(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヘモグロビンを含有した血液溶液と、
前記血液溶液を収容する半透膜と、
３種類の異なる波長の光を所定の強度で発光する光源と、
前記血液溶液を介して前記光源から到達する前記光の吸光度を前記波長ごとに検出する検出器と、
前記検出器で測定した前記光の吸光度に基づいて測定環境中の酸素濃度及び水分量を算出するデータ計測器とを備え、
前記３種類の異なる波長は、酸化ヘモグロビン量、還元ヘモグロビン量、ヘモグロビン濃度に応じて異なる透過率となる波長であることを特徴とする、酸素・水分量センサ。
【請求項２】
前記血液溶液と前記半透膜と前記光源と前記検出器とを収容する収容器とをさらに備え、
前記収容器は、前記半透膜の少なくとも一部が当該収容器の外部に暴露されるように一部が開放されていることを特徴とする、請求項１に記載の酸素・水分量センサ。
【請求項３】
前記３種類の異なる波長は、６６５ｎｍ、９４０ｎｍ、１９４０ｎｍであることを特徴とする、請求項１または２に記載の酸素・水分量センサ。
【請求項４】
前記測定環境は土壌であることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の酸素・水分量センサ。
【請求項５】
前記血液溶液は、１回の測定ごとに交換されることを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の酸素・水分量センサ。
【請求項６】
請求項４に記載の酸素・水分量センサを土壌に埋設し、前記血液溶液内の酸素濃度及び水分量が平衡状態になるまで静止した後に、前記血液溶液を介して前記光源から到達する３種類の光それぞれの吸光度を前記検出器により検出するステップと、
データ計測器により、前記検出した各波長の光それぞれの吸光度に基づいて酸素濃度及び水分量を算出するステップとを含む、酸素・水分量センサにおける測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は酸素・水分量センサ及びその計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
我々の生活を支えるインフラ構造物の中で水道及びガスのパイプライン、電力用ケーブル、地下タンク、鋼管柱、支線アンカ等、土壌中に埋設し使用されるものは極めて多く存在する。土壌中に埋設されるこれら構造物は土壌環境下で腐食し（非特許文献１、２参照）、設備の寿命短縮により故障等を誘発する原因となる。従って、これらインフラ構造物の高い信頼性及び安全性を担保するために、適切な点検による効率的な更改が不可欠である。
【０００３】
設備地上部では人または機械による直接的な点検が可能であるが、地中部において直接点検が困難である場合が多い。従って、現行設備の保守・点検は地上部及び地際部のみ実施され、地中部の劣化度はほとんど確認されていない。
【０００４】
土壌腐食の進行度は、気象状況の変化、設備の埋設状態、周囲の土壌環境等により著しく異なる。土壌腐食に影響を及ぼす因子として、土壌の種類、土壌粒径、酸素濃度、含水量、pH、可溶性塩類濃度、嫌気性細菌の活動等が挙げられる。土壌腐食はこれら環境因子が複雑に相互作用をすることで進展するため、腐食の進行度を厳密に評価するためにはこれらパラメータを簡易で安価なセンサを用いて的確にセンシングすることが効果的である。腐食発生の原理に基づくと、環境因子の中で特に酸素濃度、含水量が大きく影響を及ぼしている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】門井守夫, 高橋紹明, 矢野浩太郎著、「金属材料の土壌腐食についての研究（第１報）」防蝕技術、 Vol. 16, No. 6, pp. 10-18 (1967).
【非特許文献２】宮田義一, 朝倉祝治著、「電気化学的手法を中心とした土壌腐食計測（その2）」材料と環境、Vol. 46, pp.610-619 (1997).
