JPH03194448A - 濃度測定装置 - 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、被検液中の被測定物質（反応物）の濃度を測
定する装置に関する。本発明は、例えば、食品、医薬品
、化学品、農業、畜産業、水産業の工程管理、医療用の
各種計測、環境計測等に、また、グルコース、エタノー
ル等の濃度を測定するバイオセンサ等に利用される。

〔従来の技術〕

被検液中の被測定物質の濃度を測定する方式（装置）と
しては、（１）電極方式（酵素反応に伴う被検液の電流
又は電圧の変化を測定する方式）（２）サーミスタ方式
（酵素反応に伴う被検液の温度変化をサーミスタにより
測定する方式）等が知られている。更に、（３）光学的
方式（発色若しくは発光する物質を用い、光電子倍増管
、フォトダイオード等により、吸収若しくは発光スペク
トル等の強度から所定物質の濃度を求める方式１式％ 〔発明が解決しようとする課題〕 前記（１）〜（３）の方式は、いづれも、連続的測定が
困難であり、各種システム中での工程管理等には適さな
い。前記（１）及び（２）の方式は、微小な電流・電圧
の変化を扱うため、電気的、磁気的ノイズの影響を受は
易く、精密な測定には適さない。また、前記（３）の方
式は、特別な発色剤が必要になりかつ精密で高価な計測
器が必要である。

本発明は、上記観点に鑑みてなされたものであり、触媒
反応手段の触媒と被検液中の被測定物質とが反応し、そ
の発熱、吸熱により被検液が加熱又は冷却され、この被
検液を外枠体内部に流すことにより、管状体内部の封入
媒体の半径方向に屈折率分布を生じさせ、そのためここ
を通過する射出光の収束点の位置、所定位置での受光量
等がその濃度により異なることを見出して完成されたも
のである。

本発明は、連続測定に好適で、電気的、磁気的ノイズを
受けに＜＜、精密測定に好適で簡便で安価で、多くの反
応系を適用でき、更に必要に応じて工程の遠隔管理がで
きる濃度測定装置を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本第１発明の装置は、管状体と該管状体の両端側に各々
配置された光透過窓とを備え媒体を封入する媒体封入体
と、前記管状体の少なくとも一部を内部に保持する所定
の外枠体と、該外枠体外に配設され触媒反応を行わせる
触媒反応手段と、所定の被検液を搬送する被検液搬送手
段と、前記−方の光透過窓側に配置される所定の発光素
子と、前記管状体内の媒体を通過して前記他方の光透過
窓から外部へ取り出された射出光を検出して被検液中の
被測定物質の濃度を測定するだめの検出手段と、を具備
することを特徴とする。

本第２発明の装置において、触媒反応手段は、前記管状
体の少なくとも外壁に配置された触媒からなる触媒層、
又は前記管状体と前記外枠体間に充填、保持され触媒を
担体に担持させた触媒体からなることを特徴とする。

本第３発明の装置において、触媒反応手段は、媒体封入
体の管状体の外周面に密着して配設され、触媒反応を行
わせることによりこの管状体を加熱又は冷却することを
特徴とする。

前記「触媒反応手段」は、ここで触媒反応を生じさせて
発熱又は吸熱させるものである。

第１発明の［触媒反応手段Ｊの形態は特に問わないが、
通常、所定の担体に所定の触媒を担持させた粒状品を容
器内に多数充填したもの、又は内壁に触媒を担持させた
ハニカム形状体等が使用される。

第２発明の「触媒反応手段」は、所定の触媒層からなる
。この「触媒層」とは、管状体の外周面上に被覆形成し
たものでもよいし、管状体自身を触媒物質で構成しても
よい意味に用いる。この触媒層は触媒物質からなっても
よいし、触媒を主体とするものからなってもよい。この
触媒層を形成する場合には通常、被検液と接触する外壁
面に被覆させる。この被覆層の膜厚、気孔率、その形成
方法等は問わない。この「触媒体」は、前記第１発明に
おいて述べた粒状品等とすることができる。尚、この触
媒体は、被検液の流出とともに外枠体から流出しない形
状、大きさ等として使用される。

