JPH05113393A - 液体の比重を測定するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 液体、特に尿の比重を測定するための装置及
び方法を提供する。 【構成】 測定対象液体を移し取るための分配器（ピペ
ット）８と、分配された測定対象液体を収容するための
容器４と、液体の屈折率を測定するため容器内に配置さ
れたセンサ２と、上記容器で測定された測定対象液体の
屈折率及び水の屈折率に基づいて測定対象液体の比重を
算出する手段とを含む。センサ２は光ファイバ製で、複
数回屈曲してオメガ（Ω）形の形状を有し、測定対象液
体中に浸漬して使用される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、液体、特に、尿の比重
を測定するためのシステムに関するものである。より詳
しくは、本発明は、分配器（ディスペンサ）、その中へ
液体が計量分配され洗い流し（フラッシング）される試
料容器、及び液体の屈折率を記録するための光ファイバ
センサシステム（光ファイバ屈折計）よりなる尿検査の
ための自動化システムに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】

Ａ．比重計 比重測定は、多種多様な目的のために行われる。様々な
体液、特に尿で測定されるこの変数は、ほとんど全ての
日常的臨床診断業務の一部になっている。比重は、無次
元数であり、溶液の場合は、ある容積の溶液の重量（密
度）と同じ温度における同じ容積の標準物質（例えば
水）の重量との比をいう。尿のような溶液の場合は、比
重は、溶解した溶質の様々な種（スペイシス）の数、密
度、イオン電荷及び重量に関係する。

【０００３】比重は、異常状態の関数として変化するの
で、比重測定は臨床上大いに役に立つ。例えば、電解質
障害が発生すると、尿の比重が変化する。このような障
害は、様々な疾患、例えば糖尿病に付随して発生する。
従って、比重値は、疾患の１つの指標して用いることが
できる。

【０００４】Ｂ．尿の臨床分析 現在行われている尿検査には、下記の３つの基礎的調査
領域が含まれる：グルコース、蛋白質、潜血、ケトン等
のような物質の有無の確認；比重の測定；及び尿沈滓の
顕微鏡検査。第１の調査領域には、通常、測定対象の尿
成分に反応する試薬パッドよりなる試験紙または指示薬
ストリップによる尿検体の試験が含まれる。通常測定対
象の尿の異なる成分に反応する複数の試薬パッドを有す
るシングルストリップの形をなす指示薬ストリップは、
尿検体に瞬間的に浸し、その結果生じる色反応をカラー
チャートと比較する。現在の技術では、尿の比重測定及
び尿沈滓の顕微鏡検査には別個の分析ステップを行う必
要がある。

【０００５】Ｃ．尿の比重 尿は、水（溶剤）中に溶解した様々な溶質から成る。尿
の大部分の溶質は非液体である。尿の比重は、試験する
試料の全容積に対する溶解固形成分の相対的比率を示
し、従って検体の相対濃度または希釈度を反映する。液
体摂取制限または摂取増の標準化された適切な条件下で
は、尿検体の比重は、腎臓の濃縮及び希釈能力の目安と
なる。

【０００６】尿においては、溶質は溶解した固形物質の
みから成るので、尿の屈折率（真空中の光の位相速度と
指定媒体中の光の位相速度との比率）は比重と密接な関
連がある。

【０００７】正常な人間の尿の比重は、１．００３から
１．０３５の範囲であり、普通は１．０１０及至１．０
２５の間にある。１．０１０以下の比重は、抗利尿ホル
モンの正常機能の欠如またはこの機能に対する障害に起
因する疾患である尿崩症の兆候をなす場合がある。尿の
低比重は、糸球体腎炎、腎盂腎炎、及び様々な腎臓異常
を持つ患者にも起こり得る。真性糖尿病、副腎機能不
全、肝臓病、及びうっ血性心不全を持つ患者において
は、尿比重が高くなる。従って、尿の比重測定は、通常
の尿検査において、潜在的に異常な臨床状況を検出する
ためのスクリーニング手順として有用である。獣医学の
分野においては、比重値は、最高で約１．０８に及ぶ。

【０００８】Ｄ．尿比重の測定方法 尿比重の測定は、電解質障害の把握及び臨床管理上、相
当の臨床的価値を有する。従って、尿検査は、完全であ
るためには比重測定を含めるべきであり、通常は比重測
定を含めて行われる。この測定は、直接的方法でも、間
接的方法でもよい。

【０００９】比重は、直接測定することもできれば、関
連の物性、例えば容量オスモル濃度またはイオン強度の
測定から計算によって求めることもできる。比重測定の
ための従来の方法としては、比重計、尿比重計、比重
瓶、重力計、屈折計等を使用するものがある。

【００１０】尿比重を測定するためには、下記の３種類
の基本的間接測定法が用いられて来た： ａ）較正目盛りを有する重り付きフロートから成る比重
計によって測定可能な相対密度による方法； ｂ）尿においては屈折率が、水に対する相対的屈折率を
測定することによって測定可能な溶解固形成分の量との
相関を有することを利用した屈折率による方法； ｃ）水の凝固点（凍結点）を降下させる溶質の能力に基
づいて、試料が凝固する温度を測定することにより、尿
の溶解固形成分含有量を求める容量オスモル濃度による
方法。

【００１１】これ以外には、室温において尿比重を測定
するのに適合する比重計である尿比重計によるものがあ
る。１つの方法について説明すると、較正目盛りを有す
る重り付きフロートを少なくとも１５ミリリットルの尿
中に浸漬する。重りが静止したならば、尿比重計のメニ
スカスを記録する。室温、及び試料中のグルコースまた
は蛋白質の有無についての調整が必要である。尿比重計
は、一般に試料の比重に相当する試料の相対密度を示
す。

【００１２】試料の容量オスモル濃度／比重は、試料が
凝固する温度を測定することによって測定することがで
きる。例えば、１オスモルまたは１０００ｍｏｓｍ／ｋ
ｇ水を含む溶液は、凝固点を１．８６°Ｃ降下させる。
測定凝固点を既知の容量オスモル濃度と比較するための
標準表が作成されている。これによって求めた容量オス
モル濃度から比重を推測することができる。

【００１３】試験に少量の試料しか利用できないとき
は、試料の屈折率を用いて比重を推測することができ
る。屈折計はこの推測を行うために用いられる実験機器
である。屈折計は試料の屈折率を測定する。試料の屈折
率は、溶解した固形成分含有量に関係する。試料の屈折
率を既知の比重と相関付けるために作成された標準表が
ある。

【００１４】また、尿滴が既知組成の不混和性媒体を通
って移動する速度を測定することによって尿密度を測定
する「落滴（ｆａｌｌｉｎｇ ｄｒｏｐ）」法を用いた
機器利用型の方法も幾つかある。

【００１５】「落滴」法においては、例えばベンゼン、
クロロホルム等の試料液滴を有機溶剤中に入れ、試料液
滴が降下する速度を測定する。溶剤を通る試料液滴の速
度を試料の比重と相関付ける標準表が作成されている。
この方法は、精度は高くなく、臨床業務で日常的に行わ
れているような大規模スクリーニングあるいは非常に少
量の試料による試験には不向きである。

【００１６】マイルズ社（Ｍｉｌｅｓ Ｌａｂｓ）製の
試薬ストリップ（Ｉｔｏ他，１９８３年）は、尿につい
ての屈折計指示値との相関を示すものである。

【００１７】Ｅ．関連技術の問題点 流体の屈折率を検出するために用いられる大方の光学的
方法は、光‐液体界面の臨界角近辺で起こる反射と屈折
の現象の利用に基づいている。これらの光学的方法は、
基本的に、液媒に浸された透明な光伝導性組織を通し
て、光が組織の壁で繰り返し内部反射を行うようにして
光を透過させることから成る。このように繰り返し反射
によって透過される光の強度及び臨界角近くにおけるこ
の強度の急激な変化を測定することによって、液体の屈
折率を測定することができる。これらに用いられる機器
には、多くの短所がある。その多くは、脆くてかさ張る
器具であり、またその感度と信頼性を維持するために絶
えず掃除や手入れ、及び較正が必要である。中には、メ
ニスカスを見なければならないために、指示値を読み取
るのが困難なものがある。一部の尿比重計においては、
液体サンプルを保持する容器の側面に試料が付着する。
例えば光を伝達するためのプリズム等は、濁り液体に対
しては正確でない。

【００１８】正確な読取りを確保するためのもう一つの
問題は、臨床試料で得られる尿の量が様々な測定器の使
用にとって不十分な場合があるということである。その
ため、例えば１μｌ、好ましくは約２５０μｌというよ
うな少量の液体の分析のための方法及び装置が必要であ
る。

【００１９】大部分の装置は、非常に狭いＳＧ（比重）
範囲内でしか正確に作動せず、例えばＳＧ＝１．００及
至せいぜい１．０９というような比較器広い範囲では問
題がある。

