JPWO2010013777A1 - 試料分析装置 - Google Patents

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Abstract

光源としてLED素子を用い、光源から受光素子までを含む測光ユニットをコンパクト化する。装置から一体として取り外し可能なホルダ30にLEDからなる発光部15と受光素子21を保持させ、恒温流体17を保持する恒温槽18内にホルダを設置し測光ユニットをコンパクト化する。

Description

本発明は試料に含まれる成分量を分析する分析装置に関わり、例えば血液や尿に含まれる成分量を分析する自動分析装置に関する。
試料に含まれる成分量を分析する分析装置として、光源からの光を、試料、又は試料と試薬とが混合した反応溶液に照射し、試料又は反応溶液を通過した単一又は複数の測定波長の透過光量を受光素子にて測定して吸光度を算出し、吸光度と濃度の関係から成分量を割り出す自動分析装置が広く用いられている(例えば特許文献1)。自動分析装置では多数の検査項目に対応するため、複数の測定波長を必要とし、また高精度に測定するため、全ての波長において一定以上の光量を安定して測定できることが必要である。これまでに光源として、比較的光量が得られ発光スペクトルが広いハロゲンランプ等が用いられてきた。近年、この光源として半導体発光素子である発光ダイオード(Light Emitting Diode:LED)の適用が検討されている。LEDは安価で長寿命であり、コンパクト化が図れるという利点がある。しかしながら従来の方法では一定光量を確保するために、反応溶液を一定温度に保つ恒温槽の外部にLEDを配置し、そこからレンズ等の光学部品を用いて、光学系により光を集光し恒温槽内のセルや、受光素子に光を照射することが考案されていた(例えば特許文献2)。このため、光源と受光素子を含む測光ユニットが大きくなり、必ずしもコンパクトになっていなかった。また、LEDの発光部であるLED素子には自己発熱や周囲の温度変化により光量や発光スペクトルが変化するといった欠点があった。これまでに放熱手段として、アルミブロックで放熱する構成などが提案されてきた(例えば特許文献3)が、固体ブロックを用いた放熱では光源近傍に一定体積が必要なためコンパクト化に限界があった。
米国特許第4451433号明細書 特開2007−218633号公報 特許第3964291号公報
従来の自動分析装置では、光源としてLEDを適用した際、光量を確保するために光を集光する光学系や、温調機構が必要なことから、実際には光源から受光素子までを含む測光ユニットのコンパクト化にはつながらなかった。
とくに自動分析装置においては検査の精度確保のため、0.01%の光量安定性と0.1nm以下の発光スペクトル安定性が求められている。従来の方法ではLEDの自己発熱により素子の温度が変化し、光量、及び発光スペクトルが変動していたため、安定して測定することができなかった。LEDは典型的な例として素子の温度が1℃変化すると光量が0.1%変化する。このため光量変動を0.01%以下に安定に保つためには、素子の温度変化は0.1℃以下に抑えることが必要である。さらにLED素子は素子温度が1℃変化すると発光する中心波長が約0.1nm変化することが知られており、発光スペクトル)が変化する。前述した光量の変化は定期的に水を反応溶液とし、どの程度変化しているのか検出することが可能であるが、発光スペクトルの変化は分光していないために受光素子において検出できない。そのためLED素子の温度変化は0.1℃以下を確実に保つ必要があった。しかしながらそれを実現する具体的な方法は開示されていなかった。
また光量の変動はLED素子の温度だけでなく光学系の光路にも由来する。光学系全体の温度が変化すると、LED素子と受光器を支えるホルダが膨張・縮小し、LED素子と受光器の距離である光路長が変化する。これにより光量が変化する。
