化学分析装置

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は試料中の微量分析を行う装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】試料中の興味ある被検物質を検出する方法のうち、被検物質と特異的に結合できる複数個の磁性微粒子を用いる検出方法がある。この方法は、例えば、免疫測定など、試料中の被検物質の含有量が特に微量でその物質を選択的に検定する必要がある場合に、磁性微粒子に被検物質を結合させ、それらを磁力を用いて選り集めることが可能である。
【０００３】一方、自動化に適した化学測定システムとしてフロースルー方式がある。この方法は、クリーニング・コンディショニングする初期段階と、測定段階との間の迅速な交代が可能である。この方式におけるクリーニング・コンディショニングは、流体力学的クリーニングが利用される。流体力学的クリーニングは、検出器（フローセル）に緩衝液を流通させることによりフローセル内部をクリーニングする方法で、検出器が常時液中にあり空気にさらされないため測定に際し外部因子の混入を防ぐことができる。また、装置を分解することなしに複数の異なる試料を測定することが可能となり、検定のスループット向上が期待できる。
【０００４】以上の技術を応用した化学分析装置がある。図７および図８は、この装置の測定手順の一例の説明図である。
【０００５】まず、試料の調製について説明する。図７（ａ）で示している試料７１の中に、興味ある被検物質７２とそれ以外の物質７３および７４が含まれている。この試料７１に、被検物質７２と特異的に結合できる基７５１を有する磁性微粒子７５を混合し反応させると、被検物質７２は磁性微粒子７５と結合し、図７(ｂ)の結合物７６を含む試料７７が得られる。
【０００６】次に、化学分析装置における化学分析の手順を説明する。結合物７６を含む試料７７を、図８（ａ）で示される化学分析装置の試料受け８１に注入する。試料受け８１の試料は、輸液管８２の矢印８２１で示す道筋で、フローセル８３に送られる。ここで、図８（ｂ）で示す様に、フローセル８３の外部に磁石８４を近づけると、結合物７６は磁力により磁石の近傍に選択的に集められる（保持される）。この状態で、図８（ｃ）の様に、緩衝液８５を輸液管８２の矢印８２２で示す道筋でフローセル８３に流すと、不要な物質７３および７４は輸液管８６の矢印８６１で示す道筋で排出されるので、結合物７６つまり被検物質７２を濃縮した状態で分析することが可能となる。分析後は、図８（ｄ）で示す様に、磁石を取り除いた状態で緩衝液８５を流すことにより、フローセル８３を初期の状態にクリーニング・コンディショニングすることができる。
【０００７】従来技術の一例として、特公平7−6912 号公報に開示されているエレクトロケミルミネセンス測定装置がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】フロースルー方式化学分析装置の場合、クリーニングの精度が非常に重要である。クリーニングが充分でない場合、次の測定において過去の測定の履歴が影響をおよぼし、検定精度を低下させる。特に、異なる試料の測定を連続して行う必要のある自動分析装置では、異なる試料の間の検体混入が起き、正確な測定ができない。
