JPH01320452A - 液中成分検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 １東立夏 本発明は、液中成分の検出装置に係り、例えば、体液、
食品中成分等の検出に応用可能なものである。

従漣ｌＵ１ 液中の成分量の検出は、臨床上あるいは食品衛生上重要
な課題であり、簡便かつ比較的精度のある方式としてド
ライ方式による多層分析素子が提案されている。

第８図は、従来のドライ方式の尿素センサの一例（特公
昭５８−１９０６２号公報参照）を説明するための図で
、図中、１は反応層、２は液体不浸透層、３は色素層（
試薬層）、４は支持体、５は光源、６は光検出器、７は
被測定液体で、周知のように、被測定液体が一番上の反
応層１中のウレアーゼと反応し、アンモニアガスが発生
する。次に液体不浸透層２によりアンモニアガスと被測
定液体とを分離し、アンモニアガスのみを色素層３へと
導く、色素層３にはアンモニアと反応して色変化をおこ
すようなものを用意しておき、この色変化を光の透過又
は反射によって測定している。しかしながら、この装置
は、層構造が複雑なため。

反応層中で発生したアンモニアが１００％色素層３へ到
達せず感度低下の原因となっている。また。

固相反応なので変化が遅い。しかも、上記装置では透過
光路を長くとれないため一層感度が悪い等の欠点をもっ
ている。

上述のように、従来、支持体４の上に色素層３゜液体不
浸透層２、反応層１を設け、被測定液体中の尿素と反応
層中のウレアーゼを反応させてアンモニアガスを発生さ
せ、これを液体不浸透層によりアンモニアガスのみを色
素層へ導き、色素の色変化を光の透過あるいは反射によ
って測定するようにしているが、これは光の透過又は反
射を利用しているもので感度が悪く、層構成も複雑であ
った。

月−一一眞 本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされたもので、
特に、液中成分、例えば、液中に含まれる尿素の景を高
感度で検出する装置を提供することを目的としてなされ
たものである。

復−一部 本発明は、上記目的を達成するために、液中成分の含有
量を測定する装置において、光源と受光素子を少なくと
も一部が平面もしくはゆるやかな曲面である光伝導媒体
で結合し、該平面もしくはゆるやかな曲面と１０μｍ〜
１ｍの間隔を保って、被測定液体中の被検物質と反応し
て第２の物質を発生させ、かつ、液体浸透性である反応
層と前記第２の物質と反応して色変化をおこし、かつ、
被測定液体に可溶である色素を含み、かつ、液体浸透性
である色素層が設けられていること、又は、前記反応層
として酵素を固定化したこと、又は。

被検体中の夾雑物を除去するためのイオン交換樹脂層と
、当該色素層、反応層とを一体化したことを特徴とした
ものである。以下、本発明の実施例に基いて説明する。

第１図は、本発明の一実施例を説明するための構成図で
１図中、１０は本体の一部、１１は光伝導媒体、１２は
空隙、１３は色素層（試薬層）、１４は反応層、１５は
光源、１６は光検出器、１７は被測定液で、光伝導媒体
１１は、装置本体１０に固定されている。光源１５より
出た光は、光伝導媒体１１の一端より入射し、少なくと
も１回以上空隙１２の部分で全反射し、光伝導媒体１１
の他端より光検出器１６へ入る。一方、被測定液１７は
１反応層１４において尿素と反応して第２の物質を発生
する（例えば反応層１４にウレアーゼを用いるとアンモ
ニアが発生する）。この第２の物質は被測定液体ととも
に反応層１４．試薬層１３を浸透し、試薬層１３に於て
被測定液体により溶解した試薬に色変化を生ぜしぬる。

この変化はドライ方式と異なり液相変化なので速やかに
起る。又、この色変化量は尿素の址に応じて変化する。

一方、空隙１２に充填された色素溶液の色変化量に応じ
て光伝導媒体中を全反射により伝播する光の全反射率が
変化するので、光検出器１６の出力変化より尿素量が決
定できる。この検出方式は、光伝導媒体を薄くする等に
より検出に寄与する光路を充分長くとれ、前記の従来方
式に比しきわめて感度の高いものとなる。また、測定後
、光伝導媒体表面は、試薬層１３、反応層１４を除去後
、洗浄して再使用することが可能である。

