特許 7546141 光源及び自動分析装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-08-28

(45)【発行日】2024-09-05

(54)【発明の名称】光源及び自動分析装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/01 20060101AFI20240829BHJP

   G01N 35/00 20060101ALI20240829BHJP

【ＦＩ】

G01N21/01 D

G01N35/00 Z

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2023505103

(86)(22)【出願日】2021-11-25

(86)【国際出願番号】 JP2021043173

(87)【国際公開番号】W WO2022190471

(87)【国際公開日】2022-09-15

【審査請求日】2023-08-21

(31)【優先権主張番号】P 2021036070

(32)【優先日】2021-03-08

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【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】110000350

【氏名又は名称】ポレール弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】有田 昌平

(72)【発明者】

【氏名】松岡 裕哉

(72)【発明者】

【氏名】安藤 貴洋

(72)【発明者】

【氏名】氣田 康宏

【審査官】伊藤 裕美

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１３－０２４７９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０２０／２４０９２６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１８／１２３２３６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１９－１２１７２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－０６４９８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１１／１０８５７１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００５－３４０３９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２００９／０２４５０４（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ２１／００ － Ｇ０１Ｎ ２１／８３

Ｇ０１Ｎ ３５／００ － Ｇ０１Ｎ ３５／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１発光素子と第２発光素子を載置する基板と、
前記基板の前記第１発光素子と第２発光素子を載置する第１側面とは反対の第２側面に接するように前記第１発光素子と前記第２発光素子を温度調整する温度調整部と、
前記第１発光素子が発する光を外部へ透過するレンズと、
前記第２発光素子が発する光を外部へ透過する拡散板と、
前記温度調整部に組付けられると共に、前記第１発光素子、前記第２発光素子及び前記基板を覆う部材と、を備え、
前記部材は、前記第１発光素子からの光が透過する領域に第１穴部と、前記第２発光素子からの光が透過する領域に第２穴部とを備え、
前記レンズは前記第１穴部の中に、前記拡散板は前記第２穴部の中に収まるように組付けられ、
前記レンズを透過した光と、前記拡散板を透過した光を合波する合波部を更に備える、
ことを特徴とする光源。

【請求項2】

請求項１に記載の光源であって、
前記基板の材質は、熱伝導性の高いアルミニウム、或いは銅であることを特徴とする光源。

【請求項3】

請求項１に記載の光源であって、
前記部材は、前記温度調整部との組付け面から突出部を有さない、ことを特徴とする光源。

【請求項4】

請求項１～３のいずれか一項に記載の光源と、前記光源からの光が照射される反応セルと、前記反応セルからの光を分光する分光器と、前記分光器からの光を測定する光量測定部とを備える、
ことを特徴とする自動分析装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、自動分析装置用光源及びそれを用いた自動分析装置に関する。

【背景技術】

【0002】

生体試料に含まれる成分量を分析するための自動分析装置においては、試料と試薬を混合させ、吸光、蛍光、発光等の光学特性に基づいて検査項目を分析するのが一般的である。近年、吸光分析の光源として、長寿命が期待される発光ダイオード(以下ＬＥＤ)が検討されている。例えば、特許文献1は、フィルタによってハロゲンランプ光とＬＥＤの紫外光を合波する構成を記載している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１８－１０５７３９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

自動分析装置の吸光分析において光源の光量を一定にするために発光素子の温度を一定にする必要がある。特許文献１では、ＬＥＤのパッケージ下面を冷却および恒温する構成が示されているが、ＬＥＤの上面側の環境温度の影響が考慮されていない。

【0005】

そこで、本発明の目的は、発光素子の温度を一定にし、高精度な分析性能を有する光源、及びそれを用いた自動分析装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記の目的を達成するため、本発明においては、第１発光素子と第２発光素子を載置する基板と、前記基板の前記第１発光素子と第２発光素子を載置する第１側面とは反対の第２側面に接するように前記第１発光素子と前記第２発光素子を温度調整する温度調整部と、前記第１発光素子が発する光を外部へ透過するレンズと、前記第２発光素子が発する光を外部へ透過する拡散板と、前記温度調整部に組付けられると共に、前記第１発光素子、前記第２発光素子及び前記基板を覆う部材と、を備え、前記部材は、前記第１発光素子からの光が透過する領域に第１穴部と、前記第２発光素子からの光が透過する領域に第２穴部とを備え、前記レンズは前記第１穴部の中に、前記拡散板は前記第２穴部の中に収まるように組付けられ、前記レンズを透過した光と、前記拡散板を透過した光を合波する合波部を更に備える、ことを特徴とする光源を提供する。