【０００９】クリーニングの精度は、フローセル内に流す緩衝液の流量と流れ方に大きく依存する。フローセル内に緩衝液を流通させた場合、緩衝液の流速は一様でなく、ある分布を持つ。これは、緩衝液の粘性によるものである。例えば、図９の内径Ｒ（図中９１）の円管に、緩衝液を円管の中心軸９２に沿って矢印９３の方向に流す場合を考える。この時の緩衝液の中心軸９２に垂直な面９４における流速分布は、円管の半径Ｒが小さく緩衝液が粘性流体として扱えること、および緩衝液の流速が充分小さく乱流とならないことを仮定すると、極めて簡単な近似のハーゲン−ポアズイユ流れで取り扱うことができる。この場合、流速分布は中心軸からの距離ｒできまる軸対象な分布となり、図１０のグラフで表される。図中の縦軸の値のＵｍは、管内の流速の平均値である。図１０より、管壁面（中心からの距離がＲとなるところ）の近傍の流速は、中心部に比べ著しく減少することがわかる。領域１００は、流速が平均流速Ｕｍの１／２以下となる領域を示している。
【００１０】また、図１１で示す長方形の断面を持つ管について同様の考察を行う。管の中心軸１１１をｚ軸とし、管の壁面に平行にｘ軸およびｙ軸をとり、それぞれの軸方向の管の太さをＬｘおよびＬｙとする。緩衝液は、ｚ軸の正方向（即ち、矢印１１２の方向）に流れている。この時の緩衝液の中心軸１１１に垂直な面１１３における流速分布は、図１２で示される流速値についての等高線グラフとなる。図中のＵｍは、管内の流速の平均値である。また、直線１２１および１２２は、この管のそれぞれｘ軸およびｙ軸に平行な壁面に相当し、ここでの流速値はゼロである。斜線１２３は、流速が平均流速Ｕｍの１／２以下となる領域である。これより、長方形の断面を持つ管では、管の壁面の角付近の流速が特に減少することがわかる。さらに、図１１の示す長方形の断面を持つ管で、Ｌｘ／Ｌｙの値が大きい場合、即ち、管の断面の長方形の一辺が他の一辺に比べ大きい場合、面１１３における流速分布は、図１３で示される流速値についての等高線グラフとなる。この場合、流速が平均流速Ｕｍの１／２以下となる領域１３１は、ｘ軸方向に広がることがわかる。
【００１１】以上の考察より、フローセル内部に緩衝液を流した場合、図１０の領域１００や図１２の領域１２３や図１３の領域１３１などのセルの壁面近傍において、緩衝液の流れが滞り易いことがわかる。特に、セル壁面のうちの角となる部分における緩衝液の流れが滞り易い。その結果、フローセルをクリーニングするために緩衝液を流す場合、セルの壁面やその角となる部分の近傍でクリーニングの効果が低下してしまうことがわかる。
【００１２】磁性微粒子を外部磁力で選り集める場合、微粒子はフローセルの壁面近傍に保持される。即ち、磁性微粒子は緩衝液のクリーニング効果が低下する領域に保持される。そのため、従来技術で紹介した磁性微粒子応用検出方法を用いたフロースルー方式化学分析装置では、クリーニング時に磁性微粒子が充分取り除かれずにフローセル内に残留したり、クリーニングに必要となる時間および緩衝液の総量が著しく増加することが課題となる。
【００１３】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するため、本発明はフロースルー型化学分析装置の検出器部分に、音波を発生する電気音響変換器を設け、同装置が検体の化学分析を終了した際に緩衝液をフローセル内に流すことにより行うセルのクリーニング時に、緩衝液を流す前または流す際に、音波を利用して検体或いは試薬或いは磁性微粒子をクリーニングしやすい位置または状態に変化させる機能を有する。特に、フローセルの形状や、磁性微粒子の保持位置や、センサの位置や、装置の測定原理や用途に応じ、供給する音波の周波数と、電気音響変換器の空間的配置および個数を、最適に決定した。
【００１４】
【発明の実施の形態】
（第一の実施例）図１は本発明の実施例の説明図である。本発明は、試料供給口１０１と緩衝液供給口１０２と廃液排出口１０３を有するフローセル部１と、磁性微粒子を保持するための磁場を形成する磁石２と、フローセル内部に音波を供給する電気音響変換器３と、電気音響変換器に電力を供給する交流電源４で構成される。
