JPH08261984A - 膜付センサ、流れ制御部材及び分析方法 - Google Patents

膜付センサ、流れ制御部材及び分析方法

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JPH08261984A
JPH08261984A JP8033978A JP3397896A JPH08261984A JP H08261984 A JPH08261984 A JP H08261984A JP 8033978 A JP8033978 A JP 8033978A JP 3397896 A JP3397896 A JP 3397896A JP H08261984 A JPH08261984 A JP H08261984A
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JP
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membrane
sensor
external phase
channel
analyte
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Application number
JP8033978A
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English (en)
Inventor
John M Hale
マーチン ヘール ジョン
Eugen Weber
ヴェーバー エーゲン
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Hach Lange SARL
Original Assignee
Orbisphere Laboratories Neuchatel SA
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Publication date
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/28—Electrolytic cell components
    • G01N27/40—Semi-permeable membranes or partitions

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 実質的に必要流れを制御できる膜で封じられ
たセンサを提供する。 【解決手段】 流体相との境界面で、被検物質の流体外
部相に対してさらすための膜を備えた膜付センサであっ
て、該センサは、前記境界面にコイル状のチャネルを備
え、該コイル状のチャネルは、前記膜と接しつつ前記コ
イル状チャネルを通して前記外部相を通すための入口端
と出口端とを備えていることを特徴とする膜付センサ。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般的には、分析
技術に関するものであり、特に、様々な分析方法に使用
できる膜付センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】膜付センサ（本明細書においては簡略化
のため、以下MES（membrane-enclosedsensor)とい
う。）は、流体試料中の被検物質の濃度を決定するため
に、しばしば使用される公知の分析装置である。MESの
一種（“クラークセル”とも呼ばれる膜付きの電流滴定
センサ若しくはセル）は、例えば、米国特許第４０９６
０４７号等、及びそこに言及されている技術によって開
示されており、電流滴定（“ポーラログラフ分析”又は
“ボルタンメトリー分析”とも呼ばれる）において使用
されている。他の形式（膜を通る被検物質の流速を検知
する膜付センサ）は、米国特許第５１４４８３１号及び
欧州特許公開第４２９３９６号及びその中に記載された
技術によって開示されている。質量分光器やガスクロマ
トグラフその他の技術に用いる膜セパレータはMESのさ
らに別の一種である。
【０００３】一般的に、MESの膜は、センサ内の検知手
段と被検物質を含有する流体物質（ここでは、“外部
相”という）とを分離するために用いられる。一般的
