JPH02247561A - 濃度測定装置及び濃度測定方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、被検液中の反応物（被測定物質）の濃度を測
定する装置に関する。本発明は、食品、医薬品、農業、
畜産業、水産業の工程管理、環境計測又は医療診断、計
測等に、更にはグルコース等の濃度を測定するバイオセ
ンサ等に利用される。

〔従来の技術〕

従来の被測定物質の濃度測定装置としては、電流測定法
及び電位測定法の電気的手法による方法、又は発色又は
発光する物質を用い、光電子倍増管、フォトダイオード
等により、吸収スペクトル等の強度から所定物質の濃度
を求める吸光度測定法の光学的方法が知られている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記電気的手法による装置は、電気的ノイズの影響を受
けやすく、かつ精密な計測装置が必要である。また、上
記光学的方法による装置は、特別な発色剤が必要になり
かつ精密で高価な計測器が必要である。更に、両方法と
もに連続計測に適さない。

本発明は、上記観点に鑑みてなされたものであリ、外壁
における触媒反応による発熱又は吸熱により管状体内部
の媒体の半径方向に屈折率分布を生じさせることにより
、光の伝播特性が変化することを見出して完成されたも
のである。

本発明は、連続測定に好適で、電気ノイズを受けに＜＜
、簡便で安価で、多くの反応系を適用でき、更に必要に
応じて工程の遠隔管理ができる濃度測定装置を提供する
ことを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の濃度測定装置は、少なくとも外壁に被検液中に
含まれる反応物の反応を促進する触媒を有する管状体と
、該管状体の一端側及び他端側に各々取り付けられる媒
体の導入手段と導出手段と、上記管状体の外周側に配置
され内部に上記触媒と接触する上記被検液を保持し又は
流通させる保持体と、上記管状体の一端側及び他端側の
各々に配置される発光素子と受光素子と、を具備し、被
検液中の被測定物質の触媒反応による発熱又は吸熱によ
り管状体内部の媒体の半径方向に屈折率分布が生じ、こ
れにより、光の伝播特性が変化し、この変化を受光素子
により検出することを特徴とする。

ここで、「少なくとも外壁に触媒を有し」とは、管状体
の外周面上に触媒層を被覆形成させてもよいし、管状体
自身を触媒物質で構成してもよい意味に用いる。この触
媒層又は管状体自身は、触媒物質のみからなってもよい
し、触媒を主体とするものからなってもよい。この触媒
層を形成する場合には通常、被検液と接触する外壁面に
被覆させるが、その一部でもよいし又は被検液と接触し
ない外周面も含む管状体全外周面であってもよい。この
被覆層の膜厚、気孔率、その形成方法等は問わない。尚
、触媒作用をもつ管状体の場合において、管状体内部の
媒体と触媒反応を生じる場合にはその内壁に被覆膜を形
成して触媒反応を阻止する構成でもよい。

この触媒は、被検液中の被測定物質の反応を促進するも
のであり、この物質の種類により適宜選択される。更に
、これは、グルコースを酸化させてグルコノラクトン及
び過酸化水素を生成するグルコースオキシダーゼ等の酵
素、更には微生物、抗体等も使用でき、この場合はバイ
オセンサとして応用できる。

上記被検液保持体は、被検液を保持又は流通させるもの
であればよく、その形状、大きさ等は問わず、槽又は外
側管状体等とすることができる。

〔作用〕

管状体の外壁に固定化された触媒は被検液に含まれる基
質（被測定物質）の反応を触媒し、発熱又は吸熱作用を
示す。一方、管状体の内部を層流状態で流れる媒体は管
状体の壁部から加熱又は冷却を受ける。この加熱の場合
には、この媒体は周辺部において熱膨張を起こし、中心
部の媒体より密度が小さくなる。冷却の場合は逆の傾向
となる。従って、第４図に示すように、管状体の中心軸
に対称な密度分布即ち屈折率の分布を生じる。同図（イ
）は加熱の場合、同図（ロ）は冷却の場合を示す。

そして第５図に示すように、媒体Ａへ入射した光は、第
４図（イ）の場合は、内側に曲げられ壁面での吸収、散
乱が少なくなるとともに反射の回数も減少して、内壁で
透過、吸収される量が減り、受光量が増大する。上記第
４図（ロ）の分布の場合には、外側へ曲げられ、上記と
逆の関係となる。尚、比較のために、屈折率分布を有し
ない場合の従来例を点線の（ハ）に示す。

