JP3812219B2

JP3812219B2 - 化学分析装置

Info

Publication number: JP3812219B2
Application number: JP14764699A
Authority: JP
Inventors: 加藤　　宗; 亮三宅; 孝男寺山; 弘三巻; 裕康内田; 智憲三村; 晃稲垣
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-05-27
Filing date: 1999-05-27
Publication date: 2006-08-23
Anticipated expiration: 2019-05-27
Also published as: JP2000338113A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は化学分析装置に係り、特に、反応容器内の試薬とサンプルの混合のための攪拌に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の化学分析装置では、攪拌機構はヘラやスクリューを被攪拌対象に浸し、それらの回転によって被攪拌対象内に流動を発生させて混合している。
【０００３】
また、特開平８−１４６００７号公報にはヘラやスクリューの代わりに超音波を用いる攪拌機構が開示されている。即ち、超音波を被攪拌物に照射して、それによって、生じる被攪拌物自体の音響流を用いてサンプルと試薬を非接触で攪拌し混合するものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
反応容器内の被攪拌対象物を十分に混合する場合、反応容器内に十分な流動を発生させる必要がある。そのため、被攪拌対象物固有の力学的特性に応じた最適な攪拌操作を与えてやらなければならない。前述のヘラやスクリューを用いた攪拌方法では、ヘラの形状、回転速度、回転時間、被攪拌物にそれを浸す深さ等が攪拌操作のパラメータである。また、超音波を用いた攪拌方法では音波の周波数、強度分布等が攪拌操作のパラメータである。
【０００５】
攪拌の最適化を行なうためには、攪拌を行なう前に被攪拌対象物の特性が予め与えられていることが好ましい。
【０００６】
本発明の目的は、化学分析装置において被攪拌物の特性を攪拌実行前にセンシングし、その結果に基づいて最適化された攪拌パラメータによって攪拌を行なうことによって攪拌・混合の効率を向上させることにある。また、攪拌中あるいは終了時点での被攪拌物の混合程度を計測することによって、再攪拌の必要性を判定したり、分析結果の信頼性評価の指標を与えることが可能な攪拌機構を実現することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明は、上部開口部を有する少なくとも１個の反応容器と、その開口部からサンプルを供給するサンプル供給手段および試薬を供給する試薬供給手段と、サンプルと試薬とを攪拌する攪拌手段とを有する化学分析装置において、前記攪拌手段は、前記反応容器の外部に設けられこの反応容器に音波を照射する音波発生手段と、この音波発生手段が発生する音波を制御するコントローラーとを備え、このコントローラーは、サンプルおよび試薬の混合物の粘性あるいは密度あるいは表面張力あるいは反応容器への親水性あるいはこれらの組み合わせを前記音波発生手段が発生した音波の透過を用いて自動的に検出するとともに攪拌操作中あるいは終了時に攪拌の程度を自動的に計測し、前記反応容器の音波の透過を前記音波発生手段を用いて測定する際には、反応容器内の液面への影響を無視できる微弱な音波を発生するよう前記音波発生手段を制御するものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施例を図１および図２を用いて説明する。図１は本実施例の化学分析装置の構成を示す傾視図である。図２は図１に示す化学分析装置において、被攪拌物に対して自動的に液体の特性をセンシング（検出）し、その被攪拌物にとって最適な条件で攪拌混合を行なうための、非接触攪拌装置の構成を示す縦断面図である。
