特開 2024-51967 物質検出装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024051967

(43)【公開日】2024-04-11

(54)【発明の名称】物質検出装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 31/00 20060101AFI20240404BHJP

【ＦＩ】

G01N31/00 T

G01N31/00 U

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022158378

(22)【出願日】2022-09-30

(71)【出願人】

【識別番号】504173471

【氏名又は名称】国立大学法人北海道大学

(74)【代理人】

【識別番号】110001841

【氏名又は名称】弁理士法人ＡＴＥＮ

(72)【発明者】

【氏名】石田 晃彦

(72)【発明者】

【氏名】才木 陸朗

(72)【発明者】

【氏名】渡慶次 学

【テーマコード（参考）】

2G042

【Ｆターム（参考）】

2G042AA01

2G042BC01

2G042CB03

2G042DA08

2G042FA14

2G042FB05

2G042FC05

2G042FC06

2G042HA10

(57)【要約】

【課題】比較的容易に製造可能な物質検出装置を提供する。
【解決手段】紙デバイス１は、試料液３００中のカリウムイオン濃度を、テトラフェニルホウ酸イオンとの反応による沈殿物４００の生成を利用して検出する装置である。紙デバイス１は、親水性領域１ａとその外縁を画定する疎水性領域１ｂとを有するシート１００を備えている。親水性領域１ａには、試料液３００が供給される試料供給部１０と、試料供給部１０と連通した試料液３００の流路２０とが形成されている。流路２０は、カリウムイオンと反応して沈殿物４００を生成すると共に、沈殿物４００により流路２０を試料液３００が流れにくくするテトラフェニルホウ酸イオンを含んでいる。試料液３００が試料供給部１０に供給された際に、浸透距離ｌが当初カリウムイオン濃度に応じて変化する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

親水性領域と当該親水性領域の外縁を画定する疎水性領域とを有するシートを備えており、
前記親水性領域に、水溶液中の被検出物質である第１の物質を含んだ試料液が供給される試料供給部と、前記試料供給部と連通した前記試料液の流路とが形成されており、
前記流路が、前記第１の物質と反応して沈殿物を生成すると共に、前記沈殿物により前記流路を前記試料液が流れにくくする第２の物質を含んでおり、
前記試料液が前記試料供給部に供給された際に、前記試料液が前記試料供給部から最も遠くまで到達する前記流路上の位置から前記試料供給部までの前記流路に沿った距離が、前記試料供給部に供給された前記試料液中の前記第１の物質の量に応じて変化することを特徴とする物質検出装置。

【請求項2】

前記第１の物質が金属イオンであることを特徴とする請求項１に記載の物質検出装置。

【請求項3】

前記第１の物質がカリウムイオンであり、前記第２の物質がテトラフェニルホウ酸イオンであることを特徴とする請求項２に記載の物質検出装置。

【請求項4】

前記試料供給部に、前記流路を流れる前記試料液と共に前記流路中を移動する色素が含まれていることを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の物質検出装置。

【請求項5】

前記色素が、前記沈殿物を生成する前の前記第１及び第２の物質のいずれとも反応しないことを特徴とする請求項４に記載の物質検出装置。

【請求項6】

前記色素が、前記沈殿物に対する吸着指示薬であることを特徴とする請求項４に記載の物質検出装置。

【請求項7】

前記流路が、前記試料液に含まれる第３の物質との反応により発色を生じる１又は複数の物質を含んでいることを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の物質検出装置。

【請求項8】

前記第１の物質がカリウムイオンであり、前記第２の物質がテトラフェニルホウ酸イオンであり、前記第３の物質が亜硝酸イオン及びリン酸イオンの少なくともいずれかであることを特徴とする請求項７に記載の物質検出装置。

【請求項9】

前記流路が、前記試料液のｐＨに応じた発色を生じる第４の物質を含んでいることを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の物質検出装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、シートを使用した物質検出装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、物質を検出する装置として、親水性領域及び疎水性領域を有するシート状の装置がある。例えば、親水性領域として試料液が浸透又は流れる領域（流路）を限定するために、ワックスのような疎水性物質を用いてシート上にパターンを描く。そして、親水性領域にあらかじめ染み込ませた試薬と親水性領域に導入した試料液とを反応させて発色させる装置が開発されている。非特許文献１～３はこのような技術の一例に関する。これらの文献において、被検出物質はカリウムイオンであり、カリウムイオンに対する選択性を有するイオノフォアであるバリノマイシンが用いられている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0003】

【非特許文献1】Gerold, C. T.; Bakker, E.; Henry, C. S. Selective Distance-Based K+ Quantification on Paper-Based Microfluidics. Anal. Chem. 2018, 90 (7), 4894-4900.

