JP3427606B2

JP3427606B2 - 化学分析装置

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Publication number: JP3427606B2
Application number: JP01639896A
Authority: JP
Inventors: 智晴梶山; 裕二宮原
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-02-01
Filing date: 1996-02-01
Publication date: 2003-07-22
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Also published as: JPH09210999A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は試料中の微量分析を
行う装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】試料中の興味ある被検物質を検出する方
法のうち、被検物質と特異的に結合できる複数個の磁性
微粒子を用いる検出方法がある。この方法は、例えば、
免疫測定など、試料中の被検物質の含有量が特に微量で
その物質を選択的に検定する必要がある場合に、磁性微
粒子に被検物質を結合させ、それらを磁力を用いて選り
集めることが可能である。

【０００３】一方、自動化に適した化学測定システムと
してフロースルー方式がある。この方法は、クリーニン
グ・コンディショニングする初期段階と、測定段階との
間の迅速な交代が可能である。この方式におけるクリー
ニング・コンディショニングは、流体力学的クリーニン
グが利用される。流体力学的クリーニングは、検出器
（フローセル）に緩衝液を流通させることによりフロー
セル内部をクリーニングする方法で、検出器が常時液中
にあり空気にさらされないため測定に際し外部因子の混
入を防ぐことができる。また、装置を分解することなし
に複数の異なる試料を測定することが可能となり、検定
のスループット向上が期待できる。

【０００４】以上の技術を応用した化学分析装置があ
る。図７および図８は、この装置の測定手順の一例の説
明図である。

【０００５】まず、試料の調製について説明する。図７
（ａ）で示している試料７１の中に、興味ある被検物質
７２とそれ以外の物質７３および７４が含まれている。
この試料７１に、被検物質７２と特異的に結合できる基
７５１を有する磁性微粒子７５を混合し反応させると、
被検物質７２は磁性微粒子７５と結合し、図７(ｂ)の結
合物７６を含む試料７７が得られる。

【０００６】次に、化学分析装置における化学分析の手
順を説明する。結合物７６を含む試料７７を、図８
（ａ）で示される化学分析装置の試料受け８１に注入す
る。試料受け８１の試料は、輸液管８２の矢印８２１で
示す道筋で、フローセル８３に送られる。ここで、図８
（ｂ）で示す様に、フローセル８３の外部に磁石８４を
近づけると、結合物７６は磁力により磁石の近傍に選択
的に集められる（保持される）。この状態で、図８
（ｃ）の様に、緩衝液８５を輸液管８２の矢印８２２で
示す道筋でフローセル８３に流すと、不要な物質７３お
よび７４は輸液管８６の矢印８６１で示す道筋で排出さ
れるので、結合物７６つまり被検物質７２を濃縮した状
態で分析することが可能となる。分析後は、図８（ｄ）
で示す様に、磁石を取り除いた状態で緩衝液８５を流す
ことにより、フローセル８３を初期の状態にクリーニン
グ・コンディショニングすることができる。

【０００７】従来技術の一例として、特公平7−6912 号
公報に開示されているエレクトロケミルミネセンス測定
装置がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】フロースルー方式化学
分析装置の場合、クリーニングの精度が非常に重要であ
る。クリーニングが充分でない場合、次の測定において
過去の測定の履歴が影響をおよぼし、検定精度を低下さ
せる。特に、異なる試料の測定を連続して行う必要のあ
る自動分析装置では、異なる試料の間の検体混入が起
き、正確な測定ができない。

【０００９】クリーニングの精度は、フローセル内に流
す緩衝液の流量と流れ方に大きく依存する。フローセル
内に緩衝液を流通させた場合、緩衝液の流速は一様でな
く、ある分布を持つ。これは、緩衝液の粘性によるもの
である。例えば、図９の内径Ｒ（図中９１）の円管に、
緩衝液を円管の中心軸９２に沿って矢印９３の方向に流
す場合を考える。この時の緩衝液の中心軸９２に垂直な
面９４における流速分布は、円管の半径Ｒが小さく緩衝
液が粘性流体として扱えること、および緩衝液の流速が
充分小さく乱流とならないことを仮定すると、極めて簡
単な近似のハーゲン−ポアズイユ流れで取り扱うことが
できる。この場合、流速分布は中心軸からの距離ｒでき
まる軸対象な分布となり、図１０のグラフで表される。
図中の縦軸の値のＵｍは、管内の流速の平均値である。
図１０より、管壁面（中心からの距離がＲとなるとこ
ろ）の近傍の流速は、中心部に比べ著しく減少すること
がわかる。領域１００は、流速が平均流速Ｕｍの１／２
以下となる領域を示している。

