JPH07112144A - 遠心分離機制御装置及び制御方法並びに遠心分離シミュレーション方法及び遠心分離機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 遠心条件の変更があっても、試料の分離に望
ましいタイミングで遠心分離機の運転を停止することが
できる遠心分離機制御装置及び方法を提供し、試料の分
離の実測データに基づき精度の高い遠心分離シミュレー
ション方法を提供し、遠心分離の途中過程を表示するこ
とのできる遠心分離機を提供する。 【構成】 遠心分離条件としてのパラメータの変更前と
後についてシミュレーションを実行しＳ１〜Ｓ４、各々
の結果を比較してＳ１０遠心分離機の運転を制御するＳ
１１。試料の実測データを得るためには分析用アタッチ
メント１５を用い、シミュレーションの結果と比較し、
パラメータの補正を行う。遠心分離の途中過程の表示の
ために、遠心分離運転中に現在のパラメータを用いてシ
ミュレーションを実行し、その結果を表示装置２上にグ
ラフィック表示する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は遠心分離機及びその制御
方法に関し、特に遠心分離運転シミュレーションを行う
ものに関する。

【０００２】

【従来の技術】遠心分離において試料を分離する際の遠
心分離条件の決定は、同等の試料を分離している文献に
記載の条件をそのまま用いるか、試行錯誤によって最適
な条件を見つけだす方法が一般的である。

【０００３】遠心分離法には大きく分けて「分画遠心
法」「密度勾配沈降速度法」「密度勾配沈降平衡法」が
ある。この内、「分画遠心法」は試料を沈殿物として回
収する方法であり、「密度勾配沈降平衡法」は密度勾配
中の試料粒子と同じ密度を持った部分に試料を濃縮する
方法である。これらの手法を用いて遠心分離を行った場
合には、過剰な遠心時間によって分離結果が悪くなるこ
とはない。これに対して「密度勾配沈降速度法」は密度
勾配液上に重層した雑多な試料粒子の混合物をそれぞれ
の沈降速度の違いによって分離する方法であり、遠心時
間が過剰の場合にはすべての試料が沈殿してしまい分離
ができなくなるため、遠心時間の決定には細心の注意を
要する。

【０００４】文献と同一の装置を持っていない場合や、
未知の新しい試料を分離する場合には、予備実験として
何度か目的とする物質の分離を種々の条件で試みること
により、試行錯誤によって最適な条件を見つけださざる
を得なかった。またそのような試行錯誤の結果、遠心分
離条件を決定しても、従来使用していた装置が使用でき
なくなった場合や、さらに能率の高い装置に変更した場
合等の際には分離条件の変更を余儀なくされ、再び試行
錯誤によって新しい条件を見つけださざるを得なかっ
た。このような試行錯誤的な予備実験には非常に多くの
時間を要したばかりでなく、高価な試薬を度々使用しな
くてはならないための金銭的な負担や、貴重な生物試料
の浪費を伴う場合が多かった。

【０００５】近年では、このような試行錯誤的な予備実
験を行わないでも遠心分離条件を決定することができる
ように、遠心条件と分離する試料及び試料の懸濁されて
いる溶液の性状から試料の分離状態を推定しグラフィッ
クによって表示するような、遠心分離シミュレーション
についての試みがなされてきている。例えば、アイルラ
ンド（Ｒ． Ｉｒｅｌａｎｄ）とロング（Ｓ．Ｐ． Ｌ
ｏｎｇ）が編集した「マイクロコンピューターズ・イン
・バイオロジ（Ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒｓｉｎ ｂ
ｉｏｌｏｇｙ）」や、リックウッド（Ｄ． Ｒｉｃｋｗ
ｏｏｄ）の編集した「プレパラティブ・セントリフュー
ゲーション（ＰｒｅｐａｒａｔｉｖｅＣｅｎｔｒｉｆｕ
ｇａｔｉｏｎ）」（以上ＩＲＬ Ｐｒｅｅ社出版）等に
は、密度勾配沈降速度法といわれる分離方法のシミュレ
ーションのプログラムが紹介されている。また、沈降平
衡法といわれる分離方法のシミュレーション方法につい
ては、本出願人により特許出願され、既に公開されてい
る（特開平６−７９１９８号公報）。これらのシミュレ
ーション機能の登場によって、従来のような試行錯誤的
な予備実験の頻度の大幅な減少が期待される。これらの
シミュレーション機能は、分離する試料及び溶液の種々
の性状を計算パラメータとして使用するものである。

【０００６】従来、遠心条件を変更する場合には、積算
の遠心力を示す物理的なファクタであるω×ω×ｔ（ω
は角加速度、ｔは時間を示す）が変更前の条件と同じに
なるように条件を変更する方法があった。しかしこの方
法では、回転半径や沈降距離を考慮せず、回転体である
ロータの回転数と運転時間のみが影響するため、回転半
径や沈降距離の異なるロータを使用した場合以外は、分
離結果に大きな差を生じた。また、遠心力と時間の積が
変更前の条件と同じになるように条件を変更する方法も
広く用いられていたが、この方法の場合には、試料の沈
降距離を考慮していないため、前の方法と同様に、ロー
タを変更した場合には分離結果に差を生じた。別の方法
としては、回転体であるロータの能力を示すファクタで
あるＫファクタを用いる方法がある。このＫファクタは
遠心分離の分野で広く一般に用いられており、前出の
「プレパラティブ・セントリフューゲーション」等多く
の文献にその詳細が記載されている。Ｋファクタは数１
によって求められる値で、ロータ中の試料懸濁液の最大
回転半径、最小回転半径及びロータの回転数から計算さ
れるため、前記２つの方法のように、ロータのサイズに
よる誤差は生じない。

【０００７】

【数１】

【０００８】また、遠心分離シミュレーションの結果を
一目で使用者に知らしめるためにグラフィック表示を行
う表示装置があり、運転条件等のパラメータとともにシ
ミュレーションの結果を表示して利便を図っている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】前述のＫファクタの実
用的な意味は、試料粒子がその懸濁液の液面から、遠心
管の底まで沈降する時間を計算した値になっている。そ
のため、試料を遠心管底に沈殿させる遠心分離法である
分画遠心法では正確な値が計算できるが、遠心管の中間
に分離層を形成させる遠心分離法の一手法である密度勾
配沈降速度法に用いた場合には誤差が大きくなるという
欠点があった。

