(57)【要約】【課題】試料および試薬使用量が少量で済み、環境負荷が小さく、簡便、迅速、低コストで高精度な検出対象物の濃度測定方法および濃度測定装置の提供。【解決手段】検出対象物を含有する試料１５を試料用容器１６に充填し、前記検出対象物に作用する試薬を含有する試薬液１３を試薬液用容器１１に充填し、圧電素子１２により該試薬液用容器１１に圧力を印加して、粒径が１００μｍ以下の微粒子状である前記試薬液１３の液滴を射出して、前記試料１５に衝突させ、試薬および検出対象物の相互作用で生じる、試料１５中における光学的性質の変化の領域の動きを、観測器１７を用いて検出する。【選択図】図１
2009008534.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料中の検出対象物の濃度を測定する方法であって、
検出対象物に作用する試薬を含有し、粒径が１００μｍ以下の微粒子状であり、前記試薬の濃度が既知である試薬液の液滴を、前記試料に衝突させ、試薬および検出対象物の相互作用で生じる前記試料中における物性変化の領域の動きを検出することを特徴とする濃度測定方法。
【請求項２】
前記液滴を、圧電素子による圧力印加で射出して前記試料に衝突させることを特徴とする請求項１に記載の濃度測定方法。
【請求項３】
前記試料が内径１ｍｍ以下の毛細管中に充填されており、該試料および試薬液の比重差が１０００ｋｇ／ｍ３以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の濃度測定方法。
【請求項４】
前記物性変化の領域拡大の初期速度を検出することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の濃度測定方法。
【請求項５】
前記物性変化が生じた領域の最大距離を検出することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の濃度測定方法。
【請求項６】
前記物性変化が光学的性質の変化であり、検出結果を画像解析することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の濃度測定方法。
【請求項７】
前記物性変化が電位差の変化であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の濃度測定方法。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の濃度測定方法で用いる濃度測定装置であって、
検出対象物を含有する試料を保持する試料保持手段、前記検出対象物に作用する試薬を含有する試薬液を保持する試薬液保持手段、前記試薬液から粒径が１００μｍ以下の微粒子状である該試薬液の液滴を射出する試薬液射出手段、および前記試料の物性変化の領域の動きを検出する検出手段を備えることを特徴とする濃度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微量な液体中の検出対象物の濃度測定方法および濃度測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液体中の検出対象物である特定の分子やイオン等の濃度測定は、広く産業界で日常的に行われている。例えば、医薬品、食品、塗料、インク、化粧品、化学製品、紙、粘着剤、繊維、プラスチック、ビール、洗剤、コンクリート混和剤、シリコン等の製造過程で、品質管理、性能評価、原料管理、研究開発に必要不可欠な測定技術である。
従来知られている液体中の分子やイオンの濃度測定方法として、化学滴定法がある。これは、検出対象物である分子やイオンの濃度が未知である液体試料に対し、これら検出対象物と反応する試薬を含有し、この試薬の濃度が既知である溶液を徐々に加えてゆく。そして、検出対象物と試薬との反応によって生成する新たな分子やイオンの濃度、電位差、またはｐH を、電位測定や指示薬を用いて検出し、特徴的な等量点を決めることによって、それまでに加えられた試薬の量から、試料中の検出対象物の濃度を決定するという手法である。そして、この測定方法のための測定装置が種々市販されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、このような従来の滴定法では、数１０ｍｌ以上の多量の液体試料および数ｍｌ程度の多量の試薬が必要とされるという問題点があった。
