JP3025015B2 - 流体媒体分析装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、流体媒体は、特に液体を分析する装置に関
する。

背景技術 流体分析器が、下水の処理のような化学的又は生物学
的なプロセスを制御するために用いられる。廃水処理プ
ラントからの流出液には、窒素塩やホスフェートなどの
養分塩が含まれており、この養分塩の濃度を低下させる
ことが望まれている。プラントを生物学的なプロセスを
用いて適性に制御することが要望されている。このた
め、生物学的プロセスに影響を与える廃水中のホスフェ
ート、硝酸塩及びアンモニウムの量を測定することがで
きれば、有効である。

多くの特許が、種々の被分析物質の存在を分析するた
めに流体特に液体を分析することを取り扱っている。こ
れらの特許による測定方法は、以下の３つのグループに
分けられる。

（１） サンプルが断続的にフィルターにかけられ分析
される（第１のグループ）。

（２） サンプルが、多量の処理液体から連続的に吸い
上げられ、フィルターにかけられ、その後、通常の間隔
で自動的に分析される（第２のグループ）。

（３） 現場で実施される方法である。サンプリングと
分析を行う装置が、分析されるべき媒体の中に一部分又
は前部が浸されているか、若しくは、サンプリングは直
接行われ、分析はそのプロセスに非常に近い場所で行わ
れ、サンプリングと分析結果の解析が、プロセスをリア
ルタイムで制御できるほど短い（第３のグループ）。

プロセス制御の分野で用いられる分析システムは、流
体媒体のホスフェートの量が突然に増大したような場
合、使用者が直ちに予防措置が取れるようなものである
必要がある。第１グループにおける分析方法は、広く実
験室で行われており、そのため、サンプルの収集から実
際の分析まで時間が遅れることになる。さらに、サンプ
ル水が分光測定により分析されることが多いため、サン
プル液内の連続的な生物学的活動により特性が減少し、
そのため、長距離移動することにより問題が生じる。サ
ンプル液が採取場所から実験室まで短時間で輸送された
場合でも、分析結果は、サンプル液体の濁りにより、い
くらか不明瞭となる。

上述の第２のグループは、イオン選択性電極、不連続
（segmented）流れ分析（SFA）と共に、UV測定を含む。
いわゆる流れ噴射分析（flow injection analysis）（F
IA）は、第１のグループと同様に第２のグループにも属
する。

不連続流れ分析（SFA）は、最初に、米国特許第2,79
7,149号明細書及び同第2,879,141号明細書に開示され、
この原理は、分析されるべきサンプルが互いに空気で分
離されていることにある。この技術の改良が、流体処理
システムであり、米国特許第4,853,336号明細書に開示
されている。このシステムは、連続流れ分析器におい
て、サンプル液と試薬や希釈剤などの予め分離された処
理液とを混合するのに特に有用である。このシステムに
より、試薬や希釈剤などとサンプルとの混合のような異
なる成分の分析混合物の混合をオンラインで遅らせて行
うことができ、同様に、単一の導管でそのような成分の
混合と反応をオンラインで遅らせて行うことができる。

上述のFIAの原理は、米国特許第4,022,575号明細書及
び同第4,224,033号明細書に開示されている。計量され
たサンプルが、移動液体運搬流れ内に導入され、画定さ
れたゾーンを構成し、そのゾーンの体積と形状は、厳密
に再生産可能である。その運搬流れのサンプルゾーン
は、分析モジュールを介して移動させられ、さらに、適
当な分析セル内で分析される。FIAにおいて、サンプル
を、所定の量だけ直接的に導入することができ、バルブ
を用いてもよく、即ち、米国特許第4,177,677号明細書
に記載されているような電磁弁のシステムを使用するこ
ともできる。

流れ噴射分析（flow injection analysis）（FIA）で
は、サンプル容積を、非常に正確に測定する必要があ
る。この問題点が、既に公開された欧州特許出願明細書
EP 107 631に示されている。この明細書には、流れ分析
のための一体化された微小導管が記載され、ここで、微
小なチャネルのシステムが一体構造に形成されている。
チャネルセクションは、複数の流路間で切り換え可能な
ように設計され、これにより、サンプル流れに切り換え
た間にサンプルを切り換え可能なチャネルセクションに
導入することによりサンプル容積の測定が可能となり、
その後、チャネルセクションを分析流れに切り換え、バ
ッチプロセスにより、サンプル容積を処理することが可
能となる。

第３のグループに属する装置の一例として、組成物内
の物質の比例量の直接測定のための、ポーラグラフィー
・セル、いわゆるクラーク・セル（Clark Cell）があ
る。これは、米国特許第2,913,386号明細書に開示され
ている。セルは、膜で覆われたキャビィティーを備えた
チューブ状本体を有し、この本体において、アノードと
カソードが所定の関係で配置されている。キャビィティ
ーは、電解液により満たされている。電極間の空間によ
り、ブリッジが形成され、このブリッジを通って、イオ
ンが、化学反応が電極で生じている間に移動する。電解
液は、化学反応により消費され、頻繁に取り替える必要
がある。セルは、例えば、液体、気体又は固体の酸素、
SO₂又はCO₂を判定するのに適している。

