JPS62190445A - 物質中に含まれる成分の濃度を求めるための方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、物質中に含まれる特に酸素等の成分の濃度を
求めるための方法であって、測定すべき成分によってそ
のルミネセンス強度が低下あるいはまた消えてしまうよ
うなルミネセンス指示薬を用いるものに関する。

物質中に含まれる何らかの成分、例えば液体状又はガス
状の試料中の酸素を決定することは臨床分析、薬学、バ
イオテクノロジ、プロセス制御等の分野において重要な
役割をになっている。

〔従来の技術〕

電気−化学的酸素センサの電極の大きさ、時折生じる信
号ドリフト、電気的ポテンシャルに対するひ弱さの理由
から、もっばら酸素のボラログラフイック環元の原理に
基づいているセンサは近年能の酸素センナに代られてい
る。このような事情において、光学センサが最も重要な
地位を獲得している。

はとんどの光学センサ、例えば酸素用のものは、動的蛍
光消光を根拠に、つまり消光成分例えば酸素がある場合
その蛍光指示薬の蛍光強度が減少するということに基づ
いている。測定された蛍光強度と酸素分圧　ＰＯ２との
間の関係に対して次のシュテルンーフォルマの式が有効
である： Ｆｏ　／Ｆ＝１＋に−ＰＯ２・・首”（１）説明してい
ない式中の記号は次の通りである二Ｆｏ・・・・・酸素
がないときのセンサの蛍光強度Ｆ・・・・・・・酸素が
あるときのセンサの蛍光強度Ｋ・・・・・・・いわゆる
シュテルンーフォルマ定数で較正によって求められる。

（１）式においてＦｏとＫが一定であるなら、Ｆの測定
から直接酸素濃度つまり酸素分圧が逆算できる。このこ
とに根拠づけられた酸素分圧の測定のための種々の方法
とシステムが知られている。

例えば、イギリス特許１１９０５８３がらガス状試料の
酸素含有量測定のためのシステムが知られている。ここ
では、試料は、蛍光を発する指示薬、例えばフルオラン
テンを入れたガラス状の担体から構成されたセンサ層に
接触させられる。この指示薬の蛍光は一方の側面に取り
付けられたガス放電ランプにより励起され、（１）式に
従って酸素により消光される。そのときそのときの蛍光
強度は他の側面に取り付けられたフォトダイオードで測
定される。

アメリカ特許３６１２８６６及び４００３７０７に大変
良く似た方法が開示されている。後者の方法は、液体状
の試料の酸素濃度の測定に好適であるとして説明されて
いる。その指示薬、例えばピレン酪酸はシリコン膜に埋
め込まれ、これが液体状の試料に接触させられる。ここ
から酸素がシリコン膜に浸透し、そこで作用し指示薬の
蛍光強度の減少あるいは消失が起きる。

〔本発明が解決すべき問題点〕

これらの全ての方法を実際に実施する際、蛍光強度Ｆの
測定に種々の誤差が併うことか強調される。これは、例
えば励起源の強度変動に強く影響される。励起光源の強
度■０と測定された蛍光強度Ｆとの間にパー力に近似さ
れた次の線形関係が成立する： Ｆ＝Ｉｏ　　−ε−ｃ−ｄ−Ｑｆ−Ｋ・−（２＞ここで
、εは１モルの十位吸光係数、Ｃは指示薬の濃度、Ｑｆ
は蛍光−量子収量、Ｋは測定システムの幾何学的構成に
より決定される定数である。

光源の強度Ｉｏの変動が直接Ｆの測定での誤差に結びつ
くことが上記の式から理解される。そのような場合、Ｆ
Ｏが一定であるとの上述の仮定がもはや成り立たなくな
る。

２番目の誤差原因は、多くのこれまで知られている蛍光
指示薬が励起光の影響下において安定ではなく、ゆっく
りした崩壊をこうむるということから生じる。これによ
り、測定蛍光強度ＦＯがゆっくりと低下することが起こ
っていく、このことによって又、上述のＦＯが一定であ
るという仮定が満たされなくなる。この光崩壊の結果と
して測定されるべき成分濃度のための測定値が大きく算
出されるというエラーが起る。