また、反応を行う試料槽の内部において、液体試料と試薬溶液が完全に混ぜ合わされた化学平衡状態において等量点を決めるため、測定条件に制約が多いだけでなく、攪拌に長時間を要し、迅速に測定できないという問題があった。
また、滴定終了後の多量の液体試料および試薬溶液の混合物を廃液として処理しなければならず、環境負荷が大きく、高コストであるという問題点があった。
【０００４】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、試料および試薬使用量が少量で済み、環境負荷が小さく、簡便、迅速、低コストで高精度な検出対象物の濃度測定方法および濃度測定装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らは鋭意研究した結果、液体に打ち込まれた微小な液滴が、液体中において慣性および重量の影響をほとんど受けることなく均一に拡散する原理を利用して、検出対象物を含有する微量な液体試料中に、該検出対象物と反応する試薬を含有する微小な液滴を打ち込み、この時の検出対象物と試薬との反応で生じる分子やイオンの分布状態など、液体試料の物性変化の領域の動きを検出することで、検出対象物の当初の濃度を簡便且つ高精度に測定できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００６】
すなわち、前記課題を解決するため、
請求項１に記載の発明は、試料中の検出対象物の濃度を測定する方法であって、検出対象物に作用する試薬を含有し、粒径が１００μｍ以下の微粒子状であり、前記試薬の濃度が既知である試薬液の液滴を、前記試料に衝突させ、試薬および検出対象物の相互作用で生じる前記試料中における物性変化の領域の動きを検出することを特徴とする濃度測定方法である。
請求項２に記載の発明は、前記液滴を、圧電素子による圧力印加で射出して前記試料に衝突させることを特徴とする請求項１に記載の濃度測定方法である。
請求項３に記載の発明は、前記試料が内径１ｍｍ以下の毛細管中に充填されており、該試料および試薬液の比重差が１０００ｋｇ／ｍ３以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の濃度測定方法である。
請求項４に記載の発明は、前記物性変化の領域拡大の初期速度を検出することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の濃度測定方法である。
請求項５に記載の発明は、前記物性変化が生じた領域の最大距離を検出することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の濃度測定方法である。
請求項６に記載の発明は、前記物性変化が光学的性質の変化であり、検出結果を画像解析することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の濃度測定方法である。
請求項７に記載の発明は、前記物性変化が電位差の変化であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の濃度測定方法である。
請求項８に記載の発明は、請求項１〜７のいずれか一項に記載の濃度測定方法で用いる濃度測定装置であって、検出対象物を含有する試料を保持する試料保持手段、前記検出対象物に作用する試薬を含有する試薬液を保持する試薬液保持手段、前記試薬液から粒径が１００μｍ以下の微粒子状である該試薬液の液滴を射出する試薬液射出手段、および前記試料の物性変化の領域の動きを検出する検出手段を備えることを特徴とする濃度測定装置である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明により、環境負荷をかけることなく、微量の分子やイオンなどの測定対象物の濃度を、少量の試薬で簡便、迅速、低コストで高精度に測定できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明を、図面を参照しながら詳しく説明する。
＜濃度測定装置＞
はじめに、本発明の濃度測定装置について説明する。
図１は、本発明に係る濃度測定装置を例示する概略構成図である。ただし、試薬液用容器１１および試料用容器１６のみ断面表示している。
