JP4955330B2

JP4955330B2 - 分注装置用ノズルチップ

Info

Publication number: JP4955330B2
Application number: JP2006193598A
Authority: JP
Inventors: 博樹齋藤; 中陽周
Original assignee: Hitachi Aloka Medical Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2006-07-14
Filing date: 2006-07-14
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2026-07-14
Also published as: JP2008020376A

Description

本発明は分注装置で用いられるノズルチップの形態に関する。

分注装置は、例えば、生体から採取された血液、尿などの検体をその分析に先立って分注する装置である。その分注は分注ノズルを利用して行われ、分注ノズルは一般にノズル基部とそれに着脱自在に装着されるノズルチップとで構成される。検体間の汚染を防止するためノズルチップは、通常、ディスポーザブル樹脂製品として構成される。分注装置が分析装置や検査装置内に組み込まれる場合もある。近時、血液センター、大学病院、その他の分析センターにおいて、大量の検体を短時間に分注することが強く要望されている。このため高速分注に適する分注装置が求められている。

特許文献１にはノズルチップの従来例が示されている。同文献に記載されたノズルチップは先端開口から上方にかけて４つの屈曲部位を有する。これによって５つの区間を定義することができる。液体の吸い込みを安定して行えるようにするためにノズルチップの内面形態について工夫がなされている。但し、第１区間の内面の上方への開き角度は第２区間の内面の上方への開き角度よりも小さいなど、後述する本願に係るノズルチップの形態とは異なる点が多々見受けられる。

特開２００５−６９８３０号公報

大量の検体を短時間に処理するためには、あるいは、分注量（吸引量）を大きくしつつそれを迅速に処理するためには、高速分注（特に多量且つ高速の分注）が不可欠となる。しかし、単純に分注速度を上げると、あるいは、単純にノズルチップの内容量を増大させると、吸引時にノズルチップ内での液巻き込み現象（吹き上がり現象等）が生じてしまう。

具体的に検討すると、従来の一般的なノズルチップをそのまま利用して単純に分注ポンプの動作速度を上げると、ノズルチップ先端部内を流れる検体の速度が増大し、上昇する液面が不安定となって液面が部分的に吹き上がってから落ち込むという液巻き込み現象が生じ、ノズルチップ内に気泡が発生してしまう。特に、大量吸引のためにノズルチップの先端部内のテーパー角度（上方への開き角度）を増大させると、上記の液巻き込み現象がより生じやすくなる。先端部のテーパー角度を小さくした上で段差を設けて中間部の内径を増大させることもできるが、その段差が顕著であると、ノズルチップ内で噴水現象が生じてしまい、気泡が発生しやすくなる。上記テーパー角度を小さくしつつ先端開口のサイズを増大すれば上記現象が生じ難くなる傾向にあるが、先端開口のサイズを漫然と増大させると、分注精度の低下、吸引後の液だれ、その他の別の問題が生じやすくなる。

本発明の目的は高速分注に適するノズルチップを実現することにある。

本発明の他の目的は大量且つ高速の分注に適するノズルチップを実現することにある。

（１）本発明に係るノズルチップは、生体から採取された液体試料を吸引するものであって、下端の先端開口から上方にかけて少なくとも３つの屈曲部位（あるいは区間境界部位）を有するものである。各屈曲部位は丸みをもって屈曲するものであってもよい。つまり、各屈曲部位においては、内径が段階的に変化してもよいし、滑らかに変化してもよい。

（２）本発明に係るノズルチップにおいて、下方から上方にかけて並んだ第１区間、第２区間、第３区間及び第４区間における内面の上方への開き角度をθ1、θ2、θ3、θ4と定義し、それぞれの区間の長さをl1、l2、l3、l4と定義し、先端開口の直径をd1とし、第１区間と第２区間の境界部位、第２区間と第３区間の境界部位及び第３区間と第４区間の境界部位の内径をd2,d3,d4と定義するものとする。各区間の内面は、円錐面（内径が同一又は線形に変化するもの）として構成されるのが望ましいが、後に説明するように、垂直方向に緩やかに変化する曲面（内径が非線形に変化するもの）として構成されてもよい。

本発明者らの実験及び研究によれば、高速分注のために、以下のような組み合わせ条件を満たすようにノズルチップを構成することが望まれる。

[数１]
θ1＞θ2 …(1-1)
θ2＜θ3 …(1-2)
θ3＞θ4 …(1-3)
θ1:3-7° …(2)
θ2:1-3° …(3)
d1:1.8-2.2mm …(4)

