WO2023276659A1 - 光源および自動分析装置 - Google Patents

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WO2023276659A1
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light source
light
temperature
temperature sensor
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貴洋 安藤
康宏 氣田
裕哉 松岡
昌平 有田
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株式会社日立ハイテク
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    • H01L33/505Wavelength conversion elements characterised by the shape, e.g. plate or foil

Definitions

  • the present invention relates to a light source and an automatic analyzer using the light source.
  • samples and reagents are dispensed into containers for containing liquids, and changes in optical properties such as light absorption are used to determine It is common to analyze inspection items.
  • absorption analysis of an automatic analyzer light from a light source is irradiated onto a sample or a reaction solution in which a sample and a reagent are mixed, and the amount of light transmitted through the sample or reaction solution at a single or multiple measurement wavelengths is detected by a light receiving element.
  • a method is used in which the absorbance is calculated by measurement, and the component amount is obtained from the relationship between the absorbance and the concentration.
  • LEDs light emitting diodes
  • Patent Document 1 discloses a first LED chip that emits a luminous flux in a first wavelength band, and a phosphor provided on the luminous flux of the first LED chip. , and a second LED chip that emits light in a second wavelength band.
  • An object of the present invention is to provide a light source and an automatic analyzer that cover a wide range of wavelength bands used in the automatic analyzer and stabilize the amount of light.
  • the light source of the present invention comprises a substrate, a first LED provided on the substrate, and a phosphor that converts the excitation light of the first LED into broadband light, A temperature sensor was embedded in the phosphor along with the first LED.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing the configuration of the light source according to Example 1;
  • the top view which shows an example of arrangement
  • FIG. 5 is a plan view showing the arrangement of temperature sensors in the light source of the comparative example;
  • surface which shows the result of having measured the time until light amount drift stabilizes from lighting of LED.
  • 5 is a flow chart showing an example of a procedure for stabilizing the amount of light in the light source according to the first embodiment
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing the configuration of a light source according to Example 2
  • 9 is a flow chart showing an example of a procedure for stabilizing the amount of light in the light source according to the second embodiment;
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the overall configuration of the automatic analyzer.
  • the automatic analyzer includes three types of discs, a sample disc 103, a reagent disc 106, and a reaction disc 109, a dispensing mechanism for moving samples and reagents between these discs, and a control circuit for controlling them.
  • a light intensity measurement circuit 202 that measures the absorbance of the reaction liquid
  • a data processing unit 203 that processes data measured by the light intensity measurement circuit 202
  • an input unit 204 that is an interface with the data processing unit 203
  • the dispensing mechanism also includes a sample dispensing mechanism 110 and a reagent dispensing mechanism 111 .
  • the data processing unit 203 includes an information recording unit 2031 and an analysis unit 2032.
  • the information recording unit 2031 stores control data, measurement data, data used for data analysis, analysis result data, and the like.
  • the data processing unit 203 may be implemented using a computer.
  • the computer includes at least a processor such as a CPU (Central Processing Unit) and an information recording section 2031 .
  • the processing of the analysis unit 2032 may be realized by storing program codes corresponding to the data processing in the information recording unit 2031 and executing each program code by a processor.
  • the input unit 204 and the output unit 205 input/output data to/from the information recording unit 2031 .
  • the input unit 204 is an information input device such as a keyboard, touch panel, numeric keypad, or the like.
  • the output unit 205 is a device for the user of the automatic analyzer to check the analysis results, and is, for example, a display.
  • sample cups 102 sample containers containing samples 101 are arranged on the circumference of the sample disk 103 .
  • Sample 101 is, for example, blood.
  • a plurality of reagent bottles 105 reagent containers containing reagents 104 are arranged on the circumference of the reagent disk 106 .
  • a plurality of reaction cells 108 reaction containers containing a reaction liquid 107 in which the sample 101 and the reagent 104 are mixed are mounted on the circumference of the reaction disk 109 .
  • the sample pipetting mechanism 110 is a mechanism used when moving a certain amount of the sample 101 from the sample cup 102 to the reaction cell 108 .
  • the sample dispensing mechanism 110 includes, for example, a nozzle that ejects or aspirates a solution, a robot that positions and transports the nozzle at a predetermined position, a pump that ejects or aspirates the solution from the nozzle to the nozzle, and a channel that connects the nozzle and the pump. , consists of
  • the reagent dispensing mechanism 111 is a mechanism used when moving a certain amount of the reagent 104 from the reagent bottle 105 to the reaction cell 108 .
  • the reagent dispensing mechanism 111 also includes, for example, a nozzle that ejects or aspirates a solution, a robot that positions and transports the nozzle at a predetermined position, a pump that ejects or aspirates the solution from or to the nozzle, and a channel that connects the nozzle and the pump. , consists of
  • the stirring unit 112 is a mechanical unit that stirs and mixes the sample 101 and the reagent 104 within the reaction cell 108 .
  • the cleaning unit 114 is a mechanical unit that discharges the reaction liquid 107 from the reaction cell 108 that has completed the analysis process, and then cleans the reaction cell 108 . After cleaning, the next sample 101 is dispensed again from the sample dispensing mechanism 110, and a new reagent 104 is dispensed from the reagent dispensing mechanism 111 into the reaction cell 108 for use in another reaction process. .
  • the reaction cells 108 are immersed in a constant temperature fluid 115 in a constant temperature bath whose temperature and flow rate are controlled. Therefore, the reaction cell 108 and the reaction liquid 107 therein are kept at a constant temperature by the control circuit 201 even while being moved by the reaction disk 109 .
  • Water or air, for example, is used as the constant temperature fluid 115 .