【００１０】また、従来の遠心分離機では、前出のω×
ω×ｔを設定することによって、設定したω×ω×ｔの
値に到達したら運転を停止するものはあったが、それ以
外に、遠心条件の変更に有用な運転制御機構はなかっ
た。

【００１１】したがって本発明は密度勾配遠心法の一手
法である密度勾配沈降速度法を用いる場合に、ロータや
ロータの回転数等の遠心条件を変更したとき、変更前と
同等の分離結果が得られる遠心条件を計算し、その条件
に到達したところで運転を停止することができる遠心分
離機制御装置を提供することを第１の目的とする。

【００１２】また、溶液の物理的性状については、溶液
が決定されればほぼ一義的に決まるが、試料の性状は、
その懸濁されている溶液や試料自身の濃度等、おかれて
いる環境によって変化し、その個々の場合の全ての計算
パラメータをあらかじめ用意することは不可能である。
その結果、正確なパラメータを用いてシミュレーション
を行えるのは幾つかの代表的な場合に限られ、それ以外
では計算パラメータとして比較的近いと予想される代表
値を採用せざるを得ないため、近似的なシミュレーショ
ンしか行えなかった。いわんや、その性状が不明である
未知の試料の分離シミュレーションにおいては、選択し
た代表値が適切なものであるかどうかさえ不明な場合が
多く、さらに精度の低いシミュレーションしか行えなか
った。

【００１３】したがって本発明は試料の実測データを用
いて実際の分離を行うのと同じ溶液と試料の組み合わせ
における遠心分離シミュレーションを精度良く行える遠
心分離シミュレーション方法を提供することを第２の目
的とする。

【００１４】従来の遠心分離機においては、遠心分離条
件を設定して所定の時間の運転を行うが、その途中の状
態を知ることはできず、運転条件で設定した一定の時間
が経過した後でなければ遠心分離状態を知ることはでき
なかった。また、分析用の超遠心分離機のように途中状
態をモニタできる遠心分離機もあったが、それらの装置
はサンプルの分取には不敵で、これらの目的に合致する
ものではなかった。

【００１５】また、遠心分離に関するシミュレーション
プログラムも開発されているが、それと実際の遠心分離
機との連携は必ずしも十分とれておらず、現在の状態を
的確に知ることはできなかった。最初に設定した条件の
ままで最後まで遠心分離運転を行う場合には、事前にシ
ミュレーションプログラムを実行しておき、その結果か
ら途中の状態を推定することはできるが、途中で運転条
件を変えるような場合には、それに対応した分離状態は
知ることができないという欠点があった。

【００１６】したがって本発明は遠心分離の途中過程を
表示装置に表示することのできる遠心分離機を提供する
ことを第３の目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記第１の目的を達成す
るために本発明では、シミュレーションにより目的とす
る試料の分離層の位置を得るに際し、当該試料の遠心分
離方法をして確立している遠心分離条件をパラメータと
してシミュレーションを実行するとともに、実際に遠心
分離機を用いて当該試料を遠心分離するときに用いる遠
心分離条件をパラメータとしてシミュレーションを実行
し、各々のシミュレーションの結果を比較して、遠心分
離機の運転を制御するようにしたものである。

【００１８】すなわち本発明によれば、所定の試料を遠
心分離機により遠心分離するにあたり、当該試料の遠心
分離方法として既に確立している遠心分離条件を第１パ
ラメータとして入力する手段と、前記遠心分離機により
実際に当該試料の遠心分離を行うときに用いる遠心分離
条件を第２パラメータとして入力する手段と、前記第１
パラメータ及び第２パラメータを用いて遠心分離状況の
シミュレーションを各々実行する手段と、前記第１パラ
メータ及び第２パラメータを用いた前記シミュレーショ
ンの結果同志を比較し、両者が同等となったことを判断
するか、又は両者が同等となるであろう運転時間を演算
する手段と、前記判断するか、又は演算する手段に応じ
て前記遠心分離機の運転を制御するための信号を作る手
段とを、有する遠心分離機制御装置が提供される。

【００１９】さらに本発明によれば、所定の試料を遠心
分離機により遠心分離するにあたり、遠心分離開始前
に、又は遠心分離中に当該試料の遠心分離方法として既
に確立している遠心分離条件を第１パラメータとして入
力するステップと、前記第１パラメータを用いて遠心分
離状況のシミュレーションを実行するステップと、前記
遠心分離機により実際に当該試料の遠心分離を行うとき
に用いる遠心分離条件を第２パラメータとして入力する
ステップと、前記第２パラメータを用いて遠心分離状況
のシミュレーションを実行するステップと、前記第１パ
ラメータ及び第２パラメータを用いた前記シミュレーシ
ョンの結果同志を比較し、両者が同等となったことを判
断するか、又は両者が同等となるであろう運転時間を演
算するステップと、前記判断するか、又は演算するステ
ップに応じて前記遠心分離機の運転を制御するための信
号を作るステップとを、有する遠心分離機制御方法が提
供される。

【００２０】次に、上記第２の目的を達成するため本発
明では、分析用アタッチメントの装着可能な遠心分離機
に分析用アタッチメント及び分析用ロータを装着し、分
析用ロータに試料を配置して、遠心分離機を運転し、遠
心分離のシミュレーションを行うとともに、分析用アタ
ッチメントを使用して試料を光学的に分析し、その結果
得られたデータを用いてシミュレーションに用いるパラ
メータを補正するようにしている。

【００２１】すなわち本発明によれば、分析用アタッチ
メントの装着可能な遠心分離機に分析用アタッチメント
及び分析用ロータを装着するとともに、前記分析用ロー
タに試料を配置するステップと、前記遠心分離機の運転
を開始するステップと、所定の遠心分離条件及び他の情
報に基づいて、遠心分離のシミュレーションを行うステ
ップと、前記分析用アタッチメントを使用して前記試料
を光学的に分析するステップと、前記分析の結果得られ
たデータを用いて前記シミュレーションに用いるパラメ
ータを補正するステップとを、有する遠心分離シミュレ
ーション方法が提供される。