光伝導媒体１１は、測定しようとする光に対して実用上
差支えない程度に透明であり、かつ被測定液体の屈折率
より高い必要がある。例えば、ガラスや高分子樹脂が考
えられる。

なお、第１図には、各層を平面状に構成した例を示した
が、第２図に示したように、ゆるやかな曲率を有してい
てもよい。空隙１２は、反応層１４、試薬層１３を浸透
してきた液体が毛管現象によって満たされるようにする
ため、厚みは１０μｍ〜１１程度であることが望ましい
。又、この空隙を容易に実現するためにスペーサを設け
てもよい。反応Ｍ１４は、選択性をもたせるため、酵素
を用いる。また、尿素を検知するので、ウレアーゼを用
いるが、このとき尿素はウレアーゼによって分解されア
ンモニアが発生する。そして、この酵素を液体の浸透性
を高めるため、繊維状のものに固定をする。試薬層３は
、前述のようにして発生したアンモニアにより色変化を
おこす色素、例えば、ブロモチモールブルーを例えば繊
維状・のものに固定化することにより形成できる。光源
は色素が色変化をおこす領域の波長を含むものであれば
よい。色素がブロモチモールブルーの場合、アンモニア
によって５００〜７００ｒｖに吸収スペクトルがあられ
れるので、赤色又は緑色のＬＥＤ。

ランプ、レーザー又は白色光源に赤又は緑のフィルタを
つけたもの等が使用できる。光検出器は、測定しようと
する波長に対して感度があれば何でもよいが、シリコン
フォトダイオード、フォトトランジスタが手軽である。

又、光源、あるいは光検出器と光伝導媒体との間は直接
結んでもよいしファイバー、ミラー等を介してもよい６
実施例 第３図は、電源１９．演算表示装置２０を含む検出装置
全体の概略構成を示す図で、光伝導媒体１１はガラス（
コーニング社７０５９２５ｎｎＸ２５＋ｍＸ０．５ｎｏ
）を用いた。光源１５は６６０ｎｍのＬＥＤ（スタンレ
ーＦＨＩＯＩＩ）、光検出器１６としてシリコンフォト
ダイオードを用い、これら３点を電源１９．演算表示回
路２０と共に装置に組みこんだ６反応層は繊維状のポリ
エチレンの表面にγ−アミノプロピルートリーエトキシ
シラン（シランカップリング剤）を含浸させ、７０℃で
乾燥し、表面にアミノ基を導入した。そして、１％グル
タルアルデヒド溶液中に先の繊維を１時間浸漬し、アミ
ノ基とグルタルアルデヒドを反応させ繊維表面にホルミ
ル基を導入した。その後。

ｐＨ７，０のリン酸緩衝液に溶かしたウレアーゼ溶液に
先の繊維を４℃、１６時間浸漬し、ウレアーゼのアミノ
基と先のホルミル基を反応させ、ウレアーゼを固定した
。試薬層は、ブロモチモールブルーの２％エタノール溶
液を酢酸セルロースに含浸させて乾燥させた。このよう
にしてえられた反応層、試薬層を第３図に示したように
支持体１８にとりつけた。なお、これら反応層、試薬層
を光伝導媒体にセットしたときに空隙が作られるように
つばを設け０．２ｍの空隙が得られるようにしである。

この支持体１８を光伝導媒体１１の上にセットし、上か
ら治具で固定し、かつ着脱可能とした。

第４図は、上記装置における。光検出器の出力と尿素量
の関係を示すが、このとき被測定液体は生理食塩水に尿
素を溶かしたものを用いた。なお、実際の装置は検量線
として、光検出器の出方より尿素量（９１ｍ）を表示す
るようにしである。上記装置により、血液中の尿素量、
酒中の尿素量等を高感度に検出することができる。

また、第８図に示した従来技術においては、前述のよう
に、被測定液体が一番上の反応層中のウレアーゼと反応
し、アンモニアガスが発生し、このアンモニアガスが液
体不浸透層により被測定液体と分離され、該アンモニア
ガスが色素層に浸透する。色素としてアンモニアと反応
して色変化をおこすものを用い、色変化を基板に対して
色素層と反対側から基板に照射した光の透過によって測
定することにより被測定液体中の尿素を検出する。

