JPS622150A - 流体中の基質濃度の連続的測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、流体中の基質濃度の連続的測定方法に関し、
特に基質濃度を測定すべき流体を流路に流し、その基質
濃度をその変化に即時に追従させながら、連続的に検出
器で測定する方法に関する。

（従来の技術及び発明が解決しようとする問題点）従来
上り、液体中の化学的情報、即ちｐＨ１各種基質の濃度
、色や蛍光の光学的特性などの測定は、主として断続的
に行なわれてきた。

また、これらの測定用検出器についても、液体中で用い
られることを前提とした各種センサーの開発及び小型化
の研究も各方面で行なわれているが、いずれもその殆ど
は液体中の化学的情報を断続的にある一点で検出しよう
とするものであった。

一方、コンピューターなどの情報処理システム　−の目
覚ましい発達で、大量の情報を高速で処理することが可
能となり、これに応じてその情報源である各種センサー
にも、高速かつ連続的な測定性能が求められるようにな
ってきているが、いうまでもなく、これに加えて、量産
性やコストなどの面から、その小型化も重要な開発テー
マの一つとなっている。

最近では、近年発達の着しいＬＳＩプロセス技術を各種
センサー製作プロセスに応用することで、こうした諸要
求をみたすものが実用化されており、その主なものとし
ては、半導体、薄膜あるいはセラミックスなどを利用し
た圧力、温度、光、磁力などのセンサーが挙げられる。

しかしながら、前述の液体中の化学的情報を検出するた
めのセンサーについては、それの小型化の研究は進めら
れているものの、小型でかつ連続的な測定を可能にしよ
うとするような研究は殆ど行われていないのが実情であ
る。そして、液体の連続的測定方式そのものを小型化す
るためには、センサーのみを小型化するだけでは無意味
であり、試料液体の連続注入システム（７０−インジェ
クションシステム）とセンサーとを一体化した上で小型
化する必要がある。

従来から、液体を連続的かつ効率よく測定するためには
、試料液体をセンサーの検出面に対して約４５°の角度
の方向より注入してやる必要のあることが分かっている
。これは、一様な流れの中に、流路を塞ぐことなくセン
サーを配置しよう、とすると、液体のもつ粘性のために
、センサーの表面に極めて薄い液体の不動層が形成され
、このために試料濃度が刻々と変動するような場合には
、センサー表面での試料液体の更新が生じ難く、センサ
ーとしての応答性が悪（なる問題があるためで、その対
策として上記のごとく４５°の角度で処理することによ
って不動層の発生を解消し、常に新しい液体試料がセン
サー面と接触するようになすのである。

＠３図には、そのようなセンサーの一例が示されており
、Ｈ２Ｏ，電極、ｐＨ電極などのセンサー２１上に設置
された選択性透過膜、酵素固定膜などの機能膜２２の検
出面に対し、試料液体はこれに対して４５°の角度に穿
設された注入口２３から注入され、同様の角度の排出口
２４から排出されるような３次元的な構造を有する注入
セルが示されている。

このような構造の注入セルは、その製作に高精度加工が
要求されるばかりでな（、センサー自体の小型化が必ず
しもシステム全体の小型化につながらないので、連続測
定システムの小型化、低コスト化はこうした観点からは
達成することができない。

本発明者らは、先に、こうした４５°という液体試料の
注入角度設定を不要とする方法の一法として、センサー
近傍に超音波振動を与えて試料液体の不動屑発生を阻止
することによって、液体試料中の基質濃度を的確に連続
測定することを可能とする方法を提供した（特願昭６０
−４１９７６号）。

（問題点を解決するための手段） 本発明者は、更に不動屑発生を解消する測定方法につい
て研究を進めた結果、液体試料の流路を、内面に傾斜凹
凸面を有する二枚の板状体を対接させて組み合わせるこ
とにより、内部に屈曲した流路として形成し、その屈曲
部にセンサーを配設して、流路に流される流体中の基質
濃度を連続的に測定する方法を開発した。

（１）本発明はすなわち、内面に傾斜凹凸面を有する二
枚の板状体を対接させて組み合わせることにより、内部
に屈曲した流路を形成し、その屈曲部にセンサーを配設
して、流路に流される流体中の基質濃度を測定すること
を特徴とする流体中の基質濃度の連続的測定方法、であ
る。

