JPS6365358A - 二酸化炭素用センサ - 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】 〔概要〕 微生物を使用して、溶液中の二酸化炭素濃度を測定する
二酸化炭素用センサの改良である。

二酸化炭素を資化する微生物と電池作用を利用して酸素
の濃度を測定する酸素電極とを組み合わせ、酸素供給用
緩衝液供給用セルを付加して構成した二酸化炭素用セン
サに、被検体供給用の被検体供給用セルを付加し、酸素
供給用緩衝液供給用セルには、酸素と好ましくは栄養源
を含みｐＨ値の高い緩衝液を供給し、被検体供給用被検
体供給用セルには、被検体、または、被検体を含みｐＨ
値の低い？ａ衝樹液供給することとし、取り扱１，％を
簡便にし、測定精度を向」−シ、測定に要する時間を短
縮するようにした改良である。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、溶液中の二酸化炭素ｆａ度を測定する二酸化
炭素用センサに関する．特に、微生物を使用してなす二
酸化炭素用センサの取り扱いを簡便にし、測定精度を向
上し、測定に要する時間を短縮する改良に関する。

［従来の技術〕 本発明の発明者は、溶液中または空気中の一酸化炭素濃
度をアンペロメトリックに測定する１段として、第４図
に示すように、電池作用を利用して酸素の濃度を測定す
る酸素電極と呼ばれる酸素濃度センサ６（底面が第１の
ガス透過膜５をもって構成されている容器ｌと、この容
器ｌ中に入れられた水酸化カリウム等の水溶液等よりな
る電解液４と、電解液４中に浸漬された７ノード３とカ
ソード２とよりなり、酸素ガスが第１のガス透過膜５を
透過してカソード２に接触すると゛電池作用が活発にな
り、カッ−１２に接触する酸素ガスの量に比例して電流
が増加する特性を有する．）と二酸化炭素を資化する微
生物７例えばヒドロゲノモナス属に属すると思われるＴ
ＩＴ／ＦＪ−０００１菌（微−ｒ研菌寄第８４７３号）
、好熱や好気性桿菌ＴＩＴ／ＦＪ−０００２菌（微工研
菌寄第８４７４号）等を組み合わせ、さらに、酸素を含
む緩衝液を供給する酸素供給用緩衝液供給用セルを付加
した二酸化炭素用センサの発明を完成した．なお、図に
おいて８は透析膜であり、ｌＯは酸素供給用緩衝液供給
用セルであり、１１は第２のガス透過膜であり、１２、
１３は緩衝液流入口と緩衝液流出口である。

このニー酸化炭素用センサにおいては、緩衝液流入「１
１２と緩衝液流出口１３とを介して酸素と好ましくは栄
養源を含む緩衝液が酸素供給用緩衝液供給用セルｌＯに
供給され、透析膜８を介して酸素と好ましくは栄養源が
微生物７の近傍に常時供給されている。この状態におい
ては、微生物にとって通常の生存条件が満たされている
ので、微生物７は長期間生存し、酸素電極６はこの微生
物７の近傍の酸素濃度に対応する値を検出する．この酸
素濃度が比較基準値である。

次に、二酸化炭素濃度の測定にあたっては、二酸化炭素
を含む被検体を第２のガス透過膜１１に接触させ、二酸
化炭素を酸素供給用緩衝液供給用セル１０と透析ＲｆＪ
８とを介して微生物７の近傍に到達させ、一部は重炭酸
イオンに転換させ、微生物７に二酸化炭素と重炭酸イオ
ンとを資化させる。

このとき、微生物７の呼吸活動はさかんになり、酸素の
消費量が増加し、微生物７の近傍の酸素濃度が低下する
。この酸素濃度の低ドＭｌ　（１：記の比較基準値をな
す酸素濃度と低ドした酸素濃度との差）を酸素電極６を
もって測定して、−°−一酸化炭素濃度と判定するもの
である。

