JPS61187636A - 流動性反応媒体中の生物学的および／または化学的反応を監視するための測定値発信器用光センサおよび該センサを含有する交換ゾンデ - 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】 産業上の利用分野 本発明は特許請求の範囲第１項の上位概念による光セン
サおよび該センサを含有する交換ゾンデに関する。

従来の技術 生物学的、殊に微生物学的ならびに化学的ゾロセスにお
ける反応過程を監視するために幾多の異なった測定方法
、殊に（Ｉ４反応媒体からの試料の採取、（ロ）反応容
器内に存在する反応媒体の外部観察、（Ｃ）反応媒体内
に投込まれ、測定ツイーンとして使用されるセンサを用
いる物理的もしくは物理化学的パラメータのその場測定
に基づく方法が知られている。（ａ）および（ロ）の公
知方法は、生物学的、殊に微生物学的プロセスを監視す
るためには一般に適していない。なぜならば（ａ）の試
料採取法は反応生起に干渉し、殊にそれの妨害および中
断をもたらし、Φ）の外部観察法は、明確に認知可能な
変色または沈殿の形成もしくは明確に認知できる濁シの
形成を生じる反応過程に制限されているから１ある。反
応媒体中に投込まれた測定ツイーンを使用する（に）に
挙げた方法は、生物学的情報を把握することに関しては
従来比較的価かな成果を有するにすぎない。殊に、ノマ
イオマス、代謝物質、あるいは生成物の濃度の如き重要
な生物学的、ｅラメータをその場で把握することは極め
て困難１あるかあるいは殆んど不可能であるということ
が判っている。

更に、使用する測定ツイーンの数が多い場合にはその内
部で化学的ならびに電気化学的過程が進行し、そのため
に得られる測定値の不変性と再現性がそこなわれるとい
うことも判明している。

従来把握することがフきなかったかもしくは極めて困難
１あった生物学的パラメータの把握を可能にするために
、螢光量、吸光量、透過量、反射量もしくは射出量の如
き光学的・ぐラメータをその測定に利用する試みが行わ
れた。これらの研究に際しては殊に、生物学的ならびに
微生物学的方法の経過中に出発基質と異なる螢光特性を
示す代謝物質が生成するという認識が利用された。この
認識を利用するために入射光によって反応媒体中に螢光
を励起させ、反応媒体から放射された螢光放射線を把握
し、適当な電子的補助手段によって記録することのでき
る測定フィー２が構成された。これらの測定ツイーンに
おいては、光学的結合のためにはかなりの占有スペース
をとる比較的複雑な光学系が必要とへの差込むのが不可
能１ないにせよ困難となる。

更に、光学系の構成が複雑マあるために測定の経過中の
再校正または完全にもしくは部分的交換が妨げられる。

発明が解決しようとする問題点 本発明の課題は、生物学的および／または化学的反応経
過をその揚重監視することができ、構成が簡単ｆかつ僅
かな占有スペースを有するために、困難なく市販生化学
反応器の挿入管中へ差込むことができ、個々の構成部品
の調整もしくは再校正ならびに交換を測定を中断せずに
行うことのできる、光学的・ξラメータを把握するため
の測定ツイーンを提供することｔある。

問題点を解決するための手段 上記課題は、特許請求の範囲第１項の特徴部分に規定し
た光センサによって解決される。

上記種類の光センサは、公知のものに比して数多くの利
点を有している。複雑な構成のレンズ系の代シにオプチ
カルファイバーを使用することによって、光学系の占有
スペースを著しくの挿入管中への導入が著しく容易にな
るだけでなくセンサの丈夫さが著しく改善される。更□
にオプチカルファイバーは消毒することができ、一般に
時間のかかる再調整を必要とするレンズ系よりも著しく
簡単に交換することが１きる。