  • an absorbance measuring unit 113 (absorbance photometer) is arranged for performing absorption analysis in the automatic analyzer.
  • FIG. 2 is a diagram showing the configuration of an absorbance measurement unit that performs absorbance analysis of an automatic analyzer.
  • Light generated from a light source 301 for absorption analysis is emitted along an optical axis 401 , condensed by a condensing lens 403 , and irradiated to the reaction cell 108 .
  • the light source side slit 402 may be arranged to limit the width of the light emitted from the light source 301 in order to make the light amount distribution in the irradiation surface uniform.
  • the light transmitted through the reaction liquid 107 in the reaction cell 108 is separated by the diffraction grating 3021 in the spectrometer 302 and received by the detector array 3022 having a large number of light receivers.
  • a spectroscope-side slit 404 may be arranged to prevent such stray light from entering the spectroscope 302 .
  • Examples of measurement wavelengths received by the detector array 3022 include 340 nm, 376 nm, 405 nm, 415 nm, 450 nm, 480 nm, 505 nm, 546 nm, 570 nm, 600 nm, 660 nm, 700 nm, 750 nm, and 800 nm.
  • Light reception signals from these light receivers are transmitted to the information recording section 2031 of the data processing section 203 through the light amount measurement circuit 202 .
  • the amount of components such as proteins, sugars, and lipids contained in the sample 101 is calculated according to the following procedure.
  • the control circuit 201 instructs the cleaning section 114 to clean the reaction cell 108 .
  • the control circuit 201 causes the sample dispensing mechanism 110 to dispense a given amount of the sample 101 in the sample cup 102 into the reaction cell 108 .
  • the control circuit 201 causes the reagent dispensing mechanism 111 to dispense a fixed amount of the reagent 104 in the reagent bottle 105 into the reaction cell 108 .
  • the control circuit 201 rotates the sample disk 103, the reagent disk 106, and the reaction disk 109 by the corresponding drive units. At this time, the sample cup 102, the reagent bottle 105, and the reaction cell 108 are positioned at predetermined dispensing positions according to the driving timing of the dispensing mechanism corresponding to each.
  • control circuit 201 controls the stirring unit 112 to stir the sample 101 and the reagent 104 dispensed into the reaction cell 108 to generate the reaction liquid 107 .
  • the reaction disk 109 rotates, the reaction cell 108 containing the reaction liquid 107 passes through the measurement position where the absorbance measurement unit 113 is arranged.
  • the amount of transmitted light from the reaction liquid 107 is measured via the absorbance measuring section 113 each time the measuring position is passed.
  • the measured data are sequentially output to the information recording unit 2031 and accumulated as reaction process data.
  • reaction process data acquired at regular time intervals are stored in the information recording unit 2031 .
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing the configuration of the light source according to Example 1.
  • the light source 301 according to the present embodiment includes a substrate 503, a temperature adjustment section 504 for adjusting the temperature of the substrate 503, and the temperature adjustment section 504 mounted on the substrate 503 on the side opposite to the temperature adjustment section 504.
  • a first LED 501 and a second LED 502 are provided.
  • the first LED 501 is a blue LED that emits light around a wavelength of 385 nm
  • the second LED 502 is an ultraviolet light LED that emits ultraviolet light around a wavelength of 340 nm.
  • a phosphor 506 is provided that converts the excitation light of the first LED 501 into broadband light with a wavelength of 370 nm to 800 nm and emits it.
  • the light source 301 of this embodiment has a dichroic filter 507 which is incident on the straight optical path of the first LED 501 at an incident angle of 45°, and further has a dichroic filter 507 on the straight optical path of the second LED 502 at an incident angle of 45°. It has a reflector 508, for example a mirror, which is incident on the .
  • the ultraviolet light from the second LED 502 reflected by the reflector 508 is reflected again by the dichroic filter 507, and is combined with the light of 370 nm to 800 nm wavelength-converted by the phosphor 506 by the excitation light of the first LED 501 as combined light.
  • the light is emitted from the light source 301 along one optical path.
  • the method of synthesizing light shown in FIG. 3 is an example, and includes a method in which the locations of the dichroic filter 507 and the reflector 508 are exchanged, a method in which another reflector is used, and a light rod that mixes the light from two LEDs. and the like.
  • the substrate 503 has the role of supplying power to the first LED 501 and the second LED 502 and balancing the temperatures of the two LEDs and the temperature adjustment section 504 .
  • the substrate 503 is preferably made of a metal such as aluminum or copper as a base material.
  • the first LED 501 and the second LED 502 are mounted on a single metal substrate 503 with high thermal conductivity, so that the common temperature fluctuation characteristic is obtained by the temperature control of the temperature adjustment unit 504. can get. That is, the temperatures of the first LED 501 and the second LED 502 can be relatively easily controlled by the temperature adjustment section 504 .
  • a phosphor 506 for converting the excitation light of the first LED 501 into broadband light and emitting the broadband light is provided on the substrate 503 so as to cover the first LED 501 .
  • the temperature sensor 505 is embedded in the phosphor 506 together with the first LED 501 .
  • the temperature sensor 505 is, for example, a thermistor, a thermocouple, a resistance temperature detector, a semiconductor sensor, or the like. It is also conceivable to short the ground side of the temperature sensor 505 and the cathode side of the LED to reduce the noise difference between the temperature sensor 505 and the LED.
  • a metal block containing constant temperature fluid or a Peltier element is used for the temperature adjustment unit 504 .
  • feedback control of the temperature sensor 505 via the control circuit 201 can control the substrate 503 side of the temperature adjustment unit 504 with a high accuracy of, for example, about 37 ⁇ 0.01.degree.
