JPH02503473A - 低伝導率サンプルの電気インピーダンス測定装置 - 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】 低伝導率サンプルの電気インピーダンス測定装置〔技術分野〕 本発明は、低伝導率サンプルの電気インピーダンスを測定するための装置に関す る。重要な例として、この装置りよ典型的には、０．００１から３０ｓＳ／ＣＩ ！１−’の範囲の電気伝導率を測定することが必要な、低レベルの微生物の成長 を監視するために使用される。

〔背景技術〕

培養液中に存在するバクテリアの電気インピーダンスを測定することによつてバ クテリア成長に関する有用な情報が十分に得られる。これは場合によってはサン プルに電極を挿入して、インピーダンスを直接測定することによってなされる。

しかしながら、非侵害方法を用いることには利益がみられ、非侵害方法、すなわ ちサンプルが測定システムのいずれの電極とも物理的に接触しない状態で、容易 に働く多数のオシロメトリック技術が提案されている。これらのオシロメトリッ ク技術において、培養液のサンプルは、共振周波数がサンプルのインピーダンス を表すように、電気共振回路に関連して配置されている。

よく知られた技術はしばしば２つの範鴫に分類できる。

すなわち、サンプルが測定コイル内に置かれる誘導技術とテストサンプルがキャ パシターを形成するように電極間に置かれる容量技術である。誘導オシロメータ ーは、高伝導性のサンプルを用いると最大限に働き、従って上述または関連の応 用においては希にしか使用されない。容量オシロメーターのたくさんの異なった 装置が提案されているが、これら現存の装置、特に分解能において困難がみられ る。

微生物浮遊研究において、分解能が１０−８分の１またはそれ以上のものが望ま れている。

本発明の目的は、低伝導率サンプルの電気インピーダンスを測定するための改良 された装置、特に高い分解能を持つ装置を提供することにある。

〔発明の開示〕

従って、本発明は低伝導率サンプルの電気インピーダンスを測定するための装置 にあり、電気的絶縁壁を持つサンプル容器左；この容器に近接して置かれたコイ ル手段と；外部壁表面上に備えられた電極手段と；電極手段によって検出された 電圧に関連する電流をコイル手段に供給するように働くフィードバック手段と； サンプルの電気インピーダンスを表す出力を得るための監視手段と；を有する。

好ましくは、上記監視手段は固有発振周波数を決定するためのものである。

好ましくは、電気遮蔽手段が上記コイル手段と上記電極手段との間に備えられて いる。

本発明の重要な形式において、上記電極手段と上記コイル手段との間に可変利得 増幅手段が備えられ、該増幅手段の利得は周波数が増加するにつれて減少するよ うに調整される。

好ましくは、上記増幅手段の利得は検出された電圧の振幅が大きくなるにつれて 減少するように調整される。

〔図面の簡単な説明〕

本発明について、例を用いて、添附の図面を参照して説明する。

第１図は本発明による装置を一部ブロック図で示し：第２図は第１図に示された 装置をサンプルに対する等価回路を含んで示す電気回路図； 第３図は第１図に示された回路の増幅器形成部分の利得特性を示すグラフ図； 第４図は第１図の装置のための目盛り曲線であり；第５図は第１図と同様の変形 を示す図であり；第６図はさらに他の変形を示す本発明による装置の一部を示す 図である。

〔発明を実施するための最良の形態〕

第１図を参照すると二重トロイドコイル１０は電気絶縁サンプルチニーブ１２の 一端の回りに傭付けられており、各トロイドコイルはフェライトコアに０．２５ ＋ｍの絶縁された銅線を巻いたものである。サンプルチニーブは、この例では４ ．５關の内径と５．５鰭の外径とを持つガラスから形成されている。このサンプ ルチニーブの反対側の端の方に、サンブルチニーブの外壁を取付ける容量ピック アップ１４が備えられている。これは、伝導性スリーブを形成するために銀の混 ざったエポキシ樹脂中に埋められた多数回巻かれた裸線を有する。同様に形成さ れたシールド電極１６はコイルとピックアップとの間に約５（至）の距離を保っ た状態で、コイルピックアップ１０とピックアップ１４との中間に配置されてい る。