【００１５】フローセル部の試料供給口１０１や緩衝液供給口１０２や廃液排出口１０３は、それらのうちの幾つかが同一の管口で兼用される場合もある。磁石２は、電流のオン／オフによりフローセル部の磁場を制御する電磁石である場合や、永久磁石の空間的配置を電動アーム等により変更することによってフローセル部の磁場を制御する場合などがある。
【００１６】電気音響変換器３は、例えばＰＺＴ圧電材料に電極を設けたものを利用する。この場合、利用する音波の振動数に応じて、最適な圧電材料の厚さ等を決定する。なお、電気音響変換器がフローセル内部の試料および緩衝液に接触する場合は、試料および緩衝液の化学的性質を考慮し、何らかの皮膜で保護することが必要な場合もある。交流電源４は、任意の周波数の交流電流を電気音響変換器に供給する能力を有する場合や、ある特定の周波数の交流電流のみを供給する様に単純化する場合などがある。なお、自動分析装置の場合は、磁石２を用いた磁場制御や、電気音響変換器３と交流電源４を用いた音波供給は、分析手順に同期することが有効である。
【００１７】ここで、以降の説明のために三次元座標軸を次のように定義する。フローセル内の溶液の流れの方向をｚ軸とし、磁性微粒子を磁力により保持するフローセル内壁面の中央部のある一点を原点ｏとし、原点ｏを含みｚ軸に垂直な面（以後、ｘ−ｙ面）で、磁性微粒子を保持するフローセル内壁面と平行にｘ軸，ｘ軸と垂直にｙ軸をとる。なお、ｘ−ｙ面とフローセルの壁面との交差する部分を補助線６で示した。
【００１８】図２は、このｘ−ｙ面におけるフローセルの断面図である。電気音響変換器２１は、その振動面２２がｘ軸と平行となるように設けられている。磁性微粒子は、磁石２により振動面２２の面上の領域２３に保持される。分析評価を終了した後、電気音響変換器２１は、矢印２４で示される様に座標軸ｙと平行な方向に振動し、フローセル内部に粗密波（縦波）の音波を供給する。供給する音波の振動周波数は任意の値で良い。しかし、特に、振動周波数ＦをＦ＝((２ｎ−１)Ｖ)／（４Ｄ）と設定する場合がある。ここで、Ｄはフローセル内部のｙ方向の大きさ２５、Ｖはフローセル内部の溶液中の音速、ｎは任意の自然数である。この場合、音波はフローセル内部で定在波を形成し、振動面２２の位置（即ち、ｘ−ｚ面）が振幅の腹となる。破線２６は、ｎ＝２の場合の定在波を、横波の表示法で表したものである。この定在波は、ｙ＝Ｄで示されるフローセルの流路の壁面２７（即ち、電気音響変換器２１と向かい合った面）が振動の節となる他、フローセル内の流路空間に（ｎ−１）個の節となる面を有する。図２では、点Ｐを含むｘ−ｚ面に平行な面２８が節である。なお、壁面２７に音波の反射の良い素材（例えば白金などの金属）を利用する場合もある。この場合、壁面２７における音波の反射の際のエネルギの減衰が軽減できる。特に、定在波を利用する場合には、定在波の形成の効率が上昇するため有効である。
【００１９】本発明では、クリーニング時に電気音響変換器２１を振動させることにより、領域２３に吸着して離れにくくなっている磁性微粒子を離れやすくすることができる。
【００２０】また、磁性微粒子は、フローセル内部の溶液の分子と比較し質量が充分大きいため、溶液の分子より大きな慣性力が働く。その結果、溶液が振動運動を行うと、溶液中の磁性微粒子は運動の極小点に集まる性質がある。本実施例の場合、領域２３は振動の腹（即ち、振動運動の極大点）であるため、磁性微粒子はこの領域から移動する。つまり、音波を供給することにより、領域２３に保持した磁性微粒子をｙ軸の正方向に移動させることが可能となる。特に、音波が定在波となっている場合は、磁性微粒子は運動の極小点である振動の節（図２R>２では、面２８の節）に集まる。
【００２１】以上の状態で緩衝液をフローセル内部に流すことにより、従来の様に緩衝液を流すだけではセル外部に排出されにくかった磁性微粒子を、容易に排出することが可能となる。即ち、フローセルのクリーニングが容易となり、その精度も向上する。