ここに示す濃度測定装置１内において、測定対象である試料１５は、検出対象物を含む溶液であり、試料保持手段であるセル状の試料用容器１６に充填されている。また、検出対象物に作用する試薬を含有する試薬液１３が、試薬液保持手段である中空丸筒状の試薬液用容器１１に充填されている。そして、試薬液用容器１１および試料用容器１６は、これらの開口部１１１および開口部１６１が対向し、中心軸方向が一致するように配置されている。そして、試薬液用容器１１および試料用容器１６は、これらの中心軸が同一線上に位置するように配置されていることが好ましい。このようにすることで、濃度測定をより高精度に行うことができる。
【０００９】
試料用容器１６は、開口部１６１が上向きとなるように濃度測定装置１内に設置されている。試料用容器１６は、濃度測定装置１内に接着剤等によって固定されていても良いが、着脱可能に固定されていることが好ましい。このようにすることで、洗浄や試料１５の充填を、濃度測定装置１内外のいずれにおいても行うことができ、利便性が高くなる。さらに、例えば、試料充填済みの試料用容器１６を複数用意しておき、測定時に所望の容器を濃度測定装置１内に設置するだけで、連続して濃度測定を行うことができるので、測定効率を一層向上できる。
【００１０】
試薬液用容器１１は、その配置位置を調整するために濃度測定装置１内において、試料用容器１６の開口部１６１上方の所定領域を移動可能とされているステージ１８上に、開口部１１１が下向きとなるように設置されている。ステージ１８は、その配置位置を調整する第一調整部１８ａと、さらに試薬液用容器１１の、その長手方向の位置を微調整する第二調整部１８ｂとを備え、試薬液用容器１１から射出する液滴の試料１５表面への衝突箇所を精密に調整できるようになっている。
【００１１】
試薬液用容器１１も、前記試料用容器１６同様に、着脱可能にステージ１８上に固定されていることが好ましい。このようにすることで、洗浄や試薬液１３の充填を、濃度測定装置１内外のいずれにおいても行うことができ、利便性が高くなる。さらに、例えば、試薬液充填済みの試料用容器１６を複数用意しておき、測定時に所望の容器をステージ１８上に設置すれば、連続して濃度測定を行うことができるので、測定効率を一層向上できる。
【００１２】
試薬液用容器１１は、さらにその外表面に圧電素子１２が接して配置されており、該圧電素子１２は信号発生器１４と電気的に接続されている。圧電素子１２は公知のもので良い。そして、信号発生器１４からのシグナルによって、圧電素子１２は作動して、試薬液用容器１１の中心軸方向と直交する方向に伸縮することで、試薬液用容器１１に圧力が印加されるようになっている。
圧電素子１２は、ステージ１８の試薬液用容器１１との接触面と、該容器１１を介して対向するように配置されることが好ましい。このようにすることで、圧力印加時に、ステージ１８が試薬液用容器１１を支持する支持部材としても機能することで、圧電素子１２から試薬液用容器１１への圧力印加を最も効率良く行うことができる。
【００１３】
圧力が印加されると、試薬液１３中に弾性衝撃波が発生して、これが開口部１１１近傍の試薬液１３表面（以下、液滴射出表面と略記することがある）に到達すると、該表面から試料用容器１６の開口部１６１に向けて、粒径が１００μｍ以下の微粒子状である試薬液１３の液滴が射出される。すなわち、電気的に接続された圧電素子１２および信号発生器１４は、試薬液射出手段として機能するものである。そして、射出された液滴は、開口部１６１近傍の試料１５の表面に衝突し、後記するように該表面上で均一に広がり、次いで、衝突した液滴中の試薬が試料１５中に拡散する。
【００１４】
試料１５中に拡散した試薬は、検出対象物に作用して、試料１５に物性変化を生じさせる。この時の物性変化とは、例えば、試薬および検出対象物の相互作用で形成された特定の分子、原子、イオン等によりもたらされるものや、これら特定の分子、原子、イオン等の形成に伴い濃度変化が生じる検出対象物によりもたらされるものである。そして、試薬および検出対象物の動きに伴い、物性変化が生じている領域にも動きが生じる。この時の物性変化の領域の動きを検出できるように、試料用容器１６外部の該容器１６側面近傍には、検出手段としてカメラおよび顕微鏡としての機能を有する観測器１７が設置されている。
ここでは、試料用容器１６が透明な材質からなるものなので、試料１５の物性変化として、光学的性質の変化を検出できるようになっている。
ここでいう「光学的性質の変化」とは、具体的には、吸光度の変化、化学発光、蛍光発光等、公知の光学的手法で測定可能な物性変化のことを指す。
