JP2008058151A - 化学分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光源ランプの寿命を長くし、測定精度を確保することができる化学分析装置を提供する。
【解決手段】本発明の化学分析装置によると、ランプの寿命を延ばすために、光源駆動電力を定格値より低い値に設定する。しかしながら、ブランク吸光度が所定の許容値内に収まるように、光源駆動電力を設定する。更に、光源に供給する光源駆動電力を監視し、光源ランプの寿命、光源ランプの故障を診断する。更に、吸光度を監視し、光源ランプの故障を診断する。
【選択図】図１

Description

本発明は、生化学反応により試料を定量する化学分析装置に関し、特に、吸光度を測定することにより試料を定量する化学分析装置に関する。

従来、化学分析装置として、米国特許第４４５１４３３号公報に記載の化学分析装置が知られている。この化学分析装置は、サンプル及び試薬を反応容器に供給する自動サンプル及び試薬供給機構と、反応容器内のサンプル及び試薬を攪拌する自動攪拌機構と、反応中又は反応終了後にサンプルの物性を計測する比色測定部と、計測が終了したサンプルを吸引及び排出し、反応容器を洗浄する自動洗浄機構と、これらの動作を制御する制御部を有する。化学分析装置の処理能力は、１時間当たり数百テストから、大型の装置になると１時間当たり９０００テスト以上のものまである。

比色測定部では、光源からの白色光を反応容器内の被測定溶液に照射し、透過した光を分光装置によって分光する。分光した光のうち特定の波長の光強度を測定し、それを予め測定した基準濃度の溶液の光強度と比較することにより、吸光度を算出する。吸光度より、被測定溶液中の化学成分を分析する。

化学分析装置では、光源としてハロゲンランプが使用される。ハロゲンランプは、可視領域から近赤外領域までをカバーする連続スペクトル光源である。また、ハロゲンサイクルによりフィラメントの寿命が長いという優れた特性がある。

光源ランプには定格寿命が設定されている。定格寿命は、多数のランプの寿命の平均値として定義されている。従って、定格寿命に達した時にすべてのランプが寿命となるわけではない。例えば、定格寿命に達する前に点灯不能となる場合もある。

そこで、ランプには推奨交換期間が設定される。推奨交換期間は、定格寿命より短く設定される。即ち、定格寿命に対してマージンを見込んで推奨交換期間を設定する。このマージンが過大であると、ランプの交換頻度が高くなり、ランニングコストが大きくなる。従って、ランニングコストを抑えるためには、定格寿命に対して少ないマージンを見込んで推奨交換期間を設定すればよい。しかしながら、この場合、寿命末期において仕様を満足する光量が確保されていても短時間で光量が変動する現象が起きることが知られている。光量の変動は測定精度の変動につながる。そのため、マージンを少なくしてランプの推奨交換期間の設定するには、限界がある。

米国特許第４４５１４３３号公報 特開２００１−７４５５３号公報 小沢恭一 臨床用自動分析

上述のようにランプの推奨交換期間を設定するときに、定格寿命に対して適正なマージンを設定するのは困難である。また、適正なマージンを設定しても、ランプの実際の寿命そのものが長くなるわけではない。

本発明の目的は、光源ランプの寿命を長くし、測定精度を確保することができる化学分析装置を提供することにある。

本発明によると、ランプの寿命を延ばすために、光源駆動電力を定格値より低い値に設定する。しかしながら、ブランク吸光度が所定の許容値内に収まるように、光源駆動電力を設定する。

本発明によると、光源に供給する光源駆動電力を監視し、光源ランプの寿命、光源ランプの故障を診断する。更に、吸光度を監視し、光源ランプの故障を診断する。

本発明によれば、光源ランプの寿命を長くし、測定精度を確保することができる。

図１は、本発明による化学分析装置の構成を示す。本例の化学分析装置は、制御部３０と機構部４０を有する。制御部３０は、制御用電源３１、ＣＰＵ３２、メモリ３３、記憶媒体３４、Ｉ／Ｏ３５、及び、ＡＤ変換器３６を有する。機構部４０は、光源用電源４１、光源４２、多波長光度計４３、電力計４４、試料分注機構５３、試薬分注機構５４、撹袢機構５５、洗浄機構５６、及び、恒温槽５７を有する。

