JPH10507264A

JPH10507264A - ２つの流動ガス流間の示差酸素濃度を測定する方法及び装置

Info

Publication number: JPH10507264A
Application number: JP8512819A
Authority: JP
Inventors: ビー．ライゼル，デビット; ハント，スティーブン; エヌ．ダウリング，アドリアン
Original assignee: Queens University at Kingston
Current assignee: Queens University at Kingston
Priority date: 1994-10-18
Filing date: 1995-10-17
Publication date: 1998-07-14
Also published as: US5542284A; AU693267B2; DE69519994D1; ATE198935T1; EP0787295A1; WO1996012182A1; EP0787295B1; AU3647795A

Abstract

(57)【要約】２つの流動ガス流間の示差酸素濃度を測定する装置及び方法を開示する。別々のガス流路を流れる基準ガスとサンプルガスを、所定の温度、圧力及び流量で、互いに電気的に接続する一対の酸素センサのそれぞれに導入すると、酸素センサは両センサ間の示差酸素濃度に比例する出力信号を形成する。出力信号は公知の手段によって増幅及び記録することができる。内部校正システムについても記述する。

Description

【発明の詳細な説明】２つの流動ガス流間の示差酸素濃度を測定する方法及び装置発明の分野本発明は２つの流動ガス流間のＯ₂濃度差を測定する方法及び装置と、生体または非生体材料によるＯ₂の生成または消費速度の測定を目的とする前記装置の利用に係わる。前記装置は100ppmないし100％のバックグラウンドpO₂の存在における５ppmO₂以下のＯ₂差を識別できるという点で公知の同種装置と異なり、コンパクトであり、校正し易く、製造コストが比較的低く、しかも、ラボラトリ環境の外で使用する際にはバッテリを電源とすることもできる。この装置の主な用途は植物、動物及び微生物による呼吸に伴なうＯ₂消費の測定であるが、ヒトの呼吸に関する研究、Ｏ₂生産光合成細胞の研究、及び生物系または非生物系における基準ガスとの微少Ｏ₂濃度差のモニターにも利用できる。発明の背景及び公知技術酸素は好気呼吸するすべての細胞が生存するのに必須であり、細胞によるＯ₂ 消費速度の測定値は細胞の代謝活性の指数として利用されることが多い。CO₂は呼吸中に生成され、大抵の細胞では、正常な好気的条件下で生成CO₂と消費Ｏ₂との比は１に近い。この比は呼吸商（RQ）と呼称され、細胞の代謝状態の重要な指標である。例えば、RQは細胞によって利用される呼吸基質の性質に応じて変化し、細胞が嫌気性ストレスの作用を受けると著しく増大する。呼吸に伴なうＯ₂消費、CO₂生成及びRQの測定はヒトの運動生理学からバクテリアによる有機廃棄物の分解まで広範囲の研究に利用されている。植物も好気的に呼吸するが、植物は光合成活性を有するから、総合的にはＯ₂ の消費ではなく生成となる。植物からのＯ₂生成量の測定は光合成活性の値として利用されることが多い。光合成の過程において、植物は大気中のCO₂を有機炭素に変換し、水をＯ₂ガスに変換する。植物による消費CO₂と生成Ｏ₂の比は光合成商（PQ）と呼称され、RQと同様に、この値は植物の代謝状態を示す重要な指標である。細胞によるＯ₂消費または生成をモニターする最も一般的な方法は既知濃度のＯ₂を含むチェンバ（キュベット）に生物、組織、または細胞懸濁液を収容し、経時的にキュベット内で起こるＯ₂濃度の変化をモニターするというものである。この方法は“閉路方式”または“開路方式”ガス交換法によって行うことができる。閉路システムの場合には、生物学的サンプルをキュベット内に封入し、一定のタイムインターバルでキュベットから空気のサンプルを取出す。それぞれの空気サンプルを分析してＯ₂濃度を測定し、経時的なＯ₂濃度の変化を利用することによってサンプル採取時点間のＯ₂生成または消費の平均速度を算出する。最も簡単な形式としては、閉路システムの場合、最初と最後のＯ₂濃度だけを比較してキュベット内のＯ₂量の差を求め、これをインキュベーション時間で除算することによって測定時間中に起こったＯ₂交換速度を求める。Ｏ₂交換を測定するための閉路方式測定にはいくつかの制約があり、最も深刻なのはＯ₂交換速度をリアルタイムで測定できないことである。従って、生物学的Ｏ₂交換の速度を即時的にモニターすることはできない。また、キュベットの雰囲気を一定のタイムインターバルでサンプリングしない限り、Ｏ₂交換速度の短期変動を検出することはできない。大抵の細胞では呼吸速度や光合成がpO₂に影響され、pO₂はＯ₂の増減に伴なって変化するから、密閉キュベット内では上記変動が起こり易い。このような問題を克服するため、定常または非定常条件下でＯ₂交換を連続的に測定する開路ガス交換方式が開発された。開路ガス交換システムによるＯ₂交換の測定では、生物学的サンプルをキュベット内に収容し、既知組成のガスが一定速度でキュベット内を流動するように設定する。キュベットからの流出ガスのＯ₂濃度をＯ₂アナライザによってモニターし、流入ガスと流出ガスのＯ₂濃度差にキュベットを通過する流量を乗算することによってＯ₂交換速度を測定する。開路方式に使用されるＯ₂アナライザそのものがフロースルー計測装置であれば、流出ガス中のＯ₂濃度を連続的にモニターすることができ、Ｏ₂交換をリアルタイムで測定することができる。開路ガス交換システムによる最も正確なＯ₂交換測定方法は示差Ｏ₂アナライザの使用である。このような計測装置は基準ガス流と、組成はこれと同じであるが被験材料が収容されているキュベットを通過したガス流とのＯ₂濃度差を連続的にモニターする。現在市販されている最も感度の高い示差Ｏ₂アナライザとして常磁性Ｏ₂センサ〔例えば、ドイツ，ハンブルク，Maihak社のOxygor（登録商標）６Ｎ〕か、または酸化ジルコニウムセンサ（例えば、米国，マサチューセッツ州，Servomex社のModel Ｓ−3A／II）が挙げられる。しかし、これらの計測装置の感度には限界がある。Oxygor（登録商標）６Ｎが測定できる最小Ｏ₂差は、基準ガスとして空気（約20.9kPa O₂）を使用する場合には100ppm O₂（１大気全圧における10Paに相当）に過ぎない。同じ条件下で、Servomex Ｓ−3A／IIの精度限界は示差モードで±３pa O₂に過ぎない。従って、どちらの計測装置も、対象となる生物学的サンプルの代謝速度が低い場合に予想される極めて小さいＯ₂差を測定するのに必要な感度は具えていない。また、これら２つのタイプの示差Ｏ₂アナライザは本質的にはラボラトリ内での使用を想定したものであり、野外での使用に適応させるのは容易でなく、高精度で機能するためにはAC電力と定常な環境条件を必要とする。さらにまた、ラボラトリ専用の校正システムによる校正を必要とし、このような校正システムには圧縮ガス及び／またはガス混合計測装置が含まれる。