JP5111329B2 - 自動分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、血液，尿などの検体に対し定性・定量分析を行う自動分析装置に係わり、特に、サンプル，試薬などの液体を所定量分注する分注機構を備えた自動分析装置に関する。

一般に、自動分析装置において、検体容器から検体を、試薬容器から試薬を、それぞれ所定量吸引し反応容器に吐出する動作（以下、分注と称する）を伴う。自動分析装置には正確で再現よい分析結果が何よりも求められているが、そのためには前述の分注動作を正確で再現よく行うことが重要となる。

一方で、近年はランニングコスト低減の観点から反応液量の微量化、すなわち分注の微量化も求められているが、一般的に分注の微量化は、分注量に対するばらつきの量が相対的に大きくなり、分注精度の向上の観点からは不利な方向にはたらく。

以上のことから、分注精度への影響が少ない微量分注技術の開発が求められている。

連続的に分析を行う自動分析装置において、分注ノズルは、検体容器から検体を吸引し、反応容器上に移動し、反応容器に検体を吐出した後、洗浄位置に移動し、洗浄水で洗浄した後、再び検体容器に移動して、次の項目測定のための分注を行う。なお、上記は検体分注に関する説明であるが、試薬分注に関してもほぼ同様であるため、以下検体分注についてのみ説明する。

上記動作において、分注ノズルが検体を吸引した後、検体容器から引上げる際、検体の一部がノズル先端に付着・残留すると、これを反応容器に持込んでしまう（図２（ａ）参照）。また、反応容器に検体を吐出した後、反応容器から引上げる際も同様で、この場合は検体の一部を持出してしまう（図２（ｂ）参照）。前者を検体持込み、後者を検体持出しと称し、これらの量が分注量のばらつきに影響を与える。

また、分注ノズルを洗浄した後、ノズル先端に付着・残留した洗浄水を検体容器に持込み（図２（ｃ）参照。以下、洗浄水持込みと称する）、中の検体が薄まることにより発生する項目間での誤差の問題もある。

これら、分注ノズル先端に付着する各液体の影響、特に分析精度への影響は、分注量が微量になるにつれて大きくなるため、反応液量低減を実現するためには解決しなければならない問題の一つである。

上記問題に対するアプローチとしては、付着させないようにするか、付着した後に取り除くか、のいずれかが考えられる。

液体を付着させないようにする方法として、分注ノズル先端に電解研磨，撥水コーティングなどの表面処理を施すことが考えられる。しかし、汚れ，撥水コーティングの剥離などにより、効果が持続しないのが現状である。

また、付着した後に取り除く方法として、分注ノズル先端にブロー気流を当てる方法が特許文献１に記載されている。

また、ブロー気流を当てる方法として、ポンプや電磁弁を使用している例が、特許文献２，３に記載されている。

特開昭５７−１２７８５３号公報 特開２００４−１０１４８０号公報 特開２０００−７４９２９号公報

ポンプや電磁弁を使用して発生させたブロー気流では付着した液体を除去できない場合が懸念される。例えば、粘性の高いサンプルが付着している場合、粘性の低いサンプルに比べて、ブロー気流で除去しにくいことが容易に想定できるが、自動分析装置のような短時間で付着液体を除去する必要がある装置の場合は、すべての液体について付着液体が除去できるようなブロー時間，ブロー気流の速度，流量に設定することは現実的に難しい場合が有り得る。

本発明の目的は、付着した液体をよく除去できる機構を備えた自動分析装置を提供することにある。また、安価に噴流を発生させる手段を備えた自動分析装置を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明の手段は以下の通りである。

液体を分注するための分注ノズルと、該分注ノズルに気体を噴出する気体噴出ノズルと、該気体噴出ノズルに接続され、該気体噴出ノズルに噴流を供給する噴流供給手段と、を備えた自動分析装置。

