JP6181530B2 - 流体表面を探知するための方法およびシステム - Google Patents

Description

本発明は、試料の分析処理の分野のものであり、流体表面を探知するための方法および自動システムに関する。

近代的な臨床分析装置において、体液などの流体は多様な臨床化学的方法および免疫化学的方法により検査できる。多くの分析方法は、満足すべき分析精度を達成するために、精確なピペッティング操作を要求する。通常は、流体を吸引および排出するためにポンプ制御式探針が用いられる。

ピペッティング操作を行なうために、探針先端は確実に流体内に配置されなければならない。交差汚染の危険性を最小限に抑え、かつ探針の清浄化を容易にするという見地から、探針先端を流体表面直下に配置することがしばしば望ましい。基本的に、流体を添加または採取する際、探針先端を試料容器に対して静止状態に保持するか、あるいは流体内で流体表面に対して特定した位置に保持されるように上昇または下降させることができる。

実際には、多くの場合、流体表面は正確には分からず、あるいは試料容器毎に大幅に変動する可能性があり、したがって探針を正確に配置するために、ピペッティング操作を開始する前に流体表面を探知する必要がある。

一般に、流体表面の探知は多様な物理的原理に基づくことができる。１方法は、光ビームを流体表面に向け、そこから反射された光ビームを検出するものである。行程時間を検出することにより、探針先端と流体表面の距離を計算できる。

試料処理に頻繁に用いられる他の方法は、探針を流体と物理的に接触させた際または流体から引き離した際の、探針の電気的特性の特徴的な変化を検出することに基づく。具体的には、既知の１方法は、探針先端を流体に浸漬した際の探針の電気抵抗の変化を検出する。しかし、信頼性のある結果を得るためには流体を接地基盤と電気的に接触させなければならず、これは行なわれない場合が多く、したがってこの手法は多くの場合、満足には使用できない。探針の抵抗変化を利用する流体表面探知は、たとえばUS Patent No. 5843378Aに記載されている。

他の手法は、表面を探知するための感度をもつインピーダンスを発生させるように、たとえば１ＭＨｚから１ＧＨｚまでの範囲の高周波電圧信号を探針に付与することに基づく。しかし、高周波インピーダンスの測定に基づく流体表面探知は複雑な技術的装置を必要とし、かなり経費集約的である。特殊な操作条件のため、この手法は臨床分析装置に採用するのには適さない。さらに、電気干渉作用によって分析装置の電磁適合性が低くなる可能性がある。高周波インピーダンスの測定に基づく流体表面探知は、たとえばWO 2000019211A1、US 5049826A、US 5365783およびUS 4818492Aに記載されている。

さらに他の手法は、探針を流体と物理的に接触させた際または流体から引き離した際の、探針の電気容量の変化に基づく。この目的のために、周期的電気信号により探針に反復荷電し、放電電流を分析することにより探針の容量を測定する。一般に、電気インピーダンスを避けるために、１ｋＨｚより低い低周波電圧信号を用いる。特許文献では、たとえば容量変化に基づく流体表面探知が、EP 0355791A2およびUS 7150190B2に記載されている。

電気容量法を用いて、探針が流体表面に当たる際の探針の電気容量変化を観察することができる。しかし、種々のパラメーター、たとえば試料体積（臨床分析装置の試料は、最も一般的には数ミリリットル（ｍＬ）程度またはそれよりさらに少ない）、試料を収容する試料容器のデザインおよび材料、ならびにその電気的環境によっては、容量の変化がきわめて小さい。一般に、探針の電気容量の変化は１０フェムトファラド（１０^−１５Ｆ）程度またはそれより少ない。さらに、その測定は、外的影響、たとえば近接探針および／または探針に隣接する他の導電性部品に関する静電容量によって妨害されやすい。移動した導電性の構成部品間に通常生じる動的な電気容量によって、さらに他の妨害が起きる可能性がある。したがって、特に金属製の構成部品など導電性部品に対して急速または断続的に探針を移動させる場合、動的な電気容量が発生する可能性がある。実際に、そのような静的および／または動的な寄生作用はピコファラド（１０^−１２Ｆ）の規模になる可能性があり、それは探針を流体と物理的に接触させるかまたは流体から引き離すことにより起きる探針の容量変化よりはるかに大きい。したがって、探針の容量変化に基づく臨床分析装置における流体表面探知は、信頼性のある結果をもたらさない可能性がある。

US Patent No. 5843378A WO 2000019211A1 US 5049826A US 5365783 US 4818492A EP 0355791A2 US 7150190B2

以上のことからみて、流体と物理的に接触させた際または流体から引き離した際の探針の電気容量の変化に基づいて試料の流体表面を探知するための一般的なシステムおよび方法を改良することが望ましい。

上記および他の目的は、独立請求項に記載するシステムおよび方法によって満たされる。本発明の好ましい態様は従属請求項に示される。本発明の第１観点によれば、流体容器に収容された流体の表面を探知するための新規方法が提供される。この方法は、流体を種々の分析項目について分析するための臨床分析装置に関して特に有用であろう。

本明細書中で用いる用語“流体”は、たとえば関心のある被検体を含有する疑いのある材料を表わすことができる。流体はいずれかの生物源に由来するもの、たとえば血液、唾液、水晶体液、脳脊髄液、汗、尿、乳汁、腹水、粘液、滑液、腹膜液、羊水、組織、細胞などを含む生理的流体であってもよい。流体を使用前に前処理することができる；たとえば、血液からの血漿の調製、粘稠な流体の希釈、溶菌など；それらにおいて、処理方法は、濾過、蒸留、濃縮、干渉成分の不活性化、および試薬の添加を伴うことができる。流体を供給源から得られたままで、または流体の性質を改変するために前処理した後に、たとえば他の溶液で希釈した後または試薬と混合した後に、たとえば１以上の診断アッセイ、たとえば臨床化学的アッセイ、イムノアッセイ、凝集アッセイ、核酸検査を実施するために使用できる。

本発明によれば、流体表面を探知するための方法は、たとえば接地基盤により与えられるそれの環境に対して電気容量をもつ少なくとも１つの探針（１以上の探針）を用意する工程を含む。

本方法は、さらに、探針を流体の内外へ移動させ、流体表面探知のために探針を起動させるために、探針に周期的な第１電気信号Ｓ１を付与することにより探針に荷電する工程を含む。１態様において、第１電気信号は１ｋＨｚから１ＭＨｚまでの範囲の周波数をもつ。

