JP2001305060A - pH VALUE MEASURING ELEMENT AND SENSOR HAVING IT - Google Patents

pH VALUE MEASURING ELEMENT AND SENSOR HAVING IT

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JP2001305060A
JP2001305060A JP2000125726A JP2000125726A JP2001305060A JP 2001305060 A JP2001305060 A JP 2001305060A JP 2000125726 A JP2000125726 A JP 2000125726A JP 2000125726 A JP2000125726 A JP 2000125726A JP 2001305060 A JP2001305060 A JP 2001305060A
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JP
Japan
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value
measuring element
excitation light
fluorescence
light
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JP2000125726A
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Japanese (ja)
Inventor
Akihiko Tanioka
明彦 谷岡
Kazuhiro Kobayashi
和宏 小林
Kozo Inoue
浩三 井上
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Original Assignee
AUTOM SYST RES KK
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a pH measuring element and a pH sensor for measuring a pH value over a wide range by combining a proton sensitive phosphor compound with a single polymer bondable to it. SOLUTION: This pH value measuring element can measure a pH value over a wide range by chemically bonding a proton sensitive phosphor substance having a carboxyl group and an organic polymer having an amino group together. This pH sensor is provided with a light source radiating excitation light, a base board transmitting the excitation light from the light source, a fluorescence detection part arranged on the base board and provided with the pH measuring element showing an increase in fluorescence intensity under the excitation light according to a pH value, and a signal processing part processing an output signal from the fluorescence detecting part so as to output a signal indicating the pH value.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、プロトン感受性の
蛍光物質を用いるpH値測定素子に関するものである。
本発明は、さらにこのようなpH値測定素子を具えるp
Hセンサにも関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a pH value measuring element using a proton-sensitive fluorescent substance.
The present invention further provides a p-type device having such a pH-measuring element.
It also relates to the H sensor.

【0002】[0002]

【従来の技術】pH値を測定する方法としては水素電極
法・ガラス電極法等が標準法として確立されている。一
方、1980年代後半から、光ファイバーや種々の新し
い光源の進歩に伴い、プロトン感受性の蛍光化合物を用
いる“光ファイバー蛍光pHセンサ”の開発が進められ
てきた。この方法によれば、水素電極やガラス電極に比
べ極めて細いセンサが作製でき、生体内や微量試料のp
H値の測定が可能になる。又、遠距離からの測定が可
能、電解液の補充が不要、電場・磁場の影響を受けにく
い、等多くの利点がある。これは、光励起により発する
蛍光が、存在するプロトンの濃度に応じて蛍光強度を減
ずる「蛍光消光現象」を利用したものである。例えば、
Analytical Chemistry 59巻 437−439頁(19
87年)には、蛍光化合物としてフェノールレッドを用
いる方法が開示されている。 Analytical Chemistry
61巻 174−177頁(1989年)には、蛍光化
合物として8−ヒドロオキシピレン−1,3,6−トリ
スルフォン酸を用いる方法が開示されている。また、米
国特許5,774,603号には、蛍光化合物としてナ
イルブルー・フルオレセイン・オキサジン1やブロモク
レゾールグリーンなどを用いる方法が開示されている。
2. Description of the Related Art As a method for measuring a pH value, a hydrogen electrode method, a glass electrode method and the like have been established as standard methods. On the other hand, since the late 1980's, with the progress of optical fibers and various new light sources, the development of "optical fiber fluorescent pH sensors" using proton-sensitive fluorescent compounds has been promoted. According to this method, an extremely thin sensor can be manufactured as compared with a hydrogen electrode or a glass electrode, and a p-type sample in a living body or a small amount of a sample can be obtained.
The measurement of the H value becomes possible. In addition, there are many advantages such as measurement from a long distance, no need for replenishment of the electrolytic solution, and susceptibility to electric and magnetic fields. This utilizes the "fluorescence quenching phenomenon" in which the fluorescence emitted by light excitation reduces the fluorescence intensity according to the concentration of existing protons. For example,
Analytical Chemistry 59, 437-439 (19
1987) discloses a method using phenol red as a fluorescent compound. Analytical Chemistry
61, pp. 174-177 (1989) discloses a method using 8-hydroxypyrene-1,3,6-trisulfonic acid as a fluorescent compound. U.S. Pat. No. 5,774,603 discloses a method using Nile Blue Fluorescein Oxazine 1, Bromocresol Green, or the like as a fluorescent compound.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来提
案されている方法によれば、一つの蛍光化合物とそれを
固定化する一つの高分子の組み合わせでは、狭い範囲の
pH値しか測定できず、その用途は極めて限定されてい
た。例えば、Analytical Chemistry61巻 174−1
77頁(1989年)には、8−ヒドロオキシピレン−
1,3,6−トリスルフォン酸をエチレン−ビニル酢酸
ポリマ−に結合させる方法が開示されている。しかし、
この方法では、測定可能なpH値は5.5〜8.0であ
った。また、国際公開WO 92/15962号では、
フルオレセインとシリカガラスの組み合わせで、pH
3.5〜6.5の範囲を測定する方法が開示されてい
る。米国特許5,774,603号には、蛍光化合物と
してナイルブルー・フルオレセイン・オキサジン1やブ
ロモクレゾールグリーンなどを用い、Zr/Siゾルー
ゲルガラスで固定化する方法が開示されている。この場
合、pH12〜13の範囲の測定が可能である。
However, according to the conventionally proposed method, a combination of one fluorescent compound and one polymer for immobilizing the fluorescent compound can measure only a narrow range of pH value. Its use was very limited. For example, Analytical Chemistry 61 Vol. 174-1
On page 77 (1989), 8-hydroxypyrene-
A method for bonding 1,3,6-trisulfonic acid to an ethylene-vinyl acetate polymer is disclosed. But,
In this method, the measurable pH value was 5.5 to 8.0. In addition, in International Publication WO 92/15962,
Combination of fluorescein and silica glass, pH
A method for measuring the range from 3.5 to 6.5 is disclosed. U.S. Pat. No. 5,774,603 discloses a method in which Nile Blue, Fluorescein, Oxazine 1, Bromocresol Green, or the like is used as a fluorescent compound and immobilized with Zr / Si sol-gel glass. In this case, measurement in the range of pH 12 to 13 is possible.

