JP7417619B2 - ｐＨ測定方法およびｐＨ測定装置 - Google Patents
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Description
本開示は、溶液のｐＨ値を測定するｐＨ測定方法およびｐＨ測定装置に関する。
溶液のｐＨ値は、溶液の状態を知る上で重要な要素である。例えば、細胞培養液のｐＨ値は、当該培養液が劣化し、交換する必要があるか否かを判断する際に測定されている。溶液のｐＨ値は、既存のｐＨメータの検出器を溶液中に入れて測定されている。また、溶液のｐＨ値に応じて色が変化する物質（ｐＨ指示薬）を溶液に予め加えておき、溶液の色の変化を目視やセンサによって観察し、溶液の色に応じたｐＨ値を求めることも行われている。例えば、フェノールレッド試薬をｐＨ指示薬として用い、細胞培養液に含まれるフェノールレッド試薬の呈色反応を目視で観察したり、細胞培養液の吸光度を複数の波長の光によって測定し、測定された吸光度に対応するｐＨ値を求める技術が知られている（例えば、特許文献１～３を参照）。
しかしながら、溶液の状態を目視で観察するには時間がかかり、多数の容器で大量に溶液を使用する際には、作業者に多くの手間および作業時間を要する。既存のｐＨメータの検出器を溶液中に入れて溶液のｐＨ値を測定すると、溶液を汚染する懸念がある。また、溶液を汚染する懸念を除くためにｐＨメータの検出器を使い捨てにすると、多くの費用を要し、多数の容器で大量に溶液を管理するには不経済である。上記特許文献１～３に記載される従来技術では、複数の波長の光を用いるので、波長別の複数のセンサを備える高価な装置が必須であり、高額の設備コストを要する。
例えば、生命工学分野などの発展によって細胞培養が工業化されると、大量の細胞を培養するために、多数の培養容器中の培養液を安価に効率よく管理することが必要となる。
そのため、安価に効率よく、溶液を汚染する懸念がない方法で溶液のｐＨ値を測定することができるｐＨ測定方法およびｐＨ測定装置が求められている。
本開示の実施形態に係るｐＨ測定方法は、
発光素子から発光された光を、ｐＨ指示薬およびｐＨ変動物質を含む溶液に照射する照射工程と、
前記溶液を収容する容器中に受光素子を配し、前記溶液を透過した透過光を前記受光素子で受光する受光工程と、
受光された前記透過光のうち単色光の吸光度を測定する測定工程と、
予め作成された吸光度テーブルを参照して、前記測定工程で測定した吸光度に対応するｐＨの値を算出する算出工程と、を含み、
前記単色光は、緑色光域である５６０ｎｍ付近の波長域の光であり、
前記ｐＨ指示薬は、フェノールレッドであり、前記溶液のｐＨ値が低下すると前記波長域における吸光ピークが減少し、
前記受光素子は、前記所定の波長域における量子効率が最も高いＰＩＮ構造のアモルファスシリコンフォトダイオードであり、薄膜形成法によって形成されている。
発光素子から発光された光を、ｐＨ指示薬およびｐＨ変動物質を含む溶液に照射する照射工程と、
前記溶液を収容する容器中に受光素子を配し、前記溶液を透過した透過光を前記受光素子で受光する受光工程と、
受光された前記透過光のうち単色光の吸光度を測定する測定工程と、
予め作成された吸光度テーブルを参照して、前記測定工程で測定した吸光度に対応するｐＨの値を算出する算出工程と、を含み、
前記単色光は、緑色光域である５６０ｎｍ付近の波長域の光であり、
前記ｐＨ指示薬は、フェノールレッドであり、前記溶液のｐＨ値が低下すると前記波長域における吸光ピークが減少し、
前記受光素子は、前記所定の波長域における量子効率が最も高いＰＩＮ構造のアモルファスシリコンフォトダイオードであり、薄膜形成法によって形成されている。
本開示の実施形態に係るｐＨ測定装置は、
発光素子から発光された光を、ｐＨ指示薬およびｐＨ変動物質を含む溶液に照射する照射部と、
前記溶液を収容する容器中に受光素子を配し、前記溶液を透過した透過光を受光する受光部と、
受光された前記透過光のうち単色光の吸光度を測定する測定部と、
