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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-08-22
(45)【発行日】2022-08-30
(54)【発明の名称】気体成分検出用フローセル及び検出装置
(51)【国際特許分類】
C12M 1/34 20060101AFI20220823BHJP
【ＦＩ】
C12M1/34 E
【請求項の数】
10
(21)【出願番号】P 2018063837
(22)【出願日】2018-03-29
(65)【公開番号】P2019170303
(43)【公開日】2019-10-10
【審査請求日】2021-02-12
(73)【特許権者】
【識別番号】000005016
【氏名又は名称】パイオニア株式会社
(73)【特許権者】
【識別番号】504179255
【氏名又は名称】国立大学法人 東京医科歯科大学
(74)【代理人】
【識別番号】110001025
【氏名又は名称】弁理士法人レクスト国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】酒村 一到
(72)【発明者】
【氏名】酒井 智和
(72)【発明者】
【氏名】三林 浩二
(72)【発明者】
【氏名】荒川 貴博
(72)【発明者】
【氏名】當麻 浩司
【審査官】鈴木 崇之
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１６－２２０５７３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０００－１６２７６１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０２－２０４７４７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００９－２５０９３７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００３－１８５５８８（ＪＰ，Ａ）
【文献】実開平０４－１０４６０１（ＪＰ，Ｕ）
【文献】特開平０２－２６４８４７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０４－２８７６９４（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２００６／０５４６８９（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１３－０３３００８（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｃ１２Ｍ １／００－３／１０
Ｃ１２Ｑ １／００－３／００
Ｇ０１Ｎ ３３／４８－３３／９８
Ｇ０１Ｎ ２１／００－２１／０１
Ｇ０１Ｎ ２１／１７－２１／６１
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
酵素反応によって蛍光特性の有無が変化する補酵素を含む溶液が流れる溶液流路と、前記溶液流路と交差し、気体試料が流れる気体流路と、前記補酵素と前記気体試料との反応を触媒する酵素を保持し、かつ、前記溶液流路と前記気体流路とが交差する部分において前記溶液流路の前記溶液と前記気体流路の前記気体試料に接するように配されている酵素保持膜と、を有し、前記溶液流路は、前記酵素保持膜が配されている領域から流路方向に沿って下流側にずれた位置に前記補酵素を励起する励起光を導入可能な透過領域を有し、
前記溶液流路の前記透過領域は、前記励起光の光軸に沿った方向において、前記気体流路と重なっていないことを特徴とする気体成分検出用フローセル。
【請求項2】
前記透過領域において前記励起光の光軸上に位置する前記溶液流路の壁部間の距離は、前記酵素保持膜から前記酵素保持膜と対向する前記溶液流路の壁部までの距離よりも長いことを特徴とする請求項１に記載の気体成分検出用フローセル。
【請求項3】
前記透過領域における前記溶液流路の幅は、前記酵素保持膜が配されている領域における前記溶液流路の幅よりも狭いことを特徴とする請求項１又は２に記載の気体成分検出用フローセル。
【請求項4】
前記溶液流路の前記酵素保持膜が配されている領域の前記溶液が流れる方向に垂直な方向の断面の面積は、前記溶液流路の前記透過領域の前記溶液が流れる方向に垂直な方向の断面の面積と等しいことを特徴とする請求項２又は３に記載の気体成分検出用フローセル。
【請求項5】