【0004】広範なpH領域を得る方法としては、複数
の蛍光物質を組み合わせる事が考えられ、この方法につ
いてはいくつかの文献がある。しかし、これらの方法に
よれば、それぞれの蛍光物質がそれぞれ異なった高分子
を必要とする等、複数の蛍光物質を固定化する事自体が
技術的困難な問題となる。更に、それぞれの蛍光物質は
異なる波長の光により励起され、それぞれが発する蛍光
も異なる波長を持つため、センサの制御部が極めて複雑
になるなどの欠点がある。
As a method for obtaining a wide pH range, a combination of a plurality of fluorescent substances can be considered, and there are several literatures on this method. However, according to these methods, the immobilization of a plurality of fluorescent substances itself becomes a technically difficult problem, for example, each fluorescent substance requires a different polymer. Furthermore, since each fluorescent substance is excited by light of a different wavelength, and the fluorescent light emitted from each has a different wavelength, there is a disadvantage that the control unit of the sensor becomes extremely complicated.

【0005】従って、本発明の目的は、プロトン感受性
の蛍光化合物と固定化物質との化学結合の態様を変える
ことによって、より広範囲のpH値を測定できるpH値
測定素子、及びそれを具えるpHセンサを提供すること
である。
Accordingly, an object of the present invention is to provide a pH-measuring element capable of measuring a wider range of pH values by changing the form of chemical bonding between a proton-sensitive fluorescent compound and an immobilized substance, and a pH-measuring element comprising the same. It is to provide a sensor.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明によるpH値測定
用素子は、少なくとも一種のプロトン感受性蛍光物質の
少なくともカルボキシル基の一部を、固定化物質と化学
結合させることによって、広範囲のpH値の測定を可能
にしたことを特徴とするものである。
The pH-measuring element according to the present invention provides a pH-measuring element for a wide range of pH values by chemically bonding at least a part of the carboxyl group of at least one proton-sensitive fluorescent substance to an immobilizing substance. It is characterized in that measurement is enabled.

【0007】従来、プロトン感受性の蛍光物質では、カ
ルボキシル基が蛍光消光現象に寄与しているものと考え
られていた。従って、蛍光消光現象を利用したい場合
に、カルボキシル基以外のアルキル基などを用いて固定
化するものなどは存在したが、カルボキシル基を用いた
ものは存在しなかった。本発明の新規な点は、カルボキ
シル基を反応させた後のカルボニル基、及び水酸基、に
よる蛍光消光現象に着目し、このカルボキシル基を、固
定化物質と化学結合させた点である。
Hitherto, in proton-sensitive fluorescent substances, it has been considered that carboxyl groups contribute to the fluorescence quenching phenomenon. Therefore, when the fluorescence quenching phenomenon was desired to be used, there was one that was immobilized using an alkyl group other than a carboxyl group, but there was no one that used a carboxyl group. The novel point of the present invention is that the carboxyl group is chemically bonded to the immobilizing substance, focusing on the fluorescence quenching phenomenon caused by the carbonyl group and the hydroxyl group after the carboxyl group is reacted.

【0008】また、複数の種類の蛍光物質を固定化する
には、複数の種類の固定化物質を必要としたが、典型的
なプロトン感受性蛍光物質(例えばウラニンやo-クマル
酸)は、通常カルボキシル基を有するため、本発明によ
れば、複数の蛍光物質を1つの固定化物質と結合させる
こともできる。従って、本発明によれば、蛍光強度の変
化の特性が異なる複数の蛍光物質を混合し、これを固定
化物質と結合させることによって、2つの蛍光強度の変
化特性を併せ持つ物質を得ることも可能である。例え
ば、主として酸性において蛍光強度が変化する蛍光物質
と、主としてアルカリ性において蛍光強度が変化する蛍
光物質とを混合し、それらの比率を調節したものを用い
れば、所望の蛍光強度の変化特性を有する物質、例え
ば、酸性からアルカリ性まで広範囲に蛍光強度が変化す
る物質を得ることができる。或いは、酸性側或いはアル
カリ性側において感度の高い物質を得ることも可能であ
る。
In order to immobilize a plurality of types of fluorescent substances, a plurality of types of immobilizing substances are required. Typical proton-sensitive fluorescent substances (for example, uranine and o-coumaric acid) are usually used. According to the present invention, because of having a carboxyl group, a plurality of fluorescent substances can be combined with one immobilizing substance. Therefore, according to the present invention, it is also possible to obtain a substance having both of two fluorescence intensity change characteristics by mixing a plurality of fluorescent materials having different fluorescence intensity change characteristics and binding the same to an immobilization material. It is. For example, a substance having a desired fluorescence intensity change characteristic can be obtained by mixing a fluorescent substance whose fluorescence intensity changes mainly in an acidic state and a fluorescent substance whose fluorescence intensity changes in an alkaline state and adjusting the ratio thereof. For example, a substance whose fluorescence intensity changes over a wide range from acidic to alkaline can be obtained. Alternatively, a substance having high sensitivity on the acidic side or the alkaline side can be obtained.