【００２０】Ｆ．比重を測定するための手段に関する特
許 ハーマー（Ｈａｒｍｅｒ）氏は、光ファイバ屈折計を何
種類か発表している。同氏は、「光ファイバは、手の届
かない場所に使用することができるという点において特
に有用である．．」（光ファイバセンサに関する第１回
国際会議（ロンドン、電気工学協会（１９８３年４
月））会報の１０６ページ、「クラッドモードの減衰を
利用した光ファイバ屈折計」、Ｈａｒｍｅｒ，Ａ．Ｌ．
Ｂａｔｔｅｌｌｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕ
ｔｅ、スイス、ジュネーブ）と指摘し、この著者は、応
用例として、「屈折率変化の監視による鉛蓄電池の充電
状態の測定」を用いている。この引用文献には、最高感
度を達成するためのプローブ‐液体界面の光の入射角の
重要性が指摘されている。その屈折計の新規性は、マル
チモードファイバに交番する曲率を導入することによっ
て、プローブ‐液体界面を変化させ、制御することがで
きるという確信をハーマー氏が表明している。

【００２１】感度は、ファイバの屈折率が液体の屈折率
に近付くに従って増大するが、一般にはこれに応じて効
率が低下する。米国特許第４，１８７，０２５号には、
液媒の屈折率に応じた光信号を発生する装置が開示され
ている。この装置においては、装置の湾曲部が測定対象
の液体中に浸漬される。このセンサの目的は、液体の状
態変化を改善された感度でもって検出することにある。
この装置は、臨床上日常的に捕集されるような少量の液
体の単独測定より、多量の液体の連続監視用に最適であ
ろうと思われる。感度を増すために多重の曲率が用いら
れる。

【００２２】米国特許第４，０１５，４６２号には、キ
ャリアマトリックスに浸透圧的に脆弱なマイクロカプセ
ルとを組み込み、カプセルが溶液に接触している時、容
量オスモル濃度の比色測定を行うようにしたシステムが
開示されている。これは、比重の間接測定の例である。

【００２３】水性試料のイオン強度または比重を測定す
るためのもう一つの試験手段、装置及び方法として、重
合体塩と試料の間のイオン交換に対する検出可能な応答
を生じることができる重合体塩及び指示薬手段を利用す
るものがある（米国特許第４，４７３，６５０号、米国
特許第４，３７６，８２７号、第４，５３２，２１６号
も参照のこと）。

【００２４】米国特許第４，４３３，９１３号には、液
体、特に鉛蓄電池の液体の屈折率を光ファイバセンサを
用いて測定する装置が開示されている。

【００２５】試料媒体及び参照媒体の両方の屈折率を測
定して感度を改善しようというある技法においては、２
つのセンサが、光源、光検出器、試験データプロセッサ
及び指示薬を収容するハウジングユニットにフレキシブ
ルケーブルによって接続された、単一のポータブル測定
プローブ中にまとめられている。この装置の利点は、同
じ環境条件下における試料及び参照媒体についての測定
値の同時読取りが可能なことである。

【００２６】米国特許第４，４２７，２９３号に開示さ
れている発明は、液体の屈折率を測定するための二重光
学プローブよりなる。二重プローブの利点は、逐次型読
取りに影響する可能性のある環境変動による読取りにお
いて人為誤差を回避するために、試験対象液体及び参照
液体を同時に測定することである。参照液体は、被験液
体の屈折率を正しく推定するために、測定値を同じ条件
下で読み取らなければならない。

【００２７】米国特許第４，２４０，７４７号には、液
媒の屈折率を測定するために複雑な交番曲率を持つ光フ
ァイバセンサが開示されている。また、この装置は、懸
濁液培養に起因する汚染の危険性を小さくするための改
良された濾過システムを有する。この装置による測定感
度の改善は、測定対象液体に浸漬されるセンサの各部の
曲線が様々な幾何学的形状を有することによるものであ
る。

【００２８】ハーマー氏の発明になる大部分の装置（上
に特許として引用した装置）には、光路生成及び検出シ
ステム用のデバイスの様々な形状が開示されている。こ
れらの形状は、光検出器、光源、及び光検出器と光源を
接続する光伝達構造よりなる初期の基本的な形態の屈折
計を改良したものとして記載されている。

【００２９】米国特許第４，０７６，０５２号には、比
重の関数である化学的及び物理的測定指示値によって液
体の比重を測定するための方法、塑性物及び装置が開示
されている。

【００３０】米国特許第４，３１８，７０９号には、液
体試料のイオン強度または比重を測定するための手段及
び方法が開示されている。

【００３１】米国特許第４，３７６，８２７には、ｐＨ
指示薬を用いて溶液のイオン強度に比例した測定値を得
ることが記載されている。このイオン強度は、比重の概
値を得るために用いられる。

【００３２】米国特許第４，３１８，７０９号には、水
性試料のイオン強度または比重を測定するのに試験スト
リップ（複数？）を用いることが記載されている。

【００３３】米国特許第４，６３９，５９４号には、参
照液体をプローブの中に引き込むことによって試料及び
参照液体の温度標準化の問題を解決しようとした液面、
濃度及び／または位相変化を本来的に検出するための光
ファイバプローブが記載されている。

【００３４】米国特許第４，５６４，２９２号には、従
来別個に設けられた試料媒体センサと参照媒体センサを
単一の測定プローブにまとめた従来技術に対する改良よ
りなる屈折計が記載されている。

【００３５】

【発明が解決しようとする課題】尿検査に基づいて患者
を治療するかどうかの判断は外来ベースで行われること
がしばしばあり、液体試料がほんの少量しかない場合も
あるので、患者が病院に居る間に処置を始めるには、少
量の検体についての迅速かつ正確な結果が必要である。

【００３６】前節で述べたように、液体の比重は、水に
対するその液体の相対的密度で表す。さらに、液体の屈
折率（光学的性質）は液体の密度によって左右される。
従って、屈折率の大きさは液体の密度（すなわち比重）
を推測するために用いられてきた。光ファイバセンシン
グの概念が、比重測定のために提案されているが、少量
の液体試料用、特に臨床環境における多重テスト用のも
のとしては、完成されたシステムは提案されてもいない
し、開発が成功してもいない。

【００３７】

【課題を解決するための手段】本発明の広義の特徴は、
液体の比重を測定するための改善されたシステムにあ
る。本発明のシステムは、少量の臨床試料、中でも人間
または動物の尿検査のために採取された臨床試料用とし
て特に有用である。このシステムは、単一の自蔵式ポー
タブル装置として実施することも可能であるが、完結し
た尿検査のための自動化システムに特に適用可能であ
る。

【００３８】本発明は、尿検査への応用において、セン
サが試料の屈折率を測定している間分析対象試料を保持
するために、容器、リザーバまたは容器（ウェル）を使
用する。試料の屈折率を測定するための光ファイバセン
サまたはプローブが、試料に完全に浸漬されるように容
器内に位置づけされる。容器とセンサまたはプローブの
アセンブリは、容器中の液体を完全かつ容易に洗い流す
ことができるようなものであることが重要である。その
点に関しては、容器は、壁面または側面を液体が容器か
ら通常放出される向きに垂直から傾斜させることが好ま
しい。反対側の壁面または側面は、垂直からさらにより
大きく傾斜させることが好ましい。このように、本発明
を実施するにおいては、円錐形状容器が非常に効果的で
あり、特に、円錐の軸線を垂直から液体の放出方向に傾
斜させると効果的であるということが確認されている。
円錐の先端部は少量の液体試料を保持し、同時に、セン
サを浸漬するのに十分な深さを与えるのに好適である。

【００３９】センサは、隣合う曲率の向きが互いに反対
の一連の多重曲率を有する光ファイバ型のものが望まし
い。さらに、曲率半径は、センサ自体の断面の直径の約
２倍及至４倍の間とすることが好ましい。一実施例にお
いては、センサ横断面の直径は０．２５０ミリメートル
であり、曲率（ベンド）半径は０．８ミリメートルであ
る。

【００４０】センサの材料の屈折率は、検査中の液体の
屈折率より大きく、しかも液体の屈折率に近くするべき
である。このように、尿検査のためには、屈折率は少な
くとも約１．４９５、好ましくは約１．４０及至１．５
０の間とすべきである。センサの感度は、逆曲率部の
数、及び曲率半径と繊維の断面半径の比に応じて増加す
る。

【００４１】上記の値の屈折率を有する光ファイバセン
サは、多くの供給元から容易に入手可能である。これら
のファイバに第２の材料を薄層状にクラッドした例もい
くつかある。クラッドするかどうかは任意であるが、本
発明の実施に際してはクラッドファイバセンサが非常に
効果的であるということが確認されている。クラッド
は、液体による光ファイバコアの完全な状態への侵食を
弱める作用がある。

【００４２】また、センサは、液体注入によるセンサの
洗浄を促進するために、本発明の容器における水平に対
して角度をつけるべきであるということも明らかになっ
ている。このように、センサは、好ましくは、水平に対
して約３０〜６０度の、より明確には約４５度の角度を
付すべきである。センサは、上方を液体が容器から放出
されるその壁面に沿って配置すると好都合である。

【００４３】容器の壁面の高さまたは長さも重要な考察
事項である。一般に、壁面の高さは、センサを浸漬する
のに十分で、かつ分析のために十分な試料が得られる高
さ（最低約０．５ｍｍ）にするべきである。その点に関
しては、直径３〜５ｍｍ、高さ１〜３ｍｍで、約３０及
至５０μｌの尿を保持することが可能な容器（またはウ
ェル）の円錐形状の外側部分が設計として効果的である
ということが明らかになっている。この円錐形は、好ま
しくは頂角が約３０及至６０度で、その軸線が垂直から
約３０及至６０°の角をなすようにすることが望まし
い。

