JP3643429B2 - 化学分析装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は液体中に溶解した化学成分の性質、濃度等を分析するのに好適な化学分析装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
分析対象の液体（以下、試料液という）中に溶解した化学成分を精度よく分析する方法として、試料液に２つの試薬液を加える２試薬混合処理方法がある。これは、まず第１の試薬液で試料液中の分析対象成分の化学組成を変化させ、妨害物質の影響を除く。次に第１の試薬で変化させた分析対象成分の化学組成に反応して発色する第２の試薬を加え、検知部にてこの発色反応の程度を吸光光度計などで計測する方法である。
この分析作業を自動的に行う装置として、例えば、特開昭６１ー１００６４１号公報（以下、従来技術１という）にフローインジェクション方式の自動化学分析装置が開示されている。この装置は、しごきポンプにより試料液が送液されている細管内へ、２種類の試薬液を別々の管から供給し、この細管内で試料液と試薬液の混合反応をおこなう。通常この混合反応を十分に行うために数ｍの長さの細管と、１ｋＷ程度のドライヤ形ヒーターが設けられている。試薬の反応により試料液中の溶解成分は濃度に応じた発色反応を呈するため、これを吸光光度計にて計測することにより濃度の定量を行う。
【０００３】
また、特開平６−２２６０７１号公報（以下、従来技術２という）に試料液と試薬液の混合反応部を小型化し、試料液と試薬液の微量化が可能な化学分析装置が開示されている。この装置は、混合反応を行うための非常に薄い混合室と、その底面に高密度に設けられた多数の微小ノズルとその微小ノズルに接続された試薬供給手段と、混合室に試料液を吸入するための試料液吸引ポンプと、混合反応した試料液の発色反応を検知する検知器とから構成されている。混合室が非常に薄いので、混合室に満たされた試料液に対して試薬を底面に高密度に設けられたノズルを介して噴出すると、試薬液の噴流は混合室の厚さ方向にくまなく広がり、混合室内で均一な混合がすばやく達成されるため、従来技術１にて試薬液と試料液を混合させるために必要とした数ｍの細管を不要としたものである。さらにこの技術によれば、混合部にて化学成分の検知ができるため、試料液と試薬液の微量化が可能となる。
【０００４】
また、従来の多項目自動化学分析装置としては特開平３ー１０２２６１号公報（以下、従来技術３という）に自動化学分析装置が開示されている。この装置ではまず試験管に採取された試料液の一部をサンプリング用自動ピペッティング装置にて所定量採取し、混合反応槽に分注する。その後、所定の試薬を試薬自動ピペッティング装置にて混合反応槽に分注し、自動撹袢装置にて混合反応槽内の試料液と試薬液を混合せしめる。一定時間後、混合反応によって生じた発色度合を吸光度計にて計測し、目的とする溶解化学成分の定量を行う。上記動作は複数項目の溶解成分分析を連続してほぼ同時に行うことができる。
従来の小形化学分析装置としては例えば、ＨＡＣＨ社製のＳＰＥＣＴＲＯＰＨＯＴＯＭＥＴＥＲ（ＭＯＤＥＬ ＤＲ／２０００）がある。この化学分析装置は、吸光光度計を主体とする装置本体と、顆粒状の試薬を詰めたパック、試料液と試薬を混合反応させるための反応瓶からなる。このパックと試料液を人手により反応瓶に入れて振倒撹袢させ、所定時間後、装置本体の計測部に装填する。計測部では反応瓶を通して内部の試料液の発色度合を吸光度計測し、濃度の定量を行う。装置本体はバッテリ駆動が可能で、屋外での使用が可能になる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術１の自動化学分析装置（フローインジェクション式の化学分析装置）では、試薬液と試料液の反応のために数ｍに及ぶ反応用のチューブと、これらのチューブ内の液をまんべんなく加熱するために１ｋＷ程度のドライヤー形のヒーターが必要である。したがって、装置全体が大型化・高価格化するとともに電力消費量が増大するという問題がある。また試料液と試薬液の混合液は前後をキャリア液に挟まれてチューブ内を流動するため、前後のキャリア液と接触する部分では拡散により発色度合が薄まり、検知器での検出能力を低下させる。そこで検出能力を高めるため通常検知器での所用液量より多めの試薬液・試料液を流す必要があるが、その結果廃液量が多くなってしまう。化学分析に使われる試薬液は有害なものも含まれるため、廃液瓶に貯めて処理業者に廃棄を委託するが、廃液量が多くなれば、蓄積量も増え、処理のコストも増大するという問題が生じる。
【０００６】
上記従来技術２の試料液と試薬液とを微小ノズルを介して混合する方法は、混合部の小型化および試料液と試薬液の微量化の点で効果があるが、送液手段、駆動エネルギ源などを含めた化学分析装置全体の小型化については考慮されておらず、屋外での分析や、中小病院での簡便な診断を行うのは困難である。
上記従来技術３の多項目自動化学分析装置は、ほぼ同時に多項目の化学分析が実施できるが、そのために自動ピペッティング装置が必要であり、またそれを動作させるためにコンピュータ制御によるモータを複数搭載する必要がある。したがって装置全体が大型化・高価格化するとともに電力消費量が増大するという問題があり、屋外での分析や、中小病院での簡便な診断を行うのは困難である。
【０００７】
上記従来技術４の試薬パック式の小形化学分析装置は、試薬として予めパック内に定量詰めされており、試料液と試薬の混合反応を人手で行うことで、装置本体としては吸光度計測機能のみを備えていればよい。そのため小形・安価かつ低消費電力の化学分析装置を提供可能としているが、人手による誤差、すなわち反応瓶に入れる試料液の定量誤差、および試薬液と試料液の混合反応ムラあるいは混合反応時間の管理誤差などにより自動の化学分析装置に比べ測定精度が劣っている。
【０００８】
本発明の目的は、従来の自動化学分析装置と同等の測定精度を持ち、しかも携帯可能な程度に小形で、さらに分析時の消費電力及び試薬液量の削減を図った化学分析装置あるいは多項目化学分析装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の化学分析装置は、少なくとも、試料液と試薬液とを送液する送液部と、送液部によって送液された試料液と試薬液とを混合及び反応させる混合反応部によって混合された混合反応液から試料液内の溶解化学成分を分析する分析部と、送液部及び分析部の動作タイミングを制御する制御部と、分析部における検出手段から出力される信号を処理する信号処理部とを箱状体内に装着し（具備し）、携帯可能に構成した。
【００１０】
以上の処理を自動で行うために、本発明手段は以下のように動作する。まず試料液の送液手段が動作して試料液を混合反応部に導入する。また、試薬液の送液手段が動作して試薬を混合反応部に導入する。混合反応部では複数の微小孔から試薬液が試料液中に微小な噴流となって放出される。試薬液が試料液中に複数の微小な噴流となって放出される状態では、互いの液が接する表面積が著しく増大するため、濃度勾配に起因する分子拡散が促進され、短時間に混合が終了する。したがって混合反応部の長さは短くて良い。短い混合反応部は装置全体の小形化に大きく寄与する。加熱手段は混合の終了した試料液を加熱し反応を促進させる。この際、加熱する試料液は微量であるため、加熱手段は小容量でよく、加熱に必要な電力も少量でよい。反応が終了した試料液は分析部に送液され、反応結果を定量分析する。分析部では、反応が終了した試料液の光透過度、電気伝導度などにより反応結果を定量分析するが、試料液が微量であるため、分析部も小型化が図れる。このように、混合反応部、加熱手段、分析部等の小形化等により、これらを装着する箱状体の小型化が可能になり、装置全体の小形化及び低価格化が可能となる。また混合反応部が短くなったことにより、試薬液の拡散による薄まりが抑えられるため、所用試薬液量の低減を図ることができる。
【００１１】
以上のように本発明によれば、従来の自動化学分析装置と同等の測定精度を持ち、しかも携帯可能な程度に小形で、さらに分析時の消費電力及び試薬液量の削減を図った化学分析装置あるいは多項目化学分析装置を提供することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
図１は本発明の一実施形態である化学分析装置の全体構成を示す図、図２は図１の化学分析装置の各要素間の関係を示す配管・配線系統図および送液部の説明図、図３は図１の化学分析装置の混合反応部の構成図、図４は図１の化学分析装置の化学分析装置の動作を説明するタイムチャート、図５は図１の化学分析装置の混合反応部での混合原理の説明図、図６は図１の化学分析装置の光吸収流路部での光路の説明図、図７及び図８は計測方法の説明図をそれぞれ表す。