この二酸化炭素用センサは、微生物の生活作用にもとづ
くものであるから、微生物の生存が絶対条件であるが、
−１−記のように常時酸素と好ましくは栄養源が供給さ
れているので、微生物は長期間生存し、この二酸化炭素
用センサの寿命は長い。

また、ガス透過膜のガス透過性は、ガスの種類により異
なり、使用されるガス透過膜のガス透過性が特定のガス
に対して高い場合は、ガス透過膜を介して酸素ガスが流
出して、微生物近傍の酸素濃度が低下する傾向がある。

この傾向は、比較基準値となる酸素濃度が低下すること
を示すが、」−記のように、火星の酸素が常時補給され
ているのであるから、測定期間においても比較基準値と
なる酸素濃度は一足に保持され、測定期間に発生する酸
素濃度の変化は、微生物の呼吸活動の増加のみによって
ひきおこされたものとなり、高い測定精ｊバが実現され
る。

〔発明が解決しようとする問題点〕

たり、上記の二酸化炭素センサを使用するには、被検体
を第２のガス透過膜に接触させる必要があるので、実験
室ではビーカー等の容器に被検体を入れ、これに、二酸
化炭素センサを浸漬する等して接触させているが、実用
上このような取り扱いは極めて不便である。

次に、上記のように被検体を第２のガス透過膜に接触す
ると、酸素電極の検出する４ｔＪは低トするが、この値
が落ち付くまでに、ｌＯ分程瓜を要する。この測定時間
（検出（１１が安定するまでの１０分間）は、実用上長
さに失する。

以上のように、上記の二酸化炭素センサは実用上改良の
余地があるため、実用１′、簡便であり、測定に要する
時間が短い二酸化炭素相センサの開発が望ましい。

本発明の目的は、この要請に応えることにあり、実用−
Ｌ簡便であり、測定精瓜が高く、測定に要する時間が短
い二酸化炭素用センサを提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕 上記の目的を達成するために本発明が採った手段は、１
−記の酸素電極６と一酸化炭素を資化する微生物７とを
組み合わせ酸素供給田緩也液供給用セル１０を付加した
二酸化）Ｒ素地センサに、被検体供給用の被検体供給用
セル１５を付加し、酸素供給用緩衝液供給用セルｌＯに
は、酸素と好ましくは栄夷源を含みｐＨ値の高い緩衝液
を供給し、被検体供給用被検体供給用セル１５には、被
検体を、または、被検体を含みｐＨ値の低い緩衝液を供
給することとしたことにある。

さらに詳細には、アノード３とカソード２とが侵情され
る電解液４を収容する容器１の一部領域は第１のガス透
過膜５をもって構成されてなる酸素電極６の第１のガス
透過膜５近傍に、二酸化）Ｒ素を資化する独立栄養細菌
７が配置され、独立栄養細菌７は透析膜８をもって覆わ
れ、この透析膜８に対接して、酸素を含む緩衝液が供給
される酸素供給用緩衝液供給用セルｌＯが設けられ、こ
の緩輯液供給用セルＩＯには、酸素と好ましくは栄養源
を含みｐＨの高い緩衝液が供給され、さらに、緩衝液供
給用セルｌＯの第２のガス透過膜１１に対接して、被検
体を含む緩衝液が供給される被検体供給用セル１５が設
けられ、被検体供給用セルには被検体を含みｐＨの低い
緩衝液が供給されることとされてなる二酸化炭素用セン
サである。

上記第１及び／または第２のカス透過膜５．１１は、被
検要素である二酸化炭素と測定媒体たる酸素とを透過す
ることが必要であり、実験の結果によればシリコンゴム
またはテフロン（商品名）等の含フッ素高分子化合物膜
が適当である。

上記透析膜８は実験の結果によればセルロース膜が適当
である。

上記の酸素電極はガルバニ型にもボーラロ型にも構成し
うる。

上記の独立栄養細菌としては、ｌｌ的に応じて常温性独
立栄養細菌を選択しても、ｔＩｆ熱性独を栄養細菌を選
択してもよい。

本発明に好適な常温性独立栄養細菌としては、本発明の
出願人が発見した二酸化炭素を炭素源とする独立栄養細
菌ＴＩＴ／ＦＪ−０００１菌（微工研菌寄第８４７３号
）がある。

