(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料液及び試薬を送液する流体駆動部と、
前記流体駆動部によって送液される試料液及び試薬が混合し反応する分析流路を有するマイクロセルと、
前記分析流路で反応した反応液の状態を検出する検出部と、を備える分析装置において、
前記流体駆動部は、前記分析流路に液体を導入したり排出したりする作動液駆動部と、前記分析流路に試薬を送液する試薬駆動部と、を備え、
前記マイクロセルは、前記分析流路を構成する溝を有する基板と、この開口面を塞ぐように前記基板に接合されたカバーと、を備え、
前記マイクロセルの分析流路は、試料液に接続されて試料液を吸入されると共に前記反応液を排出する吸排孔を一側に形成し、作動液駆動部に接続される作動液孔を他側に形成し、前記吸排孔と前記作動液孔との間に位置しかつ前記試薬駆動部に接続される試薬注入孔を形成し、前記試薬注入孔より作動液孔側に位置して前記反応液の検出流路を形成した
ことを特徴とする分析装置。
【請求項２】
試料液及び試薬を送液する流体駆動部と、
前記流体駆動部によって送液される試料液及び試薬が混合し反応する分析流路を有するマイクロセルと、
前記分析流路で反応した反応液の状態を検出する検出部と、を備える分析装置において、
前記流体駆動部は、前記分析流路に液体を導入したり排出したりする作動液駆動部と、前記分析流路に試薬を送液する試薬駆動部と、を備え、
前記マイクロセルは、前記分析流路を構成する溝を有する基板と、この開口面を塞ぐように前記基板に接合されたカバーと、を備え、
前記マイクロセルの分析流路は、試料液に接続されて試料液を吸入されると共に前記反応液を排出する吸排孔を一側に形成し、作動液駆動部に接続される作動液孔を他側に形成し、前記吸排孔と前記作動液孔との間に位置しかつ前記試薬駆動部に接続される複数の試薬注入孔を形成し、複数の前記試薬注入孔の間に前記反応液の検出流路を形成した
ことを特徴とする分析装置。
【請求項３】
請求項２において、前記マイクロセルの検出流路に対応する部分にのみヒータを設けたことを特徴とする分析装置。
【請求項４】
原水中の粒子を分離して試料液を生成する固液分離装置と、前記固液分離装置で生成された試料液中の空気を脱気する脱気装置と、前記脱気装置で脱気された試料液の化学成分を分析する分析装置と、を備える分析システムにおいて、
前記分析装置は、試料液及び試薬を送液する流体駆動部と、前記流体駆動部によって送液される試料液及び試薬が混合し反応する分析流路を有するマイクロセルと、前記分析流路で反応した反応液の状態を検出する検出部と、を備え、
前記流体駆動部は、前記分析流路に液体を導入したり排出したりする作動液駆動部と、前記分析流路に試薬を送液する試薬駆動部と、を備え、
前記マイクロセルの分析流路は、試料液に接続される吸排孔を一側に形成し、作動液駆動部に接続される作動液孔を他側に形成し、前記吸排孔と前記作動液孔との間に位置しかつ前記試薬駆動部に接続される試薬注入孔を形成し、前記試薬注入孔より作動液孔側に位置して前記反応液の検出流路を形成した前記脱気装置の試料液を供給する先端部を前記マイクロセルの吸排孔に若干のギャップを有して近接させたことを特徴とする分析システム。
【請求項５】
原水中の粒子を分離して試料液を生成する固液分離装置と、前記固液分離装置で生成された試料液中の空気を脱気する脱気装置と、前記脱気装置で脱気された試料液の化学成分を分析する分析装置と、を備える分析システムにおいて、
前記固液分離装置は、原水を超音波振動子で霧化し、霧化した原水を回収して試料液を生成し、
前記分析装置は、試料液及び試薬を送液する流体駆動部と、前記流体駆動部によって送液される試料液及び試薬が混合し反応する分析流路を有するマイクロセルと、前記分析流路で反応した反応液の状態を検出する検出部と、を備え、
前記流体駆動部は、前記分析流路に液体を導入したり排出したりする作動液駆動部と、前記分析流路に試薬を送液する試薬駆動部と、を備え、
前記マイクロセルの分析流路は、試料液に接続される吸排孔を一側に形成し、作動液駆動部に接続される作動液孔を他側に形成し、前記吸排孔と前記作動液孔との間に位置しかつ前記試薬駆動部に接続される試薬注入孔を形成し、前記試薬注入孔より作動液孔側に位置して前記反応液の検出流路を形成したことを特徴とする分析システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、分析装置及び分析システムに係り、特に試料液と試薬を混合して化学成分の分析を行なう分析装置及び分析システムに好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の分析装置としては、特開平９−２４３６４２号公報に示されているように、試料液と試薬とを送液する流体駆動部と、この流体駆動部によって送液された試料液と試薬液とを混合及び反応させる分析流路を有する混合反応部と、この分析流路で反応した反応液の状態を検出する検出部とを備えるものがある。そして、この混合反応部の分析流路は、試料液に接続される吸排孔を一側に形成し、作動液駆動部に接続される作動液孔を他側に形成し、吸排孔と前記作動液孔との間に位置しかつ試薬駆動部に接続される試薬注入孔を形成し、試薬注入孔より吸排孔側に位置して前記反応液の検出流路を形成している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した従来の分析装置では、試薬注入孔より吸排孔側に位置して前記反応液の検出流路を形成しているので、混合反応部の分析流路に導入した試料液をさらに外部の作動液駆動部側に一旦送液し、その送液された試料液を混合反応部の分析流路に再度戻すように送液することが必要がある。このため、試料液の送液には作動液駆動部側に至る長い流路を必要とし、分析装置が大型になってしまうと共に、作動液駆動部の構成部品が試料液で汚染され、この汚染された作動液駆動部の構成部品を頻繁にメンテナンスしなければならないという課題があった。