【非特許文献2】Soda, Y.; Citterio, D.; Bakker, E. Equipment-Free Detection of K+ on Microfluidic Paper-Based Analytical Devices Based on Exhaustive Replacement with Ionic Dye in Ion-Selective Capillary Sensors. ACS Sensors 2019, 4 (3), 670-677.

【非特許文献3】Lookadoo, D. B.; Schonhorn, J. E.; Harpaldas, H.; Uherek, C. M.; Schatz, P.; Lindgren, A.; Depa, M.; Kumar, A. A. Paper-Based Optode Devices (PODs) for Selective Quantification of Potassium in Biological Fluids. Anal. Chem. 2021, 93 (27), 9383-9389.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

非特許文献１～３によると、被検出物質に対してイオノフォアとして機能する特殊な物質を検出試薬に使用することが必須となる。また、このような特殊な物質の中には、高価であり容易に調達できないものもある。したがって、試薬の確保が容易でなく、それによって、装置の製造が困難になるおそれがある。

【0005】

本発明の目的は、比較的容易に製造可能な物質検出装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明１の物質検出装置は、親水性領域と当該親水性領域の外縁を画定する疎水性領域とを有するシートを備えており、前記親水性領域に、水溶液中の被検出物質である第１の物質を含んだ試料液が供給される試料供給部と、前記試料供給部と連通した前記試料液の流路とが形成されており、前記流路が、前記第１の物質と反応して沈殿物を生成すると共に、前記沈殿物により前記流路を前記試料液が流れにくくする第２の物質を含んでおり、前記試料液が前記試料供給部に供給された際に、前記試料液が前記試料供給部から最も遠くまで到達する前記流路上の位置から前記試料供給部までの前記流路に沿った距離が、前記試料供給部に供給された前記試料液中の前記第１の物質の量に応じて変化する。

【0007】

流路に含まれる第２の物質は、被検出物質である第１の物質と反応して沈殿物を生じ、これによって流路を試料液が流れにくくする作用を有する。これにより、試料液が試料供給部から最も遠くまで到達する流路上の位置が、試料液中に当初含まれた第１の物質の量に応じて変化するように装置が構成されている。したがって、試料液が最も遠くまで到達する位置に基づいて試料液に当初含まれていた第１の物質の量を評価できる。

【0008】

本発明１では、検出試薬である第２の物質が第１の物質と反応して沈殿物を生じるものであればよい。このような機能を有する試薬は比較的確保が容易である。このため、装置の製造が比較的容易である。

【0009】

また、本発明２においては、上記本発明１に加えて、前記第１の物質が金属イオンであることが好ましい。これによると、試料液中の金属イオンの検出が可能になる。

【0010】

また、本発明３においては、上記本発明２に加えて、前記第１の物質がカリウムイオンであり、前記第２の物質がテトラフェニルホウ酸イオンであることが好ましい。これによると、試料液中のカリウムイオンの検出が可能になる。

【0011】

また、本発明４においては、上記本発明１～３のいずれかに加えて、前記試料供給部に、前記流路を流れる前記試料液と共に前記流路中を移動する色素が含まれていることが好ましい。これによると、試料液が到達した領域と到達していない領域とが色素によって区別しやすい。

【0012】

また、本発明５においては、上記本発明４に加えて、前記色素が、前記沈殿物を生成する前の前記第１及び第２の物質のいずれとも反応しないことが好ましい。これによると、第１の物質及び第２の物質のいずれとも反応しない色素が用いられるので、色素が第１の物質の検出を妨げにくい。

【0013】

また、本発明６においては、上記本発明４又は５に加えて、前記色素が、前記沈殿物に対する吸着指示薬であることが好ましい。これによると、色素が沈殿物の吸着指示薬であることで、試料液が沈殿物によって流れを阻害される領域（沈殿物が発生する領域）が色素によって認識しやすい。

【0014】

また、本発明７においては、上記本発明１～６のいずれかに加えて、前記流路が、前記試料液に含まれる第３の物質との反応により発色を生じる１又は複数の物質を含んでいることが好ましい。これによると、第１の物質の検出と第３の物質の検出とが同時に可能となる。例えば、本発明７に係る流路が、第１の物質の検出用の流路と第３の物質の検出用の流路とを個別に含んでおり、第１の物質の検出用の流路に第２の物質が、第３の物質の検出用の流路に上記１又は複数の物質がそれぞれ含まれていてもよい。

