(57)【要約】      （修正有）【課題】  向上した電位安定性を有し、感度が改良され、小型化可能で製造が単純かつ低コストな電位差測定イオン選択性電極を提供する。【解決手段】サンプル中のカチオンの濃度を測定するための電位差測定イオン選択性電極であって、厚膜技術を用いて電気絶縁性基材上に適用された導電性電極材料からなり、かつその測定領域はイオン感応性膜 (好ましくは液体高分子膜)により覆われている電極に関する。前記電極材料には、少なくとも1種の水溶性アルカリ土類金属塩が均一に分散されている。アルカリ土類金属塩の水への溶解度は、1×10-2 g/lよりも大きく、好ましくは1×10-2〜1×10-1 g/lの間にある。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
サンプル(P)中のカチオンの濃度を測定するための電位差測定イオン選択性電極であって、厚膜技術を用いて電気絶縁性基材(1)上に適用された導電性電極材料(2)からなり、その測定領域(5)はイオン感応性膜(3)(好ましくは液体高分子膜)により覆われており、少なくとも1種の水溶性アルカリ土類金属塩が前記電極材料(2)中に均一に分散されている、前記電極。
【請求項２】
前記アルカリ土類金属塩の水への溶解度が、1×10-2 g/lよりも大きく、好ましくは1×10-2〜1×10-1 g/lの間にある、請求項１に記載の電極。
【請求項３】
前記電極材料(2)が、微細に分散された活性炭粒子、カーボン粒子、グラファイト粒子または金属粒子と、10〜40重量パーセント、好ましくは20〜30重量パーセントの少なくとも1種のアルカリ土類金属塩とを含有する、請求項１または２に記載の電極。
【請求項４】
サンプル中のMg2+またはCa2+の濃度を測定するための請求項１〜３のいずれかに記載の電極であって、前記電極材料(2)が測定対象の前記カチオンの塩化物を含有する電極。
【請求項５】
サンプル中のMg2+またはCa2+の濃度を測定するための請求項１〜３のいずれかに記載の電極であって、前記電極材料(2)が測定対象の前記カチオンの酢酸塩を含有する電極。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サンプル中のカチオンの濃度を測定するための電位差測定イオン選択性電極に関する。この電極は、厚膜技術を用いて電気絶縁性基材上に適用された、かつ測定領域がイオン感応性膜(好ましくは液体高分子膜)により覆われた、導電性電極材料で作製されている。
【背景技術】
【０００２】
水性媒質中のイオンの濃度または活量を定量するためにイオン感応性電極(ISE)を使用することについては、かなり前から知られていた。従来のISEは、一般的には、少なくとも1種のイオン感応性成分を有するイオン感応性膜を、膜の一方の側が濃度または活量の測定に供されるサンプルに接触し他方の側が正確に規定された濃度の水溶液(すなわち、いわゆる内部電解液)に接触するように、プラスチックハウジング内に配置してなる。内部電解液の存在は、このタイプの電極の特徴であり、その組成が一定していれば、一体化された内部参照系(普通はAg/AgCl)と協同して、安定した電位が保証される。つまり、濃度または活量の正確で信頼性のある測定が保証される。イオン感応性電極の構造および機能についての詳細な説明は、たとえば、非特許文献１中に見いだしうる。この出版物の161頁には、液体高分子膜の構造および機能が記載されている。この従来型のISEは、水性成分(すなわち内部電解液)が原因で、故障しやすく、コストがかかり、製造が困難であり、しかも小型化の可能性が制限されるという欠点を抱えている。
【０００３】
主にフッ化カルシウムと少量の他のフッ化物(たとえばフッ化ランタン)とから作製された、固体電極として構成されたカルシウム用の従来のイオン選択性電極が、特許文献１から公知である。電極は、Ag/AgCl参照電極が浸漬されている内部電解液としての水溶液の入った円筒状ハウジングを有する。
【０００４】
特許文献２から、Mg選択性膜電極が公知である。この膜は、内部電解液で満たされた10mmの直径を有する小さいPVCチューブ上に適用されている。膜の作製時、イオノフォア(ジフェニル-フェナントロリン)とホウ酸塩(テトラフェニルホウ酸ナトリウム)との混合物にマグネシウム塩が添加される。電極は、医学用途および医療用途でマグネシウムを測定するのに好適である。
【０００５】
