(57)【要約】【課題】  多数の検体の水素イオン濃度を精度良く高速に測定する。【解決手段】  ノズル２、測定室３、流路４、参照室５、流路８の順でそれぞれが連結され、全体で１つの液体流路が形成されている。この液体流路には流路８から容器１１に収容されているベースライン溶液がポンプ９によって供給されるようになっている。また逆にこのポンプ９により上記液体流路内の液体を吸引することもできる。測定室３内には測定用水素イオンセンサ１が配置されており、参照室５内には疑似比較電極７と、参照用水素イオンセンサ６が配置されている。前記測定用水素イオンセンサおよび前記参照用水素イオンセンサは、ｐＨ感応性ＩＳＦＥＴであり、該ｐＨ感応性ＩＳＦＥＴのゲート上にはｐＨ感応膜として、５酸化タンタル膜がスパッタリング法で形成されている。【選択図】  図１
2005127974.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノズル部、第１の収容室、第１の流路、第２の収容室、第２の流路の順でそれぞれが連結されて成り、全体で１つの液体流路が形成されている液体流路部と、
前記第２の流路に連結され、該第２の流路から前記液体流路部内に液体を供給することまたは前記ノズル部から前記液体流路部内に液体を吸引することのいずれも可能なポンプと、
前記第１の収容室内に配置され液体中の水素イオンを検知する測定用水素イオンセンサと、
前記第２の収容室内に配置された疑似比較電極と、
前記第２の収容室内に配置され液体中の水素イオンを検知する参照用水素イオンセンサと、
を具備する水素イオン濃度測定装置において、
前記測定用水素イオンセンサおよび前記参照用水素イオンセンサは、ｐＨ感応性ＩＳＦＥＴであり、該ｐＨ感応性ＩＳＦＥＴのゲート上にはｐＨ感応膜として、５酸化タンタル膜がスパッタリング法で形成されていることを特徴とする水素イオン濃度測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の水素イオン濃度測定装置を用いた水素イオン濃度測定方法であって、  前記ポンプにより、水素イオン濃度が既知の液体を前記液体流路部内に導いて、少なくとも前記第１の収容室と前記第２の収容室に前記水素イオン濃度が既知の液体を収容した状態とし、そのときの前記測定用水素イオンセンサ、前記参照用水素イオンセンサおよび前記疑似比較電極の出力に基づいて校正値を求める第１の工程と、
次に、前記ポンプにより、検体溶液を前記液体流路部内に導いて、前記第１の収容室には前記検体溶液を収容し、前記第２の収容室には前記水素イオン濃度が既知の液体を収容した状態とし、そのときの前記測定用水素イオンセンサ、前記参照用水素イオンセンサおよび前記疑似比較電極の出力と前記校正値とに基づいて前記第２の液体の水素イオン濃度を測定する第２の工程と
を有する水素イオン濃度測定方法。
【請求項３】
前記水素イオン濃度が既知の液体は、β値が０．０４〜０．１３ｍｍｏｌｅ／Ｌ／ｐＨの範囲内であることを特徴とする請求項２に記載の水素イオン濃度測定方法。
【請求項４】
ノズル部、第１の収容室、第１の流路、第２の収容室、第２の流路の順でそれぞれが連結されて成り、全体で１つの液体流路が形成されている液体流路部と、
前記第２の流路に連結され、該第２の流路から前記液体流路部内に液体を供給することまたは前記ノズル部から前記液体流路部内に液体を吸引することのいずれも可能なポンプと、
前記第１の収容室内に配置され液体中の水素イオンを検知する測定用水素イオンセンサと、
前記第２の収容室内に配置された疑似比較電極と、
前記第２の収容室内に配置され液体中の水素イオンを検知する参照用水素イオンセンサと、
を具備する水素イオン濃度測定装置において、
前記液体流路部と、前記測定用水素イオンセンサ、前記参照用イオンセンサおよび前記疑似比較電極は一体化されてプローブが構成されており、
検体溶液を収容する複数の検体溶液収容部を有する検体溶液収容部材を備え、
前記ノズル部を下方に向けた状態で前記プローブを移動させるプローブ移動手段、および／または前記検体溶液収容部材を移動させる検体溶液収容部材移動手段を備えることを特徴とする水素イオン濃度測定装置。
【請求項５】
前記測定用水素イオンセンサおよび前記参照用水素イオンセンサは、ｐＨ感応性ＩＳＦＥＴであり、該ｐＨ感応性ＩＳＦＥＴのゲート上にはｐＨ感応膜として、５酸化タンタル膜がスパッタリング法で形成されていることを特徴とする請求項４に記載の水素イオン濃度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、医療用あるいは化学計測分野で用いられる水素イオン濃度測定装置および測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
溶液中のイオン濃度は、通常、イオン電極で測定される。イオン電極は溶液中の特定のイオン濃度に応じて電極電位が変化するもので、Ｈ+ を始めＮａ+ 、Ｋ+ 、Ｃａ2+等各種イオンに対する電極が知られている。これらのイオン電極でイオン濃度を測定するためには、溶液中のイオン濃度によって電位が変動しない比較電極を併用し、比較電極に対するイオン電極の電位を測定することが必要である。
