JPH09512906A

JPH09512906A - 分析法と分析装置

Info

Publication number: JPH09512906A
Application number: JP7525359A
Authority: JP
Inventors: カールベルグ，ボー; プローグ，オール
Original assignee: ダンフォス・エイ／エス; テカトール・アーベー
Priority date: 1994-03-31
Filing date: 1995-03-29
Publication date: 1997-12-22
Also published as: PL316531A1; CN1147856A; US5869773A; US5780754A; DE4411266A1; DE4411266C2; EP0753153A1; AU2213695A; CA2185359A1; WO1995027211A1

Abstract

(57)【要約】複数の流体試料が、連続的に反応チャンネル（１６）を通って検出器（１７）に至り、且つ少なくとも１つの試薬が、試料群と反応させるため該反応チャンネル（１６）中へ導入される場合の分析方法を開示する。この方法を実行する装置も開示する。その方法と装置を使って、流体形態の試料の種々の流動特性をさらに処理できる分析法を規定しようとするものである。その目的で、各試料とその間連試薬がブロックを形成し、その長さに沿って、実質的にブロックの長さの半分より短い予め定めた長さをもつセグメントにわたって平均化された、試料と試薬の間の局部容積比が、実質上、一定になるようにしてそれらを反応チャンネルへ導く。

Description

【発明の詳細な説明】分析法と分析装置本発明は、いくつかの試料を反応チャンネル中に連続的に通して検出器に到達させ、且つその試料と反応させるため、少なくとも1つの試薬を反応チャンネルへ導入する場合の分析法に関する。さらに、本発明は、試料給送ダクトと、少なくとも１つの試薬給送ダクトと、試料及び試薬用ポンピング装置と、反応チャンネル及び検出器とを有する分析装置に関する。多くの分野において、化学分析の必要性は絶えず増大している。１例として、環境保護の分野を引合いに出すことができる。この場合、例えば、水域をモニターしている時は、水のサンプルをその水域から連続的に取り出さなければならない。汚水処理プラントの運転、例えば、空気の注入は、浄化すべき水に含有されている特定の物質に依存して実施される。その分析は、頻繁に実行しなければならず、その結果、分析回数が多くなるばかりか、それらの分析もまたできるだけ迅速に実施しなければならなくなる。同じことは、医学及び環境の分析分野に当てはまる。大きい試験所では、一般に、非常に多くの試料を調べる必要がある。このことは、検査すべき試料を、例えばビーカー中で、試薬と混合し、生ずる反応生成物を種類と量について記録・評価するような、在来の手動方法を使ったのではもはや実施できない。その上複雑にしている因子は、僅か単一の反応工程ではなくて多くの反応処理を実行しなければならない、ということである。このことは、マンパワーを要するばかりか、既に試薬を添加した試料を、それらが反応を完了するまで及び／又は反応生成物の評価が終了するまで、しばらく保管できるような、相当に大きい試験室面積の準備をも必要とする。さらに、手動法では、比較的大量の試料と試薬が必要であり、このことは廃棄物の管理を困難にするものである。これらの理由から、何１０年か前に、より小さい試料サイズで且つより少ない試薬で機能し得る連続又は半連続的方法の開発が開始されたのである。これらの方法は、“機械化”されているため、比較的多数の試料を同時に調べることも可能である。その方法論は、ここに踏襲されており、即ち、試料は、１つ以上の試薬と混合され、生ずる反応生成物は検出器を使って検出される。 US 2 797 149及びUS 2 879 141では、いわゆる“セグメントフロー分析”(Seg mented Flow Analysis(SFA))を記載しており、即ち、これは、連続した試料セグメント（分節）が試料ダクト中で気泡で分離される分析方法である。各試料セグメントを１つ以上の試薬と混合した後、反応生成物は各セグメントで別々に評価できる。反応チャンネルの長さを選ぶことにより、反応に使える時間を調整することができる。しかし、個々の試料を分離するのに反応チャンネルに気泡を用いることは、圧縮性の流体柱部(fluid column)を生じ、その結果、流速及び従って反応時間が正確にモニターできなくなる。 US 4 022 575及びDE 28 06 157 C2では、さらに最新の方法が開示されており、これは“フローインジェクション分析”(Flow Injection Analysis(FIA))として知られているものである。ここでは、個々の試料は、特定の距離を離して導入され、したがって、連続する試料は、純キャリヤー流体のセグメントで常に分離されることになる。試料を部分的に充填したこのキャリヤー流体は、次いで、試薬又は試薬群と混合される。反応生成物の評価は、検出器によって同様に実行され、それによって、その反応生成物が種類及び／又は量に従って記録される。その試料は、一方では、試料セグメント内でキャリヤー流体により希釈されるため、及び他方では、試料ーキャリヤー流体の混合物から成るセグメントと純キャリヤー流体のセグメントとの間の遷移のため、これにより各試料セグメントの始めと終わりで試料濃度にさらに歪みを招来するものであるが、この方法では、安定状態を得るまでの待ち時間の範囲が極めて限定されたものとなるに過ぎない。