もう１つの利点は、オプチカルファイバーが光線の転向
を可能にすることであるが、これはレンズ系の場合には
、光の直進性に基づき、鏡もしくは鏡系を用いた場合に
可能であるにすぎないＯ 存在する機能ブロック（またはモジュール）の少なくと
も一部を独立の構成部品として構成することによって個
々の構成部品を測定中に交換するか、調整するか、再校
正することができるという効果が達成される。このよう
にして、誤差源が排除〒きるだけでなく、むしろ構成部
品の交換性によりその都度性われる測定の要求に問題な
く適合させることが可能になるので、個々の交換可能構
成部品から成るモジュール状構造は異なる光学的・ξラ
メータを測定するためにセンサを使用することを可能に
する。それで、上記種類のセンサは、困難なくかつ反応
容器か螢 らの中間的取外しなしに、〆ｌ光測定のためならびに吸
光量、透過量、反射量もしくは放射量の測定のために使
用することができる。異なる・ξラメータを測定するた
めにはたんに、個々の構成部品を交換することが必要で
あるにすぎない。既述したように、取替えは反応容器、
例えば生化学反応器中に挿入されたセンサについて問題
なしに行うことができるので、消費時間と作業量は著し
く小さくなる。

光センサの有利な構成は特許請求の範囲第２項ないし第
１３項に記載されている。特許請求の範囲第１４項は特
許請求の範囲第１項による光センサを内蔵した交換ゾン
デを示す。特許請求の範囲第２項の構成は螢光量測定を
実施するのに特に適している。螢光測定の実施には、一
番目と二番目のオプチカルファイバーが同心配置で、第
二番目のオプチカルファイ、Ｓ−が第−同 のオプチカルファイバーを同心の被覆体として取囲んで
いる構成のものが特に有利である。螢光測定のためにこ
の構成を使用する場合、放射線源から供給され、第一の
光伝導体を経て反応媒体中へ入射する電磁放射線、例え
ば紫外線によって反応媒体中に、反応媒体の現存成分の
螢光が励起される。その際つくられる、励起用に使用さ
れた光線の波長よりも大きな波長をもった螢光線は、第
二のオプチカルファイバートソれに接続された光電子増
倍管とを経由して該増倍管と接続された検出器に達し、
その助けによて記録されるかデジタル化されてコンピュ
ータ内に記憶させることが１きる。このことは、螢光測
定から得られた測定値を生物学的パラメータ、例えば・
マイオマス、代謝物質、もしくは生成物濃度の決定に使
用したいときに特に適している。

さらに、特許請求の範囲第２項の構成は、とシわけ放射
量測定用に使用することが１き、この場合には光源だけ
を遮断すればよい。放射量測定は、反応媒体から放射さ
れた光線が第二の光伝導体（オプチカルファイバー）と
光電子増倍管を経て検出器へ供給されるようにして行わ
れる。その際受信された電気信号は螢光測定の場合と同
じ畢り方で記録されるか評価される。

特許請求の範囲第３項の構成は、特に螢光測定用に光セ
ンサを使用するのに適しておりこの場合オプチカルファ
イバーは、短い波長用の第一のオプチカルファイバーが
第二のオプチカルファイバーとじて設計されているよう
に選択される。例えば第一のオプチカルファイバーを短
波長紫外線用に、第二のオプチカルファイバーを長波長
紫外線用に設計されていてもよい。

特許請求の範囲第４項の構成は、吸光量、透過量、反射
量、および／または放射量測定のために特に適している
。

光源から供給された電磁放射線はしばしば純粋に単色光
ではなく、むしろ一定の帯域幅を有するので、特許請求
の範囲第５項による構成が望ましい。

螢光測定用に特に有利なのは特許請求の範囲第６項の構
成であるが、それを用いると特に簡単な方法で不利な副
次的螢光を排除することができるからである。

特許請求の範囲第６項の構成は、反応媒体中に異なる波
長を有する幾つかの光線を放射する物質が存在してそれ
らを個々に測定しようとする場合にも、発光量測定に同
様に有利である。