本明細書中で用いるように、用語“起動させる”または“起動した”は、参考のために用いるにすぎず、第１電気信号が付与されて流体表面探知のために用いられている探針に関する。したがって、起動していない探針は流体表面探知のために用いられていない探針である。

本方法はさらに、起動した探針に周期的な第１電気信号Ｓ１を付与するのと同時に、起動した探針とは異なる１以上の導電性領域に周期的な第３電気信号Ｓ３を付与するさらに他の工程を含む。第３電気信号Ｓ３は、第１電気信号Ｓ１に基づく。１態様において、第３電気信号Ｓ３の周波数は第１電気信号Ｓ１の周波数と等しい。１態様において、第３電気信号Ｓ３の周期的信号パルスは第１電気信号Ｓ１の周期的信号パルスと等しい。１態様において、第３電気信号Ｓ３は、第１電気信号に対応し（それと等しい）、あるいは増幅／減衰した第１電気信号Ｓ１に対応する。１態様において、第３電気信号Ｓ３は第１電気信号Ｓ１から誘導される。１態様において、第３電気信号Ｓ３は第１電気信号Ｓ１である。

本方法はさらに、起動した探針を放電電流が得られるように少なくとも部分的に放電させるさらに他の工程、およびこの放電電流に基づく第２電気信号Ｓ２を検出する工程を含む。１態様において、第１電気信号Ｓ１は第２電気信号Ｓ２から誘導される。

本方法はさらに、第２電気信号Ｓ２または第２電気信号Ｓ２から誘導される信号を、起動した探針の電気容量に関して分析するさらに他の工程、および起動した探針の電気容量の変化に基づいて流体の流体表面を同定する工程を含む。

したがって、起動した探針の電気容量に影響を及ぼす可能性がある導電性領域に第３電気信号Ｓ３を付与することにより、起動した探針を流体表面探知に影響を及ぼす妨害から効果的に遮蔽することができる。第３電気信号Ｓ３は、このように“遮蔽信号”として作用する。

複数の探針をたとえば直列配置で含む１態様において、第３電気信号Ｓ３は起動した探針に近接して配置された１以上の起動していない探針に付与される。具体的には、第３電気信号Ｓ３を、起動した探針に近接して（たとえば、それの片側または両側に）配置されたすべての起動していない探針に付与することができる。起動した探針に隣接する起動していない探針はしばしば妨害の主因であるので、流体表面探知の信頼性を著しく改善することができる。

１態様において、第３電気信号Ｓ３は、起動した探針を移動させるための移動システムの１以上の構成部品、および／または起動した探針に近接して配置された起動していない１以上の探針を移動させるための移動システムの１以上の構成部品に付与される。移動システムの構成部品はしばしば大きな導電性領域をもち、それは、特に起動した探針をこれらの領域に対して移動させる際に、起動した探針の電気容量に強い影響を及ぼす可能性がある。したがって、これらの領域を遮蔽することにより、流体表面探知の信頼性を著しく改善することができる。

１態様において、第３電気信号Ｓ３は、起動した探針のシステム流体、および／または起動した探針に近接して配置された起動していない１以上の探針のシステム流体（単数または複数）に付与される。システム流体は、探針をピペットとして操作するために用いられる。システム流体も流体表面探知に対する妨害の主因となる可能性があるので、流体表面探知の信頼性を著しく改善することができる。

１態様において、第３電気信号Ｓ３は、起動した探針の同軸ライン、および／または起動した探針に近接して配置された起動していない１以上の探針の同軸ライン（単数または複数）に付与される。特に起動した探針を移動させる際に、および／または同軸ラインを無制御状態で移動させる際に、同軸ラインも流体表面探知に対する妨害の主因となる可能性がある（動的電気容量の発生）。したがって、同軸ラインを遮蔽することにより、流体表面探知の信頼性を著しく改善することができる。

１態様において、第１電気信号Ｓ１が探針に周期的に付与されるように、第１電気信号Ｓ１を第４電気信号により調節する。具体的には、複数の探針をたとえば互いに直列配置で用いる場合、流体表面探知の信頼性を改善するために、それらの探針を交互に逐次起動させることができる。

本発明の第２観点によれば、流体容器に収容された流体の流体表面を探知するための新規な自動システムが開示される。このシステムは利用者の具体的な要望に従って多様に構成することができ、また種々の分析項目、たとえば臨床化学的、生化学的または免疫化学的分析項目（ただし、これらに限定されない）に関する自動臨床分析装置の一部であってもよい。

本発明によれば、このシステムは、流体に対して位置決めされるように適合させた少なくとも１つの探針を含む。環境、たとえば接地基盤に電気容量結合しているため、探針は電気容量をもつ。

このシステムはさらに、探針を流体に対して位置決めするように適合させた、たとえば探針を流体の内外へ移動させるための、移動機構を含む。１態様において、探針は好ましくは導電性材料から作成されるか、あるいは少なくともそれを含む。

このシステムは、さらにまた電気回路部品を含む；それには、探針に接続して、起動した探針が得られるように探針に荷電するための第１電気信号Ｓ１を発生させて探針に付与するように構成された、信号発生回路が含まれる。この回路部品にはさらに、起動した探針を放電させて放電電流を発生させるための電気ドレイン、たとえば接地基盤（ただし、これに限定されない）、および探針を信号発生回路またはドレインに交互に接続するように適合させた制御可能なスイッチが含まれる。この回路部品にはさらにまた、探針に接続して、探針の放電電流に基づく第２電気信号を検出するように構成された、信号検出回路が含まれる。この回路部品にはさらに、第１電気信号Ｓ１に基づく第３電気信号Ｓ３を探針と異なる１以上の導電性領域に付与するように適合させた遮蔽信号回路が含まれる。

このシステムはさらにまた、流体表面の探知を制御するように設定された制御器を含む。
第１、第２および第３電気信号に関しては、本発明の方法に関する前記の説明が参照される。

