JP2966874B2 - 被試験用膜の物質透過性能を評価する方法および装置 - Google Patents

被試験用膜の物質透過性能を評価する方法および装置

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は被試験用膜の物質透過性能を評価する方法お
よび装置に関するものである。
〔従来の技術〕
膜の物質透過制御は化学工業、医薬品工業等における
基本技術の一つであり、目的に合致した最適の膜の設計
は、この技術の使用に際して不可欠の課題である。
膜の物質透過性を評価する方法には、ガスクロマトグ
ラフィーによる分析、透過気体の体積測定、透過水分に
より変化する乾燥剤の重量測定等がある。また、色素を
透過させて色素の吸光度や蛍光強度を測定する方法もあ
り、電解質のものを透過させて液抵抗の変化により微量
の透過量を測定する方法もある。しかしながら、従来の
これらの方法はいずれも一定時間内の透過総量を定量す
るものであるので、微小時間の膜の透過性能を評価する
ことはできない。また、膜の欠陥、ピンホールあるいは
均一性などの二次元的情報を入手したくても、上記方法
では全く無力であった。
そこで本発明者らは、微小時間の膜の透過性能を実時
間で測定でき、かつ、膜の二次元的情報をも測定する方
法として、先に化学発光を利用する方法を提案した(特
開昭63−133039号、特開平1−307635号)。この方法
は、膜を介して2種類以上の物質を配置し、一方の物質
が膜に浸透、透過して他方の物質と混合したときの発光
を、光検出器で計測することを基本とする。この方法に
よれば、微小時間単位で透過性能を評価できるだけでな
く、二次元情報も得ることができる。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかし、上記先願の方法では、双方の物質の反応生成
物自体の発光性を利用することを原理としている関係
上、化学発光に結びつけられない多様な物質について
は、膜の透過性能を評価することができない。
したがって本発明は、化学発光に結びつけられない多
様な物質について膜の透過性能を評価でき、しかも高感
度かつ迅速に膜の物質透過性能を評価することのできる
方法および装置を提供することを目的としている。
〔課題を解決するための手段〕
そのために本発明に係る被試験用膜の物質透過性能を
評価する方法は、第1の物質と、これと反応したとき励
起光照射下で光を生成する第2の物質とを、被試験用膜
を介して対向させて配置し、その膜の第1の物質側の界
面または第2の物質側の界面に第1の物質、第2の物質
および反応生成物の蛍光励起スペクトルを考慮して紫外
光、可視光または近赤外光からなる励起光を照射し、第
1の物質あるいは第2の物質が膜を透過する前と後の発
光を第1の物質、第2の物質および反応生成物の蛍光ス
ペクトルを考慮して光検出器により計測し、膜透過前後
の発光の差から被試験用膜の物質透過性能を評価するこ
とを特徴とするものである。また、本発明に係る被試験
用膜の物質透過性能を評価する装置は、(1)第1の物
質と、第1の物質と反応し、その反応生成物が励起光の
照射下で光を生成する性質をもった第2の物質を、被試
験用膜を介して対向させて配置する測定用セルと、
(2)被試験用膜の界面に紫外光、可視光あるいは近赤
外光からなる励起光を照射する励起光照射手段と、
(3)第1あるいは第2の物質の被試験用膜透過前およ
び透過後の発光を計測する光検出器と、(4)当該膜透
過前後の発光の差を算出する演算手段と、を備えること
を特徴とするものである。
具体的には、例えば膜のイオン透過性能(一例として
カルシウムイオン透過の場合)を評価するときには、次
のようにする。第1の物質としてフラー2(fura−2)
と称される蛍光色素を用い、第2の物質としてカルシウ
ムイオン源である炭酸カルシウムを用いる。被試験用薄
膜を介して第1および第2の物質を溶解させた水溶液を
対向させて配置し、膜のフラー2側の界面に紫外光を照
