(57)【要約】【課題】  旋光性を利用した尿中のグルコース濃度測定に於いて、グルコース以外の旋光性成分であるアミノ酸、アスコルビン酸等は阻害物質であり、除去が必要である。そこでイオン交換樹脂を用いた除去方法が考えられる。しかし、除去対象とする物質の濃度変動や予想し得ない物質等の影響によって突発的な樹脂の汚染が起こる可能性がある。樹脂の汚染によって除去が正常に行われないと、濃度測定に異常をきたす。【解決手段】イオン交換樹脂の飽和状態を検知する手段を設けることで、濃度測定異常を検知し、より高精度な濃度測定を維持する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
旋光性を利用して試料中に含まれる旋光性物質の濃度を測定する濃度測定装置であって、前記試料中の測定対象物質の旋光度測定を妨げる妨害物質をイオン交換樹脂によって除去する手段を有し、該イオン交換樹脂はイオン交換作用がなくなると外観が変色する樹脂であり、該イオン交換樹脂を充填したカラムが、透明な樹脂から構成された窓部を有する濃度測定装置。
【請求項２】
イオン交換樹脂が飽和状態になったことを感知した場合、警報出力手段によってユーザーに知らせる外観色判別装置を有することを特徴とする請求項１に記載の濃度測定装置。
【請求項３】
前記試料は、尿であり、前記測定対象物質が尿糖であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の濃度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、旋光性物質の濃度を測定する濃度測定装置に関し、特に、イオン交換樹脂で前処理された試料中の旋光性物質の濃度を、高精度に測定することができる濃度測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、尿糖測定は試験紙法や酵素電極法のような化学反応による検出方法が広く用いられている。しかし、試験紙を用いる手法では尿を扱わなければならない煩わしさが伴う。また、ＧＯＤ固定化酵素電極法などの酵素法は電極を試料に接触させる必要があり、装置の一部の交換、緩衝液の追加などの処置を行う必要があり、一定期間毎のメンテナンスを必要とする。
【０００３】
一方、旋光度等光学的手法に基づいた尿糖測定は、直接試料に触れることなく測定することが可能であるため、特にメンテナンス等を必要とせず、長い期間において測定が可能である。また旋光度などを用いる光学的な方式では測定に際して被験者が尿に触れる危険性もなく、無自覚で測定可能という利点もある。
【０００４】
旋光角より試料中の旋光性物質の濃度を求める方法の原理は式１に基づく。
θ（λ）＝α（λ）・ｃ・Ｌ（式１）
ここで、θ（λ）は光線の波長をλとしたときの旋光角、α（λ）は光線の波長をλとしたときの旋光性物質の比旋光度、ｃは試料中における旋光性物質の濃度、Ｌは試料の光路長である。式１において、比旋光度α（λ）は旋光性物質固有の係数であり、光線の波長λや温度によって変化する値ではあるが、濃度測定前に既知の値である。また、試料の光路長Ｌも同様に濃度測定前に既知の値であるため、試料に光線を入射したときの旋光角θ（λ）を測定することにより、旋光性物質の濃度ｃを求めることが出来る。
【０００５】
また、旋光角は、直線偏光を試料に入射させ、試料を通過した光線を検光子へ入射させ、検光子を通過した光線をフォトダイオードなどの受光素子に入射し、光電変換することによって得られた信号を用いて求める。すなわち、偏光子の透過軸に対する検光子の透過軸の傾きをφとし、試料による旋光角をβとすると、受光素子で受光する光強度Iは、
Ｉ＝Ｔ×Ｉ０ｃｏｓ２（φ―β）（式２）
となる。
【０００６】
ここで、Ｔは試料、偏光子、及び検光子の反射や吸収による減衰すべてを考慮した透過率、Ｉ０は入射角の強度を表す。式２より分かる様に、光強度Ｉはφが変化することによって変化し、回転角度π（ｒａｄ）毎に極小点が得られる。よって、偏光子の透過軸に対する検光子の透過軸の傾きφを変化させた時の光強度Ｉを測定することによって試料による旋光角βを求めることができる。
【０００７】
ここで、偏光子の透過軸に対する検光子の透過軸の傾きφを変化させる方法としては、第一に偏光子を回転させる方法が考えられるが、この方法では機械的動作が必要となってしまうため、装置としては比較的大型になるという課題があった。そこで旋光角変調素子としてファラデー素子（例えば、特許文献１参照。）や液晶素子を用いて電気的に偏光面を変調する方法が挙げられる。