【００１５】
観測器１７は、試料用容器１６側面近傍の所定領域を移動可能とされていることが好ましい。このようにすることで、物性変化検出時の利便性を向上できる。また観測器１７は、取得した物性変化の領域の動きに関するデータを保存、または必要に応じてデータ処理可能なデータ処理手段（図示略）に電気的に接続されていることが好ましい。このようにすることで、濃度測定をより効率的に行うことができる。
さらに、試料１５の光学的性質の変化を検出する場合には、前記データ処理手段により、取得した検出データを画像解析することが好ましい。このようにすることで、単に濃度測定の利便性を向上できるだけでなく、付随する詳細なデータを取得できる。
【００１６】
試薬液用容器１１の材質は、印加された圧力を試薬液１３へ伝達でき、試薬液１３によって侵されないものであれば良く、充填する試薬液１３の種類に応じて選択すれば良い。例えば、ガラス類、金属類、セラミックス類等の中から、適宜選択できる。
【００１７】
また、試薬液用容器１１の形状は、開口部１１１近傍がテーパ状とされた中空丸筒状である。液滴射出表面に弾性衝撃波を効率よく伝達させるためには、このように、試薬液１３の充填部が、液滴射出方向に細長形状であることが好ましく、内径が１ｍｍ以下であることがより好ましい。内径を１ｍｍ以下とすることで、毛細管現象により試薬液１３を容易に充填することもできる。
また、同様の理由により、試薬液用容器１１の他端は封止されていることが好ましい。
開口部１１１近傍は、必ずしもテーパ状である必要性はないが、このように開口部近傍において、開口部に向けて漸次内径が狭められた構成とすることで、微粒子状の液滴の射出をより安定して行うことができる。
なお、試薬液用容器１１は中空筒状であれば良く、その径方向断面は円形状に限定されず、径方向断面が多角形状である中空角筒状でも良い。
【００１８】
試料用容器１６の材質は、試料１５によって侵されないものであれば良く、充填する試料１５の種類に応じて適宜選択すれば良い。試料１５中を拡散する試薬液１３の量は少量であるので、試薬液１３が試料用容器１６へ及ぼす影響は軽微だが、濃度測定をより高精度に行うためには、試料用容器１６の材質は、さらに試薬液１３によって侵されないものでもあることがより好ましい。
またここに示すように、試料１５の光学的性質の変化を検出することで、濃度測定を行う場合には、試料用容器１６を介して試料１５が観察可能となるように、該容器１６は透明な材質からなることが好ましい。
このような観点から、例えば、ガラス類、樹脂類等から適宜選択して用いると良い。
【００１９】
試料用容器１６は、試料１５の充填部が、液滴射出方向に細長形状とされた毛細管状であることが好ましい。具体的には、内径が１ｍｍ以下であることが好ましく、５００μｍ以下であることがより好ましく、２００μｍ以下であることが特に好ましい。このようにすることで、濃度の測定精度をより向上させることができる。
そして、試料用容器１６の径方向断面は、ここでは四角形状のものを例示しているが、このように平面状の側面を観測器１７に対向させて試料用容器１６を配置することで、試料１５における物性変化の領域の動きの検出をより高精度に行うことができる。ただし、試料１５の物性変化として光学的性質の変化以外のものを検出する場合には、径方向断面は円形状等でも、測定精度が影響されることはない。
【００２０】
ここでは、試料１５の物性変化として、光学的性質の変化を検出する濃度測定装置について説明したが、検出する物性変化はこれに限定されるものではない。例えば、試料１５の電位差の変化を検出する測定装置も好適である。
このような濃度測定装置においては、観測器１７を設ける代わりに、試料用容器１６内において試料１５に浸漬するように一または複数の微細な電極対を設け、これら電極対を、その電位差を検出する検出器（図示略）と電気的に接続すれば良い。この時用いる微細電極は公知のもので良い。
【００２１】
また、圧電素子１２の配置形態は、ここに示すものに限定されず、試薬液１３中に弾性衝撃波を効率よく発生させる様に、種々の形態を採用し得る。
このような圧電素子１２の他の好ましい配置形態を、図２に例示する。ただし、図２において、試薬液用容器１１および中空筒状の圧電素子２２のみ断面表示している。
【００２２】
図２（ａ）は、二つの圧電素子１２，１２を、試薬液用容器１１の中心軸に対して軸対象となるように配置し、ステージ１８をこれらとは重ならない部位に配置（図示略）した例である。このように、いわば圧電素子１２で試薬液用容器１１を挟み込むことで、試薬液１３中に、より強い弾性衝撃波を発生させることができる。