制御部３０は、Ｉ／Ｏ３５を介して、機構部４０の各部を駆動する。試料分注機構５３は、試料容器５１内の試料を反応容器５２に分注する。試薬分注機構５４は、反応容器５２に試薬を注入する。撹袢機構５５は、反応容器５１内の混合液を撹袢し、試料と試薬を反応させる。洗浄機構５６は、反応容器５２を洗浄する。恒温槽５７は、反応を安定させるために反応系を一定温度に保持する。

光源４２からの光は反応容器５２に収容された混合液に照射される。多波長光度計４３は、混合液を通過した光のうち所定の波長の光を検出する。ＡＤ変換機３６は、多波長光度計４３からのアナログ信号をデジタル信号に変換する。制御部３０は、多波長光度計４３によって検出された光強度と予め測定した基準濃度の溶液の光強度と比較することにより、吸光度を算出する。制御部３０は、吸光度に基づいて試料を分析する。

電力計４４は、光源駆動電力、即ち、光源駆動電流又は光源駆動電圧を測定する。光源駆動電流の測定方法には、光源用電源４１を直流電源としてホール素子を用いる方法、光源用電源４１を交流電源としてカレントトランスを用いる方法などがある。ホール素子を用いる方法は、非接触で電流を測定するため、電力のロスを抑えることができる利点がある。光源駆動電圧の測定方法には、シャント抵抗を用いて抵抗の両端に生じる電位差を測定する方法がある。

本発明の好ましい例では、ホール素子を用いる方法又はカレントトランスを用いる方法によって光駆動電流を測定する。しかしながら、光源駆動電圧を測定する方法も本発明の範囲内にある。本願明細書では電力は電流と電圧の両者を含む。

光源用電源４１は光源４２に電力を供給する。光源用電源４１は、制御部３０からの制御信号に基づいて、光源４２に供給する電力を制御する。記憶媒体３４は、化学分析装置を運転するための各種のプログラムを格納する。メモリ３３は、リアルタイムにて吸光度及び光源駆動電力を記憶する。制御用電源３１は制御部３０のための電源である。ＣＰＵ３２は、記憶媒体３４に格納されているプログラムを読み出し、制御部３０の動作を制御する。

本例の化学分析装置は、（１）多波長光度計４３によって検出された光強度と予め測定した基準濃度の溶液の光強度と比較することにより吸光度を算出する吸光度算出処理、（２）化学分析装置をランプ寿命延命モードにて運転するランプ寿命延命モード運転処理、（３）光源ランプが寿命に達したと判定し、その旨の警告を発生する寿命判定処理、（４）光源ランプが故障したと判定し、その旨の警告を発生する故障判定処理等を行う。

これらの処理を行うプログラムは記憶媒体３４に格納されている。吸光度算出処理については既に説明した。その他の処理は以下に詳細に説明する。

まず、本発明の化学分析装置によるランプ寿命延命モード運転処理について詳細に説明する。一般に光源４２の寿命を延命させるには、光源駆動電力を低減すればよい。従って、ランプ寿命延命モードでは、光源駆動電力を定格値より低い値に設定する。しながら、光源駆動電力を低く抑えすぎると、次のような問題が生じる。先ず、第１に、ハロゲンサイクルが正しく機能しなくなる。それによって、寧ろ短寿命となる可能性がある。第２に、光源からの光量が不足する。それによって、光度計の出力にノイズが生じ、測定精度が低下する。