以上より、本発明の場合には、媒体の半径方向に屈折率
の分布をもつので、光の透過量が、触媒の有無又は濃度
測定用物質の濃度により増減して、両者は比例の関係を
示すこととなる。尚、この傾向は反応物の濃度が高くな
る程、大きくなる。

〔発明の効果〕

上記作用に示すように、本測定装置においては、測定用
物質の広い濃度範囲まで良好な比例関係特に直線性を示
すので、その測定に極めて好都合である。また、光学的
方法と異なり連続測定ができ、ｐｔ−ｒに影響されず、
電気的方法と比べて電気的ノイズを受けにくいので安定
して測定することができしかも簡便な装置であり安価で
ある。更に、触媒反応も発熱及び吸熱反応を自由に選択
できしかも発熱又は吸熱をしさえすれば適用できるので
大変多くの反応系を用いることができる。

更に、光ファイバを用いる場合には、この光ファイバを
延長することにより工程の遠隔管理ができ、大変有用で
ある。

〔実施例〕

以下、実施例により本発明を具体的に説明する。

実施例１ 本実施例は、過酸化水素濃度を測定するものであり、そ
の要部の縦断面図を第２図、全体斜視図を第３図に示し
た。本装置は、管状体１と触媒層２と媒体導入手段とし
ての導入部３と媒体導出手段としての導出部４と被検液
保持槽５とＨｅ−Ｎｅレーザ６とオプチカルメータ７１
とからなる。

この管状体ｌは内径が２　ｍｍφ、外径３■ｌφ、長さ
１００１１ｍの両端開口の鋼管である。この管状体ｌの
両端部を除く外壁には酸化銅（Ｃｕｂ）及びその外側の
触媒層となる四三酸化鉛（ＰｂｓＯ４）の２層が形成さ
れている。この管状体ｌの両端部には、内側に配置され
る鍔部３１．４１と端部に配置されるガラス窓３３．４
３とその間に配置される筒部３２．４２とこの筒部３２
．４２の側部に取りつけられる媒体導入口３４又は媒体
導出口４４とからなる媒体導入部３又は媒体導出部４が
、取外しができるように取付けられている。媒体Ａはこ
の導入口３４に入り、導出口４４から出る構成となって
いる。尚、媒体の導入、導出は上記と逆にしてもよい。

この管状体１等は、被検液Ｂを貯留した保持槽５のほぼ
中間を貫通しており、上記触媒層２と被検液Ｂとが接触
する構成となっている。

Ｈｅ二Ｎｅレーザ６は発光源となり、このレーザ光がガ
ラス窓３３を介して管状体１内邪に送光され、他端のガ
ラス窓４３に対置された光ファイバ８を介してオプチカ
ルメータ７１により受光量を検出する構成となっている
。

本装置は以下のようにして製作された。即ち、まず、上
記鋼管を用意し、これを大気中、６００℃で１時間熱処
理し、この管の内外面にＣｕＯの黒色皮膜を形成する。

別に、Ｐｂ３０ａの懸濁液を用意し、上記熱処理鋼管の
外表面に塗布し、大気中、４８０℃、０．５時間焼付処
理を行い、厚さ約０．１ｍｍのＰｂ５Ｏａ触媒層２を形
成した。

この管状体１を保持槽５の所定の穴に貫通、配置させ、
この管状体１の各端部に、上記媒体導入部３及び媒体導
出部４を取付けて、媒体である水の導入、導出、光の導
入、取り出しを行えるようにした。尚、この管状体１と
導入１ｓ３又は導出部４の接触部にはシール材が配置さ
れ、シール性を確保した。そして、導入口側のガラス！
！３３に所定のレーザ装置６を対置し、その他方のガラ
ス窓４３にプラスチック光ファイバ（１ｍｍφ）８を対
置し、更にこれをオプチカルメータ７１に接続した。

上記装置において、毎分０．４ｍｌの脱イオン水Ｂを媒
体導入口３４に連続的に供給して管状体内部の水を層流
状態を保つように流すとともに、波長５４３ｎｍ、出力
１ｍＷのレーザ光線を管状体ｌのほぼ中心に入射させ、
かつ保持槽５内に所定濃度の過酸化水素水容液を管状体
ｌが十分に埋没されるように入れた。尚、媒体供給手段
は公知の種々の手段を用いる。