【００１０】また、図１１で示す長方形の断面を持つ管
について同様の考察を行う。管の中心軸１１１をｚ軸と
し、管の壁面に平行にｘ軸およびｙ軸をとり、それぞれ
の軸方向の管の太さをＬｘおよびＬｙとする。緩衝液
は、ｚ軸の正方向（即ち、矢印１１２の方向）に流れて
いる。この時の緩衝液の中心軸１１１に垂直な面１１３
における流速分布は、図１２で示される流速値について
の等高線グラフとなる。図中のＵｍは、管内の流速の平
均値である。また、直線１２１および１２２は、この管
のそれぞれｘ軸およびｙ軸に平行な壁面に相当し、ここ
での流速値はゼロである。斜線１２３は、流速が平均流
速Ｕｍの１／２以下となる領域である。これより、長方
形の断面を持つ管では、管の壁面の角付近の流速が特に
減少することがわかる。さらに、図１１の示す長方形の
断面を持つ管で、Ｌｘ／Ｌｙの値が大きい場合、即ち、
管の断面の長方形の一辺が他の一辺に比べ大きい場合、
面１１３における流速分布は、図１３で示される流速値
についての等高線グラフとなる。この場合、流速が平均
流速Ｕｍの１／２以下となる領域１３１は、ｘ軸方向に
広がることがわかる。

【００１１】以上の考察より、フローセル内部に緩衝液
を流した場合、図１０の領域１００や図１２の領域１２
３や図１３の領域１３１などのセルの壁面近傍におい
て、緩衝液の流れが滞り易いことがわかる。特に、セル
壁面のうちの角となる部分における緩衝液の流れが滞り
易い。その結果、フローセルをクリーニングするために
緩衝液を流す場合、セルの壁面やその角となる部分の近
傍でクリーニングの効果が低下してしまうことがわか
る。

【００１２】磁性微粒子を外部磁力で選り集める場合、
微粒子はフローセルの壁面近傍に保持される。即ち、磁
性微粒子は緩衝液のクリーニング効果が低下する領域に
保持される。そのため、従来技術で紹介した磁性微粒子
応用検出方法を用いたフロースルー方式化学分析装置で
は、クリーニング時に磁性微粒子が充分取り除かれずに
フローセル内に残留したり、クリーニングに必要となる
時間および緩衝液の総量が著しく増加することが課題と
なる。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、本発明はフロースルー型化学分析装置の検出器部分
に、音波を発生する電気音響変換器を設け、同装置が検
体の化学分析を終了した際に緩衝液をフローセル内に流
すことにより行うセルのクリーニング時に、緩衝液を流
す前または流す際に、音波を利用して検体或いは試薬或
いは磁性微粒子をクリーニングしやすい位置または状態
に変化させる機能を有する。特に、フローセルの形状
や、磁性微粒子の保持位置や、センサの位置や、装置の
測定原理や用途に応じ、供給する音波の周波数と、電気
音響変換器の空間的配置および個数を、最適に決定し
た。

【００１４】

【発明の実施の形態】

（第一の実施例）図１は本発明の実施例の説明図であ
る。本発明は、試料供給口１０１と緩衝液供給口１０２
と廃液排出口１０３を有するフローセル部１と、磁性微
粒子を保持するための磁場を形成する磁石２と、フロー
セル内部に音波を供給する電気音響変換器３と、電気音
響変換器に電力を供給する交流電源４で構成される。

【００１５】フローセル部の試料供給口１０１や緩衝液
供給口１０２や廃液排出口１０３は、それらのうちの幾
つかが同一の管口で兼用される場合もある。磁石２は、
電流のオン／オフによりフローセル部の磁場を制御する
電磁石である場合や、永久磁石の空間的配置を電動アー
ム等により変更することによってフローセル部の磁場を
制御する場合などがある。