に、例えば、酸素分子、水素分子、オゾン分子、二酸化
炭素分子等のように、必ずとはいえないがしばしば気体
である物質の濃度又は分圧の勾配曲線は、流体とセンサ
内部との間におかれた膜を挟む両側の領域で成立する。
膜を通って拡散する被検物質の侵入分は、その後測定さ
れ、膜のみが侵入の制限に寄与すると仮定して、外部相
内又はプローブにおける被検物質の濃度又は分圧と関係
づけられる。使用される測定手段の種類は、採用される
分析方法に依存し、本発明の特徴ではない。
【０００４】実質的に全てのMESに共通の特徴は、流体
外部相内で、通常の状態（即ち、測定時の圧力及び温度
の状態）において気体である被検物質の濃度に関する信
号を発生させることができるということである。外部相
は液体若しくは気体とされ得る。
【０００５】MESは、１つの被検物質のみならず、２以
上の被検物質を選択的に検出若しくは検知するために使
用してもよい。（例えば、混在している酸素と水素を検
知する場合が挙げられる。欧州特許公開第０２９３５４
１号又は米国特許第４９０６３３９号を参照。） MESの膜は、被検物質の浸透を許すが、外部相を構成す
る液体若しくは被検物質以外の気体の浸透を実質的に妨
げるという意味において“半浸透性”であるといえるこ
とが多い。そのような膜の典型的な例としては、例え
ば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリ
塩化ビニリデン等の有機ポリマーからなるフィルム若し
くは自己支持層（自ら保形性を有する層状物）が挙げら
れる。しかし、H2を検知するためのパラジウム薄膜のよ
うな材質による膜が、ここでいう半浸透性の要件を満た
すこともある。
【０００６】どのような場合も、膜の半浸透性及び液体
に対する非浸透性は、本発明にとっては重大なことでな
い。それは、外部試料内に液体が存在しないこともある
からであり、また、検知方法が、気体の種類による拡散
速度の違いに基づいていることもあるからである。この
ような場合、膜の機能は拡散インピーダンスを与えると
いう機能となる。
【０００７】一般的に、MESでの作用は、“破壊的”で
ある（“非侵入的”とは反対に“侵入的”という意
味）。それは、外部相の構成が、“消耗”のために膜近
傍で変化するからである。即ち、１又は２以上の被検物
質が、外部相から膜を通って検知装置内に浸透、若しく
は“抽出(extraction)”されるからである。膜を通って
浸透又は抽出された被検物質は別の手段によって“消
耗”即ち、別の化学物質に変化させられ、システムから
排出若しくは除去される。結果として、膜近傍の外部相
内の被検物質は消費される。そして、外部相本体内の被
検物質の理論的な濃度若しくは未消耗状態の濃度を表す
許容できる大きさ（例えば９９％）の信号を得るため
に、外部相に、ある種の“必要流れ(flow demand)”若
しくは以下で詳細に説明する“最小流速”が必要とな
る。
【０００８】典型的には、このような形式の膜は、保持
リングによってセンサ本体にシールを伴って装着された
ディスク形状のフィルム又は金属薄膜であり（欧州特許
公開第００４３６１１号参照）、センサ内から取り付け
られるが、流動する外部相が膜を通って侵入するのを妨
げないようにする必要があるため、邪魔にならないよう
に、若しくは単に弱く、外部相側又は試料側で支持され
る必要がある。
【０００９】用語の説明 被検物質が、外部相から膜を通ってセンサ内へ移動若し
くは“抽出”されるときは、膜近傍の外部相内の被検物
質の濃度は減少する。このことは、センサ内の検知装置
により発生される信号が降下することに繋がる。この変
化の大きさは、センサ内に被検物質が入る速度と、外部
相の他の領域からの対流又は拡散によって被検物質が供
給される速度とのバランスに依存する。気体は、通常、
拡散については、外部相の構成がごく僅か（例えば１
％）しか変化しないことを確保するのには拡散性が十分
である。したがって、膜自体が、膜を通る被検物質の流
れを制御するという上述の仮定が正当化される。
【００１０】一方、液体の場合、液体の粘性が気体より
も大きいため、移動プロセスは気体の場合よりもゆっく
りになる。そのような媒体においては、拡散よりも、膜
に向けて対流のように被検物質を移動させる方が、より