【００４４】光ファイバエレメントは、好ましくはギリ
シャ文字のオメガ（Ω）形とする。それは、このような
設計はコンパクトで、感度が良く、検出が容易な十分な
信号を伝送することができるということが確かめられて
いるためである。

【００４５】本発明の試料容器（またはウェル）は、ド
レインカップとして用いられるより大きな容器中に取り
付けることが好ましい。試料容器へ液体を放出するため
に、ピペットまたは他の適切な計量分配装置が具備され
ている。この計量分配装置は、試料容器に保持されてい
る試料の容積の少なくとも約６倍、好ましくは、試料の
容積の約６及至８倍の液体を排出する寸法を有する。こ
のように、水を約４０μｌ容量の試料容器から排除する
とき、容器を洗いかつ代表試料を供給するために少なく
とも約２５０μｌの尿を加えるべきである。容器からの
尿を洗い流す場合は、通常幾分多量の水、すなわち少な
くとも約３５０μｌの水が用いられる。

【００４６】約１ミリメートルの容器高さが、ピペット
操作において容器中に気泡を形成する作用を持つキャビ
テーションに対する抵抗をもたらすということが明らか
になった。計量分配装置、好ましくはピペットが液体を
試料容器に供給している以外の時は、センサが多目的装
置の一部である場合、ピペットはドレインカップ内の退
避位置へ移動させることも可能である。

【００４７】本発明を実施する際に、試料容器が水で満
たされているとすると、容器からの水を排除し、容器を
十分な試料で満たすには、十分な試料または尿を容器に
流入させる。ＬＥＤエミッタ、ソリッドステート光検出
器及びこれらに関連する標準的電子ハードウェアから成
る光電子リードアウトシステムを用いて、光ファイバを
介してセンサに状態をリモート方式により照会する。光
ファイバセンサ回路を介して伝達される光の量を監視す
ることによって、光ファイバを取囲む容器中の液体の密
度を直接的に表す屈折率が測定される。光、好ましくは
コントロールボックス中のＬＥＤから放出された光を容
器内の光ファイバセンサに通し、そこから光検出器に供
給する。センサから試料へ漏れる光の量は、試料の屈折
率によって左右される。試料へ漏れる以外の光は、光検
出器へ伝達される。従って、入力と検出器へ戻って来る
光の間の損失は、液体の屈折率の関数である。さらに、
試料の屈折率は試料の密度と相関があるため、検出器に
よって発生する信号も試料の密度と比重の関数である。

【００４８】上記のような試料の観察に続いて、計量分
配装置は試料容器の上方の位置に移動し、容器からの尿
試料を洗い流し、信頼度の高い水試料に置換するに十分
な量の水を容器中に排出する。次に、光を光ファイバセ
ンサに通し、その結果検出器より発生する信号が、前述
の試料から得られた信号と比較するための参照信号とし
て用いられる。試料の比重はこれによって容易に確認す
ることができる。

【００４９】本発明のセンサの感度は、測定対象液体の
屈折率の所与の変化に対して、検出器に伝達される光の
強度がどれだけ変化するかによって測定することができ
る。光検出器は、光路に沿って検出器に到達する光にの
み反応し、臨界角のために液体中に入り込む光には反応
しない。光の強度は、検出器によって、値が測定された
屈折率を表す出力信号に変換される。このようなプロー
ブによって測定される屈折率は、真の屈折率であり、次
の２つのパラメータ即ち：１）液体の光屈曲特性；及び
２）温度の関数である。

【００５０】ファイバの表面に接する材料の屈折率をコ
ントロールし易くするために、ファイバコア周りにクラ
ッドを施してもよい。

【００５１】

【実施例】

１．装置の構造 液体の比重を測定するための基本的な装置を、図１のブ
ロック図に示す。センサ２及びこの実施例ではウェル形
の試料容器４は、測定器のドレインポート６に設けられ
ている。この小さい容器４の上方には、容器４に流体を
移し取るためのピペット８が置かれている。この装置が
多目的試験装置の一部である場合、ピペットの先端は、
非使用時または清掃中、ウェットパークに９に保持する
ことも可能である。容器４中には、その中を通って光を
循環させるセンサ２が浸漬される。センサ２は、多数の
屈曲部（ベンド部）を持つ小さな光ファイバデバイスで
ある。図２は、屈折率の差を利用した様々な化学プロセ
スにおける液面のレベルを測定するために用いられるセ
ンサ［ＧＥＭ（商標）センサ、ＤｉｖｉｓｉｏｎｏｆＤ
ｉｖｉｓｉｏｎＩＭＯ Ｄｅｌａｖａｌ Ｉｎｃ．］の
一形態を示す。望ましい逆屈曲の数は、本発明において
用いられる液体試料のサイズ的制約を考慮して、３〜４
である（図３の実施例を参照）。センサ２は、センサホ
ルダー１０によって支持され、光ファイバ１１によって
透過率を得るための光リターンに関する情報を伝えるオ
プトエレクトロニクス（発光器‐検出器）モジュール１
２に接続されている。この情報は、コントロールボック
ス１４によって容器中の液体の屈折率を計算するために
用いられ、このコントールボックスは、多目的自動化シ
ステムの一部とすることもできる。

【００５２】具体的に説明すると、ピペット８によっ
て、少量の液体試料（尿）が容器４中に移し取られ、そ
れまで入っていた液体（水）を流し去った後、屈折率測
定ために次の試料が用意される。ピペット８は、尿比重
データを得た後、次の試料を入れるために準備すると共
に水による基準データを得るために、水をピペット８か
ら容器４に移し入れる洗浄‐測定サイクルに基づいて使
用される。

【００５３】ウェルの形で示す容器４は、典型的には、
尿及び水についての屈折率測定の間、尿検査用の少量の
試料（≒３０〜５０μｌ）を保持する。

【００５４】センサ２は、広い比重範囲にわたり、かつ
試料明澄度の変動による影響を最小限に抑えつつ優れた
精度でもって容器４中の試料の屈折率を測定することが
できる。

【００５５】光は、円筒導波管（すなわち光ファイバセ
ンサ２）に沿って伝播する。水が存在する（ＳＧ＝１．
０である）と、光は導波管の屈曲部を通過し、検出器及
びデータ変換コントロールボックスよりなるコントロー
ルボックス１４に接続されたオプトエレクトロニクスモ
ジュール１２へ戻る。周囲の媒体の屈折率（密度）が増
大するにつれて、より多くの光が失われ、出力信号は小
さくなる。

【００５６】オプトエレクトロニクス（発光器‐検出
器）モジュール１２は、試料（例えば、尿及び水）デー
タを得て、コントロールボックス１４はその試料データ
から基準としての水の測定結果に基づいて、尿の比重を
正確に計算する。

【００５７】ドレインポート６は、試料容器４から過剰
な試料及び洗浄液を流し去る。排出された液体は、ドレ
インボトル１６または他の適切な廃液口へ逃げる。

【００５８】２．使用方法 マルチテスト自動化システムを用いた尿検査の場合、通
常、比重測定のに先立ち他の試験のための試薬パッド接
種が行われる。その後、ピペット８が容器４の上方にお
かれる。始めから試料容器４中にあった水は、２５０μ
ｌの尿によって洗い流し、容器内に３０〜５０μｌの尿
を残す。数秒後、尿についての測定を行ってから、約３
５０μｌの水をピペット８の先端から容器４中に流し込
む。この注水によって、容器４中の尿を洗い流すと共
に、ピペット８の内部の表面を掃除する。

【００５９】注水後、水の屈折率をセンサ２によって測
定する。この水についての測定結果は、最後の比重測定
サイクル以後発生した可能性のあるセンサドリフトを補
正するために用いられる。尿比重の測定結果を常に水の
比重（すなわち１．０）の測定結果を参照しつつ補正す
ることによって、比重（ＳＧ）測定精度が向上する。

【００６０】この装置が多目的試験装置の一部である場
合は、注水後、ピペット８をウェットパークステーショ
ン９へ移動させ、ピペット先端の外側部分をさらに水洗
して、次の新しいサイクルに備えて待機させるようにす
ることも可能である。これ以外のピペット先端の掃除方
法及び保管方法も、本発明の範囲内に包括される。

【００６１】３．装置固有の構成部分 Ａ．試料容器 一実施例の尿検査用試料容器４は、ウェル（底面径４．
５ｍｍ×長さ２ｍｍの特定寸法を有する）よりなり、こ
のウェルは固有の少量の尿（約４０μｌ）を入れること
ができ、かつ汚れの繰越し（前回までの試料による汚
染）ができるだけ少なくなるように、水（少量）によっ
て容易に洗い流すことができる。容器４は、火口状縁部
を有する円錐形の外表面、及び３０〜５０μｌ、好まし
くは４０μｌの試料容積が得られるような上記固有寸法
を有することが望ましい。センサ２は、好ましくは、ピ
ペット８による洗い流しを容易にするために、水平面に
対して３０゜〜６０゜の角度をつける。図示実施例にお
いては、この角度は４５゜である。ピペット８は、最善
の洗浄（汚れの繰越しの最少化）条件が確保されるよ
う、容器の上流側端部に極く近接させて配置する。

