JP5379044B2 - 自動分析装置 - Google Patents

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Description

本発明は、サンプルに含まれる成分量を分析する自動分析装置、例えば血液や尿に含まれる成分量を分析する自動分析装置に関する。
サンプルに含まれる成分量を分析する自動分析装置として、光源からの光を、サンプル又はサンプルと試薬とが混合した反応液に照射し、その結果得られる単一又は複数の波長の透過光量を測定して吸光度を算出し、ランベルト・ベールの法則に従い、吸光度と濃度の関係から成分量を割り出す装置が広く用いられている（例えば特許文献１）。これらの装置においては、回転と停止を繰り返すセルディスクに、反応液を保持する多数のセルが円周上に並べられ、セルディスク回転中に、所定位置に配置された透過光測定部により、一定の時間間隔で約１０分間、ある時間における光量変化のデータ系列（反応過程データ）を受光量の経時変化として測定される。
自動分析装置は、反応液の反応として大きく分けて、基質と酵素との呈色反応と、抗原と抗体との凝集反応の２種類の反応を測定する。前者は生化学分析であり、検査項目としてＬＤＨ（乳酸脱水素酵素）、ＡＬＰ（アルカリホスファターゼ）、ＡＳＴ（アスパラギン酸オキソグルタル酸アミノトンラフェナーゼ）などがある。後者は免疫分析であり、検査項目としてＣＲＰ（Ｃ反応性蛋白）、ＩｇＧ（免疫グロブリン）、ＲＦ（リウマトイド因子）などがある。後者の免疫分析で測定される測定物質の中には血中濃度が低く高感度が要求される項目があり、これらはラテックス粒子の表面に抗体を感作（結合）させた試薬を用い、サンプル中に含まれる成分を認識し凝集させる際に、反応液に光を照射し、ラテックス凝集塊に散乱されずに透過した光量を測定することでサンプル中に含まれる成分量を定量する。
ここで通常の分析のように透過光量を測定するのではなく、散乱光量を測定することによる高感度化も試みられている。例えばダイアフラムを用いて透過光と散乱光とを分離し、吸光度と散乱光を同時に測定するシステム（特許文献２）や、凝集反応が進んだ結果形成される大きな凝集塊での反射散乱光計測による高濃度側での精度を高める構成（特許文献３）、反応容器前後に積分球を設置して前方散乱光と後方散乱光のそれぞれの平均光量を測定し、セル位置ずれによる濁度変化を補正する方法（特許文献４）、セル回転方向と同一平面上に蛍光・散乱光測定検出系を配置し、装置の小型化と装置調整を容易にする方法（特許文献５）、フローセルに流れる粒子の散乱光の強度と透過光の強度との比から濁度を算出する濁度測定方法（特許文献６）等が開示されている。
米国特許第４４５１４３３号明細書 特開２０００−３０７１１７号公報 特願２００６−１８０３３８号公報 特願平９−１５３０４８号公報 特開平１−２９５１３４号公報 特開平９−２７３９８７号公報
散乱光を用いた光度計において、反応過程データのデータ処理による高感度化の試みはこれまでなかった。特許文献２では散乱光と透過光の同時測定が可能になるものの、データ処理方法については開示されていない。特許文献３では散乱光を取得するものの、高濃度側の精度を向上させるためであり、低濃度での高感度化には有効ではない。特許文献４では積分球により散乱光を平均化しており、高感度化には繋がらない。さらにはセルの停止中に測定するシステムである。特許文献５は散乱光の強度と透過光の強度との比から濁度を算出する濁度測定方法であるが、具体的な処理方法は開示されていない。
高感度化には反応過程でのシグナル（光量変化）の増加、ノイズの低減が重要である。一般にノイズはその主原因により有効なデータ処理方法が異なり、ランダムノイズが主原因の場合、複数の受光器で計測した光量の平均化処理が有効であり、気泡・ごみ等が主原因の場合、複数の受光器で計測した光量の比又は差を取る処理が有効である。
