JP2010271203A - 液体のサンプリング方法、及び自動分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】血液，尿などの生体サンプルを分注ノズルを用いて所定量サンプリングするサンプリング装置において、低コストで、かつ自動分析装置の処理能力に影響を及ぼさずにサンプル分注精度を向上する。
【解決手段】サンプルの吸引・吐出動作後、分注ノズルがサンプルから離脱するまで分注
ノズルを極めて低速で移動させる。サンプル分注量が比較的大きく、サンプル分注動作に
長い時間を必要とする場合は前記の動作を実施せず、サンプル分注動作時間を短縮する。
【選択図】 図４

Description

本発明は臨床検査用の自動分析装置に関し、分注ノズルを備えたサンプリング装置のサンプル分注動作に関わるものである。

臨床検査用の自動分析装置では、血清などの液体サンプルと試薬を反応させ分析を行っているが、分析にかかるランニングコストの削減を目的として反応液量の低減が求められている。反応液量は分析で必要となるサンプル量とほぼ比例関係になっており、反応液量の低減にはサンプルの微量化が必須である。従来の自動分析装置では分注ノズルを備えたサンプリング装置を用い、血清などの液体サンプルを分注して分析を行うが、ばらつき誤差の少ない安定した分析を実現するには高精度な微量サンプルの分注技術が必要となる。

例えば、特許文献１にはノズル付着液の除去機能を有する分析装置が開示されており、ノズル引き上げ時は遅い速度で、液滴除去のときは速い速度にすることを教示している。

また、特許文献２には、分注チップにより液を吸収及び吐出することにより攪拌する攪拌装置が開示されており、チップが液面から離脱するまでは、低速上昇し、そのあとＺ原点までは高速上昇することを教示している。

特開平９−１８４８４６号公報 特開２００７−１３２８５５号公報

微量サンプルの分注精度向上にはサンプルの吸引・吐出後に分注ノズル先端がサンプルから離脱する際、分注ノズル先端に付着するサンプル量を低減することが重要である。従来の分析装置では、分注ノズル先端に付着するサンプル量の低減方法として、サンプル吸引後に分注ノズルに付着したサンプルを洗浄水で洗い流す、また他の方法としてサンプルに直接接触する分注ノズル先端部に撥水加工を施し、サンプル付着を低減する、などの対策がとられてきた。しかしこれらの対策はそれぞれ、分注ノズル洗浄時にノズル先端に付着した洗浄水がサンプルに混入し分析精度を悪化させる、分注ノズル先端部の撥水加工のためコストアップとなる、などの問題が生じている。

また、上記引用文献１，２には分注ノズルの速度を変更することが開示されているが、微量サンプルを反応セルに点着吐出した後、分注ノズルを引き上げる際の問題点については何も示されていない。このため上記に示したような余計な動作や加工を必要としない、より単純なサンプル付着量の低減技術が必要となる。

本発明の自動分析装置は、分注ノズルを用いて液体サンプルの吸引・吐出を行うサンプリング手段を備えた自動分析装置であって、前記サンプリング手段は、前記分注ノズルで吸引した前記サンプルのうち、所定の吐出量を分析部の反応セルに点着吐出した後、前記分注ノズルの移動に伴い前記分注ノズル先端がサンプルから離脱するタイミングを基点として、速度および加速度を含む分注ノズルの動作パターンを変更する手段を備えていることを特徴とする。

また、本発明の自動分析装置用のサンプリング装置は、分注ノズルを用いて液体サンプルの吸引・吐出を行い前記検体サンプルに試薬を付加して分析を行う自動分析装置用のサンプリング装置であって、前記分注ノズルで前記検体サンプルまたは前記試薬を吸引した後、あるいは、前記分注ノズルで所定の吐出量を分析部の反応セルに点着吐出した後、前記分注ノズルの移動に伴い前記分注ノズル先端がサンプルから離脱するタイミングを基点として、速度および加速度を含む分注ノズルの動作パターンを変更する手段を備えている
ことを特徴とする。