【０００４】
また、化学成分を分析する場合において、分析対象とする試料液の化学成分によっては、ある試薬と対象とする試料液の化学成分とを反応させ、生じた反応生成物にさらに新たに異なる試薬を混合し反応させて分析反応液を得ることが必要な場合がある。しかし、上述した従来の分析装置では、１段階の反応で得られた反応液の状態を検出する場合には有効であるが、複数段階の反応により反応液の状態を検出することが困難であった。
【０００５】
本発明の目的は、小型で、長期にわたり流体駆動部のメンテナンスが不要な分析装置及び分析システムを提供することにある。
【０００６】
本発明の別の目的は、小型で、複数の試薬を用いて複数の反応を行なわせることが必要な化学成分の分析が可能な分析装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の第１の手段は、試料液及び試薬を送液する流体駆動部と、前記流体駆動部によって送液される試料液及び試薬が混合し反応する分析流路を有するマイクロセルと、前記分析流路で反応した反応液の状態を検出する検出部と、を備える分析装置において、前記流体駆動部は、前記分析流路に液体を導入したり排出したりする作動液駆動部と、前記分析流路に試薬を送液する試薬駆動部と、を備え、前記マイクロセルは、前記分析流路を構成する溝を有する基板と、この開口面を塞ぐように前記基板に接合されたカバーと、を備え、前記マイクロセルの分析流路は、試料液に接続されて試料液を吸引されると共に前記反応液を排出する吸排孔を一側に形成し、作動液駆動部に接続される作動液孔を他側に形成し、前記吸排孔と前記作動液孔との間に位置しかつ前記試薬駆動部に接続される試薬注入孔を形成し、前記試薬注入孔より作動液孔側に位置して前記反応液の検出流路を形成したことにある。
【０００８】
本発明の第２の手段は、試料液及び試薬を送液する流体駆動部と、前記流体駆動部によって送液される試料液及び試薬が混合し反応する分析流路を有するマイクロセルと、前記分析流路で反応した反応液の状態を検出する検出部と、を備える分析装置において、前記流体駆動部は、前記分析流路に液体を導入したり排出したりする作動液駆動部と、前記分析流路に試薬を送液する試薬駆動部と、を備え、前記マイクロセルは、前記分析流路を構成する溝を有する基板と、この開口面を塞ぐように前記基板に接合されたカバーと、を備え、前記マイクロセルの分析流路は、試料液に接続されて試料液を吸引されると共に前記反応液を排出する吸排孔を一側に形成し、作動液駆動部に接続される作動液孔を他側に形成し、前記吸排孔と前記作動液孔との間に位置しかつ前記試薬駆動部に接続される複数の試薬注入孔を形成し、複数の前記試薬注入孔の間に前記反応液の検出流路を形成したことにある。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の各実施例を図を用いて説明する。なお、第２実施例以降の実施例においては第１実施例と重複する説明を省略する。各実施例における同一符号は同一物又は相当物を示す。
【００１０】
本発明の第１実施例の分析装置を図１から図８を用いて説明する。
【００１１】
最初に、この第１実施例の分析装置の全体構成を図１から図５を参照しながら説明する。図１は本発明の第１実施例の分析装置の構成図、図２は図１のＡ−Ａ断面図、図３は図１のＢ−Ｂ断面図、図４は図１のＣ−Ｃ断面図、図５は図１のＤ−Ｄ断面図である。
【００１２】
分析装置は、試料液、試薬、標準液及び洗浄液を送液する流体駆動部５と、流体駆動部５によって送液される試料液及び試薬が混合し反応する分析流路４２を有する混合反応部と、分析流路４２で反応した反応液の状態を検出する検出部と、を備えて構成されている。
【００１３】
上述した混合反応部はマイクロセル４で構成されている。このマイクロセル４は、正面形状が横長の矩形状をしており、平板状の透明なカバーガラス４１１、シリコン基板４１２、支持ガラス４１３から成る３層構造で構成されている。このガラス４１１、４１３とシリコン基板４１２とは陽極接合などにより密着結合されている。そして、シリコン基板４１２には異方性エッチングにより分析流路４２を構成するための溝が一方の面（以後、表面と呼ぶ）から掘ってある。この溝の開口面を塞ぐようにカバーガラス４１１がシリコン基板４１２に接合され、この溝が分析流路４２として構成されている。
【００１４】
分析流路４２は、混合流路４２２、検出流路４２１、連絡流路４２３及び蓄流路４２４を備えて構成されている。混合流路４２２、検出流路４２１及び蓄流路４２４は、マイクロセル４の長手方向に沿って延びるように形成されている。混合流路４２２はマイクロセル４の上下方向の中央部に形成されている。検出流路４２１と蓄流路４２４は混合流路４２２の上下両側に並行して配置されている。連絡流路４２３は検出流路４２１と蓄流路４２４とを連通するように上下に延びて形成されている。
【００１５】
ミキサ４３３〜４３５は、シリコン基板４１２の溝をエッチングした面の反対側（以後、裏面と呼ぶ）から多数の微小孔をエッチングにより作成して構成されている。これにより、ミキサ４３３〜４３５は裏面側から微小孔を通して試薬を分析流路側に噴出できるようになっている。分析流路４２の幅は通常１ｍｍ程度であり、ミキサ部分の微小孔は数十μｍの角孔で１００個程度配列されている。このように非常に小さな孔を多数配列しているためミキサ４３３、４３４、４３５から噴出された試薬は分析流路４２を満たした試料液と数秒で急速に拡散混合される。
【００１６】
分析流路４２は、その一側に吸排孔４３１が形成され、その他側に作動液孔４３７が形成されている。具体的には、吸排孔４３１は混合流路４２２の端部に形成され（ここを便宜的に最上流とする）、作動液孔４３７は蓄流路４２４の端部に形成されている（ここを便宜的に最下流とする）。この吸排孔４３１と作動液孔４３７との間には、標準液孔４３２、第２試薬注入ミキサ４３３、第１試薬注入ミキサ４３４、第３試薬注入ミキサ４３５及び洗浄液孔４３６が形成されている。
【００１７】