しかしながら、この従来方式では、反応層中で発生した
アンモニアのかなりの部分が色素層へ逍ト達しないこと
、色素層では固相反応となること、光の透過光路を長く
とれないこと等のため、感度・応答性が低下するという
欠点がある。第１図に示した実施例は、このような欠点
を改善したもので。

被測定液体とアンモニアガスとを分離することなく色素
層に導きアンモニアガスと色素との反応時間を短く、か
つ、高感度なものとしている。さらに、光伝導媒体１１
と色素層１３との空間１２に色素層を被測定液体により
溶かしこみ、光伝導媒体中を全反射して伝播する光を検
出手段とする゛′全反射分光法″を応用することにより
、検出方法の高感度化をはかっている。しかしながら、
この方法は血液等の液のｐＨが６〜７程度の中性ないし
は中性に近い溶液では十分機能するが、酸性ないしはア
ルカリ性溶液中の尿素の検出では多少問題がある１例え
ば、酒は日本酒ですらｐＨ４程度であるが、この液が反
応層でウレアーゼと接触すると溶液のｐＨは５〜６程度
となる。これはつレアーゼがアミノ基とカルボキシル基
とをもつ両性物質であるためである。この被測定液体の
反応層中におけるｐＨ変化は元々の被測定液体のＰＨに
依存するため一定となりえない。一方、色素層を構成す
る色素は被測定液体では感ぜず、アンモニアが発生して
ｐＨが変化した時のみ色変化するｐＨ指示薬を使用した
方が一番感度がよいが、上記の不具合を解決するために
は被測定液のｐＨ毎に指示薬をかえたセンサブレートを
用意し、測定前に被測定液のｐＨｔ！：測定し、それに
適したセンサブレートを選択使用しなければならない。

しかしながら、このような測定は繁雑であり実用的でな
い。イオン交換樹脂層を反応層以前に通すことにより、
被測定液を中性化できることは広く知られている。しか
しながらイオン交換層を試薬層と展開層の間に設けた多
層分析素子（特開昭６２−２２６０５６号公報）を酒等
の食品関係の液体に適用することは実際上不可能である
。これは、食品関係では有機、無機等の含有物が多く、
例えば、日本酒の場合、中性とするためには、有機酸、
アミノ酸各種金属イオン等をイオン交換樹脂で捕集する
必要がある。このために必要なイオン交換樹脂量は１〜
２滴の検体ですら２００〜４００■程度必要である。セ
ルロース繊維に交換基を導入したイオン交換濾紙の交換
容量からは、イオン交換濾紙（アトパンチツク東洋製Ｄ
ＥＡＥ及びＣＭ）を陽・陰イオン交換濾紙を２０〜４０
枚必要とする。

このような大量のイオン交換層を多層分析素子として作
製することは不可能である。

第４図は、上述のごとき実情に鑑みてなされた実施例を
説明するための図で１図中、２１は光伝導媒体、２２は
空隙ζ２３は試薬層、２４は反応層、２５は展開層、２
６はイオン交換樹脂層、２７はピストンで、図示のよう
に、イオン交換樹脂、展開物質１反応物質、試薬をカー
トリッジにバックし、第１図に示した装置のための使い
すてセンサーとしたものである。ここで展開層２５は、
検体の面方向の均一性をもたせると同時に、イオン交換
層２６に検体を一定時間帯在させるためのものである。

又、イオン交換層には検体が滞留してしまう可能性があ
り、本装置ではピストン２７で検体を押し出すことも可
能である。

実施例 内径９Ｉ、長さ４０ｎｎのプラスティックカートリッジ
に上から順にイオン交換樹脂層２６．展開層２５２反応
層２４．試薬層２３を形成した。イオン交換樹脂層２６
としては強酸性陽イオン交換樹脂（パウデックスＰＣＨ
，オルガノ（株）製）２５０■１強塩基性陰イオン交換
樹脂（パウデックスＰＡＯ，オルガノ（株）製）２５０
■を均一に混合して充填した。展開層としては３紙を用
いた。