【０００３】
よく用いられる比較電極として、例えば銀／塩化銀電極が知られている。この比較電極は銀／塩化銀の電位が溶液中の塩素イオン濃度が一定であれば一定の値を示すことを利用したもので、これらの比較電極の電位を一定に保つためには、銀／塩化銀を一定濃度の塩素イオンの溶液、例えば飽和ＫＣｌ液に浸漬しておくことが必要である。
【０００４】
そのために、この比較電極は、通常、液絡式比較電極という形態をとる。これは液絡部を有する容器に一定濃度の塩素イオンの溶液（内部溶液）を充填し、これに表面が塩素化された銀線を浸漬したものである。
【０００５】
このような液絡式の比較電極は使用とともに内部溶液内の塩素イオンが液絡部から測定溶液に漏れ出て、内部溶液内の塩素イオンの濃度が変化する。
【０００６】
また内部溶液そのものも減少する。そのために、常に新しい内部溶液を補充することが必要であり、その意味で保守が面倒であり、これが従来のイオン濃度測定技術における第１の課題であった。
【０００７】
イオン電極によるイオン濃度の測定における第２の課題は校正が必要なことである。イオン電極のゼロ点および感度は経時的に変動する。そのために、イオン濃度の測定に先立ち、イオンの標準溶液を用いてゼロ点校正と感度校正を行うことが必要である。
イオン電極の感度の変動が小さく、ゼロ点の変化が大きい場合はゼロ点校正のみ行われる。ゼロ点校正はイオン濃度既知の１種類の標準溶液を用いて行われる。ゼロ点と感度の両方が変化する場合は、イオン濃度の異なる２種類の標準溶液を用いて、ゼロ点と感度の両方の校正が行われる。
【０００８】
イオン電極によるイオン濃度の測定における第３の課題は、多数検体のイオン濃度を測定する時、ある検体の測定を終了し、次の検体の測定に移る前に、電極を純水等で洗浄し、さらに電極に付着した純水をふき取らなければならないことである。この操作を怠ると、前の検体で後の検体を汚染することになり、正確な測定が妨げられる。
【０００９】
以上に述べたように従来のイオンセンサによるイオン濃度の測定においては下記の３つの課題があった。
１）比較電極として保守の面倒な液絡式比較電極を用いていた。
２）イオン濃度の測定に先立ち、ゼロ点や感度の校正が必要であった。
３）複数の検体の測定を行う時、イオンセンサの洗浄や洗浄液のふき取りを行うことが必要であった。
【００１０】
そこで、１つの流路の一端側に測定用イオンセンサ、他端側に参照用イオンセンサを配置し、この流路に前記他端側から基質溶液を供給して前記一端側から溢れるようにしてこの流路を洗浄し、次に前記一端側から検体溶液を上記流路内に吸引させて上記流路内の液体を前記他端側方向に移動させ、測定用イオンセンサは検体溶液内にあるが、参照用イオンセンサは依然基質溶液内にある状態にし、そのときの測定用および参照用イオンセンサの出力から検体溶液のイオン濃度を測定したものがある（例えば、特許文献１参照）。
【００１１】
しかし、このような従来の装置に用いられるイオンセンサは、検体溶液のｐＨ緩衝能の強弱と応答性は関係ないものとして、さらには、その応答性とｐＨ測定精度とは関係ないものとして選択されていた。このため、従来はｐＨ緩衝能の弱い検体溶液に対しては測定に時間を要し、さらに測定結果が不正確であった。
また、従来の装置では、多数の検体溶液を測定する場合は検体の取り入れ口まで操作者が１つ１つの検体を持ち運んで注ぎ込んでいたので、測定に長時間を要していた。
【特許文献１】特開平１０−３３２６３４（第４〜５頁、特に段落００２７、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
このように、従来は、多数の検体の測定に長時間を要し、さらにｐＨ緩衝能の弱い検体溶液に対しては測定結果が不正確であった。本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、多数の検体の測定を短時間で行うことができ、ｐＨ緩衝能の強弱に拘らず精度良く水素イオン濃度の測定ができるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
請求項１の発明は、ノズル部、第１の収容室、第１の流路、第２の収容室、第２の流路の順でそれぞれが連結されて成り、全体で１つの液体流路が形成されている液体流路部と、前記第２の流路に連結され、該第２の流路から前記液体流路部内に液体を供給することまたは前記ノズル部から前記液体流路部内に液体を吸引することのいずれも可能なポンプと、前記第１の収容室内に配置され液体中の水素イオンを検知する測定用水素イオンセンサと、前記第２の収容室内に配置された疑似比較電極と、前記第２の収容室内に配置され液体中の水素イオンを検知する参照用水素イオンセンサと、を具備する水素イオン濃度測定装置において、前記測定用水素イオンセンサおよび前記参照用水素イオンセンサは、ｐＨ感応性ＩＳＦＥＴであり、該ｐＨ感応性ＩＳＦＥＴのゲート上にはｐＨ感応膜として、５酸化タンタル膜がスパッタリング法で形成されていることを特徴とする。
【００１４】