【0007】

また、上記の目的を達成するため、本発明においては、前記光源と、前記光源からの光が照射される反応セルと、前記反応セルからの光を分光する分光器と、前記分光器からの光を測定する光量測定部とを備える、ことを特徴とする自動分析装置を提供する。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、発光素子の温度を一定にし、高精度な分析性能を有する光源、及びそれを用いた自動分析装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】生化学検査用の自動分析装置の一例の概略図。

【図2】自動分析装置の吸光度測定部の一構成例の図。

【図3】実施例１における光源部の一構成例の図。

【図4】実施例１における光源部の一構成例の斜視図。

【図5】実施例２における光源部の一構成例の図。

【図6】実施例２における光源部の一構成例の図。

【図7】実施例３における光源部の構成例の図。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、図面に従い、本発明を実施するための形態について説明する。本明細書において、「光学素子」とは、レンズや拡散板の他、ダイクロイックフィルタなどのフィルタや反射板等を意味する。

【実施例1】

【0011】

図１は、実施例に係る生化学検査用の自動分析装置１００の全体構成を示す概略図である。自動分析装置１００は、試料に対して光を照射することにより測定する装置である。自動分析装置１０は、サンプルディスク１０３、試薬ディスク１０６、反応ディスク（インキュベータ）１０９、分注機構、制御回路２０１、光量測定回路２０２、データ処理部２０３、入力部２０４、出力部２０５を備える。反応ディスクに分注機構は、ディスク間でサンプルや試薬を移動させる。制御回路２０１は、各ディスクや分注機構を制御する、光量測定回路２０２は、反応溶液の吸光度を測定する。データ処理部２０３は、光量測定回路２０２が測定したデータを処理する。入力部２０４と出力部２０５は、データ処理部２０３とのインタフェースである。分注機構は、サンプル分注機構１１０と試薬分注機構１１１を備える。

【0012】

データ処理部２０３は、情報記録部２０３１と解析部２０３２を備える。情報記録部２０３１は、記憶メモリなどで構成され、制御データ、測定データ、データ解析に用いるデータ、解析結果データなどを格納する。データ処理部２０３は、中央処理部（CPU）などから構成されるコンピュータを用いて実現されてもよい。

【0013】

サンプルディスク１０３の円周上には、サンプル１０１の収容容器であるサンプルカップ１０２が複数配置される。サンプル１０１は、例えば血液である。試薬ディスク１０６の円周上には、試薬１０４の収容容器である試薬ボトル１０５が複数配置される。反応ディスク１０９の円周上には、サンプル１０１と試薬１０４を混合させた反応溶液１０７の収容容器である反応セル１０８（反応容器）が複数配置される。

【0014】

サンプル分注機構１１０は、サンプルカップ１０２から反応セル１０８にサンプル１０１を一定量移動させる際に使用する機構である。サンプル分注機構１１０は、例えば溶液を吐出または吸引するノズル、ノズルを所定位置に位置決めおよび搬送するロボット、溶液をノズルから吐出またはノズルに吸引するポンプ、およびノズルとポンプを繋ぐ流路で構成される。

【0015】

試薬分注機構１１１は、試薬ボトル１０５から反応セル１０８に試薬１０４を一定量移動させる際に使用する機構である。試薬分注機構１１１も、例えば溶液を吐出または吸引するノズル、ノズルを所定位置に位置決めおよび搬送するロボット、溶液をノズルから吐出またはノズルに吸引するポンプ、およびノズルとポンプを繋ぐ流路で構成される。

【0016】

攪拌部１１２は、反応セル１０８内で、サンプル１０１と試薬１０４を攪拌し混合させる機構部である。洗浄部１１４は、分析処理が終了した反応セル１０８から反応溶液１０７を排出し、その後、反応セル１０８を洗浄する機構部である。

