ｐＨまたは濃度の測定装置及びｐＨまたは濃度の測定方法
【課題】低緩衝能の被検体においてもできるだけ短時間で測定可能なｐＨまたは濃度の測定装置及びｐＨまたは濃度の測定方法を提供する。
【解決手段】溶液のｐＨまたは濃度に応じた信号を出力する第１と第２のセンサと、第１のセンサが配設された第１貯留部及び第２のセンサが配設された第２貯留部とが設けられた検査管と、検査管内にベースライン溶液を送給する送給手段と、検査管の第１貯留部内に被検体である検体溶液を注入して第１のセンサに検体溶液に接触させる注入手段とを備えて、検体溶液のｐＨまたは濃度を測定するｐＨまたは濃度の測定装置及び測定方法において、第１貯留部内に貯留した検体溶液とベースライン溶液との界面を振動させる振動手段を設ける。
【解決手段】溶液のｐＨまたは濃度に応じた信号を出力する第１と第２のセンサと、第１のセンサが配設された第１貯留部及び第２のセンサが配設された第２貯留部とが設けられた検査管と、検査管内にベースライン溶液を送給する送給手段と、検査管の第１貯留部内に被検体である検体溶液を注入して第１のセンサに検体溶液に接触させる注入手段とを備えて、検体溶液のｐＨまたは濃度を測定するｐＨまたは濃度の測定装置及び測定方法において、第１貯留部内に貯留した検体溶液とベースライン溶液との界面を振動させる振動手段を設ける。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ｐＨまたは濃度の測定装置及びｐＨまたは濃度の測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体材料を用いて構成した電界効果トランジスタ(FET:Field Effect Transistor)のゲート部分に所定の感応膜を設けたＩＳＦＥＴ（Ion Sensitive FET）が知られている。このＩＳＦＥＴでは、感応膜が所定のイオンと反応することによって生じた電位変動を検出可能としている。
【０００３】
このようなＩＳＦＥＴにおいて、感応膜に酸化タンタル(Ta2O5)膜などを用いることにより液体中の水素イオンを検出可能としてｐＨセンサとして機能するものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。また、感応膜の材質を適宜調整することによって各種のイオンを検出することができ、濃度検出用のセンサなどとして用いられることも多い。
【０００４】
そして、上記したｐＨセンサを用いて液体のｐＨを自動測定する装置が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００５】
このｐＨ自動測定装置では、測定用ｐＨセンサと、参照用ｐＨセンサと、擬似比較電極を内部の所定位置に設けたｐＨセンサプローブを備えており、測定用ｐＨセンサと、参照用ｐＨセンサと、擬似比較電極をベースライン溶液に浸漬させて各センサでベースライン電位を検出することにより校正を行い、その後、ｐＨセンサプローブ内に被検体の検体溶液を吸引することにより測定用ｐＨセンサを検体溶液に接触させて電位を検出することにより水素イオン濃度を検出して、ｐＨを測定可能としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−１７８６９７号公報
【特許文献２】特開２００５−１２７９７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、測定用ｐＨセンサをＩＳＦＥＴで構成している場合には、たとえばｐＨ緩衝能が０.２ｍＭ／ｐＨ以下のような低い溶液のｐＨを測定する際に、図８に示すように、測定開始にともなって測定用ｐＨセンサと参照用ｐＨセンサとの間において大きなオーバーシュート電位が発生し、しかも、その復帰に多大な時間を要することとなっていた。そのため、６５秒の時点における最終出力を用いて算出したｐＨの測定値は、誤差の絶対値で０．１２〜０.３９４ｐＨという大きな誤差を含むこととなっていた。
【０００８】
特に、このオーバーシュート電位が解消されるまでは、正確な測定をすることができないため、測定に要する時間が極めて長くなり、測定時間の短縮化が困難となっていた。なお、図８においては、被検体の検体溶液がｐＨセンサプローブ内に吸引されて測定用ｐＨセンサに接触するまでのタイムラグである６秒間の後、測定が開始されている。また、この場合、検体溶液には所定濃度とした塩化カリウム溶液を用いている。特に、各検体溶液は、２６μＭリン酸一カリウムと、１０８μＭリン酸二カリウムと、低濃度のリン酸塩を含んでおり、これによりｐＨが６.５〜６.６で、緩衝能が０.０６ｍＭ／ｐＨ程度の低緩衝能溶液となっている。
【０００９】
本発明者らはこのような現状に鑑み、低緩衝能の被検体においてもできるだけ短時間で測定可能とすべく研究開発を行って、本発明を成すに至ったものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のｐＨまたは濃度の測定装置では、溶液のｐＨまたは濃度に応じた信号を出力する第１と第２のセンサと、第１のセンサが配設された第１貯留部及び第２のセンサが配設された第２貯留部とが設けられた検査管と、検査管内にベースライン溶液を送給する送給手段と、検査管の第１貯留部内に被検体である検体溶液を注入して第１のセンサに検体溶液に接触させる注入手段とを備えて、検体溶液のｐＨまたは濃度を測定するｐＨまたは濃度の測定装置において、第１貯留部内に貯留した検体溶液とベースライン溶液との界面を振動させる振動手段を設けた。
【００１１】
さらに、本発明のｐＨまたは濃度の測定装置では、振動手段によって第２貯留部内に貯留したベースライン溶液に圧力変動を加えて界面を振動させることにも特徴を有し、振動手段によって検体溶液とベースライン溶液の界面を０.１Ｈｚ以上の周波数で、０.１〜６０秒間振動させることにも特徴を有するものである。
【００１２】