これらLED素子の温度変化や、光路の変化により光量が変化する。このような光量の変化が大きいと正確な測定ができなくなる。このため、より正確な測定をするためには素子の温度を一定に保つことと光学系全体の温度を一定に保つ必要があった。
ホルダにLED素子と受光素子を保持し、恒温流体を保持する恒温槽内に設置する。ホルダは、典型的には、発光部を内蔵した第1の垂直アーム、受光素子を内蔵した第2の垂直アーム、第1の垂直アームと第2の垂直アームの下部を接続する接続アームを有する一体構造のものとする。第1の垂直アームと第2の垂直アームの互いに対向する面は平面であるのが好ましく、その側方の面は曲面であるのが好ましい。発光部は、発光ダイオード及び発光ダイオードから発生した熱を恒温槽内の恒温流体に放熱するための放熱板を備える。また、ホルダは取り外し可能とすることができる。自動分析装置において恒温槽内部の恒温流体は、反応溶液の温度を一定に保つために常に37℃±0.1℃以内に高度に制御されており、その恒温槽内の恒温流体に浸すことで発光部及び発光部と受光部との距離を一定に保つことができる。
本発明に従えば、恒温流体を保持する恒温槽内に光源と受光素子を一体化したホルダを設置することで、測光ユニットをコンパクトにできる。また上記ホルダの内側に向かいあった平面を持たせることで、反応溶液を保持するセルに対して光源と受光素子をより近づけてコンパクトに配置することができる。コンパクト化により光源から受光素子までの距離が近くなり、一定以上の光量を確保しやすくなる。また、恒温流体でホルダを温調できるため、LED素子と受光素子との温度変化による光路の変化を抑え、長時間にわたり光量及び発光スペクトルが安定し、光量安定性0.01%を維持しながら発光スペクトルを安定に保つ、高精度な測定が可能となる。
分析装置の全体構成例を示す概略図。 測定ユニットの構成例を示す断面模式図。 ホルダの構成例を示す斜視図。 上部から見た出射面と入射面を表す断面模式図。 放熱板の構成例を示す図。 恒温流体が空気である場合の測定ユニットの構成例を示す図。 測定ユニットの構成例を示す図。 測定ユニットの構成例を示す図。 測定ユニットの構成例を示す図。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図1は、本発明による分析装置の全体構成例を示す概略図である。試料ディスク3には、試料1を収めた試料カップ2が複数配置されている。試薬ディスク6には、試薬4を収めた試薬ボトル5が複数配置されている。セルディスク9には、内部で試料1と試薬4とを混合させ反応溶液7とするセル8が複数配置されている。試料分注機構10は、試料カップ2からセル8に試料1を一定量移動させる。試薬分注機構11は、試薬ボトル5からセル8に試薬4を一定量移動させる。攪拌ユニット12は、セル8内で試料1と試薬4を攪拌し混合させる。測定ユニット13は、反応溶液7に光を照射する光源である発光部15、及び反応溶液7を透過した光を受光する受光素子21を備える。分析の終了したセル8は洗浄ユニット14で洗浄され、試料分注機構10から次の試料が分注され、試薬分注機構11から新しい試薬が分注される。セル8は恒温槽18に保持された恒温流体17に浸漬され、セル8及びその中の反応溶液7が一定温度に保たれた状態で移動される。
分析装置はさらに、発光部に一定の電流を供給する電流制御回路、装置各部を制御する制御部、制御部からの命令に従い、試料ディスク、試薬ディスク、セルディスクをそれぞれ独立に回転駆動する駆動部、恒温流体の温度と流量を制御する恒温流体制御部、各種データを蓄えたデータ格納部、外部より必要なデータをデータ格納部に入力する入力部、受光素子21の受ける光量から吸光度を算出する測定部、吸光度データから成分量を割り出す解析部、データを表示し外部に出力できる出力部を有する。