第３のグループに属する他の例は、APP（Automatic P
ump Photometer）と呼ばれる分析装置であり、ME Meere
stechnik−Elektronik GmbHにより製造され、ドイツ特
許DE C1 38 22 788に開示されている。この装置は、現
地で水中で使用されるように設計されており、サンプル
を採取し、サンプルを直接分析し、さらに、測定結果を
記憶する。このAPP分析装置は、相対的に短い間隔（10
〜30分）で与えられた物質の濃度の変化を分析すること
ができ、ここで、分析可能な物質は、アンモニウム、ニ
トレート、ニトリット、ホスフェート、シリケート、硫
化物、シアン化物及び重金属等である。このAPP分析装
置の中央部には、往復ポンプがあり、このポンプは、反
応セルとキュベットとして機能し、試薬と共にサンプル
を吸引する。液体は、分配バルブを通過し、この分配バ
ルブが液体のための異なるダクトを開閉し、さらに、混
合工程の連続性を決定する。各測定が終わる毎に、サン
プルと試薬の混合物が装置から排出される。

このAPP分析装置は、システム内にサンプルを抜き取
るようにしたものであるが、細菌を排除する濾過ユニッ
トを備えていない。そのため、分析装置内部で細菌が成
長する危険がある。この細菌の成長による生化学的活動
により、被分析物質の濃度が外部の濃度と比較して異な
ることになる。サンプルは、正確に分析する必要がある
が、ポンプ、反応セル及びキュベットを用いたのではそ
れは相当難しい。最も早い間隔（10〜30分）で相当多量
の試薬を消費することにより、試薬の交換に約１週間の
時間がかかる。使用される試薬の幾つかは、毒性があ
り、分析後にそのようなサンプルと試液の混合物を排出
することは、その後の測定の正確性だけでなく、周囲の
環境にも有害となる。

発明の開示 本発明は、透析器のタイプの装置に係わる。この透析
器のタイプの装置は、膜により閉じられる開口部を有す
る液密ハウジングであって、この膜が第１及び第２主要
面を有し且つこれらの面間をイオンと分子が通過し、膜
の第１主要面が流体媒体と接触する液密ハウジングを有
し、更に、膜に装着されハウジングに設けられたチャネ
ル形成手段であって、このチャネル形成手段が、膜の第
２主要面及びそれ自身により設定される少なくとも１つ
の流れチャネルを形成するチャネル形成手段とを有す
る。

このような装置は、オーストリア特許AT 355 546によ
り知られている。この特許には、醗酵タンク、化学反応
器等において用いられる殺菌透析器が示されている。こ
の透析器は、透析膜に覆われた透析ヘッドを備えてお
り、このヘッドがタンク若しくは反応器の壁の開口部に
装着されるようになっている。供給ラインや排出ライン
を介して、適当なバッファ溶液が膜の裏面側に沿って供
給され、このとき、タンクや反応器内の液体は、膜の前
面側に接触する。液体内の透析可能な物質は、膜を通っ
てバッファ溶液に透析され、排出ラインに沿って外部の
解析装置やシステムへ運搬される。

請求項１に記載された発明においては、完全に機能的
な分析ユニットは分析器の液密ハウジング内に収納され
る。本発明は、このように、自己収納ユニットを提供
し、自己収納ユニットが、運搬液溜めと、流れチャネル
を通る運搬液の流れを発生させ且つイオンと分子が膜を
通って液体媒体と運搬液との間を移動できるようにする
運搬液用ポンプ手段を含む。この結果、運搬液の流れが
サンプル液の流れに変化し、このサンプル液の流れは、
反応チャネル内に受け入れられる。少なくとも１つの試
薬溜めから薬液の流れが、少なくとも１つの試薬液用ポ
ンプにより、反応チャネルへ送り出され、さらに、分析
装置が、反応チャネルに接続され、反応生成物質を分析
すると共に対応する分析信号を発生させる。反応チャネ
ルからの液体が廃水溜めに受け入れられる。

本発明の説明において、“サンプル液”は、透析プロ
セスから結果的に得られ液体を示す。本発明における
“サンプル液”は、膜を介したイオンと分子の交換によ
り作られ、即ち、イオンと分子は、分析されるべき流体
媒体とサンプル液に変わる運搬液との間で、交換され
る。このように、本発明における“サンプル液”は、分
析されるべき流体媒体の一部を単に示す化学分野におけ
る通常の用法と少し異なっている。

本発明は、従来技術の持つ問題点を避けるか若しくは
少なくするようにしたものである。特に、透析プロセス
の際、環境汚染のリスクを少なくすると共に分析装置の
内部汚染のリスクを少なくする。分析の際に消費され生
成される全流体は、ハンジング内の溜めに収納され保持
される。汚染粒子である汚染菌が吸い込まれことがな
く、それにより、測定に支障をきたすような目詰まりを
起こすこともない。