【0009】更に、本発明よるpHセンサは、励起光を
放射する光源と、この光源からの励起光を透過する基板
と、この基板上に設けられ、前記励起光の下で、少なく
とも一種のプロトン感受性蛍光物質の少なくともカルボ
キシル基の一部を、固定化物質と化学結合させ、前記励
起光の下で、pH値に応じて蛍光強度の変化を示すpH値
測定素子を具えた蛍光検知部と、この蛍光検知部からの
出力信号を処理してpH値を指示する信号を出力する信
号処理部と、を具えることを特徴とするものである。
Further, a pH sensor according to the present invention includes a light source that emits excitation light, a substrate that transmits the excitation light from the light source, and at least one type of proton provided under the excitation light under the excitation light. At least a part of the carboxyl group of the sensitive fluorescent substance is chemically bonded to the immobilization substance, and under the excitation light, a fluorescence detection unit including a pH value measuring element showing a change in fluorescence intensity according to the pH value, A signal processing unit that processes the output signal from the fluorescence detection unit and outputs a signal indicating a pH value.

【0010】蛍光の光強度は非常に微弱であり、外部か
ら光が侵入すると外乱ノイズになり測定誤差が生じ測定
が不安定になってしまうため、外光を遮断する必要があ
る。従って、pH値の測定は、外光が遮断された暗室で
行なうか、或いは、外光を遮断するための層を蛍光検知
部に設ける必要がある。しかし、暗室での測定では用途
が限定され不便であるため、蛍光検知部には、この蛍光
物質を固定化させ、蛍光を発生するようにしたpH値測
定素子の上に設けられ、この素子から放射される蛍光を
反射し、外光を遮断すると共に被検物質を透過する蛍光
反射外光遮断層を設けることが好適である。また、蛍光
反射外光遮断層は保護層としての機能も併せ持つもので
ある。この蛍光反射外光遮断層としては、多孔質で親水
性を持たせた高分子などに、遮光性、耐薬品性を有する
物質(例えば金属チタンなど)を塗布したものが好適で
ある。
The light intensity of the fluorescent light is very weak. If light enters from outside, it causes disturbance noise, which causes a measurement error and makes the measurement unstable, so that it is necessary to block external light. Therefore, it is necessary to measure the pH value in a dark room in which external light is blocked, or to provide a layer for blocking external light in the fluorescence detector. However, measurement in a dark room is inconvenient due to its limited use, so the fluorescent detector is provided with a fluorescent substance immobilized thereon and provided on a pH value measuring element that generates fluorescence. It is preferable to provide a fluorescence reflection external light blocking layer that reflects emitted fluorescent light, blocks external light, and transmits a test substance. Further, the fluorescence reflection external light blocking layer also has a function as a protective layer. As the fluorescence reflection external light blocking layer, a material obtained by applying a substance having light-shielding properties and chemical resistance (for example, metal titanium or the like) to a porous polymer having hydrophilicity or the like is suitable.

【0011】図1の上部に蛍光消光現象を利用した本発
明によるpH値測定用素子の動作原理を示す。図1の上
部に示すように、例えば、典型的なプロトン感受性の蛍
光化合物であるフルオレセインナトリウム(ウラニン)
は、プロトンが多く存在する場合、即ちpHが低い場合
(酸性側)、カルボキシル基と水酸基のプロトンの解離
は少ない状態となり、励起光を照射しても蛍光の放射は
少ない。一方、プロトンの存在が少ない場合、即ち、水
酸基が多くpHが高くなると(アルカリ側)、水酸基の攻
撃を受けプロトンの解離が多い状態となり、励起光を照
射すると蛍光を強く放射する。このように、pHが高く
なればなるほど(即ち、プロトンの解離が多くなるほ
ど)、蛍光強度が増大する。従って、図1の下部のグラ
フのように、事前にpHに対する任意の波長における蛍光
強度比の検量線を作成すれば、蛍光強度の測定から未知
のプロトン濃度(即ちpH)が評価できる。このような
蛍光強度の変化領域は蛍光物質のpKa に依存する。上述
した反応機構は簡略化したものであり、実際の反応機構
は、より複雑なメカニズムを有する。この反応機構の詳
細については後述する。
The upper part of FIG. 1 shows the principle of operation of the pH value measuring element according to the present invention utilizing the fluorescence quenching phenomenon. As shown at the top of FIG. 1, for example, a typical proton-sensitive fluorescent compound, fluorescein sodium (uranin)
When there are many protons, that is, when the pH is low (acid side), the dissociation of the protons of the carboxyl group and the hydroxyl group is small, and the emission of fluorescence is small even when irradiated with excitation light. On the other hand, when the presence of protons is small, that is, when the number of hydroxyl groups is large and the pH is high (alkali side), the hydroxyl groups are attacked and the protons are dissociated in a large amount. Thus, the higher the pH (ie, the more protons are dissociated), the greater the fluorescence intensity. Therefore, as shown in the lower graph of FIG. 1, if a calibration curve of the fluorescence intensity ratio at an arbitrary wavelength with respect to pH is prepared in advance, the unknown proton concentration (ie, pH) can be evaluated from the measurement of the fluorescence intensity. Such a region where the fluorescence intensity changes depends on the pKa of the fluorescent substance. The reaction mechanism described above is a simplification, and the actual reaction mechanism has a more complicated mechanism. The details of this reaction mechanism will be described later.