【００２２】さらに、上記第３の目的を達成するために
本発明では、遠心分離シミュレーション機能を有し、シ
ミュレーションの結果を表示する表示装置を備えた遠心
分離機において、遠心分離機の遠心分離運転中に遠心分
離運転パラメータをシミュレーションのパラメータの一
部として取り込むようにしている。

【００２３】すなわち本発明によれば、遠心分離シミュ
レーション機能を有し、前記遠心分離シミュレーション
の結果を表示する表示装置を備えた遠心分離機におい
て、前記遠心分離機の遠心分離運転中に、遠心分離運転
パラメータを前記遠心分離シミュレーションのパラメー
タの一部として取り込む手段を、備えたことを特徴とす
る遠心分離機が提供される。

【００２４】

【作用】本発明は上記構成なので、請求項１に係る遠心
分離機制御装置及び請求項４に係る遠心分離機制御方法
によれば、何らかの事情で遠心分離条件を変更する場合
においても、使用者は条件を変更する前と同等の分離結
果を得ることができ、予備検討等に要する大きな費用と
コストを節約することができる。

【００２５】また、請求項５に係る遠心分離シミュレー
ション方法によれば、分析用アタッチメントにて得られ
た情報が加味されるので、実際の分離操作に非常に近い
条件下での遠心分離シミュレーションを行うことができ
るため、使用者は実験条件を決定するための試行錯誤的
な予備実験を行わずに種々の実験条件を検討することが
できる。

【００２６】さらに、請求項７に係る遠心分離機によれ
ば、遠心分離操作中でも、遠心分離の現在のおおよその
様子をグラフィック表示や数値表示を介して把握するこ
とができるので、例えば、遠心分離シミュレーション結
果で、ある程度の遠心分離状態が得られたことを知っ
て、それ以降の分離運転の条件をその時点で考えられ
る、より好ましい条件に変更すること等ができる。

【００２７】

【実施例】以下図面とともに本発明の好ましい実施例に
ついて説明する。本発明は、遠心分離機制御装置及び方
法、遠心分離シミュレーション方法及び遠心分離機を内
容とするので、実施例もこの順番で説明する。 ［１］ 遠心分離機制御装置及び方法の実施例 図１は本発明の遠心分離機制御装置及び方法の好ましい
実施例を説明するための遠心分離機の斜視図である。図
１は遠心分離機の本体１は運転パラメータを表示するた
めの表示装置２と、遠心分離パラメータ等を入力するた
めの操作パネル３を有している。分離すべき試料は一般
に、遠心管と呼ばれる試験管中に入れられた後、遠心分
離機１内に設置されたロータ４内に配置され、ロータ４
を図示しないモータにより回転させることにより遠心分
離が行われる。一般に、表示装置２にはユーザが設定し
た遠心分離パラメータ、及び／又は現在の運転状態パラ
メータが表示される。これらのパラメータには、回転数
５、温度６、運転時間７等があり、表示装置２の一部に
それぞれ表示される。また、本発明の性質上、遠心分離
パラメータには、分離に使用するロータ４の種類とその
寸法が含まれる。

【００２８】本発明では、あらかじめ確立された遠心分
離法の遠心分離パラメータを、変更前の遠心分離パラメ
ータとし、操作パネル３を用いて入力し、遠心分離機本
体１に内蔵されているシミュレーション機能を用いてシ
ミュレーションを実行する。変更前のシミュレーション
の結果の例を図２に示す。このシミュレーションの結
果、溶液で満たされた遠心管８中に形成される、目的と
する試料の分離層９の位置が得られる。このとき、液上
端面（図中左側）から遠心管底（図中右側）までの距離
すなわち全沈降距離Ａ及び、液上端面から試料の分離層
９までの距離すなわち試料の沈降距離Ｂを求めておく。

【００２９】次に、変更後の遠心分離パラメータを、操
作パネル２を用いて入力し、遠心分離機１の運転を開始
する。この運転中に適当な一定の時間間隔で、現在の運
転パラメータを用いて、前記シミュレーションプログラ
ムを実行する。一実施例としては、運転時間が数時間か
ら十数時間に及ぶ場合には、１０分間隔のシミュレーシ
ョンで十分実用的な結果が得られた。このときのシミュ
レーションの例を図３に示す。このとき、全沈降距離Ｃ
は、運転中を通して一定であるが、試料の分離層９が運
転時間の経過に従い一定方向に移動するため、試料の沈
降距離Ｄは、運転時間の経過に従い、増加あるいは減少
する。各々のシミュレーション毎に、全沈降距離Ｄと試
料の沈降距離Ｃを求める。

【００３０】変更後のシミュレーションを行う毎に、
Ａ、Ｂ、及びＣ、Ｄより、現在の分離状況が、変更前の
分離結果と同等であるかどうかを判定する。同等の分離
が得られているかどうかの判断の方法としては、例えば
以下のからの方法が考えられる。

【００３１】試料の沈降距離が同じになった時点、す
なわち、Ｂ＝Ｄが成立した時点で同等の分離が得られた
と判断する。

【００３２】遠心管底から試料分離層９までの距離が
同じになった時点、すなわち、Ａ−Ｂ＝Ｃ−Ｄが成立し
た時点で同等の分離が得られたと判断する。

【００３３】遠心管の液の満たされている部分の長さ
に対する、分離層の位置の比率が同じになった時点、す
なわち、Ｂ／Ａ＝Ｃ／Ｄが成立した時点で同等の分離が
得られたと判断する。

【００３４】上記のからの方法は、ロータのサイズ
の違いや、分離される試料の性質によって適当なものが
選択できるようにする。例えば、変更前の遠心条件に用
いたロータと沈降距離が比較的近いロータを用いた場合
にはやの方法、沈降距離が大きく異なるロータを用
いた場合にはの方法という具合に使い分ける。判定の
結果、現在変更前の分離結果と同等の分離が得られてい
る、又は次のシミュレーション実行の時間までに同等の
分離結果が得られると判断された場合には、遠心分離機
本体１の運転を停止する。

【００３５】その他の実施例としては、遠心分離機１に
運転時間を入力する前にあらかじめシミュレーション機
能を実行し、その際シミュレーション機能の実行に用い
る運転時間を順次変化させ、遠心条件変更前と同等の分
離結果が得られる運転時間を求めた後に遠心分離機１の
運転条件として得られた運転時間を採用する方法もあ
る。