これがアナライザのコストをかなり押上げる。示差Ｏ₂アナライザはコストが比較的低いので、Ｏ₂交換速度が低い生物の研究に閉路ガス交換方式を利用する研究者が多い。例えば、Columbus Instruments I nternational Corporation（米国，オハイオ州43204，カランバス市）が開発したMicro-Oxymax Respirometer（登録商標）は生体からのＯ₂交換測定用として現在市販されている感度が最も高い閉路方式装置の１つである。この装置は24時間に亘って0.2μl O₂／ｈのＯ₂交換速度を測定することができる。しかし、この感度レベルでは、ユーザーが入手できるのは24時間に亘るＯ₂交換の平均測定値１つだけであり、測定中に呼吸パターンを観察することは不可能である。キュベットに供給されるガスが30kPaを超えるＯ₂（pO₂）の分圧力を持つことができないという点でもMicro-Oxymax Respirometer(登録商標)の使用には限界がある。従って、pO₂が前記上限値よりも高くなる実験（例えば、呼吸速度がＯ₂拡散によって制限される細胞におけるＯ₂−飽和呼吸速度の測定、または高pO₂において起こる高い光呼吸速度での光合成の測定）にこの装置を使用することはできない。市販の示差Ｏ₂アナライザと同様に、Micro-Oxymax Respirometer(登録商標)はラボラトリにおける使用を想定したものであり、現場での使用には適応し難い。その価格も市販の示差Ｏ₂アナライザと同程度である。公知の閉路方式示差Ｏ₂アナライザに課せられた限界にかんがみ、２つの流動ガス流間の極めて小さい（１Pa以下）Ｏ₂差を連続的に測定できるＯ₂アナライザの実現が望まれる。即ち、最大限100kPaまでのpO₂を含有する基準ガス流とサンプルガス流との間のＯ₂差を測定でき、基準ガスに含まれるpO₂に関係なく両ガス流間の僅か１PaのpO₂をも測定する感度を有するアナライザでなければならない。また、低コストで、好ましくは内蔵されている校正システムによって容易に校正でき、現場での使用に容易に適応できるアナライザでなければならない。さらにまた、示差pO₂及びCO₂の同時測定にも適応させることができ、被検材料の呼吸商または光合成商の直接測定を可能にするアナライザでなければならない。発明の目的本発明の目的はpO₂を含有する基準ガス流とサンプルガス流との間のＯ₂差を連続的に測定でき、10Paないし100kPa O₂のバックグラウンドpO₂において１Pa以下のＯ₂差を測定でき、ラボラトリでも現場でも使用できる低コストの示差Ｏ₂アナライザを提供することにある。本発明の他の目的はアナライザが使用されている環境条件をモニターする環境センサが組込まれ、これらのセンサを利用することにより、環境条件の変化に伴なって自動的にアナライザの出力を修正できる示差Ｏ₂アナライザを提供することにある。本発明のさらに他の目的は別設のガス混合装置を使用しなくてもよいように、一体的な校正システムによって前記示差Ｏ₂アナライザを校正する方法を提供することにある。本発明のもう１つの目的は同一の計測装置内に、基準ガス流とサンプルガス流との間の示差pO₂及び示差pCO₂を測定するためのシステムが組込まれている示差Ｏ₂アナライザを提供することにある。発明の要約装置発明として、本発明は２つの流動ガス流間の示差酸素濃度を測定する装置において：それぞれが所定のガス流を導入するための手段及び前記ガス流の圧力及び流量を制御する手段を有する第１及び第２ガス流路が貫通している温度制御下のハウジングと；前記両ガス流間の圧力及び酸素濃度差を表わす信号を発生させる手段と；前記圧力、流量、温度と、前記示差圧力及び酸素濃度を表わす前記信号をモニターすることによって前記両ガス流間の示差酸素濃度を測定及び記録するコンピュータ手段から成ることを特徴とする前記装置を提供する。方法発明として、本発明は少なくとも一方の流動ガス流が酸素を含有している２つの流動ガス流間の示差酸素濃度を測定する方法において：１対の電気的に互いに接続している酸素センサのそれぞれを通過するように、所定の温度；圧力及び流量でそれぞれの前記ガス流を流動させることによって前記センサ間の示差酸素濃度に比例する出力信号を形成することを特徴とする前記方法を提供する。図面の簡単な説明図１は、示差Ｏ₂アナライザを組込まれた典型的な開路式ガス交換システムと、RQまたはPQを測定するためシステムに示差CO₂アナライザを組込む方法を示すブロックダイヤグラムである。図２は、示差Ｏ₂アナライザ内の成分配置及び装置内を流動するガスの経路を示す構成図である。図３は、他の実施態様における図２と同様の構成図である。図４は、示差モードで使用されるＯ₂センサを囲むセンサブロックの詳細図である。図５は、所与のpO₂においてセンサの出力間に差があれば算出できる出力電圧差を提供するように基準Ｏ₂センサとサンプルＯ₂センサを接続する電気的回路構成、及びＯ₂センサからの出力信号を増幅する電気回路である。図６は、生物を収容しているキュベットに種々のpO₂が供給され、前記生物がこのpO₂を10kPaだけ消費する場合、前記生物の実際の呼吸商と、示差Ｏ₂アナライザ及び示差CO₂アナライザの出力から測定される呼吸商との数学的関係を示すグラフである。図７は、生物の実際の呼吸または光合成商と、示差Ｏ₂アナライザによって測定されるサンプルガス流中のＯ₂交換及び生物によって行われるＯ₂交換の差との関係を示すグラフである。図８は、Ｏ₂及びCO₂を同時測定するように構成されたダブル示差Ｏ₂アナライザにおけるＯ₂センサの配置を示す簡略図である。図９は、生物がサンプルガス流の形で種々のpO₂レベルの50Pa CO₂を供給され、このガス流を10Pa O₂だけ消費する場合、ダブル示差Ｏ₂センサにおけるセンサ出力の比と、生物の実際の呼吸商との関係を示すグラフである。好ましい実施例の詳細な説明典型的な開路ガス交換システム示差Ｏ₂アナライザは図１に示すような開路ガス交換システムに使用されるように構成されている。Ｏ₂を含有するガス１（空気または混合ガス）の供給は基準流２とサンプル流３とに分割される。サンプル流の流量は流量計４を使用して測定され、ガスはＯ₂を生成または消費する物質を収容しているキュベット６に流入する前に加湿システム５を通過する。キュベットを通過したのち、ガスの一部は大気７中に放出され、残りはポンプ８によって氷水浴９中の凝縮器へ、次いで過塩素酸マグネシウムカラム10へ送入されることで乾燥する。次いで、ガスはＯ₂アナライザ12のサンプル例11に流入する。基準ガス流の流量が流量計13によって測定され、次いで、サンプルガス流と同じタイプの加湿器14にガスが流入する。基準ガスの一部は大気15中に放出され、残りはポンプ16によって氷水浴９中の凝縮器に、さらに過塩素酸マグネシウムカラム17に送入されることによって乾燥する。次いで、基準ガスはＯ₂アナライザの基準側に流入する。アナライザを通過したのち、基準ガス流もサンプルガス流も大気中へ放出される。