好ましい態様は以下の通りである。

検体または試薬を分注するための分注ノズルと、前記分注ノズルに係合され、前記分注ノズル先端に気体を噴出することができる気体噴出ノズルとを備える分注装置において、前記気体噴出ノズルと配管を通じて接続された、内部に気体を溜めることのできる気体格納ケースと、前記気体格納ケース内の容積または圧力、あるいはその両方を変動させる手段とを備える。

また、高速処理や前記分注ノズルの状態・条件によってブロー気流を制御することを目的として、前記気体格納ケースや、前記容積・圧力変動手段を複数持つようにし、前記容積・圧力変動手段は制御部で制御できるようにする。

さらに、前記気体噴出ノズル内部の汚れを防止することを目的として、前記気体噴出ノズルと前記気体格納ケースとの間に、前者の向きのみ流すようにする逆止弁と、前記気体格納ケースに大気へ解放する配管を接続し、前記気体格納ケースと大気との間に、前者の向きのみ流すようにする逆止弁と、を備える。

あるいは、上記汚れ防止手段をとらない場合の、前記気体噴出ノズルの洗浄方法として、前記容積・圧力変動手段を働かせ、前記気体噴出ノズルの内部に洗浄液を吸引できるようにする。

本発明により、以下の効果が挙げられる。

すなわち、検体または試薬の持込み・持出しを最小限に抑え、それによって分注量のばらつき最小限に抑えるといった本来の目的を、安価な手段で実現できる。

また、洗浄水持込みを最小限に抑え、薄まりによって発生する誤差を最小限に抑えるといった目的も、安価な手段で実現できる。

さらに、上記効果を、処理能力を高めても実現でき、また、分注ノズルの状態・条件によって制御方法を変えることができるから、少ないエネルギで最大限の効果を得られる。

また、気体噴出ノズルの汚れについても、汚れないようにする手段、あるいは、汚れても清掃できる手段を持つから、メンテナンス性に優れる。

図１に本発明の分注装置を示す。

中空管からなる分注ノズル１は配管３を介してシリンジ４と接続され、さらに電磁弁５を介して給水ポンプ６，給水タンク７が接続され、流路内は水（システム水）８で満たされている。検体や試薬に対する主な分注動作は、上記の構成でなされる。すなわち、シリンジ内のプランジャ９の往復運動により、検体や試薬の分注を行い、分注ノズル内部の洗浄は給水ポンプにより供給されるシステム水によってなされ、これは電磁弁で切替えられている。

一方、分注ノズルには気体噴出ノズル２が係合されていて、気体噴出ノズルの開口部は分注ノズルの先端に向けられている。分注ノズルと気体噴出ノズルは、２本を平行に配置した構造であっても、分注ノズルを内管，気体噴出ノズルを外管とした同心円状に配置した構造であっても、どちらでも構わない。また、気体噴出ノズルは複数本の場合もある。

気体噴出ノズルは配管１０を介して、空気を溜めることのできるケース１１と接続されている。このケース全体あるいは一部には弾性変形することのできる部分１２があり、アクチュエータ１３の往復運動により弾性部分に瞬間的な強制変位を与え、ケース内部を急激に圧縮し、気体噴出ノズルの先端から噴流を発生させる、いわゆる空気砲の構造をとっている。アクチュエータの駆動は電磁気的な仕組みでも、図３のようにメカニカルな仕組みでも構わない。

なお、分注ノズルおよびこれに係合された気体噴出ノズルは、図示しない駆動装置によって検体容器内や反応容器内などの所定の位置に移動することができる。駆動方法としてはθ−ｚ駆動やｘｙｚ駆動などがある。

次に、気体噴出ノズルのはたらきを分注動作に即して説明する。

分注ノズルは検体容器１４に移動し、例えば液面センサにより液面を検知して停止する。しかる後、検体の吸引を行う。検体の吸引後、ノズルを上昇させ、しかる後アクチュエータを駆動させ、噴流を発生させ、分注ノズル先端に付着した検体を検体容器内に吹き飛ばす。これにより検体持込み量を減らすことができる。