試料1中のある成分量の分析は、次の様な手順で行われる。まず、試料分注機構10により試料カップ2内の試料1をセル8内に一定量分注する。次に、試薬分注機構11により試薬ボトル5内の試薬4をセル8内に一定量分注する。これら分注の際は、試料ディスク3、試薬ディスク6、セルディスク9は制御部の制御下にそれぞれの駆動部によって回転駆動され、試料カップ2、試薬ボトル5、セル8を分注機構が届く所定の位置に移動する。続いて、セル8内の試料1と試薬4とを攪拌ユニット12により攪拌し、反応溶液7とする。反応溶液7の吸光度はセルディスク9を回転中に、セル8が測定ユニット13を通過するたびに測定され、順次、データ格納部に吸光度データが蓄積される。通常、10分間程度測光後、洗浄機構14によりセル8内を洗浄し、次の分析を行う。その間、必要であれば一定時間後、別の試薬4を試薬分注機構11によりセル8内に追加して分注し、攪拌ユニット12により攪拌し、さらに一定時間測定する。これにより、一定の時間間隔を持った反応溶液7の吸光度データが、データ格納部に格納される。蓄積された吸光度データは、解析部においてそれぞれの検査項目ごとの検量線データに基づき成分量を分析する。各部の制御・分析に必要なデータは入力部からデータ格納部に入力する。各種データや解析結果は、出力部により表示・出力する。
図2は、測定ユニット13の構成例を示す断面模式図である。恒温槽18内は、制御部により温度・流量を制御された恒温流体17が送りこまれて循環しており、セルディスク9に配置された反応溶液7を保持するセル8が恒温流体17に浸されている。恒温流体17には水を用い、温度は反応温度である37±0.1℃に温調した。発光部15と受光素子21は、一体で装置から取り外し可能なホルダ30により保持される。発光部15にはLED素子を用いた。
図3は、ホルダ30の構成例を示す斜視図である。ホルダ30は、発光部15を内蔵した第1の垂直アーム51、受光素子21を内蔵した第2の垂直アーム52、及び第1と第2の垂直アーム51,52の下部を接続して一体化する接続アーム53を備える。第1の垂直アーム51及び第2の垂直アーム52は、内側に向かいあった出射面44と入射面45を有する。出射面44と入射面45には、それぞれ光出射窓46と光入射窓47が設けられている。発光部15は電流制御回路から電力が配線41aにより供給され、光16を出射する。光16は光出射窓46から恒温流体17内に出射される。図2のように出射面44と入射面45の間に位置するセル8内の反応溶液7を通過した結果得られる光は、光入射窓47からホルダ30内部に入射し、受光素子21にて受光される。受光された光は電気信号として、配線41bを通じて測定部に送られ、吸光度データとして測定される。発光部15の背面に放熱板31を保持する。
図4は、出射面44と入射面45を上部から見た場合の断面模式図である。恒温流体17中にホルダを設置したことにより恒温流体17の流れを乱すと、気泡やカビ・汚れの発生原因となり分析が困難になる。そのためホルダ形状はできるだけ恒温流体17の流れを乱さないことが肝要である。ホルダの出射面44と入射面45は、図4(a)のように曲面であると、循環する恒温流体の流れを乱さずにホルダを配置できるため有利であるが、発光部15と受光素子21との距離aが長くなり、コンパクト化の面では不利となる。図4(b)のように出射面44と入射面45が平面であった方が、発光部15と受光素子21の距離bが小さくなり、より測光ユニットをコンパクトにすることが可能である。さらには図4(c)のように出射面44と入射面45は平面でありながら、出射面44と入射面45の側方の面、すなわち循環する恒温流体の流入側の面及び流出側の面を曲面にすることで、恒温流体の流れを乱さずに測光ユニットをコンパクト化することができる。