【００１３】
図１に示す化学分析装置は目的とする溶解化学成分の濃度を定量するために、２つの試薬液を順次、試料液に加えて発色反応を誘起せしめ、その液の吸光度を計測する方法を採用する。本分析装置は試料液を採取するための採取管１４、採取管１４の元に設けられた、固形物や汚れを取り除くためのフィルタ１３、フィルタ１３を通過した試料液と試薬液とを混合反応させるための混合反応部１１、混合反応部１１の底部に密着固定されている加熱用のフィルムヒータ８、混合反応部１１で発色した試料液９に決まった波長の光３６を照射するための照射光源３４、試料液９での透過光を検知するための光ファイバ３２および光検知器３３、試料液９の採取、試薬液の供給等を行うための送液部２、送液部２・採取管１４と混合反応部１１を繋ぐための流体コネクタ１２、送液部２、フィルムヒータ８、照射光源３４、光検知器３３の制御及び検知された透過光強度から成分濃度を算出するための信号処理を行うための制御・信号処理部５、計測の開始・停止などを指定するための動作スイッチ７、計測状態や計測結果等を表示するための表示器６および上記機器の動作エネルギ源であるバッテリ４を携帯可能な大きさ及び重量に一体にまとめたものである。
【００１４】
次に図２を用いて送液部２の構成について説明する。送液部２は試料液の吸引・吐出を制御する試料液ポンプ２２と第１および第２試薬液の吸引・吐出を制御する第１および第２試薬液ポンプ２３、２４からなる。試料液ポンプ２２は駆動源として試料液用モータ２２１を備え、その回転運動を平行運動に変換するための試料液用ラック付プレート２２２が設けられている。試料液用ラック付プレート２２２の上面には弾力のある試料液チューブ２２３が試料液用ラック付プレート２２２の長手方向に固定されている。試料液用チューブ２２３の中には作動液２２４が注入されている。試薬液ポンプ２２も同様の構成になっており、駆動源の試薬液モータ２３１、試薬液用ラック付プレート２３２、弾力のある第１試薬液チューブ２３５及び弾力のある第２試薬液チューブ２３６が設けられている。第１試薬液チューブ２３５内には第１試薬液２３３が、第２試薬液チュ−ブ２３６内には第２試薬液２３４が封入されており、それぞれの試薬供給流量比に合わせたチューブ径になっている。各チューブの初端部分（図２の左上部）は内径が大きくなっている。また、しごきローラー２１が試料液チューブ２２３、第１試薬液チューブ２３５及び第２試薬液チューブ２３６の所定の箇所を押し潰すように固定されている。ここでチューブとは、弾力があり、しごくことにより内容積が変化するものであればよく、形状に対する制限はない。
【００１５】
次に混合反応部１１の構成を図３を用いて説明する。混合反応部１１はシリコンプレート１１４、１１２、ガラスプレート１１３、１１１が図の順に陽極接合で組み立てられている。シリコンプレート１１４、１１２には図に示す微細流路がエッチング加工により形成されている。またガラスプレート１１３にはプレート１１４の流路とプレート１１２の流路を連結するために孔１１３１〜１１３８が設けられている。プレート１１３の孔１１３１は採取管１４に、孔１１３２は試料液ポンプ２２に、孔１１３３は第１試薬液ポンプ２３に、孔１１３４は第２試薬液ポンプ２４に連結されている。シリコンプレート１１２に設けられている微細流路１１２５には入口１１２１、出口１１２２、および第１試薬液供給部１１２３（詳細は図５に示す構成となっている。）、第２試薬液供給部１１２４（詳細は図５に示す構成となっている。）、および吸光光度計測用の光吸収流路部１１２７、光吸収流路部１１２７の両端には、光の反射面１１２８、１１２６が設けられている。入口１１２１は孔１１３５、流路１１４１、孔１１３１の順に、出口１１２２は孔１１３６、流路１１４２、孔１１３２の順に、第１試薬液供給部１１２３は、孔１１３７、流路１１４３、孔１１３３の順、第２試薬液供給部１１２４は、孔１１３８、流路１１４４、孔１１３４の順に連結されている。第１試薬供給部１１２３、第２試薬供給部１１２４は図５に示すように多数の微小孔１１２９から成っており、試薬液はこの微小孔１１２９を通って試料液中に噴出して混合されるようになっている。
【００１６】
次に光吸収流路部１１２７まわりの構成について第６図を用いて説明する。照射光源３４に対してプリズム３５が図に示す位置に設けられている。このプリズム３５は図に示す方向に回転可能になっており、光３６を反射面１１２８を利用して光吸収流路部１１２７の流路方向に照射されるように調整可能となっている。同様に光ファイバ３２の受光部にもプリズム３２１が設けられており、反射面１１２６を経た透過光を光ファイバ３２の軸方向に導入させるように図示の方向に回転可能となっている。
次に図２を用いて送液部２、混合反応部１１、光吸収流路部１１２７周辺との制御信号の接続について説明する。制御・信号処理部は制御部５１と信号処理部５２よりなる。制御部５１には操作スイッチ７の操作信号が入力されるよう接続されている。制御部５１は送液部の試料液用モータ２２１、試薬液用モータ２３１、フィルムヒータ８、照射光源３４のＯＮ/ＯＦＦを制御するように繋がれている。また信号処理部５２に対しては測定開始のトリガ信号用の回線が繋がれている。信号処理部５２と表示部６が接続されている。
【００１７】
以上の構成からなる化学分析装置の動作を以下に説明する。
まず装置本体を移動させて、採取管１４を測定対象とする試料液９の中に浸責する。この状態で動作スイッチ７の開始ボタンを操作する。開始の信号は制御・信号処理部５に伝達される。これを受けて制御・信号処理部５は送液部２の試料液用モータ２２１を回転させる。試料液用モータ２２１の回転は試料液用ラック付プレート２２２のラックに伝達され、試料液用ラック付プレート２２２は図２の右下方に向かって一定速度で移動し始める。この際しごきローラー２１の位置は固定されているので、試料液用チューブ２２３は左上のチューブ端に向かってしごかれる。このしごき動作により、試料液９が、採取管１４からフィルタ１３、混合反応部１１内の微細流路１１２５を経て吸入される。一定量の試料液９を吸入すると、制御・信号処理部５は試料液用モータ２２１を先程と反対の方向に回転させ、同時に試薬液用モータ２３１も同じ回転方向に動作させる。これにより試料液用ラック付プレート２２２、試薬用ラック付プレート２３２は、左上方に移動し、試料液用チューブ２２３、第１試薬液用チューブ２３５及び第２試薬液用チューブ２３６はしぎきローラー２１によって右下方にしごかれる。この動作で試料液、第１試薬液及び第２試薬液は混合反応部１１内へ一定流速で流入し始める。第１試薬液２３３および第２試薬液２３４の流量は、第１試薬用チューブ２３５及び第２試薬用チューブ２３６の内径によって調整されている。すなわち低流量にする場合は、内径の小さいチューブが選択される。また大流量が要求される場合は、内径の大きいチューブが選択される。しごきながら、途中で流量を変更したい場合は、各チューブの内径を流量に応じて変更すればよい。第１試薬用チューブ２３５及び第２試薬用チューブ２３６の左上方の内径が大きいのは、装置の初期立ち上げ時に、短い時間で混合反応部までの管内を試薬で満たすためである。なお、図４は、上記の動作をタームチャートで表したものである。
【００１８】
本実施形態では、しごきロ−ラ−２１を固定し、ラック付プレ−トを移動させることにより各々のチュ−ブをしごいているが、これは、ラック付プレ−トを固定ししごきロ−ラ−を移動しても同じ効果が得られる。
さらに、第１試薬液チュ−ブ２３５及び第２試薬液チュ−ブ２３６をカ−トリッジにより脱着可能にするれば、分析中に試薬液が終わった場合でも、新規のカ−トリッジと交換することにより、継続して分析を行うことができる。また、分析対象の異なる試薬液が入ったカ−トリッジを複数用意し、測定対象ごとにカ−トリッジを交換することにより、１台の分析装置で数々の成分分析が可能となる。
【００１９】
試料液９と第１試薬液２３３と第２試薬液２３４とは、図３の第１試薬供給部１１２３、第２試薬供給部１１２４にて合流する。この合流時に図５で示すように、試薬液は多数の帯状流れを形成しながら、試料液９と合流するため、合流の初期段階から試料液９内に試薬液が分散した状態になる。その結果、お互いの接触する面積が飛躍的に増大し、濃度勾配に起因した分子拡散が著しく促進される。また微小孔１１２７の間隔を０．１ｍｍ程度にすれば流路中での噴流の間隔も０．１ｍｍ程度にすることができ、試薬液と試料液との混合を短時間に完了させることが可能である。この混合は分子拡散を主に利用しているため、対流を発生させる必要はなく、１μＬ以下の微量の試薬液でも容易に混合を行うことができる。混合する試薬液量が微量化されるので、流路サイズも小形化することができ、混合反応部全体の大きさも小形化することができる。試料液と試薬液との混合液が、混合反応部１１の光吸収流路部１１２７を十分に満たしたところで、試料液用モータ２３１及び試薬液用モータ２３２は停止される。
