JP2739524B2 - 濃度測定方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、混合溶液中の被測定物
質の濃度を測定する方法に関する。本発明は、例えば、
食品、医薬品、化学品、農業、畜産業、水産業の工程管
理、医療用の各種計測、環境計測等に、また、エタノー
ル等の濃度を測定するバイオセンサ等に利用される。

【０００２】

【従来の技術】従来から、混合溶液中の被測定物質の濃
度を測定する方法としては、電気化学計測法（酵素反
応に伴う被検液の電流又は電圧の変化を測定する方
法）、熱計測法（酵素反応に伴う被検液の温度変化をサ
ーミスタにより測定する方法）等の酵素法、屈折率を
求める屈折法及び比重を測定する比重法等が知られて
いる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前記従来の酵
素法では、酵素の安定性が必ずしも十分ではなく、その
特性の経時的変化、品質の劣化等を生じ易い為、信頼性
の高い測定結果が得られないことがある。また、該酵素
法のうち前記従来の電気化学計測法においては、電磁気
ノイズの影響を受け易く、かつ精密な計測装置が必要と
なるという欠点を有している。更に、前記従来の屈折
法、比重法では、被検液である混合溶液中に被測定物質
以外の成分が共存する場合には適用できないことがあ
る。本発明は、前記問題点を解決するものであり、目的
とする被測定物質の濃度を信頼性よく、正確に、感度よ
く且つ電気ノイズ等の障害も無い濃度測定方法を提供す
ることを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本第１発明に係わる濃度
測定方法は、疎水化処理が行われた多孔質管状体内に水
又は被測定物質が溶解し且つ濃度分布を示す疎水性液を
充填し若しくは流し、該管状体外に水及び水溶性の被測
定物質の混合溶液を流すとともに、前記管状体の一端か
ら光を入射させ、該管状体内部の該水中を透過させて、
他端から射出光を取り出し、その後該射出光のビーム径
変化量、受光量又は集束点の位置を検出して、前記混合
溶液中の被測定物質の濃度により該ビーム径変化量、受
光量又は集束点の位置が異なることを利用して該被測定
物質の濃度を測定することを特徴とする。前記水又は疎
水性液は、通常、管状体内部を流すが、これに限らず、
単に充填し流さずに密封した状態としてもよい。また、
この疎水性液は、被測定物質よりは疎水性を示すもので
あって、被測定物質が拡散、溶解して、且つ濃度分布を
示すものであればよく、例えば、オクタン、シリコンオ
イル等を用いることができる。尚、この、被測定物質
（エタノール等）自体は、濃度分布を示さないので、使
用できない。前記「疎水化処理」は、多孔質管状体に対
して、該管状体外で接する混合溶液より、目的とする被
測定物質を適切に選択しつつ、該菅状体内に透過する機
能を付与するためになされる。この疎水化処理方法は、
所望の疎水性程度を有する物質を多孔質体内に充填、配
置できるものであればよい。例えば、この疎水性付与物
質（固体、液体を問わない。例えば、アルキルシラン）
の所定溶液に浸漬し乾燥する方法、液体の疎水性付与物
質（オクタデセン、シリコーンオイル等）を多孔質内に
含浸処理する方法等を使用できる。また、使用する疎水
性付与物質の疎水性の程度は、水に対して被測定物質を
選択的に管状体内へ溶解等させるものであればよく、被
測定物質の種類、その溶解程度等に応じて種々選択され
る。例えば、被測定物質が、エタノール、メタノール、
プロパノール等の場合は、前記例示した疎水性付与物質
を用いることができる。前記「多孔質管状体」は、管状
体外部の被検液中の被測定物質がその内部に通過するこ
とができるものであればよく、その材質、孔径、気孔率
等は特に問わない。例えば、その材質としては、アルミ
ナ等のセラミックスに限定されることはなく、疎水化処
理が可能である限り、高分子、金属、ガラス等、他の材
質を選択することもできる。また、孔径については、数
十μｍから数Åのものまで広く含まれる。一方、本第２
発明に示すように、この多孔質管状体の代わりに被測定
物質を選択的に拡散、透過させることができる（以下、
「選択透過性」という。）透光性棒状体を用いてもよ
い。例えば、被測定物質がエタノール、メタノール、プ
ロパノール等の場合には、これらの物質の透過性を有す
るシリコンゴム等からなるものを用いることができる。
尚、この棒状体としては、丸棒、角棒等でもよい。