【0017】

反応ディスク１０９において、反応セル１０８は、温度が制御された恒温槽内の恒温流体１１５に浸漬されている。これにより、反応セル１０８およびその中の反応溶液１０７は、反応ディスク１０９による移動中も、制御回路２０１によってその温度は一定温度に保たれる。恒温流体１１５には、例えば水や空気が使用される。反応ディスク１０９の円周上の一部に、サンプル１０１に対する吸光分析を実施する吸光度測定部（吸光光度計）１１３が配置される。

【0018】

図２は、吸光度測定部１１３の一構成例を示す図である。光源部３０１から発生した照射光は、光軸４０１に沿って出射され、集光レンズ４０３により集光されて反応セル１０８に照射される。このとき、光の照射面内光量分布を均一にするために光源側スリット４０２を配置し、光源部３０１からの出射光の幅を制限することがある。

【0019】

反応セル１０８の中の反応溶液１０７を透過した光は、分光器３０２中の回折格子３０２１によって分光され、多数の受光器を備える検出器アレイ３０２２によって受光される。このとき、反応溶液１０７を透過していない光はノイズになるので、そうした迷光が分光器３０２に入るのを防ぐために分光器側スリット４０４を配置することがある。 検出器アレイ３０２２が受光する測定波長は、１例として、３４０ｎｍ、３７６ｎｍ、４０５ｎｍ、４１５ｎｍ、４５０ｎｍ、４８０ｎｍ、５０５ｎｍ、５４６ｎｍ、５７０ｎｍ、６００ｎｍ、６６０ｎｍ、７００ｎｍ、７５０ｎｍ、８００ｎｍなどがある。これら受光器による受光信号は、光量測定回路２０２を通じ、データ処理部２０３の情報記録部２０３１に送信される。

【0020】

サンプル１０１に含まれるタンパク質、糖、脂質などの成分量の算出は、次の手順により実施される。まず、制御回路２０１は、サンプル分注機構１１０により、サンプルカップ１０２内のサンプル１０１を反応セル１０８に一定量分注する。次に、制御回路２０１は、試薬分注機構１１１により、試薬ボトル１０５内の試薬１０４を反応セル１０８に一定量分注する。

【0021】

各溶液の分注時、制御回路２０１は、それぞれに対応する駆動部により、サンプルディスク１０３、試薬ディスク１０６、反応ディスク１０９を回転駆動させる。この際、サンプルカップ１０２、試薬ボトル１０５、反応セル１０８は、それぞれに対応する分注機構の駆動タイミングに応じ、所定の分注位置に位置決めされる。

【0022】

反応ディスク１０９の回転により、反応溶液１０７を収容する反応セル１０８は、吸光度測定部１１３が配置された測定位置を通過する。測定位置を通過するたび、反応溶液１０７からの透過光量が吸光度測定部１１３を介して測定される。測定データは情報記録部２０３１に順次出力され、反応過程データとして蓄積される。

【0023】

この反応過程データの蓄積の間、必要であれば、別の試薬１０４を試薬分注機構１１１により反応セル１０８に追加で分注し、さらに一定時間測定する。これにより、一定の時間間隔で取得された反応過程データが、情報記録部２０３１に格納される。

【0024】

図３は、本実施例の光源、すなわち光源部３０１の一構成例を示す図である。ＬＥＤ実装基板５０３上には、第１ＬＥＤ５０１と第２ＬＥＤ５０２が実装されている。吸光分析には、広帯域波長が必要である。例えば、３４０～８００ｎｍである。そこで、複数の異なる波長のＬＥＤ光を合波することで広帯域波長を実現している。

【0025】

本実施例においては、図３に示すように、第１ＬＥＤ５０１の光路上に入射角４５°でダイクロイックフィルタ５０７を設置し、第２ＬＥＤ５０２の光路上に入射角４５°で反射板５０８を設置する。第２ＬＥＤ５０２から出射された光は、反射板５０８からダイクロイックフィルタ５０７へ２段階反射した後、第１ＬＥＤ５０１が出射した光と合波されて、光軸４０１の経路で分光器３０２に入射する。

