JPH0643967B2 - 蛍光分析的濃度測定方法と測定装置 - Google Patents

蛍光分析的濃度測定方法と測定装置

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JPH0643967B2
JPH0643967B2 JP59118973A JP11897384A JPH0643967B2 JP H0643967 B2 JPH0643967 B2 JP H0643967B2 JP 59118973 A JP59118973 A JP 59118973A JP 11897384 A JP11897384 A JP 11897384A JP H0643967 B2 JPH0643967 B2 JP H0643967B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、ある物体中に含まれているガス、液体など
の物質濃度の蛍光分析的測定方法であって、これら測定
対象物質により蛍光強度が低下ないし消失する蛍光指示
薬を用いて実施する方法に関する。更に、この発明は上
記方法を実施するための装置であって、測定対象物質を
含んだ物体(以下、試料と称する)が試料室に置かれ、
この試料室へ蛍光指示薬が導入される装置に関し、この
装置においては、光源により上記蛍光指示薬の(分子)
内部で励起された蛍光光線が測定対象物質により減衰な
いし消失しうることが利用されている。
〔従来の技術〕
ある物質、例えばいわゆる蛍光消失剤(以下、消光剤と
称する)を添加することにより、ある種の染料の蛍光性
を低下させ得ることは既に知られている。この消光剤の
濃度と蛍光強度低下度合との間には、シュテルン(Ster
n)とフォルマー(Volmer)によれば次式が成立する。
即ち、 ここに、F゜:消光剤不存在のときの蛍光指示薬の蛍光
強度 F :消光剤が存在するときの蛍光指示薬の蛍
光強度 K :消光剤と蛍光指示薬との各組合せによっ
て特定される係数、いわゆる消光係数 〔Q〕:消光剤(英語で“quencher”と称されて
いるもの)の濃度 である。
F゜値とk値とは系に導入される蛍光指示薬、つまり各
蛍光物質ごとに定まった定数であるから、F値を測定す
れば消光剤の濃度〔Q〕が求められる。F゜値とk値が
未知ならば、まず測定操作を行なって検量線を作成する
ことにより、あるいは計算により、上記F゜値とk値を
消去する。つまり、予め既知の消光剤濃度〔Q〕値を有
する溶液を数種類用意しておき、これらの蛍光指示薬に
よる蛍光強度を測定し、その結果を、〔Q〕値とF値を
夫々XY軸とするグラフ上にプロットして検量線を作成
することにより、F゜値とk値がグラフ上で算出され
る。即ち、検量線を作成する際、消光剤を添加しない場
合の濃度〔Q〕のF値がF゜値に相当する。又、−1/
kが、上記(1)式から得られる曲線の漸近線に相当し、
得られたグラフを外挿することによりkの値を精度の高
い近似値として求めることができる。
尚、計算によっても、F゜とk値を求めることができ
る。つまり、予め既知の消光剤濃度〔Q〕値を有する溶
液を数種類(最低2種でよい)用意しておき、これらの
蛍光指示薬の蛍光強度を測定して、測定したF値と
〔Q〕値を式(1)に代入すると、2つの連立方程式が得
られて容易にF゜値とk値を求めることができる。
この分析方法は種々の方面で応用されている。
例えばアメリカ特許第3612866号明細書には、血
液など種々の試料の中の酸素濃度測定方法が記載されて
いる。この方法は、例えばピレン等のある種の芳香族炭
化水素の蛍光強度を消光剤としての酸素が式(1)に従っ
て低下させる、ということに基づいている。「バイオケ
ミストリー」誌(Biochemistory、第9巻、464ペー
ジ、1970年)に記載されている方法にあっては、ピ
レン酪酸が用いられ局部的な酸素濃度が蛍光消光現象を
利用して追跡される。「アナリティッシェ・ヘミー」誌
(Analytische Chemie、第314巻、577ページ、1
983年)に記された方法では、ある種の異節環式化合
物系の蛍光指示薬を用いハロゲン化物のハロゲンイオン
濃度が、該イオンの影響を受ける蛍光消失現象を利用し
て正確に測定される。ドイツ特許公告公報第25086
37号明細書には、蛍光消失の原理を利用した血中ガス
濃度の光学的測定方法が記されている。「アナリスト」
誌(Analyst、第107巻、465ページ、1982
年)には蛍光消失現象を利用したその他の物質濃度測定
方法も記されている。
〔発明が解決しようとする課題〕
上述の既知方法の全てに共通の欠点は、種々の被測定物
質に対して、蛍光指示薬もしくは指示物質を特定しなけ
ればならないことである。つまり、これら指示薬に夫々
1つの被測定物質のみを対応させなければならないこと
である。しかし実際には、蛍光指示薬が1つの被測定物
質以上に対応、つまり複数の物質により消光作用を受け
ることが多い。
従って、本発明の課題は、蛍光指示薬を用いて1つ又は
複数の測定対象物質の濃度を蛍光分析的に測定する方法
とそのための装置を提供することにある。そして、蛍光
指示薬を必ずしも被測定物質ごとに特定化する必要がな
く、特に任意の蛍光指示薬を用いて、短時間のうちに複
数の物質を測定し得る方法、及びそのための装置を提供
することである。
つまり、本発明の課題の1つは、複数の測定対象物質濃
