(57)【要約】【課題】  取り扱いが容易で耐久性の高い電極を用いて、高感度な濃度計測を行うことができる、濃度計測装置および濃度計測方法を提供する。【解決手段】  第１電極１と、第２電極２と、電圧印加部３と、電流測定部４と、濃度値情報出力部５とを備えている。第１電極１は、例えばチタン系金属やアルミニウム系金属のような金属または導電体からなる基板（基体）１０の表面を、強誘電体薄膜１１で覆ったもので、その表面が計測対象の溶液７や物質に含まれる酸や塩基に対して十分な耐久性を有するものとなっている。第１電極１および第２電極２に対しては、電圧印加部３から交流電圧が印加される。第１電極１の表面の強誘電体薄膜１１に誘電分極が発生し、それによる電荷に誘引されて計測対象の物質またはイオンが強誘電体薄膜１１の表面近傍に吸着される。【選択図】        図１
2005127906.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に誘電体層を有する第１電極と、
前記第１電極の対極となる第２電極と、
前記第１電極および前記第２電極に交流電圧または脈流電圧もしくはステップ電圧を印加する電圧印加手段と、
前記電圧の印加に対応して前記第１電極と前記第２電極との間で計測対象の物質またはイオンを介して生じる電流を測定する電流測定手段と
を備えたことを特徴とする濃度計測装置。
【請求項２】
前記電流測定手段で測定された電流値に対応して前記計測対象の物質またはイオンの濃度値を定量し、前記濃度値の情報または当該情報を担持してなる信号を出力する濃度値出力手段を備えた
ことを特徴とする請求項１記載の濃度計測装置。
【請求項３】
前記電流測定手段または濃度値出力手段が、ロックインアンプを含む
ことを特徴とする請求項１または２記載の濃度計測装置。
【請求項４】
前記計測対象の物質またはイオンが、尿素もしくはアンモニウムまたは燐酸もしくは燐酸イオンである
ことを特徴とする請求項１ないし３のうちいずれか１項に記載の濃度計測装置。
【請求項５】
前記第２電極が、表面に誘電体層を有する電極である
ことを特徴とする請求項１ないし４のうちいずれか１項に記載の濃度計測装置。
【請求項６】
前記計測対象が化合物であり、前記計測対象の化合物から計測対象の物質またはイオンを分離するための酵素を前記第１電極の表面に固定して用いる
ことを特徴とする請求項１ないし５のうちいずれか１項に記載の濃度計測装置。
【請求項７】
前記計測対象が化合物であり、前記計測対象の化合物から計測対象の物質またはイオンを分離する酵素を固定してなるカラムを備えた第１の流路と、前記酵素を固定していない第２の流路とを備えており、
前記第１の流路と前記第２の流路との両方にそれぞれ、前記第１電極および前記第２電極ならびに前記電圧印加手段ならびに電流測定手段を備えており、
前記濃度値出力手段が、前記第１の流路で測定された電流値と前記第２の流路で測定された電流値との比較に基づいて、前記計測対象の物質またはイオンの濃度値を定量し、前記濃度値の情報または当該情報を担持してなる信号を出力する
ことを特徴とする請求項１ないし５のうちいずれか１項に記載の濃度計測装置。
【請求項８】
前記第２の流路の後段に遅延コイルを備え、
前記遅延コイルと前記第１の流路とから検出される電流値の差分を検出し、その差分値に基づいて、前記計測対象の物質の濃度を検出する
ことを特徴とする請求項７に記載の濃度計測装置。
【請求項９】
前記第１電極が、金属または導電性材料からなる基体の表面を酸化してなる誘電体層を有するものである
ことを特徴とする請求項１ないし８のうちいずれか１項に記載の濃度計測装置。
【請求項１０】
前記第１電極が、前記誘電体層としてＢａＴｉＯ3 もしくはＳｒＴｉＯ3 またはＡｌ2 Ｏ3 のいずれかの薄膜を、金属または導電性材料からなる基体の表面に着膜してなるものである
ことを特徴とする請求項１ないし９のうちいずれか１項に記載の濃度計測装置。
【請求項１１】
