JP2883819B2 - 液体を混合するための方法と装置 - Google Patents

液体を混合するための方法と装置

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JP2883819B2 JP6222028A JP22202894A JP2883819B2 JP 2883819 B2 JP2883819 B2 JP 2883819B2 JP 6222028 A JP6222028 A JP 6222028A JP 22202894 A JP22202894 A JP 22202894A JP 2883819 B2 JP2883819 B2 JP 2883819B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は液体表面に空気を吹きつ
けることによってある液体を別のある液体またはある固
体材料と混合する方法および前記方法を実施するための
装置に関する。
【0002】化学的および医学的分析はしばしば装置を
用いて実行されるが、その装置により複数の試料の迅
速、選択的、かつ均一な処理が可能になる。これは、手
動処理と比較して、コストを低減するばかりでなく、分
析の信頼性と精度とを改善する。
【0003】
【従来の技術】現在利用可能な多数の医学的分析装置
は、各分析が別々の反応容器の中で実行される離散的分
析装置として知られている。その分析においては、各分
析容器は複数の操作を受ける。容器は分析装置システム
を経由して運ばれ、物質が添加または除去され、容器の
内容物は混合され、光度測定または電位滴定測定のよう
な分析処理を受ける。
【0004】これらの工程のそれぞれは多数の問題を有
している。とくに液体の付加、除去および混合の工程
は、一般に液体処理と呼ばれるが、それらの単純さにも
かかわらず様々な問題を有している。分析精度に影響を
およぼす支配的な一つの問題がキャリーオーバーとして
知られている。もしピペットまたは撹拌機が液体処理の
あいだに反応容器の中に浸されると、多くの他の測定
は、分析液が一つの容器からもう一つの容器に移されな
いようにする必要があるのである。このキャリーオーバ
ーを避けることを目的として、反応液と接触することな
しに反応成分の混合を実行するために多くの提案がなさ
れてきた。
【0005】いわゆる渦原理(vortex prin
ciple)においては、分析容器は撹乱によって反応
液が混合されるチャンバーの中に配置される。しかしな
がら、この処置はまたそれに加えて時間のかかる運搬の
工程も必要とする。
【0006】もう一つの処理においては、分析容器は内
容物がそののち超音波にさらされることによって混合さ
れる超音波源に連結される。しかしながら、この方法
は、混合物の完全な混合には至らないことがしばしばで
あるうえに、いかなる物質も、とくに比較的大きい有機
分子を破壊するという欠点が存在する。
【0007】国際公開第WO85/03571号公報
に、複数の液体が分析容器の中で液体上に空気を吹きつ
けることによって混合される混合法が記載されている。
この公開公報の図10では、ノズルが容器の端より上に
配置されている。空気ビームにより起こされる回転に基
づく液体の損失は、該容器中の液量を一定のレベルに維
持することによって排除される。この方法の不利な点
は、定められた液体レベルを保証するためのある定まっ
た条件が必要なことである。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、キャ
リーオーバーがなく、迅速、効率的かつ高信頼性のため
の方法と装置を提供することである。とくに、異なる液
体レベルがあるときでさえ、容器の中で液体と迅速かつ
ほぼ完全に混合することができる方法を提供することが
本発明の目的である。
【0009】分析の均一性を確実にするために、液体の
体積および容器形状と関係なく良好な混合を保証する方
法を提供することが本発明の他の目的である。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明の目的は、光学的
に透過しうる容器内で、1つの液体と他の少なくとも1
つの液体または少なくとも1つの固体材料とを、混合要
素から放出される少なくとも1つのガスビームを用いて
混合する方法であって、 (a)液体表面に向かう方向に前記混合要素を移動する
工程と、 (b)前記混合要素と前記液体表面との間の距離を検知
する工程と、 (c)所定の距離に達したとき、前記混合要素の移動を