次に分注ノズルは反応容器１５に移動し、例えば接触センサにより反応容器底を検知して停止する。しかる後、検体の吐出を行う。検体の吐出後、ノズルを上昇させ、しかる後アクチュエータを駆動させ、そのとき発生した噴流により分注ノズル先端に付着した検体を、反応容器内に吹き落とす。

一連の分注動作が終了した後、分注ノズルは洗浄槽１６に移動して、洗浄する。洗浄はシステム水による分注ノズル内部の洗浄に加え、分注ノズル外壁に外部から洗浄水を当てて洗浄する。洗浄後、アクチュエータを駆動させ、そのとき発生した噴流により洗浄水を吹き飛ばす。これにより、洗浄水持込みを減らすことができる。

以上のフローを図４に示す。図４（ａ）は通常の、分注ノズルのみの分注動作であり、図４（ｂ）は本発明による分注ノズル付着液体除去機能付きの分注動作である。

なお、噴流の発生手段として、上記の手段以外にシリンジポンプを用いることも考えられる。図５（ａ）はシリンジポンプ１８を用いた噴流発生装置を示す。ステッピングモータ１９によりプランジャ２０を往復運動させ、その移動量に応じた空気を噴出する。シリンジを使用した場合、ステッピングモータの起動トルクや速度との関係から、前記空気砲式よりも空気の塊を勢いよく噴出させることは通常困難であるが、正確な量を噴出できる利点がある。

また、前述ステッピングモータ起動時の問題をバネ力で補うことも考えられる。図５（ｂ）は図５（ａ）の方法を応用したものであり、プランジャを引くときは（図示右方向）ステッピングモータの駆動ギア２１に伝達ギア２２をかませて駆動する。伝達ギアは可動となっており、駆動ギアおよびラック２３から切り離すと、バネ２４にてプランジャを勢いよく押す構造となっている。

ケース内の気体として空気を想定しているが、その理由として、特別な仕組みがいらず、付着液体の除去という目的に対し、コストをかけずに実現できる点が挙げられる。しかし、例えば不活性ガス供給装置を接続して、不活性ガスを噴出したり、洗浄液とのミストガスを発生させ、そのミストガスを噴出したりすることも考えられる。本特許の意図はこれらを除外するものではなく、気体の噴出といった場合、空気以外のこれらの気体の噴出も含めて考える。

急激な容積変化をケース内に与えると、ケース内の圧力は急激に高まり、中の気体が噴出されて、当初の目的を果たすが、その後、ケース内の気体は慣性のため余分に吐出されるため、ケース内は負圧となる。すると今度は、逆にケース外の空気を吸い込むが、吸気も慣性のため余分に吸い込むことになり、そのためにケース内は正圧になる。これを繰返し、ケース内の圧力は振動する。また、アクチュエータを弾性部分に当てた場合、弾性部分の振動もケース内の圧力変動に影響する。いずれにせよ、本構造ではケース内が負圧になることが考えられる。分注ノズル先端に付着した液体はそのほとんどが最初の噴出で除かれるが、０になることは有り得ない。よって、ケース内が負圧になった時に分注ノズル表面に若干残る液体が気体噴出ノズル内に入り込んでしまうことが考えられる。図６はそのような場合の洗浄方法を示す。

あらかじめ排気動作を行った状態すなわちケース体積を小さくした状態で気体噴出ノズルを液体中に挿入し、この状態で吸引動作を行い、すなわちアクチュエータを戻しケース体積を大きくする動作を行い、洗浄液を吸引する（図６（ａ）参照）。しかる後、再度排気動作を行うことで汚れた部分を洗浄できる（図６（ｂ）参照）。