従って、検出器は、一定の反応生成物の信号がそこに存在する信号をもはや評価しない、但し通常尖頂信号パルスの形の過渡信号を除く。試料とキャリヤー流体の個々のセグメント（以後、短縮して、“試料セグメント”もしくは“試料ブロック”と呼ぶ）の間の純キャリヤー流体のセグメントは、各測定の開始点を定めるのに用いることができる。しかし、“分散係数”とも呼ばれる、希釈因子は、別の試験で決めなければならない。分散係数を得られた測定信号と比較することによってのみ分析結果を定量的に確定することができる。それ故、実際問題として、好ましくは、既知濃度の試料を使って較正を実施する必要がある。さらに、試料毎に粘性が異なるため、較正で排除し得ない測定誤差が生ずる程度まで希釈効果に影響することもある。発明は、試料毎の種々の流動特性にさらに対処できる分析方法を提供する問題に基づいている。緒言で述べた種類の分析法では、この問題は、各試料とその関連試薬がブロックを形成し、その長さに沿って、実質的にブロックの長さの半分より短い予め定めた長さをもつセグメントにわたって平均化された、試料と試薬の間の局部容積比が、実質上、一定になるように制御してそれらを反応チャンネルに導入することで解決されている。局部的平均容積比は、ここでは、局部化のために考慮した部位を対称的に取り囲む仮想チャンネルに存在する容積比である。それ故、この仮想チャンネルセグメントは、考慮された部位から、流れ方向と流れに逆らう方向に等距離ずつ伸びる。それが前記の予め定めた長さをもつ。この長さの寸法を決める時は、それはブロックの全長に比べ小さいということを記憶すべきである。それは、実質上、その長さの半分より小さい。それ故、セグメントの容積は、反応チャンネルの全容積に関連して小さく且つそれぞれのブロックの容積に関連しても同様に小さい。一方、セグメントの長さは、取入れ口部分の容積比の局部的変動が特に許容されるので、短過ぎてはいけない。しかし、それらは、関連流体、即ち、試料と試薬の対流と拡散による混合が、同じように局部的に、反応チャンネルで生ずることで補償される。従って、問題のブロックセグメントの長さは、このセグメントに関する容積比の平均化がその容積比の変動の平坦化に対応するよう選択されることになる。この方法で試料と試薬の導入を制御することによって、検出器へ運ばれる特定ブロックには、試料と試薬間に実質的に一定の成分比が存在することが保証される。従って、その反応生成物を使えば、試料中で検出されるべき物質の割合の徴候を与えることは実際に可能である。好ましい具体例では、反応チャンネルにおける各ブロックの流速は、各ブロック内に、試料とその試薬を排他的に含有する反応セグメントが残存する程小さくなるよう、反応チャンネルの寸法とそのブロックの長さに依存して選択する。それ故、この反応セグメントには、反応生成物の、事実上、一定の分布が存在し、その結果、反応生成物を記録する検出器は、反応セグメントが検出器を通過することを要する間、事実上、平坦部に絶え間なく存続する信号を生成する。このことは、評価をかなり確実に簡略化する。その信号は、較正とは別に、参照変数又は信号勾配に後退を要せずに、直接評価してよい。また望ましいことは、反応セグメントの容積より小さい容積に対して検出器で積算（積分）測定を行うことである。この具体例は、一方では、積算によって局部変動を平坦化でき、他方、その積算容積は十分小さく、隣接試料の混合ミスの結果としての誤差が生ずることはない。それぞれの各試料とその試薬間の局部的平均容積比はまた、好ましくは、反応チャンネルの任意の位置で任意時間に、実質上、一定である。導入に際してのみ有効な初期条件は、それ故、反応チャンネル全域にわたって、例えば、適当な流量制御によって、維持される。連続した試料は、好ましくは、互いに接合して反応チャンネルに導入する。現在の技術とは対照的に、次の試料を入れる前に個々の試料をキャリヤー流体で洗い流す操作は省かれる。洗浄流体即ちキャリヤー流体は、測定信号の読み出し前に、この流体を先ず次の試料で洗い流さなければならない、という問題を包含している。ここで、そのキャリヤー流体は、比較的高い希釈に耐え、その大きさは、試料毎に代わってよい粘性にも左右される。続いて、これは、検出器の信号出力における信号特性に影響を及ぼすことがある。この有利な構造のため、従来、専門家によって一般に必要であると見なされていた暗黙の前提条件が、原理上、避けられる。前回の試料は、次回の試料で洗い流せば十分である。この処置で、時間と流体の消費が大幅に経る。さらに、粘性効果の影響が低下するので、精度が向上した分析結果も得られる。好ましくは、それぞれ前もって定められた、試料と試薬の容積は、優れた精度で反応チャネルに給送される。送込み、即ち、特定の容積及び／又は流量への付着に対するこの優れた確度は、通常、US 2 797 149及びDE 28 06 157 C2によって知られている“ぜん動ポンプ”(Peristaltic pump)では得ることはできない。これらのぜん動ポンプは、通常、規則的な変形を受け易い少なくとも１つの弾性ホースを有する。この変形のため、長期の運転で送出し容積に変化を来すのは、事実上、避けられない。この変化は、しかも予測できず、その結果、初期の比較的正確なポンピング（ポンプ作用）をもってしても、試料と試薬のポンピングが事前に定めた各容積で実施されることを保証することは、不可能である。