JP2009525847A - 生化学計器における反応温度を制御する方法および装置 - Google Patents

Abstract

生化学分析器において１つ以上の反応容器の温度を制御する方法および装置は、好ましくは鋳造アルミニウムまたは類似のものから作られる熱交換ブロック、および所望の温度範囲内にブロックを加熱または冷却する熱電気装置を備えている。伝熱ブロックは、熱エネルギ移動関係で１つ以上の反応容器を受け入れ、熱エネルギ移動関係で熱容器の内部に液体または気体を伝導するように働く１つ以上の流体導管をさらに支持する。好ましくは、伝熱ブロックは、アルミニウムから鋳造され、流体導管は、鋳物の中に配置される。共通のブロックに反応容器および流体導管を支持することによって、単一の熱電気装置および制御器が、複数の流体試薬および／または気体、ならびに１つ以上の反応容器のそれぞれの温度を同時に制御するために用いられ、それによって、熱制御システムの所要電力を減少させる。

Description

（発明の分野）
本発明は、例えば、血液学および血液化学分析器などの生化学計器における反応の温度を制御する装置の改良に関する。

（先行技術）
血液学および他の血液分析計器において、後の分析のための試料を作成するために、少量の血液試料を特定の希釈剤および／または液体試薬と混合することが必要である。例えば、血液学計器において、正確な量の全血液試料は、後の示差白血球分析に有用である所望の同質の希釈された濃度の溶解した細胞を得るために、反応容器において溶解および安定して溶解する試薬に順次に混合される。同様に、正確な量の全血液試料、希釈剤および溶解する試薬は、試料を同時に希釈し、有核の赤血球分析のための試料を作成するために成熟の赤血球の試料を除去するために、一般に一緒に混合される。化学分析器において、試料における対象とする特定の化学元素または化合物の存在に応じて色を変化させる液体の試薬に少量の血清を混合することが一般的である。両方のタイプの計器において、化学反応の所望の結果および／または試料作成処理に関係した流体の混合が容易に達成され得る最適な温度かまたはそれに近い温度で、試料作成処理を実行することが常に望ましい。しばしば、この最適な温度は、室温、すなわち華氏約７５度（°Ｆ）の近くである。管理当局は、これらの計器が例えば、６０〜９０°Ｆの相対的に広い周囲温度範囲内で申し分なく動作する能力がなければならないと規定するので、そのような計器において、試料作成が選択された最適な温度かまたはそれに近い温度で実行されることを確実にするために、反応容器ならびに試料および試薬の両方のそれぞれの温度を制御するいくつかの手段を提供することが必要である。

同一人に譲渡されたＯｋａｗａらに対する特許文献１において、化学分析器において反応温度を制御する装置が開示される。そのような装置は、複数の反応容器すなわち「セル」の温度を制御するために動作し、一方同時に、受け入れセルの温度を乱すことなく各セルに供給される液体の温度を制御する。そのような装置は、複数の熱電気の加熱／冷却エレメントを備え、一部の該エレメントは、個々の反応セルを所望の反応温度に個々に加熱または冷却（周囲温度によって）するように働き、他のエレメントは、流体試薬が反応セルに供給される個々の導管を加熱または冷却するように働く。試薬の温度を制御するために、試薬導管は、熱電気加熱／冷却エレメントが熱的に結合されるアルミニウムの円筒形の「小塊（ｓｌｕｇ）」の回りにコイル状に巻かれる。コイルは、反応セルに届けられるべき流体の少なくとも最大の選択可能な量を保持するような大きさに作られる。従って、熱電気装置によって加熱（または冷却）されると、金属の小塊は、その回りに巻かれた試薬の導管およびその中にある液体に熱を伝えるか、または該導管およびその中にある液体から熱を除去する。この配置により、試薬の温度は、反応セルへの通過の前に、所望の温度に一致するようにされ得る。同時に、複数の反応セルの反応セル温度の制御は、各容器の温度を独立して制御するために、複数の熱伝導容器の各々に独立の熱電気の加熱／冷却エレメントを熱的に結合することによって達成される。

上記の装置において、試薬導管および試薬容器の各々を加熱または冷却するための複数の熱電気の加熱／冷却装置に対するニーズは、熱制御システムを、製造、較正、維持するのに相対的に複雑でかつ費用のかかるものにしている。
米国特許第４，８５８，１５５号明細書