３番目の誤差原因は、ポリマ材料から作られる蛍光指示
薬、一般にポリマ材料に指示薬が埋め込まれるのである
が、この蛍光指示薬が洗い流されることにある。この結
果として指示薬の濃度Ｃが減小する。上記の（２）式に
よれば、このことから蛍光強度Ｆが小さくなり、測定さ
れた成分濃度のための値が誤差をもつことになる。

最後の誤差原因は散乱光が働きによる。なぜなら、散乱
した励起光と蛍光とのスペクトルによる分離が十分でな
いと、通常散乱光は蛍光といっしょに測定されるからで
ある。又、もし周囲の光を実際の測定空間から遮蔽する
十分な方策が講じられていない場合、この周囲の光がい
っしょに測定されてしまう、この２つの場合、蛍光強度
を求める際、実際の蛍光強度Ｆが散乱光又は周囲光によ
るある値だけ高くなる。高く測定されたみせかけの蛍光
強度Ｆにより成分含有量の真の値が（１）式を用いて低
く算出される。

〔問題を解決するための手段〕

上述した従来技術の４つの誤差原因をはじめとする種々
の問題を解決するために、本発明による方法では、測定
すべき成分で接触しているルミネセンス指示薬のルミネ
センスの減衰時間ｔが測定され、消光しないルミネセン
ス指示薬の公知の又は予め調べられた減衰時間ｔｏから
測定されるべき成分の濃度が求められる。減衰時間ｔは
、ここで消光剤が存在する場合での蛍光の開始値が１／
ｅにドロップするまでの時間と理解される。減衰時間ｔ
ｏは、消光剤が存在しない場合であり、各ルミネセンス
指示薬の特有な値であり、これは実質的に温度と溶剤に
よってのみ影響され、指示薬濃度には影響されない、こ
の減衰時間ｔの値は測定されるべき成分が全く存在して
いない場合に最大となり、この成分の分圧が増加すると
減少する。

本発明のより詳しい特徴及び作用・効果は次の図を用い
た実施例の説明とともに理解される。

〔実施例〕

第一図は縦軸に蛍光減衰時間比ｔｏ／ｌをとり、横軸に
％で表した酸素をとったグラフを示している。これから
この方法は酸素含有量が少ないとき最も感度がよいこと
がわかる。指示薬濃度が半分に減っても、実質的には同
じ曲線が得られる。この方法の比類のない利点は、 式：ｔｏ／ｌ＝１＋に−Ｐ（ｈ・・・・・・・・・（２
）が良い近似を示すとするなら、酸素含有量はグラフと
測定値ｔから、つまりは一度に決定されるべき値にとｔ
とから決定されることができるので、本発明によれば光
学センサは検定する必要がないというところにある。

さらに利点は静的な消光成分は無視しておき、動的な蛍
光の消光によって実現するその消光成分だけをｔの測定
をすることによって把握できるというところにある。従
来の方法では、静的及び動的な消光によって影響される
Ｆ値の測定により大体は曲がった較正曲線が得られた。

ここで介した方法は実質的にはいつも直線の較正曲線を
示す。

第２図は対応させた比較を示している。消光剤濃度（消
光剤としてヨウ化物）に対するシュテルンーフォルマ曲
線Ｆｏ／Ｆは高いヨウ化物濃度では上方に偏向している
。ｔｏ／を一曲線はそれとは違って直線を示す、この曲
線は公知の型式のハロゲン化物センサを使って測定され
た。

本発明のさらに好適な構成では、減衰時間ｔは位相感受
により測定される。これは減衰時間の決定のために優先
的に考慮されうる方法の一つである１位相感受による方
法では試料は正弦波状に変調された光をあてられ、そこ
で入射光に対する放出光の位相ずれが測定される。この
測定された位相ずれを使って公知の手法で減衰時間が逆
算される。

さらに別な本発明による方法として減衰時間ｔがパルス
法によって求めることが提案される。この方法ではセン
サは短い光パルスをあてられ、続いて減衰時間ｔが測定
される。