従って、比較的正確なポンピングによって、即ち試料と試薬の流量を一致させることによって、試料と試薬の予定できる精密な容積比を設定することが可能となる。正確な送込みによっても反応処置について高度の一貫性が達成でき、従って、在来の、手動で実行される方法と事実上同一の精度で現存の機械化された方法を運用することができる。発明の好ましい構成では、試料と試薬が層状で反応チャンネルへ導入されるよう対策が講じられる。しかし、用語“層状で”は、導入の瞬間に対してのみ該当する。層流が発生すると、試料と試薬の界面即ち接触領域で試料と試薬の相互拡散が生ずることが観察できる。それ故、試料と試薬の“層群”は、導入後一定時間は、もはや正確に分離できない。それでも、少なくとも理論上は、導入の瞬間に前述の積層を仮定することは可能である。試料と試薬の２つの流体は、そのまま、互いに対向して配置する。この配置で、層流領域における試料と試薬の混合が容易になる。所望の反応時間は、反応チャンネルを通る試料と試薬の進行速度を適当に遅らせることにより得ることができる。試料と試薬の相互混合は、ここでは、部分的に拡散に起因するものと見なしてよい。しかし、方向を変化させる反応チャンネルでは、横の流れ領域も生じ、このため、対流による流体の混合が大きくなる。特に好ましい構成では、送込み中に少なくとも３つの層が作られ、隣り合う層は、それぞれ、試料及び試薬によって形成されるよう対策が講じられる。試料と試薬の間の界面は従って拡大される。もし、例えば、試料と試薬から成る２層の代わりに、その３層が用いられるなら、これは、隣り合う層は、それぞれ、試料及び試薬によって形成されるという要件に基づいてサンドイッチ様の構造を形成するものであるか、その時は界面は２倍になる。混合に要する時間は、相応して減少する。試料と試薬は、好ましくは、流れの方向に互いに平行に反応チャンネルへ送られる。その場合、反応チャンネルの軸に沿って伸びる比較的大きい界面が存在する。従って、その界面は、試料と試薬の相互拡散に利用できる程十分大きいものとなる。試料と試薬間の交換は、個々の濃度が均等化し終わるまで続行される。この交換は、試料と試薬によって形成されるブロックが反応チャンネル中を移動するかどうかには依存しない。ここで特に望まれることは、試料と試薬の進入が相互に関して同時に実行されることである。そのような同時進入は、例えば、同期制御ポンプによって、例えば、同期作動ピストンポンプによって達成することができる。その構造では、試料と試薬から成る２つの流体は、そのまま、並行して配置される。代替構造では、試料と試薬は、交互に連続して且つ互いに接合して反応チャンネルへ送り込むことができ、試料と試薬のそれぞれのセグメントの長さは、実質的にブロックの長さより短い。反応チャンネルの断面積だけが交換面積として、即ち、そこを通る流れにも利用できる面積として、利用できるとはいえ、試料と試薬の個々のセグメントは、ここでは比較的短い状態に保持され、結果として、従って、複数の該セグメントから形成された単一の試料ー試薬ブロック内部に比較的大きい界面が作られる。次いで、混合は、軸方向に、即ち、流れの方向に実行される。好ましくは、反応チャンネルの容積の少なくとも３倍に対応する試料と試薬の全容積が、反応チャンネルへ給送される。そのような大きい容積を使えば、以前のブロックの、即ち、以前の試料の痕跡は反応チャンネルから完全に除去されてしまうことが確認できる。３倍の全容積にも関わらず、薬品類の消費は、装置構造並びにその小型化のために比較的少いままである。好都合には、反応生成物の検出は、全容積の三分の一の中間部がそこを通って流れるときに実行される。その期間中、以前の試料は、もはや、その瞬間に検討される試料の反応生成物に何ら影響を及ぼさないことを比較的高度の確率で保証することが可能なばかりか、その後の試料が反応生成物に何らかの影響を及ぼすことを避けることもできる。試料は、好ましくは、膜の一方の側面に沿って通り、膜のもう一方の側面は、検出すべき成分を含有する媒質に晒す。このため、汚水を分析するときは特に、反応チャンネルへそれを導入する目的で汚水を機械的に取出すことが省かれる。それとは対照的に、分析すべき成分、即ち、例えば、塩、リン酸塩、硝酸塩又は類似物質は、膜を通して流体中に輸送される。この手順は、本質的に、透析に基づいている。それ故、当方法は、それ以上の機械的加工処置をしないで済ますことができる。流量は、好ましくは、反応チャンネルの与えられた断面積で、試料と試薬に関して５未満のレイノルズ数が得られるよう選択する。このように、流量は極めて低く保たれ、そのため、試料と試薬で形成されるブロックの出発点で現れる外方向への膨らみとそれに対応するブロックの終点での内側への膨らみとは比較的小さいままであるという利点がある。従って、連続したブロックの軸方向の混合は最小に保たれ、結果的に、連続した試料が互いに悪影響を及ぼすであろうということを懸念しないで比較的短いブロックを用いることができる。このように、試料容積、及び従って使用試薬の容積は、測定の質を維持している間でも小さいままであってよい。流速が遅いことによっても、同じ反応時間を維持しながら反応チャンネルの長さを対応して短く保つことが可能となり、結果的に、反応チャンネル全体の容積は小さいままであってよい。また、分析が連続的に又は半連続的に実行できる程に各試料の長さを小さい状態に保つことも望まれる。