前記溶液流路は、前記透過領域以外の少なくとも一部に遮光部材を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の気体成分検出用フローセル。
【請求項6】
前記酵素保持膜が配されている領域において、前記溶液流路及び前記気体流路のうちの一方が他方に囲まれていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の気体成分検出用フローセル。
【請求項7】
前記溶液流路の前記透過領域は、レンズ曲面を有する壁部を含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の気体成分検出用フローセル。
【請求項8】
前記溶液流路及び前記気体流路のうちの少なくとも一方は、前記酵素保持膜の表面に沿って渦巻状に形成されている渦形成部を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の気体成分検出用フローセル。
【請求項9】
前記溶液流路、前記気体流路及び前記酵素保持膜のうち少なくとも一つは前記気体成分検出用フローセルに着脱可能であることを特徴とする請求項１乃至８に記載の気体成分検出用フローセル。
【請求項10】
酵素反応によって蛍光特性の有無が変化する補酵素を含む溶液が流れる溶液流路と、前記溶液流路と交差し、気体試料が流れる気体流路と、
前記補酵素と共に前記気体試料の反応を触媒する酵素を保持し、かつ、前記溶液流路と前記気体流路とが交差する部分において前記溶液流路の前記溶液と前記気体流路の前記気体試料に接するように配される酵素保持膜と、
前記補酵素が励起光によって励起されることによって発した蛍光を検出する検出部と、を有し、
前記溶液流路は、前記酵素保持膜が配される領域から流路方向に沿って下流側にずれた位置に前記励起光を導入可能な透過領域を有し、
前記溶液流路の前記透過領域は、前記励起光の光軸に沿った方向において、前記気体流路と重なっていないことを特徴とする検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、気体が流れる気体流路と溶液が流れる溶液流路とを有する気体成分検出用フローセル及び気体試料中に含まれる物質を検出する検出装置に関する。
【背景技術】
【0002】
酵素反応に伴う補酵素の減少を検出することにより、気体試料中に含まれる特定の物質を検出する検出装置が知られている。
【0003】
このような検出装置としては、例えば、アセトンなどのケトン類、又はノネナールなどの基質の反応に伴って補酵素であるＮＡＤＨが減少することを利用して、気体試料中に含まれる基質の検出を行うバイオセンサシステムが特許文献１に開示されている。具体的には、特許文献１のバイオセンサシステムは、補酵素に特定の励起光を照射すると蛍光を発することを利用して基質の量を検出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開２０１６－２２０５７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
特許文献１のバイオセンサシステムは、補酵素を含む溶液が流れる溶液流路と気体試料が流れる気体流路の両方に接するように酵素を保持する酵素保持膜を有している。このバイオセンサシステムは、酵素保持膜が配されている溶液流路の領域に励起光が照射され、励起光を受けた補酵素が発する蛍光を検出している。
【0006】
ところで、酵素保持膜は、光の透過率及び反射率に個体差を有する。このため、酵素保持膜の個体差が蛍光の計測に影響を与えることが課題の１つとして挙げられる。
【0007】
また、酵素保持膜は、溶液流路の圧力及び気体流路の圧力の影響を受ける。具体的には、例えば、両流路の圧力差により酵素保持膜が変形する。酵素保持膜が変形すると酵素保持膜と接する溶液流路における溶液が流れる方向に垂直な方向の断面の面積が変化するため、蛍光を発する補酵素の量が変化することで検出する蛍光量が変化する問題がある。
【0008】
さらに、自動車等の移動体に検出装置を搭載する場合、搭載スペースが限られているため小型な装置であることが求められる。また検出精度は、装置の大きさが小型化されても維持されていることが求められる。
【0009】