【0012】[0012]

【発明の実施の形態】初めに、ウラニン水溶液(濃度0.
1mmol/l)の蛍光強度を、励起波長lex=485nm、蛍光放
射波長lem=510nmにおいてpH=2からpH=14範囲で測定し
た。図2は、このウラニン水溶液の蛍光強度の測定結果
について、縦軸に最大蛍光強度を基準にそれぞれのpHに
おける蛍光強度を蛍光強度比として表し、横軸にpHを
表わしたグラフである。図2に示すように、このウラニ
ン水溶液ではpH=4からpH =7の間で蛍光強度比は大き
く変化し、これらの前後ではほぼ一定となった。即ち、
上述したように、一つの蛍光化合物のみを使用したので
は、pHに対する応答領域が4〜7と狭く、この変化領域
を広範なpH領域に拡張することは困難である。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS First, an aqueous uranine solution (concentration of 0.
The fluorescence intensity of 1 mmol / l) was measured at an excitation wavelength of l ex = 485 nm and a fluorescence emission wavelength of l em = 510 nm in the range of pH = 2 to pH = 14. FIG. 2 is a graph showing the measurement results of the fluorescence intensity of the uranine aqueous solution, in which the vertical axis represents the fluorescence intensity at each pH as a fluorescence intensity ratio based on the maximum fluorescence intensity, and the horizontal axis represents pH. As shown in FIG. 2, in this uranine aqueous solution, the fluorescence intensity ratio greatly changed between pH = 4 and pH = 7, and became approximately constant before and after these. That is,
As described above, if only one fluorescent compound is used, the response region to pH is as narrow as 4 to 7, and it is difficult to extend this change region to a wide pH region.

【0013】以下に、本発明によるpH測定用素子の製
造方法の代表的な例について説明する。ナイロン6フィ
ルムを10cm×6cmに切り出し100mlの三角フラスコに入れ
る。このフラスコに10-2mol/l のHClを10mlを入れ、さ
らに50mlのイオン交換水を加えて希釈する。ナイロン6
フィルムの入った溶液に水溶性カルボジイミドを1g入
れ、さらにウラニン0.083gを加える。この溶液を25℃の
一定温度に保ちつつ9時間アルミホイルで遮光して撹拌
しながら反応させて、ウラニンのカルボキシル基と、ナ
イロン6のアミノ基とを選択的にアミド結合させる。ウ
ラニンが結合したナイロン6フィルムをイオン交換水10
0mlを用いて計10回繰り返し合計5時間洗浄する。このよ
うにして作製したフィルムをイオン交換水中で保存し、
直径1cmに切り出して素子とする。
A typical example of a method for manufacturing a pH measuring element according to the present invention will be described below. Nylon 6 film is cut into 10 cm x 6 cm and placed in a 100 ml Erlenmeyer flask. This flask is charged with 10 ml of 10 -2 mol / l HCl, and further diluted with 50 ml of ion-exchanged water. Nylon 6
1 g of water-soluble carbodiimide is added to the solution containing the film, and 0.083 g of uranine is further added. The solution is reacted for 9 hours with stirring while shielding the solution from light with aluminum foil while maintaining a constant temperature of 25 ° C., so that the carboxyl group of uranine and the amino group of nylon 6 are selectively amide-bonded. Nylon 6 film with uranine bonded to ion-exchanged water 10
Wash 10 times in total with 0 ml for a total of 5 hours. The film thus produced is stored in ion-exchanged water,
An element is cut out to a diameter of 1 cm.

【0014】図3は、本発明による蛍光検知部10の構
造を示す図である。この蛍光検知部は、図3に示すよう
に、アクリル板を用いて作製した3cm×4cmの透明な基板
12の中央部に、このpH値測定素子14を張り付け、
蛍光検知部10を形成させたものである。この基板12
には、励起光及び発生した蛍光を通過するもの、例えば
アクリル、光学ガラスなどを用いるのが好適である。
FIG. 3 is a diagram showing the structure of the fluorescence detecting section 10 according to the present invention. As shown in FIG. 3, the fluorescence detecting unit was attached to the pH measuring element 14 at the center of a 3 cm × 4 cm transparent substrate 12 manufactured using an acrylic plate.
The fluorescent detection unit 10 is formed. This substrate 12
It is preferable to use a material that transmits excitation light and generated fluorescence, for example, acrylic, optical glass, or the like.

【0015】図4は、蛍光検知部10の構造の変形例を
示す図である。基板12の中央部にpH値測定素子14
を設け、外光を遮断するために、さらにこのpH値測定
素子14の上に蛍光反射外光遮断層16を設けて、蛍光
検知部10を形成させたものを示す図である。本例で
は、この蛍光反射外光遮断層16は、多孔質で親水性を
持たせた高分子に、遮光性、耐薬品性を有する金属チタ
ン粉末を分散させたものを塗布して形成する。
FIG. 4 is a view showing a modification of the structure of the fluorescence detecting section 10. As shown in FIG. A pH measuring element 14 is provided at the center of the substrate 12.
FIG. 3 is a view showing a configuration in which a fluorescence reflection external light blocking layer 16 is further provided on the pH value measuring element 14 to block external light, thereby forming a fluorescence detection unit 10. In this embodiment, the fluorescence reflection external light blocking layer 16 is formed by applying a material in which metal titanium powder having light-shielding properties and chemical resistance is dispersed in a porous and hydrophilic polymer.