分析流路４２の一部である混合流路４２２には、エッチングにより標準液孔４３２、第２試薬注入ミキサ４３３、第１試薬注入ミキサ４３４が吸排孔４３１側から順に設けられている。標準液孔４３２はシリコン基板４１２の裏面からエッチングにより流路幅程度の単一の孔を貫通して形成され、これに対応する支持ガラス４１３の部分にも貫通する孔が形成されている。標準液孔４３２には標準液駆動部５４が接続されている。この標準液駆動部５４は、ポンプ５４ａと、その両側のバルブ５４ｂとを備えて構成されている。この標準液駆動部５４の他側には標準液槽７４が接続されている。標準液槽７４には標準液として純水が収納されている。
【００１８】
混合流路４２２の第２試薬注入ミキサ４３３には第２試薬駆動部５２が接続されている。この第２試薬駆動部５２は、ポンプ５２ａと、その両側のバルブ５２ｂとを備えて構成されている。この第２試薬駆動部５２の他側には第２試薬槽７２が接続されている。第２試薬槽７２には第２試薬が収納されている。
【００１９】
混合流路４２２の第１試薬注入ミキサ４３４には第１試薬駆動部５１が接続されている。この第１試薬駆動部５１は、ポンプ５１ａと、その両側のバルブ５１ｂとを備えて構成されている。この第１試薬駆動部５１の他側には第１試薬槽７１が接続されている。第１試薬槽７１には第１試薬が収納されている。
【００２０】
第１試薬注入ミキサ４３４の下流側で９０°屈曲した分析流路４２はさらに下流側で２回９０°屈曲する。この後者の２箇所の屈曲部間は光が通過する検出流路４２１になっている。光源６１から発した光６３は、検出流路４２１の一端の側壁で反射し検出流路４２１内を通過して他端の側壁で反射し、光センサ６２に至る。光源６１がＬＥＤなどの拡散光源の場合、一部の光は側壁で反射した後流路内面を何回か反射しながら他端に至るため、カバーガラス４１１の検出流路側に金属などからなる薄い反射膜を蒸着やスパッタにより成膜することが望ましい。なお、光源６１及び光センサ６２は、反応液の状態を検出するための検出部を構成する。
【００２１】
検出流路４２１の下流側の上下に延びる連絡流路４２３の下部には第３試薬注入ミキサ４３５が設けられている。分析流路４２は、第３試薬注入ミキサ４３５の下流側でさらに９０°屈曲し、蓄流路４２４となる。蓄流路４２４の下流側には標準液孔４３２と同様の構造の洗浄液孔４３６、作動液孔４３７が設けられている。
【００２２】
連絡流路４２３の第３試薬注入ミキサ４３５には第３試薬駆動部５３が接続されている。この第３試薬駆動部５３は、ポンプ５３ａと、その両側のバルブ５３ｂとを備えて構成されている。この第３試薬駆動部５３の他側には第３試薬槽７３が接続されている。第３試薬槽７３には第３試薬が収納されている。
【００２３】
蓄流路４２４の洗浄液孔４３６には洗浄液駆動部５６が接続されている。この洗浄液駆動部５６は、ポンプ５６ａと、その両側のバルブ５６ｂとを備えて構成されている。この洗浄液駆動部５６の他側には洗浄液槽７６が接続されている。洗浄液槽７６には洗浄液が収納されている。
【００２４】
蓄流路４２４の作動液孔４３７には作動液駆動部５５が接続されている。この作動液駆動部５５は、ポンプ５５ａと、その両側のバルブ５５ｂとを備えて構成されている。この作動液駆動部５５の他側には作動液槽７５が接続されている。作動液槽７５には作動液として純水が収納されている。
【００２５】
また、支持ガラス４１３は、シリコン基板４１２の検出流路４２１部分の裏面には存在せず、シリコン基板４１２の裏面下部にのみ設けられている。シリコン基板４１２の検出流路４２１部分の裏面にはヒータ４５が設けられている。このヒータ４５としては、露出したシリコン基板４１２上に金属膜を蒸着またはスパッタしたヒータが設けられるか、あるいはフィルム状のヒータが接着して設けられる。
【００２６】
そして、検出流路４２１と混合流路４２２との間のシリコン基板４１２にはエッチングにより長孔４４が設けられている。この長孔４４は混合流路４２２に沿って長く延びて形成されている。この長孔４４の上方にヒータ４５が配置され、その下方に支持ガラス４１３が配置されている。このように構成することにより、ガラスに比べ熱伝導率の大きなシリコン基板４１２を通ってヒータ４５の熱が逃げるのを長孔４４によって防ぐことができる。
【００２７】
なお、図１の例では異方性エッチングにより形成された分析流路４２の幅は１ｍｍ程度、深さは０．３ｍｍ程度、長さが１００ｍｍ程度で構成されている。従って、分析流路４２の体積は３０μＬ程度と極微量であり、試料液及び試薬の使用量が微量で済むだけではなく、試料液及び試薬の混合液を加熱して反応させる場合の電力がわずかで済ますことができる。
【００２８】
次に、この第１実施例による計測動作を図６及び図７を参照しながら説明する。図６は図１の分析装置の標準液校正動作を示す図、図７は図１の分析装置の試料液測定動作を示す図、図８は図１の分析装置で用いる校正曲線の一例の特性図である。
【００２９】
この分析装置では、図６に示す標準液校正動作（０測定とも呼ぶ）により、測定対象の化学成分が存在しない標準液に試料液測定時と同様に試薬を混合したり加熱したりする動作を行ない、基準となる化学成分の濃度０の場合の光６３の検出部透過量を求める。次に、図７に示す試料液測定動作により、試料液を導入して試料液測定を行ない、試料液での光６３の検出部透過量を求める。この二つの透過量の比から吸光度を求め、あらかじめ測定した校正曲線、例えば図８に示す校正曲線に照らし合わせて試料液中に含まれる化学成分の濃度を求める。この図８の校正曲線はシアンの例である。
【００３０】
図６に示す標準液校正動作を説明する。まず、図６（ａ）に示すように、第１試薬駆動部５１、第２試薬駆動部５２、標準液駆動部５４及び作動液駆動部５５を動作させ、第１試薬と第２試薬と標準液とを混合させて第１混合液を生成する。
【００３１】