前述の討議を考慮して、本発明の目的は、反応容器ならびに種々の液体および気体が反応容器の中に導入され得る複数の流体導管を選択的かつ同時に加熱または冷却するためにただ１つの熱電気制御を必要とする上記のタイプの熱制御システムを提供することである。

本発明の別の目的は、複数の反応容器、および複数の反応容器に後の分析のための複数の液体試料を作成するのに必要な成分を供給するように働く複数の流体導管のそれぞれの温度を選択的かつ同時に制御する改良された装置を提供することである。

本発明の好ましい装置は、（ａ）ブロックであって、ブロックが反応容器の反応チャンバ部分の側壁および／または底壁に熱的に密接に接触するように、１つ以上の反応容器を受けかつ支持するような外形である第１の空洞と、熱伝導関係で、反応容器に液体および／または気体を供給するように働く１つ以上の流体導管を支持するように適合される第２の空洞とを有する、好ましくはアルミニウムから作られる熱伝導材料のブロックと、（ｂ）熱伝導ブロックの温度を感知し、そのような温度を示す制御信号を生成する、好ましくはサーミスタである熱センサと、（ｃ）熱制御装置であって、流体が流体導管を通過し反応チャンバに入るときに、熱伝導ブロックを所望の温度に維持するために、熱伝導ブロックを選択的に加熱または冷却する制御信号に応答する熱制御装置とを備えている。好ましくは、熱伝導ブロックは複数の流体導管および複数の反応容器を支持する。ブロックが鋳造されたアルミニウムから作られ、導管がステンレス鋼などの耐久性のある高熱伝導性の金属から作られることがさらに好ましく、導管は、ブロックが形成される鋳造工程中にブロックの内部の中に一体化される。

本発明のおかげで、いくつかの試薬および反応チャンバの温度は、単一の熱電気ユニットによって制御され得る。さらに以下に説明されるように、ブロックのエネルギ貯蔵容量を介して冷却または加熱の負荷を散布することによって、熱電気装置の所要電力が最小限にされる。なおもさらに、構造のコンパクト性は高いエネルギ効率性という結果になる。

本発明およびその様々な局面および利点は、同様な参照記号は同様な部品または構成要素を示す添付の図面を参照して、以下の好ましい実施形態の詳細からより良く理解される。

（好ましい実施形態の詳細な説明）
ここで図を参照すると、図１は、分析のための血液試料を作成するための血液学計器において用いられるタイプの複数の反応容器ＲＶ１〜ＲＶ３を例示する。各反応容器は、囲まれた混合チャンバ部分（ＭＣ１〜ＭＣ３として示される）を規定し、下にある混合チャンバを囲むキャップＣを備えている。各キャップは、１つ以上の入力ポートＰを支持し、入力ポートを通って、様々な試薬（例えば、溶解剤（ｌｙｓｅ）Ｌ、安定剤（ｓｔａｂｉｌｙｓｅ）Ｓおよび希釈剤Ｄ）が混合チャンバの中に導入され得る。各容器は、試薬をその中にある試料に均一に混合させるために、ポートＰ’を通って加圧空気Ａが混合チャンバの内容に選択的に向けられ得る、ポートＰ’と、開口部８を通って、血液試料が試薬との混合のための混合チャンバの中に調合され得る、容器の上部に形成される開口部８（図７に最も良く示される）とをさらに備えている。混合チャンバにおける血液試料の作成に続いて、作成された試料ＰＳは、ポートＰ”を通って反応容器から移動され得る。作成された試料が分析されている間に、各混合チャンバは、希釈剤によって洗浄され、廃液は、廃棄ポートＷを通って除去される。図１において、３つの反応容器ＲＶ１〜ＲＶ３は、示差白血球分析（ＤＩＦＦ）、有核赤血球（ＮＲＢＣ）分析、および網状赤血球（ＲＥＴＩＣ）分析のための血液試料を作成するために用いられるとしてそれぞれ例示される。

上記のように、血液学計器および類似の生化学分析器は、一般的に、例えば６０〜９０°Ｆの周囲温度である相対的に広い範囲にわたって動作するように設計される。しかし、試薬が血液試料に最も良く反応する温度は、設計上、例えば、７５＋／−３°Ｆのほぼ通常の室温である。従って、計器の周囲温度が最も良い反応温度範囲外であるとき、所望の反応を維持するように試薬および／または反応容器を冷却または加熱のいずれかを行なうことが非常に望ましい。