表面に誘電体層を有する第１電極と、前記第１電極の対極となる第２電極とを、計測対象の物質またはイオンを有する溶液または試料に浸漬または対面させて、前記第１電極および前記第２電極に交流電圧または脈流電圧もしくはステップ電圧を印加し、前記電圧の印加に対応して前記第１電極と前記第２電極との間で計測対象の物質またはイオンを介して生じる電流値を測定し、前記電流値に対応して前記計測対象の物質またはイオンの濃度値を定量する
ことを特徴とする濃度計測方法。
【請求項１２】
前記濃度値を、ロックインアンプを含む回路を用いて測定する
ことを特徴とする請求項１１記載の濃度計測方法。
【請求項１３】
前記計測対象の物質またはイオンが、尿素もしくはアンモニウムまたは燐酸もしくは燐酸イオンである
ことを特徴とする請求項１１または１２記載の濃度計測方法。
【請求項１４】
前記第２電極として、表面に誘電体層を有する電極を用いる
ことを特徴とする請求項１１ないし１３のうちいずれか１項に記載の濃度計測方法。
【請求項１５】
前記計測対象が化合物であり、前記計測対象の化合物から計測対象の物質またはイオンを分離するための酵素を前記第１電極の表面に固定して用いる
ことを特徴とする請求項１１ないし１４のうちいずれか１項に記載の濃度計測方法。
【請求項１６】
前記計測対象が化合物であり、前記計測対象の化合物から計測対象の物質またはイオンを分離する酵素を固定してなるカラムを備えた第１の流路と、前記酵素を固定していない前記計測対象の化合物をそのままの化学的状態で流す第２の流路との両方で、それぞれ前記電流値を測定し、
前記第１の流路で測定された電流値と前記第２の流路で測定された電流値とを比較し、当該比較の結果に基づいて、前記計測対象の物質またはイオンの濃度値を定量する
ことを特徴とする請求項１１ないし１４のうちいずれか１項に記載の濃度計測方法。
【請求項１７】
前記第２の流路の後段に遅延コイルを備え、
前記遅延コイルと前記第１の流路とから検出される電流値の差分を検出し、その差分値に基づいて、前記計測対象の物質の濃度を検出する
ことを特徴とする請求項１６に記載の濃度計測方法。
【請求項１８】
前記第１電極が、金属または導電性材料からなる基体の表面を酸化してなる誘電体層を有するものである
ことを特徴とする請求項１１ないし１７のうちいずれか１項に記載の濃度計測方法。
【請求項１９】
前記第１電極が、前記誘電体層としてＢａＴｉＯ3 もしくはＳｒＴｉＯ3 またはＡｌ2 Ｏ3 のいずれかの薄膜を、金属または導電性材料からなる基体の表面に設けたものである
ことを特徴とする請求項１１ないし１８のうちいずれか１項に記載の濃度計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば尿素定量のような物質やイオンの濃度定量を行うための濃度計測装置および濃度計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、臨床検査的分析等では、尿素定量を一例に挙げると、いわゆる検査紙を用いる方法や、専門業者等によって行われる大規模で複雑な多項目同時分析システムを用いる方法など、多種類の方法がある。
【０００３】
そのような従来の臨床検査的分析法のうち、実際に用いられているものの多くは、酵素を利用した吸光光度法による分析であった。また、吸光光度法の他にも、イオン計測法がある。イオン計測法では、ガラス膜や金属が電極として用いられている。あるいは、吸光光度法やイオン計測法の持つ欠点を改善することを企図して、ＩＳＦＥＴ（Ion Sensitive Field Effect Transistor ）センサを用いた分析（計測）方法が提案されている。このＩＳＦＥＴセンサは、ＩＳＦＥＴのゲート電極を窒化膜などで覆って、対極の電極と共に計測対象の溶液に浸し、ゲート電極と溶液との接触によってＩＳＦＥＴのチャネルに生じる導電率変化に起因した参照電圧との電位差を電気信号として取り出すことで、その電位差に基づいてイオン濃度を検出するものである。