本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、酵素保持膜の個体差による影響、気体流路及び溶液流路の圧力による影響を受けることなく、高精度で物質の検出を行うことが可能な気体成分検出用フローセル及び検出装置を提供することを課題の１つとする。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本願請求項１に記載の気体成分検出用フローセルは、補酵素を含む溶液が流れる溶液流路と、気体試料が流れる気体流路と、前記補酵素と前記気体試料との反応を触媒する酵素を保持し、かつ前記溶液流路の前記溶液と前記気体流路の前記気体試料に接するように配されている酵素保持膜と、を有し、前記溶液流路は、前記酵素保持膜が配されている領域から流路方向に沿ってずれた位置に前記反応前又は前記反応後のいずれか一方の前記補酵素を励起する励起光を導入可能な透過領域を有することを特徴とする。
【0011】
本願請求項１３に記載の検出装置は、補酵素を含む溶液が流れる溶液流路と、気体試料が流れる気体流路と、前記補酵素と共に前記気体試料の反応を触媒する酵素を保持し、前記溶液流路の前記溶液と前記気体流路の前記気体試料に接するように配される酵素保持膜と、前記反応前又は前記反応後のいずれか一方において前記補酵素が励起光によって励起されることによって発した蛍光を検出する検出部と、を有し、前記溶液流路は、前記酵素保持膜が配される領域から流路方向に沿ってずれた位置に前記励起光を導入可能な透過領域を有することを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1A】実施例１に係る検出装置の構成を示す断面図である。
【図4】実施例２に係る検出装置のフローセルの拡大断面図である。
【図5】実施例３に係る検出装置のフローセルの拡大断面図である。
【図6】実施例４に係る検出装置のフローセルの拡大断面図である。
【図7】実施例５に係る検出装置のフローセルの拡大断面図である。
【図8】実施例６に係る検出装置のフローセルの拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例1】
【0013】
図１Ａは、本発明の実施例である検出装置としてのバイオセンサ１０の一の軸ＡＸに沿った断面を示している。
【0014】
図１Ａに示すように、検出装置としてのバイオセンサ１０は、酵素が持つ基質特異性を利用して基質と補酵素とを反応させ、補酵素が発する蛍光の変化から検出対象である基質を検出する装置である。このバイオセンサ１０に気体成分検出用フローセル３０（以下、フローセル３０）が組み込まれた実施例を説明する。
【0015】
具体的には、バイオセンサ１０の基質の検出に用いる補酵素は、基質の反応前後の一方の状態において励起光により励起されて蛍光を発する。したがって、バイオセンサ１０は、基質の反応によって補酵素が発する蛍光の量が変化することを利用して、基質を検出する。
【0016】
例えば、化１に示すように、補酵素としてＮＡＤＨ（還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド）を用いた場合、酵素であるＳ－ＡＤＨ（２級アルコール脱水素酵素）は、基質であるアセトンが２－プロパノールに還元される反応を触媒する。この際、補酵素であるＮＡＤＨは、酵素反応によりＮＡＤ＋（酸化型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド）に酸化される。
【0017】
ここでＮＡＤＨは、所定の波長の励起光を受けて蛍光を発するが、同じ波長の励起光をＮＡＤ＋が受けても蛍光を発しない。したがって、この反応の前後において検出される蛍光強度は変動する。
【0018】
本発明のバイオセンサ１０は、このＮＡＤＨが発する蛍光の量を測定することにより基質の濃度を測定する装置である。
【0019】
【化1】
【0020】
図１Ａにおいて、光源ＬＴは、励起光を出射する発光装置である。光源ＬＴは、例えば、励起光としてピーク波長が３４０ｎｍである紫外光を出射する紫外光発光ダイオードである。光源ＬＴは、紫外光発光ダイオードに限られず、例えば、紫外レーザーダイオード、水銀ランプ等であってもよい。
【0021】
一の軸ＡＸ上において、光源ＬＴから出射された励起光に対する光学系である励起光光学系２０が設けられている。励起光光学系２０は、励起光を一の軸ＡＸ上に向けて集光する。一の軸ＡＸは、本実施例においては励起光の光軸と同一の軸である。
【0022】
励起光光学系２０は、励起光を平行光にするコリメートレンズ２１と、コリメートレンズ２１によって平行光にされた励起光を一の軸ＡＸ上に向けて集光する集光レンズであるボールレンズ２２を含む。
【0023】