特許請求の範囲第７項の構成は吸光量測定の実施ならび
に透過量測定のために特に適してい′る。この場合、第
一と第二のオプチカルファイバーの端面間に存在する反
応媒体の吸光量ないし透過量が測定される。同様に吸光
量測定のため、同様に透過量測定のためには特許請求の
範囲第８項の構成が適しており、該構成は簡単な方法で
特許請求の範囲第２項の構成から、第一のオプチカルフ
ァイバーを延長し、プリズムを１個取付けることによっ
て得ることができる。

反射量測定のためには、特許請求の範囲第９項の構成が
有利である。しかし、反応媒体が比゛較的強く反射する
成分を含有する限り、直接反射量を測定するための可能
性もまた存在する。

特許請求の範囲第１０項の構成は、光学的手段を使用し
て−、ｐＯ□、グルコースのような・ξラメータおよび
同様の値の光学的把握が可能ｆある。

特許請求の範囲第１１項の構成は、動作中に個々のモジ
ュールまたは機能ブロックをすげやく攪乱なしに交換す
ることができ、センサの積極の計測プロセスへの適合お
よびその保持、動作中に必要になる調整や再校正の実施
を容易にし、この場合特許請求の範囲第１２項の構成は
特に簡単な取扱いを特徴とする 特許請求の範囲第１３項の構成は、光センサを交換ゾン
デに組込むことを可能にするもの↑、そのことによって
特に簡単な取扱いとその都度な 行なうべき測定に容易〆適合が保証されている。

特許請求の範囲第１４項の交換ゾンデは、反応進行を攪
乱したり中断したシせずに問題のない取扱いを可能にす
るものであるために、微生物学的過程の監視に殊に適し
ている。

以下、本発明による光センサの実施例を図面に基づいて
詳細に説明する。

実施例 第１図は螢光測定の実施ならびに吸光量測定　′にも適
した、ケーシングとしての役立ちそのヘラＰ部分６にフ
ランジ８を有する外管牛を有する光センサ２を示す。外
管Φ内には、端部Ａに相対する側に電磁放射線用光源１
０、例えば螢光励起用に必要な波長もしくは最小帯域幅
を有する紫外線を供給しその強さが制御できる放電管、
例えば水銀ランプ、もしくはレーザが収納されている。

放射線源１０からヘッド部分６へは、第一のオプチカル
ファイバ々−１２、殊に有効直径が４．６垣の紫外線石
英光伝導体が延びる。

オプチカルファイバー１２に対して平行に延びプチカル
ファイノζ−１２と第二のオプチカルファイバー１４は
、内管１６によって光学的に互いに隔離されている。オ
プチカルファイバー１壬としては例えば６箇の有効直径
を有するガラスファイバーが挙げられる。オプチカルフ
ァイバー１４は、フランジ８から光電子増倍管１８へと
延びておシ、該増倍管１８は検出器２０゜例えばホトダ
イオ−Ｐと接続されている。放射線源１０の前にはフィ
ルタ２２が配置されており、該フィルタ２２は放射線源
１０から供給された電磁放射線を、これがすでに単色光
になっていない限シ、単色光にするのに役立つが、これ
は放射線源１０としてレーザを使用する場合である。第
二のフィルタ２４は、オプチカルファイバー１４と光電
子増倍管１８間に、不利な副螢光を濾過するために配置
されている。

検出器２０中１到来する光信号の変換によって得られた
電気信号は出力部２６を経て図示しない記録装置に送ら
れてそこ〒記録することもできるし、あるいはデジタル
化されてコンビニータに記憶させ、バイオマス、代謝物
質もしくは生成物の濃度の如き生物学的情報を知るため
に使用することができる。

