特開 2024-81237 自動分析装置、及び質量センサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024081237

(43)【公開日】2024-06-18

(54)【発明の名称】自動分析装置、及び質量センサ

(51)【国際特許分類】

   G01N 35/10 20060101AFI20240611BHJP

   G01N 35/04 20060101ALI20240611BHJP

   G01G 3/16 20060101ALI20240611BHJP

【ＦＩ】

G01N35/10 D

G01N35/04 G

G01G3/16

【審査請求】未請求

【請求項の数】12

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022194709

(22)【出願日】2022-12-06

(71)【出願人】

【識別番号】501387839

【氏名又は名称】株式会社日立ハイテク

(74)【代理人】

【識別番号】110002572

【氏名又は名称】弁理士法人平木国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】中村 吉秀

(72)【発明者】

【氏名】田上 英嗣

(72)【発明者】

【氏名】高倉 樹

【テーマコード（参考）】

2G058

【Ｆターム（参考）】

2G058CB03

2G058CC11

2G058CE08

2G058GB02

2G058GB10

2G058GE10

(57)【要約】

【課題】既定の分注量の検体及び試料を正確に分注して、分析結果の信頼性を確保する。
【解決手段】この自動分析装置は、試薬を格納する試薬容器を保持する試薬保持部と、検体を格納する検体容器を保持する検体保持部と、前記試薬及び前記検体を反応容器に分注する分注機構と、前記反応容器の質量を測定する質量センサとを備える。前記質量センサは、固定部と、前記固定部に少なくとも一部が固定される振動板と、前記振動板に接合される圧電素子と、前記振動板に支持され測定対象の液体が吐出される前記反応容器を設置可能に構成された容器設置部とを備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

試薬を格納する試薬容器を保持する試薬保持部と、
検体を格納する検体容器を保持する検体保持部と、
前記試薬及び前記検体を反応容器に分注する分注機構と、
前記反応容器の質量を測定する質量センサと
を備え、
前記質量センサは、
固定部と、
前記固定部に少なくとも一部が固定される振動板と、
前記振動板に接合される圧電素子と、
前記振動板に支持され測定対象の液体が吐出される前記反応容器を設置可能に構成された容器設置部と
を備えたことを特徴とする自動分析装置。

【請求項2】

前記振動板、前記容器設置部、及び前記反応容器から共振部が構成され、
前記液体の前記反応容器への吐出前の時点の前記共振部の第１の共振周波数と、
前記液体の前記反応容器への吐出後の時点の前記共振部の第２の共振周波数と
に基づいて前記反応容器内に吐出された液体の質量を算出する
ことを特徴とする請求項１に記載の自動分析装置。

【請求項3】

前記分注機構は、一の前記反応容器に対し、複数回の吐出動作を実行すると共に、前記質量センサは、前記一の吐出動作毎に前記反応容器の質量を測定し、
前記質量センサは、前記複数回の吐出動作のうちの一の吐出動作毎に、前回の前記第２の共振周波数を前記第１の共振周波数に設定し、新たな吐出動作後において測定された前記共振周波数を第２の共振周波数に設定する、請求項２に記載の自動分析装置。

【請求項4】

前記振動板は円板状であり、
前記固定部は、前記振動板の外周部の少なくとも一部を固定する、請求項１に記載の自動分析装置。

【請求項5】

前記容器設置部は前記振動板の略中央に固定される
ことを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の自動分析装置。

【請求項6】

前記容器設置部は、前記圧電素子に所定周波数の交流電圧を印加した際に前記振動板の振動振幅が略最大となる位置に固定される
ことを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の自動分析装置。

【請求項7】

反応容器内に吐出された液体の質量を測定する質量センサであって、
固定部と、
前記固定部に少なくとも一部が固定される振動板と、
前記振動板に接合される圧電素子と、
前記振動板に支持され試薬及び検体が吐出される反応容器を設置可能に構成された容器設置部と
を備えたことを特徴とする質量センサ。

【請求項8】

前記振動板、前記容器設置部、前記反応容器から共振部が形成され、
前記液体の前記反応容器への吐出前の時点の前記共振部の第１の共振周波数と、
前記液体の前記反応容器への吐出後の時点の前記共振部の第２の共振周波数と
に基づいて前記反応容器内に吐出された液体の質量を算出する
ことを特徴とする請求項７に記載の質量センサ。