図5に、発光部背面の放熱板の構成例を示す。市販LEDには大きく平面実装型と砲弾型の二種類存在する。LED素子の温度を一定に保つためにはLED素子と直結しているリードフレームを温調することが肝要である。平面実装型の場合はリードフレームが平面上に配線され、LED素子の背面の平板を温調することで容易に放熱することができる。このようなLED素子としてたとえばLUMILEDS LIGHTING社製、LUXEON STARなどがある。図5(a)は平面実装型のLEDを放熱する構成であり、発光部15であるLED素子と直結しているリードフレーム62が接触する平板61と、放熱板31が接触するように配置した。平板61と放熱板31との間は温調用シリコーングリースで温度伝達がスムーズに行われるよう配慮した。リードフレーム62は配線41aに接続され、電力が供給される。また図5(b)に砲弾型のLEDを放熱する構成を示す。リードフレーム62周囲を絶縁熱伝導シート63で包み、放熱板31’と接触させた後、放熱板31を通じて外部の恒温流体17を通じて温調した。絶縁熱伝導シートには株式会社タイカ社製αGELシートを用いた。以上の構成によりLED素子の発光光量を一定に保つことが可能である。
ホルダ30の材質は、恒温流体17が内部に入りこまないように防水性を持ち、さらに内部の受光素子21に光が入りこまないように遮光性のある材料として、本実施例ではBMC(Bulk Molding Compound)を用いた。光出射窓46と光入射窓47の材質は、ガラス、環状オレフィンポリマー、ポリスチレンなどの透明材質とし、内部に恒温流体17が入りこまないようにシールした。ホルダ30は、このような流体を通さず、光を透過させる出射面、入射面をもつことにより、容易に恒温流体中で計測することが可能となる。本実施例では恒温流体17に水を用いたが空気やシリコーンオイル、フッ素オイルでもよい。恒温流体17がシリコーンオイルやフッ素オイルの場合は、ホルダ30の材質はポリスチレンや金属などオイルで侵食されない樹脂や材料にする必要がある。
また、移動するセル8に対するホルダ30の位置精度は測定精度を決める上で非常に重要であり、位置精度が悪いとセル内部の反応溶液を測定できないこともある。本実施例では、図3に示すように、ホルダ30は固定部である水平固定面42a,42bと垂直固定面43を有しており、恒温槽18に位置精度よく取り付けることができる。またホルダ30と装置の間は電力供給や、信号を取り出すための配線が必要であるが、ホルダ内部から配線をそのまま取り出し、装置につなげると取り付けが複雑となる。本実施例のホルダ30は、配線41a,41bと接続された電極ソケット48を有することにより、外部からの電力供給や、内部の信号出力などを容易に入出力することができる。
また本実施例では恒温流体に水を用いたが、空気や油でも同様の効果が得られる。
図6に、恒温流体を空気とした場合の測光ユニットの構成例を示す。恒温流体が空気の場合は恒温槽外部の空気と混合が少ないように、恒温槽18とセル8との隙間を少なくし配置することで、温調性能を良好に保つことが可能である。
また、ホルダ30内にガラスや環状オレフィンポリマー、エポキシ樹脂などの透明材料によるレンズ又は、光を通さない遮光材料などによるスリット等を配置し、発光部から出射される光を集光する光学系が組まれていても良い
本実施例によれば、発光部15と受光素子21を保持する一体として装置から取り外し可能なホルダ30の少なくとも一部を、測定光路が恒温流体中に位置するようにして恒温槽18内に位置させることで、一定光量を保持しながらもコンパクト化を可能とした。またホルダ30を恒温槽内に配置することで、光源と受光素子との温度変化による位置変動が抑えられ、光量変化が少ない高精度な測定が可能となる。
自動分析装置では多種の検査項目を同時に測定する必要がある。しかしながら検査項目ごと、試薬ごとに測定に使用する波長は異なる。例えばUN(ウレアーゼ)では340nm及び405nm(和光純薬工業株式会社製LタイプワコーUN)、ALP(アルカリ性ホスファターゼ)では405nm及び505nm(和光純薬工業株式会社製LタイプワコーALP・J)、CRP(C反応性蛋白)では600nm及び800nm(和光純薬工業株式会社製LTオートワコーCRP)などである。本実施例では、多種の検査項目での同時測定を可能とするため、一つのホルダに発光部15を複数設けて集積した場合の構成例を示す。分析装置の全体構成、及びその他、以下に記載しない条件は、実施例1と同様である。