本発明による装置は、分析ユニットが透析ハウジング
内に位置しており、即ち、分析ユニットが透析による実
際のサンプリングが行われる場所に非常に近いので、分
析されるべき組成物における変化に非常に素早く反応す
る。装置全体が、分析されるべき流体内に浸される。反
応と分析がその場で行われ、さらに、検出結果を示す検
出信号を発生させる。この信号は、ハウジング内で記録
可能であり、この記憶された信号は、その後の、モニタ
ーに使われたり、又は、プロセス制御における記録や処
理のために、ハウジングの外から遠隔地へ信号を伝達す
ることも可能である。

請求項２に記載された形態は、プロセス制御の分野で
特に有用である。長い期間にわたり何時でも反応生成物
の有効な分析が可能となれば、直接プロセス制御が許容
される。較正や洗浄の操作がときには必要となるが、較
正のための間隔と清浄のための間隔は、１時間以上であ
る。測定と測定との間のデットタイムは、短くされ、さ
らに、モニターされる被分析物質の濃度の変化は、最少
の時間遅れで検出される。分析即ちサンプル周期は、被
分析物資の濃度における変化速度に適合させることもで
きる。

この本発明の形態は、SFAやFIAのようなバッチを用い
る方法とは、異なる。即ち、このバッチを用いる方法に
おいては、分析可能な反応生成物は、バッチにより分析
装置に到着し、各バッチは、空気又は反応生成物を含ま
ない運搬液により互いに分離されている。公知の方法に
おいて、分析装置の出力信号即ち検査結果は、ピークで
ある測定フェーズの形態を取る。このピークは、反応生
成物のゾーンが分析装置を通過するとき発生し、さら
に、空気又は反応生成物を含まない運搬液が分析装置を
通過するときに谷間であるデッドタイム・フェーズによ
り分離される。分析は、反応生成物の通路と同期してい
なければならず、さらにタイミングの制限を避けること
ができない。一方、請求項２による方法及び装置におい
ては、ピーク又は谷間、即ち、測定フェース又はデット
タイム・フェーズのいずれもが、実質的に観測されず、
分析装置での搬送生成物の流れは、連続的であり、更
に、分析が、長い期間の間の任期の時に行うことが可能
である。換言すれば、測定（分析）の繰り返し速度は、
任意に増大させることができ、サンプルを取り扱う流れ
システムではなく分析装置を操作する際にある種の制限
が生じる。これは、分析装置のA/D変換器の繰り返し速
度に制限がある場合である。

一方、上述した時間間隔は、大規模な化学的若しくは
生物学的なプロセスにおける被分析物質の濃度が実質的
に変化する時間間隔（即ち、数分から数時間）と少なく
とも同じオーダーの大きさと比較できる程度長い。即
ち、時間間隔は、モニター即ち測定されるべき被分析物
質の濃度における変化の時間定数と同じ程度長いとする
ことができる。被分析物質の濃度におけるこのような大
きな変化が、連続的に、モニータ即ち測定されることが
可能となる。

本発明の装置によれば、実際上、測定と測定との間の
デッドタイムを省略することができ、さらに、膜でのサ
ンプリングと分析装置での測定との間の時間遅れを小さ
くすることができる。唯一の遅れは、被分析物質のイオ
ンと分子が流れシステムを通って移動しそれらが反応生
成物内で分析されるまでにかかる時間である。

請求項３に記載されたように、サンプル液と１又はそ
れ以上の全ての試薬液との流れを制御することが有効で
あり又必要な場合がある。これは、流れの中で行われる
化学反応及び用いられるべき分析原理に基づく。ある例
では、完全な反応を行うのに十分な試薬がサンプル液に
加えられることが補償できれば十分であり、これは、必
要な最少量より多い安全な程度の量の試薬流れを操作す
ることにより達成される。他の例では、標準化された反
応の較正において、サンプル液と試薬液との間の容積割
合が正確に制御されることが必要な場合がある。このよ
うな場合には、請求項３記載における流れの制御が必要
となる。

また、請求項４に記載のように、軸方向分散が低く且
つ流量が絶対スケールで小さい値に選択された場合には
試薬液の消費が小さくなるような流れにおいて、５より
小さいレイノルズ数を有する流れにより操作すること
は、有効である。

請求項５に記載のように、作動中の反応チャネル内の
平均容積流れが、100μl/分より小さいことが好まし
い。これにより、運搬液と試薬の消費量が少なくなる。

実際上の目的のために、請求項６に記載したように、
水溜めの容積性能を、連続した30日の作動を十分許容で
きるものとすることは有効である。使用済みの溜めの交
換は、１か月に約１度必要となり、都合良く計画され
る。

本発明による装置は、天然水流れと同様に、廃水浄水
プラントにおける汚水の分析に特に適しているが、これ
に限らず、他の流体プロセス（醗酵プロセスや製紙プロ
セス等）の測定や制御にも適する。更に、本発明は、こ
れらの特定の用途に限定されない。即ち、液体と同様に
気体媒体などの全ての流体の分析に適用され得る。