【００２０】
試料液と試薬液との混合に先立ち、混合反応部１１の加熱が実施されるが、混合反応部１１全体のサイズが上記の理由により、小形化されているため、所定温度まで短時間で加熱させることができ、またその温度を微小電力で保持させることができる。さらに試薬供給部から光吸収流路部までの流路が短いことにより、所要の試薬量も少なくて良い。図７に示すように試料液と試薬液の混合液は加熱下で所定時間Ｔ1経過後より発色反応が始めるが、その前に照射光源３４を点灯させ、初期透過光強度Ｉ１を計測する。発色反応が始まると、透過光強度は低下していき、所定時間Ｔ２経過後、一定値に落ち着く。その直後Ｔ３で再び照射光源３４を点灯させ、反応終了時の透過光強度Ｉ２を計測する。制御・信号処理部５では、予め実施されている標準液と吸光度の校正実験から図８に示すような濃度ー吸光度校正線を記録されており、これと前記透過光強度から濃度を求める。測定が終了するとヒータ８への電源は落とされ、試料液ポンプ２２が動作して、残りの試料液を排出する。以上で一連の測定動作を終了する。
【００２１】
次に分析部の光吸収流路部１１２７での透過光強度の測定方法を図６により説明する。光吸収流路部１１２７の反射面１１２８は水平面に対してシリコンの結晶面角度に対応した５４．７度で傾斜している。照射光源から出た光３６はプリズム３５により、光吸収流路部１１２７の反射面１１２８に照射する。光３６を反射面１１２８に照射する手段として、プリズム３５を用いることにより、光３６は照度低下及び乱反射することなく反射面１１２８に照射されるため、測定に必要な最小限の照射光源を備えれば良い。また、光路の微調整もプリズム３６の角度を調整するだけでよく複雑な光路調整手段は不要であり、化学分析装置の小形化、軽量化、省電力化を図ることができる。なお、光３６を反射面１１２８に照射する手段はプリズム３５に限るものではなく、光３６を照度低下及び乱反射させることなく反射面１１２８に照射させることができればよく、例えば、鏡状の金属面等でもよい。
【００２２】
反射面１１２８で反射した光３６は、光吸収流路１１２７に沿うように調整されているので、光３６は光吸収流路１１２７にある試料液の発色程度に応じて吸収されながら、もう一方の反射面１１２６で反射し、光吸収流路１１２７外に出る。この光は照射側と同様プリズム３２１により、光軸方向を変更され、検知用ファイバ３２に導かれる。検知用ファイバ３２内を通過した光の強度は光検知器３３にて計測される。検知用ファイバ３２は、可とう性があるため、光検知器３３の設置場所を自由に選定でき、装置全体の小型化を図ることができる。
なお、本実施形態では、照射光源３４を決まった波長の光を照射するものとしているが、光波長分波器を照射側又は検知側のいずれかに設ければ、照射光源は、自然光、蛍光灯、電灯等の複数の波長を有する光であっても良い。
【００２３】
さて、本化学分析装置の計測対象として環境水中のリン酸濃度を選択した場合、高感度な分析方法として、モリブデン青法が一般に用いられる。本法はまず試料液にアスコルビン酸溶液を加えてリン酸を還元し、次にモリブデン酸アンモニウム溶液を加えることで青色に発色させる。この青色の発色度合を光の吸収で計測することでリン酸の濃度を定量する。この時の加熱温度は６０℃程度である。本発明の化学分析装置の混合反応部光吸収流路部１１２７の流路サイズとして１ｍｍ×０．１６ｍｍ、流路長さ（光路長）として２０ｍｍを設定する。これはシリコンプレートの厚さとして０．２２ｍｍのものを用いた場合の設定値である。以上の寸法で流路内容積は３．２μＬであり、試料液と試薬液との混合液の総液量としては、６μＬ程度あれば良い。この場合、各種試薬と試料液との混合比より、試薬液の所要量を算出すると、アスコルビン酸溶液で０．０４μＬ、モリブデン酸アンモニウム溶液で０．１５μＬとなる。これは従来の装置の所用試薬量に対して２桁以上少ない量である。試薬液ポンプ２３の第１試薬液チューブ２３５の内径を０．５ｍｍ、長さを５０ｍｍとすれば、試薬充填量は１０μＬとなる。第１試薬２３３のアスコルビン酸溶液の場合、上記使用量から算出すると一回の充填で２００回以上の測定が可能である。光吸収流路を納めるための混合反応部１１のサイズは光吸収流路部１１２７が収まる大きさが必要であるが、たかだか２５ｍｍ×２ｍｍ×１０ｍｍ程度である。この程度の大きさのものを６０℃に加熱・保温するためには従来のようなドライヤ型ヒータを用いる必要はなく、密着型のフィルムヒータで充分である。またフィルムヒータの場合、空気を介在させることなく混合反応部を加熱することができるので消費電力を著しく低減させることができる。実施結果によれば、１Ｗ程度（抵抗値０．５オーム）で上記混合反応部を６０℃に保持することが可能であった。従来のドライヤ形ヒータ（１ｋＷ）と比較して３桁小さい値で済む。
【００２４】
以上、本実施形態の化学分析装置では、従来の自動化装置と同じ２試薬混合による分析法を実施しているため、同等の測定精度を確保できる上、同時に混合反応に必要な試料液・試薬液の微量化により、微量の試薬液量で、繰り返し測定が可能となる。また混合反応部１１の小形化により、加熱手段としてフィルムヒータの利用が可能となり、装置全体の小型化、およびバッテリ利用による屋外での使用が可能となる。
さらに混合反応部１１も交換可能にすることができる。こうすることにより、混合反応部１１が汚れの付着等により経年劣化した場合でも、混合反応部１１を交換することにより短時間で復旧することができる。
【００２５】
次に本発明の他の実施の形態の一例を、図９、図１０、図１１を用いて説明する。図９は本発明の別の化学分析装置の全体構成図、図１０は本分析装置の配管・配線系統図、図１１は本分析装置の動作を示すタイムチャートである。
混合反応部１１の構成は上記の化学分析装置と同じである。混合反応部１１に対して送液部２、光照射光源３４、光検知器３３が図９のように設けられている。送液部は、試料液マイクロポンプ（試料液ポンプ）２２’、第１試薬液マイクロポンプ（第１試薬液ポンプ）２３’、第２試薬液マイクロポンプ（第２試薬液ポンプ）２４’、及び標準液・試料液導入切替弁２６からなる。これらのマイクロポンプ２２’、２３’、２４’及び切替弁２６は文献「Integrated micro liquid dosing system、 Proc。 MEMS793、 pp254-9」に示されているように混合反応部１１と同じエッチング加工で形成されたもので、微量液の送液に好適な構造となっている。試料液マイクロポンプ２２’は切替弁２６を介して採取管１４と試薬容器２５の標準液２５１用分室に接続されている。採取管１４には微細加工により形成された多数の微小孔から成るマイクロフィルタ１３が設けられている。また第１試薬液マイクロポンプ２３’、第２試薬液マイクロポンプ２４’もそれぞれ試薬容器２５の試薬液用分室に接続されている。混合反応部１１の出口１０１には廃液吸収用の紙１０が差し込まれて固定されている。また制御部５１はマイクロポンプ２２’、２３’、２４’の動作を制御するように接続されている。さらに信号処理部５２は表示部５２１と接続されている。
【００２６】
図１１の動作タイムチャートを用いて動作の説明を行う。動作の制御は制御部５１で行われる。２試薬混合による分析手順は上記の化学分析装置と同様である。初期状態で切替弁２６が動作して試料液マイクロポンプ２２’の供給側を試薬容器２５の標準液用分室側に連通させる。同時に試料液マイクロポンプ２２’が動作して、標準液２５１を混合反応部１１へ供給する。標準液２５１が、混合反応部１１内の第１試薬供給部に達したときに第１試薬液マイクロポンプ２３’、第２試薬液マイクロポンプ２４’が動作して試料液９に試薬液２３３、２３４を混合させる。この混合液が光吸収流路部１１２７を満たした時点で供給を止め、計測を開始する。以上の計測で標準液２５１による本分析装置の校正値が算出される。次に切替バルブ２６が動作して、採取管１４と試料液マイクロポンプ２２’の供給側とを接続する。同時に試料液９を吸引開始し、混合反応部１１に試料液９を供給する。試料液９中の汚れや固形物は予めフィルタ１３にて取り除かれている。試料液９中の分析も標準液２５１の場合と同じ動作で行われる。測定が終了した後の廃液は束ねた吸収紙１０によって吸収・乾燥されるので、廃液により自然環境を破壊することはない。この吸収紙１０は定期的に交換可能となっており、交換により取外した紙は、廃棄又は焼却により処理することができる。また計測に必要な試薬液量は微量のため数ｍＬの試薬容器であっても１万回以上の測定が可能である。また廃液も少なくて済むため吸収紙１０の交換頻度は少ない。