自動分析装置ではセルの回転中に計測するために、短時間でも十分な測定精度が保てるよう、光量を確保することが重要となる。散乱光計測においてはラテックス凝集塊と波長がほぼ同レベルの大きさであるので、Ｍｉｅ散乱の領域となり、前方方向において散乱光量が大きく光量確保に有利である。前方方向の光を計測するためには、四角形のセル透過面を通過した光のみを計測し、セルの底面や液面を通過した光が入らない角度で受光しなければならない。そのためには概ね光軸から３５°以下の散乱光を受光することが望ましい。自動分析装置ではノイズの原因として、後者の気泡・ごみ等が原因となることが多々ある。通常の透過光測定においては、多数の波長の光量比又は差をとることで気泡やごみの影響を取り除いているが、散乱光測定の場合には多数の角度間の光量比又は差をとることが有利と考えられる。しかし、光軸から３５°以下の散乱光を受光するように複数の受光器を配置し、これら複数の受光器間での反応過程データの比又は差を新たな反応過程データとして取得した場合、それらの光量や光量変化の違いが少ないために、シグナルが低下し感度が向上しないという問題があった。そのためシグナルを低下させずに光量の比又は差を取ることで感度を向上させるデータ処理方法が望まれている。
本発明では、前方方向に設置した２つの散乱光受光器が受光する光量の比又は差を取る際に、一方の受光器で受光した反応過程データを、他方の受光器で受光した反応過程データから推定した推定ノイズにより補正しノイズを低減する。特に、この２つの散乱光受光器のうち光軸に近い側の受光器を主角度受光器とし、光軸から遠い側の受光器を副角度受光器とすると、副角度受光器の反応過程データから推定した推定ノイズを主角度受光器の反応過程データから差引くことによりノイズを低減する。主角度受光器も副角度受光器も、実用的には、散乱角度が０゜より大きく、３５゜以下の散乱光を受光する位置に配置する。
より詳細には、主角度受光器の反応過程データA(t , yat)をフィッティング関数fa(t)で近似し、副角度受光器の反応過程データB(t , ybt)をフィッティング関数fb(t)で近似する。主角度受光器と副角度受光器の感度比αを以下fa(t)とfb(t)の傾きfa´(t)とfb´(t)の比とする。
α＝fa´(t)/fb´(t)
反応時間tにおける副角度受光器の、データ値ybtとフィッティング関数fb(t)との差として残差rb(t)を以下で定義する。
rb(t)＝ybt - fb(t)
感度比αと残差rb(t)を用いて反応時間tにおける推定ノイズn(t)を以下で定義する。
n(t)＝α・rb(t)
主角度受光器の反応過程データ値yatから推定ノイズn(t)を引いたデータ値yctを用いノイズ補正反応過程データC(t , yｃt)を得る。
yct＝yat−n(t)
このノイズ補正反応過程データを用いてサンプル中の成分量を定量する。上記フィッティング関数fa(t)及びfb(t)は一次関数とすることができるが、それ以外の関数を用いてもよい。
さらに、透過光と散乱光は光量変化の方向が逆方向（散乱光の光量が増大すると、透過光の光量は減少する）であることから、副角度受光器の位置が照射光の光軸上である0°方向に配置された場合のデータ処理方法を示す。この場合、散乱光受光器の反応過程データと透過光受光器の反応過程データの差分をとることにより、シグナルを増大させる。
具体的には散乱光による反応過程データA(t , yat)と透過光による反応過程データD(t , ydt)とすると、
yet＝yat−ydt
として、透過光補正反応過程データE(t , yet)を得る。この透過光補正反応過程データを用いてサンプル中の成分量を定量する。これによりシグナルを増大させることができ、高感度化に有利である。この場合にも、散乱光を受光する受光器は、実用的には、散乱角度が０゜より大きく、３５゜以下の散乱光を受光する位置に配置する。
