説明

自動滴定装置

【課題】
従来の自動滴定装置用ビュレット装置のシリンダに滴定試薬を充填する場合において、シリンダ内を多量の滴定試薬で共洗いする必要があり、そのために貴重な滴定試薬を無駄にする難点があった。また、シリンダ内に充填された滴定試薬によってシリンダ内壁やプランジャを損傷し寿命を短くする難点があった。
【解決手段】
ビュレット装置のプランジャの先端が円錐状で上死点においてシリンダヘッドと密接できる構造のシリンダを考案し、滴定試薬の充填時に吸込み用チューブの体積だけ吸引吐出動作を繰り返し実行することによって、従来の約15%の滴定試薬使用量で充填が可能で且つ20%の充填時間に短縮できた。また、プランジャの所定の停止待機位置を従来の下死点から上死点に変更することで、ガラス製シリンダと滴定試薬が接触する時間が短くなりその結果シリンダとプランジャの寿命を改善できた。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、自動滴定装置に関するものである。
【背景技術】
【0002】
自動滴定装置は大別して操作スイッチおよび測定結果を表示または印字する機能を有する演算制御装置(以下本体と略記)1、本体の制御によって稼動するビュレット装置3および試料と滴定液を攪拌し滴定を実行するスターラ装置2からなる。自動滴定装置の一例を図1に示す。
自動滴定装置に接続されて使用されるビュレット装置の構成は図2に示したように、ビュレットヘッド4とビュレット駆動部5からなる。ビュレットヘッド4はカセット方式で容易にビュレット駆動部5に着脱できる構造が一般的である。ビュレットヘッド4にはシリンダ6と試薬吐出用ビュレットチップ8および試薬ビン9への流路を切換えるための三方切換弁7からなる。
【0003】
従来のシリンダ6とこれを駆動するビュレット駆動部5の一部を図3に示した。図3に示したシリンダ6は、一般に市販されている代表的なものである。シリンダ6は硬質ガラス製で、吐出容量20mLのもので外形25〜30mm、内径20〜25mmが一般的である。プランジャ10aは、シリンダ内の試薬を吐出用チューブ11を経て外部に吐出または吸込用チューブ12aを経て試薬ビン9の試薬13をシリンダ6に充填するためのもので、耐薬品性と摺動抵抗を考慮したテフロン(登録商標)樹脂で製作されている。
【0004】
プランジャ10aには駆動用の連結軸14が結合されており、これとビュレット駆動部の送りネジ15が容易に脱着可能な構造となっている。送りネジ15はギヤ16aの回転によって上下に移動し、さらにギヤ16aはギヤ16bに連結し可逆回転可能なモータ17によって回転する。モータ17の回転によってプランジャ10aは上方に移動しプランジャ10bの位置(以下上死点と呼ぶ)で停止する。次に三方切換弁7は自動的に試薬ビン9側に切換えられた後、プランジャ10bは下方に移動を開始しプランジャ10aの位置(以下、下死点と呼ぶ)で停止する。シリンダ6内には試薬ビン9内の試薬13が充填され、再び三方切換弁7はビュレットチップ8側に自動的に切換えられる。以後前記述べた様式によって試薬の吸込みおよび吐出が必要に応じて繰り返し行われ、充填作業の終了後プランジャ10aの位置で待機する。
【0005】
プランジャ10aは、滴定中以外シリンダ6の下死点で長時間留まることが多く、シリンダ6内には滴定試薬が常時存在しガラス製のシリンダ内壁と接触した状態となっている。ガラス製品は一般に水酸化ナトリウムなどの高アルカリ液に対して侵食され、表面が荒らされてしまう短所を示す。したがって、滴定においてよく使用される滴定試薬である高アルカリ性試薬などを使用すると、シリンダ内壁が侵されて凸凹になるばかりでなく、また滴定試薬である過マンガン酸カリウムなどの場合は分解生成物である二酸化マンガンがシリンダ6の表面に強く付着し同じく凸凹になる。この状態でプランジャ10aがシリンダ6内を上下に移動するとテフロン(登録商標)樹脂製のプランジャは磨耗し、その結果プランジャ10aとシリンダ6の摺動部から滴定試薬が漏れ出してしまう不具合を発生する。また、シリンダ内に長時間保存された試薬はその濃度が変化するので、使用の度に試薬の充填操作が必要である。