  • the light source 301 of the present embodiment has a configuration in which the first LED 501 and the second LED 502 are provided on the same substrate 503, by installing the temperature sensor 505 between these two LEDs, 1 Control is possible with one temperature sensor 505 .
  • the amount of emitted light wavelength-converted by the phosphor 506 by the excitation light of the first LED 501 and the amount of emitted light from the second LED 502 tend to have common fluctuation characteristics.
  • FIG. 4 is a plan view showing an example of the arrangement of temperature sensors.
  • the positions of the first LED 501 and the second LED 502 on the substrate 503 are determined under the restrictions of the arrangement of optical components such as dichroic filters, mirrors and lenses.
  • the position of the temperature sensor 505 is determined by the balance between the amount of heat generated from the first LED 501 and the amount of heat generated from the second LED 502 .
  • the temperature sensor 505 is arranged so as to be closer to the one of the two LEDs that generates the larger amount of heat.
  • the amount of heat generated by the first LED 501 is Q1
  • the amount of heat generated by the second LED 502 is Q2
  • the center position of the first LED 501 is O1
  • the center position of the second LED 502 is O2
  • the distance between the centers is L.
  • the temperature sensor 505 is arranged at a position where L is divided from O1 to O2 by a ratio of Q2:Q1.
  • the thermal conductivity of the substrate 503 is assumed to be high enough that the heat generated by the first LED 501 and the heat generated by the second LED 502 are easily in thermal equilibrium.
  • the position where the temperature sensor 505 is arranged is close to the temperature center of gravity, that is, the position corresponding to the average temperature of the light source 301, which is the structure composed of each LED and its mounting substrate. Therefore, by feeding back this average temperature to the temperature adjustment unit 504 such as a Peltier element via the control circuit 201, the temperature of the light source 301 as a whole can be controlled with high precision, and the light intensity can be stabilized.
  • the light source provided with two LEDs was described, but even in the case of a light source provided with three or more LEDs, as described above, the heat generation amount of each LED is taken into consideration. A temperature sensor should be placed.
  • a blue LED with a center wavelength of 385 nm (driven at a current of 600 mA) is used as the first LED 501, and white light is emitted from the phosphor 506 by its excitation light, while the second LED 502
  • An ultraviolet light LED (driven at a current of 160 mA) with a central wavelength of 340 nm was used.
  • a dichroic filter 507 and a reflector 508 are arranged in the same manner as in the configuration shown in FIG.
  • a Peltier element having a cooling surface of 20 mm ⁇ 20 mm was used in the temperature control unit 504, and the temperature of the cooling surface was controlled to 37 ⁇ 0.01°C. Then, on the substrate 503 made of aluminum on which each LED was mounted, pattern wiring was applied via an insulating film (resist).
  • the location of the thermistor which is the temperature sensor 505
  • is changed in Comparative Example and Example 1 to measure the time until the amount of light stabilizes and compare.
  • a 10-minute light intensity drift (how much the light intensity changes in 10 minutes) at a single wavelength was used, which is an index for stable absorption analysis.
  • the single wavelengths are 340 nm, 376 nm, 415 nm, 450 nm, 480 nm, 505 nm, 546 nm, 570 nm, 600 nm, 660 nm, 700 nm, 750 nm and 800 nm.
  • FIG. 5 is a plan view showing the arrangement of temperature sensors in the light source of the comparative example. As shown in FIG. 5, in the light source of the comparative example, the temperature sensor 505 is not embedded in the phosphor 506 unlike the first example, and is positioned outside the phosphor 506 .
  • FIG. 6 is a table showing the results of measuring the time from the lighting of the LED until the light amount drift stabilizes. As shown in FIG. 6, it can be seen that Example 1 takes less time to stabilize the amount of light than Comparative Example. This result is believed to support the fact that embedding the temperature sensor 505 in the phosphor 506 enables the amount of light emitted from the phosphor 506 to be controlled with high accuracy, and stabilizes the amount of light more quickly.
  • the means for stabilizing the amount of light will be explained.
  • the light intensity of the light source is constant.
  • temperature control of the substrate 503 by the temperature adjustment unit 504 and drive current control of the LED are provided as means for keeping the light amount constant.
  • an AlGaN crystal which is a compound semiconductor, is used as an LED that generates ultraviolet light with a wavelength of 340 nm or less.
  • the light-emitting efficiency of the ultraviolet LED is several times to one tenth of the light-emitting efficiency of the InGaN crystal used for the light-emitting layer of a general white LED.
  • the AlGaN crystal light-emitting layer has the characteristic that most of the input power becomes heat. Moreover, the higher the operating temperature of the LED and the longer the operating time, the more defects are formed in the semiconductor crystal, and the light intensity of the LED decreases over time.
  • the lifetime of LEDs using AlGaN crystals tends to be shorter than that of LEDs using InGaN crystals.
  • the specification value of the time L70 for the light intensity to decrease to 70% is usually determined when used at a package bottom surface temperature of 25 ° C.
  • L70 is 10,000 hours or more.
  • L70 becomes shorter according to the Arrhenius model as the operating temperature rises. That is, by using the temperature control unit 504 such as a Peltier device to lower the temperature of the substrate itself on which the LED is mounted, the light amount increases and the life of the LED can be lengthened.
  • the light intensity of the LED can also be increased by increasing the drive current.
  • FIG. 7 is a flow chart showing an example of the procedure for stabilizing the amount of light in the light source according to the first embodiment.
  • the light source 301 starts lighting (step S602).
  • the dispensing mechanism dispenses water to any reaction cell 108 (step S603).