分注ノズルを備えたサンプリング装置において、低コストで、かつ自動分析装置の処理能力に影響することなく、微量サンプルのサンプル分注精度を向上することができる。

図１は臨床検査用の自動分析装置について、装置上面から見た全体構成を示した図である。 図２は検体サンプリング装置の全体構成を示した図である。 図３はサンプル吸引時の分注ノズル内部の状態を示した図である。 図４はサンプル吐出時の分注ノズルとサンプルの位置関係を示した図である。 図５は分注ノズルがサンプルから離脱する際の分注ノズル上昇速度と分注ノズル先端に付着するサンプル量の関係を示した実験結果である。 図６は分注ノズルがサンプルから離脱する離脱点の前後で変化させる動作パターンの例を示す図である。 図７は各サンプル分注量において、分注ノズルがサンプルから離脱する際の分注ノズル上昇速度とサンプル分注精度の関係を変動係数ＣＶを正規化し評価した実験結果である。 図８はサンプル吐出量に応じて、分注ノズルの上昇の動作パターンを変更する・しないを選択可能とした動作例である。 図８はサンプル吐出量が１.５μｌ〜５.０μｌの場合における分析動作１サイクル中で実施する検体サンプリング装置の動作プロセスを示した図である。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は本発明で使用する自動分析装置の全体構成図である。試験管などに採取したサンプル１を設置するサンプルディスク２と、分析に使用する試薬が充填した試薬ボトル３を収納・保冷する試薬保冷庫４と、一定間隔のサイクルで回転動作する反応ディスク５を持つ。サンプルは検体サンプリング装置６で吸引され、反応ディスク上に環状に配列された反応セル７へ分注される。このサンプルに試薬ボトルから試薬サンプリング装置８で試薬を吸引して添加し、反応セルでサンプルと試薬を反応させた後、分光光度計９などを用い、反応液の吸光度を測定する。測定データをコンピュータ１０に取り込み、分析結果を出力する。なお反応セルは反応セル洗浄装置１１で洗浄され、再び分析で使用する。

図２に検体サンプリング装置を示す。検体サンプリング装置は上下および回転動作するサンプリングアーム１２と、サンプリングアーム先端にサンプルを吸引・吐出する分注ノズル１３を備える。分注ノズル１３はチューブ１４を介して分注ポンプ１５に接続しており、作動流体に脱気水を用いてサンプルの吸引・吐出を行う。また分注ノズルはノズルの内部流路洗浄のため高圧ポンプ１６に接続している。必要に応じて高圧ポンプを作動し、分注ノズル先端から作動流体である脱気水を吐出して内部流路洗浄を行う。さらに分注ノズルの外部洗浄として洗浄槽１７が設けられており、低圧ポンプ１８を作動し、外部洗浄ノズル１９から洗浄水を吐出して分注ノズル先端を洗浄する。

分析動作１サイクル中で実施する検体サンプリング装置の動作プロセスの一例として分析装置の処理能力を８００テスト／時間とし、分析動作１サイクルを４.５秒間とする。まずサンプリングアームが回転し、分注ノズル先端を分注ノズル洗浄槽からサンプルディスクに設置されたサンプル直上へ移動する。この時サンプリングアーム回転動作と同時に分注ポンプが作動して分注ノズル先端に空気を吸引する。

図３に示すように、この空気層２０で次の吸引動作で吸引するサンプルと作動流体２１とを分離し、両者が混濁することを防ぐ。次にサンプリングアームが下降し、分注ノズル先端をサンプル中に２.５mm浸入させ、分注ポンプを作動してサンプルを吸引する。ここでサンプル吸引量はサンプル吐出量と余分吸引量７μｌを合計した値となる。またサンプル吸引時間は分注ポンプの吸引速度を２０μｌ／secとすると、５.０μｌ吸引時において最大０.６秒間必要とする。サンプル吸引後、分注ポンプのバックラッシュ誤差を取り除くためバックラッシュ除去吐出動作を行う。バックラッシュ除去吐出後、サンプリングアームの上昇動作に移行する。サンプリングアームが上限点に達した後、サンプリングアームを回転させ、分注ノズル先端を反応セルの直上まで移動する。

回転移動後、図４に示すように、分注ノズル先端がセル底面に接触するまで下降させ、分注ポンプを作動して微小量の検体サンプルを反応セル底面に点着吐出する。サンプル吐出時間は分注ポンプの吐出速度を２０μｌ／secとすると、５.０μｌ吐出時において最大０.３秒間を必要とする。

サンプル吐出後、サンプリングアームの上昇動作に移行するが、分注ノズル先端がサンプルから離脱するまでの間、サンプルアームを、例えば、図６（ｂ）の速度パターン（１）に示されるように、低速の一定速度の速度パターンで上昇させ、分注ノズル先端のサンプル付着量を低減する。

分注ノズル先端がサンプルから離脱した後、図６（ｂ）の速度パターン（２）に示されるように、サンプリングアームを通常速度まで加速させ、その後、通常速度で高速上昇させる動作パターンにより、上限点まで移動する。上昇後、サンプリングアームが回転し、分注ノズル先端を分注ノズル洗浄槽まで移動する。低圧ポンプおよび高圧ポンプを作動し、ノズルの外部洗浄および内部流路洗浄を同時に実施する。

