JPH11512819A - 光学二酸化炭素センサならびにその作製および使用に関する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 サンプル液体中の二酸化炭素の濃度を検出または測定するための光ファイバセンサを製造する方法が提供される。本方法は、適切な指示薬組成物（16）を調製すること、および指示薬組成物を、適切な接着手段（18）でシールされた光ファイバ（12）の先端に対し摺動可能に配置したシリコーンカプセル（14）中に組み込むことを包含する。得られたシグナルを増幅するために、カプセル（14）は好ましくは反射性粒子を含むように作製され、そして狭い先端に向かってテーパー状になっている。新規な光学センサおよびこのセンサを用いてサンプル液体中のＣＯ₂濃度を算出する方法もまた提供される。

Description

【発明の詳細な説明】 光学二酸化炭素センサ ならびにその作製および使用に関する方法 技術分野 本発明は、一般に、サンプル中の目的のパラメータをモニタリングするための 光学センサに関する。より詳細には、本発明は、血液などのサンプル流体中の二 酸化炭素を検出および定量するための光ファイバセンサに関する。この新規なセ ンサを作製および使用するための方法もまた提供される。発明の背景 化学センサは、医学、科学的研究、工業的応用などの広範な種々の領域におけ る使用について一般に知られている。光ファイバおよび電気化学的アプローチは 、遠隔位置との電気的連絡を必要とせずに遠隔位置におけるパラメータの濃度を 検出および/または測定することが所望される状況で使用することが、一般に知 られている。光ファイバ化学センサの構造、特性、機能、および作動の詳細は、 例えば、Hirschfeldの米国特許第4,577,109号、Kaneの米国特許第4,785,814号、 およびBlaylockの米国特許第4,842,783号、およびSeitz、「光ファイバに基づく 化学センサ」、Analytical Chemistry 56(1)：16A-34A（1984）に記載されてい る。 これらのような刊行物は、化学センサが分析物と相互作用するような様式で、 化学センサを、光ファイバ導波管（waveguide）、電気化学的ガスセンサなどと 一体化することが知られていることを一般的に例示する。この相互作用は、光学 的特性の変化をもたらし、この変化は、光ファイバ導波管などを通って精査（pr obe）および検出される。化学センサ組成物の光学的特性は、代表的には、色ま たは色強度の変化を包含する。これらのタイプのシステムでは、特に感受性であ る遠隔モニタリングの可能性を提供するために、モニタリングされるパラメータ の特に詳細な変化を検出することが可能である。光ファイバセンサの遠位端に組 み込まれる化学センサ組成物は、しばしば、導波管デバイスまたは光学電極（op trode）の遠位先端に固定される膜として形成される。 この一般的なタイプのガスセンサは、血流などの中の酸素および二酸化炭素の ようなガスの濃度をモニタリングするのに有用である。また、ｐＨのような他の パラメータをモニタリングするセンサを提供することはしばしば望ましい。他の イオン（カリウム、ナトリウム、カルシウム、および金属のイオンなど）の濃度 もまた検出され得る。 代表的な光ファイバセンサデバイスは、センサ材料を、１つ以上のタイプの支 持手段の補助により、ほぼ遠位に位置させている。支持手段は、パラメータ感受 性指示薬（例えば、蛍光染料など）と、モニタリング、測定、および/または検 出に供される物質との間の相互作用を可能にするものでなければならない。 二酸化炭素の定量分析は、従来的には、赤外線分光光度法および電気化学的技 術の使用により達成されてきた。赤外線分光光度法は、4.2μm〜4.4μmの領域に ある二酸化炭素の強い吸収に依存する。従来の電気化学的二酸化炭素センサは、 分析物の測定において間接的アプローチを使用する。従来の二酸化炭素電極にお いて、二酸化炭素透過性膜は、サンプルと電解質含有レザバとの間のバリアとし て作用する。ｐＨ電極が、レザバ中に配置される。二酸化炭素は、水性緩衝液中 に溶解すると、緩衝液の化学平衡を変化させる。