予め作成された吸光度テーブルを参照して、前記測定部で測定した吸光度に対応するｐＨの値を算出する算出部と、を含み、
前記単色光は、緑色光域である５６０ｎｍ付近の波長域の光であり、
前記ｐＨ指示薬は、フェノールレッドであり、前記溶液のｐＨ値が低下すると前記波長域における吸光ピークが減少し、
前記受光素子は、前記所定の波長域における量子効率が最も高いＰＩＮ構造のアモルファスシリコンフォトダイオードであり、薄膜形成法によって形成されているように構成される。
発光素子から発光された光を、ｐＨ指示薬およびｐＨ変動物質を含む溶液に照射する照射部と、
前記溶液を収容する容器中に受光素子を配し、前記溶液を透過した透過光を受光する受光部と、
受光された前記透過光のうち単色光の吸光度を測定する測定部と、
予め作成された吸光度テーブルを参照して、前記測定部で測定した吸光度に対応するｐＨの値を算出する算出部と、を含み、
前記単色光は、緑色光域である５６０ｎｍ付近の波長域の光であり、
前記ｐＨ指示薬は、フェノールレッドであり、前記溶液のｐＨ値が低下すると前記波長域における吸光ピークが減少し、
前記受光素子は、前記所定の波長域における量子効率が最も高いＰＩＮ構造のアモルファスシリコンフォトダイオードであり、薄膜形成法によって形成されているように構成される。
本開示の実施形態に係るｐＨ測定方法およびｐＨ測定装置によれば、上述のような構成を有することによって、受光された透過光のうち単色光の吸光度を測定することから、従来のように複数の波長の光のそれぞれに対応するカラーフィルタおよび複数のセンサを備える必要がなく、単一のセンサを備えた構成とすることができる。その結果、簡易化された構成のｐＨ測定方法およびｐＨ測定装置を提供することができる。従って、構成が簡易化された低コストのｐＨ測定装置とすることができる。また、溶液中にｐＨメータ等を入れる必要がないことから溶液を汚染することなく、非常に安価で簡便に溶液のｐＨ値を測定することが可能となる。また、多数の容器内の溶液のｐＨ値を非常に安価に迅速に測定することが可能となる。
＜検出方法＞
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態のｐＨ測定方法のフローチャートである。第１実施形態に係るｐＨ測定方法は、発光素子から発光された光を、ｐＨ指示薬およびｐＨ変動物質を含む溶液に照射する照射工程Ａ１と、溶液を透過した透過光を受光素子で受光する受光工程Ａ２と、受光された透過光のうち単色光の吸光度を測定する測定工程Ａ３と、予め作成された吸光度テーブルを参照して、測定工程で測定した吸光度に対応するｐＨ値を算出する算出工程Ａ４とを含む。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態のｐＨ測定方法のフローチャートである。第１実施形態に係るｐＨ測定方法は、発光素子から発光された光を、ｐＨ指示薬およびｐＨ変動物質を含む溶液に照射する照射工程Ａ１と、溶液を透過した透過光を受光素子で受光する受光工程Ａ２と、受光された透過光のうち単色光の吸光度を測定する測定工程Ａ３と、予め作成された吸光度テーブルを参照して、測定工程で測定した吸光度に対応するｐＨ値を算出する算出工程Ａ４とを含む。
以下、本実施形態のｐＨ測定方法について順に説明を行なう。
本実施形態の照射工程Ａ１は、発光素子から発光された光を、ｐＨ指示薬およびｐＨ変動物質を含む溶液に照射する工程である。照射工程Ａ１は、例えばＬＥＤ（Light Emitting Diode）などの発光素子によって実施されるが、構成は限定されない。
本実施形態の照射工程Ａ１は、発光素子から発光された光を、ｐＨ指示薬およびｐＨ変動物質を含む溶液に照射する工程である。照射工程Ａ１は、例えばＬＥＤ（Light Emitting Diode）などの発光素子によって実施されるが、構成は限定されない。