多くの場合、各試料を連続して試料チャンネルへ送り込むことのみならず、試料チャンネルを通して連続した試料の流れを給送することも理にかなっている。この点こそ、各試料が互いから分離される必要のない本発明の方法の特異的利点が立証される所である。容積比が一定になるように試料流体と試薬流体の送りを制御することにより、連続的送りであっても所望の高精度が達成される。緒言で述べた種類の分析法では、この間題は、試料及び／又は試薬の各々に使えるポンピング装置がそれぞれのポンプを有し、その送出量が制御可能であることで解決される。ポンプの選択は、当の方法と装置を使って正確な測定結果を得たいと望むなら、本願発明にとって一定の重要性をもつ。この場合、ポンプ群の適当な制御によって、在来の手動分析法のそれらに対応する結果を得ることができる。この構造を使えば、試料流体と試薬流体を、反応チャンネル中へ制御可能な且つ不変の流量で導入させることができる。この手段によって、反応チャンネルの長手方向を横断する層状構造が得られる。試料と試薬の相互拡散即ち混合は、試料給送ダクトが試薬給送ダクトに合う時に直ぐには起こらないが、やや後で反応チャンネルにおいて徐々に、そしてその後、主として半径方向の拡散又は混合により生ずる。連続ブロックの軸方向の混合はこの処理で避けられる。この場合のポンプは、好ましくは、ｄ．ｃ．モーター又はステッパモーターで駆動されるピストンポンプの形である。ピストンポンプを使えば、送出し容積は、優れた精度で所望の要件に整合させることができる。ピストンポンプ群は、その上また、優れた精度で同期制御でき、その結果、試料と試薬のポンピングは、相応じて正確に且つ同期して制御することができる。好都合には、試料給送ダクトと試薬給送ダクトは、２つの給送ダクトを反応チャンネルに交互に接続する送り弁の２つの入力端に接続される。この具体例では、層状構造が反応チャンネルに作られ、その結果、試料流体と試薬流体は層状に配置され互いに直ぐ接合する。試料と試薬からこの方法で形成されたブロックの前進は、必ずしも連続して行われるとは限らず、任意に階段状となる：何故なら、送りバルブの切り換え操作中は、ポンピングが必ずしも保証されないからである。それでも、ブロックのこの階段的前進によってさえ、試料と試薬の満足な拡散とそれに続く反応が達成される。反応チャンネルの流動断面は、好ましくは、１つの方向における寸法は、この寸法に直角な方向における寸法より大きい。特に試料と試薬が平行に送られる時、これによって比較的大きい界面を作ることができ、それが次には半径方向の混合を促進する。流動断面は、好ましくは、実質的に長方形である。それ故、送りは、その長方形の縦側面に実質上平行に実行され、その結果、相応じて大きい界面が試料と試薬の交換に利用できる。反応チャンネルは、好ましくは、0.5 mm²以下の流動断面と250 mm以下の長さを有し、ポンピング装置は、100 μl/min以下の容積流を生ずる。反応チャンネルの全容積は、相応して小さい。このことはまた、分析に要する流体量は極く少量で事足りることを意味する。極めて少量の流量は、さらに、薬品類の消費をごく少量に維持することに寄与する。それでも、この種の反応チャンネルの構造によって、申し分のない結果を得ることができる。また、検出器は、反応セグメントの容積より小さい検出器容積を有することが望まれる。それ故、検出器は、諸条件が乱されない、即ち、隣り合う試料からの影響がない容積についてのみ積算する。発明は、以後、下記の図面と共に、好ましい具体例を参照して説明する：図１分析装置を示し、図２第一の状態にある切換えバルブを示し、図３第二の状態にある切換えバルブを示し、図４混合点の第一の構造を示し、図５混合点の第二の構造を示し、図６混合点の第三の構造を示し、図７試料流体を作り出す装置を示し、そして図８混合の線図的説明図と信号プロットである。分析装置１は、キャリヤー流体源２を包含し、これは、説明した具体例では、キャリヤー流体槽３とポンプ４から成る。キャリヤー流体源２は、随意に流量計６を配したキャリヤー流体ダクト５によって、切換えバルブ７に、即ち、そのキャリヤー入力端８に連結される。流量計６は、全く必要ではない。もし要すれば、送り出される流体量は、ポンプ４の送出し量から、例えば、そのピストン排出量から決定してよい。これは、続いてまた、例えば、駆動電力によって、間接的に確認又は制御してもよい。切換えバルブ７は、試料ダクト１０に接続されている試料出口９を有する。試料ダクト１０は、元々知られている方法でいくつかの混合点１１の１つに接続され、これには、各々に各ポンプ１４、１５が配置されているそれぞれの第一及び第二試薬ダクト１２、１３によって、試薬Ｒ１、Ｒ２が給送される。検出器１７が配置されている反応チャンネル１６は、混合点１１に隣接している。検出器１７の出力は、廃棄物回収容器１８に接続する。切換えバルブ７は、試料ダクト２０に接続されている試料入口１９を有し、これは、続いて、試料取出し部、及び廃棄物出口２１に接続され、これは廃棄物ダクト２２に接続される。廃棄物ダクト２２にはポンプ２４が配置され、その出力は廃棄物回収容器２３に接続される。別々の試料２６−２８は、切換えバルブにいつでも連続して吸引できるようにした試料取出し部に保持される。加えて、制御装置２９が設けられ、これは、もし流量計６があればそれに接続して、そこから情報を受け取る。制御装置２９は、キャリヤー流体用のポンプ４と廃棄物ダクト２２にあるポンプ２４とを制御する。