JPH1096735A

JPH1096735A - 空中吐出式分注装置

Info

Publication number: JPH1096735A
Application number: JP25341996A
Authority: JP
Inventors: Junichi Kawanabe; 純一川那辺; Hiroyuki Suzuki; 浩之鈴木; Hideaki Kubotani; 英明窪谷; Tomoyuki Yoshimura; 共之吉村
Original assignee: Aloka Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-09-25
Filing date: 1996-09-25
Publication date: 1998-04-14

Abstract

(57)【要約】【課題】空中吐出により微少量の試料を吐出すること
が困難であり、高い分注精度が得られない。【解決手段】シリンジポンプ１５が試料の吸引吐出力
を発生し、吸引吐出力は、洗浄液を介して、試料を吸引
吐出するノズル１へ伝えられる。ポンプ制御手段は、ポ
ンプ駆動速度を規定する駆動信号をシリンジポンプ１５
へ供給し、試料吐出の際、立ち上がり及び立ち下がりに
急峻な速度変化をもつ矩形状のポンプ駆動速度特性に従
ってシリンジポンプ１５を駆動させる。また試料を吸引
する際、洗浄液と試料の間に空気層が形成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、空中吐出式分注装
置、特に、ノズルを試験容器に対して空中に保持した状
態でノズル内の試料を吐出する分注装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、検体検査では、試験管などの試験
容器に対して検体や試薬などの試料が順次分注される。
この検体検査において、所定量の試料を試験容器に分注
するために分注装置が用いられている。分注装置では、
ノズルに分注用ポンプが連結されており、分注用ポンプ
を駆動することによってノズル内の試料を試験容器に吐
出する。

【０００３】従来一般の検体検査では、まず試験容器に
試薬を分注してから、検体を分注する。試薬の分注に
は、ディスペンサータイプの分注装置が用いられる。こ
の装置では、ノズルに連結された配管から連続的に試薬
を供給し、供給された試薬をノズル先端から吐出する。
検体を分注する際は、試薬の液面の位置を検出し、液面
から数ｍｍ程度の深さまでノズルを挿入し、所定量の試
料を吐出した後にノズルを引き上げる。ここでは、検体
間のクロスコンタミネーションを避けるため、デイスポ
ーザブルタイプの装置、すなわち、検体毎にノズルを交
換するタイプの装置が用いられる。上記の検体分注のよ
うに、ノズルを液体に浸した状態で吐出する方式を液中
吐出式という。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】

（１）近年、検体検査の多様化とともに、分注装置に対
しても従来にない要求がなされている。このような要求
の一つとして、試験容器に何も入ってない状態から、検
体などの試料を高い分注精度（分注量の精度をいう。以
下同じ。）にて分注することが挙げられる。この場合、
空中吐出方式、すなわちノズル先端が空中にある状態で
試料を吐出する方式の採用が必要である。しかし、従来
の空中吐出方式では、下記のように、高分注精度という
要求にこたえることはできなかった。

【０００５】空中吐出方式において分注精度を向上する
場合に問題となるのは、吐出終了時にノズル先端の外側
に試料残りが発生することである。この試料残りは、ノ
ズル先端部分に発生する表面張力が原因となって発生
し、試料残りが大きいときには液玉となる。試料残り量
は一定していないので、試料残り量に応じて分注量が異
なってしまい分注精度が低下する。特に、分注量が１０
μｌ程度以下の微少量である場合、分注量に対する試料
残り量が多いので、分注精度の低下が顕著となる。な
お、前述の液中吐出方式では、ノズルが液体に浸ってい
るので試料残りが発生せず、従って、分注量が微少の場
合でも高い分注精度が得られる。

【０００６】ここで、空中吐出時の液残り発生を防止す
るために、分注時に吐出口と試験容器の壁面を近接させ
ることが提案されている。この方法では、ノズル先端の
液玉と容器壁面が接触することにより液玉が壁面側に付
着するので、試料残りの発生が防止される。しかし、こ
の場合、ノズルの先端と容器壁面の接触角度に応じて分
注量が変化してしまい、結局、十分な分注精度を得るこ
とはできない。また、ノズル先端と容器壁面の位置関係
を細かく制御する必要があり、分注に要する時間が長く
なってしまう。