ここで、作動液駆動部５５は吸入動作、第１試薬駆動部５１、第２試薬駆動部５２及び標準液駆動部５４は注入動作とする。作動液の流量をＱｄ、第１試薬の流量をＱ１、第２試薬の流量をＱ２、標準液の流量をＱｒ、これらの流体の出入りにより生じる吸排孔４３１での流入あるいは流出の流量をＱｓとすると（流量の値はマイクロセル４への流入を正、マイクロセル４からの流出を負とする）、マイクロセル４内の体積は一定なので、次の式（１）が成立する。
【００３２】
Ｑ１＋Ｑ２＋Ｑｒ＋Ｑｄ＋Ｑｓ＝０              （１）
この式（１）から流量Ｑｓを求めると、次の式（２）が得られる。
【００３３】
Ｑｓ＝−（Ｑ１＋Ｑ２＋Ｑｒ＋Ｑｄ）            （２）
０測定の場合には吸排孔４３１から試料液が導入されることは望ましくないので、吸排孔４３１での流量Ｑｓを、Ｑｓ≦０となるよう設定する。この場合、Ｑｓ＝０を実際に確保することは難しいため、標準液の一部が吸排孔４３１側に流れるように設定することが望ましい。したがって、この時の標準液のミキサ側への流量ＱＲは、次の式（３）で得られる。
【００３４】
ＱＲ＝Ｑｒ＋Ｑｓ＝−（Ｑ１＋Ｑ２＋Ｑｄ）        （３）
この式（３）から明らかなように、Ｑ１：Ｑ２：ＱＲから成る混合比で第１試薬と第２試薬と標準液とが混合されて第１混合液が生成される。ここで、この混合比を対象とする化学成分と各試薬間の反応が十分に行われる規定の混合比に対応するよう設定する。以上の関係を有する第１試薬、第２試薬、標準液からなる第１混合液の先端が下流側のミキサ４３５に達した時点で各駆動部５１、５２、５４、５５を停止する。
【００３５】
次いで、図６（ｂ）に示す状態で、検出流路４２１に対応して設けたヒータ４５に電流を通し、検出流路４２１の第１混合液を所定温度に加熱し、この温度に所定時間保持する。これにより、第１混合液内では、第１試薬及び第２試薬が標準液の化学成分と反応し、第１混合液が第１反応液に変化する。
【００３６】
次いで、図６（ｃ）に示すように、第１試薬駆動部５１、第２試薬駆動部５２、第３試薬駆動部５３及び作動液駆動部５５を動作させ、第１反応液と第３試薬とを混合させて第２混合液を生成する。ここで、作動液駆動部５５は吸入動作、第１試薬駆動部５１、第２試薬駆動部５２及び第３試薬駆動部５３は注入動作とする。作動液の流量をＱｄ、第３試薬の流量をＱ３とすると、次の式（４）を満足するように設定する。
【００３７】
｜Ｑ３｜≦｜Ｑｄ｜                              （４）
ここで、Ｑ３、Ｑ３＋Ｑｄ（第１反応液の流量）は対象とする化学成分と各試薬間の反応が十分に行われる規定の混合比に対応するよう設定する。さらに、第１反応液及び第３試薬からなる第２混合液の先端が下流側の作動液孔４３７に達した時点で各駆動部５１〜５５を停止する。
【００３８】
次いで、図６（ｄ）に示すように、作動液駆動部５５を吐出動作とし、先に第２混合液を形成した時の吸い込み量だけ吐き戻した後に、作動液駆動部５５を停止する。これにより、マイクロセル４内の最奥部まで達した第２混合液は、検出流路４２１側に逆流する。
【００３９】
次いで、図６（ｅ）に示す状態で、検出流路４２１に対応するヒータ４５に電流を通し、検出流路４２１の第２混合液を所定温度に加熱し、この温度に所定時間保持する。これにより、第２混合液内では、第３試薬が第1反応液の化学成分と反応し、第２混合液が第２反応液に変化する。以上の動作により得た第２反応液の透過光量を計測する。この計測は、上述した光源６１及び光センサ６２からなる光検出部により行なう。なお、この逆流時に第３試薬駆動部５３を注入動作することにより、第１反応液と第３試薬の混合を行なってもよい。
【００４０】
次いで、図６（ｆ）に示すように、作動液駆動部５５を吐出動作させ、マイクロセル４内の反応液などの廃水を最上流の吸排孔４３１から排出する。このようにして０測定が完了する。
【００４１】
続いて、図７に示す試料液測定動作を説明する。まず、図７（ａ）に示すように、第１試薬駆動部５１、第２試薬駆動部５２及び作動液駆動部５５を動作させ、第１試薬と第２試薬と試料液とを混合させて第１混合液を生成する。作動液駆動部５５は吸入動作、第１試薬駆動部５１、第２試薬駆動部５２は注入動作とする。
【００４２】
ここで、作動液の流量をＱｄ、第１試薬の流量をＱ１、第２試薬の流量をＱ２とすると、吸排孔４３１からマイクロセル４に吸入される試料液の流量Ｑｓは、次の式（５）で表わせる。
【００４３】
Ｑｓ＝−（Ｑ１＋Ｑ２＋Ｑｄ）                    （５）
ここで、Ｑ１：Ｑ２：Ｑｓを上述した標準液での混合比Ｑ１：Ｑ２：ＱＲと一致させる。これにより、吸排孔４３１から試料液が吸入され、第２試薬注入ミキサ４３３、第１試薬注入ミキサ４３４から噴出される第２試薬及び第１試薬と混合されて第１混合液が生成される。この第１試薬、第２試薬、試料液からなる第１混合液の先端が下流側の第３試薬注入ミキサ４３５に達した時点で各駆動部５１、５２、５５を停止する。
【００４４】
次いで、図７（ｂ）に示す状態で、検出流路４２１に対応して設けたヒータ４５に電流を通し、検出流路４２１の第１混合液を所定温度に加熱し、この温度に所定時間保持する。これにより、第１混合液内では、第１試薬及び第２試薬と試料液の化学成分とが反応し、第１混合液が第１反応液に変化する。
【００４５】
次いで、図７（ｃ）に示すように、第１試薬駆動部５１、第２試薬駆動部５２、第３試薬駆動部５３及び作動液駆動部５５を動作させ、第１反応液と第３試薬とを混合させて第２混合液を生成する。ここで、作動液駆動部５５は吸入動作、第１試薬駆動部５１、第２試薬駆動部５２及び第３試薬駆動部５３は注入動作とする。作動液の流量をＱｄ、第３試薬の流量をＱ３とすると（流量の値はマイクロセルへの注入を正、マイクロセルからの吸入を負とする）、次の式（６）を満足するように設定する。
【００４６】
｜Ｑ３｜≦｜Ｑｄ｜                          （６）
第１反応液及び第３試薬からなる第２混合液の先端が下流側の作動液孔４３７に達した時点で各駆動部５１〜５５を停止する。
【００４７】