また、本発明のｐＨまたは濃度の測定方法では、溶液のｐＨまたは濃度に応じた信号を出力する第１と第２のセンサのうち、第１のセンサに被検体である検体溶液を接触させる一方、第２のセンサにベースライン溶液を接触させて検体溶液のｐＨまたは濃度を測定するｐＨまたは濃度の測定方法において、第１のセンサが配設される第１貯留部と第２のセンサが配設される第２貯留部とを設けた検査管の第１貯留部内に検体溶液を貯留した後、検体溶液とベースライン溶液との界面を振動させるものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、検体溶液に接触させる第１のセンサと、ベースライン溶液に接触させる第２のセンサとを用いて検体溶液のｐＨまたは濃度を測定する測定装置及び測定方法において、互いに接触させることにより形成される検体溶液とベースライン溶液との界面を振動させることにより、第１のセンサと第２のセンサとの間において生じたオーバーシュート電位を短時間で収束させることができ、ｐＨまたは濃度の測定を速やかに行うことができる。したがって、短時間でｐＨまたは濃度を測定可能とした測定装置及び測定方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態にかかるｐＨまたは濃度の測定装置の概略模式図である。
【図２】検査管の説明図である。
【図３】洗浄ステップの説明図である。
【図４】測定ステップの説明図である。
【図５】本発明に係るｐＨまたは濃度の測定装置による測定データの経時変化のグラフである。
【図６】他の実施形態のｐＨまたは濃度の測定装置の概略模式図である。
【図７】他の実施形態の振動機構の概略模式図である。
【図８】従来のｐＨまたは濃度の測定装置による測定データの経時変化のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明のｐＨまたは濃度の測定装置及びｐＨまたは濃度の測定方法は、溶液のｐＨまたは濃度に応じた信号を出力する第１と第２のセンサを用いるとともに、第１のセンサを被検体である検体溶液に接触させる一方、第２のセンサをベースライン溶液に接触させて、第１と第２のセンサからそれぞれ出力された信号を用いてｐＨまたは濃度を測定するものである。
【００１６】
特に、本発明のｐＨまたは濃度の測定装置及びｐＨまたは濃度の測定方法では、第１のセンサに検体溶液を接触させた際に形成される検体溶液とベースライン溶液との界面を、適宜の振動手段によって振動させているものである。
【００１７】
本発明者らは、このように振動手段によって検体溶液とベースライン溶液との界面を振動させることによって、第１のセンサと第２のセンサとの間において生じたオーバーシュート電位を短時間で収束させることを知見し、短時間での測定を可能としているものである。
【００１８】
以下において、図面に基づいて本発明の実施形態を詳説する。図１は、本実施形態の測定装置の概略模式図である。
【００１９】
本実施形態の測定装置は、ｐＨの自動測定装置であって、検体溶液１１がそれぞれ貯留される複数個の検体ウェル１２を備えた検体プレート１０と、各検体溶液１１に先端部を浸漬させてｐＨを測定するプローブとなっている検査管２０と、この検査管２０内に送給配管３１を介して溶液タンク３２からベースライン溶液を送給するポンプ３０と、後述するように検査管２０内に設けた各センサ及び電極を用いてｐＨを検出するための駆動電圧の供給及び信号検出を行う駆動回路４０と、この駆動回路４０で検出された信号を解析する解析装置５０と、検査管２０を移動操作する移動機構６０とで構成している。
【００２０】
検査管２０は、図２に示すように、送給配管３１の一端が接続される接続部２１を有する第１基体２２と、この第１基体２２に基端側を着脱自在に取り付けるとともに先端側を基端側よりも小径として全体として先細り状とした円筒状の第２基体２３と、第２基体２３の内側で第２基体２３の先端寄りに設けた第１のセンサである測定用ｐＨセンサ２４と、第１基体２２の内側に設けた第２のセンサである参照用ｐＨセンサ２５と、参照用ｐＨセンサ２５の近傍に設けた擬似比較電極２６とで構成している。
【００２１】
図１及び図２では、説明の便宜上、測定用ｐＨセンサ２４及び参照用ｐＨセンサ２５を大きく描いているが、実施には、測定用ｐＨセンサ２４及び参照用ｐＨセンサ２５は０.５ｍｍ幅程度の極めて微少なセンサであり、市販のｐＨ−ＩＳＦＥＴを用いている。
【００２２】
第１基体２２には、上下方向に貫通させて設けた第１流路２２ａと、接続部２１部分を貫通して一端を第１流路２２ａに連通連結するとともに他端を送給配管３１に連通連結させる第２流路２２ｂを設けており、送給配管３１から送給されたベースライン溶液を第２流路２２ｂから第１流路２２ａに導いている。
【００２３】
第１基体２２には、第１流路２２ａにおける上部の開口部分に閉塞体２２ｃを装着し、実質的にＬ字状の流路を形成している。
【００２４】
第２基体２３は、基端側を第１基体２２に螺着することにより着脱自在に取り付けて、第１流路２２ａの下部の開口部分と連通連結し、第１流路２２ａに導かれたベースライン溶液を第２基体２３内に導いている。
【００２５】
特に、第２基体２３は先細り状としているので、第２基体２３内においてベースライン溶液が貯留されることとなっており、第２基体２３では、検体溶液１１を吸引した時、吸引された検体溶液によって占有され、かつその中に測定用ｐＨセンサ２４が設けられている端寄りの部分を第１貯留部２３ａとし、それよりも基端寄りの部分を第２貯留部２３ｂとしている。
【００２６】
ｐＨ−ＩＳＦＥＴで構成した測定用ｐＨセンサ２４及び参照用ｐＨセンサ２５は、それぞれ配線によって閉塞体２２ｃに吊り下げ状に装着しており、配線の長さを調整することにより所定位置に配置している。
【００２７】
擬似比較電極２６も所定の配線によって閉塞体２２ｃに吊り下げ状に装着しており、配線の長さを調整することにより参照用ｐＨセンサ２５の近傍に配置している。
【００２８】