図２（ｂ）は、図２（ａ）における一方の圧電素子１２の代わりに、支持部材２８を配置した例である。支持部材２８の材質は、容易に変形しないものであればいずれでも良く、金属類、ガラス類、木材、硬質ゴム類等から、適宜選択すれば良い。そしてこれらをプレート状、棒状等に加工して用いれば良い。このように支持部材２８を設けることで、一つの圧電素子１２でも、試薬液１３中に、より強い弾性衝撃波を発生させることができる。
図２（ｃ）は、図２（ａ）における二つの圧電素子１２，１２の代わりに、中空筒状の圧電素子２２を用いて、その内表面に接するように試薬液用容器１１を挿通させた例である。この例では、圧電素子２２が、その径方向に伸縮するので、いわば、図２（ａ）において圧電素子１２により、試薬液用容器１１の所定の外周上を連続して覆った場合と同様の効果が得られるが、より単純な構成で、試薬液用容器１１の外表面のより広い領域に圧力を印加できる。
【００２３】
なお、ここでは、試薬液射出手段を構成するものとして、圧電素子を用いた例を示しているが、本発明においては、試薬液中に弾性衝撃波を発生させ得る圧力を印加できるものであれば、これに限定されるものではない。
【００２４】
また、濃度測定装置１は、試薬液用容器１１および試料用容器１６の中心軸方向が、いずれも鉛直方向と一致するように配置された例を示しているが、これらの中心軸方向が水平方向と一致するように配置されても良いし、鉛直方向および水平方向のいずれとも一致しないように配置されて良い。このように配置されても、液滴、試料１５および試薬液１３はいずれも微量なので、重量の影響をほとんど受けることが無く、検出対象物および試薬の拡散が妨げられることも無い。
【００２５】
＜濃度測定方法＞
次に、上記本発明の濃度測定装置を用いた、検出対象物の濃度測定方法について説明する。
本発明において、濃度測定に供する試料は液体であることが好ましいが、後記するように検出対象物および試薬の拡散が可能なものであれば、これに限定されず、例えば、ゲル状物でも良い。
そして、試料中の測定対象物は、該試料中において析出していないことが好ましい。このようにすることで、検出対象物と試薬とを円滑に相互作用させることができ、検出対象物の濃度をより高精度に測定できる。このような観点から、濃度測定に供する試料は溶液であることが好ましい。
また、試薬液は液体であれば良いが、同様の理由により、溶液であることが好ましい。
【００２６】
試料中の検出対象物の濃度、および試薬液中の試薬の濃度は、特に限定されないが、上記のように、試料および試薬液が溶液として存在できる範囲内に設定することが好ましい。
【００２７】
試料および試薬液の溶媒成分も特に限定されず、例えば、水溶性溶媒、非水溶性溶媒またはこれらの混合溶媒のいずれでも良く、目的に応じて適宜選択すれば良い。ただし、試料の溶媒成分と試薬液の溶媒成分とが、均一に混合し得るように組み合わせることが好ましい。
【００２８】
検出対象物は、所望により選択すれば良く、分子、原子、イオンのいずれでも良い。分子であれば、天然、非天然を問わず、低分子および高分子のいずれでも良いし、無機化合物および有機化合物のいずれでも良い。
試薬も、検出対象物と相互作用し得るものであれば、検出対象物と同様の種類のもので良い。ここで「相互作用」とは、例えば、化学反応、あるいは静電相互作用、水素結合、疎水結合、双極子相互作用、またはファンデルワールス力等に起因する分子間力による結合のことを指す。
【００２９】
試料および試薬液の比重差は、１０００ｋｇ／ｍ３以下であることが好ましい。このようにすることで、検出対象物および試薬分子の試料中における拡散が、より円滑に進行する。
【００３０】
電気的に接続された圧電素子１２および信号発生器１４等の試薬液射出手段により、試薬液１３中に弾性衝撃波が発生すると、これが液滴射出表面に到達し、該表面から、粒径が１００μｍ以下の微粒子状である試薬液１３の液滴が射出される。
射出される液滴の粒径は、５０μｍ以下であることが好ましく、３０μｍ以下であることがより好ましい。
液滴の粒径や形状は、圧力の印加方法ごとに、印加する圧力を調整することで適宜調整できる。例えば、ここで示すように圧電素子を用いる場合には、１回の射出につき、電圧や電圧パルスの波形の幅を調整することで、圧力を調整すれば良い。例えば、電圧は１２０〜８０Ｖが好ましく、１１０〜９０Ｖがより好ましく、１００Ｖ程度が特に好ましい。そして、電圧パルスの波形の幅は５〜１５μ秒が好ましく、８〜１２μ秒がより好ましく、１０μ秒程度が特に好ましい。