図7に、本実施例における測定ユニット13の構成例を示す。ホルダ30には測定波長の種類に対応して12種類の発光部15A〜15Lと受光素子21A〜21Lを設けた。ホルダ30は、セルディスク9に配置され円軌道に沿って移動するセル8を挟んで複数の発光部と受光素子が位置するように、円弧状の形状とした。発光部15A〜15Lには、測定波長340nm,405nm,450nm,480nm,505nm,546nm,570nm,600nm,660nm,700nm,750nm,800nmを発するLED素子を用いた。このように複数の別々の発光波長を持つLED素子を配置することで、多数の検査項目に対して測定波長を選択し同時に分析することができる。
発光部15A〜15Lは放熱板31A〜31Lと接触しており、発光部15A〜15Lの自己発熱は放熱板31A〜31Lを通じて恒温流体17に放熱することができる。また、隣り合う発光部15A〜15Lの間及び隣り合う受光素子21A〜21Lの間には、各受光素子に対向する発光部以外の発光部からの光が入り込まないように仕切りを設けた。本実施例によれば、発光部15と受光素子21を複数設け、発光部15の発する光の波長を変えることで、コンパクトな構造でありながらも複数の波長の吸光度データを測定することができる。
本実施例では、複数のホルダを同一円周上に配置した場合の構成例を示す。分析装置の全体構成、及びその他、以下に記載しない条件は、実施例1と同様である。
図8に、本実施例による測定ユニット13の構成例を示す。セルディスク9に配置され円軌道に沿って移動するセル8を挟んで発光部と受光素子が位置するように、同一円周上に、複数のホルダを配置した。このように測光ユニットを恒温槽内に設置される発光部と受光素子を保持するホルダの構成としたことで、測光ユニットを簡単に複数個配置できるようになる。図8の例では、4個のホルダ30a〜30dをセルディスク9の中心に対して0゜,90゜,180゜,270゜の角度位置に配置した。各ホルダ30a〜30dの発光部15a〜15dは同じ波長の光を発光する。
測定は、反時計周りに回転しているセルディスク9に配置されたセル8がホルダ30a〜30dのどれかを通過するたびに行われる。同一円周上に同じ波長の光を発する発光部15a〜15dを持つ4個のホルダ30a〜30dを並べることにより、ホルダが1個の場合に比べて同一時間内に4倍のデータを取得することができる。これにより、反応溶液7の吸光度データの時間分解能を上げることで高精度に測定できるようになる。
本実施例では、分析装置のハイスループット化のためセルディスク9上にセルを多重化して配置した場合の構成例を示す。分析装置の全体構成は実施例1と大部分が同じであるが、セルディスク9上にセル8を複数の同心円状に配置した点が異なる。
図9に、本実施例における測定ユニット13の構成例を示す。図9(a)は測定ユニットの断面模式図、図9(b)はその上面模式図である。図9の例では、セルディスクの異なる半径位置に3重の同心円状に保持されたセル8a〜8c内の試料7a〜7cそれぞれに対して、発光部15a〜15c、及び受光素子21a〜21cを保持するホルダ30を配置する。対をなす発光部と受光素子はそれぞれ一対の垂直アームに内蔵され、各垂直アームは下端が接続アームで一体に接続されている。ホルダ30内の配線はすべて電極ソケット48より纏めて外部と接続することができる。
発光部15a〜15cに用いたLED素子の自己発熱は、放熱板31a〜31cを通じて恒温流体に放熱することができる。本実施例によれば、セルを半径が異なる複数の円周上に配置し、複数の円周上それぞれに対して少なくとも一つの装置から一体として取り外し可能なホルダ30を配置することにより、よりハイスループットに測定することができる。
1 試料
2 試料カップ
3 試料ディスク
4 試薬
5 試薬ボトル
6 試薬ディスク
7 反応溶液
7a〜7c 反応溶液