こう己た流路の製作は、二枚の板状体の内面を傾斜した
凹又は凸面を形成するように蝕刻あるいは切削し、それ
らを一枚の凸面に他の一枚の凹面が一定の流路間隔を置
いで対接させて組み合わせることによって、容易に実施
することができる。

センサーによる測定は、流路に流される流体が約５０°
以上の角度をもってセンサーに接触するよるにして行え
ば、常に新鮮な流体の基質濃度を測定することができる
のである。

そして検出器は二枚の板状体分程度の厚さで構成できる
ため、非常に薄型なものとなる。

更に流路の製作については、昨今のＬＳＩプロセスを利
用するＳｉ単結晶の異方性エツチング加工を応用すれば
、非常に効果的に実施することができ、その結果検出器
と一体化された注入セルを非常に小型なものとすること
ができる。

（２）本発明の具体的な方法の一例について述べる。

第１図（ａ）、（ｂ）に示すごとく、２枚のＳｉ単結晶
基板面（面方向は１００）を異方性エツチング技術によ
り、１枚は流路上型１、他の１枚は流路下型２どなるよ
うに加工する。

流路の形成はこれら２枚の基板の加工面を対向接着する
ことにより本発明の屈曲流路を形成する。

このとき流路は注入口側３は流路下型２に、排出口側４
は流路上型１にそれぞれ加工されでおり、かつ、上、下
型が対向した時、両型中の流路が基板はぼ中央で連絡す
るような配置になっている。

上下型を対向接着して形成した流路の断面は図１（ａ）
のようになっており、この流路を流れる流体が下型流路
３′から上型流路４′に向かう時に流路が屈曲され、上
型の流路上面に５０°以上の角度で接触することになる
。この流体の流れが屈曲して接触する壁部には窓が開い
ており、裏面より、例えばガラス基板５上に配設された
グルコースセンサー６が覗くように固定されている。

ここで異方性エツチングについての概略を述べる。その
原理は、単結晶のエツチング加工において、エツチング
速度が結晶面の面方向依存性を有することを利用して特
定形状のエツチング断面を一得ることにある。例えばＳ
ｉ単結晶面（１００面）を適当なエッチャントでエツチ
ングすればそのエツチング側面は加工面に対し常に５５
°の傾斜を形成することとなる。

その工程は ■Ｓｉ単結晶表面に酸化皮膜形成 ■酸化皮膜を７オシリングラフイエ程によりパターニン
グ（７オトエツチンク） ■１０〜４４％ＫＯＨ８０°でエツチング（異方性エツ
チング） ゛■洗浄 がらなり、工程■、■はＬＳＩプロセスで用いられる手
法と同様の工程であるため、高精度、微小加工ができる
のである。

またグルコースセンサーについては、これはガラス基板
５上にＨ２０２電極（白金電極）６、即ち７ノードとし
て白金′ＷＩ膜、カソードとして銀薄膜が適宜なパター
ンに形成されたものであり、これら電極部の少なくとも
試料流との接触部にはグルコースセンサ−ゼを固定化し
た酵素固定化膜７が形成されている。

なお、測定用流体としては、主に血液や尿等を対象とし
ているが、その中の基質濃度の測定においては各種被測
定基質の種類に応じて適当な酵素と電極を組み合わせて
構成した酵素センサーが用いられる。その主な組み合わ
せを表１に示すが、更にこれら異なる種類の酵素センサ
ー複数個を同一基板上に形成することにより、同時に複
数種の基質濃度を検出、測定することができる。また、
各電極の代わりに半導体を用いたイオン感応型ＦＥＴ（
ＩＳＦＥＴ＞を用いれば更に小型なものが得られる。

礪 （２）上記構成の検出セルは第２図（、）のごとき測定
システム中で用いられるがこのシステムは下記のように
作動する。

■まず、測定前においてはキャリア液１１がポンプＰ１
によりインジェクションパルプ１３を経て検出セル１５
中を流れている。一方、試料液１２はポンプＰ２により
インジェクションパルプ１３に接続されたサンプリング
チューブ１４中を満たしており、測定時インジェクショ
ンパルプ１３を操作することにより、瞬時にその流路が
第２図（ｂ）のように切替わり、サンプリングチューブ
１４中の試料液１２がキャリア液１１に運ばれ、検出セ
ル１５へ達する。