本明細書において、「ｐＨ指示薬」とは、ｐＨ値に応じて色が変化する試薬を表し、例えば、メチルオレンジ、ブロモフェノールブルー、ブロモクレゾールグリーン、ブロモチモールブルー、フェノールレッド、チモールブルー、フェノールフタレンなどであってもよい。ｐＨ指示薬は、溶液に予め加えられており、溶液のｐＨ値の変化に伴った色の変化を観察されてもよく、溶液の色を観察する直前に溶液に加えられてもよい。
本明細書において、「ｐＨ変動物質」とは、溶液のｐＨ値を変化させる物質を表し、例えば、細胞、生体組織などの生体物質であってもよい。ｐＨ変動物質は、溶液に加えられると直ちに溶液のｐＨ値を変化させてもよく、徐々に溶液のｐＨ値を変化させてもよい。ｐＨ変動物質は、ｐＨ指示薬と同時に溶液に加えられてもよく、ｐＨ指示薬とは別に溶液に加えられてもよい。例えば、ｐＨ指示薬を含む溶液にｐＨ変動物質を加えると、ｐＨ変動物質によって溶液のｐＨ値が変化し、それに応じてｐＨ指示薬の色が変化する。ｐＨ変動物質が細胞である場合、細胞は、動物細胞、植物細胞、酵母細胞、細菌細胞等である。動物細胞としては、筋肉細胞、肝臓等の内蔵細胞、リンパ球、単球及び顆粒球等の血液細胞、神経細胞、免疫細胞、人工多能性幹細胞（ｉＰＳ細胞：induced pluripotent stem cell）等がある。これらの細胞は、組織由来の初代細胞であってよく、あるいは継代培養細胞であってもよい。ｉＰＳ細胞は、人間の皮膚等の体細胞に、数種類の遺伝子を導入し培養することによって、ＥＳ細胞（embryonic stem cell：胚性幹細胞）のように様々な組織および臓器の細胞に分化できる分化万能性（pluripotency）と、分裂増殖を経てもそれを維持できる自己複製能、即ちほぼ無限に増殖する能力と、を持たせた細胞である。本実施形態に係るｐＨ測定方法およびｐＨ測定装置は、増殖能力の高いｉＰＳ細胞、即ち溶液の成分等の変化が大きいｉＰＳ細胞を含む当該溶液に対するものとして好適である。
本明細書において、「溶液」とは、液体状態の均一な混合物を表し、例えば、水溶液、メタノール溶液、エタノール溶液などであってもよい。より具体的には、溶液は、緩衝液、培養液などであってもよい。溶液は、ｐＨ指示薬およびｐＨ変動物質に加えて補助物質を含んでいてもよい。補助物質は、リン、ナトリウムなどの金属イオン、ペプチド、アミノ酸、タンパク質などであってもよい。溶液が培養液である場合、微生物および細胞等の生物組織の培養において、培養対象に生育環境を提供するものであり、ブドウ糖等の炭素源、ペプトン，硫酸アンモニウム等の窒素源、アミノ酸、ビタミン、リン酸塩等の無機塩類などの栄養素の供給源となるものである。また培養液としては、細胞の培養に必要な上記の栄養成分を含む液体から成るもの、またはその液体に寒天、ゼラチンなどを加えたものであってもよい。
本実施形態の受光工程Ａ２は、溶液を透過した透過光を受光素子で受光する工程である。受光工程Ａ２は、好ましくはＰＩＮ構造のアモルファスシリコンフォトダイオードとして形成された受光素子によって実施されるが、構成は限定されない。
ＰＩＮ構造のフォトダイオードとは、三層構造のフォトダイオードであり、ＰＮ接合の間にＩ層（Intrinsic Layer）を有し、ＰＩＮの三種類の半導体を接合したフォトダイオードである。ＰＮ構造のフォトダイオードではＰＮ接合付近に電子もホールもない空乏層が生じるが、ＰＩＮ構造のフォトダイオードでは空乏層の代わりに電子もホールもないＩ層を予め作製した構造である。