【００３６】図４は上記先の例、すなわちシミュレーシ
ョンの結果同志が同等のときに運転を停止するための制
御の流れを示すフローチャートである。図４のフローに
おいて、ステップＳ１では変更前のパラメータ（回転数
・時間・試料の種類他）が読み込まれる。すなわち、こ
れらのパラメータは操作パネル３を介してあらかじめ入
力されているものとする。ステップＳ２では所定のシミ
ュレーションを実行し、その結果をデータとしてステッ
プＳ３にて取得し、メモリに格納しておく。ステップＳ
４では変更後のパラメータを読み込み、ステップＳ５で
遠心分離機の運転を開始する。ステップＳ６では外部パ
ラメータを取り込み、次のステップＳ７では一定時間の
経過を判断する。

【００３７】一定時間を経過するまではステップＳ６、
Ｓ７は繰り返し実行される。一定時間を経過すると、ス
テップＳ８で変更後のパラメータを用いてシミュレーシ
ョンを実行し、その結果をデータとしてステップＳ９で
メモリに格納する。ステップＳ１０ではステップＳ３、
Ｓ９で各々得られメモリに格納されたデータ同志を比較
し、両者が一致するか否かを判断する。このデータとし
ては試料の分離層の位置を表わすものを用いることがで
きる。一致していないときはステップＳ６〜Ｓ１０を繰
り返す。一致すると、ステップＳ１１へ進み遠心分離機
の運転を停止させるための制御信号を作成し、遠心分離
機を停止させる。

【００３８】次に図５は、上記他の例として示したも
の、すなわち、あらかじめ変更前と変更後のパラメータ
を用いて各々シミュレーションを実行しておき、シミュ
レーションの結果が同等となるであろう遠心分離機の運
転時間を算出しておくものである。

【００３９】ステップＳ１〜Ｓ４は図４と同様であるの
で説明を省略する。ステップＳ４に続くステップＳ８、
Ｓ９も図４と実質的に同一で、変更後のパラメータを用
いてシミュレーションを行うものであるが、この時点で
はまだ遠心分離機は運転が開始されていない点が図４の
場合と異なる。ステップＳ１２では変更前後のデータが
一致するか否かを判断し、一致しないときはステップＳ
１３で運転時間を更新しステップＳ８のシミュレーショ
ンを行う。一致すると、ステップＳ１４でそれまでに定
められた運転時間をメモリに取り込み、ステップＳ１５
で遠心分離機の運転を開始する。次のステップＳ１６は
遠心分離機の運転時間がステップＳ１４でメモリに格納
した設定運転時間に到達したか否かを判断し、到達する
と、ステップＳ１７で遠心分離機を停止させるための制
御信号が作られ、遠心分離機は停止する。

【００４０】図４及び図５に示したフローは、本発明の
遠心分離機制御装置を構成する主要部である図示省略の
ＣＰＵ、メモリ、インターフェイス等を有するマイクロ
コンピュータ（マイコン）により実行されるものであ
る。マイコンを利用した遠心分離機の一般的制御自体は
周知であるので、ここではハードウェアの説明は省略す
る。なお、シミュレーションを中心とする図４又は図５
のフローを実行する本発明の遠心分離機制御装置は遠心
分離機本体１内部に装備することも可能であるととも
に、シミュレーション及び制御を行う専用のパソコンを
外部に設け、遠心分離機本体１とケーブルで接続するこ
ともできる。

【００４１】 ［２］ 遠心分離シミュレーション方法の実施例 次に図６乃至図１０に基づいて本発明の遠心分離シミュ
レーション方法の好ましい実施例について説明する。図
６は図１と同様の斜視図であり、本発明の遠心分離シミ
ュレーション方法を実現する構成を示している。遠心分
離機本体１は図１同様の表示装置２と遠心分離パラメー
タ等を入力するための操作パネル３を有している。分離
すべき試料は一般に、遠心管１８と呼ばれる試験官中に
入れられた後、遠心分離機本体１のロータ室１９に設置
されたロータ４内に配置され、このロータを回転させる
ことにより分離される。一般に、表示装置２にはユーザ
が設定した遠心分離パラメータ、及び／又は現在の運転
状態パラメータが表示される。これらのパラメータに
は、回転数、温度、運転時間等があり、前記表示装置２
の一部にそれぞれ表示される。また、本発明の性質上、
この場合の遠心分離パラメータには、分離に使用するロ
ータ４の種類とその寸法が含まれる。

【００４２】遠心分離シミュレーション機能は、遠心分
離機本体１に装備されているか、又はシミュレーション
プログラムを実行できるパソコン等の、外部のシミュレ
ーション装置２０に装備されている。遠心分離シミュレ
ーション機能が実行されると、実行結果が表示装置２、
又は外部のシミュレーション装置２０の表示部等に表示
される。実行結果の表示例を、図７、図８に示す。本発
明の性質上、パソコン等の外部のシミュレーション装置
２０と、遠心分離機本体１は、通信ケーブル２１で接続
され、互いにデータを通信することが可能である。ただ
し、遠心分離機１の本体にシミュレーション機能があ
り、表示装置２を用いてシミュレーション結果を表示で
きる場合には、外部のシミュレーション装置２０及び通
信ケーブル２１は必要ない。

【００４３】遠心分離機本体１の上には、分析用アタッ
チメント１５を装着することができる。分析用アタッチ
メント１５を用いて、試料の分析を行う際には、遠心管
８の設置されるロータ４ではなく専用のセル１７の設置
できる分析用ロータ１６を用いる。試料の性状を分析す
る際には、セル１７内に溶液と試料を注入し、遠心機を
運転させることにより分析用ロータ１６を回転させ、そ
の時生じる遠心力によってセル１７の中を沈降していく
試料の状態を、分析用アタッチメント１５の内部又はロ
ータ室１９に設置された光源より発する光を用いて光学
的に測定し、遠心力場における溶液と微小粒子の物理的
関係より試料の種々の性状が計算される。この時の分析
に用いる方法には、沈降速度法と沈降平衡法がある。こ
こで、分析方法における沈降速度法・沈降平衡法と、シ
ミュレーションを行う遠心分離方法としての沈降速度法
・沈降平衡法を混乱しないために、以降では、分析方法
の場合を単に沈降速度法・沈降平衡法、シミュレーショ
ンの場合を沈降速度法シミュレーション・沈降平衡法シ
ミュレーションと称することにする。