  • the absorbance measurement unit 113 controls the driving current of the LED and the temperature control of the substrate 503 by the temperature adjustment unit 504 (step S604).
  • the absorbance measuring unit 113 measures the absorbance of the reaction cell 108 (step S605), and determines whether or not the amount of light that satisfies the specified value is obtained (step S606).
  • step S606 when the amount of light that satisfies the specified value is obtained, absorbance analysis is started (step S607).
  • the absorbance measurement unit 113 is controlled by the control circuit 201 , and the light amount data of the light amount measurement circuit 202 is obtained from the information recording unit 2031 .
  • As temperature data not only the temperature sensor 505 embedded in the phosphor 506, but also another temperature sensor not embedded in the phosphor 506, for example, a temperature sensor for measuring the installation environment temperature of the automatic analyzer. A measured temperature may be used.
  • temperature control of the substrate 503 by the temperature adjustment unit 504, drive current control of the LED, and heating control of the phosphor 506 by the heater 601 are provided as means for keeping the amount of light constant.
  • This embodiment is particularly effective when the temperature control of the entire light source 301 , especially the temperature control of the phosphor 506 , is insufficient only with the LED drive current control and the temperature control unit 504 such as a Peltier element.
  • the types of the heater 601 include, for example, rubber heaters, film heaters, cartridge heaters, sheath heaters, and the like.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view showing the configuration of the light source according to Example 2.
  • the light source 301 according to the present embodiment includes a substrate 503, a temperature adjustment section 504 for adjusting the temperature of the substrate 503, and the temperature adjustment section 504 mounted on the substrate 503 on the side opposite to the temperature adjustment section 504. and a heater 601 capable of directly heating the phosphor 506 . Therefore, by feeding back the temperature data acquired by the temperature sensor 505 to the control of the heater 601 as well, it is possible to shorten the time from when the LED is turned on until the amount of light is stabilized.
  • the light intensity of the light source 301 is in a stable state. be. Therefore, if the phosphor 506 is heated by the heater 601 so as to reach that temperature, the amount of light can be efficiently stabilized. In particular, when the phosphor 506 is heated (preheated) by the heater 601 before the LED starts lighting, the time until the light amount stabilizes is further shortened.
  • FIG. 9 is a flow chart showing an example of the procedure for stabilizing the amount of light in the light source according to the second embodiment.
  • the automatic analyzer starts up (step S701).
  • the initial values of the LED drive current value, the temperature setting value of the temperature adjustment unit 504 that controls the temperature of the substrate 503, and the temperature setting value of the heater 601 that preheats the phosphor 506 are A value is determined (step S702).
  • the absorbance measurement unit 113 controls the drive current of the LED and the temperature control of the substrate 503 by the temperature adjustment unit 504 based on the temperature data acquired by the temperature sensor 505.
  • step S704 the analysis unit 2032 uses the temporal data change in the temperature acquired from the temperature sensor 505 in step S705 and the temporal change in the absorbance (light amount) measured by the absorbance measurement unit 113 in step S706. do the analysis. Then, in step S707, when the absorbance measurement unit 113 determines that the amount of light does not satisfy the specified value, based on the analysis result of the analysis unit 2032, the LED drive current value, the temperature setting value of the temperature adjustment unit 504, and the heater 601 temperature set point is adjusted. On the other hand, when the absorbance measurement unit 113 determines in step S707 that the light amount satisfies the specified value, absorbance analysis is started (step S708).
  • the PID parameter is determined using the temperature data measured by the temperature sensor 505.
  • the ambient temperature is 25° C.
  • the temperature setting value (target value) of the temperature adjustment unit 504 is 37° C.
  • temperature control targeting 37° C. takes time until the amount of light stabilizes. Therefore, when temperature data changes slowly over time (that is, it takes time to stabilize the light intensity), it may be preferable to perform temperature control of PID parameters with a target value of 42° C., for example. In this way, it is possible to shorten the time until the amount of light stabilizes by acquiring and analyzing data changes in temperature over time as needed.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment, and includes various modifications.
  • each of the embodiments described above has been described in detail in order to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and is not necessarily limited to those having all the configurations described.
  • it is possible to replace part of the configuration of one embodiment with the configuration of another embodiment and it is also possible to add the configuration of another embodiment to the configuration of one embodiment.