図５に示す実験結果によれば、分注ノズルのサンプル離脱時の分注ノズルの上昇速度により分注ノズルのサンプル付着量が変化する。このため、例えば、図６（ａ）に示す従来例では、離脱点の前後で分注ノズルの上昇の速度パターンは同一であるのに対して、本発明では、上記図５に示される実験結果を踏まえて、例えば、図６（ｂ）に示すように、離脱点の前後で分注ノズルの上昇の速度パターンを変更する。

図４及び図６（ｂ）に示すように、分注ノズル１３が、反応セル７の底面に接触して吐出した検体サンプル１の上面から離脱するまでの微小領域では、分注ノズルの移動速度を極めて低速にした動作パターン（１）で分注ノズル１３を上昇し、分注ノズル１３が、吐出した検体（サンプル）１の上面から離脱した後は、分注ノズル１３の上昇速度を急速に加速して、高速の通常速度で上昇する動作パターン（２）で分注ノズル１３を上昇させる。本発明の実施例では、反応セル７の底面に点着吐出したサンプルから分注ノズル１３が離脱するタイミングで、速度および加速度を含む分注ノズルの動作パターンを動作パターン（１）から動作パターン（２）に変更する。

図７は、サンプル吐出量（μｌ）の同時再現性に関する実測結果を示す。ここでは分注ノズル上昇速度＝１２０mm／ｓ，サンプル吐出量＝１.５μｌの変動係数（ＣＶ：Coefficient of Variation）を１００とし、各分注条件におけるサンプル吐出量の変動係数を正規化している。なお、変動係数ＣＶはＣＶ＝（標準偏差／平均値）×１００で表される。図７を参照すると、サンプル吐出量の比較的大きい場合、例えば、サンプル吐出量＞５μｌの場合には、分注ノズルの上昇速度が１２０mm／ｓの場合も１０mm／ｓの場合も、同時再現性に余り変化はない、即ち、サンプル吐出量は比較的正確に設定が可能である。

しかしながら、サンプル吐出量の小さくなる場合、例えば、サンプル吐出量＜５μｌの場合には、分注ノズルの上昇速度が１２０mm／ｓの場合には、１０mm／ｓの場合と比較して、同時再現性が悪化する、即ち、サンプル吐出量を正確に設定することが困難となる。

本発明では、図７に示される実験結果を踏まえて、サンプル吐出量が大きい場合と小さい場合とで、点着吐出された吐出量に応じて、分注ノズルの上昇速度の動作パターンを変更する。あるいは、サンプル吐出量が大きい場合は、離脱点前後の分注ノズルの上昇速度の動作パターンを変更しないが、サンプル吐出量が小さい場合は、離脱点前後の分注ノズル上昇速度の動作パターンを変更するように選択可能にすることができる。

図８は、サンプル吐出量が閾値より小さい場合と大きい場合とで、分注ノズルの上昇速度の動作パターンを変更する場合と変更しない場合を選択可能とする動作例を示している。図８において、ステップＳ８０１において、検体サンプルの自動分析を開始すると、ステップＳ８０２において、検体サンプルの分析項目ごとに、反応セルの底面に接触して吐出する検体サンプルの吐出量の設定が行われる。ステップＳ８０３において、自動分析装置が稼動し、分注ノズルが動作してサンプルを吸引し、反応セルの底面に接触して必要量のサンプルを点着吐出する。サンプルの点着吐出後、分注ノズルを上方に移動させるが、この場合に、ステップＳ８０４において、反応セルの底面に点着吐出したサンプルの吐出量が閾値（例えば、５μｌ）よりも小さい場合には、ステップＳ８０５において、分注ノズルが点着吐出したサンプルから離脱するタイミングまでは、極めて低速で上昇させ、分注ノズルが点着吐出したサンプルから離脱後は、急速に加速して、通常の速度で上昇するという動作パターンの変更を行う。

一方、ステップＳ８０４において、反応セルの底面に点着吐出したサンプルの吐出量が閾値（例えば、５μｌ）よりも大きい場合には、ステップＳ８０６において、分注ノズルが点着吐出したサンプルから離脱するタイミングでの動作パターンを変更せず、分注ノズルを高速に上方に移動する。

図９に、サンプル分注量が１.５μｌ〜５.０μｌまでにおける分析動作１サイクル中で実施する検体サンプリング装置の動作プロセスを示す。ここでは一例として分析装置の処理能力を８００テスト／時間とし、分析動作１サイクルを４.５秒間とする。まずサンプリングアームが回転し、分注ノズル先端を分注ノズル洗浄槽からサンプルディスクに設置されたサンプル直上へ移動する。この時、サンプリングアーム回転動作と同時に分注ポンプが作動して分注ノズル先端に空気を吸引する。図３に示すように、この空気層２０で次の吸引動作で吸引するサンプルと作動流体２１とを分離し、両者が混濁することを防ぐ。