コイル１０の一方の端子１８はアース端子２０に接続され、さらにまたシールド 電極１６にも接続されている。分圧器２２は、ワイパーが増幅器２４に入力とし て接続された状態で、ピックアップ１４とアース端子２０との間に接続されてい る。図面において概略的に示されてはいるが、増幅器２４は後により詳細に述べ るように、適当な利得特性を持つ三段の増幅器である。増幅器２４の出力は、抵 抗２６とキャパシタンス２８を介して二重コイルの第２の端子３０に接続されて いる。抵抗２６とキャパシタンス２８の接点は、周波数メーター３２に導かれて いる。

第２図を参照すると、サンプル細胞が可変抵抗Ｒｓと可変キャパシタンスＣｓと して表された電気回路図が示されている。分圧器２２の抵抗はＲｔによって表さ れ、ピックアップ１４とシールド１６とに関連するキャパシタンスはそれぞれ、 ＣｐとＣｓｈによって表される。二重コイル１０のインダクタンスはＬによって 表される。サンプル細胞のモデルはインダクタンスＬとサンプルキャパシタンス Ｃｓにそれぞれ平行に抵抗Ｒｓを備えている。

増幅器チェーンは６００　Ｋ）Ｉｚ以上で利得の実質的・なロールオフを生みだ す内部周波数従属負フィードバックを備よる。周波数に対する利得δ変化が３つ の入力信号レベルについて第３図に示されている。さらに、増幅器が入力レベル の増加につれて呵得の減少を生みだすように設計されている。問題の信号増幅と 周波数について、１％から１０％の信号入力レベル、好ましくは２％から５％、 この例では約３％の信号レベルでミリボルトあたりの利得の減少がみられる。６ ００　ＫＨｚから３．９ＭＨｚの周波数範囲において堪幅器の出力インピーダン スは０．０２にΩから１６．５にΩに変化する。

上述の装置の動作について以下に説明する。

コイル手段１０において交流により生み出されたノイズによって、サンプル内で 、交流電荷変位を誘起する起電力を作り出す時変の磁界を生み出せるという効果 がある。純粋な誘伝体における分極現象がよく知られており、低伝導性サンプル は、自由電荷と分極可能なグループの両方の電荷変位を発生させる乱れた電界を 持つ“崩れた誘伝体°としてみなすことができる。これら電荷変位は、容量ピッ クアップ１４によって静電的に検出される。

与えられた増幅器に対して、十分な信号が、勿論、発振を励起するために低伝導 率で得られる。これは、誘導場がしきい値信号を発生するために低伝導率で十分 に高くなければならない。高周波数は表皮効果のためサンプル中に僅かにしか侵 入せず、初期周波数は発振を起こすために低くな１すればならず、サンプルチュ ーブ壁を越え、サンプルの十分の深さ中に侵入するレベルに滞まらなければなら ない。

サンプルに対するＬＣ駆動回路は、（サンプルそれ自体を介して）フィードが伝 導率を増加するにつれて増加するように、サンプル伝導率は信号振幅が増加する と同時に増加するように変化したとき、“共振のはずれ′効果を起こす。増幅器 ２４は、６００ＫＨｚのあたりで始まる出力インピーダンスの増加のために、飽 和しない。システムの発振周波数は、サンプル伝導率を表示することが可能なも のであることが分る。濃度を変えたＫＣＩのような、伝導率が知られた溶液を用 いて装置を基準化する。そのような濃度のグラフは、第４図に示され、ＫＣｌの 濃度における変化は約５．４ｍＳ／ｃｍ−’の伝導率におけるシフトに等しい上 述の装置は、高い分解能をもち、典型的回路装置において、伝導率の単位変化当 りの周波数シフトに換算して、１０−’ｍ　Ｓ　／　ｃｍ−’当り３００Ｈｚの 分解能を与えることが分る。高い分解能は、知られた誘導オシロメータと比較し て、サンプルが測定コイルそれ自体のインピーダンスを変化するだけでなく、共 振回路のフィードバックパスの部分を形成するということも、一部起因している と考えられる。

サンプルは、インピーダンスの値を簡単に変えないが、フィードバックパスにお ける信号振幅の関数として増幅器の出力インピーダンスを変えることによって、 ＬＣ及びＲＣ能動フィルタの直列回路を形成する。