ｐｓ（ピコ秒）領域の減衰時間は、今日では比較的正確
に測定することができるが、これには是認しがたいほど
の高い装置代が必要となるので、そのような短い減衰時
間をもつ指示薬は通例あきらめられる。

それゆえ本発明によるさらに好適な構成では、特に測定
技術的に良好に検出可能な減衰時間ｔを得るために５ナ
ノ秒以上の減衰時間をもつルミネセンス指示薬が使用さ
れている。

数マイクロ秒のオーダの減衰時間は測定技術的には特に
良好に検出可能なので、例えば、酸素を検出するための
本発明による一実施例ではルミネセンス指示薬としてル
テニウム又はイリジウムの金属有ｉ錯体が用いられる。

そのような指示薬は、例えば、４７０ナノメータで吸収
最大値、約６００ナノメータで蛍光最大値を示すルテニ
ウム（ＩＩ）−ディビリディルー錯体である。

利点を有するものとして、本発明によれば、例えば、１
ナノ秒から１ピコ秒の間の領域に位置する大変短い蛍光
減衰時Ｉ？ｉ′ｌｔを有するヘテロ環状色素の列から作
られたルミネセンス指示薬の場合この指示薬の燐光の減
衰時間ｔ′が調べられるものもある。冒頭部で述べたシ
ュテルンーフオルマの式は蛍光つまり励起−重項状態か
ら光放出に対してだけでなく燐光に対しても有効であり
、その際ここでは光放出は励起三重項状態から生じる。

この種のルミネセンス指示薬の場合例えば酸素感応層は
、例えば、トリバフラビン、クロロフィル、ローダミン
、アクリジン有機、ペリレンテトラカルボン酸−ジイミ
ド、又はアントラール酸のような色素を活性表面層に吸
着させることにより得られる。適した材料は、例えば、
けい酸ゲル、シリカゲル、フィルタ紙、セルローズ、デ
キストロン及びその種のものである。一般的にこれらの
色素の蛍光減衰時間は大変短く、これは１ナノ秒から１
ピコ秒の間の領域に位置するので、減衰時間ｔの測定す
るために費用のかさなる方法が必要であろう、酸素圧が
大変率さい場合、蛍光の代りに比較的ゆっくりとした減
衰をもつ燐光を観察することができる。典型的な値とし
て１マイクロ秒から１０秒までの間である減衰時間ｔ′
はこれにより特に簡単に測定できる。燐光の減衰時間ｔ
′の測定は、それで酸素局部圧力が大変低い場合、例え
ば、排水、排ガス又は工業設備のプロセスコントロール
において選択される方法である。

本発明のさらに別な形態として、シクロデキストリン等
の環状寄主分子にルミネセンス指示薬を埋め込んだ場合
燐光の減衰時間ｔ′は室温で測定されることが提案され
る。低い温度下で行なわれなければならない通常の燐光
測定とは違ってこの場合室温−燐光が可能である。寄生
分子としては例えばシクロデキストリンが適している。

ｉｆＬ後に本発明によれば、光ケーブルを使って減衰時
間ｔ、ｔ’の測定を行なうことが意図されている。減衰
時間の測定の際利点のある光ケーブルの使用により本発
明による方法はその利用範囲が拡大する。

第３図は位相感受性の蛍光測定によって酸素濃度を決定
するための位相蛍光計を図示している。

高周波発生器１は青色発光ダイオード２を変調し、その
光は、場合によってはフィルタ３を通過し、光ケーブル
５のアーム４内に入り、その終端部６で酸素感応性膜７
にあたる、その蛍光及び散乱光は光ケーブル５の第２ア
ーム８を通じてコリメータレンズ９に導かれ分光器１０
へ行く、散乱した励起光はフィルタ１１により蛍光から
分離され、レンズ１２によりフォトダイオード１３のと
ころにフォーカスされている９分光器１０によって偏向
されなかった光は蛍光のみを通過させるフィルタ１４の
ところへ行く、そしてこの光はレンズ１５の働きでフォ
トダイオード１６に照準を合わされている０両フォトダ
イオード１３．１６から流れる信号は増幅器１７．１８
を用いて増幅された後、位相−圧電変換器１９に、Ｌり
散乱光の蛍光との間の位相ずれが測定され、その信号は
ここでは示されていない表示装置に送られる。この位相
ずれは酸素濃度が増加するにつれ減じる。