次にサンプリングアームが下降し、分注ノズル先端をサンプル中に２.５mm浸入させ、分注ポンプを作動してサンプルを吸引する。ここでサンプル吸引量はサンプル吐出量と余分吸引量７μｌを合計した値となる。またサンプル吸引時間は分注ポンプの吸引速度を２０μｌ／secとすると、５.０μｌ吸引時において最大０.６秒間必要とする。

サンプル吸引後、分注ポンプのバックラッシュ誤差を取り除くためバックラッシュ除去吐出動作を行う。バックラッシュ除去吐出後、サンプリングアームの上昇動作に移行するが、分注ノズル先端のサンプル付着量低減のため、分注ノズルがサンプルから離脱するまでの間、サンプリングアームを極めて低速で上昇させる。サンプルを吸引した後の分注ノズルの上昇の場合にも、分注ノズルを低速に移動させることにより、サンプル付着量を低減することが可能であるので、サンプルを吸引後の分注ノズルを上昇させる場合も、分注ノズルの先端が、試験管内のサンプルの液面下にある場合には上昇速度を低速にすることが望ましい。ここでは分注時間の制限より、低速のノズル上昇速度を１０mm／ｓとする。

分注ノズルが試験管内のサンプルの液面から離脱した後、サンプリングアームは加速されて通常速度で上昇し、上限点まで移動する。ここでは通常のサンプリングアーム上昇速度を１２０mm／ｓとする。サンプリングアームが上限点に達した後、サンプリングアームを回転させ、分注ノズル先端を反応セルの直上まで移動する。

回転移動後、図４に示すように分注ノズル１３の先端が反応セル７の底面に接触するまで下降し、分注ポンプを作動してサンプル１を反応セル７の底面に点着吐出する。サンプル吐出時間は、分注ポンプの吐出速度を２０μｌ／secとすると、５.０μｌ吐出時において最大０.３秒間必要とする。

サンプル吐出後、サンプリングアームの上昇動作に移行するが、分注ノズル１３の先端が反応セル７の底面に点着吐出された検体（サンプル）１から離脱するまでの間、即ち、吐出点から離脱点までは、サンプルアームを低速で上昇させ、分注ノズル１３の先端のサンプル付着量を低減する。分注ノズル１３の先端が検体（サンプル）１から離脱した後は、サンプリングアームを加速後、通常速度で上昇させ、再び上限点まで移動する。上昇後、サンプリングアームが回転し、分注ノズル先端を分注ノズル洗浄槽まで移動する。低圧ポンプおよび高圧ポンプを作動し、ノズルの外部洗浄および内部流路洗浄を同時に実施する。

本発明では分注ノズル先端のサンプル付着量低減のため分注ノズル先端がサンプルから離脱するまでの間、サンプリングアームを低速で上昇移動するが、このため従来と比較してサンプル分注動作に長い時間を必要とする。特にサンプル分注量が５.０μｌ以上の比較的大きい場合、規定時間内に分注動作が終了せず、分析装置の処理能力に影響する。分注時間短縮のためサンプルの吸引・吐出速度を高速にして対応することも可能であるが、分注精度の低下を招く恐れがあるため実施は困難である。

ここで図７に示すようにサンプリングアームの低速上昇によるサンプル分注精度向上への効果は、サンプル吐出量が５.０μｌ以下の吐出量が小さい場合に特に有効であって、サンプル吐出量が５.０μｌ以上の吐出量の大きい場合には、その効果が明確でないことが分かる。そこで、サンプル吐出量が５.１μｌ〜１０.０μｌの場合では、サンプル吐出時に、セル底面にサンプルを点着吐出した後、直ぐに通常の上昇動作に移行する。このようにサンプル吐出量が大きい場合には、サンプリングアームの低速上昇を省略しサンプル分注動作時間の短縮を図り、処理能力の低下を防止することができる。

また、本発明の自動分析装置用のサンプリング装置は、前記分注ノズルの移動に伴い前記分注ノズル先端がサンプルから離脱するタイミングを基点として、速度および加速度を含む分注ノズルの動作パターンを変更する手段を備えており、分注ノズルを用いてサンプルの吸引・吐出を行い前記サンプルに試薬を付加して分析を行う自動分析装置に適用して前記分注ノズルで前記サンプルまたは前記試薬を吸引した後、あるいは、前記分注ノズルで所定の吐出量を分析部の反応セルに点着吐出した後、前記分注ノズルの移動に伴い前記分注ノズル先端がサンプルから離脱するタイミングを基点として、速度および加速度を含む分注ノズルの動作パターンを変更することが可能である。