それゆえ、個々の光源ランプの寿命を延長するためには、以下の２つの条件を満足する必要がある。

第１の条件は、ガラス球の管壁温度を所定の温度より高くすることである。ハロゲンサイクルでは、フィラメントから蒸発した成分がフィラメントに戻る。そのため、フィラメントの寿命を延ばす機能を有する。しかしながら、ガラス球の管壁温度が所定の温度より低い場合には、フィラメントから蒸発した成分が管壁に付着し、ハロゲンサイクルが機能しない。そのため、ランプの寿命が短くなる。そこで、ハロゲンサイクルを円滑に行わせるためにガラス球の管壁温度を所定の温度より高くする必要がある。

第２の条件は、光学系のノイズを許容値以下に抑えることである。一般に吸光度が大きい場合には、多波長光度計４３によって検出する光電電流が小さい。そのため、多波長光度計４３の出力は、光学的及び電気的なノイズの影響を受けやすい。このノイズは吸光度の値に影響を与え、測定誤差の要因となる。このノイズ影響を軽減するには光源の発光量を増加させ、多波長光度計４３からの信号量を増加されればよい。

光源４２の寿命を延命させるには、これらの２つの条件を満足するように、光源駆動電力を低減すればよい。

本発明によると、ブランク吸光度を測定する。反応容器５１に純水を充填した状態にて吸光度を測定する。これをブランク吸光度と称する。純水の吸光度は本来ゼロであるから、ブランク吸光度はゼロとなるはずである。ブランク吸光度がゼロとならない場合は、ノイズがあることになる。通常、新しい正常な光源を定格電力によって駆動した場合、ブランク吸光度はゼロとなる。しかしながら、正常な光源であっても、光源駆動電力を低減すると、光度計の出力にノイズが生ずる。即ち、ブランク吸光度がゼロとならない。

そこで、本発明によると、ランプ寿命延命モードのとき、ブランク吸光度が実用上の許容値以下となるように、光源駆動電力を低減する。光源駆動電力の設定方法は以下に説明する。

本発明によると、化学分析装置がランプ寿命延命モードのとき、多波長光度計４３は、ブランク吸光度を測定し、それを、Ｉ／Ｏ３５を介して、制御部３０に供給する。ＣＰＵ３２は、ブランク吸光度が所定の範囲内にあるか否かを判定する。ブランク吸光度が所定の範囲を超えたとき、制御部３０は、光源駆動電力を増加するように、光源用電源４１に、指令を送信する。光源用電源４１は、光源４２に供給する光源駆動電力を増加する。光源駆動電力が増加すると、ブランク吸光度は減少する。こうして、ブランク吸光度が所定の範囲を超えた毎に、光源駆動電力を増加する。それによって、ブランク吸光度が所定の範囲に収まるように、光源駆動電力が定格値より低い値に設定される。本例では、ランプ寿命延命モードでは、光源４２に供給する光源駆動電力は定格値より小さいため、光源ランプの寿命が延びる。

図２を参照して、本発明による化学分析装置における光源駆動電力の設定処理を説明する。化学分析装置がランプ寿命延命モードにて運転されると、本例の光源駆動電力の設定処理を行う。ステップＳ１０１にて、光源用電源４１は、制御部３０からの制御信号に基づいて、予め設定されている駆動電力にて光源を駆動する。この設定電力は、定格値より低い値である。ステップＳ１０２にて、反応容器５２にシステム水を充填しブランク吸光度を測定する。ステップＳ１０３にて、制御部３０は、ブランク吸光度が所定の範囲内にあるか否かを判定する。所定の範囲の上限は、ブランク吸光度の実用上の許容値であり、所定の範囲の下限は、上限より所定の値だけ低い値とする。