効率的な手段となる。このため、膜近傍の液体内の被検
物質の濃度と、センサにより発生される信号とは、セン
サを通る液体の対流的流れの速度に依存する。流速が
“無限大”であれば、被検物質の濃度は変わらないはず
であり、信号は、“バルク（bulk)”濃度の最大値特性
を示すはずである。再び、上述の仮定は正当化される。
【００１１】従って、本明細書中で使用されるセンサの
“必要流れ”という用語は、信号が流れと関係なく、所
定の誤差（通常１パーセント）内に収まるようにするた
めに要求される、液体の最小速度の流れを意味する。流
速が必要流れの速度を越えるときにのみ、膜がセンサに
対する被検物質の供給を制御するものとして扱うことが
できる。
【００１２】従来技術（1983年 Springer Verlag 発
行 Gnaiger E. 及び Forstner H.編集“Polarographic
Oxygen Sensors...”中の Hale,J.M. 著“Factors inf
luencing the stability of polarographic oxygen sen
sors”参照)に従えば、この現象は、MES内の気体状の被
検物質の流量を次のように表現することによって定量化
されている。
【００１３】 Ｊg＝ｆg／（Ｒ1＋Ｒm） （式１） ここで、Ｊgは気体の流量、ｆgは外部相の大部分におけ
る流体の逃散度(fugacity)、Ｒ1は流体の外部相内の拡
散インピーダンス、Ｒmは膜内の拡散インピーダンスを
表す。センサの信号が流量とは無関係となるための条件
は、液体の外部相内の拡散インピーダンスが膜の拡散イ
ンピーダンスに比べて無視できるという条件で表すこと
ができる。
【００１４】インピーダンスはさらに次のように表現さ
れる。
【００１５】 Ｒi＝Ｚi／（Ｄi・Ｓi） （式２） ここで、Ｄiは拡散定数であり、Ｓiは気体の被検物質の
溶解度であり、Ｚiは添え字“ｉ”によって示される層
の厚さであり、“ｍ”は膜を表す添え字であり、“ｌ”
は液体外部相を表す添え字である。結果として、“イン
ピーダンスを無視できるか否か”の基準は、液体外部相
Ｚ1内の流動拡散層の厚さが次式で定義される臨界的な
厚さＺcよりもかなり小さいという条件と等価になる。
【００１６】 Ｚc＝Ｚm・Ｄ1・Ｓ1／（Ｄm・Ｓm） （式３） この臨界的厚さは、気体である被検物質、膜及び液体外
部相の実際的にあり得る組み合わせに関して一定であ
る。
【００１７】これらの量の正確な数学的関係は、固有の
幾何学的配置に基づくが、一般的に、流動拡散層の厚さ
Ｚ1は、流動速度と共に減少する。しかし、層流（lamin
ar flow)であり、単純な配置である場合は、定量化が可
能である。例えば、円形断面のチューブ内において、前
記の関係は、次のように表現できる。
【００１８】Ｚ1∝１／Ｖ1/3 （式４） ここでＶは流速である。
【００１９】MESを用いて被検物質の濃度を測定する方
法には、主に２種類ある。
【００２０】（Ａ）流れている液体中に直接センサを浸
す。この方法は、“インライン”測定法とも言われてい
る。この場合、必要流れは、液体の臨界的な線速度、例
えばcm／秒と見なすことができるが、必要流れはインラ
イン測定の制御可能なパラメータではない。なぜなら、
一般的にその条件は満たされるからである。
【００２１】（Ｂ）センサは囲まれた空間（“流れチャ
ンバ”）内に配置され、流れチャンバは、試料液体又は
気体を流れチャンバに通す入り口及び出口を備える。こ
の方法は、“オフライン”測定法とも呼ばれ、必要流れ
は、単位時間当たりに流れる体積又は流量、例えば、ml
／分で表される。同様に、オフライン測定法において
も、必要流れは一般的に満たされるものである。
【００２２】一般的に、“必要流れ”は、通常、MESの
従来の操作では測定可能なパラメータではなく、生体中
での血液分析のように、試料の消費が問題となる場合
は、通常は限られた時間で測定することによって補正が
行われ、無限時間に対する推定が行われる（“ダイナミ
ック測定”）。
【００２３】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の主た
る目的は、実質的な必要流れを制御でき、且つ／又は設
定値に維持できるMES又はセルを提供することである。