本発明による装置によれば、被分析物質のイオンと分
子が、分析されるべき媒体から、膜を通って流れシステ
ムを通過して分析装置に至るまでの時間に対応して、分
析応答時間を約１分若しくはそれ以下に短くすることが
可能となる。また、現場で装置を操作することができる
ため、被検査物質は、非常に短い距離だけ移動するのみ
でよい。例えば、装置は、処理溜め内の廃水に部分的に
浸して浮かすようにしてもよい。

本発明においては、分析に関与する化学反応は、必ず
しも終了まで続行する必要はない。即ち、流れが適切に
制御されれば、試薬とサンプルの混合は再生成可能であ
るため、反応の如何なる段階でも測定可能である。さら
に、本発明においては、反応チャネルを高温に保持する
ことにより、さらに、反応チャネルの断面積を非常に小
さい値に選択することにより、反応速度をさらに増大さ
せることができる。

上述したように、本発明の装置によれば、まる１か月
若しくはそれ以上にわたって、それ自身で収納されるが
状態で、サービスの必要性なく、作動するようにするこ
とができる。運搬液、試薬液及び廃水を保持する容器
は、１か月かそれ以上の期間である連続した操作を行う
全期間にわたって、消費若しくは生成された液体の量を
収納するのに十分な大きさである。このように、容器が
十分な大きさとなり得るのは、運搬液、試薬液及び洗浄
液や較正用標準液などの他の液体を含む液体の消費量
が、１か月当たり１〜10リットル程度と少ないためであ
る。膜は、汚染粒子及び汚染菌の通過即ち侵入に対して
抵抗性があるように選択されていれば、同等の寿命を有
することができる。

請求項７に記載した本発明によれば、廃水処理プラン
トにおける生物学的プロセスを管理するプロセス条件を
変化させる方法及び装置の迅速な応答により、将来的に
廃水浄化プラントを相当小さくすることができる。近い
将来に、生物学的プロセスの全効率を改善して将来のプ
ラントのサイズを小さくするか、若しくは現存するプラ
ントの処理能力を増大させることが可能である。同時
に、ホスフェートの沈澱のような水処理において使用さ
れる化学物質の量と費用が削減される。

図面の簡単な説明 図１は、下水のオルトホスフェートの分析を行うため
の本発明による流れシステムを示す概要図である。

図2Aは、図１に示された流れシステムを使用するため
のサンプリング・セルの部分を示す平面図である。

図2Bは、図2Aに示された部分を含むサンプリング・セ
ルの断面図である。

図３は、図１に示された流れシステムの一部分である
所謂流れチップ・ベースプレートを示す平面図である。

図４は、廃水の分析を現場で行う本発明による自己収
納型の水中使用可能な装置の配置を示す分解図である。

発明を実施するための最良の形態 図１は、水に含まれるオルトホスフェートの分析する
本発明によるシステムの主要構成部品を示している。こ
れらの主要構成部品は、液体容器1,5,7,10,13及び16
と、ポンプ2,6,8,11及び14と、サンプリング・セル３
と、所謂流れチップ15と、分析装置12である。ここで、
液体容器1,5,7,10,13及び16は、システムが作動すると
きに使用される種々の液体61,65,67,60,63及び66のため
のものである。ポンプ2,6,8,11及び14は、並列若しくは
直列の信号バス71を介して制御回路70によりそれらの全
てが制御され、フロー・チャネル52,56,58,51及び54を
介して分析システムを通って液体を吸い込む。サンプリ
ング・セル３は、流れチャネル21と膜20を備え、分析さ
れるべき媒体28と接触しサンプル液を生じさる。流れチ
ップ15内では、チャネル24,29及び59と共にチャネル52,
56,58,51及び54を適当に使用して、液体を制御された方
法で混合することができる。分析装置12は、流れチップ
15と制御回路70に接続され、分析されるべき反応生成物
を分析する。この分析結果は、遠隔信号バス72を介して
表示又は伝達のために制御回路70に伝送される。

図１において、容器１は、実験室レベルの脱イオン水
61を含み、この脱イオン水61は、運搬液として機能す
る。ポンプ２は、流れチップ15のチャネル52を経由し
て、サンプル発生セル３内に運搬液を吸い込む。セル３
内では、運搬液は、膜20の背面側に沿う流れチャネル21
を通って案内される。この流れチャネル21は、膜20の背
面である第２主要面及び膜と接触する適当な機械装置
（図示せず）により形成される。膜20の前面である第１
主要面は、廃水28等の分析されるべき媒体と接触するよ
うに示されている。

膜20は、イオンや分子を透過させることができる材料
でできている。これにより、オルトホスフェートを含む
イオンや分子が、膜20を通って廃水28から運搬液61内へ
移動することが許容される。この結果、運搬液は、流れ
チャネル21に沿って流れるとき、廃液から被分析物質
（オルトホスフェート）や他のイオンや分子を負荷とし
て持つようになる。この流れチャネル21により、運搬液
は、サンプル液に変化し、このサンプル液は、セル３を
離れてチャネル24を通って流れチップ15内に入る。勿
論、ここで言う“サンプル”なる語は、通常使われる意
味ではなく、即ち、本発明におけるサンプル液は、廃水
の物理的なサンプルではなく、拡散可能な膜20を介する
透過の特別な機構により形成されたものを意味してい
る。