もちろん本発明による方法のために他の光伝送システム
を利用することもでき、例えば、冒頭部で述べたように
、２つの蛍光強度の比を定めることにより酸素局部圧が
推察される。

特に励起光と蛍光の分離を必要としないパルス法のため
には第４図で示されるシステムが利用される。これは光
学的分離手段２１を備えた二枝状のシングル−ファイバ
ー光ケーブル５の端部に小さなセンサ素子２０を設けた
ものから構成表れている。センサ素子２０は、ヴオルフ
バイス（Ｗｏｌｆｂｅｉｓ）　、ボッシュ（Ｐｏｓｃｈ
　）−そしてクロナイス（Ｋｒｏｎｅｉｓ　）　、の“
分析化学″　（人ｎａ１．　Ｃｈｅｗ、　　５７．２５
５６．１９８５年）に基づくシリコン中のデカシクレン
の０．０５％の溶液の５０μｍ厚の膜から構成されてい
る。キセノン光源２２からの励起光は、そこから光フア
イバアーム４を通りセンサアーム２０のセンサ膜にあた
り、蛍光は光学的分離手段２１を通り第２の光ケーブル
アーム８に入り、フィルタ２３によりフィルタをかけら
れ、検出ユニット２４に入る。第５ａ〜５ｄｌｌＪに図
示されているところの分離手段２１における■−■断面
、ＩＩ−Ｉｆ断面、ｌ−１Ｎ断面そしてＩＶ−ＩＶ断面
は、分離手段区域での光ケーブルの核部２５と被覆部２
６のそれぞれの断面での構成を示している。このシステ
ムの利点は、この測定システムが鏡とレンズから構成さ
れる光学システムに較べ、位置変化や振動によって極く
わずかしか影響を受けないというところにある０次にｔ
とｔ′の測定によりそのｐｏ２を定めるために利用され
る典型的な酸素センサ膜の製造を述べる。そこでは、言
わゆるエマルジョン膜、つまりポリマ担体材料中の指示
薬の水溶液のエマルジョンが取り扱われる。

（例１）酸素悪巧エマルジョン膜の製造：シリコンプレ
ポリマ（製造Ｎｏ、６０１Ａ、ヴアッカー・ヘミー社、
西ドイツ）４．５ｇと硬化シリコンポリマ（製造Ｎｏ、
６０１Ｂ、ヴアッカー・ヘミー社）がルテニウム−トリ
ジビリディルージクロリッドＲｕ　（ｂｉｐｙ）　ｓ　
Ｃ＋２　　（ストレム−ケミカル社、ニューバリーボー
ト、マサチュセッツ０１９５０、米国）の１０−５モル
水溶液１　ｍ　ｌとともにタービンかくはん機、例えば
タラックス（Ｔｕｒｒａｘ　）型を用いて微細エマルジ
ョンにされる。水で行なう代りに、指示薬を約８：２の
比をもつ水−グリセリン混合液あるいは水に約３０％デ
キストラン又はポリエチレングリコールを混ぜた溶液中
で使うことができる。この添加物はその吸湿性質のため
膜の乾燥してしまうことを阻止する。生じたエマルジョ
ンは約２０〜５０μｍ厚さでガラス片に塗られる。これ
を５０℃に加熱することで、最もよいのはエマルジョン
の乾燥しすぎを防止するために水を用いて、加熱して、
硬化させる。硬化の後この膜は引きはがされ光ケーブル
の端部にぴんと張って固定されるか、あるいは又ガラス
片とともに光ケーブルの端部に固定される。この酸素感
応エマルジョン膜の減衰定数には試料の０２含有ｉ１％
当り０．０２５である。