ブランク吸光度が所定の範囲内にある場合には、ステップＳ１０５に進み、ブランク吸光度が所定の範囲内にない場合には、ステップＳ１０４に進む。

ステップＳ１０４にて、光源駆動電力を変更する。再び、ステップＳ１０２に戻り、ブランク吸光度を測定し、ステップＳ１０３にて、ブランク吸光度が所定の範囲内にあるか否かを判定する。こうして、ステップＳ１０４とステップＳ１２５を繰り返すことによって、ブランク吸光度が所定の範囲内に収まるように、光源駆動電力を設定する。ステップＳ１０５にて、光源駆動電力の設定値を記憶する。ステップＳ１０６にて、設定した光源駆動電力によって光源を駆動する。この光源駆動電力の設定処理によって得られた光源駆動電力は、光源ランプの定格値より低く、且つ、ブランク吸光度が実用上の許容値内に収まる値となるものである。図２の光源駆動電力の設定処理は、所定の周期にて行う。

図３を参照して、本発明による光源駆動電力の設定処理及び光源ランプの寿命判定処理を説明する。図３（ａ）の縦軸は、ブランク吸光度、横軸は時間である。図３（ｂ）の縦軸は光源駆動電力、横軸は時間である。時刻ｔ１にて、本発明による光源駆動電力の設定処理を行う。時刻ｔ１までは、光源駆動電力は、定格電力Ｖ０に設定されている。このときブランク吸光度は、十分低い。時刻ｔ１にて、ランプ寿命延命モードを開始する。図２にて説明した光源駆動電力の設定処理を行う。即ち、光源駆動電力を定格値より低い値に設定する。ブランク吸光度は高くなる。但し、ブランク吸光度は所定の範囲ΔＣの間に収まるように、光源駆動電力を設定する。図３（ａ）に示すように、光源駆動電力が一定であっても時間が経過すると、ブランク吸光度は増加する。そこで、所定の周期にて、図２にて説明した光源駆動電力の設定処理を行う。

時刻ｔ２にて、定格寿命Ｌ０となる。しかしながら、定格寿命Ｌ０までの間、光源駆動電力は、定格値より低い値に設定されているから、定格寿命Ｌ０でも実寿命になっていない。更に、光源駆動電力の設定処理を繰返し、時刻ｔ３にて、光源駆動電力は、定格値となる。光源駆動電力が、定格値となった時刻ｔ３から所定の時間が経過した時刻ｔ４にて、本発明により設定した寿命Ｌ１となる。この寿命Ｌ１は、光源が実際に使用不可となる実寿命より短い。

こうして本発明によると、光源の寿命Ｌ１は、定格寿命Ｌ０より十分長いため、ランプの交換サイクルが長くなり、経済性が向上する。

寿命判定処理について説明する。電力計４４は、光源４２に印加される駆動電力を検出し、それを、Ｉ／Ｏ３５を介して、制御部３０に供給する。ＣＰＵ３２は、光源４２に印加される駆動電力を定格値と比較し、光源４２に印加される駆動電力が定格値に到達したときから所定の時間が経過したとき、光源ランプの寿命であると判定する。制御部３０は、光源ランプが寿命であると判定すると警告を発する。警告は、音声の発生、警告灯の点灯、画面上における表示等であってよい。

図４を参照して、本発明の化学分析装置による光源ランプの故障判定処理について説明する。故障判定処理では、光源４２のフィラメントの断線又は導通異常を検出する。光源４２の寿命による断線等の導通異常は、主に光源４２への供給電力の変動に基づいて検出する。電力計４４によって検出された光源駆動電力は、Ｉ／Ｏ３５を介して制御部３０に送られる。制御部３０は、光源駆動電力の急激な変動を検出すると、光源ランプの故障であると判定する。

ハロゲンサイクルでは、フィラメントの蒸発、再結合を繰り返す。しかしながら、寿命末期では、フィラメントは細り、断線する。図４（ａ）に示すように、時刻ｔ１−ｔ２にてフィラメントが断線すると、瞬間的に、光源駆動電力がゼロになる。図４（ｂ）に示すように、時刻ｔ３にてフィラメントが半断線すると、光源駆動電力が増加する。従って、光源駆動電力の急激な変動を検出することによってフィラメントが断線又は半断線を検出することができる。

