JPH0949822A

JPH0949822A - 光走査型二次元ｐＨ分布測定装置の校正方法

Info

Publication number: JPH0949822A
Application number: JP8141067A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiko Tomita; 勝彦冨田; Shuji Takamatsu; 修司高松; Takeshi Nakanishi; 剛中西; Hirotaka Tanabe; 裕貴田辺
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 1995-05-29
Filing date: 1996-05-10
Publication date: 1997-02-18
Anticipated expiration: 2016-05-10
Also published as: JP3229812B2

Abstract

(57)【要約】【課題】幅広いｐＨ範囲で同時に校正を行うことがで
き、しかも再現性よく高精度な測定を可能とする光走査
型二次元ｐＨ分布測定装置の校正方法を提供すること。【解決手段】等電点電気泳動用ゲルを校正用ゲル２１
として光走査型二次元ｐＨ分布測定装置の平面的なセン
サ面７に当接させることにより校正を行うようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、光走査型二次元
ｐＨ分布測定装置の校正方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】溶液のｐＨを測定する装置における校正
には、ｐＨ４、ｐＨ７、ｐＨ９の緩衝液を用いるのが一
般的である。そして、平面的な電極を有するｐＨ測定装
置の場合、これらの緩衝液の使用に代えて、寒天などの
ゲルに前記緩衝液の成分を入れたｐＨ４、ｐＨ７、ｐＨ
９の校正ゲル体を用いるようにしている。

【０００３】ところで、近年、液体中あるいは物質中に
しみこんだ液体中に溶存している物質のｐＨを二次元的
に測定する装置の研究・開発が行われ、この二次元ｐＨ
分布の測定を行う手法の一つに、ＬＡＰＳ（Ｌｉｇｈｔ
−ＡｄｄｒｅｓｓａｂｌｅＰｏｔｅｎｔｉｏｍｅｔｒｉ
ｃＳｅｎｓｏｒ）がある。このＬＡＰＳセンサは、近
年、液体中あるいは物質中にしみこんだ液体中に溶存し
ている物質のｐＨを二次元的に測定するため開発された
ものであり、このようなセンサは、例えば、Ｊｐｎ．
Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３３（１９９４）ｐ
ｐＬ３９４−Ｌ３９７に記載してあるように、イオン
などに感応するセンサ面を形成した半導体基板を適宜の
光でスキャンし、このスキャンによって、半導体基板中
に誘発された光電流を取り出すことにより測定を行うこ
とができる。

【０００４】前記装置のセンサ面を直接計測したい対象
物質に挿入したり接触させることによって溶存物質の濃
度分布を測定する。得られたデータはコンピュータ処理
により、二次元または三次元の濃度分布画像として出力
される。ある時間での濃度分布のみならず、その変化の
様子をリアルタイムに追跡することができる。リアルタ
イムに得られた画像を、目視、ＣＣＤカメラなどによっ
て得られた電磁波画像と容易に比較できる。

【０００５】なお、この出願の出願人は、上記ｐＨなど
のイオン濃度の二次元分布を測定するのに用いる装置
を、「光走査型デバイス」として平成７年２月４日付け
にて特許出願している（特願平７−３９１１４号）。

【０００６】上述の光走査型二次元ｐＨ分布測定装置の
場合、大きなゲル体を細分して平坦なセンサ面に配列
し、これをセンサ面上で順次動かすことによって校正を
行うことができるといったことは容易に推察できる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、高精度
な空間分解能を有する画面となると、各測定点で校正を
行うことはかなりの困難さを伴う。

【０００８】この発明は、上述の事柄に留意してなされ
たもので、幅広いｐＨ範囲で同時に校正を行うことがで
き、しかも再現性よく高精度な測定を可能とする光走査
型二次元ｐＨ分布測定装置の校正方法（以下、単に校正
方法という）を提供することを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明の校正方法は、等電点電気泳動用ゲルを校
正用ゲルとして光走査型二次元ｐＨ分布測定装置の平面
的なセンサ面に当接させることにより校正を行うように
したことを特徴としている。

