微小濃度の化学種を測定するセンサ用材料組成物及びセンサの使用方法
サンプル溶液中の化学種の濃度をセンサフィルムで定量測定する方法。サンプル溶液中の化学種に曝露されると紫外、可視又は近赤外スペクトル範囲の光学的特性を変化する指示薬を含有する化学組成物を含むヒドロゲルセンサフィルムを作製する。フィルムを固定量のサンプル溶液に曝露する。センサフィルムから測定した平均吸光度を用いてサンプル溶液中の化学種の濃度を定量する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広義にはサンプルの光分析に用いるセンサに関し、特に化学種の微小濃度を測定するセンサ用材料組成物及びセンサを用いて化学種の微小濃度を測定する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
流体中の揮発性及び非揮発性化合物を定量するセンサ方法及びセンサフィルムは当技術分野で周知である。代表的には、特別にこの目的に設計された専用のセンサシステムを用いて、これらのパラメータの定量を行う。これらのセンサシステムは、電気化学、光、音響及び磁気など様々な原理に基づいて作動する。例えば、センサシステムを用いて、生物学、化学及び生化学的サンプルの光検出を行う。比色液体及び固体試薬で作動する様々な分光センサが開発されている。実際、分析化学における分光測光指示薬（インジケータ）は、多数の市販の光センサ及びプローブに最適な試薬となっている。
【０００３】
光センサは他の形式のセンサに比べて多数の利点を有するが、中でも変換原理の範囲が広いことがもっとも重要である。光センサは他のセンサが適用できない被分析物（アナライト）にも応答できる。また、光センサでは、被分析物の分光的特徴を測定する「直接」的被分析物検出だけでなく、感知用試薬を用いる「間接」的被分析物測定も行うことが可能である。このような試薬は、分析すべき化学種と相互作用すると、その光学的特性、例えば弾性又は非弾性散乱、吸収、光度、発光寿命又は偏光状態に変化を生じる。この種の間接的検出は化学的選択性と分光測定により与えられる測定値とを組合せ、多くの場合、試薬なしでは面倒な干渉作用を克服することができる。
【０００４】
分光測光指示薬は元々水性用途に開発されているので、分光指示薬の固体支持体への固定化は、光感知に応用する上での肝要な問題である。試薬型光センサ用のポリマー材料はしばしば複雑な多成分組成物である。重要な処方成分には、化学的に敏感な試薬（指示薬）、ポリマーマトリックス、補助添加剤及び共通溶剤もしくは溶剤混合物が含まれる。しかし、ある所望の官能価を生成するセンサ材料の最良処方を予想するのは困難である。
【０００５】
例えば、リン酸塩（ホスフェート）は水処理産業においてしばしば分析される物質である。リン酸塩分析は、環境モニタ、臨床診断で、そして採鉱や冶金プロセスなどの他の産業界でもよく行われる。リン酸塩分析には普通光センサを用いる。
【０００６】
リン酸塩を測定する光学的方法としては、モリブデンブルー法がよく用いられている。モリブデンブルー法の基本的機構では、オルトリン酸塩とモリブデン酸塩との反応によりヘテロポリ酸（ＨＰＡ）を形成する。モリブデン酸を形成し、ついで酸性条件で還元剤を用いて還元すると、発色する。ＨＰＡ化学に基づく水溶液中のリン酸塩分析法はほかにもいくつか知られている。バナドモリブドリン酸法、モリブデン−塩化第一錫法、カチオン色素−ＨＰＡ錯体法などである。ＨＰＡ法は、被分析物との接触後にセンサの色変化が起こる比色法、及び／又は被分析物との接触後にセンサの光学的特性に測定可能な変化が起こる測光法とすることができる。
【０００７】
ＨＰＡの形成に基づくリン酸分析用の既知の測光法は、強い酸性媒体を必要とし、センサ処方に濃硫酸溶液を使用することを必要とする。カチオン色素−ＨＰＡ錯体法の場合には、普通トリフェニルメタン色素を用いる。中性ｐＨのトリフェニルメタン溶液の吸収帯は通常色素−ＨＰＡ錯体の吸収帯と重複する。したがって、色素−ＨＰＡ錯体の形成による吸光度変化を顕現させるために、リン酸塩測定用の試験媒体のｐＨを色素の転移ｐＨより低く制御しなければならない。既知の測光法には、腐食性かつ有毒な試薬を必要とし、カチオン色素−ＨＰＡ錯体の場合にはｐＨ依存性が強いなど、いくつかの欠点がある。
【０００８】
リン酸塩分析のＨＰＡ法のもう一つの欠点はケイ酸塩干渉である。サンプル水中の３．０ｐｐｍのケイ酸塩がカチオン色素−ＨＰＡ錯体法を妨害することが知られている。よく用いられているモリブデンブルー法は、１０ｐｐｍまでのケイ酸塩濃度にしか耐えられないことが知られている。ケイ酸塩は天然水中に必ず存在し、したがってこのような場合にリン酸塩の低濃度を測定するのは、ケイ酸塩干渉のため、困難になる。
【０００９】
さらに、既知の測光法に用いられる試薬は通常非相溶性であり、リン酸塩測定へのアプローチが段階的になる。サンプルを予め試薬が存在する反応器（又は密閉位置）に添加し、ついで別に保存された還元剤に曝露する。試薬の不安定性と化学的相溶性の欠如とが単一反応器方式を妨害し、内蔵式センサの開発を阻止する。
【００１０】
センサを現場試験装置として都合良くかつ効率よく使用するために、内蔵式固体センサが必要とされる。光指示薬は元々水性用途に開発されているので、光指示薬の固体支持体への固定化は、光感知に応用する上での肝要な問題である。試薬の非相溶性と低ｐＨ要求とがこの固定化を妨げる。さらに、固体センサの低濃度への感度も問題である。例えば、米国特許第５８５８７９７号には、モリブデンブルー化学に基づくリン酸塩試験ストリップが、６ｐｐｍ以上でのみリン酸塩濃度に敏感であると記載されている。さらに、試薬安定性問題を抑制するために、モリブデンブルー試薬と還元剤とは別々の層に堆積しなければならない。
【特許文献１】米国特許第５８５８７９７号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
したがって、多数の定量的検定及び／又は他の生物学、化学及び物理環境パラメータの光分析を、高い再現性で行うのに簡単に使用できる、優れたセンサ感度、少ない干渉応答、高い安定性、その他の望ましいパラメータを与える、簡単なセンサが切実に求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
第１の態様では、本発明は、サンプル溶液中の化学種の濃度をセンサフィルムで定量測定する方法を提供する。本方法は、サンプル溶液中の化学種に曝露されると、紫外、可視又は近赤外スペクトル範囲の光学的特性を変化する指示薬を含有する化学組成を有するヒドロゲルセンサフィルムを製造する工程を含む。本方法は、さらに、センサフィルムを所定量のサンプル溶液に曝露する工程を含む。本方法は、さらに、光学走査装置を用いて、指示薬の極大吸収ピーク（λｍａｘ）近くの波長でセンサフィルムの吸光度を測定する工程を含む。本方法は、さらに、センサフィルムから測定された平均吸光度を用いて、サンプル溶液中の化学種の濃度を定量する工程を含む。
【００１３】
別の態様では、本発明は、サンプル溶液中の化学種の濃度を複数のセンサフィルムで定量測定する方法を提供する。本方法は、サンプル溶液中の化学種に曝露されると紫外、可視又は近赤外スペクトル範囲におけるその光学的特性を変化する複数のヒドロゲルセンサフィルムを製造する工程を含み、ここでヒドロゲルフィルムに添加される化学組成物がｐＨ指示薬、界面活性剤及び酸を含有する。本方法はまた、複数のセンサフィルムそれぞれの酸濃度を所定のパターンにしたがって変動させる工程を含む。本方法はまた、複数のセンサフィルムを所定量のサンプル溶液に曝露する工程を含む。本方法はさらに、光学走査装置を用いて、指示薬の極大吸収ピーク（λｍａｘ）近くの波長でセンサフィルムの吸光度を測定し、センサフィルムから測定された平均吸光度を用いて、サンプル溶液中の化学種の濃度を定量する工程を含む。
【００１４】
他の態様では、本発明は、サンプル溶液中に微小濃度で存在する化学種の濃度の測定に用いるセンサを提供する。本センサは、四級アンモニウム塩、四級ホスホニウム塩又は四級イミダゾリウム塩と、指示薬とを含有するヒドロゲルセンサフィルムを含む。指示薬は、サンプル溶液中の化学種に曝露されると紫外、可視又は近赤外スペクトル範囲におけるその光学的特性を変化する。指示薬は、四級アンモニウムイオンとイオン対を形成することによって、ヒドロゲルフィルム中に固定化される。ここで、四級アンモニウム塩の濃度がイオン対形成に必要な化学量論的量よりも実質的に高い。
【００１５】
さらに他の態様では、本発明は、サンプル中に微小濃度で存在する化学種の濃度の測定に用いるセンサを提供する。本センサは、指示薬と、化学種への応答のセンサ感度を高める添加剤とを含有するヒドロゲルセンサフィルムを含む。ここで、添加剤はポリマーであり、センサフィルムは、ヒドロゲル、指示薬及び第２ポリマーを共通溶剤混合物に溶解することによって製造される。指示薬は、サンプル溶液中の化学種に曝露されると紫外、可視又は近赤外スペクトル範囲におけるその光学的特性を変化する。
【００１６】
さらに他の態様では、本発明は、内蔵式リン酸センサを提供する。内蔵式リン酸センサは、１種以上の被分析物特異的試薬及び１種以上のｐＨ調節剤を含有する。内蔵式リン酸センサは、溶液状態で使用しても、固体装置として使用してもよい。内蔵式リン酸センサを用いて、試験サンプル中のリン酸塩濃度を測定する方法も記載される。
【００１７】
さらに他の態様では、被分析物特異的試薬は、モリブデン酸塩及び色素、そしてｐＨ調節剤としてスルホン酸を含有する。内蔵式リン酸センサは、さらに溶剤を含有してもよく、ポリマーマトリックス中に固定化してもよい。
【００１８】
さらに他の態様では、被分析物特異的試薬は、金属錯体及び色素、そしてｐＨ調節剤としてスルホン酸を含有する。内蔵式リン酸センサは、非水溶剤を含有してもよい。さらに他の態様では、被分析物特異的試薬は、金属錯体及び色素、そしてｐＨ調節剤としてアミンを含有する。内蔵式リン酸センサは、ポリマーマトリックス中に固定化してもよい。
【００１９】
本発明の実施形態によれば、試験サンプル中のリン酸塩を測定する方法も提供される。本方法は、試験サンプルを上述した内蔵式リン酸センサに接触させ、この試験サンプルと内蔵式リン酸センサとの接触によって生じる内蔵式リン酸センサの光学的特性の変化を測定し、光学的特性の変化をリン酸塩濃度に変換する工程を含む。
【００２０】
本発明及びその従来技術に対する利点は、以下の詳細な説明及び特許請求の範囲を添付の図面を参照しながら読むことで、明らかになるはずである。
【００２１】
、添付図面に関連した以下の本発明の実施形態の説明を参照することで、本発明の上記その他の特徴が一層明らかになり、また本発明の構成自体もよく理解できるはずである。
【００２２】
なお、すべての図面において、対応する参照符号は対応する要素を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下に、図面を参照しながら本発明を詳細に説明する。本発明を実施可能にするために、好適な実施形態を詳細に説明する。本発明を特定の好適な実施形態について説明するが、本発明はこれらの好適な実施形態に限定されない。反対に、本発明は、以下の詳細な説明から明らかになるように、多数の代替、変更及び均等な要素を包含する。
【００２４】
本発明は、サンプル中に微小濃度で存在する化学種の濃度を測定する優れたセンサ材料組成物及び方法に関する。本発明の内蔵式センサの実施形態は、水性もしくは非水性溶液の形態で用いることも、固体装置として用いることもできる。このような内蔵式センサは、被分析物の濃度の測定に試薬の後添加が不要であり、被分析物測定テストに必要な工程の数が最小であるという利点を有する。さらに、内蔵式センサは感度が高く、応答時間が速い。本発明の実施形態は、試験サンプル中の化学種の濃度を測定する方法も提供する。試験サンプル中の化学種の濃度は、濃度のわかっているサンプルを試験することによって描かれた検量線を用いて定量することができる。
【００２５】
一態様では、内蔵式センサは光センサである。光センサは他の形式のセンサに比べて多数の利点を有するが、中でも変換原理の範囲が広いことがもっとも重要である。光センサは他のセンサが適用できない被分析物にも応答できる。また、光センサでは、被分析物の分光的特徴を測定する「直接」的被分析物検出だけでなく、感知用試薬を用いる「間接」的被分析物測定も行うことが可能である。このような試薬は、分析すべき化学種と相互作用すると、その光学的特性、例えば弾性又は非弾性散乱、吸収、光度、発光寿命又は偏光状態に変化を生じる。この種の間接的検出は化学的選択性と分光測定により与えられる測定値とを組合せ、しばしば試薬なしでは面倒な干渉作用を克服することができる。
【００２６】
本発明によれば、センサ材料は、微小濃度の化学種に曝露されると紫外（ＵＶ）、可視又は近赤外（ＩＲ）スペクトル範囲におけるその光学的特性を変化する。フィルムは、通常、化学的に敏感な、被分析物に特異的な試薬（例えば、蛍光もしくは比色指示薬）、ポリマーマトリックス又はポリマーマトリックスの組合せ、及び補助添加剤を含有するポリマー系組成物であり、この場合、前記成分を共通溶剤もしくは溶剤混合物に溶解した溶液からフィルムを製造する。被分析物特異的試薬をポリマーマトリックス内に固定化してセンサフィルムを形成する。添加剤の例には、界面活性剤及び内部緩衝剤がある。他の添加剤を配合することもできる。センサフィルムに用いられるポリマーは選択された被分析物に対して透過性であり、ここで被分析物はセンサにより検出される１つの化学種であるか、１群の化学種である。被分析物特異的試薬は、被分析物の濃度の関数としてその光学的特性（例えば、吸光度、蛍光）の変化を生じる。望ましくは、被分析物特異的試薬は、フィルム外でその光学的特性の変化を生じ、そうすれば、応答の変化が、センサ処方から与えられるような干渉種の存在により影響されない。測定は、当業者に周知の紫外／可視／近赤外検出システムを用いて行う。
【００２７】
センサフィルムの組成を調整することによって所望の応答を達成する。この場合、組成物がフィルム中に追加成分を含有する。例えば、ポリマーマトリックス成分が追加のポリマーとなるようにポリマーマトリックス成分を選択することで、固定化された被分析物特異的試薬の酸化電位を調整することによって、所望のセンサ応答を達成する。センサフィルムが内蔵式であり、フィルム外からの補助試薬を必要としないのが望ましい。
【００２８】
一実施形態では、上記内蔵式センサは、被分析物特異的試薬及びｐＨ調節剤を含有する。ここで用いる用語「被分析物特異的試薬」は、物理的、化学的及び生物学的種を検出するのに有用な、比色、光屈折、光互変、熱変色、蛍光、弾性散乱、非弾性散乱、偏光、その他の光学的特性の変化を生じる化合物である。被分析物特異的試薬には、金属錯体又は塩、有機及び無機色素又は顔料、ナノ結晶、ナノ粒子、量子ドット、有機発蛍光団、無機発蛍光団及びこれらの組合せがある。
【００２９】
センサ中のｐＨ調節剤は緩衝剤として作用し、センサ処方のｐＨレベルを感知機構にとって好ましい一定のｐＨに維持する。ｐＨ調節剤の選択は、使用する被分析物特異的試薬の性質に依存するが、ｐＨ調節剤には酸、塩基又は塩が挙げられる。
【００３０】
上記内蔵式センサは、溶液形態でも、固体装置としても使用することができる。センサを溶液として適用する場合、センサの異なる構成成分に対して共通溶剤を選択する。このような溶剤の例には、脱イオン化水（ＤＩ水）、１−メトキシ−２−プロパノール（Ｄｏｗａｎｏｌ）、エタノール、アセトン、クロロホルム、トルエン、キシレン、ベンゼン、イソプロピルアルコール、２−エトキシエタノール、２−ブトキシエタノール、メチレンクロライド、テトラヒドロフラン、エチレングリコール二酢酸及びペルフルオロ（２−ブチルテトラヒドロフラン）があるが、これらに限らない。
【００３１】
内蔵式センサを固体装置として適用する場合、上記センサをポリマーマトリックスに付着又は固定化する。つぎにセンサを基板上のフィルムとして配置する。センサフィルムを製造するのに用いたポリマー材料は、選択性、感度及び検出限界などの検出特性に影響することに留意すべきである。したがって、センサフィルムに適当な材料は、所望の応答時間、所望の透過率、所望の溶解度、透明度及び硬度、並びに分析すべき対象物質に関与するその他の同様の特性を与えることができるポリマー材料から選択する。
【００３２】
センサフィルムのポリマーマトリックスは、プラスチックフィルム、即ち樹脂フィルムであるのが好ましい。ポリマー支持体を形成するのに用いる樹脂は、センサ用途に依存する。樹脂を溶剤に溶解し、被分析物特異的試薬が液体媒体中に分散されるようにする。或いは、被分析物特異的試薬を予め形成されたプラスチックフィルムに直接適用することができる。一実施形態では、ポリマーフィルムを作製し、蒸発など既知の手段によりフィルムから溶剤を除去した後、乾燥フィルムを１種以上の試薬を含有する薬液に露呈する。このようにして、試薬をフィルム中に組み込む。一実施形態では、透明プラスチック表面を薬剤混合物の薄い層で被覆し、空気中暗所で数時間乾燥させることによって、センサフィルムを製造する。フィルムの最終厚さは、望ましくは約０．１〜約２００μｍ、より好ましくは０．５〜１００μｍ、さらに好ましくは１〜５０μｍである。
【００３３】
応答を評価するために、フィルムを被分析物の水性サンプルに曝露する。被分析物の水性サンプルの量が約３０μＬ〜約５０μＬのサンプルの範囲であるのが望ましいが、本発明の範囲から逸脱することなく他の量も考えられる。曝露時間は、望ましくは約０．５〜１０００秒、より好ましくは１〜５００秒、さらに好ましくは５〜３００秒である。一実施形態では、水サンプルを除去した後、センサフィルムの測定を行う。或いは、測定中に水サンプルが存在してもよい。他の実施形態では、水曝露前、水曝露中、及び水曝露後に、連続的に測定を行う。さらに他の実施形態では、水曝露前及び水曝露中に、連続的に測定を行う。
【００３４】
センサフィルムを製造するのに用いたポリマー材料は、選択性、感度及び検出限界などの検出特性に影響することに留意すべきである。したがって、センサフィルムに適当な材料は、所望の応答時間、所望の透過率、所望の溶解度、透明度及び硬度、並びに対象物質に関与するその他の同様の特性を与えることができるポリマー材料から選択する。本発明にしたがってポリマー支持体として使用できる適当なポリマーはヒドロゲルである。ここで用いる用語「ヒドロゲル」は、親水性ポリマーが一緒に結束されて、水膨潤性、水不溶性構造を形成している三次元ネットワークである。用語「ヒドロゲル」は、米国特許第５７４４７９４号に記載されているように、湿潤状態の親水性ポリマーにも乾燥状態の親水性ポリマー（キセロゲル）にも適用される。
【００３５】
これらのヒドロゲルを一緒に結束するのに、種々の異なる方法を使用できる。第一に、親水性ポリマーの放射線もしくはフリーラジカル架橋によるヒドロゲルの結束を利用することができ、その例には、ポリ（ヒドロキシエチルメタクリレート）、ポリ（アクリル酸）、ポリ（メタクリル酸）、ポリ（グリセリルメタクリレート）、ポリ（ビニルアルコール）、ポリ（エチレンオキシド）、ポリ（アクリルアミド）、ポリ（Ｎ−アクリルアミド）、ポリ（Ｎ，Ｎ−ジメチルアミノプロピル−Ｎ’−アクリルアミド）、ポリ（エチレンイミン）、ポリ（アクリル酸）ナトリウム／カリウム、多糖類、例えばキサンテート、アルギネート、グアガム、アガロースなど、ポリ（ビニルピロリドン）及びセルロース誘導体がある。第二に、親水性ポリマー及びモノマーを適当な多官能性モノマーで化学架橋することによる結束を利用することができ、その例には、適当な架橋剤、例えばＮ，Ｎ’−メチレンビスアクリルアミド、ポリエチレングリコールジアクリレート、トリエチレングリコールジアクリレート、テトラエチレングリコールジメタクリレート、トリプロピレングリコールジアクリレート、ペンタエリスリトールテトラアクリレート、ジ−トリメチロールプロパンテトラアクリレート、ジペンタエリスリトールペンタアクリレート、トリメチロールプロパントリアクリレート、ペンタエリスリトールトリアクリレート、プロポキシル化グリセリルトリアクリレート、エトキシル化ペンタエリスリトールテトラアクリレート、エトキシル化トリメチロールプロパントリアクリレート、ヘキサンジオールジアクリレート、ヘキサンジオールジメタクリレート、その他のジ−及びトリ−アクリレート及びメタクリレートで架橋されたポリ（ヒドロキシエチルメタクリレート）；ヒドロキシエチルメタクリレート単量体とジメタクリレートエステル架橋剤との共重合；ヒドロキシル終端ポリ（エチレングリコール）とポリイソシアネートとの反応、もしくはトリオールのような多官能性モノマーの存在下でのジイソシアネートとの反応によって製造したポリ（エチレンオキシド）系ポリウレタン；並びにジアルデヒド、ジエポキシド及び多塩基酸で架橋したセルロース誘導体がある。第三に、ブロック及びグラフトコポリマー中に親水性モノマー及びポリマーを導入することによる結束を利用することができ、その例には、ポリ（エチレンオキシド）の、ポリ（エチレングリコール）（ＰＥＧ）、アクリル酸（ＡＡ）、ポリ（ビニルピロリドン）、ポリ（酢酸ビニル）、ポリ（ビニルアルコール）、Ｎ，Ｎ−ジメチルアミノエチルメタクリレート、ポリ（アクリルアミド−コ−メチルメタクリレート）、ポリ（Ｎ−イソプロピルアクリルアミド）、ポリ（ヒドロキシプロピルメタクリレート−コ−Ｎ，Ｎ−ジメチルアミノエチルメタクリレート）などの適当なポリマーとのブロック及びグラフトコポリマー；ポリ（ビニルピロリドン）−コ−ポリスチレンコポリマー；ポリ（ビニルピロリドン）−コ−ビニルアルコールコポリマー；ポリウレタン；ポリウレタンウレア；ポリ（エチレンオキシド）を主成分とするポリウレタンウレア；ポリウレタンウレア及びポリ（アクリロニトリル）−コ−ポリ（アクリル酸）コポリマー；及び種々のポリ（アクリロニトリル）、ポリ（ビニルアルコール）及びポリ（アクリル酸）の誘導体がある。親水性ポリマーと他のポリマーとの間に分子複合体形成が起こることもあり、その例には、ポリ（アクリル酸）及びポリ（メタクリル酸）とのポリ（エチレンオキシド）ヒドロゲル複合体がある。最後に、高分子量親水性ポリマーの絡み合い架橋による結束を利用でき、その例には、多官能性アクリルもしくはビニルモノマーと混合した高分子量ポリ（エチレンオキシド）に基づくヒドロゲルがある。
【００３６】
前述したように、上記ポリマーの単量体成分のコポリマー又は共重縮合体、並びにこれらのポリマーのブレンドも利用できる。これらの材料の適用例が、Michie et al., "Distributed pH and water detection using fiber-optic sensors and hydrogels," J. Lightwave Technol. 1995, 13, 1415-1420; Bownass et al., "Serially multiplexed point sensor for the detection of high humidity in passive optical networks," Opt. Lett. 1997, 22, 346-348; 及び米国特許第５７４４７９４号に記載されている。
【００３７】
前述したように、ヒドロゲルを形成するには、ポリマーマトリックスを、ジ（エチレングリコール）メチルエーテル、エチレングリコールフェニルエーテル、１−メトキシ−２−プロパノール、エタノール、アセトン、クロロホルム、トルエン、キシレン、ベンゼン、イソプロピルアルコール、２−エトキシエタノール、２−ブトキシエタノール、メチレンクロライド、テトラヒドロフラン、エチレングリコールジアセテート、ペルフルオロ（２−ブチルテトラヒドロフラン）などの適当な溶剤に溶解する。樹脂を含有する溶液中の溶剤の濃度は一般に約７０重量％以上であり、約７５重量％〜約９０重量％が望ましく、約８０重量％が好ましい。後述する例示目的に用いる１つの好適なヒドロゲルは、ポリ（２−ヒドロキシエチルメタクリレート）、即ちｐＨＥＭＡを１−メトキシ−２−プロパノールを含む溶剤に溶解したものである。