【0006】
シリンダ6の実質的な吐出容量は一般的に20mL用で、プランジャ10bの停止位置である上死点から上方の容積は6〜7mLでプランジャ10aとプランジャ10b間の移動によって20mLの試薬が吐出される。この移動距離は一般には45〜80mmである。プランジャ10aとプランジャ10b間のシリンダの内径は吐出精度を確保するために0.01mm以内の寸法精度で加工されている。プランジャ10bが停止する上死点より上方のシリンダ6の内径は、シリンダ6の先端部のチューブ接続のための熱加工のために絞り込まれた形状になっており、このためにプランジャ10bの位置から上方への移動は困難となっている。したがって、このシリンダ6のプランジャ10bが上方に移動できない区間の容積(以後デッドスペースと呼ぶ)が存在しその容積は少なく見積もっても約6mL以上である。
【0007】
前記ビュレット装置3を用いて新たな滴定試薬をシリンダ6に充填する場合において、プランジャ10aの下死点とプランジャ10bの上死点間の5〜6往復動作と三方切換弁7の連携した切換え操作が行われ、元々充填されていた純水または試薬を新たな滴定試薬による共洗いが繰り返し実行され、充填が完了する。前記充填操作において使用される新たな滴定試薬の使用量を見積もると、後述の表1に示したように、プランジャ10aとプランジャ10b間の一往復で使用される新たな滴定試薬を20mLとして、少なく見積もっても6往復として計算すると合計約120mLの滴定試薬を消費することが明らかである。
本発明は、滴定前のシリンダ6への滴定試薬などの充填作業において、短時間で且つ最小試薬使用量による充填手段と、前記充填手段を効果的に実行し且つ各試薬によるシリンダ6へのダメージを少なくしたプランジャ10bの上死点停止機能を備えたビュレット装置と、前記充填手段を効果的に実施するためのシリンダ6の上死点におけるデッドスペースを最小限に設計されたビュレット装置を備えた自動滴定装置にかかわるものである。
このビュレット装置を備えた自動滴定装置としては下記特許文献1が知られている。
【特許文献1】特開2006−242629号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
図3の形状のシリンダ6を用いて試薬の充填を実施した場合、試薬の充填に使用した試薬量とシリンダ6内の試薬の濃度の関係を表1に示した。測定条件として、試薬ビン9から三方切換弁7を経由してシリンダ6までの吸込用チューブ12aと12b(外形3mm、内径2mm、長さ100cmとする)内の容量を3mL、吐出用チューブ11(外形3mm、内径2mm、長さ30cmとする)の容量を1mL、ビュレットチップ8の容量を0.5mLとし、各吸込用チューブ12a、12b、吐出用チューブ11、ビュレットチップ8、およびシリンダ6内には純水が充填されているものとする。シリンダ6のデッドスペースは6mL、試薬はよく使用される0.1モル濃度の水酸化ナトリウム標準液を使用し、プランジャ10aとプランジャ10b間の一往復によって測定容器に吐出された各充填回数の水酸化ナトリウム標準液の濃度を測定した。なお、プランジャ10aとプランジャ10b間の一往復移動時間を1分とする。
【表1】