加えて、制御装置２９は、ピストンーシリンダー構成の形の作動装置３０の補助で切換えバルブを制御する。各ポンプ４、２４の駆動部は、自由選択で、制御装置後部へ連結する。切換えバルブ７は、ここでは、ストッパーの形をし且つハウジング３２に回転できるよう配置されている可回転体３１を包含する。可回転体３１は、第一チャンネル３３と第二チャンネル３４をもつ。図２に図解した位置で、第一チャンネル３３は、キャリヤー入口８を試料出口９に接続させ、一方、第二チャンネル３４は、試料入口１９を廃棄物出口２１へ繋ぐ。図３に示す位置では、この場合、可回転体３１は、図２の位置に関して完全に９０°回転されているが、第一チャンネル３３は、試料入口１９を廃棄物出口２１へ繋ぎ、一方、第二チャンネル３４は、キャリヤー入口８を試料出口９に繋げる。可回転体３１の位置は、図１における切換えバルブ７と制御装置２９間の両端矢印で示したラインを使って、制御装置２９に知らせてよい。図２に示した位置で、ポンプ２４は、試料ダクト２０を通して試料２６を吸引して第二チャンネルへ送り込み、これが第二の試料で完全に満たされるまで続ける。チャンネルを完全に満たすのに要する量を超える試料を導入するかどうかは、重要ではない。しかし、第二チャンネル３４が試料２６で完全に満たされることは、確保されなければならない。可回転体３１の９０°いっぱいの回転で、上のように充填された第二チャンネル３４は、図３に示した位置にあると想定する。この位置で、第二チャンネル３４は、キャリヤー入口８を試料出口９へ繋ぐ。制御装置２９は、今度は、キャリヤー流体用ポンプ４を始動させる。今搬送されているキャリヤー流体は、第二チャンネル３４へ入り、従って、第二チャンネル３４に置かれた試料を押して試料出口９を通して試料ダクト１０へ送る。第二チャンネル３４の容積（及び、勿論、第一チャンネル３３のそれも）とポンプ４の送出し容積は既知である。それ故、制御装置２９は、キャリヤー流体用ポンプ４を停止させ且つ可回転体３１を再度９０°いっぱい回転させて図２に示す位置にすることができ、その後、キャリヤー流体は第二チャンネル３４を通過して試料出口９に達することができる。可回転体３１が図３に示す位置に置かれている限り、この場合、第二チャンネル３４は、試料出口９へ流れるキャリヤー流体の影響を受けて空になり、第一チャンネル３３は、その後の試料、例えば、試料２７で満たすことができる。試料用ポンプ２４は、キャリヤー流体用ポンプ４より大きい出力容量を、即ち、キャリヤー流体源２より大きい出力容量を有する故、試料入口１９と廃棄物出口９と間のチャンネルは、キャリヤー流体が試料出口９に入る前に、常に完全に満たされる。この方法で、待ち時間が縮まる。切換えバルブ７の制御は、かなり簡略化される。試料ダクト１０では、それ故、流体柱が作られ、ここでは、１つの試料セグメントは、間隙を置かず直ぐ後に次を伴う。混合点１１で試薬Ｒ１が添加される。離して示されていないが、その後の混合点で、試薬Ｒ２が添加される。さらに後の試薬用のさらに後の混合点も、勿論、存在してもよい。その時、試薬Ｒ１とＲ２は、反応チャンネル１６において、個々の試料セグメントの試料と反応し、検出器１７によって検出し得る１つ以上の反応生成物を生ずる。それが検出器１７で首尾よく評価完了すれば、反応チャンネル１６にある流体は、廃棄物回収容器１８へ搬送してよい。図４は、混合点１１の第一の構成を示す。用語”混合点”は、ここでは単に簡単のために選んだものである。下記から明らかなように、実際の混合はこの点では起こらない。試料ダクト１０と第一試薬Ｒ１用試薬ダクト１２とは、ここで互いに直角をなして出会う。それでも、適当な流量制御で、試料流体と試薬流体とは、もし層流領域で効果が起こる程流速が低ければ、実質的に平行な状態で反応チャンネル１６中へ流れる。その区切りがだんだん短くなる破線３６は、合流点で直接生ずる試料流体と試薬流体の積層が徐々に消えていくのを表している。一定の長さの後は、反応チャンネル１６における試料流体と試薬流体の間に明確な境界を検出することはできない。対照的に、徐々に拡大するゾーンがライン３６に沿って現れ、ここで試料流体と試薬流体が互いに混合する。ここでは、混合操作は、最初は、拡散によって、即ち、試料と試薬の間の濃度差の均等化によって行われる。この均等化は、両方向で、即ち、試料から試薬へ及び試薬から試料へ、行われるので、このため、試料と試薬の極めて良好な相互混合及び一定時間後も完全な相互混合を実現することができる。混合及び反応時間を短縮するため、反応チャンネルの方向を数回変化させること、即ち、それをじゃ（蛇）絞岩状に構成することが理にかなうこともある。その時、各湾曲部又は曲り角で横流れ部分が生じ、対流によって試料と試薬の相互混合を促進することになる。第二試薬ダクト１３の混合点も同様の構成である。試料と試薬が混合すると直ぐ、即ち、試料流体からの分子が試薬流体に入り、またその逆が起こると直ぐに、諸反応が起こり、検出器１７で検出されることになる反応生成物に最終的に帰着する。図５は、混合点１１’の改良型具体例を示し、この場合、２つの試薬ダクト１２と１２’は、それらが試料ダクト１０の両側面で反応チャンネル１６に現れ出るように導かれる。両試薬ダクト１２、１２’は、同一の源から送り込まれてよく又は共通の給送ダクトの２つの端末を正に形成してもよい。従って、２つの界面３６、３６’が存在する。試料と試薬が相互混合する機会は、従って、より改善されることは明らかである。満足できる相互混合を達成するのに要する時間が短縮する。