第３発明の「触媒反応手段」は、管状体の外周面に密着
して配置される。この密着される面は、通常、管状体の
一部の面、即ちその下面又は半周面等である。尚、この
触媒反応手段の形態は前記第１発明で説明したもの等を
用いることができる。

第１〜３発明において使用される「触媒」は、被測定物
質の種類に応じて、適宜選択することができる。これは
、例えば、グルコースを酸化させてグルコノラクトン及
び過酸化水素を生成するグルコースオキシダーゼ等の酵
素、更には微生物、抗体等も使用できる。これを用いた
ものは、いわゆるバイオリアクターといわれ、バイオセ
ンサとして応用できる。また、これは有機、無機反応系
のものであってもよい。更に、この反応は発熱反応でも
吸熱反応でもよい。

前記使用「媒体」は、前記媒体封入体内に密封されるも
のであり、流動するものではない。これは、通常、液体
であるが、気体でもよい。

〔作用〕

本装置は、触媒反応手段において、被検液中に含まれる
基質（被測定物）の反応が促進されて発熱又は吸熱を示
す。そして、この暖められた又は冷却された所定温度の
被検液が、外枠体と管状体間に流される。

この場合、封入媒体は、管状体の壁部から加熱又は冷却
を受ける。この加熱の場合には、この媒体は周辺部にお
いて熱膨張を起こし、中心部の媒体より密度が小さくな
る。冷却の場合は逆の傾向となる。従って、第２図に示
すように、管状体の中心軸に対称な密度分布即ち屈折率
の分布を生じる。同図（イ）は加熱の場合、同図（ロ）
は冷却の場合を示す。

そして第３図に示すように、媒体Ａへ入射した光は、第
２図（イ）の場合（外側寄りが低屈折率となっている場
合）は内側に曲げられ、第２図（ロ）の場合（外側寄り
が高屈折率となっている場合）は外側に曲げられ、一方
の光透過窓から射出光を外部へ取り出した場合、受光部
では、この射出光のビーム径、エネルギー密度又は収束
点位置等に変化が生じる。即ち、この変化の程度が被測
定物の濃度により異なる。

以上より、その変化量と被測定物の濃度は一定の関係を
示すこととなるので、この変化量を検出することにより
その濃度を測定できる。

〔実施例〕

以下、実施例により本発明を具体的に説明する。

本実施例は、第１発明に係わる装置であり、バイオリア
クターを使用してエタノール濃度を測定するものである
。

（１）ａ度測定装置の構成 本装置は、第１図に示すように、媒体封入体１と外枠体
２と触媒反応手段３と被検液搬送手段４とレーザ装置５
と光ビームの検出手段６とを備える。

媒体封入体ｌは、両端開放の管状体１１とその両端側に
配置された光透過窓１２ａ、１２ｂを有する。そして、
この光透過窓１２は、中間円筒体１３．１３ｂを介して
この管状体１１の各端部側に配置されており、この両者
により管状体１１の両端を密封している。この管状体１
１は、内径１１　ｍｍ、外径１．５ｍｍ、長さ５０ｍｍ
のアルミニウム管で形成され、光透過窓１２ａ、１２ｂ
は石英ガラス製であり、中間円筒体１３はアクリル樹脂
製である。尚、その中に媒体へとしてのフロンが封入さ
れている。尚、この光透過窓１２ａ、１２ｂは脱着可能
になっているので、大変便利である。

外枠体２は、アクリル樹脂管からなり、その−端に導入
口２１、その他端に導出口２２を有する。その内部には
管状体１１が配置されている。更に、この外枠体２の内
側には、多孔質ポリエチレン製等の断熱材２３が配設さ
れている。