１態様において、制御器は下記のように設定される：探針を流体内へ移動させる；第１電気信号Ｓ１により探針に反復荷電しかつ少なくとも部分的に放電させるようにスイッチを制御する；第２電気信号を検出するように電気回路部品を制御する；第２電気信号Ｓ２または第２電気信号Ｓ２から誘導される信号を、起動した探針の電気容量に関して分析する；および探針の電気容量の変化に基づいて流体表面を同定する；その際、第１電気信号Ｓ１を探針に付与すると同時に、第３電気信号Ｓ３をその探針と異なる１以上の導電性領域に付与する。

１態様において、遮蔽信号回路は下記の導電性領域のうち１以上に電気的に接続している：
−起動した探針に近接して配置された１以上の起動していない探針；
−起動した探針を移動させるための移動システムの１以上の構成部分、および／または起動した探針に近接して配置された１以上の起動していない探針を移動させるための移動システムの１以上の構成部分；
−起動した探針のシステム流体、および／または起動した探針に近接して配置された１以上の起動していない探針のシステム流体；
−起動した探針の同軸ライン、および／または起動した探針に近接して配置された１以上の起動していない探針の同軸ライン。

１態様において、信号発生回路は、抵抗−電気容量回路に接続したシュミットトリガー回路（電気容量回路に直列接続した抵抗）を含む発振器として構成され、その電気容量は起動した探針により供給される。

１態様において、探針（単数または複数）は流体をピペッティングするためのピペッティング操作を行なうように構成され、これにより、陰圧または陽圧が内部に発生した際に流体を吸引または排出する。したがって、探針は流体表面探知と流体ピペッティングの二重の機能性をもつ。よって、ピペッティング操作を流体内での探針の正確な位置決めと組み合わせることができる。流体をピペッティングするための探針は、たとえば金属材料製の針、たとえばスチール針（ただし、これに限定されない）の形態をもつことができる。

１態様において、流体容器は導電性材料で作成された容器部分を含み、その導電性容器部分は、それと電気的に接続した導電性支持体、たとえば導電性作業プレート（ただし、これに限定されない）で支持されている。その結果、探針と環境の電気容量結合を改善することができる。

本発明のシステムは、このように、起動した探針の電気容量に影響を及ぼす可能性がありしたがって流体表面探知を妨害する可能性のある領域に電気遮蔽信号を付与することにより、流体表面の確実な探知を可能にする。このシステムを用いて、前記の本発明方法を実施できる。

本発明の主な利点は、先行技術と異なり、第３電気信号Ｓ３の付与によって環境からの妨害を電気的に遮蔽することにより、起動した探針の電気容量を信頼性をもって流体表面の探知に使用できるという事実により得られる。

以上に記載した本発明のシステムおよび方法の多様な態様は、本発明の範囲から逸脱することなく単独でまたはそれのいずれかの組合わせで使用できる。

本発明のさらに他の目的、特徴および利点は、以下の記載からより十分に明らかになるであろう。本明細書に含まれてその一部を構成する添付の図面は、本発明の好ましい態様を説明し、前記の全般的記載および後記の詳細な記載と一緒に本発明の原理を説明するためのものである。
図１は、流体表面を探知するための代表的システムの模式図である。 図２は、探針の直列配置を表わす。 図３は、図１のシステムの詳細なＸを表わす。 図４Ａ〜Ｂは、電気遮蔽信号を付与しない状態（図４Ａ）および付与した状態（図４Ｂ）の図１のシステムの探針の直列配置を表わす。 図５は、図１のシステムの変形を表わす。 図６は、流体表面を探知するための探針の逐次起動を示す模式図である。 図７は、探針を用いて異なる流体表面を探知するための設定を示す模式図である。 図８Ａ〜Ｃは、図７の設定で得られた実験結果である。

説明のために、本発明を実施できる具体的な代表的態様を以下に記載する。まず、図１〜３を参照して、模式図により流体表面探知のための自動システムを説明する。このシステムは、流体試料を分析するための臨床分析装置と連携させた際に特に有用であろう。

具体的には、図１は、流体表面を探知するための代表的システムの全般的概念を示す。図２は、図１のシステムに用いるための探針の直列配置を表わす。図３は、流体表面を探知するための電気回路部品を含む、図１のシステムの詳細な“Ｘ”を表わす。

特に図１を参照すると、一般に参照番号１で表示されるこのシステムは、たとえば探針２の下方に配置した流体容器３に収容された流体４の流体表面を探知するための、少なくとも１つの探針２を含む。１態様において、探針２はピペッティング操作を行なうために、すなわち流体を吸引および分配するために適合させたピペットとして構成される。具体的には、探針２は内部（流体）チャネル５を備え、これは探針先端６において環境に開放されている。

図３に示すように、それぞれの探針２は、流体チャネル５内に陰圧または陽圧を発生させるために探針先端６の反対側においてポンプ導管７によりポンプ１２に流体接続しており、したがって利用者の具体的な要望に従って流体を探針２に吸い込み、またはそれから排出することができる。ピペットを操作するためのポンプは当業者に周知である（たとえば、市販の分析装置から）ので、ポンプ１２を本明細書中でさらに説明する必要はない。図３に示すように、ポンプ導管７は抵抗Ｒ４により接地基盤に接続している。

続けて図３を参照すると、１態様において、ポンプ導管７は液状のシステム流体１１で満たされ、これをポンプ１２の操作により前後に移動させることができる。システム流体１１は、たとえば探針２の流体チャネル５を清浄化するために、探針先端６から排出させることもできる。

１態様において、探針２は金属材料、たとえばステンレススチール（ただし、これに限定されない）で作成された針として構成される。具体的には、上を閉じた流体容器３の場合にキャップ（図示されていない）の貫通を容易にするために、探針２は尖った探針先端６をもつことができる。

図２に示すように、１態様において、システム１は互いに直列に配置された複数の探針２を含む。したがって、探針２を側方移動させずに、並べて配置された流体容器３に収容された対応する番号の流体４の流体表面を同時探知または逐次探知できる。８つの探針２を示すが、これは説明のためにすぎず、利用者の具体的な要望に従ってこれより多いかまたは少ない探針２を考慮できることは当業者に認識されるであろう。多くの用途において８つの探針２を標準的構造として使用できることを指摘する。

上記に詳述したように、それぞれの探針２は流体表面探知と流体の吸引または分配との二重の機能性をもつ。１以上の探針２を移動させて、流体容器３に収容された流体４に対して位置決めするために、システム１は自動化された移動機構９を含む。具体的には、１態様において、移動機構９は、二重頭の矢印により示すように探針２を垂直移動させるように構成される。通常は、流体４を収容した流体容器３は静止状態に保持され、一方、その流体表面を探知するために探針２を移動させる。

