8から導入された試料を、計測部2に導入する。
空気孔10は、計数チップ1内の各流路内の空気を計数チップ1の外部に排出するための開口部である。試料導入孔8から液体試料が導入されたときに、該試料の導入前に計数チップ1内の各流路を満たしていた空気が外部に排出されなければ、該試料がスムーズに導入されないという問題が生じる。空気孔10はこの問題を避けるために備えられており、試料導入前に計数チップ1内の各流路を満たしていた空気は、試料導入孔8から導入された試料に押し出される形で空気孔10から外部へと排出される。
空気孔流路11は、計測部2と空気孔10とを接続する流路であり、計数チップ1内の各流路を満たしていた空気は、空気孔流路11を通過して空気孔10から排出される。
疎水部12は、疎水性の構造を有し、計測部2と空気孔流路11とを接続するためのものである。疎水部12が備えられることにより、計測部2からの液体試料の流出を防ぐことができるため、より少量の試料で計測部2を満たすことができる。
次に、図4を参照して、液体試料が導入された状態の計数チップ1の概観を説明する。図4(a)は、計数チップ1に血液試料7が導入され、計測部2に血液試料7が充填されている状態を示す上面図であり、図4(b)は、同じ状態の断面図である。
血液試料7は試料導入孔8から計数チップ1に導入され、導入流路9を通過して計測部2に充填される。血液試料7は計数対象となり得る粒子として白血球5と赤血球4(図1)とを含んでいる。
本実施形態において、血球の計数は、計測部2に所定の波長の光を照射し、検出部において計測部2を透過した上記の光を検出することで行われる。より具体的には、計測部2において計数対象の血球を透過した光と、計数対象の血球以外の部分を透過した光との光量の差に基づいて、任意の領域について計数対象の血球が存在するか否かを判定する。上記の判定がどのような測定値に基づいてなされるかを示す概略図として、図1を参照されたい。
図1(a)は、計測部2に、血漿6が着色されていない血液試料7が充填された状態を、計測部2の各領域における透過光量に対応させて示す図であり、図4(b)における計測部2の拡大図である。血液試料7は図1(a)に示すように、粒子として赤血球4と白血球5とを含み、液体成分として血漿6を含む。図1(a)における参照符号dは、計測部2におけるガラス基板3a、3bの面方向に対する垂直方向の距離、すなわち計測部2の厚みであり、少なくとも白血球5の最大径(約20μm)より大きい値を有する。そして、図1(a)においては、計測部の各領域における透過光量も示されている。
ここで、透過光量とは、光源から照射され、計測部2を透過した所定の波長の光を、検出部において計測することで算出される数量である。図1(a)にて上下方向の破線を下ろした領域は、該破線で繋がれた計測部2における領域の透過光量を示している。そして、図1(a)を参照すればわかるように、赤血球4を含む領域の透過光量が白血球5や血漿6より低いため、1つの好ましい閾値th1を設定することで、赤血球4を識別し計数することができる。
しかしながら、図1(a)の測定値からは、白血球5と血漿6とを区別することができず、従って白血球5を計数することができない。この問題を解決するため、本実施形態では、血漿6が着色される。
図1(b)は、計測部2に、着色剤13によって着色された血漿6bを含む血液試料7が充填された状態を、計測部2の各領域における透過光量に対応させて示す図であり、図4(b)における計測部2の拡大図である。図1(b)における上下方向の破線の指示内容は、図1(a)と同様である。
そして、図1(b)からわかるように、赤血球4を含む領域と、白血球5を含む領域と、着色後の血漿6bのみを含む領域とで、透過光量が異なっている。従って、1つの好ましい閾値th2を設定することで、白血球5を識別し計数することができる。つまり、閾値th2として、白血球5を含む領域に対応する透過光量と、着色後の血漿6bのみに対応する透過光量との間の値を設定すれば、透過光量が閾値th2よりも大きくなる領域の数を、白血球5の数として認識することができる。
さらに、もう1つの閾値th3を設定することにより、赤血球4の計数も同時に行うことができる。つまり、閾値th3として、着色後の血漿6bのみに対応する透過光量と、赤血球4を含む領域に対応する透過光量との間を設定すれば、透過光量が閾値th3よりも小さくなる領域の数を、赤血球4の数として認識することができる。