【０００７】（２）また、従来より、分注に要する時間
を短縮することによる高速化が求められている。しか
し、従来の液中吐出方式では、前述のように、ノズルと
液面の位置関係を調整するための制御が必要であり、こ
の制御に対応した制御時間が必要であった。

【０００８】本発明の目的は、上記のような課題を解決
し、微少量の試料を空中吐出した場合でも高い分注精度
を得ることができ、また、分注時間を短縮することが可
能な分注装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の空中吐出式分注
装置は、試料を吸引吐出するノズルと、前記ノズルを移
動し、試料吐出の際に前記ノズルを試験容器に対して空
中で保持するノズル移動手段と、試料の吸引吐出力を発
生し、その吸引吐出力を、伝達媒体を介して前記ノズル
へ伝える分注ポンプと、ポンプ駆動速度を規定する駆動
信号を前記分注ポンプへ供給し、試料吐出の際、立ち上
がり及び立ち下がりに急峻な速度変化をもつ矩形状のポ
ンプ駆動速度特性に従って前記分注ポンプを駆動させる
ポンプ制御手段とを備える。

【００１０】本発明によれば、試料吐出の際、分注ポン
プが矩形状のポンプ駆動速度特性に従って駆動されるの
で、これに応じて、試料の吐出速度の立ち上がり、立ち
下がりも急峻になる。そして、分注量が微少の場合でも
吐出速度を高く設定でき、また、吐出終了時に試料吐出
が急停止する。その結果、ノズル先端の開口部での液切
れがよくなり、開口部外側に残る液量が少なくなる。従
って、分注量が微少の場合でも、高い分注精度が得られ
る。

【００１１】また、分注量が微少の時に従来より用いら
れている液中吐出式分注装置では、液面とノズルの位置
関係を制御する必要がある。しかし、本発明では、この
ような制御が不要であり、制御の簡素化によって分注に
要する時間が短くなる。その結果、単位時間当たりの分
注処理数が多くなる。

【００１２】本発明の一態様において、前記伝達媒体は
液体であり、試料を吸引する際、前記液体と試料の間に
空気層を形成する。液体を伝達媒体とすることにより、
分注ポンプに発生する吸引吐出力の伝達が速くなる。従
って、矩形状のポンプ駆動速度特性に対するノズル吐出
速度の応答性が高くなり、ノズル先端部における液切れ
効果が高くなる。また、伝達媒体の液体と試料の間に空
気層を形成することにより、液体と試料の混合が防止さ
れる。

【００１３】また本発明の一態様において、前記伝達媒
体は洗浄液であり、試料の吐出終了後、該洗浄液を吐出
することによってノズル内を洗浄する。このように、伝
達媒体として洗浄液を用いることにより、試料の吐出終
了後に容易にノズル内を洗浄することができる。従って
ノンディスポーザブルタイプのノズル（分注ごとにノズ
ルを交換しないタイプであり、ノズルが使い捨てされる
ディスポーザブルタイプと異なる）を採用した場合で
も、試料間のコンタミネーションを確実に防止できる。

【００１４】また本発明の一態様において、前記分注ポ
ンプは、モータによって駆動されるピストンを内挿した
シリンジ機構を有し、前記ポンプ制御手段は、前記駆動
信号として、前記モータに対し、前記ポンプ駆動速度特
性に従ったレートのパルス信号を供給する。この構成で
は、ポンプ制御手段は、吐出開始とともに高レートのパ
ルス信号を供給し、吐出終了時にパルス信号の供給を急
停止する。この信号供給に応じてモータがピストンを駆
動することにより、ピストンの駆動速度が急峻に立ち上
がり、かつ、急峻に立ち下がる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態の空中
吐出式分注装置について図面を参照し説明する。

【００１６】図１は、本実施形態の分注装置の構成を示
している。この装置は、図示しない基台上に備えられ、
基台上に載置された分注元の試験管からノズルに試料を
吸引し、このノズルを分注先の試験管に移動して試料を
吐出する。