このようなＩＳＦＥＴセンサは、取り扱いが容易で耐久性も比較的良好なもので、例えばｐＨメータなどにも利用されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記のような従来の技術は、それぞれ下記のような問題を有していた。すなわち、ＩＳＦＥＴセンサは、取り扱いが容易である反面、感度が低いので、高感度な計測（分析）を実現することが困難であるという問題がある。ガラス膜電極を用いる方法では、高感度な計測が可能であるが、取り扱いに注意を要し、その使用方法が煩雑なものになる傾向にあるという問題がある。金属電極を用いる方法では、感度が低く、また計測対象の物質（溶液など）によってはその物質と金属電極とが反応（金属酸化等）することに起因して、正確な計測が妨げられたり、金属電極が短時間で使用不能な状態なる場合があるなどの問題がある。
【０００５】
また、酵素を利用した吸光光度法による分析では、酵素を使い捨てにし、それに因るコストが計測（分析）プロセスにおける全コストの大部分を占めており、低コスト化の妨げとなっているという問題がある。また、そのように計測を行う毎に酵素を使い捨てにすることは、頻繁に廃棄物を出してしまうことになり、環境に対する悪影響等が懸念されるという問題があった。
【０００６】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その第１の目的は、取り扱いが容易で耐久性の高い電極を用いて、高感度な濃度計測を行うことができる、濃度計測装置および濃度計測方法を提供することにある。
【０００７】
また、本発明の第２の目的は、酵素を用いた計測や分析を行う場合に、その酵素を使い捨てにすることなく計測を行うことが可能な濃度計測装置および濃度計測方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の濃度計測装置は、表面に誘電体層を有する第１電極と、前記第１電極の対極となる第２電極と、前記第１電極および前記第２電極に交流電圧または脈流電圧もしくはステップ電圧を印加する電圧印加手段と、前記電圧の印加に対応して前記第１電極と前記第２電極との間で計測対象の物質またはイオンを介して生じる電流を測定する電流測定手段とを備えている。
【０００９】
また、本発明の濃度計測方法は、表面に誘電体層を有する第１電極と、前記第１電極の対極である第２電極とを、計測対象の物質またはイオンを有する溶液または試料に浸漬または対面させて、前記第１電極および前記第２電極に交流電圧または脈流電圧もしくはステップ電圧を印加し、前記電圧の印加に対応して前記第１電極と前記第２電極との間で計測対象の物質またはイオンを介して生じる電流値を測定し、前記電流値に対応して前記計測対象の物質またはイオンの濃度値を定量する、というものである。
【００１０】
本発明の濃度計測装置または濃度計測方法では、計測対象の物質またはイオンを有する溶液または試料に浸漬または対面させる第１電極の表面に、金属電極等と比較して酸や塩基に対する耐久性の高い誘電体層を備えているので、その第１電極の表面が計測対象の物質またはイオンと反応して酸化したり劣化することなどを防ぐことができる。
【００１１】
そして、第１電極と第２電極との間に計測対象の溶液または試料などを介在させて、その第１電極および第２電極に正弦波形のような極性が反転する交流電圧または半波状の脈流電圧もしくは電圧レベルが時間的に急峻に変化するステップ電圧のような電圧を印加すると、第１電極の表面の誘電体層の分極作用によって、印加電圧とは逆極性の電荷が生じ、その電荷に誘引されて計測対象の物質またはイオンがイオン吸着される。このときのイオン吸着に伴う過渡電流または同期電流は、溶液中のイオン濃度やイオン吸着速度に対応して異なるので、この電流を検出（測定）することにより、その電流に対応して計測対象の物質やイオンの濃度を定量することができる。
【００１２】
