JPH05503368A - 或る化学種の濃度を連続的に可逆測定する方法と装置 - 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】 成る化学種の濃度を連続的に可逆測定する方法と装置この発明は、蛍光表示物質 によって成る化学種の濃度を連続的に可逆測定する装置と方法に関する。

これ等の物質の濃度を測定することは、化学、プロセス技術、製造技術あるいは 環境分析のような多くの科学および技術分野で重要である。この種の測定に対す る光学的な方法ないしは装置は、既に表題「光学的なケモセンサ」あるいは「光 学的な化学センサ」としているいろ提唱されている。実際の技術水準の外観は” ＣＲＣＢｏｏｋ　ｏｎ　Ｆｉｂｅｒ　０ｐｔｉｃ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　５ｅｎｓ ｏｒｓ　ａｎｄ　Ｂｉｏｓｅｎｓｏｒｓ−、Ｏ，Ｓ、　vＯＬＦＢＥＩ Ｓ、　ＣＲＣＰｒｅｓｓ　Ｉｎｃ、、　Ｂｏｃａ　Ｒａｔｏｎ、　Ｆｌｏｒｉｄ ａ　１９９０にある。特に蛍光法は利用できる。しかし、蛍光センサはしばしば 不充分な安定な寿命を持っていない。何故なら、表示体の濃度が種々な影響によ って時間と共に変わり、そのため測定結果ヲ悪化させる信号の変化が生じるから である。

蛍光センサの長時間安定度を決定的に改善する方法は、蛍光強度でな（、蛍光の 減衰時間を測定に利用する点にある（Ｌｉｐｐｉｔｓｃｈ　ｅｔ　ａｌ、、　Ａ ｎａｌｙｔｉｃａｌ　ＣｈｅｍｉｃａＡｃｔａ　２０５　（１９８８）、　１− ６）。蛍光の減衰時間は表示体の濃度に全く無関係で、それ故濃度による測定誤 差を防止する。もっとも、一般的に非常に短時間を測定する必要があり、このこ とが大きな測定技術上の経費を必要とする。種々のセンサの応用で、この経費は 経済的に支持できない。

この発明の課題は、前記難点を排除し、蛍光表示物質を使用する場合、減衰時間 の利点が強度測定の測定技術上の利点と一致する測定方法を提供することにある 。

上記の課題は、この発明により、蛍光物質の吸収に対応する波長の偏光励起ビー ムを用いて表示体物質を励起し、表示体物質の蛍光ビームの強度を互いに直交す る二つの偏光方向で測定し、得られた強度の比からビームの蛍光異方性を測定し 、それから所定の校正曲線によって化学種の濃度をめることによって解決されて いる。

蛍光減極とは、一定の偏光方向のビームで分子を励起した後、出射する蛍光が偏 光方向に垂直な偏光成分を有すると言う事実を言う。この原因は、分子の熱運動 であって、この運動は励起された分子の双極子の空間方向が励起状態の減衰時間 τの間に変わることなる。蛍光異方性ｒは、として定義され、ここで■は蛍光の 強度を表し、添え字ｐとＳはそれぞれ励起ビームの偏光方向に平行および垂直な 偏光方向を意味する。最も簡単な場合（球状の表示体分子の等方分布）では、蛍 光異方性ｒは励起状態の減衰時間τに以下の依存性を有する。即ち、 ここで、ｒ、は時点ｔ＝０（励起時点）の等方性、Ｒは一般の気体定数、Ｔは絶 対温度、ηは表示体の周囲の微小粘性およびＶは表示体分子の流体力学的な体積 、つまり何らかの水化物の被膜あるいは他の付着分子を含めた体積である。この 関係式（ベリン（Ｐｅｒｒｉｎ）の公式）から、測定すべき量の減衰時間τの変 化が等方性ｒの変化に直接影響することが判る。この測定方法を採用する前提条 件は表示体の母材よりも少ない光散乱能を有する媒体を使用することである。そ の理由は光の散乱が異方値を悪化させるからである。

蛍光減衰時間が化学種の濃度によって変化するプロセスの例は、ダイナミック・ クエンチである。この場合、蛍光減衰時間τは（近似的に）ステルン・ポルマー 　（Ｓｔｅｒｎ−Ｖｏｌｍｅｒ）の関係式に従う。つまり、ここで、［Ｑ］はク エンチした種Ｑの濃度、ｋ、ｖはクエンチ・プロセスのステルン・ポルマーの定 数であり、τ。はクエンチなしの減衰時間である。従って、による異方性ｒのク エンチ物体の濃度の依存性が与えられる。

それ故、測定方法のこの発明による変形態様は、化学種の濃度を測定するため、 蛍光表示体を使用し、この表示体の蛍光を測定すべき種によってダイナミック・ クエンチし、それによって色素の蛍光減衰時間τを短縮し、等式（４）により蛍 光異方性ｒが減ることにある。

