JPH09133686A - 液面検出装置および検出方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ノズルが液面に接したことを、高い信頼性で判
定する液面検出装置を提供する。 【解決手段】容器中に保持された液体試料の液面検出す
る液面検出装置であって、導電性材料で構成したノズル
部がコイルで構成された発振回路と電気的に連結されて
おり、ノズル部が液面に接近した際に得られる電気的信
号により特定された値を時系列的に収集し、予め得た複
数の同種値と直近で得た同種値との差の変化を感知する
処理回路、および電源回路を発振回路に夫々接続して構
成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液面の移動を電気
的に感知し検出する装置および検出方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】採血管あるいはサンプルカップに入った
生体試料、例えば血清、尿などの液体又は組織などから
抽出した液体等に含まれる成分を分析する生化学分析装
置、免疫化学分析装置などでは、これらの試料をしかる
べき分析場所に移送（分注）する際それら保持容器から
吸引などの手段で分取する操作が繰返される。

【０００３】従来の上記した分析装置において、保持容
器から生体試料を吸引するために、吸引ノズルを用いる
が、保持容器内での試料の液面が必ずしも一定でない場
合が多く、ノズル先端が試料面下に届かない場合や、ノ
ズルを必要以上に深く試料内に挿入すると、ノズルの周
辺に余分な試料が付着し分注の精度が悪化する。又、分
注後にノズル上部に付着した試料を洗浄することは装置
の機構上困難で、さらに、もともと試料の量が不十分な
場合は、例えノズルを試料容器の深部まで挿入しても吸
引不良が発生する。

【０００４】従って、ノズル先端を液面から一定の深さ
まで挿入し、定量的に試料を採取するために、又、試料
容器に試料が所定量確保されているかどうかの確認のた
めに、試料の液面を予め検出することが必要となる。生
化学分析装置、特に免疫化学装置では試料間のキャリー
オーバによる汚染は、測定結果の誤認の原因となるの
で、キャリーオーバを発生しない液面検出方法が求めら
れている。

【０００５】生体試料を分取する時に生体試料の液面を
検出する方法には、接触的方法と非接触的方法とがあ
る。接触的方法には、二本の電極を用いて電気伝導度を
測定する方法、一本の電極を用いて静電容量あるいはイ
ンピーダンスの変化を測定する方法、圧力を利用する方
法などがある。非接触的方法には、光学的に測定する方
法（特開昭６３−１５１２１）、近接センサを利用する
方法などがある。

【０００６】二本の電極を用いて電気伝導度を測定し、
液面を検出する方法が従来から生化学分析装置に使われ
ているが、この方法では、用いる金属性ノズルを二本の
電極のうちの一本として使うことができる。二本の電極
を用いる方法は、これらの電気伝導体の間に液滴が残存
し誤動作の原因となること、又、二本の電極によって起
こるキャリーオーバーを減少させるために、近時、電極
を一本とし、電極と、電極を取り巻く環境との間の静電
容量あるいはインピーダンス値を測定し、この値の変化
から液面を検出する方法が用いられるようになってき
た。

【０００７】この方法は、電極が容器や液体に近接する
ことにより信号が変化すること、又、電極が長く、ある
いは太くなると、より周辺の影響を受けやすくなり、例
えば手を近づけただけで値が変動するという問題があっ
た。

【０００８】電気伝導性ディスポーザブルチップを電極
として用いて静電容量あるいはインピーダンス値を測定
する方法は、試料毎にチップを交換するので、試料間の
キャリーオーバは起こさないが、ディスポーザブルチッ
プの電気抵抗が大きいため、チップが液面に接した時の
信号が金属性電極に比べて小さくなる。しかしながら、
電極先端が液面に接触した瞬間に電気特性が急変するこ
とから、信号の微分値から液面への接触の判定は可能と
なるが、微分値はノイズの影響を受けやすく信頼性に問
題があった。