【非特許文献３】吉澤靖之著、「パルスオキシメーターについて」 CLINICIAN ’00 No. 493 pp.598-599
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
土壌腐食に大きく関与する土壌中の環境因子として、含水量や酸素濃度が挙げられる。これら酸素濃度及び水分量それぞれを測定する手法は存在する。ただし検出感度、測定装置が大型、高価である等の課題を有している。土壌環境の酸素濃度及び水分量を同時に測定することで、土壌腐食に大きく影響を与える環境因子を同時に評価することが可能となるため、高い信頼性でもって構造物の腐食量を推定することが可能となる。しかし、酸素濃度及び水分量を同時に測定することが可能な装置はガスセンサにのみ限定されているのが現状である。土壌環境の酸素濃度及び水分量を同時にかつ簡便に測定することのできる装置は存在していない現状にある。
【０００７】
本発明は上記従来の問題に鑑みなされたものであって、本発明の課題は、例えば土壌環境などの直接測定が困難な測定環境中の酸素濃度と水分量とを同時にかつ簡易に測定することができる酸素・水分量センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するために、一実施形態に記載された発明は、ヘモグロビンを含有した血液溶液と、前記血液溶液を収容する半透膜と、３種類の異なる波長の光を所定の強度で発光する光源と、前記血液溶液を介して前記光源から到達する前記光の吸光度を前記波長ごとに検出する検出器と、前記検出器で測定した前記光の吸光度に基づいて測定環境中の酸素濃度及び水分量を算出するデータ計測器とを備え、前記３種類の異なる波長は、酸化ヘモグロビン量、還元ヘモグロビン量、ヘモグロビン濃度に応じて異なる透過率となる波長であることを特徴とする、酸素・水分量センサである。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】酸素・水分量センサの概略構成を示す図である。
【図２】収容器部分を上部から俯瞰した様子を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
【００１１】
本実施形態の酸素・水分量センサは、土壌中の酸素及び水が半透膜に格納された血液溶液内に侵入して、血液溶液内に含まれるヘモグロビンが酸化したり、全ヘモグロビン濃度が変化したりしたときに、血液溶液における光の吸光特性が変化することを利用して環境中の酸素濃度及び水分量を同時に測定するものである。
【００１２】
本実施形態の酸素・水分量センサについて図１、２を用いて説明する。図１は、本実施形態の酸素・水分量センサの概略構成を示す図であり、図２は収容器部分を上部から俯瞰した様子を示す図である。図１に示すように、酸素・水分量センサは、収容器１０と、血液溶液１１と、半透膜１２と、光源１３と、検出器１４と、データ計測器２０とを備えて構成される。血液溶液１１は半透膜１２内に格納されており、収容器１０は、血液溶液１１を格納した半透膜１２と光源１３と検出器１４とをその内部に収容している。半透膜１２と光源１３と検出器１４とは、光源１３から出力された光が血液溶液１１を格納した半透膜１２を介して検出器１４に入力されるように配置されている。データ計測器２０は、光源１３と検出器１４とを制御可能に接続されている。
【００１３】
収容器１０は、図２に示すように、一部が開放しており、かかる開放部分を有する収容器１０から血液溶液を格納した半透膜１２が露出している。
【００１４】
本実施形態の酸素・水分量センサでは、環境中の酸素及び水が半透膜１２を介して血液溶液１１内に侵入し、血液溶液１１内に含まれるヘモグロビンが酸素と結合すると、光源１３から出力されて検出器１４で検出される特定波長の吸光度が変化することと、半透膜１２を透過した水分により光源１３から出力されて検出器１４で検出される特定波長の吸光度が変化することとを利用することで、環境中の酸素濃度及び水分量を同時に測定することができる。
【００１５】
血液溶液１１は、半透膜１２に格納され、収容器１０の中央部に設置される。血液溶液１１は、ヘモグロビンを含んだ赤血球を有している。ヘモグロビンはヘム鉄、及びグロビンタンパクが４量体を形成している。ヘモグロビンは４量体に含まれる４ヶ所のヘム鉄すべてに酸素が結合した状態（酸化ヘモグロビン）、及び４ヶ所のヘム鉄に酸素がまったく結合していない状態（還元ヘモグロビン）の２状態のみ存在する。
【００１６】