特に図４Ａおよび４Ｂを参照すると、１態様において、移動機構９は互いに直列に配置された複数のトランスファーヘッド１３を含む。各トランスファーヘッド１３は平行六面体形のトランスファーブロック１４を含み、これは１つの探針２を固定するように構成されたプレート様の探針ホルダー１６を滑らせることができる状態で受容する垂直方向のブロック開口１５を備えた側面１７をもつ。探針ホルダー１６は作動可能な状態で駆動機構（図示されていない）、たとえばスピンドルドライブに結合し、これにより探針ホルダー１６はブロック開口１５に沿って垂直方向に移動できる。したがって、探針ホルダー１６に固定された探針２は、探針２の下方の流体容器３に収容された流体４の方向へ、またそれから遠ざかる方向へ、垂直移動できる。それぞれの探針２は個々のトランスファーヘッド１３に取り付けられているので、探針２を互いに独立して移動させることができる。あるいは、探針ホルダー１６が移動する際に一緒に移動できるように、２より多い探針２を１つの探針ホルダー１６に固定することができる。図４Ａおよび４Ｂには３つのトランスファーヘッド１３を示すが、これは説明のためにすぎない。利用者の具体的な要望に従って、それぞれが１つの探針２を備えた他の任意数のトランスファーヘッド１３、たとえば図２の配列に対応する８つのトランスファーヘッド１３を考慮できることを指摘する。

１態様において、トランスファーヘッド１３は、水平な作業プレート８の上方で２方向走行の移動が可能なキャリッジ（図示されていない）、たとえば互いに直交関係で配置された２本のレールを備えた位置変換機構（図示されていない）に基づくものに固定されている。したがって、それぞれの探針２は横および／または垂直方向に移動できる。そのようなキャリッジおよび位置変換機構は当業者に周知である（たとえば、市販の分析装置から）ので、それらを本明細書中でさらに説明する必要はない。

したがって、移動機構９を操作することにより、それぞれの探針２を下降させて、探針先端６が探針２の下方の流体容器３に収容された流体４内へ浸漬される位置になるようにすることができる。流体４と探針先端６の接触を最小限に抑えるために、探針先端６を、たとえば流体表面１０のわずかに下方に配置できる。

図２に示すように、このシステムは、関心のあるいずれかの流体４、たとえば体液、たとえば血液、尿などを収容するように構成された、互いに直列に配置された１以上の流体容器３を含むことができる。流体容器３は、たとえばチューブ、バイアル、またはマルチウェルプレートのウェルとして構成することができる。１態様において、流体容器３は絶縁性材料、たとえばプラスチック（ただし、これに限定されない）で作成される。別の１態様において、流体容器３は探針２への電気容量結合を改善するために、導電性材料、たとえばステンレススチール（ただし、これに限定されない）で作成される。１態様において、流体容器３は接地基盤に電気的に接続している。１態様において、流体容器３は、絶縁性材料、たとえばプラスチックまたはゴム（ただし、これに限定されない）で作成された上部カバー（図示されていない）を備えている。

システム１において、１態様では、それぞれの探針２は導電性材料、たとえばステンレススチールなどの金属材料（ただし、これに限定されない）で作成される。したがって、探針２は、環境（通常は接地基盤）、たとえば作業プレート８に対する電気容量結合に応じた（固有）静電容量をもつ。一般に、探針２を下降させて流体４に入れると、探針２の電気容量は（導電性）流体４の電気容量によって変動するという事実のため探針２の電気容量の変化がみられる。しかし、初めの部分で既に述べたように、臨床分析装置では、探針先端６を流体４に浸漬することによりみられる探針２の電気容量の変化は、一般に１０フェムトファラド（１０^−１５Ｆ）程度またはさらに小さいわずかなものである。

続けて図１を参照すると、電気容量の測定に理想的な状況であれば、流体４は接地基盤に電気的に接続し（たとえば、導電性流体容器３により）、あるいは少なくともそれに強く電気容量結合している。しかし、臨床分析装置の場合はなおさら、流体４と接地基盤の間には弱い電気容量結合があるにすぎない。

特に図３を参照すると、流体表面探知のために、それぞれの探針２は、全般的に参照番号１８で表わされる電気回路部品に電気的に接続している。電気回路部品１８は下記のものを含む：信号発生回路３９であって、探針２に荷電するための周期的に振動する電気（電圧）信号Ｓ１を発生させて探針２に付与するように構成されたもの；および信号検出回路３８であって、第１電気信号Ｓ１に応答した、探針２の放電電流に基づく第２電気信号Ｓ２を検出するように構成されたもの。

具体的には、回路１８は第１電気信号Ｓ１を発生させるための発振器１９を含み、これはシュミットトリガー回路２０、および電気抵抗Ｒ１（２１）とこの抵抗Ｒ１（２１）に直列接続した探針２（電気容量Ｃ）からなる抵抗−電気容量（積分）回路（“ＲＣ回路”）を含む。

一般に、シュミットトリガー回路２０は、入力電圧に出力電圧の一部を加えることによるプラスのフィードバックループをもつ電気回路であり、ループ利得は１より大きい。シュミットトリガー回路２０の基礎となる基本原理は、入力電圧が変化を誘発するのに十分なほど変化するまで、シュミットトリガー回路２０の出力電圧がそれの値を保持することである。

図示したように、１態様においてシュミットトリガー回路２０は、２つの入力端子２３（非反転入力端子“＋”、および反転入力端子“−”）および１つの出力端子２４をもつ演算増幅器２２により提供される；出力端子２４は、電気抵抗Ｒ２およびＲ３により得られる分圧器を介して非反転入力端子２３に接続している。具体的には、電気抵抗Ｒ２と電気抵抗Ｒ３の間の接点３７が非反転入力端子２３に接続している。分圧器は減衰器のように作動する。１態様において、電気抵抗Ｒ２およびＲ３はＲ２＝４２７ｋＯｈｍおよびＲ３＝２２７ｋＯｈｍの値をもつ。演算増幅器２２の反転入力端子２３は、もうひとつの演算増幅器２２’（後記にさらに記載する）およびカップリング電極２５を介して探針２に接続している；カップリング電極２５は、電気信号Ｓ１を探針２へ伝送しかつ探針２を放電することにより得られる電気信号Ｓ２を探針２外へ結合させるために、探針２に結合している。通常どおり、演算増幅器２２は、たとえば２４ボルトの上限値（＋Ｖ）、およびたとえば０ボルトの下限値（−Ｖ）をもつ電源に接続している。