さらなる溶存二酸化炭素は、炭 酸の形成により、緩衝液のｐＨを低下させる。緩衝液レザバ中のこのｐＨ変化は 、ｐＨ電極を用いて検出される。 このような電気化学的センサは、電解質を補充しなければならないので、頻繁 な再検定（recalibration）を必要とする。これらのセンサは、複雑さおよびサ イズのために、単一の被検体（patient）への使用には一般的に適していない。 二酸化炭素センシング光学電極もまた開示され、これらは類似のストラテジー を包含し、そして例えば、Hirschfeldらの「リアルタイムのインビボ血液二酸化 炭素レベルモニタリングのためのレーザ光ファイバ光学電極」、Journal of Lig htwave Technology LT-5(7)：1027-1033（1987）に記載されている。これらの光 学電極は、周囲のＣＯ₂の変動（fluctuation）に応答して吸光度または蛍光のい ずれかを変化させるｐＨ感受性染料を用いることにより、イオン不透過性膜下の ｐＨにおける変化を感知する。これらの従来のセンサは、二酸化炭素を検出お よび定量するのに効果的であるが、それにもかかわらず、当該分野において、サ ンプル流体中で二酸化炭素濃度を測定するのに有用な改善されたデバイスが未だ に必要とされる。 本発明は、このようなセンサを提供する。この新規なセンサは、光ファイバの 遠位端に、蛍光指示薬で満たされた二酸化炭素透過性カプセルを有する。蛍光指 示薬は、光ファイバを通って伝導された光により励起され、この指示薬の蛍光発 光は、光ファイバを通ってモニタリングされる。二酸化炭素がカプセルに入るに つれ、炭酸がその中で形成され、より低いｐＨをもたらす。このｐＨの変化は、 指示薬の蛍光においてシフトを引き起こし、これは、光ファイバの手段により検 出される。 このセンサは、単純かつ製造が安価であり、サイズを実質的にスケールダウン し得、そして、得られる検出可能なシグナルを顕著に増強するように作製され得 る。 以下は、二酸化炭素をモニタリングするための光ファイバセンサに関し、それ 自体本発明に関わる背景であり得る。 Klainerらの米国特許第4,892,383号は、とりわけ、地下水のトリクロロエチレ ン蒸気および全有機塩化物含量のモニタリングにおいて有用であると考えられる 光ファイバ化学センサを記載する。このセンサは、半透膜（すなわち、分析物選 択性の膜）により分析されるサンプルから隔離された指示試薬を含む、レザバセ ル本体を有する。 Yafusoらの米国特許第4,919,891号は、指示組成物が、得られるシグナルを保 護しかつ増強すると考えられるセルロース製オーバーコート中に収められた光フ ァイバセンサを記載する。 Gourleyらの米国特許第5,006,314号は、比較的硬質であるスリーブ手段が、ポ リマー製マトリクス中に分散された染料を含む指示組成物を封鎖するように、分 析物透過性膜によりキャップされたセンサ先端に位置する光ファイバセンサを記 載する。 Yimらの米国特許第5,098,659号は、１つの実施態様において、サンプル中で二 酸化炭素濃度を測定するのに使用され得る光ファイバプローブを開示する。第１ の指示薬を含むペレットが、金箔などの反射性物質で覆われたファイバ先端に、 第２の指示薬（これは、箔で覆われたペレットを収めるコーティングとして表さ れ得る）を含むポリマー製マトリクスとともに配置される。 Atwaterらの米国特許第5,280,548号は、液体中でｐＨおよび二酸化炭素を分析 するための光ファイバセンサに関する。ｐＣＯ₂のモニタリングのために、光フ ァイバセンサが供給され、ここで、光ファイバセンサは、その遠位端が、二酸化 炭素感受性蛍光染料-ポリマー-シリコーンエラストマーのマトリクスでコーティ ングされる。 Huiらの米国特許第5,330,718号は、光ファイバセンシングデバイス中に組み込 むためのセンサ要素に関する。この要素は、マトリクスを通して分散された複数 の小胞中に含まれる分析物感受性染料の指示薬溶液を支持する、分析物透過性マ トリクスを包含する。 