【００３８】
センサフィルムのポリマーマトリックスは、所定の被分析物に対して透過性であるのが好ましい。センサフィルムは、寸法（即ち分子量）、親水性／疎水性、相（即ち被分析物が液体か、気体か、固体か）、溶解度、イオン電荷、コロイド状もしくは粒状物質の拡散阻止能、又は被分析物自体に加えて水サンプルの組成（例えばカルシウムの測定中のサンプルのｐＨ）に基づいて、被分析物に対して選択的に透過性であってもよい。
【００３９】
被分析物特異的試薬をポリマーマトリックス中に導入するか、ポリマーマトリックスに適用して、センサフィルムを製造する。被分析物特異的試薬として使用される材料には、当技術分野で指示薬として知られる色素及び試薬がある。ここで用いる「被分析物特異的試薬」は、物理的、化学的及び生物学的種を検出するのに有用な、比色、光屈折、光互変、熱変色、蛍光、弾性散乱、非弾性散乱、偏光、その他の光学的特性を示す指示薬である。被分析物特異的試薬には、有機及び無機色素、有機及び無機顔料、ナノ結晶、ナノ粒子、量子ドット、有機発蛍光団、無機発蛍光団及び類似の材料がある。
【００４０】
被分析物特異的試薬として使用できる化合物の例には、有機色素、有機発蛍光団、蛍光色素、ＩＲ吸収性色素、ＵＶ吸収性色素、光互換性色素、熱変色性色素、スルホンフタレイン色素、その他この目的に用いることのできる既知の色素がある。色素の具体例には、ブロモピロガロールレッド（Ｂｒｏｍｏｐｙｒｏｇａｌｌｏｌ Ｒｅｄ，）、キシリジルブルー（Ｘｙｌｉｄｙｌ Ｂｌｕｅ）Ｉ、クロロホスホナゾ（Ｃｈｌｏｒｏｐｈｏｓｐｈｏｎａｚｏ）ＩＩＩ、ブリリアントグリーン、キサンテン色素、例えばローダミンＢ、ローダミン６Ｇ、エオシン、フロキシンＢなど、アクリジン色素、例えばアクリジンオレンジ、アクリジンレッドなど、アゾ色素、例えばエチルレッド、メチルレッドなど、ポルフィリン色素、フタロシアニン色素、シアニン色素、例えば３，３’−ジエチルチアカルボシアニンヨージド、３，３’−ジエチルオキサジカルボシアニンヨージドなど、メロシアニン色素、スチリル色素、オキソノール色素、トリアリールメタン色素、メチレンブルー、フェノールブルーなどがある。ブロモチモールブルー及びブロモクレゾールグリーンなどのｐＨ感受性色素を含む他の色素も同様に使用できる。被分析物特異的試薬として使用できる蛍光性材料は、センサフィルム上の特定の所定位置に結合し、特定波長の光で励起されると蛍光を発する。適当な波長は約２００ｎｍ〜約１１００ｎｍの範囲、より好ましくは約３００ｎｍ〜約１０００ｎｍの範囲であり、約３５０ｎｍ〜約９５０ｎｍの範囲が特に好ましい。他の実施形態では、特定の所定位置に結合する非蛍光性の被分析物特異的試薬を使用できる。このような試薬には、光吸収性材料、例えば近赤外（ＮＩＲ）吸収性材料がある。ＮＩＲ吸収性材料の例には、カーボンブラック及びポリ（スチレンスルホネート）／ポリ（２，３−ジヒドロチエノ（３，４−ｂ）−１，４−ジオキシン）がある。一実施形態では、被分析物特異的試薬は、約６２０〜６７０ｎｍの光を吸収する光吸収性試薬である。別の実施形態では、被分析物特異的試薬は約７５０〜８２０ｎｍの光を吸収する光吸収性試薬である。他の実施形態では、被分析物特異的試薬は約３８０〜４２０ｎｍの光を吸収する光吸収性試薬である。これらの色素は、所望の用途に応じて、単独で用いても、組み合わせて用いてもよい。所定の用途に用いる有機化合物の選択及びその量は、有機化合物の特性並びにそれを用いる目的に依存する。例えば、当技術分野で周知のように、蛍光色素を樹脂バインダにｐｐｍ濃度で添加することができる。
【００４１】
本発明の一実施形態では、被分析物特異的試薬と親油性対向イオン、例えば四級アンモニウムイオンとのイオン対を形成することによって、被分析物特異的試薬をヒドロゲルマトリックス中に固定化する。四級アンモニウムイオンが被分析物特異的試薬の吸収スペクトルに変化をもたらし得ることが知られている。しかし、予期せざることには、四級アンモニウムイオンを、被分析物特異的試薬とのイオン対形成に必要とされる化学量論的量よりも実質的に高い濃度で添加すると、指示薬の選択性と感度が格段に向上することを見出した。ここで用いる「イオン対形成に必要とされる化学量論的量よりも実質的に高い濃度」は、四級アンモニウムイオンを、指示薬に対する化学量論的量より約５〜１０００倍の濃度で添加することを意味する。限定するわけではないが、例を挙げると、四級アンモニウムイオン：指示薬のモル比２８５：１が特定のモリブデン酸センサに望ましいことが確認された。これに対して、モル比１８：１が亜硫酸センサに最適であると確認された。特定の説明に拘束されるものではないが、臨界的ミセル濃度より高い四級アンモニウムイオンの量がフィルム中に存在する場合に起こる物理的変化は、その表面で２つ以上の指示薬−被分析物錯体を拘束するミセルの形成である、と現在のところ考えられる。かくて１より大きい配位子−金属比がカチオンミセルの存在下で形成され、指示薬−被分析物の予想紫外−可視−近赤外分光応答の増進をもたらし得る。
【００４２】
以下に例示の目的で（限定のためでなく）使用するイオン対の一例は、ＢＰ Ｒｅｄ−ＭｏＯ4指示薬システムの場合、ブロモピロガロールレッド（ＢＲ）及びベンジルジメチルテトラデシルアンモニウムクロリド（ゼフィラミン）である。四級アンモニウム塩の存在が、ＢＰ Ｒｅｄ−Ｍｏキレート吸収極大値の有意な深色シフト並びにキレート吸収帯の増強をもたらすことが示された。このフィルムに用いる四級アンモニウム塩は、構造及び質量に関して、ピーク吸収（λｍａｘ）の位置のより長い波長側へのシフトを達成するように選んだ。表１に、湿潤状態のｐＨＥＭＡフィルム上の選択された四級アンモニウム塩が発揮するλｍａｘを列挙する。
【００４３】
【表１】
四級アンモニウム塩をイオン対形成に必要とされる化学量論的量よりも実質的に高い濃度で添加することによって、指示薬の選択性及び感度の格段の向上が達成された。四級アンモニウム塩を色素に対して化学量論的量を上回る量添加した場合、λｍａｘの長波長側への有意な吸光度シフト、望ましくは約１０ｎｍ〜約３０ｎｍの、さらに望ましくは約２０ｎｍの吸光度シフトが認められた。このシフトは、フィルムをλｍａｘに近い波長で測定するときの検出感度の有意な向上を可能にする。測定波長がλｍａｘの約１〜８０ｎｍ以内であるのが望ましい。特定の理由に限定されるものではないが、この効果はカチオンミセルの界面上により高次（例えば、より高い配位子：金属比）なＢＰ Ｒｅｄ−ＭｏＯ4キレートが形成される結果であると考えられる。
【００４４】
本発明の別の実施形態では、サンプル溶液に曝露された後変色する化学組成物を含有する多重の透明ヒドロゲルフィルムを製造して、サンプル溶液の定量測定値を得る。この実施形態の一例では、サンプル溶液のアルカリ度を求めるのに使用する多重フィルムを製造し、この多重フィルムは、サンプル溶液中のアルカリ種に曝露された後変色する化学組成物を含有するのが望ましい。望ましくは約２〜１２枚の透明フィルム、より望ましくは約２〜８枚の透明フィルムを製造し、サンプル溶液に曝露する。
【００４５】
一実施形態では、ヒドロゲルフィルムに添加する化学組成物は、ｐＨ指示薬、界面活性剤、及び酸を含有する。適当な界面活性剤には、四級アンモニウム塩、例えばセチルトリメチルアンモニウムブロミド、トリドデシルメチルアンモニウムクロリド、テトラブチルアンモニウムブロミド、その他多数がある。界面活性剤が、フィルム中に浸出する指示薬の量を減らすか実質的になくすのが望ましい。界面活性剤なしでは、指示薬の浸出で吸光度測定値に望ましくない誤差が紛れ込む。適当なｐＨ指示薬色素にはブロモクレゾールグリーン及びブロモフェノールブルーがある。ｐＨ指示薬色素のｐＫａ値が４．３近くであるのが望ましい。
【００４６】
この実施形態に開示された方法によれば、この実施形態の多重ヒドロゲルフィルムそれぞれが異なる量の酸を含有する。適当な酸には、カルボン酸及びアリール及びアルキルスルホン酸、例えばｐ−トルエンスルホン酸があるが、ヒドロゲル媒体に溶解できるものであればどのような酸も使用できる。各フィルム中の酸濃度は異なり、フィルム毎に所定のパターンで変動する。酸濃度が、乾燥ｐＨＥＭＡ（ヒドロゲル）に対して約０．２〜５０重量％の範囲で変動するのが望ましい。好ましくは、最低濃度のフィルムが約０．２〜２０重量％の濃度を有し、より望ましくは約０．８〜１０重量％の濃度を有する。好ましくは、最高濃度のフィルムが約２０〜５０重量％の濃度を有し、より望ましくは約２５〜３５重量％の濃度を有する。カルボン酸のような弱酸を用いる場合、所定のアルカリ度範囲をカバーするのに必要なフィルムの数は、強酸を用いる場合より少ない。その理由は、弱酸が示す滴定曲線が強酸のそれより平坦であるからである。しかし、弱酸は通常、カルシウムイオンなどの、水サンプル中によく存在するイオンと錯体を形成する。
【００４７】
所定量のサンプル溶液をヒドロゲルフィルム上に堆積すると、サンプル中のアルカリ種が添加した酸を中和する。一連のフィルムに異なる量の酸を添加することで酸濃度勾配ができているので、一連のフィルム（多重フィルム）をサンプル溶液に曝露したとき、異なる中和度に対応する輪郭の変色が生じる。一連のフィルム内のすべてのフィルムの平均吸光度をサンプルのアルカリ度の定量に用いる。
【００４８】
一態様では、例えばリン酸センサの場合、内蔵式センサは、モリブデン酸塩及び被分析物特異的試薬としての色素、そしてｐＨ調節剤としてのスルホン酸を含有する。モリブデン酸塩は、市場で入手でき、他の成分と相溶性であれば、種々の可溶性塩のいずれでもよい。使用できる適当なモリブデン酸塩の例には、モリブデン酸アンモニウム、ナトリウム、カリウム、カルシウム及びリチウムがあるが、これらに限らない。別の態様では、ヘプタモリブデン酸アンモニウムをモリブデン酸塩として使用する。
【００４９】
色素は発色性指示薬であり、色素をモリブデン酸塩及びリン酸塩と接触させた後、センサの光学的特性の変化を示すものである。被分析物特異的試薬に用いることのできる適当な色素の例には、アゾ色素、オキサジン色素、チアジン色素、トリフェニルメタン色素及びこれらの組合せがある。一態様では、被分析物特異的試薬はチアジン又はオキサジン色素である。使用できるチアジン及びオキサジン色素の具体例には、ＡｚｕｒｅＡ、ＡｚｕｒｅＢ、ベーシックブルー、メチレンブルー及びブリリアントクレジルブルーがあるが、これらに限らない。
【００５０】
チアジン及びオキサジン色素を用いるのは、試験溶液のｐＨを３〜０．５に調節した場合、ほとんどのチアジン及びオキサジン色素の４００ｎｍ〜８００ｎｍの範囲のスペクトルの主吸収帯が有意な変化を受けないからである。これは、当技術分野でリン酸分析用に周知のトリフェニルメタン色素とは対照的である。トリフェニルメタン色素の水溶液はｐＨ範囲０〜２において色転移を生じ、中性ｐＨで５５０ｎｍ〜６５０ｎｍの範囲の吸収極大をもつ強い色を、低いｐＨではるかに弱い色もしくは無色を示す。中性ｐＨでのトリフェニルメタン色素溶液の吸収帯は通常色素−ＨＰＡ錯体の吸収帯とオーバーラップするので、色素−ＨＰＡ錯体の形成による吸光度変化を顕現するためには、リン酸塩測定用の試験媒体のｐＨを色素の転移ｐＨより低くなるよう制御しなければならない。したがって、トリフェニルメタン色素及びモリブデン酸塩には強酸が必要とされる。他方、チアジン及びオキサジン色素は、色素の色を抑制するのに特に強い酸性条件を必要としない。実際、この場合、低濃度の低酸度ｐＨ調節剤で色変化を生起することができる。
【００５１】
前述したように、本発明の内蔵式センサにはスルホン酸をｐＨ調節剤として使用することができる。適当なスルホン酸は、センサ処方のｐＨが約０．５〜３の範囲となるように、選択する。一態様では、ｐ−トルエンスルホン酸をｐＨ調節剤として使用する。スルホン酸の濃度は、モリブデン酸塩及びリン酸塩と接触した際に、色素の色転移が起こるか、吸光度の変化が起こるように、選択する。
【００５２】
例えば、チアジン及びオキサジン色素を、水素イオン対モリブデン酸塩濃度比が３０未満である水溶液中でモリブデン酸塩と混合すると、これら色素の主吸収帯の有意な赤シフトが認められる。溶液にリン酸塩を添加すると、溶液は青色に変わる。他方、チアジン又はオキサジン色素を、水素イオン対モリブデン酸塩濃度比が３０〜１２０の範囲に保たれている水溶液中でモリブデン酸塩と混合すると、この色素の主吸収帯が同じままであるか、赤シフトが認められない。この場合、リン酸塩を試験溶液に添加すると、主吸収帯は減少する。吸光度の減少はリン酸塩濃度に比例する。
【００５３】
一態様では、水素イオン濃度対モリブデン酸塩濃度の比が約０．１〜約１５０の範囲にあり、別の態様では、水素イオン濃度対モリブデン酸塩濃度の比が約１〜約１２０の範囲にあり、他の態様では、水素イオン濃度対モリブデン酸塩濃度の比が約３０〜約１２０の範囲にある。
【００５４】
他の態様では、本発明の内蔵式センサは、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリビニルアルコール及びこれらの組合せからなる群から選択される１種以上の添加剤を含有する。この添加剤は、被分析物特異的試薬及び色素の可溶化を促進し、またホスホモリブデン酸塩−色素凝集体の形成を抑制する。したがって、上記添加剤の添加により、信号損失をもたらすホスホモリブデン酸塩−色素種の沈殿を防止することができる。さらに、内蔵式センサをポリマーマトリックス中に固定化した場合、上記化合物は可塑剤として機能でき、ポリマーマトリックスの分析すべき化学種（この場合リン酸塩）に対する透過度を高めるのに役立つ。
【００５５】
一態様では、内蔵式センサへの添加剤としてポリエチレングリコールを用いる。一態様では、ポリエチレングリコール添加剤の分子量が約１００ｇ／モル〜約１０，０００ｇ／モルの範囲にあり、別の態様では、ポリエチレングリコールの分子量が約２００ｇ／モル〜約４０００ｇ／モルの範囲にあり、他の態様では、ポリエチレングリコールの分子量が約４００ｇ／モル〜約６００ｇ／モルの範囲にある。一態様では、センサ処方に対するポリエチレングリコール添加剤の重量分率が約０．１重量％〜約２０重量％の範囲にあり、別の態様では、センサ処方に対するポリエチレングリコール添加剤の重量分率が約０．５重量％〜約１０重量％の範囲にあり、他の態様では、センサ処方に対するポリエチレングリコール添加剤の重量分率が約１重量％〜約５重量％の範囲にある。
【００５６】
他の態様では、本発明の内蔵式センサは信号増強剤を含有する。信号増強剤は、ｐＨ調節剤と同じ材料から形成しても、異なる材料から形成してもよい。信号増強剤を用いて、ホスホモリブデン酸塩種から区別する必要のある遊離イソポリモリブデン酸塩をマスクすることができる。マスクしないと、遊離イソポリモリブデン酸塩が色素とイオン対を形成し、その結果より高い背景信号となったり、リン酸塩単独のせいで減少した信号となることがある。適当な信号増強剤の例には、シュウ酸、スルホン酸、シュウ酸塩、スルホン酸塩及びこれらの組合せがあるが、これらに限らない。
【００５７】
一態様では、被分析物特異的試薬は金属錯体及び色素を含む。金属錯体は、被分析物（この場合リン酸塩）に対して高い特異性を有するように選択する。使用できる適当な金属錯体の例には、亜鉛錯体及びコバルト錯体がある。上記金属錯体はさらに、金属カチオンに配位することができる１種以上の配位子を含む。金属配位子錯体は、特定の形状のアニオンの選択的結合をもたらす幾何学的優先性を与えるように、選択する。適当な配位子の例には、ピリジン、アミン及び他の含窒素配位子がある。一実施形態では、（２，６−ビス（ビス（２−ピリジルメチル）アミノメチル）−４−メチルフェノール）配位子の二核亜鉛錯体を被分析物特異的試薬として使用した。
【００５８】
金属錯体とともに金属色素指示薬を用いる。金属錯体とともに使用できる金属色素指示薬の例には、カテコール色素、トリフェニルメタン色素、チアジン色素、オキサジン色素、アントラセン色素、アゾ色素、フタロシアニン色素及びこれらの組合せがある。金属色素指示薬の具体例には、ピロカテコールバイオレット、ムレキシド（Ｍｕｒｅｘｉｄｅ）、アルセナゾ（Ａｒｓｅｎａｚｏ）Ｉ、アルセナゾ（Ａｒｓｅｎａｚｏ）ＩＩＩ、アンチピリルアゾ（Ａｎｔｉｐｙｒｙｌａｚｏ）ＩＩＩ、アゾ（Ａｚｏ）１、アシッドクロムダークブルーＫ、ＢＡＴＡ（ビスアミノフェノキシ四酢酸）、クロモトロープ酸及びＸＢ−Ｉ（３−［３−（２，４−ジメチルフェニルカルバモイル）−２−ヒドロキシナフタレン−１−イル−アゾ］−４−ヒドロキシベンゼンスルホン酸のナトリウム塩）があるが、これらに限らない。
【００５９】
金属錯体及び金属色素指示薬を含有する被分析物特異的試薬用のｐＨ調節剤は、センサ処方のｐＨがｐＨ＝７に維持されるように選択する。適当なｐＨ調節剤の例には、生物学的緩衝剤、例えばグッドの緩衝液又はアミン類がある。使用できる生物学的緩衝剤の例には、ＨＥＰＥＳ（２−［４−（２−ヒドロキシエチル）−１−ピペラジニル］エタンスルホン酸）があるが、これに限らない。適当なアミン類の例には、シクロアミン化合物、特にシクロヘキシルアミン化合物があるが、これらに限らない。ｐＨ調節剤の濃度は、金属錯体及び色素との接触時に、色素の色転移が起こるか、吸光度の変化が起こるように、選択する。
【００６０】
一態様では、内蔵式センサは金属錯体、色素及びスルホン酸ｐＨ調節剤を、非水溶剤に溶解した状態で含有する。別の態様では、内蔵式センサは金属錯体、色素及びアミンｐＨ調節剤を含有し、これらをポリマーマトリックス中に固定化して固体装置を形成する。
【００６１】
センサフィルムのポリマーマトリックスは所定の被分析物に対して透過性である。センサフィルムは、寸法（即ち分子量）、親水性／疎水性、相（即ち被分析物が液体か、気体か、固体か）、溶解度、イオン電荷、或いはコロイド状もしくは粒状物質の拡散阻止能に基づいて、被分析物に対して選択的に透過性であってもよい。一態様では、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリビニルアルコール又はこれらの組合せなどの添加剤を内蔵式センサに添加することができる。これらの添加剤は、ポリマーマトリックスを可塑化することによって、分析すべき化学種（この場合リン酸塩）に対するポリマーマトリックスの透過度を高めるのに役立つ。
【００６２】
本発明のセンサフィルムは、自立式としても、ガラス、プラスチック、紙又は金属のような基板上に配置してもよい。センサフィルムは、塗装、スプレー、スピンコート、浸漬、スクリーン印刷など当業者に周知の技術のいずれかを用いて、基板上に塗工又は配置することができる。一態様では、ポリマーマトリックスを被分析物特異的試薬及びｐＨ調節剤の共通溶剤に溶解し、次いで透明なプラスチック表面に浸漬塗布して薄い層を形成し、次いで暗所で数時間乾燥させる。或いはまた、被分析物特異的試薬を予め形成されたポリマーフィルムに直接適用することができる。
【００６３】
基板の表面を被覆するのに用いる溶液の濃度は、フィルムの厚さ及びその光学的特性に悪影響を与えないように、薄く、例えば約２０重量％〜約３０重量％の固形分の範囲に保つ。一態様では、フィルムの厚さは約１μｍ〜約６０μｍの範囲であり、別の態様では、フィルムの厚さは約２μｍ〜約４０μｍの範囲であり、他の態様では、フィルムの厚さは約５μｍ〜約２０μｍの範囲である。
【００６４】
一態様では、被分析物特異的試薬をセンサフィルムに付着するか、組み込むことができ、つぎに、そのセンサフィルムをＣＤ、ＤＶＤなどの光媒体ディスクの上に配置する。
【００６５】
別の態様では、センサフィルム上の被分析物特異的試薬は、光記憶媒体基板に適用された場合、センサスポットを形成する。ここで用いる用語「センサスポット」及び「センサ領域」は、互換性のある用語で、光記憶媒体ドライブを用いて感知するための所定空間位置にて、光記憶媒体の表面上に（或いは表面内に設けられているが、デジタル情報を担持する領域まで貫通しない凹所内に）配置されたセンサ材料を記述する。用途に応じて、センサスポットは環境中の物理的、化学的、生化学的、その他の変化に応答する。ある態様では、光記憶媒体に適用されたセンサフィルムは、適当な処理を行ってこのようなセンサスポットを形成することができる。このような適用方法は当業者に知られており、物理的マスキング系を含み、またネガ型及びポジ型ホトレジスト両方の適用を含む。或いはまた、光記憶媒体をポリマーフィルムで被覆した後、被分析物特異的試薬及びｐＨ調節剤をセンサスポットとして光記憶媒体物品に適用してもよい。
【００６６】
つぎにセンサを用いて水性試験サンプル中の化学種の存在を定性的かつ定量的に分析する。一態様では、試験サンプル中の濃度を測定する方法は、試験サンプルを前述した内蔵式センサと接触させ、この試験サンプルと内蔵式リン酸センサとの接触によって生じる内蔵式センサの光学的特性の変化を測定し、光学的特性の変化を濃度に変換する工程を含む。
【００６７】
センサの試験サンプルとの接触は、センサが溶液状態であるか、固体状態であるかに応じて、任意適当な機構又は技法で行うことができる。接触を生じる技法の例には、センサの溶液を試験サンプル溶液と混合する、センサのストリップを試験サンプル溶液に浸漬する、センサフィルムに試験サンプル溶液のスポットを付ける、センサを有する試験装置に試験サンプルを流す、などの技法があるが、これらに限らない。
【００６８】
接触後、センサの光学的特性の変化を光学的に測定する。光学的特性の変化は単純な定性的変化、例えばセンサの色の変化でよい。或いは、変化は定量的変化、例えば弾性もしくは非弾性散乱、吸収、光度、発光寿命又は偏光状態の変化でもよい。例えば、モリブデン酸アンモニウム、チアジン色素（例えばＡｚｕｒｅＣ）及びｐ−トルエンスルホン酸を有するセンサをサンプルと接触させると、センサの色が紫色から青色に変化し、６５０ｎｍの吸収ピークの変化が起こる。吸収ピークの変化（増加又は減少）を測定することによって、濃度を求めることができる。
【００６９】
一実施形態では、光学的応答の測定を、白色光源（例えばＯｃｅａｎＯｐｔｉｃｓ社（米国フロリダ州デューンディン所在）製のタングステンランプ）及び携帯式分光計（例えばＯｃｅａｎＯｐｔｉｃｓ社（米国フロリダ州デューンディン所在）製のモデルＳＴ２０００）を含む光学システムを用いて行うことができる。分光計に、４００ｎｍにブレーズした６００溝／ｍｍ格子と、線状ＣＣＤアレイ検出器とを取り付ける。分光計が２５０ｎｍから８００ｎｍまでの、さらには１１００ｎｍまでのスペクトル範囲を３０％超えの効率でカバーするのが望ましい。ランプからの光を、集合６心の二叉光ファイバ反射プローブ（例えばＯｃｅａｎＯｐｔｉｃｓ社（米国フロリダ州デューンディン所在）製のモデルＲ４００−７−ＵＶ／ＶＩＳ）のアームの１つに収束する。プローブの共通アームがセンサ材料を照射する。プローブの第２アームは分光計に連結されている。蛍光測定のために、光源からの光を予め濾波して有効な励起波長を選択する。蛍光発光を同じセットアップ（但し発光ロングパスフィルタを含む）で集める。応答を測定する他の既知の方法を用いてもよい。
【００７０】
光学的特性の変化を測定後、光学的特性の変化をリン酸塩濃度に変換することによってサンプル中の濃度を求めることができる。この変換は、検量線を用いて行うことができる。既知の濃度の試験サンプルとの接触後にセンサの光学的特性の変化を測定することによって、検量線を描くことができる。検量線を描いた後、この検量線を用いて、未知の試験サンプル中の濃度を求めることができる。一態様では、試験サンプルとの接触後のセンサの吸光度の変化が濃度に正比例している。本発明の一実施形態の内蔵式センサを、広い濃度範囲の化学種の感知に用いることができる。