表1の結果が示すように、充填回数1回目ではシリンダ内の純水が吐出された後、0.1モル濃度の水酸化ナトリウム標準液がシリンダに充填されるので、吐出液の水酸化ナトリウム標準液の濃度はゼロである。充填回数が増えるに従い徐々にシリンダ6内に元々あった水が薄められそれに代わって水酸化ナトリウム濃度が徐々に増加し、0.1モル濃度の水酸化ナトリウム標準液の濃度に限りなく漸近する。充填回数7回目で試薬ビンの水酸化ナトリウムの濃度と測定容器に吐出された水酸化ナトリウムの濃度が一致したことを示している。充填回数7回目までに使用した水酸化ナトリウムの総量は120mL(充填回数7までに使われた試薬の総量は140mLであるが、シリンダ内に残っている20mLの試薬は試料の滴定に使うことができるので20mL相当を減算して120mLとした。)であり、初期の水酸化ナトリウム標準液量が500mLであったと仮定すると、試薬の充填にその24%を使用したことになる。また、充填時間としても総時間6分を要している。本目的の滴定に使用する貴重な水酸化ナトリウム標準液を、滴定前に多量に使用してしまうことは、試薬の浪費と測定準備時間の浪費の何ものでもない。
本発明は、従来の自動滴定装置のビュレット装置の諸欠点に着目し、最小限の試薬充填使用量と短時間における試薬の充填と、ビュレット装置の長寿命化を実現する目的においてなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本目的は、ビュレット装置2のシリンダ6への滴定前の試薬充填を、最小量の試薬使用量で且つ短時間で実現することである。本目的を達成するための手段として、特許請求項1、2および4に係るシリンダとして、図4に示した先端の構造が円錐状であるプランジャ10cとシリンダ19の上部に挿入した試薬の吸込吐出口を上部に備えたシリンダヘッド21の内面の形状がプランジャ10cの先端構造と同一な円錐状であり、且つプランジャ10cとシリンダヘッド21が相互に密接できる機能を有することを特長とするビュレット装置を備えた自動滴定装置と、特許請求項3に示した試薬の充填操作において、上死点の位置から吸込用チューブの相当容量だけ吸込停止後、前記吸込停止後の停止位置と上死点間の吸込吐出動作を繰り返し実行することを特徴とする自動滴定装置を使用することによって実現できた。
【発明の効果】
【0010】
本発明によって実現した自動滴定装置用ビュレット装置の充填能力の結果を表2に示した。測定条件は前記表1に示したものと同一条件で実施した。
【表2】


表2の結果が示すように、充填回数1回目では吸込用チューブ12a内の純水3mLがシリンダ6に充填された後、シリンダ6の純水が吐出されるので、吐出液の水酸化ナトリウム標準液の濃度はゼロである。充填回数6回目において、測定容器の吐出液の濃度が目的である試薬ビン9の水酸化ナトリウム標準液(0.1モル濃度)の濃度に限りなく漸近したことを示している。前記表1の目標を達成した充填回数7と本発明の充填回6とはほぼ同じであるが、一方、試薬の使用量を比較すると本発明による表2の結果は18mLと従来の表1に示したビュレット装置の試薬消費量の約15%以内と圧倒的に少ない量で充填できることがわかる。また、本発明による充填時間についても62秒であり従来の約20%以内の短時間での充填時間で実施できたことがわかる。
【0011】
本発明による試薬充填使用量と充填時間の大幅な削減を実現した手段として、前記特許精求項1に示したプランジャ10cの所定の停止待機位置がシリンダ19の最も深く挿入された上死点であることを特徴とする自動滴定装置と、特許請求項2および4に示したプランジャ10c先端とシリンダ6の最深部の吐出口が上方に開放し同一の円錐状を有することを特徴とする自動滴定装置によって、特許請求項3に示したプランジャ10cの吸込用チューブ12aの体積に相当する試薬量を繰り返し吸入吐出することによって実施された。また、図4のプランジャ10cが待機時にシリンダ19の上死点にいることによって次の効果が期待される。すなわち、従来の下死点停止型のシリンダ6と比較して、ガラス製のシリンダが薬液と常時接する部分が最小であることから、ガラスを侵食する高アルカリ試薬たとえば水酸化ナトリウムまたは水酸化カリウム標準液を使用したときシリンダの寿命が長くなること、および過マンガン酸カリウム標準液を充填し使用した場合、過マンガン酸カリウムの分解によって生成する二酸化マンガンがシリンダ内壁に固着することが低減できることから、プランジャ10cの摩耗およびシリンダ19の浸食による寿命が長くなるばかりでなく吐出精度が長く保たれる効果がある。