請求項２の発明は、請求項１に記載の測定装置を用いた水素イオン濃度測定方法であって、前記ポンプにより、水素イオン濃度が既知の液体を前記液体流路部内に導いて、少なくとも前記第１の収容室と前記第２の収容室に前記水素イオン濃度が既知の液体を収容した状態とし、そのときの前記測定用水素イオンセンサ、前記参照用水素イオンセンサおよび前記疑似比較電極の出力に基づいて校正値を求める第１の工程と、次に、前記ポンプにより、検体溶液を前記液体流路部内に導いて、前記第１の収容室には前記検体溶液を収容し、前記第２の収容室には前記水素イオン濃度が既知の液体を収容した状態とし、そのときの前記測定用水素イオンセンサ、前記参照用水素イオンセンサおよび前記疑似比較電極の出力と前記校正値とに基づいて前記第２の液体の水素イオン濃度を測定する工程と、を有することを特徴とする。
【００１５】
請求項３の発明は、請求項２に記載の水素イオン濃度測定方法において、前記水素イオン濃度が既知の液体は、β値が０．０４〜０．１３ｍｍｏｌｅ／Ｌ／ｐＨの範囲内であることを特徴とする。
【００１６】
請求項４の発明は、ノズル部、第１の収容室、第１の流路、第２の収容室、第２の流路の順でそれぞれが連結されて成り、全体で１つの液体流路が形成されている液体流路部と、前記第２の流路に連結され、該第２の流路から前記液体流路部内に液体を供給することまたは記前記ノズル部から前記液体流路部内に液体を吸引することのいずれも可能なポンプと、前記第１の収容室内に配置され液体中の水素イオンを検知する測定用水素イオンセンサと、前記第２の収容室内に配置された疑似比較電極と、前記第２の収容室内に配置され液体中の水素イオンを検知する参照用水素イオンセンサと、を具備する水素イオン濃度測定装置において、前記液体流路部と、前記測定用水素イオンセンサ、前記参照用イオンセンサおよび前記疑似比較電極は一体化されてプローブが構成されており、検体溶液を収容する複数の検体溶液収容部を有する検体溶液収容部材を備え、前記ノズル部を下方に向けた状態で前記プローブを移動させるプローブ移動手段、および／または前記検体溶液収容部材を移動させる検体溶液収容部材移動手段を備えることを特徴とする。
【００１７】
請求項５の発明は、請求項４に記載の装置において、前記測定用水素イオンセンサおよび前記参照用水素イオンセンサは、ｐＨ感応性ＩＳＦＥＴであり、該ｐＨ感応性ＩＳＦＥＴのゲート上にはｐＨ感応膜として、５酸化タンタル膜がスパッタリング法で形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１の発明によれば、測定用水素イオンセンサおよび参照用水素イオンセンサは、強いｐＨ緩衝能の溶液に対しても弱いｐＨ緩衝能の溶液に対しても高速応答性を有し、かつ精度が高いので、測定すべき溶液のｐＨ緩衝能の強弱に拘らず、高速にかつ精度良く水素イオン濃度の測定を行うことができる。
【００１９】
請求項２の発明によれば、測定作業が簡単であるので、装置の自動化が容易となり、省力化に有効である。このため多数検体の高速測定が一層容易となる。
【００２０】
請求項３の発明によれば、より一層短時間で精度良く水素イオン濃度を測定することができる。
【００２１】
請求項４の発明によれば、２つの水素イオンセンサと疑似比較電極が設けられた液体流路部全体がプローブとされており、これが移動するか、および／または検体溶液収容部材が移動するので、プローブのノズルから直接検体溶液を吸引できるので、検体溶液の流路を短くすることができる。このため、測定に必要な検体の容量を微量化でき、多数検体の高速測定が可能となる。
【００２２】
請求項５の発明によれば、さらに高速測定が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
図１に本発明の装置の基本構成を示した。図１において、測定室１（第１の収容室）にはノズル２が設けられている。測定室１には測定用水素イオンセンサ３が収納されている。測定室１は流路４（第１の流路）によって参照室５と連通されており、参照室５（第２の収容室）には参照用水素イオンセンサ６と疑似比較電極７が収納されている。参照室５は流路８（第２の流路）によってポンプ９と連通され、ポンプ９は水素イオン濃度が既知であるベースライン溶液を収容する容器１１から流路１０を介してベースライン溶液が与えられるようになっている。
ノズル２、測定室１、流路４、参照室５および流路８から液体流路部が形成されている。
【００２４】
図１に示した水素イオン濃度測定装置によるイオン濃度の測定の工程は以下の通りである。
１）ゼロ点校正工程
ポンプ９により、容器１１中のベースライン溶液を流路８に送液することによって、液体流路部の流路全体を当該ベースライン溶液で置換し、さらにノズル２からベースライン溶液を排出させる。少なくとも参照室５と測定室１がベースライン溶液で満たされたときに、そのときの測定用水素イオンセンサ３の出力Ｖm0と参照用水素イオンセンサ６の出力Ｖr0を測定し、その差ΔＶ0 を求める。すなわち、
ΔＶ0 ＝Ｖm0−Ｖr0                                      (1) 
を求める。本例では、後に校正のために用いるこのΔＶ0 （校正値と称する）を求めることが、ゼロ点校正工程である。