また、血漿6を着色する着色剤13は、赤血球4の吸収波長域に吸収波長のピークを有していてもよく、具体的にはヘモグロビン溶液を着色剤13として用いることができる。これにより、ヘモグロビンの吸収波長域の光を照射することで、白血球5を赤血球4と区別して効率よく計数することができる。
また、赤血球4を溶血させることで得られた溶血上清を着色剤13として用いてもよい。着色剤13を溶血上清として用いる場合、溶血処理は白血球5が変形および変性しない段階で停止することが好ましく、このとき一部の赤血球4が溶血せずに残存していても、白血球5とは光吸収量が異なるため、本実施形態に係る計数チップ1を用いて白血球の計数を行う際には問題とはならない。
一方で、白血球5と赤血球4の計数を同時に行いたい状況も考えられる。このような状況では、図1(b)に示すように2つの好ましい閾値th2、th3を設定する方法も考えられる。しかしながら、より精度の高い両血球の計数のためには、着色剤13が、赤血球4の吸収波長域と異なる波長域に吸収波長のピークを有していることが好ましい。このような着色剤13により血漿6bを着色すれば、着色後の血漿6bは赤血球4と異なる吸収波長のピークを有することになる。そして、計測部2に照射する光の波長を、赤血球4の吸収波長域と、着色後の血漿6bの吸収波長域との2種類に設定することで、それぞれの照射光の検出結果に基づき、赤血球4と白血球5とをより高精度に計数することができる。すなわち、赤血球4によって完全に吸収され透過光量がほぼ0になる光と、着色後の血漿6によって完全に吸収され透過光量がほぼ0になる光とを別々に照射すれば、単一の好ましい閾値th1によって、赤血球4と血漿6の存在する範囲がそれぞれ明確となる。そして、両者の測定結果を組み合わせて、血液試料7から赤血球4と血漿6との存在範囲を除外することによって白血球5の計数を行うことができる。
また、着色剤13が液体である場合は、着色剤13は水溶液であることが好ましい。これにより、血漿6を容易に着色できるほか、血球と同程度の巨大な粒子を含まないため、血球計数精度を低下させる虞もない。
さらに、液体の着色剤13は血漿6の等張液であってもよい。これにより、血球の収縮や溶血・膨潤等の変形、変性を防ぐことができ、高精度な血球計数を行うことができる。
また、着色剤13は、計数チップ1内に予め保存されていてもよい。図3(a)は、計測部2の下層に設けられた着色剤保存部14に液体の着色剤13が保存されている計数チップ1aを示す上面図であり、図3(b)は計数チップ1aの断面図である。この構成によれば、計測部2に血液試料7が導入されることで、血液試料7と着色剤13とが混合されるので、計数チップ1a外での処理が不要となり、より簡易に血球の計数を行うことができる。
さらに、着色剤13は液体に限定されるものではない。たとえば、計測部2に着色剤13が乾燥固定されていてもよい。これにより、計測部2に血液試料7が導入されることで着色剤13が血液試料7中に拡散し、血漿6の着色が行われる。この構成によれば、液体の着色剤13を血液試料7と混合する必要がないため、血液試料7が希釈されることなく、計測部2の体積により即した定量的な分析が可能となる。なお、図3(c)に示す計数チップ1bのように、着色剤13は導入流路9に乾燥固定されていてもよい。
なお、計測部2の厚みd(図1(b)参照)については、20μm<d≦60μm程度の値とされる。この数値範囲は、本実施形態における計数対象である白血球の最大径から平均径の4倍までの範囲にほぼ対応する。計測部2がこの範囲の厚みdを有することにより、白血球は、形状を変化させることなく計測部2に導入されるとともに、白血球への照射光は、白血球以外の部分(赤血球や着色後の血漿)によって遮蔽されにくくなる。これにより、計測部2における白血球と白血球以外の部分との光吸収量の差を大きくすることができ、より高精度に白血球を計数することができる。
さらに、上記dを光路長としたときの、着色後の血漿6bの吸光度をAλとすると、Aλの値を0.05≦Aλ≦2.5の範囲とすることが好ましい。Aλがこの範囲の値を取ることにより、計測部2における白血球5と着色後の血漿6bとの透過光量の差が、光学的にこれらを分類して識別するために十分な値となり、高精度な白血球5の計数が可能となる。
〔2.計数装置の構造について〕