個々の構成部品の問題ない交換を保証するため、放射線
源１０は固定装置２８を備え、光電子増倍管は固定装置
３ｏを備え、検出器２ｏは固定装置３２を備え、フィル
タ２２は固定装置３４を備え、フィルタ２４は固定装置
３６を備えている。固定装置２８，３０，３２，３４゜
３６はプラグ接続装置として構成され、これにより最小
の時間と労カフ取替えることが可能となる。第１図に示
した構成によって、例えば発酵プロセスにおけるＮＡＤ
Ｈ；：ＮＡＤの平衡移動を追跡することが１き、その際
ＮＡＤＨの特徴的螢光は十分に利用される。螢光測定か
ら得られた計測データはそれ自体、他の生物学的・ぞラ
メータ例えばバイオマス、代謝物質、あるいは生成物の
濃度の計算に使用することが１きる。更に、種々の影響
、例えば基質の影響、混合特性、その他の流体力学的・
ξラメータに対する反応に関する調査が可能ｆあるので
、すでに述べた光センサを用いて、螢光測定から得られ
た結果を生物学的プロセスの制御または発酵過程の最適
化または生化学反応器の構成のために使用する可能性も
与えられる。

光結合系としてこれまで常用の複雑なレンズ系をオプチ
カルファイバーに代えることによって、光センサを小型
化することができ、その結果市販の交換ゾンデの液浸管
内に困難なく収納することができる。

第２図は、交換ゾンデ液浸管３８に収納され、この中に
保持装置４ｏによって着脱可能および／または移動調節
可能に固定されている光センサ２を示す。液浸管３８は
、培養基内に液浸されるそのヘッド部分に、例えば特殊
鋼製ホルダー４２を備え、該ホルダ４２によって電磁放
射線が透過する、容易に取替えることの可能なカバー４
４が液浸管３８と耐圧接続されている。

かくして、液浸管３８中に存在するセンサ２は問題なく
組立てるかまたは交換することができ、反応媒体内で進
行する反応、例えば発酵プロセスが妨害されたシ中断さ
れたシすることもない。

液浸管３８６寸法は市販の交換ゾンデの寸法に一致し、
ねじ込みキャップ５２を収容するため器 のねじ５０を備えている反応合壁４６に溶接された接続
管４８中への導入が可能フある。液浸管３８を接続管４
８中に固定するのは、液浸管の周壁に設けられたフラン
ジ５４に載シかつねじ５ｏを取り囲むねじ込みキャンプ
５２をねじ締めすることによって行なわれる。更に、密
封するために液浸管３８の周壁中の囲繞溝５６中に配置
された０リング５８が設けられている。

さらに、液浸管３８は、図示されてはいないが液浸管３
８の不用意の移動または取出しを防止するラチェットお
よび／またはロック装置、ならびに洗浄液、校正液およ
び／または殺菌用スチームを導入および排出するための
導管を備えていてもよい。

第３図に示した第１図の末端部分Ａの構成は、吸光測定
の実施に適当な実施態様を示す。第一のオプチカルファ
イバー１２と第二のオプチカルファイバー１４は外管牛
肉で互いに平行に延び、その端面から突出している。オ
プチカルファイ−Ｚ−１２と１４は、電磁放射線透過性
カバー４４’、＋４’を備えたその前面が互いに平行で
かつ互いに相対しているように湾曲している。

この場合には、双方のオプチカルファイバー１２．１４
は等波長の電磁放射線用に設計されている。オプチカル
ファイバー１２を経て来る電−１４のカバー“４４′に
達し、ここから、第１図に記載したように、表示装置も
しくはコンピュータに送られる。

第杢図は、同様に吸光測定に適した第１図の末端部Ａの
構成を示す。この構成の場合、オプチカルファイ”−１
２はオプチカルファイバー１４に比較して長くされてい
て、その端面にプリズム６ｏを有し、該プリズムによっ
てオプチファイバー１４に転向される。この構成の場合
にもまた第一と第二のオプチカルファイバー１２．１４
は等波長を有する電磁放射線用に設計されている。