Petersonら、「生医学的応用のための光ファイバセンサ」、Science 224（464 5）：123-127（1984）およびVurekら、「光ファイバｐＣＯ₂センサ」、Annals o f Biomedical Engineering 11：499-510（1983）は、光ファイバの遠位端に存在 する、指示薬溶液で満たされたシリコーンゴム管を有する二酸化炭素センサを記 載する。 サンプル流体中のＣＯ₂濃度の測定において光ファイバセンサを使用すること は公知である。しかし、本出願人らが認識している参考文献のいずれも、本明細 書に開示されクレームされたような製造方法またはセンサを記載していないし、 あるいは、本発明の利点は以前に構成されてもいない。発明の開示 従って、本発明の第１の目的は、光ファイバＣＯ₂センサを作製するための新 規なプロセスを提供することである。 本発明の別の目的は、サンプル流体中で二酸化炭素を検出および定量するのに 有用な新規な光学的オプティクス二酸化炭素センサ（optical optic carbon dio xide sensors）を提供することである。 本発明のさらなる目的は、新規なセンサを用いて、サンプル流体中で二酸化炭 素の濃度を決定するための方法を提供することである。 本発明の他の目的、利点、および新規な特徴は、明細書中の以下に一部が記載 され、そして、以下を試験することにより当業者に一部が明らかになるか、ある いは本発明の実施により当業者に習得され得る。 １つの局面によれば、光学ＣＯ₂センサを作製する方法が提供され、この方法 は以下を包含する：(a)ＣＯ₂透過性シリコーン材料の開口端（open-ended）カプ セルを供給する工程と；(b)該カプセルを、ｐＨ感受性蛍光指示薬成分を含む指 示薬溶液で満たす工程と；(c)サンプル流体を接触させるための遠位先端と、該 遠位先端からのシグナルを受容する手段と連絡するための近位領域とを有する光 ファイバを供給する工程と；(d)該カプセルが、その中に指示薬溶液を保持しつ つ所定の位置で該ファイバ上に配置されてセンサチャンバを形成するように、該 遠位先端に該カプセルを摺動可能に配置する工程と；(e)液体タイトシール（liq uid-tight seal）を供給し得るシーリング手段を用いて、該カプセルを該遠位先 端上に固定する工程。この方法は、さらに、反射性粒子または他の物質をシリコ ーンキャップに組み込むこと、および／または該カプセルを、指示薬溶液で満た す前に、所定の幾何学形状に形成することを包含し得る。 別の局面では、サンプル流体中で二酸化炭素濃度を決定するために、新規な二 酸化炭素センサが提供される。このセンサは、以下を備える：(a)サンプル流体 を接触させるための遠位先端と、該遠位先端からのシグナルを受容する手段と連 絡するための近位領域とを有する、光ファイバと；(b)所定の位置で該遠位先端 に配置されたカプセルであって、ＣＯ₂透過性シリコーン材料からなる、カプセ ルと；(c)ｐＨ感受性蛍光指示薬成分を有する、該カプセル内に保持される指示 薬溶液と；(d)液体タイトシールを供給するように、該カプセルを該遠位先端に 固定する、シーリング手段。 新規な二酸化炭素センサを用いる方法もまた提供される。この方法は、該流体 を、カプセル化された指示薬溶液を含むセンサの遠位先端と接触させることによ り、サンプル流体中の二酸化炭素の濃度を測定する工程を包含する。所定の波長 を有する光は、光ファイバに沿ってファイバの遠位先端の指示薬溶液内に向けら れ、そして発光した蛍光の強度（これは、サンプル流体中のＣＯ₂濃度に直接関 連する）が評価され、そしてＣＯ₂濃度の値に変換される。図面の簡単な説明 この一連の記載において、添付の図面が参照される。ここで： 図１は、本発明の方法に従って作製された光ファイバデバイスのセンシング先 端の一般的な概略図である。発明の詳細な説明 本発明のセンサおよび方法を開示および記載する前に、本発明が、特定のセン サの構成または材料に限定されないことが理解されるべきである。なぜなら、こ れらは変化し得るからである。本明細書中で用いられる用語は、特定の実施態様 のみを記載する目的のためのものであり、限定することを意図するものではない こともまた理解されるべきである。 