JPH0363550A - 濃度測定装置および濃度測定方法 - 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】 〔発明の背景〕 （産業上の利用分野） 本発明は、一般に流体または混合気体中における要素、
化合物あるいは他の被分析物の濃度測定に関するもので
あり、より詳しくは、流体または気体状混合物における
酸素濃度の測定に関するものである。

（関連技術の説明） 流体または気体状混合物における要素または化合物など
の被分析物の濃度測定について、多くの方法、装置が提
案されてきた。これらの方法および装置は、現代医学の
分野では特に重要となっている。というのは、これらの
分野では、血液化学や他の生命危機状態での診断および
測定の監現が、有用ですぐれた治療を行うために益々重
要となってきているからである。そのような測定方法お
よび装置は、インジケータとして用いられているある染
料からの放射の消失現象に基づいて、血液中の酸素濃度
を測定するようなものであった。これらの方法を有する
いくつかのシステムは、血液中酸素濃度を測定するため
の血管内カテーテル（ｃａｔｈｅｔｅｒ）に採用されて
きた。そのようなカテーテルでは、光ファイバが、外部
機器で発坐した励起光を、カテーテル端末に配されたイ
ンジケータ（Ｉｎｄｉｃａｔｏｒｓ）と一体になってい
る感応要素に伝達するようになっている。そして、光フ
ァイバーは、この感応要素からもたらされる放射光を、
その外部機器の検出部に送り戻すようになっている。

このような測定方法は、十分有用なものとして、また、
容認できる程度の感度と正確さとを持っているものとし
て呈示されてきたけれども、指示される酸素濃度は、し
ばしば、ドリフトしたり、あるいは、不正確であったり
、偏置したりする傾向があった。というのは、この発光
強さは、酸素濃度に加えて、その装置および染料に関係
する多くのファクタの関数となるからである。これらの
ファクタには、励起光の強さ、光ファイバの伝達、サン
プル温度、インジケータとして用いる染料（ｄｙｅ）の
濃度、そして、インジケータの局部的環境（例えば、染
料が浸透性分析マトリクス中で固定されるときの染料−
マトリクス構造の変化）などが含まれる。システムが出
力の強さを、ある安定した独立のソースと比較する手段
を含んでいるときには、光センサは、非常に高い性能や
安定性を示すことが広く認められてきた。理想的には、
このソースの特性は、酸素に感応する成分に影響を与え
るようなファクタに関しても、酸素感応度以外はインジ
ケータの特性と同一の変化を描くべきである。この場合
には、酸素濃度のみに依存する割合をもたらすだろう。

このような比較する手段を提供するための色々なアプロ
ーチが提案されてきた。例えば、酸素に晒されることの
ないインジケータの資料提供することであるとか、ある
いは、異なる科学構造のインジケータを使用することで
ある。これら全てのアプローチは、より複雑な装置をも
たらす粘果となったが、感応要素とは異なる光漂白作用
、あるいは、異なる侵出作用などの、インジケータの機
能を低下させるような現象を必ずしも補償できるわけで
はない。ある一つの化合物が、その発光およびりん光の
割合いを基準として、インジケータおよび比較物質の双
方に用いられることが示唆されてきたけれども、ような
用い方のために研究されてきた試薬は、水やその他の液
体試料の分析に適したものではなく、また、そのような
方法は限られた実用性のものであることを示すものであ
った。

それ故、発光が消失する現象を用いているインジケータ
の出力を比較手段は依然必要とされている。この発光が
消失する現象は、単純なものであり、カテーテルシステ
ムにおいては容易に実行できるものである。そして、イ
ンジケータの発光放射の広い変動範囲内で、正確に標準
化する手段を提供できる現象である。さらに、このよう
な方法が色々なインジケータに応用されると、（この手
段は）非常に有益なものとなるだろう。また、光を励起
し、これを測定する機構に伴って、複雑な電子部品およ
び光学部品を付加する必要もない。

（発明の要約） 本発明は、インジケータのある種のものを、インジケー
タと比較要素との双方に用いるようにした、方法および
装置を提供するものである。従来のある血液酸素化学セ
ンサは、ある波長の光の照射により発光する染料を、イ
ンジケータに取入れられる種（ｓｐｅｃｉｅｓ）として
使用している。このようなセンサの一つの特別な使用の
仕方は、血液Φの酸素濃度を測定することである。もし
、この染料が酸素を含む液体に晒されると、液体中の酸
素濃度に比例して発光が消失するだろう。しかしながら
、そのような方法の出力の読取り方は単純ではなく、ま
た、どのような付帯的徴候もなく、発光が低下するかも
知れない。