次に、本実施形態において、計数処理を行うための計数装置50の構造について、図5および図6を参照して説明する。
図5は、本実施形態に係る計数装置50の外観を、計数チップ1とともに示す図である。計数装置50は、チップホルダ51と、操作ボタン52と、表示部53とを備えてなる。
チップホルダ51は、血液試料7を導入した計数チップ1を装着するためのホルダである。すなわち、チップホルダ51から計数チップ1を装着することによって、計測部2を計数装置50内部の光源と検出部とによって適切に挟むことができる。
操作ボタン52は、計数処理の開始・終了の指示や、計数処理において用いられるパラメータ等を計数装置50の制御部に入力するためのインターフェースである。さらに、操作ボタン52を介して、計測部2に照射される光の波長や閾値th2、th3の調整、また、計数対象となる血球を決定する操作等を行ってもよい。
表示部53は、計数処理の測定結果や、各種パラメータ等を表示するためのものである。計数装置50の操作者は、表示部53に表示される測定結果を参照して、閾値th2、th3を再設定してもよい。
図6(a)は、本実施形態に係る計数装置50が備える光源61および検出部62を、計数チップ1とともに示す図である。
光源61は、計測部2に充填された血液試料7に対し、照射光を照射するためのものである。上記照射光は、所定の波長域にピークを有する光である。そして、照射光のピークは、例えばヘモグロビンの吸収波長のピークと一致させることができる。光源61は、LED等の発光素子やレーザーによって実現されてもよい。なお、光源61が照射する照射光の強度分布については、測定範囲(検出部62によって透過光量が検出される、計測部2における領域)の最大強度をLmax、最小強度をLminとしたとき、Lmax/Lmin≦2であることが好ましく、最も好ましくは均一である。これにより、照射光の強度の違いに起因する測定誤差を少なくし、高精度に計数対象の血球を計数することができる。以下で記載する光源61の種々の変形例においても、好ましい照射光の強度分布は上記と同様である。
検出部62は、光源61が照射し、計測部2に充填された血液試料7を透過した照射光を検出する。検出部62は、CCD等の受光素子によって実現されてもよい。また、図6(a)に示す構成において、検出部62は、ガラス基板3の面方向に2次元的に配置されるエリアセンサであり、例えばエリアCCDによって実現されてもよい。
上記構成により、計数装置50は、検出部62に重畳する計測部2の範囲に充填された血液試料7中の各領域の光吸収量を測定する。そして、該測定結果に基づいて上記範囲に対応する体積の血液試料7中の血球を計数することができる。なお、上記各領域とは、検出部62の画素サイズに対応していてもよく、すなわち検出部62の空間分解能を指す。さらに、上記画素サイズpは、撮影倍率をxとしたとき、例えば白血球5を計数する場合はp≦15μm・x/2であることが好ましい。さらに、赤血球4の計数も行う場合は、p≦8μm・x/2程度であることが好ましい。これにより、透過光量によって計数対象の血球を高精度に計数することが可能となる。以下で記載する検出部62の種々の変形例においても、好ましい画素サイズは上記と同様である。
エリアセンサによって実現された検出部62は、一度に広範囲の計測部2の領域についての測定が可能となる。一方で、要求される測定範囲の拡大に従って光源61とともに大型化が必要となる場合もある。
そこで、計数装置のコンパクト化を実現するために、図6(b)に示す構成の光源61aおよび検出部62aを用いることが可能である。図6(b)は、検出部62aとして、ガラス基板3の面方向に水平であり、なおかつ計数チップ1における血液試料7の導入方向に垂直な方向に1次元的に配置されたラインセンサを備えた構成を示す断面図である。また、検出部62aは、例えばラインCCDによって実現されてもよい。
図6(b)に示す構成において、光源61aおよび検出部62aは、光源61aにより照射される照射光が検出部62aにより受光される状態を維持しつつ、図中の白矢印の方向に平行に移動する。なお、光源61aおよび検出部62aの移動方向(図中白矢印)は計数チップ1における上記試料の導入方向(図中黒矢印)と平行であることが好ましい。しかしながら、光源61aおよび検出部62aの移動方向は、これに限られず、ガラス基板3の平板方向に対して平行であればよい。また、図6(b)では光源61aおよび検出部62aが1方向に移動する構成を示しているが、光源61aおよび検出部62aは2方向に移動してもよい。