度を同時的ともいえる短い時間内に蛍光分析的に、しか
も指示薬の特定性がない場合においても、測定し得る方
法を初めて提供することである。換言すれば、複数の攪
乱物質ないし消光性物質が存在する場合にあっては、1
つの物質の濃度だけを測定しうる方法を提供することで
ある。
〔課題を解決するための手段〕
冒記した技術における上記従来技術の有する課題は、本
発明によれば、以下のようにして解決される。
流体試料中に含有されている測定対象物質により蛍光指
示薬の蛍光強度が低下もしくは消失する場合において、
当該測定対象物質の濃度を蛍光指示薬を用いて測定する
蛍光分析的濃度測定方法であって、次の(イ)〜(ニ)
の工程に従って行う蛍光分析的濃度測定方法、 (イ)前記測定対象物質の少くとも1種に対して特定化
されず、かつ消光剤不存在の場合の蛍光強度と、前記測
定対象物質に対して種々の消光係数とを有して、前記測
定対象物質に応じて消光させられる蛍光指示薬を用意す
る (ロ)前記蛍光指示薬を、前記測定対象物質を含む前記
試料に反応させる (ハ)前記試料についてn個の蛍光強度を、測定手段を
用いて測定する (ニ)前記(イ)で用意された蛍光指示薬の既知の未消
光時の蛍光強度(F゜)と、既知もしくは予めグラフ上
で又は計算により求められている前記蛍光指示薬の消光
係数(k)と、前記(ハ)の工程で求められた蛍光強度
(F)とを用いて下記一般式により、個々の測定対象物
質の濃度及び/又はこれら濃度間の比を求めること、 (ここに、〔Q〕は第n種目の測定対象物質濃度を表
す) からなる方法によって解決される。
他方、本発明方法を実施するための装置として、冒記し
た装置であって、その特徴構成は、 測定対象物質を含む試料を収容する試料室を備え、この
試料室に蛍光指示薬が配置されていると共に、この蛍光
指示薬を励起する光源が設けられていて、この光源によ
り前記蛍光指示薬の中で励起された蛍光光線の蛍光強度
が前記測定対象物質により低下させられ、もしくは消失
させられるよう構成されていて、 前記蛍光指示薬の少くとも1種が、前記測定対象物質の
少くとも1つに対し特定的に対応することなく反応する
ようになっていると共に、 前記蛍光指示薬の消光係数(k)が、これら指示薬に消
光作用を及ぼす物質ごとに異なっていて、 前記光源により前記蛍光指示薬の中で励起された蛍光光
線を検知するセンサと、 低下ないし消失させられた蛍光強度に対応する前記各蛍
光指示薬についての信号が増幅回路を経て、もしくは経
ることなく送信されると共に、この送信された信号に基
づいて各物質濃度及び/又は各物質間の濃度比を計算す
るための演算回路とを備えている 点にある。
〔作 用〕
本発明は次の知見に立脚したものである。即ち、複数の
消光剤の影響を数学的に評価できるためには、上記の式
(1)を拡張すること、つまり項数を増すことにより追加
の消光剤ないし被測定物質の影響を計算すればよい。従
って、消光剤が2種のときには下記式(2)を用い、消光
剤または非特定の蛍光指示薬を消光する測定対象物質の
種類が更に多い場合には、一般式(3)を用いればよい。
式(2)は2つの未知数を含み、式(3)はn個の未知数(即
ち、種々の物質である消光剤の濃度、〔Q〕値)を含ん
でいるから、これらの式を解くためには、夫々2個およ
びn個の実測値を必要とする。
まず、消光剤が2種のときには、測定対象物質により消
光された相違なる2種の蛍光指示薬についての蛍光強
度、つまりF値を、例えば後記する測定装置を用いるな
どして測定すればよい。
蛍光指示薬(A)を用いて得られるデータは、 である。式(4)において、F゜A値は消光剤である測定対
象物質が不存在のときの指示薬(A)の蛍光強度であ
り、FA値は消光剤が存在するときの蛍光強度であり、
1kA項は消光剤〔Q〕に対する指示薬(A)の消光
係数、2kA項は消光剤(Q)に対する指示薬(A)
の消光係数、〔Q〕と〔Q〕は夫々両消光剤の濃度
である。
蛍光指示薬(B)を用いて得られるデータは、同様にし
である。ここに、F゜B値は消光剤不存在のときの指示
薬(B)の蛍光強度、FB値は消光剤が存在していると
きの蛍光強度、1kB項は消光剤〔Q〕に対する指示
薬(B)の消光係数、2kB項は消光剤〔Q〕に対す
る指示薬(B)の消光係数〔Q〕と〔Q〕は夫々両
消光剤の濃度である。
次に、簡単化のために をαとおき、 をβとおくと、式(4)、(5)は、夫々、 α=1kA〔Q〕+2kA〔Q〕 (4′) β=1kB〔Q〕+2kB〔Q〕 (5′) となる。
ここに、連立方程式式(4′)、式(5′)を常法に従い、
〔Q〕、〔Q〕について解くと、次の(6)式及び(7)
式が得られる。即ち、 ここに、1kA,2kA,1kB,2kBは既知又は算
出ずみの定数である。α値とβ値は消光作用を受けた状
態の蛍光強度、即ちFA値及びFB値によって定まる変
量値である。このようにして、式(6),(7)に従い測定対
象物質〔Q〕、〔Q〕の濃度が求められる。
測定対象物質である消光剤が3種存在している場合に
は、3種の蛍光指示薬を用いると共に、次の3種のデー
タが(4)と同様に、次式で表される。
即ち、 ここに、 と置くと、α、β、γを求めなければならない。従っ
て、合計9種の消光係数を伴った次の3式、即ち α=1kA・〔Q〕+2kA・〔Q〕 +3kA・〔Q〕 β=1kB・〔Q〕+2kB・〔Q〕 +3kB・
〔Q〕 γ=1kC・〔Q〕+2kC・〔Q〕 +3kC・〔Q〕 (9) が導かれる。