【0016】図5は、本発明によるpHセンサの概略図
である。上述した3層からなる蛍光検知部10を、プロ
ーブホルダ20の先端に収容する。この先端に蛍光検知
部10を収容したプローブホルダ20の内部には、一端
を基板12の裏面に当接したライトガイドロッドLGR
を配置し、その他端にそれぞれ一端が当接するように一
対の光ファイバ22および24を延在させ、一方の光フ
ァイバ22の他端(入射側)を入射側バンドパスフィル
タ26を介して、光源を発生する発光ダイオード30と
対向させる。また、他方の光ファイバ24の他端(出射
側)は出射側バンドパスフィル28を介してフォトダイ
オード32と対向させる。入射側バンドパスフィルタ2
6の出射側には、光軸から外れた位置に励起光補償用の
フォトダイオード34を設け、その出力を発光ダイオー
ド30を駆動するための演算・制御回路40にフィード
バックする。この演算・制御回路40には中央処理ユニ
ット(CPU)50から規準信号を供給し、この規準信
号とフォトダイオード34からの信号とのずれに基づい
て発光ダイオード30の駆動電流を制御し、常に一定の
輝度の励起光が放射されるようにする。
FIG. 5 is a schematic diagram of a pH sensor according to the present invention. The above-described three-layered fluorescence detector 10 is housed at the tip of the probe holder 20. A light guide rod LGR having one end abutting on the back surface of the substrate 12 is provided inside the probe holder 20 having the fluorescence detector 10 housed at the tip.
And a pair of optical fibers 22 and 24 are extended so that one end of the optical fiber 22 abuts on the other end, and the other end (incident side) of one optical fiber 22 is connected to the light source via the incident side band-pass filter 26. And the light emitting diode 30 which generates the light. The other end (outgoing side) of the other optical fiber 24 is opposed to the photodiode 32 via the outgoing side bandpass filter 28. Incident side bandpass filter 2
On the emission side of 6, an excitation light compensation photodiode 34 is provided at a position off the optical axis, and its output is fed back to an arithmetic and control circuit 40 for driving the light emitting diode 30. A reference signal is supplied from the central processing unit (CPU) 50 to the arithmetic / control circuit 40, and the drive current of the light emitting diode 30 is controlled based on the difference between the reference signal and the signal from the photodiode 34, and is always constant. The excitation light having the luminance of is emitted.

【0017】フォトダイオード32の出力信号を、プリ
アンプ60で増幅した後、サンプル・ホールド回路62
でサンプリングし、得られるサンプル値を演算増幅器6
4および計器本体側のアンプ66でさらに増幅した後、
A/D変換器68でディジタル信号に変換し、CPU5
0に供給する。CPU50では、このようにして供給さ
れるフォトダイオード32の出力信号を処理してpH値
を求めることができる。
After the output signal of the photodiode 32 is amplified by the preamplifier 60, the sample / hold circuit 62
, And obtains the sampled value.
After further amplification by the amplifier 4 and the amplifier 66 on the instrument body side,
The signal is converted into a digital signal by the A / D converter 68 and
Supply 0. The CPU 50 can calculate the pH value by processing the output signal of the photodiode 32 thus supplied.

【0018】プローブホルダ20の先端には、温度セン
サ70をも設け、その出力信号をアンプ72で増幅して
計器本体へ送り、A/D変換器74でディジタル信号に
変換した後、CPU50へ供給する。pH値と温度との
相関関係を予め求めておき、CPU50でpH値を演算
により求める際に、温度センサ70によって検出した温
度による補正を行うことにより、測定精度を向上するこ
とができる。
A temperature sensor 70 is also provided at the tip of the probe holder 20, and its output signal is amplified by an amplifier 72 and sent to the main body of the instrument, converted into a digital signal by an A / D converter 74, and supplied to the CPU 50. I do. The correlation between the pH value and the temperature is determined in advance, and when the pH value is calculated by the CPU 50, the correction based on the temperature detected by the temperature sensor 70 is performed, so that the measurement accuracy can be improved.

【0019】上述したようにして求めたpH値を表す信
号は、CPU50に接続した液晶ディスプレイ76で表
示したり、D/A変換器78でアナログ信号に変換して
出力したり、RS−232Cインターフェイス80を介
してディジタル信号として出力する。
The signal representing the pH value obtained as described above is displayed on a liquid crystal display 76 connected to the CPU 50, converted into an analog signal by a D / A converter 78 and output, and output from an RS-232C interface. It is output as a digital signal via 80.

【0020】実施例1 この作製した蛍光検知部10を蛍光分光光度計(日本分
光FP750)に取り付け励起光(λex=485nm)を照射し、発
光蛍光(λem=530nm)の強度を測定した。図6は、この
ウラニンを固定化させた素子の蛍光強度の測定結果につ
いて、縦軸に最大蛍光強度を基準にそれぞれのpHにおけ
る蛍光強度を蛍光強度比として表し、横軸にpHを表わ
したグラフである。この時pHは1〜14まで変化させた
が、pH=14の時最大蛍光強度が得られた。この最大蛍光
強度を基準にして、各pHにおける蛍光強度比を求めた。
その結果、図6に示すように、pH=1〜14までの間で蛍光
強度比が連続的に変化すること、即ち広範囲のpH応答
領域が得られることがわかった。
Example 1 The fluorescence detector 10 thus prepared was mounted on a fluorescence spectrophotometer (JASCO FP750) and irradiated with excitation light (λ ex = 485 nm) to measure the intensity of the emitted fluorescence (λ em = 530 nm). . FIG. 6 is a graph showing the measurement results of the fluorescence intensity of the element on which uranine is immobilized, in which the vertical axis represents the fluorescence intensity at each pH with respect to the maximum fluorescence intensity as a fluorescence intensity ratio, and the horizontal axis represents pH. It is. At this time, the pH was changed from 1 to 14, but when pH = 14, the maximum fluorescence intensity was obtained. The fluorescence intensity ratio at each pH was determined based on this maximum fluorescence intensity.
As a result, as shown in FIG. 6, it was found that the fluorescence intensity ratio changes continuously between pH = 1 and 14, that is, a wide pH response region can be obtained.