【００１７】図１において、ノズル１は、ステンレス製
のノンディスポーザブルタイプノズルである。ノズル１
は、内径２ｍｍ程度の試料保持部３を有し、先端部に内
径約０．５ｍｍ、長さ約６ｍｍの吸引部５を有する。そ
して、試料保持部３と吸引部５は、円錐形のテーパ部７
でつながれている。ノズル１内には、分注用の試料を数
百μｌまで吸引することができる。ノズル１は、ＸＹＺ
ロボット１０によって、試料吸引位置や試料吐出位置、
ノズル洗浄位置へと移動する。また、ノズル１は、ポリ
マー製のチューブ１３によって切替え弁１１と連通され
ている。チューブ１３の内径は約２ｍｍである。

【００１８】切替え弁１１は、さらに、シリンジポンプ
１５とチューブ１７によって連通され、また、洗浄液タ
ンク１９とチューブ２１によって連通されている。チュ
ーブ１７およびチューブ２１は、ともにポリマー製であ
って、内径約２ｍｍである。切替え弁１１は、弁モータ
１２によって駆動されることにより、切替え動作する。
そして、ノズル１とシリンジポンプ１５を連通し、ま
た、シリンジポンプ１５と洗浄液タンク１９を連通す
る。なお、切替弁としては、電磁弁を用いてもよい。

【００１９】シリンジポンプ１５は円筒形のシリンジ２
３を有し、このシリンジ２３にピストン２５が内挿さ
れ、シリンジ２３とピストン２５によりシリンジ室２７
が形成されている。そして、シリンジ２３は、端面の開
口部２９にて前述のチューブ１７と接続されている。ピ
ストン２５は、ポンプモータ３１により、シリンジ２３
内で往復するように駆動される。シリンジ室２７には、
後述するように洗浄液が注入される。ピストン２５が開
口部２９の方向に移動すると洗浄液が開口部２９から押
し出され、また、ピストン２５が開口部２９と反対方向
に移動すると洗浄液が吸い込まれる。以下、前者のピス
トン移動を押出し移動といい、後者のピストン移動を引
込み移動という。

【００２０】洗浄液タンク１９には、洗浄液が貯められ
ている。この洗浄液は、切替え弁１１の切替え動作と、
シリンジポンプ１５の駆動によって、分注装置全体へ供
給される。

【００２１】図２は、ノズル１、切替え弁１１、シリン
ジポンプ１５を駆動するための制御システムの構成を示
すブロック図である。同図において、制御部３５は、主
としてコンピュータからなり、入力部３７から制御部３
５へ、分注量や、分注処理数、試験管の配置などの設定
条件が入力される。また、制御部３５は、試験管内の試
料の液面位置を検出する液面検出器３９と接続されてい
る。制御部３５は、入力された設定条件に従った駆動信
号を出力することにより、ＸＹＺロボット１０、弁モー
タ１２およびポンプモータ３１を駆動させる。

【００２２】次に、この空中吐出式分注装置の動作を
「分注（吸引）」、「分注（吐出）」および「洗浄」に
分けて説明する。図３は、ノズル１の拡大図であって、
本装置の分注動作を時系列に従って示している。なお、
ここでは分注する試料が検体（例えば血清）であり、分
注量が３μｌである場合について説明する。ただし、本
装置では、数μｌの微少量から数百μｌまでの広範囲の
分注量を設定可能である。

【００２３】「分注（吸引）」ここでは、基台上に載置
された分注元の試験管からノズル１に試料を吸引する。
吸引開始時、ノズル１は、ＸＹＺロボット１０によって
分注元の試験管の上方に移動される。また、切替え弁１
１は、ノズル１とシリンジポンプ１５を連通するように
切り替えられる。そして、シリンジポンプ１５のピスト
ン２５はシリンジ内で所定のスタート位置にある。ま
た、シリンジ室２７、チューブ１７、１３、ノズル１に
は洗浄液が満たされている。このとき、図３（ａ）に示
すように、洗浄液はノズル１の先端まで満たされてい
る。