実際の応用における比較的大きい周波数シフト（典型的には５６ＫＨｚから１１ ２ＫＨｚの周波数変化になる微生物インベディオメトリイにおける２００ｍ５か ら４００ｍ５のシフト）は、優れた分解能を提供する。さらに、分解能は、典型 的微生物懸濁液、酵素反応及び試薬濃度の電解液の条件範囲の許容限度内で一定 であることが分る。測定が周波数に基づいているという事実は、精度における予 期される長所と干渉の回避をもたらす。動作周波数が比較的低いため、サンプル 容器の配列で多重技術を使用することができる。第５図を参照すると、２つのサ ンプル容器が示されているが、かなり多数のサンプル容器を含むことも可能であ る。ふされしければ、同じ参照数字が第１図のものと同様に使用される。増幅器 ２４とサンプルピックアップとコイルとの間には、コントローラ５２によって駆 動されるスイッチ回路網５０が配置されている。これはヒユーレットバラカード ８６のような商品として入手可能なＰＣでよい。周波数メータは商品として入手 可能なモデルシニランバーガー（Ｓｅｈｌｕｍｂｅｒｇｅｒ）　２７２０が便利 であるが、それは、コントローラ５０にさらに接続されている。コントローラは 任意の便利な形の出力を提供するように改造される。

さらに他の変形例が第６図に示されている。１４で一般にしめされた容量ピック アップは、２つの電極６０を有しその各々は、ハウジング６４に対して作用する 圧縮バネ６２を介してチューブ壁に接触してバイアスされる。遮蔽電極が開口６ ８をもつ接地されたプレート６６の形をしており、開口６８中をサンプルチュー ブ１２が近接して嵌込まれている。この装置において、サンプルチューブ１２は 矢印Ａの方向に装置から摺動可能に引上げられる。従って潜在的に危険なサンプ ルの封じ込めと輸送に関して明らかに有利な、使い捨てで予めサンプルが満たさ れていて再利用価値のないサンプルチューブを使用することができる。

本発明について例によって説明したが、種々の変形が本発明の趣旨を逸脱するこ となく可能であることが分る。従っへて、例えば、さらに別の代わりのものが容 量ピックアップのために利用でき、トロイダルコイルが好ましいけれども、代わ りのコイル手段を用いてもよい。さらに、当業者にとっては、第１図の図面によ って示されたような形態はさまざまに変えられることが明らかである。

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Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. １．電気的絶縁壁をもつサンプル容器と；該容器に近接して置かれたコイル手段 と；外部壁表面上に備えられた電極手段と；該電極手段によつて検出された電圧 に関する電流を上記コイル手段に供給するように働くフィードバック手段と；サ ンプルの電気インピーダンスを表す出力を得るための監視手段と；を有する低伝 導率サンプルの電気インピーダンス測定装置。
2. ２．上記監視手段は固有発振周波数を決定するためのものである請求項１記載の 装置。
3. ３．電気遮蔽手段が上記コイル手段と上記電極手段との間に備えられている請求 項１又は２記載の装置。
4. ４．サンプル容器は細長く、上記コイル手段と上記電極手段は該容器の長さ方向 に添つて距離を置いている請求項１乃至３のいずれか１つに記載の装置。
5. ５．上記コイル手段は少なくとも１つのトロイダルコイルを有する請求項１乃至 ４のいずれか１つに記載の装置。
6. ６．上記コイル手段はサンプル容器の長さ方向と一直線の軸をもつ少なくとも１ つのトロイダルコイルを有する請求項４記載の装置。
7. ７．上記フィードバック手段は上記電極手段と上記コイル手段との間に置かれた 可変利得増幅手段を有し、該増幅手段の利得は周波数が増加すると減少するよう に調整される請求項１乃至６のいずれか１つに記載の装置。
8. ８．上記増幅手段の利得は５００ＫＨ２から４ＭＨｚの周波数で５から２０ｄＢ ずつ、好ましくは約９ｄＢずつ減少する請求項７記載の装置。
9. ９．上記フィードバック手段は可変利得増幅手段を有し、該増幅手段の利得は電 極手段によつて検出された電圧レベルが増加するにつれて減少するように調整さ れる請求項１乃至６のいずれか１つに記載の装置。
10. １０．上記利得は検出された電圧のミリボルト増加につき２％から５％ずつ、好 ましくは約３％ずつ減少する請求項９記載の装置。
11. １１．サンプル容器は上記コイル手段と上記電極手段から摺動可能に移動できる 請求項１乃至１０のいずれか１つに記載の装置。
12. １２．上記電極手段は容器の外部壁表面に接触して弾力的にバイアスされる電極 を有する請求項１１記載の装置。