【0015】

また、本発明８においては、上記本発明７に加えて、前記第１の物質がカリウムイオンであり、前記第２の物質がテトラフェニルホウ酸イオンであり、前記第３の物質が亜硝酸イオン及びリン酸イオンの少なくともいずれかであることが好ましい。これによると、カリウムイオンの検出と亜硝酸イオン及びリン酸イオンの少なくともいずれかの検出とが同時に可能となる。

【0016】

また、本発明９においては、上記本発明１～８のいずれかに加えて、前記流路が、前記試料液のｐＨに応じた発色を生じる第４の物質を含んでいることが好ましい。これによると、第１の物質の検出と試料液のｐＨの測定とが同時に可能となる。例えば、本発明９に係る流路が、第１の物質の検出用の流路とｐＨの測定用の流路とを個別に含んでおり、第１の物質の検出用の流路に第２の物質が、ｐＨの測定用の流路に第４の物質がそれぞれ含まれていてもよい。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明の第１の実施形態に係る紙デバイスの斜視図である。

【図2】図１の紙デバイスにおいて、流路に沿って試料液が移動した様子を表す概略平面図である。

【図3】流路へのテトラフェニルホウ酸ナトリウム水溶液の導入回数が異なる図１の紙デバイスを用いて、異なる濃度のカリウムイオンを含んだ試料液を滴下した際の試料液の浸透距離を比較したグラフである。

【図4】図１の紙デバイスに関する検量曲線を示したグラフである。

【図5】色素としてフルオレセインを用いた図１の紙デバイスにカリウムイオンを含んだ試料液を滴下した際の試料液が移動した様子を示す図である。

【図6】色素としてローダミンＢを用いた図１の紙デバイスにカリウムイオンを含んだ試料液を滴下した際の試料液が移動した様子を示す図である。

【図7】本発明の第２実施形態に係る紙デバイスの概略平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

［第１実施形態］
以下、本発明の一実施形態である第１実施形態に係る紙デバイス１（本発明でいう物質検出装置）について説明する。紙デバイス１は、試料である水溶液（以下、試料液とする）中の被検出物質（本発明でいう「第１の物質」）の濃度を、被検出物質と検出試薬（本発明でいう「第２の物質」）との反応による沈殿物の生成を利用して検出する装置である。被検出物質と検出試薬との組み合わせは、水溶液中で互いに反応して沈殿物を生ずるものであればどのような物質の組み合わせであってもよい。例えば、被検出物質と検出試薬との組み合わせには、表１に掲げるものが使用されてもよい。被検出物質としては、典型的には金属イオンであるが、金属イオン以外であってもよい。

【0019】

【表1】

【0020】

また、試料液の視認を容易にするための色素、特に、沈殿物を着色する吸着指示薬が用いられてもよい。例えば、フルオレセイン、ジクロロフルオレセイン、ブロモクレゾールグリーン、エオシン、メチルバイオレット、ローダミン６Ｇ、ブロモフェノールブルー等が使用される。なお、色素は、検出試薬による被検出物質の検出を妨げないようにするため、沈殿物を生成する前の被検出物質及び検出試薬のいずれとも反応しないものを使用することが好ましい。例えば、インジゴカルミン、フルオレセイン等の陰イオン性の色素が使用されることが好ましい。

【0021】

次に、図１及び図２を参照しつつ、紙デバイス１の構成について説明する。以下、上下及び左右方向は、図２の紙面上の上下及び左右方向を基準とする。紙デバイス１は、濾紙等の吸水性を有するシート１００を備えている。

【0022】

シート１００は領域１ａ及び領域１ｂを有している。領域１ｂは疎水性のインクを含侵させた疎水性を有する領域である。以下、領域１ｂを疎水性領域１ｂという。疎水性領域１ｂは、例えば、疎水性のソリッドインクを用い、ソリッドインク用のインクジェットプリンターを使用してシート１００上にパターンを印刷することで形成する。パターンの印刷後、乾燥機を用いてシート１００を加熱することにより、シート１００上のインクを融解させつつシート１００中に浸透させる。これにより、シート１００の一方の表面から他方の表面まで疎水性のインクを含浸させた疎水性領域１ｂが形成される。疎水性領域１ｂは、疎水性のインクの乾燥物がシート中に存在した状態となる。なお、シート１００上へのパターンの形成には、ソリッドインク式以外のインクジェットプリンターの他、スクリーン印刷、フォトリソグラフィー等が使用されてもよい。

【0023】

一方で、領域１ａはインクを含侵させていない領域である。このため、領域１ａは、シート１００を構成する濾紙そのものの性質である親水性を有する領域である。以下、領域１ａを親水性領域１ａという。親水性領域１ａは、疎水性領域１ｂによって外縁が画定されている。親水性領域１ａの一か所に水溶液の試料液３００を含ませると、その試料液３００は、時間の経過に伴ってその一か所から周囲へと浸透していくことによって広がっていく。試料液３００の広がりは、親水性領域１ａと疎水性領域１ｂとの境界に到達するまで継続する。