本実施形態では、第２基体２３の基端寄りの部分を第２貯留部２３ｂとしているが、第１基体２２内を第２貯留部としてもよい。ただし、参照用ｐＨセンサ２５及び擬似比較電極２６は、第２流路２２ｂよりも下流側に配置することにより、ベースライン溶液中に確実に浸漬した状態となるようにしている。
【００２９】
閉塞体２２ｃを介して検査管２０から引き出された各配線は駆動回路４０に接続しており、この駆動回路４０によって測定用ｐＨセンサ２４及び参照用ｐＨセンサ２５を駆動させるとともに、測定用ｐＨセンサ２４及び参照用ｐＨセンサ２５のそれぞれの電位と擬似比較電極２６の電位の電位差を出力信号として増幅して、解析装置５０に入力している。
【００３０】
解析装置５０は、本実施形態ではパーソナルコンピュータなどの電子計算機であって、駆動回路４０から入力された信号を解析してｐＨを測定している。
【００３１】
また、解析装置５０では、検査管２０にベースライン溶液を送給したり、検体溶液１１を吸引したりするポンプ３０の駆動制御を行っており、解析装置５０による制御に基づいて検査管２０にベースライン溶液を送給している。
【００３２】
さらに、解析装置５０では検査管２０を移動操作する移動機構６０も制御しており、移動機構６０によって検査管２０を上下左右に移動させて、検体プレート１０の所定の検体ウェル１２に貯留された検体溶液１１のｐＨを順次測定している。
【００３３】
移動機構６０は、本実施形態では、上下方向に進退するロッド６１を備えたアクチュエータ６２と、このアクチュエータ６２を水平方向に移動させるＸ−Ｙテーブル６３とで構成しており、ロッド６１の先端に検査管２０を装着している。なお、移動機構６０は、検査管２０を上下左右に移動させることができればどのような形態であってもよい。
【００３４】
検体プレート１０には、複数個の検体ウェル１２を設けており、異なる検体溶液１１をそれぞれ収容して、移動機構６０により検査管２０を移動させながら連続的に測定できるようにしているとともに、検査管２０の洗浄を行うための排液ウェル１３を設けている。なお、検体溶液を収容する検体容器としては、検体ウェル１２の代わりにサンプルチューブを用いてもよく、また移動機構としては、Ｘ−Ｙテーブルの代わりにターンテーブルを用いてもよい。
【００３５】
排液ウェル１３では、図３に示すように、排液ウェル１３内に検査管２０の先端を挿入した状態でポンプ３０を駆動することにより、検査管２０の先端からベースライン溶液を送り出して、検査管２０及び測定用ｐＨセンサ２４をベースライン溶液で洗浄している。
【００３６】
排液ウェル１３にはオーバーフロー管１４を設けており、このオーバーフロー管１４を介して排液ウェル１３からオーバーフローさせたベースライン溶液及び各検体溶液を排出している。
【００３７】
このように構成した測定装置でｐＨの測定を行う場合には、まず、洗浄ステップとして排液ウェル１３で検査管２０を洗浄する。この洗浄ステップにおいて、検査管２０内はベースライン溶液で満たされ、測定用ｐＨセンサ２４と参照用ｐＨセンサ２５は、ともにベースライン溶液と接触し、それぞれ所定の信号を出力することとなる。この信号を用いて零点校正を行っている。なお、この時、検査管２０の先端部外壁に付着した検体溶液も洗浄される。
【００３８】
ついで、測定ステップとして、測定装置は、移動機構６０によって検査管２０を所定の検体ウェル１２の上方に移動させるとともに、検査管２０を降下させて、図４（ａ）に示すように、検査管２０の先端を所定の検体溶液１１に浸漬させ、その状態でポンプ３０を逆転駆動させることにより検査管２０のベースライン溶液を逆流させて、図４（ｂ）に示すように、検査管２０の第１貯留部２３ａに検体溶液１１を吸引し、測定用ｐＨセンサ２４に検体溶液１１を接触させている。
【００３９】
さらに、測定装置では、ポンプ３０の正転駆動と逆転駆動とを交互に繰り返させることにより、図４（ｃ）に示すように、検査管２０内のベースライン溶液と第１貯留部２３ａの検体溶液１１とによって形成されている界面Ｒを矢印のように振動させている。すなわち、本実施形態では、ポンプ３０を、界面Ｒを振動させる振動手段として用いている。
【００４０】
特に、振動手段のポンプ３０は、正転駆動と逆転駆動を交互に繰り返すことにより、検査管２０の第２貯留部２３ｂのベースライン溶液に圧力変動を加えているものであり、極めて容易に界面Ｒを振動させることができる。
【００４１】
界面Ｒを振動させる際には、界面Ｒの振動中に測定用ｐＨセンサ２４は常に検体溶液１１と接触するとともに、参照用ｐＨセンサ２５は常にベースライン溶液と接触して、界面Ｒが測定用ｐＨセンサ２４及び参照用ｐＨセンサ２５の位置を超えないようにしている。
【００４２】
具体的には、界面Ｒは、測定用ｐＨセンサ２４と参照用ｐＨセンサ２５の間であって、測定用ｐＨセンサ２４と参照用ｐＨセンサ２５の間の距離の約１０％以内の振幅で振動させることが望ましい。
【００４３】
この場合、界面Ｒの振動にともなって、界面Ｒ近傍の検体溶液１１とベースライン溶液が撹乱されること、あるいは検体溶液１１とベースライン溶液が混ざり合うことがオーバーシュート電位の解消のためには必要である。明確な界面を維持したままでの単なる振動、あるいは往復動はオーバーシュート電位の解消には有効ではない。
【００４４】
振動する界面Ｒの周波数は０.１Ｈｚ以上の周波数であればよく、好適には1〜１００Ｈｚ程度の周波数であればよい。また、振動時間は０.１〜６０秒間程度であればよい。本実施形態では、第１貯留部２３ａへの検体溶液１１の吸引後、約２.０Ｈｚで約３０秒間振動させた。
【００４５】
図５に示すように、界面Ｒを振動させることにより、測定開始にともなって生じたオーバーシュート電位を短時間で収束させることができ、ｐＨまたは濃度の測定を速やかに行うことができる。したがって、短時間でｐＨまたは濃度を測定可能とした測定装置及び測定方法を提供できる。なお、この場合でも検体溶液１１には、図８に示した測定結果と同様の所定濃度とした塩化カリウム溶液を用いている。この場合のｐＨの測定誤差の絶対値は、０.０１０〜０.０６０ｐＨであって、図８の場合と比較して大幅に改善された。