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Abstract

本発明の目的は、自動分析装置で使用する広範囲の波長帯域をカバーしつつ、光量を安定化させた光源および自動分析装置を提供することにある。そして、本発明の光源は、基板と、前記基板上に設けられる第1のLEDと、前記第1のLEDの励起光を広帯域光に変換する蛍光体と、を備え、温度センサを、前記第1のLEDとともに、前記蛍光体に埋め込んだ。また、本発明の自動分析装置は、この光源を有する吸光度測定部と、前記吸光度測定部によって測定される反応液を収容する反応容器が搭載される反応ディスクと、を備える。

Description

光源および自動分析装置
 本発明は、光源およびその光源を用いた自動分析装置に関する。
 血液や尿等の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、液体収容用の容器に対して試料と試薬とを分注し、吸光等の光学特性の変化に基づいて検査項目を分析するのが一般的である。自動分析装置の吸光分析においては、光源からの光を試料または試料と試薬とが混合した反応液に照射し、試料または反応液を通過した単一または複数の測定波長の透過光量を受光素子によって測定して吸光度を算出し、吸光度と濃度の関係から成分量を求める方法が用いられる。
 吸光分析の光源は、従来、キセノンランプやハロゲンランプ等が用いられてきたが、これらは光量が安定するまでの時間はおよそ30分程度と比較的長く、寿命も比較的短いため自動分析装置としてのメンテナンス頻度は多くなる。このため、近年では、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(Light Emitting Diode、以下LED)が検討されている。
 ただし、自動分析装置は、測定対象とする成分に応じて、使用する試薬と光の波長が異なり、その波長範囲は340nm~800nmと広範囲である。したがって、1つのLED光で全波長帯域をカバーすることは難しく、複数のLED素子を用いることや、LEDの励起光を広帯域光に変換する蛍光体を用いることが考えられる。蛍光体を用いた光源の例として、例えば、特許文献1には、第1の波長帯の光束を発する第1のLEDチップと、前記第1のLEDチップの光束上に設けられた蛍光体と、第2の波長帯の光束を発する第2のLEDチップと、を備えた広帯域光源装置が開示されている。
特開2020-87974号公報
 ここで、自動分析装置の吸光分析に求められる光量安定性をLED光源で実現するためには、LED点灯時の自己発熱や環境温度による光量の変化を抑えることが重要となる。しかし、特許文献1に開示されているような蛍光体を用いた光源では、LEDチップ自体は比較的安定した温度に制御し易いものの、その周辺の蛍光体の温度の制御は困難である。蛍光体の温度が変化すると、蛍光体から出射される光の量も変化するため、自動分析装置で使用する広範囲の波長帯域の光量を全体として安定化させるのは容易ではない。
 本発明の目的は、自動分析装置で使用する広範囲の波長帯域をカバーしつつ、光量を安定化させた光源および自動分析装置を提供することにある。
 前記目的を達成するために、本発明の光源は、基板と、前記基板上に設けられる第1のLEDと、前記第1のLEDの励起光を広帯域光に変換する蛍光体と、を備え、温度センサを、前記第1のLEDとともに、前記蛍光体に埋め込んだ。
 本発明によれば、自動分析装置で使用する広範囲の波長帯域をカバーしつつ、光量を安定化させた光源および自動分析装置を提供できる。上述した以外の、課題、構成及び効果は、以下の実施の形態の説明にて明らかにされる。
自動分析装置の全体構成を示す模式図。 自動分析装置の吸光分析を行なう吸光度測定部の構成を示す図。 実施例1に係る光源の構成を示す断面図。 温度センサの配置の一例を示す平面図。 比較例の光源における温度センサの配置を示す平面図。 LEDの点灯から光量ドリフトが安定するまでの時間を測定した結果を示す表。 実施例1に係る光源において光量を安定化する手順の例を示すフローチャート。 実施例2に係る光源の構成を示す断面図。 実施例2に係る光源において光量を安定化する手順の例を示すフローチャート。
 以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。
 図1は、自動分析装置の全体構成を示す模式図である。本実施形態にかかる自動分析装置は、試料ディスク103、試薬ディスク106および反応ディスク109の3種類のディスクと、これらのディスク間で試料や試薬を移動させる分注機構と、これらを制御する制御回路201と、反応液の吸光度を測定する光量測定回路202と、光量測定回路202で測定されたデータを処理するデータ処理部203と、データ処理部203とのインタフェースである入力部204と、出力部205と、で構成される。また、分注機構は、試料分注機構110と、試薬分注機構111と、を備える。
 データ処理部203は、情報記録部2031と、解析部2032と、を備える。情報記録部2031には、制御データ、測定データ、データ解析に用いるデータ、解析結果データ等が格納される。データ処理部203は、コンピュータを用いて実現されても良い。コンピュータは、CPU(Central Processing Unit)などのプロセッサと、情報記録部2031と、を少なくとも備える。解析部2032の処理は、それらのデータ処理に対応するプログラムコードが情報記録部2031に格納され、プロセッサが各プログラムコードを実行することによって実現されても良い。
 入力部204および出力部205は、情報記録部2031との間でデータを入出力する。入力部204は、キーボード、タッチパネル、テンキーなどの情報入力装置である。出力部205は、自動分析装置のユーザが解析結果を確認するための装置であり、例えば、ディスプレイなどである。
 試料ディスク103の円周上には、試料101を収容する試料カップ102(試料容器)が複数配置される。試料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を収容する試薬ボトル105(試薬容器)が複数配置される。反応ディスク109の円周上には、試料101と試薬104を混合させた反応液107を収容する反応セル108(反応容器)が複数搭載される。
 試料分注機構110は、試料カップ102から反応セル108に試料101を一定量移動させる際に使用する機構である。試料分注機構110は、例えば溶液を吐出または吸引するノズルと、ノズルを所定位置に位置決めおよび搬送するロボットと、溶液をノズルから吐出またはノズルに吸引するポンプと、ノズルとポンプを繋ぐ流路と、で構成される。
 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と、ノズルを所定位置に位置決めおよび搬送するロボットと、溶液をノズルから吐出またはノズルに吸引するポンプと、ノズルとポンプを繋ぐ流路と、で構成される。
