JP2021173624A - 分注装置、自動分析装置、分注方法 - Google Patents

分注装置、自動分析装置、分注方法 Download PDF

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Abstract

【課題】ノズルを液面に向かって高速移動させ、高い加速度で減速・停止させたとしても、ノズルから気泡が飛び出すことを防止し、精度の高い分注を実現可能な分注装置を提供する。【解決手段】分注装置は、ノズル113が試料容器100内の液体122の液面に向けて下降し始めてから、ノズル113の端部が液体122の液面に接触した後かつノズル113が下降停止するまでの間の期間において、液体122の吸引を開始する。【選択図】図6

Description

本発明は、液体を分注する分注装置に関するものである。
自動分析装置は、血液、尿等の生体試料に含まれる特定成分の定量分析あるいは定性分析を実施する装置であり、分析結果の再現性、処理速度の高さ等から現在の診断には欠かせないものとなっている。近年、処理能力の向上に加えて、分析コストの削減要求にともない、分析に使用する試薬の量を低減することが求められている。したがって、自動分析装置に搭載される分注装置は、試料・試薬を高速に高い精度で分注することが要求されている。
自動分析装置の分注装置は、分注対象の試料・試薬を吸引する際に、液面検知センサを用いてノズルと液体との接触を検知し、ノズルを液体内へ一定範囲浸漬させて吸引するのが一般的である。液面検知センサは、ノズルの浸漬範囲を制限することにより洗浄効率を高め、別種類の液体を分注するときのクロスコンタミネーションやキャリーオーバを防止するとともに、洗浄時間を短縮し分析処理能力の向上に寄与する。液面検出方式としては、特許文献1に記載されている圧力方式や、特許文献2に記載されている静電容量方式がある。
気泡や外乱ノイズによって液面と異なる場所で誤検知が発生し、液体吸引不良を引き起こす場合がある。これらの誤検知を回避し高い分注精度を維持するために、特許文献3に記載されている液面検知高さを前回値と比較する方法や、特許文献4に記載されている液体保持のないバックグラウンド信号との差分から液面を検知する方法が提案されている。
特開平7−055819号公報 特許第5703376号公報 特開2007−032285号公報 特開2015−184126号公報
処理能力を向上させるためには、ノズル移動などの各動作を高速化する必要がある。また、洗浄時間を抑制するためには、試料や試薬へノズルを浸漬させる範囲を制限する必要がある。したがって、液面までノズルを下降させる速度は高速になる一方、液面に到達してからノズルを停止するまでの距離は制限される。その結果、ノズル減速時の加速度が増加し、慣性によってノズル内の流体が押し出され、ノズル先端に保持している空気などがノズル先端から飛び出すリスクが発生する。ノズル内の空気が飛び出すとそこに液体が侵入し、目的量よりも過剰に液体を吸引してしまう可能性がある。これにより分注量の誤差が生じることとなる。
本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、ノズルを液面に向かって高速移動させ、高い加速度で減速・停止させたとしても、ノズルから気泡が飛び出すことを防止し、精度の高い分注を実現可能な分注装置を提供することを目的とする。
本発明に係る分注装置は、ノズルが液体の液面に向けて下降し始めてから、前記ノズルの端部が前記液体の液面に接触した後かつ前記ノズルが下降停止するまでの間の期間において、前記液体の吸引を開始する。
本発明に係る分注装置によれば、ノズルが液面に到達して高速移動から減速している間に液体が吸引されるので、ノズルが停止して内部の流体が押し出されたとしても、ノズル先端の空気をノズル内部に留め、過剰な液体の吸引を防止することができる。上記した以外の課題、構成、および効果は以下の実施形態の説明により明らかにされる。
実施形態1に係る自動分析装置10の全体構成図である。 実施形態1における分注装置の構成図である。 比較例として従来の分注シーケンスを説明するフローチャートである。 図3のフローチャートにおけるノズル113の動作を示す側面模式図である。 実施形態1における分注シーケンスを説明するフローチャートである。 図5のフローチャートにおけるノズル113の動作を示す側面模式図である。 実施形態2に係る自動分析装置10が備える液面測定部の構成例を示す図である。 実施形態2に係る自動分析装置10が備える液面測定部の構成例を示す図である。 実施形態2における分注シーケンスを説明するフローチャートである。