【００２４】本発明の他の目的は、従来のMESが設定さ
れた必要流れを満たすために操作できるように、MESと
組み合わせて使用するための装置を提供することであ
る。
【００２５】本発明のさらに他の目的は、設定された必
要流れを達成するためにMESを操作する方法である。他
の目的は、以下の説明によって明らかとなろう。
【００２６】
【課題を解決するための手段】本発明の一般的な第１の
実施形態によれば、上記目的は、MES内においてコイル
状のチャネルを、膜の外側の面と外部相との境界に設け
ることにより達成される。前記チャネルは、外部相が該
チャネルに沿って膜と接しつつ、通過するための入口及
び出口を有している。
【００２７】換言すれば、本発明は、外部のサンプル層
の流れを、膜と接する小さな断面のチャネルに導き、結
果として外部相の線速度を発生させ、膜付近の外部相内
で流体力学的に拡散する境界層の厚さを減少させ、膜に
対する被検物質の対流的移動の効率を改善するものであ
る。
【００２８】
【発明の実施の形態】望ましい実施形態の簡単な説明 望ましい実施形態によれば、本発明にかかるセンサは、
液体外部相に対しては実質的に非浸透性であるが、少な
くとも１つの流体被検物質に対しては浸透性である膜
と、前記少なくとも１つの流体被検物質の特性パラメー
タ用の少なくとも１つの検知装置とを備え、前記膜は、
前記流体外部相と間の境界面に前記検知装置と前記外部
相との分離壁を形成し、前記膜は、前記外部相にさらさ
れている外側の面を有し、該外側の面には最大横断寸法
があり、前記センサは、前記コイル状のチャネルと連通
している入口端及び出口端を有する流れ案内装置を備
え、前記コイル状チャネルは、前記流れ案内装置の入口
端から出口端まで延びており、前記コイル状チャネルの
長さは、膜の外側の面の最大横断寸法の少なくとも約５
倍であり、望ましくは少なくとも約１０倍とされる。
【００２９】望ましくは、コイル状のチャネルは、その
一端から他端まで延びる実質的に渦巻の形状であり、前
記入口が前記渦巻の前記一端に配置され、出口が前記渦
巻の他端に配置されている。また、膜の外側の面は、実
質的に円形であることが望ましい。
【００３０】第２の実施形態によれば、本発明は、半浸
透性の膜を用いたMESで使用する流れ制御部材を提供す
る。半浸透性の膜は、被検物質の外部相にさらされる外
側の面を有し、該外側の面には最大直線横断寸法があ
る。本発明にかかる流れ制御部材は、膜の外側の面に接
して、コイル状のチャネルを形成できる少なくとも１つ
の細長い溝を備えている。この細長い溝は、前記部材の
入口から出口まで延びており、溝の長さは膜の外側の面
の最大直線横断寸法よりも少なくとも約５倍、望ましく
は約１０倍の大きさとされる。また、多くの場合、流れ
制御部材の細長い溝はその一端から他端まで延びる実質
上渦巻の形状とされ、部材の入口は渦巻の一端近くに配
置され、出口は渦巻の他端近くに配置されることが望ま
しい。
【００３１】第３の実施形態によれば、本発明は、液体
の外部相に対しては実質的に非浸透性であるが、少なく
とも１つの被検物質に対しては浸透性を示す膜と、前記
少なくとも１つの被検物質の特性パラメータ用の検知装
置とを備え、前記膜が、前記検知装置と被検物質を含む
液体外部相との間を分離し、前記膜は、前記外部相にさ
らされる外側の面を備え、該外側の面には最大横断寸法
があるような膜付センサの操作方法を提供する。この方
法は、前記外部相を前記膜の前記外側の面に接触させつ
つ通過させるための少なくとも１つのコイル状のチャネ
ルを設けるステップを備える。
【００３２】望ましくは、本発明にかかる方法で使用す
るコイル状のチャネルは、その入口から出口に至るまで
延びており、チャネルの長さは、膜の外側の面の最大直
線横断寸法の少なくとも約５倍、望ましくは約１０倍の
大きさとされる。
【００３３】本発明にかかるセンサ、流れ制御部材及び
方法は、主として“侵入（invasive)”形式の分析方法
を使用する。換言すれば、被検物質の少なくとも一部が
外部の媒体から移動する形式、即ち、膜近傍において外
部相の消耗(depletion)が生じる形式をとる。
【００３４】本発明の本質的な利点は、必要流れの体積
を減少させること、即ち、流れチャンバ（センサにより