【0024】

親水性領域１ａは試料供給部１０及び流路２０を有している。試料供給部１０は円板形状である。試料供給部１０はシート１００の左端部付近に位置している。流路２０は試料供給部１０に連通し、試料供給部１０から右方に直線状に延びている。なお、試料供給部１０の形状は、円板の他、様々であってもよい。

【0025】

流路２０には検出試薬が保持されている。流路２０に検出試薬を保持させる方法は以下の通りである。シート１００を検出試薬の水溶液に浸漬させるか、流路２０の一端又は両端に検出試薬の水溶液を導入し、毛管現象により、流路２０の他の領域に水溶液を浸透させる。これにより、流路２０全体に検出試薬を行き渡らせる。検出試薬は、流路２０全体に均一に分布させることが好ましい。次に、流路２０を乾燥させる。流路２０の乾燥は、室内での風乾により行われたり、乾燥機、シリカゲルを含むデシケーター等を用いて行われたりする。

【0026】

試料供給部１０には色素が保持されている。色素は、水溶液の状態で試料供給部１０に浸透させた後、室内での風乾や、乾燥機、シリカゲルを含むデシケーター等を用いて試料供給部１０を乾燥させることにより、試料供給部１０に保持させる。試料供給部１０に色素を保持させることに代えて、又は加えて、色素が試料液３００に混合されてもよい。

【0027】

以下、紙デバイス１の作製方法、使用方法及び設計方法について、カリウムイオンを検出する場合を例に挙げて説明する。

【0028】

まず、紙デバイス１の作製方法の一例について説明する。カリウムイオン濃度を測定する検出試薬として、テトラフェニルホウ酸イオンを用いる。シート１００には、保持粒子径が１～２０μｍの濾紙を使用する。例えば、保持粒子径７μｍの濾紙（ＡＤＶＡＮＴＥＣ ５Ａ）を使用する。ソリッドインク式のインクジェットプリンター（ＣｏｌｏｒＱｕｂｅ８５７０、ゼロックス社）を用いて、図１に示す疎水性領域１ｂのパターンをシート１００に形成する。

【0029】

疎水性領域１ｂにおける流路２０の上下方向の流路の幅は、１．５～４．０ｍｍの範囲、例えば、２．５ｍｍである。その後、パターンを形成したシート１００を１２０℃に設定した乾燥機に２分間入れることで、シート１００上で固化したソリッドインクを融解し、シート１００中に浸透させる。これにより、親水性領域１ａからなる試料供給部１０及び流路２０の外縁を画定する疎水性領域１ｂのパターンをシート１００上に形成する。

【0030】

検出試薬としてテトラフェニルホウ酸イオンを用いるため、０．０１～０．２ｍｏｌ／Ｌの範囲、例えば、０．２ｍｏｌ／Ｌのテトラフェニルホウ酸ナトリウム水溶液４０μＬを流路２０の一端から導入し、毛管現象により流路２０全体に浸透させる。次に、２２～３３℃の室内にシート１００を置いて、流路２０に含まれるテトラフェニルホウ酸ナトリウム水溶液を風乾させる。次に、色素として、フルオレセイン又はインジゴカルミンの水溶液の適量を試料供給部１０に滴下し、試料供給部１０を、風乾等の適宜の方法で乾燥させる。これにより、試料供給部１０に色素を保持させる。このようにして、紙デバイス１を作製する。

【0031】

次に、紙デバイス１の使用例について説明する。カリウムイオンを含んだ試料液３００を規定の量だけ試料供給部１０に滴下して、紙デバイス１を適宜の期間、静置する。試料液３００は、図２に示すように、試料供給部１０から流路２０を右方に向かって浸透していく。試料液３００が浸透していく過程で、試料液３００中のカリウムイオンが流路２０に含まれるテトラフェニルホウ酸イオンと会合して沈澱物４００が生じる。沈殿物４００はシート１００の繊維の間隙を狭めたり、埋めたりすることで、流路２０に部分的に目詰まりを生じさせる。これによって、試料液３００が流路２０を流れにくくなる。沈殿物４００の生成量に応じて目詰まりの程度が強まるほど、流路２０における試料液３００の流れは制限されていく。試料供給部１０への試料液３００の導入から所定時間が経過するまでに生成される沈殿物４００の生成量は、試料供給部１０に滴下された際の試料液３００のカリウムイオン濃度（以下、当初カリウムイオン濃度とする）が高いほど大きい。したがって、当初カリウムイオン濃度が高いほど流路２０における試料液３００の流れが制限される。このため、上記所定時間の経過時に試料供給部１０から最も遠くまで試料液３００が到達する位置（以下、最遠到達位置２１とする）は、当初カリウムイオン濃度が高いほど試料供給部１０に近接する。つまり、試料供給部１０から図２に示す最遠到達位置２１までの距離（以下、浸透距離ｌとする）が、当初カリウムイオン濃度が高いほど短くなる。これにより、浸透距離ｌが短いほど当初カリウムイオン濃度が高いことを示し、浸透距離ｌが長いほど当初カリウムイオン濃度が低いことを示す。最遠到達位置２１は、沈殿物４００が生成される範囲よりも試料供給部１０から離隔した位置になることがある。

