JPWO2012066893A1

JPWO2012066893A1 - 自動分析装置

Info

Publication number: JPWO2012066893A1
Application number: JP2012544160A
Authority: JP
Inventors: 恵子吉川; 創山崎
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2010-11-18
Filing date: 2011-10-18
Publication date: 2014-05-12
Anticipated expiration: 2031-10-18
Also published as: EP2642299A9; WO2012066893A1; EP2642299A1; US20130243657A1; JP5487324B2; CN103201632A

Abstract

ＬＥＤの光量が安定するように目的温度に調節することができ、かつその温度に短時間で調節できる自動分析装置である。光源１１４にＬＥＤが用いられる自動分析装置は、ＬＥＤの温度調節機構２０１を備え、この温度調節機構２０１は、光源１１４が設けられた金属部材２０２と、この金属部材２０２に埋設されて恒温槽水を流す一対の金属パイプ（流水パイプ）２０３と、光源１１４の発熱を伴うリード２５２のみを金属部材２０２に直接接触させるピン（金属小片部材）２０４と、から構成される。したがって、温度調節機構２０１により、ＬＥＤの光量が安定するように目的温度に調節することができ、かつその温度に短時間で調節できる。

Description

本発明は、血液等の生体サンプル成分を自動で分析する自動分析装置に関し、特にＬＥＤ（発光ダイオード）を光源とする測定部の温度調節機構に関する。

ＬＥＤ（発光ダイオード）は近年、技術開発により光量の増加、波長バリエーションの拡大などが進んでいる。さらに、発光のためのエネルギー効率の良さ、小型化などの長所を生かし、様々な産業分野で応用範囲が拡大している。

臨床検査用の自動分析装置の分野においても、装置の省エネルギー化、省スペース化、低価格化の要求が多く、これらに応える手段の一つとして光源にＬＥＤを用いた装置が増えている。

ＬＥＤを光源として用いる場合、課題となるのが光量の安定である。ＬＥＤは通電により自己発熱し、またＰ／Ｎ接合部の温度が変化すると光量や波長が変化することが一般的に知られている。

自動分析装置は、測定対象検体に光を照射して光量変化を測定することで血液検体中の濃度を測定する。よって、ベース値の光量の安定は必須である。また、市場要求により装置の立ち上がり時間は、より短縮されることが望まれており、光量もより短時間で安定することが必要である。

ＬＥＤを自動分析装置の計測用光源として用いるにあたり、例えば、特許文献１では、安定した光量を得るために熱容量の大きい部材にＬＥＤを装着して温度調節を行うことが提案されている。

特開２００４−１０１２９５号公報

ところで、ＬＥＤはジャンクション温度が上がると、発光量が減少する傾向にある。光を用いた計測システムにおいて光量が減少することは、検出感度が低下することにつながるため、ＬＥＤを臨床検査用の自動分析装置の光源として用いる場合、ＬＥＤに発生する熱を効率的に除去する必要がある。また、温度変化によりＬＥＤ光量は変動することも防がなければならない。さらに、より短時間で目的温度に安定させることも必要である。

ＬＥＤの熱はＰ／Ｎ接合部で発生するが、２本のリードのうち発光リードに接続されている、いずれか一方のリードに熱伝導によって伝播する。したがって、熱が伝わっているリードを冷却し、温度を安定させることにより、Ｐ／Ｎ接合部の安定を低く安定させ、ひいては光量の低下をおさえ、安定した計測が実現可能となる。

しかしながら、一般的にリードの断面は０．５〜１ｍｍ角程度と非常に細く、熱伝導により吸熱を行うには熱伝導率の高い金属部材を接触させる必要がある。一方で、リード線にはＬＥＤを発光させるための電流が流れており、電気的に絶縁する必要がある。そこで、リードと金属部材との間に絶縁シートを設ける必要がある。一般的に電気を通しにくい材料は熱伝導率が低いため、リードと金属部材との間に絶縁シートを設けるとＬＥＤからの吸熱量は大幅に減少し、結果として十分な温度調整が行えず、ＬＥＤ光量の安定は望めない。

本発明の目的は、ＬＥＤの光量が安定するように目的温度に調節することができ、かつその温度に短時間で調節できる自動分析装置を提供することにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

すなわち、本発明の自動分析装置は、発光ダイオード光源と、この発光ダイオード光源の温度調節機構とを備えた自動分析装置であって、前記温度調節機構は、前記発光ダイオード光源が設けられた金属部材と、この金属部材に埋設されて恒温槽水を流す流水パイプと、前記発光ダイオード光源の発熱を伴うリードのみを前記金属部材に直接接触させる金属小片部材と、から構成される。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。