ここで、上記の濃度値を、ロックインアンプを含む回路によって定量することは望ましい一態様である。このようにすることにより、外乱等に起因した誤差の少ない濃度値の計測が可能となるからである。
【００１３】
また、第１電極だけでなく、第２電極の表面にも誘電体層を設けるようにすることが望ましい。このようにすることにより、第２電極の表面についても、計測対象の物質またはイオンと反応して酸化したり劣化することなどを防ぐことができると共に、第２電極についても、第１電極と同様に、交流電圧のような電圧レベルが変化する電圧の印加によるイオン吸着に伴う電流を生じさせることができるようになるからである。
【００１４】
上記のような第１電極は、金属または導電性材料からなる基体の表面を酸化して誘電体層を形成してなるものとすることが可能である。このように表面酸化処理によって第１電極の表面に誘電体層を形成することにより、本発明に係る第１電極を極めて簡易な製造方法によって製造することが可能となる。
【００１５】
また、上記の誘電体層としては、例えばＢａＴｉＯ3 またはＳｒＴｉＯ3 もしくはＡｌ2 Ｏ3 のいずれかの薄膜などが好適である。
【００１６】
また、計測対象が化合物である場合には、計測対象の化合物から計測対象の物質またはイオンを分離（いわゆる切り出し）するための酵素を第１電極の表面に固定して用いるようにすることが望ましい。このようにすることにより、酵素を使い捨てにすることなく計測を行うことが可能となる。
【００１７】
計測対象が化合物である場合には、計測対象の化合物から計測対象の物質またはイオンを分離する酵素を固定してなるカラムを備えた第１の流路と、カラムを備えていない第１の流路とを設け、その第１の流路と第２の流路との両方にそれぞれ、第１電極および第２電極ならびに電圧印加手段ならびに電流測定手段を配備し、第１の流路で測定された電流値と第２の流路で測定された電流値との比較に基づいて、計測対象の物質またはイオンの濃度値を定量するようにしてもよい。このようにすることによっても、酵素を使い捨てにすることなく計測を行うことが可能となる。
【００１８】
なお、計測対象の物質またはイオンとしては、例えば尿素またはアンモニウムもしくは燐酸または燐酸イオンなどが可能である。但し、これら以外の物質を計測対象とすることも可能であることは言うまでもない。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の濃度計測装置または濃度計測方法によれば、第１電極の表面に誘電体層を設けるようにしたので、第１電極の表面が計測対象の物質またはイオンと反応して酸化したり劣化することを防止することができる。また、第１電極および第２電極に交流電圧のような電圧を印加するようにしたので、第１電極の表面の誘電体層の分極作用によって印加電圧とは逆極性の電荷が生じ、その電荷に誘引されて計測対象の物質またはイオンが吸着され、このイオン吸着に伴う過渡電流または同期電流を測定することにより、その電流に対応して計測対象の物質やイオンの濃度を定量することができる。すなわち、取り扱いが容易で耐久性の高い電極を用いて、十分な感度の濃度計測を行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００２１】
図１は、本発明の一実施の形態に係る濃度計測装置の主要部の構成を表したものである。なお、本発明の一実施の形態に係る濃度計測方法または製造方法は、この濃度計測装置の動作あるいは作用によって具現化されるものであるから、以下、それらを併せて説明する。
【００２２】
この濃度計測装置は、第１電極１と、第２電極２と、電圧印加部３と、電流測定部４と、濃度値情報出力部５とを、その主要部として備えている。
【００２３】
第１電極１は、例えば銅系金属やアルミニウム系金属のような金属または導電体からなる基板（基体）１０の表面を、例えばＢａＴｉＯ３ またはＳｒＴｉＯ３ などのような強誘電体薄膜（誘電体層）１１で覆ったものである。