 攪拌部112は、反応セル108内で、試料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。洗浄終了後の反応セル108には、再び、試料分注機構110から次の試料101が分注され、試薬分注機構111から新しい試薬104が分注されて、別の反応処理に使用される。
 反応ディスク109において、反応セル108は、温度および流量が制御された恒温槽内の恒温流体115に浸漬されている。このため、反応セル108およびその中の反応液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の円周上の一部には、自動分析装置において吸光分析を行なう吸光度測定部113(吸光光度計)が配置される。
 図2は、自動分析装置の吸光分析を行なう吸光度測定部の構成を示す図である。吸光分析の光源301から発生した光は、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、照射面内の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301からの出射光の幅を制限することがある。
 反応セル108の中の反応液107を透過した光は、分光器302中の回折格子3021で分光され、多数の受光器を備える検出器アレイ3022で受光される。このとき、反応液107を透過していない光はノイズになるため、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で受光する測定波長は、一例として、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。
 試料101に含まれるタンパク質、糖、脂質などの成分量の算出は、次の手順により行われる。まず、制御回路201は、洗浄部114に指示し、反応セル108を洗浄する。次に、制御回路201は、試料分注機構110により、試料カップ102内の試料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。
 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、試料ディスク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、試料カップ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。
 続いて、制御回路201は、攪拌部112を制御して、反応セル108内に分注された試料101と試薬104とを攪拌し、反応液107を生成する。反応ディスク109の回転により、反応液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。
 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、攪拌部112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。
  吸光度測定部113に用いられる光源301について詳細に説明する。図3は、実施例1に係る光源の構成を示す断面図である。図3に示すように、本実施例に係る光源301は、基板503と、この基板503の温度を調整する温度調整部504と、基板503に対してこの温度調整部504と反対側に実装される第1のLED501および第2のLED502と、を備えている。
 ここで、自動分析装置の吸光分析の方法として、2つの波長の光を同時に測定することにより、測定対象の濃度を精度良く定量する2波長測定法がある。この測定法では、各波長の光量の変動特性が共通であるほど定量性が高くなる。そこで、本実施例では、図3のように、一枚の基板503に複数のLEDを実装することで、温度調整部504の温度制御によって各LEDが同様の温度変動特性となり、定量性の高い吸光分析を実現できるようにしている。
 第1のLED501は、波長385nm付近を中心に光を出射する青色LEDであり、第2のLED502は、波長340nm付近を中心に紫外光を出射する紫外光LEDである。さらに、第1のLED501の周囲には、第1のLED501の励起光を370nm~800nmの波長の広帯域光に変換して出射する蛍光体506が設けられている。
 また、本実施例の光源301は、第1のLED501の直進光路上に、入射角45°で入射するダイクロイックフィルタ507を有し、さらに、第2のLED502の直進光路上に、入射角45°で入射する例えばミラーのような反射板508を有している。反射板508で反射した第2のLED502からの紫外光は、ダイクロイックフィルタ507で再び反射し、第1のLED501の励起光により蛍光体506で波長変換された370nm~800nmの光とともに、合成光として光源301から一つの光路で出射される。その結果、自動分析装置に求められる340nm~800nmの広帯域の波長の光を得ることができる。なお、図3に示す光の合成方法は一例であり、ダイクロイックフィルタ507と反射板508の場所を相互に入れ替えた方法、さらに別の反射板を用いる方法、2つのLEDの光を混色するライトロッドを用いる方法、などが考えられる。
 基板503は、第1のLED501と第2のLED502に電力を供給し、2つのLEDと温度調整部504の温度を平衡化する役割を有している。2つのLEDへの電力の供給では、カソード側を短絡して各LEDのノイズ差を軽減することも考えられる。また、温度調整部504と各LEDとの間の熱伝導を促進する観点から、基板503は、アルミニウムまたは銅のような金属を基材とするものによって構成されることが好ましい。このように、第1のLED501および第2のLED502が、熱伝導率の高い一枚の金属製の基板503に実装されていることで、温度調整部504の温度制御によって共通の温度変動特性が得られる。すなわち、第1のLED501および第2のLED502の温度は、温度調整部504によって比較的容易に制御できる。
 しかし、本実施例の光源301は、第1のLED501の励起光を広帯域光に変換して出射するための蛍光体506が、第1のLED501を覆うように基板503上に設けられている。この蛍光体506は、第1のLED501と異なり、温度調整部504だけでは温度調整が容易でない。そこで、本実施例では、温度センサ505を、第1のLED501とともに、蛍光体506に埋め込むようにした。これにより、蛍光体506の温度が直接測定でき、蛍光体506を含む温度制御が容易となるため、広範囲の波長帯域の光量を安定化することが可能になる。なお、温度センサ505は、例えば、サーミスタや熱電対、測温抵抗体、半導体センサなどである。また、温度センサ505のグランド側とLEDのカソード側とを短絡して、温度センサ505とLEDの間のノイズ差を軽減することも考えられる。