次いで、図７（ｄ）に示すように、作動液駆動部５５を吐出動作として先に第２混合液を形成した時の吸い込み量だけ吐き戻した後に、作動液駆動部５５を停止する。これによりマイクロセル４内の最奥部まで達した第２混合液は、検出流路４２１側に逆流する。なお、この逆流時に第３試薬駆動部５３を注入動作することにより、第１反応液と第３試薬の混合を行なってもよい。
【００４８】
次いで、図７（ｅ）に示す状態で、検出流路４２１に対応するヒータ４５に電流を通し、検出流路４２１の第２混合液を所定温度に加熱し、この温度に所定時間保持する。これにより、第２混合液内では、第３試薬が試料液の化学成分と反応し、第２混合液が第２反応液に変化し発色する。以上の動作により発色した第２反応液の透過光量を計測する。この計測は、上述した光源６１及び光センサ６２からなる光検出部により行なう。
【００４９】
次いで、図７（ｆ）に示すように、作動液駆動部５５を吐出動作させ、マイクロセル４内の反応液などの廃水を最上流の吸排孔４３１から排出する。このようにして試料液の測定が完了する。
【００５０】
以上の標準液校正動作と試料液測定動作を１サイクルとして、以後の測定を行なう。なお、この第１実施例では、第１の反応に２つの試薬を使用し、第２の反応に１つの試薬を使用したが、対象とする化学成分によって試薬数が異なるときはミキサ数を増減または十分な数のミキサを備え動作ミキサ数を変えることにより対応できる。また、加熱を要しない反応では加熱動作を省略してもよい。
【００５１】
この第１実施例によれば、検出流路４２１の前後にミキサ４３３〜４３５を備えたため、２段階の反応を要するシアンなどの水質分析が可能となる。また、ヒータ４５により混合液を加熱できるので試薬の反応時間が短縮でき、測定時間を短縮できる。また、試料液がマイクロセル４内から外部の作動液駆動部５５に達することがないので、作動液駆動部５５に至る流路や作動液駆動部５５を構成するポンプ５５ａやバルブ５５ｂを汚染したり閉塞したり腐食したりすることがなく、装置の信頼性が向上し、メンテナンスに要する費用を節約できる。
【００５２】
この第１実施例の特長をさらに具体的に説明すると、流体駆動部５は、分析流路４２中に作動液を送液したり分析流路４２中の液体を吸液したりする作動液駆動部５５と、分析流路４２に試薬を送液する試薬駆動部５１，５２と、を備え、分析流路４２は、試料液に接続される吸排孔４３１を一側に形成し、作動液駆動部５５に接続される作動液孔４３７を他側に形成し、吸排孔４３１と作動液孔４３７との間に位置しかつ試薬駆動部５１，５２に接続される試薬注入孔４３３，４３４を形成し、試薬注入孔４３３，４３４より作動液孔４３７側に位置して反応液の検出流路４２を形成している。この構成によって、作動液駆動部５５及び試薬駆動部５１，５２を動作させることにより吸排孔４３１から試料液が分析流路４２に導入されると共に試薬注入孔４３３，４３４から試薬が分析流路４２に注入され、試料液と試薬とが混合されて反応し、その反応液の状態を検出流路４２１で検出することができる。しかも、これらの動作は、従来技術と比較して試薬液孔４３３，４３４と検出流路４２１との位置を変更するのみで可能となると共に、マイクロセル４より外部の作動液駆動部５５に試料液や反応液が送液されることなく行なうことができる。従って、試料液や反応液の送液がマイクロセル４内に止められて小型化が図れ、作動液駆動部５５が試料液や反応液で汚染されてしまうことがなく、長期にわたりメンテナンスを不要とすることができる。
【００５３】
また、マイクロセル４の分析流路４２は、試料液に接続される吸排孔４３１を一側に形成し、作動液駆動部５５に接続される作動液孔４３７を他側に形成し、吸排孔４３１と作動液孔４３７との間に位置しかつ試薬駆動部に接続される複数の試薬注入孔を形成し、複数の試薬注入孔の間に反応液の検出流路４２１を形成しているので、作動液駆動部５５及び吸排孔４３１側の試薬駆動部５１，５２を動作させることにより吸排孔４３１から試料液が分析流路４２に送液されると共に吸排孔４３１側の試薬注入孔４３３，４３４から試薬が分析流路４２に送液され、この試薬と試料液とが混合されて反応し、さらに作動液駆動部５５及び作動液孔４３７側の試薬駆動部５３を作動させることにより検出流路４２１の反応液が作動液孔４３７側の試薬注入孔４３５を通るように送液されると共に作動液孔４３７側の試薬注入孔４３５から試薬が分析流路４２に送液されてこの試薬と反応液とが混合され、さらに作動液駆動部５５を逆に動作させることにより混合液を検出流路４２１に戻して反応させ、この反応液の状態を検出流路４２１で検出することができる。従って、複数の反応部を同じ検出流路４２１で共有させることにより小型化でき、しかも複数の試薬を用いて複数の反応を行なわせることが必要な化学成分の分析ができる。
【００５４】
また、複数の試薬注入孔４３３、４３４と４３５との間に検出流路４２１を形成すると共に、マイクロセル４の検出流路４２１に対応する部分にのみヒータ４５を設けているので、複数の検出流路４２１を形成しそれぞれにヒータ４５を設けるものと比較してヒータ４５を小さくかつ安価にすることができる。
【００５５】
また、複数の試薬注入孔４３３，４３４と４３５との間に検出流路４２１を形成し、作動液孔４３７側の試薬注入孔４３５よりさらに作動液孔４３７側に蓄流路４２４を形成しているので、複数の試薬を用いて複数の反応を行なわせることができると共にその検出流路４２１を共有させることができるという効果を奏しつつ、作動液孔４３７側の試薬注入孔４３５から試薬が分析流路４２に送液されて反応液と混合される流路が蓄流路４２４により確保でき、動作時に作動液駆動部５５に混合液を送液しないようにすることができる。
【００５６】
また、マイクロセル４の分析流路４２は、吸排孔４３１及び試薬注入孔４３３，４３４が形成された混合流路４２２と検出流路４２１と蓄流路４２４とをマイクロセル４の長手方向に沿って延びるように形成すると共に、混合流路４２２の両側に検出流路４２１と蓄流路４２４とを並行して配置しているので、小型のマイクロセル４で混合流路４２２、検出流路４２１、蓄流路４２４に必要な長さを確保することができると共に、複数の試薬注入孔４３３〜４３５及び作動液孔４３７を検出流路４２１に対して一側に纏めて配置でき、全体のスペースファクタを良好なものとすることができる。