【００１６】電気音響変換器３は、例えばＰＺＴ圧電材
料に電極を設けたものを利用する。この場合、利用する
音波の振動数に応じて、最適な圧電材料の厚さ等を決定
する。なお、電気音響変換器がフローセル内部の試料お
よび緩衝液に接触する場合は、試料および緩衝液の化学
的性質を考慮し、何らかの皮膜で保護することが必要な
場合もある。交流電源４は、任意の周波数の交流電流を
電気音響変換器に供給する能力を有する場合や、ある特
定の周波数の交流電流のみを供給する様に単純化する場
合などがある。なお、自動分析装置の場合は、磁石２を
用いた磁場制御や、電気音響変換器３と交流電源４を用
いた音波供給は、分析手順に同期することが有効であ
る。

【００１７】ここで、以降の説明のために三次元座標軸
を次のように定義する。フローセル内の溶液の流れの方
向をｚ軸とし、磁性微粒子を磁力により保持するフロー
セル内壁面の中央部のある一点を原点ｏとし、原点ｏを
含みｚ軸に垂直な面（以後、ｘ−ｙ面）で、磁性微粒子
を保持するフローセル内壁面と平行にｘ軸，ｘ軸と垂直
にｙ軸をとる。なお、ｘ−ｙ面とフローセルの壁面との
交差する部分を補助線６で示した。

【００１８】図２は、このｘ−ｙ面におけるフローセル
の断面図である。電気音響変換器２１は、その振動面２
２がｘ軸と平行となるように設けられている。磁性微粒
子は、磁石２により振動面２２の面上の領域２３に保持
される。分析評価を終了した後、電気音響変換器２１
は、矢印２４で示される様に座標軸ｙと平行な方向に振
動し、フローセル内部に粗密波（縦波）の音波を供給す
る。供給する音波の振動周波数は任意の値で良い。しか
し、特に、振動周波数ＦをＦ＝((２ｎ−１)Ｖ)／（４
Ｄ）と設定する場合がある。ここで、Ｄはフローセル内
部のｙ方向の大きさ２５、Ｖはフローセル内部の溶液中
の音速、ｎは任意の自然数である。この場合、音波はフ
ローセル内部で定在波を形成し、振動面２２の位置（即
ち、ｘ−ｚ面）が振幅の腹となる。破線２６は、ｎ＝２
の場合の定在波を、横波の表示法で表したものである。
この定在波は、ｙ＝Ｄで示されるフローセルの流路の壁
面２７（即ち、電気音響変換器２１と向かい合った面）
が振動の節となる他、フローセル内の流路空間に（ｎ−
１）個の節となる面を有する。図２では、点Ｐを含むｘ
−ｚ面に平行な面２８が節である。なお、壁面２７に音
波の反射の良い素材（例えば白金などの金属）を利用す
る場合もある。この場合、壁面２７における音波の反射
の際のエネルギの減衰が軽減できる。特に、定在波を利
用する場合には、定在波の形成の効率が上昇するため有
効である。

【００１９】本発明では、クリーニング時に電気音響変
換器２１を振動させることにより、領域２３に吸着して
離れにくくなっている磁性微粒子を離れやすくすること
ができる。

【００２０】また、磁性微粒子は、フローセル内部の溶
液の分子と比較し質量が充分大きいため、溶液の分子よ
り大きな慣性力が働く。その結果、溶液が振動運動を行
うと、溶液中の磁性微粒子は運動の極小点に集まる性質
がある。本実施例の場合、領域２３は振動の腹（即ち、
振動運動の極大点）であるため、磁性微粒子はこの領域
から移動する。つまり、音波を供給することにより、領
域２３に保持した磁性微粒子をｙ軸の正方向に移動させ
ることが可能となる。特に、音波が定在波となっている
場合は、磁性微粒子は運動の極小点である振動の節（図
２では、面２８の節）に集まる。

【００２１】以上の状態で緩衝液をフローセル内部に流
すことにより、従来の様に緩衝液を流すだけではセル外
部に排出されにくかった磁性微粒子を、容易に排出する
ことが可能となる。即ち、フローセルのクリーニングが
容易となり、その精度も向上する。