【0026】

ＬＥＤ実装基板５０３は、第１ＬＥＤ５０１と第２ＬＥＤ５０２に電力を供給し、ＬＥＤ実装基板５０３は、温度調整部５０５と接し、ＬＥＤ素子と温度調整部５０５の温度を平衡化する役割を持つ。ＬＥＤを覆う部材５０４は、温度調整部５０５と接し、ＬＥＤ素子の周囲を恒温し、ＬＥＤの自己発熱等による、ＬＥＤ発光素子の温度変化を抑制する。同図の上部、下部それぞれに示すように、部材５０４は、温度調整部５０５との組付け面から突出部を有さずフラットに構成される。

【0027】

また、ＬＥＤを実装した基板５０３、ＬＥＤを覆う部材５０４によって、ＬＥＤ素子の環境温度の変化の影響を遮断する役割を持つ。熱伝導率の観点から、ＬＥＤ実装基板５０３、ＬＥＤを覆う部材５０４は、アルミニウムまたは銅のような熱伝導率の高い金属を基材とするものによって構成することが好ましい。しかし、今後の技術改革で金属に相当する熱伝導率を有した樹脂などの基材が開発された場合はこれも含む。

【0028】

第１ＬＥＤ５０１の光軸上に第１光学素子であるレンズを配置することで、ＬＥＤから反応セル１０８の光の照射面に入射する光量を大きくし、ＬＥＤ光の光源像を拡大することで照射面内の光量分布を均一にすることができる。レンズには、ボールレンズや半球レンズなどがある。本実施例では半球レンズ５０９を用いる。

【0029】

図４の斜視図に示すように、第１光学素子である半球レンズ５０９をＬＥＤを覆う部材５０４に収まるように、第１ＬＥＤ５０１の光軸上に、一対のネジを有する固定用部材５１１によって組付ける。半球レンズ５０９をＬＥＤを覆う部材５０４に設置することにより、半球レンズ５０９を一定温度に温度制御し、熱変形の影響を軽減することができる。

【0030】

本実施例の自動分析装置１００の吸光分析で高い精度の分析をするためには、反応セル１０８の光の照射面内において、第１ＬＥＤ５０１と第２ＬＥＤ５０２の光量分布を均一化することが必要である。しかし、光量分布を均一化するためには、高度な設計公差が要求される。例えば、第１ＬＥＤ５０１と第２ＬＥＤ５０２の実装位置、間隔、ダイクロイックフィルタ５０７や反射板５０８を保持する部材等の公差である。

【0031】

そこで、本実施例においては、第２ＬＥＤの出射光を拡散させることにより、ダイクロイックフィルタ５０７や反射板５０８で２段階反射した後、反応セル１０８に入射する第２ＬＥＤ５０２の出射光の光量分布を均一化する。そこで、光を拡散させるために、第２光学素子である拡散板５１０を、第２ＬＥＤ５０２を覆う部材５０４に、固定用部材５１１で第２ＬＥＤ５０２の光軸上に組み付ける。

【0032】

なお、本実施例では、第１光学素子、第２光学素子として、第１ＬＥＤの光軸上にレンズ、第２ＬＥＤの光軸上に拡散板を配置する構成を示したが、第１ＬＥＤの光軸上に拡散板、第２ＬＥＤの光軸上にレンズを配置する構成や、両ＬＥＤの光軸上にレンズを配置する構成、両ＬＥＤの光軸上に拡散板を配置する構成であってもよい。

【0033】

本実施例の温度調整部５０５に設定する温度は、例えば３７℃とする。温度調整部５０５の内部やＬＥＤ実装基板５０３の近傍に設置した温度センサ５０６によって取得した温度にしたがって温度調整部５０５を制御することにより、各ＬＥＤ素子を一定温度に保つ。温度センサ５０６は、例えばサーミスタ、熱電対、測温抵抗体などによって構成できる。

【0034】

温度調整部５０５としては、例えば恒温流体を流した金属ブロックや、ペルチェ素子を使用することができる。ペルチェ素子の場合、温度センサ５０６のフィードバック制御によって、制御回路２０１を介して温度調整部５０５のＬＥＤ側、すなわち、ＬＥＤ実装基板５０３の裏面は例えば３７±０．０１℃程度に制御することができる。