なお、測定用水素イオンセンサ３の出力と参照用水素イオンセンサ６の出力は、疑似比較電極７の出力を基準としている。
【００２５】
２）検体吸引および測定工程
次に、ポンプ９を停止させ、ノズル２の先端を検体溶液に入れ、ポンプ９を逆転駆動して、検体溶液を測定室１まで吸引するが、参照室５までは流入しないようにしてポンプ９を停止させる。この時の測定用水素イオンセンサの出力Ｖm1と参照用水素イオンセンサの出力Ｖr1を測定し、その差ΔＶ1 を求める。すなわち、
ΔＶ1 ＝Ｖm1−Ｖr1                                      (2) 
を求める。
水素イオンセンサ３、６の出力は通常のイオン電極と同様に水素イオン濃度（活量）の対数に比例するので、ベースライン溶液のイオン濃度（活量）をＣ0 モル／Ｌとすると、検体溶液中の水素イオン濃度（活量）Ｃ1 モル／Ｌは下式から求まる。
ｌｏｇＣ1 ／ｌｏｇＣ0 ＝ΔΔＶ／Ｓ                      (3) 
ここで、ΔΔＶは上記差動出力ΔＶ1 とΔＶ0 の差である。
ΔΔＶ＝ΔＶ1 −ΔＶ0                                   (4) 
また、Ｓは水素イオンセンサの感度である。水素イオンセンサが通常のイオン電極である場合は、Ｓは下記のネルンストの式で求まる値にだいたい一致する。
Ｓ＝ＲＴ／ｎＦ                                          (5) 
ここで、Ｒはガス定数、Ｔは絶対温度、ｎは測定対象イオンの価数、Ｆはファラデー定数である。Ｓの理論値は１価のイオンで２５℃において約６０ｍＶ／decadeである。
【００２６】
Ｓが既知で経時的に変化しないと仮定すれば、ΔΔＶを実測することにより、（３）式よりＣ1 を求めることができる。さらに、１）と２）の工程を繰り返すことによって、多数検体のｐＨ測定を行うことができる。
【００２７】
なお、上記の例では、あくまでもベースライン溶液のイオン濃度を基準としてゼロ点校正を行ったが、検体として１つないし複数のイオン濃度基準液を入れておき、それらに対するΔΔＶから下記の検量線を求めて、イオン濃度を算出することも可能である。
ｌｏｇＣ1 ＝Ａ＋ΔΔＶ／Ｓ                              (6) 
ここで、Ａは定数である。Ｓが既知の場合は、イオン濃度基準液として１種類の溶液を用いて、Ａを求める（１点校正）。Ｓ，Ａ共に未知の場合は、２濃度のイオン濃度基準液を用いてそれらを求める（２点校正）。さらには２濃度以上のイオン濃度基準液を用いて、最小２乗法でＳとＡを求めることも可能である。
【００２８】
本発明に用いられるベースライン溶液は既知濃度の測定対象イオンを含有する溶液である。ベースライン溶液中の水素イオンの濃度としては、検体中の水素イオンの濃度域に近い濃度を選択することが望ましい。さらに、ベースライン溶液のｐＨ緩衝能が適切であることも重要となる。ベースライン溶液のｐＨ緩衝能が弱すぎると、ゼロ点校正工程において、測定室の検体をベースライン溶液で押し出す時に、測定室のｐＨがベースライン溶液のｐＨに戻るのに長時間を必要とするようになる。一方、ベースライン溶液のｐＨ緩衝能が強すぎると、測定工程において検体溶液を測定室に吸引した時、測定室に微量に残存するベースライン溶液の影響を受けて、実測のｐＨ値がベースライン溶液のｐＨの方に偏るという誤差を生じる。従って、ベースライン溶液としては、ゼロ点校正が速やかに行われ、かつ測定工程において検体のｐＨに影響を与えない程度のｐＨ緩衝能を有する溶液を用いることが必要である。ｐＨ緩衝能を表す尺度として一般的にβ値（その溶液のｐＨを１変化させるに必要な塩酸のモル濃度）が用いられるが、本発明のｐＨ測定システムにおいては、ベースライン溶液のβ値としては実施例３に具体的に示すように０．０４〜０．１３ｍｍｏｌｅ／Ｌ／ｐＨであることが望ましい
【００２９】
本発明の水素イオン濃度測定装置はいくつかの特徴を有する。その第１は本発明の測定器が２重差動のイオンセンサであることである。上記の説明で明らかなように、本発明の水素イオン濃度測定装置は、測定用と参照用の水素イオンセンサを用いる点において、差動型の水素イオンセンサである。さらに、検体吸引前後の差動出力の差、ΔΔＶを用いるという意味においても差動型であり、２重の意味での差動型水素イオンセンサであると言える。２重差動出力を採用することにより、１点校正、あるいは２点校正後の水素イオンセンサのベースラインドリフトその他各種のノイズを相殺し、精度の高い測定を行うことが可能である。
【００３０】
第２の特徴は参照用センサとして従来の液絡式比較電極の代わりに、参照用水素イオンセンサ６と疑似比較電極７を用いている点である。これにより、液絡式比較電極の内部溶液補充の必要がない。
【００３１】
第３の特徴は、水素イオンセンサのゼロ点校正を自動的に行える点である。すなわち、ベースライン溶液を参照室と測定室に送液することにより、参照用と測定用水素イオンセンサのゼロ点校正を行うことができる。
【００３２】