【００５７】
また、吸排孔４３１と作動液孔４３７との間に位置しかつ試薬駆動部５１、５２に接続される試薬注入孔４３３，４３４を形成し、試薬注入孔４３３，４３４より作動液孔４３７側に位置して反応液の検出流路４２１を形成し、試薬注入孔４３３，４３４より吸排孔４３１側に位置しかつ標準液駆動部５４に接続される標準液孔４３２を形成しているので、作動液駆動部５５、試薬駆動部５１，５２及び標準液駆動部５４を動作させて標準液による基準となる測定を行ない、それから試料液による測定を行なって基準となる測定結果と比較して化学成分の分析を行なうことができると共に、これらの動作は作動液駆動部５５に試料液や反応液を送液しないで行なうことができる。これにより、長期にわたりメンテナンス不要で、精度の高い分析を行なうことができる。
【００５８】
また、マイクロセル４は異方性エッチングした溝を有するシリコン基板４１２と透明なカバーガラス４１２とで分析流路４２を形成し、試薬注入孔４３３〜４３５は多数の微細孔よりなるミキサで形成しているので、極めて小型なマイクロセル４とすることができる。
【００５９】
次に、本発明の第２実施例の分析装置を図９及び図１０を参照しながら説明する。図９は本発明の第２実施例の分析装置の要部斜視図、図１０は図９のＥ−Ｅ断面拡大図である。本実施例は、次に述べる通り第１実施例と相違するものであり、その他の点については第１実施例と基本的には同一である。
【００６０】
この第２実施例では、マイクロセル４の吸排孔４３１が支持ガラス４１３側に設けられている。したがって、マイクロセル４の分析流路４２に形成される孔４３１〜４３７は、全て同一面（支持ガラス４１３側）に設けられることになる。また、マイクロセル４は流路ブロック１３３上に搭載されている。この流路ブロック１１３は、紫外線硬化樹脂による光造形技術などにより３次元流路を形成すると共に、複数のマイクロセル４を同一面側に並置している。この３次元流路（図示せず）は、その一端がマイクロセル４に設けたミキサ４３３〜４３５や孔４３２、４３６、４３７に接続され、その他端が流路ブロック１３３表面のマイクロセル４などの設置されていない空き場所に開口されている。この開口に、各外部の駆動部のバルブなどが接続されている。
【００６１】
さらに、流路ブロック１３３には、各マイクロセル４の吸排孔４３１の直下を通るように試料液通路１３４が設けられている。この試料液通路１３４は、流路ブロック１３３を貫通して直線状に形成され、マイクロセル４の吸排孔４３１と接続されている。この第１実施例のように、複数のマイクロセルを搭載する場合は、試料液通路１３４に沿ってマイクロセル４が整列され、各マイクロセル４の吸排孔４３１と試料液通路１３４が接続されている。さらに、試料液通路１３４の一側は副流路１３２に接続され、試料液通路１３４の他側は排水側に接続されている。副流路１３２の先端付近（流路ブロック１１に近接する部分）にはヒータ３１が設置されている。このヒータ３１は試料液の加熱脱気用であり、ヒータ３１で試料液を加熱することにより脱気した試料液がマイクロセル４に供給される。
【００６２】
この第２実施例によれば、複数のマイクロセル４に一つの流路ブロックに形成された一本の試料液通路１３４により試料液を供給することが出来る。また、一つの流路ブロック１３３に形成した３次元流路を介して外部の駆動部のバルブなどが接続することができる。これにより、分析装置の構成を簡単なものとすることができる。
【００６３】
次に、本発明の第３実施例の分析システムを図１１から図１６を用いて説明する。
【００６４】
まず、この第３実施例の分析システムの全体の構成及び動作を図１１を参照しながら説明する。図１１は本発明の第３実施例の分析システムの構成図である。
【００６５】
この第３実施例の分析システムは、河川水や湖沼水や海洋水等（以下、河川水等という）８２に含まれる化学成分を分析し、分析結果を所定部署に報告し合うためのものである。具体的には、複数の水質測定サイト１８、水質管理センタサーバ８３、及び一般市民等が所有する多数の水質管理センタサーバ８３がネットワーク８１を介して接続され、これらにより分析システムが構成される。このネットワーク８１は、インターネット、電話回線、無線通信、衛星通信等で構成される。この分析システムでは、水質測定サイト１８で定期的に分析動作を行ない、その分析結果を他の水質測定サイト１８や水質管理センタサーバ８３や利用者端末８４等にネットワーク８１を通して連絡するようになっていると共に、水質管理センタサーバ８３や利用者端末８４からの緊急のまたは臨時の分析要請をネットワーク８１を通して受付け、臨時に分析動作を行なえるようにもなっている。
【００６６】
水質測定サイト１８は、固液分離装置２、脱気装置３、分析装置１及びコンピュータ１４を備えて構成されている。この水質測定サイト１８は、主流路１３１及び送液装置１３を介して河川水等８２に接続され、分析対象となる原水１５を吸込むように構成される。即ち、分析対象となる原水１５は、水中ポンプなどの送液装置１３で主流路１３１を通して水質測定サイト１８に送液される。具体的には、主流路１３１の途中から副流路１３２が分岐され、所定量の原水１５が固液分離装置２に送液され、残りが原水排水１６として排出される。
【００６７】
固液分離装置２に送液された原水１５は、固液分離装置２により粒子分が除去され、試料液１５１となる。この試料液１５１は脱気装置３に送液され、脱気装置３により試料液１５１中の空気などが脱気される。脱気された試料液１５１は分析装置１のマイクロセル４に送液される。
【００６８】
分析装置１は、マイクロセル４、流路ブロック１３３、流体駆動部５、検出部６、変換器１１及び伝送部１２を備えて構成されている。この分析装置１は、第１実施例で省略した構成要素も明示してあるが、基本的な構成は第１実施例と同じである。
【００６９】