酸化ヘモグロビンは鮮紅色を呈することから、６６５ｎｍの波長を有する光について透過率が大きくなる特性を示し、還元ヘモグロビンは暗赤色を呈することから、９４０ｎｍの波長を有する光について透過率が大きくなる特性を示す（非特許文献３参照）。酸素解離曲線から、全ヘモグロビン中の酸化ヘモグロビンの割合が分れば、ヘモグロビン以外の溶液に溶け込んでいる酸素濃度が一意に決定される。これより、半透膜１２内の血液溶液１１に６６５ｎｍ及び９４０ｎｍの波長を有する所定の強度の光を照射し、検出器１４で受信する６６５ｎｍ及び９４０ｎｍの強度が求まれば、それぞれの波長の光の吸光度が判明し、吸光度に基づいて酸素濃度が一意に決定される。これに際しては、環境中の酸素濃度と半透膜１２に収容された血液溶液１１中に溶け込む溶存酸素量との関係性をあらかじめ導出しておく必要がある。
【００１７】
血液溶液１１として使用する血液は、酸素と結合する能力を有するものであれば人工血液でも構わない。生体から摂取した血液を使用する場合、ヘモグロビンを有する血液であれば動物種は問わない。ただし、動物種が異なると酸素解離曲線がヒトのそれとは異なる挙動を示す可能性があるため、酸化ヘモグロビンと酸素濃度との関係に注意が必要である。
【００１８】
生体内における赤血球の寿命はおよそ１２０日であり、半透膜に格納した赤血球の寿命はそれ以下であることが考えられる。赤血球は好気呼吸を行うためのミトコンドリアを有しておらず、嫌気呼吸のみを行っている。好気呼吸と比較しエネルギー変換効率の劣る嫌気呼吸においてヘモグロビンの機能を保つためにはある程度の酸素供給が必要となる。半透膜１２に格納した血液溶液１１内の赤血球の寿命を評価し、寿命到達以前に新しい血液と交換する必要がある。
【００１９】
血液溶液１１は繰り返し使用可能であるが、純度の高い水が半透膜１２内に侵入した際に赤血球の溶血により測定精度が著しく低下することが考えられる。赤血球に寿命が存在することを加味し、測定精度を高いものとするために、血液溶液１１は１回の測定ごとに交換される、いわゆる使い捨てにより運用することが好ましい。
【００２０】
酸素測定に際し、酸素結合の有無によりある波長域の吸光度に変化が現れかつ水の吸光領域と被らない特性を有する化合物が確認されれば、ヘモグロビンの代用として本発明に導入することが可能である。その際には吸光度の変化と酸素濃度が一意に相関が取れていることが条件である。
【００２１】
血液溶液１１として使用する血液は凝固により、センサとしての機能が著しく劣化すると考えられる。血液凝固防止の目的で血液溶液にヘパリンもしくはヒルジンを血液溶液１１に添加することが好ましい。
【００２２】
血液溶液１１はある程度濃度が高い状態で半透膜１２に格納する。そのため外部から侵入する酸素及び水の拡散を考慮し、血液溶液１１内の酸素及び水を均一するため、半透膜１２に格納する血液溶液１１の量は少量であることが好ましい。血液溶液１１の量は少量であることにより、センサの小型化も同時に達成することが可能となる。
【００２３】
半透膜１２内に水が浸入するために、内部に格納する血液溶液１１の赤血球濃度を濃厚状態に調製する必要がある。繰り返し使用する場合測定終了後は、赤血球を含む血液溶液１１と比較しさらに濃厚な溶液に侵漬することにより、侵入した外部環境水を排出する作業を要する。濃厚状態の溶液をどの濃度にすれば初期の水分量に戻るかに関して、濃度決定をあらかじめ導出しておく必要がある。
【００２４】
酸素解離曲線は温度変化、ｐＨ変化により酸素濃度と酸化ヘモグロビンの関係性が変化する特性を有する。精度よく計測を行うために収容器１０内の温度を一定に保つ温度調整器を収容器１０内に設置し、加えて血液溶液１１内のｐＨを一定に保つためにトリス緩衝液、リン酸緩衝液等を添加することによるｐＨ緩衝機能の付与が好ましい。
【００２５】
半透膜１２としては、溶質が完全に不透過であり、溶媒に対する透過性は大きいものが好ましい。例えば、半透膜１２に用いられるものとしては、コロジオン膜、セロファン膜、ＰＶＡ膜、バクテリアセルロース膜等が挙げられる。
【００２６】
光源１３は、酸素濃度及び水分量を測定するために用いられる６６５ｎｍ、９４０ｎｍ及び１９４０ｎｍの波長を有する光を所定の発光強度で発光する。酸素濃度の計測において６６５ｎｍ、９４０ｎｍの波長を有する光を使用する。酸素の量によってその存在比率が変化する酸化ヘモグロビンおよび還元ヘモグロビンが、６６５ｎｍと９４０ｎｍの波長を有する光の吸光度において互いに大きく異なる特性を示すからである。水分量の計測において１９４０ｎｍの波長を有する光を使用する。水は１９４０ｎｍの波長において大きな吸光度を示すからである。半透膜１２を介して侵入した水は血液溶液１１の濃度を薄めることで１９４０ｎｍの光の吸光度に変化を与える。これに際しては、外部の水分量に対して半透膜１２内に侵入する水分量との関係性を導出しておく必要がある。このように光源１３において、血液溶液１１中の酸化ヘモグロビン量、還元ヘモグロビン量、全ヘモグロビン濃度に応じて透過率が異なる３種類の波長を有する光を採用することにより酸素濃度及び水分量の同時測定ができる。