【００２２】（第二の実施例）本発明の第二の実施例と
して、図３のｘ−ｙ面の断面図で示される様に、電気音
響変換器３１および３２をフローセルの両端に、ｙ軸方
向に対となるように、平行に配置する場合を説明する。
なお、図中の領域２３は、図２と同様に、磁石２により
磁性微粒子が保持される領域を示す。本実施例では、音
波の振動力が倍増し、磁性微粒子を移動させやすくな
る。また、供給する音波の振動周波数Ｆを、特にＦ＝
（ｎＶ）／（２Ｄ）と設定することにより、音波はフロ
ーセル内部で定在波を形成する。ここで、Ｄはフローセ
ル内部のｙ方向の大きさ３３、Ｖはフローセル内部の溶
液中の音速、ｎは任意の自然数である。この定在波は、
フローセルの二つの電気音響変換器の振動面３４および
３５の位置が振動の腹となり、フローセル内部にｎ個の
節を有する。図中の破線３６は、ｎ＝１の場合の定在波
を、横波の表示法で表したものであり、破線３７を含む
二つの振動面に平行な面が振動の節となる。

【００２３】（第三の実施例）本発明の第三の実施例と
して、図４のｘ−ｙ面の断面図で示される様に、電気音
響変換器４１の振動面４２をｙ軸と平行に配置する場合
を説明する。図４は、電気化学発光を利用する化学分析
装置に、電気音響変換器を設けた場合の一例を示す図で
ある。電気化学発光を利用する化学分析装置は、磁性微
粒子に結合した金属錯体などが、酸化還元作用により発
光する原理を利用するものである。発光は、金属錯体と
結合した磁性微粒子が作用電極４３の電極表面上４４に
密着した状態で、上部電極４５と作用電極４３の間に電
圧を印加することにより起こる。そのため本装置では、
磁性微粒子を作用電極４３の電極表面上４４に保持する
必要があり、第一および第二の実施例の様に、磁性微粒
子の保持される領域が電気音響変換器の振動面と同一と
なる構造は不可能である。本実施例は、以上の様な、電
気音響変換器の振動面４２を磁性微粒子を保持する領域
４４と区別する必要がある場合に適用できる。なお、本
実施例では、第一の実施例と同様に、フローセル壁面４
６に、音波の反射の良い素材を利用することも有効であ
る。

【００２４】（第四の実施例）また、本発明の第四の実
施例として、図５のｘ−ｙ面の断面図で示される様に、
電気音響変換器５１および５２をフローセルの両端に、
ｘ軸方向に対となるように互いに平行に配置する場合を
説明する。電気化学発光を利用する化学分析装置では、
測定感度の向上のために、作用電極の表面積をできるだ
け大きくすることが有効である。一方、装置で利用する
直流電圧値をなるべく低くおさえるため、上部電極と作
用電極の距離はできるだけ小さくする必要がある。その
ためフローセルの流路の断面は、図５の様にｘ軸方向の
長さＬｘ（図５の５３）とｙ軸方向の長さＬｙ（図５の
５４）に対し、Ｌｘ／Ｌｙが大きな値となるような構造
を有する場合がある。この場合、従来技術の課題で述べ
たように、図５のｘの絶対値の大きい領域５５および５
６では、緩衝液を流して行うクリーニングの際に緩衝液
の流れが滞り易く、磁力により保持した磁性微粒子が残
留しやすくなる。

【００２５】本実施例は、電気音響変換器５１および５
２をフローセルの両端に配置することにより、領域５５
および５６に保持された磁性微粒子を振動させ、保持部
分から離れ易くする。特に、音波の振動の周波数ＦをＦ
＝（ｎＶ）／（２(Ｌｘ)）と設定することにより、音波
はフローセル内部で定在波を形成する。ここで、Ｖはフ
ローセル内部の溶液中の音速、ｎは任意の自然数であ
る。この定在波は、フローセルの二つの電気音響変換器
の振動面５１１および５２１の位置が振動の腹となり、
フローセル内部にｎ個の節を有する。図中の破線５７
は、ｎ＝１の場合の定在波を、横波の表示法で表したも
のであり、ｙ軸を含む二つの振動面に平行な面が振動の
節となる。