次に、本発明の水素イオン濃度測定装置の各部について説明する。まず測定室１とノズル２は検体溶液を吸引した時、それまであったベースライン溶液が検体溶液によって置換される空間である。従ってこの部分の内容積は小さいほど測定に必要な検体の量が少なくてすむ。
【００３３】
測定室とノズルの内部の死容積としては２μＬ未満であることが望ましい。さらには１μＬ以下であることが望ましい。そうすることによって１μＬ程度の微量の検体溶液を吸引することによって水素イオン濃度の測定を行うことができる。
【００３４】
水素イオンセンサ３および６としてはイオン感応性電界効果トランジスタ（ＩＳＦＥＴ）等が用いられる。
【００３５】
上記のように微量の検体溶液の水素イオン濃度を測定するためには、水素イオンセンサも微小なものであることが望ましい。
【００３６】
疑似比較電極７としては金、銀、白金等の金属電極、あるいは導電性の炭素電極等が用いられる。
【００３７】
流路４は測定室と参照室を隔離する役割も有する。すなわち、検体溶液を測定室に吸引して水素イオンセンサの出力を読みとる間、測定室内の検体が自然拡散して参照室に到達しないよう十分な容積を確保することが必要である。
【００３８】
ポンプ９としてはローラチューブポンプ、プランジャーポンプ、シリンジポンプ等、各種のポンプが使用される。
【００３９】
ゼロ点校正時には比較的早い流速でベースライン溶液を送液し、測定時には微量の検体溶液を吸引するために、その両方の機能を有するポンプを用いることが望ましい。測定対象イオンのベースライン溶液としては、可能な限り検体中の当該水素イオンの濃度に近い濃度の溶液を用いることが望ましい。
【００４０】
本発明によって多数の検体の水素イオン濃度を測定する場合の装置の概略を図２に示した。図２において、図１に示した要素と同じ要素には同じ番号を付している。
【００４１】
ここでは、測定室１、ノズル２、測定用水素イオンセンサ３、流路４、参照室５、参照用水素イオンセンサ６、疑似比較電極７および流路８は一体化されプローブ２０を形成している。流路８には図示せぬポンプを介してベースライン溶液が供給されるようになっている。
【００４２】
図２に示す架台１２にはマイクロプレート１４と、廃液ウエル１６とその廃液ウエル１６の上方で連通する廃液路１７を備えている。マイクロプレート１４には検体溶液を収容する複数のウエル１５が設けられている。マイクロプレート１４に設けられたウエル１５の数は例えば９６個、３８４個等である。
【００４３】
架台１２は水平に支持されており、プローブ２０はノズル２を下方に向けた状態にあってマイクロプレート１４の上方で保持されている。
【００４４】
図３はゼロ点校正時のプローブ２０と架台１２の相対的位置を示している。ここでノズル２は廃液ウエル１６の中に挿入されている。まずこの状態で、ベースライン溶液を流路８に供給する。このとき、ベースライン溶液は、参照室５、流路４および測定室１を経てノズル２から廃液ウエル１６中に送出される。廃液ウエル１６に送出されたベースライン溶液はそこで一杯になれば廃液路１７から排出される。このようにして、測定室１と参照室５をベースライン溶液で満たし、上記１）に述べたゼロ点校正を行うと共に廃液ウエル１６内をオーバーフロするベースライン溶液によってノズル２の外壁に付着した前回測定の検体溶液を洗浄する。
【００４５】
図４は検体吸引および測定工程におけるノズル２の配置を示す。この時は、ベースライン溶液の供給を停止した状態でノズル２をマイクロプレート１４のウエル１５の選択された１つに挿入し、その後、流路８からプローブ２０内のベースライン溶液を吸引して、ウエル１５から所定量の検体溶液を吸引する。その吸引量は測定室１内の一部または全部のベースライン溶液が検体溶液で置換されるが、参照室３までには至らない量とする。その後、吸引を停止して上記２）に述べたセンサ出力の読み取りと演算を行い、イオン濃度Ｃ1 を求める。
【００４６】
この１）ゼロ点校正工程と２）吸引及び測定工程をマイクロプレート１４の各ウエル１５について繰り返すことによって、各ウエル１５の検体溶液の水素イオン濃度を順次測定する。このためには、プローブ２０を前後、左右、上下に駆動させる装置、あるいはマイクロプレート１４と廃液ウエル１６を搭載している架台１２を前後、左右、上下に駆動させる装置を設けてもよい。あるいは、架台１２は前後、左右に駆動させ、プローブ２０は上下のみに駆動させる装置を設けてもよい。また、多数検体用の容器として、マイクロプレート１４以外に、サンプルチューブを用いてもよい。その場合は、駆動架台としてターンテーブルを用いてもよい。
【００４７】
このように本発明では流路に設けられる各センサを含む部分を一体化してプローブとしたので、特にプローブを上下動させ、多数検体を保持するため大型で重いマイクロプレートやターンテーブル等（検体溶液収容部材）を少なくとも上下動させないようにすれば、各部を駆動するための駆動機構の簡素化、多数検体測定処理の高速化および消費エネルギーの低減化を図ることができる。
【００４８】