【0021】ここで、ウラニンを固定化させた素子にお
ける蛍光発生の反応機構の詳細を説明する。この素子に
おいては、下記のようにウラニンのカルボキシル基とナ
イロン6の鎖末端のアミノ基がアミド結合している。 −NH2 + −COOH → −NH−CO−
+ H2O 蛍光消光現象に関与する基は、水酸基(−OH)、アミ
ド結合のカルボニル基(−CO−)、未反応で残存して
いるカルボキシル基(−COOOH)であると考えられる。
蛍光強度の連続的なpH変化は、以下の機構によるものと
考えられる。酸性側においては(pH3.5以下)、被検物
質のプロトンが多く存在するため、ウラニンのOH基か
らプロトンはほとんど解離しないが、アミド結合のカル
ボニル基にプロトンが付加し、この部分が蛍光消光現象
を示す。このようなプロトンの付加が、pH3.5以下にお
いては、蛍光強度の連続的な変化に大きく寄与するもの
と考えられる。中性においては(pH3.5からpH12)、ウ
ラニンのプロトン感受性によって、被検物質のプロトン
濃度に応じて、ウラニンのOH基のプロトンが解離し、こ
れが蛍光強度の変化に大きく寄与するものと考えられ
る。一方、アルカリ性側においては、被検物質のプロト
ンが少ないため、遊離している水酸基の攻撃を受け、ウ
ラニンのOH基からプロトンが解離し易くなり、蛍光強
度が高くなる。また、強アルカリ性(pH12以上)において
は、アミド結合のカルボニル基に水酸基が付加し、この
水酸基の付加が、蛍光強度の連続的な変化に大きく寄与
するものと考えられる。即ち、アミド結合のカルボニル
基へのプロトンの付加、水酸基からのプロトンの解離、
及びアミド結合のカルボニル基への水酸基の付加、の3
つのファクターによって、蛍光強度が広範囲に亘り連続
的に変化するものと考えられる。未反応のカルボキシル
基が残存している場合は、この残存カルボキシル基から
もプロトンが解離し、蛍光強度の変化に寄与するものと
考えられる。
Here, the details of the reaction mechanism of the generation of fluorescence in the device on which uranine is immobilized will be described. In this device, the carboxyl group of uranine and the amino group at the chain end of nylon 6 are amide-bonded as described below. -NH2 + -COOH → -NH-CO-
The groups involved in the + H2O fluorescence quenching phenomenon are considered to be a hydroxyl group (-OH), a carbonyl group of an amide bond (-CO-), and a carboxyl group (-COOOH) remaining unreacted.
The continuous pH change of the fluorescence intensity is considered to be due to the following mechanism. On the acidic side (pH 3.5 or less), there are many protons of the test substance, so the protons hardly dissociate from the OH group of uranine, but the protons are added to the carbonyl group of the amide bond, and this portion is fluorescence quenched. Show the phenomenon. It is considered that such proton addition greatly contributes to a continuous change in fluorescence intensity at pH 3.5 or less. At neutral (pH 3.5 to pH 12), the proton sensitivity of uranine dissociates the proton of the OH group of uranine according to the proton concentration of the test substance, and this is thought to contribute significantly to the change in fluorescence intensity. Can be On the other hand, on the alkaline side, since the amount of protons in the test substance is small, free hydroxyl groups are attacked, protons are easily dissociated from OH groups of uranine, and the fluorescence intensity is increased. Also, under strong alkalinity (pH 12 or more), a hydroxyl group is added to the carbonyl group of the amide bond, and it is considered that the addition of the hydroxyl group greatly contributes to a continuous change in the fluorescence intensity. That is, addition of a proton to a carbonyl group of an amide bond, dissociation of a proton from a hydroxyl group,
And addition of a hydroxyl group to the carbonyl group of the amide bond,
It is considered that the fluorescence intensity changes continuously over a wide range depending on one factor. When an unreacted carboxyl group remains, it is considered that protons are also dissociated from the remaining carboxyl group and contribute to a change in fluorescence intensity.

【0022】実施例2 次は、蛍光強度の変化の特性が異なる2種類の蛍光物質
を1つの固定化物質と結合させた例である。ウラニン
(応答領域pH4~7)とo−クマル酸(応答領域pH11~14)
との混合物を、固定化物質のナイロン6と化学結合させ
た。これを用いて、実施例1と同様に素子を作成し、同
様の条件でpH蛍光強度を測定した。図7に示すよう
に、pH1〜14まで、広範囲に亘るpH応答領域を得
ることができた。励起光の波長を、390nm(四角の
点)と485nm(三角の点)に設定して測定したが、
485nm(四角の点)の方が良好なpH応答を得るこ
とができた。
Embodiment 2 The following is an example in which two kinds of fluorescent substances having different characteristics of the change of the fluorescence intensity are combined with one immobilizing substance. Uranine (response area pH4 ~ 7) and o-coumaric acid (response area pH11 ~ 14)
Was chemically bonded to nylon 6 as an immobilizing substance. Using this, a device was prepared in the same manner as in Example 1, and the pH fluorescence intensity was measured under the same conditions. As shown in FIG. 7, a wide pH response region could be obtained from pH1 to pH14. The wavelength of the excitation light was set at 390 nm (square point) and 485 nm (triangle point) and measured.
At 485 nm (square point), a better pH response could be obtained.