光源61aと検出部62aとが上記のように移動することにより、計数装置50は、検出部62aの移動範囲に重畳する計測部2の範囲(好ましくは計測部2全体)に充填された血液試料7中の各領域の光吸収量を測定する。そして、該測定結果に基づいて上記範囲に対応する体積の血液試料7中の血球を計数することができる。なお、上記各領域とは、検出部62aを実現するラインセンサの受光素子の単位時間(測定の時間分解能)当たりの移動範囲に対応していてもよく、すなわち検出部62aの空間分解能を指す。これにより、光源61aおよび検出部62aに係る設置空間や価格を抑えながら、計測部2の広範囲に亘る測定が可能となる。
〔3.計数チップの流路の形状について〕
本発明に係る計数チップ1の各流路は多様な形状を有しうる。以下に、いくつかの例を示す。なお、説明の便宜上、先行の記載にて説明した図面と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
図7(a)は、図2に示した計数チップ1において、矩形形状を有する計測部2に代えて、ジグザグ状の蛇行流路である計測部2aを備えた計数チップ1cを示す。計測部2aが細い蛇行流路であることにより、図2に示した矩形形状を有する計測部2と比較して、より強い毛細管力が働くので、計測部2cの全体に血液試料7を容易に充填することができる。
図7(b)は、図2に示した計数チップ1において、矩形形状を有する計測部2に代えて、楕円形の計測部2bを備えた計数チップ1dを示す。計測部2bは円形であってもよい。計測部2bが円形または楕円形を有することにより、計測部2bの全体に確実に血液試料7を充填することができる。
図7(c)は、図2に示した計数チップ1において、矩形形状を有する計測部2に代えて、流路内に複数のピラー構造71を設けた計測部2cを備えた計数チップ1eの上面図である。図7(c)に示す構成において、計数チップ1eを構成する基板3cは、基板3dと基板3eとが接合されてなり、例えばPDMS(ポリジメチルシロキサン)等の変形しやすい物質からなる部材として想定されている。ピラー構造71は、図7(d)に示すように、計測部2cにおいて、基板3dおよび基板3eを支える柱構造であり、基板3dおよび基板3eの湾曲等による計測部2cの変形を防ぐ機能を果たす。これにより、PDMS等の変形しやすい基板3cから構成される計数チップ1eにおいても、計測部2cの高さが一定に保たれる。
図7(e)は、図2に示した計数チップ1において、矩形形状を有する計測部2に代えて、側面が開放された計測部2dを備えた計数チップ1fの上面図である。また、計数チップ1fは、計数チップ1c(図7(a)参照)等に設けられた円形の開口部である空気孔10に代えて、計測部2dの各側面と同程度の長さを有する溝である空気孔10aを備えている。さらに、計数チップ1fは空気孔流路11を備えておらず、計測部2dと空気孔10aとは、疎水部12aのみによって隔てられている。
図7(f)は、計数チップ1fの断面図である。図7(f)に示すように、計数チップ1fは、計測部2dと空気孔10aとの間に幅の狭い空気孔流路11が設けられていない。したがって、図2に示した計数チップ1と比較して、短時間でより多くの空気を外部に排出することができる。よって、計測部2dに効率的に血液試料7を充填することができる。
なお、図7(e)において、計測部2dは3面の側面が空気孔10aに開放されている構造となっているが、計数チップ1fにおいて開放されている側面の数は3に限定されず、1面のみ、あるいは計測部の側面すべてが空気孔10aに開放されていてもよい。
〔4.フローシステムを利用した計数チップと計数装置の構造について〕
上述の記載において、計測部2およびその変形例は、全て基板の面方向における広がりを有する流路として説明したが、本発明に係る計測部の形状はこれに限定されない。本発明に係る計数チップ1および計数装置50に関する別の構成例について、図8および図9を参照して説明する。なお、説明の便宜上、既に説明した図面と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