【００２２】（第二の実施例）本発明の第二の実施例として、図３のｘ−ｙ面の断面図で示される様に、電気音響変換器３１および３２をフローセルの両端に、ｙ軸方向に対となるように、平行に配置する場合を説明する。なお、図中の領域２３は、図２と同様に、磁石２により磁性微粒子が保持される領域を示す。本実施例では、音波の振動力が倍増し、磁性微粒子を移動させやすくなる。また、供給する音波の振動周波数Ｆを、特にＦ＝（ｎＶ）／（２Ｄ）と設定することにより、音波はフローセル内部で定在波を形成する。ここで、Ｄはフローセル内部のｙ方向の大きさ３３、Ｖはフローセル内部の溶液中の音速、ｎは任意の自然数である。この定在波は、フローセルの二つの電気音響変換器の振動面３４および３５の位置が振動の腹となり、フローセル内部にｎ個の節を有する。図中の破線３６は、ｎ＝１の場合の定在波を、横波の表示法で表したものであり、破線３７を含む二つの振動面に平行な面が振動の節となる。
【００２３】（第三の実施例）本発明の第三の実施例として、図４のｘ−ｙ面の断面図で示される様に、電気音響変換器４１の振動面４２をｙ軸と平行に配置する場合を説明する。図４は、電気化学発光を利用する化学分析装置に、電気音響変換器を設けた場合の一例を示す図である。電気化学発光を利用する化学分析装置は、磁性微粒子に結合した金属錯体などが、酸化還元作用により発光する原理を利用するものである。発光は、金属錯体と結合した磁性微粒子が作用電極４３の電極表面上４４に密着した状態で、上部電極４５と作用電極４３の間に電圧を印加することにより起こる。そのため本装置では、磁性微粒子を作用電極４３の電極表面上４４に保持する必要があり、第一および第二の実施例の様に、磁性微粒子の保持される領域が電気音響変換器の振動面と同一となる構造は不可能である。本実施例は、以上の様な、電気音響変換器の振動面４２を磁性微粒子を保持する領域４４と区別する必要がある場合に適用できる。なお、本実施例では、第一の実施例と同様に、フローセル壁面４６に、音波の反射の良い素材を利用することも有効である。
【００２４】（第四の実施例）また、本発明の第四の実施例として、図５のｘ−ｙ面の断面図で示される様に、電気音響変換器５１および５２をフローセルの両端に、ｘ軸方向に対となるように互いに平行に配置する場合を説明する。電気化学発光を利用する化学分析装置では、測定感度の向上のために、作用電極の表面積をできるだけ大きくすることが有効である。一方、装置で利用する直流電圧値をなるべく低くおさえるため、上部電極と作用電極の距離はできるだけ小さくする必要がある。そのためフローセルの流路の断面は、図５の様にｘ軸方向の長さＬｘ（図５の５３）とｙ軸方向の長さＬｙ（図５の５４）に対し、Ｌｘ／Ｌｙが大きな値となるような構造を有する場合がある。この場合、従来技術の課題で述べたように、図５のｘの絶対値の大きい領域５５および５６では、緩衝液を流して行うクリーニングの際に緩衝液の流れが滞り易く、磁力により保持した磁性微粒子が残留しやすくなる。
【００２５】本実施例は、電気音響変換器５１および５２をフローセルの両端に配置することにより、領域５５および５６に保持された磁性微粒子を振動させ、保持部分から離れ易くする。特に、音波の振動の周波数ＦをＦ＝（ｎＶ）／（２(Ｌｘ)）と設定することにより、音波はフローセル内部で定在波を形成する。ここで、Ｖはフローセル内部の溶液中の音速、ｎは任意の自然数である。この定在波は、フローセルの二つの電気音響変換器の振動面５１１および５２１の位置が振動の腹となり、フローセル内部にｎ個の節を有する。図中の破線５７は、ｎ＝１の場合の定在波を、横波の表示法で表したものであり、ｙ軸を含む二つの振動面に平行な面が振動の節となる。