終了する工程と、 (d)液体が起動されるように前記混合要素から前記液
体表面にガスを吹きつける工程からなり、前記混合要素
と前記液体表面とのあいだの距離の検知が、前記容器の
外から光学処理によってなされ、前記工程(b)が光学
配列によって実行されることを特徴としている。本発明
の目的は、また、開口を有する容器内において、混合要
素から放出される少なくとも1つのガスビームを用い
て、1つの液体を少なくとも1つの他の液体または少な
くとも1つの他の固体材料とを混合する方法によって達
成される、液体表面に向かう方向に混合要素を移動する
工程、混合要素が液体と接触する液体表面を検出する工
程、混合要素を液体表面から所定の距離まで移動する工
程、および液体を始動させるように液体表面に混合要素
からガスを吹きつける工程からなる方法によっても達成
されうる。
【0011】1つの液体と少なくとも1つの他の液体ま
たは少なくとも1つの固体材料とを混合する装置が本発
明の主題でもある。前記装置は、混合されるべき物質を
その中に収容する容器、混合要素、検知装置、混合装置
を移動させるための装置および制御装置からなる。
【0012】もし本発明の方法のすべての条件が遵守さ
れるならば、混合要素を実質的に汚すことなくすなわち
容器から液体を出すことなく迅速な混合が可能である。
このような好ましい特性を獲得するためには、ノズルの
降下が検知装置によって制御され、ノズルと液体表面の
あいだの最適の距離が維持されることが本質的に必要で
ある。
【0013】とはいえ、発明による処理法は臨床分析に
おける液体混合について言及していない。分析装置が使
用されるときに、混合されるべき液体は通常円形または
正方形状の断面を有し、頭部が開放した円筒状の容器の
中に入れられる。
【0014】
【作用】本発明の目的は、1つの液体を少なくとも1つ
の他の液体または少なくとも1つの固体材料との混合を
達成することである。
【0015】この意味において理解される液体は、洗浄
溶液または補助溶液だけでなく分析試料または試薬溶液
である。試料溶液は、水試料、尿、血液、唾液などのよ
うな液体を含む。
【0016】液体が混合されるときに、必ずしも界面
(interface)が存在するとはかぎらない。通
常混合できない液体が共通の容器に連続的にピペットで
加えられ、完全に混合しないときにも混合が必要とされ
るかもしれない。液体が固体材料と混合されるとき、通
常固体材料は液体中に完全に溶解されることが必要であ
る。しかしながら、本発明は、固体材料が液体に溶解さ
れず、ただ分散または懸濁される処理をも含んでいる。
たとえば、反応相手が固体担体にのって移動され、液体
が反応相手と完全に接触させられなければならないと
き、このことが重要となりうる。
【0017】本発明の方法において、ガスビームが流出
する混合要素は分析容器の中を液体表面に向かって移動
させられる。移動中にすでに混合要素からガスが流出し
ていることが好ましい。コスト上の理由から、使用され
るガスは空気である。
【0018】容器の内容物が酸素から保獲されなければ
ならないような特殊な応用例においては、たとえば不活
性ガスのような他のガスを使用することも可能である。
【0019】混合要素が移動しているあいだ、混合要素
が液体表面と接触したか否かが検知される。たとえば、
反応容器の外側から光学装置によって検知が行なわれる
ことが可能である。しかしながら、容器の内側で検知が
行なわれることも可能である。とくに好ましい方法にお
いては、混合要素は検知装置に機械的に連結されること
ができる。この処理は通常は液体レベル検知と呼ばれ
る。
【0020】米国特許第5,049,826号明細書に
は、抵抗測定にもとづく液体レベル検知のための装置が
記載されている。この文献を参照すると、2個の電気的
に反対の独立した電極が、液体表面に向かって移動させ
られる。2個の電極のあいだの抵抗の減少は液体の中に
浸入することを示している。
【0021】静電容量測定に基づく計測装置は、ヨーロ
ッパ特許公開第0355791号、米国特許第4,73
6,638号、米国特許第4,818,492号、ヨー
ロッパ特許公開第0164679号およびドイツ特許出
願第P4203638.0号明細書に記載されている。
【0022】とくに後者の検出装置は、すでに存在する
2個の信号電極に加えて、SN比を意味ある程度に改善
する付加的な補償電極を使用するので本発明の方法に利
用するばあいには有利である。ドイツ特許出願第P42