図２〜図５において、上記のタイプの計器における複数の反応容器およびそれに供給される試薬のそれぞれの温度を選択的に加熱または冷却する装置が、図５に最も良く示される熱伝導の熱交換ブロック１０を備えているものとして示される。そのような装置は、熱電気加熱／冷却装置１２をさらに備え、熱電気加熱／冷却装置１２は、使用時に制御器１８に動作可能に接続されるコネクタ１９を有する、サーミスタなどの温度センサ１３の出力に応答してブロック１０の温度を制御するために、マイクロプロセッサベースの制御器１８の制御の下で動作する。センサ１３は、ブロック１０に熱的に結合され、熱交換ブロックの瞬間的な温度を反映する出力信号を連続して生成する。好ましくは、ブロック１０は、高い熱伝導性の金属材料の固体の部品から組み立てられ、最も好ましくは、アルミニウムまたは銅の合金から鋳造される。図４および図５に最も良く示されるように、ブロック１０は、複数の反応容器受け入れ空洞１４を規定し、各々の空洞は、熱エネルギ伝導関係において、少なくとも反応容器ＲＶの混合チャンバ部分ＭＣを受け（ｒｅｃｅｉｖｅ）、受け入れる（ｃｒａｄｌｅ）ように外形が作られる。従って、ブロック１０の温度を制御することによって、すべての３つの反応容器（示される実施形態において）の温度は、ブロックと各反応容器の混合チャンバとの間の熱エネルギの伝達によって同時に制御される。

図３〜図６に最も良く示されるように、熱交換ブロック１０は、複数の流体の導管１６を支持し、そこに熱エネルギを移動させるようにさらに機能し、複数の導管１６によって、試料および試薬が混合のために反応容器中で調合される。これらの導管は、反応容器の混合チャンバ内で物質の空気噴射混合を提供するために用いられる、例えば空気などの加圧気体を伝導するようにさらに働く。図６において、３対のそのような導管が示され、各対は、螺旋形に巻かれ、互いにかみ合わされる第１の個々の導管１６Ａおよび第２の導管１６Ｂのそれぞれを備えている。かみ合わせは、熱エネルギを導管に移動するためにブロック１０内において必要とされるスペースを保存するように働き、螺旋状の巻きは、各導管の長さおよび伝熱面積、ならびに各導管と、各導管の入口カップリング２０から各導管の出口カップリング２２に通過する流体との間の熱交換能力を効果的に拡張する。好ましくは、導管１６Ａおよび１６Ｂの各々はステンレス鋼から作られ、図４に示されるように、各々は、鋳造されたアルミニウムブロックにはめ込まれ、それによって、ブロックと導管内の流体との間において優れた伝熱が提供される。ブロック１０への流体の導管のそのようなはめ込みは、溶解アルミニウムをモールドの中に注ぐ前に、ブロック１０の外形を規定するモールドに導管の位置を定めることによって達成され得る。導管は、ブロック材料の融解温度より実質的に高い融解温度を有し、ブロック材料と化学的に反応しない任意の材料から作られ得る。ステンレス鋼が好ましい。

熱電気制御装置１２は、従来的な方法で、反応容器およびそれに供給される流体の温度を調整するために、必要に応じ熱交換ブロック１０の温度を変動するように働く。そのような装置は市販されており、好ましい熱電気制御装置は、Ｓｕｐｅｒｃｏｏｌ Ｕ．Ｓ．Ｉｎｃ．から入手され得る。熱交換ブロック１０の機能は、熱電気装置１２に熱エネルギを蓄え、熱電気装置１２から熱エネルギを除去すること、流体導管によって運ばれる液体試薬または空気に熱エネルギを移動させ、流体導管によって運ばれる液体試薬または空気から熱エネルギを吸収すること、および反応容器の反応チャンバに対する温度制御されたその場の周辺を提供することを含む。ブロック−温度センサ１３は、熱交換ブロック１０に取り付けられ、コネクタ１９を介して制御基板１８に接続される。ケーブル２３を介して、制御基板は、熱電気モジュール１２、およびヒートシンク２８の温度を制御するファン２７に電力を供給し、ファン２７およびヒートシンク２８の両方とも熱電気装置１２内に位置する。