流れチップ15内では、チャネル24のサンプル液は、合
流点４に導かれる。この合流点４において、サンプル液
は、容器５からの試薬液65の流れと組み合わされる。こ
こで、試薬液65は、ポンプ６によりチャネル56を通って
合流点まで吸い込まれる。試薬液65は、溶解剤として硫
酸（H₂SO₄）を用いた水に溶解したパラモリブデン酸ア
ンモニウム（化学構造式（（NH₄）₆Mo₇O₂₄・4H₂O））と
酒石酸アリウム・アンチモン（化学構造式KSbOC₄H₄O₆・
1/2H₂O）との混合物であり、これらは、デンマーク標準
の第291号に従った標準濃度である。選択される化学物
質は、標準化された試薬と混合物の割合を必要とするオ
ルトホスフェートの標準的な分析方法に対して特定され
る。

サンプル液と試薬液が合流することにより、反応チャ
ネル29内に第１組合せ流れが生成される。反応チャネル
29内を流れるにしたがって、第１組合せ流れのサンプル
液と試薬液とが互いに十分に混合され、サンプル液の被
分析物質（オルトホスフェートイオン）と試薬液の試薬
との反応が開始される。このときの反応生成物の濃度
は、チャネル29に沿って反応が完了するにつれて増大す
る。この例では、反応生成物は、燐モリブデン酸として
知られている錯体である。

第２の合流点９において、第１組合せ流れが、チャネ
ル58を介してポンプ８により排出される第２の試薬液67
の流れと組み合わされる。この例では、第２の試薬液
は、色付の試液である標準濃度のアスコルビン酸（C₆H₈
O₆）を含む。

このようにして得られた組合せ流れ（第２組合せ流れ
と呼ぶ）において、第１組合せ流れと第２試薬とが十分
に混合され、第２の化学反応が開始される。この第２の
化学反応は、第１組合せ流れで生成された燐モリブデン
酸と第２試薬のアスコルビン酸との反応であり、この反
応により、第２組合せ流れが反応チャネル29を流れる際
に、第２組合せ流れ内に色付の種であるモリブデン・ブ
ルーが生成される。

概略的に示されているように、反応チャネル29は、分
析装置12を通って延びている。この分析装置12は、それ
を通過する液体の吸光度を測定する分光光度計である。
この吸光度は、液体内の色付の種の濃度に関連してお
り、これは、さらに、サンプリング・セル３により生成
されたサンプル液のオルトホスフェートの濃度に関連し
ている。この濃度が、廃水28内のオルトホスフェートの
濃度のイメージとなる。この後、システム全体が、測定
された吸光度が廃水28内のオルトホスフェートの濃度を
示すように較正される。

分析装置12からの流出水66は、容器16に集められ、必
要なときにこの容器16から排出される。

サンプリング・セル３の上流側の流れシステムは、既
知のオルトホスフェートの濃度を有する特定の規準液63
（それらの１つのみが図示されている）を用いることに
より、常時較正可能である。このとき、この規準液63
は、ポンプ14により容器13からチャネル54を通り合流点
４へ供給される。チャネル24のサンプリング・セル３か
らのサンプル液の流れを、チャネル54の規準液に置き換
えるために、ポンプ14が作動中は、ポンプ２は停止され
る。こうしない場合には、装置は、サンプル流れのため
に、上述したように、較正中に同様に操作される。分析
装置、反応チャネル及びポンプを含む全体の較正は、較
正中に測定された吸光度を規準液63のオルトホスフェー
トの既知の濃度に関連づけることにより、達成される。

一例として、反応チャネルの流体抵抗が変化した場
合、例えば、試薬が堆積したような場合、これによるシ
ステムの特性の変化は、このような較正により是正され
る。同様に、較正により、疲労によるポンプ特性の変化
も補償することが可能である。

同様にして、膜20の透過特性も、装置の作動前に、廃
水28の代わりに既知の濃度の標準オルトホスフェート溶
液に膜20を接触させることにより、較正可能である。こ
の場合、装置を廃水を測定する場合と同様に作動させ、
測定された吸光度を標準溶液中のオルトホスフェートの
既知の濃度に関連づけることにより、較正が達成され
る。

ポンプ2,6,8,11及び14は、容積形ポンプである。制御
回路70は、サンプル液と試薬液のそれぞれの供給速度の
比を実質的に一定とするように、ポンプの供給速度を制
御するように作動する。このようにして、サンプル液と
試薬液の実質的に一定の体積比が、分析装置において得
られる。これにより、較正の保持することが確実にでき
るようになる。

システムの各ポンプの流速は正確に制御可能であるた
め、サンプル液が対応する試薬液に混合され、この混合
液が分析装置を通過するまでの時間を、実質的に一定と
することができる。このため、システム内で化学反応が
完了することは、必ずしも必要でない。既知の標準液を
用いた較正を行なうことにより、未完了の化学反応でも
有効な分析データを連続して取ることができる。これに
より、システムの応答時間が非常に短くなる。