【００２７】
以上の化学分析装置は、化学分析装置の構成部品の中で最も大きく最も高価な送液部をエッチング加工によるマイクロポンプで構成することにより、化学分析装置全体のサイズを数センチ角まで微小化することが可能である。またエッチング加工によるマイクロポンプは量産化に向いているため大量生産により、コスト低減が可能となり、化学分析装置自体を安価にすることができる。さらに標準液を流して測定毎に校正を行う機能を持ち、しかも所用試薬液量が少なく、廃液処理が容易なため、計測時に必ず実施していた公正と廃液の処理を意識することなく試料液を分析することができる。よって、定期的に試料液の化学成分を分析する場合は、温度センサのように、本化学分析装置を測定対象場所に固定しておき定期的に本分析装置から試料液の化学成分を確認することができる。また、制御部５１及び信号処理部５２に外部信号取り合い接点又は通信機能を付加すれば、遠隔制御・計測が可能となり、遠隔地にて、試料液の化学成分を任意に検出することができる。
【００２８】
次に本発明の多項目化学分析装置について図１２を用いて説明する。本発明の多項目化学分析装置は、図９で説明した化学分析装置を複数備えたもので、各分析装置には測定項目に対応した試薬が試薬容器２５に充填されている。これら複数の化学分析装置は採取管１４から続く一本の流路上につながれており、その流路の末端は採取用ポンプ１０４に接続されている。採取用ポンプ１０４のもう一方は洗浄液容器２９１に接続されている。また各化学分析装置の廃液は、集めてひとつの吸収紙１０に至るように配管系が接続されている。さらに測定項目を選択するための入力装置５１１が制御部５１に設けられている。本制御部と各化学分析装置とは通信でつながれており、ネットワークを形成している。また、各化学反応部の計測結果を集めて、処理する信号処理部５２、及びその結果を表示するための表示部５２１が設けられている。なお、本制御部５１と各化学分析装置とはケ−ブルでつながれていても良い。
【００２９】
以上の構成で以下のように動作する。測定項目が入力装置５１１で選択されると、制御部では、採取用ポンプ１０４を動作させて、試料液を吸引する。選択された項目に対応した複数の化学分析装置は制御部５１からの開始信号で、動作を開始し、採取管に続く流路から試料液を少量ずつ吸入する。このようにして複数の化学分析装置により、同時に複数項目の測定が行われる。測定結果は信号処理部５２に送られ、表示部５２１にて表示される。測定終了後、採取用ポンプ１０４は逆方向に液を流動させ、洗浄液２９１を汲み上げて採取管までの一連の流路を洗浄するとともに、各化学分析装置ではこの洗浄液を取込み、内部の洗浄を行う。廃液は吸収紙１０によって吸い取られ、乾燥される。
以上のように本多項目化学分析装置によれば、多項目を同時に計測可能であり、しかも消費電力、試薬消費量が少ないためランニングコストが少なくて済む。また装置の故障時には故障した化学分析装置のみを交換すればよく、保守が容易である。また構成する各化学分析装置は小形で安価なため、小形で安価な多項目分析装置を提供することができる。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、従来の自動化学分析装置と同等の測定精度を持ち、しかも携帯可能な程度に小形で、さらに分析時の消費電力及び試薬液量の削減を図った化学分析装置あるいは多項目化学分析装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による一実施形態の化学分析装置の全体構成図である。
【図２】本発明による一実施形態の化学分析装置の配管・配線系統図である。
【図３】本発明による一実施形態の化学分析装置の混合反応部の構成図である。
【図４】本発明による一実施形態の化学分析装置の動作タイムチャートである。
【図５】本発明による一実施形態の化学分析装置の混合原理を説明する図である。
【図６】本発明による一実施形態の化学分析装置の光吸収流路部での光路を説明する図である。
【図７】本発明による一実施形態の化学分析装置の計測方法を説明する図である。
【図８】本発明による一実施形態の化学分析装置の計測方法を説明する図である。
【図９】本発明による他の実施形態の化学分析装置の全体構成図である。
【図１０】本発明による他の実施形態の化学分析装置の配管・配線系統図である。
【図１１】本発明による他の実施形態の化学分析装置の動作タイムチャートである。
【図１２】本発明によるさらに他の実施形態の多項目化学分析装置の全体構成図である。
【符号の説明】
２…送液部、４…バッテリ、５…制御・信号処理部、６…表示器
７…動作スイッチ、８…フィルムヒータ、９…試料液、１０…吸収紙
１１…混合反応部、１２…流体コネクタ、１３…フィルタ、１４…採取管
２１…しごきローラ、２２…試料液ポンプ、２２’…試料液マイクロポンプ
２３…第１試薬液ポンプ、２３’…第１試薬液マイクロポンプ
２４…第２試薬液ポンプ、２４’…第２試薬液マイクロポンプ
２５…試薬容器、２６…標準液・試料液切替弁、３２…検知用光ファイバ
３３…光検知器、３４…照射光源、３５…プリズム、３６…光、５１…制御部
５２…信号処理部、１０４…採取用ポンプ、１１１…ガラスプレート
１１２…シリコンプレート、１１３…ガラスプレート
１１４…シリコンプレート、１２０…第１試薬供給部
１２１…第２試薬供給部、２２１…試料液用モータ
２２２…試料液用ラック付プレート、２２３…試料液用チューブ
２２４…作動液、２３１…試薬液用モータ
２３２…試薬液用ラック付プレート、２３３…第１試薬液
２３４…第２試薬液、２３５…第１試薬液チューブ
２３６…第２試薬液チューブ、２９１…洗浄液、５１１…入力装置
５２１…表示部・通信部、１１２１〜１１２２…孔
１１２３…第１試薬供給部、１１２４…第２試薬供給部、１１２５…微細流路
１１２６、１１２８…反射面、１１２７…光吸収流路部、１１２９…微小孔
１１４１〜１１４４…流路、２４２５…試薬容器
【発明の属する技術分野】
本発明は液体中に溶解した化学成分の性質、濃度等を分析するのに好適な化学分析装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
分析対象の液体（以下、試料液という）中に溶解した化学成分を精度よく分析する方法として、試料液に２つの試薬液を加える２試薬混合処理方法がある。これは、まず第１の試薬液で試料液中の分析対象成分の化学組成を変化させ、妨害物質の影響を除く。次に第１の試薬で変化させた分析対象成分の化学組成に反応して発色する第２の試薬を加え、検知部にてこの発色反応の程度を吸光光度計などで計測する方法である。
この分析作業を自動的に行う装置として、例えば、特開昭６１ー１００６４１号公報（以下、従来技術１という）にフローインジェクション方式の自動化学分析装置が開示されている。この装置は、しごきポンプにより試料液が送液されている細管内へ、２種類の試薬液を別々の管から供給し、この細管内で試料液と試薬液の混合反応をおこなう。通常この混合反応を十分に行うために数ｍの長さの細管と、１ｋＷ程度のドライヤ形ヒーターが設けられている。試薬の反応により試料液中の溶解成分は濃度に応じた発色反応を呈するため、これを吸光光度計にて計測することにより濃度の定量を行う。
【０００３】
また、特開平６−２２６０７１号公報（以下、従来技術２という）に試料液と試薬液の混合反応部を小型化し、試料液と試薬液の微量化が可能な化学分析装置が開示されている。この装置は、混合反応を行うための非常に薄い混合室と、その底面に高密度に設けられた多数の微小ノズルとその微小ノズルに接続された試薬供給手段と、混合室に試料液を吸入するための試料液吸引ポンプと、混合反応した試料液の発色反応を検知する検知器とから構成されている。混合室が非常に薄いので、混合室に満たされた試料液に対して試薬を底面に高密度に設けられたノズルを介して噴出すると、試薬液の噴流は混合室の厚さ方向にくまなく広がり、混合室内で均一な混合がすばやく達成されるため、従来技術１にて試薬液と試料液を混合させるために必要とした数ｍの細管を不要としたものである。さらにこの技術によれば、混合部にて化学成分の検知ができるため、試料液と試薬液の微量化が可能となる。
【０００４】