ボールレンズ２２とコリメートレンズ２１の間には、励起光の波長を透過する励起光バンドパスフィルタＥＦが設けられている。励起光バンドパスフィルタＥＦが透過させる帯域は、補酵素が励起する励起光の波長を含む帯域である。本実施例では、補酵素にＮＡＤＨを用いている。ＮＡＤＨは３４０ｎｍの紫外線を吸収して蛍光を発する。したがって、励起光バンドパスフィルタＥＦの透過させる波長の範囲は、３３０～３５０ｎｍとしている。
【0024】
一の軸上ＡＸにおいて、フローセル３０が設けられている。フローセル３０においては、化１に示した酵素反応が行われる。フローセル３０は、基質を含む気体試料が流れる気体流路３１ａと、補酵素を含む溶液が流れる溶液流路３２ａと、酵素を保持する酵素保持膜３３と、を有する。
【0025】
基質は、ケトン基を含んでいる。補酵素は、基質の反応前後の一方の状態において励起光により励起されて蛍光を発するものが用いられる。このような補酵素の一例としては、ＮＡＤＨ、ＮＡＤＰＨ（還元型ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸）等が挙げられる。尚、補酵素は、基質の反応前後の２つの状態の間で可逆的に化学構造が変化する。
【0026】
酵素は、補酵素としてＮＡＤＨ又はＮＡＤＰＨを用いる場合、例えば、アラニン脱水素酵素、アルコール脱水素酵素、アルデヒド脱水素酵素、イソクエン酸脱水素酵素、ウリジン－５’－ジホスフォ－グルコース脱水素酵素、ガラクトース脱水素酵素、ギ酸脱水素酵素、グリセルアルデヒド－３－リン酸脱水素酵素、グリセロール脱水素酵素、グリセロール－３－リン酸脱水素酵素、グルコース脱水素酵素、グルコース－６－リン酸脱水素酵素、グルタミン酸脱水素酵素、コレステロール脱水素酵素、サルコシン脱水素酵素、ソルビトール脱水素酵素、炭酸脱水素酵素、乳酸脱水素酵素、３－ヒドロキシ酪酸脱水素酵素、ピルビン酸脱水素酵素、フルクトース脱水素酵素、６－ホスフォグルコン酸脱水素酵素、ホルムアルデヒド脱水素酵素、マンニトール脱水素酵素、リンゴ酸脱水素酵素、ロイシン脱水素酵素等を挙げることができ、特に、ＮＡＤＨ又はＮＡＤＰＨを電子供与体として用いてケトン（アセトン、２－ブタノン、２－ペンタノンなど）またはエノン（ノネナール、エチルビニルケトンなど）を還元する酵素、より具体的には、二級アルコール脱水素酵素（Ｓ－ＡＤＨ）（二級アルコール脱水素酵素(secondary alcohol dehydrogenase) EC:1.1.1.x）、エノン還元酵素（ＥＲ１）（エノン還元酵素(enone reductase type 1, ER1)）等が利用できる。
【0027】
一の軸上ＡＸ上において、フローセル３０から出射された蛍光に対する光学系である蛍光光学系４０が設けられている。蛍光光学系４０は、フローセル３０から光源ＬＴと反対の方向に出射された蛍光を一の軸ＡＸ上に向けて集光する。
【0028】
蛍光光学系４０は、蛍光を平行光にするコリメートレンズ４１と、コリメートレンズ４１によって平行光にされた蛍光を一の軸ＡＸ上に集光する集光レンズ４２を含む。
【0029】
集光レンズ４２とコリメートレンズ４１の間には、蛍光の波長を含む帯域を透過する蛍光バンドパスフィルタＦＦが設けられている。補酵素であるＮＡＤＨが励起することにより発する蛍光の波長は、４４０～５１０ｎｍ、より具体的には４９１ｎｍ付近である。従って、本実施例においては、蛍光バンドパスフィルタＦＦが透過させる波長の範囲は、４４０～５１０ｎｍとしている。
【0030】
一の軸ＡＸ上において、蛍光光学系４０を通過した蛍光を検出する検出部５０が設けられている。
【0031】
検出部５０は、蛍光を検出する分光光度計を有し、分光光度計で検出した蛍光の量に基づいて気体試料中における基質の濃度を検出する。尚、分光光度計としては、例えば、光電子増倍管、フォトダイオード検出器などを用いることができる。
【0032】
ケースＣは、光源ＬＴ、励起光光学系、フローセル３０、蛍光光学系４０、検出部５０の各々の周囲を覆う筒状に形成されている。すなわち、ケースＣは、光源ＬＴ、励起光光学系２０、フローセル３０、蛍光光学系４０、検出部５０の各々を内部に収容する収容部材である。したがって、ケースＣは、ケースＣの内部に外光が入らないように構成されている。
【0033】
ケースＣには、一の軸ＡＸに垂直な方向にケースＣを貫通して設けられた２つの貫通穴ＨＬが形成されている。この２つの貫通穴ＨＬに溶液流路３２ａを有する溶液流路管３２を挿通することで、溶液流路３２ａを一の軸ＡＸ上に取付けることができる。すなわち、２つの貫通穴ＨＬは、溶液流路３２ａを一の軸ＡＸ上に取付可能な溶液流路取付部として機能する。
【0034】