【０００９】
図１に示すように、本化学分析装置は主に反応容器１０２を格納する反応ディスク１０１と、反応ディスク１０１に格納されている反応容器の恒温状態を保つ為の恒温槽１１４とを備えている。反応ディスク１０１は、図示していない駆動機構によって回転し、反応容器が恒温槽１１４中を回転できる構成となっている。また、サンプルカップ１０４を収納するサンプル用のターンテーブル１０３と、試薬ボトル１０６を格納する試薬用のターンテーブル１０５と、サンプル、試薬をそれぞれ反応容器に分注するサンプリング分注機構１０７と、試薬分注機構１０８とを備えている。さらに、分注されたサンプルと試薬を反応容器内で攪拌する攪拌機構１０９と、反応容器内の混合物質の反応過程、及び反応後の吸光度を測定する測光機構１１０と、検査(測光)が終了した後に反応容器を洗浄する洗浄機構１１１を備えている。この検査結果は、モニター１１３に出力される。
【００１０】
次に、図２を用いて攪拌機構１０９の構成を説明する。
【００１１】
反応ディスク１０１に格納された反応容器２０１は、恒温槽１１４中の恒温水２０３に浸されながら、メインコントローラ１１２のプログラムによって自動的に回転および停止動作を繰り返している。恒温槽１１４中の攪拌機構１０９を備えた位置で停止したとき、メインコントローラ１１２からの司令２０４によって、攪拌機構１０９は動作を開始する。攪拌機構１０９は、反応容器１０２の側面および底面から任意の強度分布で音波が照射できるように、アレイ状に配置された側方アレイ音源２０５と下方アレイ音源２０６を恒温槽１１４に設置した構成となっている。また、側方から照射され反応容器１０２を透過してきた音波の強度分布を測定するための受音素子２０７が側方音源の反対側に音源側と同様にアレイ状に設置した構成となっている。
【００１２】
これらの各構成要素は、検査を開始する前に、予めコンソール１１３で設定された分析項目に基づいて、自動的にメインコントローラ１１２より作成されるプログラムに従って動作する。
【００１３】
以上のような構成において、本化学分析装置は以下のように動作する。まず、サンプルカップ１０４からサンプリング機構１０７が、サンプルを反応容器１０２内に分注する。次に、その反応容器１０２を格納した反応ディスク１０１は、試薬分注位置まで回転する。そこで、試薬分注機構１０８が、試薬ボトル１０６から試薬を所定量反応容器１０２内に分注する。さらに、反応ディスク１０１は、攪拌機構１０９が設置されている位置まで回転する。そこで、反応容器内のサンプルと試薬の攪拌混合が行なわれる。
【００１４】
攪拌が終了した時点で、反応ディスク１０１は側定位置まで回転する。そこで、測光機構１１０により測定が開始される。測定が終了した時点で、反応ディスク１０１は洗浄位置まで回転する。そこで、洗浄機構１１１により、反応容器内のサンプルと試薬の混合物は吸引され、反応容器は洗浄処理される。このような一連のプロセスが複数のサンプルに対して逐一バッチ処理的に進められていく。
【００１５】
攪拌機構１０９における音源系および受音系はコントローラ２０８に接続されており、以下に示すような動作を行なう。なお、図２に示した本攪拌機構１０９のコントローラー２０８には圧電素子を駆動するためのドライバーと、受音素子２０７からの出力を増幅するアンプが内蔵されている。
【００１６】
化学分析装置本体のメインコントローラー１１２からの司令２０４によって、まず、反応容器１０２内の被攪拌対象物の液面高さ２０９、表面張力、壁面への親水性等を攪拌実行に先駆けて検知する。これらの検知方法を図３及び図８を用いて説明する。図３に本コントローラ２０８の動作に関する基本的なフローチャートを示す。図８は音波の発生状況を示す図である。
【００１７】