以下の記載においては、フローシステムを利用した血球計数に係る計数チップ1および計数装置50についての構成例を示すとともに、血漿6の着色方法についても、上述とは異なる態様を説明する。具体的には、着色剤13は液体であり、血液試料7とは別に計数チップ1gに導入され、計測部2eより上流の流路において血液試料7と合流し、血漿6を着色する。
図8(a)は、図2に示した計数チップ1の構成において、導入流路9に代えて試料導入流路9aを、計測部2に代えて計測部2eを、空気孔流路11に代えて排出流路85を、空気孔10に代えて排出部86を備えた計数チップ1gの上面図である。計数チップ1gはさらに、着色剤導入孔81と、着色剤導入流路82と、合流部83と、着色流路84とを備えている。
試料導入流路9aは、試料導入孔8から導入された血液試料7を、合流部83に導くための流路である。なお、試料導入流路9aを通過する血液試料7は、血漿6が着色されていない血液試料7である。
着色剤導入孔81は、液体である着色剤13を計数チップ1gに導入するための開口部である。図中では試料導入流路9aの両側に1つずつ設けられているが、片側に1つのみ設けられていてもよい。
着色剤導入流路82は、着色剤導入孔81から導入された着色剤13を、合流部83へと導く流路である。着色剤導入孔81と同様、1つのみ設けられていてもよい。
合流部83は、試料導入流路9aから導入された血液試料7と、着色剤導入流路82から導入された着色剤13との合流点である。
着色流路84は、合流部83において合流した血液試料7と着色剤13とが計測部2eを通過する前に混合されるように設けられた流路である。
計測部2eは、着色流路にて着色された血漿6を含む血液試料7を通過させる狭隘部である。計測部2eの流路幅wは、好ましくは20μm<w≦60μmであり、計測部2eの上記厚みdとの組み合わせにより、白血球5が1個ずつ計測部2eを通過するために適切な値である。なお、図中では着色流路84および排出流路85の流路の幅方向の中央で狭窄しているが、着色剤導入流路82が片側のみに設けられている場合は、着色流路84を基準として、着色剤導入流路82の反対側方向に狭窄していることが好ましい。
これは、合流部83において、血液試料7に対し着色剤13が片側から合流すると、血液試料7は着色剤13によって着色剤導入流路82の反対側に押される形となり、着色流路84において白血球5は着色剤導入流路82と反対側に偏って流れることになるためである。すなわち、このような状態の白血球5が計測部2eをスムーズに通過するためには、計測部2eは、白血球5が偏っている側に狭窄していることが好ましい。
排出流路85は、計測部2eを通過した血液試料7を、排出部86に導くための流路である。
排出部86は、計測部2eを通過した血液試料7を、計数チップ1gの外部に排出するための開口部である。
図8(b)を参照して、計数チップ1gにおける血液試料7の導入方法を説明する。図8(b)は、図8(a)に示した計数チップ1gにおける、試料導入流路9a、着色剤導入流路82、合流部83、着色流路84、計測部2e、排出流路85を含む領域の拡大図である。
図8(b)に示すように、試料導入孔8から図中黒矢印の方向に導入された血液試料7は、計数対象の粒子として白血球5を含んでおり、試料導入流路9aを通過し、合流部83へ到達する。なお、図中で血液試料7に含まれる計数対象の粒子を白血球5としているが、これに限らず、上記粒子は赤血球4等の他の細胞であってもよい。
一方、着色剤導入流路82からは、着色剤導入孔81から図中白矢印の方向に導入された着色剤13が、血液試料7を両側から挟む形で合流部83へ到達する。これにより、着色剤13がシース液の機能を果たし、着色流路84においてシースフローが形成される。さらに、試料導入流路9a、着色剤導入流路82、および着色流路84の幅、またはこれらを通過する血液試料7および着色剤13の流量を調節することにより、着色流路84において通過する着色後の血漿6を含む血液試料7において、白血球5を1列に並べることが好ましい。これにより、上記流路幅wを有する計測部2eへの白血球5の導入がスムーズに行われる。
図9は、血液試料7と着色剤13とが導入された計数チップ1gと、光源61bおよび検出部62bとを示す断面図である。図中の黒矢印は血液試料7の導入方向を示す。