本発明は、適切なインジケータとして、多核芳香族、よ
り詳しくはペリレン誘導体を、架橋ポリジメチルシロキ
サンのような適当な母材と一緒に使用するものであり、
好ましくは適当なカテーテルシステムを用いて、血液の
流れの中に挿入するためのセンサ要素を提供するもので
ある。前記の母材を、光吸収が最大となる特別な波長レ
ンジの光、あるいは、そうでない波長の光で照射するよ
うにし、この類１・１により放射される少なくとも二つ
の波長レンジの発光を測定すると、放射スペクトルの異
なる部分では、酸素の／ｌ在による消失について、異な
る感応度を有していることが観察された。あるペリレン
誘導体を選択し、これをシリコン母材中に拡散または固
定化すると、重要な予測し得なかった利益が引出された
。つまり、その染料の他の部分、あるいはこれと類似の
ものからよりも、むしろ、この染料の放射光それ自身の
性質から、この放射光の強さを標や化することができる
。したがって、感応方法および装置の複雑さを提言する
ことができ、また、従来装置で用いられていたものと穴
なる物質で作られたものの放射光の測定の不確実さを除
去することができる。もし、従来と同じ染料が有機溶媒
中で放射つれた場合、放射光スペクトルの全体に渡って
、酸素感応度はほぼ同一となる。従って、そのようなも
のは、実際には、標準化手段として用いることができな
い。

このように、本発明の標準化手段の使用は、従来方法よ
りも正確インジケーション方法をもたらし、さらに、被
分析物を含む思料を測定するにあたって、はるかに簡１
１ｔなシステムおよび装置をもたらすことになる。本発
明は、インジケータをり。

するセンサモジュールを持ったカテーテルを使用するこ
とによって、血液中の酸素濃度を測定するのに特に有用
であることがみとめられる。けれども、この方法は、ま
た、インジケータを活性化して出力を生じさせ、この出
力のレベルは測定されるべきものの７！在によって変化
するような、いかなるＭ１定システムに対しても有益で
あることが認められる。

上記のことから、光等の外部照射に晒された場合に放射
光を発するインジケータを使用することによって、肢体
中の被分析物のｌ農度をハｊ定することについて、本発
明は新規で有用な方法を提供することがわかるだろう。

この発明の他の態様および長所は、本発明の原理を大施
例を通して説明し、添附図面と関連して述べられている
以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

〔好適な実施例〕

この発明は、例えば、励起状態の変化、繊維軸の変化、
充分角ｑにて生成される染料濃度の変化を伴う摂動シス
テムにおいて、その成分子１ｌｌｌ定と、蛍光信号の正
規化との両方を成し遂げるために、１１１−の試料の感
応部材を使用することのできる装置と方法とに具体化さ
れる。

血中の酸素濃度を測定するために使用されるセンサは従
来からよく知られている。これらのセンサには、ある決
まった波長の光を照射したときに蛍光を放つ染料を利用
するものがある。もし、その染料が濃縮中の酸素に晒さ
れると、蛍光は血中の酸素濃度に比例して予測した通り
に消失するだろう。さらにまた、そのような染料の蛍光
による酸素の消失は、一般には全発光帯にわたって一様
に起こる。

ＲｒＥＪＦＫ動に対応するようになされたそのようなシ
ステムの正規化のための伝統的手段は、酸素に対してＳ
ｉ感な第２の染料種の混在物の影響を受けるが、酸素濃
度が変化する以上に、他の全因子によって蛍光強度が変
化する。そのようなシステムは、染料の較差型減成また
は較差型侵出の影響をうけやく、測定方法の信頼性を落
とすことになる。

本発明は、ある酸素インジケータ染料がシリコンマトリ
クス中に分散または固定され、かつ、最大吸収周波数を
持つ光または最大吸収周波数の無い光が照射されたとき
、酸素指示インジケータの消失現象に鋭敏な周波数をｔ
ｊｊった蛍光を放射するだろう。酸素の消失により感度
が異なり、かつ、周波数によって出力が変化するような
汲低二つの波長レンジの蛍光放射を測定することにより
、別個の第２の染料試料を必要とせずに、酸素の存（Ｉ
：。

に起因して消失する蛍光の規格化された測定が可能にな
る。しかして、この発明に係るシステムと装置は、染料
侵出および／または染料光減成に対して、二つの染料を
用いる方法をとらない規格化されたより正確な比率方法
を提供する。