これに適したポンプのタイプが、米国特許第2,896,45
9号明細書に記載され、このポンプは、制御回路により
制御されるステップ・モータを介して作動し、制御され
る。勿論、他のタイプのポンプを使用することも可能で
ある。さらに、加圧溜めを使用し、発生する流れを規制
するバルブを制御するようにしても良い。

流れシステムは、必要ならば、清浄することが可能で
ある。この場合、溜め10から清浄液60が、ポンプ11によ
り、導管51を経由して合流点４まで排出される。この動
作中は、他のポンプは全て停止される。このような較正
及び清浄を行う際には、分析場所から装置を移動させる
必要はない。

図2Bは、サンプル発生セル３を示す断面図である。こ
のセル３は、チャネル形成手段であるサポート部材22を
有し、このサポート部材22には、膜20が装着されてい
る。サポート部材22は、ほぼ円盤状であり、膜20に隣接
する表面26上に曲がりくねった溝25が形成されている
（図2A参照）。使用時には、膜20がサポート部材22にき
っちりと装着され、サポート部材22と膜20とが共に、膜
の裏面により設定される流れチャネル21の形状と寸法を
画定する。

溝がその上に形成されるサポート部材22の表面26は、
溝25の部分以外は半球状に形成される。一方、膜20は、
平らなシート材により作られ、サポート部材22の半球状
の表面に対して張力が与えられた状態で装着される。こ
の張力により、運搬液がポンプにより吸い込まれるとき
流れチャネル21内のそれに打ち勝つ圧力により、サポー
ト部材22からの膜20の持ち上がりが防止される。

もし、このような膜20の持ち上がりが生じた場合に
は、膜20とサポート部材22との間で無秩序な流路が形成
されこれにより曲がりくねった流れチャネル21が短絡し
てしまう。この場合には、この無秩序な流路を流れる液
体と、流路21の全てに沿って流れる液体とは、それぞれ
膜20と接触するが、そのときの滞留時間が異なってくる
ため、較正が必然的に困難となる。即ち、無秩序な流路
を流れる流体は、被分析物質が負荷される時間が短くな
り、これにより、セル３の較正において明らかな変化が
生じるのである。サポート部材22を凸状に形成すると共
に膜20に張力を与えることにより、これを防止するよう
にしている。

流れチャネル21は、自己の体積と比較して、膜20によ
り覆われる相当大きな面領域を持つように形成されてい
る。一例としては、溝は、約1mmの幅で約0.13mmの最大
深さを有する半円形の形状としてもよく、この場合に
は、膜の面領域において約11/mmのチャネル体積比とな
る。膜の弾性及びその形状を考慮することにより、溝を
より浅く形成することもできる。

膜材料は、少なくともイオンと分子が膜を移動するこ
とを許容する材料の中から選択される。また、膜材料と
しては、不透過性の材料で膜を作り、照射によりその材
料に孔を開けるようにしたもの（Nucleporeの登録商標
が付されて商業的に利用可能である。）でもよく、この
場合には、非常に狭いチャネルが膜に形成される。膜の
他の材料として、半透膜が適していることが、透析や浸
透の分野における当業者に知られている。

好ましい膜材料には、セルロース、アセテート、テフ
ロン、再生セルロース・アセテート、ポリカーボネート
及びポリエステルが含まれる。例えば、Al₂O₃のような
セラミック材料も、膜材料として適している。

膜は、膜の前面側である第１主要面27を、分析される
べき媒体と接触するように配置された透過性保護マトリ
ックス（層）により覆うようにすることも可能である。
好ましい保護層の例として、濾過紙のような繊維層があ
る。この保護層により、水中での膜の膨張によりもたら
される摩擦や他の有害作用を防止することができる。

膜全体の厚みは、約５〜250μｍであり、特に約25μ
ｍが好ましい。膜の細孔は、約0.01〜0.45μｍであり、
特に0.025μｍが好ましい。細孔のサイズをこのように
小さくすることにより、ほこり、細菌、菌の胞子、可能
な相当大きな有機分子がこの流れシステム内に侵入する
ことを防止でき、これにより、この分析システム内での
連続的な生物学的活動を防止している。膜は、被分析物
質のイオンや分子の10倍かそれ以上のサイズの粒子の移
動を阻止できるような材料から選択されることが好まし
い。

サポート部材22には、流れチャネル21と流れシステム
の他の部分を接続するための貫通ボア52,24が形成され
ている。ボア52は、ポンプ２に接続され、運搬液61を供
給するためのものであり、ボア24は、流れチップ15の合
流点４に接続されている。