【０００９】ディスポーザブルチップ先端から微量の空
気を吐出しながらチップ内の圧力を測定しその値から液
面を検出する方法は、接触的方法であるが、試料毎にチ
ップを交換するので、試料間のキャリーオーバを起こす
ことはない。従って、この方法は、ディスポーザブルチ
ップで生体試料を吸引する時によく使われるが、チップ
先端が濡れていると、液がチップ先端を塞ぐことにより
誤動作を起こす恐れがあるため、吸引の度に液面を検出
することが困難であった。

【００１０】ディスポーザブルチップを使って液面を検
出する方法以外の方法で、液面検出操作時のキャリーオ
ーバの発生を防ぐには非接触的方法を用いることが好ま
しいが、試料の吸引用ノズルと光学センサや近接センサ
を同時に採血管やサンプルカップなどの細長い容器に挿
入することが困難であるため、ノズルで生体試料を吸引
する前に予め液面を測定する必要があった。しかし、試
料を吸引する毎に液面を測定することが困難なため、同
一の試料を複数回分取する時には、最初に一度だけ液面
を測定し、容器の形状と吸引量から液面の位置を計算し
てノズルの下降位置を決めるなどの複雑な操作が必要で
あった。

【００１１】上記したように従来の技術では、試料を吸
引する時に、液面を検出するという即時性とキャリーオ
ーバーを防止し高い信頼性を得ることを同時に満たすこ
とが困難であった。金属性ノズルを電極として用いて静
電容量あるいはインピーダンス値を測定する方法は、試
料のキャリーオーバーはノズル洗浄の改善で小さくする
ことができ、即時性は満たすが信頼性が低かった。

【００１２】電気伝導性ディスポーザブルチップを電極
として用いて静電容量あるいはインピーダンス値を測定
する方法は、即時性とキャリーオーバーの両者に対して
要求を満たすことができるが、信頼性がさらに低くな
る。このように一本の電極を用いる方法は、信頼性の面
で改善が必要であった。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、かか
る課題点に鑑みてなされたものであり、ノズルが液面に
接近又は接したことを高い信頼性で判定するという目的
を充分達成することができる装置を提供することにあ
る。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は、かかる課題点
に鑑みてなされたものである。

【００１５】即ち本発明は、容器中に保持された液体試
料の液面を検出する液面検出装置において、少なくとも
先端部分が導電性材料で構成されたノズル部を持ち、そ
の導電性部分がコイルで構成された発振回路と電気的に
連結されており、導電性材料で構成されたノズル部が液
面に接近した際に得られる電気的信号により得られる値
を時系列的に収集する機能および、予め得た複数の同種
値から直近の値を予測し、直近で得た同種値との差の変
化を感知する機能を持つ処理回路部、並びに電源回路を
発振回路に夫々接続したことを特徴とする液面検出装置
および液面検出方法に関するものである。

【００１６】次に本発明を図面に基いて説明する。図１
は本発明の一実施態様の液面検出装置の概要を示す図
で、図中１は筒状のノズルの軸で、その少なくとも先端
部は電気伝導性材料から構成されており、その下端部に
通常電気伝導性ディスポーザブルチップ（図中２）が挿
入されノズル全体を構成する。３は発振器で、ノズル軸
全体が電気伝導性材料で作られたものであればその上端
部とリード線で接続される。ノズル軸が非電気伝導性材
料で作られている場合は、ノズル軸の下端部の電気伝導
性の部分と発振器が直接リード線で接続されるが、この
場合環境からの外乱をより減少させることができる。本
発明においてノズルは、前記したようにその少なくとも
先端部は電気伝導性材料から構成されていれば良いが、
例えば、異なる種類の試料を扱う場合にノズルの内外を
洗浄して用いるが、繰返し使用に耐える金属性の材質な
どで構成されていてもよい。

【００１７】発振器は、ＲＣ、ＬＣのいづれの発振器で
もよいが、通常、ＬＣ発振器が用いられる。周波数は、
特に限定されないが、通常数MHz から数十MHz の周波数
が用いられる。基板上にコイルＬやコンデンサＣが必要
に応じて実装されるが、ノズルはＣ、ＲおよびＬの成分
をもつものである。発振器の発振周波数や振幅は、ノズ
ルのインピーダンス値および増幅器の特性（増幅率や増
幅率の振幅依存性や位相変化量など）に依存する。