この連立方程式は、 のように行列式で表わされ、これを適宜の卓上計算機で
計算することによって解くことができる。
n種の物質について未知の濃度を求めるためには、同様
にn個の独立した方程式が立てられ消光作用を受けた蛍
光強度、つまりF値をn個測定する必要がある。
他方、本発明の装置では、特定化されていない蛍光指示
薬を使用することにより、仮に上記諸物質のなかに対象
外の妨害物質を混在している場合であっても、物質濃度
もしくはその比を測定することができる。
個々の蛍光指示薬についての未消光の蛍光強度データが
インプットされ、且つ場合によっては散乱光部分に対応
した値を差引いたあとで個々の蛍光指示薬の蛍光強度測
定データがインプットされるようにした割算回路が設け
てあれば、そこで計算された商の値を上記演算回路内の
減算回路へインプットできる。しかも、この減算回路内
で上記の商から数値1を差引くことができて好都合であ
るほか、更に、上記演算回路内に物質濃度の値及び/又
はそれらの比を計算するための計算回路が設けてあれば
一層好都合である。
蛍光指示薬(複数)のうちの少なくとも一部分が有して
いる指示薬物質が、個々の指示薬について種々の状態、
つまり溶液又は化合物として存在し、しかもこれら種々
の溶液又は化合物の状態において該指示薬に対し消光作
用を及ぼす各物質について夫々異なった消光係数をもっ
ていれば、上記の構成が簡単化できる。必要に応じ次の
ように構成することもできる。即ち、 上記蛍光指示薬ないし蛍光物質(複数)が複数の溶液又
は複数の指示薬膜体に分割して存在させられ、及び/又
は試料室と蛍光指示薬との間に反応室が介設され、この
反応室内において消光性物質が非消光性物質へ、又は逆
に非消光性物質が消光性物質へ化学反応により変換させ
られ、及び/又は測定ゾンデの尖端に指示薬成分ないし
蛍光指示薬が配置され、このゾンデが、対象物質含有試
料の中へ浸漬できるように構成されていれば便利であ
る。
試料室が同時に反応室でもあるように構成することがで
きるほか、試料室の背後に特別の反応室を設けることも
できる。
光源強度の変動による影響を排除する目的で、標準光電
池又は標準指示薬を蛍光指示薬と共に用い、場合によっ
ては増幅器を介して、この光電池等を上記計算回路へ接
続してあれば、上記演算処理にとって好都合である。
〔発明の効果〕
この方法の利点は、濃度測定対象の例えば2種の物質が
いずれも2種の蛍光指示薬に対し消光作用を及ぼす場合
において、非特定のこれら2種の蛍光指示薬を用いて、
上記2種の物質の濃度を蛍光分析的に測定することが可
能になったという点にある。
非測定対象の消光性妨害物質が1種混在している場合に
おいて、ただ1種の測定対象物質濃度を測定することも
2つのデータが得られれば可能である。この2つのデー
タとは消光作用を受けた2種の蛍光指示薬の蛍光強度で
あり、この場合には、これら物質濃度の算出は上述した
ようにして行われる。しかしながら、妨害物質の実際の
濃度は算出されず、該物質により消光作用を受けた蛍光
強度が補助的データとして必要となるにすぎない。この
場合、本発明方法は測定対象物質の濃度を妨害物質から
識別するのに役立っているのである。
その特徴は次の通りである。即ち、少なくとも1種の非
測定対象ないし妨害性物質が存在し、これらが測定対象
物質に対応した蛍光指示薬の蛍光強度を消失させる作用
をなしているとき少なくとも1種の測定対象物質の濃度
を求める目的で、上記妨害物質の濃度が対象物質濃度と
同様に測定され、そのデータが利用される点にある。
同様にして非測定対象ないし妨害物質がn種存在して
も、これにより消光作用を受けたn種のデータを得れ
ば、これら妨害物質の影響を除外することができる。こ
の場合、測定対象物質(単数)により消光された蛍光強
度と共に(n+1)個の方程式の中へ上記妨害物質につ
いての方程式を組入れることになる。これら方程式を解
くためには、成全ての指示薬−消光剤の組合わせについ
て、夫々消光係数(k)が異なっていることが条件とな
る。従って、測定されるべき濃度データの数は、測定対
象及び妨害物質により消光され、かつ上記各方程式を解
くのに必要となる蛍光強度データの数であるということ
になる。
少なくとも1種の物質に対し特定化された指示薬が用い
られる場合には、上記の式(6)及び(7)は極めて簡単な形
に変形される。つまり、消光係数のうちの1つがゼロに
なり、3つの項のみからなる。
これに反し、消光性物質が2種である場合のそれらの濃
度比を求めたい場合には、式(6)と(7)とを組合わせて下
記の式(11)が適用される。
それ自体が蛍光指示薬物質となるものは、その状態が、
例えば溶液又は化合物その他の種々の状態であろうと
も、蛍光指示薬として用いることができる。又、これら
蛍光指示薬がその種々の状態において測定対象物質に対
して異なる消光係数をもつように構成することができ
る。種々の状態で存在し、従って種々の物質に対して異
なった消光係数をもつ蛍光指示薬もしくは指示薬物質
は、本発明方法においては、互に無関係に導入しうる蛍
光指示薬と見なされるべきである。
上記方法の実施態様次第では、その相もしくは物質状態
が測定対象物質の相もしくは状態と同じである蛍光指示
薬が用いられる。測定対象物質とは異なる相もしくはこ
れから分離して蛍光指示薬が存在している場合には、測
定対象物質を指示薬相の中へ拡散させるのが好都合なこ