【0032】

以上に基づき、浸透距離ｌの測定結果をあらかじめ取得された検量線と照合することにより、当初カリウムイオン濃度の定量が可能である。検量線は、カリウムイオン濃度が既知である試料液３００を用いて、様々な濃度について浸透距離ｌを測定した結果に基づいて取得される（図４参照）。浸透距離ｌの測定は、試料液３００が浸透した紙デバイス１をデジタル撮影し、その撮影結果を画像解析することによって読み取ることでなされる。画像解析としては、色素による着色領域の面積を評価する方法等が利用できる。あるいは、流路２０の近傍に目盛りを設けておき、その目盛りを用いて長さを読み取ってもよいし、定規を用いて長さを計測してもよい。

【0033】

次に、紙デバイス１の設計方法の一例について説明する。紙デバイス１の設計要素として、試料液３００の導入時から浸透距離ｌを計測するまでの経過時間、シート１００の保持粒子径（孔径）、シート１００の厚さ、流路２０に導入する検出試薬のテトラフェニルホウ酸イオン濃度、検出試薬の量、検出試薬の流路２０への導入方法、検出試薬の水溶液を導入した流路２０の乾燥方法、流路２０の上下方向の幅、流路２０の形状、試料液３００の導入量等がある。これらの設計要素は、紙デバイス１の応答性能、例えば、当初カリウムイオン濃度が高まるのに応じて浸透距離ｌが短くなるという当初カリウムイオン濃度に対する応答性能が適切に得られるように最適化されることが好ましい。カリウムイオン検出用の紙デバイス１について本発明者が行った種々の実験によると、紙デバイス１の設計要素について以下の通りであった。

【0034】

試料液３００の導入時から浸透距離ｌを計測するまでの経過時間については、カリウムイオンを含まない試料液を使用したところ、浸透距離ｌが最も大きくなる長さは約５分間であった。

【0035】

シート１００の保持粒子径（孔径）については、保持粒子径が１、３、７及び２０μｍの濾紙を用いた。その結果、７μｍ及び２０μｍ、特に、７μｍの濾紙を用いた場合に、浸透距離ｌに対する当初カリウムイオン濃度の変化を示す曲線の傾きが大きく、感度が高かった。

【0036】

流路２０に導入するテトラフェニルホウ酸ナトリウム水溶液のテトラフェニルホウ酸イオン濃度を０．０１～０．２ｍｏｌ/Ｌの範囲で変えて応答性能を確認した。その結果、０．２ｍｏｌ／Ｌで当初カリウムイオン濃度に対する最も高い応答性能が得られた。

【0037】

流路２０に導入する検出試薬の量については、流路２０への導入回数を以下のように変更しつつ、当初カリウムイオン濃度に対する応答性能を確認した。１回の導入に当たり、０．２ｍｏｌ/Ｌのテトラフェニルホウ酸イオン濃度のテトラフェニルホウ酸ナトリウム水溶液４０μＬを流路２０の一端から導入し、流路２０全域に浸透させると共に、流路２０を風乾により乾燥させた。このような導入を１回、２回及び３回行った紙デバイス１をそれぞれ２つずつ、合計６つ用意した。そして、これらの紙デバイス１を用いて、カリウムイオン濃度０．０１ｍｏｌ／Ｌ及び１．０ｍｏｌ／Ｌの試料液３００に対する応答性能を確認した。図３はその結果を示すグラフである。ドット模様の棒グラフはカリウムイオン濃度０．０１ｍｏｌ／Ｌの水溶液に対する浸透距離ｌを示し、斜線模様の棒グラフはカリウムイオン濃度１．０ｍｏｌ／Ｌの試料液３００に対する浸透距離ｌを示す。図３に示すように、テトラフェニルホウ酸ナトリウム水溶液を３回導入した紙デバイス１において、２つの濃度の試料液３００に対する浸透距離ｌの差異が最も大きい結果となった。つまり、カリウムイオン濃度に対する応答性能が最も高くなった。