触媒反応手段３は、外枠体２の導入口２１に接続されて
おり、アクリル樹脂管からなる箱体３１と、この箱体３
１の内側に配置された多孔質ポリエチレン製円筒体３２
と、この中に多数充填されたエタノール分解用酵素を担
体に担持させた粒状品３３と、からなり、いわゆるバイ
オリアクターとなっている。

被検液搬送手段４は、ポンプ４１と、触媒反応前の被検
液の温度を一定に保つための恒温槽４２とを有する。そ
して、このポンプ４１と触媒反応手段３とは配管４３で
接続され、ポンプ４１と恒温槽４２とは配管４４で接続
されている。尚、この恒温槽４２内には一定温度に保た
れている水が満たされているとともに、サンプル液（エ
タノール）とキャリアー液（純水）の各々を貯蔵する容
器４６．４７が配設され、切換弁４５によりその一方又
は両方が搬送される構成となっている。

レーず装置５は、波長５４３　ｎｍ、　ビーム径０゜７
ｍｍのＨｅ−Ｎ　ｅレーザを出力し、この出力されたレ
ーザビームは光透過窓１２ａに導かれる。

検出手段６は、光透過窓１２ｂから放射されるレーザビ
ームを分析する装置（レーザビームアナライザ）である
。この分析手段としては、光透過窓１２ｂから所定距離
の位置でのレーザビームのビーム径の検出、エネルギー
密度の検出又はレーザビームの焦点位置の検出の各手段
を採ることができるが、本実施例では、ビーム径の検出
手段とした。

（２）測定方法 本装置を用いて、純水をキャリアー液とし、これにエタ
ノールを溶解させたものを被検液として、エタノール濃
度の測定を実施した。

まず、ポンプ流量を３　ｍ　ｌ　／分に設定してキャリ
ア液を流す。その後、切換弁４５を操作して、サンプル
液を所定量、例えば０．５ｍｌ１採取し、その後再びキ
ャリア液に切り換える。尚、サンプル液の濃度を変えて
３種類の溶液（サンプルＮα１〜３）を経時的に調製し
て、適宜間隔をおいて流すと、第４図に示すように、サ
ンプル液採取後、約１５秒でビーム径が変化し始め、約
２８秒後にビーム径は最少となり、その後、ビーム径は
再び初期の値に戻った。この最大変化時のビーム径を読
み取り、この値を濃度と相関させるべき「ビーム径」と
して、記録することとした。

これは、エタノールが触媒により発熱反応を受けて、被
検液を暖めこの被検液が管体１１の外周面を加熱し、そ
の結果、密封媒体において外側寄りが低屈折率となるよ
うな屈折率分布を生じ、従って濃度に応じて、その発熱
程度即ち屈折率分布、延いてはビームの曲げ程度が異な
るためである。

（３）実施例の効果 以上のような操作により、第５図に示す各種エタノール
濃度の被検液に対するビーム径を測定し、その結果を同
図に示した。この図に示すようにエタノール濃度とビー
ム径が良好な直線関係を示した。従って、この検量線を
利用して、未知の濃度の混合溶液のビーム径を同条件下
にて測定した値と比較すれば、容易に未知のエタノール
濃度を測定できる。

以上より、本装置を用いて濃度測定をすれば、広い濃度
範囲においてエタノール濃度を簡単に、かつ感度よく、
しかも媒体の流動がないので精度よく測定でき、更に電
気的、磁気的ノイズを受けずに、高速度で連続測定をす
ることもできる。

尚、本発明においては、上記具体的実施例に示すものに
限られず、目的、用途に応じて本発明の範囲内で種々変
更した実施例とすることができる。即ち、前記媒体封入
体とは、その両端に光透過窓を有しかつ所定の媒体を密
封保持できるものであればよく、その大きさ、長さ、全
体形状等、更には管状体の大きさ、長さ、断面形状、材
質等は、目的、用途により種々のものを選択することが
できる。例えば、その全体形状も直管状でなく曲管状で
あってもよいし、その横断面形状も通常は真円であるが
四角、六角、楕円等とすることもでき、更にはハニカム
状又は蓮根状のように複数の流路孔を有してもよい。更
に、この媒体封入体は、前記において使用した中間円筒
体を用いずに、光透過窓を直接管状体の各端面に配設し
て、密封構造としてもよい。この管状体は熱伝導がよく
比熱が小さく、密度の小さい材質が好ましい。−層感度
が上がるからである。