【0023】本発明は上述した実施例にのみ限定される
ものではなく、幾多の変更や変形が可能である。例え
ば、上述した実施例では、プロトン感受性物質としてウ
ラニンとo−クマル酸を用いたが、エオシンなどの他の
プロトン感受性物質を用いることもできる。また、固定
化物質としてナイロン6を用いたが、他の高分子物質
や、アニリンやアミノ酸などの低分子物質や、ガラスな
どの無機物質を用いることもできる。
The present invention is not limited to only the above-described embodiment, and many modifications and variations are possible. For example, in the above-described embodiment, uranine and o-coumaric acid are used as the proton-sensitive substances, but other proton-sensitive substances such as eosin can be used. Although nylon 6 is used as the immobilizing substance, other high molecular substances, low molecular substances such as aniline and amino acids, and inorganic substances such as glass can also be used.

【0024】[0024]

【発明の効果】本発明の利点をまとめると 1.蛍光消光現象を利用するpHセンサで、広範囲のpH
値の測定が可能になる。 2.光学式のpH測定であるため、レスポンス(ミリ秒
オーダーで測定可能)が非常に良好である。 3.水素電極やガラス電極に比べ極めて細い素子が作製
でき、センサを小型化できる。また、細く、曲り易い素
子の作製ができる。 4.カルボキシル基(或いは水酸基)の残存比、或い
は、2種類の蛍光物質の混合比、を調節することによっ
て、所望のpH応答特性を持つ素子を作製することもで
きる。 5.遠隔測定ができる。 6.電解液の供給が不要、電場・磁場の影響を受けにく
い。 などが挙げられる。
The advantages of the present invention can be summarized as follows. A pH sensor that utilizes the fluorescence quenching phenomenon,
The value can be measured. 2. The response (measureable on the order of milliseconds) is very good because it is an optical pH measurement. 3. An extremely thin element can be manufactured as compared with a hydrogen electrode or a glass electrode, and the sensor can be downsized. Further, a thin and easily bendable element can be manufactured. 4. By adjusting the residual ratio of carboxyl groups (or hydroxyl groups) or the mixing ratio of two kinds of fluorescent substances, a device having desired pH response characteristics can be manufactured. 5. Telemetry is possible. 6. There is no need to supply an electrolyte, and it is hardly affected by electric and magnetic fields. And the like.

【0025】従って、幅広い用途にこのpH値測定用素
子、及びそのセンサを応用することができる。例えば、
生体内や微量試料のpH値の測定などの利用が期待され
る。
Therefore, the pH value measuring element and its sensor can be applied to a wide range of applications. For example,
It is expected to be used for measuring the pH value of a living body or a small amount of a sample.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 本発明による蛍光消光現象を利用したpH値
測定素子の動作原理を説明する図である。
FIG. 1 is a diagram illustrating the operating principle of a pH value measuring element using the fluorescence quenching phenomenon according to the present invention.

【図2】 縦軸に、最大蛍光強度を基準にそれぞれのpH
における蛍光強度を蛍光強度比として表し、横軸にpH
を表わしたグラフである。
[Fig. 2] The vertical axis shows the pH values based on the maximum fluorescence intensity.
Is expressed as a fluorescence intensity ratio, and the horizontal axis represents pH.
FIG.

【図3】 本発明による蛍光検知部10の構造を示す断
面図である。
FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a structure of a fluorescence detection unit 10 according to the present invention.

【図4】 本発明による蛍光検知部10の変形例の構造
を示す断面図である。
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a structure of a modified example of the fluorescence detector 10 according to the present invention.

【図5】 本発明によるpHセンサの全体の構成の概略
を示す線図である
FIG. 5 is a diagram schematically showing an overall configuration of a pH sensor according to the present invention.

【図6】 ウラニンを固定化させた素子の蛍光強度の測
定結果について表わしたグラフである。
FIG. 6 is a graph showing a measurement result of a fluorescence intensity of a device on which uranine is immobilized.

【図7】 ウラニン(応答領域pH4~7)とo−クマル酸
(応答領域pH11~14)との混合物を固定化させた素子の
蛍光蛍光強度の測定結果について表わしたグラフであ
る。
FIG. 7 is a graph showing the results of measurement of the fluorescence intensity of a device in which a mixture of uranine (response region pH 4 to 7) and o-coumaric acid (response region pH 11 to 14) was immobilized.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 蛍光検知部、12 基板、14 pH測定素子、
16 蛍光反射外光遮断層、20 プローブホルダ、2
2、24 光ファイバ、26 入射側バンドパスフィル
タ、28 出射側バンドパスフィルタ28、30 発光
ダイオード、32フォトダイオード、34 励起光補償
用フォトダイオード、40 演算・制御回路、50 C
PU、60 プリアンプ、62 サンプルホールド回
路、64Fアンプ、66 アンプ、70 温度センサ、
72 アンプ、74 A/Dコンバータ、76 液晶ディ
スプレイ、78 D/Aコンバータ、80 RS-232Cインタ
ーフェイス
10 fluorescence detector, 12 substrates, 14 pH measuring element,
16 Fluorescence reflection external light blocking layer, 20 probe holder, 2
2, 24 Optical fiber, 26 Incident-side bandpass filter, 28 Outgoing-side bandpass filter 28, 30 Light emitting diode, 32 photodiode, 34 Excitation light compensation photodiode, 40 Arithmetic / control circuit, 50 C
PU, 60 preamplifier, 62 sample and hold circuit, 64F amplifier, 66 amplifier, 70 temperature sensor,
72 amplifier, 74 A / D converter, 76 liquid crystal display, 78 D / A converter, 80 RS-232C interface