明細書および添付の請求の範囲で使用される、単数形「a」、「an」、および 「the」は、本文脈が明らかに他に示さない限り、複数の言及（referents）を包 含することに留意すべきである。従って、例えば、「an indicator material」 に対する言及は、適切な指示材料の混合物を包含し、「a reflective material 」に対する言及は、２つ以上の反射性物質の混合物を包含する。 本発明を記載およびクレームするにあたり、以下に記載する定義に関連して、 以下の用語が使用される。 本明細書中で用いられる用語「サンプル流体」は、本発明のセンサを用いて分 析され得る液体または気体の物質を意味する。一般に、分析される「サンプル流 体」は、血液のような生理学的流体である。 「指示薬組成物」、「指示薬物質」、または「指示薬成分」における用語「指 示薬」は、分析されるサンプル流体中の目的のパラメータ（すなわち、二酸化炭 素濃度）に感受性である種を意味する。 用語「参照物質」は、分析されるサンプル流体中の目的のパラメータ（すなわ ち、二酸化炭素濃度）に実質的に感受性でない種を意図し、これは指示薬物質と 組み合わせて用いられる。一般に、本明細書中の「参照物質」は、蛍光染料であ る。 最初に、サンプル流体からの光学シグナルを検出手段に連絡するように作用す る光ファイバ手段が提供される。この光ファイバ手段は、代表的には、単一の細 長い光ファイバを含むが、平行に集められた（associated）光ファイバの束を含 み得る。 適切なファイバ基材材料の例には、ガラス、プラスチック、ガラス/ガラスコ ンポジットおよびガラス/プラスチックコンポジットのファイバ導波管が挙げら れる。光ファイバの重要な特性は、光学シグナルを弱めること（attenuation） である。従って、天然に存在する材料から調製される場合、受容不可能なレベル の遷移金属不純物を含むガラスは、吸収の高い損失をもたらす。受容可能な品質 のシリカファイバは、精製された出発物質（例えば、四塩化ケイ素および四塩化 ゲルマニウム）から、ファイバに延伸する従来のガラス溶融技術を用いて調製さ れ得る。 一般に、必ずしも必要ではないが、クラッディング手段（cladding means）が ファイバに供給される。当業者に明らかであるように、クラッディング手段は、 脆いファイバに構造支持体を供給するように作用し、そしてまた、ファイバに沿 って伝導された光をガイドするコーティングを供給する。本発明の場合、クラッ ディング手段は、代表的にはポリマー性フルオロアクリレートのようなフルオロ ポリマーを含む。しかし、クラッディング手段はまた、ガラスからなり得るか、 あるいはポリスチレン、ポリイミド、または任意の他の適切なプラスチック材料 からなり得る。 所望であれば、ファイバ先端は、指示薬含有シリコーンカプセルをその上に固 定する前に、例えば、リンスまたは洗浄により、あるいは任意の多くの技術を用 いる活性化（例えば、コロナ、プラズマ、エッチングなど）により前処理され得 る。他の表面処理技術もまた用いられ得る。 指示薬組成物を収納するのに用いられるカプセルは、シリコーンからなる。シ リコーンは、任意の多くの供給源から市販で得られ得るか、あるいは高分子化学 の当業者に周知である技術を用いて、適切な型（mold）中で合成され得る。この ような技術の１つには、当業者に理解されるように、アルキルケイ素のハロゲン 化物またはアリールケイ素のハロゲン化物の加水分解が挙げられる。別の技術に は、塩基により触媒される環状シロキサンの開環重合が挙げられ、必要に応じて 、それに続く架橋（アルキルトリクロロシランによる共加水分解（cohydrolysis ）あるいは過酸化物または酸素を用いる処理により達成される）が行われる。多 くの他の方法もまた公知であり、本発明と組み合わせて使用され得る。 このカプセルは、液体タイトシール（liquid-tight seal）を供給するような 形状および直径を有する。本方法に使用する前に、シリコーンカプセルを成形ま たは形成することが望ましい場合がある。好ましくは、成形または形成は、ファ イバ先端に対して摺動する開放端が、狭い先端に向かって徐々にテーパー状にな るように、カプセルをテーパリングする工程を包含する。