フォトダイオードに使用される材料は、例えば、シリコン、ゲルマニウム、インジウム、ガリウム、ヒ素、硫化鉛などが使用されてもよい。これらの材料は、検出される光の波長によって適切に選択される。シリコンは、１９０～１１００ｎｍの波長を吸収し、ゲルマニウムは、４００～１７００ｎｍの波長を吸収し、インジウム、ガリウムおよびヒ素は、８００～２６００ｎｍの波長を吸収し、硫化鉛は、１０００～３５００ｎｍ未満の波長を吸収する。アモルファスシリコンとは、非晶質シリコンを表し、結晶シリコンと比べて高い吸光係数を有する。アモルファスシリコンフォトダイオードは、図２に示されるように、約５６０ｎｍ付近の波長で最も高い量子効率（内部量子効率）を示す。図２において、黒丸印は受光面側にあるＰ＋層の厚みが１０ｎｍであるときの量子効率を示し、黒四角印はＰ＋層の厚みが２０ｎｍであるときの量子効率を示し、黒三角印はＰ＋層の厚みが３０ｎｍであるときの量子効率を示す。Ｐ＋層の厚みが増大すると、緑色光の波長域以外の波長域の光に対する量子効率が低減される傾向があり、好適である。従って、Ｐ＋層の厚みを１０ｎｍ以上とすることがよく、より好適には２０ｎｍ以上がよく、さらに好適には２０ｎｍ乃至３０ｎｍがよい。
測定工程Ａ３は、受光された透過光のうち単色光の吸光度を測定する。
本明細書において、「単色光」とは、１種類の波長または所定の波長域のみを含む光であって、スペクトルによってそれ以上分解しない光を表し、例えば、赤色光または赤色光域、青色光または青色光域、緑色光または緑色光域であってもよい。単色光は、好ましくは緑色光または緑光域である。即ち、図４に示すように、緑色光または緑色光域は溶液のｐＨの変化に伴う吸光度の変化が大きいからである。所定の波長域は、例えば中心波長を含む幅をもった波長域であり、中心波長±波長帯域幅で表される。本実施形態のｐＨ測定方法およびｐＨ測定装置において、緑色光の波長としては５６０ｎｍ程度であり、緑色光域の波長域としては５６０ｎｍ±４０ｎｍ程度がよく、より好ましくは５６０ｎｍ±２０ｎｍ程度がよい。単色光の波長域の光を受光することにより、受光感度（受光し光電変換した信号の強度）が大きくなり好適である。
本実施形態において、ｐＨ指示薬は、溶液のｐＨ値が低下すると所定の波長域における吸光ピークが減少し、受光素子は、上記所定の波長域における量子効率が最も高くてもよい。これによって、吸光ピークの減少を高感度に検出することが可能となり、溶液のｐＨ値を高感度かつ高精度に測定することが可能となる。
算出工程Ａ４は、予め作成された吸光度テーブルを参照して、測定工程で測定した吸光度に対応するｐＨ値を算出する工程である。
本明細書において、「吸光度テーブル」とは、溶液のｐＨ値と溶液の吸光度との関係を示したデータ、例えば記憶部（メモリ部）に記憶されたデータを表す。この記憶部は、パーソナルコンピューター（ＰＣ）、独立型の大容量記憶装置、ＵＳＢメモリ等の携帯型メモリ装置等に備わった、記憶回路（メモリ回路）、ＩＣ，ＬＳＩ等のメモリ部であってよい。メモリ回路およびメモリ部は、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）等であってよい。
本開示の一実施形態として、溶液として細胞培養液を用い、ｐＨ指示薬としてフェノールレッドを用い、ｐＨ変動物質として細胞を用い、受光素子としてアモルファスシリコンフォトダイオードを用いた模式図を図３に示す。フェノールレッドは、一般的な細胞培養液中に含まれているｐＨ指示薬であり、４３０～４４０ｎｍ付近と５６０ｎｍ付近に吸収ピークを有する（図４）。具体的なフェノールレッドとしては、例えば富士フイルム和光純薬（株）製の「０．０４ｗ／ｖ％フェノールレッド溶液」（フェノールレッドの分子式:Ｃ１９Ｈ１４Ｏ５Ｓ、分子量:３５４．３８）を用いることができる。このフェノールレッド溶液の調製方法としては、例えば、フェノールレッド０．１０ｇに０．０２ｍｏｌ／ｌの水酸化ナトリウム溶液１４．２ｍｌと水を加え２５０ｍｌとする方法等がある。フェノールレッドを含む細胞培養液は、細胞の至適ｐＨであるｐＨ６．８～７．２（中性）において赤色をしているが、細胞培養が進むにつれてｐＨが低下すると、４３０～４４０ｎｍ付近の吸収ピークが増大し、５６０ｎｍ付近の吸収ピークが減少し、つまり黄色に変色する。図４において、符号の１（実線）は新液の吸光度を表し、符号の２（点線）および符号の３（一点鎖線）は細胞培養が進んだ細胞培養液の吸光度を表し、符号の４（二点鎖線）は交換前の細胞培養液の波長を表す。