【００４４】１つの例として、沈降速度法シミュレーシ
ョンの補正について以下に示す。沈降速度法シミュレー
ションを行うには、試料粒子の沈降係数（Ｓ値）、用い
る溶媒とその濃度勾配の範囲、ロータのサイズ、運転の
条件（回転数・時間・温度）が必要である。このうち、
溶媒の濃度勾配の範囲やロータのサイズ、運転の条件に
ついては、試料や溶媒によって変化する性質のものでは
ないので、補正の必要は無い。これに対してＳ値は、試
料粒子の特性だけではなく、使用する溶媒やその温度、
試料粒子の濃度によっても左右されるものであり、沈降
速度法シミュレーションを精度良く行うためには、条件
に応じて補正を行ったほうが望ましい。沈降速度法によ
る試料の分析では、試料粒子が遠心力によって溶液中を
沈降する速度、すなわち沈降速度を測定することができ
る。この沈降速度から、例えば、１９４０年にスベドベ
リ（Ｓｖｅｄｂｅｒｇ）とペダーソン（Ｐｅｄｅｒｓｏ
ｎ）によって発表された「超遠心」（Ｔｈｅ Ｕｌｔｒ
ａｃｅｎｔｒｉｆｕｇｅ）（Ｃｌａｒｅｎｄｏｎ Ｐｒ
ｅｓｓ社出版）に掲載され、良く知られている以下の式
により、沈降係数Ｓを計算することができる。

【００４５】

【数２】

【００４６】この沈降係数Ｓは、生物試料の沈降係数を
表現するためには、非常に小さな値になるため、一般的
にはこれを１０¹³倍した値を用いる。これを表わすのに
Ｓという単位を用い、この値を一般にＳ値と称する。式
１からも明らかな通り、Ｓ値は試料粒子の沈降速度に直
接関わってくる値であるため、Ｓ値が不正確の場合に
は、図７の試料のピークＰ１２の位置Ｅが実際とは異な
る位置に描画される。つまり、精度の良い沈降速度法シ
ミュレーションを行うためには、シミュレーションの計
算に用いるためのＳ値の決定が非常に重要である。この
とき、実際の分離条件で得られるＳ値を用いてシミュレ
ーションを行う必要がある。場合によっては、分離を行
う試料の性状が既に広く知られており、そのＳ値につい
ても文献等に記載されている場合がある。しかし、文献
等に記載してあるＳ値は、一般に試料粒子を懸濁する溶
媒に水を用いた場合の、温度２０℃における無限に希薄
な溶液の場合に標準化されているのが普通である。実際
の分離の場合の際には、上記条件で行われることは皆無
に近いため、正確な沈降速度法シミュレーションを行う
ためには、書物等に記載のＳ値をそのまま用いることは
できない。すなわち、分離する試料の性状が既知であろ
うと、未知であろうと、精度の良い沈降速度法シミュレ
ーションを行うためには、その試料のＳ値を分離を行う
のと同じ環境下で再決定する必要がある。Ｓ値は、既述
のように、その試料粒子が懸濁されている溶液の種類、
及びその濃度と温度、さらに試料粒子の濃度によって変
化する。このうち、溶液による変化は、実際にはその溶
液の濃度と温度によってその溶液の粘度と密度が変化す
ることによるものであり、リックウッド（Ｄ． Ｒｉｃ
ｋｗｏｏｄ）編集の「遠心分離 理論と実験」（広川書
店）等に記載されている、次に示す物理的な関係式によ
って計算が可能である。

【００４７】

【数３】

【００４８】しかし、試料粒子の濃度とＳ値との関係
は、試料粒子の種類によって異なり、明確な関係式もな
いため、実際の分離を行う濃度と同じ濃度を用いてＳ値
の測定を行うことは、沈降速度法シミュレーションを精
度良く行うために、非常に有効な手段である。手段とし
ては、実際に分離する際と同じ試料粒子の濃度で、分析
用アタッチメント１５を用いて沈降速度法により測定し
たＳ値を、遠心分離シミュレーション機能に記憶させ
る。そのためには遠心分離シミュレーション機能の内部
または外部にデータを保持し、必要に応じてこのデータ
を参照できる機能を持たせる必要がある。このデータ保
持機能のデータ保持容量を十分大きくすると、分析用ア
タッチメント１５を用いて分析中の試料粒子の沈降状態
のデータを保持しておくことが可能であり、必要な場合
には、測定した値を用いて、分析用ロータ１６のロータ
サイズと分析に用いた遠心条件を用いて沈降速度法シミ
ュレーションを行った場合と、実際の試料の沈降状態が
同じであるかどうかを比較し、同じになるように更にＳ
値を補正することができる。このようにして、補正した
Ｓ値を用いて沈降速度法シミュレーションを行うことに
より、シミュレーションの精度が向上するため、従来必
要であった試行錯誤的な予備実験を行うことなく種々の
分離条件における試料分離を検討することが可能とな
る。

【００４９】他の例として、沈降平衡法シミュレーショ
ンの補正について以下に示す。沈降平衡法シミュレーシ
ョンを行うには、試料粒子の分子量と浮遊密度、用いる
溶媒とその初期濃度、ロータのサイズ、運転の条件（回
転数・時間・温度）が必要である。このうち、用いる溶
媒とその初期濃度やロータのサイズ、運転の条件につい
ては、試料や溶媒によって変化する性質のものではない
ので、補正の必要は無い。これに対して試料粒子の分子
量は、分離する試料が新しい未知の試料の場合には新た
に決定する必要があり、浮遊密度は使用する溶媒によっ
て変化するため、沈降平衡法シミュレーションを精度良
く行うためには条件に応じて補正を行ったほうが望まし
い。沈降平衡法による試料の分析では、溶液の平衡状
態、すなわち溶質の沈降とそれに対する拡散との釣り合
った状態で、濃度勾配を生じさせ、その濃度勾配から分
子量を求めることができる。例えば、前出の「遠心分離
理論と実験」等に記載されている、次に示す物理的な
関係式によって計算が可能である。