【００２６】本実施例では、領域５５および５６に保持
された磁性微粒子を、形成された定在波により振動の節
に集めることが可能となる。即ち、緩衝液を流して行う
クリーニングの際に、緩衝液の流れが滞ることにより残
留してしまう領域５５および５６の磁性微粒子を、緩衝
液の流速が高い流路中央部５８に移動させることによ
り、磁性微粒子の残留を起きにくくすることが可能とな
る。

【００２７】第三および第四の実施例では、定在波を形
成するように振動周波数を設定した場合、節にあたる部
分はフローセル内部の溶液の振動が起きない。そのた
め、節にあたるフローセル壁面に磁性微粒子が吸着して
いる場合、この磁性微粒子を振動させることができず、
クリーニングの際に吸着したまま残留してしまうことも
考えられる。その場合、振動周波数を時間的に変化さ
せ、節の位置を変化させることが有効である。また、第
四の実施例では、二つの電気音響変換器５１と５２の振
動周波数をそれぞれ異なる値に設定すると、合成波の節
の位置を時間的に変化させることができる。

【００２８】（第五の実施例）本発明の第五の実施例と
して、磁性微粒子を電極等に保持する場合、その電極自
身に振動波を伝達させることも可能である。図６は、本
実施例を説明するｘ−ｙ面の断面図である。電気音響変
換器６１を、作用電極６２と接する様にフローセルの流
路の外部に設けている。電気音響変換器６１が矢印６３
の方向に振動すると、その振動波は作用電極６２に伝達
する。磁性微粒子は、この振動のエネルギにより保持位
置６４から離れ易くなったり、ｙ軸の正方向に移動す
る。

【００２９】（第六の実施例）第一から第五の実施例
は、特に効果の大きい磁性微粒子利用分析装置への電気
音響変換器の応用について述べたものであるが、本発明
はイオン電極型センサおよびフローインジェクション分
析などのフロースルー型化学分析装置に応用する場合も
ある。同装置の場合、クリーニングの際に、センサまた
は検出器の表面に付着したイオンや試薬などを効率よく
除去する必要がある。フローセル内部に電気音響変換器
を設け、セルのクリーニング時にセンサ面または検出器
面に音波を集中するように照射することにより、センサ
面または検出器面に付着したイオンや試薬などが効率よ
く除去される。その結果、従来と比較し、セルのクリー
ニングの効率が向上する。

【００３０】（本実施例の具体例）以上の実施例の具体
例を示す。図１４は、第四の実施例で説明した電気化学
発光を利用するフロースルー型化学分析装置のフローセ
ルの具体例である。図１４（ａ）はフローセルにおける
溶液の流れの方向に平行な面（図１のｙ−ｚ面に相当）
におけるセルの断面図、（ｂ）は溶液の流れる方向に垂
直な面（図１のｘ−ｙ面に相当）におけるセルの断面
図、（ｃ）はそれらの面に垂直な面（図１のｘ−ｚ面に
相当）におけるセルの断面図である。フローセルは、試
料と緩衝液を供給する供給口１４２と廃液を排出する廃
液排出口１４３と作用電極１４７を設けた基盤１４１
と、上部電極１４６と二つの電気音響変換器３（３−１
および３−２）を設けた光透過性アクリル材１４４によ
り、流路１４５が形成されている。電気音響変換器は、
図１４（ｃ）の示すように、流路を挟んでそれぞれが向
かい合うように配置されている。電気音響変換器は、Ｐ
ＺＴ（周波数定数２０００cycle・ｍ）を利用した。図１
４（ｂ）の１４９で示す流路断面の長さは約５mmであ
り、電気音響変換器の振動の周波数を約１５０ｋＨｚと
すると、流路内に節が一つの定在波が形成される。この
場合、電気音響変換器が最も効率よく振動するように、
振動方向の厚さ１５０を約１３mmとした。

【００３１】本装置の測定原理を説明する。表面に電気
化学発光反応を起こす金属錯体を固定した磁性微粒子と
電気化学発光反応の触媒を含む試料をフローセルに供給
し、磁石２により作用電極１４７上に固定する。上部電
極１４６と作用電極１４７の間に電圧を印加すると、金
属錯体が電気化学発光反応により発光し、その発光量を
フォトマル１４８で観測する。