本発明に好適な好熱性独立栄養細菌は、ド記のとおりで
ある。

ｌ）本発明の出願人が発見した二酸化炭素を炭素源とす
る好熱性独立栄養細菌ＴＩＴ／ＦＪ−０００２菌（微工
研菌寄第８４７４号）２）スルフォロガス　アシドカル
ダリウス（Ｓｕｆｏｌｏｂｕｓ　ａｃｉｄｏｃａｌｄａ
ｒｉｕｓ）３）カルブリア　アシドフィラ （Ｃａｌｄｅｒｉａ　ａｃｉｄｏｐｂｉｌａ）４）フラ
ボバクテリウム　アウトテルモフィルム（Ｆｌａｖｏｂ
ａｃｔｅｒｉｕｍ　　ａｕｔｏｔｈｅｒｍｏｐｈｉｌｕ
ｍ）５）シュードモナス　ハイドロゲノテルモフイラ（
Ｐ、ｈｙｄｒｏｇｅｎｏｔｈｅｒｍｏｐｈｉｌａ）６）
シュードモナス　テルモフィラ （Ｐ、ｔｈｅｒｍｏｐｈｉｌａ） ７）バチルス　シレジェリイ （ＢａｃｉｌｌｕＳｓｃｈｌｅｇｅｌｉｉ）（作用〕 本発明に係る二酸化炭素用センサの作用を、第１図を参
照して説明する。

図において、６は酸素濃度を検出しうる酸素ｉ３　％−
ｃあり、アノード３とカソード２とが電解液４中に浸漬
され１面には第１のカス透過膜５が設けられる。７は二
酸化炭素を資化する独立栄養細菌であり、第１のガス透
過膜５を介して酸素電極６と連通ずるとともに、透析膜
８を介して緩衝液供給用セルｌＯと対接する。この緩衝
液供給用セルｌＯの他面は第２のガス透過膜１１とされ
、この第２のガス透過膜１１に対接して、被検体供給用
セル１５が設けられている。そして、緩輯液供給用セル
ｌＯには酸素と好ましくは栄養源とを含みｐＨの高い緩
衝液が常時供給され、−力、被検体供給用セル１５には
、測定時に、被検体を、または、被検体を含みｐＨの低
い＃　＃液が供給される。

このように、本発明に係る二酸化炭素用センサには、酸
素を含みＰ）ｉの高いＷ可法を常時供給するための緩衝
液供給用セルｌＯが設けられており、常時大量の酸素と
好ましくは２五鯨とが供給されているので、微生物の生
存は確保され、同時に、ガス透過膜を介して流出する酸
素ガスが補給されるので、被検体が供給されて微生物の
呼吸活動が盛になっている期間（測定期間）においても
比較基準となる酸素濃度は変化せず被検体が供給される
以前の酸素濃度が保持されるので、比較基準は不変であ
り、酸素ガスがガス透過膜を介して流出するｑｓ実に起
因する誤差は発生せず精度を損なうことはない、さらに
、高いｐＨ値は二酸化炭素を重炭酸イオンに転換するに
有効であり、緩衝液供給用セルｌＯ中にガス状態で存在
する二酸化炭素の績を減少するので、同一量の二酸化炭
素濃度を検出する場合、緩衝液供給用セルＩＯ中の酸素
分圧の変化を抑制する結果となり、上記の比較基準を・
定に保持する効果を向」−する。

さらに、測定時に被検体を供給する被検体供給用セル１
５が設けられており、測定時には簡便に被検体または被
検体を含む緩衝液を供給することができるので、取り扱
いに便利である。また、被検体供給用セル１５に供給さ
れる緩衝液の低いｐＨ値は二酸化炭素を酸素供給用セル
ｌＯに移送するに有効であり、その結果、二酸化炭素は
酸素電極６に向って有効に移送される。