シュミットトリガー回路２０において、演算増幅器２２は双安定ラッチのように作動し、出力端子２４における電圧が高いか低いかに応じて異なる接点に切り換える（ヒステリシス効果）。ヒステリシス効果は、抵抗Ｒ２およびＲ３の抵抗値と総抵抗値の相対割合によって制御される。

発振器１９は、演算増幅器２２の出力端子２４と反転入力端子２３の間のＲＣ回路を接続することにより提供される。発振器１９の発振機能は、下記のメカニズムによって得られる：何らかの種類のノイズ（熱的または電磁的ノイズ）が原因で出力端子２４がゼロボルトより高い電圧をもつ場合、非反転入力端子２３もプラスであり、その結果、プラスのフィードバックのため、出力端子２４の電圧が電源の上限値（＋Ｖ）に近づく状況になる。反転入力端子２３と出力端子２４はＲＣ回路により連結しているので、反転入力端子２３は電気抵抗Ｒ１（２１）の抵抗値および探針２の電気容量に応じた時間定数で出力電圧に近づく。反転入力端子２３における電圧が非反転入力端子２３における電圧より大きい場合、出力端子２４の電圧は低下して電源の下限値（−Ｖ）に近づく。出力端子２４の電圧が低下し続けると、反転入力端子２３と非反転入力端子２３の差が変化し、その結果、反転入力端子２３の電圧が出力端子２４の電圧に近づく状況になり、したがってこのサイクルが自然に反復する。したがって、演算増幅器２２の出力端子２４の電圧は、入力が上限閾値を超えた際、または下限閾値より低くなった際、電源の上限値と下限値（＋Ｖ、−Ｖ）の間で切り換えられる。出力端子２４の電圧は、上限閾値と下限閾値の間で変化せずに維持される。

電気回路部品１８はさらに、制御可能なスイッチ、たとえばトランジスター３３’を含み、これは探針２を、第１電気信号により探針２に荷電するための演算増幅器２２の出力端子２４に、または探針２を放電するための接地基盤に、交互に（周期的に）接続するように適合されている。トランジスター３３’は制御器２６により制御できる。

したがって、探針２を放電させると、カップリング電極２５を介して探針２の放電電流に基づく第２電気信号Ｓ２が得られ、これが演算増幅器２２へ伝送される。演算増幅器２２（発振器１９）の出力２４は方形波電気信号Ｓ１になり、それの周波数は抵抗Ｒ１の抵抗値および探針２の電気容量Ｃ（ならびにシュミットトリガー回路２０の切換え点）に著しく依存する。したがって、抵抗Ｒ１の抵抗値を変動させることにより、第１電気信号Ｓ１の周波数を容易に探針の電気容量に適合させることができる。１態様において、第１電気信号Ｓ１の周波数は５ｋＨｚから１ＭＨｚまでの範囲であり、たとえば１００ｋＨｚの値をもつ。１態様において、抵抗Ｒ１はＲ１＝１８０ｋＯｈｍの抵抗値をもつ。

したがって、探針２の電気容量Ｃは、出力端子２４において得られる第１電気信号Ｓ１の周波数を周波数または期間（時間定数）に関して分析することによって容易に決定できる。その結果、探針２の電気容量Ｃの変化も検出できる。

続けて図３を参照すると、システム１において、制御器２６は流体表面の探知および流体のピペッティングを制御するために使用できる。具体的には、制御器２６は探針２の移動および位置決めを、特に電気信号Ｓ１の分析から得られたそれぞれの流体表面１０に関する探知結果に基づいて制御するように設定される。制御器２６は、たとえば前決定プロセスルーチンに従って操作を実行する指示を備えたコンピューター可読プログラムを作動させるプログラム可能な論理素子（マイクロプロセッサー）の形態をもつことができる。この目的のために、制御器２６は、制御を必要とする、および／または情報を提供する、種々のシステム構成部品に電気的に接続している；これには、演算増幅器２２の出力端子２４、および探針２を移動させて流体４に対して位置決めするための移動機構９が含まれる。

さらに続けて図３を参照すると、システム１において、電気回路部品１８はさらに、第３電気信号Ｓ３（“電気遮蔽信号”）を発生させて、探針２の電気容量に影響を及ぼして流体表面探知を妨害する可能性のある導電性領域へ付与するための、遮蔽信号回路２７を含む。具体的には、遮蔽信号回路２７は、２つの入力端子２３’（非反転入力“＋”、および反転入力“−”）および１つの出力端子２４’をもつ演算増幅器２２’を含む。出力端子２４’は、反転入力端子２３’、および他方の演算増幅器２２の反転入力端子２３に接続している。演算増幅器２２’の非反転入力端子２３’は、同軸ライン２８を介してカップリング電極２５に接続している。探針２の放電電流に基づく第２電気信号Ｓ２が、演算増幅器２２’を介して演算増幅器２２の反転入力端子２３へ送られる。

演算増幅器２２’の出力端子２４’は、探針２の電気容量Ｃを変化させる可能性のある種々のシステム構成部品に遮蔽信号Ｓ３を荷電する目的で、これらのシステム構成部品に接続している。より詳細に述べると、出力端子２４’は下記のものに電気的に接続している：
−探針２の同軸ライン２８の導電体２９を囲む絶縁層３０の周囲のチューブ状導電シールド３１（および探針２の両側に隣接する探針２のチューブ状導電シールド３１）に；
−カップリング電極２５’を介して探針２のシステム流体１１に（および、カップリング電極２５’を介して探針２の両側に隣接する２つの探針２のシステム流体１１に）；
−図３に参照番号３２で模式的に示した、探針２の環境に属する種々のシステム構成部品に。

電気遮蔽信号Ｓ３の付与については、それぞれが個々のトランスファーヘッド１３に固定されている直列配置された３つの探針２、２’を示す図４Ａおよび４Ｂに関してさらに詳述する。