フェノールレッドの吸収スペクトルでは、緑色の５６０ｎｍの波長の吸収が酸性になると大きく変化する。ＰＩＮ構造のアモルファスシリコンフォトダイオードの量子効率も５６０ｎｍ付近の波長で最も高いので、カラーフィルタや複雑な機構なしに色の変化を検出することが可能である。アモルファスシリコンフォトダイオードで検出された光は、電荷として蓄積され、その電荷量を読みだすことによって色の変化を検出する。
測定された緑色光の吸光度は、予め作成された吸光度テーブルの吸光度と比較される。以下の表１は、吸光度テーブルの一例である。
細胞培養液のｐＨと５６０ｎｍの吸光度との関係を図５に示す。吸光度Ａは、フェノールレッドの濃度Ｃと以下の数１に示される関係を有する。
Ａ＝α×Ｌ×Ｃ ・・・（１）
ここで、αは吸光係数（モル吸光係数：単位：ｌ／（ｍｏｌ・ｃｍ））を表し、Ｌは液中での光路長を表す。Ｌ×Ｃが大きくなると吸光度Ａも大きくなり、Ｌ×Ｃが小さくなると吸光度Ａも小さくなる。また、吸光係数αは、フェノールレッドの酸型成分（ＨＸ）の吸光係数αＨＸと、塩基型成分（Ｘ-）の吸光係数αＸとから成り、ある波長λでの吸光度Ａは、酸型成分（ＨＸ）の吸光度と塩基型成分（Ｘ-）の吸光度の和として、Ａ＝αＨＸ×［ＨＸ］＋αＸ×［Ｘ-］（［ＨＸ］：酸型成分の濃度、［Ｘ-］：塩基型成分の濃度）で表される。フェノールレッドの濃度Ｃ＝[ＨＸ]＋[Ｘ-]が一定であっても、ｐＨが変化すると酸型成分（ＨＸ）と塩基型成分（Ｘ-）の濃度比が変化し、吸光度Ａが変化する。なお、表１において、Ｌは０．１ｍｍ～１０ｍｍ程度であり、例えばＬ＝３ｍｍとすることができる。またＣ１，Ｃ２，Ｃ３については、Ｃ１＞Ｃ２＞Ｃ３であり、フェノールレッド溶液におけるフェノールレッドの濃度を０．０１ｗ／ｖ％～０．１ｗ／ｖ％程度の範囲内で設定することができる。例えば、Ｃ１＝０．０８（ｗ／ｖ％）、Ｃ２＝０．０５、Ｃ３＝０．０２とすることができる。
Ａ＝α×Ｌ×Ｃ ・・・（１）
ここで、αは吸光係数（モル吸光係数：単位：ｌ／（ｍｏｌ・ｃｍ））を表し、Ｌは液中での光路長を表す。Ｌ×Ｃが大きくなると吸光度Ａも大きくなり、Ｌ×Ｃが小さくなると吸光度Ａも小さくなる。また、吸光係数αは、フェノールレッドの酸型成分（ＨＸ）の吸光係数αＨＸと、塩基型成分（Ｘ-）の吸光係数αＸとから成り、ある波長λでの吸光度Ａは、酸型成分（ＨＸ）の吸光度と塩基型成分（Ｘ-）の吸光度の和として、Ａ＝αＨＸ×［ＨＸ］＋αＸ×［Ｘ-］（［ＨＸ］：酸型成分の濃度、［Ｘ-］：塩基型成分の濃度）で表される。フェノールレッドの濃度Ｃ＝[ＨＸ]＋[Ｘ-]が一定であっても、ｐＨが変化すると酸型成分（ＨＸ）と塩基型成分（Ｘ-）の濃度比が変化し、吸光度Ａが変化する。なお、表１において、Ｌは０．１ｍｍ～１０ｍｍ程度であり、例えばＬ＝３ｍｍとすることができる。またＣ１，Ｃ２，Ｃ３については、Ｃ１＞Ｃ２＞Ｃ３であり、フェノールレッド溶液におけるフェノールレッドの濃度を０．０１ｗ／ｖ％～０．１ｗ／ｖ％程度の範囲内で設定することができる。例えば、Ｃ１＝０．０８（ｗ／ｖ％）、Ｃ２＝０．０５、Ｃ３＝０．０２とすることができる。
数種類の細胞培養液の初期状態のバリエーション（Ｌ×Ｃのバリエーション）のｐＨ変動による吸光度変化量をデータテーブルとして参照し、細胞培養液の初期の吸光度と細胞培養液中の吸光度の変化とを測定することによって、細胞培養液のｐＨ値を推定することが可能となる。
本実施形態の変形例として、照射工程前に、ｐＨ変動物質を溶液中で維持している維持工程をさらに含んでもよい。これによって、ｐＨ変動物質が溶液のｐＨ値を変動させるための時間を確保することが可能となる。
本明細書において、「維持する」とは、ｐＨ変動物質を溶液中でそのままの状態で保つこと、またはｐＨ変動物質が溶液のｐＨ値を変動させるために十分な時間にわたってｐＨ変動物質を溶液中に保つことを表す。
第１実施形態のｐＨ測定方法の一例について、図６に示すフローチャートを参照して以下に説明する。なお、図６においては、判断制御における「成」（フラグ１）を［Ｙｅｓ］で、「否」（フラグ０）を［Ｎｏ］で表している。