【００１０】この場合、等電点電気泳動用ゲルに直流電
圧を印加した状態で校正を行ってもよく、また、直流電
圧印加後校正を行うようにしてもよい。

【００１１】また、ポリアクリルアミドｐＨグラディエ
ントゲルを校正用ゲルとして用いてもよい。

【００１２】等電点電気泳動法に使用されるゲルは、両
性担体にアクリルアミドや寒天などの支持体で構成さ
れ、ある大きさの直流電界を所定時間印加することによ
り、電極間に、例えばｐＨ３〜１１のような値でｐＨ勾
配が形成される。等電点電気泳動法では、このｐＨ勾配
上の試料成分の等電点と等しいｐＨ部分の場所に泳動さ
れる。このｐＨ勾配が形成された状態（電界を印加した
状態または電界の印加を解除し、ｐＨ勾配が安定して再
現性のある状態）で、光走査型二次元ｐＨ分布測定装置
のセンサ面に載置する。このセンサ面全体のｐＨ応答範
囲を確認するには、ｐＨ３〜１１の広い範囲において校
正用ゲルを用いればよい。

【００１３】また、ポリアクリルアミドｐＨグラディエ
ントゲルは、電界を印加しなくてもそのままで、例えば
図４（Ａ）に示すようなｐＨ勾配を永久に維持している
ゲルであり、このような一端側から他端側まで特定のｐ
Ｈ勾配を持っているゲルを用いることにより、光走査型
二次元ｐＨ分布測定装置を校正することができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、この発明の好ましい実施例
を、図を参照しながら説明する。

【００１５】この発明の校正方法を説明する前に、この
校正方法が適用される光走査型二次元ｐＨ分布測定装置
の一例について、図１を参照しながら説明する。図１に
おいて、１は測定装置本体で、センサ部２とこれにプロ
ーブ光３を照射するための光照射部４とからなる。

【００１６】前記センサ部２は、例えばシリコンなどの
半導体よりなる適宜の大きさ（例えば縦５０ｍｍ×横５
０ｍｍ×厚さ１００μｍ）の基板５の一方の面（図示例
では上面）にＳｉＯ₂層６、Ｓｉ₃Ｎ₄層７を熱酸化、
ＣＶＤなどの手法によって順次形成してなるもので、水
素イオンに応答するように形成されている。８はセンサ
部２のセンサ面（この場合、Ｓｉ₃Ｎ₄層７）を含み、
これに臨むようにして設けられるセルで、樹脂材料ある
いは他の適宜の材料よりなり、内部に溶液やゲルなどの
試料９が収容される。そして、ＣＥ、ＲＥはセル８内の
試料９に接触するようにして設けられる対極、比較電極
で、後述するポテンショスタット１３に接続されてい
る。また、ＯＣは半導体基板５に設けられる電流信号取
出し用のオーミック電極で、後述する電流−電圧変換器
１４および演算増幅回路１５を介してポテンショスタッ
ト１３に接続されている。

【００１７】そして、１０はセンサ部２を二次元方向、
つまり、Ｘ方向（図示例では左右方向）とＹ方向（図示
例では、紙面に垂直な方向）に走査するセンサ部走査装
置で、走査制御装置１１からの信号によって制御され
る。

【００１８】また、前記光照射部４は、例えばレーザ光
源からなるとともに、半導体基板５の下面側（センサ面
７とは反対側）に設けられており、後述するインターフ
ェイスボード１６を介してコンピュータ１７の制御信号
によって断続光を発するとともに、センサ部走査装置１
０によって二次元方向に走査されるセンサ部２の半導体
基板５に対して最適なビーム径になるように調整された
プローブ光３を照射するように構成されている。