本発明によれば、２つの散乱光受光器において、反応過程データを用いたデータ処理により気泡やごみによるノイズが低減し高感度測定が可能になる。
本発明による自動分析装置の全体構成例を示す概略図。 本発明による散乱光測定部の概略図。 実施形態１における受光器ごとの反応過程データとデータ処理後の反応過程データを示す図。 実施形態２における受光器ごとの反応過程データとデータ処理後の反応過程データを示す図。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
［実施形態１］
主角度受光器を散乱角度２０°に、副角度受光器を３０°に配置した場合を例に説明する。
図１は、本発明による自動分析装置の全体構成例を示す概略図である。この自動分析装置は、高感度化のための散乱光測定部を搭載している。自動分析装置は主にサンプルディスク３、試薬ディスク６、セルディスク９の３種類のディスクと、これらのディスク間でサンプルや試薬を移動させる分注機構、これらを制御する制御部、測定部、測定したデータを処理する解析部、制御データ、測定データ、解析データを格納するデータ格納部、データ格納部からデータを入出力する入力部、出力部からなる。
サンプルディスク３には、サンプル１を収めたサンプルカップ２を円周上に複数配置する。試薬ディスク６には、試薬４を収めた試薬ボトル５を複数配置する。セルディスク９には、内部でサンプル１と試薬４とを混合させ反応液７とするセル８を円周上に複数配置する。サンプル分注機構１０は、サンプルカップ２からセル８にサンプル１を一定量移動させる。試薬分注機構１１は、試薬ボトル５からセル８に試薬４を一定量移動させる。攪拌部１２は、セル８内で、サンプル１と試薬４を攪拌し混合させる。洗浄部１４は、分析の終了したセル８から反応液７を排出し洗浄する。洗浄されたセル８には再びサンプル分注機構１０から次のサンプル１が分注され、試薬分注機構１１から新しい試薬４が分注され、別の反応に使用される。セル８は、温度・流量が制御された恒温槽内の恒温流体１７に浸漬されており、セル８及びその中の反応液７が一定温度に保たれた状態で移動される。恒温流体１７には水を用い、恒温流体の温度と流量を恒温流体制御部にて制御する。温度は反応温度である３７±０．１℃に温調する。セルディスク円周上の一部に透過光測定部１３及び散乱光測定部３１を備え付ける。透過光測定部１３及び散乱光測定部３１は、セル中の反応液に光源からの光を照射し、反応液と相互作用した後の光を測定する。
透過光測定部１３は、ハロゲンランプ光源からの光を移動中のセルに照射し、透過した光を、回折格子で分光後、フォトダイオードをアレイ上に並べたフォトダイオードアレイで受光する。
散乱光測定部３１の概略を図２に示す。ＬＥＤ光源３５からの照射光３６を移動中のセル８に照射し、透過光３７を透過光受光器３２で受光する。またメインの散乱光３４ａ及びサブの散乱光３４ｂをそれぞれ散乱光受光器３３ａ，３３ｂで測定した。メイン散乱光３４ａ、サブ散乱光３４ｂは、透過光３７の光軸から散乱光受光角度φ１，φ２ずつ離れている。本実施形態では、φ１，φ２はそれぞれ２０°と３０°とした。ＬＥＤ光源３５には照射光波長６６０ｎｍのエピテックス社Ｌ６６０−０２Ｖを用いた。ここでは２０°と３０°位置に散乱光受光器を配置したが、同位置にファイバやレンズなどの光学系を配置し、別位置に配置された散乱光受光器に光を導いてもよい。光源３５にはＬＥＤを用いたが、レーザやキセノンランプ、ハロゲンランプでも良い。