有機性の発蛍光団の蛍光の効果的なダイナミック・クエンチは、この蛍光減衰時 間が長い場合（ｔｏ　＞　１００　ｎｓ）に行われる。センサとして充分な異方 性の感度を得るには、分子の回転に必要な時間も短くなくすべきである。これは 、表示体の分子の体積Ｖをそれに応じて大きくするか（大きな側グループの構造 ）、あるいは表示体の周囲の微小粘性ηを大きくすることによって達成される。

ダイナミック・クエンチは、例えば酸素、種々の麻酔ガス（例えば）１０タン） 、ノ飄ロゲン化炭化水素、沃素のハロゲン化物および擬ハロゲン化物、二酸化硫 黄等によって行われる。

他の例はｐＨ測定をもたらす。ある種の表示体は蛍光減衰時間τが周囲のｐＨ値 に顕著に依存することを示す。この依存性は以下のように記述できる。即ち、τ ＝τ。ｆ　（ｐＨ）　（５） ここで、ｆ　（ｐＨ）は経験的にめる関数を意味する。この関係式を用いて、次 の異方性のｐＨ依存性が与えられる。即ち、それ故、この発明の他の実施例では 水素イオン濃度を測定する（ｐＨｌｌＩｇ定）ため、蛍光表示体を使用し、この 表示体の蛍光減衰時間τが水素イオン濃度（ｐＨ値）によって影響され、それに よって蛍光異方性ｒが等式（６）に従って変わることになる。

表示体としては、この場合、ｐＨ依存性の蛍光減衰時間を有する蛍光色素、例え ばアクリジン、サリクラールデヒド、インドール３酢酸、９（ＩＯＨ）アクリデ ィノン、２ナフトール等が使用される。ここでは、減衰時間が酸素依存性の表示 体の場合よりも短いので、粘性の少ない母材、例えばヒドロゲルを使用すること ができる。

この発明による測定方法は、例えばカリウム、ナトリウム、リチュウムの濃度を 測定するためにも適している。この場合、高い選択性で当該イオンが結合する表 示体分子（例えば、クラウンエーテルの誘導体）を使用する。この結合によって 、表示体分子の流体力学的な体積が変わる。そこのイオン濃度に応じて、既存の 表示体分子の全体数の種々の成分が結合している。結合していない表示体の流体 力学的な体積をＶ、で、また結合している表示体の体積をＶ、で表すと、流体力 学的に有効な体積に対して、 ここで、［１］はイオンの濃度で、ｆ［１］は結合確率がイオン濃度によって記 述される経験的にめる関数を意味する。こうして、異方性のイオン濃度依存性に 対して、 が与えられる。

この発明の他の実施例では、陰イオンの濃度を測定するため、流体力学的な体積 Ｖが測定する陰イオンと結合した状態で変わる蛍光表示体が使用され、それによ って蛍光異方性ｒが等式（８）によって変わる。

等式（２）から、異方性が単に表示体の特性（蛍光減衰時間、流体力学的な分子 体積）だけでなく、ｍｙの母材の微小粘性ηにも依存することが判る。この事実 は、例えば細胞膜の粘性を測定するために使用することができる。しかし、一定 の母材の微小粘性は一定の化学種Ｓの濃度に依存する。その時、η＝η。ｆ［Ｓ ］　（９） ここで、η。は種Ｓかある場合の微小粘性で、ｆ　［Ｓ］は経験的にめる関数で ある。一定の蛍光減衰時間τ。を有する表示体に対して、それ故、結局この発明 によれば、試料中の化学種の濃度を測定するため、母材中にある蛍光表示体を使 用し、この表示体の蛍光減衰時間が化学種によって影響され、しかし母材が化学 種の濃度に応じて微小粘性ηを変え、こうして蛍光の異方性ｒが等式（１０）に よって変わる。

母材の粘性ｎを変える過程は、例えば液体を受け入れことによる膨潤である。

従って、提示した測定方法は、取り分は環境測定技術に重要なセンサにも利用で きる。化学種は水であってもよい。

表示体としては、例えば光物理特性を変える水との相互作用をしない疎水性の色 素分子、例えばローダミンが使用される。母材としては、例えば可塑剤を含むＰ ｖＣが使用され、それによって膨潤状態が水分の量に依存することが判る。

この発明を実行するために、励起ビームを形成するビーム源と、蛍光ビームを検 出する測定装置と評価装置を備え、化学種に少なくとも間接的に接触し、場合に よっては、母材に溶解なしは固定されている蛍光表示物質を用いて、化学種の濃 度を連続的および可逆的に測定する装置は、ビーム源と表示体物質との間に、偏 光フィルターを配設し、蛍光ビームを検出するための測定装置に、互いに直交す る偏光フィルターが前置接続されている二つの検出器が配設され、二つの検出器 の信号出力端が、濃度測定に必要な校正関数を記憶する評価ユニットに接続して いることに特徴がある。

しかし、測定装置が直列に接続された偏光フィルターを有するただ一個の検出器 を保有し、このフィルターが互いに直交する二つの位置に切換可能で、検出器の 信号出力端が評価ユニットに接続することも可能である。