フロントページの続き (72)発明者 小林 和宏 東京都目黒区大岡山2−12−1 東京工業 大学内 (72)発明者 井上 浩三 東京都千代田区岩本町1−10−5 株式会 社オートマチック・システムリサーチ内 Fターム(参考) 2G043 AA03 CA03 EA01 GA08 GB01 GB21 HA01 HA05 JA03 KA05 LA01 MA01 NA11 2G054 AA02 AA06 AB07 CA21 CE02 EA03 FA32 GA04 GB02 JA01 JA04 JA05 Continued on the front page (72) Inventor Kazuhiro Kobayashi 2-12-1 Ookayama, Meguro-ku, Tokyo Inside Tokyo Institute of Technology (72) Inventor Kozo Inoue 1-10-5 Iwamotocho, Chiyoda-ku, Tokyo Automatic System Co., Ltd. F-term in the research (reference) 2G043 AA03 CA03 EA01 GA08 GB01 GB21 HA01 HA05 JA03 KA05 LA01 MA01 NA11 2G054 AA02 AA06 AB07 CA21 CE02 EA03 FA32 GA04 GB02 JA01 JA04 JA05

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 少なくとも一種のプロトン感受性蛍光物
質の少なくともカルボキシル基の一部を、固定化物質と
化学結合させたことを特徴とする、pH値測定素子。
1. A pH value measuring element, wherein at least a part of a carboxyl group of at least one kind of proton-sensitive fluorescent substance is chemically bonded to an immobilizing substance.
【請求項2】 前記カルボキシル基を持つプロトン感受
性蛍光物質が、フルオレセイン系化合物であることを特
徴とする、請求項1に記載のpH値測定素子。
2. The pH value measuring element according to claim 1, wherein the proton-sensitive fluorescent substance having a carboxyl group is a fluorescein-based compound.
【請求項3】 前記固定化物質が、アミノ基を持つ化合
物であることを特徴とする、請求項1または2に記載の
pH値測定素子
3. The pH value measuring element according to claim 1, wherein the immobilizing substance is a compound having an amino group.
【請求項4】 前記アミノ基を持つ化合物が、アミド系
化合物、或いはアラミド系化合物であることを特徴とす
る、請求項3に記載のpH値測定素子
4. The pH value measuring device according to claim 3, wherein the compound having an amino group is an amide compound or an aramid compound.
【請求項5】 前記アミド系化合物が、ナイロン6、6
10,或いは66であることを特徴とする、請求項4に
記載のpH値測定素子。
5. The method according to claim 1, wherein the amide compound is nylon 6,6.
The pH value measuring element according to claim 4, wherein the pH value is 10 or 66.
【請求項6】 励起光を放射する光源と、この光源から
の励起光を透過する基板と、この基板上に設けられ、少
なくとも一種のプロトン感受性蛍光物質の少なくともカ
ルボキシル基の一部を、固定化物質と化学結合させ、前
記励起光の下で、pH値に応じて蛍光強度の変化を示す
pH値測定素子を具えた蛍光検知部と、この蛍光検知部
からの出力信号を処理してpH値を指示する信号を出力
する信号処理部と、を具えることを特徴とするpHセン
サ。
6. A light source for emitting excitation light, a substrate transmitting the excitation light from the light source, and at least a part of at least one carboxyl group of at least one proton-sensitive fluorescent substance provided on the substrate. A fluorescent detector having a pH value measuring element showing a change in fluorescence intensity according to the pH value under the excitation light, and processing an output signal from the fluorescent detector under the excitation light to obtain a pH value. And a signal processing unit that outputs a signal indicating the following.
【請求項7】前記蛍光検知部が、前記pH値測定素子、
及び、この素子の上に設けられた、この素子から放射さ
れる蛍光を反射し、外光を遮断すると共にpH値を測定
すべき被検物質を透過する蛍光反射外光遮断層を具える
ことを特徴とする、請求項6に記載のpHセンサ。
7. The method according to claim 7, wherein the fluorescence detecting section comprises:
And a fluorescent reflection external light blocking layer provided on the element, which reflects fluorescence emitted from the element, blocks external light, and transmits a test substance whose pH value is to be measured. The pH sensor according to claim 6, wherein:
【請求項8】 前記光源に、励起用光線を放射するLED
を設けたことを特徴とする、請求項6または7に記載の
pHセンサ。
8. An LED that emits an excitation light beam as the light source
The pH sensor according to claim 6 or 7, further comprising:
【請求項9】 蛍光物質の励起光の波長を中心とする通
過帯域を有するバンドパスフィルタと、このバンドパス
フィルタを透過した励起光を受光するフォトダイオード
と、このフォトダイオードの出力を受け、励起光強度を
一定に保つ光源駆動アンプと、を設けたことを特徴とす
る、請求項6〜8に記載のpHセンサ。
9. A band-pass filter having a pass band centered on the wavelength of the excitation light of the fluorescent substance, a photodiode for receiving the excitation light transmitted through the band-pass filter, and receiving an output of the photodiode for excitation. 9. The pH sensor according to claim 6, further comprising a light source driving amplifier for maintaining a constant light intensity.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2012098242A1 (en) * 2011-01-20 2012-07-26 City University Optical sensor
CN110514652A (en) * 2019-08-28 2019-11-29 京东方科技集团股份有限公司 A kind of PH sensor and preparation method thereof

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