【請求項9】

分注機構は、一の前記反応容器に対し、複数回の吐出動作を実行すると共に、前記質量センサは、前記一の吐出動作毎に前記反応容器の質量を測定し、
前記質量センサは、前記複数回の吐出動作のうちの一の吐出動作毎に、前回の前記第２の共振周波数を前記第１の共振周波数に設定し、新たな吐出動作後において測定された前記共振周波数を第２の共振周波数に設定する、請求項８に記載の質量センサ。

【請求項10】

前記振動板は円板状であり、
前記固定部は、前記振動板の外周部の少なくとも一部を固定する、請求項７に記載の質量センサ。

【請求項11】

前記容器設置部は前記振動板の略中央に固定される
ことを特徴とする請求項７～１０のいずれか１項に記載の質量センサ。

【請求項12】

前記容器設置部は、前記圧電素子に所定周波数の交流電圧を印加した際に前記振動板の振動振幅が略最大となる位置に固定される
ことを特徴とする請求項７～１０のいずれか１項に記載の質量センサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、自動分析装置、及び質量センサに関する。

【背景技術】

【0002】

血液や尿などの体液成分に含まれる、タンパク質、脂質、糖、イオン、及びこれらを構成する各種成分などの、化学物質の濃度に対する定量的な測定が臨床で行われている。この測定に必要な工程（例えば検体試料の定量分取、試薬との混合、反応結果の判定、試薬に含まれる物質の変化の測定など）を自動化するための装置として自動分析装置が知られている。

【0003】

自動分析装置は、規定量の検体と試薬を反応容器内で反応させて、検体の吸光度や発光量を測定することで、検体の成分分析を行う。装置内には、検体と試薬を反応容器へ取り分けるための分注機構が搭載されている。分注機構は、既定量の検体と試薬を分注するよう構成されることが求められる。

【0004】

自動分析装置において一回の分注動作で分注される液体の質量は４～６０ｍｇ程度と小さい。このため、分注された液体の質量を正確に計測することが難しい。分注機構に何らかの異常が生じ、既定の分注量が得られないまま分析が行われると、正しい分析結果が得られない。

【0005】

また、自動分析装置は、分注機構をはじめ、様々なモータや可動部を有しているため、振動による外乱が多いという問題がある。外乱振動を受けずに分注された検体及び試薬の正確な質量を測定するためには、除振台等を設置し、その除振台の上に電子天秤等を設けることも考えられる。しかし、除振台は大型のため、自動分析装置に除振台を設けることは自動分析装置の大型化を招くため現実的ではない。このような状況から、分析結果の信頼性を確保するために、検体及び試料を正確に分注して、分析結果の信頼性を確保した自動分析装置及び質量センサが求められている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１０－２１７０４８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

本発明は、既定の分注量の検体及び試料を正確に分注して、分析結果の信頼性を確保することができる自動分析装置、及び質量センサを提供するものである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明に係る自動分析装置は、試薬を格納する試薬容器を保持する試薬保持部と、検体を格納する検体容器を保持する検体保持部と、前記試薬及び前記検体を反応容器に分注する分注機構と、前記反応容器の質量を測定する質量センサとを備える。前記質量センサは、固定部と、前記固定部に少なくとも一部が固定される振動板と、前記振動板に接合される圧電素子と、前記振動板に支持され測定対象の液体が吐出される前記反応容器を設置可能に構成された容器設置部とを備える。

【0009】

本発明に係る質量センサは、反応容器内に吐出された液体の質量を測定する質量センサであって、固定部と、前記固定部に少なくとも一部が固定される振動板と、前記振動板に接合される圧電素子と、前記振動板に支持され試薬及び検体が吐出される反応容器を設置可能に構成された容器設置部とを備えたことを特徴とする。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、既定の分注量の検体及び試料を正確に分注して、分析結果の信頼性を確保することができる自動分析装置、及び質量センサを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】第１の実施形態に係る自動分析装置１の全体概略図である。

【図2】質量センサ２の構成の詳細を示す斜視図である。

【図3】質量センサ２の動作を説明するグラフである。

【図4】第１の実施形態に係る自動分析装置１の動作を説明するフローチャートである。

【図5】第２の実施形態に係る自動分析装置１の動作を説明するフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、添付図面を参照して本実施形態について説明する。添付図面では、機能的に同じ要素は同じ番号又は対応する番号で表示される場合もある。なお、添付図面は本開示の原理に則った実施形態と実装例を示しているが、これらは本開示の理解のためのものであり、決して本開示を限定的に解釈するために用いられるものではない。本明細書の記述は典型的な例示に過ぎず、本開示の特許請求の範囲又は適用例を如何なる意味においても限定するものではない。