【００２４】
強誘電体薄膜１１は、基板１０の表面に例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition:化学的気相成長 ）法などによって堆積して形成するようにしてもよく、または別途作製した強誘電体薄膜１１の膜を基板１０の表面に着膜するようにしてもよい。あるいは、例えばＴｉ（チタン）からなる基板１０の表面を、例えば陽極酸化してＢａＴｉＯ３ とし、それを第１電極１の強誘電体薄膜１１として用いることなども可能である。このように基板１０の表面を陽極酸化して強誘電体薄膜１１を形成することによって、第１電極１を極めて簡易に製造することができる。
【００２５】
いずれの材料を用いた場合でも、第１電極１は強誘電体薄膜１１が表面に形成されているので、計測対象の溶液７や物質に含まれる酸や塩基に対して十分な耐久性を有するものとなっている。また、それと共に、後述するような作用によって、計測対象の物質やイオンの濃度を電気化学的に計測することが可能なものとなっている。しかも、強誘電体薄膜１１を用いた電極は一般に、白金電極のような貴金属を用いた電極よりも安価に作製することができ、かつ他の金属（例えば銅やアルミニウムなど）と比較して酸や塩基に対する耐久性が高いという、極めて好ましい利点を有している。
【００２６】
なお、基板１０としては、金属や導電性材料の他にも、ガラス板などを用いることも可能である。但し、その場合には、ガラス板の表面に導電膜を蒸着するなどして、基板１０の全体に偏りなく電圧が印加される（あるいは電界が分布する）ようにしておき、その上に強誘電体薄膜１１の膜などを設けることが望ましい。
【００２７】
第２電極２は、第１電極１の対極として用いられるものであり、例えば白金（Ｐｔ）などの計測対象の溶液７によって酸化される虞の少ない材質により形成されている。
【００２８】
この第２電極２についても、その表面に強誘電体薄膜１１を設けるようにすることが望ましい。このようにすることにより、第２電極２についても、白金電極のような資源として希少で高価な貴金属材料からなる電極を用いることなく、計測対象の物質またはイオンと反応して酸化したり劣化することなどを防ぐことが可能となる。また、それと共に、この第２電極２についても第１電極１と同様に交流電圧印加によるイオン吸着に伴う電流を生じさせることができ、延いては濃度計測のさらなる高感度化を実現することが可能となる。
【００２９】
溶液７（あるいは液体状の試料等）は、例えばＨＥＰＥＳ（Hydroxyethyl piperazinyl ethanesulfonic acid）のような緩衝液中に計測対象の物質やイオンを溶解してなる溶液、または緩衝液が不要の物質の場合にはその物質の一般的な水溶液などであるが、水密容器状の試験浴槽６に収容されており、その溶液７に第１電極１および第２電極２が浸漬される。
【００３０】
電圧印加部３は、例えば図３に一例を示したような矩形波状の交流電圧を第１電極１および第２電極２に印加するものである。またそれと共に、その矩形波状の交流電圧の立ち上がり時点ごとに参照信号を出力する。その参照信号は濃度値情報出力部５へと伝送される。
【００３１】
なお、この電圧印加部３から出力される交流電圧波形としては、図３に示したような矩形波やステップ電圧波形のみには限定されないことは言うまでもない。その他にも、例えば正弦波や三角波なども可能である。
【００３２】
電流測定部４は、電圧印加部３による交流電圧の印加に対応して第１電極１と第２電極２との間で計測対象の物質またはイオンを介して生じる見掛けの電流を測定するものである。
【００３３】