第１図はこの発明に従った装置を構成する要素の全体配
置を示した図である。光源２は光ビーム４を発生し、こ
の光ビーム４はレンズ機構６で集光されて先ファイバ１
０のコネクタ８に導入される。

先ファイバ１０はセンサモジュール１２にその光を導く
。センサモジュール１２は酸素濃度を測定するべき流体
１４の中に置かれている。センサモジュール１２は、一
般には染料材料を組み入れる（それをマトリクスに結合
して固定する）指示部１６をＨし、この指示部１６は光
学部材１８を囲んでいる。出力用の光フアイバー２０は
光導体１８からレンズ機構２２に光を送り込む。このレ
ンズ機構２２は光検出器アレイ２４上に光を集めるもの
で、測定すべき別々の周波数出力に感応する二つまたは
それ以上の検出器２６を含んでいる。実際には、検出器
は全て同一でフィルタが装着されている。このフィルタ
は、検出器に到達する光に対して、測定すべき周波数を
もっている。そのような検出器の電気的出ノノはケーブ
ル機構２８を通って計算機３０に供給される。この計算
機３０は個々の検出器の信号と被分析物に対する周波数
帯における各センサの感度を表す内部のアルゴリズムと
により、成分の百分率を計算する。

＝１算機の出力は血液流内部の酸素濃度を直接指示する
メータ形をしたものか、または、他の手段に供給される
。上述した装置は、光の放射とセンサモジュール１２か
らのデータの収集は個々の光ファイバーによって形成す
るように表されているが、これらの巧みな技術は、ある
種の応用に対してこの装置の簡素化または改造に用い得
る時分割およびビーム分離を含む他の方法を採用するこ
ともできるだろう。

このシステムのセンサ装置は第２図に詳細に示されてい
る。ここで光導体１８はセンサ染料１６を照射する手段
となっている。センサ染料１６はマトリクスとして光導
体を取り囲む状態で固定される。

そのような染料を試薬として用いる好適なシステムは、
鎖状結合ポリジメチルシロキサンのようなマトリクス中
にペリレンを分散させ、そのようなセンサ染料を酸素浸
透膜３４で取り囲むようになっている。この酸素浸透膜
３４は酸素濃度測定が実行されるように光の消失を助長
する染料と酸素とを混合させる。ψ心の光導体を囲むよ
うに試薬が分散したことを示したセンサ装置に対する巧
妙な技術は正しく評価されるだろうし、試薬カプセルが
光を放射すること、または、光ファイバーの端から光を
発生する他のシステムは同じようにこの発明に適用でき
る。

第３図に示した消失、すなわち、酸素濃度の関数として
、破線３４で表された非泪失出力レベルと支線３６で表
された消失レベルとの偏差分は、そのような測定に使用
される因習的な染料の一つを使ったことに対するもので
、一般には全ての放射・：；）で一定である。しかして
、酸素に対する消失の差を示すスペクトル領域は存在せ
ず、単一染料を使って比率を求める計画は不可能である
。これは従来装置を動作させることに従ったセンサの正
常なモードである。比率操作においては、付加的な染料
種を取り入れなければならず、そこで、酸素に感応する
領域と異なる消失状態となる領域が付加される。理想的
には第２の染料は消失をしないものが望まれるが、はん
の僅かの消失効果であるものも使用可能である。しがし
、二つまたはそれ以」二の染料または種を基準とするよ
うに計画しても、二つの種が減成および侵出の割合の異
ることが予測され、光学的な減成または侵出のいずれか
による染料の損失により基準とはなり得ない。さらに、
温度、酸素環境、励起力、分析媒介物等の環境条件に各
種が穴存するため、二つの種の減成、侵出の割合の相違
は一定にはならない。

これとは対称的、第４図は、シリコンマトリクスに固定
または拡散させた本発明で使用する特定の染料に対する
酸素濃度を関数とした消失を示している。この場合、酸
素の存在に対して十分に敏感なインジケータに対するシ
；）域があるが、測定すべき液体中の酸素濃度に比較的
感応しないもう一つ他の帯域が最低一つはある。

第５図は、評価されるべき流体中の被分析物として存作
する酸素ユニット毎の周波数を関数とするそのようなイ
ンジケータの出力を表している。

この図から明らかなように、与えられた酸素濃度に対し
て、蛍光の消失感度は出力周波数によって変化する。４
００　ｎ１１から４５０　ｎａ＋まで比較的敏感な帯域
と、４５０　ｎｍから５００　ｎｍまでの比較的鈍感な
帯域とで出力は変動し、大隊の酸素濃度の直接的指示が
行われる。システム中で染料の減成または侵出が行われ
たとき、放射スペクトルの酸素−敏感領域および酸素−
姉感領域の蛍光強度は同一の染料種であるために同じ割
合で変化する。従って、その二つの強度の比は一定にな
るだろう。また、ドリフトまたは不正確さを解消するこ
とができる。