【００７１】
フィルムは、ポリマー溶液をスライドガラス上のくぼみに堆積するなど、当業者に周知の適当な方法により、製造することができる。一例では、ダイ切断した、接着剤裏打ちポリマーマスク層でくぼみを生成する。つぎに、フィルムを所定量のサンプル溶液に曝露する。フィルムの曝露後、各フィルムの吸光度を、既知の方法で、指示薬の極大吸光ピークに等しいか近い波長で測定する。センサフィルムから測定された平均吸光度を用いて、サンプルのアルカリ度を定量する。この方法は、吸光度測定に依拠しており、そしてフィルムのすべてが色を変えても有効に作用する。さらに、比色測定のほかに、蛍光その他の光学的測定も可能である。
【００７２】
本発明の別の実施形態では、本発明者らは、予期せざることには、ある種のポリマーを添加剤（もしくはブレンド）としてポリマー処方に添加すると、この添加剤がある濃度にあれば、信号の増強が達成されることを見出した。この濃度より高くても低くても、効果が低減する。この効果は、色素、２−［２−［３−［（１，３−ジヒドロ−３，３−ジメチル−１−プロピル−２Ｈ−インドール−１−イリデン）エチリデン］−２−フェノキシ−１−シクロヘキセン−１−イル］エテニル］−３，３−ジメチル−１−プロピルインドリウム過塩素酸塩（ＩＲ７６８過塩素酸塩ともいう）の適用例で発見された。ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）の添加は、最高試験濃度での残りの吸光度によりセンサ信号変化を正規化する場合に、センサフィルムの相対応答の向上をもたらした。
【００７３】
内蔵式センサを用いて濃度を測定する方法を、添付図面を参照してさらに説明する。図１は、基板２０上にフィルム３０として配置された内蔵式センサ１０の断面図である。フィルム３０は、被分析物特異的試薬５０及びｐＨ調節剤６０を含有する（図３）。被分析物特異的試薬５０はモリブデン塩又は金属錯体及び色素を含有することができる。
【００７４】
図２は、試験サンプル４０と接触している内蔵式センサ１０の断面図である。センサ１０を試験サンプル４０と接触させる方法は、当業者に周知の従来手段により行うことができ、センサ１０の全体又は一部を試験サンプル４０と接触関係にすればよい。
【００７５】
図３は、試験サンプル４０との接触後の、センサの光学的特性の変化８０を生じている、内蔵式センサ１０の断面図である。図３はさらに、被分析物特異的試薬５０及びｐＨ調節剤６０を試験すべき試料７０と接触させることによってもたらされた光学的特性の変化の拡大部分を示す。
【００７６】
内蔵式センサ１０の用途には、水処理産業、環境モニタリング、臨床診断、そして採鉱、冶金プロセスなど他の産業界における物質の分析があるが、これらに限定されない。
【実施例】
【００７７】
以下に、本発明を実施例に関連してさらに具体的に説明する。なお、以下の実施例は具体的な説明のために提示するものであって、すべてを網羅するものでも、本発明を開示した形態だけに限定するものでもない。
【００７８】
実施例１：リン酸センサ
以下の試験では、１Ｈ−ＮＭＲ吸収法、ガスクロマトグラフィ・質量分析法（ＧＣ／ＭＣ）及び高速電子衝撃分光分析（ＦＡＢ）を用いて、反応生成物を分析した。センサ装置応答は、光ファイバプローブを取り付けたＯｃｅａｎＯｐｔｉｃｓ分光光度計を用いて測定した。装置に対して約４５°〜約９０°の範囲の角度にプローブを配向した。
【００７９】
試験１：ｈ−ＢＰＭＰ（２，６−ビス（ビス（２−ピリジルメチル）アミノメチル）−４−メチルフェノール）の合成
スキーム１にしたがってｈ−ＢＰＭＰの合成を行った。２，６−ビス（ヒドロキシメチル）−４−メチルフェノール（スキーム１中のＡ）を、塩化チオニルのジクロロメタン溶液を用いて塩素化した（収率８５％）。生成物、２，６−ビス（クロロメチル）−４−メチルフェノール（スキーム１中のＢ）をビスピリジンアミンに曝露して、配位子（スキーム１中のＣ）を生成した（収率７０％）。
【００８０】
２，６−ビス（クロロメチル）−４−メチルフェノールの合成：
２，６−ビス（ヒドロキシメチル）−４−メチルフェノールのジクロロメタン（ＤＣＭ）２５ｍＬへの懸濁液を、塩化チオニルのＤＣＭ５０ｍＬへの溶液に添加した。添加後、混合物を１０分間かきまぜた。すぐに反応が生じ、すべての固形分が溶解した。琥珀色の溶液を４８時間かきまぜた。反応溶液を１００ｇの氷に注ぎ、水層をＮａＯＨでｐＨ＝７に中和した。有機材料を分離し、水性層を各５０ｍＬのＤＣＭで３回抽出した。合わせた有機層をＭＳで乾燥し、濾過し、蒸発乾固した。５．２ｇ（８５％）の材料Ｂを琥珀色オイルとして得た。１Ｈ−ＮＭＲから、約９０％の生成物形成が確認された。ＧＣＭＳは、修正分子イオンピーク（Ｍ＋）を２０５ｍ／ｚに示した。上記反応の粗生成物をそのままつぎの工程に用いた。不安定な生成物をその後２４時間以内に使用した。
【００８１】
ｈ−ＢＰＭＰの合成：
２，６−ビス（クロロメチル）−４−メチルフェノールを１５ｍＬのＴＨＦに溶解し、ついでＮ2中で、ビス（２−ピリジン）アミン及びトリエチルアミンを５ｍＬのＴＨＦに溶解した溶液で処理した。添加を０℃で１時間行った。最終懸濁液を４８時間撹拌し、濾過し、減圧下で濃縮した。残留物を２０ｍＬの水で処理し、各３０ｍＬのＤＣＭで３回抽出した。有機材料をドライ濾過し、蒸発した。残留物をＳｉＯ2中でアセトン溶離液のクロマトグラフィ処理した。１．７１ｇ（７０％）の材料Ｃを琥珀色固体として得た。ＦＡＢは修正分子イオンピーク（Ｍ＋）を５３１ｍ／ｚに示した。１Ｈ−ＮＭＲは正しい生成物と一致した。
【００８２】
【化１】
以下の実施例では、実施形態に記載した通りの内蔵式リン酸センサの製造と試験をさらに具体的に説明する。スキーム２は、実施例２及び３に記載したような水性試験サンプル中のリン酸塩を感知する機構を具体的に示す。スキーム３は、実施例４〜１４に記載したような水性試験サンプル中のリン酸塩を試験する機構を具体的に示す。
【００８３】
【化２】
試験２：Ｄｏｗａｎｏｌ中にｈ−ＰＢＭＰ−Ｚｎ−ＰＣバイオレット錯体を含有するセンサの製造と試験
１００ｍＬのＤｏｗａｎｏｌ中で３つの基本溶液を調製した。Ａ）ＺｎＢｒ（ＦＷ＝１４５．３）、７．７ｍｇ、０．０５３ｍｍｏｌ、Ｂ）ｈ−ＢＰＭＰ（ＦＷ＝５３０）、２８ｍｇ、０．０５３ｍｍｏｌ、Ｃ）ＰＣバイオレット（ＦＷ＝４０８．４）、２１．５ｍｇ、０．０５３ｍｍｏｌ。少量（１．０ｍＬ）のＡ溶液に１．０ｍＬのＢ溶液を添加し、ついで１．０ｍＬのＣ溶液を添加した。この混合物に、２−［４−（２−ヒドロキシエチル）−１−ピペラジニル］エタンスルホン酸（ＨＥＰＥＳ）のＤｏｗａｎｏｌ溶液（ｐＨ７）を添加し、緑かかった青色の溶液を得た。少量（１．０ｍＬ）の溶液を２ｍＬのＤｏｗａｎｏｌで希釈し、ｐＨ６．９のＤＩ水を標準として用いて、ｐＨ６．９のＰＯ4-3水溶液に曝露した。曝露時間３分。４００〜９００ｎｍの範囲でＵＶ−Ｖｉｓスペクトルを記録した。
【００８４】
図４は、上記装置について異なるリン酸塩濃度でのスペクトルの１群を示す。
【００８５】
試験３：ポリマーマトリックス中にｈ−ＰＢＭＰ−Ｚｎ−ＰＣバイオレット錯体を含有するセンサの製造と試験
１００ｍＬのＤｏｗａｎｏｌ中で３つの基本溶液を調製した。Ａ）ＺｎＢｒ（ＦＷ＝１４５．３）、７．７ｍｇ、０．０５３ｍｍｏｌ、Ｂ）ｈ−ＢＰＭＰ（ＦＷ＝５３０）、２８ｍｇ、０．０５３ｍｍｏｌ、Ｃ）ＰＣバイオレット（ＦＷ＝４０８．４）、２１．５ｍｇ、０．０５３ｍｍｏｌ。少量（０．６ｍＬ）のＡ溶液に０．６ｍＬのＢ溶液を添加し、ついで０．６ｍＬのＣ溶液を添加した。この混合物に、２０％ｐＭＭＡ／ｐＨＥＭＡ（１：３）及び３重量％のジシクロヘキシルアミンのＤｏｗａｎｏｌ溶液１．８ｍＬを添加し、緑かかった青色の溶液を得た。２枚の３Ｍスコッチマジックテープ（登録商標）（フィルム厚さ約１２μｍ）を用いて、５ｘ１０ｃｍポリカーボネートシート（厚さ０．５ｍｍ）を上記溶液で被覆した。被覆したシートを２時間空気乾燥し、ｐＨ６．９のＤＩ水を標準として用いて、ｐＨ６．９のＰＯ4-3水溶液に曝露した。曝露時間３〜５分。ＯｃｅａｎＯｐｔｉｃｓ分光光度計を用いて、４００〜９００ｎｍの範囲で、４５°〜９０°の角度で、背景としての白紙の上にポリカーボネートを用いて、フィルムの読み取りを行った。
【００８６】
図５は、上記装置について異なるリン酸塩濃度でのスペクトルの１群を示す。図６は、６５０ｎｍでの吸光度をリン酸塩濃度の関数としてプロットすることによって得た、上記装置についての検量線を示す。
【００８７】
【化３】
試験４：水中にＡｚｕｒｅＣ及びモリブデン酸塩を含有するセンサの製造と試験：紫色−青色反応
ｐ−トルエンスルホン酸（ＴｓＯＨ）、モリブデン酸アンモニウム及びＡｚｕｒｅＣをＤＩ水に所定濃度で溶解した。１ｃｍの使い捨てキュベット内で、０．０５ＭのＴｓＯＨ溶液２ｍＬを０．０６８Ｍのモリブデン酸アンモニウム溶液０．２５ｍＬと混合し、ついでＡｚｕｒｅＣ溶液（１０ｍＬの水中に１０ｍｇ、Ａｌｄｒｉｃｈ２４２１８７）０．１ｍＬと混合した。異なる濃度のリン酸塩の水性サンプル約０．５ｍＬを上記溶液に添加した。４００〜９００ｎｍの範囲でＵＶ−Ｖｉｓスペクトルを記録した。
【００８８】
図７は、上記装置について異なるリン酸塩濃度でのスペクトルの１群を示す。図８は、６５０ｎｍでの吸光度をリン酸塩濃度の関数としてプロットすることによって得た、上記装置についての検量線を示す。
【００８９】
試験５：水中にＡｚｕｒｅＢ及びモリブデン酸塩を含有するセンサの製造と試験：紫色−青色反応
ｐ−トルエンスルホン酸（ＴｓＯＨ）、モリブデン酸アンモニウム及びＡｚｕｒｅＢをＤＩ水に所定濃度で溶解した。１ｃｍの使い捨てキュベット内で、０．０５ＭのＴｓＯＨ溶液２ｍＬを０．０６８Ｍのモリブデン酸アンモニウム溶液０．２５ｍＬと混合し、ついでＡｚｕｒｅＢ溶液（１０ｍＬの水中に４ｍｇ、Ａｌｄｒｉｃｈ２２７９３５）０．１ｍＬと混合した。異なる濃度のリン酸塩の水性サンプル約０．５ｍＬを上記溶液に添加した。４００〜９００ｎｍの範囲でＵＶ−Ｖｉｓスペクトルを記録した。
【００９０】
図９は、上記装置について異なるリン酸塩濃度でのスペクトルの１群を示す。
【００９１】
試験６：水中にＡｚｕｒｅＢ及びモリブデン酸塩を含有するセンサの製造と試験：青色−紫色反応
ｐ−トルエンスルホン酸（ＴｓＯＨ）、モリブデン酸アンモニウム及びＡｚｕｒｅＢをＤＩ水に所定濃度で溶解した。１ｃｍの使い捨てキュベット内で、０．５ＭのＴｓＯＨ溶液２ｍＬを０．０６８Ｍのモリブデン酸アンモニウム溶液０．２５ｍＬと混合し、ついでＡｚｕｒｅＢ溶液（１０ｍＬの水中に４ｍｇ、Ａｌｄｒｉｃｈ２２７９３５）０．１ｍＬと混合した。異なる濃度のリン酸塩の水性サンプル約０．５ｍＬを上記溶液に添加した。４００〜９００ｎｍの範囲でＵＶ−Ｖｉｓスペクトルを記録した。
【００９２】
図１０は、６５０ｎｍでの吸光度をリン酸塩濃度の関数としてプロットすることによって得た、上記装置についての検量線を示す。
【００９３】
試験７：水中にブリリアントクレジルブルー及びモリブデン酸塩を含有するセンサの製造と試験：青色−紫色反応
ｐ−トルエンスルホン酸（ＴｓＯＨ）をＤＩ水に所定濃度で溶解した。１ｃｍの使い捨てキュベット内で、０．００６８Ｍのモリブデン酸アンモニウム溶液（０．１５４ＭのＴｓＯＨ中）０．１ｍＬを０．１７８ＭのＢＣＢ溶液（Ａｌｄｒｉｃｈ８５８３７４）（０．１６６ＭのＴｓＯＨ中）０．１ｍＬと混合した。異なる濃度のリン酸塩の水性サンプル約２ｍＬを上記溶液に添加した。４００〜９００ｎｍの範囲でＵＶ−Ｖｉｓスペクトルを記録した。
【００９４】
図１１は、６２２ｎｍでの吸光度をリン酸塩濃度の関数としてプロットすることによって得た、上記装置についての検量線を示す。
【００９５】
試験８：水中にＡｚｕｒｅＢ及びモリブデン酸塩を含有するセンサの製造と試験：低濃度範囲検量
２インチのキュベット（光路長２．４３ｃｍ）にオルトリン酸サンプル（ＰＯ4として０〜８００ｐｐｂのリン酸塩を含有）２０ｍＬを入れた。ついで０．９１４ｇ（０．１７４ｍＭ）のＡｚｕｒｅＢ（１．５４ｍｏｌ／ｋｇのＴｓＯＨ中）及び１．０６３ｇ（０．０６８ｍｏｌ／ｋｇ）のモリブデン酸アンモニウム（１．５４ｍｏｌ／ｋｇのＴｓＯＨ中）をキュベットに添加した。試薬をサンプルに添加してから３分後にＨａｃｈＤＲ２０００で６５０ｎｍの吸光度を測定した。
【００９６】
図１２は、６５０ｎｍでの吸光度をリン酸塩濃度の関数としてプロットすることによって得た、上記装置についての検量線を示す。この方法についてのモル消衰係数を、検量線の傾斜から計算したところ、１４０７００Ｌ／（ｍｏｌ・ｃｍ）であった。
【００９７】
試験９：モリブデン酸塩及びＡｚｕｒｅＢを含有するセンサでの水道水サンプル中のリン酸塩濃度の測定
ｐ−トルエンスルホン酸（ＴｓＯＨ）、モリブデン酸アンモニウム及びＡｚｕｒｅＢをＤＩ水に所定濃度で溶解した。１ｃｍの使い捨てキュベット内で、０．２ＭのＴｓＯＨ溶液２ｍＬを０．０３４Ｍのモリブデン酸アンモニウム溶液０．２５ｍＬと混合し、ついでＡｚｕｒｅＢ溶液（１０ｍＬの水中に４ｍｇ）０．１ｍＬと混合した。水道水サンプル約０．５ｍＬを上記溶液に添加した。４００〜９００ｎｍの範囲でＵＶ−Ｖｉｓスペクトルを記録した。ＡＣＳ品位のリン酸三ナトリウムから調製したリン酸塩標準溶液で、検量線を得た。リン酸塩標準溶液は、ＨａｃｈＰｈｏｓＶｅｒ３法で標準化した：
［ＰＯ4］／ｐｐｍ＝−２．８６７・Ａ650＋５．９１５
サンプル中の未知のリン酸塩濃度を求めたところ、１．４５ｐｐｍであった。この値は、ＩＣＰによる分析値１．４７ｐｐｍ及びＨａｃｈ法による分析値１．２５ｐｐｍと一致した。この水サンプル中の他の汚染物質の測量を、ＩＣＰ発光分光計で行った。主要種は、Ｃａ６２ｐｐｍ、Ｍｇ１６ｐｐｍ、Ｓｉ５．２ｐｐｍであった。
【００９８】
試験１０：ポリマーマトリックス中にＡｚｕｒｅＢ及びモリブデン酸塩を含有するセンサの製造と試験
モリブデン酸アンモニウム及びＡｚｕｒｅＢを脱イオン化水又は１−メトキシ−２−プロパノール（ＤｏｗａｎｏｌＰＭ）に所定濃度で溶解した。９．１２ｍＭのＡｚｕｒｅＢ溶液０．１５ｍＬに０．６８Ｍのモリブデン酸アンモニウム溶液０．０５ｍＬを添加し、２０％ｐＨＥＭＡのＤｏｗａｎｏｌ溶液５ｇ中の０．３３ｇのＴｓＯＨを添加した。ポリカーボネートシートを薬剤混合物の薄い層でフローコートし、暗所で数時間乾燥することによって、センサ装置を製造した。最終フィルム厚さは５〜２０μｍであった。センサ装置を種々の濃度のリン酸塩の水性サンプル約５０μＬに曝露した。即ち、フィルム表面にスポット適用した。サンプルのスポット適用から２分後に液体サンプルを除去し、一定な空気流で乾燥した。この後、センサ装置をリン酸塩応答について測定した。装置を暗室内で平坦表面上に置いた。センサ装置の応答を、光ファイバプローブ付きの分光光度計を用いて測定した。プローブを装置に対して９０°の角度に配向した。白紙上のポリカーボネートを背景として使用した。
【００９９】
図１３は、上記装置について異なるリン酸塩濃度でのスペクトルの１群を示す。図１４は、６５０ｎｍでの吸光度をリン酸塩濃度の関数としてプロットすることによって得た、上記装置についての検量線を示す。
【０１００】
試験１１：ポリマーマトリックス中にマラカイトグリーン及びモリブデン酸塩を含有するセンサの製造と試験
マラカイトグリーン（８ｍｇ）、ＴｓＯＨ（１０５ｍｇ）及び０．５１Ｍのモリブデン酸アンモニウム溶液０．０５０ｍＬを２０％ｐＨＥＭＡ溶液２．５ｇ中で混合した。ポリカーボネートシートを薬剤混合物の薄い層でフローコートし、暗所で数時間乾燥することによって、センサ装置を製造した。最終フィルム厚さは５〜２０μｍであった。センサ装置を種々の濃度のリン酸塩の水性サンプル約２０μＬに曝露した。即ち、フィルム表面にスポット適用した。サンプルのスポット適用から２分後に液体サンプルを除去し、一定な空気流で乾燥した。この後、センサ装置をリン酸塩応答について測定した。装置を暗室内で平坦表面上に置いた。センサ装置の応答を、光ファイバプローブ付きの分光光度計を用いて測定した。プローブを装置に対して９０°の角度に配向した。白紙上のポリカーボネートを背景として使用した。
【０１０１】
図１５は、上記装置について異なるリン酸塩濃度でのスペクトルの１群を示す。図１６は、６５０ｎｍでの吸光度をリン酸塩濃度の関数としてプロットすることによって得た、上記装置についての検量線を示す。
【０１０２】
試験１２：ポリマーマトリックス中にベーシックブルー及びモリブデン酸塩を含有するセンサの製造と試験
ベーシックブルー３（５ｍｇ）、ＴｓＯＨ（１０５ｍｇ）及び０．５１Ｍのモリブデン酸アンモニウム溶液０．０２５ｍＬを２０％ｐＨＥＭＡ溶液２．５ｇ中で混合した。ポリカーボネートシートを薬剤混合物の薄い層でフローコートし、暗所で数時間乾燥することによって、センサ装置を製造した。最終フィルム厚さは５〜２０μｍであった。センサ装置を種々の濃度のリン酸塩の水性サンプル約２０μＬに曝露した。即ち、フィルム表面にスポット適用した。サンプルのスポット適用から２分後に液体サンプルを除去し、一定な空気流で乾燥した。この後、センサ装置をリン酸塩応答について測定した。装置を暗室内で平坦表面上に置いた。センサ装置の応答を、光ファイバプローブ付きの分光光度計を用いて測定した。プローブを装置に対して９０°の角度に配向した。白紙上のポリカーボネートを背景として使用した。
【０１０３】
図１７は、上記装置について異なるリン酸塩濃度でのスペクトルの１群を示す。図１８は、６５０ｎｍでの吸光度をリン酸塩濃度の関数としてプロットすることによって得た、上記装置についての検量線を示す。
【０１０４】
試験１３：ポリマーマトリックス中にメチレンブルー及びモリブデン酸塩を含有するセンサの製造と試験
２０％ｐＨＥＭＡのヒドロキシルエーテル系溶剤への溶液２．５ｇに、２ｍｇのメチレンブルー、５ｍｇのシュウ酸ナトリウム、１０μＬの０．６４Ｍの（ＮＨ4）6（Ｍｏ7Ｏ24）・Ｈ2Ｏ及び１０５ｍｇのＴｓＯＨを添加した。混合物を暗所で２１℃にて、すべての固形分が溶解するまで、撹拌した。透明プラスチック表面を薬剤混合物の薄い層でコートし、暗所で数時間乾燥することによって、装置を製造した。最終フィルム厚さは５〜２０μｍであった。装置を種々の濃度のリン酸塩の水性サンプル約５０μＬに曝露した。曝露時間は通常１２０秒であった。ついで水サンプルを除去し、フィルムを一定な空気流で乾燥した。この後、装置をリン酸塩応答について測定した。装置を暗室内で平坦表面上に置いた。センサ装置の応答を、光ファイバプローブ付きの分光光度計を用いて測定した。プローブを装置に対して９０°の角度に配向した。
【０１０５】
図１９は、上記装置について異なるリン酸塩濃度でのスペクトルの１群を示す。図２０は、６５０ｎｍでの吸光度をリン酸塩濃度の関数としてプロットすることによって得た、上記装置についての検量線を示す。
【０１０６】
試験１４：可塑化ポリマーマトリックス中にベーシックブルー及びモリブデン酸塩を含有するセンサの製造と試験
９ｍｇのベーシックブルー３、６７２ｍｇのＴｓＯＨ、３０２ｍｇのポリエチレングリコール４００、０．０７６ｍＬの０．６８Ｍモリブデン酸アンモニウム水溶液及び２４ｍｇのシュウ酸ナトリウムを１０．０ｇの２０％ｐＨＥＭＡ溶液中で混合した。ポリカーボネート基板上に薬剤混合物の薄い層をスクリーン印刷し、７０℃で５分間乾燥することによって、センサ装置を製造した。その後センサを暗所で室温及び外気湿度にて１１日間保存した。最終フィルム厚さは５〜２０μｍであった。センサ装置を種々の濃度のリン酸塩の水性サンプル約２０μＬに曝露した。即ち、フィルム表面にスポット適用した。サンプルのスポット適用から２分後に液体サンプルを除去し、一定な空気流で乾燥した。この後、センサ装置をリン酸塩応答について測定した。装置を暗室内で平坦表面上に置いた。センサ装置の応答を、光ファイバプローブ付きの分光光度計を用いて測定した。プローブを装置に対して７５°の角度に配向したが、別の角度でも同様の結果が得られた。ポリカーボネートを背景として使用した。
【０１０７】
図２１は、上記装置について異なるリン酸塩濃度でのスペクトルの１群を示す。図２２は、６５０ｎｍでの吸光度をリン酸塩濃度の関数としてプロットすることによって得た、上記装置についての検量線を示す。
【０１０８】
実施例２：モリブデン酸センサ
２０％のｐＨＥＭＡ（ＭＷ３００，０００）を１−メトキシ−２−プロパノール（ＤｏｗａｎｏｌＰＭ）に溶解した溶液１０．０ｇに、２０ｍｇのブロモピロガロールレッド及び４０ｍｇのｐ−トルエンスルホン酸を添加した。１時間撹拌した後、２０ｍｇのベンジルジメチルテトラデシルアンモニウムクロリド（ゼフィラミン）を添加した。さらに１時間撹拌した後、４０ｍｇのＬ−アスコルビン酸を添加し、混合物を室温で、固形分がすべて溶解するまで（少なくとも１２時間）、撹拌した。
【０１０９】
透明なプラスチック表面を薬剤混合物の薄い層で被覆し、暗所で数時間乾燥することによって、センサフィルムを製造した。最終フィルム厚さは１０〜２０μｍであった。
【０１１０】
センサフィルムを種々の濃度のモリブデン酸塩の水性サンプル約３０μＬに曝露した。曝露時間は通常１２０秒であった。ついで水サンプルを除去し、フィルムを一定な空気流で乾燥した。この後、センサフィルムをモリブデン酸塩応答について測定した。
【０１１１】
センサフィルムを暗室内で平坦表面上に置いた。センサフィルムの応答を、光ファイバプローブ付きのＯｃｅａｎＯｐｔｉｃｓ分光光度計を用いて測定した。プローブをセンサフィルムに対して９０°の角度に配向した。
【０１１２】
図２３は、上記センサフィルムについて異なるモリブデン酸塩濃度でのスペクトルの１群を示す。図２４は上記センサフィルムについての応答曲線を示す。
【０１１３】
実施例３：マグネシウムセンサ
薬剤混合物の調製：２０％のｐＨＥＭＡ（ＭＷ３００，０００）を１−メトキシ−２−プロパノール（ＤｏｗａｎｏｌＰＭ）に溶解した溶液１０．０ｇに、５０ｍｇのキシリジルブルー１のナトリウム塩及び３００ｍｇのテトラブチルアンモニウムブロミド（ＴＢＡＢ）を添加した。１時間撹拌した後、ポリエチレンイミン（低分子量Ｍｎ約１０００、無水）を１−メトキシ−２−プロパノール（ＤｏｗａｎｏｌＰＭ）に溶解した４０重量％溶液５００ｍｇを添加した。さらに１時間撹拌した後、４００ｍｇのエチレングリコール−ビス（アミノエチルエーテル）−Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−四酢酸の四ナトリウム塩（ＥＧＴＡ−Ｎａ４）を添加し、混合物を室温で、固形分がすべて溶解するまで（少なくとも１２時間）、撹拌した。
【０１１４】
図２５は、上記センサフィルムについて異なるマグネシウム濃度でのスペクトルの１群を示す。図２６は上記センサフィルムについての応答曲線を示す。
【０１１５】
実施例４：硬度センサ
薬剤混合物の調製：２０％のｐＨＥＭＡ（ＭＷ３００，０００）を１−メトキシ−２−プロパノール（ＤｏｗａｎｏｌＰＭ）に溶解した溶液１０．０ｇに、キシリジルブルーＩのナトリウム塩５０ｍｇ及びポリエチレンイミン（低分子量Ｍｎ約１０００、無水）を１−メトキシ−２−プロパノール（ＤｏｗａｎｏｌＰＭ）に溶解した４０重量％溶液５００ｍｇを添加した。混合物を室温で、固形分がすべて溶解するまで（少なくとも１２時間）、撹拌した。
【０１１６】
図２７は、上記センサフィルムについて異なる硬度濃度でのスペクトルの１群を示す。図２８は上記センサフィルムについての応答曲線を示す。
【０１１７】
実施例５：カルシウムセンサ
薬剤混合物の調製：２０％のｐＨＥＭＡ（ＭＷ３００，０００）を１−メトキシ−２−プロパノール（ＤｏｗａｎｏｌＰＭ）に溶解した溶液１０．０ｇに、クロロホスホナゾＩＩＩ２５ｍｇ及びｐ−トルエンスルホン酸２００ｍｇを添加した。混合物を室温で１時間撹拌した後、６０ｍｇのトリドデシルメチルアンモニウムクロリド（ＴＤＭＡＣ）を添加した。混合物を室温で、固形分がすべて溶解するまで（少なくとも１２時間）、撹拌した。