これに代わる実施態様として、生体材料を収容しているキュベットを通過することによって変化したガスのＯ₂濃度ではなく、特定環境において採取されたガスのＯ₂濃度を測定するために示差Ｏ₂アナライザを利用することができる。このような測定は日々の、四季の、または地域別の大気中pO₂変動に関する情報を必要とする大気モニターにとって重要である。この場合、アナライザは基準ガスとしてpO₂が既知の圧縮または混合ガスを使用し、サンプルガスは示差アナライザのサンプル側に流入する前に、容器からガス交換システムの脱湿装置へ直接ポンプ送入されることになる。示差Ｏ₂アナライザの構成示差Ｏ₂アナライザのブロックダイヤグラムを図２に示す。氷水浴と過塩素酸マグネシウムカラムを通過することによってそれぞれ同程度に乾燥した基準ガス流21及びサンプルガス流22の一部は下流の流量制限ゲート25及び26に抗して作用するポンプ23及び24によってそれぞれアナライザへ送入される。ガスの残りはバイパス27及び28を通って大気中へ放出される。基準ガスバイパス管内に設けたＯ₂ センサ29（米国，イリノイ州，Figaro USA社製のModel KE−25)が基準ガス流の絶対Ｏ₂濃度を測定する。粒状物は流量制限ゲートの近傍に設けたグラスウールフィルタ30及び31によって両ガス流から除去される。基準ガス流は、一方の枝管がポンプ23に、他方の枝管がソレノイド33に接続するＴ字継手管32において分流される。ソレノイド33が“オン”状態であれば、アナライザは測定モードで作用し、基準ガスの全部がポンプ23を、さらに示差アナライザの基準側を通過する。この構成では、ソレノイド33に流入するサンプルガスはポンプの作用下にアナライザのサンプル側を通過する。ソレノイド33が“オフ”状態であれば、基準ガスがポンプの作用下にアナライザの基準側及びサンプル側を通過し、アナライザはゼロモードで作用する。いずれのモードにおいても、基準Ｏ₂センサ34及びサンプルＯ₂センサ35（米国，イリノイ州，Figaro社製のModel KE−25）を通過するガスは、センサを収容している温度制御下のセンサブロック38に組込まれた熱交換器36及び37に流入する。最適の作用を得るには、ブロックの温度を、アナライザが直接影響される最高周囲温度以上に維持しなければならないが、通常の作用温度は40℃である。この温度は、センサブロックに組込まれたサーミスタ39またはその他の温度感知装置によってモニターされる。基準ガス流は小さいオリフィスを有するステンレススチール管の形態を取る取外し自在な流量制限ゲート40を通って流出する。ソレノイド41及び42の双方が“ オフ”状態にあれば、サンプル流は基準ガス流内に配置された流量制限ゲート40 と同様の物理的性質を有する取外し自在な流量制限ゲート43を通って流出する。従って、基準ガス流とサンプルガス流のガス流量が同じであれば、流量制限ゲートが示差Ｏ₂センサに対して同じ背圧を作用させ、差圧センサ44の読みがほぼゼロになる。ソレノイド42が作動し、ソレノイド41がオフ状態になると、サンプルガス流が45において直接大気中へ放出され、その結果、サンプルガス流の背圧が基準ガス流の背圧よりも低くなり、その大きさは差圧センサ44によって測定される。種々の特性を有する流量制限ゲートを選択するか、または基準及びサンプル流の流量を制御することにより、ユーザーはソレノイド41が作動中の差圧の大きさを調節することができる。ソレノイド41が作動し、ソレノイド42がオフ状態であれば、流量制限ゲート40 及び43の２倍に相当するガス流抵抗を通って放出される。その結果、基準ガス流に対するサンプルガス流の差圧が増大し、その大きさが差圧センサ44によって測定される。ソレノイド41またはソレノイド42の作動によって発生するサンプルガス流中の差圧が増減すると、その結果、アナライザのサンプル側におけるＯ₂濃度に小さい変化が起こり、この変化は示差Ｏ₂センサによって検出される。これはアナライザの一体的校正システムの基本である。サンプルガス流に対する背圧の変化がガス流量に著しく影響しないようにするには、流量制限ゲート40，43及び46の抵抗がポンプ23，24及びフィルタ30，31の直ぐ下流に設けた流量制限ゲート25及び 26の抵抗の15％以下であることが好ましい。Ｏ₂アナライザの作用中、アナライザの外側に開口を有する絶対圧力センサ47 によって大気圧が測定される。大気圧の測定は基準ガス流中のＯ₂濃度を計算するのに不可欠である。アナライザの他の実施例（図３）では、温度制御下のセンサブロック38の構成は図２に示したものと全く同じであるが、アナライザ内を通過する基準ガス21及びサンプルガス22の流路が異なる。即ち、この実施例の場合、基準ガスもサンプルガスもガスがアナライザから放出される点49の直ぐ前に配置された単一のポンプ48によってアナライザ内へ送入される。流量の変動を緩和するため、ポンプの直ぐ手前でガス管内約10cm³のスペース50を組込む。アナライザ内におけるガスの流れはソレノイド51，52及び53によって制御され、これらのソレノイドを作動状態にしたり、非作動状態にするシーケンスはアナライザを校正モードで使用するか、測定モードで使用するかによって異なる。アナライザを校正するには、先ずアナライザの基準側及びサンプル側の双方を通って基準ガスを排出させる。サンプルガス22がアナライザのサンプル側には流入できず、バイパス28を通って大気中へ放出されるように常閉ソレノイド51を非作動状態にする。基準ガス21のサンプルはＴ字継手管32に流入し、ポンプ48によってアナライザの基準側及びサンプル側の双方へ送入される。基準ガスの残りは絶対Ｏ₂センサ29を通過し、バイパス27においてアナライザから放出される。アナライザのサンプル側において、基準ガスはソレノイド弁52に接続するＴ字継手管54 に流入する。この弁は非作動状態で閉じ、図２に示したアナライザの実施例に関して述べたのと同じタイプの流量制限ゲート55を通過するように基準ガスを向ける。流量制限ゲート55を通過したガスは非作動状態で開らくソレノイド弁53と接続するＴ字継手管56に流入する。この弁53が開らくと、ガスは抵抗なく温度制御下のセンサブロック38内のサンプルＯ₂ガスセンサ35へ流入することができる。Ｏ₂センサ35を通過した基準ガスはセンサブロックを通り抜け、ポンプの作用下に流量制限ゲート55の約20倍の抵抗を有する流量制限ゲート57を通過する。流量制限ゲート58を出たのち、アナライザのサンプル側の基準ガスはアナライザの基準側を通過したガスとＴ字継手管59において合流し、この混合ガスはポンプ48によりスペース50を経て放出される。ソレノイド弁51，52及び53を上述したように構成すると、Ｔ字継手管22に流入する基準ガスの一部はニードル弁61を通ってアナライザの基準側に流入する。次いで、ガスはセンサブロック38内の基準Ｏ₂センサ34に流入し、センサブロックから、アナライザのサンプル側の対応位置における流量制限ゲート57と同じ抵抗を有する流量制限ゲート60を通過するように吸引される。次いで、基準ガスはアナライザのサンプル側を通過した基準ガスとＴ字継手管59において合流し、合流したガスはポンプによってアナライザから通気孔49を通って放出される。