本発明によれば、自動分析装置は、ＬＥＤの発熱を伴うリードのみを温度調節機構の金属部材に直接接触させるので、ＬＥＤの温度調節のために必要な部位である当該リードのみに、金属部材から短時間で恒温槽水の熱が伝えられて冷却される。つまり、温度調節機構により、ＬＥＤの光量が安定するように目的温度に調節することができ、かつその温度に短時間で調節できる。

本発明の自動分析装置の概略構成図である。ピンを備えた本発明の温度調節機構の（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図、（ｃ）は底面図である。熱伝導シートを備えた本発明でない温度調節機構の（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図、（ｃ）は底面図である。ピンおよび絶縁部材を備えた本発明の温度調節機構の（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図、（ｃ）は底面図である。図３の温度調節機構における検証モデルの（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図、（ｃ）は底面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本実施の形態を説明するための全図において同一機能を有するものは原則として同一の符号を付すようにし、その繰り返しの説明は可能な限り省略するようにしている。

図１は、本発明の自動分析装置の概略構成図である。なお、図１の各部の機能は公知であるため、詳細についての記述は省略する。

自動分析装置１において、サンプリング機構１０のサンプリングアーム２０は、上下移動するとともに回転しながら、このサンプリングアーム２０に取り付けられたサンプル分注プローブ１０５を用いて、左右に回転するサンプルディスク１０２に配置されたサンプル容器１０１内の試料を吸引し、反応容器１０６へ吐出するように構成されている。図１からもわかるように、サンプルディスク１０２は、サンプル容器１０１をサンプルディスク１０２上へ直接配置する場合のみならず、図示しない試験管上にサンプル容器１０１を載せることも可能なユニバーサル配置に対応可能な構造となっている。

図１における自動分析装置１の構成をさらに説明する。サンプル分注プローブ１０５は、サンプル用シリンジポンプ１０７の動作に伴ってサンプルの吸引動作および吐出動作を行う。試薬分注プローブ１１０は、試薬用シリンジポンプ１１１の動作に伴って試薬の吸引動作および吐出動作を行う。サンプル用シリンジポンプ１０７および試薬用シリンジポンプ１１１は、微細な動作が可能であるとともに、コンピュータ１０３により制御されて分注精度の厳しい管理が可能である。

各サンプルのために分析すべき分析項目は、キーボード１２１またはＣＲＴ１１８の画面のような入力装置から入力される。この自動分析装置１における各ユニットの動作は、コンピュータ１０３により制御される。

サンプルディスク１０２の間欠回転に伴ってサンプル容器１０１はサンプル吸引位置へ移送され、停止中のサンプル容器１０１内にサンプル分注プローブ１０５が降下される。その下降動作に伴ってサンプル分注プローブ１０５の先端がサンプルの液面に接触すると、液面検出回路１５１から検出信号が出力され、それに基づいてコンピュータ１０３がサンプリングアーム２０の駆動部の下降動作を停止するよう制御する。

次に、サンプル分注プローブ１０５内に所定量のサンプルを吸引した後、サンプル分注プローブ１０５は上死点まで上昇する。サンプル分注プローブ１０５がサンプルを所定量吸引している間はサンプル分注プローブ１０５とサンプル用シリンジポンプ１０７との間の流路の吸引動作中の流路内圧力変動を、圧力センサ１５２からの信号を用いて圧力検出回路１５３で監視する。吸引中の圧力変動に異常を発見した場合は所定量吸引されていない可能性が高いため、その場合の分析データに対してアラームを付加する。

次に、サンプリングアーム２０が水平方向に旋回し、反応ディスク１０９上の反応容器１０６の位置でサンプル分注プローブ１０５を下降させ、保持していたサンプルを反応容器１０６内へ吐出する。次に、サンプルが入った反応容器１０６は、試薬添加位置まで移動させられる。回転自在な試薬ディスク１２５上には、分析対象となる複数の分析項目に対応する試薬ボトル１１２が配置されている。サンプリングアーム２０に取り付けられた試薬分注プローブ１１０は、試薬ボトル１１２から反応容器１０６へ所定量の試薬を分注する。サンプルおよび試薬が加えられた反応容器１０６内の混合物は、攪拌器１１３により攪拌される。