【００６２】Ｂ．センササイズと容器の容積 センサ設計のもう一つの重要な要素に、センササイズが
ある。この寸法要素は、センサ２は容器４の底に嵌合し
なければならないので重要であり、また容器寸法は、尿
試料の通常の規模に見合った小さなもので、しかも多重
試験分析のこの部分（比重測定）に好適な大きさ、すな
わち約１００〜３００μｌでなければならない。センサ
と試料容器の設計において好ましい、あるいは重要であ
ると考えられるその他の要素としては、下記のものがあ
る。

【００６３】 洗い流し体積（水）： ３００〜５００μｌ 比重（ＳＧ）範囲： １．００〜１．０８７ 屈折率範囲： １．３３３〜１．３７０ 精度： ±０．００１ＳＧ単位（±０．０００４屈折率単位） 測定時間： １〜２秒 温度範囲： １０〜３５゜Ｃ 汚れの繰越し効果： ±０．００１ＳＧ単位より小さい 試料明澄度： 透明から着色及び高汚濁まで、ＳＧの誤差が±０．００ １を越えないこと タンパク質付着： この効果ができるだけ小さいこと

【００６４】オメガ形センサを用いた一実施例の設計に
おいては、センササイズの選択に光ファイバの直径をｄ
を基準として取り上げたところ、容器の直径としておお
よそ１８ｄという小さい値が得られた。この容器直径
（１８ｄ）は、センサ内径を６ｄ（Ｒ＝３ｄ、光線軌跡
モデルを用いてオメガセンサからの出力を他のモデルと
比較した結果得られた）とし、これにセンサの光ファイ
バ直径２ｄと、容器底面の間隙１０ｄ（片側各５ｄ）を
加えることにより算出された。次に、容器中の液体に対
する表面張力の影響及び次式で表される容器の全容器容
積Ｖｗに基づいて容器高さが選択された： Ｖｗ＝２５５ｄ² ｈ（μｌ） （１）

【００６５】ただし、ｈは容器高さである。光ファイバ
直径０．２５ｍｍ、高さｈ＝２．２５ｍｍの場合、容器
容積は３６μｌと計算され、この明細書中随所で言及す
る２５０μｌの尿試料規模及び３５０μｌ水洗容積と適
合する。

【００６６】センササイズを小さくする（すなわちファ
イバ直径を小さくする）には、それだけ光検出器の入力
信号Ｉｓを大きくしなければならない。従って、ｄ（後
出の方程式３参照）は、十分な信号電力を確保するのに
足る大きさでなければならない。前に述べた実際の設計
においては、入力信号のＩｓの最小電力は２μＷが選択
された。この選択に基づいて、ε＝０．１及びｄ＝０．
２５ｍｍの実設計においては、１ｍｗのＬＥＤ発光強度
が必要であった。このようなＬＥＤは、いくつかのメー
カー（例えばモトローラ、ハネウェル、ヒューレットパ
ッカード）から入手可能である。この実設計におけるＬ
ＥＤの波長は、８２０ｎｍであったが、他の波長（例え
ば６６０ｎｍ）も使用可能である。

【００６７】要するに、尿検査に用いられるセンサ及び
これに付随する容器の設計は、下記の必要によって左右
される：

【００６８】１）十分な感度（ＳＧ＝１．０〜ＳＧ＝
１．０５の範囲で約４０パーセントの変化）； ２）良好なセンサ透過性（≒１０パーセント）及び十分
な検出器信号（Ｉｓ≒２μＷ）； ３）汚れ繰越し効果を最小限にするための小さい容器容
積サイズ（≒３０〜５０μｌ）に見合った小さなセンサ
サイズ（すなわち小さいファイバ径）。上記の特定の設
計においては、これらの要素がいずれもまかなわれてい
る。

【００６９】Ｃ．尿検査用のセンサシステム設計 センサと液体容器の設計は、下記の主要パラメータを相
互に連携させて処理しなければならないので、互いに相
関関係がある： １）センサの幾何学的形状 ２）容器の幾何学的形状 ３）センサと容器のサイズ

【００７０】これらのパラメータは、さらに下記のよう
な他のいくつかのパラメータによって影響される。： １）センサに用いられる光ファイバの寸法 ２）検出器の最小信号強度 ３）入力ＬＥＤ（発光ダイオード）の発光強度。

【００７１】１ｍｌより小さい、典型的には約４０μｌ
程度の小さい試料規模の尿検査において所要の精度を確
保するためには、特殊な設計が必要である。少量の試
料、及び所望の感度と精度という制約を考慮して、この
実施例においては、ＴＲＡＣＥというコンピュータプロ
グラム（Ｂａｔｔｅｌｌｅ社より入手可能）による支援
の下に適切なセンサの形状構成が導出された。

【００７２】導波管（センサ）は湾曲した形状が好適で
あり、また光ファイバ中の屈曲の数と光損失との相関関
係が検討された。センサの屈曲が多くなるほど、感度が
高くなる。しかしながら、屈曲を多くして感度を高める
と効率が低下するという点で、釣り合いを考慮しなけれ
ばならない。試料体積及び容器サイズが比較的小さい
（＜１ｍｌである）本発明の目的のためには、屈曲は３
つ及至４つが好ましい。

【００７３】図２に例示するようなＵ字形の屈曲は、か
ろうじて適用可能であるが、好ましくはない。図２に示
すセンサは、ＧＥＭ（商標）社製造のもので、ガラスで
形成されている。光線２８は、光源２０からセンサに入
り、クラッド２４を有するコア２２から成るガラスエレ
メントを循環する。光線２８の一部は、屈折して、セン
サの屈曲部から液体３０中へ出る。

【００７４】屈曲３２の２つのの領域は、”Ｕ”字形を
なし、検出器３４へ戻る光の量を測定することによって
屈折率の大きさを決定する。

【００７５】３つの屈曲を持つ好ましい形状としては、
オメガ（Ω）形がある（図３）。光源４２からの光は、
ファイバ４０を循環し、光４４としてコントロールボッ
クス及び検出器１４へ放出される。この形状を作るに
は、ポリマー光ファイバ４０（三菱製ＥＳＫＡ）を約９
０°Ｃに加熱し、ジグ（図４）に宛てがった。図３の３
つのアステリスク４１Ａ、Ｂ及びＣは、加熱した光ファ
イバをその回りに置いて成形した際の３本のピン位置を
示す。これらは、図４におけるピン４１Ａ、Ｂ及びＣの
位置と対応する。これらのピンは、一般に直径１／１６
インチ（０．１５９ｍｍ）である。

【００７６】ジグは、１００°Ｃに設定された熱板に載
置される。所望の形に形成した後、成形されたファイバ
が硬化し、取り外せるようになるまで、ジグを２５°Ｃ
の水浴槽中で冷却する。符号４８で示す光ファイバ直径
は、ｄを図１の容器４の直径として、１８ｄ程度とする
ことが望ましい。

【００７７】本発明による尿検査で使用する試料規模に
とって好ましいセンサ直径は、０．２５ｍｍであった。
光ファイバの材料は、ガラスより広範囲の屈折率を測定
するのに使用することができることから、プラスチック
（アクリル）ファイバが望ましい。屈折率（ｈ）は、空
気が１、Ｈ₂ Ｏが１．３３である。尿の屈折率は、約
１．３７に達し得る。従って、本発明のセンサの屈折率
は、約１．３７以上とすべきである。この明細書中の数
箇所でより詳細に述べるように、センサの屈折率は、
１．４０〜１．５０の範囲内とすることが好ましい。

【００７８】上記のＥＳＫＡ光ファイバは、コアの屈折
率が１．４９２で、コアの周りにクラッド４３が形成さ
れている。クラッドは、必須の構成要素ではないが、こ
の種の市販の光ファイバ上に形成されており、光ファイ
バを浸漬する液体からファイバコアを保護する役割を果
す。クラッドの厚さは小さくすべきである。

【００７９】より複雑なマルチコイル型センサの構成も
本発明の範囲内に入るが、そのようなセンサには、所望
の容器サイズ及び試料規模の面から来る制約がいくつか
ある。多重屈曲センサとは対照的に、ペンシル形（すな
わち単一屈曲）センサを用いて光を循環させることもで
きるが、その場合は一般に感度を犠牲にすることにな
る。ペンシル形センサは、例えばコントロールボックス
を組み込んだポータブル装置のような単独型の単一目的
装置用として好適な可能性がある。

【００８０】図５（Ａ）、（Ｂ）、及び（Ｃ）は、本発
明の実施例の平面図を示す。図５（Ａ）は、センサホル
ダー１０（図１参照）に収納された容器４を囲むドレイ
ンカップ（ドレンポート）６のリムを示し、光ファイバ
はオプトエレクトロニクスモジュール１２からオプショ
ンのコネクタを通って主コントロールボックス６１へ接
続されている。