過去数年間にわたり、水性内部電解液が固体コンタクト(solid contact)で置き換えられたイオン感応性電極が開発されてきた。こうした固体コンタクト電極では、液体高分子膜は、導電性電極材料(導体または半導体)上に直接配置される。そのような系は、センサーの超小型化を可能にする。その主な欠点は、電極の導電性領域とイオン感応性膜のイオン移動による伝導性領域との境界面の電気的または電気化学的抵抗に起因する不安定な電位にある。
【０００６】
導電性電極材料とイオン感応性膜との間のインタフェース層中でレドックス対を使用するかまたはイオン感応性膜にレドックス対を直接添加するかのいずれかによりこうした不安定な電位の問題を解決することが、いくつかの論文に記載されている。特許文献３および非特許文献２には、レドックス対(一般的にはハロゲン/ハロゲン化物)をインタフェース層として追加するかまたはコンタクト材料上に蒸着するかのいずれかにより、電気コンタクトとイオン感応性膜との間の境界面抵抗を減少させる可能性についての記載がなされている。この方法は、製造コスト(表面上への蒸着のコスト)が比較的高くかつ膜のコンディショニング段階が3日間までの非常に長い日数を要するという欠点を抱えている。
【０００７】
特許文献４には、電位安定化のために使用されるいわゆるフォーティオフォア(fortiophore)材料が記載されている。これは、イオン感応性センサーのイオン領域と電子領域との間の安定で再現性のある境界面を形成することのできる高分子材料である。この高分子材料は、好ましくは、内部参照エレメントとイオン感応性膜との間に適用される。それは、好ましくは、メタクリルアミドプロピルトリメチルアンモニウムクロリドとメチルメタクリレートとのコポリマーからなる。この場合、電気コンタクトとイオン選択性膜との間でインタフェース層が使用されるため製造経費が増大し、しかも最終的に複合膜エレメントの破壊を引き起こす可能性のある水性膨潤に起因した固着上の問題が起こるおそれがあるという欠点を生じる。
【０００８】
特許文献５によれば、フォーティオフォア(fortiophore)は、たとえば、硝酸銀、安息香酸銀などのような銀塩と組み合わされた中性錯化剤(たとえばドデシル-16-クラウン-5-エーテル)からなり、イオン選択性膜(たとえば、カリウムイオン選択性成分としてバリノマイシンを含む膜)に直接添加される。電位安定化は、電気伝導体の導電性イオン(たとえば銀イオン)との錯体を形成してセンサーのイオン領域と電子領域との間に規定された接合部を設けることによって達成される。
【０００９】
電位安定性はまた、ナトリウムまたはアンモニウムを定量するためのイオン感応性電極の高分子膜に親油性銀配位子錯体と遊離配位子とを直接添加することによっても、ウェットアップ段階でさらには長期間にわたりかなり改良される(非特許文献３)。銀配位子錯体と遊離配位子は、高分子膜と銀コンタクトとの境界面で電位安定化性可逆性レドックス対として作用する。
【００１０】
特許文献６では、大量のX塩(たとえばKCl塩)を基材ポーラスグラファイトロッドに添加してM/MX比(好ましくはAg/AgCl比)を固定することによって、固体コンタクトイオン選択性電極の電位安定化を達成している。塩とイオノフォアと可塑剤とをTHFに加えた混合物中に数時間浸漬することによって、グラファイトロッドに塩を充填する。高濃度の塩を用いてAg/AgCl比の変化を防止することによって、安定した電位状態を達成する。
【００１１】
特許文献７には、ナトリウム-バナジウム-ブロンズのインタフェース層の使用が記載されている。これによっても、イオン選択性膜と電気コンタクトとの接合部が安定化される。
【００１２】
これらの系のいずれもが抱える重大な欠点は、製造コストが高いことである。インタフェース層を適用するには、製造プロセスの追加ステップが必要である。さらに、インタフェース層はいずれも、ある程度膨潤する傾向がある。そのため、固着上の問題を生じる可能性があり、最終的にはイオン選択性膜の剥落を引き起こすおそれがある。このほか、レドックス対を含有する系は、それ自体が、サンプル中に存在する可能性のあるレドックス活性物質の影響を受けやすい。
【特許文献１】特開昭56-066747号公報
【特許文献２】SU 1418608 A
【特許文献３】CH 677295 A5
【特許文献４】米国特許第5,804,049号明細書
【特許文献５】米国特許第5,897,758号明細書
【特許文献６】米国特許第5,840,168号明細書
【特許文献７】国際公開01/65247号パンフレット