射する。そして、カルシウムイオンが膜を透過する前と
後の蛍光を高感度イメージングカメラにより計測し、膜
透過前後の発光の差から被試験用膜のカルシウム透過性
能を評価する。
〔作用〕
本発明によれば、第1の物質もしくは第2の物質の一
方が被試験用膜を透過すると、双方の物質により双方の
物質とは異なる蛍光励起スペクトルあるいは蛍光スペク
トルをもった反応生成物が界面に現れる。このとき、上
記界面には励起光が照射されているので、螢光等によっ
て光が生成され、このため膜透過の前後で検出光が異な
る。従って、透過性能をこれら検出光により評価でき
る。
〔実施例〕
以下、本発明の実施例を説明する。まず、本発明に係
る被試験用膜の物質透過性能を評価する装置について第
1図および第2図を参照しながら説明する。
第1図は実施例に適用可能な2つの治具の断面図であ
る。同図(a)に示す通り、ガラス製の容器(測定用セ
ル)1には、第2の物質であるカルシウムイオンを含ん
だ溶液として、例えばCaCO3水溶液からなる透過物質溶
液2が満たされている。そして、透過物質溶液2の上面
は例えばポリ塩化ビニリデンからなる被試験用膜3で覆
われている。さらに、被試験用膜3の上には、第1の物
質である螢光試薬4が垂らして広げられ、その上にカバ
ーグラス5が載せられている。なお、励起光はカバーグ
ラス5側から照射され、螢光は上方の光検出器(図示せ
ず)で検出される。
第1図(b)は治具の他の例を示している。中央に貫
通孔の形成されたスライドグラス6の下側には、ワセリ
ン7によってカバーグラス5が固着され、その上が螢光
試薬4によって満たされている。そして、螢光試薬4の
上面は被試験用膜3によって覆われ、その上には透過物
質溶液2が垂らして広げられている。なお、励起光はカ
バーグラス5側から照射され、螢光は下方の光検出器で
検出される。
上記の治具は、正立型顕微鏡や倒立型顕微鏡にセット
されるが、その一例として倒立型螢光顕微鏡を第2図に
示す。図示の通り、水銀灯などからなる光源11からの光
は、コンデンサーレンズ12を介して励起フィルタ13に照
射される。ここで、励起光として適切な波長成分のみが
透過され、ダイクロイックミラー(DM)で反射された励
起光は対物レンズ14を介して試験用治具15に照射され
る。これによって生成された螢光は、再び対物レンズ14
を通ってDMを透過し、更に所定波長の光のみ透過する吸
収フィルタ16を通って接眼レンズ17を透過し、光検出器
18に検出される。この検出光は光電変換され、電気信号
(検出信号)として出力される。この検出信号は図示し
ないフレームメモリに記憶され、減算等の処理がされ
る。
上記のような装置を用いると、膜透過の前後の光を共
に光検出器18で検出できる。このとき、検出感度を高め
るときには光検出器18として光電子増倍管が用いられ、
螢光が赤外線であるときは赤外センサーが用いられる。
また、一次元あるい二次元の透過性能を評価するときに
は、それぞれ一次元センサーあるいは二次元センサーが
用いられる。また、膜透過により生成される反応生成物
の拡散が非常に遅い場合には、焦点面前後の蛍光を充分
除去できるコンフォーカル蛍光レーザ走査顕微鏡が用い
られる。
次に、具体的な実施例を説明する。
被試験用薄膜として、ポリ塩化ビニリデン薄膜(厚さ
10μm)を用い、その一ヵ所をKr F(Ne Buffer)エキ
シマレーザー光(20KV;248nm)により、約100μmスポ
ット径でUV25カットオフフィルター(透過率35%[248n
m])を通して光ダメージを与え、その光ダメージがカ
ルシウムイオンの膜透過に及ぼす影響を調べた。なお、
0.1mMの炭酸カルシウムをカルシウムイオン源とし、3mM
のフラー2を蛍光色素として用い、第1図(a)のよう
な配置で正立顕微鏡(図示せず)を用いて測定した。
まず、炭酸カルシウム水溶液2mlを測定用セル(容器
1)に採取し、その上に被試験用薄膜をはった後、フラ
ー2水溶液50μを薄膜上に滴下して広げた。最初に、
カルシウムイオンが透過してくる前にフラー2のみの蛍