サンプル１中のある成分量の分析は、次の手順で行われる。まず、サンプル分注機構１０によりサンプルカップ２内のサンプル１をセル８内に一定量分注する。次に、試薬分注機構１１により試薬ボトル５内の試薬４をセル８内に一定量分注する。これら分注の際は、サンプルディスク３、試薬ディスク６、セルディスク９は制御部の制御下にそれぞれの駆動部によって回転駆動され、サンプルカップ２、試薬ボトル５、セル８を分注機構のタイミングに合わせて移動する。続いて、セル８内のサンプル１と試薬４とを攪拌部１２により攪拌し、反応液７とする。図１は簡略図であり、試薬ディスクや試薬分注機構を１つずつ図示しているが、典型的には２つずつの試薬ディスクと試薬分注機構と攪拌部が存在する。反応液７からの透過光及び散乱光は、セルディスク９の回転中に、透過光測定部１３及び散乱光測定部３１の測定位置を通過するたびに測定され、測定部を介して順次データ格納部に反応過程データとして蓄積される。約１０分間測光後、洗浄機構１４によりセル８内を洗浄し、次の分析を行う。その間、必要であれば別の試薬４を試薬分注機構１１によりセル８内に追加して分注し、攪拌部１２により攪拌し、さらに一定時間測定する。これにより一定の時間間隔を持った反応液７の反応過程データがデータ格納部に格納される。蓄積された反応過程データから、解析部において検査項目ごとの検量線データに基づき成分量を分析する。各部の制御・分析に必要なデータは、入力部からデータ格納部に入力される。また、検量線データはデータ格納部に保持される。各種データや結果、及びアラームは出力部により表示等にて出力される。
本実施形態ではラテックス項目としてＣＲＰ試薬（ナノピアＣＲＰ、積水メディカル社製）を用い、サンプルとしてＣＲＰキャリブレータ（積水メディカル社製）０．００５ｍｇ／ｄＬの濃度を用いた。分注・攪拌後、散乱光測定部３１において５秒ごとに反応液の光量を５分間計測した。計測した反応過程データから成分量を検量した。
図３Ａ、図３Ｂに、本実施形態の２つの受光器３３ａ，３３ｂによって測定されたラテックス凝集反応での反応過程データを示す。図３Ａは散乱角度２０゜に配置した主角度受光器３３ａによる反応過程データA(t , yat)とそのフィッティング関数fa(t)を示した図、図３Ｂは散乱角度３０゜に配置した副角度受光器３３ｂによる反応過程データB(t , ybt)とそのフィッティング関数fｂ(t)を示した図である。図３Ｂには、反応時間ｔにおける反応過程データB(t , ybt)とそのフィッティング関数fｂ(t)と差である残差rb(t)も同時に示した。また、図３Ｃにデータ処理後のノイズ補正反応過程データC(t , yｃt)を示す。反応過程データの縦軸は、ラテックス試薬導入から４５秒後の光量を１００％としたときの、ある時間と４５秒後の光量との光量差の割合である光量変化（％）であり、横軸はラテックス試薬導入後からの経過時間である。
図３Ａに示した主角度受光器の反応過程データA(t , yat)のフィッティング関数fa(t)をｆa(ｔ)＝ａｔ＋ｂとし、図３Ｂに示した副角度受光器の反応過程データB(t , ybt)のフィッティング関数fｂ(t)をfｂ(t)＝ｃｔ＋ｄとすると、主角度受光器と副角度受光器の感度比αはα＝ａ／ｃとなる。副角度受光器の反応過程データB(t , ybt)から推定した推定ノイズn(t)を差引いたデータを、データ処理後のノイズ補正反応過程データC(t , yｃt)として図３Ｃに示す。本実施形態のように、B(t , ybt)のフィッティング関数fｂ(t)を一次式fｂ(t)＝ｃｔ＋ｄとした場合には、データ処理後のノイズ補正反応過程データC(t , yｃt)のデータ値yｃtは次のようになる。
yｃt＝yat−α｛ybt−（ｃｔ＋ｄ）｝
これにより図３Ａに示した主角度受光器の反応過程データでは１分間のデータ値間の標準偏差が0.1%であったが、図３Ｃに示したデータ処理後の反応過程データにおいては１分間のデータ値間の標準偏差は0.07％と７割程度に低減され、高感度化を図ることができた。
［実施形態２］
本実施形態では、第１の受光器を散乱角度２０°の散乱光を受光する位置に配置し、第２の受光器を透過光受光位置（散乱角度０°）に配置し、透過光を受光する場合のこれら２つの受光器の反応過程データを用いてシグナルを増大させる方法を説明する。他の装置構成は実施形態１と同等である。また、第１の受光器の設置位置は、散乱角度２０゜の散乱光を受光する位置には限られず、分析成分や反応のタイプに応じて、一般に、散乱角度が０゜より大きく、３５゜以下の散乱光を受光する位置に配置すればよい。