図３は、流れチップ15の一部分を形成するベース・プ
レート17を示す平面図である。

流れシステムの主要部分は、ベース・プレート17に溝
として形成されている。このベース・プレート17は、ほ
ぼ円盤形状であり、図示されたその前面上に中央隆起部
18が設けられている。溝のシステム50は、このベース・
プレート17の中央部分18に形成されている。使用時に
は、ベース・プレート17は、中央部分18の全てを覆うエ
ラストマーシート（図示せず）により覆われ、さらに、
サンプリング・ユニット３の凹部30（図2B参照）内に装
着される。このとき、エラストマーシートは、ベース・
プレート17とサポート部材22により挟まれる。このよう
に、エラストマーシートは、溝50の蓋又はシール材とし
て機能し、これにより、溝50のシステムがダクト又はチ
ャネルのシステムへ変わる。従って、以降の説明におい
て、溝とチャネルとは交換可能な意味で用いる。流れシ
ステムの他の部分からこれらの溝への接続は、前後方向
へベース・プレートを通って延びるボアを経由してなさ
れる。

サンプリング・セル３からのサンプル液は、ボア24を
通ってベース・プレート17の裏側へ導かれ、さらにその
裏側（図示せず）のチャネルに沿ってボア25まで流れ
る。そのサンプル液は、このボア25を通り、ベース・プ
レートの前側に戻り、そこでサンプル液は、合流点４で
反応チャネル又は溝29へ入る。

溝システム50は、３つの溝51,54,56を有し、これらの
溝は、それぞれ合流点４とボア11a,14a,6aとの間に延び
ている。溝51がボア11aを介してポンプ11に接続され、
溝54がボア14aを介してポンプ14に接続され、溝56がボ
ア6aを介してポンプ６に接続されている。従って、それ
らの対応する各ポンプが作動すると、これらの各溝が、
試薬液（溝56）、規準液（溝54）及び洗浄液（溝51）を
合流点へそれぞれ供給する。

反応溝29が、合流点４と出口ボア59との間に延びてお
り、この出口ボア59は、ベース・プレートの裏面側へ延
びている。反応溝29は、その途中である第２合流点９で
溝58と接続され、この第２合流点９から溝58がボア8aま
で延びている。このボア8aは、溝58をポンプ８に接続し
ている。この第２合流点９で、溝58が反応チャネル29に
開口し、第２合流点９と第１合流点４とは離れている。

図面から明らかであるが、溝の配置は、図１に示され
たものと対応している。第１の合流点４で、サンプル液
は第１試薬と組み合わされ、さらに、第２合流点９で第
２試薬と組み合わされる。上述した反応生成物は、液体
が第１及び第２合流点の間及び第２合流点より先に移動
する間に生成される。

分析装置は、図３には示されていないが、流れチップ
のベース・プレート17の裏側のすぐそばのボア59の近傍
に取り付けられている。ここで、正確に言うと、分析装
置まで延びているボア59及び他のダクトは、反応チャネ
ル29の一部を構成すると考えるべきである。これらのダ
クトに沿って液体が移動する際に化学反応が進行し分析
装置の読み取り値に影響を与えるからである。

図３に示された溝51,54,56,58の各々は、それらの合
流点の付近で狭くなっており、一方、それらをポンプに
接続するそれぞれのボアの付近では広くなっており、こ
れらの広い部分は、圧力低下するように形成されてい
る。図３に示された他の部分は、本発明とは関係のない
補助的部分である。

反応チャネル29の寸法は、組み合わせ流れが層流で且
つ好ましくは平均で５以下のレイノルズ数となるように
設定される。これは、液体の粘性係数の範囲とシステム
に用いられる流速との関係で、反応チャネルの幅方向寸
法を選択することにより得られる。

レイノルズ数Reは、以下のように定義される。

Re＝（Ｖ＊D_h）／ν 但し、Ｖは平均流速、D_h＝４＊（A/P）で表されるチ
ャネルの水力学的直径であり、ここで、Ａはチャネルの
断面積、Ｐはチャネルの周囲長さであり、νは液体の動
粘性係数である。

一例として実際のシステムは、以下のようにして実施
された。即ち、反応チャネルは、約0.4mmの深さと約0.5
mmの幅を持つ矩形の溝としてベース・プレート内に形成
され、この溝は、ベース・プレート上に取り付けられた
ほぼ平の蓋により閉じられていた。このようにして、こ
の反応チャネルの水力学的直径D_hは0.44mmであった。サ
ンプル液と試薬液はともに、ほぼ水であり、摂氏20度で
1,004mm²/秒の動粘性係数νを有する。反応チャネル内
の流量は、０〜約45μl/分の間で選択され、その結果、
０〜3.75mm/秒の流速Ｖが得られた。従って、その流れ
のレイノルズ数Reは、０〜1.64の間で変化した。

他の被分析物質を分析する場合には、流れチップ15内
のチャネル・システムの機械的配置と共に流れシステム
全体が、その分析に関与する化学物質に特に適合するよ
うに構成されなければならない。この場合、更なる試薬
のための容器、ポンプ及びチャネルの設定、反応溝29の
一部若しくは全体の長さの調整、反応のための十分な流
れのための時間を得るための合流点の立体的な構成の調
整、及び他の変更修正が含まれる。