混合物が収納された反応容器１０６は、測定手段である光源１１４と光度計１１５との間の位置へ移送され、光源１１４から反応容器１０６への照射光に基づいて光度計１１５により光量が測定される。測光信号は、Ａ／Ｄ変換器１１６を経由し、インターフェイス１０４を介してプリンタ１１７に印字出力するか、ＣＲＴ１１８に画面出力するとともにメモリとしてのハードディスク１２２に格納される。測光が終了した反応容器１０６は、洗浄機構１１９の位置にて洗浄される。洗浄用ポンプ１２０は、反応容器１０６へ洗浄水を供給するとともに、反応容器１０６から廃液を排出する。図１の例では、サンプルディスク１０２に同心円状に複数列のサンプル容器１０１がセットできるように複数列の容器保持部が形成されており、サンプル分注プローブ１０５によるサンプル吸引位置が各々の列に１個ずつ設定されている。

光源１１４としては、ＬＥＤ（発光ダイオード）光源が用いられている。また、ＬＥＤの温度による光量変化を安定させ、再現性良く測定可能とするためにＬＥＤの温度調節機構が備えられている。図２は、ピンを備えた本発明の温度調節機構の（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図、（ｃ）は底面図である。なお、図２以降の各断面図では、理解の便宜のために恒温槽もあわせて図示する。図２（ａ）〜（ｃ）に示すように、主に、温度調節機構２０１は、金属部材２０２と、一対の金属パイプ（流水パイプ）２０３と、一対の金属製ピン（金属小片部材）２０４とを備えている。

金属部材２０２は、断熱材２０５により全体が覆われている。金属部材２０２には金属パイプ２０３のＵ字状に屈曲した部分が埋設されており、この金属パイプ２０３に恒温槽２０６からの水（恒温槽水）が流れて金属部材２０２を目的温度に調節する構造となっている。金属部材２０２の材料としては、例えば、銅、鉄などが、熱伝導性が高いことから好ましい。

光源１１４は、発光部２５１と、この発光部２５１から伸びるリード２５２、２５３とからなる。図２の例ではリード２５２、２５３のみが金属部材２０２に埋め込まれている。ただし、発光部２５１も金属部材２０２に埋め込んでもよい。ＬＥＤは、いずれか一方のリードが発光リードに接続されるという構成上、発光させた際に一方のリードのみが発熱を伴うが、図２では、リード２５２が発熱を伴う一方、リード２５３は発熱を伴わない。図２（ｂ）、（ｃ）に示すように、これらのリード２５２、２５３のうち、発熱を伴うリード２５２のみが、温度調節機構２０１のピン２０４の先端と当接しており、このピン２０４に押されて金属部材２０２に直接接触するようになっている。

つまり、図２（ｂ）の特に示すように、金属部材２０２は、発熱を伴うリード２５２が埋められる部分に間隙２０２ａが形成されている。また、金属部材２０２の縁部と間隙２０２ａとの間に、ピン２０４をその本体２０４ａが突没するように収容する一対の貫通孔２０２ｂが形成されている。そして、間隙２０２ａに突出したピン本体２０４ａがリード２５２に当接することで、間隙２０２ａの奥側の金属部材壁部（図中矢印方向）にリード２５２を押し込み、金属部材２０２に接触させるようになっている。

一方、発熱を伴わないリード２５３は、金属部材２０２の温度変化の影響を受けないようにするために、絶縁性を有する断熱材（絶縁部材）２５４で覆われている。なお、ピン２０４の好ましい材料としては、金属部材２０２と同様のものが挙げられる。

このような構造にすることで、金属部材２０２とリード２５２との間の熱抵抗がほぼなくなるため、金属部材２０２に恒温水の熱が伝わるのとほぼ同じ時間でリード２５２に熱が伝えられる。金属部材２０２と金属パイプ２０３との接触面をなるべく広くとることにより、さらに熱伝達効率が向上し、結果として短時間で目的温度に温度調節可能となる。

図３は、熱伝導シートを備えた本発明でない温度調節機構の（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図、（ｃ）は底面図である。図３に示す温度調節機構３０１は、本発明の温度調節機構２０１に比して、ピンを備えていないことが実質的に異なる。温度調節機構３０１では、リード２５２、２５３の金属部材２０２への密着性を向上させるために、金属部材２０２の熱を伝えることができ、かつ絶縁性のある柔らかい材料からなる熱伝導シート２６０によりリード２５２、２５３が覆われている。リード２５２は、図３（ｃ）に示すように、熱伝導シート２６０を介して金属部材２０２に間接的に接触するようになっている。