このような形状は、得 られる検出可能なシグナルを増加させる。理論に束縛されることを望まないが、 本出願人らは、このようなテーパー状のカプセルが、分析されるサンプル流体か ら戻る発光した光を増幅するための光学コンデンサとして機能すると考えている 。テーパー状の形状は、代表的には、上述したように適切な形状の型中でシリコ ーンカプセルを調製することにより達成される。 得られたシグナルをさらに増幅するために、反射性物質をセンサに組み込むこ とが望ましい場合がある。反射性物質はシリコーンキャップに組み込まれ得るか 、あるいは指示薬溶液中の均一分散物として懸濁され得る。前者の場合、選択さ れた反射性物質の粒子は、キャップの作製の間、シリコーン前駆体（すなわち、 最終的なシリコーン材料を供給するのに用いられる反応体）と混合される。適切 な反射性物質には、二酸化チタン、酸化亜鉛、および硫酸バリウムが挙げられ、 二酸化チタンが特に好ましい。一般に、このように調製されたシリコーンカプセ ルは、0.01重量％〜20重量％のオーダー、好ましくは約0.1重量％〜10重量％の 範囲、最も好ましくは約１重量％〜10重量％の範囲で反射性物質を含む。反射性 物質が、シリコーンカプセルではなく指示薬溶液に組み込まれる場合、一般に約 １重量％〜10重量％の反射性物質が、指示薬溶液中の均一分散物として懸濁され る。粒子サイズは重要ではないが、一般に、直径が約0.1μｍ〜100μｍのオーダ ーであり、好ましくは直径が約１μｍ〜20μｍのオーダーであり、そして最も好 ましくは直径が約１μｍ〜５μｍのオーダーである。反射性物質が指示薬溶液中 に組 み込まれる場合、より小さい粒子が好ましく、通常、１μｍ以下のオーダーであ る；より大きい粒子はシリコーンカプセル中に組み込まれ得るが、通常、直径が 約100μｍ未満の粒子が好ましい。 一旦得られるかまたは作製されると、シリコーンカプセルは、好ましくは真空 下で（必ずしも必要ではないが）指示薬溶液で満たされる。指示薬溶液は、ｐＨ 感受性指示薬材料を水溶液（代表的には、任意の適切な緩衝媒体を用いて、約6. 5〜9.0の範囲、好ましくは約7.0〜8.5の範囲のｐＨに緩衝化した精製水）に組み 込むことにより調製される。当業者に明らかなように、適切な緩衝溶液は、容易 に調製され得るか、あるいは多くの供給源から市販されている。使用され得る特 定の緩衝溶液の例には、重炭酸アニオンのアルカリ金属塩（例えば、重炭酸ナト リウム）、1,4-ピペラジンジエタン-スルホン酸（PIPES）、3-（N-モルホリノ） プロパンスルホン酸（MOPS）、N-トリス（ヒドロキシメチル）メチル-3-アミノ プロパン-スルホン酸（TAPS）、およびN-トリス（ヒドロキシメチル）メチル-2- アミノエタンスルホン酸（TES）が挙げられる。ｐＨ感受性指示薬材料は、一般 に蛍光染料であり、代表的には、フルオレセイン、カルボキシフルオレセイン、 フルオレセインポリアクリルアミドコポリマー、フルオレセインイソチオシアネ ートポリマー複合体、クマリン、セミナフタローダフルオレセイン、セミナフタ フルオレセイン、ナフタフルオレセイン、ヒドロキシピレントリスルホン酸（HP TS）、ジクロロフルオレセイン、およびリチウムフルオレセイネートのようなフ ルオレセイン塩からなる群から選択されるが、必ずしもこれらから選択される必 要はない。指示薬溶液は、代表的には、約0.01重量％〜1.0重量％のオーダーの 蛍光染料を含む。 参照染料もまた、指示薬溶液に含まれ得る。参照染料は、分析されるサンプル 流体中の二酸化炭素の存在または濃度、および指示薬溶液中の内部ｐＨシフト（ すなわち、ＣＯ₂濃度に対応しないｐＨシフト）の両方に対して実質的に感受性 ではないように選択される。本発明と組み合わせて使用され得る適切な参照染料 は市販で容易に入手でき、ローダミン、カルボキシテトラメチルローダミン、カ スケードブルー、ルシファーイエロー、およびテキサスレッドが挙げられるが、 これらに限定されない。指示薬溶液は、一般に、約0.1重量％〜約1.0重量％のオ ーダーの参照染料を含む。 他の成分もまた指示薬組成物に組み込まれ得、代表的には、指示薬、シリコー ンキャップ、およびファイバまたはクラッディング材料と適合性である任意の材 料である。