【０００５】また、本第３発明に示すように、前記被測
定物質の水との屈折率（ｎ_D ²⁰）差が０．００２以上で
あるのが好ましい。これが０．００２以上であれば、以
下の実施例の実験結果に示すように、良好な拡散、溶解
後の濃度分布、ひいては屈折率分布を示すと考えられ、
そのため濃度と射出光のビーム径変化量等とに良好な関
係を示すからである。この内、特に０．０２以上の屈折
率差がある場合が好ましい。より一層良好な関係を示
し、正確な濃度測定ができると考えられるからである。
以上より、この被測定物質としては、エタノール、ｎー
プロパノール、２ープロパノール、アセトン又はメチル
エチルケトン等、水との屈折率差の特に大きな物質（各
物質の水との屈折率差は、各々、０．０３、０．０５、
０．０４、０．０３、０．０４である。）を選択するこ
とが特に望ましい。また、メタノール等のように、水と
の屈折率差が０．００２〜０．００４程度の物質でも、
以下の実施例の実験結果（水との屈折率差が０．００２
のメタノール）に示すように、良好な濃度測定が可能で
ある。尚、これらの２成分以上が水に溶解された混合液
としても、適切な検量線を描くことにより、各濃度の測
定ができる。

【０００６】

【作用】以下、本発明の作用を図１に示す装置を用い具
体的に説明する。図１に示すように、多孔質菅状体１
（以下、管状体という。）の内部の水Ａと外部の被検液
Ｂは、疎水化処理された管壁１１により隔てられてい
る。そして、例えば、エタノール等の水溶性の被測定物
質Ｓの水溶液（被検液Ｂ）を流すと、図４に示すよう
に、この被測定物質Ｓは疎水化処理された管状体１の管
壁１１の内部を蒸発拡散、或いは溶解拡散して、菅状体
内の水Ａ内に溶解し、更に該菅状体の中心部へと拡散し
ていく。この場合、管状体１の中心方向に向かって、図
５に示すように、水に溶解する被測定物質Ｓの濃度に差
が生じる。それに起因して、図６中の（イ）又は（ロ）
に示すように、その中心方向に屈折率の分布が生じるこ
ととなる。尚、エタノールの場合は、この図６中の
（ロ）の分布となる。そして、管状体１の一端より水内
へ入射した光は、前記図６中の（イ）の場合（外側寄り
が低屈折率となっている場合）には、図７中の（イ）に
示すように、管状体の中心軸に絞られるように進み、図
６中の（ロ）の場合（外側寄りが高屈折率となっいる場
合）には図７中の（ロ）に示すように、管状体の中心軸
から外側へ広がるように進むこととなる。この結果、光
の入射側の他端側である受光部において、射出光のビー
ム径、エネルギー密度又は収束点の変化が観察されるこ
ととなる。即ち、この変化の程度が被測定物質の濃度に
より異なる。以上より、その変化量と被測定物質の濃度
は一定の関係を示すこととなるので、この変化量を検出
することによりその濃度を測定できる。尚、エタノー
ル、ｎープロパノール等、水との屈折率差の大きい物質
では、射出光のビーム径、エネルギー密度等の変化が顕
著となる。従って、これらの物質の濃度測定には、本発
明が最適となる。しかし、メタノール等のような水との
屈折率差が小さい物質の場合でも、屈折率分布は前記エ
タノール等に比べると小さいが、分子が小さいため、拡
散速度が大きくなり、照射位置（濃度分布の大きな壁に
近い位置等）の検討、更にはビーム径の測定感度の向上
等により、十分な精度をもって濃度測定することは可能
である。