この場合、恒温水の熱は金属部材２０２に短時間で伝えられるが、上述の熱伝導シート２６０は金属と比較して熱伝導率が１／４０００〜１／６０００程度であるため、結果として熱抵抗が高くなる。また、一般的なＬＥＤのリード寸法は、断面積が０．５ｍｍ程度、長さが２０ｍｍ程度であるため、伝熱面積が非常に小さく、熱伝導効率が低い。

つまり、本発明では、ＬＥＤの温度調節機構に、発熱を伴うリード２５２のみを金属部材２０２に直接接触させるピン２０４を設けたことにより、金属部材２０２の熱をリード２５２のみに短時間で伝えられ、短時間で目的温度に冷却して温度調節可能となるのである。このことは、絶対値のみで測定を行うため値にバラツキが生じやすい、散乱光の測定の際に、早期に所望の再現性が得られる状態にすることが可能となるため、特に有利である。また、発熱を伴わないリード２５３を、断熱材２５４で覆うことで、さらに光源１１４の温度変化による影響を少なくできるので、ＬＥＤの光量をさらに安定させて、より再現性の高い測定が可能になる。

図４は、ピンおよび絶縁部材を備えた本発明の温度調節機構の（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図、（ｃ）は底面図である。図４に示す温度調節機構４０１は、発熱を伴うリード２５２が発熱を伴わないリード２５３より電位が低いＬＥＤ光源を使用した場合の一例である。

温度調節機構４０１では、金属パイプ２０３と金属部材２０２とを電気的に絶縁するため、金属パイプ２０３の金属部材２０２に埋設された部分が絶縁部材４０２で覆われている。この絶縁部材４０２としては、例えば、熱伝導シート２６０と同様の材料を好適に用いることができる。なお、その他の構成は、温度調節機構２０１と同様である。

この場合は、金属パイプ２０３に覆われた絶縁部材４０２が熱抵抗となるが、温度調節機構３０１のように、リード２５２、２５３と金属部材２０２との間に熱伝導シート２６０がある場合と比較すると、伝熱面積を格段に広くとることが可能であるため、熱伝導効率は極めて高い。よって、このような素子を使用した場合でも、熱伝導シート２６０によりリード２５２、２５３を覆って温度調節する場合と比較して効率良く、短時間で温度調節が可能である。

以上、本発明者によってなされた発明を、実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

温度調節機構の熱伝導効率をモデル化して検証する。

（検証１）
図５は、図３の温度調節機構における検証モデルの（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図、（ｃ）は底面図である。

この検証モデルの温度調節機構５０１は、後述する図４で示した温度調節機構４０１の検証と条件をそろえるために、図３の温度調節機構３０１に対して、金属パイプ２０３に絶縁部材４０２を設けた構成とする。

絶縁部材４０２は、熱伝導率０．８Ｗ／ｍ・Ｋの熱伝導シートであり、その厚さａは１ｍｍとする。金属パイプ２０３の幅ｂは４０ｍｍ、パイプ径ｃは４ｍｍ、金属部材２０２への埋め込み深さｄは２０ｍｍとする。熱伝導シート２６０は、絶縁部材４０２と同様の材料とし、長さｅを１０ｍｍ、厚さｆを１ｍｍとする。また、リード２５２、２５３は、一辺ｇを０．５ｍｍ角とする。温度条件としては、４７℃に発熱するリード２５２を３７℃に冷却すると仮定する。

以上の条件における単位時間（秒）あたりの熱伝導量を下記式に当てはめ、計算する。

Ｑ（熱量）＝λ（熱伝導率）×Ｓ（熱伝導面積）×（Ｔ_１−Ｔ_２（温度変化））／ｈ（厚さ）
λ（熱伝導率）＝熱伝導シート２６０＝０．８Ｗ／ｍ・Ｋ
Ｓ（熱伝導面積）＝発熱を伴うリード２５２と熱伝導シート２６０とが接する面積＝０．５ｍｍ×１０ｍｍ×２（リード２５２が上下で熱伝導シート２６０と接するため）＝１０ｍｍ^２＝１０×１０^−６ｍ^２
Ｔ_１−Ｔ_２（温度変化）＝４７−３７＝１０Ｋ
ｈ（厚さ）＝熱伝導シート２６０の厚さｆ＝１ｍｍ＝１×１０^−３ｍ

これにより、図５の構成における熱伝導効率は下記のようになる。
Ｑ＝０．８Ｗ／ｍ・Ｋ×１０×１０^−６ｍ^２×１０Ｋ／１×１０^−３ｍ＝８×１０^−２Ｗ／Ｓ＝０．０８Ｊ