以下、これらのフローに沿って、ｐＨ測定方法について説明する。
まず、ステップＢ１で、溶液の初期の吸光度を測定する。
次に、ステップＢ２において、ステップＢ５の吸光度テーブルを参照して、測定された吸光度に対応するｐＨ値を算出する。
また、ステップＢ３において、測定された吸光度に対応するｐＨ値がステップＢ６で読み出された目標ｐＨ値に到達している場合、ステップＢ４へ移り、データを出力し、目標ｐＨ値に達したことを知らせるアラームを鳴動させる。または、ＰＣに備わった画像表示装置（ディスプレイ）に、アラームを表示あるいは鳴動とともに表示させてもよい。
またアラームは、細胞培養の実施者が携帯しているスマートフォン、スマートウォッチ等のモバイル機器に伝達されてもよい。その場合、モバイル機器に振動、発光、告知の表示等の伝達方法によって、アラームが伝達されてもよい。
ステップＢ３で、測定された吸光度に対応するｐＨ値が目標ｐＨに到達していない場合、ステップＢ７におけるサンプリング間隔のデータテーブルを参照してサンプリング間隔を読み込み、ステップＢ８でサンプリング時間に到達しているか否か、すなわち細胞培養液が交換時期に到達しているのか否かを判断する。サンプリング間隔のデータテーブルは、サンプリング実行時刻を記憶した時刻記憶部（時刻メモリ部）、前回のサンプリング実行時刻からの経過時間を記憶した経過時間記憶部（経過時間メモリ部）等であってよい。
ステップＢ８でサンプリング時間に到達した場合、ステップＢ９で吸光度を測定した後、ステップＢ２に移行し、前述のステップＢ３，Ｂ７，Ｂ８が繰り返され、ステップＢ３で目標ｐＨに到達するまで繰り返される。
以上の構成により、実施形態のｐＨ測定方法は、作業者の手間および時間を要することなく、効率よくｐＨを測定することができる。
＜測定装置＞
（第２実施形態）
図７は、本開示の第２実施形態であるｐＨ測定装置１００の機能的構成を示すブロック図である。本開示の第１実施形態に係る測定方法は、ｐＨ測定装置１００で実行される。
（第２実施形態）
図７は、本開示の第２実施形態であるｐＨ測定装置１００の機能的構成を示すブロック図である。本開示の第１実施形態に係る測定方法は、ｐＨ測定装置１００で実行される。
本実施形態のｐＨ測定装置１００は、発光素子から発光された光を、ｐＨ指示薬およびｐＨ変動物質を含む溶液に照射する照射部１０と、溶液を透過した透過光を受光する受光部２０と、受光された透過光のうち単色光の吸光度を測定する測定部３０と、予め作成された吸光度テーブルを参照して、測定部３０で測定した吸光度に対応するｐＨ値を算出する算出部４０とを含む。
照射部１０は、ｐＨ指示薬およびｐＨ変動物質を含む溶液に光を照射するための発光素子を含むが、構成は限定されない。例えば照射部１０は、単色光を含む波長域の光を発光し照射することが可能なものであればよく、ＬＥＤ発光装置、電界発光装置、半導体レーザ装置、蛍光灯等である。
ｐＨ指示薬およびｐＨ変動物質を含む溶液は、光学的に透明なガラス、プラスチック等から成る容器に収容されていてもよい。容器は、例えばシャーレ、フラスコ、マルチウェルプレート等から成る。容器の形状、大きさ等は特には限定されないが、細胞培養用の容器であれば、細胞が増殖するのに適切なスペースを１つ以上有するものであればよい。例えば、シャーレであれば幅または直径が数ｃｍ～数１０ｃｍ程度、高さが数ｍｍ～数ｃｍ程度であり、フラスコであれば幅または直径が数ｃｍ～数１０ｃｍ程度、高さが５ｃｍ～数１０ｃｍ程度であり、マルチウェルプレートであれば幅または直径が数ｃｍ～数１０ｃｍ程度、高さが０．５ｃｍ～数ｃｍ程度である。容器は、外部から内部が観察できるように、上記の光学的に透明な材料、例えばプラスチック、ガラス等の材料から成る。またマルチウェルプレートは、１つのウェルの平面視形状が円形、正方形等の四角形、五角形、六角形等の多角形等である。円形は細胞の等方的な増殖に適した形状であり、細胞が増殖しやすいという利点がある。六角形はウェルの最密配置に適した形状であり、マルチウェルプレートの小型化に有利である。