図５を参照して、本発明による化学分析装置において、吸光度から光源４２のフィラメントの断線又は導通異常を検出する方法を説明する。図５（ａ）は、吸光度の時間変化を示し、図５（ｂ）は、光源駆動電力の時間変化を示す。図５（ａ）に示すように、所定の周期の測光時間Ｔにて測光を行う。測光中に光源４２のフィラメントが断線すると、吸光度曲線において上昇が生じる。即ち、図５（ｂ）に示すように、時刻ｔ１−ｔ２にて、フィラメントが断線すると、図５（ａ）に示すように、時刻ｔａ−ｔｂにて、吸光度が上昇する。また、図６に示すように、測光点ｘｃにて反応曲線において上昇が生じる。

本発明によると、吸光度と光源駆動電力の両者を監視し、両者が同時に変動した場合に、光源４２のランプの故障又は異常と判定する。

一般に、吸光度の変動の原因は、光学系の故障によるもの、試料の濃度によるもの、光源４２の異常によるもの等、様々である。従って、吸光度の監視だけでは、光源のランプの故障又は異常を正確に検出することはできない。そこで、本例では、吸光度と光源駆動電力の両者を監視する。即ち、吸光度が急激に上昇したとき、光源駆動電力が急激に変動している場合には、吸光度の変動の原因が光源４２の劣化にあると判定する。

本発明においては、寿命延命する機能により光源４２の交換頻度を少なくし、寿命到達を判定する機能により光源４２の劣化にともなう不正データ報告のリスクを回避するので、ユーザーのランニングコストを低減した測定結果の信頼性を高めた化学分析装置を提供することができる。

本発明によると、電源投入直後に光源が安定したか否かをユーザーに表示することができる。更に、光源が安定する前にユーザーが分析を開始した場合にアラームを表示することができる。

以上本発明の例を説明したが本発明は上述の例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲にて様々な変更が可能であることは当業者に容易に理解されよう。

本発明による化学分析装置の構造の例を示す図である。 本発明による化学分析装置における光源駆動電力の設定処理の動作を示す図である。 本発明による化学分析装置における光源駆動電力の設定処理及び光源ランプの寿命判定処理を説明する図である。 本発明による化学分析装置における光源ランプの故障判定処理を説明する図である。 本発明による化学分析装置における吸光度から光源のフィラメントの断線又は導通異常を検出する方法を説明する図である。 本発明による化学分析装置における光源の断線による反応曲線の影響を示した図である。

符号の説明

３０…制御部、３１…制御用電源、３２…ＣＰＵ、３３…メモリ、３４…記憶媒体、３５…Ｉ／Ｏ、３６…AD変換機、４０…機構部、４１…光源用電源、４２…光源、４３…多波長光度計、４４…電力計、５１…検体容器、５２…反応容器、５３…試料分注機構、５４…試薬分中機構、５５…攪拌機構、５６…洗浄機構、５７…恒温槽

Claims (17)