<実施の形態1>
図1は、本発明の実施形態1に係る自動分析装置10の全体構成図である。自動分析装置10は以下を備える:試料を収めた試料容器100;試料容器100を複数配置した試料ラック101;試薬を収めた試薬ボトル102;試薬ボトル102を複数配置した試薬ディスク103;試料と試薬とを混合させ反応液とする反応セル104;反応セル104を複数配置したセルディスク105;試料を試料容器100内から反応セル104内に移動できる試料分注機構106;試薬を試薬ボトル102内から反応セル104内に移動することができる試薬分注機構107;試料と試薬を反応セル104内で攪拌し混合させる攪拌ユニット108;反応セル104内の反応液に光を照射し、得られる光を受光する測定ユニット109;反応セル104を洗浄する洗浄ユニット110;自動分析装置10が備える各部を制御する制御部111;制御のパラメータや測定したデータを記憶する記憶部112。
試料に含まれる成分量の分析は次の様な手順で実施される。まず試料容器100内の試料を試料分注機構106により反応セル104内に一定量分注する。次に試薬ボトル102内の試薬を試薬分注機構107により反応セル104内に一定量分注する。続いて反応セル104内の試料と試薬とを攪拌ユニット108により攪拌し反応液とする。必要であれば複数の試薬を試薬分注機構107により反応セル104内に追加して分注する。これら分注の際には、試料ラック101の搬送、試薬ディスク103の回転、セルディスク105の回転により、試料容器100、試薬ボトル102、反応セル104を所定の位置に移動させる。反応終了後は、洗浄ユニット110により反応セル104内を洗浄し次の分析を実施する。測定ユニット109は反応液の吸光度を測定し、記憶部112はその測定結果を吸光度データとして格納する。制御部111は吸光度データを用いて、検量線データやランベルト・ベアーの法則に基づき成分量を分析する。
図2は、本実施形態1における分注装置の構成図である。この分注装置は、試料分注機構106と試薬分注機構107いずれに対しても適用することができる。ノズル113を保持し、回転駆動可能なアーム114が、上下に駆動可能なシャフト115上に設置されている。ノズル113、圧力センサ116、シリンジポンプ117は配管118を介して接続されている。この分注流路は先端側がノズル113により開放されていて、基部側が電磁弁119により開放・閉止できるよう構成されている。液面検知センサ120はノズル113と接続されている。液体を分注する際は、ノズル113の先端を液面検知センサ120の信号に基づいて試料・試薬に浸漬させ、電磁弁119を閉止して、シリンジポンプ117により液体(試料や試薬)を吸引・吐出する。分注動作終了後は基部側から電磁弁119を開放し洗浄水を供給する。センサ信号の受信やモータ駆動信号の送信は制御部111が制御する。その制御のための駆動条件などは記憶部112が格納することができる。
図3は、比較例として従来の分注シーケンスを説明するフローチャートである。ノズル113内にシステム水を基部側から供給し、分節空気を吸引すると、本フローチャートが開始する。S301においてノズル113が液面へ向けて下降開始する。S302において、制御部111はノズル113に接続されている液面検知センサ120の信号をモニタし、液面検知信号が受信されるまでS301を繰り返す。ノズル113の先端が液面に到達すると、ノズル113を距離Pdipだけ液体に対して浸漬させる(S303)。ノズル113の下降を停止させると(S304)、ポンプによって目標吸引量Vを吸引する(S305)。
図4は、図3のフローチャートにおけるノズル113の動作を示す側面模式図である。ここでは、試料容器100に入った試料122を反応セル104へ分注するシーケンスのうち、ノズル113を試料122の液面に下降させて吸引する工程を示す。
図4(a)では、ノズル113はシステム水121で満たされている。図4(b)で分節空気123を吸引する。ここから図3のフローチャートが開始され、S301でノズル113が試料122の液面に向けて下降する。S302では、制御部111はノズル113に接続されている液面検知センサ120の信号をモニタし、液面検知信号が受信されるまでS301の下降を繰り返す。