 温度調整部504には、例えば恒温流体を有する金属ブロックや、ペルチェ素子が使用される。ペルチェ素子の場合、制御回路201を介した温度センサ505のフィードバック制御によって、温度調整部504の基板503側は、例えば37±0.01℃程度の高精度に制御することができる。このとき、温度センサ505は制御対象のLED素子の近くに配置する方が、制御精度を向上させる上で望ましい。ただし、本実施例の光源301は、同一の基板503上に第1のLED501および第2のLED502が設けられる構成であるため、これら2つのLEDの間に温度センサ505を設置することで、1つの温度センサ505で制御を可能としている。これにより、第1のLED501の励起光により蛍光体506で波長変換された出射光の光量と、第2のLED502からの出射光の光量は、共通の変動特性になりやすくなる。
 図4は、温度センサの配置の一例を示す平面図である。まず、ダイクロイックフィルタ、ミラーおよびレンズなど光学部品の配置の制限下で、第1のLED501および第2のLED502の基板503上における位置が決められる。次に、温度センサ505の位置は、第1のLED501からの発熱量と第2のLED502からの発熱量とのバランスで決められる。具体的には、2つのLEDのうち、発熱量の大きい方に近くなるように温度センサ505が配置される。望ましくは、第1のLED501による発熱量をQ1、第2のLED502による発熱量をQ2、第1のLED501の中心位置をO1、第2のLED502の中心位置をO2、中心間距離をLとしたとき、Lを、O1からO2に向かってQ2:Q1の比で分けた位置に温度センサ505が配置される。ただし、前提として、第1のLED501による発熱と第2のLED502による発熱とが容易に熱平衡状態となる程度に、基板503の熱伝導率が高いものとする。このように、温度センサ505が配置される位置は、温度重心、すなわち、各LEDとその実装基板からなる構造体である光源301の平均温度に対応する位置に近い。したがって、この平均温度を、制御回路201を介してペルチェ素子などの温度調整部504にフィードバックすることで、光源301全体としての温度を精度良く制御でき、光量が安定することになる。なお、本実施例では、2つのLEDを備えた光源について説明したが、3つ以上のLEDを備えた光源であっても、前述と同様に、各LEDによる発熱量の比を勘案した場所に温度センサを配置すれば良い。
 次に、本実施例の光源を用いて光量を安定化させた場合の実験結果について説明する。実験条件として、第1のLED501には中心波長385nmの青色LED(電流600mAにて駆動)を用い、その励起光で蛍光体506から白色が出射されるようにする一方、第2のLED502には中心波長340nmの紫外光LED(電流160mAにて駆動)を用いた。また、図3に示す構成と同様に、ダイクロイックフィルタ507と反射板508とを配置した。さらに、温度調整部504には20mm×20mmの冷却面を有するペルチェ素子を用い、当該冷却面の温度を37±0.01℃に制御した。そして、各LEDが実装されたアルミ製の基板503上において、絶縁膜(レジスト)を介してパターン配線を施した。
 本実験は、このような条件で、温度センサ505であるサーミスタの配置場所を変えて(比較例と実施例1にて)光量の安定化までの時間を測定し、比較するものである。具体的な指標としては、安定した吸光分析の指標となる、単一波長での10分間の光量ドリフト(10分間に光量がどのくらい変化するか)を採用した。なお、単一波長は、340nm、376nm、415nm、450nm、480nm、505nm、546nm、570nm、600nm、660nm、700nm、750nm、800nmとしている。
 図5は、比較例の光源における温度センサの配置を示す平面図である。図5に示すように、比較例の光源では、温度センサ505が、実施例1と異なり蛍光体506に埋め込まれておらず、蛍光体506の外に位置している。
 図6は、LEDの点灯から光量ドリフトが安定するまでの時間を測定した結果を示す表である。図6に示すように、実施例1の方が、比較例よりも、光量が安定化するまでの時間が短いことが分かる。この結果は、温度センサ505を蛍光体506に埋め込むことにより、蛍光体506から出射される光量を高精度に制御でき、光量の安定化が早まることを裏付けていると考えられる。
 ここで、光量の安定化手段について説明する。前述した通り、自動分析装置の吸光分析の分析性能を安定的に得るためには、その光源の光量が一定であることが好適である。本実施例では、光量を一定に保つ手段として、温度調整部504による基板503の温度制御と、LEDの駆動電流制御と、を有している。
 例えば、波長340nm以下の紫外光を発生させるLEDとして、化合物半導体であるAlGaN結晶が用いられる。AlGaN結晶を発光層として用いた場合、紫外LEDの発光効率は、一般的な白色LEDの発光層に用いられているInGaN結晶の発光効率と比較して数分の一から十数分の一と低く、AlGaN結晶の発光層は、投入した電力の大部分が熱になるという特徴を有する。また、LEDの使用温度が高いほど、そして、使用時間が長いほど、半導体結晶中に欠陥が形成され、LEDの光量は経時的に低下する。そのため、AlGaN結晶を用いたLEDの寿命は、InGaN結晶を用いたLEDよりも短くなりやすい。市販されているLEDにおいて、光量が70%に低下する時間L70の仕様値は、通常、パッケージ下面温度が25℃で使用した場合で定められており、例えばL70は10,000時間以上であるが、使用温度が上昇するとL70はアレニウスモデルに従って短くなることが知られている。すなわち、ペルチェ素子などの温度調整部504により、LEDを実装する基板自体の温度を下げて使用することで光量は上昇し、LEDの寿命も長くすることができる。また、LEDの光量は、駆動電流を上げることによっても上げられる。
 図7は、実施例1に係る光源において光量を安定化する手順の例を示すフローチャートである。図7に示すように、自動分析装置が起動された後(ステップS601)、光源301が点灯を開始する(ステップS602)。次に、分注機構が任意の反応セル108に水を分注する(ステップS603)。そして、吸光度測定部113は、温度センサ505で取得される温度データに基づき、LEDの駆動電流制御と、温度調整部504による基板503の温度制御と、を実行する(ステップS604)。このとき、吸光度測定部113は、反応セル108に対して吸光度測定を行ない(ステップS605)、規定値を満たす光量が得られているか否かを判定する(ステップS606)。規定値を満たす光量が得られていない場合、ステップS604に戻り、吸光度測定部113は、LEDの駆動電流制御と、温度調整部504による基板503の温度制御と、を実行する。そして、ステップS606において、規定値を満たす光量が得られている場合、吸光度分析が開始される(ステップS607)。
 なお、吸光度測定部113は、制御回路201によって制御され、光量測定回路202の光量データは、情報記録部2031から取得される。また、温度データとしては、蛍光体506に埋め込まれた温度センサ505だけでなく、蛍光体506に埋め込まれていない別の温度センサ、例えば、自動分析装置の設置環境温度を測定する温度センサにて測定された温度が用いられても良い。