【０１１８】
図２９は、上記センサフィルムについて異なるカルシウム濃度でのスペクトルの１群を示す。図３０は上記センサフィルムについての応答曲線を示す。
【０１１９】
実施例６：亜硫酸センサ
薬剤混合物の調製：２０％のｐＨＥＭＡ（ＭＷ３００，０００）を１−メトキシ−２−プロパノール（ＤｏｗａｎｏｌＰＭ）に溶解した溶液１０．０ｇに、ブリリアントグリーン８ｍｇ及びテトラブチルアンモニウムブロミド（ＴＢＡＢ）１２０ｍｇを添加した。混合物を室温で、固形分がすべて溶解するまで（少なくとも１２時間）、撹拌した。
【０１２０】
図３１は、上記センサフィルムについて異なる亜硫酸塩濃度でのスペクトルの１群を示す。図３２は上記センサフィルムについての応答曲線を示す。
【０１２１】
実施例７：亜硫酸センサＩＩ
（高アルカリ度、高ｐＨ水サンプルに耐えるように製造）
本実施例は、第１フィルムを第２緩衝フィルムでオーバーコートすることによって、薬剤（亜硫酸塩）フィルムを緩衝する可能性を具体的に説明する。２層フィルムは、極端な水環境（極めて高いｐＨ（ｐＨ１２）及び極めて高いアルカリ度（１０００ｍｇ／Ｌのモルアルカリ度））における目的被分析物（亜硫酸塩）の測定を可能にする方法を実現する。第１フィルムを第２緩衝フィルムでオーバーコートしないと、センサフィルムは、水サンプルの高ｐＨに応答するが、目的被分析物（亜硫酸塩）に応答しない傾向がある。
【０１２２】
薬剤混合物Ｉの調製：２５％のｐＨＥＭＡ（ＭＷ３００，０００）をジ（エチレングリコール）メチルエーテル（ＤｏｗａｎｏｌＤＭ）及び１−メトキシ−２−プロパノール（ＤｏｗａｎｏｌＰＭ）の６５／３５（重量％）混合液に溶解した溶液１０．０ｇに、ブリリアントグリーン８ｍｇ、テトラブチルアンモニウムブロミド（ＴＢＡＢ）１２０ｍｇ及び２００ｍＬの水に溶解したリン酸二水素カリウム（ＫＨ2ＰＯ4）３６ｍｇを添加した。混合物を室温で、固形分がすべて溶解するまで（少なくとも１２時間）、撹拌した。透明なプラスチック表面を薬剤混合物の薄い層で被覆し、暗所で数時間乾燥することによって、センサフィルムを製造した。最終フィルム厚さは５〜２０μｍであった。
【０１２３】
薬剤混合物ＩＩの調製：２５％のｐＨＥＭＡ（ＭＷ３００，０００）をジ（エチレングリコール）メチルエーテル（ＤｏｗａｎｏｌＤＭ）及び１−メトキシ−２−プロパノール（ＤｏｗａｎｏｌＰＭ）の６５／３５（重量％）混合液に溶解した溶液１０．０ｇに、テトラブチルアンモニウムブロミド（ＴＢＡＢ）１２０ｍｇ及び２００ｍＬの水に溶解したリン酸二水素カリウム（ＫＨ2ＰＯ4）３６ｍｇを添加した。混合物を室温で、固形分がすべて溶解するまで（少なくとも１２時間）、撹拌した。薬剤混合物ＩＩを透明なプラスチック表面上に形成した薬剤混合物Ｉの乾燥フィルム上に被覆し、暗所で数時間乾燥した。合計の最終フィルム厚さは１０〜４０μｍであった。
【０１２４】
図３３は、上記装置について異なる亜硫酸塩濃度でのスペクトルの１群を示す。亜硫酸塩濃度は、高アルカリ度（１０００ｍｇ／Ｌのモルアルカリ度）かつ高ｐＨ（ｐＨ１２）の水マトリックス中で調製した。図３４は上記装置についての応答曲線を示す。
【０１２５】
実施例８：アルカリ度センサ
本実施例で用いる酸はｐ−トルエンスルホン酸であり、用いる指示薬はブロモクレゾールグリーン（ｐＫａ＝４．９、水性相中）である。ポリマー溶液組成を表２に示す。８μＬのポリマー溶液をスライドガラスのくぼみに堆積することによって、フィルムを作製した。くぼみ（直径５．４ｍｍ、深さ０．３２ｍｍ）は、ダイ切断、接着剤裏当てポリマーマスク層で形成した。試験中はマスク層を除去しなかった。６５０ｎｍの平均吸光度を用いて、サンプルの総アルカリ度を定量する。検量線を図３５に示す。
【０１２６】
【表２】
実施例９：塩素センサ
一実施形態では、ナフィオンポリマーをセンサ処方に添加した。ナフィオンを添加すると、センサ信号変化を最高試験濃度での残りの吸光度により正規化した場合の、センサフィルムの相対応答が向上した。この濃度の上下では、効果が低下した。指示薬としては、２−［２−［３−［（１，３−ジヒドロ−３，３−ジメチル−１−プロピル−２Ｈ−インドール−１−イリデン）エチリデン］−２−フェノキシ−１−シクロヘキセン−１−イル］エテニル］−３，３−ジメチル−１−プロピルインドリウム過塩素酸塩、別名ＩＲ７６８過塩素酸塩が適当である。
【０１２７】
図３６は、漸増する量のナフィオン溶液を２０００μＬの色素処方に添加した場合に、５６６ｎｍで測定した場合の応答感度の向上を示す。この向上は、図３７に示すように、２ｐｐｍ塩素への曝露時のセンサ信号としてプロットすることができる。本図は、ｐＨＥＭＡ中のナフィオンの濃度に、最高センサ応答が得られる非直観的臨界領域が存在することを示す。
【０１２８】
以上、本発明を代表的な実施形態について説明したが、本発明の要旨から逸脱することなく種々の変更や置き換えが可能であるので、以上の説明は本発明を記述細部に限定するものではない。当業者であれば、ごく普通の実験を行うだけで、上記説明のさらなる変更例や等価物が想起できるはずであり、このような変更例や等価物も特許請求の範囲に包含される。
【図面の簡単な説明】
【０１２９】
【図１】本発明の一実施形態にしたがって構成された基板上にフィルムとして配置された内蔵式センサの断面図である。
【図２】試験サンプルと接触している図１の内蔵式センサの断面図である。
【図３】試験サンプルとの接触後にリン酸センサの光学的特性に変化を生じた、図１の内蔵式センサの断面図である。
【図４】ｈ−ＰＢＭＰ−Ｚｎ−ＰＣバイオレット錯体をＤｏｗａｎｏｌ中に含有する図１の内蔵式センサの実施形態についての異なるリン酸塩濃度でのスペクトルの１群を示す図である。
【図５】ｈ−ＰＢＭＰ−Ｚｎ−ＰＣバイオレット錯体をポリマーマトリックス中に含有する図１の内蔵式センサの実施形態についての異なるリン酸塩濃度でのスペクトルの１群を示す図である。
【図６】ｈ−ＰＢＭＰ−Ｚｎ−ＰＣバイオレット錯体をＤｏｗａｎｏｌ中に含有する図１の内蔵式センサの実施形態について、６５０ｎｍの吸光度をリン酸塩濃度の関数としてプロットして得た検量線を示す図である。
【図７】ＡｚｕｒｅＣ及びモリブデン酸塩を水中に含有する図１の内蔵式センサの実施形態についての異なるリン酸塩濃度でのスペクトルの１群を示す図である。
【図８】ＡｚｕｒｅＣ及びモリブデン酸塩を水中に含有する図１の内蔵式センサの実施形態について、６５０ｎｍの吸光度をリン酸塩濃度の関数としてプロットして得た検量線を示す図である。
【図９】ＡｚｕｒｅＢ及びモリブデン酸塩を水中に含有する図１の内蔵式センサの実施形態についての異なるリン酸塩濃度でのスペクトルの１群を示す図である。
【図１０】ＡｚｕｒｅＢ及びモリブデン酸塩を水中に含有する図１の内蔵式センサの実施形態について、６５０ｎｍの吸光度をリン酸塩濃度の関数としてプロットして得た検量線を示す図である。
【図１１】ブリリアントクレジルブルー及びモリブデン酸塩を水中に含有する図１の内蔵式センサの実施形態について、６２２ｎｍの吸光度をリン酸塩濃度の関数としてプロットして得た検量線を示す図である。
【図１２】ＡｚｕｒｅＢ及びモリブデン酸塩を水中に含有する図１の内蔵式センサの実施形態について、６５０ｎｍの吸光度をリン酸塩濃度の関数としてプロットして得た低濃度検量線を示す図である。
【図１３】ＡｚｕｒｅＢ及びモリブデン酸塩をポリマーマトリックス中に含有する図１の内蔵式センサの実施形態についての異なるリン酸塩濃度でのスペクトルの１群を示す図である。
【図１４】ＡｚｕｒｅＢ及びモリブデン酸塩をポリマーマトリックス中に含有する図１の内蔵式センサの実施形態について、６５０ｎｍの吸光度をリン酸塩濃度の関数としてプロットして得た検量線を示す図である。
【図１５】マラカイトグリーン及びモリブデン酸塩をポリマーマトリックス中に含有する図１の内蔵式センサの実施形態についての異なるリン酸塩濃度でのスペクトルの１群を示す図である。
【図１６】マラカイトグリーン及びモリブデン酸塩をポリマーマトリックス中に含有する図１の内蔵式センサの実施形態について、６５０ｎｍの吸光度をリン酸塩濃度の関数としてプロットして得た検量線を示す図である。
【図１７】ベーシックブルー及びモリブデン酸塩をポリマーマトリックス中に含有する図１の内蔵式センサの実施形態についての異なるリン酸塩濃度でのスペクトルの１群を示す図である。
【図１８】ベーシックブルー及びモリブデン酸塩をポリマーマトリックス中に含有する図１の内蔵式センサの実施形態について、６５０ｎｍの吸光度をリン酸塩濃度の関数としてプロットして得た検量線を示す図である。
【図１９】メチレンブルー及びモリブデン酸塩をポリマーマトリックス中に含有する図１の内蔵式センサの実施形態についての異なるリン酸塩濃度でのスペクトルの１群を示す図である。
【図２０】メチレンブルー及びモリブデン酸塩をポリマーマトリックス中に含有する図１の内蔵式センサの実施形態について、６５０ｎｍの吸光度をリン酸塩濃度の関数としてプロットして得た検量線を示す図である。
【図２１】ベーシックブルー及びモリブデン酸塩を可塑化ポリマーマトリックス中に含有する図１の内蔵式センサの実施形態についての異なるリン酸塩濃度でのスペクトルの１群を示す図である。
【図２２】ベーシックブルー及びモリブデン酸塩を可塑化ポリマーマトリックス中に含有する図１の内蔵式センサの実施形態について、６５０ｎｍの吸光度をリン酸塩濃度の関数としてプロットして得た検量線を示す図である。
【図２３】本発明の別の実施形態によるモリブデン酸センサフィルムの異なるモリブデン酸塩濃度での吸収スペクトルを示す図である。
【図２４】図２３のセンサフィルムについての応答曲線を示す図である。
【図２５】本発明の別の実施形態によるマグネシウムセンサの異なるマグネシウム濃度での吸収スペクトルを示す図である。
【図２６】図２５のセンサフィルムについての応答曲線を示す図である。
【図２７】本発明の別の実施形態による硬度センサの異なるマグネシウム濃度での吸収スペクトルを示す図である。
【図２８】図２７のセンサフィルムについての応答曲線を示す図である。
【図２９】本発明の別の実施形態によるカルシウムセンサの異なるカルシウム濃度での吸収スペクトルを示す図である。
【図３０】図２９のセンサフィルムについての応答曲線を示す図である。
【図３１】本発明の別の実施形態による亜硫酸センサの異なる亜硫酸塩濃度での吸収スペクトルを示す図である。
【図３２】図３１のセンサフィルムについての応答曲線を示す図である。
【図３３】本発明の別の実施形態による亜硫酸センサについての異なる亜硫酸塩濃度でのスペクトルの１群を示す図である。
【図３４】図３３のセンサフィルムについての応答曲線を示す図である。
【図３５】アルカリ度センサの検量線を示す図である。
【図３６】ｐＨＥＭＡセンサフィルム中に漸増する濃度のナフィオンポリマーを添加した場合の応答感度の向上を示す図である。
【図３７】図３６の向上を２ｐｐｍ塩素への曝露時のセンサ信号としてプロットした図で、ｐＨＥＭＡ中のナフィオンの濃度に、最高センサ応答が得られる非直観的臨界領域が存在することを示す。
【符号の説明】
【０１３０】
１０ 内蔵式センサ
２０ 基板
３０ フィルム
４０ 試験サンプル
５０ 被分析物特異的試薬
６０ ｐＨ調節剤
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広義にはサンプルの光分析に用いるセンサに関し、特に化学種の微小濃度を測定するセンサ用材料組成物及びセンサを用いて化学種の微小濃度を測定する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
流体中の揮発性及び非揮発性化合物を定量するセンサ方法及びセンサフィルムは当技術分野で周知である。代表的には、特別にこの目的に設計された専用のセンサシステムを用いて、これらのパラメータの定量を行う。これらのセンサシステムは、電気化学、光、音響及び磁気など様々な原理に基づいて作動する。例えば、センサシステムを用いて、生物学、化学及び生化学的サンプルの光検出を行う。比色液体及び固体試薬で作動する様々な分光センサが開発されている。実際、分析化学における分光測光指示薬（インジケータ）は、多数の市販の光センサ及びプローブに最適な試薬となっている。
【０００３】
光センサは他の形式のセンサに比べて多数の利点を有するが、中でも変換原理の範囲が広いことがもっとも重要である。光センサは他のセンサが適用できない被分析物（アナライト）にも応答できる。また、光センサでは、被分析物の分光的特徴を測定する「直接」的被分析物検出だけでなく、感知用試薬を用いる「間接」的被分析物測定も行うことが可能である。このような試薬は、分析すべき化学種と相互作用すると、その光学的特性、例えば弾性又は非弾性散乱、吸収、光度、発光寿命又は偏光状態に変化を生じる。この種の間接的検出は化学的選択性と分光測定により与えられる測定値とを組合せ、多くの場合、試薬なしでは面倒な干渉作用を克服することができる。
【０００４】
分光測光指示薬は元々水性用途に開発されているので、分光指示薬の固体支持体への固定化は、光感知に応用する上での肝要な問題である。試薬型光センサ用のポリマー材料はしばしば複雑な多成分組成物である。重要な処方成分には、化学的に敏感な試薬（指示薬）、ポリマーマトリックス、補助添加剤及び共通溶剤もしくは溶剤混合物が含まれる。しかし、ある所望の官能価を生成するセンサ材料の最良処方を予想するのは困難である。
【０００５】
例えば、リン酸塩（ホスフェート）は水処理産業においてしばしば分析される物質である。リン酸塩分析は、環境モニタ、臨床診断で、そして採鉱や冶金プロセスなどの他の産業界でもよく行われる。リン酸塩分析には普通光センサを用いる。
【０００６】
リン酸塩を測定する光学的方法としては、モリブデンブルー法がよく用いられている。モリブデンブルー法の基本的機構では、オルトリン酸塩とモリブデン酸塩との反応によりヘテロポリ酸（ＨＰＡ）を形成する。モリブデン酸を形成し、ついで酸性条件で還元剤を用いて還元すると、発色する。ＨＰＡ化学に基づく水溶液中のリン酸塩分析法はほかにもいくつか知られている。バナドモリブドリン酸法、モリブデン−塩化第一錫法、カチオン色素−ＨＰＡ錯体法などである。ＨＰＡ法は、被分析物との接触後にセンサの色変化が起こる比色法、及び／又は被分析物との接触後にセンサの光学的特性に測定可能な変化が起こる測光法とすることができる。
【０００７】
ＨＰＡの形成に基づくリン酸分析用の既知の測光法は、強い酸性媒体を必要とし、センサ処方に濃硫酸溶液を使用することを必要とする。カチオン色素−ＨＰＡ錯体法の場合には、普通トリフェニルメタン色素を用いる。中性ｐＨのトリフェニルメタン溶液の吸収帯は通常色素−ＨＰＡ錯体の吸収帯と重複する。したがって、色素−ＨＰＡ錯体の形成による吸光度変化を顕現させるために、リン酸塩測定用の試験媒体のｐＨを色素の転移ｐＨより低く制御しなければならない。既知の測光法には、腐食性かつ有毒な試薬を必要とし、カチオン色素−ＨＰＡ錯体の場合にはｐＨ依存性が強いなど、いくつかの欠点がある。
【０００８】
リン酸塩分析のＨＰＡ法のもう一つの欠点はケイ酸塩干渉である。サンプル水中の３．０ｐｐｍのケイ酸塩がカチオン色素−ＨＰＡ錯体法を妨害することが知られている。よく用いられているモリブデンブルー法は、１０ｐｐｍまでのケイ酸塩濃度にしか耐えられないことが知られている。ケイ酸塩は天然水中に必ず存在し、したがってこのような場合にリン酸塩の低濃度を測定するのは、ケイ酸塩干渉のため、困難になる。
【０００９】
さらに、既知の測光法に用いられる試薬は通常非相溶性であり、リン酸塩測定へのアプローチが段階的になる。サンプルを予め試薬が存在する反応器（又は密閉位置）に添加し、ついで別に保存された還元剤に曝露する。試薬の不安定性と化学的相溶性の欠如とが単一反応器方式を妨害し、内蔵式センサの開発を阻止する。
【００１０】
センサを現場試験装置として都合良くかつ効率よく使用するために、内蔵式固体センサが必要とされる。光指示薬は元々水性用途に開発されているので、光指示薬の固体支持体への固定化は、光感知に応用する上での肝要な問題である。試薬の非相溶性と低ｐＨ要求とがこの固定化を妨げる。さらに、固体センサの低濃度への感度も問題である。例えば、米国特許第５８５８７９７号には、モリブデンブルー化学に基づくリン酸塩試験ストリップが、６ｐｐｍ以上でのみリン酸塩濃度に敏感であると記載されている。さらに、試薬安定性問題を抑制するために、モリブデンブルー試薬と還元剤とは別々の層に堆積しなければならない。
【特許文献１】米国特許第５８５８７９７号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
したがって、多数の定量的検定及び／又は他の生物学、化学及び物理環境パラメータの光分析を、高い再現性で行うのに簡単に使用できる、優れたセンサ感度、少ない干渉応答、高い安定性、その他の望ましいパラメータを与える、簡単なセンサが切実に求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
第１の態様では、本発明は、サンプル溶液中の化学種の濃度をセンサフィルムで定量測定する方法を提供する。本方法は、サンプル溶液中の化学種に曝露されると、紫外、可視又は近赤外スペクトル範囲の光学的特性を変化する指示薬を含有する化学組成を有するヒドロゲルセンサフィルムを製造する工程を含む。本方法は、さらに、センサフィルムを所定量のサンプル溶液に曝露する工程を含む。本方法は、さらに、光学走査装置を用いて、指示薬の極大吸収ピーク（λｍａｘ）近くの波長でセンサフィルムの吸光度を測定する工程を含む。本方法は、さらに、センサフィルムから測定された平均吸光度を用いて、サンプル溶液中の化学種の濃度を定量する工程を含む。
【００１３】
別の態様では、本発明は、サンプル溶液中の化学種の濃度を複数のセンサフィルムで定量測定する方法を提供する。本方法は、サンプル溶液中の化学種に曝露されると紫外、可視又は近赤外スペクトル範囲におけるその光学的特性を変化する複数のヒドロゲルセンサフィルムを製造する工程を含み、ここでヒドロゲルフィルムに添加される化学組成物がｐＨ指示薬、界面活性剤及び酸を含有する。本方法はまた、複数のセンサフィルムそれぞれの酸濃度を所定のパターンにしたがって変動させる工程を含む。本方法はまた、複数のセンサフィルムを所定量のサンプル溶液に曝露する工程を含む。本方法はさらに、光学走査装置を用いて、指示薬の極大吸収ピーク（λｍａｘ）近くの波長でセンサフィルムの吸光度を測定し、センサフィルムから測定された平均吸光度を用いて、サンプル溶液中の化学種の濃度を定量する工程を含む。
【００１４】
他の態様では、本発明は、サンプル溶液中に微小濃度で存在する化学種の濃度の測定に用いるセンサを提供する。本センサは、四級アンモニウム塩、四級ホスホニウム塩又は四級イミダゾリウム塩と、指示薬とを含有するヒドロゲルセンサフィルムを含む。指示薬は、サンプル溶液中の化学種に曝露されると紫外、可視又は近赤外スペクトル範囲におけるその光学的特性を変化する。指示薬は、四級アンモニウムイオンとイオン対を形成することによって、ヒドロゲルフィルム中に固定化される。ここで、四級アンモニウム塩の濃度がイオン対形成に必要な化学量論的量よりも実質的に高い。
【００１５】
さらに他の態様では、本発明は、サンプル中に微小濃度で存在する化学種の濃度の測定に用いるセンサを提供する。本センサは、指示薬と、化学種への応答のセンサ感度を高める添加剤とを含有するヒドロゲルセンサフィルムを含む。ここで、添加剤はポリマーであり、センサフィルムは、ヒドロゲル、指示薬及び第２ポリマーを共通溶剤混合物に溶解することによって製造される。指示薬は、サンプル溶液中の化学種に曝露されると紫外、可視又は近赤外スペクトル範囲におけるその光学的特性を変化する。
【００１６】
さらに他の態様では、本発明は、内蔵式リン酸センサを提供する。内蔵式リン酸センサは、１種以上の被分析物特異的試薬及び１種以上のｐＨ調節剤を含有する。内蔵式リン酸センサは、溶液状態で使用しても、固体装置として使用してもよい。内蔵式リン酸センサを用いて、試験サンプル中のリン酸塩濃度を測定する方法も記載される。
【００１７】
さらに他の態様では、被分析物特異的試薬は、モリブデン酸塩及び色素、そしてｐＨ調節剤としてスルホン酸を含有する。内蔵式リン酸センサは、さらに溶剤を含有してもよく、ポリマーマトリックス中に固定化してもよい。
【００１８】
さらに他の態様では、被分析物特異的試薬は、金属錯体及び色素、そしてｐＨ調節剤としてスルホン酸を含有する。内蔵式リン酸センサは、非水溶剤を含有してもよい。さらに他の態様では、被分析物特異的試薬は、金属錯体及び色素、そしてｐＨ調節剤としてアミンを含有する。内蔵式リン酸センサは、ポリマーマトリックス中に固定化してもよい。
【００１９】
本発明の実施形態によれば、試験サンプル中のリン酸塩を測定する方法も提供される。本方法は、試験サンプルを上述した内蔵式リン酸センサに接触させ、この試験サンプルと内蔵式リン酸センサとの接触によって生じる内蔵式リン酸センサの光学的特性の変化を測定し、光学的特性の変化をリン酸塩濃度に変換する工程を含む。
【００２０】
本発明及びその従来技術に対する利点は、以下の詳細な説明及び特許請求の範囲を添付の図面を参照しながら読むことで、明らかになるはずである。
【００２１】
、添付図面に関連した以下の本発明の実施形態の説明を参照することで、本発明の上記その他の特徴が一層明らかになり、また本発明の構成自体もよく理解できるはずである。
【００２２】
なお、すべての図面において、対応する参照符号は対応する要素を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下に、図面を参照しながら本発明を詳細に説明する。本発明を実施可能にするために、好適な実施形態を詳細に説明する。本発明を特定の好適な実施形態について説明するが、本発明はこれらの好適な実施形態に限定されない。反対に、本発明は、以下の詳細な説明から明らかになるように、多数の代替、変更及び均等な要素を包含する。
【００２４】
本発明は、サンプル中に微小濃度で存在する化学種の濃度を測定する優れたセンサ材料組成物及び方法に関する。本発明の内蔵式センサの実施形態は、水性もしくは非水性溶液の形態で用いることも、固体装置として用いることもできる。このような内蔵式センサは、被分析物の濃度の測定に試薬の後添加が不要であり、被分析物測定テストに必要な工程の数が最小であるという利点を有する。さらに、内蔵式センサは感度が高く、応答時間が速い。本発明の実施形態は、試験サンプル中の化学種の濃度を測定する方法も提供する。試験サンプル中の化学種の濃度は、濃度のわかっているサンプルを試験することによって描かれた検量線を用いて定量することができる。
【００２５】
一態様では、内蔵式センサは光センサである。光センサは他の形式のセンサに比べて多数の利点を有するが、中でも変換原理の範囲が広いことがもっとも重要である。光センサは他のセンサが適用できない被分析物にも応答できる。また、光センサでは、被分析物の分光的特徴を測定する「直接」的被分析物検出だけでなく、感知用試薬を用いる「間接」的被分析物測定も行うことが可能である。このような試薬は、分析すべき化学種と相互作用すると、その光学的特性、例えば弾性又は非弾性散乱、吸収、光度、発光寿命又は偏光状態に変化を生じる。この種の間接的検出は化学的選択性と分光測定により与えられる測定値とを組合せ、しばしば試薬なしでは面倒な干渉作用を克服することができる。
【００２６】