【００８１】図５（Ｂ）は、容器４の底に置かれたオメ
ガセンサ２（図１）、４０（図３）の平面図である。光
は、光源及び検出器（図示省略）に接続された入出力光
ファイバウィング５６、５８を通って循環する。図示の
実施例においては、ＬＥＤへの相互接続するケーブルに
５００μｍのプラスチック光ファイバ（ＥＳＫＡ Ｎ
ｏ．２０）が用いられ、センサ自体には２５０μｍプラ
スチック光ファイバ（ＥＳＫＡ Ｎｏ．１０）が用いら
れている。この２対１の直径差によって、バルクヘッド
コネクタでのミスアラインメント（不整合）効果が最小
となり、また全体的に光強度が最大となる。一実施例に
おいては、５００μｍ―２００μｍ界面での光損失をな
くすために、１本の光ファイバを使用する。その場合、
コネクタは不要である。１本の長い２５０μｍファイバ
を用い、その両端部をコネクタとし中央部分をオメガセ
ンサとすることによって、バルクヘッドコネクタを省く
ことも可能である。

【００８２】光源（ＬＥＤ）の波長は、通常約６６０ｎ
ｍ及至１３００ｎｍの範囲とすべきである。しかしなが
ら、この範囲の上限は必ずしもプラスチック光ファイバ
全般に適用されるものではない。プラスチックセンサに
は、約８２０ｎｍ近赤外光の（ＬＥＤ）波長が好適であ
る。６６０ｎｍの波長は、透過性の点で優れているが、
光ファイバコア材料は、８２０ｎｍより６６０ｎｍの方
が僅かに高い屈折率を示す。約８５０ミクロン以下の波
長のレーザ光源も使用可能である。一般に、有効範囲内
の波長の変化は、感度及び効率に影響を及ぼす傾向があ
る。

【００８３】本発明における光源としては、普通の光源
装置を使用することができ、例えばモトローラ、ハネウ
ェル、ヒューレットパッカード社等より市販されている
ものを用いることができる。１ｍｗ光源を用いると、光
の２５０〜３００μｍ径の光線がセンサ中を循環する。
一般に、光の５〜１０％は検出器へ戻る。

【００８４】図５（Ｃ）は、この実施例の屈折計システ
ムの断面図である。ドレインカップ（ドレンポート）６
は、センサホルダー１０に取り付けられた容器（試料ウ
ェル）４を取り囲んでいる。容器４の底部５９の上には
カバー５７が設けられている。試料容器４は、容器中の
液体の水平面とオメガセンサ２との間に角度が形成され
るように配置されている。この角度の範囲は約３０°〜
６０°で、好ましくは４５°にする。センサ２は、オプ
トエレクトロニクスモジュール１２（図１）及び光源及
び検出器６１に接続されている。一部の実施例において
は、レーザを光源として用いることもできる。符号５５
はドレン口である。一実施例においては、光の接続はオ
プションのバルクヘッドコネクタ（ＡＭＰ部品番号２２
８０４５−１）、及び光ファイバをＬＥＤ及び光検出器
と結合する適宜のコネクタ（ＡＭＰ部品番号５３０９５
４−４及び８６１４０３−７）を介して行われ、次い
で、例えばＭｉｌｅｓ Ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃ Ｄｉｖ
ｉｓｉｏｎにより製造に向けて開発中のＡＴＬＡＳのよ
うな比重計算用の大きな自動化システムへ接続される。
図６は、火口状リムを有するウェル４よりなる容器の実
施例から翼状に外方に延びるＥＳＫＡファイバ５６、５
８を示す実物平面写真である。容器は、プレキシガラス
にデュポンリストン［Ｄｕｐｏｎｔ Ｒｉｓｔｏｎ（商
標）］のシートを貼りつけ、適切なフォトマスクにさら
す写真平板プロセスを用いて形成されたリストンリング
６５によってベース６３にセットされる。他の実施例に
おいては、装置は成形部品で構成される。

【００８５】４．センサの精度及びサイズ 比重の測定精度は、検出器の感度Ｓ及び最小信号Ｉｓに
関連する。比重の変化に対する感度は次式で表される： Ｓ＝Δ信号／Δ比重（％／比重単位） （２）

【００８６】液体が純水の場合、検出器に伝達される絶
対センサ信号Ｉｓは次式で表すことができる： Ｉ_s
＝ＣＩ₀ ε₁ ｄ² （ｍｗ） （３） Ｉｏ＝入力ＬＥＤの発光強度（ｍｗ） Ε₁ ＝比重が１．０（水）の場合のセンサの光透過度 ｄ＝センサ光ファイバの直径（ｍｍ） Ｃ＝比例定数

【００８７】いくつかのモデル化の試みの結果、センサ
の出力感度Ｓは下記のパラメータの関数であるというこ
とが明らかとなった： Ｓ＝Ｓ（ｎc ，Ｒ／ｄ，Ｎ_b ） （４） ただし、ｎ_c ＝導波管コアの屈折率、Ｒ／ｄ＝図２に示
すようなセンサの屈曲部の半径（Ｒ）とファイバ直径
（ｄ）の比、 Ｎｂ＝屈曲部の数。

【００８８】上記方程式は、センサ感度がセンサの設計
に従属であるということを示している。方程式（４）に
は限定された形の解は見い出されなかった。このことは
一般解が存在しないということを意味しており、そこで
経験による解が求められた。そこで、コンピュータベー
スの光線追跡プログラムを用いることによって特殊なセ
ンサ設計が決定された。

【００８９】一般に、感度とは、与所のパラメータ、例
えば屈折率の変化に対する信号の変化を示す線の傾きを
言う。比較的平らな傾きは、非常に感度の高い分析を必
要とする。精度とは、測定値がどれだけ真の値に近いか
ということを意味する。感度が良好であれば、それだけ
良い精度を得ることが容易である。

【００９０】センサとしては、感度が改善されるようい
くつかの屈曲部を有しており、また入／出力光ファイバ
が全体として同じ方向を向いていることから、オメガセ
ンサ（図２参照）が選択された。４つ以上の屈曲部も本
発明の範囲内にあるが、屈曲部の数が増大すると、信号
強度が低下するので、感度‐検出のバランスを考慮する
必要がある。前に説明したように、このセンサは、３本
のピンを加熱し、普通の光ファイバをピンの周に沿って
曲げることによって容易に成形することができる。

【００９１】光線軌跡モデルを用いて、オメガセンサか
らの出力が計算された。このモデルを用いて、方程式４
におけるパラメータが次のように選択された： Ｒ／ｄ＝３ ｎc ＝１．４９ （５） Ｎｂ＝３

【００９２】これらの入力パラメータに対して計算され
た感度は４０パーセント（すなわち、０．０５の比重変
化に対する信号変化が４０％）であった。この感度は、
比重（ＳＧ）測定において０．００１の精度を達成する
ために必要な最低値と考えられた感度の４倍であった。

【００９３】上に述べたように、液体の屈折率ｎｌ＝
１．３３３（すなわち水媒体）に対するセンサの全透過
度ε₁ も重要である。透過度が低過ぎると、十分な信号
が検出器に到達しない。光線軌跡計算に基づいて、比重
＝１におけるセンサ透過度（すなわちΕ₁ ）は、ε₁ ≒
ｆ（１／Ｓ^N ）で表すことができる。ただし、Ｓは感度
であり、Ｎは１より大きい整数である。ε₁ は〜０．１
に保つべきである。方程式（４）における上記のパラメ
ータの組み合わせによって、ε₁ は光線軌跡モデルによ
り約０．０８であると計算された。従って、方程式
（４）において与えられるパラメータに基づくセンサ
は、この実施例の設計条件に関する限り、ほぼ最適であ
ると考えられる。この実施例の設計においては、ｄ＝
０．２５ｍｍが選択された（一般の光ファイバサイ
ズ）。従って、Ｒ＝０．７５ｍｍ（≒１／３２インチ）
となる。

【００９４】５．パラメータの範囲 一般に、何らかの所与のセンサのパラメータは、試料、
及び正確な分析を確保するために汚れ繰越しを十分に減
少させるのに必要な洗い流し液体積に基づいて導出され
る。例えば、尿検査における試料容器の高さが約２ｍｍ
のとき、容器を洗い流して測定上信頼できる試料を確保
するのに必要な水または尿の量は、試料容器の容積の少
なくとも５〜６倍である。従って、約２５０μｌの尿試
料容器及び洗浄水利用可能な場合、試料容器（ウェル）
容積は、５０μｌとすべきである。この容積と容器の高
さ２ｍｍから、ウェル直径Ｄは約４．５ｍｍと計算され
た。

【００９５】センサの光ファイバの直径は、オメガセン
サが４．５ｍｍ径の容器の底部に嵌合し、かつ正確な値
を確保することができるように選択される。試料容積の
限度を変える場合は、それに応じてセンサのサイズも調
整しなければならない。

【００９６】高さｈは、２ｍｍを越えてあまり大きくす
ることはできない。２ｍｍを越えると、試料を完全に洗
い流すことが困難になる。しかしながら、ファイバセン
サが試料中に浸漬される限り、ｈは２ｍｍより小さくて
もよい。従って、 ２ｍｍ＞ｈ＞２ｄ （６）