また、従来の多項目自動化学分析装置としては特開平３ー１０２２６１号公報（以下、従来技術３という）に自動化学分析装置が開示されている。この装置ではまず試験管に採取された試料液の一部をサンプリング用自動ピペッティング装置にて所定量採取し、混合反応槽に分注する。その後、所定の試薬を試薬自動ピペッティング装置にて混合反応槽に分注し、自動撹袢装置にて混合反応槽内の試料液と試薬液を混合せしめる。一定時間後、混合反応によって生じた発色度合を吸光度計にて計測し、目的とする溶解化学成分の定量を行う。上記動作は複数項目の溶解成分分析を連続してほぼ同時に行うことができる。
従来の小形化学分析装置としては例えば、ＨＡＣＨ社製のＳＰＥＣＴＲＯＰＨＯＴＯＭＥＴＥＲ（ＭＯＤＥＬ ＤＲ／２０００）がある。この化学分析装置は、吸光光度計を主体とする装置本体と、顆粒状の試薬を詰めたパック、試料液と試薬を混合反応させるための反応瓶からなる。このパックと試料液を人手により反応瓶に入れて振倒撹袢させ、所定時間後、装置本体の計測部に装填する。計測部では反応瓶を通して内部の試料液の発色度合を吸光度計測し、濃度の定量を行う。装置本体はバッテリ駆動が可能で、屋外での使用が可能になる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術１の自動化学分析装置（フローインジェクション式の化学分析装置）では、試薬液と試料液の反応のために数ｍに及ぶ反応用のチューブと、これらのチューブ内の液をまんべんなく加熱するために１ｋＷ程度のドライヤー形のヒーターが必要である。したがって、装置全体が大型化・高価格化するとともに電力消費量が増大するという問題がある。また試料液と試薬液の混合液は前後をキャリア液に挟まれてチューブ内を流動するため、前後のキャリア液と接触する部分では拡散により発色度合が薄まり、検知器での検出能力を低下させる。そこで検出能力を高めるため通常検知器での所用液量より多めの試薬液・試料液を流す必要があるが、その結果廃液量が多くなってしまう。化学分析に使われる試薬液は有害なものも含まれるため、廃液瓶に貯めて処理業者に廃棄を委託するが、廃液量が多くなれば、蓄積量も増え、処理のコストも増大するという問題が生じる。
【０００６】
上記従来技術２の試料液と試薬液とを微小ノズルを介して混合する方法は、混合部の小型化および試料液と試薬液の微量化の点で効果があるが、送液手段、駆動エネルギ源などを含めた化学分析装置全体の小型化については考慮されておらず、屋外での分析や、中小病院での簡便な診断を行うのは困難である。
上記従来技術３の多項目自動化学分析装置は、ほぼ同時に多項目の化学分析が実施できるが、そのために自動ピペッティング装置が必要であり、またそれを動作させるためにコンピュータ制御によるモータを複数搭載する必要がある。したがって装置全体が大型化・高価格化するとともに電力消費量が増大するという問題があり、屋外での分析や、中小病院での簡便な診断を行うのは困難である。
【０００７】
上記従来技術４の試薬パック式の小形化学分析装置は、試薬として予めパック内に定量詰めされており、試料液と試薬の混合反応を人手で行うことで、装置本体としては吸光度計測機能のみを備えていればよい。そのため小形・安価かつ低消費電力の化学分析装置を提供可能としているが、人手による誤差、すなわち反応瓶に入れる試料液の定量誤差、および試薬液と試料液の混合反応ムラあるいは混合反応時間の管理誤差などにより自動の化学分析装置に比べ測定精度が劣っている。
【０００８】
本発明の目的は、従来の自動化学分析装置と同等の測定精度を持ち、しかも携帯可能な程度に小形で、さらに分析時の消費電力及び試薬液量の削減を図った化学分析装置あるいは多項目化学分析装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の化学分析装置は、少なくとも、試料液と試薬液とを送液する送液部と、送液部によって送液された試料液と試薬液とを混合及び反応させる混合反応部によって混合された混合反応液から試料液内の溶解化学成分を分析する分析部と、送液部及び分析部の動作タイミングを制御する制御部と、分析部における検出手段から出力される信号を処理する信号処理部とを箱状体内に装着し（具備し）、携帯可能に構成した。
【００１０】
以上の処理を自動で行うために、本発明手段は以下のように動作する。まず試料液の送液手段が動作して試料液を混合反応部に導入する。また、試薬液の送液手段が動作して試薬を混合反応部に導入する。混合反応部では複数の微小孔から試薬液が試料液中に微小な噴流となって放出される。試薬液が試料液中に複数の微小な噴流となって放出される状態では、互いの液が接する表面積が著しく増大するため、濃度勾配に起因する分子拡散が促進され、短時間に混合が終了する。したがって混合反応部の長さは短くて良い。短い混合反応部は装置全体の小形化に大きく寄与する。加熱手段は混合の終了した試料液を加熱し反応を促進させる。この際、加熱する試料液は微量であるため、加熱手段は小容量でよく、加熱に必要な電力も少量でよい。反応が終了した試料液は分析部に送液され、反応結果を定量分析する。分析部では、反応が終了した試料液の光透過度、電気伝導度などにより反応結果を定量分析するが、試料液が微量であるため、分析部も小型化が図れる。このように、混合反応部、加熱手段、分析部等の小形化等により、これらを装着する箱状体の小型化が可能になり、装置全体の小形化及び低価格化が可能となる。また混合反応部が短くなったことにより、試薬液の拡散による薄まりが抑えられるため、所用試薬液量の低減を図ることができる。
【００１１】
以上のように本発明によれば、従来の自動化学分析装置と同等の測定精度を持ち、しかも携帯可能な程度に小形で、さらに分析時の消費電力及び試薬液量の削減を図った化学分析装置あるいは多項目化学分析装置を提供することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
図１は本発明の一実施形態である化学分析装置の全体構成を示す図、図２は図１の化学分析装置の各要素間の関係を示す配管・配線系統図および送液部の説明図、図３は図１の化学分析装置の混合反応部の構成図、図４は図１の化学分析装置の化学分析装置の動作を説明するタイムチャート、図５は図１の化学分析装置の混合反応部での混合原理の説明図、図６は図１の化学分析装置の光吸収流路部での光路の説明図、図７及び図８は計測方法の説明図をそれぞれ表す。
【００１３】
図１に示す化学分析装置は目的とする溶解化学成分の濃度を定量するために、２つの試薬液を順次、試料液に加えて発色反応を誘起せしめ、その液の吸光度を計測する方法を採用する。本分析装置は試料液を採取するための採取管１４、採取管１４の元に設けられた、固形物や汚れを取り除くためのフィルタ１３、フィルタ１３を通過した試料液と試薬液とを混合反応させるための混合反応部１１、混合反応部１１の底部に密着固定されている加熱用のフィルムヒータ８、混合反応部１１で発色した試料液９に決まった波長の光３６を照射するための照射光源３４、試料液９での透過光を検知するための光ファイバ３２および光検知器３３、試料液９の採取、試薬液の供給等を行うための送液部２、送液部２・採取管１４と混合反応部１１を繋ぐための流体コネクタ１２、送液部２、フィルムヒータ８、照射光源３４、光検知器３３の制御及び検知された透過光強度から成分濃度を算出するための信号処理を行うための制御・信号処理部５、計測の開始・停止などを指定するための動作スイッチ７、計測状態や計測結果等を表示するための表示器６および上記機器の動作エネルギ源であるバッテリ４を携帯可能な大きさ及び重量に一体にまとめたものである。
【００１４】
次に図２を用いて送液部２の構成について説明する。送液部２は試料液の吸引・吐出を制御する試料液ポンプ２２と第１および第２試薬液の吸引・吐出を制御する第１および第２試薬液ポンプ２３、２４からなる。試料液ポンプ２２は駆動源として試料液用モータ２２１を備え、その回転運動を平行運動に変換するための試料液用ラック付プレート２２２が設けられている。試料液用ラック付プレート２２２の上面には弾力のある試料液チューブ２２３が試料液用ラック付プレート２２２の長手方向に固定されている。試料液用チューブ２２３の中には作動液２２４が注入されている。試薬液ポンプ２２も同様の構成になっており、駆動源の試薬液モータ２３１、試薬液用ラック付プレート２３２、弾力のある第１試薬液チューブ２３５及び弾力のある第２試薬液チューブ２３６が設けられている。第１試薬液チューブ２３５内には第１試薬液２３３が、第２試薬液チュ−ブ２３６内には第２試薬液２３４が封入されており、それぞれの試薬供給流量比に合わせたチューブ径になっている。各チューブの初端部分（図２の左上部）は内径が大きくなっている。また、しごきローラー２１が試料液チューブ２２３、第１試薬液チューブ２３５及び第２試薬液チューブ２３６の所定の箇所を押し潰すように固定されている。ここでチューブとは、弾力があり、しごくことにより内容積が変化するものであればよく、形状に対する制限はない。