図６は、混合点１１”の第三の具体例を示し、この場合、試料と試薬は、反応チャンネルには、平行にではなくて切換えバルブ３７を使って連続的に導入される。図６から明らかなように、試料Ｐと試薬Ｒの極めて短いセグメントがブロック内で互いに前後に配置され、その後試料Ｐと試薬Ｒは互いに交互して続く。これによって複数の界面３６”が作られ、それを通して対応する相互混合を生じさせてよい。図７は、改良型試料取出し部２５’を示す。試料ダクト２０の１つの端末が、流体用の、例えば、蒸留水用の水槽３８に浸す。ポンプ２４を使って、この蒸留水を水槽３８から吸い出す。試料ダクト２０は、その１つの側面が膜４０と境を接している混合チャンネル３９に連結される。膜４０の他の側面には供給チャンネル４１があり、これは、供給ダクト４２によって、特定成分について分析されることになる物質又は流体の槽に連結される。図示されていないが、ポンピング装置によって分析すべき流体が供給チャンネル４１中を運ばれる。これが行われると、膜４０をそれに適合させた、分析すべき成分は、膜４０中を拡散して混合チャンネル３９に入る。これが、混合チャンネル３９中を流れている流体によって吸収される。次いで、被分析成分を付加した流体を、切換えバルブ７を使うか又は直接的にでも、試料ライン１０へ給送してよい。後者の場合、分析は連続的に実施される。個々の試料の長さは、作用を知るという目的のため無限小と見なしてよい。この場合、試料及び試薬流体間の容積比は、１つのブロックに関してのみならず、複数のブロックにわたっても又は永久的にさえ一定に保たれる。制御ユニット２９は、キャリヤー流体及び試料用のポンプ４及び２４のみならず、試薬用ポンプ１４及び１５も制御する。ポンプ群の同期作動を確保するため、ポンプ群又はそれらの駆動部は全て制御ユニット２９に後連結してよく、その結果、制御ユニット２９は個々の送出容積をモニターすることができる。この点で留意すべきことは、記述された２つを越える試薬の使用も勿論可能であるということである。いくつかの場合、わずか１つの試薬でも十分であろう。制御装置２９は、各ポンプを互いに同期させて制御することができる。ポンプ群は、好ましくは、ｄ．ｃ．モーターかもしくはステッパモーターの何れかで駆動されるピストンポンプの形態である。この方法で、各ポンプの送出容積の極めて正確な設定を達成することができる。制御装置２９は、非常に正確に制御された流体容積が反応チャンネル１６へ入るようにそれぞれ対応するポンプ４、２５、１４、１５を駆動する。これはとりわけ、試料と試薬の積層が、実際、反応チャンネル１６で達成し得るという利点をもっている。制御装置２９は、ポンプ１４、１５及び２４を何度も、そして実際比較的長い時間の間停止でき、且つポンプ４だけは、装置１をすすぐのにキャリヤー流体が使えるよう作動させることができる。図８は、新しい分析方法の典型を図解的に示すものである。隣接する試料セグメントＳ_nは、試料と試薬間の平均局部容積比が一定になるように、それらに関連する試薬Ｒ_nと共に、チャンネル中に導入される。試料及び試薬のセグメント群の番号付与は、本来、必要ではないが、それによって“アカウンティング”及びその後の説明がより容易になる。勿論、同じ試薬を全ての試料に用いてよい。その試薬Ｒ_nと共に、各試料Ｓ_nはブロックＢを形成する。それが導入される瞬間、ブロックＢの先行及び後部の界面は、実質上、平坦に且つ流れ方向に対して直角になるよう軸調整する。試料Ｓ_nと試薬Ｒ_nの容積比は、この初期軸合せを受けて表示される。最低のラインは、試料と試薬の全容積に対する試薬の比を示す。ブロックＢがそれを通して層流で流れる反応チャンネル１６の終端では、給送時の状態に比べ、２つの変化が起こっている。先ず、試料と試薬の積層は、もはや互いに区別できない。それと対照的に、各試料は、それに関連した試薬と混合し終わる。第二に、軸方向の散乱が隣接ブロック間で生じており、即ち、隣接ブロック間の界面は、もはや、平坦ではなく且つ流れ方向に関して実質的に直角ではない。それとは対照的に、該ブロックは、層流の分布から分かるように、それらの先端で流れの方向に“膨れ出”ており、それらの終端で流れ方向に”窪んで ”いる。しかし、ここで重要なことは、流量、従って対応するブロックの変形の程度は、各ブロックＢにセグメント（“反応セグメソト”）ｂが残り、それがその関連試薬Ｒ_nに符号する各試料Ｓ_nを排他的に含有する程低くなるよう選択されることである。故に、試料Ｓ_nにとって重要性を有する反応生成物のみが、このセグメントbに存在する。この構成の利点は、図８の右側上方に示す検出器１７の出力端の信号のプロットで示す。この信号のプロットは、別々の平坦域を有し、それらは、一定時間にわたって安定であり且つ個々の遷移によって互いに接合する。その平坦域は、相対的にほとんど努力しないで評価することができる。試料と試薬の容積比は、反応チャンネル１６の“終端部分”のところでプロットされている。簡単化のため、隣接するブロック間の遷移領域において試料と試薬の線形変化を仮定する。ここで起こっている実際の状態からのばらつきは、無視してよい。試料と試薬の容積比も２つの隣接ブロック間の遷移セグメントにおいて同時的に且つ一様に変化するので、試料とその間連試薬間の容積比は、これらの領域においても不変のままである。一定容積の流体を常に一度に評価する、つまり、積算挙動を行う検出器は、この領域で、その試薬Ｒ_nによる試料Ｓ_nの反応生成物と隣接ブロック、即ち、試薬Ｒ_n＋1に符号する試料Ｓ_n＋1の反応生成物の両方を検出することになる。