反応層形成のため、まず繊維状のポリエチレンの表面に
γ−アミノプロピルートリーエトキシシラン（シランカ
ップリング剤）を含浸させ、７ＣＩＣで乾燥し表面にア
ミノ基を導入後、１％グルタルアルデヒド溶液中に１時
間浸漬しアミノ基とグルタルアルデヒドを反応させ、繊
維表面にホルミル基を導入した。このポリエチレンをｐ
Ｈ７，０の純水にとかしたウレアーゼ溶液に４℃、１６
時間浸漬し、ウレアーゼのアミノ基とホルミル基とを反
応させ、ウレアーゼを固定化したものを反応層とした。

試薬層２３はブロモチモールブルーの２％エタノール溶
液を酢酸セルロースに含浸させ乾燥させた。このように
して形成したカートリッジを光伝導媒体２１の上にセッ
トし、固定後測定した。

このカートリッジは使いすてであり測定後、新品と交換
するため装置本体とは着脱可能である。この装置におい
て、光検出器の出力と尿素量の関係を第６図に示す。こ
のとき被測定液体は、１５％アルコール溶液に乳酸、コ
ハク酸、リンゴ酸、クエン酸、グルコース、グルタミン
酸等をとかし、ｐＨ４，０にしたものを用いた。これら
の夾雑物は尿素測定になんらの妨害をせずイオン交換樹
脂層の有効性が確認できた。又、検体添加後１０秒後ピ
ストンで溶液を押し出すと迅速な測定が可能となった。

実際の装置は、第６図を検量線として組みこみ、光検出
器の出力より尿素量をｐｐｍ表示している。光源として
は６６０ｎｍＬＥＤを、光検出器としてはフォトダイオ
ードを用いた。

また、第１図に示した実施例においては、測定後、光伝
導媒体表面を洗浄する必要がある。従って、何度も使用
するにつれて、洗浄不充分により該媒体表面が徐々に汚
染され、測定の再現性が悪くなる場合がある。

第７図に示した実施例は、この欠点を解決し、測定後の
メンテナンスを容易にし、かつ、くり返し使用に対する
信頼性を高めたもので、この実施例は、光伝導媒体１１
が本体１ｏより着脱可能であることを特徴とするもので
ある。この時、光伝導媒体の装着時に、光学系の光軸が
いつも一定であるようにするため、光伝導媒体に位置決
めピン１１ａもしくは、穴を有する方が望ましい。また
、光伝導媒体１１が本体固定の場合、防水構造となるた
め、光学系へ液体が浸透することはないが。

このように着脱可能にすると光学系へ液体が浸透する可
能性があるが、この場合には、反応層１４等と向いあう
平面もしくは曲面の端部にでっばりを設け、液体をせき
とめれば良い。前述のように、光伝導媒体１１は、測定
しようとする光に対して実用上差支えない程度に透明で
あり、かつ被測定液体の屈折率より高い必要がある。例
えばガラスや高分子樹脂が考えられる。又、第７図には
平面のものを示しているが第２図に示したように、ゆる
やかな曲率を有していてもよい。この場合も、第１図に
関して説明したように、空隙１２は、反応層１４．試薬
層１３を浸漬してきた液体が毛管現象によって満たされ
るようにするため、厚みは１０μｍ〜ｌｎｍ程度である
ことが望ましい。又、この空隙を容易に実現するために
スペーサを設けてもよい。反応層１４は、選択性をもた
せるため、酵素を用いる。また尿素を検知するのでウレ
アーゼを用いるが、このとき尿素はウレアーゼによって
分解されアンモニアが発生する。そして、この酵素を液
体の浸透性を高めるため、繊維状のものに固定をする。

試薬層１３は、前述のようにして発生したアンモニアに
より色変化をおこす色素、例えばブロモチモールブルー
を、例えば、繊維状のものに固定化することにより形成
できる。光源は色素が色変化をおこす領域の波長を含む
ものであればよい１色素がブロモチモールブルーの場合
。