図８（ａ）に示すように、側方アレイ音源２０５と受音素子２０７の中から、それぞれ対向する一組の音源と受音素子とを動作させる。そして、その位置における反応容器の局所的な音波の透過３０１、３０２を測定する。この際重要なのは、発信する音波が、反応容器を透過し、さらに、その音波が反応容器内の液面に対して何ら仕事をしない、あるいはその影響が無視できる程度の微弱であることである。このような動作を、図中１番からｎ番目あるいはｎ番から１番目までの各音源と受音素子との組について行ない、各位置における音波の透過量について測定する（図３のステップ３１０）。この際、反応容器中に液体がある場合と無い場合では、音波が伝播する音響インピーダンスが著しく異なる。そのため、透過する音波の違いが生じる。従って、各位置における音波の透過量の差分を求め（ステップ３１１）、その値が最も大きな位置が、液面３０３の存在する位置（ステップ３１２）ということになる。液面の検出には音源と受音素子との組の数、つまりアレイの分割数ｎが多ければ多いほど精度の高い液面検出ができることは言うまでもない。
【００１８】
次に、下方の音源より図８（ｂ）に示すように音源側に強度が偏った強度の音波３０５を照射し、液面３０６を音源側の反応容器側面に押し上げると、これに伴って反対側の側面では液面３０７が下がる。このような液面の変形と下方より照射する音波の強度との関係は被攪拌対象物の特性（表面張力、反応容器壁への親水性、被攪拌物の密度等）によって支配されている。このため、下方の音源より照射する音波の強度と、液面の偏りを測定すれば被攪拌物の上記特性を同定することができる（ステップ３１３）。一例として、図８（ｂ）では、液面の高さ全域に渡って音波３０８を照射し、反対側に透過してくる領域３０９より、液面の状態を同定する方法を示している。このような方法を用いて、下方の音源より照射されている音波の強度分布３０６を連続的に変化させ、それに対応する液面の状態３０６、３０７を連続的に測定することによって、被攪拌対象物の特性をより精度よく推定することが可能となる。
【００１９】
このような被攪拌対象物の特性をセンシングする処理が終了した段階で、コントローラ２０８は、検出された液面高さと同定された諸特性値に基づいて、その被攪拌対象物にとって最適な攪拌パラメータ（側方および下方の照射音波の強度分布およびその時間的変遷履歴）を設定（ステップ３１４）し、攪拌は実行される（ステップ３１５）。
【００２０】
もし、攪拌・混合操作が十分に行なわれていれば、被攪拌対象物の密度および粘性およびそれらに伴う伝播速度は被攪拌物中どの点においても均一で等しくなる。従って、不均一な状態の攪拌前において液面高さを検出した際の各音源―受音素子間の透過音波のバラツと、均一な攪拌終了後のそれを比較した場合に、そのバラツキは小さくなっている。また、特性をセンシングする際に、連続的に測定した下方音源の照射強度と液面の偏りの関係は、攪拌の前後で異なる。そこで、攪拌前のセンシングと同様なセンシングを攪拌後にも行ない、両者を比較することによって、本実施例の効果として攪拌・混合の達成具合を評価することが可能となる。
【００２１】
本実施例の効果として、このような構成とコントローラーによって、攪拌を行なう音源と被攪拌対象物をセンシングするハードウェアを共有することが可能となり、化学分析装置の一個所の位置において、攪拌、およびその評価を行なうことが可能となる。また、被攪拌対象物の液量や特性に関する情報を与えずに、メインコントローラ１１２からのトリガーの司令２０４だけで自律的に機能する攪拌機構であるため、不特定な複数の被攪拌対象物をバッチ的に分析処理していく化学分析装置に極めて有効である。
【００２２】
先の実施例の攪拌機構では、音波の透過を利用して、被攪拌対象物の液面特性をセンシングする方法であり、受音素子２０７を設置する必要があった。この受音素子２０７を必要としない、他の原理のセンシング方法の実施例を図４及び図５を用いて説明する。図４はその構成図であり、図２に比べて側方の受音素子２０７が無い点だけが異なる。図５は図８と同様各音源の動作状況を示したものである。この場合のセンシングの原理およびコントローラー２０８の動作は以下の通りである。