03638.0号の完全な内容が、引用例に組み込まれ
ている。
【0023】本発明は、液体混合の分野に液体表面に空
気を吹きつけるというもう一つの領域の応用を加えて、
そのような処理の効率を改善するために種々の液体レベ
ル検知方法を利用している。本発明によれば、これは混
合要素を検知装置に連動されることによって達成され
る。
【0024】液体との接触が検知されるとすぐ、混合要
素は本発明に従って液体から離れるよう移動させられ
る。
【0025】もし検知装置と混合要素とがたがいに機械
的に取り付けられていると、垂直に移動されるあいだ、
この移動は液体表面からの混合装置の距離の制御に利用
することができる。このばあい、混合要素を液体表面か
ら離れるように移動させることが完璧に必要であるわけ
ではない。
【0026】混合要素のガス出口開口と液体表面とのあ
いだの最適の距離は本発明によれば3から6mmのあい
だにセットされている。しかしながら、実験によれば、
ガス流、表面からの距離と、空気が表面に吹きつけられ
る距離とが相互に調整されなければならないことも示さ
れている。近すぎる距離から過度に強いガスが表面に吹
きつけられると、液体ははね散らし(splashin
g)により消耗されたり、さらに汚されたりすることも
ある。しかしながら、もしある特定の体積流量に対して
過度に大きな距離が選択されると、液体へのガスのエネ
ルギー伝達が比較的小さくなり、完全に混合するために
必要な時間を増加させることがある。考慮すべき他の要
素は、容器の形状および寸法、混合要素の形状、ならび
に混合要素の種々のノズルの形状である。
【0027】好ましくは、容器は液体で完全に満たされ
ず、端部に数mmから数cmの空間が残されるほうがよ
い。もし、混合要素が容器の中に配置されると、その結
果減少させられた容器内部の体積は、ガス流が活発であ
るときのバックアップ圧力を生み出し、そのため、はね
散らしによる液体の消耗を減少させる。
【0028】混合要素から発生する1つまたは複数のガ
スビームは様々な方法により液体表面に導かれる。単一
のガスビームに関する様々な実施例をつぎに述べる。ガ
スビームは容器の軸に関して半径方向に移動されて容器
の軸と容器の壁とのあいだの点で液体表面に衝突する。
ガスビームは必ずしも液体表面に直接到達する必要はな
く、壁に近い液体表面の一部の上に間接的に衝突すると
ころから容器の壁に沿って誘導されることもできる。
【0029】ガスビームはまた放出ガスが容器の軸まわ
りに回転運動するように導かれてもよい。そのような配
列置においては、表面付近の液体部分はまた循環させら
れ、直接さらに低い液体層をも移動させる。その結果、
迅速に混合される。
【0030】本発明の目的また、混合要素から放出
される少なくとも1つのガスビームを用いて開口を
する容器の中で1つの液体を少なくとも一つの他の液体
または少なくとも1つの他の固体材料と混合する処理
らなり、 液体表面に向かう方向に混合要素を移動する工程、 混合要素と液体表面のあいだの距離を検知する工程、 混合要素と液体表面のあいだの所定の距離に達したとき
に混合要素の移動を終了させる工程、および 液体を運動させるために液体表面にガスを吹きつける工
程 から構成される方法によっても達成されうる。
【0031】ここに述べられた本発明の方法の変更例で
は、混合要素が液体表面に降下されることがない。ガス
吹出し位置と表面との隔たりは、非接触測定の結果とし
てえられる。
【0032】液体表面と混合要素のあいだの非接触測定
(contact−free measuring)の
ために必要な隔たりは、たとえば光学処理において達成
されることができる。ほとんどの分析容器は、分析溶液
が通常光学測定を受けやすいように光を透過する材料で
できている。そのようなばあい、混合要素が液体表面よ
り上に位置するような配置に光のビームが導かれる必要
がある。いったん光が容器を透過すると、像がたとえば
光学配列ような光学センサー上につくり出される。
【0033】本発明の目的さらに、混合要素から放
出する少なくとも1つのガスビームを用いて開口を
する容器の中において、1つの液体を少なくとも1つの
他の液体または少なくとも1つの固体材料とを混合する
方法であって、 液体表面に向かう方向に混合要素を移動する工程、 混合要素と界面のあいだの接触を検知する工程、 液体表面に存在するかも知れない泡や物質を排除するた
めに液体表面に向かう方向にガスを吹きつける工程、 液体表面に向かう方向に混合要素を移動させる工程、 混合要素と液体表面とのあいだの接触を検知する工程、 液体表面から与えられた距離まで混合要素を移動させる