ともある。あるいは、蛍光指示薬(複数)を測定対象物
質もしくはこれを含有した試料へ同時に添加し、あるい
は複数の物質溶液又は指示薬膜体へ分割して添加導入す
るのが好都合なこともある。更に、測定対象物質と同じ
相もしくは状態で存在する蛍光指示薬を用いることもで
きる。
蛍光指示薬をそれ自体の(独自の)相として存在させる
か、又は他の相の中に存在させるかの選択は、そのとき
要請されている条件によってきまる。指示薬がそれ自体
の相として存在していれば、消光剤が実際上何の妨げも
なく指示薬へ接近できるから、非常に高感度の測定がで
きる。しかし、溶液中に存在している実際上全ての消光
剤が作用を及ぼすので、(これらと指示薬との間の)特
定性は小さくなる。指示薬が他の相に存在していれば、
一般的に測定の感度は低下する。その理由は、消光剤が
先ず第2相もしくは他の相の中へ拡散浸透しなければな
らず、しかもその相内では少なくとも実際上(例えば、
ポリマー内部では)消光効率が上記場合よりも低いから
であって、このことが信号変換量を低下させ、従って感
度あるいは精度の低下を招くのである。しかし、この場
合には溶液の特定性が明らかに向上する。そ理由は、上
記の第2相あるいは他の相の中へ浸入しうる物質、普通
はガスあるいは小さい分子のみが消光作用を呈し得るに
過ぎないからである。
〔実施例〕
第1図および第2図は、液体又は気体試料中に2種の拡
散性物質を含む場合に、本発明方法を実施するための簡
単な装置を示す。試料室(20)には、外部蛍光指示薬(21
A),(21B)が配置されている。光源(22A),(22B)は蛍光
指示薬(21A),(21B)に蛍光を発生させ、この蛍光光線の
強度は光センサ(23A),(23B)によって測定される。測定
対象物質が存在しないときの蛍光強度(F゜)は特別に
高い値を示し、得られるデータは式(2)が適用できる。
その場合、蛍光強度(F゜)は、夫々(F゜A)と(F
゜B)と表される。
次に、測定操作として、消光性測定対象物質含有試料が
試料室(20)内へ導入され、もしくは該試料室(20)に貫流
される。これに続いて消光性測定対象物質が、試料室(2
0)から蛍光指示薬(21A),(21B)の中へ拡散していく(例
えば、酸素、二酸化イオウ、2−ブロム−2−クロル−
1,1,1−トリフルオロエタン(以下、ハロタンと称
する)等々である。)。これら消光性物質は、上記指示
薬の蛍光強度を可逆的に低下させて測定値(F)を与え
る(式(2)又は(4)及び(5)参照)。
かくして、両指示薬(21A),(21B)の蛍光強度(FA),
(FB)が測定され、従って、上記値(F゜A),(F
゜B)と消光係数(k)とがわかっていれば、上記消光
性物質の濃度を計算することができる。励起用光源(24)
と蛍光光線(25)との間の識別をよりよく行うために、光
学フィルタ又は干渉フィルタ(26),(27)を設けることが
できる。
試料室(20)としては、1度ずつ取替える測定室のほか貫
流式の測定セルであってもよい。本発明方法と装置の利
点の1つは、個々の試料だけでなく、貫流中の試料をも
測定できることである。
光源としては、連続的な又はパルス化された光線を発生
する熱電気式、電子式、レーザー式、又は発光ダイオー
ド式の装置を用いることができる。
上記のように用いられる蛍光指示薬は、普通、消光剤を
感知する物質の溶液、又は場合により軟化剤あるいは可
塑剤を含むポリマー材料からなる薄膜に含まれた指示薬
物質の形態をとる。あるいはこれに代えて、蛍光指示薬
として作用する物質が担体物質と共有結合されていても
よい。
指示薬としては、あらゆる種類の蛍光指示薬もしくは指
示薬物質が場合により別々の母剤に含有された状態で用
いられる。望ましくは、これら指示薬が強蛍光性かつ安
定なものであることを要する。一例として下記の指示薬
−消光剤の組合わせを挙げておく。
ピレン酪酸−酸素 クロロフィル−2酸化イオウ 硫酸キニーネ−塩素イオン 硫酸アクリジン−臭素イオン インドール−H ベンゾ(ghi)ペリレン−ハロタン(前出) 光センサ(23A),(23B)は消光剤濃度に依存した蛍光強度
の測定に供せられる。光測定器もしくは光センサとして
は、光電管、光電変換増幅器、又はフォトダイオードを
備えることができる。得られた測定データは、更に増幅
回路(28)で増幅されてからアナログ又はデジタル計算回
路である演幅回路(29)、又は表示装置(30)へ供給される
のが普通である。演幅回路(29)内では、測定対象物質の
濃度が入力ずみの方程式を用いて計算される。
〔別実施例〕
第3図は、光学的に透明な気体もしくは液体等の流体に
含有されている3種の物質を連続測定する装置を略示し
ている。U字管状の資料室(20)を通り3個の蛍光指示薬
(21A),(21B),(21C)の前を矢印(34)方向に測定対象物
質が貫流し、これら指示薬は光源(22)からの光線(31)に
より、場合によってはフィルタ(26)を通ったあとの光線
により励起されて蛍光を発する。指示薬(21A),(21B),
(21C)から発せられた蛍光光線(32)は、場合によっては
フィルタ(27)にかけられた後で光センサ(23A),(23B),
(23C)により測定される。得られたデータ信号は増幅回
路(28)で増幅され、式(8),(9),(10)を用い計算回路(2
9)で計算される。上記データは、次いで、アナログ又は