【００２３】
図５（ｂ）のように圧電素子５０１に交流電圧５０２を印加させて、図に示すように音波５０３を照射させる場合、その音波が照射される前面の媒質の条件が異なれば、音響的な負荷も変化する。このため圧電素子５０１の電気的なインピーダンスつまり、印加電圧５０４と流れる電流５０５の比の関係が変化する。従って、音源を駆動する際、印加されている電圧５０４と電流５０５の関係をモニターしながら図２、図３及び図８の実施例同様にアレイ音源２０５の各音源を順次照射する。その結果、液面の上と下の高さに位置する音源間５０９、５１０に音源の電気インピーダンスの違いが生じる。この違いを利用することによって、反応容器５０６内に存在する被攪拌対象物の液面高さ５０８を検出することができる。
【００２４】
また、図５（ｃ）に示すように、先の実施例同様に、下方より音波５１１を照射した場合の液面の偏りを、本実施例では持ち上げられている側の液面５１２についてその高さを検出することができる。従って、先の実施例同様に、下方から照射する音波の強度５１１と持ち上げられる液面の高さ５１２の関係から被攪拌対象物の諸特性が同定される。
【００２５】
また、同様に攪拌前のセンシングの結果と攪拌終了時点における状態を比較することによって、攪拌・混合を評価することが可能であることは言うまでもない。
【００２６】
また、本音源系、受音系は、反応容器内の液面の高さだけではなく、反応容器外の恒温水の液面の高さにも適用が可能である。
【００２７】
図２の実施例に対して、受音系を単純化する他の実施例を図７を用いて説明する。図７は攪拌位置の反応容器の断面図を示したものである。
【００２８】
本実施例と図２の実施例とで異なる点は、受音系をアレイ化されていない音源系７０１とした点、および、コントローラー２０８が以下のように動作するよう制御する点である。また、本実施例における音源２０５は圧電材料のような圧電効果及び、逆圧電効果を備えた音源素子にも受音素子になるものである。
【００２９】
前記構成で、まず、攪拌前のセンシングの際には音源系７０１より微弱な音波が一様に照射される。そして、反応容器２０１内に液体が満たされている部分を透過してきた音波を、アレイ音源系２０５で検出し、液面の高さを同定する。その後、被攪拌物の特性の同定は図３の実施例と同様である。そして、ンシングが完了した後に、図３の実施例と同様に側方からの音源２０５及び、下方からの音源２０６を用いて最適な音波照射条件で攪拌を実施する。
【００３０】
前記２つの実施例では、現在実用されているヘラ回転型の攪拌機構についても実施することができる。その実施例を図６を用いて説明する。図６にはへら回転型の攪拌機構を示したものである。
【００３１】
本実施例は従来のヘラ回転型の攪拌機構とほぼ同じ構成である。ヘラ６０１と、それを回転させるために根元に接続されたモータ６０２と、図示していないこれらの昇降を行なう移動機構より構成される。ただし、モーターを制御するコントローラー６０３の内部には、図に示すように、モーター６０２に印加されている電圧６０４と電流６０５をモニターする機能と、これらの情報を取り込んで、モーターに印加する電圧を制御する駆動ドライバ６０６が内蔵されている。
【００３２】
本実施例では、モーター６０２の負荷トルクが変われば、印加されている電圧とその時に流れ込む電流の関係、つまり、モーターの電気的インピーダンスが変化する。このようなモータの特性を利用して、液面の上からヘラを回転させながら下降させていけばヘラが液面に接した瞬間からモータの負荷が変動する。このため、モータの電気的インピーダンスが変化する。この変化する位置より液面の高さを検出することができる。さらに、ヘラを回転させながら下降させていった場合に、ヘラの液体に浸っている深さ、および電気インピーダンスの関係から、被攪拌対象物の特性（粘性、密度等）を同定し、最適な攪拌パラメータ（ヘラの回転数、回転時間、ヘラの昇降パターン等）をコントローラー６０３は自動的に設定し、攪拌混合を行なう。
【００３３】