これによって、個々の平坦域間で過渡的遷移が生ずる。しかし、これは、前述の遷移の後に安定な平坦域が再度得られるという事実には影響しない。低流速に起因する低い軸方向分散のため、それぞれのブロックは、完全には混ざり合わない。ブロック内部では、非常に良好な相互混合が、主として半径方向の分散の結果として生ずる。検出器は積算効果を有しており、つまり、測定する信号は、検出器容積に関する一種の平均値を反映する。この検出器容積は、反応セグメントの容積より小さい。このため一方では局部的擾乱を平坦化できる上、他方で測定に及ぼす隣接試料の影響が避けられる。流速が低いということは、反応チャンネル１６は比較的短く作ってよいという利点がある。それにもかかわらず、必要な反応時間は、低流速で達成される。互いに隣り合う試料と試薬のブロックを使うことにより、先行する試料−試薬の混合物は、次のそれで洗い流される。これによって、既知キャリヤー流体によって生ずる希釈物を従来のように最初に排出しなくてよいため、個々の試料について極めて迅速な一連の測定が可能となる。第一の実施例では、カルシウムが水中で検出される。ここでは、８−ヒドロキシキノリンを第一試薬溶液Ｒ１として用いる。第二試薬としては、オルソ−クレゾールフタレインコンプレクソンの溶液を用いる。表１は、個別のカルシウム試料についての前述の分析中に得られた結果のいくつかを示す。サンプル採集頻度は、時間当たり３０回であった。しかし、この分析頻度は、要すれば、問題なく増やすことができる。流量は、９０ μl/minであった。反応チャンネル１６の長さは８５ mmであり、反応チャンネル１６の断面積は０．２ mm²であった。測定前に、計算を試みることは有用である。このために、濃度が正確に分かっている分析溶液を用いる。分析溶液の処理は、試料溶液に対してするように正確に行う。キャリヤー及び試薬溶液を含む、分析系１の全ての部分は、正確さと精度を改善するため、好ましくは、一定の予定温度に保つ必要がある。第二の実施例は、汚水浄化プラントにおける硝酸塩の連続分析の諸結果を示す。ここでは、図７による構成が使われており、即ち、試料溶液中への硝酸塩の吸収は、透析によって実行される。留意すべきは、図７による構成は、試料取出し部２５の代わりとしてのみならす、切換えバルブ７の代わりにも用いてよいということである。この場合、キャリヤー流体は、硝酸塩を吸収できるよう膜４０を通って流れる。制御ユニット２９を使ってポンプ４を制御することにより、膜４０の前での個々のキャリヤー流体セグメント即ちブロックの滞留時間を調整してよい。膜の外側も汚水に直接浸してよく、その結果、供給チャンネル４１と供給ダクト４２を省くことができる。その時、分析は連続的に実行してよく、即ち、キャリヤー流体は連続的に膜４０を通って流れる。硝酸塩を分析するのに、３つの試薬溶液、即ち、ヒドラジン、サルファニルアミド及びＮ−（１−ナフチル）エチレンジアミンを必要とした。キャリヤー流体用ポンプ４と３つの試薬用の３台のポンプとを連続して作動させた。全流量は、６０ μl/minであった。特定の間隔で試料を取り出し、DE 28 06 157 C2により知られている方法を使って分析した。しかし、その方法では、硝酸塩の還元のためヒドラジンの代わりにカルシウムを用いた。試料と試薬の平均反応時間は、該系では、系の連続作動により一定に保持され、このことは、化学反応は、反応生成物が検出器を通過する時は必ずしも十分に推論されない、ということを意味する。しかし、いくつかの応用では、その系を連続的にではなく間欠的に作動させるのが有利なこともあり、その結果、比較的長い、しかも精密に制御された時間がその化学反応に使えることになる。例えば、もし、試料と試薬の混合物が検出器に到達した時にその流れが止められる場合、所望時間にわたって又は所望レベルが得られるまでその化学反応をモニターすることができる。連続流を中断する第二の理由は、前述の膜が用いられる場合、精密に制御した待ち時間で、大部分の被分析成分が膜４０を通過できるということである。提案した方法を使えば、個々の試料ブロックは、もはや、気泡又はキャリヤー流体のセグメントで分離されない。対照的に、それらは、隙間無く互いに接合する。試料と試薬は、狭い反応チャンネル中へ同時に送り込まれ、且つ比較的精密に制御された流量が維持される。反応チャンネル１６の形状と寸法には、何らかの意味がある。反応チャンネル１６の断面積は、0.5 mm²未満、とりわけ0.2 mm² 未満であり、且つ長さは、250 mm、とりわけ200 mmであるので、消費される薬品類は極めて少ない。さらに、細形の断面積が丸いか四角い断面積より好ましく、その結果、試料と試薬の間の界面をできるだけ大きくでき、それによって相互混合が改善される。全流量は、100 μl/min.以下に、特に50 μl/min.以下に保持してよい。総じて、５以下のレイノルズ数を得ることができる。図６に図解した構造を使って、極めて正確な且つ予め定めた容積パーセントの試料と試薬も、同様に、反応チャンネル１６に導入することができる。この場合、試料と試薬の付加は、容積比を一定に保つことができるよう、周期的に極めて精密に実行される、ということが想定されている。各付加は、この場合、反応チャンネル１６における所望の試料ー試薬比が混合点１１”から後短距離で得られるよう、非常に少量であるものとする。