図４は、本発明による装置の収納の仕方の一つを示し
たものである。図４の上方には、蓋42が示されており、
この蓋42の直ぐ下には、容器16,1,10が示されている。
これらの容器16,1,10は、試薬区画容器43内に配置され
ており、これにより、容器から漏れがあっても、システ
ムの作動を阻害することなく又システムの他の部分を損
傷させることもない。制御回路70は、システムを制御し
たり遠隔信号バス72を介して入出力信号の送受信を行う
ためのものであり、試薬区画容器43の下方に配置され
る。ポンプ2,6,8,11,14及び分析装置12が、制御回路70
の下方に配置されており、サンプリングセルである透析
セル３が、共通ハウジング45の底部に取り付けられてい
る。この共通ハウジング45は、他の全ての部品を保持
し、蓋42により厳密にシールされることが可能である。

システムへの電力供給及び全ての通信（入力／出力）
は、遠隔バス72を介して行われる。システムからの出力
信号、例えば、分析装置により読み取られた廃水中のホ
スフェートの量が、遠隔バス72に接続された遠隔制御ユ
ニット（図示せず）により評価される。この遠隔制御ユ
ニットは、分析システムからの信号に反応して廃水プラ
ントを制御するためのものである。その量が多すぎる場
合には、その測定された量を減じるために必要な手段が
直ちに取られる。同様に、遠隔バス72を介してシステム
に入力信号を送り、例えば、較正処置を行うことも可能
である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 カルルベルイ ボー スウェーデン エス‐19154 ソーレン テューナ スコフセングスヴェーイェン ６ (72)発明者 プローグ オレ デンマーク デーコー3450 アレレード テューネット 41 (72)発明者 クリステンセン ステーン ガールドス テッド デンマーク デーコー6430 ノルドボル グ エーゲヴェイ 100 (72)発明者 エイスム ニールス デンマーク デーコー8240 リスコヴ フリンテバッケン 53 (56)参考文献 特開 昭60−125557（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−6469（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−182556（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−153763（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−247168（ＪＰ，Ａ) 特開 昭53−582888（ＪＰ，Ａ) 欧州公開47130（ＥＰ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 35/00 - 35/10

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】液体媒体、特に液体を分析する装置であっ
   て、 膜とチャネル形成手段を備えた透析ユニットであって、
   この膜が第１及び第２主要面を有し且つこれらの面間を
   イオンと分子が通過することを許容し、膜の第１主要面
   が使用時に上記液体媒体と接触し、チャネル形成手段
   は、上記膜に装着され運搬液が流れる少なくとも１つの
   流れチャネルを形成し、この流れチャネルは、上記膜の
   第２主要面及びチャネル形成手段により設定され、イオ
   ンと分子が液体媒体と運搬液との間を膜に沿って移動す
   ることを許容し、これにより、運搬液の流れがサンプル
   液の流れに変化する透析ユニットと、 上記流れチャネルから流体を受け入れるように結合され
   た分析装置と、 を有する装置において、 上記透析ユニットの膜が液密ハウジングの開口部で露出
   するように取り付けられており、この液密ハウジング
   が、 運搬液を保持する運搬液溜めと、 上記運搬液の流れを発生させるように接続された運搬液
   用ポンプ手段と、 上記サンプル液の流れを受け入れる反応チャネルと、 試薬液を保持する少なくとも１つの試薬溜めと、 試薬液の流れを上記反応チャネルへ送り出すように接続
   された少なくとも１つの試薬液用ポンプ手段と、 上記反応チャネルから液体を受け入れるように接続され
   た少なくとも１つの廃水溜めと、 上記運搬液用ポンプ手段及び試薬液用ポンプ手段に接続
   され、上記サンプル液と試薬液との流れを制御し、サン
   プル液と試薬液との間で実質的に一定の容積割合となる
   ようにする制御手段と、を収容し、 さらに、上記分析装置が、上記反応チャネルに接続さ
   れ、反応生成物質を分析すると共に対応する分析信号を
   発生させることを特徴とする流体媒体分析装置。
2. 【請求項２】上記運搬液用ポンプ手段及び試薬液用ポン
   プ手段は、実質的に連続する流れを発生させるように作
   動し、反応生成物質が長い期間にわたり何時でも有効に
   分析できることを特徴とする請求項１記載の流体媒体分
   析装置。
3. 【請求項３】上記反応チャネルの断面積及び幅方向寸法
   が、反応チャネル内の液体の動粘性係数及び反応チャネ
   ル内の容積流量に関して、反応チャネル内の流れが５よ
   り小さい平均レイノズル数を有するように、選択される
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項２の何れか１項に
   記載の流体媒体分析装置。
4. 【請求項４】作動中の上記反応チャネル内の平均容積流
   れは、毎分100ミリリットルより小さいことを特徴とす
   る請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の流体媒体
   分析装置。
5. 【請求項５】上記廃水溜めの容積性能は、連続した30日
   の作動を十分許容できるものであることを特徴とする請
   求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の流体媒体分析
   装置。
6. 【請求項６】請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載
   の流体媒体分析装置を廃水処理プラントの処理水におけ
   るプラント養分塩の現場でのリアル・タイム測定に用い
   るための方法。