図のように洗浄液を入れた容器を用意してもよいし、洗浄槽で洗浄水を流水しながら（図１の洗浄槽１６参照）、その流水の中に気体噴出ノズルを挿入してもよい。なお、最初の排気動作は液中に挿入したまま行ってもよい。

また、ケース内の振動に関しては、図７のようにケース内に逆止弁２５，２６を設け、気流を一方通行にすることも考えられる。

図８は複数のアクチュエータを備えた場合である。各アクチュエータは制御部２７につながり、制御部によって制御される。アクチュエータによって弾性変形が加えられた部分は、アクチュエータを戻すとすぐもとの状態に戻るわけではなく、主として弾性部分の弾性係数や空気との粘性係数に依存して一定の時間がかかる。装置の高速化したいが、戻り静定時間が間に合わない場合は、本図のように複数のアクチュエータを持ち、それらを交互に制御するなどで対応できる。

また、複数のアクチュエータを持つことで状況に応じた気体噴出も可能となる。例えば、図９のように分注ノズル動作において、吸引後，吐出後，洗浄後で、噴出する気体の流量，流速を変えたくなることが考えられる。その場合、複数のアクチュエータを持っていれば、駆動するアクチュエータの数を変えることで実現できる。例えば図９において、気体噴出１より気体噴出ノズル２の流量を増したい場合、例えば前者はアクチュエータ１個で、後者はアクチュエータ２個で駆動すればよい。図１０のように状況に応じ駆動するアクチュエータを指定して制御することが可能である。

複数のアクチュエータを同時に駆動するとき、それは時間的に全く同時である必要はない。あえて積極的にずらすことも有り得る。例えば、図１０の気体噴出ノズル２の動作において、Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３を同時に駆動する場合、全く同時に駆動しても、あるいは、例えばＮ１駆動後０.１秒後にＮ２駆動、Ｎ２駆動後０.２秒後にＮ３駆動、のように制御してもよく、系によって最適に設計されるべきである。

なお、アクチュエータの数に対し、ケースは一つにする場合と複数にする場合が考えられる。一つにするとコスト面での利点が大きい。一方、複数にし、それぞれに逆止弁を設けておけば、要求される流量，流速に合わせてケース容積を最適化できる利点がある（図１１参照）。一つにするか、複数にするか、あるいは組合わせるかは、系によって最適に設計されるべきである。例えば、５個のアクチュエータを持ち、そのうち４個が１つのケースにアクセスし、残る１つのアクチュエータは別のケースにアクセスするようにしてもよい。

また、アクチュエータは１つとし駆動量（ストローク）を制御することで、噴出する気体の流量，流速を変えることもできる。アクチュエータに印加する電流・電圧を変えるなど、電磁気的に実現しても、図３のカム１７のように、機械的に実現してもいずれでも構わない。図１０のように、状況に応じアクチュエータのストロークを指定して制御することが可能である。

図１２は、この発明の実施例にかかる自動分析装置の構成例を示している。自動分析装置は一般的に、検体を装置にセットするための検体ディスク１０１，その検体の分注を行うための検体分注装置１０２，反応容器である反応セル１０３およびその保持具である反応ディスク１０４，測定項目に応じた試薬をセットする試薬ディスク１０５，その試薬の分注を行うための試薬分注機構１０６，反応セル中に分注された検体と試薬を攪拌するための攪拌機構１０７，反応液を比色分析する光度計１０８，分析が終了した反応液の吸引および反応セルの洗浄を行う洗浄機構１０９、そしてこれらの制御部からなる。本発明の分注装置を、検体分注装置または試薬分注装置のいずれか、あるいは両方に組込むことで、本発明の利点を生かした自動分析装置ができる。