【００５０】

【数４】

【００５１】また、塩化セシウムのような自己形成密度
勾配中での沈降平衡法による分析では、試料粒子とマー
カ粒子とともに分析し、マーカ粒子と試料粒子のピーク
の位置により、試料粒子の浮遊密度を計算することがで
きる。このとき、自己形成密度勾配液として、実際の分
離に用いる溶液を用いることにより、その溶液中での浮
遊密度を計算することができる。例えば、前出の「遠心
分離 理論と実験」では、以下の式により、試料粒子の
浮遊密度を計算している。

【００５２】

【数５】

【００５３】沈降平衡法による試料の分離は、その試料
の浮遊密度を利用して行われる。また、分子量は、沈降
平衡法シミュレーションにおける試料粒子のピーク形状
に影響を与える。これらの値が不正確な場合には、図８
の試料のピークＰ１３の位置Ｆが、実際の分離結果とは
異なる位置に描画され、また、試料のピークの高さＧと
幅Ｈが実際の分離結果とかけ離れたものになるため、遠
心時間決定の判断がつかなくなる。つまり、精度の良い
沈降平衡法シミュレーションを行うためには、沈降速度
法シミュレーションにおけるＳ値と同様、試料の分子量
と浮遊密度の決定が重要になってくる。すなわち、沈降
平衡法シミュレーションの精度を上げるためには、実際
の試料のおかれる環境下での分子量と浮遊密度によって
シミュレーションを行う必要がある。浮遊密度について
は、標準的な試料の代表的な溶液中での値は、多く知ら
れているが、例えば、同じＤＮＡでも、塩基組成や立体
構造が異なると、浮遊密度が変化するため、分離を行う
環境下での浮遊密度を決定する必要がある。また、分子
量については、環境によって変化することはないが、未
知の新しい試料を分離する場合には、全く解らないの
で、新たに決定する必要がある。手段としては、沈降速
度法シミュレーションの場合と同様、実際に分離する際
と同じ環境下で（分子量測定の場合にはその必要はな
い）、分析用アタッチメント１５を用いて沈降平衡法に
より測定した分子量と浮遊密度の値を遠心分離シミュレ
ーション機能に記憶させる。このとき、沈降速度法シミ
ュレーションの場合と同様、遠心分離シミュレーション
機能の内部または外部にデータを保持し、必要に応じて
このデータを参照できる機能を持たせる必要がある。ま
た、このデータ保持機能のデータ保持容量を十分大きく
すると、分析中の試料粒子の沈降状態のデータを保持し
ておくことが可能となり、測定した値を用いて、分析用
ロータ１６のロータサイズと分析に用いて沈降平衡法シ
ミュレーションを行った場合と、実際の試料の沈降状態
が同じであるかどうかを比較し、同じになるようにさら
に浮遊密度と分子量を補正することができる。

【００５４】このようにして、補正した分子量と浮遊密
度の値を用いて沈降平衡法シミュレーションを行うこと
により、シミュレーションの精度が向上するため、従来
必要であった試行錯誤的な予備実験を行うことなく種々
の分離条件における試料分離を検討することが可能とな
る。

【００５５】上記２つの例の手順を示したのが図９及び
図１０のフローチャートである。すなわち図９は沈降速
度法シミュレーションの場合、図１０は沈降平衡法シミ
ュレーションの場合を示している。図９において、ステ
ップＳ２１で分析用アタッチメント１５が遠心分離機の
本体１に取り付けられる。ステップＳ２２では分析用ロ
ータ１６が取り付けられ、その中に分析用ロータセル１
７に収められた試料が配置される。その後ステップＳ２
３で遠心分離機の運転が開始され、ステップＳ２４で分
析用アタッチメント１５を用いて沈降速度法による分析
が行われる。次のステップＳ２５で試料のＳ値が算出さ
れ、このＳ値がステップＳ２６でシミュレーション機能
に取込まれる。上記各ステップ中、ステップＳ２１〜Ｓ
２３は使用者が手作業で行うものである。またステップ
Ｓ２４は分析用アタッチメント１５を使用者が覗くこと
によってもできるが、周知の画像取り込み装置を内蔵し
たものを用いれば画像情報としてシミュレーション装置
２０内のコンピュータに取り込むことができ、そのデー
タを基に分析と次のステップＳ２５、Ｓ２６が連続して
行われる。

【００５６】次のステップＳ２７は使用者がＳ値の補正
を必要とする場合と、そうでない場合に、いずれかを選
択できるようにしたものであり、あらかじめ表示装置２
の画面上にてＳ値の補正を行うべきか否かを尋ね、使用
者に操作パネル３にて回答させるようにすることができ
る。ここでは、かかる使用者からの回答によりフラグを
設定し、このフラグを読むものとする。Ｓ値の補正が不
要な場合は直ちにプログラムは終了する。

【００５７】Ｓ値の補正を行う場合は、次のステップＳ
２８で分析用ロータ１６のサイズの取り込みが行われ、
ステップＳ２９で溶液の条件・遠心条件の取り込みが行
われる。これらのデータはいずれも、あらかじめ操作パ
ネルにより入力されたデータを読み込むことにより行わ
れる。ステップＳ３０では、これらのデータを用いて沈
降速度法シミュレーションを実行し、その結果を先のス
テップＳ２４で得た分析結果と比較し、同等か否かをス
テップＳ３１で判断する。両者の差が例えば数パーセン
ト以内であれば、同等と判断することができる。同等で
ないときは、ステップＳ３２でＳ値の補正を行い再びス
テップＳ２６へ戻る。

【００５８】図１０は沈降平衡法シミュレーションの場
合のものであり、ステップＳ２１〜Ｓ２３、Ｓ２８、Ｓ
２９は図９と同一である。ステップＳ３４では上記の場
合と同様に、分析用アタッチメント１５により光学的分
析結果を画像データとしてシミュレーション装置２０に
取り込むことにより沈降平衡法による分析が行われ、続
いてステップＳ３５では試料の分子量と沈降係数の算出
がシミュレーション装置２０にて行われる。ステップＳ
３６では、これらの算出データがシミュレーション機能
に取り込まれる。ステップＳ３７は図９のステップＳ２
７に対応するもので、Ｓ値の場合と同様に浮遊密度の補
正を必要とするか否かの使用者の判断により、あらかじ
め設定されたフラグを読み込む。