【実施例】
【0012】
以下本発明のビュレット装置のシリンダ19実施例の一部を図4および図5の動作フロー図に基づいて説明する。シリンダ19の前記図2に示したビュレット装置のビュレットヘッド4への取り付け方法は、従来のシリンダ6と同一で互換性のある構造である。
シリンダ19は、ガラス製で内径寸法が0.01mm以内の精度が要求される。シリンダ19は、内径を研磨または真空成型法で加工された単純な筒状のガラス管の両端に各部品を接着し完成されたもので、完成後は熱による加工は行われないので、内径精度が変化することがない。また、加工方法が簡単であるため、内径寸法を精度良く加工できかつ生産コストも低減できた。
【0013】
シリンダ19の下部にはシリンダ19をビュレットヘッド4に固定するためのガイド22が接着されている。シリンダ19の内部にはテフロン(登録商標)樹脂製のプランジャ10cがシリンダ19の下部より圧入されている。プランジャ10cの頭部は円錐状でシリンダヘッド21と密接できるように同一円錐状に加工されている。円錐状加工の目的は、気泡がシリンダ19内に混入した時気泡をシリンダヘッド21の円錐状の頂点に集めやすくしたもので、集まった気泡は吸込吐出口24からプランジャ10cの上昇によって吸込用チューブ12b、三方切換弁7およびビュレットチップ8を経由して外部に排出される。前記円錐角度は実用的には約80度〜140度が良く、本発明は前記角度に限定されるものではない。シリンダ19の上部にはテフロン(登録商標)製のシリンダヘッド21が圧入されており、シリンダ19とシリンダヘッド21の気密は耐薬品性O−リング25によって保たれている。シリンダ19に圧入されたシリンダヘッド21はヘッドホルダ20によって固定され、ヘッドホルダ20はシリンダ19に接着固定されている。試薬の吸込吐出用のチューブ12bはフェラル23とナット18によってシリンダヘッド21に接続される。以下、前記シリンダ19を取り付けたビュレット装置と本体およびスターラ装置を接続し、実際の試薬の充填操作を実施した例について説明する。
【0014】
自動滴定装置は、前記図1に示された状態に設置され、前記表2と同様に0.1モル濃度の水酸化ナトリウム標準液が試薬ビン9に注入されているものとする。以下図5に示した動作フロー図に従い説明する。電源を投入するとプランジャ10cは上死点で待機する(ステップ1〜3)。次に本体のキー操作によって、充填容量3mL(吸込用チューブ12aと12bの容積に相当する)と、充填回数6(前記表2に示した回数6回)を設定する(ステップ4)。充填開始キーを押すと充填操作を自動的に開始する(ステップ5)。まず、三方切換弁7を吸込用チューブ12a側に切換えてから(ステップ6)、プランジャ10cをモータ17の逆回転によって降下させ3mLの試薬をシリンダ19に吸込む(ステップ7)。続いて三方切換弁7を吐出用チューブ11側に切換えた後モータ17を正回転させプランジャ10cを上昇させ上死点で停止させる(ステップ8〜9)。以上の充填操作によって一回目の充填操作が終了しビュレットチップ8から試薬が吐出される。以下、前記動作が自動的に継続され合計6回の充填操作(ステップ10)が行われ自動的に停止する(ステップ11)。充填操作開始約一分後、シリンダ19内には0.1モル濃度の水酸化ナトリウム標準液が充填され、スターラ装置の測定容器には充填に使用された試薬15mLと純水3mLが吐出される。プランジャ10cは上死点で待機し、次の操作まで待機する。以下、自動滴定装置の本来の目的である滴定時のビュレット装置のプランジャの動きについて、図5に示した滴定時のビュレット動作フロー図により説明する。
【0015】