１つの好ましい添加剤は、ジアザビシクロ（2,2,2）オクタン（DABCO ）のような一重項酸素消光剤であり、これは、センサ照射の間に、光崩壊（phot odecay）を顕著に低減することが見出されている。一般に、約0.05重量％〜0.5 重量％の範囲のDABCOまたは等量の一重項酸素消光剤が、指示薬溶液中に含まれ る。界面活性剤、抗酸化剤、および紫外線安定剤のような他の成分もまた、指示 薬組成物中に存在し得る。 次いで、センサは、指示薬溶液を含むシリコーンカプセルを光ファイバ先端上 に注意深く摺動させることにより調製される。この工程は、好ましくは、気泡が 溶液中に導入されることを避けるために、指示薬溶液自身の中で行われる。次い で、カプセルとファイバまたはクラッディング表面との間の界面を、適切な接着 剤を用いてシールし、次いで接着剤を硬化させる。 好ましい接着剤材料の例には、ポリウレタン、アクリレート、エポキシ樹脂、 アクリル化エポキシ樹脂、およびシリコーンが挙げられるが、これらに限定され ない。湿度硬化性接着剤が特に好ましいが、放射線硬化性材料または熱硬化性接 着剤もまた使用され得る。 ファイバ先端上にカプセルをシールするのに用いられ得る特定の市販接着剤の 例には、シリコーンゴム化合物が挙げられ、特に、D Aircraft Products，Inc. Industries，Specialty Chemicals、およびWacker Silicones Corp.から入手可 能な室温加硫（RTV）シリコーンゴムが挙げられる。 本発明の技術を用いて作製されるセンサの１つの実施態様を、図１に示す。セ ンサは、通常10で表され、指示薬溶液16を収納したシリコーンカプセル14でキャ ップされた光ファイバ12を有する。接着剤材料18は、ファイバ12とカプセル14の 間の界面をシールする。 使用の際に、このように調製されたセンサの遠位端をサンプル流体に浸漬させ 、 そして、所定の波長の光を、外部光源（source）から光ファイバを通して導入し 、カプセル化された指示薬組成物上に遠位的に作用（impinging distally）させ る。ファイバに沿って戻る発光した蛍光の強度は、ファイバ先端に存在するｐＨ 感受性指示薬物質の結果として（すなわち、指示薬溶液のｐＨは、炭酸の形成の 結果として、二酸化炭素濃度に直接関連する）サンプル中の二酸化炭素の濃度に 直接関連する。発光した光は、光ファイバによりデバイスに運ばれ、ここで、光 は検出されそしてＣＯ₂濃度値に電気的に変換される。参照染料が指示薬組成物 中に存在する場合、参照染料から発光した光の強度は、指示薬から得られたシグ ナルを比例法（ratioing）により補償するのに使用され得る。 この新規なセンサが、広範な種々の目的に使用され得ることは、当業者に明ら かである。すなわち、本発明は、特に、血液中の二酸化炭素濃度の測定と組み合 わせることによる利点を有するが、本発明のプロセスおよびセンサの用途は、種 々の工業（発酵技術、細胞培養、および他のバイオテクノロジーへの応用）にお ける任意の多くのサンプルタイプの評価にまで拡張される。 従って、本発明は、好ましい特定の実施態様と組み合わせて記載しているもの の、上記の記載および以下の実施例は例示のためのものであり本発明の範囲を制 限するものではないことが理解されるべきである。本発明の範囲内にある他の局 面、利点、および改変は、本発明が関連する当業者に明らかである。実施例 本発明の化合物の作製および使用方法の完全な開示および記載を当業者に提供 するために、以下の実施例を示す。数字（例えば、量、温度など）に関して正確 さを確実にするための努力がなされているが、いくらかの誤差および偏差は考慮 されるべきである。他に示さない限り、部は重量部であり、温度は℃であり、圧 力は大気圧またはその近傍の圧力である。 全ての溶媒はHPLCグレードとして購入したが、適切な場合、一般的な技術を用 いて、溶媒および試薬の純度を分析した。 材料および試薬は、以下のように得た：HCNプラスチッククラッドファイバ（S ngから）；およびシリコーンRTV接着剤（Loctite（Newington，CT）から）。