【００２４】まず、ノズル口９が試験管内の試料に挿入
されない状態で、ピストン２５を引き込み移動する。ピ
ストン２５の移動に対応してシリンジ室２７の容積が拡
大し、この容積変化に対応する量の洗浄液がノズル１か
らシリンジポンプ１５の方へ移動する。この洗浄液の移
動によって、ノズル口９から、図３（ｂ）に示すように
空気が吸引される。空気の吸引量は、３０μｌ程度とす
る。

【００２５】次に、ノズル１が下方に移動され、試料に
挿入される。この時、図２の液面検出器３９は、試料の
液面位置を検出して制御部３５に入力する。制御部３５
は、液面の位置に基づいてＸＹＺロボット１０を制御す
る。そして、ＸＹＺロボット１０は、液面から約１ｍｍ
程度の深さまでノズル１を挿入し、この状態でノズル１
を保持する。

【００２６】次に、ピストン２５をさらに引込み移動す
る。このピストン移動に応じて洗浄液がシリンジポンプ
１５の方へ移動し、先に吸引された空気の部分が負圧と
なる。そして、この負圧の作用により、試料がノズル口
９から吸引される。試料の吸引量は、１３μｌとする。
この吸引量は、分注量３μｌにエクセス量１０μｌを加
えた量である。ここで、分注量と等しい３μｌを吸引し
たのでは、吐出時に試料が内壁に残るなどの要因によ
り、必要な分注量が得られない。そこで、試料を余分に
吸引するべく、エクセス量として１０μｌが設定されて
いる。

【００２７】吸引終了後、ノズル１が試験管から引き上
げられる。図３（ｃ）は、吸引終了後の状態を示してい
る。試料吸引前に吸引された空気が、洗浄液と試料との
間に空気層を形成している。この空気層は、洗浄液と試
料が混ざりあわないようにする機能を有している。そし
て、空気層の体積は、前述のごとく３０μｌ程度に設定
されている。空気層を小さくする設定しているので、後
述にてシリンジポンプ１５に吐出力が発生したときに、
この吐出力の試料への伝達が速い。従って、ピストン移
動に対する試料吐出の応答性が高い。

【００２８】「分注（吐出）」ここでは、ノズル１に吸
引した試料を分注先の試験管に吐出する。ＸＹＺロボッ
トが、ノズル１を分注先の試験管へ移動し、さらに試験
管の中へノズル１の先端部分を挿入し、ノズル口９が空
中にある状態でノズル１を保持する。そして、シリンジ
ポンプ１５のピストン２５が、ポンプモータ３１に駆動
されて押出し移動する。この押出し移動により、シリン
ジ室２７の容積を分注量に対応して小さくする。その結
果、分注量分の洗浄液がノズル１の方へ移動し、試料が
ノズル口９から試験管内へ吐出される。

【００２９】図４（ａ）は、上記の吐出動作時に、制御
部３５がポンプモータ３１に出力する駆動信号の特性を
示している。同図において、横軸は時間であり、縦軸は
時間当たりパルス数（パルスレート）である。本実施形
態の特徴として、駆動信号が矩形状の特性を有してお
り、吐出開始時からパルスレートが高く、また、吐出終
了時にパルスレートが急激に立ち下がる。また、図４
（ｂ）は、上記駆動信号に対応したピストン２５の速度
変化を示しており、同図の横軸は時間であり、縦軸は移
動速度である。図示のように、駆動信号の特性に対応し
て、ピストン２５の速度特性も矩形状であり、速度の立
ち上がり、立ち下がりに急峻な変化をもつ。

【００３０】「洗浄」図３（ｄ）は、試料の吐出が終了
した状態を示しており、ノズル１内には、エクセス量の
試料が残っている。ＸＹＺロボット１０は、洗浄槽が設
けられた洗浄位置へノズル１を移動する。そして、シリ
ンジポンプ１５のピストン２５を押出し移動し、数百μ
ｌの洗浄液を洗浄槽へ吐出する。この際、同時にノズル
１の外側にも洗浄液をかける。これにより、ノズル１の
内外面が洗浄される。

【００３１】洗浄終了後、適宜、洗浄液がシリンジポン
プ１５に補充される。この補充では、切替え弁１１が切
替え動作して、シリンジポンプ１５と洗浄液タンク１９
を連通する。そして、ピストン２５が引込み移動するこ
とにより、洗浄タンク１９の洗浄液がシリンジポンプ１
５の方へ移動する。