アナライザ内を流動するガスの流量はポンプ48によって制御され、流量制限ゲート59の入出口間に配置された差圧センサ58によって校正される。高流量ならば、流量制限ゲート59の前後の差圧は低流量の場合よりも大きく、差圧センサ58の出力電圧を利用したポンプの速度をモニター及び制御できるように差圧と流量の関係がアナライザのソフトに記憶される。基準ガスがアナライザの基準側とサンプル側の双方を通過して流動する状態では、各センサにおけるガス間に差圧が全く存在しない場合にのみＯ₂センサ34及び35間の示差Ｏ₂濃度がゼロになる。基準ガス流とサンプルガス流の間に配置された差圧センサ44はアナライザの基準側とサンプル側の差圧をモニターし、基準管内に設けたニードル弁61を調整することによってこの差圧をゼロに設定することができる。ゼロ状態が設定されたら、アナライザのサンプル側における基準ガスの圧力を調整することによって示差Ｏ₂アナライザを校正すればよい。サンプルＯ₂センサにおけるガス圧を基準センサにおけるガス圧よりも大きくすることによってサンプルセンサ内のpO₂を増大させるため、ソレノイド52を作動させる。作動させると、ソレノイド52は開放状態となり、その結果、基準ガスは制限されることなくサンプルＯ₂センサへ流入する。このような条件下で、差圧センサ44はサンプルＯ₂センサと基準Ｏ₂センサの間のＯ₂濃度差と相関関係にある差圧を読む。サンプルガス管内の圧力を基準ガス管内の圧力よりも低くすることによりサンプルセンサ35におけるＯ₂濃度を低下させるため、ソレノイド52を非作動状態（閉鎖）にする一方、ソレノイド53を作動させる（同じく閉鎖）。ソレノイド52及び53が共に閉鎖状態になると、基準ガスはサンプルＯ₂センサ35へ流入する前に、流量制限ゲート55、及びこれと同じ抵抗を有するもう１つの流量制限ゲート62 を通って流動しなければならない。アナライザのサンプル側における抵抗を２倍にすることでサンプルＯ₂センサにおけるガス圧が低下する。その結果として現われる差圧を差圧センサ44がモニターし、示差Ｏ₂アナライザは両センサ間の示差Ｏ₂濃度に比例する信号を出力する。従って、校正の手順としては、ゼロ状態を設定したのち、基準Ｏ₂センサに対するサンプルＯ₂センサにおけるpO₂の高低両状態に関する２点校正を行う。両センサ間の差圧を測定することによって差圧変化に伴なう示差pO₂値を計算することができる。測定モードにおいては、ソレノイド51を作動（開放）させることにより、サンプルガスがアナライザのサンプル側を通って流動できるようになる。ソレノイド 52が閉じ、ソレノイド53が開らくことで、サンプルガスは流量制限ゲート55だけを通過することになる。このような条件下では、校正の過程において基準ガス流内に設置されているニードル弁61を調整することによって流量制限ゲート55の抵抗が打消されているから、基準ガス流とサンプルガス流との間に差圧は存在しない。従って、示差Ｏ₂アナライザから発生する信号は基準及びサンプルＯ₂センサ間のpO₂差だけに起因し、圧力とは無関係である。いずれのアナライザ実施例においても、コンピュータ制御によって示差Ｏ₂アナライザを校正し、操作することができる。絶対Ｏ₂センサ、基準及びサンプルＯ₂センサ、ブロック温度サーミスタ、絶対圧力センサ、及び差圧センサの出力がＡ／Ｄ変換され、以後の計算に使用すべくディジタル値が記憶される。ポンプ23，24（図２）または第２実施例（図３）におけるポンプ48の速度、及びブロック温度はＤ／Ａコンバータからのアナログ出力によって、またはポンプに電力を供給する分圧器のディジタル制御によって制御される。また、ソレノイド33，41及び42（図２）またはアナライザの第２実施例（図３）におけるソレノイド51，52及び53の位置はディジタル制御される。図２に示す示差Ｏ₂アナライザ実施例のための校正については詳しく後述するが、いずれの実施例もその校正及び使用には数学的分析が必要である。センサブロックの構成温度制御下のセンサブロック（38；図２及び図３）の構成を図４に示す。基準Ｏ₂センサ34及びサンプルＯ₂センサ35を、例えばアルミニウムやステンレススチールのような熱伝導材から成る、互いに全く同じハウジング62，63にそれぞれ収容する。両ハウジングは中央プレート64において互いに接合されている。基準及びサンプルセンサはそれぞれのハウジング内で、鉛陽極がアナライザの底側に位置するように配向されている。Ｏ₂センサのセンサヘッド67，68はそれぞれのハウジングの壁によって位置固定されており、センサの残りの部分はハウジング内の空気が充満している空洞69，70内に嵌着されている。これら空洞内の空気はアナライザ内でポート71，72を介して外気と連続している。センサハウジングの空洞69及び70に達する別のポート73及び74が両センサを接続する電気回路75の挿通を可能にする。互いに接合された２つのハウジングから成るセンサブロック全体が（図示しない）加熱ホイルに包まれ、加熱ホイルの温度は電源によって制御される。センサブロックの中央プレート内の空洞77内の熱伝達ゲルに浸漬された抵抗性温度装置76は使用中ブロックの温度を連続的にモニターする。基準ガス及びサンプルガスはそれぞれポート78及び79からセンサブロックに流入する。次いで、ガスは曲りくねった経路で各Ｏ₂アナライザ34及び35のセンサヘッド67及び68にむかってガスを誘導するセンサハウジング内の円形ガス流路から成る熱交換器80及び81をそれぞれ通過する。熱交換器を通過しながらガスはセンサブロックの温度に達し、Ｏ₂センサを通過したのち、ガスはそのままポート8 2及び83を通ってセンサブロックから放出される。示差Ｏ₂アナライザからの信号をコンディショニング処理する前置増幅器84（図５をも参照）は感応性であるから、センサブロック内に組込むことによって一定温度に維持される。示差Ｏ₂アナライザ：構成及び作用原理（ａ）示差Ｏ₂センサの電気的構成示差Ｏ₂アナライザ内に組込まれる基準及びサンプルＯ₂センサ（好ましくは、米国イリノイ州，Figaro USA社のModel KE−25）は鉛−酸素バッテリの原理で作用する。各センサは鉛陽極、（金属の）酸素陰極及び弱酸性電解液を含む。センサの表面を通過するＯ₂はテフロンFEP膜を透過して拡散し、全電極において電気化学的に還元される。メーカーから出荷されたままの状態では、各センサが陽極と電極の間（約1.2kΩの総抵抗値で）直列接続された抵抗器及びサーミスタを含み、電圧差は温度変化に関係なくテフロン膜におけるＯ₂濃度に比例した。示差Ｏ₂アナライザに使用するため、２つの個別センサを、電気回路の出力が両センサ間のＯ₂濃度差に比例するように変更を加え、図５に示すように電気回路中に配置した。示差センサの変更と特徴は下記の通りである：（ｉ）各センサの内部抵抗器間の接続を断ち、図５に示すように、800Ω固定抵抗器85及び200Ω電位差計を挟んでリード線を並列接続した。（ii）所与のpO₂において比較的大きい電流を出力するセンサを回路中に配置することにより、陽極を200オーム電位差計のワイパと接続した。典型例として、基準センサの出力電流は40℃及び20kPa O₂において約15μＡであり、同じ条件下でサンプルセンサの出力電流は20μＡであった。