上記(1-1)乃至(1-3)の各条件により、ノズルチップ内面全体についての大まかな形態が規定される。つまり、第１区間で広がった上で、第２区間でその広がりが緩和され、続いて第３区間でまた広がって、第４区間でその広がりが緩和される。具体的には、分注精度の確保、高速吸引、容積確保、液巻き込み現象防止、等の観点から、(2)、(3)及び(4)の各条件が定められる。(4)の条件により今までの一般的なものに比べて概ね大きな先端開口が規定される。それとの関係で(2)の条件により第１区間のテーパー角度が特に第１区間での液巻き込み防止等の観点から妥当な範囲内に抑えられる。第２区間のテーパー角度を(3)の条件で絞りつつ、当該区間の長さをある程度確保することにより、第２区間においても液巻き込み現象を効果的に抑圧できる。液面が第２区間を進行していく過程でノズルチップ内に相当程度の液体が入り込むことになり、液面の安定化が促進される。その上で、内容量を増大するために第３区間のテーパー角度が大きく設定される。ここで第３区間が第４区間への連絡部分として機能する。第４区間の形態は内容量をできるだけ確保するためほぼストレートであるのが望ましいが、型抜きの都合上、そこに微小のテーパー角度を付けるのが望ましい。

望ましくは、ノズルチップは更に以下の１又は複数の条件を満たすように設計される。

[数２]
l1＜l2 …(5-1)
l2＞l3 …(5-2)
d2:3.5-4.2mm …(6)
l1：17-18mm …(7)
l2+l3：40-50mm …(8)
d4：6.5-7.0mm …(9)
d3：4.0-5.0mm …(10)
θ4：0.1-0.6° …(11)
θ3：10-20° …(12)

上記(5-1)の条件は、θ1のテーパー角度をもった最初の広がり区間（第１区間）の長さを抑えつつ、それに続くθ2（但しθ1＞θ2）のテーパー角度をもった区間（第２区間）の長さを相対的に大きくとって、液巻き込み現象を防止し、液面の安定化を図るための条件である。(5-2)の条件は容積増大のための条件である。(6)の条件はおよそ上記(2)乃至(4)の条件との関係から導かれるものである。(7)の条件は、第１区間の長さについてより妥当な数値範囲を規定するものであり、(8)の条件は、第２区間及び第３区間が第１区間と第４区間との間に位置する中間区間であって、当該中間区間全体の長さを規定するものである。(9)の条件はノズルチップにおいて液体を大量に収容するための第４区間についての条件であり、吸引量増大の観点から言えばその数値は大きい方がよいが、最大外径との兼ね合いからその上限が規定される。(10)の条件は第３区間の立ち上がり部位の内径を規定し、(11)の条件は第４区間について容量増大及び型抜きの観点から規定される条件である。(12)の条件は望ましい数値例であって、用途等に応じて他の数値を採用可能である。

（３）また、本発明は、生体から採取された液体試料を分注する分注装置において用いられ、下端の先端開口から上方にかけて３つの区間境界部位を有し、これにより区分けされた第１区間、第２区間、第３区間及び第４区間を備えるノズルチップであって、前記第１区間の内面の上方への平均開き角度をθ1し、前記第２区間の内面の上方への平均開き角度をθ2とし、前記第３区間の上方への平均開き角度をθ3とし、前記第４区間の上方への平均開き角度をθ4とした場合に、θ1＞θ2、θ2＜θ3及びθ3＞θ4の各条件を満たし、前記θ1は3-7°の範囲内に設定され、前記θ2は1-3°の範囲内に設定され、前記先端開口の内径d1は1.8-2.2mmの範囲内に設定された、ことを特徴とする。

上記の平均開き角度は、各区間内における各高さ位置で、内面に２つの接線（垂直平面上で定義される２つの接線）を想定した場合における当該２つの接線の開き角度を平均したものである。すなわち、各区間において内径が垂直方向に線形に変化する場合の他、非線形に変化する場合にも上記同様の条件を利用してノズルチップを構成できる。なお、各θについての条件範囲内で開き角度が変化するものも本発明の一態様に含まれる。

以上説明したように、本発明によれば、高速分注に適するノズルチップを実現できる。あるいは、大量且つ高速の分注に適するノズルチップを実現できる。

以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。

図１には、本発明に係る分注装置の全体構成が概念図として示されている。この分注装置は、生体から採取された血液、尿等の検体を吸引して複数の容器へ吐出する分注処理を実行する装置である。

ラック１０は、複数の試験管を保持するものであり、ここで試験管は例えば採血管である。図１にはその内で１つの試験管１２が示されている。ラック搬送機構１４によってラック１０が搬送される。