【００４６】
上述したように界面Ｒの振動をポンプ３０で行う場合には、ポンプ３０を精度よく駆動制御する必要があるために、ポンプ３０が高価となるおそれがある。
【００４７】
そこで、ポンプ３０でベースライン溶液を往復させる代わりに、図６に示すように、ポンプ３０の下流側の送給配管３１に界面Ｒを振動させるための振動機構７０を介設してもよい。
【００４８】
本実施形態の振動機構７０では、先端を送給配管３１に連通連結したシリンダ７１と、このシリンダ７１内に設けたピストン７２と、このピストン７２を進退駆動させるアクチュエータ７３とで構成している。
【００４９】
この振動機構７０は検体溶液１１の吸引用として兼用してもよい。すなわち、アクチュエータ７３は解析装置５０で駆動制御しており、洗浄ステップの際にはピストン７２を前進させた状態とし、測定ステップの際にはピストン７２を後退させることにより、検査管２０の第１貯留部２３ａに検体溶液１１を吸引している。
【００５０】
このようにシリンダ７１とピストン７２を備えた振動機構７０とした場合、ピストン７２の後退量によって第１貯留部２３ａに吸引される検体溶液１１の量を調整できるので、検体溶液１１の吸引量をより正確に制御することができる。
【００５１】
さらに、アクチュエータ７３によってピストン７２を所定の振幅、及び所定の周波数で所定時間振動させることにより、第２貯留部内２３ｂに貯留したベースライン溶液に所定の圧力変動を加えて、検体溶液１１とベースライン溶液との界面Ｒを振動させることができる。
【００５２】
このように振動機構７０を設けることにより界面Ｒの振動を制御しやすく、しかもポンプ３０は一方向だけにベースライン溶液を押し流すだけでよいので安価なポンプを利用でき、測定装置を安価とすることができる。
【００５３】
なお、振動機構７０は、上述したシリンダ７１と、ピストン７２と、アクチュエータ７３とで構成する形態に限定するものではなく、第２貯留部内２３ｂに貯留したベースライン溶液に所定の圧力変動を加えることができれば、適宜の形態とすることができる。
【００５４】
すなわち、たとえば図７に示すように、ベースライン溶液を送給している送給配管３１の一部を、可撓性を有するゴム管８１で構成するとともに、このゴム管８１を挟んで配置さしてゴム管８１を断続的に狭窄する狭窄用カム８２,８２を設けて、振動機構としてもよい。
【００５５】
図示しないが、この振動機構では、各狭窄用カム８２をそれぞれ回転駆動させる駆動モータを設けており、解析装置５０によって駆動制御している。２つの狭窄用カム８２は互いに逆回転させることとしており、狭窄用カム８２には円周状の外周縁に所定間隔で膨出状の凸部８２ａを複数設けて、狭窄用カム８２を回転させることにより凸部８２ａでゴム管８１を狭窄することとしている。
【００５６】
特に、ゴム管８１を挟んで対向させて配置した２つの狭窄用カム８２,８２は、凸部８２ａをゴム管８１に押しつける際に同時に押しつけるように各凸部８２ａの位置を同期させている。
【００５７】
このように送給配管３１の一部をゴム管８１で構成し、ゴム管８１を狭窄することによりゴム管８１内のベースライン溶液に圧力変動を生じさせて検体溶液１１とベースライン溶液との界面Ｒを振動させた場合には、振動機構部分において空気のかみ込みを生じさせにくく、安定的に動作可能な振動機構とすることができる。
【００５８】
上述した実施形態では、測定用ｐＨセンサ２４及び参照用ｐＨセンサ２５にｐＨ−ＩＳＦＥＴを用いたｐＨ測定装置としているが、所定の濃度を測定可能とした測定用ｐＨセンサ及び参照用ｐＨセンサを用いることにより、濃度測定装置とすることもできる。
【符号の説明】
【００５９】
１０ 検体プレート
１１ 検体溶液
１２ 検体ウェル
１３ 排液ウェル
１４ オーバーフロー管
２０ 検査管
２１ 接続部
２２ 第１基体
２２ａ 第１流路
２２ｂ 第２流路
２２ｃ 閉塞体
２３ 第２基体
２３ａ 第１貯留部
２３ｂ 第２貯留部
２４ 測定用ｐＨセンサ
２５ 参照用ｐＨセンサ
２６ 擬似比較電極
３０ ポンプ
３１ 送給配管
３２ 溶液タンク
４０ 駆動回路
５０ 解析装置
６０ 移動機構
６１ ロッド
６２ アクチュエータ
６３ Ｘ−Ｙテーブル
７０ 振動機構
７１ シリンダ
７２ ピストン
７３ アクチュエータ
Ｒ 界面
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ｐＨまたは濃度の測定装置及びｐＨまたは濃度の測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体材料を用いて構成した電界効果トランジスタ(FET:Field Effect Transistor)のゲート部分に所定の感応膜を設けたＩＳＦＥＴ（Ion Sensitive FET）が知られている。このＩＳＦＥＴでは、感応膜が所定のイオンと反応することによって生じた電位変動を検出可能としている。
【０００３】
このようなＩＳＦＥＴにおいて、感応膜に酸化タンタル(Ta2O5)膜などを用いることにより液体中の水素イオンを検出可能としてｐＨセンサとして機能するものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。また、感応膜の材質を適宜調整することによって各種のイオンを検出することができ、濃度検出用のセンサなどとして用いられることも多い。
【０００４】
そして、上記したｐＨセンサを用いて液体のｐＨを自動測定する装置が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００５】