デジタル表示装置(30)上に表示され又はプリントされ
る。消光剤濃度の比を求めるには式(11)が用いられる。
ここで注意されるべきことは、上記の生の測定データで
ある。測定された蛍光強度(F)から、一定値(FS)
を差引き較正された測定データとすることが実際上好ま
しいことが多いという点である。上記一定値(FS)は
外乱要素としてのノイズ光線を考慮したものであり、こ
れらのノイズ光線は光散乱現象に起因して蛍光検出系へ
入ったものである。ノイズ光線部分(FS)の計算にあ
たっては、先ずこれを考慮に入れてシュテルン・フォル
マー(Stern-Volmer)の式を変形する。即ち シュテルン・フォルマー式は次式で表わされる。
ここに、I,Iは測定された生の光強度(つまり蛍光
光線+ノイズ光線)であり、従って となる。3点較正法によれば次の3つの較正値、即ち 〔Q〕 =0→I 〔Q〕 →I 〔Q〕 →I が得られ、従って未知数が2つ(k,FS)である2つ
の等式が得られる。即ち、 このようにして、ノイズ光線部分(FS)と消光係数を
各センサ(各消光剤)ごとに較正計数できる。
本発明装置についての説明により、本発明における測定
原理が理解されやすくなるであろう。必要ならば、装置
に対する種々のニーズに応じて他の構成要素を利用する
ことができる。例えば、光源から蛍光指示薬へ光線を導
き、又、指示薬から光センサへ光線を導くために導光部
材を設けることが必要となるかも知れない。指示薬膜体
に対し、いわゆるイオンキャリアを添加することによ
り、消光剤が上記膜体もしくは指示薬の中へ拡散浸透し
易くし、あるいは消光剤に指示薬選択性をもたらすこと
ができる。
測定データを検出確認し、又は処理対象濃度値の計算の
ためには種々の可能性がある。2種の測定データが必要
とされる多くの場合に可能なことは、 (a)2種の異なった指示薬物質を含有した蛍光指示薬
の蛍光強度(FA),(FAB)を測定対象物質である
消光剤の存在下で測定し、次いで消光剤(Q),(Q
)の濃度の式(6),(7)で計算、又はグラフ上で求める
こと。
(b)夫々指示薬物質が種々の溶媒あるいはポリマー膜
中などの異った母剤中に含有された2種の蛍光指示薬に
ついて蛍光強度(FA),(FA′)を測定すること。
指示薬物質の消光係数(k)は該物質が含有されている
母剤もしくは溶媒により変るから、式(6),(7)を用い
て、あるいはグラフ上で2種消光剤の濃度を求めること
ができる。そのあと値(FA′)を値(FB′)に等し
いものとして扱う。
2種以上の物質が存在する場合、もしくは2種よりも多
い母剤もしくは溶液の中に指示薬物質が存在する場合に
も、上述の諸事項があてはまる。
本発明方法は、種々の分野、構成、及び幾何学的配置に
ついて適用できる。
蛍光指示薬あるいは指示薬物質と消光剤との間の相互作
用は、均質な溶液中、つまり測定対象物質含有溶液と指
示薬含有溶液とを混合することにより均質化した溶液
(例えば後記試験例1と2の場合のように椀状容器の中
における測定)の中で現出する。
蛍光指示薬と測定対象物質との間の相互作用は、該指示
薬が該物質と同じ相の中には存在しないとき、かつ、消
光性物質が測定対象物質含有試料の中から指示薬もしく
は指示薬物質の中へ浸透していく場合(例えば、第1〜
3図のように膜状センサでガス濃度を測定する場合)に
も現出する。
蛍光指示薬がスペクトル的に異なった複数の光線を発生
する場合は、これら指示薬を1種の溶液又は膜体の中に
存在させることができる他、複数の溶液又は膜体の中に
分割して存在させることもできる。
この場合には、複数の膜体を重ね合わせ、又は並置でき
る。選択性を向上させるには、指示薬もしくは指示薬単
位体を選択透過性の付加的膜体で被覆できる。
本発明の一実施例にあっては、これらの指示薬単位体上
のところに反応室を付加配置することができ、これら反
応室内で消光性物質が非消光性に変わり、あるいは逆に
非消光性物質が消光性に変わるので、非消光性物質を間
接的に調査し、あるいは測定することができる。
本発明で蛍光指示薬と称するときは、指示薬物質自体の
ほか担体物質上に存在する指示薬物質をも意味する。
光源(22)の光線強度変動(の影響)を除くために、標準
光電池(33)(第3図)を設けることができる。この光電
池は光源(22)の強度を検出するものであり、増幅回路(2
8)へ接続されているので光源(22)の変動を補償、つまり
該変動が蛍光強度の変動として現出することのないよう
にする。
本発明の用途は多岐にわたり、その数例を挙げておく
が、もとよりこれに限定されるものではない。
即ち、(a)工業的排ガス中又は環境測定装置中の酸素
と2酸化イオウとの短時間内での測定。
(b)SO又はNXなどの自動車排気ガスが外乱成
分として存在している場合における道路トンネル内の酸
素濃度測定。
(c)麻酔処理の間の麻酔ガス中に含有されている消光
性酸素及びハロタン(前出)の短時間内での測定。
(d)排水中の塩化物及び亜硫酸塩の連続測定。
以下、試験例に基づいて本発明を更に詳しく説明する
が、これら試験例により本発明方法の精度の良さが明ら
かになるであろう。
試験例1: 〔均質溶液中の2種の消光剤(塩化物と臭化物)の短時
間かつ定量的測定〕 原理: 蛍光指示薬としてのキニーネとアクリジンとが臭化物と
塩化物ととにより夫々異なった消光作用を受ける。
1−クロル−2、4ジニトロベンゼン(分子量202.