図4(c)のようにノズル113が試料122の液面に達すると、S302で制御部111が液面検知信号を受信して、S303へと進む。S303ではさらにノズル113を距離Pdipだけ下降させる。この区間ではモータの脱調を防止するために下降速度を減速するのが一般的である。図4(d)は図4のS303に相当する。
S304でノズル113が停止する。図4(e)はS304に相当し、ノズル113の先端は深さPdipだけ浸漬している。この浸漬量Pdipは、ノズル113から試料122を吸引するときに液面の下降などによって空吸いが起きず、かつ洗浄時に洗浄液が当たる位置を逸脱しないよう設定するのが一般的である。
分注処理能力を向上させる場合、S301でノズル113の下降速度を高速化することが手段の1つとして挙げられる。一方で、ノズル113の洗浄効率を維持するためにはS303で浸漬量Pdipを増加させず、制限する必要がある。高速下降と浸漬量維持を同時に実行すると、S301からS302にかけて、ノズル停止時の加速度変化が増加することになるので、ノズル113が停止したとき、図4(f)のように慣性によってノズル113内のシステム水121が分節空気123を押し出し、ノズル113先端から漏れ出た漏出空気124が生じる。さらに、漏出空気124は図4(g)のようにノズル113から飛び出して、分節空気123から分離する場合がある。
慣性によって生じたノズル113内のシステム水121の揺動が収束すると、図4(h)のように漏出空気124はノズル113の外に放出され、漏出空気124の体積Vairと等量の侵入試料125がノズル内に保持される。
その後、S305で本来の試料122の吸引量であるVをシリンジポンプ117によって吸引することにより、図4(i)のようにノズル113にはVair+Vの試料122が保持される。
図4(j)でノズル113を反応セル104まで移動し、図4(k)でノズル113に保持している試料122の全量とシステム水121の一部を吐出した場合、反応セル104には試料122がVair分だけ過剰に吐出される。試料122の吐出後は一般に図4(l)のようにノズル113の内外を洗浄し、次の試料の分注工程へと進む。
以上のように、ノズル113の下降速度を高速化することにより停止時の加速度変化が増加すると、漏出空気124の分離・放出にともない、過剰な侵入試料125を引き起こし、分注量の誤差が発生する場合がある。実験での検証の結果、下降停止時の減速の加速度を24000mm/s以上に設定した場合に、漏出空気124の分離・放出が観察された。また、ノズル113の下降停止時のシステム水121の揺動の結果、分節空気123によって分断されるべき試料122に対してシステム水121の一部が混入し、試料122の薄まりを引き起こす可能性も考えられる。
本発明は以上のような従来の分注シーケンスの課題に鑑みて、分節空気123がノズル113から漏れ出ないように試料122の吸引動作を制御することにより、分注量誤差を抑制することを図る。
図5は、本実施形態1における分注シーケンスを説明するフローチャートである。本フローチャートは、制御部111が各部を制御することによって実施される。後述する図8においても同様である。
ノズル113内にシステム水121を基部側から供給し、分節空気123を吸引すると、本フローチャートが開始する。S501においてノズル113が試料122の液面に向けて下降開始し、S502において制御部111が液面検知センサ120の液面検知信号を受信するまでS501を繰り返す。S503でシリンジポンプ117により体積Vの試料122を吸引する。同時にS504でノズル113を距離Pdipだけ下降させる。ノズル113の下降を停止させると(S504)、ポンプによって液体量Vを吸引する(S505)。目標吸引量をVとすると、V=V−Vである。
図6は、図5のフローチャートにおけるノズル113の動作を示す側面模式図である。図6(a)では、ノズル113はシステム水121で満たされている。次に、図6(b)で分節空気123を吸引する。ここから図5のフローチャートが開始される。S501でノズル113が試料122の液面に向けて下降し、S502では、制御部111が液面検知センサ120の液面検知信号を受信するまでS501を繰り返す。
図6(c)のようにノズル113が試料122の液面に達すると、S502で制御部111が液面検知信号を受信し、S503へと進む。S503でシリンジポンプ117により体積Vの試料122を吸引する。同時にS504でノズル113を距離Pdipだけ下降させる。S503において試料122を吸引することによって、図6(d)のようにノズル113が下降している間にノズル113内に試料122が吸引される。