この説明の目的のために、我々は内部比計画、すなわち
、単一の染料種としてインジケータと基中化合物の両方
を用いることを定義している。放射スペクトルに対して
最低二つの領域、すなわち、一つは酸素消失を示す領域
と、消失を非常に低くし得る、理想的には本来的に酸素
による消失を生じない領域の存在が必要である。

各波長レンジの放射レベルはシュテルンーフォルマーの
表現で述べられている。

Ｆｏ／Ｆ−１＋ＫｘＰ０ま ただし、Ｆｏは酸素無しの蛍光強度；Ｆは酸素分圧ＰＯ
２の蛍光強度；にはシュテルンーフォルマーの定数であ
る。このシュテルンーフォルマーの定数は異なる放射波
長レンジ（すなわち、大隊には消失の差）で実質的に異
なり、それから、ＰＯ２は酸素分圧の他の因子から計算
値が独立であるようにして計算される。この比率計画は
、他の摂動と同じようにして、染料の損失に対して標や
化されるであろう。

下記の例は、発明をさらによく迎角ダすることを助ける
ために包含させたものである。これらの実例は例証を目
的としてもので、発明の範囲を限定するつもりのもので
はない。（従来の染料を用いた測定） 酸素感応染料の典型的な動作を説明するために、デカセ
フリン／ポリジメチルシロキサンのマトリクスをＱＲし
、そして、蛍光分光光度計の薬室に抑大する。試料が３
９５　ｎｍの光（染料に最高に吸収される）で照射され
たとき、全放射スペクトルに渡ってシュテルンーフォル
マーの定数には０．００３５Ｌｏｒ−’である。さらに
、染料の最大吸収が起きない周波数の光を照射したとき
全放射スペクトルに渡ってシュテルンーフォルマーの定
数には０．００３５１ｏｒ”である。しかして、このイ
ンジケータ材料に対して内部比率計画は不可能であるこ
とが分かる。

（本発明の染料を用いた第１の７１１１定例）内部比率
操作と併せて本発明を説明するために、コロネン／ポリ
ジメチルシロキサンのマトリクスを準備し、そして、蛍
光分光光度計の薬室に挿入する。試料が３８０　ｎ＠の
光で照射されたとき、波長に応じた酸素感度の放射が観
察され、５００　ｎｍの放射は０．０００５４Ｌｏｒｒ
−’のＫの値を持ち、４２０　ｎａ＋の放射に対しては
０．０１０ｔｏｒｒ’のＫの値を持つ。

しかし、キシレンに溶かされたコロネンが蛍光分光光度
計の薬室に挿入され、３８０　ｎｍの光が照射されると
、波長に応じた酸素感度を示さない放射が観察され、そ
の放射は４２０　ｎｍの領域も５００　ｎｍの領域も同
じに０．０１０ｔｏｒｒ”のＫの値を持つ。

（本発明の染料を用いた第２の測定例）さらに、我々の
発明を説明するために、ナフトール［８、１、２−ａｂ
ｃ］コロネン／ポリジメチルシロキサンマトリクスを準
備し、蛍光分光光度計の薬室に挿入する。試料が４０８
ｎｍの光で照射されたとき、波長に応じた酸素感度の放
射が観察され、５７０　ｎｔｐの放射は０．０００４４
ｔｏｒｒ−１のＫの値を持ち、４８０ｎ−放射に対して
はロ、０１４７ｔｏｒｒ　−１のＫの値を持つ。