【００３１】
液滴は、所定量を一回で射出しても良いし、所定量を複数回に分けて射出しても良い。複数回に分けて射出する場合には、射出間隔は１秒以下であることが好ましく、０．５秒以下であることがより好ましく、０．１秒以下であることが特に好ましい。
【００３２】
弾性衝撃波の発生により射出された液滴は、例えば、公知のインクジェット技術により射出された液滴とは異なり、尾を引いたり、液滴の形状が複雑化することなく、微小な体積を維持しつつ微粒子形状となるので、本発明に好適である。
【００３３】
射出された液滴は、測定対象である試料１５の表面に衝突する。そして液滴は、サイズが極めて小さいため、衝突後の運動に対する慣性の効果および重量の効果が極めて小さく、試料１５表面に衝突した後は直ちに該表面上に均一に広がり、試料１５中に乱流、擾乱、対流を引き起こさない。次いで、試薬をはじめとする液滴中の成分は試料１５中へ、また検出対象物をはじめとする試料１５中の成分は衝突した液滴中へ、それぞれ拡散する。
【００３４】
このように、試薬および検出対象物が拡散していくことで、試料１５中で試薬および検出対象物の相互作用が生じる。
そして、この相互作用に起因する物性変化が、試料１５中において生じる。試薬および検出対象物の拡散に伴って、この物性変化の領域は拡大して行くが、例えば、検出対象物が試薬よりも過剰量存在していれば、物性変化の領域はある時点で最大となった後で縮小に転じ、最終的に試料の物性は再度均一化される。すなわち、物性変化の領域の動きが観察される。
【００３５】
この拡散の過程において、分子、原子、イオン等の移動は、化学ポテンシャルの分布による微視的な化学的親和力によってのみ駆動されるため、その分布の時間変化は拡散方程式、速度論的化学反応式によって完全に記述できる。したがって、例えば、試薬と検出対象物との相互作用に伴い形成された、特定の分子、原子、イオン等の試料１５中における分布が判れば、当初の試料１５中に存在した、検出対象物の濃度を決定できるし、分布の時間変化から、検出対象物の拡散係数等の輸送係数も決定できる。
【００３６】
本発明において物性変化の領域の動きを検出する場合には、例えば、試薬および検出対象物の相互作用で形成された特定の分子、原子、イオン等の動きや、これら特定の分子、原子、イオン等の形成に伴い濃度変化が生じる検出対象物の動きを直接検出しても良いし、これら特定の分子、原子、イオン等や検出対象物を検出する検出薬を、別途試料１５中に共存させておいて、この検出薬の動きを検出することで間接的に検出しても良い。ここで検出薬としては、例えば、試料１５中のｐＨ変化を検出する場合には、ｐＨ指示薬が挙げられる。
【００３７】
以下に、溶液中の特定分子の分布の時間変化から、当初の試料中の分子、原子、イオン等の濃度を求めるための理論解析について説明する。簡略化するために、時刻ｔ＝０において、試料中に濃度測定対象の分子Ａが濃度ａ
【００３８】
【数１】
2009008534.tif 000003
【００３９】
で存在し、そこに試薬として分子Ｂを濃度ｂ
【００４０】
【数２】
2009008534.tif 000004
【００４１】
で含む試薬液が、試料の表面を厚さｄで覆っているものとする。分子ＡおよびＢは、
【００４２】
【数３】
2009008534.tif 000005
【００４３】
なる化学反応を行うものとし、その解離定数をＫ、すなわち
【００４４】
【数４】
2009008534.tif 000006
【００４５】
とする。
ｔ＞０において、分子ＡおよびＢは、その濃度分布に応じた拡散を示し、かつＡとＢとの反応により前記（１）式は満たされる。この化学反応を含む拡散現象は、差分方程式（２）
【００４６】
【数５】
2009008534.tif 000007
【００４７】
で表される。ここで分子ＡおよびＢの拡散定数はそれぞれ
【００４８】
【数６】
2009008534.tif 000008
【００４９】
で与えられる。あるいはｆを消去し、式（１）を用いることによって得られる微分方程式（３）
【００５０】
【数７】
2009008534.tif 000009
【００５１】
を用いても表される。