8 セル
8a〜8c セル
9 セルディスク
10 試料分注機構
11 試薬分注機構
12 攪拌ユニット
13 測定ユニット
14 洗浄ユニット
15 発光部
15A〜15L 発光部
15a〜15d 発光部
16 光
17 恒温流体
18 恒温槽
21 受光素子
21A〜21L 受光素子
21a〜21d 受光素子
30 ホルダ
30a〜30d ホルダ
31 放熱板
31’ 放熱板
31A〜31L 放熱板
31a〜31c 放熱板
41a〜41b 配線
42 水平固定面
42a〜42b 水平固定面
43 垂直固定面
44 出射面
45 入射面
46 光出射窓
47 光入射窓
48 電極ソケット
51 第1の垂直アーム
52 第2の垂直アーム
53 接続アーム
61 平板
62 リードフレーム
63 絶縁熱伝導シート

Claims (14)

  1. 恒温流体を保持する恒温槽と、
    反応溶液を入れる複数のセルと、
    前記複数のセルを前記恒温槽内の恒温流体に浸された状態で保持するセルディスクと、
    前記セルディスクを回転駆動する駆動部と、
    前記セルに照射する光を発生する発光部と前記セルを透過した光を検出する受光素子を保持するホルダとを有し、
    前記ホルダは、前記恒温流体に浸漬して前記恒温槽内に配置されていることを特徴とする試料分析装置。
  2. 請求項1記載の試料分析装置において、前記ホルダは、前記発光部を内蔵した第1の垂直アームと、前記受光素子を内蔵した第2の垂直アームと、前記第1の垂直アームと第2の垂直アームの下部を接続する接続アームを有することを特徴とする試料分析装置。
  3. 請求項1記載の試料分析装置において、前記発光部は発光ダイオードと、前記発光ダイオードから発生した熱を前記恒温流体に放熱するための放熱板とを備えることを特徴とする試料分析装置。
  4. 請求項1記載の試料分析装置において、前記ホルダは取り外し可能であることを特徴とする試料分析装置。
  5. 請求項2記載の試料分析装置において、前記第1の垂直アームと第2の垂直アームの互いに対向する面は平面であることを特徴とする試料分析装置。
  6. 請求項5記載の試料分析装置において、前記第1のアームは光出射窓を有し、前記第2のアームは光入射窓を有することを特徴とする試料分析装置。
  7. 請求項5記載の試料分析装置において、前記第1の垂直アーム及び第2の垂直アームの前記互いに対向する面の側方の面は曲面であることを特徴とする試料分析装置。
  8. 請求項1記載の試料分析装置において、前記ホルダの壁面は流体を通さず、かつ遮光性を有することを特徴とする試料分析装置。
  9. 請求項1記載の試料分析装置において、前記ホルダは、外部と電力や情報を入出力するための電極を有することを特徴とする試料分析装置。
  10. 請求項1記載の試料分析装置において、前記ホルダは、前記恒温槽に位置精度よく取り付けるための固定部を有することを特徴とする試料分析装置。
  11. 請求項1記載の試料分析装置において、前記ホルダは、複数の発光部及び複数の受光素子を有することを特徴とする試料分析装置。
  12. 請求項1記載の試料分析装置において、前記ホルダは前記恒温槽の異なる位置に複数配置されていることを特徴とする試料分析装置。
  13. 請求項2記載の試料分析装置において、前記セルディスクは異なる複数の半径位置にセルを保持し、前記ホルダは前記複数の半径位置に対応して前記第1の垂直アームと第2の垂直アームの組を複数組有することを特徴とする試料分析装置。
  14. 請求項11記載の試料分析装置において、前記複数の発光部は、発光波長が340nm、405nm、450nm、480nm、505nm、546nm、570nm、600nm、660nm、700nm、750nm、800nmの少なくとも一つの発光部を有することを特徴とする試料分析装置。
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