【0013】

本実施形態では、当業者が本開示を実施するのに十分詳細にその説明がなされているが、他の実装・形態も可能で、本開示の技術的思想の範囲と精神を逸脱することなく構成・構造の変更や多様な要素の置き換えが可能であることを理解する必要がある。従って、以降の記述をこれに限定して解釈してはならない。

【0014】

［第１の実施形態］
図１を参照して、第１の実施の形態の自動分析装置１の全体構成を説明する。この自動分析装置１は、一例として、試薬ディスク（試薬保持部）１０２、検体ディスク（検体保持部）１０４、インキュベータ１０６、反応容器トレイ１０７、グリッパ１０８、検出ユニット１０９、反応容器廃棄口１１０、分注機構１１１、及び質量センサ２、洗浄槽１１７から大略構成される。

【0015】

試薬ディスク１０２は、分析に使用する試薬を格納した試薬容器１０１を保持する試薬保持部である。検体ディスク１０４は、検査対象としての検体を格納した検体容器１０３を保持する検体保持部である。試薬ディスク１０２、及び検体ディスク１０４は、それぞれ移動機構１０２ａ、１０４ａにより、移動可能に（例えば回転軸を中心に回転可能に）構成される。試薬ディスク１０２及び検体ディスク１０４が移動することにより、分注機構１１１が試薬容器１０１及び検体容器１０３にアクセスし、試薬及び検体（液体）を吸引することができる。また、分注機構１１１は、吸引後、質量センサ２の吐出位置１１２に配置された反応容器１０５にアクセスし、吸引した液体を吐出することができる。

【0016】

インキュベータ１０６は、試薬及び検体を注入された反応容器１０５を一定温度に温度調整された環境下にて反応を促進する機能を有する。反応容器トレイ１０７は、未使用の反応容器１０５を保持する。グリッパ１０８は、反応容器１０５を把持して質量センサ２、検出ユニット１０９、反応容器廃棄口１１０等に搬送する機能を有する。検出ユニット１０９は、インキュベータ１０６において所定の反応時間を経た反応容器１０５を受領し、検体の分析を実行する。反応容器廃棄口１１０は、分析が終了した後の使用済の反応容器１０５を廃棄するための廃棄部を構成する。洗浄槽１１７は分注機構１１１を洗浄することができる。洗浄により、異なる液体を分注する際の成分の持越しを防ぐことができる。

【0017】

質量センサ２は、吐出位置１１２に配置された反応容器１０５の内部に吐出される液体の質量を測定する測定部である。図２は、質量センサ２の構成の詳細を示す斜視図である。この質量センサ２は、一例として、圧電素子２０２、振動板２０３、固定部２０４、容器設置部２０５、制御部２０６を備えて構成される。

【0018】

圧電素子２０２は、図２に示すように、一例として円板状に構成された振動板２０３の片面又は両面に、振動板２０３と同心の位置で接合され得る。圧電素子２０２は、厚み方向に分極されており、両面に形成した電極に交流電圧を印加すると、圧電素子２０２の伸縮によって、振動板２０３に円板の中心位置を腹とした、たわみ振動を発生させることが可能である。なお、振動板２０３は、例えばアルミニウムやチタンなどの金属材料により構成することができる。

【0019】

固定部２０４は、質量センサ２の基礎部分を構成し、例えば図２に示すように、上固定部材と下固定部材を有し、上下の固定部材により振動板２０３の外周部分を上下から挟み込むことで振動板２０３を固定可能とされている。すなわち、振動板２０３は、固定部２０４を固定端とした振動を得られるよう構成されている。振動板２０３の外周部分は、全周に亘って固定部２０４に固定される必要はなく、振動板２０３の振動が得られる限りにおいて少なくとも一部が固定されていればよい。

【0020】

容器設置部２０５は、反応容器１０５を設置可能に構成されており、具体的には、その内部に反応容器１０５が収容可能な収容部を備え、振動板２０３の略中央に固定される。換言すれば、容器設置部２０５は、圧電素子２０２と振動板２０３を貼り合わせて構成されるたわみ振動子の略中央に設置される。容器設置部２０５は、振動板２０３のたわみ振動と共に振動可能なよう、振動板２０３上に設置される。容器設置部２０５は、圧電素子２０２に所定周波数の交流電圧を印加した際に振動板２０３の振動振幅がほぼ最大となる位置に固定されるのが好適である。