このｐＨ自動測定装置では、測定用ｐＨセンサと、参照用ｐＨセンサと、擬似比較電極を内部の所定位置に設けたｐＨセンサプローブを備えており、測定用ｐＨセンサと、参照用ｐＨセンサと、擬似比較電極をベースライン溶液に浸漬させて各センサでベースライン電位を検出することにより校正を行い、その後、ｐＨセンサプローブ内に被検体の検体溶液を吸引することにより測定用ｐＨセンサを検体溶液に接触させて電位を検出することにより水素イオン濃度を検出して、ｐＨを測定可能としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−１７８６９７号公報
【特許文献２】特開２００５−１２７９７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、測定用ｐＨセンサをＩＳＦＥＴで構成している場合には、たとえばｐＨ緩衝能が０.２ｍＭ／ｐＨ以下のような低い溶液のｐＨを測定する際に、図８に示すように、測定開始にともなって測定用ｐＨセンサと参照用ｐＨセンサとの間において大きなオーバーシュート電位が発生し、しかも、その復帰に多大な時間を要することとなっていた。そのため、６５秒の時点における最終出力を用いて算出したｐＨの測定値は、誤差の絶対値で０．１２〜０.３９４ｐＨという大きな誤差を含むこととなっていた。
【０００８】
特に、このオーバーシュート電位が解消されるまでは、正確な測定をすることができないため、測定に要する時間が極めて長くなり、測定時間の短縮化が困難となっていた。なお、図８においては、被検体の検体溶液がｐＨセンサプローブ内に吸引されて測定用ｐＨセンサに接触するまでのタイムラグである６秒間の後、測定が開始されている。また、この場合、検体溶液には所定濃度とした塩化カリウム溶液を用いている。特に、各検体溶液は、２６μＭリン酸一カリウムと、１０８μＭリン酸二カリウムと、低濃度のリン酸塩を含んでおり、これによりｐＨが６.５〜６.６で、緩衝能が０.０６ｍＭ／ｐＨ程度の低緩衝能溶液となっている。
【０００９】
本発明者らはこのような現状に鑑み、低緩衝能の被検体においてもできるだけ短時間で測定可能とすべく研究開発を行って、本発明を成すに至ったものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のｐＨまたは濃度の測定装置では、溶液のｐＨまたは濃度に応じた信号を出力する第１と第２のセンサと、第１のセンサが配設された第１貯留部及び第２のセンサが配設された第２貯留部とが設けられた検査管と、検査管内にベースライン溶液を送給する送給手段と、検査管の第１貯留部内に被検体である検体溶液を注入して第１のセンサに検体溶液に接触させる注入手段とを備えて、検体溶液のｐＨまたは濃度を測定するｐＨまたは濃度の測定装置において、第１貯留部内に貯留した検体溶液とベースライン溶液との界面を振動させる振動手段を設けた。
【００１１】
さらに、本発明のｐＨまたは濃度の測定装置では、振動手段によって第２貯留部内に貯留したベースライン溶液に圧力変動を加えて界面を振動させることにも特徴を有し、振動手段によって検体溶液とベースライン溶液の界面を０.１Ｈｚ以上の周波数で、０.１〜６０秒間振動させることにも特徴を有するものである。
【００１２】
また、本発明のｐＨまたは濃度の測定方法では、溶液のｐＨまたは濃度に応じた信号を出力する第１と第２のセンサのうち、第１のセンサに被検体である検体溶液を接触させる一方、第２のセンサにベースライン溶液を接触させて検体溶液のｐＨまたは濃度を測定するｐＨまたは濃度の測定方法において、第１のセンサが配設される第１貯留部と第２のセンサが配設される第２貯留部とを設けた検査管の第１貯留部内に検体溶液を貯留した後、検体溶液とベースライン溶液との界面を振動させるものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、検体溶液に接触させる第１のセンサと、ベースライン溶液に接触させる第２のセンサとを用いて検体溶液のｐＨまたは濃度を測定する測定装置及び測定方法において、互いに接触させることにより形成される検体溶液とベースライン溶液との界面を振動させることにより、第１のセンサと第２のセンサとの間において生じたオーバーシュート電位を短時間で収束させることができ、ｐＨまたは濃度の測定を速やかに行うことができる。したがって、短時間でｐＨまたは濃度を測定可能とした測定装置及び測定方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態にかかるｐＨまたは濃度の測定装置の概略模式図である。
【図２】検査管の説明図である。
【図３】洗浄ステップの説明図である。
【図４】測定ステップの説明図である。
【図５】本発明に係るｐＨまたは濃度の測定装置による測定データの経時変化のグラフである。
【図６】他の実施形態のｐＨまたは濃度の測定装置の概略模式図である。
【図７】他の実施形態の振動機構の概略模式図である。
【図８】従来のｐＨまたは濃度の測定装置による測定データの経時変化のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明のｐＨまたは濃度の測定装置及びｐＨまたは濃度の測定方法は、溶液のｐＨまたは濃度に応じた信号を出力する第１と第２のセンサを用いるとともに、第１のセンサを被検体である検体溶液に接触させる一方、第２のセンサをベースライン溶液に接触させて、第１と第２のセンサからそれぞれ出力された信号を用いてｐＨまたは濃度を測定するものである。
【００１６】
特に、本発明のｐＨまたは濃度の測定装置及びｐＨまたは濃度の測定方法では、第１のセンサに検体溶液を接触させた際に形成される検体溶液とベースライン溶液との界面を、適宜の振動手段によって振動させているものである。
【００１７】
本発明者らは、このように振動手段によって検体溶液とベースライン溶液との界面を振動させることによって、第１のセンサと第２のセンサとの間において生じたオーバーシュート電位を短時間で収束させることを知見し、短時間での測定を可能としているものである。
【００１８】
以下において、図面に基づいて本発明の実施形態を詳説する。図１は、本実施形態の測定装置の概略模式図である。