ノズル１６は、ノズル基部１８とノズルチップ２０とによって構成され、ノズルチップ２０はノズル基部１８に対して着脱自在に装着される。本実施形態に係るノズルチップ２０の具体的な構成例については後に図４を用いて詳述する。

ノズル搬送機構２２は、ノズル１６を三次元方向に搬送するものである。分注ポンプ２４は配管を介してノズル基部１８に接続されており、分注ポンプ２４によって吸引力及び吐出力が生成される。分注ポンプ２４は例えばシリンジ及びピストンで構成されるものである。配管には圧力センサ２６が接続されており、配管内のエア圧力を検出することにより、ノズル１６内におけるエア圧力が間接的に検出されている。制御部２８は、図１に示される各構成の動作制御を行っている。制御部２８には入力部３２及び表示部３０が接続されている。本実施形態においては、大量の検体を短時間で分注する高速分注機能を備えており、そのために、制御部２８はそれに適する分注ポンプ制御を実行している。

図２及び図３には比較例が示されている。図２に示すノズルチップ３４は、上方から下方にかけて先細となった単純なテーパー形状を有しており、そのようなノズルチップ３４を用いて高速吸引を行うと、図において符号３５で示されるように、液面における一部分が持ち上がって液巻き込み現象が発生する。すなわち、このような液面の不安定性により気泡が発生し易くなる。気泡が発生すると分注精度に悪影響が生じる。図３に示す例では、ノズル３４が上方から下方にかけて二段階の太さを有しており、ここで符号３８は段差部を表している。このようなノズルチップ３４を利用して高速吸引を行うと、符号３９で示されるように段差部３８における段差面３８Ａから上方に液体が噴水のように吹き上がって巻き込み現象が発生する。これにより上記同様に気泡が発生する可能性がある。これに対し、以下に図４を用いて詳述する本実施形態においては、ノズルチップとして液巻き込み現象が発生せずかつ高速分注に適する形態をもったノズルチップが採用されている。

図４には本実施形態に係るノズルチップの具体例が示されている。このノズルチップは樹脂で構成された一体成型品であり、上方から下方にかけて段階的に先細となった円筒形状を有する。ノズルチップ内面の形態変化もノズルチップ外面の形態変化とほぼ同じである。図４において、下から上にかけて存在する３つの境界部位（屈曲部位）によって区画された第１区間S1、第２区間S2、第３区間S3及び第４区間S4における内面の上方への開き角度（テーパー角度）がθ1、θ2、θ3、θ4で表されており、また、第１区間S1〜第５区間（ヘッド部）S5の長さがl1、l2、l3、l4、l5で表されている。先端開口の直径（内径）がd1で表され、また、第１区間と第２区間の境界部位、第２区間と第３区間の境界部位及び第３区間と第４区間の境界部位の内径がd2,d3,d4で表されている。対象となる液体試料は例えば2-4*10^-3Pa・s(=2-4cP)程度の粘度を有する。以下に各パラメータについて検討する。なお、以下に示す各数値は実験等によって裏付けられたものであるが、ノズルチップの使用目的や対象液体の性質等に応じて適宜可変してもよい数値が含まれており、また単なる例示としての数値が含まれている。

まず、ノズルチップ内面全体の形態に関しては、実験や検討を繰り返した結果、θ1＞θ2、θ2＜θ3、θ3＞θ4という条件の組み合わせが適当であると判明している。各区間の長さl1、l2、l3、l4については後に整理して説明する。

第１区間S1のテーパー角度θ1は、液巻き込み現象を防止することだけに着目すれば、できるだけ小さい方がよい。ところが、θ1が極端に小さいと、ノズルチップの全長との兼ね合いから十分な内容積を確保することが困難となってしまう。θ1を大きくしても液巻き込み現象をできるだけ生じさせないためには、先端開口の直径d1を大きくするのが望ましい。液面の乱れは、先端開口からの距離に応じて徐々に大きくなることが確認されており、これに関して、先端開口を大きくすれば液巻き込み現象の発生を遅らせる（発生位置を高くする）ことができることが判明している。但し、先端開口の直径d1は、分注精度の確保や液だれ防止の観点から漫然と大きくできない。実験によれば、d1:1.8-2.2mmが適当であると判明しており（当該表記はd1としては下限1.8mmと上限2.2mmの間の数値を採用しうることを意味する。他のパラメータについての条件も同様である）、その場合、θ1:3-7°という条件を採用するのが適当であると判明している。特に、d1を2.0mm，θ1を6°にするのが望ましい。また、この場合、d2:3.5-4.2mmの条件を採用するのが望ましい。なお、最高流量（流量上限）としては3100μl/s（加減速レート約30μl/s/ms）を想定している。これは一般的な従来のノズルチップおける最高流速（流速上限）の２倍に相当する。