【0021】

圧電素子２０２の電極には制御部２０６が接続される。制御部２０６は、圧電素子２０２に交流電圧を供給する電源部として機能するとともに、圧電素子２０２、振動板２０３、容器設置部２０５、反応容器１０５で構成された共振部２０７の共振周波数ｆを検出する検出部、及びその検出された共振周波数に基づいて反応容器１０５の質量を算出する質量算出部を構成する。分注の前後での共振周波数の変化量の絶対値｜Δｆ｜を検出することにより、吐出の前後での質量の変化Δｍ、すなわち吐出された液体の質量を測定することができる（図３参照）。

【0022】

共振部２０７が特定の振動モードの共振周波数付近で振動しているとき、振動系は１自由度のバネ、マスダンパ系に近似できる。このとき、振動系に調和励振力Ｆを加えたときに振動速度ｖが最大となる共振周波数ｆｒは下記の［数１］で表される。ここで、ｋ、ｍはそれぞれ、振動系の等価ばね定数、等価質量である。

【0023】

【数1】

【0024】

反応容器１０５に液体が吐出されて、振動系の質量がΔｍ（分注質量）だけ変化したとき、共振周波数ｆｒの変化量Δｆは、分注質量Δｍが振動系全体の質量ｍに比べて十分に小さいとき、数式２で表される。分注前と分注後の共振周波数の差分Δｆは、分注質量Δｍに比例するため、変化量Δｆに基づいて分注質量Δｍを算出することができる。反応容器１０５は製造ばらつきのため、質量にばらつきがある。反応容器１０５の質量ばらつきは、分注質量に対して無視できないほど大きい。分注前後の共振周波数の差分Δｆを用いることで、反応容器１０５の質量ばらつきの影響を低減して分注質量Δｍを算出することができる。

【0025】

【数2】

【0026】

質量センサ２が分注量の測定に利用する共振周波数ｆｒは、自動分析装置１の動作による外乱振動の影響を避けるために１ｋＨｚ以上が望ましく、また、反応容器１０５の変形を無視できる振動数として、反応容器１０５の１次固有振動数である６ｋＨｚ以下が望ましい。振動板２０３、圧電素子２０２を円板形状とし、振動板２０３の外周部を固定したたわみ振動を利用することで、自動分析装置に搭載可能な小型、軽量な構成で、共振部の共振周波数を１ｋＨｚ～６ｋＨｚとすることができる。

【0027】

反応容器１０５は、グリッパ１０８によって容器設置部２０５に設置（装着）され、また容器設置部２０５から除去（離脱）される。反応容器１０５の着脱の際には、分注質量による負荷に比べてはるかに大きな外力が質量センサ２に付加される。振動板２０３の外周部を固定部２０４で支持することで、反応容器１０５の着脱による負荷が外周部全体に分散されるため、振動板２０３や圧電素子が外力によって破損することを防ぐ効果がある。

【0028】

前述のように、吐出位置１１２に配置される反応容器１０５に対し、分注機構１１１の異常動作によって規定の液量が吐出位置１１２の反応容器１０５に分注されなかった場合、質量センサ２は分注量の異常を検出することができる。具体的には、既定の吐出量と、制御部２０６で演算された吐出量との比較の結果に従い、制御部２０６が分注量が正常であるか否かを判定することができる。

【0029】

図４のフローチャートを参照して、第１の実施の形態の自動分析装置１における、反応容器１０５へ分注された液体の質量の測定動作を説明する。自動分析装置１による自動分析が実行される場合には、まず、空の反応容器１０５が質量センサ２の容器設置部２０５に設置される（ステップＳ３０１）。そして、その空の反応容器１０５が設置された状態において、質量センサ２において共振周波数ｆ１が測定される（ステップＳ３０２）。

【0030】

続いて、当該反応容器１０５に対し、検体及び試薬（液体）が吐出され（ステップＳ３０３）、その後、当該吐出後の反応容器１０５について、質量センサ２において共振周波数ｆ２が測定される（ステップＳ３０４）。そして、計測された共振周波数ｆ１とｆ２に基づいて、ステップＳ３０３で吐出された液体の質量（Δｍ）が算出される（ステップＳ３０５）。算出された質量と、既定の吐出量との間の差が閾値を超えている場合には、制御部２０６は吐出量が異常であると判定し、その旨を図示しないディスプレイ等に表示することにより、オペレータに報知することができる。