【００９７】ｈが約１ｍｍの場合、試料または洗浄水の
注入時に、容器中に気泡が容易には発生しないというこ
とが確認されている。センサ表面上に気泡が存在する
と、ＳＧ測定に僅かな誤差が生じ得る。

【００９８】符号８の角度は、約３０°及至約６０°の
範囲内で変えることができる。この範囲外では、容器を
洗い流したり、あるいは試料を導入するのが困難にな
る。

【００９９】感度をより良好にするためには、光ファイ
バコアの屈折率（ｎc）は小さくしてもよい。しかしな
がら、ｎc は高比重尿の屈折率（約１．３７）より大き
くなければならない。従って、ｎc は、１．３７より大
きくすいべきであるが、精度及び感度を低下させるほど
大きくすべきではない。これによって、ｎc 値の好まし
い範囲は約１．４及至１．５である。

【０１００】目下のところ、本発明を実施するには、Ｐ
ＭＭＡ（ｎc ＝１．４９）で形成されたプラスチック光
ファイバが好適である。これより低いｎc を持つ光ファ
イバが開発されれば、より好適である。

【０１０１】いったん、尿試料体積（すなわちウェルの
直径及び高さ）が選択されれれば、他の全てのパラメー
タ（Ｎｂ＝３、Ｒ、ｄ）は固定値である。これらのパラ
メータは、試料体積に関する制約に応じて増減すること
ができる。しかしながら、センサ透過度が高く（ε₁ ≧
５％）、しかも感度が良好となるように（Ｓ≧３０
％）、Ｒ／ｄ≧３の条件を用いるべきである。これらの
Ｓ及びε₁ 値は、良い測定精度を維持するために必要で
ある。

【０１０２】この装置を用いることによって、屈折率に
関連のあるものならばどのような特性でも計算すること
ができる。この装置は比重測定に限定されるものではな
い。

【０１０３】実験例 以下、比重を測定する装置に使用されるオメガセンサの
実施例の固有の性能を実験例によって説明する。このオ
メガ形センサの比重測定範囲は、１．００及至少なくと
も１．０９であった。この範囲には、臨床及び獣医学用
に測定される尿について予測される値が包括される。

【０１０４】例１：感度 センサの感度、範囲及び精度を試験するために、既知の
比重の溶液を比重測定容器の中に入れ、出力光の強度を
１．０の比重と対比して記録した。センサの予行版に対
して行われたこの比重較正の例を図７に示す。Ａ１及び
Ａ２は、それぞれこれらの試験結果をもたらした２つの
センサを示す。線の傾きの変化は、約１．０２比重単位
で起こっている。この線の傾きは感度を示す。

【０１０５】表１は、上記予行版の後用いられた６つの
センサについての試験結果を示す。この表において、Ｓ
_1.05は、比重の０．０５変化、すなわち１．００から
１．０５への変化に対するセンサの相対的出力の変化率
である。

【０１０６】 表１ センサの特性 センサの番号 ε₁ Ｓ_(Slope) Ｓ_1.05(%) ─────────────────────────────── Ａ０ ．１６ ７．１４ ３６ Ａ１ ．１４ ６．００ ３０ Ａ２ ．１１ ８．９０ ４５ Ａ１ ．０８ ８．８３ ４４ Ａ２ ．１１ ７．５０ ３８ Ａ３ ．１０ ６．９２ ３５

【０１０７】 平均結果Ｓ_1.05＝Ｓ×（０．０５）×１００ ε₁ ＝０．１２＋０．０３ Ｓ＝７．５５±１．１３ Ｓ_1.05＝３８＋５．７％

【０１０８】例２：温度誤差 試料温度と洗浄溶液温度（すなわち室温）の間に差があ
ることが時々ある。そのような状況下では、比重誤差が
生じ得る。温度による測定誤差には、下記の２つの原因
がある：１．温度変化による液体の密度変化（センサ誤
差ではない） ２．センサ誘発性の温度誤差（密度は一定に保たれると
仮定する）。

【０１０９】上記の第１の原因は、液体の密度が温度に
よって変化するという物理的事実によるものである。従
って、試料密度測定値を、室温条件を参照して補正しな
いと誤差が生じる。洗浄水が尿試料と同じ温度（すなわ
ち室温変化のみ）であれば、密度変化による誤差は最小
限となるはずである。しかしながら、尿が洗浄水と異な
る温度であると、小さな測定誤差が生じる。

【０１１０】誤差の第２の原因はセンサ自体から生じる
ものである。例えば、ファイバ材料に若干の温度変化が
あると、導波管の屈折率が変化し、従ってセンサ出力が
変化することがある。

【０１１１】これらの誤差の原因を両方とも同時に試験
するために設計された実験を行った。水（比重＝１．０
０）と比重１．０４３溶液を６°から４８°Ｃまでの範
囲にわたって加熱、冷却し、標準較正曲線（すなわち室
温較正）を用いてセンサ比重値を得た。これらの測定結
果をプロットしたグラフを図８に示す。

【０１１２】図から明らかなように、この場合の比重値
は、密度が小さくなる効果によって、温度上昇と共に減
少している（予測通り）。この比重測定値対温度変化の
傾きは、水の場合が−１．５×１０^-4（°Ｃ）^-1、比重
＝１．０４３の溶液が、−１．１×１０^-4（°Ｃ）^-1で
あった。従って、水試料の場合の（洗浄溶液温度から
の）±７°Ｃの変化、及び比重＝１．０４３の試料の±
９°Ｃの変化は±０．００１の比重誤差を生じることに
なる。言い換えると、１０°Ｃ〜３５°Ｃの温度差があ
ると、水試料測定では、比重の指示値が０．９９７８〜
１．００１５の範囲で変化することになる。これは、１
０°Ｃでは０．００２３、３５°Ｃでは０．０１１５の
誤差となる。１８°Ｃから３２°Ｃまでの範囲上におい
てのみ、水試料の誤差は±０．００１の比重誤差範囲内
に保たれる。従って、試料温度は、洗浄溶液温度に対し
てこの温度差以内に保たなければならない。そうでない
と、水試料において±０．００１より大きい誤差が生じ
る。

【０１１３】比重が高い溶液において誤差が小さいの
は、おそらく熱伝導率の効果に起因するものと考えられ
る。図８においては、比重＝１．０４３の溶液の傾きは
より小さいため、±．００１の誤差範囲に対する温度範
囲は、より大きく取ることができる（すなわち１５〜３
５°Ｃ）。従って、１０〜１５°Ｃの間でのみ、誤差が
指定されたレベルを越える。１０°Ｃにおいては、比重
＝１．０４３の溶液の指示値は１．０４１４で、誤差＝
−０．００１７が生じる。

【０１１４】また、図８には、水の密度が温度の関数と
してプロットされている。１０〜２５°Ｃの範囲では、
この曲線の傾きの変化は、オメガセンサの測定比重値対
温度曲線の傾きの変化とほぼ同じである。このことは、
センサの測定誤差は試料の密度変化のみに起因し、セン
サ自体とは何ら関係がないということを示している。実
際、センサは、試料の密度変化のみから推測されるより
誤差が小さくなっており、事実上２５°Ｃ以上の温度に
よる誤差を補償する作用をもつ。このセンサ温度補償効
果を説明する根拠としては、温度による光ファイバコア
の屈折率変化が最も妥当であろう。

【０１１５】要するに、試料と洗浄溶液は同じ温度であ
るから、室温変動は、無視し得る程度の誤差しか生じな
いと考えられる。しかし、試料と洗浄溶液の温度差は、
試料密度の影響によって誤差を引き起こし得る。オメガ
センサ自体は、試料温度変化による温度誤差を小さくす
る傾向がある。しかしながら、試料−洗浄水の温度差異
が±７°Ｃ以内に保たれていないと、±０．００１を僅
かに越える比重誤差が生じる。

【０１１６】例３．濁り度効果 まず、透明な水及び既知量の３μｍシリカ粒子を加えた
高比重溶液を用いて、試料溶液を調製した。これらの試
料溶液は、見掛け上乳白色であり、粒状物添加量は、１
リットル当たり０．０７及至１０グラム（ｇ／ｌ）であ
った。これらの濁った試料を粒子が沈澱するまで静置し
たあと、以下のようにして比重濁り度試験を行った：

【０１１７】１．まず、透明な上澄み液の比重をオメガ
センサを用いて測定した。 ２．次に、試料を撹拌して粒子を懸濁させ、濁った試料
についてオメガセンサにより比重値を測定した。

【０１１８】比重センサからの濁った試料に対する出力
信号は、最初は透明な液体に対するセンサ出力を越えて
いたが、その後は、粒子が容器内に沈澱するにつれて、
信号は時間と共に指数関数的に小さくなった。試料注入
開始に続く２秒後に指示値を読み、それらのセンサ指示
値を用いて濁り度原因性（濁り度に起因する）誤差が計
算された。この２秒という時間間隔は、マルチテストの
尿検査用の自動化システムにおいて、実際に尿比重測定
を行うために利用可能であると予測される時間を反映さ
せるように選択されたものである。