また、測定に当り、被検体が被検体供給用セル１５に供
給されると、酸素電極６の読みは一旦急減し、１分程度
をもってオーバーシュートした後、１０分程度をもって
平衡状態に達するが、上記の構造であるから被検体供給
後１分村度をもって出現するオーへ−シュート値を測定
することができるので、測定に要する時間が短縮される
。

〔実施例〕

以下、図面を参照しつ一１本発明の一実施例に係る二酸
化炭素用センサについて、さらに説明する。

第１図参照 ｌは筒状容器であり、その下端はテフロン−シリコンゴ
ム等よりなる第１のガス透過膜５によって覆われる。そ
の中には、水酸化カリウム等よりなる電解液４が入れら
れる。’ｒｔｔ解液４中には、白金等よりなり大きな平
面積を有するカッ−１２と鉛等よりなるアノード３とが
浸漬される。

特許請求の範囲第１θ項に記載した好熱性独立栄養細菌
ＴＩＴ／ＦＪ−０００２（微［研菌寄第８４７４号）を
、ビーフェキス　０．３％、ペプトン０．５％、蒸留水
８３．２％の完全培地中で好気的に３０℃で２０間培養
する。

この好熱性独立栄養細菌ＴＩＴ／ＦＪ−０００２を培地
ごと５１採取し、ニトロセルロース製メンブレンフィル
ター上で吸引濾過して好熱性独立栄養細菌の微生物固定
膜７とする。

この微生物固定膜７を第１のガス透過膜５のド面に、好
熱性独立栄養細菌ＴＩＴ／ＦＪ−０００２が−Ｌ方を向
くように（第１のガス透過膜５を介してカソード２と対
向するように）配置し、その外側（下部）を透析膜８を
もって覆う。

一方の面（２！に例においては下面）がテフロン争シリ
コンゴム等よりなる第２のガス透過膜１１をもってカバ
ーされており、他面は開口とされており、緩衝液供給用
の流入口１２と流出口１３とが設けられている緩衝液供
給用セルｌＯを、上記の透析膜８に対接して取り付ける
。

さらに、図において上面が開口とされており流入口１６
と流出口１７とが設けられている被検体供給用セル１５
を、上記の開口が上記の第２のガス透過膜１１に対接す
るように取り付ける。

第２図参照 本発明の要旨に係る被検体供給用セル１５の一例の構造
についてさらに説明する。

図において、被検体供給用セル１５本体は円筒状をなし
、流入口１６と流出口１７を有し、１面（図において上
面）には開口を有する。そして、この開口は酸素供給用
緩衝液供給用セルｌＯの第２のガス透過膜１１に対接し
て設ける。なお１４はゴム製０リングであり、酸素供給
用緩衝液供給用セルｌＯに透析膜８と第２のガス透過膜
１１とを取り刊ける。

第３図参照 上記の構造を有する二酸化炭素用センサを使用して溶液
中の二酸化炭素濃度を測定するには、まず、緩衝液供給
用セルｌＯに、酸素とＩＩｆましくは栄養源を含む緩衝
液を約２１／分の速度で供給する。この緩衝液のｐＨ値
は、なるべく大きくした方がよい、　ＰＨ値が大きいと
二酸化炭素が重炭酸イオンに転換されやすいからである
。以ドに述べる上記の独立栄養細菌７の場合、好ましい
ｐ　Ｈ（？は　６．５である。

好ましい緩衝液の一例を下記に示す。

緩衝液の組成 Ｈａ２Ｓｏ４−７　Ｈ２Ｏ：　　　　５０Ｂ／　ＪＩＭ
ａｉｌ　　　　　　　　　　　　　　　・　　　　　５
０ｓ＋ｇ／　ｌＭｎＣ１・４ＨＯ・１ａｇ／１ ２　　２　　　。