図１Ｂは、図１ＡのＡ－Ａ線に沿った（光軸ＡＸを軸に９０度回転させた）バイオセンサ１０の断面を示している。図１Ｂに示すように、ケースＣには、一の軸ＡＸに垂直な方向にケースＣを貫通して設けられた２つの貫通穴ＨＡが形成されている。この２つの貫通穴ＨＡに気体流路３１ａを有する気体流路管３１を挿通することで、気体流路３１ａを取付けることができる。すなわち、２つの貫通穴ＨＡは、気体流路３１ａを取付可能な気体流路取付部として機能する。
【0035】
このとき、気体流路３１ａ、溶液流路３２ａ及び酵素保持膜３３は、それぞれケースＣに着脱可能となっていてもよい。尚、気体流路３１ａ、溶液流路３２ａ及び酵素保持膜３３のうち少なくとも１つがケースＣに着脱可能に取り付けられていてもよい。
【0036】
着脱可能な取り付け態様としては、ボルト、固定ピン、面ファスナー等が挙げられる。このように、気体流路３１ａ、溶液流路３２ａ及び酵素保持膜３３のうち少なくとも１つの部材がケースＣに着脱可能に取り付けられていれば、他の部材は、ケースＣから容易に外せない態様で固定されていてもよい。例えば、気体流路３１ａ及び溶液流路３２ａは、ケースＣと一体に形成されているようにしてもよいし、リベット、接着剤等でケースＣに固定されてもよい。また、気体流路３１ａ、溶液流路３２ａ及び酵素保持膜３３は、それぞれフローセル３０に着脱可能となっていてもよい。
【0037】
図２は、一の軸ＡＸに沿ったフローセル３０の拡大断面を示している。尚、図中において実線矢印は、溶液流路内の溶液の流れ方向を示している。また、一点鎖線は、励起光の光軸ＯＡを示している。
【0038】
図２に示すように、フローセル３０は、管状に形成された気体流路管３１を有する。気体流路管３１によって、基質を含む気体試料が流れる気体流路３１ａが形成されている。気体流路管３１は、光透過性の材料によって形成されている。光透過性の材料としては、３３０～５１０nｍの波長の光を透過し、かつ自家蛍光が少ないものがよく、例えば、ポリメタクリル酸メチル樹脂（ＰＭＭＡ）や、アクリル樹脂が挙げられる。
【0039】
フローセル３０は、気体流路管３１と互いに垂直な方向に交差し、かつ気体流路管３１と互いに接して配されている溶液流路管３２を有する。溶液流路管３２によって、補酵素を含む溶液が流れる溶液流路３２ａが形成されている。溶液流路管３２は、気体流路管３１と同様の光透過性の材料によって形成されている。溶液流路３２ａを流れる溶液は、補酵素と、酵素の至適ｐＨ値を考慮したｐＨ値を有する緩衝液と、を成分として含んでいる。尚、気体流路管３１及び溶液流路管３２は、それぞれ別部材で構成されている。
【0040】
気体流路管３１の溶液流路管３２と接する領域には、外部に貫通する貫通穴Ｈ１が設けられている。溶液流路３２ａの気体流路管３１と接する領域には、外部に貫通する貫通穴Ｈ２が設けられている。
【0041】
酵素を保持する酵素保持膜３３は、気体流路３１ａの貫通穴Ｈ１と溶液流路３２ａの貫通穴Ｈ２とを塞ぐように、気体流路３１ａと溶液流路３２ａとの両方に露出して設けられている。すなわち、酵素保持膜３３は、保持されている酵素が溶液流路３２ａの溶液及び気体流路３１ａの気体試料に接触可能であり、かつ溶液流路３２ａと気体流路３１ａとを隔てる隔膜である。
【0042】
酵素保持膜３３は、膜材料である担体上に酵素が固定化されたものである。酵素保持膜３３の担体としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリジメチルシロキサン、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリスチレン、ポリビニリデンフロライド、ポリエーテルスルホン、セルロース混合エステル、セルロースアセテート等が挙げられる。
【0043】
尚、溶液流路管３２と気体流路管３１とは互いに垂直な方向に交差して配されてケースＣに各々が組み付けられている。具体的には、励起光の光軸ＯＡ上を避けるように気体流路管３１が配されている。言い換えれば、励起光の光軸ＯＡ上には、気体流路管３１が配されてはいない。このため、気体流路３１ａ内に結露が発生したとしても、結露が蛍光の検出に影響を与えることを防止することができる。
【0044】
また、溶液流路３２ａ内において気泡が生じると、気泡が酵素保持膜３３に付着して酵素反応を阻害することになる。このような溶液流路３２ａ内で生じた気泡が酵素反応を阻害するのを防止するため、溶液流路３２ａは、鉛直方向において気体流路３１ａの上側に配されているとよい。
【0045】
溶液流路３２ａは、酵素保持膜３３が配されている膜配置領域ＦＲから流路方向に沿ってずれた位置の溶液流路３２ａに光源ＬＴから出射された励起光を導入可能な透過領域ＴＲを有する。透過領域ＴＲは、膜配置領域ＦＲよりも溶液流路３２ａの下流側に設けられている。