本発明の水素イオン濃度測定装置は多数かつ微量の検体の水素イオン濃度を高速で測定する装置として好適である。高速測定をさらに可能にするためには、水素イオンセンサとして応答速度の速いものを用いることが望ましい。測定対象がｐＨの場合、通常のガラス電極を用いると寸法が大きいために微量検体の測定が困難であるのみならず、特にｐＨ緩衝能の弱い検体のｐＨに数分から１０分程度の長時間を要する。そのために通常のガラス電極を高速ｐＨ測定システムに応用することは難しい。本発明者は高速ｐＨ測定システム用として好適なｐＨ感応性ＩＳＦＥＴについて検討し、その結果、ｐＨ感応性ＩＳＦＥＴにも、弱い緩衝能の溶液に対して応答の早いものと遅いものがあることを見出した。図５にその結果を示す。
【００４９】
図５の試験は、図２のような測定装置において、ベースライン溶液として、市販の６．８６ｐＨ緩衝液を生理食塩液によって１０００倍に希釈した溶液（ｐＨ６．１２）を、検体溶液として市販の１．６８ｐＨ緩衝液およびそれを生理食塩液で１２５倍希釈した溶液を用いて、行われた。時刻０以前にポンプを正転させて、プローブにベースライン溶液を流して、ゼロ点校正を行った。
【００５０】
時刻０秒でポンプを停止し、時刻１０秒でポンプを逆転させて、約１μＬの検体溶液を吸引し、時刻４６秒でポンプを正転させた。図５において、実線では、ゲート部にｐＨ感応膜として特開昭６２−２４５９５６号の方法により、５酸化タンタルをターゲットとするスパッタリング法で製膜したＩＳＦＥＴを用いた（以下、タイプＡのＩＳＦＥＴと称す）。それに対して、破線では、ゲート上にタンタルアルコキシドを原料とする化学蒸着（ＣＶＤ）法で５酸化タンタルを製膜したＩＳＦＥＴ（以下タイプＢのＩＳＦＥＴと称す）を用いた。図５から下記のことが明らかである。
【００５１】
（１）タイプＡのＩＳＦＥＴを用いた場合、ｐＨ緩衝能の強い検体（ｐＨ１．６８緩衝液、緩衝能β＝５０ｍｍｏｌｅ／Ｌ／ｐＨ）はもちろんのことｐＨ緩衝能の弱い検体（ｐＨ１．６８緩衝液を１２５倍希釈した溶液、緩衝能β＝０．２５ｍｍｏｌｅ／Ｌ／ｐＨ）に対しても、検体吸引の２秒後には約９０％の応答が得られる。また測定終了後、ポンプを正転させた場合、正転開始後６秒以内で出力がベースラインに戻る。
【００５２】
（２）それに対してタイプＢのＩＳＦＥＴを用いた場合、ｐＨ緩衝能の強い検体（ｐＨ１．６８緩衝液）では応答が早く、検体吸引後４秒以内に１００％応答が得られるが、ｐＨ緩衝能の弱い検体（ｐＨ１．６８緩衝液を１２５倍希釈Ｌた溶液）では、応答が極めて遅く、約９０％の応答を得るのに１７秒以上必要となる。また、検体吸引後５秒の時点での応答は２０ｍＶで、吸引後４６秒での応答は１０２ｍＶの１／５程度である。またポンプ正転後の出力の戻りも遅く、正転後１４秒後でも２ｍＶ程度の出力が残る。
【実施例１】
【００５３】
図６に本発明の測定装置におけるプローブの具体的な例を示した。このプローブ４０は測定用ｐＨ感応性ＩＳＦＥＴ２２、参照用ｐＨ感応性ＩＳＦＥＴ２５、および疑似比較電極２８を含む差動型ｐＨセンサである。また、このプローブ４０は、ノズル２１、測定室３２、流路３３、参照室３４および流路３１が合成樹脂によって形成され、一体化されている。ここに用いられているＩＳＦＥＴ２２、２５は特公昭５７−４３８６３に開示されている先端部全周が酸化珪素／窒化珪素で絶縁されたタイプのものである。ＩＳＦＥＴ２２、２５他端側にはボンディングパド２４、２７があり、リード線３０が接続されている。このＩＳＦＥＴ２２、２５の寸法は幅４５０μｍ、厚み１８０μｍ、長さ５５０μｍである。ＩＳＦＥＴ２２、２５のボンディングパド２４、２７、リード線３０の一部は絶縁樹脂２９により封止されている。各ＩＳＦＥＴ２２、２５ゲート部２３、２６にはｐＨ感応膜として５酸化タンタルが、特開昭６２−２４５９５６の方法により、５酸化タンタルをターゲットとするスパッタリング法で製膜されている（タイプＡ）。疑似比較電極２８としては表面がＡｇＣｌ化された銀線が用いられた。ゼロ点校正工程においては、ベースライン溶液が流路３１からポンプで送液され、参照室３４、流路３３、および測定室３２を経て、ノズル２１から排出される。検体吸引及び測定工程においては約１μｌの検体溶液がノズルから吸引される。この吸引量は、検体溶液が丁度測定室３２を満たすが、参照室３４には入らない量として選択された値である。
【００５４】
図６に示したプローブ４０を用いて、図７に示すようにマイクロプレート４６の複数のウエル中の検体溶液のｐＨを測定するシステムを製作した。図７において、プローブ４０は上下動駆動部４１によって上下方向（Ｚ方向）に駆動可能とされている。一方マイクロプレー卜４６と廃液ウエル４７はテーブル４２の上に搭載されている。テーブル４２は、テーブル駆動部４２Ａによって水平面（Ｘ−Ｙ平面）上を移動するように駆動される。プローブ４０には容器４５からベースライン溶液がポンプ４３によって送液される。ポンプ４３としてはマイクロステッピングモータ駆動のチュープポンプが使用され、ベースライン溶液の送液と検体溶液の吸引がこれによって行われる。このシステム全体はＣＰＵおよびメモリを含む制御装置４４によって制御される。制御装置４４は、入力手段４４Ａから与えられる指示に基づいて、上下動駆動部４１、テーブル駆動部４２Ａおよびポンプ４３を制御すると共に、プローブ４０内の各センサおよび疑似比較電極の出力を読み取り、それらに基づいてデータ処理を行い、その結果を表示装置４４Ｂに出力するものである。