発生される信号が流れに依存しないように、流れチャン
バの流量を臨界値に近づける必要がある。）を通る被検
物質を含む液体外部相の流量を減少させ得ることであ
る。
【００３５】本発明の他の利点は、高い浸透性を有する
膜が、種々の流量に対してセンサに使用できて、センサ
で測定できる濃度の範囲をより低い濃度の範囲に及ぼし
得ることである。
【００３６】さらに他の利点は、測定をするために必要
な液体サンプルの体積を減少させ得ることである。これ
は、少量の必要流れとセンサが要求する安定化時間との
積が、結局、サンプルの体積を小さくするからである。
【００３７】また、本発明のさらに他の利点は、膜のサ
ンプル側に強固な保護を設けて、突然の圧力変化による
損傷を避けることができることである。
【００３８】本発明は、センサの必要流れの流量が多い
とき、特に、ディスクのような実質上円柱形の対称な形
状の膜を有するセンサに対して、重要である。以下の説
明においては主にこの種のセンサを扱うが、本発明はこ
の種のセンサの形態には限定されない。
【００３９】望ましい実施形態の詳細な説明 ここで使用される“コイル状チャネル”という用語は、
膜の外側の面に密着する全体的に平坦な形状の板状体の
面に設けられる細長い溝と膜との間に形成される細長い
管の種々の形式を含む。該板状体は、膜の表面にシール
を伴って接触したときに、外部相に直接さらされる。
“コイル状”との語は、溝又はチャネルの長さが、さら
された膜表面の最大横断寸法よりも大きいことを意味す
る。一般的に、コイルチャネル又は溝の長さは、さらさ
れている膜表面の最大横断寸法の少なくとも５倍大き
く、典型的には、少なくとも１０倍大きくされる。
【００４０】一方、チャネル又は溝の径方向の幅は、一
般的には、チャネルの全長にわたって、実質的に一様で
あり、一般的に、膜の露出表面の面積、コイル間のシー
ルに必要な幅、及び、外部媒体に対するチャネルの流動
抵抗は測定ごとの条件下で信頼性及び再現性のある測定
ができるように十分に低くすべきであるという事実に依
存する。この信頼性及び再現性の主な要因は、（ａ）測
定温度における外部相の粘性、（ｂ）外部相に懸濁する
微粒子があれば、その存在及び大きさ、（ｃ）チャネル
内の外部相の圧力、及び（ｄ）使用時の膜の安定性であ
る。
【００４１】多くの典型的な使用に関して一般的に言え
ることは、チャネルの半径方向の幅は、膜の最大横断寸
法の５パーセントよりも小さくすべきではなく、同様
に、軸線方向の幅、即ちチャネル若しくは溝の“深さ”
は、径方向の幅の２倍を越えるべきではなく、望ましく
は、径方向の幅を超えないようにするということであ
る。絶対量としては、溝又はチャネルの径方向の幅の典
型的な範囲は、一般的に略0.5から５mmの間である。
【００４２】上述のように、チャネルは一般的にはコイ
ル状の溝及びこれに対向する膜の面によって形成され
る。マージン、即ち、切り欠かれたコイルの間に突出し
ている峰部又は帯状凸部は、隣合うコイルの分離壁を形
成する。隣合うコイル間のマージンの径方向の幅は、
“短絡”即ち、チャネルの通路を経ずに一方のコイルか
ら隣のコイルに外部相が直接侵入することを防ぐ必要が
あるため、一般的に可能な限り小さく形成される。典型
的には、流れ案内部材のマージン部分は、約0.5mmから
約５mmの径方向幅を有する。溝又はチャネルの断面の形
状（軸線方向の面内で見たもの）は、厳格に必要とされ
るものではなく、ポリアセタール、ポリカーボネイト、
ポリアクリル等の比較的堅い有機ポリマー又はステンレ
ス鋼、チタン、若しくは操作状況下で不活性で十分に堅
いその他の材料で形成されている流れ案内部材の製造に
使用される加工又は成形の方法に依存する。三角形や半
円形の断面を、溝又はチャネルのこれらの断面の形状と
して挙げることができ、膜はチャネルの断面形状の幾何
学的底部として使用される。
【００４３】図１は、軸又はボディ１０２に連結されて
いる全体的に円柱形のセンサ１の上部１０１を示してい
る。ヘッド１３は、渦巻状のコイル状溝１５を備え内面
１４に設けられている流れ案内装置１２を支持してい
る。コイル状溝１５の両端は入口管１６及び出口管１８
に連通されている。管１６又は１８のいずれかは、コイ
ル状の溝と膜１１の外側の表面とによって形成されてい