ＣａＣ１・２ＨＯ・５１ｇ／！；Ｌ ２　　２　　　。

Ｆｅｅｌ　　　　・　６ＨＯ・　　　　　　８．７ｍｇ
／Ｊ１３　　２　　　。

ＧＯＣＩ２　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
０．００５ｍｇ／　ｆｌ（ＮＨ）　　ＭａＯ・　２　Ｈ
Ｏ：　　　　　　　０．００２ｍｇ／　１グルコース　
　　　：　　　２００ＪＬＭ（蒸留水１！；Ｌ中の成分
量■ｇ） この状態では独立栄養細菌７には二酸化炭素は与えられ
ていないので呼吸作用はそれ程活発でなく、酸素電極６
に供給される酸素量は上記の緩衝液の酸素濃度によって
規定される値（比較基準値）となっている。

たぐ、常時酸素と好ましくは栄養源を与えられているの
で、独立栄養細菌７は長期間生存を継続することができ
る。

次に、被検体供給用セル１５に、被検体を含まず低いＰ
Ｈ値の緩衝液を２１／分の速度で供給して、酸素電極６
の読みを安定させる。この状１１ｉにおいて、酸素電極
６が指示する酸素濃度が図にＡをもって示す値である。

ここで、被検体注入ｔＪ１８に一酸化炭素を含む被検体
を注入すると、酸素電極の指示は低ドし１分村度でオー
バーシュートしてＢ点に達し、約１０分で平衡状態Ｃに
達する。約１０分間待って平衡状態Ｃを使用してもよい
が、オーバーシュート値Ｂを使用すると測定に要する時
間が短縮される。

〔発明の効果〕

以上説明せるとおり、本発明に係る二酸化炭素用センサ
は、二酸化炭素を資化する微生物と電池作用を利用して
酸素の濃度を測定する酸素電極とを組み合わせ緩衝液供
給用セルを付加して構成した二酸化炭素用センサに、被
検体供給用セルが付加されており、緩衝液供給用セルに
は酸素と好ましくは栄養源を含みｐｉ偵が高いＷ物源が
供給され、被検体供給用セルには被検体または被検体を
含みｐＨ値が低い緩衝液が供給されるので、下記の効果
を有する。

（イ）微生物領域に大量の酸素が供給されて微生物の寿
命すなわち二酸化炭素用センサの寿命が延長する。

（ロ）ガス透過膜を介して流出する酸素ガスが補給され
るので、二酸化炭素を含む被検体が微生物の近傍に供給
されて微生物の呼吸活動が盛になっている期間（測定期
間）においても、比較基準となる酸素濃度は変化せず被
検体が供給される以前の酸素濃度が保持される。

（ハ）操作が簡易である。

（ニ）被検体供給用セルに供給される緩衝液のｐＨ値を
低くし、緩衝液供給用セルに供給される緩衝液のｐＨ値
を高くすることにより、酸素電極近傍に二酸化炭素が供
給されやすくしかも二酸化炭素電極近傍の酸素濃度が変
化しにくくなるので、測定期間に比較基準となる酸素濃
度は変化せず、比較基準となる酸素濃度は変化せず被検
体が供給される以前の酸素濃度が保持される。