リ チウムフルオロセイネートは、LiOHの存在下で染料を水とメタノールとの混合物 中に溶解し、そしてこの塩をアセトンで沈殿させることにより、フルオレセイン の酸形態から調製された。 実施例１ 200μｍのコアHCNプラスチッククラッドファイバを接続し（ST）、そして化学 ンチ）は、Dow Corningから得た。管を、真空下で、緩衝液とリチウムフルオレ セイネートとの溶液（0.5mMまたは5.0mM PIPES、0.14m、40μg/mL、1.2×10^-4M リチウムフルオレセイネート、pH7.4）で満たした。管を、切断したファイバの 端に摺動させ、そして塩化メチレン中のシリコーンRTV（Loctite Corp.から得た ）25％w/wでシールし、そして室温で４時間硬化させた。 このように調製されたセンサを、標準的な条件下で、37℃においてバッファト ノメトリー（buffer tonometry）を用いて試験し、作動上のシグナル損失および 種々のレベルの二酸化炭素を測定する能力について調べた。このセンサは、高度 に感受性でありかつ迅速に応答することが見出された。 センサを、５×10^-5mM HPTSおよび144mM NaClを有する８mMの重炭酸緩衝溶液 を含む指示薬溶液を用いた以外は上記の通りに調製した場合、類似の結果が得ら れた。 実施例２ 0.1重量％のDABCOを指示薬溶液中に組み込んだ以外は、実施例１の手順と同様 であった。これは、センサ照射の間に、実質的に光崩壊を低減することが判った 。DABCOを用いて調製された第１のセンサは、0.788％/時間と算出されたドリフ ト速度を提供したが、DABCOを有さない同様のセンサは、11.7％/時間と算出され たドリフト速度を提供した。 実施例３ 2.0重量％の二酸化チタン（粒径＜１μｍ）を指示薬溶液中に組み込んだ以外 は、実施例１の手順と同様であった。これは、分析されるサンプル中の二酸化炭 素の測定の際に、得られたシグナルを増加させることが判った。 実施例４ 2.0重量％の二酸化チタン（粒径＞100μｍ）をシリコーンカプセル中に組み込 んだ以外は、実施例１の手順と同様であった。これは、分析されるサンプル中の 二酸化炭素の測定の際に、得られたシグナルを増加させることが判った。 実施例５ 指示薬溶液をカプセル化するのに用いられるシリコーンカプセルがテーパー状 である以外は、実施例１の手順と同様であった。指示薬溶液（実施例３に示す） またはカプセル材料（実施例４に示す）のいずれかへの二酸化チタン粒子の組み 込みと同様に、このテーパー状のカプセルは、分析されるサンプル中の二酸化炭 素の測定の際に、得られたシグナルを増加させることが判った。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ファーロング，スティーブン シー. アメリカ合衆国 ミネソタ 55311，メイ プル グローブ，ジェヌー コート ノー ス 6292

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．サンプル流体を接触させるための遠位端と、発光した蛍光シグナルを受容す る手段と連絡するための近位領域とを有する、光学ＣＯ₂センサを作製するため の方法であって： (a) ＣＯ₂透過性シリコーン材料のカプセルを供給する工程と； (b) 該カプセルを、ｐＨ感受性蛍光指示薬成分を含む指示薬溶液で満たす工程と ； (c) 遠位先端と、該遠位先端からのシグナルを受容する手段と連絡するための近 位領域とを有する光ファイバを供給する工程と； (d) 該カプセルが、その中に指示薬溶液を保持しつつ、所定の位置で該ファイバ 上に配置されてセンサチャンバを形成するように、該遠位先端に該カプセルを摺 動可能に配置する工程と； (e) 液体タイトシールを供給し得るシーリング手段を用いて、該カプセルを該遠 位先端上に固定する工程と、を包含する、方法。 ２．前記指示薬成分が、蛍光染料である、請求項１に記載の方法。 ３．