濃度値情報出力部５は、電流測定部４で測定された電流値に基づいて、計測対象の物質またはイオンの濃度値を定量し、その濃度値の情報またはその情報を担持してなる信号を出力するものである。より詳細には、計測対象の物質またはイオンの濃度と測定される電流値（但し、図３では、その電流値はロックインアンプによって電圧値（ΔVoltage ）に変換されている）との間には、図４に一例を示したような相関関係（関数関係）がある。そこで、そのような相関関係に則して、測定された電流値に基づいて計測対象の物質またはイオンの濃度の値を定量化することができる。この濃度値情報出力部５は、ロックインアンプを含んでおり、それを含まない場合よりもさらに高感度な測定が可能なものとなっている。
【００３４】
ロックインアンプは一般に、雑音電力は周波数帯域に比例するという原理に基づいて高感度な（高精度な）増幅を行うものである。すなわち、雑音の影響を最小限にして信号の大きさを計測するためには、測定周波数の近傍だけを選択増幅する安定なバンドパスフィルタをいかにして実現するか、ということが、高感度な増幅を行う上での要点となるが、その有力な手法の一つがロックインアンプである。
【００３５】
図５は、最も基本的なロックインアンプの構成の一例を表したブロック図である。入力信号（SIG INPUT ）５１は、交流増幅器(AC AMP)５２によって増幅され、ＰＳＤ（Phase Sensitive Detector）５３へと送出される。他方、参照信号（REF INPUT ）５４は、参照信号処理回路（REF CKT ）５５によって波形整形および位相調整されてＰＳＤ５３へと送出される。ＰＳＤ５３では、入力信号５１と参照信号５４との２つの信号波形の乗算（掛け算）を行う。
【００３６】
ＰＳＤ５３の出力の周波数スペクトルは、入力信号５１と参照信号５４との周波数スペクトルの畳み込みとなり、和と差のスペクトルにシフトすることになる。従って、２つの信号中、同じ周波数で同位相の成分はＤＣ（直流）波形に、その他の非同期成分（ここでは雑音成分）はＡＣ（交流）波形に変換される。
【００３７】
そこで、ＡＣ波形を次段のローパスフィルタ（LPF ）５６で除去することにより、参照信号５４に同期した成分すなわち雑音を含まない成分のみを検出することができる。雑音除去の能力を決める帯域幅は、ローパスフィルタ５６の帯域で決定される。ローパスフィルタ５６の帯域幅は、安定度を損なうことなく狭くすることができるので、理論的には雑音除去能力をほとんど無限大に（換言すれば雑音をほぼゼロに）することも可能である。そして雑音を含まない成分は直流増幅器(DC AMP)５７で電圧変換されて増幅され、電圧波形５８として出力される。
【００３８】
次に、この濃度計測装置の動作および第１電極１における作用について説明する。図２は、この濃度計測装置のうちの特に第１電極１における作用を模式的に表したものである。
【００３９】
第１電極１および第２電極２を、試験浴槽６に収容されている溶液７中に浸漬して、それら第１電極１と第２電極２との間に計測対象の溶液７を介在させる。
【００４０】
そしてその第１電極１および第２電極２に対して、電圧印加部３から図３（Ａ）に示したような矩形波状の交流電圧を印加すると、第１電極１の表面の強誘電体薄膜１１に誘電分極が発生し、その表面に印加電圧とは逆極性の電荷が顕れる。その電荷に誘引されて計測対象の物質またはイオンが吸着される。
【００４１】
このときのイオン吸着に伴って、例えば図３（Ｂ）に示したような過渡電流（または同期電流）が生じる。この過渡電流は、溶液７中のイオン濃度やイオン吸着速度に対応して異なったものとなる。従って、このときの電流を電流測定部４によって測定し、その電流に対応した計測対象の物質やイオンの濃度を濃度値情報出力部５によって定量することができる。
【００４２】
なお、図３（Ａ）に示したような正極側の波形を印加したことで図３（Ｂ）に示したような微分回路的な急峻な応答波形の電流が生じた後、その電流波形は漸近的に０に落着する（見掛けの電流は実質的に流れなくなる）。しかし交流電圧として次に逆極性の電圧が印加されることで、今度は図３に示した状態とは逆極性の電流波形が生じることになる