マイクロセル４に供給された試料液１５１は、第１実施例で説明した分析装置の動作と同様な動作により、吸光度の測定が行なわれる。この測定された吸光度の分析出力信号１７１は変換器１１で変換されて分析データ１７２となり、この分析データ１７２は伝送部１２を通してコンピュータ１４入力される。コンピュータ１４では、入力された分析データ１７２に基づいて、判定処理や分析結果の表示などを行なう。また、コンピュータ１４から分析結果をネットワーク８１を介して水質管理センタサーバ８３や利用者端末８４に情報提供する。水質測定サイト１８は、川の合流点など重要ポイントに複数設置され、各所の水質状況を常時監視する。
【００７０】
ここで、送液装置１３２とマイクロセル４との接続部の詳細を図１２を参照しながら説明する。図１２は同分析システムの分析装置部の説明図である。副流路１３２の先端付近にはヒータ３１が設置されている。このヒータ３１は試料液の加熱脱気用であり、ヒータ３１で試料液を加熱することにより脱気された試料液がマイクロセル４に供給される。ヒータ３１には図示しない温度センサが設けられ、図示しない制御装置によりヒータ３１が温度制御される。そして、マイクロセル４のカバーガラス４１１側の吸排孔４３１に副流路１３２の先端が近接して設置される。送液装置１３２の先端と吸排孔４３１とのギャップは数ｍｍ以下とし、供給された試料液１５１が吸排孔４３１から分離しないで接続されるようなギャップ寸法になっている。加熱された試料液１５１内の空気は温度上昇により溶解度が減少するので水中から遊離し、副流路１３２の先端から外部へ排出される。吸排孔４３１からこぼれ落ちた試料液１５１はマイクロセル４の下方に設けた排水管１８２を通って排水される。
【００７１】
係る送液装置１３２とマイクロセル４との接続構造によれば、試料液１５１を流す副流路１３２とマイクロセル４内の分析流路が分離されるので、分析を行なわない休止期間は試料液１５１の供給を停止し、マイクロセル４内に清澄な作動液や標準液を満たしておくことにより、休止期間中における試料液１５１によるマイクロセル４の継続的な汚染が防止できる。また、微量の試料液１５１が流れる副流路１３２をヒータ３１により加熱し脱気を行なうので、脱気機構をコンパクトなものに出来る。
【００７２】
ここで、固液分離装置２の詳細について図１３から図１６を参照しながら説明する。図１３は同分析システムの固液分離装置の断面概略図である。
【００７３】
図１３において、固液分離装置２は、原水貯留部２３１で原水１５をオーバフローさせ一定水位を保つように構成されている。原水貯留部２３１の底には超音波振動子２２を水面に向かって設置されている。この超音波振動子２２に通電することにより、超音波振動子２２に対向する原水水面から原水１５が霧化される。
【００７４】
原水貯留部２３１上には原水１５の霧化領域を囲む筒状の霧化部容器２３が設けられている。霧化部容器２３は、水面を覆う外筒２３２と、霧化領域で発生した霧を導く内筒２３３とを備えて構成されている。また、霧化部容器２３に隣接して筒状の収集部容器２４が設けられている。そして、霧化部容器２３の内筒２３３の側面上端と収集部容器２４の側面上端とが通路２３４で結ばれている。さらに、霧化部容器２３の外筒２３２と収集部容器２４の下部側面とが通路２３５で結ばれている。また、内筒２３３内には紫外線光源２５が設置されている。
【００７５】
さらに、収集部容器２４上に設けられたモータ２６の回転軸２６１が収集部容器２４の上面を貫通して収集部容器２４内に突出して設けられている。この収集部容器２４内の回転軸２６１には１つ以上の翼から成る翼列２７が設置されている。翼は支持リング２７１と複数の羽根２７２とを備えて構成されている。羽根２７２は、支持リング２７１の外周にモータ２６の回転軸２６１に垂直な平面に対して閧ネる取付角度を有している。収集部容器２４下部は漏斗状になっており、下流側の脱気装置などに接続する副流路１３２が出ている。
【００７６】
また、原水貯留部２３１内の超音波振動子２２から霧化領域に至る部分を囲む様にコイル状のヒータ２９が設置されている。超音波振動子２２により原水１５を霧化する場合原水貯留部２３１内に設けた温度センサで原水１５の温度を検出し、原水１５の温度が一定値以下であればヒータ２９に電流を流し、原水１５を暖める。これにより、低温の原水１５においても確実な霧化が行なえる。
【００７７】
モータ２６の回転により、回転軸２６１に取り付けた翼列２７が回転し、霧化部容器２３内で霧化した原水（霧粒子）が内筒２３３から通路２３４を通って収集部容器２４内に導かれる。霧粒子は収集部容器２４内で高速回転する翼列２７や壁面と接触し収集部容器の下部に滴下し試料液１５１となる。超音波振動子２２により霧化された霧粒子は数ミクロンの大きさとなるので、原水１５中に含まれる粒子のうち霧粒子よりもサイズの大きなものは霧化されず収集部容器２４に達しない。これによって、霧粒子より大きな粒子は原水１５から分離され、試料液１５１には含まれない。したがって、本装置は高性能なフィルタ機能を有する。
【００７８】
係る固液分離装置の実験的に求めた特性を図１４から図１６を参照しながら説明する。図１４は同固液分離装置の回収量特性図、図１５は同固液分離装置の流量特性図、図１６は同固液分離装置の霧化量及び回収量特性図である。なお、この実験では超音波発生源として発振周波数２．４ＭＨｚのものを用いた。この場合、霧化する霧粒子のサイズは約３μｍである。
【００７９】
収集部容器２４に回収される試料液１５１の量は、翼の羽根取付角度θにより変化する。また、翼の回転数を増加すると、装置内での霧の循環量が増えると共に羽根や壁に接触する霧粒子の量が増えるため、試料液１５１の回収量は増加する。その結果を図１４に示す。
【００８０】
また、図１５に示すように、羽根の取付角度が６５°付近で霧の流量が極大となり、回収量も極大となる。したがって、係る固液分離装置では、羽根の取付角度を４５〜７０°の範囲に設定している。
【００８１】
係る固液分離装置によれば、霧の循環量の増加により回収量を増加することができる。