【０００７】

【実施例】以下、実施例により本発明を具体的に説明す
る。 （１）実施例１ 本実施例は、水ーエタノール混合溶液中のエタノール濃
度の測定に関するものである。 装置の概要 以下、本実施例に用いた装置を説明する。この装置は、
図１及び図２に示すように、多孔質管状体１と水導入手
段２と水導出手段３と外枠体４とＨｅ−Ｎｅレーザ５と
検出手段６とを具備する。このうち、多孔質管状体１
は、内径が１．２ｍｍφ、外径２．４ｍｍφ、長さ８６
ｍｍの両端開口の多孔質アルミナ管（気孔率；４５％、
平均気孔径；１．７μｍ）である。そして、この管状体
は、アルキルシランのエタノール水溶液（４０容積％）
に１時間浸漬し、その後自然乾燥することにより疎水化
処理がなされたものである。また、この管状体１の両端
部には、内側に配置される鍔部２１、３１と端部に配置
される石英ガラス窓（光透過窓）２３、３３とその間に
配置される筒部２２、３２とこの筒部２２、３２の側部
に取りつけられる水導入口２４又は水導出口３４とから
なる水導入手段２又は水導出手段３が、取付けられてい
る。水Ａは、ポンプＰ₂ （図２）を介して、水導入口２
４に入り、水導出口３４から出る構成となっている。
尚、水の導入、導出は上記と逆にしてもよい。外枠体４
は、アクリル樹脂管からなり、その一端に被検液導入口
４１、その他端に被検液導出口４２を有する。その内部
には管状体１が配置されている。更に、この外枠体４の
内側及び外側には、多孔質ポリエチレン製の断熱材８１
が配設されている。以上の管状体１、水導入手段２、水
導出手段３、外枠体４及び断熱材８１を組合せて、図１
に示すようなモジュールＭを作製した。尚、このモジュ
ールＭは２２℃に保持されている。更に、これに図２に
示すようにレーザ装置５、光ビ−ムの検出手段６、ポン
プＰ₁ 等を組み合わせて、本実施例に用いた装置を作製
した。以上より、水Ａ若しくは被検液Ｂの導入、導出、
更には光の導入、取り出しを行えるようにした。尚、レ
ーザ装置５は、波長５４３ｎｍ、出力１ｍｗ、ビ−ム径
０．７ｍｍのＨｅ−Ｎｅレ−ザを出力し、この出力され
たレ−ザビ−ムは光透過窓２３に導かれる。また、検出
手段６は、他方の光透過窓３３から放射されるレ−ザビ
−ムを分析する装置（レーザビームアナライザ）であ
る。この分析手段としては、光透過窓３３から所定距離
の位置でのレ−ザビ−ムのビ−ム径の検出、エネルギ−
密度の検出又はレ−ザビ−ムの焦点位置の検出の各手段
を採ることができるが、本実施例では、ビーム径の検出
手段とした。 測定方法 前記装置を用いて、以下のように被測定物質の濃度測定
を実施した。菅状体１の内部には、予め純水Ａをポンプ
Ｐ₂ により満たしておく。一方、菅状体１の外側には、
ポンプＰ₁ により、純水を毎分１．０ｍｌの流量で供給
する。更に、種々の濃度の被検液Ｂ（被測定物質はエタ
ノール）５ｍｌを被検液注入口７に注ぎ、コック〜
の切替えにより、ポンプＰ₁ の流路系にはめ込み、更
に、被検液導入口４１よりモジュールＭ内へと送入し、
各濃度毎のビーム径を測定し、これよりビーム径の変化
量を算出した。この結果を図３に示す。但し、ポンプＰ
₁ を用い、純水を１．０ｍｌ／分にて定常的にモジュー
ルに流している状態での射出ビーム径は、８９２μｍで
あった。 評価 図３によれば、エタノールの濃度変化に対するビーム径
の変化は、極めて顕著に表われている。従って、極めて
正確にエタノールのビーム径変化を読み取ることができ
る。即ち、未知の濃度の混合溶液のビーム径を同条件下
にて測定した値（検量線）と比較すれば、容易に、正確
に且つ感度よく、未知のエタノール濃度を測定できるこ
ととなる。

【０００８】 （２）実施例２ 本実施例では、エタノールの代わりにメタノールを被測
定物質としたこと以外は、実施例と同様な測定装置、測
定方法にて測定を行った。本実施例においても、メタノ
ール濃度とビーム径の関係を調べ、その結果を図９に示
す。図９によれば、前記図３に示すエタノールの場合と
ほぼ同等のビーム径（感度）を示したので、エタノール
と同様に正確にメタノール濃度を測定できる。このよう
に感度よく測定できたのは、水−メタノール系の特異な
屈折率カーブ及びメタノールの速い拡散速度のためと考
えられる。尚、図８は、横軸には被検液をなすメタノー
ルと水の重量比を（メタノールの重量）／（メタノール
と水の重量の和）として示し、また縦軸に被検液の屈折
率（ｎ_D ²⁰）を示すグラフである。同図によれば、メタ
ノールの濃度変化に対応し、この比が０．５〜０．６に
ピークを示す屈折率分布を示し、各純物質の屈折率（メ
タノール；１．３２３、水；１．３２８）差よりも、殆
どの領域でその差が大きくなっている。このように、混
合溶液にするとその差が大きくなることも、正確な測定
ができた１つの要因と考えられる。