56)5.123mgと、ベンザールアセトフエノンジブ
ロマイド(分子量368.08)4.602mgとを秤取
混合し、酸素雰囲気中で燃焼させた。燃焼排ガスは1%
硫酸ヒドラジン溶液5mlに吸収させた。
反応ガス吸収後のフラスコ内容物を、指示薬を添加する
ことなく20mlのメスフラスコへ注入した。この母液8
mlづつを、ピペットアップして10mlのメスフラスコ2
つへ布々注入した。10mlメスフラスコの一方へは、
2.0×10−5モル濃度で1N硫酸に硫酸キニーネを
溶解させた溶液(第1指示薬)1mlを添加し、他方の1
0mlメスフラスコへは、1.0×10−5モル濃度で1
N硫酸にアクリジンを溶解させた溶液(第2指示薬)1
mlを添加した。次いで、これら10mlメスフラスコへ水
を添加して、内容量を夫々10mlとした。ハロゲン化物
を含有しない標準溶液を2種調製した後、その標準蛍光
強度(F゜A),(F゜B)を100に合わせた。(硫
酸キニーネが指示薬である方の)上記試料の相対的FA
値は76.1であり、(アクリジンが指示薬である方
の)上記試料の相対的FB値も76.1であった。
これらの測定結果を演算するに要する消光係数(k)は
前もって求めてあり、その詳細は第1表の通りであっ
た。
演算:次の結果が得られた。
F゜A=F゜B=100 FA =FB =76.1 α =(F゜A/FA)−1=0.31506 β =(F゜B/FB)−1=0.31506 これらデータと、シュテルン・フォルマー係数(k)を
式(6),(7)に代入すると、消光剤としての塩化物のモル
濃度として次の値、即ち Cl=1.0296mM(ミリモル)= 0.9126mg/25ml全試料容量 Br=1.0036mM(ミリモル)= 2.0048mg/25ml全試料容量 が得られる。
ハロゲン化物のmg単位での含有量を求めるには、試料中
の消光剤のモル濃度に分子量と全試料容量(ml)とを乗
じ1000で割らなければならない。
mg/全試料容量の単位で得られた分析値を秤取量(mg)
で割り、その商に100を乗じるとハロゲン化物の相対
的%値が出る。この試験例では次の値が得られた。秤取
量:9.9725mg 塩化物:実測値9.38%,計算値:9.22% 臭化物:実測値20.61%,計算値:20.55% 試験例2: 〔均質溶液中の3種の消光剤(塩化物、臭化物、沃化
物)の短時間かつ定量的測定〕 原理: 蛍光指示薬としてのキニーネ、アクリジン及びハルマン
(天然物質の1種、ドイツ語Harman,英語harmane)の
蛍光が硫酸溶液中において(測定対象)物質、即ち、塩
化物、臭化物、及び沃化物により異なった消光作用を受
ける。
上記3種の消光剤の短時間の蛍光分析は、3種のハロゲ
ン化カリウム溶液を用いて行った。そのため、先ず消光
係数を求め、(消光剤を)追加した場合の「全消光係
数」における加成性関係を調べた。第2表はその結果を
示す。
第2表に見られる通り、全消光係数の加成性関係は、単
独でイオン特定的に測定された係数から与えられる。従
って、個々のイオンあるいは物質の消光係数寄与分は、
他の消光剤の存在とは無関係である。
3種のハロゲン化物を短時間内に測定するため、3個の
10mlメスフラスコに、1.00×10−2M−KC
l,−KBr,−Kl溶液を夫々1mlずつピペットアッ
プして注入した。指示薬としての硫酸キニーネ、アクリ
ジン及びハルマン(前出)の溶液は1N硫酸を用いて調
製し、これら3種の指示薬溶液を各1種1mlずつ夫々上
記メスフラスコに加えた。次に、上記メスフラスコ内容
量を標線のところまで蒸留水で増した後、夫々の標準溶
液(指示薬溶液1ml/水10ml)の蛍光強度(F゜)に
対する(相対的)蛍光強度(F)を測定した。そして、
上記の標準蛍光強度(F゜)を100に合わせた後、測
定を行なった。個々の指示薬について求めた消光係数
は、第3表に示す通りである。
3種の相対的蛍光強度データ(FA,FB,FC)は次
の如くであった。
FA=64.3,FB=58.4、 FC=81.8 F゜A=F゜B=F゜C=100(標準蛍光強度) α=(F゜A/FA)−1=0.55521 β=(F゜B/FB)−1=0.71233 γ=(F゜C/FC)−1=0.22249 式(8)〜式(10)で計算した結果は、次の通りである。
行列式の値= 7759322.2 小行列式1の値 = 7762.839 〃 2 〃 = 7786.451 〃 3 〃 = 7776.161 第i番目の未知数を計算するため、行列式の第i番目の
列を式(10)の左辺で置換する。これにより得られたハロ
ゲン化物溶液の濃度は、 〔Cl〕 = 1.000mM 〔Br〕 = 1.003mM 〔l〕 = 1.002mM である。
このように算出された濃度は、実際にピペットアップさ
れた濃度(1.000mM(ミリモル))極めてよく一
致している。
試験例3: 〔麻酔ガス中の酸素とハロタン(前出)の連続的短時間
測定〕 原理: ある種の芳香族炭化水素の蛍光は、酸素およびハロタン
(麻酔ガス)により消失させられる。
第2図に略示されている測定装置において、酸素20%
とハロタン4.4%を含有したガスによる消光現象を測
定した。蛍光指示薬(21A),(21B)はデカリンもしくはベ