【００３２】次に、本実施形態の分注装置による液切れ
効果について説明する。ノズル口９の外側に液玉などの
液残りが発生するのを防止するためには、吐出終了時の
液切れをよくする必要がある。このためには、試料の吐
出速度を高くするとともに、試料の吐出を急停止するこ
とが効果的である。

【００３３】ここで、図５には、従来一般の分注装置に
おける、ポンプモータに供給される駆動信号と、この駆
動信号に対応したピストンの速度変化とが、図４と同様
の形態で示されている。同図に示すように、従来はピス
トンの速度特性が台形状であり、ピストン速度の立ち上
がり、立ち下がりがなだらかである。この台形状の速度
特性を本分注装置に適用した場合、下記に説明するよう
に十分な液切れ効果が得られない。台形状の速度特性で
は、ピストンの加減速時にもある程度の試料が吐出され
る。分注量が微少の場合には、ピストンの速度が最高速
度に達する前に減速が始まってしまい、分注量は加減速
時だけで吐出されてしまう。そのため、試料吐出の最高
速度を高く設定しても意味がない。このような理由によ
り、試料吐出の最高速度を高く設定することができな
い。さらに、速度の立ち下がりがなだらかであり、従来
の台形状の速度特性を適用したのでは、液切れ効果が低
くなる。

【００３４】一方、本実施形態では、図４に示したよう
にピストンの駆動速度の特性が矩形状である。速度の立
ち上がり、立ち下がりが急峻であり、加減速時には殆ど
試料が吐出されないので、試料吐出の最高速度を高く設
定しても、上記の従来技術のように液切れが悪くなるこ
とはない。従って、試料吐出の最高速度を高く設定する
ことができる。また、速度の立ち下がりが急峻に設定さ
れている。このような設定により、吐出される試料に大
きな慣性力が作用する。従って、吐出終了時の液切れが
よく、液玉などの液残りは実質的に発生しない。

【００３５】図６は、十分な液切れ効果を得るために好
適な試料吐出速度を示している。すなわち、ノズル先端
における試料吐出の最高速度が図中の最低液切れ速度以
上に設定されていれば、十分な液切れ効果が得られる。
本実施形態では、ノズル１の吸引部５の内径が０．５ｍ
ｍであるので、最低液切れ速度は、１０１２ｍｍ／ｓｅ
ｃである。そこで、吐出速度がこの最低液切れ速度以上
となるように、ピストン２５の最高速度が設定されてい
る。

【００３６】図７は、吐出時における、ノズル１内に形
成された空気層の圧力変化を示している。同図におい
て、横軸は時間であり、縦軸は空気層の圧力である。同
図に示すように、吐出開始とともに圧力が急上昇し、吐
出終了時には圧力が急降下する。ここで点線は、ピスト
ンの速度特性として従来の台形状の特性を採用した場合
の圧力変化である。この場合には、圧力の降下がなだら
かであるので液切れが悪い。一方、本実施形態では、圧
力降下が急峻であるので液切れがよい。

【００３７】以上に説明したように、本実施形態の分注
装置では、空中吐出によって微少量の試料を分注し、か
つ、高い分注精度を得るという、従来にない要求にこた
えている。この要求にこたえるため、ピストン２５の駆
動速度の特性が、図４に示されるように矩形状に設定さ
れている。その結果、ノズル口９における液切れがよく
なり、液残りの発生が防止され、高い分注精度が得られ
ている。

【００３８】特に、本実施形態では、シリンジポンプ１
５からノズル１への圧力伝達媒体として、液体である洗
浄液を採用している。また、洗浄液と試料の間の空気層
を小さく設定している。このように、圧力伝達経路にお
ける空気の量が少ない。従って、シリンジポンプ１５に
発生する吐出力の伝達が速く、ピストン駆動に対する試
料吐出の応答性が高い。その結果、シリンジポンプ１５
におけるピストン駆動速度の矩形状の特性が、そのまま
試料の吐出速度に反映される。