【0035】

すなわち、最も好適な実施例１では、発光素子を有する基板と、発光素子を温調する温調部と、発光素子からの光を外部へ発する第１光学素子と、発光素子を覆う金属部材と、を備え、温調部、基板、金属部材、第１光学素子の順に配置され、第１光学素子は、金属部材に収まるように組付けられ、温調部によって、発光素子、金属部材、第１光学素子が同じ温度制御下にあることを特徴とする光源、並びにそれを利用した自動分析装置を構成する。

【0036】

以上説明した実施例１の光源、並びに自動分析装置の構成によれば、第１ＬＥＤ５０１の素子温度と第２ＬＥＤ５０２の素子温度が一定範囲で同等となり、自動分析装置１００が２波長測定法を実施するとき高い精度の定量分析が可能になる。

【実施例2】

【0037】

実施例1ではＬＥＤ実装基板５０３上に２つのＬＥＤを実装する形態の光源を示した。実装されるＬＥＤの数は限定されるものではなく、レンズや拡散板の数も限定されるものではない。図５は、実施例２に係る自動分析装置１００が備える光源部３０１の一構成例である。本実施例においては、ＬＥＤ実装基板５０３上に３つのＬＥＤ５０１、５０２、５０３を実装し、第１光学素子であるレンズと第２光学素子である拡散板を配置しない形態を表す。その他構成は実施例１と同様である。

【0038】

上述したように、吸光分析には広帯域波長が必要であるが、本実施例によれば、波長の異なる３つのＬＥＤを利用することにより広帯域波長を得ることが容易であり、光量の増大を図ることができる。

【0039】

なお、合成された光は第１ＬＥＤの光と平行に出射する必要はない。例えば、図６のように合成された光を反射板５０８で反射して任意の光路を形成してもよい。

【実施例3】

【0040】

実施例1では、ＬＥＤを覆う部材５０４に半球レンズ５０９を収まるように組付け、一定温度に温度制御する形態を示したが、ＬＥＤを覆う部材５０４に組付けられるのは半球レンズに限らず、様々な光学素子、光学部品を含んでも良い。例えば、その他の光学部品として、ダイクロイックフィルタや反射板を用いることができる。

【0041】

図７は、実施例３に係る光源部の一構成例を示す図であり、第１ＬＥＤ５０１、第２ＬＥＤ５０２、ＬＥＤ実装基板５０３に加え、ダイクロイックフィルタ５０７、反射板５０８をＬＥＤを覆う部材５０４に組付け、一定温度に温度制御することができる。

【0042】

以上に説明した実施例に限定されるものではなく、さらに、様々な変形例が含まれる。例えば、前記した実施例は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を、他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の実施例に含まれる構成を追加・削除・置換することも可能である。

【符号の説明】

【0043】

１００：自動分析装置
１０１：サンプル
１０２：サンプルカップ
１０３：サンプルディスク
１０４：試薬
１０５：試薬ボトル
１０６：試薬ディスク
１０７：反応溶液
１０８：反応セル
１０９：反応ディスク
１１０：サンプル分注機構
１１１：試薬分注機構
１１２：攪拌部
１１３：吸光度測定部
１１４：洗浄部
１１５：恒温流体
２０１：制御回路
２０２：光量測定回路
２０３：データ処理部
２０３１：情報記録部
２０３２：解析部
２０４：入力部
２０５：出力部
３０１：光源部
３０２：分光器
３０２１：回折格子
３０２２：検出器アレイ
４０１：光軸
４０２：光源側スリット
４０３：集光レンズ
４０４：分光器側スリット
５０１：第１ＬＥＤ
５０２：第２ＬＥＤ
５０３：ＬＥＤ実装基板
５０４：ＬＥＤを覆う部材
５０５：温度調整部
５０６：温度センサ
５０７：ダイクロイックフィルタ
５０８：反射板
５０９：半球レンズ
５１０：拡散板
５１１：固定用部材
５１２：第３ＬＥＤ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】