第５図は反射光測定に適した第１図の末端部Ａの構成を
示す。この場合、カバー４４に相対して鏡６２が配置さ
れていて、該鏡６２はスペーサ６４によって固定されて
いる。第一のオプチカルファイバー１２と第二のオプチ
カルファイバー１４とは、等波長の電磁放射線用に設計
されており、オプチカルファイバー１４はオプチカルフ
ァイバー１２に対して平行に延び、このファイバー１２
を同心の被覆として取囲ん１いる。反射光を測定する場
合には、オプチカルファイバー１２を通って到来し、力
・々−４４を通って出る電磁放射線は、鏡６２によって
反応媒体を通ってオプチカルファイバー１４上に反射す
る。

第６図は光学的手段を用いて、−１ｐ０２、グルコース
や同様の値のように他のパラメータを光学的に把握する
のに適当な第１図の末端部系−６６、例えばガラス窓を
備えている。カー９−６６に相対して選択膜６８が配置
され、該膜６８はホルダ７０によって外管牛に固定され
、例えば反応媒体中の内偵の変化によって光信号を送出
するように励起される光伝達物質を含有する中空部７２
を取囲む。個々の場合にその都度行わなければない測定
に妥当な構成部品と材料の選択はユーザにとっては困難
なＣに可能であって、場合により予備試験によるかある
いは計算により知ることが１きる。更に、好ましくない
影響または妨害反応を、例えば補償回路の如き適当な電
子的手段によって防止することも可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は螢光測定の実施に適した光センサの構成の断面
図であシ； 第２図は交換ゾンデ内に挿入された第１図の光センサの
断面図であシ； 第３図は第１図の末端部Ａの１実施例の断面図であシ； 第４図は第１図の末端部Ａの別の実施例の断面図であり
； 第５図は第１図の末端部Ａの更に別の実施例の断面図で
あシ； 第６図は第１図の末端部へのもう１つの実施例の断面図
である。 ２・・・光センサ、蛋・・・外管、６・・・ヘッド部分
、８・・・７ラン、ジ、１０・・・放射線源、１２’、
１４−・・・オプチカルファイバー、１６・・・内管、
１８・・・光電子増倍管、２ｏ・・・検出器（光電変換
器）、２２．２４・・・フィルタ、２６・・・出力部、
３８・・・液浸管、４４　、４４’　、　＋４’、　４
４”’・・・カバー。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、反応媒体中導入可能なケーシングを有し、該ケーシ
   ングは少なくとも反応媒体中に浸漬しているその末端部
   に、反応媒体に対して密封されかつ電磁放射線透過性の
   カバーを備え、該ケーシング中に機能ブロックとして少
   なくとも１つの光学的結合用光学系と少なくとも１つの
   光電変換器が収納されている、光学的パラメータの測定
   によつて流動性反応媒体中の生物学的および／または化
   学的反応を監視するための測定値発信器用光センサにお
   いて、該光学系が少なくとも１つのオプチカルフアイバ
   ー（１２、１４）を有し、存在する機能ブロックが少な
   くとも一部、常時交換可能な独立の構成部品として構成
   されていて、該部品の各々はそれ自体調整可能および／
   または制御可能であることを特徴とする、流動性反応媒
   体中の生物学的および／または化学的反応を監視するた
   めの測定値発信器用光センサ。 ２、電磁放射線源（１０）と、該放射線源（１０）から
   ヘッド部分（６）へ延びる第一のオプチカルフアイバー
   １２と、第一のオプチカルフアイバー（１２）に対して
   平行に配置されるかもしくは該フアイバー（１２）を同
   心の被覆として取り囲みかつ第一のオプチカルフアイバ
   ーから光学的に絶縁されている第二のオプチカルフアイ
   バー（１４）と、該第二のオプチカルフアイバー（１４
   ）に接続された光電子増倍管（１８）と、該増倍管（１
   ８）に光電変換器として接続された検出器（２０）とを