本発明によれば、センサ材料は、微小濃度の化学種に曝露されると紫外（ＵＶ）、可視又は近赤外（ＩＲ）スペクトル範囲におけるその光学的特性を変化する。フィルムは、通常、化学的に敏感な、被分析物に特異的な試薬（例えば、蛍光もしくは比色指示薬）、ポリマーマトリックス又はポリマーマトリックスの組合せ、及び補助添加剤を含有するポリマー系組成物であり、この場合、前記成分を共通溶剤もしくは溶剤混合物に溶解した溶液からフィルムを製造する。被分析物特異的試薬をポリマーマトリックス内に固定化してセンサフィルムを形成する。添加剤の例には、界面活性剤及び内部緩衝剤がある。他の添加剤を配合することもできる。センサフィルムに用いられるポリマーは選択された被分析物に対して透過性であり、ここで被分析物はセンサにより検出される１つの化学種であるか、１群の化学種である。被分析物特異的試薬は、被分析物の濃度の関数としてその光学的特性（例えば、吸光度、蛍光）の変化を生じる。望ましくは、被分析物特異的試薬は、フィルム外でその光学的特性の変化を生じ、そうすれば、応答の変化が、センサ処方から与えられるような干渉種の存在により影響されない。測定は、当業者に周知の紫外／可視／近赤外検出システムを用いて行う。
【００２７】
センサフィルムの組成を調整することによって所望の応答を達成する。この場合、組成物がフィルム中に追加成分を含有する。例えば、ポリマーマトリックス成分が追加のポリマーとなるようにポリマーマトリックス成分を選択することで、固定化された被分析物特異的試薬の酸化電位を調整することによって、所望のセンサ応答を達成する。センサフィルムが内蔵式であり、フィルム外からの補助試薬を必要としないのが望ましい。
【００２８】
一実施形態では、上記内蔵式センサは、被分析物特異的試薬及びｐＨ調節剤を含有する。ここで用いる用語「被分析物特異的試薬」は、物理的、化学的及び生物学的種を検出するのに有用な、比色、光屈折、光互変、熱変色、蛍光、弾性散乱、非弾性散乱、偏光、その他の光学的特性の変化を生じる化合物である。被分析物特異的試薬には、金属錯体又は塩、有機及び無機色素又は顔料、ナノ結晶、ナノ粒子、量子ドット、有機発蛍光団、無機発蛍光団及びこれらの組合せがある。
【００２９】
センサ中のｐＨ調節剤は緩衝剤として作用し、センサ処方のｐＨレベルを感知機構にとって好ましい一定のｐＨに維持する。ｐＨ調節剤の選択は、使用する被分析物特異的試薬の性質に依存するが、ｐＨ調節剤には酸、塩基又は塩が挙げられる。
【００３０】
上記内蔵式センサは、溶液形態でも、固体装置としても使用することができる。センサを溶液として適用する場合、センサの異なる構成成分に対して共通溶剤を選択する。このような溶剤の例には、脱イオン化水（ＤＩ水）、１−メトキシ−２−プロパノール（Ｄｏｗａｎｏｌ）、エタノール、アセトン、クロロホルム、トルエン、キシレン、ベンゼン、イソプロピルアルコール、２−エトキシエタノール、２−ブトキシエタノール、メチレンクロライド、テトラヒドロフラン、エチレングリコール二酢酸及びペルフルオロ（２−ブチルテトラヒドロフラン）があるが、これらに限らない。
【００３１】
内蔵式センサを固体装置として適用する場合、上記センサをポリマーマトリックスに付着又は固定化する。つぎにセンサを基板上のフィルムとして配置する。センサフィルムを製造するのに用いたポリマー材料は、選択性、感度及び検出限界などの検出特性に影響することに留意すべきである。したがって、センサフィルムに適当な材料は、所望の応答時間、所望の透過率、所望の溶解度、透明度及び硬度、並びに分析すべき対象物質に関与するその他の同様の特性を与えることができるポリマー材料から選択する。
【００３２】
センサフィルムのポリマーマトリックスは、プラスチックフィルム、即ち樹脂フィルムであるのが好ましい。ポリマー支持体を形成するのに用いる樹脂は、センサ用途に依存する。樹脂を溶剤に溶解し、被分析物特異的試薬が液体媒体中に分散されるようにする。或いは、被分析物特異的試薬を予め形成されたプラスチックフィルムに直接適用することができる。一実施形態では、ポリマーフィルムを作製し、蒸発など既知の手段によりフィルムから溶剤を除去した後、乾燥フィルムを１種以上の試薬を含有する薬液に露呈する。このようにして、試薬をフィルム中に組み込む。一実施形態では、透明プラスチック表面を薬剤混合物の薄い層で被覆し、空気中暗所で数時間乾燥させることによって、センサフィルムを製造する。フィルムの最終厚さは、望ましくは約０．１〜約２００μｍ、より好ましくは０．５〜１００μｍ、さらに好ましくは１〜５０μｍである。
【００３３】
応答を評価するために、フィルムを被分析物の水性サンプルに曝露する。被分析物の水性サンプルの量が約３０μＬ〜約５０μＬのサンプルの範囲であるのが望ましいが、本発明の範囲から逸脱することなく他の量も考えられる。曝露時間は、望ましくは約０．５〜１０００秒、より好ましくは１〜５００秒、さらに好ましくは５〜３００秒である。一実施形態では、水サンプルを除去した後、センサフィルムの測定を行う。或いは、測定中に水サンプルが存在してもよい。他の実施形態では、水曝露前、水曝露中、及び水曝露後に、連続的に測定を行う。さらに他の実施形態では、水曝露前及び水曝露中に、連続的に測定を行う。
【００３４】
センサフィルムを製造するのに用いたポリマー材料は、選択性、感度及び検出限界などの検出特性に影響することに留意すべきである。したがって、センサフィルムに適当な材料は、所望の応答時間、所望の透過率、所望の溶解度、透明度及び硬度、並びに対象物質に関与するその他の同様の特性を与えることができるポリマー材料から選択する。本発明にしたがってポリマー支持体として使用できる適当なポリマーはヒドロゲルである。ここで用いる用語「ヒドロゲル」は、親水性ポリマーが一緒に結束されて、水膨潤性、水不溶性構造を形成している三次元ネットワークである。用語「ヒドロゲル」は、米国特許第５７４４７９４号に記載されているように、湿潤状態の親水性ポリマーにも乾燥状態の親水性ポリマー（キセロゲル）にも適用される。
【００３５】
これらのヒドロゲルを一緒に結束するのに、種々の異なる方法を使用できる。第一に、親水性ポリマーの放射線もしくはフリーラジカル架橋によるヒドロゲルの結束を利用することができ、その例には、ポリ（ヒドロキシエチルメタクリレート）、ポリ（アクリル酸）、ポリ（メタクリル酸）、ポリ（グリセリルメタクリレート）、ポリ（ビニルアルコール）、ポリ（エチレンオキシド）、ポリ（アクリルアミド）、ポリ（Ｎ−アクリルアミド）、ポリ（Ｎ，Ｎ−ジメチルアミノプロピル−Ｎ’−アクリルアミド）、ポリ（エチレンイミン）、ポリ（アクリル酸）ナトリウム／カリウム、多糖類、例えばキサンテート、アルギネート、グアガム、アガロースなど、ポリ（ビニルピロリドン）及びセルロース誘導体がある。第二に、親水性ポリマー及びモノマーを適当な多官能性モノマーで化学架橋することによる結束を利用することができ、その例には、適当な架橋剤、例えばＮ，Ｎ’−メチレンビスアクリルアミド、ポリエチレングリコールジアクリレート、トリエチレングリコールジアクリレート、テトラエチレングリコールジメタクリレート、トリプロピレングリコールジアクリレート、ペンタエリスリトールテトラアクリレート、ジ−トリメチロールプロパンテトラアクリレート、ジペンタエリスリトールペンタアクリレート、トリメチロールプロパントリアクリレート、ペンタエリスリトールトリアクリレート、プロポキシル化グリセリルトリアクリレート、エトキシル化ペンタエリスリトールテトラアクリレート、エトキシル化トリメチロールプロパントリアクリレート、ヘキサンジオールジアクリレート、ヘキサンジオールジメタクリレート、その他のジ−及びトリ−アクリレート及びメタクリレートで架橋されたポリ（ヒドロキシエチルメタクリレート）；ヒドロキシエチルメタクリレート単量体とジメタクリレートエステル架橋剤との共重合；ヒドロキシル終端ポリ（エチレングリコール）とポリイソシアネートとの反応、もしくはトリオールのような多官能性モノマーの存在下でのジイソシアネートとの反応によって製造したポリ（エチレンオキシド）系ポリウレタン；並びにジアルデヒド、ジエポキシド及び多塩基酸で架橋したセルロース誘導体がある。第三に、ブロック及びグラフトコポリマー中に親水性モノマー及びポリマーを導入することによる結束を利用することができ、その例には、ポリ（エチレンオキシド）の、ポリ（エチレングリコール）（ＰＥＧ）、アクリル酸（ＡＡ）、ポリ（ビニルピロリドン）、ポリ（酢酸ビニル）、ポリ（ビニルアルコール）、Ｎ，Ｎ−ジメチルアミノエチルメタクリレート、ポリ（アクリルアミド−コ−メチルメタクリレート）、ポリ（Ｎ−イソプロピルアクリルアミド）、ポリ（ヒドロキシプロピルメタクリレート−コ−Ｎ，Ｎ−ジメチルアミノエチルメタクリレート）などの適当なポリマーとのブロック及びグラフトコポリマー；ポリ（ビニルピロリドン）−コ−ポリスチレンコポリマー；ポリ（ビニルピロリドン）−コ−ビニルアルコールコポリマー；ポリウレタン；ポリウレタンウレア；ポリ（エチレンオキシド）を主成分とするポリウレタンウレア；ポリウレタンウレア及びポリ（アクリロニトリル）−コ−ポリ（アクリル酸）コポリマー；及び種々のポリ（アクリロニトリル）、ポリ（ビニルアルコール）及びポリ（アクリル酸）の誘導体がある。親水性ポリマーと他のポリマーとの間に分子複合体形成が起こることもあり、その例には、ポリ（アクリル酸）及びポリ（メタクリル酸）とのポリ（エチレンオキシド）ヒドロゲル複合体がある。最後に、高分子量親水性ポリマーの絡み合い架橋による結束を利用でき、その例には、多官能性アクリルもしくはビニルモノマーと混合した高分子量ポリ（エチレンオキシド）に基づくヒドロゲルがある。
【００３６】
前述したように、上記ポリマーの単量体成分のコポリマー又は共重縮合体、並びにこれらのポリマーのブレンドも利用できる。これらの材料の適用例が、Michie et al., "Distributed pH and water detection using fiber-optic sensors and hydrogels," J. Lightwave Technol. 1995, 13, 1415-1420; Bownass et al., "Serially multiplexed point sensor for the detection of high humidity in passive optical networks," Opt. Lett. 1997, 22, 346-348; 及び米国特許第５７４４７９４号に記載されている。
【００３７】
前述したように、ヒドロゲルを形成するには、ポリマーマトリックスを、ジ（エチレングリコール）メチルエーテル、エチレングリコールフェニルエーテル、１−メトキシ−２−プロパノール、エタノール、アセトン、クロロホルム、トルエン、キシレン、ベンゼン、イソプロピルアルコール、２−エトキシエタノール、２−ブトキシエタノール、メチレンクロライド、テトラヒドロフラン、エチレングリコールジアセテート、ペルフルオロ（２−ブチルテトラヒドロフラン）などの適当な溶剤に溶解する。樹脂を含有する溶液中の溶剤の濃度は一般に約７０重量％以上であり、約７５重量％〜約９０重量％が望ましく、約８０重量％が好ましい。後述する例示目的に用いる１つの好適なヒドロゲルは、ポリ（２−ヒドロキシエチルメタクリレート）、即ちｐＨＥＭＡを１−メトキシ−２−プロパノールを含む溶剤に溶解したものである。
【００３８】
センサフィルムのポリマーマトリックスは、所定の被分析物に対して透過性であるのが好ましい。センサフィルムは、寸法（即ち分子量）、親水性／疎水性、相（即ち被分析物が液体か、気体か、固体か）、溶解度、イオン電荷、コロイド状もしくは粒状物質の拡散阻止能、又は被分析物自体に加えて水サンプルの組成（例えばカルシウムの測定中のサンプルのｐＨ）に基づいて、被分析物に対して選択的に透過性であってもよい。
【００３９】
被分析物特異的試薬をポリマーマトリックス中に導入するか、ポリマーマトリックスに適用して、センサフィルムを製造する。被分析物特異的試薬として使用される材料には、当技術分野で指示薬として知られる色素及び試薬がある。ここで用いる「被分析物特異的試薬」は、物理的、化学的及び生物学的種を検出するのに有用な、比色、光屈折、光互変、熱変色、蛍光、弾性散乱、非弾性散乱、偏光、その他の光学的特性を示す指示薬である。被分析物特異的試薬には、有機及び無機色素、有機及び無機顔料、ナノ結晶、ナノ粒子、量子ドット、有機発蛍光団、無機発蛍光団及び類似の材料がある。
【００４０】
被分析物特異的試薬として使用できる化合物の例には、有機色素、有機発蛍光団、蛍光色素、ＩＲ吸収性色素、ＵＶ吸収性色素、光互換性色素、熱変色性色素、スルホンフタレイン色素、その他この目的に用いることのできる既知の色素がある。色素の具体例には、ブロモピロガロールレッド（Ｂｒｏｍｏｐｙｒｏｇａｌｌｏｌ Ｒｅｄ，）、キシリジルブルー（Ｘｙｌｉｄｙｌ Ｂｌｕｅ）Ｉ、クロロホスホナゾ（Ｃｈｌｏｒｏｐｈｏｓｐｈｏｎａｚｏ）ＩＩＩ、ブリリアントグリーン、キサンテン色素、例えばローダミンＢ、ローダミン６Ｇ、エオシン、フロキシンＢなど、アクリジン色素、例えばアクリジンオレンジ、アクリジンレッドなど、アゾ色素、例えばエチルレッド、メチルレッドなど、ポルフィリン色素、フタロシアニン色素、シアニン色素、例えば３，３’−ジエチルチアカルボシアニンヨージド、３，３’−ジエチルオキサジカルボシアニンヨージドなど、メロシアニン色素、スチリル色素、オキソノール色素、トリアリールメタン色素、メチレンブルー、フェノールブルーなどがある。ブロモチモールブルー及びブロモクレゾールグリーンなどのｐＨ感受性色素を含む他の色素も同様に使用できる。被分析物特異的試薬として使用できる蛍光性材料は、センサフィルム上の特定の所定位置に結合し、特定波長の光で励起されると蛍光を発する。適当な波長は約２００ｎｍ〜約１１００ｎｍの範囲、より好ましくは約３００ｎｍ〜約１０００ｎｍの範囲であり、約３５０ｎｍ〜約９５０ｎｍの範囲が特に好ましい。他の実施形態では、特定の所定位置に結合する非蛍光性の被分析物特異的試薬を使用できる。このような試薬には、光吸収性材料、例えば近赤外（ＮＩＲ）吸収性材料がある。ＮＩＲ吸収性材料の例には、カーボンブラック及びポリ（スチレンスルホネート）／ポリ（２，３−ジヒドロチエノ（３，４−ｂ）−１，４−ジオキシン）がある。一実施形態では、被分析物特異的試薬は、約６２０〜６７０ｎｍの光を吸収する光吸収性試薬である。別の実施形態では、被分析物特異的試薬は約７５０〜８２０ｎｍの光を吸収する光吸収性試薬である。他の実施形態では、被分析物特異的試薬は約３８０〜４２０ｎｍの光を吸収する光吸収性試薬である。これらの色素は、所望の用途に応じて、単独で用いても、組み合わせて用いてもよい。所定の用途に用いる有機化合物の選択及びその量は、有機化合物の特性並びにそれを用いる目的に依存する。例えば、当技術分野で周知のように、蛍光色素を樹脂バインダにｐｐｍ濃度で添加することができる。
【００４１】
本発明の一実施形態では、被分析物特異的試薬と親油性対向イオン、例えば四級アンモニウムイオンとのイオン対を形成することによって、被分析物特異的試薬をヒドロゲルマトリックス中に固定化する。四級アンモニウムイオンが被分析物特異的試薬の吸収スペクトルに変化をもたらし得ることが知られている。しかし、予期せざることには、四級アンモニウムイオンを、被分析物特異的試薬とのイオン対形成に必要とされる化学量論的量よりも実質的に高い濃度で添加すると、指示薬の選択性と感度が格段に向上することを見出した。ここで用いる「イオン対形成に必要とされる化学量論的量よりも実質的に高い濃度」は、四級アンモニウムイオンを、指示薬に対する化学量論的量より約５〜１０００倍の濃度で添加することを意味する。限定するわけではないが、例を挙げると、四級アンモニウムイオン：指示薬のモル比２８５：１が特定のモリブデン酸センサに望ましいことが確認された。これに対して、モル比１８：１が亜硫酸センサに最適であると確認された。特定の説明に拘束されるものではないが、臨界的ミセル濃度より高い四級アンモニウムイオンの量がフィルム中に存在する場合に起こる物理的変化は、その表面で２つ以上の指示薬−被分析物錯体を拘束するミセルの形成である、と現在のところ考えられる。かくて１より大きい配位子−金属比がカチオンミセルの存在下で形成され、指示薬−被分析物の予想紫外−可視−近赤外分光応答の増進をもたらし得る。
【００４２】
以下に例示の目的で（限定のためでなく）使用するイオン対の一例は、ＢＰ Ｒｅｄ−ＭｏＯ4指示薬システムの場合、ブロモピロガロールレッド（ＢＲ）及びベンジルジメチルテトラデシルアンモニウムクロリド（ゼフィラミン）である。四級アンモニウム塩の存在が、ＢＰ Ｒｅｄ−Ｍｏキレート吸収極大値の有意な深色シフト並びにキレート吸収帯の増強をもたらすことが示された。このフィルムに用いる四級アンモニウム塩は、構造及び質量に関して、ピーク吸収（λｍａｘ）の位置のより長い波長側へのシフトを達成するように選んだ。表１に、湿潤状態のｐＨＥＭＡフィルム上の選択された四級アンモニウム塩が発揮するλｍａｘを列挙する。
【００４３】
【表１】
四級アンモニウム塩をイオン対形成に必要とされる化学量論的量よりも実質的に高い濃度で添加することによって、指示薬の選択性及び感度の格段の向上が達成された。四級アンモニウム塩を色素に対して化学量論的量を上回る量添加した場合、λｍａｘの長波長側への有意な吸光度シフト、望ましくは約１０ｎｍ〜約３０ｎｍの、さらに望ましくは約２０ｎｍの吸光度シフトが認められた。このシフトは、フィルムをλｍａｘに近い波長で測定するときの検出感度の有意な向上を可能にする。測定波長がλｍａｘの約１〜８０ｎｍ以内であるのが望ましい。特定の理由に限定されるものではないが、この効果はカチオンミセルの界面上により高次（例えば、より高い配位子：金属比）なＢＰ Ｒｅｄ−ＭｏＯ4キレートが形成される結果であると考えられる。
【００４４】
本発明の別の実施形態では、サンプル溶液に曝露された後変色する化学組成物を含有する多重の透明ヒドロゲルフィルムを製造して、サンプル溶液の定量測定値を得る。この実施形態の一例では、サンプル溶液のアルカリ度を求めるのに使用する多重フィルムを製造し、この多重フィルムは、サンプル溶液中のアルカリ種に曝露された後変色する化学組成物を含有するのが望ましい。望ましくは約２〜１２枚の透明フィルム、より望ましくは約２〜８枚の透明フィルムを製造し、サンプル溶液に曝露する。
【００４５】
一実施形態では、ヒドロゲルフィルムに添加する化学組成物は、ｐＨ指示薬、界面活性剤、及び酸を含有する。適当な界面活性剤には、四級アンモニウム塩、例えばセチルトリメチルアンモニウムブロミド、トリドデシルメチルアンモニウムクロリド、テトラブチルアンモニウムブロミド、その他多数がある。界面活性剤が、フィルム中に浸出する指示薬の量を減らすか実質的になくすのが望ましい。界面活性剤なしでは、指示薬の浸出で吸光度測定値に望ましくない誤差が紛れ込む。適当なｐＨ指示薬色素にはブロモクレゾールグリーン及びブロモフェノールブルーがある。ｐＨ指示薬色素のｐＫａ値が４．３近くであるのが望ましい。
【００４６】
この実施形態に開示された方法によれば、この実施形態の多重ヒドロゲルフィルムそれぞれが異なる量の酸を含有する。適当な酸には、カルボン酸及びアリール及びアルキルスルホン酸、例えばｐ−トルエンスルホン酸があるが、ヒドロゲル媒体に溶解できるものであればどのような酸も使用できる。各フィルム中の酸濃度は異なり、フィルム毎に所定のパターンで変動する。酸濃度が、乾燥ｐＨＥＭＡ（ヒドロゲル）に対して約０．２〜５０重量％の範囲で変動するのが望ましい。好ましくは、最低濃度のフィルムが約０．２〜２０重量％の濃度を有し、より望ましくは約０．８〜１０重量％の濃度を有する。好ましくは、最高濃度のフィルムが約２０〜５０重量％の濃度を有し、より望ましくは約２５〜３５重量％の濃度を有する。カルボン酸のような弱酸を用いる場合、所定のアルカリ度範囲をカバーするのに必要なフィルムの数は、強酸を用いる場合より少ない。その理由は、弱酸が示す滴定曲線が強酸のそれより平坦であるからである。しかし、弱酸は通常、カルシウムイオンなどの、水サンプル中によく存在するイオンと錯体を形成する。
【００４７】
所定量のサンプル溶液をヒドロゲルフィルム上に堆積すると、サンプル中のアルカリ種が添加した酸を中和する。一連のフィルムに異なる量の酸を添加することで酸濃度勾配ができているので、一連のフィルム（多重フィルム）をサンプル溶液に曝露したとき、異なる中和度に対応する輪郭の変色が生じる。一連のフィルム内のすべてのフィルムの平均吸光度をサンプルのアルカリ度の定量に用いる。
【００４８】
一態様では、例えばリン酸センサの場合、内蔵式センサは、モリブデン酸塩及び被分析物特異的試薬としての色素、そしてｐＨ調節剤としてのスルホン酸を含有する。モリブデン酸塩は、市場で入手でき、他の成分と相溶性であれば、種々の可溶性塩のいずれでもよい。使用できる適当なモリブデン酸塩の例には、モリブデン酸アンモニウム、ナトリウム、カリウム、カルシウム及びリチウムがあるが、これらに限らない。別の態様では、ヘプタモリブデン酸アンモニウムをモリブデン酸塩として使用する。
【００４９】
色素は発色性指示薬であり、色素をモリブデン酸塩及びリン酸塩と接触させた後、センサの光学的特性の変化を示すものである。被分析物特異的試薬に用いることのできる適当な色素の例には、アゾ色素、オキサジン色素、チアジン色素、トリフェニルメタン色素及びこれらの組合せがある。一態様では、被分析物特異的試薬はチアジン又はオキサジン色素である。使用できるチアジン及びオキサジン色素の具体例には、ＡｚｕｒｅＡ、ＡｚｕｒｅＢ、ベーシックブルー、メチレンブルー及びブリリアントクレジルブルーがあるが、これらに限らない。
【００５０】
チアジン及びオキサジン色素を用いるのは、試験溶液のｐＨを３〜０．５に調節した場合、ほとんどのチアジン及びオキサジン色素の４００ｎｍ〜８００ｎｍの範囲のスペクトルの主吸収帯が有意な変化を受けないからである。これは、当技術分野でリン酸分析用に周知のトリフェニルメタン色素とは対照的である。トリフェニルメタン色素の水溶液はｐＨ範囲０〜２において色転移を生じ、中性ｐＨで５５０ｎｍ〜６５０ｎｍの範囲の吸収極大をもつ強い色を、低いｐＨではるかに弱い色もしくは無色を示す。中性ｐＨでのトリフェニルメタン色素溶液の吸収帯は通常色素−ＨＰＡ錯体の吸収帯とオーバーラップするので、色素−ＨＰＡ錯体の形成による吸光度変化を顕現するためには、リン酸塩測定用の試験媒体のｐＨを色素の転移ｐＨより低くなるよう制御しなければならない。したがって、トリフェニルメタン色素及びモリブデン酸塩には強酸が必要とされる。他方、チアジン及びオキサジン色素は、色素の色を抑制するのに特に強い酸性条件を必要としない。実際、この場合、低濃度の低酸度ｐＨ調節剤で色変化を生起することができる。
【００５１】
前述したように、本発明の内蔵式センサにはスルホン酸をｐＨ調節剤として使用することができる。適当なスルホン酸は、センサ処方のｐＨが約０．５〜３の範囲となるように、選択する。一態様では、ｐ−トルエンスルホン酸をｐＨ調節剤として使用する。スルホン酸の濃度は、モリブデン酸塩及びリン酸塩と接触した際に、色素の色転移が起こるか、吸光度の変化が起こるように、選択する。
【００５２】
例えば、チアジン及びオキサジン色素を、水素イオン対モリブデン酸塩濃度比が３０未満である水溶液中でモリブデン酸塩と混合すると、これら色素の主吸収帯の有意な赤シフトが認められる。溶液にリン酸塩を添加すると、溶液は青色に変わる。他方、チアジン又はオキサジン色素を、水素イオン対モリブデン酸塩濃度比が３０〜１２０の範囲に保たれている水溶液中でモリブデン酸塩と混合すると、この色素の主吸収帯が同じままであるか、赤シフトが認められない。この場合、リン酸塩を試験溶液に添加すると、主吸収帯は減少する。吸光度の減少はリン酸塩濃度に比例する。
【００５３】
一態様では、水素イオン濃度対モリブデン酸塩濃度の比が約０．１〜約１５０の範囲にあり、別の態様では、水素イオン濃度対モリブデン酸塩濃度の比が約１〜約１２０の範囲にあり、他の態様では、水素イオン濃度対モリブデン酸塩濃度の比が約３０〜約１２０の範囲にある。