【００３９】また、本実施形態では、上記のように、ノ
ズル１からシリンジポンプ１５までの経路に洗浄液を注
入している。この洗浄液をノズル口９から吐出すること
により、容易にノズル１の内壁を洗浄できる。従って、
ノンディスポーザブルタイプのノズルを採用しているに
もかかわらず、試料間のクロスコンタミの発生が確実に
防止される。

【００４０】さらにまた、従来の液中吐出方式では、試
料の吐出時にノズルと液面の位置関係を細かく制御する
必要があった。一方、本実施形態では、空中吐出式であ
り、ノズル１の位置についての細かい制御が不要であ
る。従って、ＸＹＺロボット１０を用いたノズル１の位
置制御が簡素化し、分注時間が短くなる。その結果、単
位時間当たりの処理数を増大することができる。

【００４１】また、従来の液中吐出では、高い分注精度
が得られる反面、分注前に他の試料を試験容器に注入し
ておくことが前提となっていた。しかし、本実施形態で
は、このような前提条件が不要であり、あらかじめ他の
試料が分注されているか否かにかかわらず使用可能であ
る。また、ピストン駆動量の設定を変更することによ
り、数μｌ〜数百μｌまでの広範囲に分注量を設定する
ことが可能であり、しかも、高い分注精度が得られる。
このように、本実施形態の分注装置は、種々の分注条件
に対してフレキシブルに使用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態の空中吐出式分注装置の構
成を示す説明図である。

【図２】図１の装置のノズル、切替え弁およびシリン
ジポンプを駆動するための制御システムの構成を示すブ
ロック図である。

【図３】図１の装置の分注動作を時系列に従って示す
ノズル１の拡大図である。

【図４】図１の装置における、ポンプモータに供給さ
れる駆動信号と、この駆動信号に対応したシリンジポン
プのピストンの速度特性を示す説明図である。

【図５】従来の分注装置における、ポンプモータに供
給される駆動信号と、この駆動信号に対応したシリンジ
ポンプのピストンの速度特性を示す説明図である。

【図６】十分な液切れ効果を得るために好適な試料吐
出速度を示す説明図である。

【図７】図１の装置において、吐出時における、ノズ
ル内に形成された空気層の圧力変化を示す説明図であ
る。

【符号の説明】１ノズル、３試料保持部、５吸引部、７テーパ
部、９ノズル口、１０ＸＹＺロボット、１１切替
え弁、１２弁モータ、１３，１７，２１チューブ、
１５シリンジポンプ、１９洗浄液タンク、２３シ
リンジ、２５ピストン、２７シリンジ室、３１ポン
プモータ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者吉村共之東京都三鷹市牟礼６丁目22番１号アロカ株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】試料を吸引吐出するノズルと、前記ノズルを移動し、試料吐出の際に前記ノズルを試験
容器に対して空中で保持するノズル移動手段と、試料の吸引吐出力を発生し、その吸引吐出力を、伝達媒
体を介して前記ノズルへ伝える分注ポンプと、ポンプ駆動速度を規定する駆動信号を前記分注ポンプへ
供給し、試料吐出の際、立ち上がり及び立ち下がりに急
峻な速度変化をもつ矩形状のポンプ駆動速度特性に従っ
て前記分注ポンプを駆動させるポンプ制御手段と、を備えたことを特徴とする空中吐出式分注装置。
【請求項２】請求項１に記載の装置において、前記伝達媒体は液体であり、試料を吸引する際、前記液体と試料の間に空気層を形成
することを特徴とする空中吐出式分注装置。
【請求項３】請求項２に記載の装置において、前記伝達媒体は洗浄液であり、試料の吐出終了後、該洗
浄液を吐出することによってノズル内を洗浄することを
特徴とする空中吐出式分注装置。
【請求項４】請求項１〜３のいずれかに記載の装置に
おいて、前記分注ポンプは、モータによって駆動されるピストン
を内挿したシリンジ機構を有し、前記ポンプ制御手段は、前記駆動信号として、前記モー
タに対し、前記ポンプ駆動速度特性に従ったレートのパ
ルス信号を供給することを特徴とする空中吐出式分注装
置。