図４Ａに、第１の受光器の反応過程データA(t , yat)と、第２の受光器の反応過程データD(t , yｄt)を示す。図４Ｂに、反応過程データA(t , yat)と反応過程データD(t , yｄt)の差分をとったデータ処理後の透過光補正反応過程データE(t , yet)を示す。透過光補正反応過程データE(t , yet)のデータ値yetは、yatとyｄtから次式のように演算される。
yet＝yat−yｄt
反応過程データA(t , yat)のフィッティング関数fa(t)の傾きが０．４％／分であったのに対し、データ処理後の透過光補正反応過程データE(t , yet)のフィッティング関数fe(t)傾きは０．６％／分と上昇した。これにより光量変化が大きくとれるため、精度が向上する。また本実施形態は、光量が多く得られる透過光の反応過程データをベースとして用いるため、ノイズを抑えたまま、高感度化を図ることができる。
１ サンプル
２ サンプルカップ
３ サンプルディスク
４ 試薬
５ 試薬ボトル
６ 試薬ディスク
７ 反応液
８ セル
９ セルディスク
１０ サンプル分注機構
１１ 試薬分注機構
１２ 攪拌部
１３ 透過光測定部
１４ 洗浄部
１７ 恒温流体
３１ 散乱光測定部
３２ 透過光受光器
３３ａ，３３ｂ 散乱光受光器
３４ａ，３４ｂ 散乱光
３５ 光源
３６ 照射光
３７ 透過光

Claims (4)

  1. サンプルと試薬とが混合した反応液を収めたセルを円周上に保持し、回転と停止を繰り返すセルディスクと、
    前記セルディスクの回転中に光源からの照射光を前記セルに照射し、前記セル中の反応液と相互作用した後の光を測定する光測定部とを有し、
    前記光測定部は、前記照射光の光軸に近い側の散乱光を受光する第１の受光器と、前記光軸から遠い側の散乱光を受光する第２の受光器とを有し、各受光器による受光量の経時変化をそれぞれ反応過程データとして測定し、
    前記第２の受光器の反応過程データと当該反応過程データをフィッティングするフィッティング関数との差に、前記第１の受光器と前記第２の受光器の感度比を乗ずることにより推定したノイズを、前記第１の受光器の反応過程データから差引いたデータを用いて、前記反応液中の成分量を定量することを特徴とする自動分析装置。
  2. 請求項１記載の自動分析装置において、前記第１の受光器と前記第２の受光器は共に散乱角度が０°より大きく、３５°以下の散乱光を受光する位置に配置されていることを特徴とする自動分析装置。
  3. 請求項１記載の自動分析装置において、前記フィッティング関数は一次関数であることを特徴とする自動分析装置。
  4. サンプルと試薬とが混合した反応液を収めたセルを円周上に保持し、回転と停止を繰り返すセルディスクと、
    前記セルディスクの回転中に光源からの照射光を前記セルに照射し、前記セル中の反応液と相互作用した後の光を測定する光測定部とを有し、
    前記光測定部は、前記照射光の光軸から３５゜以下の角度で散乱された散乱光を受光する第１の受光器と、前記照射光の光軸上に配置された第２の受光器とを有し、各受光器による受光量の経時変化をそれぞれ反応過程データとして測定し、
    前記第１の受光器の反応過程データから、前記第２の受光器の反応過程データを差引いたデータを用いて、前記反応液中の成分量を定量することを特徴とする自動分析装置。
JP2010039800A 2010-02-25 2010-02-25 自動分析装置 Active JP5379044B2 (ja)

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