工程、および 液体を運動させるために液体表面にガスを吹きつける工
程 からなる方法によっても達成されうる。
【0034】実際に使用されている多数の分析処理おい
て、泡の層が液体の上にできる。もし泡だけに接触して
も、液体レベルの検知はすでに液体と接触したことを示
すであろう。このため、空気ノズルと液体とのあいだの
理想的な距離を維持することが保証されない。もし混合
処理がこのように制御されるならば、検知針は混合時間
を不必要に延長させることになる泡層の厚み分だけ後退
させられるであろう。本発明は最初に前記方法の1つに
よって泡層を検知し、そののち表面に空気を吹きつけて
この泡層を除去することによってこの問題を回避してい
る。そのような除去が実行されるには、空気流れを脈動
化することが有利である。また、混合要素が自由にアク
セスできるように空気ビームが液体表面に垂直に衝突す
るところにノズルを設けることも有利である。
【0035】泡層が除去されると、混合要素は、現実の
液体表面を検知するために液体表面にさらに接近する。
混合要素はそののち所定の距離まで表面から離間するよ
うに移動され、ガスは付加的なノズルから表面に吹きつ
けられる。
【0036】前記方法は、混合を検知するための方法と
組み合わせることが可能である。たとえば、光のビーム
に液体を横切らせ、そして測定の不変性、たとえば混合
処理の完了を示す規準としての光吸収の不変性を評価す
ることが可能である。
【0037】本発明の装置は、またピペット装置のよう
に液体を放出するための装置と組み合わせることも可能
である。ピペット装置が混合要素に結合されるととくに
好ましい組み合わせが達成される。
【0038】本発明は、さらに1つの液体と少なくとも
1つの他の液体または少なくとも1つの固体材料とを混
合する装置からなっている。その装置混合される物質を
保持し、少なくとも1つの開口を有する容器、ガスビー
ムが放出できる少なくとも1つの開口を有する混合要
素、接点を検知する検知装置、空間内の少なくとも一つ
の方向に混合要素を移動させるための装置、および検知
装置により発生された信号にもとづき、かつフローチャ
ートに従って混合要素の移動および混合要素から放出す
るガスの制御を行う制御装置から構成される。
【0039】本発明において理解されている容器は、少
なくとも1つの開口を有する。キュベット、試薬ガラス
容器、スポッティングプレート(spotting p
late)のようなものが本発明に従うと適している。
本発明によると、容器の大きさは混合要素および(また
は)検知装置が部分的に容器の中に挿入されることがで
きる程度のものである。円筒状の容器がとくに好適であ
る。
【0040】本発明において理解されている混合要素
は、少なくとも1つのガスビーム用の出口開口を有す
る。また、混合要素は他の出口開口すなわちノズルを有
することが好ましい。ノズルは、必ずしも円錐状に縮小
された出口開口であることを意味せず、単に一定の直径
を有する開口であればよい。分析器具は一般に円筒状の
分析容器であるので、本発明の混合要素も実質的に円筒
形状であって、その直径が分析容器の直径よりも小さい
ものである。混合要素のノズルは、混合要素の液体に面
する側にあることが好ましい。ノズルは、混合要素の縦
軸に関して傾斜するように、および(または)混合要素
の縦軸を軸心とする円筒面に接するように設けられる。
複数のノズル、好ましくは3個のノズルを有するもので
あって、混合要素と同じレベルに位置することが有利で
ある。もし付加的にノズルが最初の組のノズルからより
も表面から一層離れた輪の上に配置されているならば、
これもまた有利である。この配列によって、分析容器内
において液体からの小滴の放出を制御するガス流れを阻
止することが可能である。空気流の回転を達成するため
に、分析容器に面する混合要素の一部もまた回転要素と
することができる。とくに好ましい配列においては、ノ
ズルは45°の接線角で堅固に取り付けられ、そのノズ
ルの上方において軸方向に45°の角度で取り付けられ
た8個のノズルからなるリングが存在する。ノズルの好
ましい直径の値は、0.3から0.7mmの範囲にあっ
て、0.4から0.6mmの範囲がとくに好ましい。体
積流量は、1分間に4から11リットルの範囲が好まし
い。
【0041】本発明は、混合要素が検知装置と組み合わ
されることを提案する。とくに好ましい方法では、混合
要素が検知装置のように機能することもできるように述