【0046】
溶液流路管３２には、酵素保持膜３３を取り付ける保持膜取付部３２ｂが形成されている。保持膜取付部３２ｂは、一の軸ＡＸに沿った方向において酵素保持膜３３の端部を挟み込んで嵌合するように溶液流路管３２の壁部が窪んで形成されている。すなわち、保持膜取付部３２ｂは、溶液流路３２ａの溶液と気体流路３１ａの気体試料に接するように取付可能な酵素保持膜取付部として機能する。
【0047】
なお、図２では酵素保持膜３３は溶液流路管３２に形成されている保持膜取付部３２ｂに取付けられているように説明したが、気体流路管３１に酵素保持膜３３を取付けられるように形成された保持膜取付部を設けて酵素保持膜を取付けてもよい。また、溶液流路管３２と気体流路管３１の間に挟み込んで酵素保持膜を取付けられるように形成してもよい。
【0048】
透過領域ＴＲにおいて励起光の光軸ＯＡ上に位置する溶液流路３２ａの内壁部Ｗ１間の距離Ｌ１は、酵素保持膜３３から酵素保持膜３３と対向する溶液流路３２ａの内壁部Ｗ２までの距離Ｌ２よりも長い。このように透過領域ＴＲにおける溶液流路３２ａを形成することにより、励起光を受光する補酵素の量が増加する。このため、補酵素が発する蛍光の量を増加させることが可能となる。
【0049】
図３は、図２のＢ－Ｂ線に沿ったフローセル３０の断面を示している。図３に示すように、透過領域ＴＲにおける溶液流路３２ａの幅Ｄ１は、膜配置領域ＦＲにおける溶液流路３２ａの幅Ｄ２よりも狭い。このように、膜配置領域ＦＲの溶液流路３２ａを形成することで、溶液流路３２ａと気体流路３１ａが酵素保持膜３３を介して接する面積を増加させることができ、気体試料及び補酵素の利用効率を高めることが可能となる。
【0050】
尚、溶液流路３２ａの溶液が流れる方向に垂直な方向の断面の面積が変化すると、対流によって溶液の流れが乱れやすくなる。溶液の流れが乱れると、溶液流路３２ａの内部における溶液の移動が一様でなくなり、結果として信号出力の応答性が悪化するおそれがある。
【0051】
そこで、溶液流路３２ａの膜配置領域ＦＲの溶液が流れる方向に垂直な方向の断面の面積は、溶液流路３２ａの透過領域ＴＲの溶液が流れる方向に垂直な方向の断面の面積と等しくするとよい。これにより、溶液流路内の溶液の対流を防止し、信号出力の応答性を維持することが可能となる。
【0052】
以上のように、本発明の検出装置であるバイオセンサ１０によれば、励起光が照射される溶液流路３２ａの透過領域ＴＲは、膜配置領域ＦＲから流路方向にずれた位置に配置されている。このため、透過領域ＴＲにおいては、酵素保持膜３３の個体差、すなわち、酵素保持膜３３が有する光の透過率、光の反射率の個体差の影響を受けずに励起光が照射される。同様に、蛍光を受光する検出部５０は、酵素保持膜３３の個体差による影響を受けずに蛍光を受光することが可能となる。
【0053】
また、透過領域ＴＲが膜配置領域ＦＲから流路方向にずれた位置に配置されている。このため、検出部５０は、溶液流路３２ａ内の圧力と気体流路３１ａとの間に圧力差があったとしても、透過領域ＴＲの溶液流路はその影響を受けずに、すなわち、透過領域ＴＲの溶液流路における溶液が流れる方向に垂直な方向の断面の面積に応じた補酵素の蛍光を受光することが可能となる。
【0054】
したがって、本実施例に係るバイオセンサ１０は、酵素保持膜３３の個体差の影響、気体流路３１ａ及び溶液流路３２ａの影響を受けることなく、高精度で気体試料中の物質を検出することが可能となる。
【0055】
また、膜配置領域ＦＲと透過領域ＴＲが離間していることにより、酵素保持膜３３が有する光の透過率、光の反射率及び自家蛍光等の物性を考慮せずに材料を選択することが可能となり、製造コストの低下を図ることが可能となる。
【0056】
尚、本実施例に係るバイオセンサ１０においては、励起光光学系２０は、レンズのみを用いて構成した。しかし、励起光光学系２０は、このようなレンズのみを用いた構成に限られず、例えば、光ファイバプローブを用いて構成してもよい。
【0057】
また、溶液流路３２ａの幅は、一定に形成してもよい。フローセル３０を単純な構造で形成することができるため、コストの低減を図ることが可能となる。
【0058】
さらに、本実施例においては、気体流路管３１と溶液流路管３２とは互いに交差するように構成されているように説明した。しかし、気体流路管３１は、溶液流路管３２に沿って形成されるようにしてもよい。このように、気体流路管３１を形成することにより、気体流路３１ａの設計が容易となる。特に、気体試料の湿度が低い場合、このように気体流路３１ａを形成しても、結露対策が不要になるため有用である。
【0059】