ンゾ(ghi)ペリレンの溶液、又は、架橋シリコーンも
しくは高度可塑化ポリ塩ビニル中に含まれた異節環式化
合物である。予備試験により第4図に示すように、以下
の各消光係数を実験的、かつ式(1)を用いて求めた。即
ち 1kA(第1消光剤Oによる指示薬(21A)の消光)、 2kA(第2消光剤ハロタンによる指示薬(21A)の消
光)、 1kB(Oによる指示薬(21B)の消光)、及び 2kB(ハロタンによる指示薬(21B)の消光) 第4図では、横軸にO2及びハロタンの濃度〔Q〕,
〔Q〕をとり、縦軸に標準蛍光強度を相対蛍光強度で
割った商から1を差引いた値をとってある。図中の直線
の勾配は、O及びハロタンによる第1指示薬の消光係
数に対応している。
第1及び第2指示薬の消光係数を第4表に示す。
一方、次の測定データが得られた。
F゜A/FA = 1.073; 従って、α = 0.073 F゜B/FB = 1.180; 従って、β = 0.180 これら(α),(β)値と第4表の消光係数とを式
(6),(7)に代入して、O〔Q〕とハロタン〔Q
の濃度として夫々0.1999と0.043という値、
即ち19.99%と4.3%が得られた。これらデータ
は、実際の酸素濃度およびハロタン濃度と非常によく一
致している。
【図面の簡単な説明】
第1〜3図は種々の測定装置の説明図であり、第4図は
消光係数算出のためのグラフである。 (20)……試料室,(21A),(21B),(21C)……蛍指示薬、
(22),(22A),(22B)……光源、(23A),(23B),(23C)…
…センサ、(26),(27)……光学フィルタ、(28)……増幅
回路、(29)……演幅回路、(33)……標準光電池、(F
゜)……未消光時の蛍光強度、(F)……蛍光強度、
(k)……蛍光指示薬の消光係数。

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】流体試料中に含有されている測定対象物質
    により蛍光指示薬の蛍光強度が低下もしくは消失する場
    合において、当該測定対象物質の濃度を蛍光指示薬を用
    いて測定する蛍光分析的濃度測定方法であって、次の
    (イ)〜(ニ)の工程に従って行う蛍光分析的濃度測定
    方法、 (イ)前記測定対象物質の少くとも1種に対して特定化
    されず、かつ消光剤不存在の場合の蛍光強度と、前記測
    定対象物質に対して種々の消光係数とを有して、前記測
    定対象物質に応じて消光させられる蛍光指示薬を用意す
    る (ロ)前記蛍光指示薬を、前記測定対象物質を含む前記
    試料に反応させる (ハ)前記試料についてn個の蛍光強度を、測定手段を
    用いて測定する (ニ)前記(イ)で用意された蛍光指示薬の既知の未消
    光時の蛍光強度(F゜)と、既知もしくは予めグラフ上
    で又は計算により求められている前記蛍光指示薬の消光
    係数(k)と、前記(ハ)の工程で求められた蛍光強度
    (F)とを用いて下記一般式により、個々の測定対象物
    質の濃度及び/又はこれら濃度間の比を求めること、 (ここに、〔Q〕は第n種目の測定対象物質濃度を表
    す) を特徴とする蛍光分析的濃度測定方法。
  2. 【請求項2】前記測定対象物質が少くとも1種の非測定
    対象もしくは妨害物質と共存していると共に、前記測定
    対象物質に対応した蛍光指示薬の蛍光強度を前記妨害物
    質が消失させるものである場合において、これら妨害物
    質の濃度を、前記(ハ)におけるように、前記測定対象
    物質の濃度と同様にして測定し、そのデータを前記測定
    対象物質の濃度算出のために用いる特許請求の範囲第1
    項記載の蛍光分析的濃度測定方法。
  3. 【請求項3】前記測定対象物質濃度の算出に先立ち、各
    蛍光強度データからノイズ光線に起因する部分を差引く
    特許請求の範囲第1項又は第2項に記載の蛍光分析的濃
    度測定方法。
  4. 【請求項4】前記蛍光指示薬が前記測定対象物質とは異
    なる相に存在している場合、もしくは該測定対象物質か
    ら分離して存在している場合において、前記測定対象物
    質を前記蛍光指示薬相中へ拡散させる特許請求の範囲第
    1項から第3項までのいずれか1項に記載の蛍光分析的
    濃度測定方法。
  5. 【請求項5】前記蛍光指示薬の全てを、前記測定対象物
    質もしくはこれを含有した試料の中へ同時に添加する特
    許請求の範囲第1項から第4項までのいずれか1項に記
    載の蛍光分析的濃度測定方法。
  6. 【請求項6】前記複数の蛍光指示薬を種類別に分けて導
    入する特許請求の範囲第1項から第4項までのいずれか
    1項に記載の蛍光分析的濃度測定方法。
  7. 【請求項7】測定対象物質を含む試料を収容する試料室
    (20)を備え、この試料室(20)に蛍光指示薬(2
    1A),(21B),(21C)が配置されていると共
    に、この蛍光指示薬(21A),(21B),(21
    C)を励起する光源(22),(22A),(22B)
    が設けられていて、この光源(22),(22A),