受光部２０は、透過光を受光する受光素子などを含む装置であってもよいが、構成は限定されない。例えば受光部２０は、上記のＰＩＮ構造のフォトダイオード等の受光素子を含む。受光部２０は、ｐＨ指示薬およびｐＨ変動物質を含む溶液が収容された容器の上方に照射部１０が配置されている場合、容器の下方に配置されていてよい。また受光部２０は、ガラス基板、プラスチック基板等から成る検出基板上にＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等の薄膜形成法によって形成された受光素子を備えていてもよく、またその検出基板を容器中の容器底面に配置してもよい。
この場合、受光素子、電極および回路配線等を検出基板上に薄膜によって形成し配置していることから、薄型化および小型化された受光部２０を溶液中に配置することができる。その結果、ｐＨ変動物質のｐＨ値の変動を直接的かつ高精度に検出することができる。また、薄型化および小型化された受光部２０は、低コストに作製できることから、容器中において細胞培養が十分に進行し細胞培養を終了する際に、使用済の受光部２０を廃棄してもよい。そして、その容器を用いて新たに細胞培養を開始する際に、未使用の受光部２０を容器中に配置してもよい。即ち、細胞培養の実施の度に受光部２０を取り替えることもできる。
また、検出基板の全体を窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）、酸化珪素（ＳｉＯ2）等から成る絶縁性無機保護膜で覆う構成であってもよい。これにより、検出基板が溶液を汚染することを抑えることができる。またこの場合、使用済の受光部２０を洗浄等して再度細胞培養に使用してもよい。
測定部３０は、受光素子から出力される信号に基づいて予め定める信号値を取得する信号変換素子を含む装置などによって実現されてもよいが、構成は限定されない。測定部３０は、受光素子から出力される信号を有線通信方式または無線通信方式によって取得する。例えば測定部３０は、受光部２０によって受光された透過光のうち単色光の吸光度に対応する信号（光電変換信号）を取得し、その信号の電圧値または電流値をＡＤ（Analog to Digital）変換するＡＤ変換部と、ＡＤ変換されたデジタル信号を記憶する信号記憶部（信号メモリ部）と、を備えたＰＣ等の電子機器であってよい。
算出部４０は、予め作成された吸光度テーブルを参照して、測定部３０で測定された吸光度に対応するｐＨ値を算出する演算機能を有するコンピュータによって実現されてもよいが、構成は限定されない。例えば算出部４０は、ＰＣ等の電子機器内に備わった算出用プログラムソフトを格納したＩＣ、ＬＳＩ等から成る演算処理回路部（Center of Processing Unit；略称ＣＰＵ）等であってよい。
（第３実施形態）
図８は、本開示の第３実施形態であるｐＨ測定システム２００の機能的構成を示すブロック図である。本開示の第１実施形態に係る測定方法は、ｐＨ測定システム２００で実行される。
図８は、本開示の第３実施形態であるｐＨ測定システム２００の機能的構成を示すブロック図である。本開示の第１実施形態に係る測定方法は、ｐＨ測定システム２００で実行される。
ｐＨ測定システム２００は、データ入力部１と、データ入力部１に接続されたｐＨ演算システム２と、ｐＨ演算システム２に接続されたデータ出力部３と、ｐＨ演算システム２に接続された測定システム４とを備える。
データ入力部１には、目標ｐＨ値、初期ｐＨ値、サンプリング間隔、モニタ開始指示に関するデータが格納されており、ｐＨ演算システム２にデータを転送する。
ｐＨ演算システム２には、吸光度データテーブルが格納されており、測定システム４に測定指示を送り、測定システム４によって測定された吸光度の測定データと、吸光度データテーブルとを比較し、比較データをデータ出力部３に送る。
データ出力部３は、比較データが目標ｐＨ値に到達していればアラームを鳴らす。