【００２６】本実施例では、領域５５および５６に保持された磁性微粒子を、形成された定在波により振動の節に集めることが可能となる。即ち、緩衝液を流して行うクリーニングの際に、緩衝液の流れが滞ることにより残留してしまう領域５５および５６の磁性微粒子を、緩衝液の流速が高い流路中央部５８に移動させることにより、磁性微粒子の残留を起きにくくすることが可能となる。
【００２７】第三および第四の実施例では、定在波を形成するように振動周波数を設定した場合、節にあたる部分はフローセル内部の溶液の振動が起きない。そのため、節にあたるフローセル壁面に磁性微粒子が吸着している場合、この磁性微粒子を振動させることができず、クリーニングの際に吸着したまま残留してしまうことも考えられる。その場合、振動周波数を時間的に変化させ、節の位置を変化させることが有効である。また、第四の実施例では、二つの電気音響変換器５１と５２の振動周波数をそれぞれ異なる値に設定すると、合成波の節の位置を時間的に変化させることができる。
【００２８】（第五の実施例）本発明の第五の実施例として、磁性微粒子を電極等に保持する場合、その電極自身に振動波を伝達させることも可能である。図６は、本実施例を説明するｘ−ｙ面の断面図である。電気音響変換器６１を、作用電極６２と接する様にフローセルの流路の外部に設けている。電気音響変換器６１が矢印６３の方向に振動すると、その振動波は作用電極６２に伝達する。磁性微粒子は、この振動のエネルギにより保持位置６４から離れ易くなったり、ｙ軸の正方向に移動する。
【００２９】（第六の実施例）第一から第五の実施例は、特に効果の大きい磁性微粒子利用分析装置への電気音響変換器の応用について述べたものであるが、本発明はイオン電極型センサおよびフローインジェクション分析などのフロースルー型化学分析装置に応用する場合もある。同装置の場合、クリーニングの際に、センサまたは検出器の表面に付着したイオンや試薬などを効率よく除去する必要がある。フローセル内部に電気音響変換器を設け、セルのクリーニング時にセンサ面または検出器面に音波を集中するように照射することにより、センサ面または検出器面に付着したイオンや試薬などが効率よく除去される。その結果、従来と比較し、セルのクリーニングの効率が向上する。
【００３０】（本実施例の具体例）以上の実施例の具体例を示す。図１４は、第四の実施例で説明した電気化学発光を利用するフロースルー型化学分析装置のフローセルの具体例である。図１４（ａ）はフローセルにおける溶液の流れの方向に平行な面（図１のｙ−ｚ面に相当）におけるセルの断面図、（ｂ）は溶液の流れる方向に垂直な面（図１のｘ−ｙ面に相当）におけるセルの断面図、（ｃ）はそれらの面に垂直な面（図１のｘ−ｚ面に相当）におけるセルの断面図である。フローセルは、試料と緩衝液を供給する供給口１４２と廃液を排出する廃液排出口１４３と作用電極１４７を設けた基盤１４１と、上部電極１４６と二つの電気音響変換器３（３−１および３−２）を設けた光透過性アクリル材１４４により、流路１４５が形成されている。電気音響変換器は、図１４（ｃ）の示すように、流路を挟んでそれぞれが向かい合うように配置されている。電気音響変換器は、ＰＺＴ（周波数定数２０００cycle・ｍ）を利用した。図１４R>４（ｂ）の１４９で示す流路断面の長さは約５mmであり、電気音響変換器の振動の周波数を約１５０ｋＨｚとすると、流路内に節が一つの定在波が形成される。この場合、電気音響変換器が最も効率よく振動するように、振動方向の厚さ１５０を約１３mmとした。
【００３１】本装置の測定原理を説明する。表面に電気化学発光反応を起こす金属錯体を固定した磁性微粒子と電気化学発光反応の触媒を含む試料をフローセルに供給し、磁石２により作用電極１４７上に固定する。上部電極１４６と作用電極１４７の間に電圧を印加すると、金属錯体が電気化学発光反応により発光し、その発光量をフォトマル１４８で観測する。