上記にあげた幾つかの条件により、第１区間S1内では液巻き込み現象の発生を概ね防止できるが、次の第２区間S2においても同現象を回避することが必要となる。つまり、第１区間S1から第２区間S2へ液面が移行した後に、その液面が不安定となって液巻き込み現象が発生することもある。これに関し、実験によればθ2:1-3°の条件が見出されている。つまり、θ1よりも小さなθ2を設定することが必要となる。特に、θ1の半分以下にθ2を設定するのが望ましいと言える。但し、θ2をあまり小さい値とすると、内容積増大に反する結果となるので、それを考慮してθ2の下限を規定するのが望ましい。上記d2:3.5-4.2mmを前提として、θ2:1-3°の条件を採用すれば、第３区間S3及び第４区間S4への形態の円滑な移行を実現して、ノズルチップ全体として必要な容積を十分に確保することが可能となる。ここで、ノズルチップの有効な吸引容積（最大値）としては、2700-3000μlを想定している。特に、上記θ2を1.5°、上記d2を3.8mmにするのが望ましい。

第２区間S2と第３区間S3の境界部位における内径d3の設定に当たっては、比較的自由度があるが、およそd3：4.0-5.0mmの条件を満たすように定めるのが望ましい。例えばd3を4.8にするのが望ましい。θ3についても同様であり、例えば10-20°に設定される。第２区間を通過してノズルチップ内にある程度の液体が入り込んでおり、定常状態が形成されて液面の安定化が図られているので、特に問題が生じない限りで比較的大きな値を設定するのが望ましい。例えばθ3を14.3°にするのが望ましい。

内容積増大の観点から第４区間S4をできるだけストレートな形態にするのが望ましく、そのためには、第３区間S3と第４区間S4の境界部における内径d4をできるだけ大きくした方がよい。ノズルチップの胴部（ヘッドを除く部分）最大外径としては、想定される相手容器の内径との兼ね合いから、8.0-9.0mmをあげることができ、それと肉厚との関係から、d4：6.5-7.0mmという条件を採用するのが望ましい。同様の理由から、θ4：0.1-0.6°という条件を採用するのが望ましい。特にd4を6.8mmにし、θ4を0.5°にするのが望ましい。

内容積を確保する観点からl4は例えば44-55mmの範囲内に設定するのが望ましい。例えば、l4を46.3mmにするのが望ましい。それを考慮して上記の各条件をできるだけ満足するように各長さl1,l2,l3を定めるのが望ましい。実験によれば、l1：17-18mmであるのが望ましく、l2+l3：40-50mmであるのが望ましい。例えば、l2:l3＝5:1としてもよい。ここにおいてノズルチップの全長は110-117mmを想定している。例えば、l1を17.2mm、l2を39.0mmにするのが望ましい。

図５及び図６は、本実施形態に係るノズルチップの実験結果を参考までに示すものである。図５の（Ａ）は吸引開始からの経過時間に対する流量の変化を示しており、（Ｂ）は吸引開始からの経過時間に対する吸引量を示している。なお、流量は単位時間当たり断面を通過する液体の体積である。ポンプの駆動条件は、初速1kpps、最高速40kpps、加速レート400pps/ms（傾きに相当）である。また、流量の単位については、１μｌ/s=0.0785pps=78.5kppsの関係が成立する。図６の（Ａ）には液面高さとチップ内径サイズとの関係が示され、（Ｂ）には液面高さと各液面高さでの平均流速との関係が示されている。ここで平均流速は流量を断面積で除算して求められるものである。但し、図６においては第１区間から第３区間までが示されている。図６の（Ｂ）に示すように、液面高さが20mmのところで最大の流速値が観測されており、そのような流速値の場合、従来のような小さな先端開口を採用すると液巻き上げ現象が生じやすいと言えるが、本実施形態では比較的大きな先端開口を採用したので、しかも開き角度が絞られた第２区間において最大流速値あるいはその付近が収まるようにしたので、そのような流速値であっても液巻き上げ現象は発生しない。よって、気泡の発生を防止しつつ高速分注を行える。

上記実施形態において、各屈曲部位の形態として、内径が段階的に変化するものを採用してもよいし、内径が連続的に変化する（丸みを帯びた）ものを採用してもよい。また、各区間における内面は、その垂直断面を観察した場合において直線であるのが望ましいが、緩やかに変化していてもよい。後者の場合には、各高さ位置におけるテーパー角度の平均値が各条件を満たすようにすればよい。各高さ位置におけるテーパー角度（垂直断面上で内面に対する２つの接線を想定した場合の当該２つの接線の開き角度）がそれぞれ上記の条件範囲内に入るようにしてもよい。