（検証２）
次に、図４に示した本発明の温度調節機構４０１について、図５の温度調節機構５０１と同様の寸法ａ〜ｄ、ｇにてモデル化し、検証する。なお、温度調節機構４０１では、熱伝導シート２６０が存在しないため、寸法ｅ、ｆについては考慮する必要がないことは言うまでもない。

この温度調節機構４０１では、リード２５２と金属部材２０２はともに金属であるため、熱抵抗はないと仮定し、熱交換は金属パイプ２０３と金属部材２０２間に発生するとして検証する。

λ（熱伝導率）＝熱伝導シート（絶縁部材）４０２＝０．８Ｗ／ｍ・Ｋ
Ｓ（熱伝導面積）＝４（パイプ径）×π×１／２（パイプ円周の１／２）×３６×π×１／２＋２＋２（簡略化のため配管中心部長さとする）×２（金属パイプ２０３が上下で熱伝導シート４０２と接するため）＝７６０．１３ｍｍ^２＝７６０×１０^−６ｍ^２
Ｔ_１−Ｔ_２（温度変化）＝４７−３７＝１０Ｋ
ｈ（厚さ）＝熱伝導シート２６０の厚さｆ＝１ｍｍ＝１×１０^−３ｍ

これにより、図５の構成における熱伝導効率は下記のようになる。
Ｑ＝０．８Ｗ／ｍ・Ｋ×７６０×１０^−６ｍ^２×１０Ｋ／１×１０^−３ｍ＝６．０８Ｗ／Ｓ＝６．０８Ｊ

以上の検証はあくまで一例ではあるが、一般的構成である図５の温度調節機構５０１の１秒間での熱伝導率が０．０８Ｊであるのに対し、本発明である図４の温度調節機構４０１のそれは６．０８Ｊであり、温度調節機構４０１の熱伝導効率は温度調節機構５０１の７６倍となる。このことより、図５の場合は熱伝導量が細いリード２５２の表面積によって決まってしまうが、図４の場合はリード２５２と金属部材２０２とを押し当てて密着させることで金属部材２０２の温度調節をするので、リード２５２に熱を瞬間的に伝えることが可能なことがわかる。つまり、本発明の温度調節機構では、流水パイプと金属部材の接触面を大きくとれる結果、全体の熱伝導効率を上げることが可能となり、より短時間で目的温度に調節可能である。

本発明は、血液等の生体サンプル成分を自動で分析する自動分析装置に関し、ＬＥＤ（発光ダイオード）を光源とする測定部の温度調節機構を有する装置やシステムに広く適用可能である。

１自動分析装置
１０サンプリング機構
２０サンプリングアーム
１０１サンプル容器
１０２サンプルディスク
１０３コンピュータ
１０４インターフェイス
１０５サンプル分注プローブ
１０６反応容器
１０７サンプル用シリンジポンプ
１０９反応ディスク
１１０試薬分注プローブ
１１１試薬用シリンジポンプ
１１２試薬ボトル
１１３攪拌器
１１４光源（発光ダイオード光源）
１１５光度計
１１６Ａ／Ｄ変換器
１１７プリンタ
１１８ＣＲＴ
１１９洗浄機構
１２０洗浄用ポンプ
１２１キーボード
１２２ハードディスク
１２５試薬ディスク
１５１液面検出回路
１５２圧力センサ
１５３圧力検出回路
２０１温度調節機構
２０２金属部材
２０２ａ間隙
２０２ｂ貫通孔
２０３金属パイプ（流水パイプ）
２０４ピン（金属小片部材）
２０４ａピンの本体
２０５断熱材
２０６恒温槽
２５１発光部
２５２発熱を伴うリード
２５３発熱を伴わないリード
２５４断熱材（絶縁部材）
２６０熱伝導シート
３０１温度調節機構
４０１温度調節機構
４０２絶縁部材
５０１温度調節機構

Claims

発光ダイオード光源と、この発光ダイオード光源の温度調節機構とを備えた自動分析装置であって、前記温度調節機構は、前記発光ダイオード光源が設けられた金属部材と、この金属部材に埋設されて恒温槽水を流す流水パイプと、前記発光ダイオード光源の発熱を伴うリードのみを前記金属部材に直接接触させる金属小片部材と、から構成されることを特徴とする自動分析装置。
請求項１に記載の自動分析装置において、前記発光ダイオード光源の発熱を伴わないリードが絶縁部材で覆われることを特徴とする自動分析装置。
請求項１または２に記載の自動分析装置において、前記流水パイプが絶縁部材で覆われることを特徴とする自動分析装置。