【００１８】ノズル先端が液面に接すると、インピーダ
ンス値が変化し、その結果、発振の振幅や周波数が変化
する。発振周波数の変化は発振信号を必要に応じて増幅
した後にダイオードなどで検波することにより低周波数
の電気信号に変換することができる。あるいは増幅器の
消費電流が発振振幅に依存することを利用し、例えば低
い抵抗値をもつ抵抗を電源ラインに挿入し、抵抗の両端
から信号を取出すことにより、発振振幅に依存する電気
信号を得ることができる（図１は抵抗６を挿入した例を
示した）。これらの電気信号はＡＤ変換器などを用いて
デジタル値に変換することができる。周波数の変化は、
周波数−電圧変換器を用いて低周波の電気信号に変換す
ることができる。周波数カウンターを用いれば周波数を
直接的にデジタル値に変換することができる。４は電源
回路である。

【００１９】発振器の発振状態を反映する電気信号は、
上記のように低周波信号あるいはデジタル信号として処
理回路部（図中５）に経時的に収集される。

【００２０】信号処理回路がマイクロプロセッサなどの
デジタル回路で構成されている時は、信号をデジタル信
号として収集する。信号はノズル先端が容器から離れて
いる時から周期的なデータ収集を開始する。データ収集
の時点毎に、過去のデータを現在に外挿して求めた推測
値を算出する。現在時点の値と推測値の差が予め設定し
た基準値を越えたことで液面を判定する。本発明の処理
回路部は、上記したように信号の収集、値の推測、判定
などを適宜行う機能を持つものである。

【００２１】以下、信号処理についてさらに詳細に説明
する。

【００２２】データは、ノズルが容器に近接して信号が
変化を始める以前から、あるいはノズルが液面に近接し
て信号が変化を始める以前から採取する。通常、過去の
データはノズルが液面に接した時に信号が変化する時間
幅より充分長くとることが好ましく、通常はノズルが試
料容器の内半径に等しい距離を下降するのに要する時間
に設定すればよい。

【００２３】推測値を求めるために用いるデータは、推
定値を求める直前までのデータでもよいが、このデータ
から直前の複数の値を除いたデータでもよい。推定値は
通常は直線外挿により求めるが、滑らかな関数関係を示
す場合であれば２次式などを用いることもできる。基準
値は液面に接した時の信号の値の変化量から実験的に求
めることができる。

【００２４】判定は一度でもよいが、複数回連続して行
うことにより、液面検出の信頼性を上げることができ
る。この判定は、通常はデータ収集の度毎に行えばよい
が、データ収集の間隔が短い場合には、複数回のデータ
収集毎に判定するようにしてもよい。また、複数回のデ
ータの合計値をとるなどしてまとめた上で判定するよう
にしてもよい。電気信号は、発振振幅あるいは発振周波
数を反映する信号を発振回路から取出す。

【００２５】現在の値と推定値の差が一度基準値を越え
たことの確認により、液面への接触を判定することがで
きる。あるいは複数回基準値を越えたことの確認によ
り、液面への接触を判定することができる。さらにデー
タを平均化処理した後に、液面への接触を判定すること
ができる。即ち収集した生データに対して平均化処理を
行い、その後、推定値を求め現在の値と推定値の差を求
めるようにしてもよい。一方、収集した生データから推
定値を求め現在の値と推定値の差を求めた後で、平均化
処理を行なうことでもよい。平均化処理の方法として
は、例えば移動平均法があるが、この方法に限定される
ものではない。

【００２６】本発明で用いるディスポーザブルチップの
材質は、ポリプロピレン、ＡＢＳなどの樹脂にカーボン
ファイバーあるいはアルミニウム繊維を混合し、電気伝
導性を付与した材料が用いられる。チップの形状、サイ
ズは通常の生化学の実験などで使われるチップと同一で
よい。ノズル軸は全体をステンレスで作ることができ
る。また、ＡＢＳのような樹脂で軸を作り下端にステン
レスなどの電気伝導性金属を埋めこみリード線で該金属
と発振器を接続してもよい。