【００１９】１２は測定装置本体１を制御するための制
御ボックスであって、半導体基板５に適宜のバイアス電
圧を印加するためのポテンショスタット１３、半導体基
板５に形成されたオーミック電極ＯＣから取り出される
電流信号を電圧信号に変換する電流−電圧変換器１４、
この電流−電圧変換器１４からの信号が入力される演算
増幅回路１５、この演算増幅回路１５と信号を授受した
り、走査制御装置１１や光照射部４に対する制御信号を
出力するインターフェイスボード１６などよりなる。

【００２０】１７は各種の制御や演算を行うとともに、
画像処理機能を有する制御・演算部としてのコンピュー
タ、１８は例えばキーボードなどの入力装置、１９はカ
ラーディスプレイなどの表示装置、２０はメモリ装置で
ある。

【００２１】上記構成の光走査型二次元ｐＨ分布測定装
置を用いて、溶液の水素イオン濃度（ｐＨ）を測定する
場合について説明すると、セル８内に溶液９を入れる。
これにより、センサ面７に溶液９が接する。そして、対
極ＣＥおよび比較電極ＲＥを溶液９に浸漬する。

【００２２】上記の状態で、半導体基板５に空乏層が発
生するように、ポテンショスタット１３からの直流電圧
を比較電極ＲＥとオーミック電極ＯＣとの間に印加し
て、半導体基板５に所定のバイアス電圧を印加する。こ
の状態で半導体基板５に対してプローブ光３を一定周期
（例えば、１０ｋＨｚ）で断続的に照射することによっ
て半導体基板５に交流光電流を発生させる。このプロー
ブ光３の断続照射は、コンピュータ１７の制御信号がイ
ンターフェイスボード１６を介して入力されることによ
って行われる。前記光電流は、半導体基板５の照射点に
対向する点で、センサ面７に接している溶液９における
ｐＨを反映した値であり、その値を測定することによ
り、この部分でのｐＨ値を知ることができる。

【００２３】さらに、センサ部走査装置１０によって、
センサ部２をＸ，Ｙ方向に移動させることにより、半導
体基板５にはプローブ光３が二次元方向に走査されるよ
うにして照射され、溶液９における位置信号（Ｘ，Ｙ）
と、その場所で観測された交流光電流値により、表示装
置１９の画面上にｐＨを表す二次元画像が表示される。

【００２４】なお、上記二次元ｐＨ分布測定装置におい
て、比較電極ＲＥを省略し、対極ＣＥを介してバイアス
電圧を印加してもよい。但し、比較電極ＲＥを設けてい
た場合の方が半導体基板５にバイアス電圧をより安定に
印加することができる。

【００２５】そして、上記光走査型二次元ｐＨ分布測定
装置において、センサ部２をＸ，Ｙ方向に移動させるの
に代えて、光照射部４に光照射部走査装置を設け、光照
射部４をＸ，Ｙ方向に移動させるようにしてもよく、ま
た、光照射部４とセンサ部２との間にプローブ光走査装
置を設け、プローブ光３をＸ，Ｙ方向に移動させるよう
にしてもよい。

【００２６】さらに、上記光走査型二次元ｐＨ分布測定
装置においては、光照射部４によるプローブ光３を半導
体基板５のセンサ面７とは反対側から照射するようにし
ていたが、これに代えて、センサ面７側から照射するよ
うにしてもよい。そして、光照射部４として、例えば特
願平７−３９１１４号に示すように、半導体基板５に組
み込まれた光照射部を採用してもよい。

【００２７】このように、溶液などにおけるｐＨの二次
元分布を測定し表示する光走査型二次元濃度分布測定装
置については、この出願人の一人が例えば特願平７−３
９１１２号、特願平７−３９１１４号、特願平７−３２
９８３７号など多数特許出願している。