前記蛍光染料が、フルオレセイン、カルボキシフルオレセイン、フルオレセ インポリアクリルアミドコポリマー、フルオレセインイソチオシアネートポリマ ー複合体、クマリン、セミナフタローダフルオレセイン、セミナフタフルオレセ イン、ナフタフルオレセイン、ヒドロキシピレントリスルホン酸、ジクロロフル オレセイン、およびアルカリ金属フルオレセイン塩からなる群から選択される、 請求項２に記載の方法。 ４．前記蛍光染料が、ヒドロキシピレントリスルホン酸である、請求項３に記載 の方法。 ５．前記指示薬溶液が、一重項酸素消光剤をさらに含む、請求項２に記載の方法 。 ６．前記指示薬溶液が、ＣＯ₂の存在およびｐＨの内部シフトに対して実質的に 感受性ではない参照染料をさらに含む、請求項２に記載の方法。 ７．前記センサに、反射性物質の粒子を組み込む工程をさらに包含する、請求項 １に記載の方法。 ８．前記反射性物質が、二酸化チタン、酸化亜鉛、および硫酸バリウムからなる 群から選択される、請求項７に記載の方法。 ９．前記反射性物質が、二酸化チタンである、請求項８に記載の方法。 １０．前記カプセルをテーパリングして、前記遠位先端から受容したシグナルを 増幅する工程をさらに包含する、請求項１に記載の方法。 １１．サンプル流体中の二酸化炭素の濃度を測定するための光ファイバセンサで あって、該センサが、サンプル流体を接触させるための遠位端と、発光した蛍光 シグナルを受容する手段と連絡するための近位領域とを有し、該センサが： (a)遠位先端と、該遠位先端からのシグナルを受容する手段と連絡するための近 位領域とを有する、光ファイバであって、ここで、所定の波長を有する光が、該 光ファイバを通って該遠位先端に向けられ得、そして、発光した蛍光が、検出さ れるべき該ファイバに沿って戻り、二酸化炭素濃度値に変換される、光ファイバ と；(b)所定の位置で該遠位先端に配置されたカプセルであって、ＣＯ₂透過性シ リコーン材料からなる、カプセルと；(c)ｐＨ感受性蛍光指示薬成分を有する、 該カプセル内に含まれる指示薬溶液と；(d)液体タイトシールを供給するように 、該カプセルを該遠位先端に固定する、シーリング手段と、を備える、センサ。 １２．前記指示薬成分が、蛍光染料である、請求項１１に記載のセンサ。 １３．前記蛍光染料が、フルオレセイン、カルボキシフルオレセイン、フルオレ セインポリアクリルアミドコポリマー、フルオレセインイソチオシアネートポリ マー複合体、クマリン、セミナフタローダフルオレセイン、セミナフタフルオレ セイン、ナフタフルオレセイン、ヒドロキシピレントリスルホン酸、ジクロロフ ルオレセイン、およびアルカリ金属フルオレセイン塩からなる群から選択される 、請求項１２に記載のセンサ。 １４．前記蛍光染料が、ヒドロキシピレントリスルホン酸である、請求項１３に 記載のセンサ。 １５．前記指示薬溶液が、一重項酸素消光剤をさらに含む、請求項１２に記載の センサ。 １６．前記指示薬溶液が、ＣＯ₂の存在およびｐＨの内部シフトに対して実質的 に感受性ではない参照染料をさらに含む、請求項１２に記載のセンサ。 １７．反射性物質の粒子を、前記カプセル中、または前記指示薬溶液中、あるい は両方に含む、請求項１１に記載のセンサ。 １８．前記反射性物質が、二酸化チタン、酸化亜鉛、および硫酸バリウムからな る群から選択される、請求項１７に記載のセンサ。 １９．前記反射性物質が、二酸化チタンである、請求項１８に記載のセンサ。 ２０．前記カプセルが、テーパリングされて、前記遠位先端から受容したシグナ ルを増幅する、請求項１１に記載のセンサ。 ２１．サンプル流体中の二酸化炭素の濃度を測定するための方法であって： (a) 請求項１１に記載の光ファイバセンサを供給する工程と； (b) 該センサの遠位端を、該サンプル流体中に浸漬する工程と； (c) 所定の波長を有する光を、該光ファイバを通ってその該遠位先端に向ける工 程と； (d) 該ファイバに沿って戻る発光した蛍光の強度をモニタリングする工程と； (e) 該発光した蛍光の強度から、該サンプル流体中の二酸化炭素濃度を推定する 工程と、を包含する、方法。 ２２．前記指示薬溶液が、二酸化炭素の存在およびｐＨの内部シフトに対して実 質的に感受性ではない参照染料を含み、そして、前記発光した蛍光の強度が、前 記工程(e)で推定された濃度値を補正するのに使用される、請求項２１に記載の 方法。