前記充填操作が完了した時点から引き続き滴定が行われるものとする。測定容器には0.1モル濃度の塩酸試料が加えられた後終点検出用電極が浸漬され、スターラ装置2によってマグネチックピースが回転し試料が攪拌される。滴定開始キーが押され、本体1に記憶されている測定条件によって中和滴定が開始される(ステップ12)。本体1のビュレット装置3への指示に従い、三方切換弁7は吸込チューブ12a側に切換わった後プランジャ10cは降下を開始する(ステップ13〜14)。下死点に降下後三方切換弁7は吐出用チューブ11側に切換わる(ステップ15)。この時点でシリンダ19内には20mLの試薬が充填されたことになる。
【0016】
次に、本体1からの滴定制御命令によって、ビュレット装置3はビーカ内に0.1モル濃度の水酸化ナトリウム標準液を滴加し中和滴定が進められる(ステップ16〜17)。滴定終点が自動的に検出され滴定が終了する(ステップ18)。滴定終了後、ビュレット装置3の三方切換弁7は吸込チューブ12a側に切換わった後プランジャ10cは上昇し上死点で停止し待機する(ステップ20〜11)。このようにして、シリンダ19と0.1モル濃度の水酸化ナトリウム標準液は、滴定中の短時間のみ接触するが待機中または長期未使用時は接触しないので、ガラス製シリンダ19へのダメージは極力小さくなる。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【図1】自動滴定装置の構成を示す図。
【図2】従来のビュレット装置の構成図。
【図3】従来のビュレット装置のシリンダの構造断面図。
【図4】本発明の一実施例を示すビュレット装置のシリンダの構造断面図。
【図5】本発明の一実施例を示す充填時および滴定時のビュレット装置の動作フロー図。
【符号の説明】
【0018】
1、演算制御装置(本体)
2、ビュレット装置
3、スターラ装置
4、ビュレットヘッド
5、ビュレット駆動部
6、シリンダ
7、三方切換弁
8、ビュレットチップ
9、試薬ビン
10a、プランジャ
10b、プランジャ
10c、プランジャ
11、吐出用チューブ
12a、吸込用チューブ
12b、吸込用チューブ
13、試薬
14、連結軸
15、送りネジ
16a、ギヤ
16b、ギヤ
17、モータ
18、ナット
19、シリンダ
20、ヘッドホルダ
21、シリンダヘッド
22、ガイド
23、フェラル
24、吸込吐出口
25、O−リング

【特許請求の範囲】
【請求項1】
プランジャとシリンダの組合せ要素とプランジャ駆動要素を含むビュレット装置と、スターラ装置と、演算制御装置とからなる自動滴定装置であって、前記駆動要素は、プランジャが前記シリンダに最も深く挿入された位置から充填操作を開始するように作動させるように構成したことを特徴とする自動滴定装置。
【請求項2】
請求項1に掲げる前記プランジャとシリンダの組合せ要素において、前記プランジャの先端部を円錐形状に形成すると共に、前記シリンダの最深部を前記プランジャ先端部の形状に合わせて凹ませた円錐形状としたこと特徴とする自動滴定装置。
【請求項3】
請求項1に掲げる充填操作において、前記プランジャによって吸込用チューブ体積に相当する容量の試薬を吸入後、測定容器に吐出する動作を複数回繰り返し実行することを特徴とする自動滴定装置。
【請求項4】
請求項1、2に掲げるプランジャとシリンダの組合せ要素において、前記シリンダの吸込吐出口が上方に開放していることを特徴とする自動滴定装置。


【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【公開番号】特開2010−54317(P2010−54317A)
【公開日】平成22年3月11日(2010.3.11)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−219045(P2008−219045)
【出願日】平成20年8月28日(2008.8.28)
【出願人】(000240042)平沼産業株式会社 (9)
【Fターム(参考)】