【００３２】本装置のクリーニングの精度は、以下の評
価により検討できる。磁性微粒子は、表面を高分子膜で
被覆しその上に電気化学発光反応を起こす複数のＲｕ錯
体を固定した直径約２μｍのＦｅ微粒子を用いた。この
磁性微粒子と電気化学発光反応の触媒であるトリプロピ
ルアミン（ＴＰＡ）をある規定濃度で含む標準試料と、
磁性微粒子を含まない参照試料を準備した。

【００３３】まず、参照試料について測定し、その発光
量をＢＧとした。次に、セルを充分にクリーニングした
後、標準試料の測定，従来方法のセルクリーニング，参
照試料の測定を連続して行った。各測定の発光量を、そ
れぞれＳ１およびＬ１とする。従来装置のクリーニング
の精度を示す無次元量ＣＯを、ＣＯ＝（Ｌ１−ＢＧ）／
（Ｓ１−ＢＧ）で定義する。この場合、ＣＯ値が小さい
ほどクリーニングの精度が良いことになる。

【００３４】次に、本発明の場合のクリーニングの精度
を評価した。セルを充分にクリーニングした後、標準試
料の測定，電気音響変換器による音波の照射，従来方法
のセルクリーニング，参照試料の測定を連続して行っ
た。各測定の発光量を、それぞれＳ２およびＬ２とす
る。ただし、実験誤差の範囲内でＳ１＝Ｓ２である。本
発明のクリーニングの精度を示す無次元量ＣＯＡを、Ｃ
ＯＡ＝（Ｌ２−ＢＧ）／（Ｓ２−ＢＧ）で定義する。

【００３５】本発明の効果は、ＣＯとＣＯＡの比較で得
られる。実験の結果、本発明のCOAは、従来装置のＣＯ
の約１０分の１となることが確認できた。

【００３６】

【発明の効果】本発明によれば、磁性微粒子応用検出方
法を用いたフロースルー方式化学分析装置のクリーニン
グの精度が向上するため、装置の分析能力が向上する。
また、同装置のクリーニングに必要となる時間および緩
衝液の総量を減少させることが可能となり、評価のスル
ープットの向上や、評価の低コスト化が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例の説明図。

【図２】本発明の第一の実施例の説明図。

【図３】本発明の第二の実施例の説明図。

【図４】本発明の第三の実施例の説明図。

【図５】本発明の第四の実施例の説明図。

【図６】本発明の第五の実施例の説明図。

【図７】従来技術である磁性微粒子を利用した化学分析
方法の説明図。

【図８】従来技術である磁性微粒子を利用した化学分析
方法の説明図。

【図９】粘性流体の流れの説明図。

【図１０】図９の円管におけるハーゲン−ポアズイユ流
れの流速分布の特性図。

【図１１】粘性流体の流れの第二の具体例の説明図。

【図１２】図１１の長方形の断面を持つ管における粘性
流体の流速分布の特性図。

【図１３】図１１の長方形の断面を持つ管で、断面の長
方形の長辺と短辺の比が特に大きい場合の粘性流体の流
速分布の特性図。

【図１４】本発明の第四の実施例を具体的に装置化した
例の説明図。

【符号の説明】

１…フロースルー方式化学分析装置のフローセル部、２
…磁性微粒子固定用磁石、３…電気音響変換器、４…交
流電源。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】緩衝液の供給口と緩衝液の排出口とを具備
するフローセルと，前記緩衝液の流れの方向をはさみ対
をなす前記フローセルの各面にそれぞれ配置される電気
音響変換器とを有し，前記電気音響変換器の振動周波数
をそれぞれ異なる値に設定して，合成波の節の位置を時
間的に変化させることを特徴とする化学分析装置。
【請求項２】緩衝液の供給口と緩衝液の排出口とを具備
するフローセルと，前記緩衝液の流れの方向をはさみ対
をなす前記フローセルの各面にそれぞれ配置される電気
音響変換器とを有し，前記電気音響変換器の振動周波数
を時間的に変化させて定在波の節の位置を時間的に変化
させることを特徴とする化学分析装置。