光源61bは半導体レーザーによって実現可能であり、検出部62bは上記半導体レーザーによって照射されたレーザー光を受光するフォトディテクタによって実現可能である。光源61bと検出部61bとは、計測部2eを挟むように設置される。光源61bおよび検出部62bは、狭窄した計測部2eに重畳し得る形状であればよいため、さらに計数装置の小型化が可能となる。
光源61bは、計測部2eを通過する血液試料7にレーザー光を照射し、検出部62bは、計測部2e内の血液試料7を透過した上記レーザー光を検出する。これが一定時間繰り返され、検出部62bが検出した透過光量に基づき、計測時間中に計測部2eを通過した血液試料7中に存在する白血球5の計数が行われる。
半導体レーザーによる光源61bが発するレーザー光は、通常のLEDが発する光と比較して、波長や振幅のばらつきが少ない。このため、所望の波長、すなわち着色剤13や赤血球4の吸収波長のピークとなる波長を有する光を血液試料7に照射することができ、より精度の高い血球計数が可能となる。
〔5.フローシステムを利用した計数チップと計数装置の構造の別の例について〕
本発明に係る計数チップ1および計数装置50のさらに別の構成例について、図10および図11を参照して説明する。なお、説明の便宜上、既に説明した図面と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
図10(a)に、導入流路9および空気孔流路11と同じ流路幅を有する計測部2fを備えた計数チップ1hの上面図を示す。計測部2fは、複数の狭隘部21fによって構成されている。そして、計測部2fにおいては、図11に示すように、血液試料7は計測部2fを通過しながら光源61cから照射光を照射される。より具体的には、血液試料7は、各狭隘部21f通過しながら照射光を照射される。
図10(b)は、計測部2fの拡大図であり、血液試料7が通過している状態を示している。各狭隘部21fの流路幅は、好ましくは計測部2e(図8参照)の流路幅wと同一の数値範囲を取る。これにより、血液試料7が計測部2fを通過するとき、各狭隘部21fにおいて白血球5が1列に並ぶ。
図11は、計数チップ1hとともに、光源61cおよび検出部62cの構成を示す図である。検出部62cは、ガラス基板3の面方向に水平であり、なおかつ計数チップ1hにおける血液試料7の導入方向に垂直な方向に1次元的に配置されたラインセンサであり、ラインCCD等によって実現される。光源61cと検出部62cとは、計測部2fを挟むように設置される。
また、試料導入孔8から図中矢印の方向に導入された血液試料7は、計数対象の粒子として白血球5を含んでおり、導入流路9を通過し、続いて計測部2fを通過する。なお、図中で血液試料7に含まれる計数対象の粒子を白血球5としているが、これに限らず、上記粒子は赤血球4等の他の細胞であってもよい。
計測部2fにおいて、白血球5は、各狭隘部21f(図10(b)参照)を1列に並んで通過する。この狭隘部21fを通過する白血球5を含む血液試料7に対し、光源61cから照射光が照射され、検出部62cは、血液試料7を透過した上記照射光を検出する。検出部62cが検出した透過光量に基づいて、白血球5の計数が行われる。
以上のように、計測部2f(図10(b)参照)は、狭隘部21fを複数備えることにより、計測部2e(図8(a)参照)を複数備えていると見做せる構造を有している。これにより、計測部2fを用いることにより、計測部2eを用いるよりも一度に計測できる血液試料7の体積が多くなるため、高効率な血球計数が可能となる。
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
本発明に係る計数チップ、計数方法、および計数装置は、バイオテクノロジーの分野における、医薬品製造等の試料中の粒子管理、および医療分野における血液中の血球測定や尿中の有形成分分析等に、好適に利用することができる。
1、1a、1b、1c、1d、1e、1f、1g、1h 計数チップ
2、2a、2b、2c、2d、2e、2f 計測部
3 ガラス基板(透光性を有する1対の平板)
3a、3b ガラス基板(平板)
4 赤血球(計数対象ではない粒子、第2の粒子)
5 白血球(計数対象物質、第1の粒子)
6 血漿(計数対象物質以外の部分、液体部)
6b 着色後の血漿(着色された部分)
7 血液試料(試料)
13 着色剤
50 計数装置
61、61a、61c 光源
61b 光源(半導体レーザー)
62 検出部(エリアセンサ)