以上より、過酸化水素が水と酸素に分解される際の発熱
に伴う受光量の変化を読み取り、その結果を第６図に示
した。

次いで、比較例として、触媒を有しないことを除いて上
記実施例と同様にして試験を実施し、この結果も同図に
併記した。

この図に示すように、比較例は、過酸化水素濃度を高く
しても光電流値と濃度との関係における勾配（変化）も
極めて小さいので、その濃度に対する十分な感度が得ら
れずその検出には適さない。

一方、本実施例では、管状体の外壁での発熱により第４
図（イ）に示すように、管状体の中心側よりも内壁側の
方が屈折率が小さくなり、第５図（イ）に示すように光
は内側へ曲げられるので、管壁での透過、吸収量が減り
、受光量が増大した。そして、広い濃度範囲において傾
きの大きな良好な直線関係を示した。

従って本装置を用いれば、広い濃度範囲において過酸化
水素の濃度を良好にしかも感度よく測定することができ
、更に電気的ノイズを受けずに高速度で、連続測定をす
ることもできる。

実施例２ 本実施例は、第１図に示すように被検液保持体として外
側管状体５１を用い二重管状体構造とし、媒体導入手段
及び導出手段として直接内側管状体１に取付けられた各
導入口３及び導出口４を用いたものである。更に、外側
管状体５１には導入口５１ａ及び導出口５１ｂが各端部
側に取りつけられており、連続して被検液を供給できる
構成となっている。内部管状体１．の少なくとも両端面
側は透明のガラス又は樹脂で構成される。尚、媒体導入
手段又は導出手段は、実施例１のような媒体導入部又は
媒体導出部とすることもできる。

この場合は、全体構造が簡便でかつ小型とすることがで
き、連続測定に好都合である。

尚、本発明においては、上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、上記管状体と
は、被検液を通過させるものであればよく、その大きさ
、長さ、全体形状、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。この管状体は熱伝導の良
い材質が好ましい。−層感度が上がるからである。

媒体としては、上記実施例１のような液体でなく、気体
とすることができ、また水辺外の種々の液体とすること
もできる。

発光素子としては第５図に示すように発光ダイオード６
１を用いることもできる。受光素子としても、他の公知
のものを用いることもできる。光ファイバをその両方ま
たはその一方に配置してもよく、この場合第５図に示す
ように直接に光ファイバ８１をゴムシール１０を介して
管状体ｌ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、取付は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、発光素子による光の照射方法は、管状体端面全体
をほぼ均等に照射してもよいし、レーザの場合には、通
常実施例１のようにほぼ中心に照射するがこれに限らず
、管壁に近い所、中心に近い所等に照射することもでき
る。この管壁に近い所の場合には、感度を向上させる効
果がある。また光束径も目的等により種々選択する。

更に、本装置は、濃度測定のみならず、被検液の温度に
より媒体の半径方向の屈折率分布が異なるので、温度セ
ンサとして用いることもできる。

尚、この場合には触媒層等を具備する必要はない。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例２に係わる濃度測定装置の説明断面図、
第２図は実施例１に係わる濃度測定装置の要部説明断面
図、第３図は実施例１に係わる濃度測定装置の斜視図、
第４図は管状体の半径方向に屈折率の分布が生じること
を示す説明図で、（イ）は中心側が大きく　（ロ）は内
壁側が大きい状態を示し、第５図は管状体を通過する光
の軌跡を示す説明図、第６図は実施例において過酸化水
素濃度と受光量との関係を示すグラフである。 ｌ；管状体、２；触媒層、３；媒体導入部（手段）、４
；媒体導出部（手段）、５．５１；被検液保持槽、６；
レーず装置、７；受光素子、７１；オプチカルメータ、
８；光ファイバ。 特許出願人　　日本特殊陶業株式会社 代　理　人　　弁理士　　小島清路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）少なくとも外壁に被検液中に含まれる反応物の反
   応を促進する触媒を有する管状体と、該管状体の一端側
   に取り付けられ該管状体の内部に媒体を導入する導入手
   段と、 該管状体の他端側に取り付けられ該管状体から上記媒体
   を導出する導出手段と、 上記管状体の外周側に配置され内部に上記触媒と接触す
   る上記被検液を保持し又は流通させる保持体と、 上記管状体の一端側に、直接に又は送光用光ファイバを
   介して、配置される発光素子と、 上記管状体の他端側に、直接に又は受光用光ファイバを
   介して、配置される受光素子と、を具備することを特徴
   とする濃度測定装置。