【００１９】
本実施形態の測定装置は、ｐＨの自動測定装置であって、検体溶液１１がそれぞれ貯留される複数個の検体ウェル１２を備えた検体プレート１０と、各検体溶液１１に先端部を浸漬させてｐＨを測定するプローブとなっている検査管２０と、この検査管２０内に送給配管３１を介して溶液タンク３２からベースライン溶液を送給するポンプ３０と、後述するように検査管２０内に設けた各センサ及び電極を用いてｐＨを検出するための駆動電圧の供給及び信号検出を行う駆動回路４０と、この駆動回路４０で検出された信号を解析する解析装置５０と、検査管２０を移動操作する移動機構６０とで構成している。
【００２０】
検査管２０は、図２に示すように、送給配管３１の一端が接続される接続部２１を有する第１基体２２と、この第１基体２２に基端側を着脱自在に取り付けるとともに先端側を基端側よりも小径として全体として先細り状とした円筒状の第２基体２３と、第２基体２３の内側で第２基体２３の先端寄りに設けた第１のセンサである測定用ｐＨセンサ２４と、第１基体２２の内側に設けた第２のセンサである参照用ｐＨセンサ２５と、参照用ｐＨセンサ２５の近傍に設けた擬似比較電極２６とで構成している。
【００２１】
図１及び図２では、説明の便宜上、測定用ｐＨセンサ２４及び参照用ｐＨセンサ２５を大きく描いているが、実施には、測定用ｐＨセンサ２４及び参照用ｐＨセンサ２５は０.５ｍｍ幅程度の極めて微少なセンサであり、市販のｐＨ−ＩＳＦＥＴを用いている。
【００２２】
第１基体２２には、上下方向に貫通させて設けた第１流路２２ａと、接続部２１部分を貫通して一端を第１流路２２ａに連通連結するとともに他端を送給配管３１に連通連結させる第２流路２２ｂを設けており、送給配管３１から送給されたベースライン溶液を第２流路２２ｂから第１流路２２ａに導いている。
【００２３】
第１基体２２には、第１流路２２ａにおける上部の開口部分に閉塞体２２ｃを装着し、実質的にＬ字状の流路を形成している。
【００２４】
第２基体２３は、基端側を第１基体２２に螺着することにより着脱自在に取り付けて、第１流路２２ａの下部の開口部分と連通連結し、第１流路２２ａに導かれたベースライン溶液を第２基体２３内に導いている。
【００２５】
特に、第２基体２３は先細り状としているので、第２基体２３内においてベースライン溶液が貯留されることとなっており、第２基体２３では、検体溶液１１を吸引した時、吸引された検体溶液によって占有され、かつその中に測定用ｐＨセンサ２４が設けられている端寄りの部分を第１貯留部２３ａとし、それよりも基端寄りの部分を第２貯留部２３ｂとしている。
【００２６】
ｐＨ−ＩＳＦＥＴで構成した測定用ｐＨセンサ２４及び参照用ｐＨセンサ２５は、それぞれ配線によって閉塞体２２ｃに吊り下げ状に装着しており、配線の長さを調整することにより所定位置に配置している。
【００２７】
擬似比較電極２６も所定の配線によって閉塞体２２ｃに吊り下げ状に装着しており、配線の長さを調整することにより参照用ｐＨセンサ２５の近傍に配置している。
【００２８】
本実施形態では、第２基体２３の基端寄りの部分を第２貯留部２３ｂとしているが、第１基体２２内を第２貯留部としてもよい。ただし、参照用ｐＨセンサ２５及び擬似比較電極２６は、第２流路２２ｂよりも下流側に配置することにより、ベースライン溶液中に確実に浸漬した状態となるようにしている。
【００２９】
閉塞体２２ｃを介して検査管２０から引き出された各配線は駆動回路４０に接続しており、この駆動回路４０によって測定用ｐＨセンサ２４及び参照用ｐＨセンサ２５を駆動させるとともに、測定用ｐＨセンサ２４及び参照用ｐＨセンサ２５のそれぞれの電位と擬似比較電極２６の電位の電位差を出力信号として増幅して、解析装置５０に入力している。
【００３０】
解析装置５０は、本実施形態ではパーソナルコンピュータなどの電子計算機であって、駆動回路４０から入力された信号を解析してｐＨを測定している。
【００３１】
また、解析装置５０では、検査管２０にベースライン溶液を送給したり、検体溶液１１を吸引したりするポンプ３０の駆動制御を行っており、解析装置５０による制御に基づいて検査管２０にベースライン溶液を送給している。
【００３２】
さらに、解析装置５０では検査管２０を移動操作する移動機構６０も制御しており、移動機構６０によって検査管２０を上下左右に移動させて、検体プレート１０の所定の検体ウェル１２に貯留された検体溶液１１のｐＨを順次測定している。
【００３３】
移動機構６０は、本実施形態では、上下方向に進退するロッド６１を備えたアクチュエータ６２と、このアクチュエータ６２を水平方向に移動させるＸ−Ｙテーブル６３とで構成しており、ロッド６１の先端に検査管２０を装着している。なお、移動機構６０は、検査管２０を上下左右に移動させることができればどのような形態であってもよい。
【００３４】
検体プレート１０には、複数個の検体ウェル１２を設けており、異なる検体溶液１１をそれぞれ収容して、移動機構６０により検査管２０を移動させながら連続的に測定できるようにしているとともに、検査管２０の洗浄を行うための排液ウェル１３を設けている。なお、検体溶液を収容する検体容器としては、検体ウェル１２の代わりにサンプルチューブを用いてもよく、また移動機構としては、Ｘ−Ｙテーブルの代わりにターンテーブルを用いてもよい。
【００３５】
排液ウェル１３では、図３に示すように、排液ウェル１３内に検査管２０の先端を挿入した状態でポンプ３０を駆動することにより、検査管２０の先端からベースライン溶液を送り出して、検査管２０及び測定用ｐＨセンサ２４をベースライン溶液で洗浄している。
【００３６】
排液ウェル１３にはオーバーフロー管１４を設けており、このオーバーフロー管１４を介して排液ウェル１３からオーバーフローさせたベースライン溶液及び各検体溶液を排出している。
【００３７】