るチャネルを通して外部相を流動させるためのポンプ
（図には示していない）に連結されている。溝を形成し
た面１４は膜１１によってシール係合によって保持され
ており、膜は、その下側（裏側）の面においてセンサ１
の穴あき支持面１９によって支持されている。
【００４４】膜付センサ用の公知の形式の検知装置又は
測定装置（図には示していない）は、測定方法によって
決まる被検物質の（静的な）圧力、又は動的な流量に応
じた信号を作り出すために、ヘッド１３の内側１０に取
り付けられている。
【００４５】図２は、流れ案内装置２（図１では参照番
号１２）の概略的な平面図を示している。流れ案内装置
２は、堅い構造材（例えば、ポリアセタール、ポリアミ
ド、ＡＢＳ、ポリサルフォン、ポリエーテルエーテルケ
トン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリメチルメタク
リレート等のポリマー又は鋼、チタンのような金属）で
形成されているディスク２２を備えている。ディスク２
２には、渦巻状のコイル状溝２４が設けられており、該
コイル状溝は入口端２６から出口端２８まで延びている
が、いずれが入口として使用され、又は出口として使用
されるかは重要なものではない。溝２４は渦巻状のマー
ジン２５が隣合う溝２４を分離するように成形されてい
る。
【００４６】マージン２５のシール効果は、支持面１９
（図１）に支持されている膜１１のシール能力と、流れ
案内部材１２の溝と膜１１の面との間に作用する圧力と
に依存する。非常に薄い膜を使用する場合には、膜が損
傷を受けないように注意する必要がある。また、コイル
状のチャネルを通して外部相を送るための圧力は、この
点を考慮して決めるべきである。典型的には、その圧力
は、約１Kg/cm2から約１０kg/cm2の範囲である。
【００４７】一般的に、膜のシール効果面の部分、又は
渦巻状のマージン２５は、膜１１及びその支持面１９の
形状に左右される。従って、膜１１、支持面１９、及び
流れ案内部材１２の実質的に平坦な形状は、決して厳格
なものではなく、多くの使用目的において、支持面１９
の形状が、縁なし帽形の（上縁が円弧状の）凸断面で、
流れ案内部材の膜接触面の溝の凹形状に嵌まる方が望ま
しい。
【００４８】使用に際しては、流れ案内装置２は実質上
円形にし、溝２４は円形に近い渦巻状の形状とする方が
望ましい場合が多いが、センサの構造次第では、これら
は各々、矩形若しくは多角形及びこれになじむ螺旋状で
も良い。また、コイル状の溝は、必ずしも渦巻状にする
必要はなく、流れ案内装置２の中心周りに角度を変化さ
せて蛇行状に延びる形態、図２の上部から下部まで左右
方向にジグザグ状に延びる形態、渦巻線を中心としてジ
グザグ状に蛇行する形態、及びこれらの組み合わせ等種
々の形態とすることができる。
【００４９】上記から明らかなように、本発明は、製造
されるセンサそのもの、又は、市場で入手できる従来型
のセンサに適応する形状の流れ案内部材としての形態を
とることができる。
【００５０】本発明は、さらに、以下の限定的でない実
施例によって説明される。
【００５１】
【実施例】実施例１ 流れ案内部材２は、ポリアセタールを用いて図２の平面
図及び図１の断面図で示されるように形成された。渦巻
状のチャネルは、入口ポート（直径２mm）から出口ポー
トに連結されている。これらのポートのうち、いずれが
中心位置及び周辺位置（中心からの距離は１cm）となる
かは厳格なものではない。チャネル内の液体外部相は、
流量をチャネルの断面積で割った値として表される平均
速度を持つ。
【００５２】チャネルは、断面においては二等辺三角形
であり、その大きさは、 広さ（径方向に測定）＝１mm ; 深さ（軸線方向に測定）＝0.6mm である。従って、その断面積は、0.003cm2である。毎分
250cm3という典型的な流量においては、圧力低下（圧力
差）は0.2バールであり、チャネル内の液体の平均線速
度は13.9 m/秒である。
【００５３】このことは、標準的な流れチャンバを有す
る従来の通常のチャンバスペースと対照的である。膜が
一方の壁となり、流れチャンバのボディが他方の壁とな
る円柱形で対称な従来の通常のチャンバスペースにおい
ては、流れが中央オリフィスから周縁の出口に向かい、