１ サンプル
２ サンプルディスク
３ 試薬ボトル
４ 試薬保冷庫
５ 反応ディスク
６ 検体サンプリング装置
７ 反応セル
８ 試薬サンプリング装置
９ 分光光度計
１０ コンピュータ
１１ 反応セル洗浄装置
１２ サンプリングアーム
１３ 分注ノズル
１４ チューブ
１５ 分注ポンプ
１６ 高圧ポンプ
１７ 分注ノズル洗浄槽
１８ 低圧ポンプ
１９ 外部洗浄ノズル
２０ 空気層
２１ 作動流体（脱気水）
２２ 試験管

Claims (7)

1. 分注ノズルを用いて液体サンプルの吸引・吐出を行うサンプリング方法において、
   サンプルを吸引した前記分注ノズルをサンプルを吐出する容器の底面近傍に降下させるステップと、
   吸引したサンプルを該容器に吐出するステップと、
   前記分注ノズルを所定の速度で上昇させるステップと、
   該分注ノズルが吐出したサンプルから離脱したことを検知した後、該分注ノズルを前記所定の速度より大きい速度で上昇させるステップと、
   を有することを特徴とする液体サンプルのサンプリング方法。
2. 分注ノズルを用いて液体サンプルの吸引・吐出を行うサンプリング方法において、
   サンプルを吸引した前記分注ノズルをサンプルを吐出する容器の底面近傍に降下させるステップと、
   吸引したサンプルを該容器に吐出するステップと、
   前記分注ノズルを所定の速度で上昇させるステップと、
   該分注ノズルが吐出したサンプル量に基づいて定められる、所定タイミング以降は、該分注ノズルを前記所定の速度より大きい速度で上昇させるステップと、
   を有することを特徴とする液体サンプルのサンプリング方法。
3. 分注ノズルを用いて液体サンプルの吸引・吐出を行うサンプリング方法において、
   サンプルを吸引した前記分注ノズルをサンプルを吐出する容器の底面近傍に降下させるステップと、
   吸引したサンプルを該容器に吐出するステップと、
   前記分注ノズルを所定の速度で上昇させるステップと、
   該分注ノズルが吐出したサンプル量に基づいて、ａ）サンプル量が所定量以下の場合は、吐出したサンプル量に基づいて定められる所定タイミング以降は、該分注ノズルを前記所定の速度より大きい速度で上昇させ、ｂ）サンプル量が所定量より多い場合は、前記所定の速度のままで該分注ノズルを上昇させるステップと、
   を有することを特徴とする液体サンプルのサンプリング方法。
4. 分注ノズルを用いて液体サンプルの吸引・吐出を行うサンプリング機構を備えた自動分析装置において、
   前記サンプリング機構は、前記分注ノズルを上下動させるノズル上下動機構を備え、
   サンプルを吸引した前記分注ノズルをサンプルを吐出する容器の底面近傍に降下させ、吸引したサンプルを該容器に吐出した後、前記分注ノズルを上昇させ、該分注ノズルが吐出したサンプルから離脱したことを検知する検知機構がノズルの離脱を検知したタイミングで、該分注ノズルの上昇速度を大きくするよう制御する制御機構を備えたことを特徴とする自動分析装置。
5. 分注ノズルを用いて液体サンプルの吸引・吐出を行うサンプリング機構を備えた自動分析装置において、
   前記サンプリング機構は、サンプルを吸引した前記分注ノズルをサンプルを吐出する容器の底面近傍に降下させ、吸引したサンプルを該容器に吐出した後、前記分注ノズルを上昇させ、該分注ノズルが吐出したサンプル量に対応して定められるタイミングで、該分注ノズルの上昇速度を大きくするよう制御する制御機構を備えたことを特徴とする自動分析装置。
6. 請求項４記載の自動分析装置において、
   前記検知機構はノズルと容器の静電容量の変化を測定する静電容量方式の液面検知機構であることを特徴とする自動分析装置。
7. 請求項４記載の自動分析装置において、
   前記制御機構は、前記分注ノズルから吐出する液体の量に基づいて、前記分注ノズルの先端が前記サンプルから離脱するタイミングの前後において、前記分注ノズルの動作パターンを変更する場合と、前記分注ノズルの動作パターンを変更しない場合とを選択可能であることを特徴とする自動分析装置。

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