  実施例2では、光量を一定に保つ手段として、温度調整部504による基板503の温度制御、LEDの駆動電流制御、の他に、ヒータ601による蛍光体506の加温制御を有している。LEDの駆動電流制御やペルチェ素子などの温度調整部504だけでは、光源301全体の温度、特に、蛍光体506の温度制御が十分でない場合に、本実施例は特に有効である。なお、ヒータ601の種類としては、例えば、ラバーヒータ、フィルムヒータ、カートリッジヒータ、シースヒータ、などが挙げられる。
 図8は、実施例2に係る光源の構成を示す断面図である。図8に示すように、本実施例に係る光源301は、基板503と、この基板503の温度を調整する温度調整部504と、基板503に対してこの温度調整部504と反対側に実装される第1のLED501および第2のLED502と、蛍光体506を直接加温できるヒータ601と、を備えている。このため、温度センサ505で取得した温度データを、ヒータ601の制御にもフィードバックすることで、LEDが点灯してから光量が安定するまでの時間を短くできる。
 また、自動分析装置が稼働して一定時間が経過すると、光源301の光量は安定状態となっているので、このときの温度データが、温度センサ505により測定され、情報記録部2031に予め記録される。したがって、当該温度になるよう、ヒータ601により蛍光体506を加温すれば、光量を効率的に安定化させることが可能となる。特に、LEDが点灯を開始する前に、ヒータ601によって蛍光体506を加温(プレヒート)した場合、光量安定までの時間がさらに短縮される。
 図9は、実施例2に係る光源において光量を安定化する手順の例を示すフローチャートである。まず、自動分析装置が起動する(ステップS701)。次に、温度センサ505で取得したデータに基づき、LED駆動電流値、基板503を温度制御する温度調整部504の温度設定値、および、蛍光体506をプレヒートするヒータ601の温度設定値、の初期値が決定される(ステップS702)。次に、光源が点灯を開始する(ステップS703)と、吸光度測定部113は、温度センサ505で取得される温度データに基づき、LEDの駆動電流制御と、温度調整部504による基板503の温度制御と、ヒータ601による蛍光体506の温度制御と、を実行する(ステップS704)。ここで、解析部2032は、ステップS705において温度センサ505から取得した温度の経時的なデータ変化と、ステップS706において吸光度測定部113が測定した吸光度(光量)の経時的な変化と、を用いて解析を行う。そして、ステップS707において、吸光度測定部113が規定値を満たす光量でないと判定した場合は、解析部2032の解析結果に基づいて、LED駆動電流値、温度調整部504の温度設定値、さらにはヒータ601の温度設定値、が調整される。一方、ステップS707において、吸光度測定部113が規定値を満たす光量であると判定した場合は吸光度分析が開始される(ステップS708)。
 例えば、解析部2032の解析結果に基づき、温度調整部504であるペルチェ素子の温度設定値をPID制御にて調整する場合には、温度センサ505が測定した温度データを用いてPIDパラメータが決定される。ここで、環境温度が25℃、温度調整部504の温度設定値(目標値)が37℃としたときに、37℃を目標とする温度制御では光量の安定まで時間がかかる。そのため、温度の経時的なデータ変化が緩やか(すなわち光量安定までに時間がかかりそう)の場合には、例えば42℃を目標値とするPIDパラメータの温度制御を行なう方が好ましいことがある。このように、温度の経時的なデータ変化を随時取得して解析することで、光量安定までの時間を短縮することが可能となる。
 なお、本発明は、前記した実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前記した各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、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
101:試料、102:試料カップ、103:試料ディスク、104:試薬、105:試薬ボトル、106:試薬ディスク、107:反応液、108:反応セル、109:反応ディスク、110:試料分注機構、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、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1のLED、502:第2のLED、503:基板、504:温度調整部、505:温度センサ、506:蛍光体、507:ダイクロイックフィルタ、508:反射板、601:ヒータ

Claims (9)

  1. 基板と、
    前記基板上に設けられる第1のLEDと、
    前記第1のLEDの励起光を広帯域光に変換する蛍光体と、を備え、
    温度センサが、前記第1のLEDとともに、前記蛍光体に埋め込まれている光源。
  2. 請求項1に記載の光源において、
    前記基板上に設けられる第2のLEDをさらに備え、
    前記温度センサは、前記第1のLEDと前記第2のLEDの間に配置されることを特徴とする光源。
  3. 請求項2に記載の光源において、
    前記温度センサは、前記第1のLEDおよび前記第2のLEDのうち、発熱量の大きい方に近くなるように配置されることを特徴とする光源。
  4. 請求項1に記載の光源において、
    前記蛍光体を加温するヒータをさらに備えることを特徴とする光源。
  5. 請求項4に記載の光源において、
    前記第1のLEDの点灯前に、前記蛍光体が前記ヒータによって加温されることを特徴とする光源。
  6. 請求項4に記載の光源において、
    前記基板に対して前記第1のLEDと反対側に温度調整部をさらに備え、
    前記温度センサで測定した温度を用いて、前記第1のLED、前記ヒータおよび前記温度調整部が制御されることを特徴とする光源。
  7. 請求項6に記載の光源において、
    前記温度センサとは別に、前記蛍光体に埋め込まれていない環境温度センサを有し、
    前記温度センサおよび前記環境温度センサで測定した温度を用いて、前記第1のLED、前記ヒータおよび前記温度調整部が制御されることを特徴とする光源。
  8. 請求項6に記載の光源において、
    前記温度センサで測定した温度の経時的な変化に応じて、前記第1のLED、前記ヒータおよび前記温度調整部が制御されることを特徴とする光源。
  9. 請求項1に記載の光源を有する吸光度測定部と、
    前記吸光度測定部によって測定される反応液を収容する反応容器が搭載される反応ディスクと、を備えた自動分析装置。
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