【００５５】
このシステムの動作を説明する。制御装置４４には、予めマイクロプレート４６の処理すべきウエルの順序を指示しておく。そして、制御装置４４は、測定開始の指示により、テーブル４２とプローブ４０を基準位置に設定する。すなわち制御装置４４は、プローブ４０のノズル２１の真下に廃液ウエル４７が至るようにテーブル４２を移動させ、プローブ４０を下方に移動させ、そのノズル２１を、廃液ウエル４７内に挿入された状態とする。以下、ゼロ点校正工程と、検体吸引および測定工程を図８のフローチャートを参照して説明する。
【００５６】
１）ゼロ点校正工程
制御装置４４は、ポンプ４３を正転させ、容器４５中のベースライン溶液をプローブ４０に１０秒間送液する（ステップ１０１）。このとき、ノズル２１からベースライン溶液は溢れ出て廃液ウエル４７に収容される。そして本工程の最終段階で制御装置４４は２つのセンサの差動出力ΔＶ0 を読み取る（ステップ１０２）。
【００５７】
２）検体吸引および測定工程
次に、制御装置４４は、ポンプ４３を停止させ、プローブ４０を廃液ウエル内４７から引き上げて上方に戻し（ステップ１０３）、次にテーブル４２を移動させて、指定された１番目のウエルをプローブ４０のノズル２１の真下に移動させ、そのノズル２１をウエル内に下げる（ステップ１０４）。この間の移動に要する時間は３秒である。次に制御装置４４はポンプ４３を所定ステップだけ逆転させて１μＬの検体溶液をセンサ内に逆流させ（ステップ１０５）、逆流開始から３秒後の差動出力ΔＶ1 を読み取り（ステップ１０６）、ΔΔＶ＝ΔＶ1 −ΔＶ0 を求め（ステップ１０７）、さらに、
ｐＨａ＝ｐＨｂ＋ΔΔＶ／Ｓ                                  (7) 
によって検体溶液のｐＨ（ｐＨａ）を求め、表示する（ステップ１０８）。ここでｐＨｂはベースライン溶液のｐＨ、Ｓは測定用ＩＳＦＥＴ２２のｐＨ感度である。次に制御装置４４はノズル２１をウエル内から引き上げ、水平駆動テーブル４２を駆動させて、ノズル２１の真下に廃液ウエル４７を移動させて、プローブ４０を下げて、ノズル２１を廃液ウエル内に挿入する（ステップ１０９）。この間の移動に３秒を要する。
【００５８】
次に制御装置４４は、２番目以降の各ウエルについて順次上記の工程のステップ１０１〜１０９を繰り返し行い、各ウエル内の検体溶液のｐＨを測定する。１検体溶液当たりの測定時間は約２０秒である。ベースライン溶液として、市販のｐＨ６．８６緩衝液を生理食塩液で１０００倍に希釈した溶液（２５℃におけるｐＨ＝６．１２）を使用した。検体として、市販のｐＨ９．１８、７．４１、４．０１および１．６８のｐＨ緩衝液、さらに９．１８と１．６８の緩衝液を５倍〜５4 倍まで純水で希釈した溶液を用いた。測定結果を表１にｐＨobs として示した。この測定に要した時間は４分であった。表１において、ｐＨtheol は市販のガラス電極ｐＨメータを用いて１検体溶液当たり１０分間の時間を費やして測定したｐＨ値である。
【００５９】
【表１】
2005127974.tif 000003
【００６０】
表１から明らかなように、市販のｐＨ緩衝液のみならず、それを純水で希釈して緩衝能を弱めた溶液においても、本発明の測定装置を用いることによってそのｐＨを正確に測定することが可能である。表１の１２検体に対する測定誤差の絶対値の平均値は０．０９ｐＨであった。
【００６１】
［比較例１］
ｐＨ感応性ＩＳＦＥＴとして、ゲート上にタンタルアルコキシドを原料とする化学蒸着（ＣＶＤ）法で５酸化タンタルを製膜したもの（タイプＢ）を用い、それ以外は実施例と同様の条件で各種溶液のｐＨを測定した。その結果を表２のｐＨobs の欄に示した。このｐＨ感応性ＩＳＦＥＴは理由は不明であるが、図５に示したように、緩衝能の弱い溶液に対する応答が遅い。表２から明らかなように、このＩＳＦＥＴを用いた場合、９．１８、７．４１、４．０１及び１．６８緩衝液に関しては比較的小さい誤差でｐＨが測定されたが、９．１８緩衝液を５から５4 倍に希釈した溶液、および１．６８緩衝液を５3 から５4 倍希釈した溶液では大きな誤差が生じた。表２の１２検体に対する測定誤差の絶対値の平均値は０．３１ｐＨであった。このようにｐＨ緩衝能の弱い溶液に対して応答の遅いＩＳＦＥＴを用いると、緩衝能の弱い検体のｐＨ測定が不正確となることが判明した。
【００６２】
【表２】
2005127974.tif 000004
【実施例２】
【００６３】
ベースライン溶液として、２ｍｍｏｌｅ／Ｌの塩化アンモニウムを含有する生理食塩液（ｐＨ５．４１，β＝０．１３ｍｍｏｌｅ／Ｌ／ｐＨ）を用いる以外は実施例１と同じ条件で、市販のｐＨ１．６８緩衝液及びそれを５〜５4 倍希釈した溶液を検体として、各３回測定し、その再現性を調べ、その結果を表３に示した。また、図９に検体番号１３と１４の繰り返し測定におけるｐＨ応答曲線を示した。この結果、本発明のｐＨ測定システムの再現性は標準偏差で０．０２０ｐＨ以下と、良好であることが判明した。
【００６４】
【表３】
2005127974.tif 000005
【実施例３】
【００６５】