尚、本実施例においては、気体流路３１ａと溶液流路３２ａと酵素保持膜３３とはケースＣの内部に収容されているように説明した。しかし、ケースＣの内部には透過領域ＴＲが収容されていればよく、膜配置領域ＦＲはケースＣの外部に配置されてもよい。このため、少なくとも溶液流路３２ａがケースＣの内部に収容されていればよく、気体流路３１aと酵素保持膜３３はケースＣの外部に配置されていてもよい。
【0060】
また、本実施例においては、補酵素としてＮＡＤＨを、基質にはアセトンを用いて説明した。このとき、バイオセンサ１０は、補酵素と基質の反応により、反応後は反応前に比べてＮＡＤＨの濃度が減少するために測定する蛍光の量は減少することを利用して検出対象である基質を検出する。
【0061】
しかし、本発明は蛍光の量が減少する場合だけに限らず、蛍光の量が増加する反応を用いて検出対象である基質を検出するようにしてもよい。より具体的には、酵素にＳ－ＡＤＨを用いた場合、補酵素としてＮＡＤ＋又はＮＡＤＰ＋を、基質には２－プロパノールのような２級アルコールを用いた場合、補酵素と基質の反応により反応後は反応前に比べてＮＡＤＨの濃度が増加する。これにより、測定する蛍光の量は増加するため、バイオセンサ１０は、基質である２級アルコールの濃度を測定し検出することも可能である。
【実施例2】
【0062】
実施例２に係るバイオセンサ１０について説明する。実施例２に係るバイオセンサ１０は、実施例１のバイオセンサ１０とは光源ＬＴから出射された励起光を遮光する遮光部材を備える点で異なる。尚、実施例１と同一の構成については同一箇所に同一符号を付すことによって説明を省略し、以後の実施例についても同様とする。
【0063】
図４は、本実施例に係るバイオセンサ１０のフローセル３０の拡大断面を示している。図４に示すように、溶液流路３２ａは、透過領域ＴＲの周囲に遮光部材ＳＨを有する。より具体的には、遮光部材ＳＨは、透過領域ＴＲを除く溶液流路３２ａの全周を覆うように設けられている。
【0064】
遮光部材ＳＨは、少なくとも可視光、紫外光を遮光する素材で構成されている。このような素材としては、例えば、金属や樹脂等が挙げられる。したがって、透過領域ＴＲ以外の場所においては、励起光が溶液流路３２ａ内に入射されないようになっている。
【0065】
尚、溶液流路３２ａの透過領域ＴＲ以外の場所すべてが遮光部材ＳＨを有していなくてもよい。例えば、透過領域ＴＲから軸ＡＸに垂直な方向に沿って所定距離離れた部分については、遮光部材ＳＨを有していなくとも励起光が溶液流路３２ａ内に入射しにくいため、遮光部材ＳＨを有していなくともよい。
【0066】
以上のように、本実施例に係るバイオセンサ１０によれば、透過領域ＴＲを除いて溶液流路３２ａ内に励起光以外の光が入射することを防ぐことができる。この結果、蛍光の光路以外からの迷光が検出部５０に入射されることを防止することができる。したがって、バイオセンサ１０の検出精度の向上を図ることが可能となる。
【実施例3】
【0067】
実施例３に係るバイオセンサ１０について説明する。実施例３に係るバイオセンサ１０は、実施例１又は実施例２のバイオセンサ１０とは、フローセル３０の気体流路３１ａの形状が異なる。
【0068】
【0069】
具体的には、気体流路３１ａは、励起光の光軸ＯＡに沿って形成されている上流部及び下流部と、上流部と下流部に接続されかつ、溶液流路３２ａの流路方向に沿って形成された接続部と、を有する。接続部は、溶液流路３２ａに対向する領域において気体流路３１ａから外部に貫通する貫通穴Ｈ１を有している。
【0070】
このように、本実施例に係るバイオセンサ１０によれば、フローセル３０の気体流路３１ａを溶液流路３２ａと励起光の光軸ＯＡ上において互いに接しないように形成することで、気体流路３１ａ内に結露が発生したとしても、結露が蛍光の検出に影響を与えることを防止することができ、実施例１に係るバイオセンサ１０より小型化を図ることができる。
【実施例4】
【0071】
実施例４に係るバイオセンサ１０について説明する。実施例４に係るバイオセンサ１０は、実施例１乃至実施例３のバイオセンサ１０とは、フローセル３０の溶液流路３２ａの形状が異なる。
【0072】
【0073】
具体的には、透過領域ＴＲの溶液流路３２ａは、励起光の光軸ＯＡを中心として、光源ＬＴに向かって凸となる曲面を有するように形成されたレンズ部ＬＮ１と、励起光の光軸ＯＡを中心として、検出部５０に向かって凸となる曲面を有するように形成されたレンズ部ＬＮ２と、を有している。
【0074】