【００２７】
光源１３は、血液溶液１１を除く領域に由来するノイズを最小限に抑えるため、光源１３と血液溶液１１の設置距離は近いことが好ましい。
【００２８】
検出器１４は、血液溶液１１を格納した半透膜１２を介して光源１３から到達する３種類の光の吸光度を測定する。検出器１４は、収容器１０内の光源１３が設置されている反対の辺に設置することができる。血液溶液１１を除く領域に由来するノイズを最小限に抑えるため、血液溶液１１と検出器１４の設置距離は近いことが望ましい。
【００２９】
データ計測器２０は検出器１４において計測された吸光度の値を収集し、土壌中の酸素濃度及び水分量を算出する。吸光度は、光源１３から発光される光の強度に対する、検出器１４で検出される光の強度として取得することができる。データ計測器２０は光源１３における各波長の光の発光強度を制御することもできる。
【００３０】
データ計測器２０は、収集した吸光度の値を土壌中の酸素濃度及び水分量に変換する。変換された酸素濃度及び水分量はデータ計測器２０の図示しない表示部に表示される。例えば、データ計測器２０に液晶パネルを搭載し、測定値を表示させる。
【００３１】
データ計測器２０において、測定した吸光度から土壌の酸素濃度及び水分量に変換するために、土壌の酸素濃度及び水分量と半透膜内に侵入する酸素濃度及び水分量との関係性を求めておかなければならない。例えば、あらかじめ外部環境とそれに伴い半透膜１２内へ流入する酸素及び水分量それぞれに関して検量線を描き、データ計測器２０において検量線を適用する。この検量線に基づいて半透膜１２内へ流入する酸素及び水分量から実際に土壌中の酸素及び水分量を特定することにより、土壌中の酸素濃度及び水分量を評価（算出）することができる。
【００３２】
次に酸素・水分量センサの測定方法について説明する。
【００３３】
酸素・水分量センサによる測定は、血液溶液１１、半透膜１２、３種の光源１３、検出器１４すべてを収容した収容器１０を土壌に埋設することにより実施する。土壌に埋設すると、開放部分を有する収容器１０から露出した半透膜１２を介して土壌から酸素及び水の移動が行われる。ここでは、測定対象が土壌である場合を例に挙げて説明しているが、土壌以外にも酸素・水分量を測定しようとする環境に収容器１０を暴露する。
【００３４】
土壌に埋設して、外部環境である土壌と血液溶液１１内の酸素濃度及び水分量が平衡状態になるまで静止した後、酸素濃度及び水分量の測定を開始する。平衡状態になったことは、例えば、所定時間経過したことにより平衡状態になったと判定できる。平衡状態に達するまでに必要な時間を予め測定しておけばよい。
【００３５】
測定は、具体的には、光源１３により３種類の異なる波長を有する光を所定の強度で発光して、検出器１４により、血液溶液１１を介して光源１３から到達する３種類の光それぞれの吸光度を検出し、データ計測器２０により各波長の光それぞれの吸光度に基づいて土壌中の酸素濃度及び水分量を評価する。土壌中の酸素濃度及び水分量を評価は、検量線に基づいて半透膜１２内へ流入する酸素及び水分量から実際に土壌中の酸素及び水分量を特定することにより行なうことができる。
【００３６】
測定終了後、半透膜内の血液溶液１１内に侵入した外部の水は別途濃厚溶液に浸漬することにより排出する必要がある。
【００３７】
以上説明した酸素・水分量センサによれば、土壌腐食に大きく影響を与える環境因子である酸素濃度と水分量を同時にかつ簡易に測定することが可能となる。埋設環境の酸素濃度及び水分量を本発明により測定することで、土質を簡便に評価することが可能となる。
【００３８】
以上の実施形態では、土壌環境中の酸素量および水分量を測定する場合を例に挙げて説明したが、これに限定されない。土壌以外にも、その環境中の酸素量および水分量を直接測定することが困難な測定環境において利用可能である。
【符号の説明】
【００３９】
１０  収容器
１１  血液溶液
１２  半透膜
１３  光源
１４  検出器
２０  データ計測器
【図１】
0006554067.tif 000002
【図２】
0006554067.tif 000003