【００１５】
次に混合反応部１１の構成を図３を用いて説明する。混合反応部１１はシリコンプレート１１４、１１２、ガラスプレート１１３、１１１が図の順に陽極接合で組み立てられている。シリコンプレート１１４、１１２には図に示す微細流路がエッチング加工により形成されている。またガラスプレート１１３にはプレート１１４の流路とプレート１１２の流路を連結するために孔１１３１〜１１３８が設けられている。プレート１１３の孔１１３１は採取管１４に、孔１１３２は試料液ポンプ２２に、孔１１３３は第１試薬液ポンプ２３に、孔１１３４は第２試薬液ポンプ２４に連結されている。シリコンプレート１１２に設けられている微細流路１１２５には入口１１２１、出口１１２２、および第１試薬液供給部１１２３（詳細は図５に示す構成となっている。）、第２試薬液供給部１１２４（詳細は図５に示す構成となっている。）、および吸光光度計測用の光吸収流路部１１２７、光吸収流路部１１２７の両端には、光の反射面１１２８、１１２６が設けられている。入口１１２１は孔１１３５、流路１１４１、孔１１３１の順に、出口１１２２は孔１１３６、流路１１４２、孔１１３２の順に、第１試薬液供給部１１２３は、孔１１３７、流路１１４３、孔１１３３の順、第２試薬液供給部１１２４は、孔１１３８、流路１１４４、孔１１３４の順に連結されている。第１試薬供給部１１２３、第２試薬供給部１１２４は図５に示すように多数の微小孔１１２９から成っており、試薬液はこの微小孔１１２９を通って試料液中に噴出して混合されるようになっている。
【００１６】
次に光吸収流路部１１２７まわりの構成について第６図を用いて説明する。照射光源３４に対してプリズム３５が図に示す位置に設けられている。このプリズム３５は図に示す方向に回転可能になっており、光３６を反射面１１２８を利用して光吸収流路部１１２７の流路方向に照射されるように調整可能となっている。同様に光ファイバ３２の受光部にもプリズム３２１が設けられており、反射面１１２６を経た透過光を光ファイバ３２の軸方向に導入させるように図示の方向に回転可能となっている。
次に図２を用いて送液部２、混合反応部１１、光吸収流路部１１２７周辺との制御信号の接続について説明する。制御・信号処理部は制御部５１と信号処理部５２よりなる。制御部５１には操作スイッチ７の操作信号が入力されるよう接続されている。制御部５１は送液部の試料液用モータ２２１、試薬液用モータ２３１、フィルムヒータ８、照射光源３４のＯＮ/ＯＦＦを制御するように繋がれている。また信号処理部５２に対しては測定開始のトリガ信号用の回線が繋がれている。信号処理部５２と表示部６が接続されている。
【００１７】
以上の構成からなる化学分析装置の動作を以下に説明する。
まず装置本体を移動させて、採取管１４を測定対象とする試料液９の中に浸責する。この状態で動作スイッチ７の開始ボタンを操作する。開始の信号は制御・信号処理部５に伝達される。これを受けて制御・信号処理部５は送液部２の試料液用モータ２２１を回転させる。試料液用モータ２２１の回転は試料液用ラック付プレート２２２のラックに伝達され、試料液用ラック付プレート２２２は図２の右下方に向かって一定速度で移動し始める。この際しごきローラー２１の位置は固定されているので、試料液用チューブ２２３は左上のチューブ端に向かってしごかれる。このしごき動作により、試料液９が、採取管１４からフィルタ１３、混合反応部１１内の微細流路１１２５を経て吸入される。一定量の試料液９を吸入すると、制御・信号処理部５は試料液用モータ２２１を先程と反対の方向に回転させ、同時に試薬液用モータ２３１も同じ回転方向に動作させる。これにより試料液用ラック付プレート２２２、試薬用ラック付プレート２３２は、左上方に移動し、試料液用チューブ２２３、第１試薬液用チューブ２３５及び第２試薬液用チューブ２３６はしぎきローラー２１によって右下方にしごかれる。この動作で試料液、第１試薬液及び第２試薬液は混合反応部１１内へ一定流速で流入し始める。第１試薬液２３３および第２試薬液２３４の流量は、第１試薬用チューブ２３５及び第２試薬用チューブ２３６の内径によって調整されている。すなわち低流量にする場合は、内径の小さいチューブが選択される。また大流量が要求される場合は、内径の大きいチューブが選択される。しごきながら、途中で流量を変更したい場合は、各チューブの内径を流量に応じて変更すればよい。第１試薬用チューブ２３５及び第２試薬用チューブ２３６の左上方の内径が大きいのは、装置の初期立ち上げ時に、短い時間で混合反応部までの管内を試薬で満たすためである。なお、図４は、上記の動作をタームチャートで表したものである。
【００１８】
本実施形態では、しごきロ−ラ−２１を固定し、ラック付プレ−トを移動させることにより各々のチュ−ブをしごいているが、これは、ラック付プレ−トを固定ししごきロ−ラ−を移動しても同じ効果が得られる。
さらに、第１試薬液チュ−ブ２３５及び第２試薬液チュ−ブ２３６をカ−トリッジにより脱着可能にするれば、分析中に試薬液が終わった場合でも、新規のカ−トリッジと交換することにより、継続して分析を行うことができる。また、分析対象の異なる試薬液が入ったカ−トリッジを複数用意し、測定対象ごとにカ−トリッジを交換することにより、１台の分析装置で数々の成分分析が可能となる。
【００１９】
試料液９と第１試薬液２３３と第２試薬液２３４とは、図３の第１試薬供給部１１２３、第２試薬供給部１１２４にて合流する。この合流時に図５で示すように、試薬液は多数の帯状流れを形成しながら、試料液９と合流するため、合流の初期段階から試料液９内に試薬液が分散した状態になる。その結果、お互いの接触する面積が飛躍的に増大し、濃度勾配に起因した分子拡散が著しく促進される。また微小孔１１２７の間隔を０．１ｍｍ程度にすれば流路中での噴流の間隔も０．１ｍｍ程度にすることができ、試薬液と試料液との混合を短時間に完了させることが可能である。この混合は分子拡散を主に利用しているため、対流を発生させる必要はなく、１μＬ以下の微量の試薬液でも容易に混合を行うことができる。混合する試薬液量が微量化されるので、流路サイズも小形化することができ、混合反応部全体の大きさも小形化することができる。試料液と試薬液との混合液が、混合反応部１１の光吸収流路部１１２７を十分に満たしたところで、試料液用モータ２３１及び試薬液用モータ２３２は停止される。
【００２０】
試料液と試薬液との混合に先立ち、混合反応部１１の加熱が実施されるが、混合反応部１１全体のサイズが上記の理由により、小形化されているため、所定温度まで短時間で加熱させることができ、またその温度を微小電力で保持させることができる。さらに試薬供給部から光吸収流路部までの流路が短いことにより、所要の試薬量も少なくて良い。図７に示すように試料液と試薬液の混合液は加熱下で所定時間Ｔ1経過後より発色反応が始めるが、その前に照射光源３４を点灯させ、初期透過光強度Ｉ１を計測する。発色反応が始まると、透過光強度は低下していき、所定時間Ｔ２経過後、一定値に落ち着く。その直後Ｔ３で再び照射光源３４を点灯させ、反応終了時の透過光強度Ｉ２を計測する。制御・信号処理部５では、予め実施されている標準液と吸光度の校正実験から図８に示すような濃度ー吸光度校正線を記録されており、これと前記透過光強度から濃度を求める。測定が終了するとヒータ８への電源は落とされ、試料液ポンプ２２が動作して、残りの試料液を排出する。以上で一連の測定動作を終了する。
【００２１】
次に分析部の光吸収流路部１１２７での透過光強度の測定方法を図６により説明する。光吸収流路部１１２７の反射面１１２８は水平面に対してシリコンの結晶面角度に対応した５４．７度で傾斜している。照射光源から出た光３６はプリズム３５により、光吸収流路部１１２７の反射面１１２８に照射する。光３６を反射面１１２８に照射する手段として、プリズム３５を用いることにより、光３６は照度低下及び乱反射することなく反射面１１２８に照射されるため、測定に必要な最小限の照射光源を備えれば良い。また、光路の微調整もプリズム３６の角度を調整するだけでよく複雑な光路調整手段は不要であり、化学分析装置の小形化、軽量化、省電力化を図ることができる。なお、光３６を反射面１１２８に照射する手段はプリズム３５に限るものではなく、光３６を照度低下及び乱反射させることなく反射面１１２８に照射させることができればよく、例えば、鏡状の金属面等でもよい。
【００２２】