具体的には、図４Ａに示す第１状態において、電気信号Ｓ１を付与することにより中央の探針２を流体表面探知のために起動させる。中央の探針２の両側の探針２’は起動していない探針であり、流体表面探知に使用されていない。実際の試験により示されたように、探針先端６を流体と物理的に接触させた際または流体から引き離した際の起動した中央の探針２の電気容量Ｃの変化は、起動した探針２の両側の２つの隣接する起動していない探針２’（左右の探針２）によって、ならびに起動した探針２と２つの隣接する起動していない探針２’の両方の、システム流体１１、同軸ライン２８、およびトランスファーヘッド１３の構成部品、主に、探針ホルダー１６、およびトランスファーブロック１４の側面１７によって、強く妨害される可能性がある。たとえば、２つの近接する探針先端６（体積１００μＬ、長さ９ｍｍ）の電気容量は約５ピコファラド（ｐＦ）であり、したがって流体表面に当てることにより流体と接触させた際または流体から引き離した際の起動した中央の探針２の電気容量変化（１０フェムトファラド程度またはそれより小さい）と比較してきわめて大きい。

図４Ｂに示す第２状態においては、起動した中央の探針２の望ましくない電気容量変化をもたらすそのような影響を大幅に避けるために、電気遮蔽信号Ｓ３を下記のものに付与している：
−２つの隣接する起動していない探針２’（図３に参照番号３２で模式的に示す）；
−起動した探針２および２つの隣接する起動していない探針２’のポンプ導管７に入れたシステム流体１１；
−起動した探針２および２つの隣接する起動していない探針２’の同軸ライン２８；
−起動した探針２および２つの隣接する起動していない探針２’の探針ホルダー１６（図３に参照番号３２で模式的に示す）；ならびに
−起動した探針２および２つの隣接する起動していない探針２’の側面１７（図３に参照番号３２で模式的に示す）。

電気遮蔽信号Ｓ３は、演算増幅器２２’によって増幅される以外は電気信号Ｓ１に対応するので、起動した中央の探針２の電気容量Ｃを、流体表面探知を妨害する環境の影響から効果的に遮蔽することができる。言い換えると、前記に詳述したように、起動した中央の探針２に隣接する構成部品に電気遮蔽信号Ｓ３を付与することによって、電気信号Ｓ１の付与により起動した中央の探針２による流体表面１０の探知に関して、これらの構成部品を電気的に消失させ、または“不可視”にすることができる。したがって、流体表面を精確かつ信頼性のある方法で探知できる。

したがって、電気遮蔽信号Ｓ３を付与することにより、そうしなければ起動した中央の探針２に付加されるであろう電気容量を遮蔽して、流体表面探知の感度を著しく改善することができる。さらに、ポンプ導管７に入れたシステム流体１１に遮蔽信号Ｓ３を付与することにより、接地基盤への電気信号の散逸を阻止するというもうひとつの効果を得ることができる。

次いで、図１の代表的システムの変形を表わす図５を参照する。繰返しを避けるために図１〜３との相異のみを説明し、その他については前記の対応する説明を参照する。
したがって、システム１は、電子スイッチ、たとえばトランジスター３３として構成されたもの、たとえば双極電界効果型トランジスター（ＦＥＴ）（ただし、これに限定されない）を含む。具体的には、トランジスター３３のコレクター接点３４は演算増幅器２２の非反転入力端子２３に接続し、それのエミッター接点３５は接地基盤に接続している。さらに、トランジスター３３のベース接点３６は抵抗Ｒ５を介して制御器２６に接続している。

制御器２６は、ベース接点３６に周期的に反復する切換えパルス、たとえば図５に示す周期的方形波パルス（ただし、これに限定されない）をもつ電気同期信号Ｓ４を供給するように構成されている。同期信号Ｓ５の電圧パルスをベース接点３６に付与すると、トランジスター３３を周期的にオンまたはオフに切り換えることができる。より詳細に述べると、オン状態では、コレクター接点３４とエミッター接点３５の間の電気路が導電性になり、これにより電流は矢印により示すように演算増幅器２２の非反転入力端子２３から接地基盤へ流れることができる。そうでなくオフ状態では、コレクター接点３４とエミッター接点３５の間の電気路が高抵抗性になり、これにより演算増幅器２２の非反転入力端子２３は接地基盤から切り離される。

したがって、トランジスター３３の切換えにより、第１電気信号Ｓ１が同期信号Ｓ５によって周期的に調節されるように第１電気信号Ｓ１を選択的にブロックすることができる。

図６に示すように、同期信号Ｓ５をトランジスター３３に付与することにより第１電気信号Ｓ１を調節して、それぞれの探針２の起動を同期化し、たとえば、第１電気信号Ｓ１を荷電することにより個々の探針２を選択的に起動させ、その探針２の電気容量Ｃを測定するために第２電気信号Ｓ２を検出することができる。１態様において、図示するように、同期信号Ｓ５の具体的な構成に従って、起動のために１サイクルで８つの探針２に逐次（交互に）第１電気信号Ｓ１を荷電し、各サイクルを周期的に反復する。したがって、各サイクルは１回のスロットでそれぞれの探針２が起動する８回のスロットを含む。したがって、同時に他の流体表面を測定することによる寄生的影響を避けて、流体の流体表面を探知できる。

次いで図７および８Ａ〜８Ｃを参照して流体表面の探知についてさらに記載する。図７に示すように、２つの流体容器３に収容された流体の流体表面を探知するためのシステム１の代表的な設定は、２つの探針２、２’を含む。

特に、図７の２つの探針２の電気容量Ｃ−対−時間の図を表わす図８Ａを参照すると、第１の実験では、容器が電気容量測定に及ぼす影響を避けるためにこれらの流体容器３は空間的に分離されており、その際、探針２、２’を個々に流体４の内外へ移動させ、かつ電気信号Ｓ１を付与することにより個々に起動させる。起動していない探針２’に遮蔽信号Ｓ３は付与されていない。