光像を測定した。このときの励起光の波長は、カルシウ
ムイオンの膜透過後、生成するフラー2・カルシウム錯
体の蛍光励起スペクトルのピーク波長を考慮して340nm
である。次に、カルシウムイオンが膜を透過しはじめる
と、カルシウムイオンがフラー2と錯体を膜のフラー2
側の界面に生成する。この錯体はフラー2とは異なる蛍
光特性を持ち、蛍光励起スペクトルのピークが波長340n
mにある(第3図)。したがって、カルシウムイオンが
透過しはじめた時の像も、波長340nmの光照射により得
た。
このようにして、カルシウムイオンが膜を透過する前
の遊離したフラー2の蛍光像を、イメージカメラで撮像
して第1のフレームメモリ(図示せず)に記憶し、また
カルシウムイオンが膜を透過しはじめた結果としてはじ
めて生成するカルシウムイオンと錯体化したフラー2の
蛍光像を、同じイメージングカメラで撮像して別のフレ
ームメモリ(第2のフレームメモリ)に記憶した。この
第2のフレームメモリの蛍光像は、一部、遊離したフラ
ー2の蛍光を含んでいるが、第2のフレームメモリの螢
光像から第1のフレームメモリの蛍光像を画像解析装置
により減算することによって、バックグラウンドとなっ
ている遊離したフラー2の蛍光像を除去し、正味の錯体
化したフラー2の蛍光像を得ることができた。また、同
様にして機械的ダメージを与えたポリ塩化ビニリデン膜
の傷についても、本発明方法により蛍光像を得ることが
できた。第4図(a)にスポット状の光ダメージを評価
したときの螢光像を斜線で示し、同図(b)に直線状の
機械的ダメージを評価したときの螢光像を斜線で示す。
本発明については、各種の変形態様が可能である。
たとえば、フラー2以外にも、クイン−2(Quin−
2)やインド−1(Indo−1)などの蛍光色素もカルシ
ウムイオンの透過測定において、それぞれの色素の蛍光
特性を生かして適切に照射する光の波長を選択すること
により使用可能である。カルシウムイオン以外にも、蛍
光色素と錯体化することによって蛍光特性が変化するマ
グネシウムイオン、ナトリウムイオン、プロトンなども
同様にして測定できる。
〔発明の効果〕
本発明によれば、第1の物質もしくは第2の物質の一
方が被試験用膜を透過すると、双方の物質により第1の
物質あるいは第2の物質と蛍光励起スペクトルあるいは
蛍光スペクトルの異なる反応生成物が界面に現れる。こ
のとき、上記界面には励起光が照射されているので、螢
光等によって光が生成され、このため膜透過の前後で検
出光が異なるので、透過性能をこれら検出光により評価
できる。
本発明により、極めて多様な物質の膜透過を、実時間
でしかも二次元的情報をも含めて高感度かつ迅速に計測
することができる。特に、イオンの二次元的透過性能は
本発明の膜評価の方法および装置なしでは決して得られ
ないものであり、しかも、イオン自身は通常、膜構成物
質と化学反応することはなく、何ら障害にならないとい
う利点を兼ね備えており、逆浸透膜のような極めて小さ
な分子を分離する膜にとっては、非常に有効である。
なお、一般に蛍光法では、測定系すべてのいわゆるバ
ックグラウンド蛍光が非常に大きな問題となるが、物質
の膜透過前の蛍光の中にバックグラウンド蛍光が含まれ
てしまう。そこで、膜透過前の蛍光のバッググラウンド
を極力小さくするために第1の物質、第2の物質および
膜透過後に生成する反応生成物の蛍光励起スペクトル、
蛍光スペクトルを充分考慮して励起光および蛍光を波長
選択し、さらに物質の膜透過の前後でバックブラウンド
が変化しないことを条件として、膜透過前後で減算をす
ることにより、バンクグラウンドを除去できるという効
果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の実施例に適用可能な治具の構成図、第
2図は倒立型顕微鏡の構成図、第3図はフラー2の励起
スペクトルを示す図、第4図は評価の結果を模式的に示
す図である。 1……容器、2……透過物質溶液、3……被試験用膜、