反射面１１２８で反射した光３６は、光吸収流路１１２７に沿うように調整されているので、光３６は光吸収流路１１２７にある試料液の発色程度に応じて吸収されながら、もう一方の反射面１１２６で反射し、光吸収流路１１２７外に出る。この光は照射側と同様プリズム３２１により、光軸方向を変更され、検知用ファイバ３２に導かれる。検知用ファイバ３２内を通過した光の強度は光検知器３３にて計測される。検知用ファイバ３２は、可とう性があるため、光検知器３３の設置場所を自由に選定でき、装置全体の小型化を図ることができる。
なお、本実施形態では、照射光源３４を決まった波長の光を照射するものとしているが、光波長分波器を照射側又は検知側のいずれかに設ければ、照射光源は、自然光、蛍光灯、電灯等の複数の波長を有する光であっても良い。
【００２３】
さて、本化学分析装置の計測対象として環境水中のリン酸濃度を選択した場合、高感度な分析方法として、モリブデン青法が一般に用いられる。本法はまず試料液にアスコルビン酸溶液を加えてリン酸を還元し、次にモリブデン酸アンモニウム溶液を加えることで青色に発色させる。この青色の発色度合を光の吸収で計測することでリン酸の濃度を定量する。この時の加熱温度は６０℃程度である。本発明の化学分析装置の混合反応部光吸収流路部１１２７の流路サイズとして１ｍｍ×０．１６ｍｍ、流路長さ（光路長）として２０ｍｍを設定する。これはシリコンプレートの厚さとして０．２２ｍｍのものを用いた場合の設定値である。以上の寸法で流路内容積は３．２μＬであり、試料液と試薬液との混合液の総液量としては、６μＬ程度あれば良い。この場合、各種試薬と試料液との混合比より、試薬液の所要量を算出すると、アスコルビン酸溶液で０．０４μＬ、モリブデン酸アンモニウム溶液で０．１５μＬとなる。これは従来の装置の所用試薬量に対して２桁以上少ない量である。試薬液ポンプ２３の第１試薬液チューブ２３５の内径を０．５ｍｍ、長さを５０ｍｍとすれば、試薬充填量は１０μＬとなる。第１試薬２３３のアスコルビン酸溶液の場合、上記使用量から算出すると一回の充填で２００回以上の測定が可能である。光吸収流路を納めるための混合反応部１１のサイズは光吸収流路部１１２７が収まる大きさが必要であるが、たかだか２５ｍｍ×２ｍｍ×１０ｍｍ程度である。この程度の大きさのものを６０℃に加熱・保温するためには従来のようなドライヤ型ヒータを用いる必要はなく、密着型のフィルムヒータで充分である。またフィルムヒータの場合、空気を介在させることなく混合反応部を加熱することができるので消費電力を著しく低減させることができる。実施結果によれば、１Ｗ程度（抵抗値０．５オーム）で上記混合反応部を６０℃に保持することが可能であった。従来のドライヤ形ヒータ（１ｋＷ）と比較して３桁小さい値で済む。
【００２４】
以上、本実施形態の化学分析装置では、従来の自動化装置と同じ２試薬混合による分析法を実施しているため、同等の測定精度を確保できる上、同時に混合反応に必要な試料液・試薬液の微量化により、微量の試薬液量で、繰り返し測定が可能となる。また混合反応部１１の小形化により、加熱手段としてフィルムヒータの利用が可能となり、装置全体の小型化、およびバッテリ利用による屋外での使用が可能となる。
さらに混合反応部１１も交換可能にすることができる。こうすることにより、混合反応部１１が汚れの付着等により経年劣化した場合でも、混合反応部１１を交換することにより短時間で復旧することができる。
【００２５】
次に本発明の他の実施の形態の一例を、図９、図１０、図１１を用いて説明する。図９は本発明の別の化学分析装置の全体構成図、図１０は本分析装置の配管・配線系統図、図１１は本分析装置の動作を示すタイムチャートである。
混合反応部１１の構成は上記の化学分析装置と同じである。混合反応部１１に対して送液部２、光照射光源３４、光検知器３３が図９のように設けられている。送液部は、試料液マイクロポンプ（試料液ポンプ）２２’、第１試薬液マイクロポンプ（第１試薬液ポンプ）２３’、第２試薬液マイクロポンプ（第２試薬液ポンプ）２４’、及び標準液・試料液導入切替弁２６からなる。これらのマイクロポンプ２２’、２３’、２４’及び切替弁２６は文献「Integrated micro liquid dosing system、 Proc。 MEMS793、 pp254-9」に示されているように混合反応部１１と同じエッチング加工で形成されたもので、微量液の送液に好適な構造となっている。試料液マイクロポンプ２２’は切替弁２６を介して採取管１４と試薬容器２５の標準液２５１用分室に接続されている。採取管１４には微細加工により形成された多数の微小孔から成るマイクロフィルタ１３が設けられている。また第１試薬液マイクロポンプ２３’、第２試薬液マイクロポンプ２４’もそれぞれ試薬容器２５の試薬液用分室に接続されている。混合反応部１１の出口１０１には廃液吸収用の紙１０が差し込まれて固定されている。また制御部５１はマイクロポンプ２２’、２３’、２４’の動作を制御するように接続されている。さらに信号処理部５２は表示部５２１と接続されている。
【００２６】
図１１の動作タイムチャートを用いて動作の説明を行う。動作の制御は制御部５１で行われる。２試薬混合による分析手順は上記の化学分析装置と同様である。初期状態で切替弁２６が動作して試料液マイクロポンプ２２’の供給側を試薬容器２５の標準液用分室側に連通させる。同時に試料液マイクロポンプ２２’が動作して、標準液２５１を混合反応部１１へ供給する。標準液２５１が、混合反応部１１内の第１試薬供給部に達したときに第１試薬液マイクロポンプ２３’、第２試薬液マイクロポンプ２４’が動作して試料液９に試薬液２３３、２３４を混合させる。この混合液が光吸収流路部１１２７を満たした時点で供給を止め、計測を開始する。以上の計測で標準液２５１による本分析装置の校正値が算出される。次に切替バルブ２６が動作して、採取管１４と試料液マイクロポンプ２２’の供給側とを接続する。同時に試料液９を吸引開始し、混合反応部１１に試料液９を供給する。試料液９中の汚れや固形物は予めフィルタ１３にて取り除かれている。試料液９中の分析も標準液２５１の場合と同じ動作で行われる。測定が終了した後の廃液は束ねた吸収紙１０によって吸収・乾燥されるので、廃液により自然環境を破壊することはない。この吸収紙１０は定期的に交換可能となっており、交換により取外した紙は、廃棄又は焼却により処理することができる。また計測に必要な試薬液量は微量のため数ｍＬの試薬容器であっても１万回以上の測定が可能である。また廃液も少なくて済むため吸収紙１０の交換頻度は少ない。
【００２７】
以上の化学分析装置は、化学分析装置の構成部品の中で最も大きく最も高価な送液部をエッチング加工によるマイクロポンプで構成することにより、化学分析装置全体のサイズを数センチ角まで微小化することが可能である。またエッチング加工によるマイクロポンプは量産化に向いているため大量生産により、コスト低減が可能となり、化学分析装置自体を安価にすることができる。さらに標準液を流して測定毎に校正を行う機能を持ち、しかも所用試薬液量が少なく、廃液処理が容易なため、計測時に必ず実施していた公正と廃液の処理を意識することなく試料液を分析することができる。よって、定期的に試料液の化学成分を分析する場合は、温度センサのように、本化学分析装置を測定対象場所に固定しておき定期的に本分析装置から試料液の化学成分を確認することができる。また、制御部５１及び信号処理部５２に外部信号取り合い接点又は通信機能を付加すれば、遠隔制御・計測が可能となり、遠隔地にて、試料液の化学成分を任意に検出することができる。
【００２８】
次に本発明の多項目化学分析装置について図１２を用いて説明する。本発明の多項目化学分析装置は、図９で説明した化学分析装置を複数備えたもので、各分析装置には測定項目に対応した試薬が試薬容器２５に充填されている。これら複数の化学分析装置は採取管１４から続く一本の流路上につながれており、その流路の末端は採取用ポンプ１０４に接続されている。採取用ポンプ１０４のもう一方は洗浄液容器２９１に接続されている。また各化学分析装置の廃液は、集めてひとつの吸収紙１０に至るように配管系が接続されている。さらに測定項目を選択するための入力装置５１１が制御部５１に設けられている。本制御部と各化学分析装置とは通信でつながれており、ネットワークを形成している。また、各化学反応部の計測結果を集めて、処理する信号処理部５２、及びその結果を表示するための表示部５２１が設けられている。なお、本制御部５１と各化学分析装置とはケ−ブルでつながれていても良い。
【００２９】