具体的には、曲線Ｉは、高い方の流体表面を探知するために、左の探針２を流体４と物理的に接触させた際またはそれから引き離した際（右の探針２’を静止させたまま）の電気容量変化を記載し、曲線ＩＩは、低い方の流体表面を探知するために、右の探針２’を流体４と物理的に接触させた際またはそれから引き離した際（左の探針２を静止させたまま）の電気容量変化を記載する。図示するように、左の探針２を下降させると、それが液体表面１０に当たった際に左の探針２の電気容量Ｃの急激な増大がＡにおいてみられる。流体４の上方の空気で満たされた自由空間と導電性流体４の間には普通は導電性に大きな差があるため、電気容量Ｃの有意の増大が流体表面として同定される。あるいは、左の探針２を持ち上げると、それが流体４を離れる際に左の探針２の電気容量Ｃの急激な低下がＢにおいてみられる。この図では、左の探針２の上下移動を１回反復している。さらに、右の探針２’を上下移動させると、それを流体４と物理的に接触させた際またはそれから引き離した際に右の探針２の電気容量Ｃの対応する有意の変化（Ａにおける急激な増大とＢにおける急激な低下）がみられる。流体表面がより低いため、右の探針２’のピークは左の探針２のものより若干小さい。両方の曲線において、流体容器３に進入／離脱する際の探針２、２’の電気容量Ｃのわずかな増減を観察することができる。生物流体以外の多くの流体、または生物流体、たとえば体液が、探針２、２’の有意の電気容量変化を検出できる十分な導電性を示す。したがって、図示するように、探針２、２’の有意の電気容量変化によって流体表面を容易に探知できる。さらに、流体レベルを求めるために、液体表面１０の垂直位置を、前決定した基準レベル、たとえば流体容器３を乗せる作業プレートの上面と関係づけることができる。しかし、実際の状況、たとえば臨床分析装置（ただし、これに限定されない）では、起動した探針２の電気容量Ｃに対する外部の寄生的影響、たとえば他の探針による影響を避けることが通常はできない。

特に、図７の２つの探針２の電気容量Ｃ−対−時間の図を表わす図８Ｂを参照すると、流体容器３が互いに接近している第２の実験で、探針２を逐次（交互に）流体４と物理的に接触させまたはそれから引き離した。この実験では、電気信号Ｓ１は左の探針２のみに付与された。電気信号Ｓ１を付与するのと同時に、電気遮蔽信号Ｓ３を右の探針２’に付与した。左右の探針２、２’の電気容量Ｃを検出する。

具体的には、曲線Ｉは、高い方の流体表面を探知するために、左の探針２を流体４と物理的に接触させた際またはそれから引き離した際の電気容量変化を記載し、曲線ＩＩは、右の探針２’を流体４と物理的に接触させた際またはそれから引き離した際の電気容量変化を記載する。したがって、図示するように、左の探針２を下降させると、左の探針２が液体表面１０に当たった際に左の探針２の電気容量Ｃの急激な増大がＡにおいてみられる。左の探針２が液体表面１０に当たった瞬間に、右の探針２’の電気容量がわずかに低下する。左の探針２を流体４中に保持したまま右の探針２’を下降させると、右の探針２’が液体表面１０に当たった瞬間に左の探針２の電気容量Ｃがわずかに低下する。両方の探針の移動を逆にすると、左の探針２を流体４から物理的に引き離した場合、左の探針２が流体４を離れた際に左の探針２の電気容量Ｃの急激な低下がＢにおいてみられる。この瞬間、右の探針２’の電気容量Ｃが増大する。さらに、右の探針２が流体４を離れた際に、右の探針２’の電気容量Ｃの急激な低下がＢにおいてみられる。

したがって、起動した左の探針２による高い方の流体表面の探知は、左の探針２の電気容量Ｃの有意の変化（Ａにおける増大またはＢにおける低下）によって確実に検出できる。電気遮蔽信号Ｓ３を付与することにより、起動していない右の探針２’が与えるような環境からの妨害は起動した左の探針２のＡにおける電気容量Ｃを低下させ、あるいは起動した左の探針２のＢにおける電気容量Ｃを増大させる。したがって、環境により起きる起動した左の探針２の電気容量変化は、流体表面１０に当たることまたはそこから離れることにより起きる左の探針２の電気容量変化と異なるサインをもつので、高い方の流体表面を容易に探知でき、これにより探知の信頼性が改善される。

次いで、特に図７の２つの探針２、２’の電気容量−対−時間の図を表わす図８Ｃを参照すると、第２の実験の変法である第３の実験で、起動していない右の探針２’は、電気遮蔽信号Ｓ３を付与する代わりに接地された。

具体的には、左の探針２が液体表面１０に当たった際に左の探針２の電気容量Ｃの急激な増大がＡにおいてみられる。左の探針２を流体４中に保持したまま右の探針２’を下降させると、右の探針２’が液体表面１０に当たった瞬間にＡにおいて左の探針２の電気容量Ｃがさらに増大する。両方の探針の移動を逆にすると、左の探針２を流体４との物理的接触から引き離した場合、それが流体４を離れる際に左の探針２の電気容量Ｃの急激な低下がＢにおいてみられる。この瞬間、右の探針２’の電気容量Ｃも低下する。さらに、右の探針２’が流体４を離れた際に、右の探針２の電気容量Ｃの急激な低下がＢにおいてみられる。この瞬間、左の探針２の電気容量Ｃのわずかな低下もみられる。

したがって、起動した左の探針２による高い方の流体表面の探知は、左の探針２の電気容量Ｃの有意の増大により検出できるが、右の探針２’がＡで液体表面１０に当たった際に左の探針２の電気容量Ｃがさらに増大する。液体表面１０に当たることにより起きた左の探針２の電気容量Ｃの急激な増大と、右の探針２’が液体表面１０に当たることにより起きた左の探針２の電気容量Ｃの増大（両方の信号変化ともプラス）とを区別するのは困難なので、高い方の流体表面を確実に探知することはできない。

以上に代表的な態様を提示したが、それらの態様は例示にすぎず、範囲、適用性または構成を限定するものでは決してないことを理解すべきである。以上の記載からみて、明らかに本発明の多数の改変および変更が可能である。したがって、具体的に示したものとは異なる状態で特許請求の範囲内において本発明を実施できることを理解すべきである。