【００５４】
他の態様では、本発明の内蔵式センサは、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリビニルアルコール及びこれらの組合せからなる群から選択される１種以上の添加剤を含有する。この添加剤は、被分析物特異的試薬及び色素の可溶化を促進し、またホスホモリブデン酸塩−色素凝集体の形成を抑制する。したがって、上記添加剤の添加により、信号損失をもたらすホスホモリブデン酸塩−色素種の沈殿を防止することができる。さらに、内蔵式センサをポリマーマトリックス中に固定化した場合、上記化合物は可塑剤として機能でき、ポリマーマトリックスの分析すべき化学種（この場合リン酸塩）に対する透過度を高めるのに役立つ。
【００５５】
一態様では、内蔵式センサへの添加剤としてポリエチレングリコールを用いる。一態様では、ポリエチレングリコール添加剤の分子量が約１００ｇ／モル〜約１０，０００ｇ／モルの範囲にあり、別の態様では、ポリエチレングリコールの分子量が約２００ｇ／モル〜約４０００ｇ／モルの範囲にあり、他の態様では、ポリエチレングリコールの分子量が約４００ｇ／モル〜約６００ｇ／モルの範囲にある。一態様では、センサ処方に対するポリエチレングリコール添加剤の重量分率が約０．１重量％〜約２０重量％の範囲にあり、別の態様では、センサ処方に対するポリエチレングリコール添加剤の重量分率が約０．５重量％〜約１０重量％の範囲にあり、他の態様では、センサ処方に対するポリエチレングリコール添加剤の重量分率が約１重量％〜約５重量％の範囲にある。
【００５６】
他の態様では、本発明の内蔵式センサは信号増強剤を含有する。信号増強剤は、ｐＨ調節剤と同じ材料から形成しても、異なる材料から形成してもよい。信号増強剤を用いて、ホスホモリブデン酸塩種から区別する必要のある遊離イソポリモリブデン酸塩をマスクすることができる。マスクしないと、遊離イソポリモリブデン酸塩が色素とイオン対を形成し、その結果より高い背景信号となったり、リン酸塩単独のせいで減少した信号となることがある。適当な信号増強剤の例には、シュウ酸、スルホン酸、シュウ酸塩、スルホン酸塩及びこれらの組合せがあるが、これらに限らない。
【００５７】
一態様では、被分析物特異的試薬は金属錯体及び色素を含む。金属錯体は、被分析物（この場合リン酸塩）に対して高い特異性を有するように選択する。使用できる適当な金属錯体の例には、亜鉛錯体及びコバルト錯体がある。上記金属錯体はさらに、金属カチオンに配位することができる１種以上の配位子を含む。金属配位子錯体は、特定の形状のアニオンの選択的結合をもたらす幾何学的優先性を与えるように、選択する。適当な配位子の例には、ピリジン、アミン及び他の含窒素配位子がある。一実施形態では、（２，６−ビス（ビス（２−ピリジルメチル）アミノメチル）−４−メチルフェノール）配位子の二核亜鉛錯体を被分析物特異的試薬として使用した。
【００５８】
金属錯体とともに金属色素指示薬を用いる。金属錯体とともに使用できる金属色素指示薬の例には、カテコール色素、トリフェニルメタン色素、チアジン色素、オキサジン色素、アントラセン色素、アゾ色素、フタロシアニン色素及びこれらの組合せがある。金属色素指示薬の具体例には、ピロカテコールバイオレット、ムレキシド（Ｍｕｒｅｘｉｄｅ）、アルセナゾ（Ａｒｓｅｎａｚｏ）Ｉ、アルセナゾ（Ａｒｓｅｎａｚｏ）ＩＩＩ、アンチピリルアゾ（Ａｎｔｉｐｙｒｙｌａｚｏ）ＩＩＩ、アゾ（Ａｚｏ）１、アシッドクロムダークブルーＫ、ＢＡＴＡ（ビスアミノフェノキシ四酢酸）、クロモトロープ酸及びＸＢ−Ｉ（３−［３−（２，４−ジメチルフェニルカルバモイル）−２−ヒドロキシナフタレン−１−イル−アゾ］−４−ヒドロキシベンゼンスルホン酸のナトリウム塩）があるが、これらに限らない。
【００５９】
金属錯体及び金属色素指示薬を含有する被分析物特異的試薬用のｐＨ調節剤は、センサ処方のｐＨがｐＨ＝７に維持されるように選択する。適当なｐＨ調節剤の例には、生物学的緩衝剤、例えばグッドの緩衝液又はアミン類がある。使用できる生物学的緩衝剤の例には、ＨＥＰＥＳ（２−［４−（２−ヒドロキシエチル）−１−ピペラジニル］エタンスルホン酸）があるが、これに限らない。適当なアミン類の例には、シクロアミン化合物、特にシクロヘキシルアミン化合物があるが、これらに限らない。ｐＨ調節剤の濃度は、金属錯体及び色素との接触時に、色素の色転移が起こるか、吸光度の変化が起こるように、選択する。
【００６０】
一態様では、内蔵式センサは金属錯体、色素及びスルホン酸ｐＨ調節剤を、非水溶剤に溶解した状態で含有する。別の態様では、内蔵式センサは金属錯体、色素及びアミンｐＨ調節剤を含有し、これらをポリマーマトリックス中に固定化して固体装置を形成する。
【００６１】
センサフィルムのポリマーマトリックスは所定の被分析物に対して透過性である。センサフィルムは、寸法（即ち分子量）、親水性／疎水性、相（即ち被分析物が液体か、気体か、固体か）、溶解度、イオン電荷、或いはコロイド状もしくは粒状物質の拡散阻止能に基づいて、被分析物に対して選択的に透過性であってもよい。一態様では、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリビニルアルコール又はこれらの組合せなどの添加剤を内蔵式センサに添加することができる。これらの添加剤は、ポリマーマトリックスを可塑化することによって、分析すべき化学種（この場合リン酸塩）に対するポリマーマトリックスの透過度を高めるのに役立つ。
【００６２】
本発明のセンサフィルムは、自立式としても、ガラス、プラスチック、紙又は金属のような基板上に配置してもよい。センサフィルムは、塗装、スプレー、スピンコート、浸漬、スクリーン印刷など当業者に周知の技術のいずれかを用いて、基板上に塗工又は配置することができる。一態様では、ポリマーマトリックスを被分析物特異的試薬及びｐＨ調節剤の共通溶剤に溶解し、次いで透明なプラスチック表面に浸漬塗布して薄い層を形成し、次いで暗所で数時間乾燥させる。或いはまた、被分析物特異的試薬を予め形成されたポリマーフィルムに直接適用することができる。
【００６３】
基板の表面を被覆するのに用いる溶液の濃度は、フィルムの厚さ及びその光学的特性に悪影響を与えないように、薄く、例えば約２０重量％〜約３０重量％の固形分の範囲に保つ。一態様では、フィルムの厚さは約１μｍ〜約６０μｍの範囲であり、別の態様では、フィルムの厚さは約２μｍ〜約４０μｍの範囲であり、他の態様では、フィルムの厚さは約５μｍ〜約２０μｍの範囲である。
【００６４】
一態様では、被分析物特異的試薬をセンサフィルムに付着するか、組み込むことができ、つぎに、そのセンサフィルムをＣＤ、ＤＶＤなどの光媒体ディスクの上に配置する。
【００６５】
別の態様では、センサフィルム上の被分析物特異的試薬は、光記憶媒体基板に適用された場合、センサスポットを形成する。ここで用いる用語「センサスポット」及び「センサ領域」は、互換性のある用語で、光記憶媒体ドライブを用いて感知するための所定空間位置にて、光記憶媒体の表面上に（或いは表面内に設けられているが、デジタル情報を担持する領域まで貫通しない凹所内に）配置されたセンサ材料を記述する。用途に応じて、センサスポットは環境中の物理的、化学的、生化学的、その他の変化に応答する。ある態様では、光記憶媒体に適用されたセンサフィルムは、適当な処理を行ってこのようなセンサスポットを形成することができる。このような適用方法は当業者に知られており、物理的マスキング系を含み、またネガ型及びポジ型ホトレジスト両方の適用を含む。或いはまた、光記憶媒体をポリマーフィルムで被覆した後、被分析物特異的試薬及びｐＨ調節剤をセンサスポットとして光記憶媒体物品に適用してもよい。
【００６６】
つぎにセンサを用いて水性試験サンプル中の化学種の存在を定性的かつ定量的に分析する。一態様では、試験サンプル中の濃度を測定する方法は、試験サンプルを前述した内蔵式センサと接触させ、この試験サンプルと内蔵式リン酸センサとの接触によって生じる内蔵式センサの光学的特性の変化を測定し、光学的特性の変化を濃度に変換する工程を含む。
【００６７】
センサの試験サンプルとの接触は、センサが溶液状態であるか、固体状態であるかに応じて、任意適当な機構又は技法で行うことができる。接触を生じる技法の例には、センサの溶液を試験サンプル溶液と混合する、センサのストリップを試験サンプル溶液に浸漬する、センサフィルムに試験サンプル溶液のスポットを付ける、センサを有する試験装置に試験サンプルを流す、などの技法があるが、これらに限らない。
【００６８】
接触後、センサの光学的特性の変化を光学的に測定する。光学的特性の変化は単純な定性的変化、例えばセンサの色の変化でよい。或いは、変化は定量的変化、例えば弾性もしくは非弾性散乱、吸収、光度、発光寿命又は偏光状態の変化でもよい。例えば、モリブデン酸アンモニウム、チアジン色素（例えばＡｚｕｒｅＣ）及びｐ−トルエンスルホン酸を有するセンサをサンプルと接触させると、センサの色が紫色から青色に変化し、６５０ｎｍの吸収ピークの変化が起こる。吸収ピークの変化（増加又は減少）を測定することによって、濃度を求めることができる。
【００６９】
一実施形態では、光学的応答の測定を、白色光源（例えばＯｃｅａｎＯｐｔｉｃｓ社（米国フロリダ州デューンディン所在）製のタングステンランプ）及び携帯式分光計（例えばＯｃｅａｎＯｐｔｉｃｓ社（米国フロリダ州デューンディン所在）製のモデルＳＴ２０００）を含む光学システムを用いて行うことができる。分光計に、４００ｎｍにブレーズした６００溝／ｍｍ格子と、線状ＣＣＤアレイ検出器とを取り付ける。分光計が２５０ｎｍから８００ｎｍまでの、さらには１１００ｎｍまでのスペクトル範囲を３０％超えの効率でカバーするのが望ましい。ランプからの光を、集合６心の二叉光ファイバ反射プローブ（例えばＯｃｅａｎＯｐｔｉｃｓ社（米国フロリダ州デューンディン所在）製のモデルＲ４００−７−ＵＶ／ＶＩＳ）のアームの１つに収束する。プローブの共通アームがセンサ材料を照射する。プローブの第２アームは分光計に連結されている。蛍光測定のために、光源からの光を予め濾波して有効な励起波長を選択する。蛍光発光を同じセットアップ（但し発光ロングパスフィルタを含む）で集める。応答を測定する他の既知の方法を用いてもよい。
【００７０】
光学的特性の変化を測定後、光学的特性の変化をリン酸塩濃度に変換することによってサンプル中の濃度を求めることができる。この変換は、検量線を用いて行うことができる。既知の濃度の試験サンプルとの接触後にセンサの光学的特性の変化を測定することによって、検量線を描くことができる。検量線を描いた後、この検量線を用いて、未知の試験サンプル中の濃度を求めることができる。一態様では、試験サンプルとの接触後のセンサの吸光度の変化が濃度に正比例している。本発明の一実施形態の内蔵式センサを、広い濃度範囲の化学種の感知に用いることができる。
【００７１】
フィルムは、ポリマー溶液をスライドガラス上のくぼみに堆積するなど、当業者に周知の適当な方法により、製造することができる。一例では、ダイ切断した、接着剤裏打ちポリマーマスク層でくぼみを生成する。つぎに、フィルムを所定量のサンプル溶液に曝露する。フィルムの曝露後、各フィルムの吸光度を、既知の方法で、指示薬の極大吸光ピークに等しいか近い波長で測定する。センサフィルムから測定された平均吸光度を用いて、サンプルのアルカリ度を定量する。この方法は、吸光度測定に依拠しており、そしてフィルムのすべてが色を変えても有効に作用する。さらに、比色測定のほかに、蛍光その他の光学的測定も可能である。
【００７２】
本発明の別の実施形態では、本発明者らは、予期せざることには、ある種のポリマーを添加剤（もしくはブレンド）としてポリマー処方に添加すると、この添加剤がある濃度にあれば、信号の増強が達成されることを見出した。この濃度より高くても低くても、効果が低減する。この効果は、色素、２−［２−［３−［（１，３−ジヒドロ−３，３−ジメチル−１−プロピル−２Ｈ−インドール−１−イリデン）エチリデン］−２−フェノキシ−１−シクロヘキセン−１−イル］エテニル］−３，３−ジメチル−１−プロピルインドリウム過塩素酸塩（ＩＲ７６８過塩素酸塩ともいう）の適用例で発見された。ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）の添加は、最高試験濃度での残りの吸光度によりセンサ信号変化を正規化する場合に、センサフィルムの相対応答の向上をもたらした。
【００７３】
内蔵式センサを用いて濃度を測定する方法を、添付図面を参照してさらに説明する。図１は、基板２０上にフィルム３０として配置された内蔵式センサ１０の断面図である。フィルム３０は、被分析物特異的試薬５０及びｐＨ調節剤６０を含有する（図３）。被分析物特異的試薬５０はモリブデン塩又は金属錯体及び色素を含有することができる。
【００７４】
図２は、試験サンプル４０と接触している内蔵式センサ１０の断面図である。センサ１０を試験サンプル４０と接触させる方法は、当業者に周知の従来手段により行うことができ、センサ１０の全体又は一部を試験サンプル４０と接触関係にすればよい。
【００７５】
図３は、試験サンプル４０との接触後の、センサの光学的特性の変化８０を生じている、内蔵式センサ１０の断面図である。図３はさらに、被分析物特異的試薬５０及びｐＨ調節剤６０を試験すべき試料７０と接触させることによってもたらされた光学的特性の変化の拡大部分を示す。
【００７６】
内蔵式センサ１０の用途には、水処理産業、環境モニタリング、臨床診断、そして採鉱、冶金プロセスなど他の産業界における物質の分析があるが、これらに限定されない。
【実施例】
【００７７】
以下に、本発明を実施例に関連してさらに具体的に説明する。なお、以下の実施例は具体的な説明のために提示するものであって、すべてを網羅するものでも、本発明を開示した形態だけに限定するものでもない。
【００７８】
実施例１：リン酸センサ
以下の試験では、１Ｈ−ＮＭＲ吸収法、ガスクロマトグラフィ・質量分析法（ＧＣ／ＭＣ）及び高速電子衝撃分光分析（ＦＡＢ）を用いて、反応生成物を分析した。センサ装置応答は、光ファイバプローブを取り付けたＯｃｅａｎＯｐｔｉｃｓ分光光度計を用いて測定した。装置に対して約４５°〜約９０°の範囲の角度にプローブを配向した。
【００７９】
試験１：ｈ−ＢＰＭＰ（２，６−ビス（ビス（２−ピリジルメチル）アミノメチル）−４−メチルフェノール）の合成
スキーム１にしたがってｈ−ＢＰＭＰの合成を行った。２，６−ビス（ヒドロキシメチル）−４−メチルフェノール（スキーム１中のＡ）を、塩化チオニルのジクロロメタン溶液を用いて塩素化した（収率８５％）。生成物、２，６−ビス（クロロメチル）−４−メチルフェノール（スキーム１中のＢ）をビスピリジンアミンに曝露して、配位子（スキーム１中のＣ）を生成した（収率７０％）。
【００８０】
２，６−ビス（クロロメチル）−４−メチルフェノールの合成：
２，６−ビス（ヒドロキシメチル）−４−メチルフェノールのジクロロメタン（ＤＣＭ）２５ｍＬへの懸濁液を、塩化チオニルのＤＣＭ５０ｍＬへの溶液に添加した。添加後、混合物を１０分間かきまぜた。すぐに反応が生じ、すべての固形分が溶解した。琥珀色の溶液を４８時間かきまぜた。反応溶液を１００ｇの氷に注ぎ、水層をＮａＯＨでｐＨ＝７に中和した。有機材料を分離し、水性層を各５０ｍＬのＤＣＭで３回抽出した。合わせた有機層をＭＳで乾燥し、濾過し、蒸発乾固した。５．２ｇ（８５％）の材料Ｂを琥珀色オイルとして得た。１Ｈ−ＮＭＲから、約９０％の生成物形成が確認された。ＧＣＭＳは、修正分子イオンピーク（Ｍ＋）を２０５ｍ／ｚに示した。上記反応の粗生成物をそのままつぎの工程に用いた。不安定な生成物をその後２４時間以内に使用した。
【００８１】
ｈ−ＢＰＭＰの合成：
２，６−ビス（クロロメチル）−４−メチルフェノールを１５ｍＬのＴＨＦに溶解し、ついでＮ2中で、ビス（２−ピリジン）アミン及びトリエチルアミンを５ｍＬのＴＨＦに溶解した溶液で処理した。添加を０℃で１時間行った。最終懸濁液を４８時間撹拌し、濾過し、減圧下で濃縮した。残留物を２０ｍＬの水で処理し、各３０ｍＬのＤＣＭで３回抽出した。有機材料をドライ濾過し、蒸発した。残留物をＳｉＯ2中でアセトン溶離液のクロマトグラフィ処理した。１．７１ｇ（７０％）の材料Ｃを琥珀色固体として得た。ＦＡＢは修正分子イオンピーク（Ｍ＋）を５３１ｍ／ｚに示した。１Ｈ−ＮＭＲは正しい生成物と一致した。
【００８２】
【化１】
以下の実施例では、実施形態に記載した通りの内蔵式リン酸センサの製造と試験をさらに具体的に説明する。スキーム２は、実施例２及び３に記載したような水性試験サンプル中のリン酸塩を感知する機構を具体的に示す。スキーム３は、実施例４〜１４に記載したような水性試験サンプル中のリン酸塩を試験する機構を具体的に示す。
【００８３】
【化２】
試験２：Ｄｏｗａｎｏｌ中にｈ−ＰＢＭＰ−Ｚｎ−ＰＣバイオレット錯体を含有するセンサの製造と試験
１００ｍＬのＤｏｗａｎｏｌ中で３つの基本溶液を調製した。Ａ）ＺｎＢｒ（ＦＷ＝１４５．３）、７．７ｍｇ、０．０５３ｍｍｏｌ、Ｂ）ｈ−ＢＰＭＰ（ＦＷ＝５３０）、２８ｍｇ、０．０５３ｍｍｏｌ、Ｃ）ＰＣバイオレット（ＦＷ＝４０８．４）、２１．５ｍｇ、０．０５３ｍｍｏｌ。少量（１．０ｍＬ）のＡ溶液に１．０ｍＬのＢ溶液を添加し、ついで１．０ｍＬのＣ溶液を添加した。この混合物に、２−［４−（２−ヒドロキシエチル）−１−ピペラジニル］エタンスルホン酸（ＨＥＰＥＳ）のＤｏｗａｎｏｌ溶液（ｐＨ７）を添加し、緑かかった青色の溶液を得た。少量（１．０ｍＬ）の溶液を２ｍＬのＤｏｗａｎｏｌで希釈し、ｐＨ６．９のＤＩ水を標準として用いて、ｐＨ６．９のＰＯ4-3水溶液に曝露した。曝露時間３分。４００〜９００ｎｍの範囲でＵＶ−Ｖｉｓスペクトルを記録した。
【００８４】
図４は、上記装置について異なるリン酸塩濃度でのスペクトルの１群を示す。
【００８５】
試験３：ポリマーマトリックス中にｈ−ＰＢＭＰ−Ｚｎ−ＰＣバイオレット錯体を含有するセンサの製造と試験
１００ｍＬのＤｏｗａｎｏｌ中で３つの基本溶液を調製した。Ａ）ＺｎＢｒ（ＦＷ＝１４５．３）、７．７ｍｇ、０．０５３ｍｍｏｌ、Ｂ）ｈ−ＢＰＭＰ（ＦＷ＝５３０）、２８ｍｇ、０．０５３ｍｍｏｌ、Ｃ）ＰＣバイオレット（ＦＷ＝４０８．４）、２１．５ｍｇ、０．０５３ｍｍｏｌ。少量（０．６ｍＬ）のＡ溶液に０．６ｍＬのＢ溶液を添加し、ついで０．６ｍＬのＣ溶液を添加した。この混合物に、２０％ｐＭＭＡ／ｐＨＥＭＡ（１：３）及び３重量％のジシクロヘキシルアミンのＤｏｗａｎｏｌ溶液１．８ｍＬを添加し、緑かかった青色の溶液を得た。２枚の３Ｍスコッチマジックテープ（登録商標）（フィルム厚さ約１２μｍ）を用いて、５ｘ１０ｃｍポリカーボネートシート（厚さ０．５ｍｍ）を上記溶液で被覆した。被覆したシートを２時間空気乾燥し、ｐＨ６．９のＤＩ水を標準として用いて、ｐＨ６．９のＰＯ4-3水溶液に曝露した。曝露時間３〜５分。ＯｃｅａｎＯｐｔｉｃｓ分光光度計を用いて、４００〜９００ｎｍの範囲で、４５°〜９０°の角度で、背景としての白紙の上にポリカーボネートを用いて、フィルムの読み取りを行った。
【００８６】
図５は、上記装置について異なるリン酸塩濃度でのスペクトルの１群を示す。図６は、６５０ｎｍでの吸光度をリン酸塩濃度の関数としてプロットすることによって得た、上記装置についての検量線を示す。
【００８７】
【化３】
試験４：水中にＡｚｕｒｅＣ及びモリブデン酸塩を含有するセンサの製造と試験：紫色−青色反応
ｐ−トルエンスルホン酸（ＴｓＯＨ）、モリブデン酸アンモニウム及びＡｚｕｒｅＣをＤＩ水に所定濃度で溶解した。１ｃｍの使い捨てキュベット内で、０．０５ＭのＴｓＯＨ溶液２ｍＬを０．０６８Ｍのモリブデン酸アンモニウム溶液０．２５ｍＬと混合し、ついでＡｚｕｒｅＣ溶液（１０ｍＬの水中に１０ｍｇ、Ａｌｄｒｉｃｈ２４２１８７）０．１ｍＬと混合した。異なる濃度のリン酸塩の水性サンプル約０．５ｍＬを上記溶液に添加した。４００〜９００ｎｍの範囲でＵＶ−Ｖｉｓスペクトルを記録した。
【００８８】
図７は、上記装置について異なるリン酸塩濃度でのスペクトルの１群を示す。図８は、６５０ｎｍでの吸光度をリン酸塩濃度の関数としてプロットすることによって得た、上記装置についての検量線を示す。
【００８９】
試験５：水中にＡｚｕｒｅＢ及びモリブデン酸塩を含有するセンサの製造と試験：紫色−青色反応
ｐ−トルエンスルホン酸（ＴｓＯＨ）、モリブデン酸アンモニウム及びＡｚｕｒｅＢをＤＩ水に所定濃度で溶解した。１ｃｍの使い捨てキュベット内で、０．０５ＭのＴｓＯＨ溶液２ｍＬを０．０６８Ｍのモリブデン酸アンモニウム溶液０．２５ｍＬと混合し、ついでＡｚｕｒｅＢ溶液（１０ｍＬの水中に４ｍｇ、Ａｌｄｒｉｃｈ２２７９３５）０．１ｍＬと混合した。異なる濃度のリン酸塩の水性サンプル約０．５ｍＬを上記溶液に添加した。４００〜９００ｎｍの範囲でＵＶ−Ｖｉｓスペクトルを記録した。
【００９０】
図９は、上記装置について異なるリン酸塩濃度でのスペクトルの１群を示す。
【００９１】
試験６：水中にＡｚｕｒｅＢ及びモリブデン酸塩を含有するセンサの製造と試験：青色−紫色反応
ｐ−トルエンスルホン酸（ＴｓＯＨ）、モリブデン酸アンモニウム及びＡｚｕｒｅＢをＤＩ水に所定濃度で溶解した。１ｃｍの使い捨てキュベット内で、０．５ＭのＴｓＯＨ溶液２ｍＬを０．０６８Ｍのモリブデン酸アンモニウム溶液０．２５ｍＬと混合し、ついでＡｚｕｒｅＢ溶液（１０ｍＬの水中に４ｍｇ、Ａｌｄｒｉｃｈ２２７９３５）０．１ｍＬと混合した。異なる濃度のリン酸塩の水性サンプル約０．５ｍＬを上記溶液に添加した。４００〜９００ｎｍの範囲でＵＶ−Ｖｉｓスペクトルを記録した。
【００９２】
図１０は、６５０ｎｍでの吸光度をリン酸塩濃度の関数としてプロットすることによって得た、上記装置についての検量線を示す。
【００９３】
試験７：水中にブリリアントクレジルブルー及びモリブデン酸塩を含有するセンサの製造と試験：青色−紫色反応
ｐ−トルエンスルホン酸（ＴｓＯＨ）をＤＩ水に所定濃度で溶解した。１ｃｍの使い捨てキュベット内で、０．００６８Ｍのモリブデン酸アンモニウム溶液（０．１５４ＭのＴｓＯＨ中）０．１ｍＬを０．１７８ＭのＢＣＢ溶液（Ａｌｄｒｉｃｈ８５８３７４）（０．１６６ＭのＴｓＯＨ中）０．１ｍＬと混合した。異なる濃度のリン酸塩の水性サンプル約２ｍＬを上記溶液に添加した。４００〜９００ｎｍの範囲でＵＶ−Ｖｉｓスペクトルを記録した。
【００９４】
図１１は、６２２ｎｍでの吸光度をリン酸塩濃度の関数としてプロットすることによって得た、上記装置についての検量線を示す。
【００９５】
試験８：水中にＡｚｕｒｅＢ及びモリブデン酸塩を含有するセンサの製造と試験：低濃度範囲検量
２インチのキュベット（光路長２．４３ｃｍ）にオルトリン酸サンプル（ＰＯ4として０〜８００ｐｐｂのリン酸塩を含有）２０ｍＬを入れた。ついで０．９１４ｇ（０．１７４ｍＭ）のＡｚｕｒｅＢ（１．５４ｍｏｌ／ｋｇのＴｓＯＨ中）及び１．０６３ｇ（０．０６８ｍｏｌ／ｋｇ）のモリブデン酸アンモニウム（１．５４ｍｏｌ／ｋｇのＴｓＯＨ中）をキュベットに添加した。試薬をサンプルに添加してから３分後にＨａｃｈＤＲ２０００で６５０ｎｍの吸光度を測定した。
【００９６】
図１２は、６５０ｎｍでの吸光度をリン酸塩濃度の関数としてプロットすることによって得た、上記装置についての検量線を示す。この方法についてのモル消衰係数を、検量線の傾斜から計算したところ、１４０７００Ｌ／（ｍｏｌ・ｃｍ）であった。
【００９７】
試験９：モリブデン酸塩及びＡｚｕｒｅＢを含有するセンサでの水道水サンプル中のリン酸塩濃度の測定
ｐ−トルエンスルホン酸（ＴｓＯＨ）、モリブデン酸アンモニウム及びＡｚｕｒｅＢをＤＩ水に所定濃度で溶解した。１ｃｍの使い捨てキュベット内で、０．２ＭのＴｓＯＨ溶液２ｍＬを０．０３４Ｍのモリブデン酸アンモニウム溶液０．２５ｍＬと混合し、ついでＡｚｕｒｅＢ溶液（１０ｍＬの水中に４ｍｇ）０．１ｍＬと混合した。水道水サンプル約０．５ｍＬを上記溶液に添加した。４００〜９００ｎｍの範囲でＵＶ−Ｖｉｓスペクトルを記録した。ＡＣＳ品位のリン酸三ナトリウムから調製したリン酸塩標準溶液で、検量線を得た。リン酸塩標準溶液は、ＨａｃｈＰｈｏｓＶｅｒ３法で標準化した：