4……螢光試薬、5……カバーグラス、6……スライド
グラス、7……ワセリン、11……光源、12……コンデン
サーレンズ、13……励起フィルタ、14……対物レンズ、
15……試験用治具、16……吸収フィルタ、17……接眼レ
ンズ、18……光検出器。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 村木 広次 静岡県浜松市市野町1126番地の1 浜松 ホトニクス株式会社内 (72)発明者 伊藤 利昭 静岡県浜松市市野町1126番地の1 浜松 ホトニクス株式会社内 (72)発明者 藤坂 紳一 静岡県浜松市市野町1126番地の1 浜松 ホトニクス株式会社内 (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01N 15/08 G01N 13/00 - 13/04 G01N 21/64

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】第1の物質と、前記第1の物質と反応し、
    その反応生成物が励起光の照射下で光を生成する性質を
    もった第2の物質を、被試験用膜を介して対向させて配
    置し、前記被試験用膜の界面に紫外光、可視光あるいは
    近赤外光からなる前記励起光を照射し、前記第1あるい
    は第2の物質の前記被試験用膜透過前および透過後の発
    光を光検出器により計測し、当該膜透過前後の発光の差
    から被試験用膜の物質透過性能を評価する方法。
  2. 【請求項2】前記第1あるいは第2の物質と前記反応生
    成物の蛍光励起スペクトルあるいは蛍光スペクトルが異
    なることを特徴とする請求項1記載の被試験用膜の物質
    透過性能を評価する方法。
  3. 【請求項3】前記第1の物質が蛍光色素を含有する溶液
    であり、前記第2の物質がイオンを含む溶液であり、発
    光を検出すべき前記被試験用膜の界面が当該被試験用膜
    の第1の物質側である請求項1記載の被試験用膜の物質
    透過性能を評価する方法。
  4. 【請求項4】前記光検出器が、光電子増倍管、赤外セン
    サー、一次元センサー、二次元センサーもしくはコンフ
    ォーカル蛍光レーザ走査顕微鏡である請求項1乃至請求
    項3の何れか1項に記載の被試験用膜の物質透過性能を
    評価する方法。
  5. 【請求項5】第1の物質と、前記第1の物質と反応し、
    その反応生成物が励起光の照射下で光を生成する性質を
    もった第2の物質を、被試験用膜を介して対向させて配
    置する測定用セルと、 前記被試験用膜の界面に紫外光、可視光あるいは近赤外
    光からなる前記励起光を照射する励起光照射手段と、 前記第1あるいは第2の物質の前記被試験用膜透過前お
    よび透過後の発光を計測する光検出器と、 当該膜透過前後の発光の差を算出する演算手段と、 を備えることを特徴とする被試験用膜の物質透過性能を
    評価する装置。
  6. 【請求項6】前記第1あるいは第2の物質と前記反応生
    成物の蛍光励起スペクトルあるいは蛍光スペクトルが異
    なることを特徴とする請求項5記載の被試験用膜の物質
    透過性能を評価する装置。
  7. 【請求項7】前記第1の物質が蛍光色素を含有する溶液
    であり、前記第2の物質がイオンを含む溶液であり、発
    光を検出すべき前記被試験用膜の界面が当該被試験用膜
    の第1の物質側である請求項5記載の被試験用膜の物質
    透過性能を評価する装置。
  8. 【請求項8】前記光検出器が、光電子増倍管、赤外セン
    サー、一次元センサー、二次元センサーもしくはコンフ
    ォーカル蛍光レーザ走査顕微鏡である請求項5乃至請求
    項7の何れか1項に記載の被試験用膜の物質透過性能を
    評価する装置。
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