１ システム
２、２’ 探針
３ 流体容器
４ 流体
５ 流路
６ 探針先端
７ ポンプ導管
８ 作業プレート
９ 移動機構
１０ 流体表面
１１ システム流体
１２ ポンプ
１３ トランスファーヘッド
１４ トランスファーブロック
１５ ブロック開口
１６ 探針ホルダー
１７ 側面
１８ 回路部品
１９ 発振器
２０ シュミットトリガー回路
２１ ＲＣ回路の電気抵抗Ｒ１
２２、２２’ 演算増幅器
２３、２３’ 入力端子
２４、２４’ 出力端子
２５、２５’ カップリング電極
２６ 制御器
２７ 遮蔽信号回路
２８ 同軸ライン
２９ 導電体
３０ 絶縁層
３１ 導電シールド
３２ 遮蔽信号電極
３３、３３’ トランジスター
３４ コレクター接点
３５ エミッター接点
３６ ベース接点
３７ 結合点
３８ 信号検出回路
３９ 信号発生回路

Claims (15)

1. 流体表面（１０）を探知するための、下記の工程を含む方法：
   その周囲環境に対して電気容量（Ｃ）を有する少なくとも１つの探針（２）を用意し；
   探針（２）を流体（４）の内外へ移動させ；
   探針（２）を起動させるために探針（２）に周期的な第１電気信号（Ｓ１）を付与することにより探針（２）に荷電し；
   探針（２）に第１電気信号（Ｓ１）を付与するのと同時に、探針（２）とは異なる１以上の導電性領域に周期的な第３電気信号（Ｓ３）を付与し、その際、第３電気信号（Ｓ３）は第１電気信号（Ｓ１）に基づき；
   放電電流が得られるように、探針（２）を少なくとも部分的に放電させ；
   この放電電流に基づく第２電気信号（Ｓ２）を検出し；
   第２電気信号（Ｓ２）または第２電気信号（Ｓ２）から誘導される信号を探針（２）の電気容量（Ｃ）に関して分析し；
   探針（２）の電気容量（Ｃ）の変化に基づいて流体（４）の流体表面（１０）を同定する。
2. 第３電気信号（Ｓ３）を、起動した探針（２）に近接して配置された１以上の探針（２）に付与する、請求項１に記載の方法。
3. 第３電気信号（Ｓ３）を、起動した探針（２）および／または起動した探針（２）に近接して配置された１以上の探針（２）を移動させるための移動システム（９）の１以上の構成部分に付与する、請求項１または２に記載の方法。
4. 第３電気信号（Ｓ３）を、起動した探針（２）および／または起動した探針（２）に近接して配置された１以上の探針（２）のシステム流体（１１）に付与し、システム流体（１１）は複数の探針（２）をピペットとして操作するために用いられる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 第３電気信号（Ｓ３）を、起動した探針（２）および／または起動した探針（２）に近接して配置された１以上の探針（２）の同軸ライン（２８）に付与する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. 第１電気信号（Ｓ１）が周期的に探針（２）に付与されるように、第１電気信号（Ｓ１）を第４電気信号により調節する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 第１電気信号（Ｓ１）を複数の探針（２）のそれぞれ１つに逐次付与する、請求項６に記載の方法。
8. 第３電気信号（Ｓ３）が第１電気信号（Ｓ１）から誘導される、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
9. 第１電気信号（Ｓ１）が第２電気信号（Ｓ２）から誘導される、請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
10. 第１電気信号（Ｓ１）が１ｋＨｚから１ＭＨｚまでの範囲の周波数を有する、請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
11. 流体容器（３）に収容された流体（４）の流体表面（１０）を探知するための、下記のものを含む自動システム（１）：
    その周囲環境に対して電気容量（Ｃ）を有する少なくとも１つの探針（２，２’）；
    探針（２，２’）を流体（４）に対して移動させるように適合させた移動機構（９）；
    下記のものを含む電気回路部品（１８）：
    探針（２）に接続した信号発生回路（３９）であって、第１電気信号（Ｓ１）を発生させて探針（２）に荷電するために探針（２）に付与し、それにより起動した探針（２）が得られるように構成されたもの；
    起動した探針（２）を放電させて放電電流を発生させるための電気ドレイン（１９）；
    探針（２）を信号発生回路（３９）またはドレインに交互に接続するように適合させた、制御可能なスイッチ（３３’）；
    探針（２）に接続した信号検出回路（３８）であって、探針（２）の放電電流に基づく第２電気信号（Ｓ２）を検出するように構成されたもの；
    第１電気信号（Ｓ１）に基づく第３電気信号（Ｓ３）を探針（２）と異なる１以上の導電性領域（２’，１１，１６，１７，２８）に付与するように適合させた、遮蔽信号回路（２７）；
    流体表面（１０）の探知を制御するように設定された制御器（２６）。
12. 制御器（２６）が、
    −探針（２）を流体（４）内へ移動させる；
    −探針（２）に反復荷電しかつ少なくとも部分的に放電するように、スイッチ（３３’）を制御する；
    −第２電気信号（Ｓ２）を検出するように電気回路部品（１８）を制御する；
    −第２電気信号（Ｓ２）または第２電気信号（Ｓ２）から誘導される信号を、起動した探針（２）の電気容量（Ｃ）に関して分析する；
    −探針（２）の電気容量（Ｃ）の変化に基づいて流体（４）の流体表面（１０）を同定する；その際、第１電気信号（Ｓ１）を探針（２）に付与すると同時に、第３電気信号（Ｓ３）を探針（２）と異なる１以上の導電性領域（２’，１１，１６，１７，２８）に付与する
    ように設定された、請求項１１に記載のシステム。
13. 遮蔽信号回路（２７）が下記の導電性領域のうち１以上：
    −起動した探針（２）に近接して配置された１以上の探針（２’）；
    −起動した探針（２）を移動させるための移動システム（９）の１以上の構成部分、および／または起動した探針（２）に近接して配置された１以上の探針（２’）を移動させるための移動システム（９）の１以上の構成部分；
    −起動した探針（２）のシステム流体（１１）、および／または起動した探針（２）に近接して配置された１以上の探針（２’）のシステム流体（１１）；
    −起動した探針（２）の同軸ライン（２８）、および／または起動した探針（２）に近接して配置された１以上の探針（２’）の同軸ライン（２８）
    に電気的に接続している、請求項１１または１２に記載のシステム。
14. 信号発生回路（３９）が抵抗−電気容量回路に接続したシュミットトリガー回路（２０）を含み、その電気容量は起動した探針（２）により供給される、請求項１１〜１３のいずれか１項に記載のシステム。
15. 探針（２）が、流体をピペッティングするためのピペッティング操作を行なうように構成されている、請求項１１〜１４のいずれか１項に記載のシステム。