（iii）pO₂及び気圧が同じガス流が両センサに流入すると回路の出力差が０となるように電位差計を調整した。（iv）同一センサにおけるpO₂の増減が固定抵抗器85及び電位差計86を流れる電流を変化させ、この電流の変化から出力電圧差を変化させた。（ｂ）電圧差の増幅示差Ｏ₂センサの電圧出力は本来、基準ガス流とサンプルガス流とのpO₂差に比例するが、発生する電圧は極めて小さい。例えば、基準センサとサンプルセンサ pO₂差が10Pa（１気圧における約100ppm O₂に相当）の場合、差電圧は12.5μＶに過ぎない。信号を測定可能な範囲まで昇圧するには図５に示すような低ノイズμ Ｖ増幅器が必要である。先ず、背中合わせに直列接続した２つのタンタル５μＦコンデンサ87及び88を通過させることによって、センサ回路からの正負出力をDC濾過する。負出力は接地し、正出力は非転倒形増幅器として構成されたTLC1150演算増幅器89に入力される。この増幅器の電圧利得係数は6800であり、この利得係数は温度変化に対して安定な精密抵抗器によって達成される。入力抵抗器90の抵抗値は１Ω、フィードバック抵抗器91の抵抗値は6.8kΩである。互いに背中合わせに直列に、かつ6. 8kΩ抵抗器と並列に接続する２つの1.5μＦタンタルコンデンサ92及び93は高周波数ノイズの増幅を防止する。TLC1150演算増幅器からの出力は１Hz低帯域フィルタ94に入力されてノイズをさらに軽減する。低帯域フィルタからの出力は例えばチャートレコーダのようなアナログ記録装置、または（図示しない）コンピュータによるデータ追跡記録のためＡ／Ｄコンバータに入力される。示差Ｏ₂アナライザの校正示差Ｏ₂アナライザを校正するには既知量のpO₂を含有する基準ガスを基準Ｏ₂ センサに通す一方、基準ガス中のpO₂とは異なる既知量のpO₂Sを含有するガスをサンプルセンサに通さねばならない。アナライザの直線性をチェックするためには、少なくとも３点の校正を行わねばならない。アナライザの使用中に正及び負のＯ₂差を測定しなければならない場合には、基準ガス中のpO₂値以上及び以下の pO₂が上記３点に含まれる。アナライザが測定しなければならないpO₂差の範囲を画定するための校正が必要である。校正に使用される標準ガスは、高精度ガス混合ポンプ、例えば、Wosthoffを使用するか、または質量流量電子コントローラを使用してラボラトリにおいて混合すればよい。ただし、いずれの方法も極めて高いコストを必要とする。ガス供給会社から標準ガスを購入することもできるが、これも長期的には極めて高いコストを必要とする。なお、このような現行の校正方法はラボラトリ専用の別設設備の使用を必要とする。これらの公知方法とは対照的に、図２及び図３に示す示差Ｏ₂アナライザの実施例はガス混合を伴なわず、従って、別設のラボラトリ設備を利用する必要のない組込み校正ルーチンを有する。乾燥空気を校正ガスとして使用し、ソレノイド33（図２）またはソレノイド51（図３）を非作動状態にすることにより、同じガスを基準及びサンプルＯ₂ センサに通す。ただし、サンプルＯ₂センサに異なるガス圧を作用させることによってサンプルガス流中の空気の pO₂を変化させる。基準及びサンプルセンサ間の圧力差から生ずるpO₂差を計算するためには、アナライザが使用される環境条件を測定しなければならない。アナライザ内に組込まれて環境センサの校正、及びＯ₂差の計算を目的とする該センサからのデータの利用について以下に説明する。（ａ）気圧の測定示差Ｏ₂アナライザを正確に校正するには、アナライザに流入する空気中のＯ₂ の絶対分圧をkPa単位で求めねばならない。高圧の空気は低圧の空気よりも単位容積当りのＯ₂分子含有数が多い（例えば、20％のＯ₂を含有する空気は120kPa気圧において24kPaのpO₂を有するのに対して、100kPa気圧において20kPaのpO₂を有する）から、pO₂は周囲気圧に応じて変化する。従って、アナライザには周囲気圧を測定するための絶対圧センサ（47；図２）が組込まれている。この絶対圧センサ自体の電圧出力をkPa圧力単位に換算しなければならず、そのためにはHgマノメータを使用してセンサを校正する必要がある。この校正はアナライザを組立てる過程で行われるが、ユーザーはソフトウェアを介して校正を変更することができる。絶対圧センサの２点校正では、周囲圧条件下で電圧出力を測定し、センサを真空ポンプに取付けることによって０圧状態とする。周囲圧を水銀マノメータによってmmHg単位で測定し、この値を、マノメータ内におけるHg及びガラスの相対膨脹に対する周囲温度の影響とmmHg値に対する、緯度に応じて異なる重力の影響を考慮しながらkPa単位に換算する。周囲温度はアナライザ内のサーミスタ（39；図２）から読取る。温度補正係数は線形回帰としてソフトウェアに記憶され、重力補正係数は３次多項式として記憶される。補正係数によって、アナライザを使用する環境の温度や地理的場所に関係なく、mmHgからkPaへの正確な換算が可能になる。絶対圧センサのkPaと電圧出力の関係は線形回帰としてソフトウェアに記憶される。基準センサ内の空気の絶対圧は周囲圧と、基準ガス出口ポート（40；図２）において流量制限ゲートがセンサに作用させる背圧との和である。背圧は（ｄ）において後述するように基準ガス流量を校正する過程で測定される。（ｂ）絶対Ｏ₂センサの校正基準ガス流中に設置される絶対Ｏ₂センサ（35；図２）はアナライザ組立ての過程で行われるが、この校正をユーザーがソフトウェアで変更できる。２点校正では、センサの高圧出力を100％O₂及び０％O₂(純粋Ｎ₂)において測定する。基準Ｏ₂センサ内に維持される圧力における％O₂を（ａ）において上述したようにkPa O₂に換算する。kPa O₂に対する絶対Ｏ₂センサ電圧出力の線形回帰をソフトウェアに記憶させ、任意の入力pO₂及び圧力における電圧出力をkPa O₂に換算するのに利用する。（ｃ）示差圧センサの校正示差圧センサは基準及びサンプルＯ₂センサ間に０、正及び負の圧力差を発生させる３点校正によって校正される。基準及びサンプルガス流間に配置した水圧計によって絶対差圧を測定し、mmHgからkPaへの換算に関して（ｂ）において上述したように緯度に応じた重力補正係数を考慮に入れながら、圧力単位をmmH₂O からPaに換算する。ガラスと水の熱膨脹係数は似ているから、この単位換算に温度補正係数は含まれない。線形回帰は差圧センサの電圧出力に対応する差圧（Pa ）の変化であり、これによって、校正ルーチンに使用される圧力範囲内で差圧を算定することができる。図２に示す示差Ｏ₂アナライザの実施例においては、アナライザから放出される前にサンプルガス流を異なる流量制限ゲートに通すことによってサンプル及び基準Ｏ₂センサ間に差圧を発生させる。基準ガス流は常に一定抵抗（40；図２）に抗して放出され、アナライザの常規作用条件下では、ソレノイド41及び42（図２）がオフ状態にセットされるから、サンプルガスは基準ガス管内と同じ抵抗に抗して放出される。その結果、基準及びサンプルＯ₂ センサ間の差圧が０となり、差圧センサの電圧出力がこの０を反映する。