本発明に関わる分注装置の概略構成図である。 分注動作における課題を説明するための図である。 本発明の分注装置における、気体格納ケース内の容積または圧力、あるいはその両方を変動させる手段を、機械的構成で実現した図である。 分注ノズルのみで分注する場合の分注動作と、本発明の分注ノズル付着液体除去機能付き分注ノズルで分注する場合の分注動作を示す図である。 本発明の分注装置における、気体格納ケース内の容積または圧力、あるいはその両方を変動させる手段を、シリンジおよびプランジャの構成で実現した図である。 本発明の分注装置を用いて、気体噴出ノズル内部を洗浄する方法を示す図である。 気体格納ケースに逆止弁を設けたところを示す図である。 単数の気体格納ケースと複数のアクチュエータを設けたところを示す図である。 分注ノズルの状態によって気体噴出を変えるようにした場合の分注動作を示す図である。 気体噴出を変えるパターンを示す図である。 複数の気体格納ケースを設けたところを示す図である。 本発明の分注装置が適用可能な自動分析装置の概略構成図である。

符号の説明

１ 分注ノズル
２ 気体噴出ノズル
３ 配管（分注用）
４ シリンジ
５ 電磁弁
６ 給水ポンプ
７ 給水タンク
８ 水（システム水）
９ プランジャ
１０ 配管（気体噴出用）
１１ 気体格納ケース
１２ 弾性部分
１３ アクチュエータ
１４ 検体容器
１５ 反応容器
１６ 洗浄槽
１７ カム
１８ シリンジポンプ
１９ ステッピングモータ
２０ プランジャ
２１ 駆動ギア
２２ 伝達ギア
２３ ラック
２４ バネ
２５，２６ 逆止弁
２７ 制御部
１０１ 検体ディスク
１０２ 検体分注装置
１０３ 反応セル
１０４ 反応ディスク
１０５ 試薬ディスク
１０６ 試薬分注装置
１０７ 攪拌機構
１０８ 光度計
１０９ 洗浄機構

Claims (5)

1. 液体を分注するための分注ノズルと、
   該分注ノズルに気体を噴出する気体噴出ノズルと、
   該気体噴出ノズルに接続され、該気体噴出ノズルに噴流を供給する噴流供給手段と、を備え、
   前記噴流供給手段が、所定量の気体を保持できる気体保持容器と、該気体保持容器の容積を急激に変動させる容積変動手段と、を含み、
   前記気体保持容器の少なくとも一部が弾性部材からなり、前記容積変動手段は、該弾性部分に弾性変形を与えることで容積を変動するものであり、
   １つの前記気体保持容器に、独立して動作可能な複数の前記容積変動手段を備え、１つの前記容積変動手段に対応する該弾性変形部分がもとの状態に戻る前に他の前記容積変動手段に対応する弾性部分に弾性変形を与え、容積を変動させることを特徴とする自動分析装置。
2. 請求項１記載の自動分析装置において、
   前記１つの容積変動手段と前記他の前記容積変動手段は、交互に制御されることを特徴とする自動分析装置。
3. 請求項１又は２記載の自動分析装置において、
   前記気体噴出ノズルと前記気体保持容器とを接続する配管に、該気体保持容器から該気体噴出ノズルへの向きのみ気体を流すようにする逆止弁を備え、
   更に、前記気体保持容器に、該気体保持容器内部を大気へ解放する配管を接続し、前記気体保持容器と大気との間に、該気体保持容器への方向のみに大気を流すようにする逆止弁と、を備えたことを特徴とする自動分析装置。
4. 請求項１〜３のいずれか記載の自動分析装置において、
   前記容積変動手段は、予め定めた複数の変動量のいずれかを選択して動作するよう制御する制御機構を備えたことを特徴とする自動分析装置。
5. 請求項１〜４のいずれか記載の自動分析装置において、
   前記容積変動手段の容積を小さくした状態で前記気体噴出ノズルを洗浄液中に挿入し、前記弾性部分の弾性変形により、該洗浄液を吸引し、前記容積変動手段の容積を再度小さくすることで、前記気体噴出ノズルを洗浄することを特徴とする自動分析装置。

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