【００３２】本装置のクリーニングの精度は、以下の評価により検討できる。磁性微粒子は、表面を高分子膜で被覆しその上に電気化学発光反応を起こす複数のＲｕ錯体を固定した直径約２μｍのＦｅ微粒子を用いた。この磁性微粒子と電気化学発光反応の触媒であるトリプロピルアミン（ＴＰＡ）をある規定濃度で含む標準試料と、磁性微粒子を含まない参照試料を準備した。
【００３３】まず、参照試料について測定し、その発光量をＢＧとした。次に、セルを充分にクリーニングした後、標準試料の測定，従来方法のセルクリーニング，参照試料の測定を連続して行った。各測定の発光量を、それぞれＳ１およびＬ１とする。従来装置のクリーニングの精度を示す無次元量ＣＯを、ＣＯ＝（Ｌ１−ＢＧ）／（Ｓ１−ＢＧ）で定義する。この場合、ＣＯ値が小さいほどクリーニングの精度が良いことになる。
【００３４】次に、本発明の場合のクリーニングの精度を評価した。セルを充分にクリーニングした後、標準試料の測定，電気音響変換器による音波の照射，従来方法のセルクリーニング，参照試料の測定を連続して行った。各測定の発光量を、それぞれＳ２およびＬ２とする。ただし、実験誤差の範囲内でＳ１＝Ｓ２である。本発明のクリーニングの精度を示す無次元量ＣＯＡを、ＣＯＡ＝（Ｌ２−ＢＧ）／（Ｓ２−ＢＧ）で定義する。
【００３５】本発明の効果は、ＣＯとＣＯＡの比較で得られる。実験の結果、本発明のCOAは、従来装置のＣＯの約１０分の１となることが確認できた。
【００３６】
【発明の効果】本発明によれば、磁性微粒子応用検出方法を用いたフロースルー方式化学分析装置のクリーニングの精度が向上するため、装置の分析能力が向上する。また、同装置のクリーニングに必要となる時間および緩衝液の総量を減少させることが可能となり、評価のスループットの向上や、評価の低コスト化が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施例の説明図。
【図２】本発明の第一の実施例の説明図。
【図３】本発明の第二の実施例の説明図。
【図４】本発明の第三の実施例の説明図。
【図５】本発明の第四の実施例の説明図。
【図６】本発明の第五の実施例の説明図。
【図７】従来技術である磁性微粒子を利用した化学分析方法の説明図。
【図８】従来技術である磁性微粒子を利用した化学分析方法の説明図。
【図９】粘性流体の流れの説明図。
【図１０】図９の円管におけるハーゲン−ポアズイユ流れの流速分布の特性図。
【図１１】粘性流体の流れの第二の具体例の説明図。
【図１２】図１１の長方形の断面を持つ管における粘性流体の流速分布の特性図。
【図１３】図１１の長方形の断面を持つ管で、断面の長方形の長辺と短辺の比が特に大きい場合の粘性流体の流速分布の特性図。
【図１４】本発明の第四の実施例を具体的に装置化した例の説明図。
【符号の説明】
１…フロースルー方式化学分析装置のフローセル部、２…磁性微粒子固定用磁石、３…電気音響変換器、４…交流電源。

【特許請求の範囲】
【請求項１】緩衝液の供給口と緩衝液の排出口とを具備するフローセルと，前記緩衝液の流れの方向をはさみ対をなす前記フローセルの各面にそれぞれ配置される電気音響変換器とを有し，前記電気音響変換器の振動周波数をそれぞれ異なる値に設定して，合成波の節の位置を時間的に変化させることを特徴とする化学分析装置。
【請求項２】緩衝液の供給口と緩衝液の排出口とを具備するフローセルと，前記緩衝液の流れの方向をはさみ対をなす前記フローセルの各面にそれぞれ配置される電気音響変換器とを有し，前記電気音響変換器の振動周波数を時間的に変化させて定在波の節の位置を時間的に変化させることを特徴とする化学分析装置。

【図１】