上記の例から、本発明は、二分割工程または比率関数を
形成する装置を必要とせずに、蛍光インジケータの連続
した標準出力手段を提供できることが明らかである。同
特に１、本発明の範囲および精神から逸脱しないで達成
される種々の変更は、特定の形に図示および説明された
本発明に属することも明らかである。従って、従属クレ
ームだけで本発明を限定解釈してはならない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る装置の概略構成図で、センサ照射
手段と、センサが検知したサンプル中の酸素濃度の情報
収集との関係を示した図である。 第２図はセンサシステムを構成する要素を配置した拡大
断面透視図である。 第３図は酸素が存在するところに、シリコンまたは代表
的な１機溶剤中の代表的な酸素感知染料が照射された時
に起きる蛍光消失を示す図である。 第４図はシリコン媒体中に固定または拡散された染料が
与えられた酸素濃度の存在のもとで照射された時に、周
波数の関数として蛍光の消失を示した図である。 第５図は照射された一つの染料に対する出力の周波数を
関数とする蛍光消失を示し、これはサンプル中の酸素濃
度を求めることを可能にする出力比を示した図である。 ２・・・光源、４・・・光ビーム、６・・・レンズ機構
、８・・・コネクタ、１０・・・光ファイバ、１２・・
・センサモジュール、１４・・・流体、１Ｂ・・・セン
サ染料、１８・・・光学部材、２０・・・光ファイバー
、２２・・・　レンズ機構、２４・・・光検出器アレイ
、２Ｂ・・・検出器、２８・・・ケーブル機構、３０・
・・：１°算機・・・３２・・・メータ、３４・・・酸
素浸透膜。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、外部の励起に晒されるとエネルギーの出力を生じ、
   この出力は接触した被分析物の濃度の関数として変化し
   、さらに、一定濃度の前記被分析物を接触させたとき前
   記出力が周波数の関数として変化する要素を含んだ種と
   、 ある量の前記種を幽閉すると共に、前記種の少なくとも
   一部を前記被分析物に接触させる手段を有する幽閉手段
   と、 前記種を励起させる手段と、 複数の周波数で前記種の出力を測定する手段と、前記出
   力の測定値から前記被分析物の濃度を導出する手段と、 を備えた濃度測定装置。 ２、前記幽閉手段は前記種を固定または拡散させてその
   内部に被分析物を透過させるマトリクスを含む請求項１
   記載の濃度測定装置。 ３、前記種は本質的にペリレンとその誘導体で構成され
   たグループから選択された蛍光染料を基にする多核芳香
   族炭化水素である請求項１または２記載の濃度測定装置
   。 ４、前記種はコロネンである請求項１乃至３のいずれか
   に記載の濃度測定装置。 ５、前記種はナフトール［８，１，２−ａｂｃ］コロネ
   ンである請求項１乃至３のいずれかに記載の濃度測定装
   置。 ６、前記マトリクスは鎖状結合ポリジメチルシロキサン
   である請求項２乃至５のいずれかに記載の濃度測定装置
   。 ７、前記マトリクスはポリジメチルシロキサンの鎖状結
   合誘導体または共重合体である請求項２乃至５のいずれ
   かに記載の濃度測定装置。 ８、前記有感被分析物は酸素である請求項１乃至７のい
   ずれかに記載の濃度測定装置。 ９、前記有感被分析物は麻酔作用剤である請求項１乃至
   ７のいずれかに記載の濃度測定装置。 １０、液体培地中の分解物を接触させたとき、周波数の
   関数としてエネルギーの出力を変化させるインジケータ
   のサンプルを液体に接触させ、前記インジケータに光を
   照射して活性化し、前記インジケータの出力を複数の周
   波数にて測定し、 前記インジケータの複数の出力の比を基にして前記分解
   物の濃度を決定する 濃度測定方法。 １１、前記インジケータは本質的にペリレンと、その誘
   導体で構成されたグループから選択された蛍光染料を基
   にする多核芳香族炭化水素からなり、かつ、被分析物を
   透過させるマトリクスに固定または拡散させている請求
   項１０記載の濃度測定方法。 １２、前記染料はコロネンである請求項１０または１１
   に記載の濃度測定方法。 １３、前記染料はナフトール［８，１，２−ａｂｃ］コ
   ロネンである請求項１０または１１に記載の濃度測定方
   法。 １４、被分析物を透過させるマトリクスは鎖状結合ポリ
   ジメチルシロキサンである請求項１０乃至１３のいずれ
   かに記載の濃度測定方法。 １５、被分析物を透過させるマトリクスはポリジメチル
   シロキサンの鎖状結合誘導体または共重合体である請求
   項１０乃至１３のいずれかに記載の濃度測定方法。 １６、有感被分析物は酸素である請求項１０乃至１５の
   いずれかに記載の濃度測定方法。１７、有感被分析物は
   麻酔作用剤である請求項１０乃至１５のいずれかに記載
   の濃度測定方法。 １８、液体培地中の有感被分析物を分析する濃度測定装
   置において、 （ａ）被分析物に接触させたとき、周波数の関数として
   エネルギーの出力を変化させるインジケータのサンプル
   を液体に接触させる手段と、（ｂ）前記インジケータに
   光を照射して活性化する手段と、 （ｃ）前記インジケータの出力を複数の周波数にて測定
   する手段と、 （ｄ）前記インジケータの複数の出力の比を基にして前
   記分解物の濃度を決定する手段とを備えた濃度測定装置
   。