【００５９】ステップＳ３８では沈降平衡法シミュレー
ションを実行し、その結果と、先のステップＳ３４の分
析の結果とをステップＳ３９で比較し、両者が同等か否
かを判断する。同等でなければ、ステップＳ４０で浮遊
密度を補正してステップＳ３６へ戻る。

【００６０】［３］ 遠心分離機の実施例 次に本発明による遠心分離機の実施例について図１１及
び図１２を参照して説明する。これまでに説明した実施
例と同様に遠心分離機１は遠心分離状態や運転パラメー
タを表示するために表示装置２と操作パネル３を有して
いる。一般的には表示装置２はユーザが設定した遠心分
離パラメータと現在の運転状態パラメータが表示され
る。これらのパラメータには、遠心回転数５、温度６、
運転時間７等があり、表示装置２の一部にそれぞれ表示
される。上記のパラメータの他に、シミュレーション
や、計算結果を表示するための表示領域１０が設けられ
ている。この領域１０には本実施例の特徴である遠心分
離の途中過程が表示される。

【００６１】本実施例においても先の実施例同様シミュ
レーションや制御を行うためのマイコンが設けられてお
り、シミュレーションの結果得られた試料の分離層の位
置等が表示装置２の表示領域１０にグラフィック表示さ
れるようになっている。次に、マイコン内のＣＰＵの動
作を示すフローチャートを示す図１２に従って本実施例
の詳細な動作について説明する。

【００６２】図１２のフローは、遠心分離機の運転が開
始されると同時にスタートするものとする。ステップＳ
４１ではあらかじめ操作パネル３を介して入力された回
転数、運転時間、試料の種類等の運転パラメータを読み
込む。次のステップＳ４２にて、運転パラメータを用い
てシミュレーションを実行する。その結果得られたデー
タ、例えば分離層の位置データをステップＳ４３にて表
示装置２に表示する。ステップＳ４４は一定時間の経過
を判断するもので、一定時間経過前はステップＳ４５で
操作パネル３内の遠心制御のキー入力の有無を判断す
る。キー入力のあったときは、その内容に応じた遠心制
御をステップＳ４６にて行う。回転数や運転時間の変更
等がキー入力されたときは、その内容がメモリーに格納
されるとともに、対応する制御がなされる。一方、運転
の停止（ストップ）がキー入力されたときは、対応する
制御のみを行う。ステップＳ４６が終了すると、又はス
テップＳ４５にてキー入力のないと判断されたときは、
ステップＳ４４に戻る。

【００６３】ステップＳ４４にて一定時間の経過が認識
されると、ステップＳ４７にてシミュレーションが終了
したか否かを判断し、終了していないときはステップＳ
４８にて現在メモリに格納されている各運転パラメータ
を読み出し、ステップＳ４２へ戻り、このパラメータを
用いて再度シミュレーションを実行する。ステップＳ４
６にてシミュレーションが終了したものと判断される
と、処理が終了する。

【００６４】ステップＳ４８にて読み込む運転条件、分
離する試料、用いられる溶媒等の運転パラメータは、ス
テップＳ４１にて読み込んだ運転パラメータと同一のこ
ともあるし、異なることもある。パラメータに変更が生
じる原因としては、初期設定した回転数等のパラメータ
を運転途中で人為的に変更する場合があり、又あらかじ
めパラメータを運転途中で自動的に変更するようプログ
ラムされている場合がある。いずれの場合にも、対応す
るメモリには現在の運転パラメータが格納されるので、
これを読み出してシミュレーションを実行すればよい。

【００６５】シミュレーションを行うための演算中であ
っても、刻々と変る現在の運転パラメータをリアルタイ
ム的に表示し、運転途中で変更された運転条件等の運転
パラメータをシミュレーションに反映するためには、変
更後の運転パラメータを用いたシミュレーションを実行
し、その結果を表示する必要があるが、ステップＳ４８
を経由してステップＳ４２へ進むことで、かかる処理が
実現される。

【００６６】ステップＳ４４における一定の時間として
は、例えば全体の運転時間の１０分の１に相当する時間
としたり、１０分程度の固定時間とすることができる。
あるいは、全体の運転時間の１０分の１に相当する時間
が１０分より長ければ、その時間を一定の時間として用
い、一方短ければ、１０分間を一定の時間とすることも
できる。このような装置を用いて遠心分離を行う場合
は、一般に数時間の運転を行うのが通常であり、遠心分
離も非常に緩慢に行われるので、このような時間間隔の
シミュレーション結果で実用上十分な結果を得ることが
できる。

【００６７】

【発明の効果】以上説明したように本発明の遠心分離機
制御装置及び方法によれば、何らかの事情で遠心分離条
件を変更する場合においても、使用者は条件を変更する
前と同等の分離結果を得ることができ、予備検討等に要
する大きな費用とコストを節約することができる。

【００６８】さらに本発明の遠心分離シミュレーション
方法によれば、分析用アタッチメントにて得られた情報
が加味されるので、実際の分離操作に非常に近い条件下
での遠心分離シミュレーションを行うことができるた
め、使用者は実験条件を決定するための試行錯誤的な予
備実験を行わずに種々の実験条件を検討することができ
る。

【００６９】さらに本発明の遠心分離機によれば、遠心
分離操作中でも、遠心分離の現在のおおよその様子をグ
ラフィック表示や数値表示を介して把握することができ
るので、例えば、遠心分離シミュレーション結果で、あ
る程度の遠心分離状態が得られたことを知って、それ以
降の分離運転の条件をその時点で考えられる、より好ま
しい条件に変更すること等ができる。このように、必要
以上長い時間遠心分離機を運転したりするような無駄を
省き、有効に遠心分離を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の遠心分離機制御装置及び方法の好まし
い実施例を説明するための遠心分離機の斜視図である。