【0038】

検出試薬の水溶液を流路２０に導入する方法については、流路２０を形成したシート１００ごとテトラフェニルホウ酸ナトリウム水溶液に浸漬する浸漬法と、流路２０の一端にテトラフェニルホウ酸ナトリウム水溶液を導入し、毛管現象により浸透させる浸透式Ａ法と、浸透式Ａ法を流路２０の両端から施す浸透式Ｂ法とを互いに比較した。これらの方法の中で、カリウムイオン濃度に対する応答性能が比較的高かったのは、浸漬法及び浸透式Ａ法であった。

【0039】

検出試薬の水溶液を導入した流路２０を乾燥させる方法としては、シリカゲルを含むデシケーター内に放置する方法、室内で風乾する方法、乾燥機を用いる方法を比較した。その結果、乾燥に必要な時間はこの順で短かくなった。一方、カリウムイオン濃度に対する応答性能は、高い順に乾燥機、風乾、デシケーターとなった。しかし、乾燥時間が短くなるほど（特に乾燥機（乾燥温度６０℃））、カリウムイオン濃度に対する応答の変動（繰り返し測定した際の変動係数）が大きくなる傾向にあった。このことから、乾燥時間を適当な長さに設定することが望ましいことが分かった。

【0040】

流路２０の上下方向の幅については、設計値で１．５～４．０ｍｍの範囲で変更しつつカリウムイオン濃度に対する応答性能を調べたところ，２．５ｍｍの幅で最も高い応答性能が得られた。なお、ソリッドインク用のインクジェットプリンターを用いた上記方法により作製した実際の流路２０の幅は作製過程で設計値より１ｍｍ程度狭くなった。

【0041】

流路２０の形状については、浸透距離ｌを計測する便宜上、直線状であることが望ましいが、カリウムイオン濃度が浸透距離ｌに適切に反映される限り、その他の形状であってもよい。

【0042】

試料液３００の体積については、１０～３０μＬの範囲で変更しつつ、カリウムイオン濃度に対する応答性能を確認したところ、２０～３０μＬで比較的高い性能が得られた。

【0043】

以上の実験結果に基づき、保持粒子径７μｍの濾紙（ＡＤＶＡＮＴＥＣ ５Ａ）をシート１００として用いて、上下方向の幅を２．５ｍｍとした流路２０に０．２ｍｏｌ／Ｌのテトラフェニルホウ酸ナトリウム水溶液４０μＬを浸透式Ａ法を用いて保持させた紙デバイス１に、２０μＬの試料液３００を導入して浸透距離ｌを測定することを、カリウムイオン濃度を変えつつ繰り返すことで検量線を作成した。その結果は図４に示す通りとなった。

【0044】

その他、色素について以下の実験を行った。陰イオン性の色素であるフルオレセインを試料供給部１０に保持させた紙デバイス１を使用した。比較例として、陽イオン性の色素であるローダミンＢを試料供給部１０に保持させた紙デバイス１を使用した。

【0045】

図５に示すように、試料液３００の最遠到達位置２１ａと、沈殿物４００に対するフルオレセインの染色によって示される染色領域の右先端部２２ａとがほぼ一致した。一方で、図６に示すように、試料液３００の最遠到達位置２１ｂと、沈殿物４００に対するローダミンＢの染色によって示される染色領域の右先端部２２ｂとの間に差が生じた。試料供給部１０から試料液３００の最遠到達位置２１ｂまでの距離（浸透距離ｌ）が、試料供給部１０から染色領域の右先端部２２ｂまでの距離より大きい結果となった。

【0046】

以上説明した本実施形態に係る紙デバイス１によると、流路２０に含まれるテトラフェニルホウ酸イオンは、カリウムイオンと反応して沈殿物４００を生じる。この沈殿物４００は、流路２０を試料液３００が流れにくくする作用を有する。これにより、試料液３００の最遠到達位置２１が、規定の量の試料液３００における当初カリウムイオン濃度に応じて、つまり、試料液３００中に当初含まれたカリウムイオンの量に応じて変化するように紙デバイス１が構成されている。したがって、最遠到達位置２１に基づいて試料液３００に当初含まれていたカリウムイオンの検出が可能になり、また、当初含まれていたカリウムイオンの量を評価できる。

【0047】

本実施形態において、カリウムイオンと反応して沈殿物を生じるテトラフェニルホウ酸ナトリウムは比較的確保が容易である。このため、紙デバイス１の製造が比較的容易である。

【0048】

また、試料供給部１０に試料液３００と共に流路２０中を移動する色素が含まれていることで、試料液３００が到達した領域と到達していない領域とが色素によって区別しやすい。