この発明を以下に模式図に基づきより詳しく説明する。

第１図は、この発明の装置であり、 第２図は、この装置の実施態様である。

この発明の有利な構成は、酸素センサの例として第１図に示しである。その場合 、それ自体公知の表示体、例えば有機ルテニウム複合体、ピレン酪酸、あるいは ポリ環式芳香物が使用される。表示体Ｔは、粘性の高い透明で散乱しない支持材 料あるいは母材Ｔ（例えばポリマー）に溶解ないしは固定されている。励起は適 当な波長の光源（例えば、発光ダイオード、レーザーあるいは狭帯域フィルター を備えたランプ）を用いて行われる。励起光は偏光フィルターＰ、を通過して直 線偏光される。蛍光ビームは測定装置Ｍの二つの検出器り、、Ｄ、（フォトダイ オード）によって検出される。これ等の検出器の前には、一方が励起光の偏光方 向を平行Ｐ２に、また他方が垂直Ｐ、に向く偏光フィルターＰ、、Ｐｉがある。

評価ユニットＡの電子割算形成することにより、記憶されている校正曲線と比較 して酸素濃度をめ、デジタル表示する。励起ビームと蛍光ビームを分離するため 、光通路にあるフィルターに記号Ｆ１〜Ｆ、が付けである。

第２図の実施態様では、測定装置Ｍが一個の偏光フィルターＰ、を備えたただ一 個の検出器Ｄ１を保育し、このフィルターは互いに直交する二つの位置に切り替 わる。

要約書 の比から、ビームの蛍光異方性を測定し、それから所定の校正曲線によって化学 種の濃度をめることを提案している。

国際調査報告

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. １．蛍光表示体物質により化学種を連続的にしかも可逆的に測定する方法におい て、蛍光物質の吸収に対応ずる波長の偏光励起ビームを用いて表示体物質を励起 し、表示体物質の蛍光ビームの強度を互いに直交する二つの偏光方向で測定し、 得られた強度の比からビームの蛍光異方性を測定し、それから所定の校正曲線に よって化学種の濃度を求めることを特徴とする方法。
2. ２．化字種の濃度を測定するため、蛍光表示体を使用し、この表示体の蛍光を測 定すべき種でダイナミック・クエンチし、それによって色素の蛍光減衰時間τが 短縮され、蛍光異方性ｒが（等式（４）により）低減されることを特徴とする請 求の範囲第１項に記載の方法。
3. ３．水素イオン濃度を測定するため（ｐＨ測定）、蛍光表示体が使用され、この 表示体の蛍光減衰時間τが水素イオン濃度によって（ｐＨ値によって）影響され 、それによって蛍光異方性ｒが（等式（６）により）変わることを特徴とする請 求の範囲第１項に記載の方法。
4. ４．陰イオンの濃度を測定するため、蛍光表示体が使用され、この表示体の流体 力学的な体積Ｖが測定すべき陰イオンを待合して変わり、これによって蛍光異方 性ｒが（等式（８）によって）変わることを特徴とする請求の範囲第１項に記載 の方法。
5. ５．試料中の化学種の濃度を測定するため、母材中にある蛍光表示体を使用し、 この表示体の蛍光減衰時間は化学種によって影響されないが、表示体の母材が化 学種の濃度に応じて微小粘性ηを変え、これによって蛍光異方性ｒが（等式（１ ０）によって）変わることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の方法。
6. ６．励起ビームを形成するためのビーム源（Ｌ），蛍光ビームを検出するための 測定装置（Ｍ）および評価装置（Ａ）を備え、化学種と少なくとも間接的に接触 し、場合によっては、母材（Ｔ）に溶解ないしは固定されている蛍光表示体物質 （Ｉ）によって化学種の濃度を連続的にしかも可逆的に測定する装置において、 ビーム源（Ｌ）と表示体物質（Ｉ）との間に、偏光フィルター（Ｐ１）を配設し 、蛍光ビームを検出するための測定装置（Ｍ）に、互いに直交する偏光フィルタ ー（Ｐ２，Ｐ３）が前置接続されている二つの検出器（Ｄ１，Ｄ２）が配設され 、二つの検出器（Ｄ１，Ｄ２）の信号出力端が、濃度測定に必要な校正関数を記 憶する評価ユニット（Ａ）に接続していることを特徴とする装置。
7. ７．励起ビームを形成するためのビーム源（Ｌ），蛍光ビームを検出するための 測定装置（Ｍ）および評価装置（Ａ）を備え、化学種と少なくとも間接的に接触 し、場合によっては、母材（Ｔ）に溶解ないしは固定されている蛍光表示体物質 （Ｉ）によって化学種の濃度を連続的にしかも可逆的に測定する装置において、 ビーム源（Ｌ）と表示体物質（Ｉ）との間に、偏光フィルター（Ｐ１）を配設し 、蛍光ビームを検出するための測定装置（Ｍ）に、互いに直交する二つの位置に 切り換えることのでき前置接続された一個の偏光フィルター（Ｐ２）を配設し、 検出器（Ｄ１）の信号出力端が、濃度測定に必要な校正関数を記憶する評価ユニ ット（Ａ）に接続していることを特徴とする装置。