【０１１９】上記の標準試験溶液（中実記号で示す）及
びＲｉｖｅｒｓｉｄｅ ＭｅｔｈｏｄｉｓｔＨｏｓｐｉ
ｔａｌ（コロンバス、オハイオ州）で採取された９件の
濁った尿試料についての比重試験の結果が図９に示され
ている。実際の濁った尿試料は、３日の期間にわたって
採取された全ての試料（約３００試料）中で最も濁った
９つの尿であると考えられるものであった。図９から明
らかなように、誤差は常にマイナス（透明溶液の場合よ
り比重値が低い）になっており、誤差は、粒状物添加量
が増加するにつれて総じて大きくなる。

【０１２０】約４ｇ／ｌ以下の粒状物添加量の場合、比
重測定誤差は±０．００１範囲内にあるということが分
かる。しかしながら、９つの尿試料のうち２つの試料に
おいては、誤差が±０．００１より僅かに大きくなって
いる（すなわち、誤差±０．００１５）。従って、約２
／３００（０．７パーセント）の割合で、許容値を最
大．０００５単位上回る比重誤差が濁り度効果のために
発生し得る。これらのデータは、概して、オメガセンサ
は、尿試料の濁りの存在によって極めて小さい影響しか
受けないということを示している。

【０１２１】例４：洗い流しの汚れ繰越し効果 容器を洗浄することの有効性は、下記の要因によって変
化する： １．洗浄容液（水）の体積 ２．洗い流す試料の比重レベル ３．センサシステムの設計（主に容器及びホルダーの設
計） ４．洗浄時における容器中のピペットの位置

【０１２２】比重誤差のデータを２の異なる水洗体積
（２００、３００μｌ）の場合について、液体の比重の
関数として得た。それらのデータをプロットしたグラフ
を図１０に示す。溶液の比重レベルが増大するにつれ
て、水洗後のプラスの測定誤差も増加する。これは、比
重を測定する溶液が少量容器に残存して、その溶液（比
重〉１．０）と水（比重＝１．０）が混合される結果実
際の容器の比重レベルが高くなることによるものであ
る。また、比重誤差を±０．００１以内に保つには、約
３００μｌの水洗体積が必要なことも図１０から明らか
である。２００μｌだけしか水洗しないと、比重が１．
０２を越える試料の場合、比重誤差が±０．００１のレ
ベルを越えることがある。

【０１２３】図１０のデータに基づき、最も悪いケース
（人間の尿）の比重の溶液（比重＝１．０４３）の１つ
を用いて、試料比重と水洗体積との関係をより明確にす
るために、さらに実験を行った。それらの実験データを
図１１に示す。この実験においては、容器をまず比重＝
１．０４３の溶液で満たし、水の量を段階的に増やすこ
とによって、容器を洗浄した（ピペットを用いて）。図
１１のデータは、誤差±０．００１以内という要求を満
たすためには少なくとも２５０μｌの水が必要であると
いうことを示している。

【０１２４】さらに、水を容器に入れた後、比重試験に
先立って、比重＝１．０４３の溶液をピペットで容器に
注入し、水を洗い流す実験を行った。この場合、測定誤
差を±０．００１のレベル以下に保つには、比重＝１．
０４３の試料（疑似尿）約２２５μｌが必要である。

【０１２５】例５：ピペットの汚れ繰越し誤差 比重測定におけるもう一つの誤差の原因は、少量の水が
試料をピペットで移す際水／尿界面の尿試料と混じるた
め起こるピペットの汚れ繰越しである。この逆もまた真
であって、尿の一部が洗浄液と混じる。この結果とし
て、試料及び洗浄液（較正のために用いられる）が汚染
されてしまうため、ピペット原因性の汚れ繰越し誤差が
生じる。この問題をできるだけ小さく抑えるための方法
が図１２に示されている。

【０１２６】この図に示すように、気泡８０（従来エア
ピグとも呼ばれている）は、洗浄水８２と尿試料８４を
分離するために用いられる。このエアピグの存在は、２
つの溶液の混合、従ってピペット汚染による誤差を最小
限に抑える効果がある。誤差をさらに小さくするために
は、エアピグの両側の少量の液体を「無駄溶液」８６、
８８として扱うことができる。この場合は、若干量の試
料（図１２おいては５０μｌ）がピペット中に残る（ピ
ペットから測定容器に排出されない。おそらく、この無
駄試料中には、大半の水汚染物質が含まれており、これ
を残すことによって試料の比重測定誤差を小さくするこ
とができる。

【０１２７】さらに、水較正誤差を改善するために全洗
浄体積が３００μｌ（基本的に必要な２５０＋無駄溶液
５０）となるよう、さらにある量の水（図１２において
は５０μｌ）を追加する。

【０１２８】例６：応答時間 センサの応答時間は、約０．２秒以内である。水洗には
約１秒を要する。電子的な読取り時間は、約１秒以下約
５０×１０^-6ｓｅｃまでの範囲である。従って、液体試
料についての比重の全読取り時間は約２．２秒である。

【０１２９】例７：タンパク質付着の影響 センサをタンパク質溶液に連続的にさらして、センサ較
正の長期変化を測定することにより、センサに対するタ
ンパク質付着の影響の有無を評価した。タンパク質試料
は、Ｃｈｅｃｋｓｔｉｘ（商標）溶液（比重＝１．００
７）を用い、これに牛の血清アルブミンを１０３０ｍｇ
／ｄｌ添加することにより調製した。実験は、以下の手
順で実施した：

【０１３０】１．センサを製作後、様々な比重の溶液を
用いて較正した。 ２．次に、このセンサを、タンパク質を添加した溶液中
に一定暴露期間浸漬したた。 ３．様々な既知比重の溶液を用いて測定を繰り返し、測
定誤差を求めた（最初の較正データを用いて暴露後の比
重を計算した）。 ４．さらに合計１１０時間まで時間を追加して暴露及び
測定を継続した。 ２つの暴露試験における誤差データを図１３に示す。図
から明らかなように、測定比重値は、誤差が最初は２４
時間の暴露期間中に±０．００１の最大誤差まで増加
し、その後タンパク質溶液に１００時間暴露したとこ
ろ、―０．００１に近い誤差値まで指数関数的に減少し
た。これらのデータは、センサ誤差が、高レベルのタン
パク質暴露を行って１００時間以上にわたり約±０．０
０１であるということを示している。

【０１３１】図１３におけるデータは、比重センサの長
期性能を推定するために用いることができる。これらの
データは、１１０時間の間に、センサの相対出力による
比重をプロットした曲線（図７参照）の傾きが僅かしか
変化していない（３パーセントの減少）ということを示
している。従って、この１１０時間を臨床的条件に外挿
することによって、センサの総寿命を知ることができる
ことが考えられる。これと同じ推論によって、尿２０％
と水８０％の溶液にセンサを暴露した実験に鑑みて、こ
の３パーセントの変化は、高タンパク尿に暴露した場合
にのみ、５５０時間で発生する。幸いなことには、タン
パク質レベルは、病院で採取される４つの尿試料毎に１
つしか３０ｍｇ／ｄｌを越えないので、実際のセンサ寿
命はおそらく少なくとも２２００時間であると考えられ
る。

【０１３２】タンパク質溶液に暴露したセンサは、暴露
と同じ時間だけ蒸留水中に放置することによって未暴露
状態に容易に戻すことができた。従って、センサは、尿
と水に交互に暴露することにより、暴露時間がどれだけ
長くとも、タンパク質層の付着、形成を防止することが
できる。

【０１３３】

【発明の効果】本発明の屈折率測定システムは、小量の
生物学的試料の測定を行うために特に有利な下記の特性
を有する。

【０１３４】上に述べたように、試験に必要な試料容積
がほんの小量で足りる。一般に多重テスト用の尿検体に
使われる試料の量は、例えば１００〜３００μｌの範
囲、好ましくは約２５０μｌである。この量で、試料容
器を洗い流すばかりではなく、十分な試料をまかなうこ
とができる。

【０１３５】次に、参照液体について同じ条件の下で逐
次測定が行われる。参照標準物質は、通常水であり、好
ましくは蒸留水を使用する。試料容器を洗い流すには、
ほんの小量の水で足りる。一般に尿試料に使われる洗い
流し液量は、３００〜５００μｌ、好ましくは３５０μ
ｌである。

【０１３６】本発明の測定精度は、±０．００１比重単
位装置（これは±０．０００４屈折率単位相当する）
と、非常に優れていることが確認されている。容器の洗
浄が不十分なことによる汚れの繰越し効果は、±０．０
０１比重単位以下のオーダーの誤差しか生じない。

【０１３７】この比重センサによれば、１．００及至最
低約１．０９（最大比重約２）の広い範囲の比重をカバ
ーすることができる。

【０１３８】このセンサは、試料の明澄度または色に比
較的不感であり、このことは本発明が対象とする生物学
的物質の１つである尿の明澄度及び色カラーの周知の変
動性を考慮するとき、大きな利点となる。測定は、透明
から着色懸濁液に至るまで高度に濁った試料について行
うことができ、誤差は±０．００１比重単位以下であ
る。

【０１３９】測定を行うのに必要な時間は、１〜２秒の
オーダーで、極めて短い。この長所は、答えが迅速に得
られ、短時間で多くの試料を処理することができるとい
うことを意味する。これらの利点は、臨床環境において
は特に重要であり、良好なコスト‐効果比が確保され
る。