［ＰＯ4］／ｐｐｍ＝−２．８６７・Ａ650＋５．９１５
サンプル中の未知のリン酸塩濃度を求めたところ、１．４５ｐｐｍであった。この値は、ＩＣＰによる分析値１．４７ｐｐｍ及びＨａｃｈ法による分析値１．２５ｐｐｍと一致した。この水サンプル中の他の汚染物質の測量を、ＩＣＰ発光分光計で行った。主要種は、Ｃａ６２ｐｐｍ、Ｍｇ１６ｐｐｍ、Ｓｉ５．２ｐｐｍであった。
【００９８】
試験１０：ポリマーマトリックス中にＡｚｕｒｅＢ及びモリブデン酸塩を含有するセンサの製造と試験
モリブデン酸アンモニウム及びＡｚｕｒｅＢを脱イオン化水又は１−メトキシ−２−プロパノール（ＤｏｗａｎｏｌＰＭ）に所定濃度で溶解した。９．１２ｍＭのＡｚｕｒｅＢ溶液０．１５ｍＬに０．６８Ｍのモリブデン酸アンモニウム溶液０．０５ｍＬを添加し、２０％ｐＨＥＭＡのＤｏｗａｎｏｌ溶液５ｇ中の０．３３ｇのＴｓＯＨを添加した。ポリカーボネートシートを薬剤混合物の薄い層でフローコートし、暗所で数時間乾燥することによって、センサ装置を製造した。最終フィルム厚さは５〜２０μｍであった。センサ装置を種々の濃度のリン酸塩の水性サンプル約５０μＬに曝露した。即ち、フィルム表面にスポット適用した。サンプルのスポット適用から２分後に液体サンプルを除去し、一定な空気流で乾燥した。この後、センサ装置をリン酸塩応答について測定した。装置を暗室内で平坦表面上に置いた。センサ装置の応答を、光ファイバプローブ付きの分光光度計を用いて測定した。プローブを装置に対して９０°の角度に配向した。白紙上のポリカーボネートを背景として使用した。
【００９９】
図１３は、上記装置について異なるリン酸塩濃度でのスペクトルの１群を示す。図１４は、６５０ｎｍでの吸光度をリン酸塩濃度の関数としてプロットすることによって得た、上記装置についての検量線を示す。
【０１００】
試験１１：ポリマーマトリックス中にマラカイトグリーン及びモリブデン酸塩を含有するセンサの製造と試験
マラカイトグリーン（８ｍｇ）、ＴｓＯＨ（１０５ｍｇ）及び０．５１Ｍのモリブデン酸アンモニウム溶液０．０５０ｍＬを２０％ｐＨＥＭＡ溶液２．５ｇ中で混合した。ポリカーボネートシートを薬剤混合物の薄い層でフローコートし、暗所で数時間乾燥することによって、センサ装置を製造した。最終フィルム厚さは５〜２０μｍであった。センサ装置を種々の濃度のリン酸塩の水性サンプル約２０μＬに曝露した。即ち、フィルム表面にスポット適用した。サンプルのスポット適用から２分後に液体サンプルを除去し、一定な空気流で乾燥した。この後、センサ装置をリン酸塩応答について測定した。装置を暗室内で平坦表面上に置いた。センサ装置の応答を、光ファイバプローブ付きの分光光度計を用いて測定した。プローブを装置に対して９０°の角度に配向した。白紙上のポリカーボネートを背景として使用した。
【０１０１】
図１５は、上記装置について異なるリン酸塩濃度でのスペクトルの１群を示す。図１６は、６５０ｎｍでの吸光度をリン酸塩濃度の関数としてプロットすることによって得た、上記装置についての検量線を示す。
【０１０２】
試験１２：ポリマーマトリックス中にベーシックブルー及びモリブデン酸塩を含有するセンサの製造と試験
ベーシックブルー３（５ｍｇ）、ＴｓＯＨ（１０５ｍｇ）及び０．５１Ｍのモリブデン酸アンモニウム溶液０．０２５ｍＬを２０％ｐＨＥＭＡ溶液２．５ｇ中で混合した。ポリカーボネートシートを薬剤混合物の薄い層でフローコートし、暗所で数時間乾燥することによって、センサ装置を製造した。最終フィルム厚さは５〜２０μｍであった。センサ装置を種々の濃度のリン酸塩の水性サンプル約２０μＬに曝露した。即ち、フィルム表面にスポット適用した。サンプルのスポット適用から２分後に液体サンプルを除去し、一定な空気流で乾燥した。この後、センサ装置をリン酸塩応答について測定した。装置を暗室内で平坦表面上に置いた。センサ装置の応答を、光ファイバプローブ付きの分光光度計を用いて測定した。プローブを装置に対して９０°の角度に配向した。白紙上のポリカーボネートを背景として使用した。
【０１０３】
図１７は、上記装置について異なるリン酸塩濃度でのスペクトルの１群を示す。図１８は、６５０ｎｍでの吸光度をリン酸塩濃度の関数としてプロットすることによって得た、上記装置についての検量線を示す。
【０１０４】
試験１３：ポリマーマトリックス中にメチレンブルー及びモリブデン酸塩を含有するセンサの製造と試験
２０％ｐＨＥＭＡのヒドロキシルエーテル系溶剤への溶液２．５ｇに、２ｍｇのメチレンブルー、５ｍｇのシュウ酸ナトリウム、１０μＬの０．６４Ｍの（ＮＨ4）6（Ｍｏ7Ｏ24）・Ｈ2Ｏ及び１０５ｍｇのＴｓＯＨを添加した。混合物を暗所で２１℃にて、すべての固形分が溶解するまで、撹拌した。透明プラスチック表面を薬剤混合物の薄い層でコートし、暗所で数時間乾燥することによって、装置を製造した。最終フィルム厚さは５〜２０μｍであった。装置を種々の濃度のリン酸塩の水性サンプル約５０μＬに曝露した。曝露時間は通常１２０秒であった。ついで水サンプルを除去し、フィルムを一定な空気流で乾燥した。この後、装置をリン酸塩応答について測定した。装置を暗室内で平坦表面上に置いた。センサ装置の応答を、光ファイバプローブ付きの分光光度計を用いて測定した。プローブを装置に対して９０°の角度に配向した。
【０１０５】
図１９は、上記装置について異なるリン酸塩濃度でのスペクトルの１群を示す。図２０は、６５０ｎｍでの吸光度をリン酸塩濃度の関数としてプロットすることによって得た、上記装置についての検量線を示す。
【０１０６】
試験１４：可塑化ポリマーマトリックス中にベーシックブルー及びモリブデン酸塩を含有するセンサの製造と試験
９ｍｇのベーシックブルー３、６７２ｍｇのＴｓＯＨ、３０２ｍｇのポリエチレングリコール４００、０．０７６ｍＬの０．６８Ｍモリブデン酸アンモニウム水溶液及び２４ｍｇのシュウ酸ナトリウムを１０．０ｇの２０％ｐＨＥＭＡ溶液中で混合した。ポリカーボネート基板上に薬剤混合物の薄い層をスクリーン印刷し、７０℃で５分間乾燥することによって、センサ装置を製造した。その後センサを暗所で室温及び外気湿度にて１１日間保存した。最終フィルム厚さは５〜２０μｍであった。センサ装置を種々の濃度のリン酸塩の水性サンプル約２０μＬに曝露した。即ち、フィルム表面にスポット適用した。サンプルのスポット適用から２分後に液体サンプルを除去し、一定な空気流で乾燥した。この後、センサ装置をリン酸塩応答について測定した。装置を暗室内で平坦表面上に置いた。センサ装置の応答を、光ファイバプローブ付きの分光光度計を用いて測定した。プローブを装置に対して７５°の角度に配向したが、別の角度でも同様の結果が得られた。ポリカーボネートを背景として使用した。
【０１０７】
図２１は、上記装置について異なるリン酸塩濃度でのスペクトルの１群を示す。図２２は、６５０ｎｍでの吸光度をリン酸塩濃度の関数としてプロットすることによって得た、上記装置についての検量線を示す。
【０１０８】
実施例２：モリブデン酸センサ
２０％のｐＨＥＭＡ（ＭＷ３００，０００）を１−メトキシ−２−プロパノール（ＤｏｗａｎｏｌＰＭ）に溶解した溶液１０．０ｇに、２０ｍｇのブロモピロガロールレッド及び４０ｍｇのｐ−トルエンスルホン酸を添加した。１時間撹拌した後、２０ｍｇのベンジルジメチルテトラデシルアンモニウムクロリド（ゼフィラミン）を添加した。さらに１時間撹拌した後、４０ｍｇのＬ−アスコルビン酸を添加し、混合物を室温で、固形分がすべて溶解するまで（少なくとも１２時間）、撹拌した。
【０１０９】
透明なプラスチック表面を薬剤混合物の薄い層で被覆し、暗所で数時間乾燥することによって、センサフィルムを製造した。最終フィルム厚さは１０〜２０μｍであった。
【０１１０】
センサフィルムを種々の濃度のモリブデン酸塩の水性サンプル約３０μＬに曝露した。曝露時間は通常１２０秒であった。ついで水サンプルを除去し、フィルムを一定な空気流で乾燥した。この後、センサフィルムをモリブデン酸塩応答について測定した。
【０１１１】
センサフィルムを暗室内で平坦表面上に置いた。センサフィルムの応答を、光ファイバプローブ付きのＯｃｅａｎＯｐｔｉｃｓ分光光度計を用いて測定した。プローブをセンサフィルムに対して９０°の角度に配向した。
【０１１２】
図２３は、上記センサフィルムについて異なるモリブデン酸塩濃度でのスペクトルの１群を示す。図２４は上記センサフィルムについての応答曲線を示す。
【０１１３】
実施例３：マグネシウムセンサ
薬剤混合物の調製：２０％のｐＨＥＭＡ（ＭＷ３００，０００）を１−メトキシ−２−プロパノール（ＤｏｗａｎｏｌＰＭ）に溶解した溶液１０．０ｇに、５０ｍｇのキシリジルブルー１のナトリウム塩及び３００ｍｇのテトラブチルアンモニウムブロミド（ＴＢＡＢ）を添加した。１時間撹拌した後、ポリエチレンイミン（低分子量Ｍｎ約１０００、無水）を１−メトキシ−２−プロパノール（ＤｏｗａｎｏｌＰＭ）に溶解した４０重量％溶液５００ｍｇを添加した。さらに１時間撹拌した後、４００ｍｇのエチレングリコール−ビス（アミノエチルエーテル）−Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−四酢酸の四ナトリウム塩（ＥＧＴＡ−Ｎａ４）を添加し、混合物を室温で、固形分がすべて溶解するまで（少なくとも１２時間）、撹拌した。
【０１１４】
図２５は、上記センサフィルムについて異なるマグネシウム濃度でのスペクトルの１群を示す。図２６は上記センサフィルムについての応答曲線を示す。
【０１１５】
実施例４：硬度センサ
薬剤混合物の調製：２０％のｐＨＥＭＡ（ＭＷ３００，０００）を１−メトキシ−２−プロパノール（ＤｏｗａｎｏｌＰＭ）に溶解した溶液１０．０ｇに、キシリジルブルーＩのナトリウム塩５０ｍｇ及びポリエチレンイミン（低分子量Ｍｎ約１０００、無水）を１−メトキシ−２−プロパノール（ＤｏｗａｎｏｌＰＭ）に溶解した４０重量％溶液５００ｍｇを添加した。混合物を室温で、固形分がすべて溶解するまで（少なくとも１２時間）、撹拌した。
【０１１６】
図２７は、上記センサフィルムについて異なる硬度濃度でのスペクトルの１群を示す。図２８は上記センサフィルムについての応答曲線を示す。
【０１１７】
実施例５：カルシウムセンサ
薬剤混合物の調製：２０％のｐＨＥＭＡ（ＭＷ３００，０００）を１−メトキシ−２−プロパノール（ＤｏｗａｎｏｌＰＭ）に溶解した溶液１０．０ｇに、クロロホスホナゾＩＩＩ２５ｍｇ及びｐ−トルエンスルホン酸２００ｍｇを添加した。混合物を室温で１時間撹拌した後、６０ｍｇのトリドデシルメチルアンモニウムクロリド（ＴＤＭＡＣ）を添加した。混合物を室温で、固形分がすべて溶解するまで（少なくとも１２時間）、撹拌した。
【０１１８】
図２９は、上記センサフィルムについて異なるカルシウム濃度でのスペクトルの１群を示す。図３０は上記センサフィルムについての応答曲線を示す。
【０１１９】
実施例６：亜硫酸センサ
薬剤混合物の調製：２０％のｐＨＥＭＡ（ＭＷ３００，０００）を１−メトキシ−２−プロパノール（ＤｏｗａｎｏｌＰＭ）に溶解した溶液１０．０ｇに、ブリリアントグリーン８ｍｇ及びテトラブチルアンモニウムブロミド（ＴＢＡＢ）１２０ｍｇを添加した。混合物を室温で、固形分がすべて溶解するまで（少なくとも１２時間）、撹拌した。
【０１２０】
図３１は、上記センサフィルムについて異なる亜硫酸塩濃度でのスペクトルの１群を示す。図３２は上記センサフィルムについての応答曲線を示す。
【０１２１】
実施例７：亜硫酸センサＩＩ
（高アルカリ度、高ｐＨ水サンプルに耐えるように製造）
本実施例は、第１フィルムを第２緩衝フィルムでオーバーコートすることによって、薬剤（亜硫酸塩）フィルムを緩衝する可能性を具体的に説明する。２層フィルムは、極端な水環境（極めて高いｐＨ（ｐＨ１２）及び極めて高いアルカリ度（１０００ｍｇ／Ｌのモルアルカリ度））における目的被分析物（亜硫酸塩）の測定を可能にする方法を実現する。第１フィルムを第２緩衝フィルムでオーバーコートしないと、センサフィルムは、水サンプルの高ｐＨに応答するが、目的被分析物（亜硫酸塩）に応答しない傾向がある。
【０１２２】
薬剤混合物Ｉの調製：２５％のｐＨＥＭＡ（ＭＷ３００，０００）をジ（エチレングリコール）メチルエーテル（ＤｏｗａｎｏｌＤＭ）及び１−メトキシ−２−プロパノール（ＤｏｗａｎｏｌＰＭ）の６５／３５（重量％）混合液に溶解した溶液１０．０ｇに、ブリリアントグリーン８ｍｇ、テトラブチルアンモニウムブロミド（ＴＢＡＢ）１２０ｍｇ及び２００ｍＬの水に溶解したリン酸二水素カリウム（ＫＨ2ＰＯ4）３６ｍｇを添加した。混合物を室温で、固形分がすべて溶解するまで（少なくとも１２時間）、撹拌した。透明なプラスチック表面を薬剤混合物の薄い層で被覆し、暗所で数時間乾燥することによって、センサフィルムを製造した。最終フィルム厚さは５〜２０μｍであった。
【０１２３】
薬剤混合物ＩＩの調製：２５％のｐＨＥＭＡ（ＭＷ３００，０００）をジ（エチレングリコール）メチルエーテル（ＤｏｗａｎｏｌＤＭ）及び１−メトキシ−２−プロパノール（ＤｏｗａｎｏｌＰＭ）の６５／３５（重量％）混合液に溶解した溶液１０．０ｇに、テトラブチルアンモニウムブロミド（ＴＢＡＢ）１２０ｍｇ及び２００ｍＬの水に溶解したリン酸二水素カリウム（ＫＨ2ＰＯ4）３６ｍｇを添加した。混合物を室温で、固形分がすべて溶解するまで（少なくとも１２時間）、撹拌した。薬剤混合物ＩＩを透明なプラスチック表面上に形成した薬剤混合物Ｉの乾燥フィルム上に被覆し、暗所で数時間乾燥した。合計の最終フィルム厚さは１０〜４０μｍであった。
【０１２４】
図３３は、上記装置について異なる亜硫酸塩濃度でのスペクトルの１群を示す。亜硫酸塩濃度は、高アルカリ度（１０００ｍｇ／Ｌのモルアルカリ度）かつ高ｐＨ（ｐＨ１２）の水マトリックス中で調製した。図３４は上記装置についての応答曲線を示す。
【０１２５】
実施例８：アルカリ度センサ
本実施例で用いる酸はｐ−トルエンスルホン酸であり、用いる指示薬はブロモクレゾールグリーン（ｐＫａ＝４．９、水性相中）である。ポリマー溶液組成を表２に示す。８μＬのポリマー溶液をスライドガラスのくぼみに堆積することによって、フィルムを作製した。くぼみ（直径５．４ｍｍ、深さ０．３２ｍｍ）は、ダイ切断、接着剤裏当てポリマーマスク層で形成した。試験中はマスク層を除去しなかった。６５０ｎｍの平均吸光度を用いて、サンプルの総アルカリ度を定量する。検量線を図３５に示す。
【０１２６】
【表２】
実施例９：塩素センサ
一実施形態では、ナフィオンポリマーをセンサ処方に添加した。ナフィオンを添加すると、センサ信号変化を最高試験濃度での残りの吸光度により正規化した場合の、センサフィルムの相対応答が向上した。この濃度の上下では、効果が低下した。指示薬としては、２−［２−［３−［（１，３−ジヒドロ−３，３−ジメチル−１−プロピル−２Ｈ−インドール−１−イリデン）エチリデン］−２−フェノキシ−１−シクロヘキセン−１−イル］エテニル］−３，３−ジメチル−１−プロピルインドリウム過塩素酸塩、別名ＩＲ７６８過塩素酸塩が適当である。
【０１２７】
図３６は、漸増する量のナフィオン溶液を２０００μＬの色素処方に添加した場合に、５６６ｎｍで測定した場合の応答感度の向上を示す。この向上は、図３７に示すように、２ｐｐｍ塩素への曝露時のセンサ信号としてプロットすることができる。本図は、ｐＨＥＭＡ中のナフィオンの濃度に、最高センサ応答が得られる非直観的臨界領域が存在することを示す。
【０１２８】
以上、本発明を代表的な実施形態について説明したが、本発明の要旨から逸脱することなく種々の変更や置き換えが可能であるので、以上の説明は本発明を記述細部に限定するものではない。当業者であれば、ごく普通の実験を行うだけで、上記説明のさらなる変更例や等価物が想起できるはずであり、このような変更例や等価物も特許請求の範囲に包含される。
【図面の簡単な説明】
【０１２９】
【図１】本発明の一実施形態にしたがって構成された基板上にフィルムとして配置された内蔵式センサの断面図である。
【図２】試験サンプルと接触している図１の内蔵式センサの断面図である。
【図３】試験サンプルとの接触後にリン酸センサの光学的特性に変化を生じた、図１の内蔵式センサの断面図である。
【図４】ｈ−ＰＢＭＰ−Ｚｎ−ＰＣバイオレット錯体をＤｏｗａｎｏｌ中に含有する図１の内蔵式センサの実施形態についての異なるリン酸塩濃度でのスペクトルの１群を示す図である。
【図５】ｈ−ＰＢＭＰ−Ｚｎ−ＰＣバイオレット錯体をポリマーマトリックス中に含有する図１の内蔵式センサの実施形態についての異なるリン酸塩濃度でのスペクトルの１群を示す図である。
【図６】ｈ−ＰＢＭＰ−Ｚｎ−ＰＣバイオレット錯体をＤｏｗａｎｏｌ中に含有する図１の内蔵式センサの実施形態について、６５０ｎｍの吸光度をリン酸塩濃度の関数としてプロットして得た検量線を示す図である。
【図７】ＡｚｕｒｅＣ及びモリブデン酸塩を水中に含有する図１の内蔵式センサの実施形態についての異なるリン酸塩濃度でのスペクトルの１群を示す図である。
【図８】ＡｚｕｒｅＣ及びモリブデン酸塩を水中に含有する図１の内蔵式センサの実施形態について、６５０ｎｍの吸光度をリン酸塩濃度の関数としてプロットして得た検量線を示す図である。
【図９】ＡｚｕｒｅＢ及びモリブデン酸塩を水中に含有する図１の内蔵式センサの実施形態についての異なるリン酸塩濃度でのスペクトルの１群を示す図である。
【図１０】ＡｚｕｒｅＢ及びモリブデン酸塩を水中に含有する図１の内蔵式センサの実施形態について、６５０ｎｍの吸光度をリン酸塩濃度の関数としてプロットして得た検量線を示す図である。
【図１１】ブリリアントクレジルブルー及びモリブデン酸塩を水中に含有する図１の内蔵式センサの実施形態について、６２２ｎｍの吸光度をリン酸塩濃度の関数としてプロットして得た検量線を示す図である。
【図１２】ＡｚｕｒｅＢ及びモリブデン酸塩を水中に含有する図１の内蔵式センサの実施形態について、６５０ｎｍの吸光度をリン酸塩濃度の関数としてプロットして得た低濃度検量線を示す図である。
【図１３】ＡｚｕｒｅＢ及びモリブデン酸塩をポリマーマトリックス中に含有する図１の内蔵式センサの実施形態についての異なるリン酸塩濃度でのスペクトルの１群を示す図である。
【図１４】ＡｚｕｒｅＢ及びモリブデン酸塩をポリマーマトリックス中に含有する図１の内蔵式センサの実施形態について、６５０ｎｍの吸光度をリン酸塩濃度の関数としてプロットして得た検量線を示す図である。
【図１５】マラカイトグリーン及びモリブデン酸塩をポリマーマトリックス中に含有する図１の内蔵式センサの実施形態についての異なるリン酸塩濃度でのスペクトルの１群を示す図である。
【図１６】マラカイトグリーン及びモリブデン酸塩をポリマーマトリックス中に含有する図１の内蔵式センサの実施形態について、６５０ｎｍの吸光度をリン酸塩濃度の関数としてプロットして得た検量線を示す図である。
【図１７】ベーシックブルー及びモリブデン酸塩をポリマーマトリックス中に含有する図１の内蔵式センサの実施形態についての異なるリン酸塩濃度でのスペクトルの１群を示す図である。
【図１８】ベーシックブルー及びモリブデン酸塩をポリマーマトリックス中に含有する図１の内蔵式センサの実施形態について、６５０ｎｍの吸光度をリン酸塩濃度の関数としてプロットして得た検量線を示す図である。
【図１９】メチレンブルー及びモリブデン酸塩をポリマーマトリックス中に含有する図１の内蔵式センサの実施形態についての異なるリン酸塩濃度でのスペクトルの１群を示す図である。
【図２０】メチレンブルー及びモリブデン酸塩をポリマーマトリックス中に含有する図１の内蔵式センサの実施形態について、６５０ｎｍの吸光度をリン酸塩濃度の関数としてプロットして得た検量線を示す図である。
【図２１】ベーシックブルー及びモリブデン酸塩を可塑化ポリマーマトリックス中に含有する図１の内蔵式センサの実施形態についての異なるリン酸塩濃度でのスペクトルの１群を示す図である。
【図２２】ベーシックブルー及びモリブデン酸塩を可塑化ポリマーマトリックス中に含有する図１の内蔵式センサの実施形態について、６５０ｎｍの吸光度をリン酸塩濃度の関数としてプロットして得た検量線を示す図である。
【図２３】本発明の別の実施形態によるモリブデン酸センサフィルムの異なるモリブデン酸塩濃度での吸収スペクトルを示す図である。
【図２４】図２３のセンサフィルムについての応答曲線を示す図である。
【図２５】本発明の別の実施形態によるマグネシウムセンサの異なるマグネシウム濃度での吸収スペクトルを示す図である。
【図２６】図２５のセンサフィルムについての応答曲線を示す図である。
【図２７】本発明の別の実施形態による硬度センサの異なるマグネシウム濃度での吸収スペクトルを示す図である。
【図２８】図２７のセンサフィルムについての応答曲線を示す図である。
【図２９】本発明の別の実施形態によるカルシウムセンサの異なるカルシウム濃度での吸収スペクトルを示す図である。
【図３０】図２９のセンサフィルムについての応答曲線を示す図である。
【図３１】本発明の別の実施形態による亜硫酸センサの異なる亜硫酸塩濃度での吸収スペクトルを示す図である。
【図３２】図３１のセンサフィルムについての応答曲線を示す図である。
【図３３】本発明の別の実施形態による亜硫酸センサについての異なる亜硫酸塩濃度でのスペクトルの１群を示す図である。
【図３４】図３３のセンサフィルムについての応答曲線を示す図である。
【図３５】アルカリ度センサの検量線を示す図である。
【図３６】ｐＨＥＭＡセンサフィルム中に漸増する濃度のナフィオンポリマーを添加した場合の応答感度の向上を示す図である。
【図３７】図３６の向上を２ｐｐｍ塩素への曝露時のセンサ信号としてプロットした図で、ｐＨＥＭＡ中のナフィオンの濃度に、最高センサ応答が得られる非直観的臨界領域が存在することを示す。
【符号の説明】
【０１３０】
１０ 内蔵式センサ
２０ 基板
３０ フィルム
４０ 試験サンプル
５０ 被分析物特異的試薬
６０ ｐＨ調節剤
【特許請求の範囲】
【請求項１】
サンプル溶液中の化学種の濃度をセンサフィルムで定量測定する方法であって、
サンプル溶液を内蔵式センサフィルムに接触させ、
このサンプル溶液と内蔵式センサフィルムとの接触によって生じる内蔵式センサフィルムの光学的特性の変化を測定し、
光学的特性の変化を濃度に変換する
工程を含む方法。
【請求項２】
前記センサフィルムが化学種の濃度の測定にフィルム外に補助試薬を必要としない内蔵式であり、光学応答がＵＶ、可視又は近赤外スペクトル範囲に生起し、光学的特性の変化が弾性散乱、非弾性散乱、吸収、光度、発光寿命又は偏光状態の変化からなり、前記変換が検量線を用いて行われる、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記センサフィルムが、透明プラスチック表面を薬剤混合物の薄い層で被覆し、乾燥することによって製造され、前記センサフィルムの厚さが１０〜２０μｍである、請求項１記載の方法。
【請求項４】
さらに、サンプル溶液中の化学種に曝露されるとその光学的特性を変化する指示薬を含有する化学組成物を有するヒドロゲルセンサフィルムを製造し、該フィルムを所定量のサンプル溶液に曝露する工程を含む、請求項１記載の方法。
【請求項５】
さらに、光学走査装置を用いて、指示薬の極大吸収ピーク（λｍａｘ）近くの波長でセンサフィルムの吸光度を測定し、センサフィルムから測定された平均吸光度を用いて、サンプル溶液中の化学種の濃度を定量する工程を含む、請求項４記載の方法。
【請求項６】
ヒドロゲルフィルムに添加される化学組成物が有機塩又は界面活性剤及び酸を含有する、請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記センサが、モリブデン酸塩及び色素を含有する１種以上の被分析物特異的試薬と、１種以上のスルホン酸を含有するｐＨ調整剤とを含有する、請求項５記載の方法。