このように構成した測定装置でｐＨの測定を行う場合には、まず、洗浄ステップとして排液ウェル１３で検査管２０を洗浄する。この洗浄ステップにおいて、検査管２０内はベースライン溶液で満たされ、測定用ｐＨセンサ２４と参照用ｐＨセンサ２５は、ともにベースライン溶液と接触し、それぞれ所定の信号を出力することとなる。この信号を用いて零点校正を行っている。なお、この時、検査管２０の先端部外壁に付着した検体溶液も洗浄される。
【００３８】
ついで、測定ステップとして、測定装置は、移動機構６０によって検査管２０を所定の検体ウェル１２の上方に移動させるとともに、検査管２０を降下させて、図４（ａ）に示すように、検査管２０の先端を所定の検体溶液１１に浸漬させ、その状態でポンプ３０を逆転駆動させることにより検査管２０のベースライン溶液を逆流させて、図４（ｂ）に示すように、検査管２０の第１貯留部２３ａに検体溶液１１を吸引し、測定用ｐＨセンサ２４に検体溶液１１を接触させている。
【００３９】
さらに、測定装置では、ポンプ３０の正転駆動と逆転駆動とを交互に繰り返させることにより、図４（ｃ）に示すように、検査管２０内のベースライン溶液と第１貯留部２３ａの検体溶液１１とによって形成されている界面Ｒを矢印のように振動させている。すなわち、本実施形態では、ポンプ３０を、界面Ｒを振動させる振動手段として用いている。
【００４０】
特に、振動手段のポンプ３０は、正転駆動と逆転駆動を交互に繰り返すことにより、検査管２０の第２貯留部２３ｂのベースライン溶液に圧力変動を加えているものであり、極めて容易に界面Ｒを振動させることができる。
【００４１】
界面Ｒを振動させる際には、界面Ｒの振動中に測定用ｐＨセンサ２４は常に検体溶液１１と接触するとともに、参照用ｐＨセンサ２５は常にベースライン溶液と接触して、界面Ｒが測定用ｐＨセンサ２４及び参照用ｐＨセンサ２５の位置を超えないようにしている。
【００４２】
具体的には、界面Ｒは、測定用ｐＨセンサ２４と参照用ｐＨセンサ２５の間であって、測定用ｐＨセンサ２４と参照用ｐＨセンサ２５の間の距離の約１０％以内の振幅で振動させることが望ましい。
【００４３】
この場合、界面Ｒの振動にともなって、界面Ｒ近傍の検体溶液１１とベースライン溶液が撹乱されること、あるいは検体溶液１１とベースライン溶液が混ざり合うことがオーバーシュート電位の解消のためには必要である。明確な界面を維持したままでの単なる振動、あるいは往復動はオーバーシュート電位の解消には有効ではない。
【００４４】
振動する界面Ｒの周波数は０.１Ｈｚ以上の周波数であればよく、好適には1〜１００Ｈｚ程度の周波数であればよい。また、振動時間は０.１〜６０秒間程度であればよい。本実施形態では、第１貯留部２３ａへの検体溶液１１の吸引後、約２.０Ｈｚで約３０秒間振動させた。
【００４５】
図５に示すように、界面Ｒを振動させることにより、測定開始にともなって生じたオーバーシュート電位を短時間で収束させることができ、ｐＨまたは濃度の測定を速やかに行うことができる。したがって、短時間でｐＨまたは濃度を測定可能とした測定装置及び測定方法を提供できる。なお、この場合でも検体溶液１１には、図８に示した測定結果と同様の所定濃度とした塩化カリウム溶液を用いている。この場合のｐＨの測定誤差の絶対値は、０.０１０〜０.０６０ｐＨであって、図８の場合と比較して大幅に改善された。
【００４６】
上述したように界面Ｒの振動をポンプ３０で行う場合には、ポンプ３０を精度よく駆動制御する必要があるために、ポンプ３０が高価となるおそれがある。
【００４７】
そこで、ポンプ３０でベースライン溶液を往復させる代わりに、図６に示すように、ポンプ３０の下流側の送給配管３１に界面Ｒを振動させるための振動機構７０を介設してもよい。
【００４８】
本実施形態の振動機構７０では、先端を送給配管３１に連通連結したシリンダ７１と、このシリンダ７１内に設けたピストン７２と、このピストン７２を進退駆動させるアクチュエータ７３とで構成している。
【００４９】
この振動機構７０は検体溶液１１の吸引用として兼用してもよい。すなわち、アクチュエータ７３は解析装置５０で駆動制御しており、洗浄ステップの際にはピストン７２を前進させた状態とし、測定ステップの際にはピストン７２を後退させることにより、検査管２０の第１貯留部２３ａに検体溶液１１を吸引している。
【００５０】
このようにシリンダ７１とピストン７２を備えた振動機構７０とした場合、ピストン７２の後退量によって第１貯留部２３ａに吸引される検体溶液１１の量を調整できるので、検体溶液１１の吸引量をより正確に制御することができる。
【００５１】
さらに、アクチュエータ７３によってピストン７２を所定の振幅、及び所定の周波数で所定時間振動させることにより、第２貯留部内２３ｂに貯留したベースライン溶液に所定の圧力変動を加えて、検体溶液１１とベースライン溶液との界面Ｒを振動させることができる。
【００５２】
このように振動機構７０を設けることにより界面Ｒの振動を制御しやすく、しかもポンプ３０は一方向だけにベースライン溶液を押し流すだけでよいので安価なポンプを利用でき、測定装置を安価とすることができる。
【００５３】
なお、振動機構７０は、上述したシリンダ７１と、ピストン７２と、アクチュエータ７３とで構成する形態に限定するものではなく、第２貯留部内２３ｂに貯留したベースライン溶液に所定の圧力変動を加えることができれば、適宜の形態とすることができる。
【００５４】
すなわち、たとえば図７に示すように、ベースライン溶液を送給している送給配管３１の一部を、可撓性を有するゴム管８１で構成するとともに、このゴム管８１を挟んで配置さしてゴム管８１を断続的に狭窄する狭窄用カム８２,８２を設けて、振動機構としてもよい。
【００５５】
図示しないが、この振動機構では、各狭窄用カム８２をそれぞれ回転駆動させる駆動モータを設けており、解析装置５０によって駆動制御している。２つの狭窄用カム８２は互いに逆回転させることとしており、狭窄用カム８２には円周状の外周縁に所定間隔で膨出状の凸部８２ａを複数設けて、狭窄用カム８２を回転させることにより凸部８２ａでゴム管８１を狭窄することとしている。