べられている。前記混合要素は、たとえば、ノズル配列
を有し、かつ導電金属層によって順に被覆された絶縁層
によって被覆されている金属円筒からつくられることが
できる。そのような配列は、液体のコンダクタンスおよ
び静電容量の検知に好適である。もちろん、電極を空間
内で互いに分離することも可能である。混合要素は、た
とえば、1つの電極として機能するようにもされること
ができ、そして第2の導電体は容器内に独立して組み入
れられることもできる。静電気容量測定は、ただ1つの
電極が流体と接触するだけであるという有利さがある。
【0042】前記検知装置を用いて、所定の最小限の接
触によっても液体と泡を検知することが可能であって、
その結果、検知器の浸入もまた最小のものに低減され
。好適な検知チップ、たとえばテフロンコートされた
チップを選択することによりキャリーオーバーを最小に
することができる。検知器の浸入を最小にするために、
検知器の移動を付随的に制御しながら検知器信号を連続
的に評価することも有利である。
【0043】混合要素は、従来より公知の装置、たとえ
ばスピンドルドライブを用いて液体表面に向かって移動
されることができる。パルスモータの使用は、これらの
モータがコンピュータによって比較的容易に制御できる
ので好ましい。
【0044】
【実施例】つぎの図により発明をさらに説明する。
【0045】図1は、本発明の静電容量測定に基づく液
体混合のための装置1を示す。混合要素2は、計測装置
の第1電極として機能するが、第2電極3は、容器4の
壁の外側にある。混合要素2の先端と液体表面との接触
は、そのとき評価および制御装置6によって調べられる
混合要素2と第2電極3のあいだの静電容量の変化をも
たらす。この評価および制御装置6は、モーター7とポ
ンプ8とを制御する。モーター7は、歯が刻設されたラ
ックによって液体表面9に対して混合要素2を移動させ
る。ポンプ8は、混合要素2の管状装置10の中に空気
を圧入するよう機能する。空気は、液体表面に対して約
40゜傾斜したノズル11を通って混合要素から出てく
る。混合処理の操作手順の例は、順につぎのように要約
することができる。
【0046】最初、混合要素2は液体上の初期の位置に
ある。評価および制御装置6は、弱い空気の流を発生さ
せるためにポンプを起動させる。モーター7によって起
動されて、混合要素2はゆっくりと液体表面に向かって
移動する。この運動は、静電容量液体検知が混合要素の
先端5と液体表面との接触を表示するとすぐ停止され
る。混合要素2は、そのとき液体表面から2mm移動さ
せられ、ポンプ8は5リットル/minの体積流量がノ
ズル11を流れるように起動される。
【0047】図2(a)は混合要素20の縦断面であ
る。混合要素20の金属ボディ21は、その開口部が混
合要素の縦軸に直角に設けられた内管22を有する。こ
の内管22は泡を吹きとばすように構成されている。混
合要素20は、ノズル24として機能する吸気パイプ2
3を有する。ノズル24と混合要素の縦軸とは45゜の
角度をなす。空気は、ノズル24から出たのち液体を混
合するよう機能する。
【0048】図2(b)は、混合要素30の縦軸のまわ
りの仮想的な円筒面(半径17mm)に接するように
置されたノズルを有する混合要素30の断面である。図
の中央に、泡を吹き飛ばすための縦方向パイプ31が
ある。この縦方向パイプ31はノズルにより囲まれて
おり、3本のノズルは、それぞれ縦軸の2つのレベルに
位置づけられている。1つの組の第1ノズル32は、図
2の(b)に示されるように、縦軸方向パイプ31の円
形断面(半径17mm)に接するように配置され、他の
1つの組の第2ノズル33は、3の軸心が混合要素30
の縦軸と交差するように傾斜して配置されている。第
ズル32の組は、混合要素30の縦軸に関して傾斜し
ている。すなわち、第1ノズル32から出た気体は、液
体表面の法線に関してある角度をもって液体表面に衝突
する。第2ノズル33の組は、混合要素30の先端から
さらに離れている。第1および第2ノズル32、33
ら出た気体は、混合処理のあいだの液体の消耗を抑制す
るために混合容器の中のバックアップ圧力を生み出す。
【0049】図3は混合処理を実行するために必要な時
間間隔を示す。10マイクロリットルのインクが円筒状
の分析容器(直径1cm、高さ4cm)に入れられ、1
000マイクリットルの水で覆われる。混合は3本の接
線方向の内管(直径0.5mm)を有する混合要素を用
いて、液体表面から6mmの間隔を置いて、そして8.