■検出セル１５では、ｔｐＪ１図図示のごとく注入口３
より注入された試料流は下型流路３′を経て上型流路４
′へと流れる。

■この際において、試料流は下型流路３′から上型流路
４′へと屈曲され、流体は上型流路４′の上壁、即ちグ
ルコースセンサー６の検出面に打ち当たることになる。

ところで、Ｓｉ単結晶の（ｉｏｏ）面を異方性エツチン
グ加工することによって流路を形成すると、その流路側
面の傾きは基板面に対し約５５°　となるが、下型流路
から上型流路へ向かう試料流体もほぼ同程度の角度で検
出面に打ち当たることになる。従って検出面での液体の
不動層の発生を抑制することができ、４５゛方向からの
試料注入法とほぼ同程度の効果を得ることができる。

■この時、検出面では例えば検出器がグルコースセンサ
ーの場合には、試料流体中にグルコースが基質として存
在すると、下記の反応が起こり、酸素が消冑されてグル
コン酸（ラクトン）とＨ２Ｏ２とが生成される。

グルコース＋０２→グルコノラクトン＋Ｈ２Ｏ２これは
、電極面上の膜（７）に固定されたグルフースオキシタ
ーゼの酸化触媒としての働きによるものである。

■両電極間には０，６Ｖの直流電圧が印加されており、
この８２０２の発生により、その発生量に応じて、それ
ぞれ次のような反応が生じ、□　［７ノード側］　　Ｈ
２０ｚ→２　Ｈ”　＋０２＋２ｅ−［カンード側］　　
２ｅ−＋２　Ｈ”　＋１／　２０２→Ｈ２０外部回路へ
微小電流変化として検出される。このようにして、試料
流体中のグルコース濃度を電気的に連続的に取り出すこ
とができるのである。

更に、第１図（ｂ）に他の実施例を示すが、この場合は
、下型流路３゛を流れてきた試料流が屈曲されて基板面
に対し５０以上°の方向で上部検出器６の検出面に接触
した後更に屈曲されて排出口４へ流れて行く。したがっ
て、この例では検出器６の検出面付近の流れは大いに屈
曲され、よって検出面付近の流れが大いに乱され、新鮮
な試料流が接触流通することとなる。

（発明の効果） 本発明は、以上の構成により次のような作用効果を奏す
る。■検出器セルは、２枚の板状体を対接することによ
って構成することができるため、流路パターンを小型化
しかつ、その製造を極めて容易とすることができる。■
流路材質にＳｉ単結晶を用いたばあいには、更にＳｉの
半導体としての性質を利用すれば流路基板上に各種セン
サーや周辺の集積回路を形成することも可能である。

■流路の加工にＬＳＩプロセスと同様の工程を用いるこ
とかで訃るため、小型で高精度な加工ができ更に多数個
同時加工が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図（、）は本発明の実施例で用いられる検出セルの
斜視図、（ｂ）は他の実施例の斜視図、ｔＡ２図（、）
は測定システム概略図、（ｂ）は測定時インジェクショ
ンバルブの流路、第３図は従来の測定方法を示す。 （符号の説明） に流路上型、２：流路下型、３：注入口、３゛：下型流
路、４：排出口、４′二上型流路、５：〃ラス基板、６
：グルコースセンサー（Ｈ２０２電極）、７：酵素固定
膜

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）内面に傾斜凹凸面を有する二枚の板状体を対接さ
   せて組み合わせることにより、内部に屈曲した流路を形
   成し、その屈曲部にセンサーを配設して、流路に流され
   る流体中の基質濃度を測定することを特徴とする流体中
   の基質濃度の連続的測定方法。
2. （２）流路がＳｉ単結晶基板（１００面）を異方性エッ
   チング加工して形成されたものである特許請求の範囲第
   １項記載の流体中の基質濃度の連続的測定方法。
3. （３）流路に流される流体が５０°以上の角度をもって
   センサーに接触する特許請求の範囲第１項又は第２項記
   載の流体中の基質濃度の連続的測定方法。