【図２】変更前のパラメータを用いたシミュレーション
の結果の一例を示す図である。

【図３】変更後のパラメータを用いたシミュレーション
の結果の一例を示す図である。

【図４】本発明における制御の手順の一例を示すフロー
チャートである。

【図５】本発明における制御の手順の他の一例を示すフ
ローチャートである。

【図６】本発明の遠心分離シミュレーション方法を実現
する分析用アタッチメントを装着した遠心分離機を示す
斜視図である。

【図７】本発明の遠心分離シミュレーション方法の一例
としての沈降速度法シミュレーションの結果を示す図で
ある。

【図８】本発明の遠心分離シミュレーション方法の一例
としての沈降平衡法シミュレーションの結果を示す図で
ある。

【図９】本発明の遠心分離シミュレーション方法の一例
を示すフローチャートである。

【図１０】本発明の遠心分離シミュレーション方法の他
の例を示すフローチャートである。

【図１１】本発明の遠心分離機の好ましい実施例を示す
斜視図である。

【図１２】本発明の遠心分離機の制御部のＣＰＵの動作
を説明するフローチャートである。

【符号の説明】

１ 遠心分離機（本体） ２ 表示装置 ３ 操作パネル ４ ロータ ５ 表示される回転数 ６ 表示される温度 ７ 表示される運転時間 ８ 遠心管 ９ 分離層 １０ 表示領域 １５ 分析用アタッチメント １６ 分析用ロータ １７ セル １９ ロータ室 ２０ シミュレーション装置 ２１ 通信ケーブル

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の試料を遠心分離機により遠心分離
   するにあたり、当該試料の遠心分離方法として既に確立
   している遠心分離条件を第１パラメータとして入力する
   手段と、 前記遠心分離機により実際に当該試料の遠心分離を行う
   ときに用いる遠心分離条件を第２パラメータとして入力
   する手段と、 前記第１パラメータ及び第２パラメータを用いて遠心分
   離状況のシミュレーションを各々実行する手段と、 前記第１パラメータ及び第２パラメータを用いた前記シ
   ミュレーションの結果同志を比較し、両者が同等となっ
   たことを判断するか、又は両者が同等となるであろう運
   転時間を演算する手段と、 前記判断するか、又は演算する手段に応じて前記遠心分
   離機の運転を制御するための信号を作る手段とを、 有する遠心分離機制御装置。
2. 【請求項２】 前記制御するための信号を作る手段が、
   前記同等であると判定されたときに、前記遠心分離機の
   運転を停止させるための信号を作るよう構成されている
   請求項１記載の遠心分離機制御装置。
3. 【請求項３】 遠心分離機の遠心分離状況のシミュレー
   ション機能を有する遠心分離機制御装置において、 遠心分離運転中に現在の遠心分離運転のパラメータを前
   記シミュレーションのパラメータの一部として取り込む
   手段と、 前記遠心分離状況のシミュレーションに用いる時間パラ
   メータを適当な間隔で変化させて前記シミュレーション
   機能を複数回実行する手段と、 前記シミュレーション機能の実行毎に各々の結果を同等
   の試料の遠心分離方法として既に確立されてる遠心分離
   条件をパラメータとして前記シミュレーション機能を実
   行して得られた結果と同等であるかどうかを判定する手
   段と、 前記同等の分離結果を得るための運転時間を算出する手
   段と、 前記判定する手段に基づいて前記遠心分離機の運転を制
   御するための信号を作る手段とを、 有することを特徴とする遠心分離機制御装置。
4. 【請求項４】 所定の試料を遠心分離機により遠心分離
   するにあたり、遠心分離開始前に、又は遠心分離中に当
   該試料の遠心分離方法として既に確立している遠心分離
   条件を第１パラメータとして入力するステップと、 前記第１パラメータを用いて遠心分離状況のシミュレー
   ションを実行するステップと、 前記遠心分離機により実際に当該試料の遠心分離を行う
   ときに用いる遠心分離条件を第２パラメータとして入力
   するステップと、 前記第２パラメータを用いて遠心分離状況のシミュレー
   ションを実行するステップと、 前記第１パラメータ及び第２パラメータを用いた前記シ
   ミュレーションの結果同志を比較し、両者が同等となっ
   たことを判断するか、又は両者が同等となるであろう運
   転時間を演算するステップと、 前記判断するか、又は演算するステップに応じて前記遠
   心分離機の運転を制御するための信号を作るステップと
   を、 有する遠心分離機制御方法。
5. 【請求項５】 分析用アタッチメントの装着可能な遠心
   分離機に分析用アタッチメント及び分析用ロータを装着
   するとともに、前記分析用ロータに試料を配置するステ
   ップと、 前記遠心分離機の運転を開始するステップと、 所定の遠心分離条件及び他の情報に基づいて、遠心分離
   のシミュレーションを行うステップと、 前記分析用アタッチメントを使用して前記試料を光学的
   に分析するステップと、 前記分析の結果得られたデータを用いて前記シミュレー
   ションに用いるパラメータを補正するステップとを、 有する遠心分離シミュレーション方法。
6. 【請求項６】 前記パラメータを補正するステップが、
   前記光学的分析の結果と、前記シミュレーションを実行
   して得られた結果が互いに同等となるよう前記パラメー
   タを補正するものである請求項５記載の遠心分離シミュ
   レーション方法。
7. 【請求項７】 遠心分離シミュレーション機能を有し、
   前記遠心分離シミュレーションの結果を表示する表示装
   置を備えた遠心分離機において、 前記遠心分離機の遠心分離運転中に、遠心分離運転パラ
   メータを前記遠心分離シミュレーションのパラメータの
   一部として取り込む手段を、 備えたことを特徴とする遠心分離機。
8. 【請求項８】 前記遠心分離運転パラメータとして遠心
   分離運転の経過時間を用いる請求項７記載の遠心分離
   機。
9. 【請求項９】 前記表示装置が前記遠心分離運転パラメ
   ータ及び／又は前記遠心分離シミュレーションの結果を
   表示する部分及び前記表示する部分を駆動する部分を有
   する請求項７又は８記載の遠心分離機。
10. 【請求項１０】 前記取り込むべき遠心分離運転パラメ
    ータとして、あらかじめ設定された運転プログラムによ
    り指定される現在の遠心分離運転パラメータ及び／又は
    操作パネルより入力された遠心分離運転パラメータを用
    いる請求項７乃至９記載の遠心分離機。
11. 【請求項１１】 遠心分離運転パラメータの取り込みを
    一定時間間隔で行う手段を更に有する請求項７乃至１０
    記載の遠心分離機。