S505でノズル113下降が停止すると、図6(e)のようにノズル113の先端は深さPdipだけ浸漬している状態で予備試料131がVだけノズル113に保持されている。
ノズル113が高速に下降してから停止したとき、図6(f)のように慣性によってノズル113内のシステム水121が分節空気123を押し出す。これにより、ノズル113先端に保持されている予備試料131の一部がノズル外に放出されるが、分節空気123はノズル113に留まる。したがって図4(g)のように分節空気123がノズル113から排出されることはない。
図6(g)のようにシステム水121によって押し出された予備試料131は、システム水121の揺動によってノズル113内に流入する。システム水121が揺動している間は、予備試料131がノズル113に対して出入りを繰り返す。システム水121の揺動が収束すると、図6(h)のように再びノズル113内に予備試料131が体積V保持されている状態に戻る。
S506でVだけ試料122をシリンジポンプ117によって吸引する。このとき、最終的な試料122の吸引目標量がVである場合、V=V−Vとすることにより、図6(i)のようにノズル113にはVの試料122が保持される。
その後、図6(j)でノズル113を反応セル104まで移動し、図6(k)でノズル113に保持している試料122の全量とシステム水121の一部を吐出することにより、反応セル104には目標量Vの試料122が分注される。試料122の吐出後は図6(l)のようにノズル113の内外を洗浄し、次の試料の分注工程へと進む。
以上のように、予備試料131をノズル113下降停止までに吸引することにより、分節空気123がノズル113から漏れ出ることを防止し、誤差のない分注を実現することができる。
S503のポンプ吸引動作はS505のノズル下降停止までに必ずしも完了する必要はないが、システム水121が予備試料131を最大量押し出すまでには(すなわち図6(g)の状態となるまでには)、その押し出し量以上の予備試料131を吸引完了していることが必要である。すなわちVは、その押し出し量以上であることが必要である。
図5ではS503とS506でシリンジポンプ117による吸引を2回実行する例を示したが、S503において1回で目標吸引量Vを吸引してもよい。ただし、自動分析装置10においては、試料122をノズル113に吸引する際に、そのときの液体圧力を圧力センサ116で測定し、その圧力値に基づき、ノズル113内において試料中のフィブリン等が詰まったか否かを判定することが一般的である。圧力測定を正確に実施するためには、ノズル113が静止しているとき圧力を測定することが好ましい。したがって、詰まり判定を実行する場合には図5のように吸引工程を2回に分け、S506で圧力測定することが好ましい。
<実施の形態1:まとめ>
本実施形態1に係る自動分析装置10において、ノズル113は、ノズル113が液体の液面に向けて下降し始めてから、ノズル113の端部が液体の液面に接触した後かつノズル113が下降停止するまでの間の期間において、液体の吸引を開始する。これにより図6(g)に示すように、ノズル113が下降停止したときノズル113内の分節空気123がノズル113から飛び出すことを抑制できる。したがって侵入試料125を抑制して分注精度を高めることができる。
本実施形態1に係る自動分析装置10は、S503において、体積Vの液体を吸引する。Vは、ノズル113が下降停止するとき予備試料131を押し出す最大量以上である。これにより、ノズル113が下降停止したとき、分節空気123をノズル113内部へ確実に保持することができる。
<実施の形態2>
図7Aと図7Bは、本発明の実施形態2に係る自動分析装置10が備える液面測定部の構成例を示す図である。本実施形態2においては、実施形態1で説明した液面検知センサ120に代えて、またはこれと併用して、図7Aの画像センサ146や図7Bの変位センサ147を用いる。その他構成は実施形態1と同様である。
液面検知センサ120としては、静電容量式の液面検知センサが最も一般的に使用されている。画像センサ146や変位センサ148は非接触式で液面高さを計測できるので、液面測定時のノズルの移動や接触が不要であり、ノズル移動機構と並列して計測を実施できる。したがって、移動や洗浄動作にともなう処理速度の低下や、試料間・試薬間のコンタミネーションのリスクを回避できる。画像センサ146や変位センサ147は、試料容器100の搬送経路上またはノズル113が試料122を吸引する位置に設置されることが望ましい。その他、ノズル移動と平行して(すなわちノズルの移動機構の動作と同時に)液面高さを測定できるものであれば、上記した手段に限定されるものではない。