サンプル及び基準センサ間に正の差圧を発生させるには、サンプルガスが基準ガス管内よりも大きい背圧を伴なって制限ゲート26を通過するようにソレノイド33（図２）を作動させる。サンプル及び基準センサ間に負の差圧を発生させるには、サンプルガスが直接外気中に放出されるようにソレノイド41（図２）を非作動状態にする。差圧センサを校正できる背圧範囲は基準及びサンプルガスが通過する流量制限ゲートを取替えることによって変えることができる。これらの制限ゲートは種々の開口サイズを有する取外し自在な管から成るから、開口がもっと広い、またはもっと狭い管と容易に交換できる。開口サイズは同じであるが長さの異なる管を使用することによって背圧を変化させることもできる。図３に示すアナライザの実施例において基準及びサンプルＯ₂センサ間に差圧を発生させる方法はすでに上述した。このアナライザ０施例を校正できる圧力範囲は内部流量制限ゲート55，56をもっと大きいか、またはもっと小さい抵抗を有する制限ゲートと取替えることによって変化させることができる。（ｄ）ポンプ速度の校正図２に示す示差Ｏ₂アナライザ実施例の場合、基準及びサンプルＯ₂センサに加わる背圧は、基準ポンプ（23；図２）及びサンプルポンプ（24；図２）がそれぞれのガスをサンプリングする速度、及びガス流が外気中へ放出される時に通過する流量制限ゲートの大きさによって決定される。従って、２つのガス流が同じ抵抗の制限ゲートを通って放出されると両センサ間に０差圧が得られるようにポンプ速度をセットする必要がある。所与の流量においてこの０差圧を達成するには、サンプルガスポンプを停止させたまま基準ガスポンプを校正するだけでよい。このような条件下では、基準ガス管内には正圧が発生し、サンプルガス管内は大気圧に維持される。２つのガス管の差圧の大きさは基準ポンプの速度と、抵抗器（40；図２）が基準ガス放出ポートに作用させる背圧によって決定される。ポンプ速度を変化させると共に、０抵抗流量測定装置を基準ガス放出ポートに取付けることにより、基準ガスの流量と、基準及びサンプルガス管の差圧との関係を求めることができる。基準ガス流中に設置される抵抗器の相違に応じて流量と差圧とを関連させる探索表をアナライザソフトウェアに組込むことができる。アナライザ内を流動する所要の流量を確立するため、サンプルポンプへの電圧供給を０としたまま、基準ポンプへの電圧供給を、所要流量の基準ガスに対応する差圧が得られるまで増大させる。次いで、基準及びサンプルガス流間の差圧が０となるまでサンプルポンプへの電圧供給を増大させる。校正によって、基準及びサンプルセンサ中の総ガス圧を測定することも可能になる。基準ガス管内を所与の抵抗、所与の流量がガスが流動すると、アナライザソフトウェア中の探索表が、Ｏ₂センサ中の圧力と大気圧の差を示す。この差圧を（ａ）において上述したように測定した大気圧に加算し、示差Ｏ₂アナライザを校正するのに利用できる。図３に示す示差Ｏ₂アナライザの実施例におけるポンプ速度の校正及び制御についてはすでに上述した。（ｅ）基準及びサンプルＯ₂センサ間の差圧からのpO₂差の校正校正ルーチンの上記ステップ（ａ）〜（ｄ）によって、Ｏ₂センサにおけるガスの総圧(TP；kPA)、基準センサにおけるガスの絶対pO₂(AO；kPa)及び基準センサとサンプルセンサの差圧（DP；Pa）を測定することができる。所与の差圧における両センサ間のpO₂差（DO;Pa）は下記式で計算できる： DO＝AO・（DP／TP）基準及びサンプルセンサ間の正、負及び０差圧を発生させた時のDO及び示差アナライザからの電圧出力を測定することにより、アナライザの３点校正を行うことができる。この校正はアナライザソフトウェアに記憶される線形回帰によって特徴づけられる。ただし、この回帰は、センサが感温性である以上、校正が行われた時のセンサ温度においてのみ有効である。センサ出力と温度の関係はアナライザソフトウェアに記憶される３次多項式によって与えられる。これにより、線形回帰から得られるDO値を、センサブロックの温度変化に合わせて補正することができる。この温度はユーザーによってセットされ、ブロックに埋込まれたサーミスタ（39；図２）によって、アナライザの校正及び使用中連続的にモニターされる。アナライザから最も安定した出力を得るにはブロック温度を周囲温度以上にセットしなければならない。ラボラトリ内でアナライザを使用する際には40℃ のブロック温度が好ましいが、熱負荷の高い野外で使用する際にはこれよりもやや高い温度が必要になる。アナライザ使用中の校正チェック示差Ｏ₂アナライザの校正はソレノイド41及び42（図２）または他の実施例におけるソレノイド52及び53（図３）の構成を変化させて基準及びサンプルＯ₂センサ間に既知Ｏ₂差に対応する既知差圧を発生させるだけで随時チェックすることができる。この方法は測定モードでＯ₂差を測定中でも行うことができる。従って、実験中、ユーザーは両Ｏ₂センサ間のＯ₂差を増減させて、アナライザ出力の変化が現在の校正によって予測される変化と一致するかどうかをチェックすることができる。この比較はアナライザソフトウェアによって行われ、セットされた校正との偏差が大きければ、ユーザーに報告される。示差Ｏ₂アナライザの使用示差Ｏ₂アナライザはコンパクトであり、DCまたはAC電力によって運転することができる。校正は空気を供給するだけで随時低コストで行うことができる。アナライザに流入する前に、空気を過塩素酸マグネシウムなどのような乾燥剤に通すことによって完全に乾燥させねばならない。アナライザは使用環境の温度及び圧力を連続的にモニターし、環境条件に変動があれば校正によってこれを補正する。従って、本発明のアナライザはラボラトリ環境内の安定した環境条件を必要とする公知示差Ｏ₂アナライザとは異なり、ラボラトリまたは野外での使用に好適である。アナライザを試用した結果、本発明のアナライザ内校正方法がWosthoff精密ガス混合ポンプを利用してＮ₂中のＯ₂分圧を発生させる公知校正方法から得られるのとほぼ同じ結果を生むことが明らかになった。本発明のアナライザは基準Ｏ₂ センサを20kPa O₂が通過する場合に0.2PaのpO₂差を測定できるだけの解読力と安定度を有する。このことは公知の示差Ｏ₂アナライザの15〜50倍の感度を意味する。また、所与のＯ₂差に対するアナライザの出力は基準ガス流の絶対pO₂に関係なく一定である。Ｏ₂差分析によって測定される酸素消費及び減耗速度(Depletion Rates)に対する呼吸商及び光合成商の影響示差Ｏ₂アナライザが生物からのＯ交換速度を測定できる精度はＯ₂消費または生成が他のガスの消費または生成と連携するか否かによって決定される。典型的には、大気条件下での好気的呼吸の過程で細胞による呼吸Ｏ₂摂取速度は呼吸CO₂の生成速度に等しい。この場合、呼吸商（RQ＝単位CO₂生成モル数／単位Ｏ₂消費モル数）は１である。しかし、好気的条件下でも RQが１以下となることもあり、嫌気的条件下ではCO₂生成がＯ₂消費よりも大きくなるため、１よりもはるかに大きくなる可能性がある。RQは呼吸の際に消費される基質の性質にも左右される。