（図示省略）。これを繰り返すことで、溶液７中のイオン濃度やイオン吸着速度に対応して生じる過渡電流を脈動的に反復測定し、その測定された電流値に基づいて、計測対象のイオンまたは物質の濃度を高感度に計測（定量）することができる。ロックインアンプを用いる場合には、交流信号の入力が必要なので、このような繰り返し電圧の印加による測定を行うことが望まれる。なお、交流電圧の他、極性は変化しないが電圧レベルが時間的に変化するステップ電圧波形や脈動のような波形の電圧を印加して、その電圧変化に対応して生じる電流変化を測定するようにしてもよい。
【００４３】
実際上、図５に示したロックインアンプを用いて計測を行う場合には、ロックインアンプからの出力は入力電流に対応した電圧波形となる。しかし、その電圧波形は本来的に測定された電流値を電圧値に変換してなるものであるから、本実施の形態に係る濃度計測装置は、本質的に、測定された電流値に基づいて計測対象のイオンまたは物質の濃度を計測するものであることは言うまでもない。
【００４４】
ここで、図４のグラフについて、さらに詳細な説明を加えておくと、このグラフの縦軸は、ロックインアンプの出力電圧［ｍＶ］で、オフセット分を差し引いたものである。従って、過渡電流は、この縦軸の電圧値を負荷抵抗で除算することで算出することができる。このグラフでは、アンモニアを計測対象とした場合に計測される過渡電流値（を変換してなる電圧値）とアンモニアの濃度との相関関係の一例を表しており、その相関はリニアではないが、一対一の対応が成り立っているので、過渡電流から濃度を定量するために用いることができる関数関係の条件を満たしている。よって、このような非リニアな相関関係を予め定めておいた校正則などに基づいてリニア化して信号出力または表示出力することで、計測対象の物質またはイオンの濃度の高感度な計測を行うことができる。
【００４５】
また、この濃度計測装置では、計測対象の物質またはイオンを有する溶液７または試料に浸漬または対面させる電極として、表面に強誘電体薄膜１１を有する第１電極１を用いているので、その第１電極１の表面が計測対象の物質またはイオンと反応して酸化したり劣化することなどを防ぐことができる。またさらには、第２電極２の表面にも強誘電体薄膜１１を設けることで、その第２電極２の表面についても、白金電極のような貴金属からなる高コストな電極を用いなくとも、計測対象の物質またはイオンと反応して酸化したり劣化することを防ぐことができる。
【００４６】
なお、第１電極１および第２電極２に印加する交流電圧の周波数は、計測対象の溶液７中のイオンの応答速度に対応して、適宜に設定することが望ましい。例えば、本発明者らは計測対象をアンモニウムとした実験を行ったが、そのときの結果では、２０［Ｈｚ］程度の低い周波数にすることで、より高感度な濃度計測を行うことができた。これは、第１電極１の表面の強誘電体薄膜１１の誘電分極作用に対するアンモニウムの応答速度が遅いので、それに適合した低い周波数の交流電圧を印加することによって、計測条件の最適化が達成されたためと考えられる。
【００４７】
以上のような本実施の形態に係る濃度計測装置または濃度計測方法では、例えば尿素定量を行う場合に、その臨床用の感度として要求される５０［ｍｇ／Ｌ］を十分に満たす高感度な濃度測定を実現することができる。
【００４８】
また、本実施の形態では、隔膜電極法によるアンモニアイオン計測装置と比較しても、隔膜電極法での最小表示可能感度（例えば０．１［ｍＭ（ミリモル）］）と同程度の感度で計測を行うことができ、かつ隔膜電極法の場合には応答時間が９０％で１分以内であったものが、ほとんど待ち時間なく常にリアルタイムに計測することができる。
【００４９】
また、本実施の形態に係る濃度計測装置によれば、交流電圧を印加していることから、直流電圧印加に起因した直流ドリフト等が生じる虞がないので、少なくともその分、さらなる高精度な濃度計測が可能となっている。
【００５０】