【００２８】次に、上記構成の光走査型二次元ｐＨ分布
測定装置を校正するのに用いる器材を説明すると、図２
において、２１はこの発明で用いる校正用ゲルで、この
校正用ゲル２１は、例えば、ファルマライト〔Ｐｈａｒ
ｍａｌｙｔｅ（商品名）、Ｐｈａｒｍａｃｉａ社製〕や
バイオライト〔Ｂｉｏ−Ｌｙｔｅ（商品名）、ＢＩＯ−
ＲＡＤ社製〕などの等電点泳動用担体を、アクリルアミ
ドゲルやその他のグリセロールなど一般的なゲル調整試
薬成分に混ぜて溶液とし、この溶液を５０ｍｍ四方のフ
ッ素樹脂製容器２２に流し込んで、厚さ０．３〜０．４
ｍｍのゲル体に形成したものである。

【００２９】そして、前記校正用ゲル２１は、図３
（Ａ）に示すように、電圧を印加してない状態では均一
なｐＨ分布となっているが、同図（Ｂ）に示すように、
二つの炭素電極２３間に直流電源２４Ｂを接続して、校
正用ゲル２１に所定の直流電圧を印加、例えば、１００
Ｖで１５分→２００Ｖで１５分→４５０Ｖで６０分とい
うように、電圧の大きさと印加時間を変えるとともに、
高電圧になるに伴って通電する電流を小さくすることに
より、校正用ゲル２１にｐＨ勾配が生ずる。同図（Ｂ）
中の符号２５で示す線は、ｐＨの境界を便宜上示すもの
であり、２６はｐＨエリアである。

【００３０】図４（Ａ），（Ｂ）は、ｐＨ勾配が生じた
校正用ゲル２１と、この校正用ゲル２１における例えば
左端からの距離とｐＨとの関係を模式的に表したグラフ
である。

【００３１】そして、前記校正用ゲル２１に印加する電
界条件を種々変えることにより、上記図３（Ｂ）や図４
（Ａ）に示すもののほか、図５（Ａ）に示すような全面
が均一に分布した（単一のｐＨエリア２６しか持たな
い）校正用ゲル２１や、同図（Ｂ）に示すような複数の
境界２５によって縦方向に複数のｐＨエリア２６を有す
る校正用ゲル２１や、同図（Ｃ）に示すような田の字型
の分布をするものなど適宜作製することができる。

【００３２】上記校正用ゲル２１は、所定の電圧が印加
されているときに、ｐＨ勾配を生ずるものであるので、
その保管時にも所定の電圧を印加できるケースに収容し
ておくことが好ましく、このゲル収容ケースの一例を図
６に示す。すなわち、この図において、２７はゲル収容
ケースで、ベース基板２８とこの上面に設けられる枠体
２９とからなる。

【００３３】前記ベース基板２８は、例えばポリエチレ
ンテレフタレート（ＰＥＴ）などのように電解質を含有
する溶液中に接触しても十分に高い電気絶縁性を有する
材料から構成され、その上面は、グラフト加工およびシ
ランカップリング剤などによるアンカー処理を施した上
で、Ａｇのような電気良導体を含むペーストを、シルク
スクリーン印刷して付着させることにより、一対（２
個）の電極３０が形成されている．そして、電極３０の
ベース基板２８の一端縁部に位置する基端部分はそのま
までリード部３０ａとされ、枠体２９より内側の部分
は、炭素系材料で被覆され、印加電極部３０ｂに形成さ
れている。

【００３４】そして、前記枠体２９は、前記ＰＥＴなど
の絶縁性に優れた材料により構成され、適宜の高分子接
着剤を用いて前記ベース基板２８の電極３０側に接着さ
れている。

【００３５】なお、図６においては、図示してないが、
枠体２９の上面を覆うための蓋が開閉自在に設けられて
いる。

【００３６】このように構成されたゲル収容ケース２７
においては、校正用ゲル２１を収容し、二つのリード部
３０ａに直流電源を接続して所定の電界を校正用ゲル２
１に印加することにより、校正用ゲル２１におけるｐＨ
勾配を所定の状態に維持することができるとともに、取
扱いにくい校正用ゲル２１を簡単に保管することができ
る。