光合成能力が極めて高い細胞においては、CO₂固定がＯ₂消費と関連し、光合成商（PQ＝単位CO₂消費モル数／単位Ｏ₂生成モル数）は環境条件に応じて１以上または１以下となる。基準ガス流とサンプルガス流との間のＯ₂含有量差が生物、細胞または組織による実際のＯ₂生成または消費速度を表わすのは、これらの速度が他のガスの消費または生成速度と正確に平衡関係にある場合に限られる。即ち、キュベットから放出されるガスの総圧は基準ガス流中のガスの総圧と等しくなければならない。Ｏ₂交換が他のガスの交換と正確に平衡しない場合に起こるエラーは以下に述べる実施例から明らかになるであろう。例１．呼吸商が2.0の生物によるＯ₂減耗の測定。Ｎ₂と平衡関係にある20kPaのＯ₂を含有する大気圧（100kPa）のガスが、供給されるpO₂を10Paだけ消費する生物を収容しているキュベットに500mL／minの流量で供給されると仮定する。RQが2.0なら、生物は供給ガスに対してＯ₂消費１Pa ごとに２PaのCO₂を加える。従って、キュベット６（図１）から放出されるガスは総圧が100010Paであり、19990PaのＯ₂、20PaのCO₂及び80000PaのＮ₂を含有することになる。キュベットからのガスの大部分は放出孔７から外気中へ放出され、また、キュベットから放出されるガスの総圧はキュベットに流入するガスの総圧よりも大きいから、放出ガスの流量は入出力ガスが等圧の場合よりも大きい。アナライザに流入するサンプルガス流は大気圧（100000Pa）の状態にあり、このガス中に占めるＯ₂の割合はキュベットから出る割合と同じ、即ち、100010中1 9990部である。従って、アナライザに流入するガスのpO₂は19988Paとなり、Ｏ₂ アナライザは、実際は細胞がガス混合物を10Paだけ消費したにもかかわらず、見掛けＯ₂消費12Paを測定値として示す。この測定から算定されるＯ₂消費速度は実速度を20％だけ超過することになり、算定されるRQ値は実際の値が2.0であるのに対して1.67となる。例２．呼吸商が0.2の生物によるＯ₂消費の測定。Ｎ₂と平衡関係にある20kPaのＯ₂を含有する大気圧（100kPa）のガスが、供給されるpO₂を10Paだけ消費する生物を収容しているキュベットに500mL／minの流量で供給されると仮定する。RQが0.2なら、生物は供給ガスに対してＯ₂消費１Pa ごとに0.2kPaのCO₂を加えることになる。従って、キュベット６（図１）から放出されるガスは総圧が99992Paであり、19990PaのＯ₂、２PaのCO₂及び80000PaのＮ₂を含有することになる。キュベットから放出されるガスの大部分は放出孔を通って外気中へ放出され、また、キュベットから放出されるガスの総圧はキュベットへの流入ガスの総圧よりも低いから、放出ガスの流量は入出力ガスが等圧の場合よりも低くなる。アナライザに流入するサンプルガス流は大気圧（100kPa）の状態にあり、このガス中に占めるＯ₂の割合はキュベットから放出される割合と同じ、即ち、99992 中19990部である。従って、アナライザに流入するガスのpO₂は19991となり、サンプルＯ₂センサは、実際は細胞がガス混合物を10Paだけ消費したにもかかわらず、見掛けＯ₂消費９Paを測定値として示す。この測定から算定されるＯ₂ 消費速度は実速度の90％となり、算定RQ値は実際の値が0.20であるのに対して0. 22となる。上記の例で示すようにRQ値が1.0とは異なるために起こるエラーは光合成商が1 .0とは異なる場合、光合成細胞によるＯ₂消費速度の測定に際しても起こる。上記例１及び２で述べたエラーを補正するには、キュベット内の生物、組織または細胞によって生成または消費されるCO₂量もＯ₂差の測定と同時に測定しなければならない。このためには、図１に示すようて示差Ｏ₂アナライザと並列にガス交換システムに示差CO₂アナライザを組込めばよい。示差CO₂アナライザからの出力を示差Ｏ₂アナライザが読取り、その値から測定RQまたはPQ値を算出する示差Ｏ₂アナライザのソフトウェアには呼吸及び光合成商の測定値と実値との数学的関係が組込まれており、これを利用することによってＯ₂差測定値の誤差を補正することができる。図６はキュベット内の生物に対して供給されるガスから生物が10PaのＯ₂を消費している場合、pO₂の変化に応じた呼吸商の測定値と実値との関係を示すグラフである。キュベットを通過するサンプルガス流に対して光合成生物が10Paを加える場合、PQの測定値と実値との間にも同じ関係が成立する。サンプルガス流に加えられる、またはサンプルガス流から奪われるＯ₂量はこれらの関係に影響を及ぼすが、pO₂差１Ｐａおける測定値とpO₂差500Paにおける測定値との間の最大差は1.2％に過ぎない。示差Ｏ₂アナライザは主として極めて低い(500Pa以下)Ｏ₂ 差を測定するように構成されているから、呼吸及び光合成商の実値と測定値との関係に影響を及ぼすほどのＯ₂差でないと仮定すれば、誤差を無視することができる。図６に示す関係を利用すれば、RQ及びPQの測定値から実際のRQまたはPQ値を算定できる。アナライザのソフトウェアは実際のRQ及び PQ値を利用することにより、キュベットから放出される基準ガス流及びサンプルガス流中のpO₂間の実際のＯ₂差と測定Ｏ₂差との差を計算する。供給ガス流中のp O₂の変化に応じた、RQ及びPQに関するＯ₂差の測定値と実値との関係を図７に示す。該図はこれらのパラメータ間の関係を、基準及びサンプルガス流間の実Ｏ₂ 差として示している。ただし、Ｏ₂差が１Paから500Paまで増大してもこの関係に現われる変化は無視できる。pO₂ 差及びpCO₂差の同時測定を目的とする二重示差Ｏ₂アナライザの使用同一のアナライザにおいてpO₂差とpCO₂差を同時に測定するには上記示差Ｏ₂アナライザにさらに変更を加えた実施例を利用すればよい。このようなアナライザを図８に示す。この実施例はそれぞれが示差モード構成の基準及びサンプルＯ₂ センサを含む２つをセンサブロック95及び96を有することを除けば、図２に示す実施例とほぼ同様に構成されている。基準ガス（21）及びサンプルガス（22）は第１ブロックにおいてそれぞれ基準Ｏ₂センサ（97）及びサンプルＯ₂センサ（98 ）を通過し、センサを出たのち、ソーダ石灰などのようなCO₂吸収剤を含むカラム(99及び100)を通過することによって、含有しているかもしれないCO₂を除去される。CO₂を除去された基準及びサンプルガスは第２センサブロックに流入し、第２基準Ｏ₂センサ(101)及び第２サンプルＯ₂センサ(102)をそれぞれ通過する。第１及び第２センサブロック間でCO₂を除去された結果、基準及びサンプルガス中のpO₂が増大するから、第１ブロック内の両Ｏ₂センサ間のpO₂差測定値は第２ブロック内の両Ｏ₂センサ間のpO₂差測定値とは異なる。例えば、RQが2.0の生物に20000PaのＯ₂、50PaのCO₂及び79950のＮ₂を含有する気圧100kPaのガス流が供給されると仮定する。もし生物の呼吸作用が供給されるpO₂を10Paだけ消費すると、キュベットから放出されるガスは19990PaのＯ₂、70PaのCO₂及び79950PaのＮ₂ を含有することになる。