径方向外側に広がるのである。典型的には、本発明にお
けるこれらの平行壁の距離“ｄ”は、略0.6mmとされ
る。従って、液体外部相が流れている断面は、半径
“ｒ”に比例し、その結果、速度“ｖ”は落ち、動水力
学的拡散層の厚さは、入口からの距離が増加するにつれ
て大きくなる。螺旋に沿う流れは、径方向に見た場合内
側から外側への流れでもあり、この径方向外方への流れ
に関し、流れの断面、断面積、流速等の概念が成り立
つ。
【００５４】ｖ＝Ｖ／２πｒｄ （式５） ここで、Ｖは体積流量（チャネルの単位深さあたりの流
量と捉えることができる）を表す。
【００５５】この場合、チャネルの深さ及び流量が前記
のようであり、出口が半径１cmの所に位置していれば、
膜面上の液体の線速度は、周縁においては11 cm/秒 し
かない。即ち、流速は１２５分の１になる。
【００５６】チューブ内の流れの速度が１２５倍になる
ということは、拡散相の平均厚が５分の１（１／Ｖ3）
となり、膜に対する気体被検物質の対流的流れによる供
給の効率が５倍増加することに繋がる。三角形のチャネ
ルとした場合にも同様の要因が考えられるが、出願人の
知る限りでは、“径方向”チャネルは従来考えられては
おらず、また議論もされていない。
【００５７】実施例２ 図１及び図２で説明されているセンサ及び流れ案内部材
の有利な効果は、図３から分かる。図３は、電流の測定
から導かれたものであり、２５℃度で気体を飽和状態に
含む水にされされたクラーク仕様（Clark design)の電
気化学酸素センサを用いて、膜を通過したガスの流れを
直接測定したものに相当し、これを水の流量の関数とし
て表現したものである。クラーク仕様のセンサは、スイ
ス国ジュネーヴのオービスフェア社によりモデル31120
として供給されたものであり、電極の半径が0.316cm、
電極のエッジにおける流速が250cm3/分、即ち３５cm/秒
のものである。
【００５８】膜の材質は、イー． アイ． デュポン
エ ドゥ ヌムール（E.I. Du Pontet de Nemours）か
ら発売されている厚さ25μmのペリフルオロアルコキシ
ポリマー フィルムである。センサの電流は、同温下
で100％の湿度の空気にさらされたときに同じセンサが
示す電流（約２５μＡ）の百分率で示されている。当業
者であれば分かるように、後者の電流は、“無限の”速
度で流れる水の中であれば観測できるであろう限界の電
流値であると認識される。電流が変化する領域において
は、流体力学的境界層内の拡散が、電流の大きさの限界
の原因の一部となる。しかし、一度電流が安定状態まで
到達すると、水内の拡散によって示される“インピーダ
ンス”は、膜のインピーダンスと比較すると無視でき
る。
【００５９】図３は、空気の飽和した水の流量（ml/
分）に対する百分率における真の指示値（縦座標の上）
を示す曲線Ａ及びＢを示している。曲線Ａ及びＢは、本
発明にかかる流れ案内装置を備えたセンサから２５℃の
温度で得られた電流と、同じセンサで流れ案内装置がな
く、全体的に径方向に広がる構造の従来の流れチャンバ
の中に配置され、他は同様の状態で使用された場合の電
流とを比較している。
【００６０】酸素センサの傷つきやすい膜は、本発明に
かかる流れ案内装置により安全に保護されている。従来
の流れ案内装置においてセンサ上に同様の保護がないと
すれば、さらに対流的移動が妨げられ、必要流れが結果
的に増加してしまうこととなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるセンサのヘッドの概略的縦断面図
である。
【図２】本発明にかかる流れ案内部材をコイル状の溝を
有する側から見た概略的平面図である。
【図３】本発明にかかる方法の１例を行った場合の水の
流量に対する膜透過ガスの流量（百分率）のグラフであ
る。
【符号の説明】
１ センサ １１ 膜 １２ 流れ案内装置 １３ ヘッド １５ 溝 １６ 入口管 １８ 出口管 ２４ 溝 ２６ 入口端 ２８ 出口端

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 流体外部相との境界面において、被検物
    質の流体外部相にさらされる膜を備えた膜付センサであ
    って、該センサは、前記境界面にコイル状のチャネルを