【０００８】
直線光を旋光させるために液晶素子を使用することについては、液晶素子とλ/４板を組み合わせたセナーモント旋光器があり、発展系としては可変電圧印加可能な３つの液晶
素子を光照射方向に対して直列に配置させ、より自由度の高い光変調が可能になる装置の発明がある（例えば、特許文献１参照。）。また、液晶素子の旋光性を用いた濃度測定装置としては、従来の機械的な動作部がないことを特徴としている発明がある。（例えば特許文献２参照。）。さらなる発展系として、液晶素子による位相変調を周期的に行うことでより高精度で安定した測定が可能な発明もある（例えば特許文献３参照。）。
【０００９】
上記の方法により旋光角測定より濃度を求めることは可能である。しかし、実際の測定試料は所望の旋光性物質以外の旋光性物質が混在することが多い。例えば、尿糖測定の場合は、尿中には旋光性を有する複数のアミノ酸が排泄される。また、サプリメントの摂取などにより基準値以上のアスコルビン酸が排泄されることもある。そこで、尿糖以外の旋光性物質を除去する必要がある。アミノ酸が両極性であることとアスコルビン酸が尿中ｐＨ５〜７では陰イオン状態であることより、イオン交換樹脂による尿糖以外の旋光性物質の除去は有効であると考えられる。
【００１０】
しかし通常、イオン交換樹脂は交換できるイオン量がきまっており、一定量の交換を行うと、それ以上交換できなくなる。イオン交換樹脂は、その交換容量が計算できるため、除去対象とする物質の濃度と流量から、樹脂への負荷を計算し、樹脂が保有しているイオン交換基容量から樹脂の交換能飽和時期を計算することが可能である（例えば特許文献４参照。）。
【特許文献１】特開平９−１４５６０５号公報（図１）
【特許文献２】特開平７−２１８８８９号公報（図３）
【特許文献３】特開２００２−２７７３８７号公報（図３）
【特許文献４】特開２００２−１４３６９４号公報（図４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかし、実際の測定において、特に生体試料を用いた場合、除去対象とする物質の濃度変動や、予想し得ない物質の影響によって突発的な樹脂の汚染が起こり、交換能飽和時期が計算通りにならない場合がある。万が一、突発的な汚染によって交換能の無い樹脂を使用することになった場合、試料中の測定対象物質の旋光度測定を妨げる妨害物質が除去されないため、濃度測定に於いて精度低下や測定異常という問題を招く。
【００１２】
そこで本発明は上記の課題を解決し、試料の前処理のためにイオン交換樹脂が備え付けられ、イオン交換樹脂の交換能飽和状態を検知できる高精度な濃度測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前述した課題を解決するために、本発明による濃度測定装置は、試料中の測定対象物質の旋光度測定を妨げる妨害物質をイオン交換樹脂によって除去する手段を有し、イオン交換樹脂はイオン交換作用がなくなると外観が変色する樹脂であり、イオン交換樹脂を充填したカラムが、透明な樹脂等から構成された窓部を有していることを特徴とする。
【００１４】
また、窓部を介して、イオン交換樹脂外観判別装置を備えていることが好ましい。
【００１５】
また、イオン交換樹脂外観判別装置によって、イオン交換樹脂が飽和状態になったこと
を感知した場合、警報出力手段によってユーザーに通知することが好ましい。
【００１６】
（作用）
例えば、尿の旋光度を測定することにより尿糖値を測定する濃度測定装置において、尿糖以外の旋光性物質の除去にイオン交換樹脂は有用である。しかし、イオン交換樹脂の交換作用には限界があるため、突発的なイオン交換樹脂の汚染等によって交換能の飽和が起こり、濃度測定に異常をきたすことがある。イオン交換樹脂の交換能飽和状態を検知することにより、高精度の尿糖濃度測定を維持することが可能となる。    
【発明の効果】
【００１７】
以上の説明のように、本発明の濃度測定装置においては、下記に記載する効果を有する。      
【００１８】
イオン交換作用がなくなると外観が変色するイオン交換樹脂を備え、イオン交換樹脂を充填したカラムが、透明な樹脂等から構成された窓部を有している濃度測定装置に於いて、窓部よりイオン交換樹脂の交換能飽和状態を検知することで、イオン交換樹脂の交換能飽和を原因とする濃度測定の異常並びにイオン交換樹脂の取替え時期もしくは再生時期を容易に判別することができる。
【００１９】