【０００９】尚、本発明においては、前記具体的実施例
に示すものに限られず、目的、用途に応じて本発明の範
囲内で種々変更した実施例とすることができる。即ち、
本実施例で用いた多孔質管状体を配置した装置の代わり
に、選択透過性を有する透光性棒状体を配置した装置を
用いてもよい。また、本実施例においては、射出光のビ
ーム径変化量を検出することにより、濃度測定を行った
が、受光量又は集束点の位置を検出しても正確な濃度測
定をすることができる。また、前記モジュールの大き
さ、長さ、全体形状等、更には管状体の大きさ、長さ、
断面形状、材質等は、目的、用途により種々のものを選
択することができる。例えば、その全体形状も直管状で
なく曲管状であってもよいし、その横断面形状も通常は
真円であるが四角、六角、楕円等とすることもでき、更
にはハニカム状又は蓮根状のように複数の流路孔を有し
てもよい。また、光ファイバーケーブルを活用すれば、
モジュール、光源部等を離隔することも容易になり遠隔
計測、遠隔制御等への適応性も高い。この場合、光ファ
イバをその両方又はその一方に配置してもよく、更に、
この光ファイバを直接に管状体に取りつけた構成として
もよいし、更には素子を直接取りつけた構成としてもよ
い。光ファイバの長さ、太さ、材質、形態、取付け位置
等も種々選択でき、例えば材質は樹脂に限らずガラスで
もよい。更に、被測定物質は、液体のみならず、気体を
使用することもできる。

【００１０】

【発明の効果】本発明に係わる濃度測定方法によれば、
目的とする被測定物質の濃度を信頼性よく、正確に、感
度よく且つ簡便に測定することができる。また、本方法
によれば、不安定な酵素を用いずに醗酵プロセス、醸造
品等の計測ができるので、その測定、計測の耐久性、信
頼性が著しく向上する。更に、本方法は光学的方式を用
いているので、電磁気ノイズに影響されず、安定した濃
度測定もできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例で用いたモジュールの説明断面図であ
る。

【図２】実施例の濃度測定装置の概略図である。

【図３】実施例１において被測定物質の濃度とレ−ザビ
−ム径の変化量との関係を示すグラフである。

【図４】実施例１において被測定物質が管状体内の水中
に溶解、拡散していく様子を示す説明縦断面図である。

【図５】実施例１において管状体の中心方向（半径方
向）に生じた濃度分布を示す説明図である。

【図６】実施例１において管状体の半径方向に生じた屈
折率分布を示す説明図で、同図中の（イ）は凸型分布
を、同図中の（ロ）は凹型分布を示す。

【図７】実施例１において屈折率分布と管状体を通過す
るレーザビームの屈折状態との関係を示す説明図であ
る。

【図８】実施例２においてメタノール／（メタノールと
水）の重量比と、被検液の屈折率との関係を示すグラフ
である。

【図９】実施例２において被測定物質の濃度とレ−ザビ
−ム径の変化量との関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１；多孔質管状体、１１；管壁、２；水導入手段、２
１、３１；鍔部、２２、３２；筒部、２３、３３；光透
過窓、２４；水導入口、３；水導出手段、３４；水導出
口、４；外枠体、４１、４２；導出口、５；レーザ装
置、６；ビーム径検出装置、７；注入口、８１；断熱
材、８２；樹脂管、 Ａ；純水、Ｂ；被検液、Ｓ；被測
定物質、Ｐ₁ 、Ｐ₂ ；ポンプ、Ｍ；モジュール。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−247561（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−32747（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−295448（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−111232（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−32747（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−24441（ＪＰ，Ａ)

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 疎水化処理が行われた多孔質管状体内に
   水又は被測定物質が溶解し且つ濃度分布を示す疎水性液
   を充填し若しくは流し、該管状体外に水及び水溶性の被
   測定物質の混合溶液を流すとともに、 前記管状体の一端から光を入射させ、該管状体内部の該
   水中を透過させて、他端から射出光を取り出し、その後
   該射出光のビーム径変化量、受光量又は集束点の位置を
   検出して、前記混合溶液中の被測定物質の濃度により該
   ビーム径変化量、受光量又は集束点の位置が異なること
   を利用して該被測定物質の濃度を測定することを特徴と
   する濃度測定方法。
2. 【請求項２】 被測定物質を選択的に拡散、透過させる
   透光性棒状体を配置し、該棒状体外に水及び水溶性の被
   測定物質の混合溶液を流し、該棒状体内に該測定物質を
   拡散させるとともに、 前記棒状体の一端から光を入射させ、該棒状体内部を透
   過させて、他端から射出光を取り出し、その後該射出光
   のビーム径変化量、受光量又は集束点の位置を検出し
   て、前記混合溶液中の被測定物質の濃度により該ビーム
   径変化量、受光量又は集束点の位置が異なることを利用
   して該被測定物質の濃度を測定することを特徴とする濃
   度測定方法。
3. 【請求項３】 前記被測定物質の水との屈折率
   （ｎ_D ²⁰）差が０．００２以上である請求項１又は２記
   載の濃度測定方法。
4. 【請求項４】 前記被測定物質は、エタノール、メタノ
   ール、ｎープロパノール、２ープロパノール、アセトン
   又はメチルエチルケトンである請求項１又は２記載の濃
   度測定方法。