図8は、本実施形態2における分注シーケンスを説明するフローチャートである。S801では、試料122の液面高さを測定し、ノズル113から液面までの距離Pを測定する。S802で、ノズル113を試料122に下降させたときの液面への到達時間Tを算出する。S803でノズル下降を開始する。
S804でノズル113を距離P下降させ、S805でノズル113を距離Pdipだけ下降する。S804〜S805は一連の動作として実行してもよい。S803〜S804は、液面検知センサ120がノズル113と液面の接触を検知するまでノズルを下降させるようにしてもよい。
S804〜S805と同時に、S806〜S807を実施する。S806において、ノズル113が下降開始してから時間Tするまで待機する。この待機によってノズル113は液面に到達していると想定される。S807でシリンジポンプ117により試料122を吸引することにより、ノズル113内に予備試料131を保持する。
S806でノズル113の下降を停止させる。このときシステム水121が分節空気123を押し出したとしても、ノズル113の内部に分節空気123は留まる。S809でシリンジポンプ117により試料122を体積Vだけ吸引することにより、ノズル113内に目標吸引量Vの試料122を保持することができる。以降は、反応セル104にノズル113に保持した試料122を吐出すると、目標量の分注が完了する。
<実施の形態2:まとめ>
本実施形態2に係る自動分析装置10は、事前に試料122の液面高さを測定することにより、ノズル113を下降開始してから液面に到達するまでの時間Tを算出し、T経過後に吸引を開始する。これにより、ノズル113が液面に到達した時点を正確に到底できるので、誤差のない分注動作を実現できる。
本実施形態2に係る自動分析装置10は、画像センサ146や変位センサ148を用いて液面高さを測定するので、液面検知センサ120の信号をトリガとしてシリンジポンプ117を動作開始する仕組みを有さない場合であっても、実施形態1と同様に、ノズル113が液面に到達してから下降停止するまでの間に吸引動作を実行できる。
本実施形態2において、S806で時間T待機することに代えて、ノズル113を下降させる移動手段に対して距離P分移動するように指示する制御信号をカウントしてもよい。例えばステッピングモータによってノズル113を下降させる場合、制御パルス数をカウントしてもよい。この場合であっても同様に、ノズル113と液面が接触するタイミングを計ることができる。
<本発明の変形例について>
本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
制御部111は、その機能を実装した回路デバイスなどのハードウェアによって構成することもできるし、その機能を実装したソフトウェアをCPU(Central Processing Unit)などの演算装置が実行することによって構成することもできる。記憶部112は、ハードディスク装置やメモリデバイスなどの記憶装置によって構成することができる。
以上の実施形態において、ノズル113の減速加速度が24000m/s以上であることは、自動分析装置10の設定パラメータから計算することができる。例えば分析する検体数、使用する試薬数、分析工程数、各液体の液量などによって、自動分析装置10に対して求められるスループットが一義的に定まる。すなわちノズル113の下降速度や減速加速度として必要な数値も、定めることができる。制御部111はこれら設定パラメータにしたがって、ノズル113の減速加速度をセットすることになるので、その減速加速度が24000m/s以上であるか否かを判断できる。
以上の実施形態において、分節空気に代えて別の媒質を液体間に配置してもよい。この場合であっても、ノズル113を停止させるときの減速加速度が大きければその媒質が飛び出してしまうことになるので、本発明を適用することにより飛び出し量を抑制することができる。
10:自動分析装置
100:試料容器
101:試料ラック
102:試薬ボトル
103:試薬ディスク
104:反応セル
105:セルディスク
106:試料分注機構
107:試薬分注機構
108:攪拌ユニット
109:測定ユニット
110:洗浄ユニット
111:制御部
112:記憶部
113:ノズル
114:アーム
115:シャフト
116:圧力センサ