ここで例えば、試料中に、分子Ｂの特定の濃度で変色を示す指示薬が一様に溶解していれば、変色の空間分布から特定の濃度となる位置を定めることができる。
図３は、この方程式より予想される分子Ｂの濃度の時間変化を示すグラフである。分子ＡおよびＢの解離定数を１×１０−１４ｍｏｌ／ｌ、拡散定数を５×１０−１０ｍ２／ｓ、当初の試薬液中の分子Ｂの濃度を１×１０−４ｍｏｌ／ｌ、試料表面における試薬液層の厚みを１μｍとしている。系列１から８までそれぞれ、時刻ｔ＝０．１秒、０．２秒、０．４秒、０．８秒、１．６秒、３．２秒、６．４秒、１２．８秒に対応する。横軸は距離をｍｍ単位で表したものであり、縦軸は分子Ｂの濃度（ｍｏｌ／ｌ）である。試料中の分子Ａの濃度はそれぞれ、（ｉ）０．３×１０−６ｍｏｌ／ｌ、（ｉｉ）１×１０−６ｍｏｌ／ｌ、（ｉｉｉ）３×１０−６ｍｏｌ／ｌである。これにより、等量点ａ＝ｂ＝１×１０−７ｍｏｌ／ｌの位置が時間と共に変化し、その様子が試料中の分子Ａの濃度により敏感に変化することがわかる。
【００５２】
図４は、試料中の分子Ａの各濃度において、時間ごとに等量点が移動する様子を示すグラフであり、縦軸は等量点が到達する最遠地点の試料表面からの距離（界面の深さ）（μｍ）を、横軸は時間（秒）の平方根をそれぞれ示す。これにより、以下の事項が確認できる。
（１）初期段階では、拡散の特徴を示して、等量点が時間の平方根に比例して移動し、移動速度（直線の傾き）は、試料中の分子Ａの濃度が小さいほど大きい。
（２）同一時間における等量点の移動距離は、試料中の分子Ａの濃度が小さいほど大きい。
（３）等量点が到達する試料表面からの最遠地点の距離は、試料中の分子Ａの濃度が小さいほど大きい。
このように、等量点の移動は、試料中の分子Ａの濃度に依存して変化する。
【００５３】
したがって、等量点の時間変化を記録し、得られたデータの内、例えば、
（Ｉ）等量点移動の初期速度
（ＩＩ）等量点が到達する試料表面からの最遠地点の距離
を検出し、これを上記式（２）または（３）から算出される理論計算値と比較することにより、当初の試料中の分子Ａの濃度を精度良く定量できる。また、図４のグラフは、あらかじめ分子Ａの濃度が既知である試料を用いて検量線として作成できるので、この検量線と比較しても、当初の試料中の分子Ａの濃度を精度良く定量できる。
【００５４】
また、等量点は最遠地点に到達した後で後退に転じ、最終的に試料の物性は再度均一化されるが、これは、図４において、「界面の深さ」が再度０になる地点に相当する。当該地点の図示を図４においては省略しているが、各曲線の相対関係から、以下の事項が確認できる。
（４）試料の物性が再度均一化されるまでに要する時間は、試料中の分子Ａの濃度が小さいほど長い。
したがって、
（ＩＩＩ）試料の物性が再度均一化されるまでに要する時間
を理論計算値と比較するか、または検量線と比較することによっても、当初の試料中の分子Ａの濃度を精度良く定量できる。ただし、より迅速且つ簡便に測定できることから、前記（Ｉ）または（ＩＩ）の検出データから定量することが好ましい。
【００５５】
なお、ここでは、別途指示薬を用いて分子ＡおよびＢの反応を該指示薬の変色により検出する場合について説明したが、試薬および検出対象物の相互作用に起因する物性変化を検出する手法はこれに限定されるものではなく、公知の如何なる手法も適用できる。
例えば、指示薬を用いることなく、試薬および検出対象物の相互作用により生じる、先に述べた光学的性質の変化を検出しても良いし、電位差の変化を検出しても良い。
そして、光学的性質の変化を検出する場合には、先に述べたように検出結果に関する画像解析を併用すると、前記（Ｉ）〜（ＩＩＩ）だけでなく、経時に伴う物性変化の領域の動きに関するより多くの情報を詳細に読み取ることができ、濃度測定の利便性も向上させることができる。
【００５６】
本発明によれば、従来の化学滴定法とは異なり、濃度測定時に試料と試薬が完全に混ぜ合わされた化学平衡状態を実現する必要性がないので、例えば、測定対象の試料として溶液だけでなくゲル状物も用いることができるなど、測定条件の自由度が高く、操作も簡便で迅速に測定できる。しかも、試料および試薬使用量が少量で済むので、環境負荷も小さく、低コストで測定できる。さらに、得られるデータは精度の高いものである。
【実施例】
【００５７】
以下、具体的実施例により本発明についてさらに詳しく説明する。ただし、本発明は、以下に示す実施例に何ら限定されるものではない。