    備え、該コイル状のチャネルは、前記膜と接しつつ前記
    コイル状チャネル内に前記外部相を通すための入口端と
    出口端とを備えていることを特徴とする膜付センサ。
  2. 【請求項２】 液体外部相に対しては実質的に非浸透性
    であるが、少なくとも１つの流体被検物質に対しては浸
    透性である膜と、少なくとも１つの流体被検物質の特性
    パラメータのための少なくとも１つの検知装置とを備
    え、 前記膜は、前記流体外部相と間の境界面に前記検知装置
    と前記外部相との分離壁を形成し、前記膜は、前記外部
    相にさらされる外側の面を有し、該外側の面には最大横
    断寸法があり、 前記センサは、前記チャネルに連通されている入口端及
    び出口端を有する流れ案内装置を備え、 前記コイル状のチャネルは、前記流れ案内装置の入口端
    から出口端までの長さ分延びており、前記チャネルの前
    記長さは、前記膜の前記外側の面の前記最大横断寸法の
    少なくとも約５倍であることを特徴とする請求項１記載
    のセンサ。
  3. 【請求項３】 前記コイル状のチャネルは、一端から他
    端に延びる実質上渦巻の形状であり、前記入口端は前記
    渦巻の前記一端に設けられており、前記出口端は前記渦
    巻の前記他端に設けられていることを特徴とする請求項
    ２記載のセンサ。
  4. 【請求項４】 前記膜の前記外側の面は、実質的に円形
    であることを特徴とする請求項２記載のセンサ。
  5. 【請求項５】 前記コイル状のチャネルの前記長さは、
    前記膜の前記外側の面の前記最大横断寸法の少なくとも
    約１０倍の大きさであることを特徴とする請求項２記載
    のセンサ。
  6. 【請求項６】 被検物質の外部相にさらされる外側の面
    と、最大横断寸法とを有する半浸透性の膜が取り付けら
    れている膜付センサと共に使用するための流れ制御部材
    であって、 該流れ制御部材は、前記膜の前記外側の面と接するとき
    にコイル状のチャネルを形成できる少なくとも１つの細
    長い溝を備え、前記細長い溝は、前記部材の入口から出
    口に至るまで延びる長さを有しており、前記溝の前記長
    さは、前記膜の前記外側の面の前記最大横断寸法の少な
    くとも約５倍の大きさであることを特徴とする流れ制御
    部材。
  7. 【請求項７】 前記延出された溝は、一端から他端に延
    びる実質上渦巻の形状であり、前記部材の前記入口は、
    前記渦巻の前記一端に設けられており、前記出口は前記
    渦巻の前記他端に設けられていることを特徴とする請求
    項６記載の部材。
  8. 【請求項８】 液体外部相に対しては、実質的に非浸透
    性であるが、少なくとも１つの被検物質に対しては浸透
    性である膜と、少なくとも１つの被検物質の特性パラメ
    ータのための少なくとも１つの検知装置とを備え、 前記膜は、前記検知装置と、少なくとも１つの被検物質
    を含むと思われる常態で液体の外部相との間に分離壁を
    形成し、前記膜は、前記外部相にさらされる外側の面を
    備え、該外側の面には最大横断寸法がある膜付センサの
    操作方法であって、 前記膜の前記外側の面に接触しつつ前記外部相を通過さ
    せるための少なくとも１つのコイル状のチャネルを設け
    るステップを備えることを特徴とする膜付センサの操作
    方法。
  9. 【請求項９】 前記コイル状チャネルは、一端から他端
    まで延びており、前記コイル状チャネルの長さは、前記
    膜の前記外側の面の前記最大横断寸法の少なくとも約１
    ０倍の大きさであることを特徴とする請求項８記載の膜
    付センサの操作方法。
  10. 【請求項１０】 前記被検物質は、前記膜近傍の前記外
    部相内で消耗されることを特徴とする請求項９記載の膜
    付センサの操作方法。
JP8033978A 1995-02-21 1996-02-21 膜付センサ、流れ制御部材及び分析方法 Pending JPH08261984A (ja)

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