測定システム４は、ｐＨ演算システム２からの測定指示を受けると溶液の吸光度を測定する。測定された吸光度を測定データとしてｐＨ演算システム２に送る。
以上、本開示の実施形態について詳細に説明したが、また、本開示は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。上記各実施形態をそれぞれ構成する全部または一部を、適宜、矛盾しない範囲で組み合わせ可能であることは、言うまでもない。
１ データ入力部
２ ｐＨ演算システム
３ データ出力部
４ 測定システム
１０ 照射部
２０ 受光部
３０ 測定部
４０ 算出部
２ ｐＨ演算システム
３ データ出力部
４ 測定システム
１０ 照射部
２０ 受光部
３０ 測定部
４０ 算出部
Claims (15)
- 発光素子から発光された光を、ｐＨ指示薬およびｐＨ変動物質を含む溶液に照射する照射工程と、
前記溶液を収容する容器中に受光素子を配し、前記溶液を透過した透過光を前記受光素子で受光する受光工程と、
受光された前記透過光のうち単色光の吸光度を測定する測定工程と、
予め作成された吸光度テーブルを参照して、前記測定工程で測定した吸光度に対応するｐＨの値を算出する算出工程と、を含み、
前記単色光は、緑色光域である５６０ｎｍ付近の波長域の光であり、
前記ｐＨ指示薬は、フェノールレッドであり、前記溶液のｐＨ値が低下すると前記波長域における吸光ピークが減少し、
前記受光素子は、前記所定の波長域における量子効率が最も高いＰＩＮ構造のアモルファスシリコンフォトダイオードであり、薄膜形成法によって形成されている、ｐＨ測定方法。 - 前記受光素子は、ガラス基板から成る検出基板上に形成されている、請求項１に記載のｐＨ測定方法。
- ｐＨの値が目標のｐＨの値に達したことを知らせるアラームを出す、請求項１または２に記載のｐＨ測定方法。
- 前記単色光は、５６０ｎｍ±４０ｎｍの波長域の光である、請求項３に記載のｐＨ測定方法。
- 前記溶液は、培養液である、請求項１～４のいずれか１項に記載のｐＨ測定方法。
- 前記ｐＨ変動物質は、生体物質である、請求項１～５のいずれか１項に記載のｐＨ測定方法。
- 前記生体物質は、細胞、または組織である、請求項６に記載のｐＨ測定方法。
- 前記細胞は、人工多能性幹細胞である、請求項７に記載のｐＨ測定方法。
- 前記照射工程前に、前記ｐＨ変動物質を溶液中で維持している維持工程をさらに含む請求項１～８のいずれか１項に記載のｐＨ測定方法。
- 発光素子から発光された光を、ｐＨ指示薬およびｐＨ変動物質を含む溶液に照射する照射部と、
前記溶液を収容する容器中に受光素子を配し、前記溶液を透過した透過光を受光する受光部と、
受光された前記透過光のうち単色光の吸光度を測定する測定部と、
予め作成された吸光度テーブルを参照して、前記測定部で測定した吸光度に対応するｐＨの値を算出する算出部と、を含み、
前記単色光は、緑色光域である５６０ｎｍ付近の波長域の光であり、
前記ｐＨ指示薬は、フェノールレッドであり、前記溶液のｐＨ値が低下すると前記波長域における吸光ピークが減少し、
前記受光素子は、前記所定の波長域における量子効率が最も高いＰＩＮ構造のアモルファスシリコンフォトダイオードであり、薄膜形成法によって形成されている、ｐＨ測定装置。 - 前記受光素子は、ガラス基板からなる検出基板上に形成されている、請求項１０に記載のｐＨ測定装置。
- 前記ｐＨの値が目標のｐＨの値に達したことを知らせるアラームを出す、請求項１０または１１に記載のｐＨ測定装置。
- 前記単色光は、５６０ｎｍ±４０ｎｍの波長域の光である、請求項１０～１２のいずれか１項に記載のｐＨ測定装置。
- 前記ｐＨ変動物質は、人工多能性幹細胞である、請求項１０～１３のいずれか１項に記載のｐＨ測定装置。
- 前記受光部は、取り換え可能である請求項１０～１４のいずれか１項に記載のｐＨ測定装置。
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