図１に示す濃度測定装置を用いて以下の操作を行った。すなわち、試料用容器として内径１００μｍのガラス製毛細管を用い、これに指示薬としてリトマス液を含む塩酸水溶液（塩酸濃度；１×１０−６（ｍｏｌ／ｌ））を充填した。また、ガラス製の試薬液用容器に２×１０−５（ｍｏｌ／ｌ）の水酸化ナトリウム水溶液を充填した。次いで、前記試薬液用容器から、粒径２０μｍの微粒子状である前記水酸化ナトリウム水溶液の液滴を、前記塩酸水溶液に、０．３秒間に１０回射出した。この時、１回の射出につき、印加電圧を１００Ｖ、電圧パルスの波形の幅が１０μ秒となるように射出条件を設定した。
【００５８】
射出後の毛細管中における塩酸水溶液の発色分布の時間変化を記録した画像を図５に示す。図５は、射出した最後の液滴が塩酸水溶液に衝突した時刻をｔ＝０（秒）とした場合の、（ａ）ｔ＝２．９（秒）、（ｂ）ｔ＝７．１（秒）、（ｃ）ｔ＝９．０（秒）、（ｄ）ｔ＝１２．３（秒）における塩酸水溶液の画像である。
水酸化ナトリウム水溶液が衝突後、塩酸水溶液の液表面５０から薄青色の領域５１が内部に向かって時間と共に広がっていく様子が観察され、これによって、液表面から内部に向かって水酸化物イオンが拡散していく様子が確認された。この時の薄青色の領域５１が等量点を表わす。そして、（ｂ）ｔ＝７．１（秒）において、等量点が液表面から最遠地点に到達し、その距離Ｘが１００μｍであることが確認された。そして、最遠地点に到達後、時間経過と共に等量点が後退し、ついには塩酸水溶液全体が均一な色となることが確認された。
【００５９】
本実施例において、射出した水酸化ナトリウム水溶液の液滴がすべて塩酸水溶液に衝突した直後の塩酸水溶液表面における水酸化ナトリウム水溶液層の厚みは、５．３μｍである。前記水溶液層中の水酸化ナトリウムの量は、例えば、塩酸水溶液表面に、濃度が１０−４ｍｏｌ／ｌである水酸化ナトリウム水溶液の層を厚み１μｍとして形成した場合と、ほぼ同じとなる。これは、分子ＡおよびＢの解離定数を１０−１４ｍｏｌ／ｌ、拡散定数を５×１０−１０ｍ２／ｓ、当初の試薬液中の分子Ｂの濃度を１０−４ｍｏｌ／ｌとして、図３および４のグラフを作成した反応系において、分子Ａを塩酸、分子Ｂを水酸化ナトリウムとした場合に相当する。そこで、等量点が到達する液表面からの最遠地点の距離に着目して、これが１００μｍとほぼ同じ値のグラフを探すと、図４（ｉｉ）が該当することが判った（約９５μｍ）。図４（ｉｉ）のグラフは、分子Ａの当初の濃度が１×１０−６ｍｏｌ／ｌである試料についてのものであり、本実施例で用いた塩酸水溶液の当初の塩酸の濃度が１×１０−６ｍｏｌ／ｌであることと良く一致した。
図４のグラフは、前記方程式（２）および（３）より導き出されたものなので、したがって、本実施例より、等量点が到達する液表面からの最遠地点の距離を検出することで、前記方程式（２）および（３）を用いた理論解析により、塩酸の当初の濃度を定量できることが確認された。
言うまでもなく、図４に相当するグラフは、実際に濃度既知の塩酸水溶液を用いて検量線として作成可能であるので、この検量線を用いることでも、塩酸の当初の濃度を定量できる。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明は、成分の濃度が未知である試料の濃度測定に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明に係る濃度測定装置を例示する概略構成図である。
【図２】濃度測定装置における圧電素子の他の好ましい配置形態を例示する概略図である。
【図３】試料中の分子Ａと、該試料中に添加された試薬中の分子Ｂとが反応して分子ＡＢを形成する反応系において、方程式より予想される分子Ｂの濃度の時間変化を示すグラフである。
【図４】図３のグラフで表される反応系において、時間ごとに等量点が移動する様子を示すグラフである。
【図５】実施例における、水酸化ナトリウム水溶液の液滴到達後の塩酸水溶液における発色分布の時間変化を記録した画像である。
【符号の説明】
【００６２】
１・・・濃度測定装置、１１・・・試薬液用容器、１２，２２・・・圧電素子、１３・・・試薬液、１４・・・信号発生器、１５・・・試料、１６・・・試料用容器、１７・・・観測器
【図１】
2009008534.tif 000010
【図２】
2009008534.tif 000011
【図３】
2009008534.tif 000012
【図４】
2009008534.tif 000013
【図５】
2009008534.tif 000014