【0031】

このように、第１の実施の形態の自動分析装置１は、液体の反応容器への吐出前の時点の共振部の第１の共振周波数と、液体の吐出後の時点の共振部の第２の共振周波数に基づいて、反応容器１０５内に吐出された液体の質量を算出する。質量センサ２は、固定部２０４と、固定部２０４に少なくとも一部が固定される振動板２０３と、振動板２０３に接合される圧電素子２０２と、振動板２０３に支持され反応容器１０５を設置可能に構成された容器設置部２０５とを備えている。反応容器１０５に分注された液体の質量により、圧電素子２０２、振動板２０３、容器設置部２０５、反応容器１０５で構成された共振部２０７の共振周波数ｆが変化するので、制御部２０６は、この共振周波数ｆの変化を検知することで、分注された液体の質量を検知し、異常を検知することができる。このような構成を有していることにより、反応容器１０５に製造ばらつきがあったとしても、それに影響されずに吐出された液体の質量を正確に計測することが可能になる。

【0032】

以上説明したように、第１の実施の形態の自動分析装置１及び質量センサ２によれば、既定の分注量の検体及び試料を正確に分注して、分析結果の信頼性を確保することができる。

【0033】

［第２の実施の形態］
次に、図５を参照して、第２の実施の形態に係る自動分析装置を説明する。第２の実施の形態の自動分析装置１は、全体構成については第１の実施の形態と同様であってよく（図１）、質量センサ２の構造も同一であってよい（図２）。ただし、この第２の実施の形態の自動分析装置１は、反応容器１０５へ分注された液体の質量の測定動作において、第１の実施の形態と異なっている。具体的に、この第２の実施の形態の自動分析装置１では、一の反応容器１０５への液体（検体及び試薬）の吐出が複数回に亘り実施され、その吐出動作毎の液体の吐出質量が正常であるかが判定される。

【0034】

図５のフローチャートを参照して、第２の実施の形態の自動分析装置１における、反応容器１０５へ分注された液体の質量の測定動作を説明する。ステップＳ４０１～４０５は、第１の実施の形態のステップＳ３０１～３０５と同一であるので、重複する説明はここでは省略する。

【0035】

ステップＳ４０６で、質量センサ２に搭載されている一の反応容器１０５への複数の吐出動作が一部終了しておらず、吐出すべき液体が残っている場合には（ＮＯ）、ステップＳ４０７に移行し、前回の計測における共振周波数ｆ２がｆ１に置き換えられる（すなわち、前回の吐出・質量測定における吐出動作後の共振周波数ｆ２が、次の測定においては、吐出動作前における共振周波数ｆ１に設定される）。

【0036】

続いて、ステップＳ４０３において、反応容器１０５に対し新たな液体の吐出が実行され、その吐出後の共振周波数ｆ２が改めて測定される（ステップＳ４０４）。そして、ステップＳ４０７で設定された共振周波数ｆ１（新たな吐出動作前）と、新たに得られた共振周波数ｆ２とに基づいて、新たな吐出動作における液体の吐出質量が算出される（ステップＳ４０５）。以上を規定の複数回の吐出動作が終了するまで繰り返す。

【0037】

以上説明したように、第２の実施の形態の自動分析装置１では、一の反応容器１０５への吐出動作が複数回に亘り実行され、その複数回の吐出動作毎の吐出質量が質量センサ２により計測される。従って、第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果が得られることに加え、複数回の吐出動作の各々が管理されるため、より吐出動作を正確に管理することができる。

【0038】

以上、本発明の実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0039】

１…自動分析装置
２…質量センサ
１０１…試薬容器
１０２…試薬ディスク
１０３…検体容器
１０４…検体ディスク
１０５…反応容器
１０６…インキュベータ
１０７…反応容器トレイ
１０８…グリッパ
１０９…検出ユニット
１１０…反応容器廃棄口
１１１…分注機構
１１２…吐出位置
１１７…洗浄槽
２０１…吐出液体
２０２…圧電素子
２０３…振動板
２０４…固定部
２０５…容器設置部
２０６…制御部
２０７…共振部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】