1. 被測定溶液に光を照射する光源と、該光源に駆動電力を供給する光源用電源と、上記被測定溶液を通過した光の強度を測定する光強度計と、を有し、上記光強度計によって得られた光強度から吸光度を測定することにより上記被測定液に含まれる成分を分析する化学分析装置において、
   上記光源用電源は、上記光源を定格電力より低い光源駆動電力によって駆動するランプ寿命延命モードによって運転されることを特徴とする化学分析装置。
2. 請求項１記載の化学分析装置において、上記ランプ寿命延命モードのとき、上記被測定溶液の代わりに純水によって得られたブランク吸光度を測定し、該ブランク吸光度が所定の許容値より小さくなるように、上記光源駆動電力が設定されることを特徴とする化学分析装置。
3. 請求項２記載の化学分析装置において、上記ランプ寿命延命モードのとき、所定の周期にて上記光源駆動電力を設定する光源駆動電力設定処理を行い、該光源駆動電力設定処理では、上記ブランク吸光度が所定の許容値より小さくなるように、上記光源駆動電力を定格電力より低い値に設定することを特徴とする化学分析装置。
4. 請求項３記載の化学分析装置において、上記光源駆動電力設定処理において、上記ブランク吸光度が所定の許容範囲に収まるように、上記光源駆動電力を定格電力より低い値に設定することを特徴とする化学分析装置。
5. 請求項３記載の化学分析装置において、上記光源駆動電力設定処理において、上記光源駆動電力を定格電力より低い値に設定すると上記ブランク吸光度が所定の許容値を超えるとき、上記光源のランプの寿命であると判定することを特徴とする化学分析装置。
6. 請求項５記載の化学分析装置において、上記光源駆動電力を定格電力より低い値に設定すると上記ブランク吸光度が所定の許容値を超えるとき、上記ブランク吸光度が所定の許容値を超えたときから所定の期間経過後に上記光源のランプの寿命であると判定することを特徴とする化学分析装置。
7. 請求項５記載の化学分析装置において、上記光源のランプの寿命であると判定したとき警告を発生することを特徴とする化学分析装置。
8. 請求項１記載の化学分析装置において、上記光源に供給された駆動電力を計測する電力計が設けられ、該電力計によって計測された上記光源の駆動電力を監視することによって、上記光源のランプの故障を診断することを特徴とする化学分析装置。
9. 請求項８記載の化学分析装置において、上記光強度計によって得られた吸光度と上記光源の駆動電力が同時に変動したとき、上記光源のランプが故障であると判定することを特徴とする化学分析装置。
10. 被測定溶液に光を照射する光源と、該光源に駆動電力を供給する光源用電源と、上記被測定溶液を通過した光の強度を測定する光強度計と、を有し、上記光強度計によって得られた光強度から吸光度を測定することにより上記被測定液に含まれる成分を分析する化学分析装置において、
    上記光源に供給された駆動電力を計測する電力計が設けられ、該電力計によって計測された上記光源の駆動電力を監視することによって、上記光源のランプの故障を診断することを特徴とする化学分析装置。
11. 請求項１０記載の化学分析装置において、上記光源の駆動電力がゼロになった場合には、上記光源のランプのフィラメントの断線であると判定し、上記光源の駆動電力が増加した場合には、上記光源のランプのフィラメントの半断線であると判定することを特徴とする化学分析装置。
12. 請求項１０記載の化学分析装置において、上記光強度計によって得られた吸光度と上記光源の駆動電力が同時に変動したとき、上記光源のランプが故障であると判定することを特徴とする化学分析装置。
13. 請求項１０記載の化学分析装置において、上記光源のランプが故障であると判定したとき警告を発生することを特徴とする化学分析装置。
14. 請求項１０記載の化学分析装置において、上記電力計は上記光源に供給される電流を計測する電流計であることを特徴とする化学分析装置。
15. 被測定溶液に光を照射する光源と、該光源に駆動電力を供給する光源用電源と、上記被測定溶液を通過した光の強度を測定する光強度計と、を有し、上記光強度計によって得られた光強度から吸光度を測定することにより上記被測定液に含まれる成分を分析する化学分析装置において、
    上記吸光度を監視することによって、上記光源のランプの故障を診断することを特徴とする化学分析装置。
16. 請求項１５記載の化学分析装置において、被測定溶液に光を照射中に、上記吸光度が上昇した場合に、上記光源のランプのフィラメントの断線であると判定することを特徴とする化学分析装置。
17. 被測定溶液に光を照射する光源と、該光源に駆動電力を供給する光源用電源と、上記被測定溶液を通過した光の強度を測定する光強度計と、を有し、上記光強度計によって得られた光強度から吸光度を測定することにより上記被測定液に含まれる成分を分析する化学分析装置において、
    測光点における反応曲線が上昇したとき、上記光源のランプのフィラメントの断線であると判定することを特徴とする化学分析装置。

Images