【００３７】次に、上記校正用ゲル２１を用いて光走査
型二次元ｐＨ分布測定装置を校正する手順の一例を説明
する。（１）まず、光走査型二次元ｐＨ分布測定装置のセンサ
面７の全面校正を行う。ここで、全面校正とは、図５
（Ａ）に示すような全面が均一に分布した（単一のｐＨ
エリア２６しか持たない）校正用ゲル２１を用いてセン
サ面７のｐＨ応答具合を見ることであり、例えば、ｐＨ
７、ｐＨ４、ｐＨ９の校正用ゲル２１を用いて順次行
う。

【００３８】この場合、各校正用ゲル２１は、上述した
ゲル収容ケース２７にそれぞれ収容されているので、こ
れをそれぞれ取り出して、センサ面７に載置するのであ
る。この場合、センサ面７に載置した校正用ゲル２１に
所定の直流電圧を印加するようにしてもよく、また、ゲ
ル収容ケース２７内において所定の直流電圧を印加した
後直ちにセンサ面７に載置するようにしてもよい。

【００３９】上述のように、センサ面７に校正用ゲル２
１を載置したときのセンサ面７のｐＨ応答の具合をコン
ピュータ１７の表示装置１９に表示されるｐＨ値または
ｐＨ値を表す電圧値を目視によって確認する。この全面
校正が終わると、次の分割校正に移行する。

【００４０】（２）分割校正とは、例えば図５（Ｂ），
（Ｃ）や図４（Ａ）に示すように、複数の異なるｐＨエ
リア２６を有する校正用ゲル２１を用いてセンサ面７の
ｐＨ応答の具合を確認することで、例えば、図７におい
て符号Ｉ〜IVに示すように、分布具合の異なる複数の校
正用ゲル２１を、前記センサ面７に順次載置して、上記
（１）の場合と同様に校正を行う。

【００４１】この分割校正においては、図７において符
号Ｉと符号IIとでは、同じ校正用ゲル２１を向きを変え
ることにより、異なったｐＨ分布となり、センサ面７の
ｐＨ応答の再現性を確認することができる。

【００４２】上記全面校正と分割校正を行うことによ
り、光走査型二次元ｐＨ分布測定装置のセンサ面７の校
正を行うことができる。そして、センサ面７全体のｐＨ
応答範囲を確かめるには、例えば、ｐＨ３〜１１といっ
た広い範囲のｐＨを有する校正用ゲル２１を用いる。ま
た、光走査型二次元ｐＨ分布測定装置の測定対象物が生
物のように中性付近であれば、成分調整を行うことによ
りｐＨ４〜６といった範囲の校正用ゲル２１を作製し、
センサ面７内でのｐＨの調整範囲を適宜設定すればよ
い。

【００４３】このように、校正範囲によって、校正用ゲ
ル２１の大きさやそのｐＨ範囲あるいは配置変更を適宜
変更することができる。

【００４４】ところで、上述の校正用ゲル２１として、
スタンダードゲル（標準ゲル）を用いることもできる。
このスタンダードゲルとは、一般にｐＨ勾配の確認のた
めに、等電点の異なる６〜９種類の非変成たんぱく質を
添加したゲルである。この添加物は自然色があるので、
電気泳動によりゲル中の特定のｐＨで変色する。このよ
うに、スタンダードゲルにおいては、特定のｐＨ値を表
す色線が表れる。そして、このスタンダードゲルは透明
ではなく、着色の線によって校正値を特定することがで
きる。したがって、このようなスタンダードゲルを校正
用ゲル２１として用いた場合、前記着色線の一をセンサ
で検出し、校正位置を特定することができ、表示装置１
９の画面上における確認を容易に行うことができる。

【００４５】上述の実施例においては、校正用ゲル２１
が電圧印加タイプのものであったが、これに代えて、校
正用ゲルとして電圧非印加タイプのものを用いることが
できる。以下、これについて説明する。