【0049】

また、インジゴカルミン及びフルオレセインは、沈殿物４００を生成する前のカリウムイオン及びテトラフェニルホウ酸イオンのいずれとも反応しない色素であるため、色素がカリウムイオンの検出を妨げにくい。

【0050】

また、色素が沈殿物４００の吸着指示薬であるフルオレセインであることで、試料液３００が沈殿物４００によって流れを阻害される領域（沈殿物４００が発生する領域）が色素によって認識しやすい。

【0051】

［第２の実施形態］
以下、図７を参照しつつ、本発明の別の一実施形態である第２の実施形態に係る紙デバイス２（本発明でいう物質検出装置）について説明する。紙デバイス２は、複数の被検出物質やｐＨを同時に検出可能である。以下において説明する紙デバイス２の構成は、このような複数の検出項目を検出可能な構成の一例である。

【0052】

紙デバイス２は、紙デバイス１の親水性領域１ａ及び疎水性領域１ｂと同様の方法で形成された親水性領域２ａ及び疎水性領域２ｂを有する濾紙製のシートによって構成されている。親水性領域２ａは、連通流路５０１、試料供給部５１０、カリウムイオン検出流路５２０、リン酸イオン検出流路５３０、亜硝酸イオン検出流路５４０及びｐＨ測定流路５５０を有している。なお、本実施形態においては、これらの検出流路によって構成される全体の流路が本発明でいう「流路」に相当する。

【0053】

連通流路５０１は、試料供給部５１０、カリウムイオン検出流路５２０、リン酸イオン検出流路５３０、亜硝酸イオン検出流路５４０及びｐＨ測定流路５５０を互いに連通させる流路である。連通流路５０１は分岐流路５０１ａ、５０１ｂ及び５０１ｃに分岐している。分岐流路５０１ａは試料供給部５１０に連結し、分岐流路５０１ｂはカリウムイオン検出流路５２０に連結し、分岐流路５０１ｃはリン酸イオン検出流路５３０、亜硝酸イオン検出流路５４０及びｐＨ測定流路５５０に連結している。

【0054】

試料供給部５１０に試料液が導入されると、試料供給部５１０から分岐流路５０１ａ及び５０１ｂを通じてカリウムイオン検出流路５２０へと試料液が浸透する。また、試料供給部５１０から分岐流路５０１ａ及び５０１ｃを通じてリン酸イオン検出流路５３０、亜硝酸イオン検出流路５４０及びｐＨ測定流路５５０へと試料液が浸透する。

【0055】

カリウムイオン検出流路５２０は、第１の実施形態の流路２０と同じ構成を有している。このため、試料供給部５１０に供給された試料液がカリウムイオン検出流路５２０に到達すると、試料液中のカリウムイオンがカリウムイオン検出流路５２０に含まれるテトラフェニルホウ酸イオンと会合して沈澱物が生じる。試料供給部５１０への試料液の供給から所定時間が経過するまでに生成される沈殿物の生成量は、試料供給部５１０に供給された際の試料液のカリウムイオン濃度が高いほど大きい。したがって、第１の実施形態と同様、上記所定時間の経過時に試料供給部５１０から最も遠くまで試料液が到達する位置は、試料供給部５１０に供給された際の試料液のカリウムイオン濃度が高いほど試料供給部５１０に近接する。よって、試料供給部５１０に供給された試料液に当初含まれていたカリウムイオン濃度が、カリウムイオン検出流路５２０の入り口から、試料液が上記所定時間の経過時に最も遠くまで到達する位置までの距離に反映される。そこで、試料液が上記所定時間の経過時に最も遠くまで到達する位置について、流路２０の近傍に形成された目盛り５２１を読み取ることで上記カリウムイオン濃度を測定可能である。

【0056】

リン酸イオン検出流路５３０は、イノシンを保持した部分流路５３１、プリンヌクレオシドホスホリラーゼ（ＰＮＰ）を保持した部分流路５３２、キサンチンオキシダーゼ（ＸＯＤ）を保持した部分流路５３３、ペルオキシダーゼ（ＰＯＤ）を保持した部分流路５３４及び３，３’，５，５’－テトラメチルベンジジン（ＴＭＢ）を保持した部分流路５３５を有している。試料供給部５１０からの試料液が、部分流路５３１及び５３２を通過する際に、試料液に含まれるリン酸イオンがＰＮＰの存在下でイノシンと反応してヒポキサンチンとα－Ｄ－リボース１－リン酸とを生じる。次に、試料液が部分流路５３３を通過する際に、ヒポキサンチンがＸＯＤの存在下で水及び酸素と反応して尿酸と過酸化水素を生じる。次に、試料液が部分流路５３４を通じて部分流路５３５に到達する際に、過酸化水素がＰＯＤの存在下でＴＭＢと反応して水とＴＭＢの酸化体とを生じる。これにより、部分流路５３５が発色する。部分流路５３５が青色に発色することで、試料液にリン酸イオン（本発明でいう第３の物質）が含まれていることが検出される。また、その発色強度を測定することにより、試料液に当初含まれていたリン酸イオンの濃度を測定可能である。