62a、62c 検出部(ラインセンサ)
62b 検出部(フォトディテクタ)

Claims (17)

  1. 計数対象物質を含む試料を挟み、透光性を有する1対の平板を備え、
    上記試料中における上記計数対象物質以外の部分であって、着色剤により着色された部分により、上記試料に照射される照射光が吸収される量を示す第1光吸収量と、上記照射光が上記計数対象物質により吸収される量を示す第2光吸収量との差を計測するための計測部が、上記平板により構成されていることを特徴とする計数チップ。
  2. 上記計測部に上記着色剤が乾燥固定されていることを特徴とする請求項1に記載の計数チップ。
  3. 上記計測部について、上記平板に対する垂直方向の距離をdとしたとき、
    上記dが、上記計数対象物質の最大径よりも大きく、平均径の4倍以下であることを特徴とする請求項1または2に記載の計数チップ。
  4. 試料中に含まれる計数対象物質を計数する計数方法であって、
    上記試料を、透光性を有する1対の平板の間に挟み、
    上記試料中における上記計数対象物質以外の部分を着色剤によって着色し、
    上記試料に照射される照射光が上記着色剤により着色された部分により吸収される量を示す第1光吸収量と、上記照射光が上記計数対象物質により吸収される量を示す第2光吸収量との差によって、上記計数対象物質を計数することを特徴とする計数方法。
  5. 上記試料は、上記計数対象物質と、液体部と、計数対象ではない粒子とにより構成されるものであり、
    上記着色剤は、上記液体部を着色するものであるとともに、上記計数対象ではない粒子の吸収波長域に吸収波長のピークを有することを特徴とする請求項4に記載の計数方法。
  6. 上記試料が血液であり、
    上記計数対象物質が白血球であり、
    上記液体部が血漿であることを特徴とする請求項5に記載の計数方法。
  7. 上記着色剤に含まれる色素がヘモグロビンであることを特徴とする請求項6に記載の計数方法。
  8. 上記計数対象ではない粒子が赤血球であり、
    上記着色剤が溶血上清であることを特徴とする請求項7に記載の計数方法。
  9. 上記試料は、上記計数対象物質としての第1の粒子および第2の粒子と、液体部とにより構成されるものであり、
    上記着色剤は、上記液体部を着色するものであるとともに、上記第1の粒子および上記第2の粒子の吸収波長域と異なる波長域に吸収波長のピークを有することを特徴とする請求項4に記載の計数方法。
  10. 上記着色剤が水溶液であることを特徴とする請求項5から9のいずれか1項に記載の計数方法。
  11. 上記着色剤が上記液体部の等張液であることを特徴とする請求項5から10のいずれか1項に記載の計数方法。
  12. 上記透光性を有する1対の平板に挟まれた空間について、上記平板に対する垂直方向の距離をdとしたとき、
    上記着色剤により着色された後の上記計数対象物質以外の部分の、上記dを光路長としたときの吸光度が、0.05以上、2.5以下であることを特徴とする請求項5から11のいずれか1項に記載の計数方法。
  13. 請求項1から3のいずれか1項に記載の計数チップに対して照射光を照射する光源と、
    上記第1光吸収量と上記第2光吸収量との差を検出する検出部とを備えていることを特徴とする計数装置。
  14. 上記検出部が、上記計数チップを構成する上記平板の面方向に2次元的に配置されるエリアセンサであることを特徴とする請求項13に記載の計数装置。
  15. 上記検出部が、上記計数チップを構成する上記平板の面方向に水平であり、なおかつ上記計数チップにおける上記試料の導入方向に垂直な方向に1次元的に配置されたラインセンサであることを特徴とする請求項13に記載の計数装置。
  16. 上記光源により照射される上記照射光が上記検出部により受光される状態を維持しつつ、上記光源および上記検出部が、上記計数チップにおける上記試料の導入方向に対して平行に移動することを特徴とする請求項15に記載の計数装置。
  17. 上記光源が半導体レーザーであり、上記検出部が上記半導体レーザーによって照射されたレーザー光を受光するフォトディテクタであることを特徴とする請求項13に記載の計数装置。
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