【００４６】すなわち、アクリルアミド系の重合体の側
鎖に各種の等電点を持つ有機物を結合させたポリアクリ
ルアミドｐＨグラディエントゲル〔この種のゲルとし
て、例えばファルマシア社のキャリアアンフォライトで
あるイモビライン（ｉｍｍｏｂｉｌｉｎｅ）がある〕
は、電界を印加しなくてもそのままで、例えば図４に示
すようなｐＨ勾配を永久に維持しているゲルであり、こ
のような一端側から他端側まで特定のｐＨ勾配を持って
いるゲルを校正用ゲルとして用いることにより、光走査
型二次元ｐＨ分布測定装置を校正することができる。

【００４７】図８は、このような電界非印加タイプの校
正用ゲルを収容するケースの一例を示し、この図におい
て、３１は例えばＰＥＴなどの電気絶縁性に優れたケー
ス本体、３２は電界非印加タイプの校正用ゲルである。

【００４８】そして、この電界非印加タイプのゲル３２
を校正用ゲルとして用いる場合も、上述の実施例のよう
に、全面校正および分割校正を行うようにすればよい。

【００４９】また、上記光走査型二次元ｐＨ分布測定装
置によって、測定対象物のｐＨ測定を行っている際に、
適宜の大きさの校正用ゲル２１をセンサ面７の端部に載
置することにより、測定精度を向上させることができ
る。

【００５０】以上説明したように、上述の各実施例によ
れば次のような効果を奏する。同時に幅広いｐＨ範囲での校正が可能になる。ｐＨ勾配を持つゲルによって再現のよい校正を行う
ことができる。高分解能の画像表示に狭い範囲のゲルで高分解能の
ｐＨ勾配を得ることができる。同一の校正用ゲルを繰り返し使用でき、校正用ゲル
の向きを適宜変えるなどセンサ面との接触を工夫するこ
とにより、センサ面のｐＨの再現性を効率よく確認でき
る。

【００５１】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、光走査型二次元ｐＨ分布測定装置の校正を幅広いｐ
Ｈ範囲で同時に行うことができ、再現性よく高精度な校
正を迅速に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の校正方法が適用される光走査型二次
元ｐＨ分布測定装置の構成例を示す図である。

【図２】前記校正方法で用いる校正用ゲルおよびこれを
製作するのに用いる容器の一例を示す図である。

【図３】前記校正方法で用いる校正用ゲルの一例を示す
図で、（Ａ）は電界を印加してない状態を示す図であ
り、（Ｂ）は電界を印加している状態を示す図である。

【図４】（Ａ）はｐＨ勾配が生じた校正用ゲルの一例を
示す図であり、（Ｂ）はこの校正用ゲルにおける左端か
らの距離とｐＨとの関係を模式的に表したグラフであ
る。

【図５】前記校正用ゲルの態様を示す図で、（Ａ）は全
面が均一に分布したもの、（Ｂ）は縦方向に複数のｐＨ
エリアを有するもの、（Ｃ）は田の字型の分布をするも
のをそれぞれ示している。

【図６】前記校正用ゲルを収容するケースの一例を示す
斜視図である。

【図７】校正手順の一例を示す図である。

【図８】この発明の校正方法で用いる校正用ゲルおよび
これを収容するケースの一例を示す斜視図である。

【符号の説明】

７…センサ面、２１，３２…校正用ゲル。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者田辺裕貴京都府京都市南区吉祥院宮の東町２番地株式会社堀場製作所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】等電点電気泳動用ゲルを校正用ゲルとし
て光走査型二次元ｐＨ分布測定装置の平面的なセンサ面
に当接させることにより校正を行うようにしたことを特
徴とする光走査型二次元ｐＨ分布測定装置の校正方法。
【請求項２】等電点電気泳動用ゲルに直流電界を印加
した状態でまたは直流電圧印加後校正を行う請求項１に
記載の光走査型二次元ｐＨ分布測定装置の校正方法。
【請求項３】ポリアクリルアミドｐＨグラディエント
ゲルを校正用ゲルとして光走査型二次元ｐＨ分布測定装
置の平面的なセンサ面に当接させることにより校正を行
うようにしたことを特徴とする光走査型二次元ｐＨ分布
測定装置の校正方法。