【００２７】繰返し用いる金属ノズルの材料としては通
常ステンレスが用いられるが、ノズルの外側をＰＴＦＥ
でコートしたものでもよい。ノズルの形状は全体が同一
径の円筒形、あるいは先端を細く絞った形のものが使わ
れる。ノズルの内径と長さは、通常、処理する試料がノ
ズル内に保持できる充分な容積を持つように適宜選ばれ
る。

【００２８】

【発明の効果】本発明によれば、例えば採血管から生体
試料を分取する時に必要となる長いノズルを用いても、
高い信頼性をもって液面を検出することができる。ま
た、電気抵抗が大きいディスポーザブルチップを用い
て、高い信頼性をもって液面を検出することができる。
この結果、液面検出の正確性と精度が上がり、少量の試
料から無駄なくサンプリングすることができる。

【００２９】また、即時的に液面を検出することができ
ることから、予め液面を検出する時に必要な機構が不要
となり、従って、装置の複雑化が緩和され、装置の製造
コストを抑制する効果がある。また、従来、予め液面を
検出した場合には、機構の位置誤差や、チップを用いた
時チップの挿入深さのばらつきにより、チップの液への
突っ込み深さがばらつくなど問題があったが、本発明で
はこれらのばらつきが排除されるので、より少量の試料
からのサンプリングが可能となる。

【００３０】また、従来のチップ内圧力を用いて液面を
検出する場合には、チップが乾いた状態で液面を検出し
ておく必要があり、キャリーオーバーが生じないように
試薬と試料を分注するためには、試薬と試料を別のチッ
プで吸引するか、試料の液面を検出した後にチップを交
換して試薬・試料の順で吸引する必要があった。

【００３１】しかしながら、本発明では一本のチップを
用い、単純な動作で、試薬と試料を吸引することができ
るので、チップ消費量の低減とサンプリング動作に要す
る時間の低減に効果がある。

【００３２】

【発明の実施の形態】以下本発明を実施例により説明す
る。

【００３３】図１に示した液面検出器を用いた。ＬＣ発
振回路はコイルとノズルの浮遊容量で形成され、高周波
で発振する。発振回路とチップの間をリード線（φ0.8
×5cmプラスφ0.4 ×10cm) で接続した。チップは２０
０μl 黒チップを用いた。発振信号は、発振回路と電源
回路を結ぶグランドラインに直列に挿入した抵抗の両端
子間に発生した電圧を処理回路に入力することで処理回
路に取込んだ。

【００３４】図には示していないが、シンクロスコープ
のプローブの先端とアース線をつないでループアンテナ
を形成し、そのアンテナを発振回路のコイルに近づけ
た。チップ先端が液面に接するまでは振幅が徐々に変化
するが、接した時点で急変することを確認した。液面に
接した時の変化の割合は１０% 程度であるが、初期値か
ら接する直前まで５% 程度変化する。

【００３５】図２に収集した値と従来の微分処理の結果
を示す。値はノズルが約０．７mm下降する毎に収集し
た。収集した値毎に、直前の値との差を求め、図に描い
た。この方法でも基準値を−３から−５に設定すること
で液面との接触を判定することができたが、ノイズの影
響を受け易いことが判った。

【００３６】図３に収集した値と本発明による処理結果
を示す。値は図２に示した例と同一の値を用いた。値を
収集する毎に、直前の１５個の値を直線回帰し、値収集
時点での推定値を求め、測定値との偏差を求めて図示し
た（−１０mm〜−０．０７mmの信号を０mmに外挿して推
定値を求めた。尚、図中で上部に記載したプロットは信
号を、下部に記載したプロットは偏差を示す。以下の図
についても同様である）。基準値を−３から−５に設定
することで液面との接触を判定できた。