（ホ）二酸化炭素を含む被検体を供給した後酸素電極の
指示の平衡をまたすそのオーバーシュート値を使用する
ことにより測定に要する時間を短縮することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例に係る一′ｌ酸化炭素用セ
ンサの概念的断面図である。 第２図は、本発明の要旨に係る被検体供給用セルの概念
的断面図である。 第３図は、本発明の二酸化炭素用センサを使用してなす
二酸化炭素測定法を説明するグラフである。 第４図は、従来技術に係る二酸化炭素用センサの構造図
である。 １ｏｓｅ容器、 ２１１Φ拳カソード、 ３１１・・アノード、 ４目＋１電解液、 ５・会・ガス透過膜（第１のガス透過膜）、６１・酸素
電極、 ７・・・微生物（独立栄養細菌）、 ８Ｏ・・透析膜、 １０す・舎緩衝液供給用セル、 １１φ・・第２のガス透過膜、 １２φ拳・緩衝液流入口、 １３ゆ−・緩衝液流出口、 １４−ΦΦゴム製Ｏリング、 １５ψ・・被検体供給用セル、 １８φ・令被検体流入口、 １７−Φ会被検体流出口、 １８・争・被検体注入口。 第　４　図 杉ｑｔ捧携衿用也ル 第２図 本発明 箪　１　図 □　　　　　巧ＦＦＩ うν′１道上比明記 第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ［１］アノード（３）とカソード（２）とが浸漬される
   電解液（４）を収容する容器（１）の一部領域が第１の
   ガス透過膜（５）をもって構成されてなる酸素電極（６
   ）の前記第１のガス透過膜（５）近傍に、二酸化炭素を
   資化する独立栄養細菌（７）が配置され、 該独立栄養細菌（７）は透析膜（８）をもって覆われ、 １面は該透析膜（８）に対接し、他面は第２のガス透過
   膜（１１）をもって覆われ、酸素を含む緩衝液が供給さ
   れる酸素供給用緩衝液供給用セル（１０）が設けられ、 該緩衝液供給用セル（１０）の第２のガス透過膜（１１
   ）に対接して、被検体を含む緩衝液が供給される被検体
   供給用セル（１５）が設けられてなることを特徴とする
   二酸化炭素用センサ。 ［２］前記第１のガス透過膜（５）及び／または前記第
   ２のガス透過膜（１１）は、含フッ素高分子化合物膜で
   あることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の二酸
   化炭素用センサ。 ［３］前記第１のガス透過膜（５）及び／または前記第
   ２のガス透過膜（１１）は、シリコンゴム膜であること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の二酸化炭素用
   センサ。 ［４］前記透析膜（８）はセルロース膜であることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項、第２項または第３項記
   載の二酸化炭素用センサ。 ［５］前記酸素電極（６）は、ガルバニ型であることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項、第２項第３項、また
   は、第４項記載の二酸化炭素用センサ。 ［６］前記酸素電極（６）は、ボーラロ型であることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項、第２項、第３項、ま
   たは、第４項記載の二酸化炭素用センサ。 ［７］前記独立栄養細菌（７）は、常温性独立栄養細菌
   である特許請求の範囲第１項、第２項、第３項、第４項
   、第５項、または、第６項記載の二酸化炭素用センサ。 ［８］前記独立栄養細菌（７）は、好熱性独立栄養細菌
   である特許請求の範囲第１項、第２項、第３項、第４項
   、第５項、または、第６項記載の二酸化炭素用センサ。 ［９］前記常温性独立栄養細菌（７）は、ヒドロゲノモ
   ナス属に属する常温菌ＴＩＴ／ＦＪ−０００１（微工研
   菌寄第８４７３号）であることを特徴とする特許請求の
   範囲第７項記載の二酸化炭素用センサ。 ［１０］前記好熱性独立栄養細菌（７）は、二酸化炭素
   を炭素源とする好気性桿菌ＴＩＴ／ＦＪ−０００２（微
   工研菌寄第８４７４号）、スルフォロブスアシドカルダ
   リウス（Ｓｕｆｏｌｏｂｕｓ　ａｃｉｄｏｃａｌｄａｒ
   ｉｕｓ）、カルデリアアシドフィラ（Ｃａｌｄｅｒｉａ
   　ａｃｉｄｏｐｈｉｌａ）、フラボバクテリウムアウト
   テルモフィルム（Ｆｌａｖｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ　ａｕ
   ｔｏｔｈｅｒｍｏｐｈｉｌｕｍ）、シュードモナスハイ
   ドロゲノテルモフィラ（Ｐ、ｈｙｄｒｏｇｅｎｏｔｈｅ
   ｒｍｏｐｈｉｌａ）、シュードモナステルモフィラ（Ｐ
   、ｔｈｅｒｍｏｐｈｉｌａ）、または、バチルスシレジ
   ェリイ（Ｂａｃｉｌｌｕｓ　ｓｃｈｌｅｇｅｌｉｉ）で
   あることを特徴とする特許請求の範囲第８項記載の二酸
   化炭素用センサ。