第２発明に係わる触媒反応手段としては、第７図に示す
ように、管状体１１Ａの外壁に触媒層３Ａを形成した構
成とすることができる。また、同触媒反応手段としては
、第８図に示すように、前記実施例で用いた触媒を担持
させた粒状品３Ｂを管状体１１Ｂと外枠体２Ｂ間に充填
、保持した構成とすることもできる。この場合も、前記
実施例と同様な作用、効果を有する。

第３発明に係わる触媒反応手段としては、第９図に示す
ように、外枠体を有せずに　媒体封入体ＩＣの管状体１
１Ｃの一側面を、媒体封入手段と別個に設けられた触媒
反応手段３Ｃにて加熱又は冷却させる構成としてもよい
。この場合、管状体と触媒反応手段とは、お互いに密着
させ易い形状が好ましく、例えば、横断面が四角形状の
管状体の場合、密着面が平面の直方体形状等の触媒反応
手段とし、横断面が円形の管状体の場合、密着面が半円
状凹面の形態を有する触媒反応手段等とするのが好まし
い。この場合も、前記実施例と同様な作用、効果を有す
る。

発光素子としては発光ダイオードを用いることもできる
。発光素子による光の照射方法は、管状体端面全体をほ
ぼ均等に照射してもよいし、はぼ中心に照射してもよい
し、管壁に近い所、中心に近い所等に照射することもで
きる。この管壁に近い所の場合には、感度を向上させる
効果がある。

また光束径も目的等により種々選択する。

検出手段としても種々の公知の手段を用いることができ
る。例えば、第６図に示すように、媒体に入射した光は
内側に（場合によっては外側に）曲げられ、管状体の他
端から射出光を外部へ取り出し、この射出光はある位置
Ｐ。にて収束する。

この収束点の位置は被測定物の濃度により異なるので、
この点を種々の方法にて検知して、所定濃度を検出する
方法とすることもできる。また、所定位置に光ファイバ
を配置しこの先端に受光する受光量を光パワーメータに
て検出する方法とすることもできる。

また、前記実施例における検出は手動操作であったが、
例えば、収束点決定において受光面の移動、受光量の測
定及び記憶、並びに収束点の決定、濃度への換算等の操
作を自動化することもできる。例えば、所定のデータテ
ーブルをメモリに記憶させておき、測定データを与える
ことにより、自動的に濃度データを演算させて表示させ
ることができる。

光ファイバをその両方またはその一方に配置してもよく
、この場合は遠隔操作に便利である。更に、この光ファ
イバを直接に管状体に取りつけた構成としてもよいし、
更には素子を直接取りつけた構成としてもよい。光ファ
イバの長さ、太さ、材質、形態、取付は位置等も種々選
択でき、例えば材質は樹脂に限らずガラスでもよい。

更に、本装置は、濃度測定のみならず、被検液の温度に
より媒体の半径方向の屈折率分布が異なるので、温度セ
ンサとして用いることもできる。

〔発明の効果〕

本装置を用いれば、前記作用に示すように、測定用物質
の広い濃度範囲までその濃度とビーム径等の変化とに良
好な一定の関係、特に直線性を示すので、その測定に極
めて好都合である。また、光学的方式と異なり連続測定
ができ、ｐＨに影響されず、電気的方法と比べて磁気的
、電気的ノイズを受けにくいので電界や磁界の強い場所
でも全く間頌なく安定して測定することができ、しかも
簡便な装置であり安価である。更に、触媒反応も発熱及
び吸熱反応を自由に選択でき、しかも発熱又は吸熱をし
さえすれば適用できるので大変多くの反応系を用いるこ
とができ、その適用範囲が大変広い。更に、媒体の特性
（例えば比熱、熱伝導度、密度、熱膨張率等）を異なっ
たものを用いることにより、望みの感度のものを自由に
選択できる。