【００５６】
特に、ゴム管８１を挟んで対向させて配置した２つの狭窄用カム８２,８２は、凸部８２ａをゴム管８１に押しつける際に同時に押しつけるように各凸部８２ａの位置を同期させている。
【００５７】
このように送給配管３１の一部をゴム管８１で構成し、ゴム管８１を狭窄することによりゴム管８１内のベースライン溶液に圧力変動を生じさせて検体溶液１１とベースライン溶液との界面Ｒを振動させた場合には、振動機構部分において空気のかみ込みを生じさせにくく、安定的に動作可能な振動機構とすることができる。
【００５８】
上述した実施形態では、測定用ｐＨセンサ２４及び参照用ｐＨセンサ２５にｐＨ−ＩＳＦＥＴを用いたｐＨ測定装置としているが、所定の濃度を測定可能とした測定用ｐＨセンサ及び参照用ｐＨセンサを用いることにより、濃度測定装置とすることもできる。
【符号の説明】
【００５９】
１０ 検体プレート
１１ 検体溶液
１２ 検体ウェル
１３ 排液ウェル
１４ オーバーフロー管
２０ 検査管
２１ 接続部
２２ 第１基体
２２ａ 第１流路
２２ｂ 第２流路
２２ｃ 閉塞体
２３ 第２基体
２３ａ 第１貯留部
２３ｂ 第２貯留部
２４ 測定用ｐＨセンサ
２５ 参照用ｐＨセンサ
２６ 擬似比較電極
３０ ポンプ
３１ 送給配管
３２ 溶液タンク
４０ 駆動回路
５０ 解析装置
６０ 移動機構
６１ ロッド
６２ アクチュエータ
６３ Ｘ−Ｙテーブル
７０ 振動機構
７１ シリンダ
７２ ピストン
７３ アクチュエータ
Ｒ 界面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶液のｐＨまたは濃度に応じた信号を出力する第１と第２のセンサと、
前記第１のセンサが配設された第１貯留部及び前記第２のセンサが配設された第２貯留部とが設けられた検査管と、
前記検査管内にベースライン溶液を送給する送給手段と、
前記検査管の前記第１貯留部内に被検体である検体溶液を注入して前記第１のセンサに前記検体溶液に接触させる注入手段と
を備えて、前記検体溶液のｐＨまたは濃度を測定するｐＨまたは濃度の測定装置において、
前記第１貯留部内に貯留した前記検体溶液と前記ベースライン溶液との界面を振動させる振動手段を設けたｐＨまたは濃度の測定装置。
【請求項２】
前記振動手段は、前記第２貯留部内に貯留した前記ベースライン溶液に圧力変動を加えて前記界面を振動させる請求項１に記載のｐＨまたは濃度の測定装置。
【請求項３】
前記振動手段は、前記界面を０.１Ｈｚ以上の周波数で、０.１〜６０秒間振動させる請求項１または請求項２に記載のｐＨまたは濃度の測定装置
【請求項４】
溶液のｐＨまたは濃度に応じた信号を出力する第１と第２のセンサのうち、前記第１のセンサに被検体である検体溶液を接触させる一方、前記第２のセンサにベースライン溶液を接触させて前記検体溶液のｐＨまたは濃度を測定するｐＨまたは濃度の測定方法において、
前記第１のセンサが配設される第１貯留部と前記第２のセンサが配設される第２貯留部とを設けた検査管の前記第１貯留部内に前記検体溶液を貯留した後、前記検体溶液と前記ベースライン溶液との界面を振動させるｐＨまたは濃度の測定方法。
【請求項１】
溶液のｐＨまたは濃度に応じた信号を出力する第１と第２のセンサと、
前記第１のセンサが配設された第１貯留部及び前記第２のセンサが配設された第２貯留部とが設けられた検査管と、
前記検査管内にベースライン溶液を送給する送給手段と、
前記検査管の前記第１貯留部内に被検体である検体溶液を注入して前記第１のセンサに前記検体溶液に接触させる注入手段と
を備えて、前記検体溶液のｐＨまたは濃度を測定するｐＨまたは濃度の測定装置において、
前記第１貯留部内に貯留した前記検体溶液と前記ベースライン溶液との界面を振動させる振動手段を設けたｐＨまたは濃度の測定装置。
【請求項２】
前記振動手段は、前記第２貯留部内に貯留した前記ベースライン溶液に圧力変動を加えて前記界面を振動させる請求項１に記載のｐＨまたは濃度の測定装置。
【請求項３】
前記振動手段は、前記界面を０.１Ｈｚ以上の周波数で、０.１〜６０秒間振動させる請求項１または請求項２に記載のｐＨまたは濃度の測定装置
【請求項４】
溶液のｐＨまたは濃度に応じた信号を出力する第１と第２のセンサのうち、前記第１のセンサに被検体である検体溶液を接触させる一方、前記第２のセンサにベースライン溶液を接触させて前記検体溶液のｐＨまたは濃度を測定するｐＨまたは濃度の測定方法において、
前記第１のセンサが配設される第１貯留部と前記第２のセンサが配設される第２貯留部とを設けた検査管の前記第１貯留部内に前記検体溶液を貯留した後、前記検体溶液と前記ベースライン溶液との界面を振動させるｐＨまたは濃度の測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−４７６８５（Ｐ２０１１−４７６８５Ａ）
【公開日】平成２３年３月１０日（２０１１．３．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１９４３０４（Ｐ２００９−１９４３０４）
【出願日】平成２１年８月２５日（２００９．８．２５）
【特許番号】特許第４４５２８４３号（Ｐ４４５２８４３）
【特許公報発行日】平成２２年４月２１日（２０１０．４．２１）
【出願人】（５０４１４７２４３）国立大学法人 岡山大学 (444)
【公開日】平成２３年３月１０日（２０１１．３．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年８月２５日（２００９．８．２５）
【特許番号】特許第４４５２８４３号（Ｐ４４５２８４３）
【特許公報発行日】平成２２年４月２１日（２０１０．４．２１）
【出願人】（５０４１４７２４３）国立大学法人 岡山大学 (444)
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