また、前記２つの実施例同様攪拌の前後のヘラのある位置におけるモーターの電気的インピーダンス違いの差から、本攪拌・混合の達成具合を評価することが可能となる。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、被攪拌物の特性を攪拌実行前にセンシングし、その結果に基づいて最適化された攪拌パラメータによって攪拌を行なうことによって、攪拌・混合の効率を向上させることにある可能である。
【００３５】
また、攪拌中あるいは終了時点での被攪拌物の混合程度を計測する事によって、再攪拌の必要性を判定したり、分析結果の信頼性評価の指標を与える事が可能な攪拌機構を実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の化学分析装置全体の構成を示す傾視図である。
【図２】本発明の攪拌位置における反応容器等の縦断面図である。
【図３】本発明の動作のフローチャートを示す図である。
【図４】本発明の攪拌位置における他の実施例の反応容器等の縦断面図である。
【図５】図４の動作原理を示す説明図である。
【図６】本発明の攪拌位置における他の実施例の反応容器等の縦断面図である。
【図７】本発明の攪拌位置における他の実施例の反応容器等の縦断面図である。
【図８】図３の動作原理を示す説明図である。
【符号の説明】
１０１…反応ディスク、１０２…反応容器、１０３…サンプル用ターンテーブル、１０４…サンプルカップ、１０５…試薬ボトル、１０６…ターンテーブル、１０７…サンプリング機構、１０８…試薬分注機構、１０９…攪拌機構、１１０…測光機構、１１１…洗浄機構、１１２…メインコントローラー、１１３…コンソール、２０２…被攪拌物、２０３…恒温水、２０４…メインコントローラーからの司令、２０５…側方アレイ音源、２０６…下方アレイ音源、２０７…受音素子、２０８…コントローラー、２０９…液面、５０１…圧電素子（音源）、５０２…印加電源、５０３…音波、５０４…電圧計、５０５…電流計、６０１…ヘラ、６０２…モーター、６０６…モーター駆動ドライバー。

Claims

上部開口部を有する少なくとも１個の反応容器と、その開口部からサンプルを供給するサンプル供給手段および試薬を供給する試薬供給手段と、サンプルと試薬とを攪拌する攪拌手段とを有する化学分析装置において、前記攪拌手段は、前記反応容器の外部に設けられこの反応容器に音波を照射する音波発生手段と、この音波発生手段が発生する音波を制御するコントローラーとを備え、このコントローラーは、サンプルおよび試薬の混合物の粘性あるいは密度あるいは表面張力あるいは反応容器への親水性あるいはこれらの組み合わせを前記音波発生手段が発生した音波の透過を用いて自動的に検出するとともに攪拌操作中あるいは終了時に攪拌の程度を自動的に計測し、前記反応容器の音波の透過を前記音波発生手段を用いて測定する際には、反応容器内の液面への影響を無視できる微弱な音波を発生するよう前記音波発生手段を制御することを特徴とする化学分析装置。
請求項１に記載の化学分析装置において、前記音波発生手段は圧電素子を有し、前記コントローラーは、この圧電素子の電気的なインピーダンスの変化を用いて液面高さを側定することを特徴とする化学分析装置。
請求項１に記載の化学分析装置において、前記音波発生手段が発生した音波が前記反応容器を透過して得られた音波を検出する検出手段を設け、この検出手段の出力に基づいて、液面または表面張力、反応容器壁への親水性、サンプルと試薬からなる被攪拌物の密度等の特性を同定することを特徴とする化学分析装置。
請求項１に記載の化学分析装置において、前記音波発生手段は強度の偏った音波を照射可能であり、この音波の強度と液面の変形から前記コントローラーが表面張力、反応容器壁への親水性、サンプルと試薬からなる被攪拌物の密度等の特性を同定することを特徴とする化学分析装置。
請求項１に記載の化学分析装置において、前記コントローラーは、前記音波発生手段が発生し前記反応容器を透過した音波の透過量に基づいて、液面を検出することを特徴とする化学分析装置。