【００８２】
また、係る固液分離装置では、図１６に示すように、温度により霧化量が変化し、霧化領域の原水の温度が１５℃以下では回収量が激減する。そこで、超音波振動子付近に設けた図示しない温度センサからの情報をもとに、超音波振動子２２付近の原水温度が１５℃以上になるようにヒータ２９の電流を調整するようにしている。これにより、冬期などの原水１５の水温が低い場合でも確実に霧化収集が行える。
【００８３】
次に、第３実施例の固液分離装置の変形例を説明する。図１７は本発明の第３実施例の固液分離装置の変形例を示す構成図である。
【００８４】
この変形例の固液分離装置では、主流路１３１の途中に貯溜槽１３５が設けられ、原水１５は主流路１３１から貯溜槽１３５に供給される。貯溜槽１３５は、主流路１３１から供給された原水１５をオーバフローしたり、貯溜槽１３５の底に設けた排水口から原水排水１６を行なったりし、貯溜槽１３５内の原水１５が更新されるようになっている。
【００８５】
この貯溜槽１３１の水面下に位置する側面から副流路１３２１が延設され、この副流路１３２１が中空糸フィルタ２１２を外筒２１１で覆ったクロスフロー型のフィルタに接続されている。これにより、貯溜槽１３５の原水１５は、副流路１３２１を通って多孔質の外壁を有する中空糸フィルタ２１２内に供給される。クロスフロー型のフィルタは被濾過水が中空糸フィルタ２１２内をフィルタ壁に沿って流れるのでフィルタ壁に粒子が付着しにくいという特徴がある。
【００８６】
この中空糸フィルタ２１２に供給された原水１５は、中空糸フィルタ２１２の外壁で原水内の粒子分の通過が阻止され、貯溜槽１３５と中空フィルタのヘッド差に応じて濾過されて濾過液（試料液）１５１となり、外筒２１１内に滲出されて回収される。例えば濾過面積１６ｃｍ2の中空糸タイプのフィルタ（Ａ／Ｇ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ  ＣＦＰ−２−Ｅ−ＭＭ０１Ａ）を使用した場合、ヘッド差が５０ｃｍ、被濾過水（水道水を使用）の流量が０．５ｍＬ／ｓで滲出水の流量は３０μＬ／ｓであった。マイクロセル内の流路容積は数十μＬであるので、この程度の試料液流量で試料液の測定には十分である。
【００８７】
外筒２１１の下部には副流路１３２に接続される開口部２１３形成され、上部には空気抜きのための開口部２１４が形成され、中間下部の外周にはヒータ３１が設置されている。これにより、滲出した試料液１５１は、ヒータ３１により加熱脱気され、開口部２１３から副流路１３２を通ってマイクロセルに供給される。加熱脱気用のヒータ３１を外筒２１１に設けたことにより、副流路１３２に設けるヒータをなくすことができるが、脱気はマイクロセル４に至る副流路１３２に設けたヒータで行なうようにしてもよい。なお、図１７では中空糸フィルタ２１２を一本で描いているが、複数並列しても良い。
【００８８】
係る変形例の固液分離装置によれば、クロスフロー型のフィルタであるためフィルタが目詰まりしにくく、これに加え、マイクロセルへの試料液供給量が少なくフィルタにかける圧力もヘッド差程度の小さいものとしているためフィルタ濾過量を少なく出来ると共にフィルタにかかる圧力を低く出来、これによりフィルタ寿命を長くすることができる。
【００８９】
【発明の効果】
本発明によれば、小型で、長期にわたり流体駆動部のメンテナンスが不要な分析装置及び分析システムを得ることができる。
【００９０】
また、本発明によれば、小型で、複数の試薬を用いて複数の反応を行なわせることが必要な化学成分の分析が可能な分析装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の分析装置の構成図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】図１のＢ−Ｂ断面図である。
【図４】図１のＣ−Ｃ断面図である。
【図５】図１のＤ−Ｄ断面図である。
【図６】図１の分析装置の標準液校正動作を示す図である。
【図７】図１の分析装置の試料液測定動作を示す図である。
【図８】図１の分析装置で用いる校正曲線の一例の特性図である。
【図９】本発明の第２実施例の分析装置の要部斜視図である。
【図１０】図９のＥ−Ｅ断面拡大図である。
【図１１】本発明の第３実施例の分析システムの構成図である。
【図１２】同分析システムの分析装置部の説明図である。
【図１３】同分析システムの固液分離装置の断面概略図である。
【図１４】同固液分離装置の回収量特性図である。
【図１５】同固液分離装置の流量特性図である。
【図１６】同固液分離装置の霧化量及び回収量特性図である。
【図１７】本発明の第３実施例の固液分離装置の変形例を示す構成図である。
【符号の説明】
１…分析装置、２…固液分離装置、３…脱気装置、４…マイクロセル、５…流体駆動部、６…検出部、１１…変換器、１５…原水、４２…分析流路、４４…長孔、４５…ヒータ、５１…第１試薬駆動部、５１ａ…ポンプ、５１ｂ…バルブ、５２…第２試薬駆動部、５２ａ…ポンプ、５２ｂ…バルブ、５３…第３試薬駆動部、５３ａ…ポンプ、５３ｂ…バルブ、５４…標準液駆動部、５４ａ…ポンプ、５４ｂ…バルブ、５５…作動液駆動部、５５ａ…ポンプ、５５ｂ…バルブ、５６…洗浄液駆動部、５６ａ…ポンプ、５６ｂ…バルブ、６１…光源、６２…光センサ、６３…光、７１…第１試薬槽、７２…第２試薬槽、７３…第３試薬槽、７４…標準液槽、７５…作動液槽、７６…洗浄液槽、８１…ネットワーク、８２…河川水等、８３…水質監視センタサーバ、８４…利用者端末、１３１…主流路、１３２…副流路、４１１…カバーガラス、４１２…シリコン基板、４１３…支持ガラス、４２１…検出流路、４３１…吸排孔、４３２…標準液孔、４３３…第１試薬注入ミキサ、４３４…第２試薬注入ミキサ、４３５…第３試薬注入ミキサ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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