（例２）Ｂ素感応性ホモゲン膜の製造：シリコンブレボ
リマ；エラストシルＥ４３２゜Ｏｇをトリオル２ｍｌに
溶かし、そこに１．０ｍｌトリオル中に１０ｍｇの溶解
化デカシクレン（オーストラリア特許３７７０９５によ
る製造）の溶液を加える。これより約５０μｍ厚さの膜
を調製するには、ガラス片に約１５０μｍ厚さでこの溶
液をつけ、室温で２４時間乾かし、硬化させる。この膜
は光ケーブルの端部に備えられ、４００ナノメータ波長
の光パルス（持続時間２〜４ナノ秒）を照射する。５０
０ナノメータで蛍光の減衰時間が測定される。

酸−素だけではなく動的な蛍光の消光を使って、特に二
酸化硫黄、ハロタン、ハロゲン化物が測定可能である。

蛍光強度の測定による上記物質の濃度を定める従来法で
は冒頭部で説明した欠点が生しる。この欠点は、本発明
による方法、すなわち減衰時間ｔ、ｔ”を使って一測定
されるべき物質の濃度を定めることによって避けられる
。

物質濃度の測定のための本方法は光強度を測定する冒頭
部に述べた方法に較べ次の決定的な利点を与える： （ａ）色素の退色及び脱色は、ｔが濃度に独立している
ので、分析信号の変動に結びつかない。

（ｂ＞これまでは基準測定により調製しなければならな
かった光源の強度変動は、ｔがＦｏに独立しているので
、問題ではない。

（Ｃ）２つの変数値、ＦｏとＦに代ってただ１つの変数
値を測定するだけなので、一点較正で十分である。

（ｄ）減衰時間が消光種顕にだけに、つまり動的消光に
より影響されるという事情により、他の方法とは違って
実質的にいつも直線的な較正曲線が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図と第２図は、本発明による方法に関する。 酸素濃度に対する蛍光減衰時間の比を表したグラフ、第
３図と第４図は本発明による方法に用いられる測定シス
テムを示した概略図、第５ａ〜第５ｄ図はそれぞれ第４
図のＩ−Ｉ、ＩＩ−ＩＩ、■−■、ＩＶ−ＩＶ断面図で
ある。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、物質中に含まれる酸素等の成分の濃度を求めるため
   の方法であって測定すべき成分によってそのルミネセン
   ス強度が低下ないしは消去されるルミネセンス指示薬を
   用いるものにおいて、測定すべき成分に接触しているル
   ミネセンス指示薬のルミネセンスの減衰時間ｔが測定さ
   れ、消光しないルミネセンス指示薬の予め調べられた減
   衰時間ｔ＿０から測定されるべき成分の濃度が求められ
   ることを特徴とする物質中に含まれる成分の濃度を求め
   るための方法。 ２、前記減衰時間ｔが位相感受により測定されることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の方法。 ３、前記減衰時間ｔの測定がパルス法により行なわれる
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の方法。 ４、測定技術上良好にとらえることが可能な減衰時間ｔ
   を得るために５ナノ秒以上の減衰を有するルミネセンス
   指示薬が用いられることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項〜第３項に記載の方法。 ５、酸素の測定のためにルテニウムやイリジウムの金属
   有機錯体がルミネセンス指示薬として用いられることを
   特徴とする特許請求の範囲第４項に記載の方法。 ６、１ナノ秒から１ピコ秒の間の領域に位置する大変短
   い蛍光減衰時間ｔを有するヘテロ環状色素の列等から作
   られたルミネセンス指示薬の場合この指示薬の燐光の減
   衰時間ｔ′が調べられることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項〜第３項のいずれかに記載の方法。 ７、シクロデキストリン等の環状寄主分子にルミネセン
   ス指示薬を埋め込んだ場合燐光の減衰時間ｔ′は室温で
   測定されることを特徴とする特許請求の範囲第１項〜第
   ３項及び第６項のいずれかに記載の方法。 ８、前記減衰時間ｔとｔ′の測定が光ケーブルを用いて
   行なわれることを特徴とする特許請求の範囲第１項〜第
   ７項のいずれかに記載の方法。