4リットル/minの体積流量で実行される。フォトダ
イオードと受信器が、容器の底から9mm上に取り付け
られており、比色計測を行うために用いられた。図3に
おいて、混合要素の作動時間が横軸に、液体の比色結果
が縦軸にプロットされている。そのグラフにおいて、
2.5秒後に完全な混合が達成されていることが容易に
見て取れる。
【0050】
【発明の効果】本発明の方法によれば、液体はほとんど
消耗することなく、迅速、かつ完全に混合されうる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の液体混合装置を示す概略図である。
【図2】本発明の混合要素を示す図である。
【図3】本発明における混合処理の時間間隔を示す図で
ある。
【符号の説明】 1 装置 2 混合要素 3 第2電極 4 容器 5 混合要素の先端 6 評価および制御装置 7 モーター 8 ポンプ 9 液体 10 管状装置 11 ノズル 20 混合要素 21 金属ボディ 22 内管 23 吸気パイプ 24 ノズル 30 混合要素 31 軸方向パイプ 32 第1ノズル 33 第2ノズル
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ハンス シェルズ ドイツ連邦共和国、デー−80687 ミュ ンヒェン、ベハームシュトラーセ 21 (72)発明者 カルル−ハインツ マン ドイツ連邦共和国、デー−82362 ヴァ イルハイム、タッシローリンク 26 (72)発明者 ホルスト メンツラー ドイツ連邦共和国、デー−82347 ベル ンリート、バーンホフシュトラーセ 75 (72)発明者 レオンハルト ガイスラー ドイツ連邦共和国、デー−82327 トゥ ートツィンク ライザーベルクヴェーク 3 (72)発明者 ゲオルク クッファー ドイツ連邦共和国、デー−84095 フル ト、プレラート−ローデラー−シュトラ ーセ 20 (56)参考文献 特開 昭63−229134(JP,A) 特開 平4−372861(JP,A)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 光学的に透過しうる容器内で、1つの液
    体と他の少なくとも1つの液体または少なくとも1つの
    固体材料とを、混合要素から放出される少なくとも1つ
    のガスビームを用いて混合する方法であって、 (a)液体表面に向かう方向に前記混合要素を移動する
    工程と、 (b)前記混合要素と前記液体表面との間の距離を検知
    する工程と、 (c)所定の距離に達したとき、前記混合要素の移動を
    終了する工程と、 (d)液体が起動されるように前記混合要素から前記液
    体表面にガスを吹きつける工程からなり、 前記混合要素と前記液体表面とのあいだの距離の検知
    が、前記容器の外から光学処理によってなされ 前記工程(b)が光学配列によって実行されることを特
    徴とする 方法。
  2. 【請求項2】 (a)光学的に透過しうる容器であっ
    て、混合されるべき物質を含んでいる容器、 (b)少なくとも1つの開口を備えた混合要素であっ
    て、該少なくとも1つの開口を通ってガスを放出しうる
    混合要素、 (c)界面を検知するための検知装置、 (d)前記混合要素を少なくとも1つの方向に移動させ
    るための装置、および (e)前記混合要素の移動と前記混合要素からのガスの
    放出とをフローチャートに従って前記検知装置によって
    発生された信号に基づいて制御するための評価および制
    御装置からなり前記検知装置が、前記容器の外側に設け
    られ、光学処理を用いる光学配列であることを特徴とす
    る1つの液体と少なくとも1つの他の液体または少なく
    とも1つの固体材料とを混合するための装置。
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