しかし、ガスは（圧力が100kPaの）外気中へ放出されるから、第１サンプルＯ₂センサに流入するガスの組成は19988PaのＯ₂、70PaのCO₂ 及び79942PaのＮ₂となり、サンプル及び基準Ｏ₂センサ間のpO₂差は12Pa O₂となる。サンプルガス流からCO₂が除去されると、サンプルガスに占めるＯ₂の比率は 19988／100000から19988／99930に増大し、サンプルガスのpO₂は20002Paに増大する。基準ガスからCO₂が除去されると、基準ガスに占めるＯ₂の比率は20000／1 00000から20000／99950に増大し、基準ガス中のpO₂は200010Paに増大する。従って、第２ブロックにおける両センサ間のＯ₂差は８Paとなり、第１Ｏ₂差センサの出力と第２Ｏ₂差センサの圧力との比は12／８＝1.5となる。２つのＯ₂差センサの出力比はキュベット内の生物、組織または細胞の実RQまたはPQや、キュベットに供給されるガスのpO₂及びpCO₂に応じて異なる。生物学的サンプルが供給ガスのpO₂を変化させると、この変化もまた出力比に影響するが、アナライザが測定の対象としているＯ₂差の範囲では無視できる程度の影響である。図９は供給ガス中に50PaのCO₂が存在し、サンプルがサンプルガス流中のpO₂を10Pa O₂だけ消費する場合の、センサ出力比、生物学的サンプルの実RQ、及び供給ガス流中のpO₂の間に成立する関係の１例を示す。光合成生物が同じ組成のガスを供給され、サンプルガス流に10PaのＯ₂を加える場合、センサ出力比と前記生物の実PQとの間にも同様の関係が成立する。二重示差アナライザのソフトウェアには、供給pO₂及びpCO₂の変化に応じてこれらパラメータ間に現われる関係が組込まれているから、該ソフトウェアは示差センサ出力の比から、キュベット内の生物学的材料の実RQまたはPQを計算することができる。実RQまたはPQを算出したら、第１示差センサが測定したＯ₂差がキュベット内の材料によって消費または生成されるＯ₂をどれだけ過大評価しているか、または過小評価しているかを図７に示す関係を利用してソフトウェアで計算することができる。その結果、キュベット内の材料による真のＯ₂消費または生成が計算され、アナライザ内の２つの示差センサの出力比から得られたRQまたはPQを利用してCO₂の消費または生成を計算する。従って、二重示差Ｏ₂アナライザはＯ₂の消費または生成、CO₂の消費または生成、及びRQまたはPQの同時測定を可能にする。図８に示す二重示差Ｏ₂アナライザの実施例は生物、組織または細胞によってＯ₂と共に生成または消費されるＯ₂以外のガスの消費または生成速度を測定するのに利用することができる。その場合、両センサブロック間に設けたCO₂スクラッバーを、問題のガスを除去するスクラッバーと取替えるだけでよい。スクラッバーによるこのガスの除去によってCO₂除去の場合と同じ効果が得られる。即ち、ガスを除去したのち、基準及びサンプルガス流間のpO₂差に変化が現われる。示差Ｏ₂センサの出力比を利用することにより、Ｏ₂交換と他のガスの交換との比（RQ及びPQと等価）を計算することができ、この比を利用することにより、CO₂ 交換の測定に関して上述したのと同じ方法で実際のＯ₂交換及び他のガスの交換を計算することができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ダウリング，アドリアンエヌ. カナダ国，オンタリオケー７エム３イー７，キングストン，パークウェイストリート 154 ＃504

Claims

【特許請求の範囲】１．２つの流動ガス流間の示差酸素濃度を測定する装置において、それぞれが所定のガス流を導入するための手段及び前記ガス流の圧力及び流量を制御する手段を有する第１及び第２ガス流路が貫通している温度制御下のハウジング手段と；前記両ガス流間の圧力及び酸素濃度差を表わす信号を発生させる手段と；前記圧力、流量、温度と、前記圧力及び酸素濃度差を表わす前記信号をモニターすることによって前記両ガス流間の示差酸素濃度を測定及び記録するコンピュータ手段、とを含むことを特徴とする装置。２．前記信号発生手段を、所与の酸素濃度においてそれぞれに比較的低い電圧及び比較的高い電圧を出力し極性が逆になるように互いに並列接続された第１及び第２酸素センサで構成し、前記第１センサを固定抵抗と直列に接続し、前記第２センサを前記固定抵抗の少なくとも所定部分と直列に接続することにより、両センサが同じ所定の酸素濃度を感知すると、固定抵抗における電圧降下が０となるように設定したことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の装置。３．示差酸素濃度を表わす前記信号を増幅する手段を含むことを特徴とする請求の範囲第２項に記載の装置。４．前記信号を増幅する前記手段が低帯域フィルタと直列のチョッパ増幅器であることを特徴とする請求の範囲第３項に記載の装置。５．前記低帯域フィルタが0.5〜5.0Hzの範囲にあることを特徴とする請求の範囲第４項に記載の装置。６．前記第１ガス流路が基準酸素搬送ガスを含み、前記第２ガス流路がサンプル酸素搬送ガスを含むことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の装置。７．ポンプ手段の上流においてそれぞれの前記流路から前記基準ガス及び前記サンプルガスの少なくとも一部を迂回させる手段を含むことを特徴とする請求の範囲第６項に記載の装置。８．前記酸素センサ手段の温度を上昇させたり制御したりする手段を含むことを特徴とする請求の範囲第７項に記載の装置。９．気圧をモニターするこめの圧力センサを含むことを特徴とする請求の範囲第８項に記載の装置。 10．少なくとも一方の流動ガス流が酸素を含有している２つの流動ガス流間の示差酸素濃度を測定する方法において、１対の電気的に互いに接続している酸素センサのそれぞれを通過するように、所定の温度、圧力及び流量でそれぞれの前記ガス流を流動させることによって、前記センサ間の示差酸素濃度に比例する出力信号を形成することを特徴とする前記方法。 11．増幅ステップを含むことを特徴とする請求の範囲第10項に記載の方法。 12．前記ガス流の１つにおける絶対酸素濃度を測定する手段を含むことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の装置。 13．前記第１及び第２酸素センサ間の差圧を制御する手段を含む、前記装置の校正手段を有することを特徴とする請求の範囲第２項に記載の装置。 14．前記第１及び第２酸素センサ間の差圧を測定する手段を含むことを特徴とする請求の範囲第２項に記載の装置。 15．２つの流動ガス流中に含まれる２つの異なるガスの濃度差を測定する装置において、請求の範囲第１項に記載の第１装置を請求の範囲第１項に記載の第２装置と直接に接続し、両装置間に１対のスクラッバーを接続することにより、２つの流動ガス流から前記２つのガスのうちの１つを除去するようにしたことを特徴とする前記装置。 16．前記２つのガスの前記１つがCO₂であり、前記スクラッバーがソーダ石灰スクラッバーであることを特徴とする請求の範囲第15項に記載の装置。