117:シリンジポンプ
118:配管
119:電磁弁
120:液面検知センサ
121:システム水
122:試料
123:分節空気
124:漏出空気
125:侵入試料
131:予備試料
146:画像センサ
147:変位センサ

Claims (12)

  1. 液体を分注する分注装置であって、
    液体を吸引または吐出するノズル、
    前記ノズルを移動させる移動機構、
    を備え、
    前記ノズルは、前記ノズルが前記液体の液面に向けて下降し始めてから、前記ノズルの端部が前記液体の液面に接触した後かつ前記ノズルが下降停止するまでの間の期間において、前記液体の吸引を開始する
    ことを特徴とする分注装置。
  2. 前記ノズルは、第2液体を前記ノズルの内部に収容した後、さらに分節空気を前記ノズルの内部に吸引し、その後に前記液体の吸引を開始する
    ことを特徴とする請求項1記載の分注装置。
  3. 前記ノズルは、前記ノズルが下降停止したとき前記ノズルの内部に存在している前記液体が前記ノズルの内部において揺動することにより前記ノズルの外部に排出される量以上の前記液体を、前記液体の吸引を開始した後かつ前記ノズルが下降停止するまでの間の期間において吸引する
    ことを特徴とする請求項2記載の分注装置。
  4. 前記ノズルは、前記ノズルが前記液体の液面が接してから前記ノズルが下降停止するまでの間に前記液体を吸引する第1吸引を実施し、
    前記ノズルは、前記第1吸引を実施した後、前記ノズルが下降動作を停止してから前記液体を吸引する第2吸引を実施する
    ことを特徴とする請求項1記載の分注装置。
  5. 前記ノズルは、前記液体を吸引する目標吸引量から、前記第1吸引によって吸引する前記液体の量を減算した量を、前記第2吸引において吸引する
    ことを特徴とする請求項4記載の分注装置。
  6. 前記分注装置はさらに、前記ノズルが前記液体に接触したことを検知する液面検知センサを備え、
    前記ノズルは、前記ノズルが前記液体に接触したことを前記液面検知センサが検知したことをトリガとして、前記液体の吸引を開始する
    ことを特徴とする請求項1記載の分注装置。
  7. 前記分注装置はさらに、前記ノズルが前記液体を吸引する前において前記液体を収容する容器内の前記液体の液面高さを測定する液面測定部を備え、
    前記ノズルは、前記液面測定部が測定した前記液面高さに相当する距離を前記ノズルが移動した後、前記液体の吸引を開始する
    ことを特徴とする請求項1記載の分注装置。
  8. 前記液面測定部は、
    前記ノズルが前記液体に接触したことを検知する液面検知センサ、
    前記ノズルと前記液体を撮像する画像センサ、
    前記液面または前記ノズルの変異を検知する変位センサ、
    のうちいずれかまたは組み合わせによって構成されている
    ことを特徴とする請求項7記載の分注装置。
  9. 前記液面測定部は、前記液体と接触することなく前記液面高さを測定可能であり、
    前記液面測定部は、前記移動機構と平行して動作することができる
    ことを特徴とする請求項7記載の分注装置。
  10. 前記ノズルは、前記ノズルが停止するときの減速加速度が24000mm/s以上である場合は、前記ノズルが前記液体の液面に向けて下降し始めてから、前記ノズルの端部が前記液体の液面に接触した後かつ前記ノズルが下降停止するまでの間の期間において、前記液体の吸引を開始する
    ことを特徴とする請求項1記載の分注装置。
  11. 液体の試料を分析する自動分析装置であって、
    液体を分注する分注装置を備え、
    前記分注装置は、
    液体を吸引または吐出するノズル、
    前記ノズルを移動させる移動機構、
    を備え、
    前記ノズルは、前記ノズルが前記液体の液面に向けて下降し始めてから、前記ノズルの端部が前記液体の液面に接触した後かつ前記ノズルが下降停止するまでの間の期間において、前記液体の吸引を開始する
    ことを特徴とする自動分析装置。
  12. 液体を分注する分注方法であって、
    前記液体を吸引または吐出するノズルが前記液体の液面に向けて下降し始めてから、前記ノズルの端部が前記液体の液面に接触した後かつ前記ノズルが下降停止するまでの間の期間において、前記液体の吸引を開始するステップを有する
    ことを特徴とする分注方法。
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