【0057】

亜硝酸イオン検出流路５４０の先端部には、スルファニルアミド及びナフチルエチレンジアミンが保持されている。これらは、試料供給部５１０からの試料液中の亜硝酸イオンと反応してピンク色に発色する。亜硝酸イオン検出流路５４０の先端部が発色することで、試料液に亜硝酸イオン（本発明でいう第３の物質）が含まれていることが検出される。また、その発色強度を測定することにより、試料液に当初含まれていた亜硝酸イオンの濃度を測定可能である。

【0058】

ｐＨ測定流路５５０の先端部には、ｐＨ指示薬、例えば、チモールブルー、メチルレッド、ブロモチモールブルー及びフェノールフタレインの混合物（本発明でいう第４の物質）が保持されている。この指示薬は、試料供給部５１０からの試料液中のｐＨに応じた色で発色する。その発色状況を評価することにより、試料液のｐＨを測定可能である。

【0059】

以上説明した本実施形態によると、カリウムイオン濃度を測定するのみならず、リン酸イオン及び亜硝酸イオンの有無並びにその濃度の測定とｐＨの測定とが同時に可能である。

【0060】

＜変形例＞
以上は、本発明の好適な実施形態についての説明であるが、本発明は上述の実施形態に限られるものではなく、課題を解決するための手段に記載された範囲の限りにおいて様々な変更が可能なものである。

【0061】

第１の実施形態に係る紙デバイス１の設計方法において挙げた各種の設計要素について、第１の実施形態及び第２の実施形態では数値や流路の形状等の具体的な条件が示されている。しかし、これらの設計要素に係る条件は、装置全体のサイズ、使用される試料及び試薬、検出用途等に応じて、適宜調整されてよい。

【0062】

第２の実施形態に係る紙デバイス２には１つの試料供給部のみが形成されている。しかし、試料供給部は複数あってもよい、例えば検出対象となるイオンやｐＨの流路ごとに試料供給部が形成されていてもよい。

【0063】

第２の実施形態に係る紙デバイス２は、カリウムイオン検出流路５２０、リン酸イオン検出流路５３０、亜硝酸イオン検出流路５４０及びｐＨ測定流路５５０を有している。つまり、検出対象ごとに流路が用意されている。しかし、１つの検出流路で複数の検出項目を検出する構成が採用されてもよい。

【0064】

第２の実施形態では、カリウムイオンの検出のみならず、リン酸イオン及び亜硝酸イオンの検出とｐＨの測定とを行うことができる。しかし、カリウムイオンの検出の他、リン酸イオン、亜硝酸イオン及びｐＨのいずれか１つ又は２つの検出が可能な構成が採用されてもよい。

【0065】

第１の実施形態に係る紙デバイス１及び第２の実施形態に係る紙デバイス２は、濾紙等の紙からなるシート状の部材である。シート状の部材である基材は、繊維の積層体（紙は繊維の積層体に対応する）又は多孔質体により構成することができる。繊維の積層体は、繊維の間に多数の空孔を有していることが好ましい。多孔質体は、多数の空孔を有していることが好ましい。電源やポンプ等がなくても、試料液は、毛管現象により、繊維の積層体又は多孔質体の中を移動することができる。

【0066】

繊維の積層体としては、例えば、紙、布等が挙げられる。多孔質体としては、例えば、珪藻土、ゼオライト等が挙げられる。基材としては、紙が好ましい。紙としては、例えば、有機高分子繊維からなる紙、ガラス繊維からなる紙が挙げられる。有機高分子繊維としては、例えば、植物繊維、酢酸セルロース繊維、ニトロセルロース繊維、ポリエステル繊維、ポリエチレン繊維、ポリプロピレン繊維、及びナイロンが挙げられる。

【0067】

第１の実施形態に係る紙デバイス１において、色素が用いられている。しかし、被検出物質と検出試薬との反応による沈殿物が着色している場合には、色素が用いられていなくてもよい。

【符号の説明】

【0068】

１ 紙デバイス
１ａ 親水性領域
１ｂ 疎水性領域
１０ 試料供給部
２０ 流路
２１ 最遠到達位置
１００ シート
３００ 試料液
４００ 沈殿物

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】