また、光源の照度変動、小さな気泡等の不意の混入等の
影響を受けにくいので、測定の信頼性が高い。しかも、
特別に高精度の受光素子又は安定な光源を必要としない
ので、簡便かつ安価な方法とすることができる。更に、
光ファイバを用いる場合には、この光ファイバを延長す
ることにより工程の遠隔管理ができ、大変有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例の濃度測定装置の構成を示す模式図、第
２図管状体の半径方向に屈折率の分布が生じることを示
す説明図で、（イ）は凸型分布、（ロ）は凹型分布を示
し、第３図は屈折率分布と管状体を通過するレーザビー
ムの屈折状態との関係を示す説明図、第４図は実施例に
おけるビーム径の時間的変化を示すグラフ、第５図はエ
タノール濃度とレーザビーム径との関係を示すグラフ、
第６図は管状体を通過する光が収束する状態を示す説明
図、第７図は第２発明に係わる装置であって触媒層を有
する装置の要部説明図、第８図は第２発明に係わる装置
であって触媒粒状品を有する装置の要部説明図、第９図
は第３発明に係わる装置の要部説明図である。 １；媒体封入体、１１；管状体、１２；光透過窓、２；
外枠体、３；触媒反応手段、４；被検液搬送手段、５レ
ーザ装置、６；レーザビーム検出手段、Ａ；媒体、Ｂ；
被検液。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）管状体と該管状体の両端側に各々配置された光透
   過窓とを備え媒体を封入する媒体封入体と、前記管状体
   の少なくとも一部を内部に保持し被検液を導入するため
   の導入口及び被検液を導出するための導出口を備える外
   枠体と、 前記外枠体外に配設され前記導入口に接続され触媒反応
   を行わせる触媒反応手段と、 該触媒反応手段を介して前記外枠体内に被検液を搬送す
   る被検液搬送手段と、 前記一方の光透過窓側に、直接に又は送光用光ファイバ
   を介して、配置される発光素子と、前記管状体内の媒体
   を通過して前記他方の光透過窓から外部へ取り出された
   射出光を検出して被検液中の被測定物質の濃度を測定す
   るための検出手段と、を具備することを特徴とする濃度
   測定装置。
2. （２）管状体と該管状体の両端側に各々配置された光透
   過窓とを備え媒体を封入する媒体封入体と、前記管状体
   の少なくとも一部を内部に保持し被検液を導入するため
   の導入口及び被検液を導出するための導出口を備える外
   枠体と、 前記管状体の少なくとも外壁に配置された触媒からなる
   触媒層、又は前記管状体と前記外枠体間に充填、保持さ
   れ触媒を担体に担持させた触媒体からなり、触媒反応を
   行わせる触媒反応手段と、前記外枠体内に被検液を搬送
   する被検液搬送手段と、 前記一方の光透過窓側に、直接に又は送光用光ファイバ
   を介して、配置される発光素子と、前記管状体内の媒体
   を通過して前記他方の光透過窓から外部へ取り出された
   射出光を検出して被検液中の被測定物質の濃度を測定す
   るための検出手段と、を具備することを特徴とする濃度
   測定装置。
3. （３）管状体と該管状体の両端側に各々配置された光透
   過窓とを備え媒体を封入する媒体封入体と、該封入媒体
   の前記管状体の外周面に密着して配設され触媒反応を行
   わせることにより前記管状体を加熱又は冷却する触媒反
   応手段と、 該触媒反応手段に被検液を搬送する被検液搬送手段と、 前記一方の光透過窓側に、直接に又は送光用光ファイバ
   を介して、配置される発光素子と、前記管状体内の媒体
   を通過して前記他方の光透過窓から外部へ取り出された
   射出光を検出して被検液中の被測定物質の濃度を測定す
   るための検出手段と、を具備することを特徴とする濃度
   測定装置。