イオン交換樹脂の外観色判別装置を設けることで、樹脂のイオン交換樹脂が飽和状態になったことを自動的に検知し、警報出力手段によってユーザーに知らせることができ、イオン交換カラムの交換や、カラム内の樹脂の再生を指示することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面を用いて本発明の濃度測定装置の最適な実施形態を説明する。
【００２１】
（第一の実施形態）
まず、図１は本発明の実施形態の例である。例えばレーザダイオードなどの光源１より出射された光線をコリメートレンズ２に入射する。コリメートレンズ２によって平行光となった光線を次に偏光素子３に入射する。偏光素子３によって光線は垂直方向から４５°傾斜した方向に振動する直線偏光になる。次に液晶素子４により水平方向もしくは垂直方向の偏光成分が位相変調される。液晶素子４は、水平方向もしくは垂直方向に液晶分子長軸が揃ったホモジニアス配向の液晶素子であり、電圧印加により液晶分子が立ち、分子長軸方向の屈折率が変化し、位相変調を行うことができる。
ここで、液晶素子４により一方の偏光成分のみに位相変調を加えると、直交する偏光成分同士で干渉させることになる。
【００２２】
次に、透過光はハーフミラー５により反射光１１と直進光１２に分岐され、直進光１２は、水平軸と垂直軸が４５°傾斜したλ／４波長板６に入射し、水平・垂直方向の振動成分をそれぞれ反対方向に回転する円偏光成分に変換することができる。さらに、直進光１２は試料を保持した試料セル７に入射し、試料の旋光度に伴った右回り円偏光と左回り円偏光で±θの位相差が与えられる。さらにλ／４波長板６と光軸が一致もしくは直交するλ／４波長板８を透過し、左右回りの円偏光が、それぞれ水平もしくは垂直方向に直交する偏光成分に変換される。
【００２３】
水平もしくは垂直方向から４５°傾斜した偏光素子９を透過することにより、上述の直交する偏光成分間の干渉信号が得られ、一方の光速が位相変調されているためビート信号が得られ、フォトダイオードなどの受光素子１０により電気信号に変換される。一方、反射光１１は水平もしくは垂直方向から４５°傾斜した偏光素子１３を通り、受光素子１４で、電気信号に変換される。１４より得られたビート信号は、試料の旋光度の影響は受けておらず、受光素子１０、１４の信号間により検出される位相差により、試料の旋光度を
求めることができる。
【００２４】
受光素子１０、１４で得られた信号は、配線２５、２６を通りコントローラー２２に伝達される。その信号をもとにコントローラー２２にて、旋光度が求められる。その得られた旋光度値と、試料中の光路長、及び、所望の旋光性物質の比旋光度値から、濃度が計算され、表示装置２３に表示される。また、コントローラー２２は、受光素子１４から得られた情報をもとに、配線２４を伝わり液晶素子４を駆動する機能も有する。
【００２５】
試料は採取部１５より、試料用バルブ１６、イオン交換カラム１７を備えた試料用パイプ１８を通り、試料セル７に入る。試料セル７には、廃液用バルブ２７と廃液用パイプ２１が、下部についている。試料を試料セル７に保持させ、測定する際には廃液用バルブ２７を閉じ、測定終了後は廃液用バルブ２７を開いて廃液用パイプ２１より試料を排出する。
【００２６】
また、再生剤バルブ１９を備えた再生剤パイプ２０は、イオン交換樹脂の再生を行うために必要な機構である。
【００２７】
ここで、試料を尿とし、尿糖濃度測定を行うことを考える。除去対象物質が陰イオン
型のアミノ酸（Ｈ２Ｎ−ＣＨＲ−ＣＯＯ一）であり、強塩基性陰イオン交換樹脂で除去する場合の化学式１は以下の通りである。  
（化１）
R−N・OH一  ＋  Ｈ２Ｎ−ＣＨＲ’−ＣＯＯ一    →                                
Ｒ−N・ＣＯＯ一−ＣＨＲ’−ＮＨ２  ＋  OH一
ここでR−N・OH一は強塩基性陰イオン交換樹脂を示し、Ｒ’はアミノ酸特有の有機
分子を示す。
【００２８】
また、再生の例として、アミノ酸が吸着し、交換能が飽和状態となった強塩基性陰イオン交換樹脂を再生する場合の化学式２は以下の通りである。この場合の再生剤としては、アルカリイオン水や、水酸化ナトリウムなどが考えられる。
（化２）
Ｒ−N・ＣＯＯ一−ＣＨＲ’ −ＮＨ２  +  OH一   →
R−N・OH一  ＋  Ｈ２Ｎ−ＣＨＲ’ −ＣＯＯ一
ここでR−N・OH一は強塩基性陰イオン交換樹脂を示し、Ｒ’はアミノ酸特有の有機
分子を示す。
【００２９】