ベースライン溶液として、ＢＳ１は２ｍｍｏｌｅ／Ｌ塩化アンモニウム（ＮＨ4 Ｃｌ）／生理食塩液、ＢＳ２は０．１ｍｍｏｌｅ／Ｌ塩化アンモニウム溶液、ＢＳ３は６．８６緩衝液をＲＯ水で１０００倍希釈、ＢＳ４は６．８６緩衝液をＲＯ水で１００倍希釈、ＢＳ５は６．８６緩衝液をＲＯ水で１０倍希釈、ＢＳ６は１５ｍｍｏｌｅ／Ｌ塩化カリウム（ＫＣｌ）、ＢＳ７は生理食塩液を用いた。実施例１の検体と同じ検体を用い、検体１、６、７、８（黒印）を用いて最小２乗法で作成した検量線、および希釈検体２、３、４、５、９、１０、１１、１２の測定点（白印）を図１０〜１６に示した。各図の中に挿入されたＡ，Ｓは検量線の切片と傾き（（６）式を参照）、ｒは最小２乗法の相関係数である。切片Ａの値は理論的にはベースライン溶液のｐＨに、傾きＳは測定用ｐＨセンサの感度に相当する。この結果、図１０に示したように、ＢＳ１をベースライン溶液としたとき、希釈検体の検量線からのズレは比較的小さい。それに対し、例えば図１４に示したＢＳ５をベースライン溶液とした場合、希釈検体の検量線からのズレが大きい。このような希釈検体の検量線からのズレの大きさからベースライン溶液を評価した結果を表４に示した。表４には各ベースライン溶液のｐＨ値（ガラス電極で測定した値）とβ値も示している。この結果から、ベースライン溶液の緩衝能としては０．０４〜０．１３ｍｍｏｌｅ／Ｌの範囲が好ましいことが判る。
【００６６】
【表４】
2005127974.tif 000006
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の水素イオン濃度測定装置の基本構成を示す図。
【図２】マイクロプレートの各ウエルの中の検体の水素イオン濃度測定を説明するための図。
【図３】マイクロプレートの各ウエルの中の検体の水素イオン濃度測定を説明するための図。
【図４】マイクロプレートの各ウエルの中の検体の水素イオン濃度測定を説明するための図。
【図５】緩衝能の弱い検体に対する応答が早いｐＨ感応性ＩＳＦＥＴ（実線）と遅いｐＨ感応性ＩＳＦＥＴ（破線）の応答曲線を示す図。
【図６】プローブの具体的な例を示す図。
【図７】マイクロプレートの各ウエルの検体を自動的に測定するシステムの構成図。
【図８】図７に示した装置の動作を説明するためのフローチャート。
【図９】本発明のｐＨ測定システムの繰り返し測定における応答曲線を示す図。
【図１０】各種ベースライン溶液とそれを用いて作成した検量線を示す図。
【図１１】各種ベースライン溶液とそれを用いて作成した検量線を示す図。
【図１２】各種ベースライン溶液とそれを用いて作成した検量線を示す図。
【図１３】各種ベースライン溶液とそれを用いて作成した検量線を示す図。
【図１４】各種ベースライン溶液とそれを用いて作成した検量線を示す図。
【図１５】各種ベースライン溶液とそれを用いて作成した検量線を示す図。
【図１６】各種ベースライン溶液とそれを用いて作成した検量線を示す図。
【符号の説明】
【００６８】
１  測定室
２  開口ノズル
３  測定用水素イオンセンサ
４  流路
５  参照室
６  参照用水素イオンセンサ
７  疑似比較電極
８  流路
９  ポンプ
１０  流路
１１  容器
１２  架台
１４  マイクロプレー卜
１５  ウエル
１６  廃液ウエル
１７  廃液路
２０  水素イオンセンサ
２１  ノズル
２２  測定用ｐＨ感応性ＩＳＦＥＴ
２３、２６  ｐＨ感応部
２４、２７  ボンディングパド
２５  参照用ｐＨ感応性ＩＳＦＥＴ
２８  疑似比較電極
２９  絶縁樹脂
３０  リード線
３１  流路
３２  測定室
３３  流路
３４  参照室
４０  プローブ
４１  上下動駆動部
４２  テーブル
４３  ポンプ
４４  制御装置
４５  容器
４６  マイクロプレー卜
４７  廃液ウエル
【図１】
2005127974.tif 000007
【図２】
2005127974.tif 000008
【図３】
2005127974.tif 000009
【図４】
2005127974.tif 000010
【図５】
2005127974.tif 000011
【図６】
2005127974.tif 000012
【図７】
2005127974.tif 000013
【図８】
2005127974.tif 000014
【図９】
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【図１０】
2005127974.tif 000016
【図１１】
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【図１２】
2005127974.tif 000018
【図１３】
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【図１４】
2005127974.tif 000020
【図１５】
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【図１６】
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