なお、計測対象が化合物である場合には、計測対象の化合物から計測対象の物質またはイオンを分離（いわゆる切り出し）するための酵素を、例えば第１電極の強誘電体薄膜１１の表面に固定用媒体としての薄膜（図示省略）を設けて、その表面に固定して用いるようにしてもよい。このようにすることによって、酵素を使い捨てにすることなく計測を行うことが可能となる。
【００５１】
あるいは、図６に示したように、計測対象の化合物から計測対象の物質またはイオンを分離するための酵素をガラスもしくはシリカビーズに固定してなるカラムを備えた第１の流路６１と、酵素を固定していない第２の流路６２とを設け、その第１の流路６１と第２の流路６２との両方にそれぞれ測定系６４，６５を設けてその各々の電流値を測定し、その電流値の差分に基づいて、計測対象の物質またはイオンの濃度値を定量するようにしてもよい。このようにすることによっても、酵素を使い捨てにすることなく計測を行うことが可能となる。
【００５２】
ここで、図６に示した装置構成以外にも、図７に示したように、一方の流路６２に遅延コイル６３を設けてその出力をタイムシフトさせることで、１つの測定系６６を用いて２つの流路６１，６２からそれぞれ検出される電流値の差分を検出し、その差分値に基づいて計測対象の物質またはイオンの濃度を定量することなども可能である。
【００５３】
図６、図７のいずれの構成も、酵素をカラムに固定するようにしているので、酵素を使い捨てにすることなく計測を行うことが可能となる。
【００５４】
なお、本実施の形態に係る濃度計測装置または濃度計測方法は計測対象の物質またはイオンとして、尿素もしくはアンモニウム、または燐酸もしくは燐酸イオン、燐酸含有物質（例えばグリセリン燐酸、燐酸系農薬等に対して酸性フォスターゼを用いて燐酸を切り出す）などの物質やイオンの濃度の定量にも適用可能である。但し、これら以外の物質を計測対象とすることも可能であることは言うまでもない。
【００５５】
また、強誘電体薄膜１１の表面のいわゆるパッシベーションをさらに強力なものとするために、強誘電体薄膜１１の表面に例えば窒化シリコン酸化膜あるいはＡｌ2Ｏ3膜（いずれも図示省略）をさらに付設するようにしてもよい。あるいはその他の材料からなる薄膜（図示省略）で第１電極１や第２電極２の表面を覆うなどして、さらに多層化することも可能である。また、第1電極や第２電極の表面に設ける誘電体層としては、測定感度が良好であるので、上記のようないわゆる強誘電体の薄膜からなる強誘電体薄膜１１を用いることが好ましいが、強誘電体薄膜１１以外にも、Ａｌ2Ｏ3などの強誘電体よりも誘電率低い一般的な誘電体を用いることや厚膜とすることなども可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
医療、工業、その他の分野における、例えば尿素やバイオ関連物質などの、計測対象の溶液中のイオン濃度等を高感度に計測するための濃度計測装置または濃度計測方法として好適に利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の一実施の形態に係る濃度計測装置の主要部の構成を表した図である。
【図２】図１の濃度計測装置のうちの特に第１電極における作用を模式的に表した図である。
【図３】電圧印加部から第１電極および第２電極へと印加される交流電圧波形の一例を表した図である。
【図４】計測対象の物質またはイオンの濃度と測定される電流値との間に成立する相関関係の一例を表した図である。
【図５】ロックインアンプの構成の一例を表したブロック図である。
【図６】濃度計測装置の構成の一例を表した図である。
【図７】濃度計測装置の他の構成例を表した図である。
【符号の説明】
【００５８】
１…第１電極、２…第２電極、３…電圧印加部、４…電流測定部、５…濃度値情報出力部、６…試験浴槽、７…溶液、１０…基板、１１…強誘電体薄膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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