以上の構成で以下のように動作する。測定項目が入力装置５１１で選択されると、制御部では、採取用ポンプ１０４を動作させて、試料液を吸引する。選択された項目に対応した複数の化学分析装置は制御部５１からの開始信号で、動作を開始し、採取管に続く流路から試料液を少量ずつ吸入する。このようにして複数の化学分析装置により、同時に複数項目の測定が行われる。測定結果は信号処理部５２に送られ、表示部５２１にて表示される。測定終了後、採取用ポンプ１０４は逆方向に液を流動させ、洗浄液２９１を汲み上げて採取管までの一連の流路を洗浄するとともに、各化学分析装置ではこの洗浄液を取込み、内部の洗浄を行う。廃液は吸収紙１０によって吸い取られ、乾燥される。
以上のように本多項目化学分析装置によれば、多項目を同時に計測可能であり、しかも消費電力、試薬消費量が少ないためランニングコストが少なくて済む。また装置の故障時には故障した化学分析装置のみを交換すればよく、保守が容易である。また構成する各化学分析装置は小形で安価なため、小形で安価な多項目分析装置を提供することができる。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、従来の自動化学分析装置と同等の測定精度を持ち、しかも携帯可能な程度に小形で、さらに分析時の消費電力及び試薬液量の削減を図った化学分析装置あるいは多項目化学分析装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による一実施形態の化学分析装置の全体構成図である。
【図２】本発明による一実施形態の化学分析装置の配管・配線系統図である。
【図３】本発明による一実施形態の化学分析装置の混合反応部の構成図である。
【図４】本発明による一実施形態の化学分析装置の動作タイムチャートである。
【図５】本発明による一実施形態の化学分析装置の混合原理を説明する図である。
【図６】本発明による一実施形態の化学分析装置の光吸収流路部での光路を説明する図である。
【図７】本発明による一実施形態の化学分析装置の計測方法を説明する図である。
【図８】本発明による一実施形態の化学分析装置の計測方法を説明する図である。
【図９】本発明による他の実施形態の化学分析装置の全体構成図である。
【図１０】本発明による他の実施形態の化学分析装置の配管・配線系統図である。
【図１１】本発明による他の実施形態の化学分析装置の動作タイムチャートである。
【図１２】本発明によるさらに他の実施形態の多項目化学分析装置の全体構成図である。
【符号の説明】
２…送液部、４…バッテリ、５…制御・信号処理部、６…表示器
７…動作スイッチ、８…フィルムヒータ、９…試料液、１０…吸収紙
１１…混合反応部、１２…流体コネクタ、１３…フィルタ、１４…採取管
２１…しごきローラ、２２…試料液ポンプ、２２’…試料液マイクロポンプ
２３…第１試薬液ポンプ、２３’…第１試薬液マイクロポンプ
２４…第２試薬液ポンプ、２４’…第２試薬液マイクロポンプ
２５…試薬容器、２６…標準液・試料液切替弁、３２…検知用光ファイバ
３３…光検知器、３４…照射光源、３５…プリズム、３６…光、５１…制御部
５２…信号処理部、１０４…採取用ポンプ、１１１…ガラスプレート
１１２…シリコンプレート、１１３…ガラスプレート
１１４…シリコンプレート、１２０…第１試薬供給部
１２１…第２試薬供給部、２２１…試料液用モータ
２２２…試料液用ラック付プレート、２２３…試料液用チューブ
２２４…作動液、２３１…試薬液用モータ
２３２…試薬液用ラック付プレート、２３３…第１試薬液
２３４…第２試薬液、２３５…第１試薬液チューブ
２３６…第２試薬液チューブ、２９１…洗浄液、５１１…入力装置
５２１…表示部・通信部、１１２１〜１１２２…孔
１１２３…第１試薬供給部、１１２４…第２試薬供給部、１１２５…微細流路
１１２６、１１２８…反射面、１１２７…光吸収流路部、１１２９…微小孔
１１４１〜１１４４…流路、２４２５…試薬容器
Claims (17)
- 試料液が送られた混合通路内に複数種類の試薬液の各々を複数個所に設けられた微細孔群の各々から放出させて前記試料液と前記複数種類の試薬液とを混合させる混合部と、該混合部の混合通路と隣接した分析通路をつなぐ接続通路と、該接続通路につながれた分析通路において前記試料液と前記複数種類の試薬液との混合液から前記試料液内の溶解化学成分を分析する分析部とを有することを特徴とする化学分析装置。
- 前記混合通路と前記分析通路とをつなぐ前記接続通路が折れ曲がっていることを特徴とする請求項１記載の化学分析装置。
- 前記混合通路と前記分析通路とがほぼ平行となるように前記接続通路が折れ曲がっていることを特徴とする請求項１記載の化学分析装置。
- 試料液が送られた混合通路内に複数種類の試薬液の各々を複数個所に設けられた微細孔群の各々から放出させて前記試料液と前記複数種類の試薬液とを混合させる混合部と、該混合部の混合通路と隣接した分析通路をつなぐ接続通路と、該接続通路につながれた分析通路において前記試料液と前記複数種類の試薬液との混合液から前記試料液内の溶解化学成分を分析する分析部とを有し、前記試料液を前記混合通路に試料液通路を介して送りこむ試料液挿入口及び前記複数種類の試薬液の各々を前記微細孔群に試薬液通路を介して送りこむ試薬液挿入口の各々と、前記分析部で分析された混合液を排出する混合液排出口との間において前記混合通路、前記接続通路、前記分析通路、前記試料液通路及び前記試薬液通路の全てを板状部材の積層構造体内に構成したことを特徴とする化学分析装置。
- 前記積層構造体は、板状のガラスと板状のシリコンとを交互に積層したものであることを特徴とする請求項４記載の化学分析装置。
- 試料液が送られた混合通路内に複数種類の試薬液の各々を複数個所に設けられた微細孔群の各々から放出させて前記試料液と前記複数種類の試薬液とを混合させる混合部と、該混合部の混合通路と隣接した分析通路をつなぐ接続通路と、該接続通路につながれた分析通路において前記試料液と前記複数種類の試薬液との混合液から前記試料液内の溶解化学成分を分析する分析部とを有し、少なくとも前記混合部と前記分析部とが脱着可能に構成されていることを特徴とする化学分析装置。
- 試料液が送られた混合通路内に複数種類の試薬液の各々を複数個所に設けられた微細孔群の各々から放出させて前記試料液と前記複数種類の試薬液とを混合させる混合部と、該混合部の混合通路と隣接した分析通路をつなぐ接続通路と、該接続通路につながれた分析通路において前記試料液と前記複数種類の試薬液との混合液から前記試料液内の溶解化学成分を分析する分析部とを有し、少なくとも前記混合部と前記分析部とに加熱手段を備えたことを特徴とする化学分析装置。
- 前記加熱手段がシート状フィルム間に発熱体が封入されたフィルムヒータであることを特徴とする請求項７記載の化学分析装置。
- 試料液が送られた混合通路内に複数種類の試薬液の各々を複数個所に設けられた微細孔群の各々から放出させて前記試料液と前記複数種類の試薬液とを混合させる混合部と、該混合部の混合通路と隣接した分析通路をつなぐ接続通路と、該接続通路につながれた分析通路において前記試料液と前記複数種類の試薬液との混合液の光透過度から前記試料液内の溶解化学成分を分析する分析部とを有することを特徴とする化学分析装置。
- 前記分析部は、前記混合液が流れる光透過度測定用通路と、該光透過度測定用通路に光を照射する照射光源と、該照射光源からの光が前記光透過度測定用通路を通過したあとの光を検知する検知部とを備えたことを特徴とする請求項９記載の化学分析装置。
- 前記光透過度測定用通路は、少なくとも一対の対抗する側面が傾斜した光反射面であることを特徴とする請求項１０記載の化学分析装置。
- 前記光透過度測定用通路は、少なくとも一対の対抗する側面がシリコンの結晶面であることを特徴とする請求項１０記載の化学分析装置。
- 前記照射光源からの光を前記光透過度測定用通路に照射するために光照射位置調節光学系を備えたことを特徴とする請求項１１または１２記載の化学分析装置。
- 前記照射光源からの光が前記光透過度測定用通路を通過したあとの光を前記検知部に導くために、光検出位置調節光学系を備えたことを特徴とする請求項１１または１２記載の化学分析装置。
- 前記光照射位置調節光学系がプリズムであることを特徴とする請求項１３記載の化学分析装置。
- 前記光検出位置調節光学系が光ファイバーであることを特徴とする請求項１４記載の化学分析装置。
- 試料液が送られた混合通路内に複数種類の試薬液の各々を複数個所に設けられた微細孔群の各々から放出させて前記試料液と前記複数種類の試薬液とを混合させる混合部と、該混合部の混合通路と隣接した分析通路をつなぐ接続通路と、該接続通路につながれた分析通路において前記試料液と前記複数種類の試薬液との混合液の電気伝導度から前記試料液内の溶解化学成分を分析する分析部とを有することを特徴とする化学分析装置。
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