【請求項８】
前記指示薬と四級アンモニウム、四級ホスホニウム、四級イミダゾリウム、四級ピリジウム、四級ピロリジニウム又は四級スルホニウムイオンとのイオン対を形成することによって、指示薬がヒドロゲルフィルム中に固定化され、ここで四級アンモニウム、四級ホスホニウム、四級イミダゾリウム、四級ピリジウム、四級ピロリジニウム又は四級スルホニウム塩の濃度が指示薬とイオン対を形成するのに必要な化学量論的量よりも実質的に高い、請求項５記載の方法。
【請求項９】
四級アンモニウム、四級ホスホニウム、四級イミダゾリウム、四級ピリジウム、四級ピロリジニウム又は四級スルホニウム塩の濃度が、指示薬に対する化学量論的量の約５〜１０００倍である、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
スルホン酸、ホスホン酸、カルボン酸及びフェノールからなる群から選択される酸を用いて、指示薬をヒドロゲルフィルム中でｐＨ調整し、ここで酸の濃度が指示薬とイオン対を形成するのに必要な化学量論的量よりも実質的に高い、請求項５記載の方法。
【請求項１１】
前記センサフィルムが、リン酸センサフィルム、モリブデン酸センサフィルム、マグネシウムセンサフィルム、硬度センサフィルム、カルシウムセンサフィルム、亜硫酸センサフィルム、アルカリ度センサフィルム及び塩素センサフィルムからなる群から選択される、請求項５記載の方法。
【請求項１２】
前記センサフィルムが、ブロモピロガロールレッドの添加によって製造されたモリブデン酸センサフィルム、又はクロロホスホナゾＩＩＩ、ｐ−トルエンスルホン酸及びベンジルジメチルテトラデシルアンモニウムクロリド（ゼフィラミン）をｐＨＥＭＡに添加することによって製造されたカルシウムセンサフィルムである、請求項１記載の方法。
【請求項１３】
前記センサフィルムが、キシリジンブルー１のナトリウム塩、テトラブチルアンモニウムブロミド（ＴＢＡＢ）、ポリエチレンイミン及びエチレングリコール−ビス（アミノエチルエーテル）−Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−四酢酸の四ナトリウム塩（ＥＧＴＡ−Ｎａ４）をｐＨＥＭＡに添加することによって製造されたマグネシウムセンサフィルムである、請求項１記載の方法。
【請求項１４】
前記センサフィルムが、オキサジン、チアジン、アゾ、トリフェニルメタン、シアニン、カルボシアニン又はイノリン色素の金属塩及びポリアルキレンイミンをｐＨＥＭＡに添加することによって製造された硬度センサフィルムである、請求項１記載の方法。
【請求項１５】
前記センサフィルムが、オキサジン、チアジン、アゾ、トリフェニルメタン、シアニン、カルボシアニン又はイノリン色素、スルホン酸、ホスホン酸、カルボン酸及び／又はフェノール及び四級アンモニウム、四級ホスホニウム、四級ピリジニウム、四級ピロリジニウム、四級イミダゾリウム又はスルホニウム塩をｐＨＥＭＡ（ＭＷ３００，０００）に添加することによって製造されたモリブデン酸、カルシウム又は亜硫酸センサフィルムである、請求項１記載の方法。
【請求項１６】
前記センサフィルムが、ブリリアントグリーン及びテトラブチルアンモニウムブロミド（ＴＢＡＢ）をｐＨＥＭＡに添加することによって製造された亜硫酸センサフィルムである、請求項１記載の方法。
【請求項１７】
前記センサフィルムが、ナフィオン及びオキサジン、チアジン、アゾ、トリフェニルメタン、シアニン、カルボシアニン又はイノリン色素をｐＨＥＭＡに添加することによって製造された塩素センサフィルムである、請求項１記載の方法。
【請求項１８】
前記センサフィルムが、金属錯体及び色素を含有する１種以上の被分析物特異的試薬、１種以上のスルホン酸を含有するｐＨ調節剤、及び１種以上の非水溶剤で製造されたリン酸センサフィルムである、請求項１記載の方法。
【請求項１９】
前記センサフィルムが、オキサジン、チアジン、アゾ、トリフェニルメタン、シアニン、カルボシアニン又はイノリン色素、四級アンモニウム、四級ホスホニウム、四級ピリジニウム、四級ピロリジニウム、四級イミダゾリウム又はスルホニウム塩、及びリン酸金属塩をｐＨＥＭＡ中に含有するフィルムの上に、四級アンモニウム、四級ホスホニウム、四級ピリジニウム、四級ピロリジニウム、四級イミダゾリウム又はスルホニウム塩、及びリン酸金属塩をｐＨＥＭＡ中に含有する第２フィルムを被覆することによって製造された２層センサフィルムである、請求項１記載の方法。
【請求項２０】
さらに、ヒドロゲルセンサフィルムの形成時にポリマー添加剤を添加する工程を含み、該添加剤がナフィオンで塩素の測定用のセンサフィルムを形成する、請求項１記載の方法。
【請求項２１】
前記センサフィルムが塩素センサフィルムであり、ナフィオンのようなポリマースーパー酸添加剤を含有し、指示薬が２−［２−［３−［（１，３−ジヒドロ−３，３−ジメチル−１−プロピル−２Ｈ−インドール−１−イリデン）エチリデン］−２−フェノキシ−１−シクロヘキセン−１−イル］エテニル］−３，３−ジメチル−１−プロピルインドリウム過塩素酸塩である、請求項１記載の方法。
【請求項２２】
サンプル溶液中の化学種の濃度を複数のセンサフィルムで定量測定する方法であって、
サンプル溶液中の化学種に曝露されると紫外、可視又は近赤外スペクトル範囲におけるその光学的特性を変化する複数のヒドロゲルセンサフィルムを製造し、ここでヒドロゲルフィルムに添加される化学組成物がｐＨ指示薬、界面活性剤及び酸を含有し、
複数のセンサフィルムそれぞれの酸濃度を所定のパターンにしたがって変動させ、
複数のセンサフィルムを所定量のサンプル溶液に露呈し、
光学走査装置を用いて、指示薬の極大吸収ピーク近くの波長でセンサフィルムの吸光度を測定し、
センサフィルムから測定された平均吸光度を用いて、サンプル溶液中の化学種の濃度を定量する
工程を含む方法。
【請求項２３】
前記センサフィルムがアルカリ度センサフィルムであり、最低濃度の酸を有するフィルム中の酸の濃度が乾燥ｐＨＥＭＡ（ヒドロゲル）に対して約０．８重量％であり、最高濃度の酸を有するフィルム中の酸の濃度が乾燥ｐＨＥＭＡに対して約３５重量％である、請求項２２記載の方法。
【請求項２４】
モリブデン酸塩及び色素を含有する１種以上の被分析物特異的試薬と、
１種以上のスルホン酸を含有するｐＨ調節剤と
を含有する内蔵式センサ。
【請求項２５】
前記色素がアゾ色素、オキサジン色素、チアジン色素、トリフェニルメタン色素及びこれらの組合せからなる群から選択される１種以上を含む、請求項２４記載の内蔵式センサ。
【請求項２６】
さらに、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリビニルアルコール及びこれらの組合せからなる群から選択される１種以上の添加剤を含む、請求項２４記載の内蔵式センサ。
【請求項２７】
さらに、シュウ酸、スルホン酸、シュウ酸塩、スルホン酸塩及びこれらの組合せからなる群から選択される１種以上の信号増強剤を含む、請求項２４記載の内蔵式センサ。
【請求項２８】
前記信号増強剤及び前記ｐＨ調節剤が同一材料から形成された、請求項２７記載の内蔵式センサ。
【請求項２９】
さらにポリマーマトリックスを含有する、請求項２４記載の内蔵式センサ。
【請求項３０】
前記ポリマーマトリックスが、ポリ（ヒドロキシエチルメタクリレート）、ポリ（メチルメタクリレート）、ポリ（アクリル酸）、ポリ（メタクリル酸）、ポリ（グリセリルメタクリレート）、ポリ（ビニルアルコール）、ポリ（エチレンオキサイド）、ポリ（アクリルアミド）、ポリ（Ｎ−アクリルアミド）、ポリ（Ｎ，Ｎ−ジメチルアミノプロピル−Ｎ’−アクリルアミド）、ポリ（エチレンイミン）、ポリ（アクリル酸）ナトリウム／カリウム、多糖類、ポリ（ビニルピロリドン）及びこれらの共重合体からなる群から選択される１種以上のヒドロゲルを含む、請求項２９記載の内蔵式センサ。
【請求項３１】
金属錯体及び色素を含有する１種以上の被分析物特異的試薬と、
１種以上のスルホン酸を含有するｐＨ調節剤と、
１種以上の非水溶剤と
を含有する内蔵式リン酸センサ。
【請求項３２】
前記金属錯体が、亜鉛錯体、銅錯体及びこれらの組合せからなる群から選択される１種以上を含有する、請求項３１記載の内蔵式リン酸センサ。
【請求項３３】
前記色素がカテコール色素、トリフェニルメタン色素、チアジン色素、オキサジン色素、アントラセン色素、アゾ色素、フタロシアニン色素及びこれらの組合せからなる群から選択される１種以上を含有する、請求項３１記載の内蔵式リン酸センサ。
【請求項３４】
さらにポリマーマトリックスを含有する、請求項３１記載の内蔵式リン酸センサ。
【請求項３５】
前記ポリマーマトリックスが、ポリ（ヒドロキシエチルメタクリレート）、ポリ（メチルメタクリレート）、ポリ（アクリル酸）、ポリ（メタクリル酸）、ポリ（グリセリルメタクリレート）、ポリ（ビニルアルコール）、ポリ（エチレンオキサイド）、ポリ（アクリルアミド）、ポリ（Ｎ−アクリルアミド）、ポリ（Ｎ，Ｎ−ジメチルアミノプロピル−Ｎ’−アクリルアミド）、ポリ（エチレンイミン）、ポリ（アクリル酸）ナトリウム／カリウム、多糖類、ポリ（ビニルピロリドン）及びこれらの共重合体からなる群から選択される１種以上のヒドロゲルを含む、請求項３４記載の内蔵式リン酸センサ。
【請求項３６】
微小濃度で存在するサンプル中の化学種の濃度の測定に用いるセンサであって、
センサは、四級アンモニウム、四級ホスホニウム、四級イミダゾリウム、四級ピリジウム、四級ピロリジニウム又は四級スルホニウム塩、及び指示薬、色素、顔料または試薬及び／又はこれらの組合せを含有するヒドロゲルセンサフィルムを含み、
前記指示薬、色素、顔料または試薬及び／又はこれらの組合せは、サンプル溶液中の化学種に曝露されると紫外、可視又は近赤外スペクトル範囲におけるその光学的特性を変化し、
前記指示薬は、四級アンモニウム、四級ホスホニウム、四級イミダゾリウム、四級ピリジウム、四級ピロリジニウム又は四級スルホニウム塩とイオン対を形成することによって、ヒドロゲルフィルム中に固定化され、
四級アンモニウム塩の濃度がイオン対形成に必要な化学量論的量よりも実質的に高い、
サンプル中の化学種の濃度の測定に用いるセンサ。
【請求項１】
サンプル溶液中の化学種の濃度をセンサフィルムで定量測定する方法であって、
サンプル溶液を内蔵式センサフィルムに接触させ、
このサンプル溶液と内蔵式センサフィルムとの接触によって生じる内蔵式センサフィルムの光学的特性の変化を測定し、
光学的特性の変化を濃度に変換する
工程を含む方法。
【請求項２】
前記センサフィルムが化学種の濃度の測定にフィルム外に補助試薬を必要としない内蔵式であり、光学応答がＵＶ、可視又は近赤外スペクトル範囲に生起し、光学的特性の変化が弾性散乱、非弾性散乱、吸収、光度、発光寿命又は偏光状態の変化からなり、前記変換が検量線を用いて行われる、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記センサフィルムが、透明プラスチック表面を薬剤混合物の薄い層で被覆し、乾燥することによって製造され、前記センサフィルムの厚さが１０〜２０μｍである、請求項１記載の方法。
【請求項４】
さらに、サンプル溶液中の化学種に曝露されるとその光学的特性を変化する指示薬を含有する化学組成物を有するヒドロゲルセンサフィルムを製造し、該フィルムを所定量のサンプル溶液に曝露する工程を含む、請求項１記載の方法。
【請求項５】
さらに、光学走査装置を用いて、指示薬の極大吸収ピーク（λｍａｘ）近くの波長でセンサフィルムの吸光度を測定し、センサフィルムから測定された平均吸光度を用いて、サンプル溶液中の化学種の濃度を定量する工程を含む、請求項４記載の方法。
【請求項６】
ヒドロゲルフィルムに添加される化学組成物が有機塩又は界面活性剤及び酸を含有する、請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記センサが、モリブデン酸塩及び色素を含有する１種以上の被分析物特異的試薬と、１種以上のスルホン酸を含有するｐＨ調整剤とを含有する、請求項５記載の方法。
【請求項８】
前記指示薬と四級アンモニウム、四級ホスホニウム、四級イミダゾリウム、四級ピリジウム、四級ピロリジニウム又は四級スルホニウムイオンとのイオン対を形成することによって、指示薬がヒドロゲルフィルム中に固定化され、ここで四級アンモニウム、四級ホスホニウム、四級イミダゾリウム、四級ピリジウム、四級ピロリジニウム又は四級スルホニウム塩の濃度が指示薬とイオン対を形成するのに必要な化学量論的量よりも実質的に高い、請求項５記載の方法。
【請求項９】
四級アンモニウム、四級ホスホニウム、四級イミダゾリウム、四級ピリジウム、四級ピロリジニウム又は四級スルホニウム塩の濃度が、指示薬に対する化学量論的量の約５〜１０００倍である、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
スルホン酸、ホスホン酸、カルボン酸及びフェノールからなる群から選択される酸を用いて、指示薬をヒドロゲルフィルム中でｐＨ調整し、ここで酸の濃度が指示薬とイオン対を形成するのに必要な化学量論的量よりも実質的に高い、請求項５記載の方法。
【請求項１１】
前記センサフィルムが、リン酸センサフィルム、モリブデン酸センサフィルム、マグネシウムセンサフィルム、硬度センサフィルム、カルシウムセンサフィルム、亜硫酸センサフィルム、アルカリ度センサフィルム及び塩素センサフィルムからなる群から選択される、請求項５記載の方法。
【請求項１２】
前記センサフィルムが、ブロモピロガロールレッドの添加によって製造されたモリブデン酸センサフィルム、又はクロロホスホナゾＩＩＩ、ｐ−トルエンスルホン酸及びベンジルジメチルテトラデシルアンモニウムクロリド（ゼフィラミン）をｐＨＥＭＡに添加することによって製造されたカルシウムセンサフィルムである、請求項１記載の方法。
【請求項１３】
前記センサフィルムが、キシリジンブルー１のナトリウム塩、テトラブチルアンモニウムブロミド（ＴＢＡＢ）、ポリエチレンイミン及びエチレングリコール−ビス（アミノエチルエーテル）−Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−四酢酸の四ナトリウム塩（ＥＧＴＡ−Ｎａ４）をｐＨＥＭＡに添加することによって製造されたマグネシウムセンサフィルムである、請求項１記載の方法。
【請求項１４】
前記センサフィルムが、オキサジン、チアジン、アゾ、トリフェニルメタン、シアニン、カルボシアニン又はイノリン色素の金属塩及びポリアルキレンイミンをｐＨＥＭＡに添加することによって製造された硬度センサフィルムである、請求項１記載の方法。
【請求項１５】
前記センサフィルムが、オキサジン、チアジン、アゾ、トリフェニルメタン、シアニン、カルボシアニン又はイノリン色素、スルホン酸、ホスホン酸、カルボン酸及び／又はフェノール及び四級アンモニウム、四級ホスホニウム、四級ピリジニウム、四級ピロリジニウム、四級イミダゾリウム又はスルホニウム塩をｐＨＥＭＡ（ＭＷ３００，０００）に添加することによって製造されたモリブデン酸、カルシウム又は亜硫酸センサフィルムである、請求項１記載の方法。
【請求項１６】
前記センサフィルムが、ブリリアントグリーン及びテトラブチルアンモニウムブロミド（ＴＢＡＢ）をｐＨＥＭＡに添加することによって製造された亜硫酸センサフィルムである、請求項１記載の方法。
【請求項１７】
前記センサフィルムが、ナフィオン及びオキサジン、チアジン、アゾ、トリフェニルメタン、シアニン、カルボシアニン又はイノリン色素をｐＨＥＭＡに添加することによって製造された塩素センサフィルムである、請求項１記載の方法。
【請求項１８】
前記センサフィルムが、金属錯体及び色素を含有する１種以上の被分析物特異的試薬、１種以上のスルホン酸を含有するｐＨ調節剤、及び１種以上の非水溶剤で製造されたリン酸センサフィルムである、請求項１記載の方法。
【請求項１９】
前記センサフィルムが、オキサジン、チアジン、アゾ、トリフェニルメタン、シアニン、カルボシアニン又はイノリン色素、四級アンモニウム、四級ホスホニウム、四級ピリジニウム、四級ピロリジニウム、四級イミダゾリウム又はスルホニウム塩、及びリン酸金属塩をｐＨＥＭＡ中に含有するフィルムの上に、四級アンモニウム、四級ホスホニウム、四級ピリジニウム、四級ピロリジニウム、四級イミダゾリウム又はスルホニウム塩、及びリン酸金属塩をｐＨＥＭＡ中に含有する第２フィルムを被覆することによって製造された２層センサフィルムである、請求項１記載の方法。
【請求項２０】
さらに、ヒドロゲルセンサフィルムの形成時にポリマー添加剤を添加する工程を含み、該添加剤がナフィオンで塩素の測定用のセンサフィルムを形成する、請求項１記載の方法。
【請求項２１】
前記センサフィルムが塩素センサフィルムであり、ナフィオンのようなポリマースーパー酸添加剤を含有し、指示薬が２−［２−［３−［（１，３−ジヒドロ−３，３−ジメチル−１−プロピル−２Ｈ−インドール−１−イリデン）エチリデン］−２−フェノキシ−１−シクロヘキセン−１−イル］エテニル］−３，３−ジメチル−１−プロピルインドリウム過塩素酸塩である、請求項１記載の方法。
【請求項２２】
サンプル溶液中の化学種の濃度を複数のセンサフィルムで定量測定する方法であって、
サンプル溶液中の化学種に曝露されると紫外、可視又は近赤外スペクトル範囲におけるその光学的特性を変化する複数のヒドロゲルセンサフィルムを製造し、ここでヒドロゲルフィルムに添加される化学組成物がｐＨ指示薬、界面活性剤及び酸を含有し、
複数のセンサフィルムそれぞれの酸濃度を所定のパターンにしたがって変動させ、
複数のセンサフィルムを所定量のサンプル溶液に露呈し、
光学走査装置を用いて、指示薬の極大吸収ピーク近くの波長でセンサフィルムの吸光度を測定し、
センサフィルムから測定された平均吸光度を用いて、サンプル溶液中の化学種の濃度を定量する
工程を含む方法。
【請求項２３】
前記センサフィルムがアルカリ度センサフィルムであり、最低濃度の酸を有するフィルム中の酸の濃度が乾燥ｐＨＥＭＡ（ヒドロゲル）に対して約０．８重量％であり、最高濃度の酸を有するフィルム中の酸の濃度が乾燥ｐＨＥＭＡに対して約３５重量％である、請求項２２記載の方法。
【請求項２４】
モリブデン酸塩及び色素を含有する１種以上の被分析物特異的試薬と、
１種以上のスルホン酸を含有するｐＨ調節剤と
を含有する内蔵式センサ。
【請求項２５】
前記色素がアゾ色素、オキサジン色素、チアジン色素、トリフェニルメタン色素及びこれらの組合せからなる群から選択される１種以上を含む、請求項２４記載の内蔵式センサ。
【請求項２６】
さらに、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリビニルアルコール及びこれらの組合せからなる群から選択される１種以上の添加剤を含む、請求項２４記載の内蔵式センサ。
【請求項２７】
さらに、シュウ酸、スルホン酸、シュウ酸塩、スルホン酸塩及びこれらの組合せからなる群から選択される１種以上の信号増強剤を含む、請求項２４記載の内蔵式センサ。
【請求項２８】
前記信号増強剤及び前記ｐＨ調節剤が同一材料から形成された、請求項２７記載の内蔵式センサ。
【請求項２９】
さらにポリマーマトリックスを含有する、請求項２４記載の内蔵式センサ。
【請求項３０】
前記ポリマーマトリックスが、ポリ（ヒドロキシエチルメタクリレート）、ポリ（メチルメタクリレート）、ポリ（アクリル酸）、ポリ（メタクリル酸）、ポリ（グリセリルメタクリレート）、ポリ（ビニルアルコール）、ポリ（エチレンオキサイド）、ポリ（アクリルアミド）、ポリ（Ｎ−アクリルアミド）、ポリ（Ｎ，Ｎ−ジメチルアミノプロピル−Ｎ’−アクリルアミド）、ポリ（エチレンイミン）、ポリ（アクリル酸）ナトリウム／カリウム、多糖類、ポリ（ビニルピロリドン）及びこれらの共重合体からなる群から選択される１種以上のヒドロゲルを含む、請求項２９記載の内蔵式センサ。
【請求項３１】
金属錯体及び色素を含有する１種以上の被分析物特異的試薬と、
１種以上のスルホン酸を含有するｐＨ調節剤と、
１種以上の非水溶剤と
を含有する内蔵式リン酸センサ。
【請求項３２】
前記金属錯体が、亜鉛錯体、銅錯体及びこれらの組合せからなる群から選択される１種以上を含有する、請求項３１記載の内蔵式リン酸センサ。
【請求項３３】
前記色素がカテコール色素、トリフェニルメタン色素、チアジン色素、オキサジン色素、アントラセン色素、アゾ色素、フタロシアニン色素及びこれらの組合せからなる群から選択される１種以上を含有する、請求項３１記載の内蔵式リン酸センサ。
【請求項３４】
さらにポリマーマトリックスを含有する、請求項３１記載の内蔵式リン酸センサ。
【請求項３５】
前記ポリマーマトリックスが、ポリ（ヒドロキシエチルメタクリレート）、ポリ（メチルメタクリレート）、ポリ（アクリル酸）、ポリ（メタクリル酸）、ポリ（グリセリルメタクリレート）、ポリ（ビニルアルコール）、ポリ（エチレンオキサイド）、ポリ（アクリルアミド）、ポリ（Ｎ−アクリルアミド）、ポリ（Ｎ，Ｎ−ジメチルアミノプロピル−Ｎ’−アクリルアミド）、ポリ（エチレンイミン）、ポリ（アクリル酸）ナトリウム／カリウム、多糖類、ポリ（ビニルピロリドン）及びこれらの共重合体からなる群から選択される１種以上のヒドロゲルを含む、請求項３４記載の内蔵式リン酸センサ。
【請求項３６】
微小濃度で存在するサンプル中の化学種の濃度の測定に用いるセンサであって、
センサは、四級アンモニウム、四級ホスホニウム、四級イミダゾリウム、四級ピリジウム、四級ピロリジニウム又は四級スルホニウム塩、及び指示薬、色素、顔料または試薬及び／又はこれらの組合せを含有するヒドロゲルセンサフィルムを含み、
前記指示薬、色素、顔料または試薬及び／又はこれらの組合せは、サンプル溶液中の化学種に曝露されると紫外、可視又は近赤外スペクトル範囲におけるその光学的特性を変化し、
前記指示薬は、四級アンモニウム、四級ホスホニウム、四級イミダゾリウム、四級ピリジウム、四級ピロリジニウム又は四級スルホニウム塩とイオン対を形成することによって、ヒドロゲルフィルム中に固定化され、
四級アンモニウム塩の濃度がイオン対形成に必要な化学量論的量よりも実質的に高い、
サンプル中の化学種の濃度の測定に用いるセンサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【公表番号】特表２００９−５１３９７７（Ｐ２００９−５１３９７７Ａ）
【公表日】平成２１年４月２日（２００９．４．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−５３７８１４（Ｐ２００８−５３７８１４）
【出願日】平成１８年１０月２０日（２００６．１０．２０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００６／０４１１０４
【国際公開番号】ＷＯ２００７／０５０４６３
【国際公開日】平成１９年５月３日（２００７．５．３）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２１年４月２日（２００９．４．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１０月２０日（２００６．１０．２０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００６／０４１１０４
【国際公開番号】ＷＯ２００７／０５０４６３
【国際公開日】平成１９年５月３日（２００７．５．３）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
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