   有する、特許請求の範囲第１項記載のセンサ。 ３、第一のオプチカルフアイバー（１２）と第二のオプ
   チカルフアイバー（１４）が、異なる波長を有する電磁
   放射線用に設計されている、特許請求の範囲第２項記載
   のセンサ。 ４、第一のオプチカルフアイバー（１２）と第二のオプ
   チカルフアイバー（１４）とが等波長の電磁放射線用に
   設計されている、特許請求の範囲第２項記載のセンサ。 ５、放射線源（１０）と第一のオプチカルフアイバー（
   １２）との間に、第一のフイルター（２２）が配置され
   ている、特許請求の範囲第２項から第４項までのいずれ
   か１項記載のセンサ。 ６、第二のオプチカルフアイバー（１４）と光電子増倍
   管（１８）との間に第二のフイルター（２４）が配置さ
   れている、特許請求の範囲第２項から第４項までのいず
   れか１項記載のセンサ。 ７、オプチカルフアイバーはその末端部が、その端面が
   平行でかつ間隔をもつて相対しているように配置され湾
   曲している、特許請求の範囲第４項ないし第６項の何れ
   か１項に記載のセンサ。 ８、第一のオプチカルフアイバー（１２）が第二のオプ
   チカルフアイバー（１４）よりも長くなつていて、第一
   のオプチカルフアイバーは第二のオプチカルフアイバー
   を越えて突出してその端面にプリズム（６０）を有する
   、特許請求の範囲第４項から第６項までのいずれか１項
   記載のセンサ。 ９、カバー（４４）に相対して鏡（６２）が配置され、
   該鏡は１つまたは若干数のスペーサ（６４）により固定
   されている、特許請求の範囲第４項から第６項までのい
   ずれか１項記載のセンサ。 １０、そのヘッド部分（６）に、カバー（６６）と選択
   性膜（６８）とホルダ（７０）とによつて囲まれた、光
   伝達物質を収容するための中空部（７２）を有する、特
   許請求の範囲第４項から第６項までのいずれか１項記載
   のセンサ。 １１、放射線源（１０）、光電子増倍管（１８）、検出
   器（２０）、第一の光学フイルタ（２２）および／また
   は第二の光学フイルタ（２４）が、着脱可能で、作動中
   に当該構成部品の組込みおよび／または取外しのできる
   固定装置（２８、３０、３２、３４、３６）を備えてい
   る、特許請求の範囲第２項から第１０項までのいずれか
   １項記載のセンサ。 １２、固定装置（２８、３０、３２、３４、３６）がプ
   ラグ接続装置として構成されている、特許請求の範囲第
   １１項記載のセンサ。 １３、交換ゾンデの液浸管（３８）中に固定するための
   フランジ（８）と保持装置（４０）とを有する、特許請
   求の範囲第１項から第１２項までのいずれか１項記載の
   センサ。 １４、反応媒体中に導入可能なケーシングを有し、該ケ
   ーシングは少なくとも反応媒体中に浸漬しているその末
   端部に、反応媒体に対して密封されかつ電磁放射線透過
   性のカバーを備え、該ケーシング中に機能ブロックとし
   て少なくとも１つの光学的結合用光学系と少なくとも１
   つの光電変換器が収納されていて、該光学系が少なくと
   も１つのオプチカルフアイバー（１２、１４）を有し、
   存在する機能ブロックが少なくとも一部、常時交換可能
   な独立の構成部品として構成されていて、該部品の各各
   はそれ自体調整可能および／または制御可能である、光
   学的パラメータの測定によつて流動性反応媒体中の生物
   学的および／または化学的反応を監視するための測定値
   発信器用光センサを含有する交換ゾンデにおいて、液浸
   管（３８）が耐圧的に固定された、電磁放射線透過性カ
   バー（４４）と、ねじ込みキャップ（５２）とフランジ
   （５４）とから構成されている、生化学反応器の接続管
   （４８）に固定するための固定装置を備えていることを
   特徴とする、流動性反応媒体中の生物学的および／また
   は化学的反応を監視するための測定値発信器用光センサ
   を含有する交換ゾンデ。