ここでは、図４と５に図解した具体例のそれらと同じ形状寸法の反応チャンネル１６を用いてよい。もしポンプが所望の精度で交互に作動されるなら、切換えバルブ７の代わりに、試料ダクト１０と試薬ダクト１２を直接反応チャンネル１６に導いてもよい。このことは、特に、ポンプがｄ．ｃ．モーター又はステップモーターで駆動される場合、比較的容易に達成することができる。試料流体と試薬流体を送り込めるポンプは、その場合、それらが所望の少量の試料流体と試薬流体を相応して交互に反応チャンネル１６へ送り込めるよう、交互にパルスを受ける。前述の分析装置が浄化プラントの汚水分析に用いられる時、所要薬品量は、月に３リットルで足りる位の程度まで減少させることができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＧ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＸ，ＮＬ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＵＡ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ

Claims

【特許請求の範囲】１．複数の試料が連続的に反応チャンネルを通って検出器に至り、且つ少なくとも１つの試薬を試料群と反応させるためその反応チャンネル中へ導入される分析方法において、各試料とその間連試薬がブロックを形成し、その長さに沿って、実質的にブロックの長さの半分より短い予め定めた長さをもつセグメントにわたって平均化された、試料と試薬の間の局部容積比が、実質上、一定になるようにしてそれらを反応チャンネルへ導くことを特徴とする方法。２．反応チャンネルにおける各ブロックの流速は、各ブロック内部に、試料とその関連試薬を排他的に含有する反応セグメントが残存する程に小さくなるよう、反応チャンネルの寸法とそのブロックの長さに依存して選択することを特徴とする請求項１記載の方法。３．反応セグメントの容積より小さい容積について検出器で積算測定を行うことを特徴とする請求項２記載の方法。４．各個々の試料とその試薬の間の平均局部容積比が、任意時間に反応チャンネルの任意の場所で、実質上、一定であることを特徴とする請求項１乃至３記載の方法。５．連続した試料を互いに接合して反応チャンネルへ導くことを特徴とする請求項１乃至５記載の方法。６．前もってそれぞれ定めた容積の試料と試薬が優れた精度で反応チャンネルへ給送されることを特徴とする請求項１乃至５記載の方法。７．試料と試薬が層状で反応チャンネルへ導かれることを特徴とする請求項１乃至６記載の方法。８．少なくとも３つの層が給送中に作られ、隣接する層が試料と試薬とによってそれぞれ形成されることを特徴とする請求項７記載の方法。９．試料と試薬が、流れ方向に互いに平行に反応チャンネルへ送り込まれることを特徴とする請求項７又は８記載の方法。１０．試料と試薬の注入が相互に関して同時に行われることを特徴とする請求項９記載の方法。１１．試料と試薬が交互に連続して且つ互いに接合して反応チャンネルへ送られ、個々の試料及び試薬のセグメントの長さが、実質上、ブロックの長さより短いことを特徴とする請求項７又は８記載の方法。１２．反応チャンネルの容積の少なくとも３倍に相当する試料と試薬の全容積が、反応チャンネルへ送られることを特徴とする請求項１乃至１１記載の方法。１３．全容積の三分の一の半分がそこを通って流れるときに反応生成物の検出が行われることを特徴とする請求項１２記載の方法。１４．試料が膜の１つの側面に沿って流れる流体で形成され、その膜の他方の側面が検出すべき成分を含有する媒質に晒されることを特徴とする請求項１乃至１３記載の方法。１５．反応チャンネルの与えられた断面積で、試料と試薬について５以下のレイノルズ数が得られるように流量が選択されることを特徴とする請求項１乃至１４記載の方法。１６．分析が連続的にもしくは半連続的に実行されるようそれぞれの試料の長さを小さい状態に保つことを特徴とする請求項１乃至１５記載の方法。１７．特に、請求項１乃至１６の１つに従う方法を実行できるよう、試料給送ダクトと、少なくとも１つの試薬給送ダクトと、試料及び試薬用ポンピング装置と、反応チャンネル及び検出器とを有する分析装置において、試料及び／又は試薬の各々に使えるポンピング装置（４、１４、１５）がそれぞれのポンプを有し、その送出量が制御できることを特徴とする装置。１８．ポンプ（４、１４、１５）がｄ．ｃ．モーター又はステッパモーターで駆動されるピストンポンプの方式であることを特徴とする請求項１７記載の装置。１９．試料給送ダクト（１０）と試薬給送ダクト（１２、１３）が、その２種のダクト（１０、１２、１３）を反応チャンネル（１６）に交互に接続する給送バルブ（３７）の入力端に接続されることを特徴とする請求項１７又は１８記載の装置。２０．反応チャンネル（１６）の流動断面の１つの方向の寸法がこの寸法に直角の方向のそれより大きいことを特徴とする請求項１７乃至１９記載の装置。２１．流動断面が、実質上、長方形であることを特徴とする請求項２０記載の装置。２２．反応チャンネル（１６）が0.5 mm²以下の流動断面と250 mm以下の長さを有し、且つポンピング装置（４、１４、１５）が100 μl/mi.以下の体積流量を生ずることを特徴とする請求項１７乃至２１記載の装置。２３．検出器が、反応セグメントの容積より小さい検出器容積を有することを特徴とする請求項１７乃至２２記載の装置。