レンズ部ＬＮ１は、溶液流路３２ａに向かって照射された励起光を集光する集光レンズとして機能するように形成されるとよい。また、レンズ部ＬＮ２は、検出部５０に向かって発せられた蛍光をコリメートするコリメートレンズとして機能するように形成されるとよい。
【0075】
以上のように、本実施例に係るバイオセンサ１０によれば、レンズ部ＬＮ１は、溶液流路３２ａに向かって照射された励起光を集光する集光レンズとして機能するため、励起光光学系２０の構成を簡素化することが可能となる。したがって、バイオセンサ１０の小型化を図ることができる。
【0076】
また、レンズ部ＬＮ２は、検出部５０に向かって発せられた蛍光をコリメートするコリメートレンズとして機能するため、蛍光光学系４０の構成を簡素化することが可能となる。したがって、バイオセンサ１０の小型化を図ることができる。
【実施例5】
【0077】
実施例５に係るバイオセンサ１０について説明する。実施例５に係るバイオセンサ１０は、実施例１乃至実施例４のバイオセンサ１０とは、フローセル３０の気体流路３１ａの形状が異なる。
【0078】
【0079】
具体的には、気体流路管３１は、励起光の光軸ＯＡの垂直方向に沿って溶液流路管３２を貫通して設けられている。
【0080】
気体流路３１ａの溶液流路３２ａに囲まれている領域には、全周に亘って貫通穴Ｈ１が形成されている。この貫通穴Ｈ１を塞ぐように酵素保持膜３３が設けられている。
【0081】
以上のように、本実施例に係るバイオセンサ１０によれば、気体流路３１ａの気体試料、酵素保持膜３３の酵素及び溶液流路３２ａを流れる補酵素の互いの接触面積を増加させることが可能となる。したがって、酵素反応の反応効率を高めることが可能となる。これにより、バイオセンサ１０の基質の検出精度の向上を図ることが可能となる。
【0082】
尚、本実施例においては、膜配置領域ＦＲにおいて気体流路３１ａが、溶液流路３２ａに囲まれているように構成した。しかし、膜配置領域ＦＲにおいて溶液流路３２ａが、気体流路３１ａに囲まれているように構成してもよい。このように構成しても本実施例と同様の効果を得ることが可能となる。
【実施例6】
【0083】
実施例６に係るバイオセンサ１０について説明する。実施例６に係るバイオセンサ１０は、実施例１乃至実施例５のバイオセンサ１０とは、フローセル３０の溶液流路３２ａの形状が異なる。
【0084】
【0085】
具体的には、溶液流路３２ａの渦形成部ＳＰは、渦状の円弧の径が外側から内側に向かって徐々に短くなるように形成されている。
【0086】
渦形成部ＳＰの円弧の最も外側には、渦形成部ＳＰに溶液を導入する導入口ＩＰが設けられている。渦形成部ＳＰの円弧の最も内側には、渦形成部ＳＰに溶液を下流に排出する排出口ＥＰが設けられている。
【0087】
図９は、図８のＣ－Ｃ線に沿ったフローセル３０の拡大断面を示している。図９に示すように、励起光の光軸ＯＡに垂直な渦形成部ＳＰの面の全体に接するように酵素保持膜３３が設けられている。酵素保持膜３３の渦形成部ＳＰに接する反対側の面の全体に接するように気体流路３１ａが設けられている。
【0088】
上流側の溶液流路３２ａは、導入口ＩＰに接続されている。導入口ＩＰから渦形成部ＳＰに入った溶液は、渦形成部ＳＰの円弧の内側に向かって進み、排出口ＥＰから下流側の溶液流路３２ａに排出される。したがって、上流側の溶液流路３２ａを流れる溶液は、渦形成部ＳＰにおいて満遍なく酵素保持膜３３と接して下流側の溶液流路３２ａに進む。
【0089】
以上のように、本実施例に係るバイオセンサ１０によれば、補酵素が酵素保持膜３３の酵素と接する確率を高めることができる。したがって、酵素反応を効率よく行うことが可能となる。この結果、気体試料に含まれる基質の検出精度を高めることが可能となる。
【0090】
尚、本実施例においては、膜配置領域ＦＲにおいて溶液流路３２ａが、渦形成部ＳＰを有するようにフローセル３０を構成した。しかし、気体流路３１ａが渦形成部ＳＰを有するように構成してもよい。具体的には、本実施例で説明した溶液流路３２ａを気体流路３１ａとし、本実施例で説明した気体流路３１ａを溶液流路として構成してもよい。このように構成しても本実施例と同様の効果を得ることが可能となる。
【符号の説明】
【0091】
１０ バイオセンサ
３０ フローセル
３１ａ 気体流路
３２ａ 溶液流路
３３ 酵素保持膜
ＴＲ 透過領域
ＦＲ 膜配置領域
ＯＡ 励起光の光軸
ＳＰ 渦形成部
ＳＨ 遮光部材
３０ フローセル
３１ａ 気体流路
３２ａ 溶液流路
３３ 酵素保持膜
ＴＲ 透過領域
ＦＲ 膜配置領域
ＯＡ 励起光の光軸
ＳＰ 渦形成部
ＳＨ 遮光部材
【図1A】
【図1B】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】