【００３７】図４に収集した値と本発明による処理結果
を示す。値は図２に示した例と同一の値を用いた。値を
収集する毎に、直前の６個の値を除いた過去の１５個の
値を直線回帰し、値収集時点での推定値を求め、測定値
と推定値との偏差を求めて図示した（−１５mm〜−５mm
の信号を０mmに外挿して推定値を求めた）。基準値を−
４から−７に設定することで液面との接触を判定でき
た。

【００３８】図５に収集した値と本発明による処理結果
を示す。値は図２に示した例と同一の値を用いた。値を
収集する毎に、直前の６個の値を除いた過去の１５個の
値を直線回帰し、値収集時点での推定値を求め、測定値
と推定値との偏差を求めた（−１５mm〜−５mmの信号を
０mmに外挿して推定値を求めた）。さらに指数減衰フィ
ルタを作用させノイズ成分を減少させた結果を図示し
た。基準値を−４から−７に設定することで液面との接
触を判定できた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施態様の概略図を示す。

【図２】本発明の装置で収集された値と従来の処理での
値を示す。

【図３】収集された値と本発明による処理での値を示
す。

【図４】収集された値と本発明による処理での値を示
す。

【図５】収集された値と本発明による処理での値を示
す。

【符号の説明】

１：ノズル軸 ２：ディスポーザブルチップ ３：ＬＣ発振器 ４：電源回路 ５：処理回路部 ６：抵抗

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成７年１１月１５日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】請求項３

【補正方法】変更

【補正内容】

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２６

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２６】本発明で用いるディスポーザブルチップの
材質は、ポリプロピレン、ポリスチレン、ＡＢＳなどの
樹脂にカーボンファイバーあるいはアルミニウム繊維を
混合し、電気伝導性を付与した材料が用いられる。チッ
プの形状、サイズは通常の生化学の実験などで使われる
チップと同一でよい。ノズル軸は全体をステンレスで作
ることができる。また、ＡＢＳのような樹脂で軸を作り
下端にステンレスなどの電気伝導性金属を埋めこみリー
ド線で該金属と発振器を接続してもよい。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３４

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３４】図には示していないが、発振振幅の変化を
直接観察するためにシンクロスコープのプローブの先端
とアース線をつないでループアンテナを形成し、そのア
ンテナを発振回路のコイルに近づけた。チップ先端が液
面に接するまでは振幅が徐々に変化するが、接した時点
で急変することを確認した。液面に接した時の変化の割
合は１０% 程度であるが、初期値から接する直前まで５
% 程度変化した。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３６

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３６】図３に収集した値と本発明による処理結果
を示す。値は図２に示した例と同一の値を用いた。値を
収集する毎に、直前の１５個の値を直線回帰し、値収集
時点での推定値を求め、測定値との偏差を求めて図示し
た（−１０mm〜−０．７mmの信号を０mmに外挿して推定
値を求めた。尚、図中で上部に記載したプロットは信号
を、下部に記載したプロットは偏差を示す。以下の図に
ついても同様である）。基準値を−３から−５に設定す
ることで液面との接触を判定できた。

【手続補正５】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】容器中に保持された液体試料の液面を検出
   する液面検出装置において、少なくとも先端部分が導電
   性材料で構成されたノズル部を持ち、その導電性部分が
   コイルで構成された発振回路と電気的に連結されてお
   り、導電性材料で構成されたノズル部が液面に接近した
   際に得られる電気的信号により得られる値を時系列的に
   収集する機能および、予め得た複数の同種値から直近の
   値を予測し、直近で得た同種値との差の変化を感知する
   機能を持つ処理回路部、並びに電源回路を発振回路に夫
   々接続したことを特徴とする液面検出装置。
2. 【請求項２】液体試料が生体試料である請求項１記載の
   液面検出装置。
3. 【請求項３】生体試料を保持した容器中の液面を検出す
   る方法であって、コイルで構成した発振回路と、これに
   電気的に連結されており、少なくとも先端部分が導電性
   材料で構成されたノズルを液面に接近させて電気的信号
   を時系列的に収集し、予め得た複数の同種値から直近の
   値を予測し、直近で得た同種値との差幅を求めることに
   より、ノズル先端と液面との間隔を測定することを特徴
   とする液面検出方法。