    (22B)により前記蛍光指示薬(21A),(21
    B),(21C)の中で励起された蛍光光線の蛍光強度
    が前記測定対象物質により低下させられ、もしくは消失
    させられるよう構成されている蛍光分析的濃度測定装置
    において、 前記蛍光指示薬(21A),(21B),(21C)の
    少くとも1種が、前記測定対象物質の少くとも1つに対
    し特定的に対応することなく反応するようになっている
    と共に、 前記蛍光指示薬(21A),(21B),(21C)の
    消光係数(k)が、これら指示薬(21A),(21
    B),(21C)に消光作用を及ぼす物質ごとに異なっ
    ていて、 前記光源(22),(22A),(22B)により前記
    蛍光指示薬(21A),(21B),(21C)の中で
    励起された蛍光光線を検知するセンサ(23A),(2
    3B),(23C)と、 低下ないし消失させられた蛍光強度に対応する前記各蛍
    光指示薬(21A),(21B),(21C)について
    の信号が増幅回路(28)を経て、もしくは経ることな
    く送信されると共に、この送信された信号に基づいて各
    物質濃度及び/又は各物質間の濃度比を計算するための
    演算回路(29)、 とを備えたことを特徴とする蛍光分析的濃度測定装置。
  8. 【請求項8】前記演算回路(29)が割算回路を備えて
    いて、個々の前記蛍光指示薬(21A),(21B),
    (21C)の未消光の蛍光強度(F゜)を示す測定デー
    タが前記割算回路へインプットされると共に、前記各指
    示薬(21A),(21B),(21C)の蛍光強度
    (F)を示す測定データも、これらから散乱光に起因す
    る値が差引かれた後、もしくは差引かれずにそのまま、
    前記割算回路へインプットされるようになっていて、 前記演算回路(29)が減算回路を備えると共に、商の
    値(F゜/F)がこの減算回路へインプットされ該値か
    ら数値1が差引かれるように構成されており、 さらに、前記演算回路(29)が計算回路を備えてい
    て、前記各測定対象物質濃度及び/又は各測定対象物質
    間の濃度比がこの計算回路で計算されるように構成され
    ている特許請求の範囲第7項に記載の蛍光分析的濃度測
    定装置。
  9. 【請求項9】前記蛍光指示薬(21A),(21B),
    (21C)に含まれている指示薬物質が種々の母剤ある
    いは溶液もしくは化合物の中に含まれていると共に、こ
    の指示薬物質が消光作用を及ぼす各物質に対し、前記溶
    液もしくは化合物内で夫々相異なった消光係数(k)を
    示す特許請求の範囲第7項又は第8項に記載の蛍光分析
    的濃度測定装置。
  10. 【請求項10】前記蛍光指示薬もしくは指示薬物質が、
    複数の溶液もしくは指示薬膜体に分かれて存在している
    特許請求の範囲第7項から第9項までのいずれか1項に
    記載の蛍光分析的濃度測定装置。
  11. 【請求項11】前記試料室(20)と蛍光指示薬(21
    A),(21B),(21C)との間に反応室が設けら
    れ、この反応室内における前記蛍光指示薬物質と測定対
    象物質となる消光性物質との化学反応により、この消光
    性物質が非消光性に変化させられ、もしくは非消光性物
    質が消光性に変化させられる構成である特許請求の範囲
    第7項から第10項までのいずれか1項に記載の蛍光分
    析的濃度測定装置。
  12. 【請求項12】前記指示薬物質もしくは蛍光指示薬が測
    定用ゾンデの中に存在し、このゾンデが、測定対象物質
    含有試料の中へ浸漬し得る特許請求の範囲第7項から第
    11項までのいずれか1項に記載の蛍光分析的濃度測定
    装置。
  13. 【請求項13】前記複数の指示薬物質、反応室もしくは
    指示薬用の選択透過性膜体が互いに並列して、もしくは
    重なり合って層を形成して配置されている特許請求の範
    囲第7項から第12項までのいずれか1項に記載の蛍光
    分析的濃度測定装置。
  14. 【請求項14】前記光源(22),(22A),(22
    B)と前記試料室(20)との間もしくは前記試料室
    (20)と前記光センサ(23A),(23B),(2
    3C)との間に、光学的識別性を高めてノイズを抑制す
    るための光学フィルタ(26),(27)が設けられて
    いる特許請求の範囲第7項から第13項までのいずれか
    1項に記載の蛍光分析的濃度測定装置。
  15. 【請求項15】前記光源(22)の強度が変動すること
    による影響を排除するべく標準光電池(33)が設けら
    れていて、この標準光電池(33)が前記増幅回路(2
    8)を介し又は介さずに前記演算回路(29)へ接続さ
    れている特許請求の範囲第7項から第14項までのいず
    れか1項に記載の蛍光分析的濃度測定装置。
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