【０１４０】この測定システムに対する温度の影響はほ
んの僅かである。システムの動作温度範囲は、約１０〜
３５°Ｃである。試験のための好ましい温度は約２３°
Ｃである。

【０１４１】このシステムのコストは、非常に僅かであ
る。使い捨て材料は不要であり、これもコスト削減に貢
献する要素である。センサエレメントは、製作し易く、
またセンサ付着物による影響も僅かである。蛋白質の付
着も何ら問題要因になるとは思われない。

【図面の簡単な説明】

以下、本発明を実施例により添付図面を参照しつつ詳細
に説明する。

【図１】 ブレッドボード型比重センサシステムのブロ
ック図であり、例えば現在マイルズ社（Ｍｉｌｅｓ Ｄ
ｉａｇｎｏｓｔｉｃ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ）により製造に
向けて開発が行われている商品名ＡＴＬＡＳのような完
結した自動化尿検査用のより大きなシステムとの関係を
模式的に示す。

【図２】 光源から比重を測定する液体中のＵ字形屈曲
検出素子を通って検出器へ達する屈折光の流れを示す説
明図である。

【図３】 液体の屈折率測定用のセンサの一実施例（す
なわちオメガ形センサまたはオメガセンサ）の形状を示
す説明図である。

【図４】 図３のセンサの製作に使用するジグの説明図
である。

【図５】 オメガセンサに基づく屈折計システムの寸法
を一定比率で示し、５（Ａ）は、容器を取り囲むドレイ
ンカップリム及び光学―電気系統へのオプションのコネ
クタの平面図であり、５（Ｂ）は、容器中のオメガセン
サの位置を示す平面図であり、５（Ｃ）は、システム全
体の断面図である。

【図６】 オメガ形光ファイバ比重センサのコンポーネ
ントの平面図の写真である。

【図７】 センサの特性を示すグラフであり、Ｘ軸は比
重、Ｙ軸は相対的センサ出力を示す。

【図８】 温度対比重の関係を示すグラフであり、温度
変化に対する液体の密度変化、及びセンサで生じる温度
誤差を示す。

【図９】 比重測定における様々な尿試料の濁り度と誤
差との関係を示すグラフである。

【図１０】 比重（Ｘ軸）と洗浄体積が２００μｌ及び
３００μｌの場合のウェルキャリオーバ（Ｙ軸）による
センサ誤差との関係を示すグラフである。

【図１１】 センサのウェルキャリオーバ誤差に対する
洗浄液量の影響を水洗の場合と高比重液体（〜１．０４
３）の場合について示すグラフである。

【図１２】 キャリオーバ誤差をできるだけ小さくする
ためのエアピグを示すピペットの部分の説明図である。

【図１３】 Ａ２と命名されたセンサのタンパク質暴露
試験の結果を示すグラフで、２回の実験（試験）におけ
る比重を暴露時間に対してプロットしたものである。

【符号の説明】

２ センサ ４ 容器（ウェル） ６ ドレインポート ８ ピペット ９ ウェットパーク １０ センサホルダー １１ 光ファイバ １２ オプトエレクトロニクスモジュール １４ コントロールボックス １６ ドレインボトル ２０ 光源 ２２ コア ２４ クラッド ２８ 光線 ３０ 液体 ３２ 屈曲 ３４ 検出器 ４０ 光ファイバ ４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃ ジグのピン ４２ 光源 ４４ 光 ４８ 光ファイバの直径 ５６、５８ 光ファイバウィング ５７ カバー ５９ ベース ６３ ベース ６５ リストンリング ８０ 気泡 ８５、８６ 無駄溶液

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成４年１１月３０日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図６

【補正方法】変更

【補正内容】

【図６】 オメガ形光ファイバ比重センサのコンポーネ
ントの平面図である。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少量の液体の比重を測定するための装置
   であって、 （ａ）液体用の分配器と、 （ｂ）計量分配される液体を収容するため上記分配器の
   下方に配置された容器と、 （ｃ）液体の屈折率を測定するため容器内に配置された
   センサと、 （ｄ）液体の屈折率及び上記容器中で測定された水の屈
   折率に基づいて上記液体の比重を算出する手段と、を含
   む装置。
2. 【請求項２】 上記センサが多重屈曲した光ファイバを
   有する光ファイバ系よりなることを特徴とする請求項１
   記載の装置。
3. 【請求項３】 上記センサが容器の水平面に対して３０
   °乃至６０°の角度で配設されていることを特徴とする
   請求項２記載の装置。
4. 【請求項４】 自動化された多重化試験システムの構成
   要素として含まれる、液体の比重を測定するための装置
   であって、 （ａ）測定されるべき液体に対して容器に近接させ且つ
   僅かにその上流に配置された可動液体分配器と、 （ｂ）測定されるべき液体用の容器またはリザーバから
   成る第１の容器であって、排出手段を有する円筒状チュ
   ーブの開いた口の中に突出して埋設された第１の容器
   と、 （ｃ）上記液体分配器を囲んだ開いた口、液体分配器に
   対して一部分が下位に配設されたコネクタ、装置の液体
   排出口としての漏斗状のチューブ、より成るドレインポ
   ートと、 （ｄ）ドレインポートの壁を貫通して突出しており、セ
   ンサ保持具に包まれたセンサと、 （ｅ）センサの遠端を回路板と相互接続するオプトエレ
   クトロニクスモジュールと、を含む装置。
5. 【請求項５】 液体の比重を測定するための方法であっ
   て、 （ａ）第１の量の水を容器中に入れることと、 （ｂ）比重を測定すべき液体を第１の量だけ容器中に導
   入することにより、その中の第１の量の水を洗い流すこ
   とと、 （ｃ）センサにより第１の量の液体の屈折率信号を記録
   することと、 （ｄ）第２の量の水を容器中に導入することにより、容
   器中の第１の量の液体を洗い流すことと、 （ｅ）センサにより第２の量の水の屈折率信号を記録す
   ることと、 （ｆ）第１の量の液体の屈折率信号及び第２の量の水の
   屈折率信号を用いて液体の比重を算出することと、を含
   む方法。
6. 【請求項６】 液体の比重を測定するためのセンサであ
   って、 （ａ）上記センサが、直径０．１２５mm乃至０．５mm、
   望ましくは直径０．２５mmの光ファイバであることと、 （ｂ）上記センサの屈曲の半径が、０．３８mm乃至１．
   ５mm、望ましくは０．７９mmであることと、 （ｃ）上記センサの屈曲の回数が、２乃至４回、望まし
   くは３回であることと、 （ｄ）上記センサの光ファイバのコア屈折率が、１．４
   ０乃至１．５０、望ましくは１．４９であることと、を
   特徴とするセンサ。
7. 【請求項７】 少なくとも４０％の感度、１０％の透過
   度、センサへの入力信号が２μｗである時の、適切な検
   出信号により、液体の屈折率を測定することが可能な請
   求項６記載のセンサ。
8. 【請求項８】 液体の比重を測定するためのセンサであ
   って、 （ａ）複数回の屈曲を有し、入力ファイバ及び出力ファ
   イバが同一方向に指向されたギリシャ文字オメガ形状を
   有するセンサであることと、 （ｂ） 測定すべき液体を保持する容器の直径１８ｄに
   対して、光ファイバの直径がｄであることと、 （ｃ）コアの屈折率（ｎｃ）が１．４乃至１．５である
   ことと、を特徴とするセンサ。
9. 【請求項９】 液体の比重を測定するための装置であっ
   て、 （ａ）下端にドレインを有し垂直に配置された第１の容
   器と、 （ｂ）水平面に対して３０°〜６０°の角度だけ底面を
   傾斜させて上記第１の容器内に配置された第２の容器
   と、 （ｃ）液体を上記の第２の容器内に分配するために配設
   された液体分配器と、 （ｄ）上記の第２の容器が液体で満たされているときそ
   の中に浸漬されるように第２の容器内に配置される１つ
   の湾曲した中央部分、上記の湾曲した部分の両端から夫
   々伸びている２つの翼状部、を有するオメガ形状の光学
   的導波器と、 （ｅ）上記第２の容器中に貫入し、上記第１及び第２の
   容器に対して光及び液体を遮断する関係で、上記翼状部
   に接続する光ファイバコネクタと、 （ｆ）上記のコネクタを介してオメガ形状のセンサ中に
   光を循環させるのに適した光源と、 （ｇ）上記の光源からオメガ形状のセンサを透過した後
   の光を検出するのに適した電気光学的検出器と、を含む
   ことを特徴とする装置。
10. 【請求項１０】 尿の比重を測定する方法であって、 （ａ）センサを浸漬するのに十分な量の尿を容器に満た
    すことと、 （ｂ）光源からセンサへ一定量の光を送ることと、 （ｃ）センサを透過する光の総量を検出することと、 （ｄ）センサを洗うのに十分な量の水で容器を洗い流す
    ことと、 （ｅ）再度、光源からセンサへ一定量の光を送ること
    と、 （ｆ）再度、センサを透過する光の総量を検出すること
    と、 （ｇ）尿及び水の光透過量を尿の比重を示す値に変換す
    ることと、を含むことを特徴とする方法。