制御基板は、熱交換ブロック温度センサ１３の出力を監視するように機能し、それに従って、熱電気装置１２への電力を調整する。制御基板は、さらに、熱電気装置へのＤＣ電源入力の極性を自動的に切り換えるように動作し、それにより、周囲温度によって、システムの加熱モードと冷却モードとを切り換える。試薬供給ライン（図示されていない）は、図６にも最も良く示されるように、螺旋状に巻かれた流体導管１６の入力フィッティング２０に接続され、そのようなフィッティングは、伝熱ブロック１０の下に位置する。液体の試薬および空気は、螺旋状の導管１６を通って流れ、螺旋状の導管１６は、ブリッジング管２６および熱交換ブロック１０の上に位置する出力フィッティング２２によって反応チャンバの入力ポートＰに接続される。制御基板１８は、計器の主電源によって電力供給され、制御パラメータは、制御基板または計器コンピュータにおいて適切にプログラムされる。断熱ハウジング３０はブロック１０のまわりに配置され、エネルギ効率を増加させるために、周囲へのシステムからのエネルギ損失を最小にするように機能する。

計器の電源が投入されると、熱制御処理が開始する。制御基板１８は、熱交換ブロックの温度を示す温度センサ１３を読み取る。温度が設定点（例えば、７５°Ｆ）より高い場合、制御基板は、熱電気装置が冷却モードで動作するように、極性を有するＤＣ電源を供給する。熱交換ブロック温度は従って減少する。ブロック温度が設定点（７５＋／−３°Ｆ）の近くの範囲内のレベルに達したとき、システムは、熱電気装置の入力電流がブロック温度と設定点との差に比例するように、比例の制御位相において動作する。試料作成中、試薬が導管を通って流れると、試薬は、ブロックから伝熱させることによって、螺旋状のコイルの端部においてブロック温度の近くのレベルまで冷却される。同時に、ブロック温度は増加し得、それで熱電気装置の入力電力は増加し、所望の設定点に近いブロック温度を維持するために、ブロックからより多くの熱を除去する。制御の性能は、熱電気装置電力、試薬消費速度、流体導管の螺旋形コイルのサイズ、および熱交換ブロックの熱容量の正しい選択に依存する。インプリメントされた実施形態において、ブロック温度は、７５＋／−２°Ｆの範囲内にとどまるように示された。反応チャンバ本体は、熱交換ブロックに囲まれ、それで、ブロック温度と同じ温度範囲内にとどまる。周囲温度が設定点より低いとき、システムは、類似の熱交換処理において加熱モードで動作する。

熱交換ブロックの熱容量は、システムの処理および性能において重要な働きをする。第１に、熱容量は、エネルギの貯層として働く。試薬を冷却または加熱するエネルギは、熱電気装置から直接になされないので、エネルギは、熱電気装置へのピーク要求を大幅に減少させる。第２に、エネルギは安定剤として働く。試薬消費に対する熱交換ブロックの熱容量の比率が高ければ高いほど、ブロック温度の変動は小さい。

ブロック１０を通過する様々な流体物質（噴射混合空気を含む）の種々の熱交換係数の理由を説明するために、導管の長さが変更され得、一部の導管は他のものより多くのコイル巻きを有する。あるいは、相対的に低い熱交換係数を有する例えば空気などの一部の流体は、適切な架橋導管によって直列に接続されている複数の導管を通され得、一方通常、反応容器に相対的に大量に供給される希釈剤などの他の流体は、同時に複数の導管を通され得、この場合、これらの導管は、希釈剤供給源および所望の反応チャンバに並列に接続される。

本発明は、特定の好ましい実施形態に関して記述されてきた。明らかに本発明の精神から逸脱することなく、変形が行なわれ得、そのような変形は、添付の特許請求の範囲の範囲内であることが意図される。

図１は、血液学計器において用いられるタイプの複数の反応容器を例示する。 図２は、本発明を具体化する血液学計器の一部の斜視図である。 図３は、図２の装置の組立分解図である。 図４は、図２の装置の断面図である。 図５は、図２の装置の加熱／冷却ブロックの背面斜視図である。 図６は、図５に例示される加熱／冷却ブロック内に支持されるコイル状の試薬導管の斜視図である。 図７は、本発明の装置と共に用いられるタイプの反応容器の斜視図である。

Claims (17)