図２はイオン交換カラム１７の詳細図である。イオン交換カラム１７には窓３０が備え付けられている。イオン交換カラム１７の中のイオン交換樹脂３１の様子を目視できるように、透明無機ガラス板、又はアクリル板等の透明有機ガラス板等で形成されている。通常、イオン交換樹脂の外観を見ても樹脂の交換能飽和状態はわからないのだが、例えば、アンバーライトＭＢ３（ローム＆ハース社）のようにイオン交換作用がなくなると色が変わる樹脂を使用することにより、樹脂の交換能飽和状態を目視によって簡単に検知することができる。  
【００３０】
また、これに限らず、ｐH指示薬を含有させて作ったイオン交換樹脂であればよい。
ｐH指示薬としては、メチルレッド、ブロモチモールブルー、フェノールレッド等が考えられる。例えば、陽イオン交換樹脂のイオン交換基として利用されるスルホン酸基は強酸性基である。その他の樹脂も、交換基の種類により酸性またはアルカリ性の性質を持っている。これら樹脂はイオン交換を行うに従い酸性度またはアルカリ性度は弱まり、最終的
には中性となる。つまり樹脂が中性になった時、その樹脂のイオン交換能は飽和しているといえる。ブロモチモールブルーの場合はｐH6.0以下では黄色、ｐH7.6以上で青色を呈するので、ブロモチモールブルーを含有させて作られたスルホン酸基を交換基とする陽イオン交換樹脂は、始めは黄色であるが、イオン交換能が飽和に近づくにつれて樹脂は青色に近づくということである。
【００３１】
またイオン交換樹脂の色を目視で判断する場合、参考になる色の標本がないと判断し辛いので、窓３０の近傍にイオン交換樹脂が交換能飽和に近づくにつれて変色していく過程の色を記し、その標本を参照し交換能飽和状態を判断できるようにしてもよい。
【００３２】
試料通過後のイオン交換樹脂の色から、試料から充分に阻害物が除去されているか否かを判別することができる。すなわち、試料通過後のイオン交換樹脂の外観色が変化していた場合には、交換能が飽和状態であって、試料から充分に阻害物が除去されていないと判断することができ、濃度測定値に異常があると考えられる。
【００３３】
（第二の実施形態）
次に第二の実施形態について図３を用いて説明する。旋光度を測定する系に関しては第一の実施形態と同様のものとする。イオン交換カラムの設置位置、例えば尿糖測定機の場合は便座の中に組み込まれている等、場合によってはイオン交換カラムが目視できない状態も考えられる。そこで、樹脂の外観色判別装置を設ける。外観色判別装置は、発光素子４１、イオン交換樹脂からの反射光を受光する受光素子４２、及び受光素子４２からの検出信号を受信する制御部４３から構成されている。イオン交換樹脂の外観色は、例えば、受光素子４２で受光した光を受光部のセンサーで分光し、波長毎の反射率を測定し、制御部４３（PC、CPU等）にて演算することで色を検知することができる。
【００３４】
このような装置を利用することで、測定の度に外観色を測定すればイオン交換樹脂の交換能飽和を原因とする濃度測定の異常の有無を判断できる。また、適当な時間間隔でこの装置を利用し、樹脂の外観色を測定することで、イオン交換樹脂の取替え時期もしくは再生時期を知ることも可能である。制御部４３にて、測定異常が検知された場合やイオン交換樹脂取替え時期、再生時期が検知された場合は警報ランプや警報音等の警報出力手段４４に信号を送り、ユーザーに知らせることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の第一の実施形態における濃度測定装置の構成を示す概略図である。
【図２】本発明の濃度測定装置の実施形態におけるイオン交換カラムの詳細図である。
【図３】本発明の濃度測定装置の実施形態における外観色判別装置の概略図である。
【符号の説明】
【００３６】
１  光源
２  コリメートレンズ
３  偏光素子
４  液晶素子
５  ハーフミラー
６  λ／４波長板
７  試料セル
８  λ／４波長板
９  偏光素子
１０  受光素子
１１  反射光
１２  直進光
１３  偏光素子
１４  受光素子
１５  採取部
１６  試料用バルブ
１７  イオン交換カラム
１８  試料用パイプ
１９  再生剤バルブ
２０  再生剤パイプ
２１  廃液用パイプ
２２  コントローラー
２３  表示装置
２４  配線
２５  配線
２６  配線
２７  廃液用バルブ
３０  窓
３１  イオン交換樹脂
４１  発光素子
４２  受光素子
４３  制御部
４４  警報出力手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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