アンモニアによって５００〜７００ｎｍに吸収スペクト
ルがあられれるので、赤色又は緑色のＬＥＤ。

ランプ、レーザー又は白色光源に赤又は緑のフィルター
をつけたもの等が使用できる。光検出器は、測定しよう
とする波長に対して感度があれば何でもよいが、シリコ
ンフォトダイオード、フォトトランジスタが手軽である
。又、光源あるいは光検出器と光伝導媒体との間は直接
結んでもよいしファイバー、ミラー等を介してもよい。

測定後、当該光伝導媒体は、本体よりとり出し、廃棄し
て新品と交換する。従って、洗浄の必要がなくメンテナ
ンスが容易となる。

また、光伝導媒体を成形加工により製作できるので、低
コスト化が可能である。

実施例 光伝導媒体は平板であり本体装着側の面に位置決めピン
、反応層と向い合う面の端部に、高さ０．５ｎｍのせき
を設け、樹脂成形（樹脂：ポリメチルペンテン［三井東
圧化学ｒＴＰＸＪ　］により作製した。光源は６６０ｎ
ｍのＬＥＤ（スタンレーＦＨＩＯＩＩ）、光検出器とし
てシリコンフォトダイオードを用い、これら３点を電源
、演算表示回路と共に装置に組みこんだ。反応層は繊維
状のポリエチレンの表面にγ−アミノプロピルートリー
エトキシシラン（シランカップリング剤）を含浸させ、
７０℃で乾燥し、表面にアミノ基を導入した。

そして１％グルタルアルデヒド溶液中に先の繊維を１時
間浸漬し、アミノ基とグルタルアルデヒドを反応させ繊
維表面にホルミル基を導入した。その後、ｐＨ７，０の
リン酸緩衝液に溶かしたウレアーゼ溶液に先の繊維を４
℃、１６時間浸漬し、ウレアーゼのアミノ基と先のホル
ミル基を反応させウレアーゼを固定した。試薬層は、ブ
ロモチモールブルーの２％エタノール溶液を酢酸セルロ
ースに含浸させ乾燥させた。このようにして作製した装
置において、光伝導媒体の着脱をくり返した測定におい
て良好な出力再現性を得た。

効　　　果 以上の説明から明らかなように、本発明によると、血液
中の尿素量、酒中の尿素量等を高感度に検出できる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は、それぞれ本発明の詳細な説明する
ための要部構成図、第３図は、全体の概略構成図、第４
図は、光検出器の出力と尿素量の検量結果を示す図、第
５図は、本発明の他の実施例を説明するための斜視図、
第６図は、第５図に示した装置による検量結果を示す図
、第７図は、本発明の他の実施例を説明するための図、
第８図は、従来技術の一例を説明するための図である。 １０・・・本体、１１・・・光伝導媒体、ｌｌａ・・・
ピン。 １２・・・空隙、１３・・・試薬層、１４・・・反応層
、１５・・・光源、１６・・・光検出器、１７・・・被
測定液、１８・・・支持体、１９・・・電源、２０・・
・演算表示装置、２１・・・光伝導媒体、２２・・・空
隙、２３・・・試薬層、２４・・・反応層、２５・・・
展開層、２６・・・イオン交換樹脂層、２７・・・ピス
トン。 第１図 第　２　　図 ＋、ａ 第３図 第５図 第６図 第７図　　　。８図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、液中成分の含有量を測定する装置において、光源と
   受光素子を少なくとも一部が平面もしくはゆるやかな曲
   面である光伝導媒体で結合し、該平面もしくはゆるやか
   な曲面と１０μｍ〜１ｍｍの間隔を保って、被測定液体
   中の被検物質と反応して第２の物質を発生させ、かつ、
   液体浸透性である反応層と前記第２の物質と反応して色
   変化をおこし、かつ、被測定液体に可溶である色素を含
   み、かつ、液体浸透性である色素層が設けられているこ
   とを特徴とする液中成分検出装置。 ２、前記反応層として酵素を固定化したことを特徴とす
   る請求項第１項に記載の液中成分検出装置。 ３、被検体中の夾雑物を除去するためのイオン交換樹脂
   層と、当該色素層・反応層とを一体化したことを特徴と
   する請求項第１項に記載の液中成分検出装置。