本発明に係る分注装置の全体構成を示す概念図である。比較例その１を示す図である。比較例その２を示す図である。本発明に係るノズルチップの実施形態を示す断面図である。図４に示すノズルチップの特性を説明するための図である。図４に示すノズルチップの特性を説明するための図である。

符号の説明

１６ノズル、１８ノズル基部、２０ノズルチップ、S1 第１区間、S2 第２区間、S3 第３区間、S4 第４区間、S5 第５区間。

Claims

生体から採取された液体試料を試験管ラックに保持された試験管から吸引して複数の容器へ吐出する分注装置において用いられ、下端の先端開口から上方にかけて３つの屈曲部位で区画された第１区間、第２区間、第３区間及び第４区間を備えるノズルチップであって、
前記第１区間の内面の上方への開き角度をθ1とし、前記第２区間の内面の上方への開き角度をθ2とし、前記第３区間の上方への開き角度をθ3とし、前記第４区間の上方への開き角度をθ4とした場合に、θ1＞θ2、θ2＜θ3及びθ3＞θ4の各条件が満たされ、
前記θ1は3-7°の範囲内に設定され、
前記θ2は1-3°の範囲内に設定され、
前記第１区間の長さをl1とし、前記第２区間の長さをl2とし、前記第３区間の長さをl3とした場合に、l1＜l2及びl2＞l3の各条件が満たされ、
前記先端開口の内径d1は1.8-2.2mmの範囲内に設定され、且つ、前記第１区間と前記第２区間の境界部位における内径d2は3.5-4.2mmの範囲内に設定された、
ことを特徴とする分注装置用ノズルチップ。
請求項１記載のノズルチップにおいて、
前記分注装置は前記液体試料をその分析に先立って分注する装置である、
ことを特徴とする分注装置用ノズルチップ。
請求項１記載のノズルチップにおいて、
前記液体試料は血液であり、前記試験管は採血管である、
ことを特徴とする分注装置用ノズルチップ。
請求項１記載のノズルチップにおいて、
前記第１区間の長さl1は17-18mmの範囲内に設定された、ことを特徴とする分注装置用ノズルチップ。
請求項１記載のノズルチップにおいて、
前記第２区間の長さl2及び前記第３区間の長さl3を加算した長さl2+l3は40-50mmの範囲内に設定された、ことを特徴とするノズルチップ。
請求項１記載のノズルチップにおいて、
前記第３区間と前記第４区間の境界部位における内径d4は6.5-7.0mmの範囲内に設定された、ことを特徴とする分注装置用ノズルチップ。
請求項１記載のノズルチップにおいて、
前記第２区間と前記第３区間の境界部位における内径d3は4.0-5.0mmの範囲内に設定された、ことを特徴とする分注装置用ノズルチップ。
請求項１記載のノズルチップにおいて、
前記第４区間の上方への開き角度θ4は0.1-0.6°の範囲内に設定された、ことを特徴とする分注装置用ノズルチップ。
請求項１記載のノズルチップにおいて、
前記第３区間の上方への開き角度θ3は10-20°の範囲内に設定された、ことを特徴とする分注装置用ノズルチップ。
生体から採取された液体試料を試験管ラックに保持された試験管から吸引して複数の容器へ吐出する分注装置において用いられ、下端の先端開口から上方にかけて少なくとも３つの屈曲部位で区画された第１区間、第２区間、第３区間及び第４区間を備えるノズルチップであって、
前記第１区間の内面の上方への平均開き角度をθ1し、前記第２区間の内面の上方への平均開き角度をθ2とし、前記第３区間の上方への平均開き角度をθ3とし、前記第４区間の上方への平均開き角度をθ4とした場合に、θ1＞θ2、θ2＜θ3及びθ3＞θ4の各条件が満たされ、
前記θ1は3-7°の範囲内に設定され、
前記θ2は1-3°の範囲内に設定され、
前記第１区間の長さをl1とし、前記第２区間の長さをl2とし、前記第３区間の長さをl3とした場合に、l1＜l2及びl2＞l3の各条件が満たされ、
前記先端開口の内径d1は1.8-2.2mmの範囲内に設定され、且つ、前記第１区間と前記第２区間の境界部位における内径d2は3.5-4.2mmの範囲内に設定された、
ことを特徴とする分注装置用ノズルチップ。