1. １つ以上の反応容器内において一緒に混合される種々の物質の反応温度を制御する装置であって、該装置は、
   （ａ）熱伝導材料を備える熱交換ブロックであって、該ブロックは、（ｉ）１つ以上の第１の空洞であって、その各々は、該ブロックが該反応容器の側壁および／または底壁に熱的に密接に接触するように、反応容器を受けかつ支持するような外形である、１つ以上の第１の空洞と、（ｉｉ）複数の第２の空洞であって、その各々は、熱伝導の関係で、該反応容器の中に物質を導入するための導管を支持するように適合される、複数の第２の空洞とを規定する、熱交換ブロックと、
   （ｂ）該熱伝導ブロックの温度を感知し、そのような温度を示す制御信号を生成する熱センサと、
   （ｃ）熱伝導ブロックを加熱または冷却するために、該制御信号に応答し、該反応容器および該導管を通過し該反応容器に入る物質のそれぞれの温度を所望の反応温度範囲内に維持するように適合された温度で、熱伝導ブロックの温度を維持する、熱電気制御装置と
   を備えている、装置。
2. 前記導管のうちの少なくとも１つは、形状が螺旋形である、請求項１に記載の装置。
3. 前記反応容器内の前記物質を混合するために加圧気体の噴射が用いられ、該気体は１つ以上の前記導管を通って該反応容器の中に導入され、該加圧気体の温度は前記熱電気制御装置によって制御される、請求項１に記載の装置。
4. 複数の導管が直列に接続され、選択された物質は、該複数の導管の温度を順次に制御するために、該複数の導管を通される、請求項１に記載の装置。
5. 複数の導管が並列に接続され、選択された物質は、該複数の導管の温度を同時に制御するために、該複数の導管を通される、請求項１に記載の装置。
6. 前記ブロックを有する前記導管の一部は、他の導管より長く、種々の熱交換特性を有する物質のそれぞれの温度は、制御可能である、請求項１に記載の装置。
7. 前記熱伝導ブロックは、溶融した金属が前記第１および第２の空洞を規定するように形作られたモールドに注入される鋳造工程によって作られる、請求項１に記載の装置。
8. 前記熱伝導ブロックは、溶融した金属が前記第１の空洞を規定するように形作られたモールドに注入される鋳造工程によって作られ、前記第２の空洞の形状は、該鋳造工程中に該モールド内に配置される独立した導管によって規定され、該導管は該ブロックが鋳造される金属より高い溶融温度を有する第２の金属から作られる、請求項１に記載の装置。
9. 前記溶融した金属は、アルミニウムを含み、前記第２の金属はステンレス鋼を含む、請求項８に記載の装置。
10. 前記導管は螺旋形である、請求項８に記載の装置。
11. 反応容器内において一緒に混合される種々の物質の反応温度を制御する方法であって、該装置は、
    （ａ）熱伝導材料の熱交換ブロックを提供することであって、該ブロックは、（ｉ）該ブロックにある第１の空洞であって、該ブロックが該反応容器の側壁および／または底壁に熱的に密接に接触するように、反応容器を受けかつ支持するような外形である、第１の空洞と、（ｉｉ）第２の空洞であって、熱伝導の関係で、該反応容器の中に物質を導入するための複数の導管を支持するように適合される、第２の空洞とを規定する、熱交換ブロックを提供すること、
    （ｂ）該ブロックの該第１の空洞に該反応容器を配置することと、
    （ｃ）該導管を通って、該反応容器の中に物質を通すことと、
    （ｄ）該熱伝導ブロックの温度を感知し、そのような温度を示す制御信号を生成することと、
    （ｅ）該制御信号に応答して、熱伝導ブロックを加熱または冷却し、該反応容器および該導管を通過し該反応容器に入る物質のそれぞれの温度を所望の反応温度範囲内に維持するように適合された温度で、熱伝導ブロックの温度を維持する、ことと
    を包含する、方法。
12. 前記熱伝導ブロックは複数の反応容器を支持する、請求項１１に記載の方法。
13. 前記反応容器内の前記物質を混合するために加圧気体の噴射が用いられ、該気体は１つ以上の前記導管を通って該反応容器の中に導入され、該加圧気体の温度は制御される、請求項１１に記載の方法。
14. 複数の導管が直列に接続され、選択された物質は、該導管の温度を制御するために、該複数の導管を通される、請求項１１に記載の方法。
15. 複数の導管が並列に接続され、選択された物質は、該導管の温度を同時に制御するために、該複数の導管を通される、請求項１１に記載の方法。
16. 前記熱伝導ブロックは、溶融した金属が前記第１および第２の空洞を規定するように形作られたモールドに注入される鋳造工程によって作られる、請求項１１に記載の方法。
17. 前記熱伝導ブロックは、溶融した金属が前記第１の空洞を規定するように形作られたモールドに注入される鋳造工程によって作られ、前記第２の空洞の形状は、該鋳造工程中に該モールド内に配置される独立した導管によって規定され、該導管は該ブロックが鋳造される金属より高い溶融温度を有する第２の金属から作られる、請求項１１に記載の方法。

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