【非特許文献１】"医学的および生物学的用途向けの化学センサーおよびバイオセンサー(Chemical Sensors and Biosensors for Medical and Biological Applications)", Wiley-VCH, 1998
【非特許文献２】Chimia 44, 1990, 214-215
【非特許文献３】Anal. Chim. Acta 321, 1996, 173-183
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の課題は、はっきりと認められる向上した電位安定性を有し、測定対象のイオンに対する感度が改良されたまたは少なくとも低減された、サンプル中のカチオンの濃度を測定するための小型化可能な電位差測定イオン選択性電極を提供することである。厚膜技術の原理を利用すれば、電極の製造は、かなり単純にかつ低コストになるはずである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明に従ってアルカリ土類金属の少なくとも1種の水溶性塩を電極材料中に均一に分布させれば、この目的は達成される。MmXn形のアルカリ土類金属塩は、電極材料のマトリックス中に懸濁可能である。アルカリ土類金属塩の水への溶解度は、好ましくは1×10-2 g/lよりも大きく、たとえば1×10-2〜1×10-1 g/lの間にある。
【００１５】
本発明によれば、電極材料は、微細に分散された活性炭、カーボン、グラファイト、または金属の粒子と、10〜40重量パーセント、好ましくは20〜30重量パーセントの少なくとも1種のアルカリ土類金属塩と、を含有しうる。
【００１６】
アルカリ土類金属塩の混合が可能であれば、厚膜技術に好適な既知物質はいずれも、電極に使用することが可能である。有機基材中に微細に分布させた金属粒子は、ベース材料として好適である(欧州特許出願公開0444840号)。粒子はさらに、非金属物質を含有していてもよい(米国特許第5,897,758号)。
【００１７】
サンプル中のMg2+またはCa2+の濃度を測定する場合、本発明に係る好ましい変形形態によれば、イオン感応性電極の電極材料は、測定対象のカチオンの塩化物を含有する。たとえば、微粉砕されたMgCl2とグラファイトペースト(グラファイトまたは活性炭の粒子とポリマー結合剤とから作製されたペースト)とを混練することによって電極材料を作製するが、その際、溶媒の蒸発後、マグネシウム塩はマトリックス全体に均一に分散される。
【００１８】
サンプル中のMg2+またはCa2+の濃度を測定する場合、本発明によれば、電極材料は、測定対象のカチオンの酢酸塩を含有していてもよい。
【００１９】
特定の場合には、電極材料にアルカリ土類金属の塩を添加すると、その副次的効果として、電極の選択率の向上が図れる(たとえば、生理学的流体中のマグネシウムイオンの濃度を定量するためのイオン選択性センサーの場合)。
【００２０】
次に、レドックス不活性塩として塩化マグネシウムを用いる本発明により提案されるようなイオン選択性マグネシウム電極の作製について、より詳細に説明する。
【実施例】
【００２１】
導電性電極材料の調製
20〜30重量部の塩化マグネシウムを70〜80重量部のグラファイトペースト(たとえば、Acheson Colloiden B.V. Scheenda/ NetherlandsのElektrodag 421 SS)と混合し、乳鉢で処理して均一なペーストにした。
【００２２】
電極の作製
スクリーン印刷法によりポリカーボネートプレート上に導電性電極材料を長方形の形状に適用し、2つの領域(すなわち、電子増幅器とのコンタクト用の一領域およびイオン選択性膜が適用される一領域)を除く自由表面に電気絶縁性ワニスをコーティングした。記載のタイプのペーストは、塩が微粉砕されるため、スクリーン印刷に非常に好適である。
【００２３】
比較の目的で、改質されていない電極を同様に作製した。その場合、アルカリ土類金属塩が添加されていない未改質電極材料(たとえば、Acheson Colloiden B.V. Scheenda/NetherlandsのElektrodag 421 SS)をスクリーン印刷法によりポリカーボネートプレート上に長方形の形状に適用し、電子増幅器とのコンタクト用領域およびイオン選択性膜が適用される領域を除く自由表面に電気絶縁性ワニスをコーティングした。
【００２４】
最後に、60〜70%の可塑剤と30〜40%のPVCと0〜2%のホウ酸塩と1〜3%のイオノフォアとをTHFに加えた溶液からなるイオン選択性膜を測定領域の自由表面上に適用した。溶媒を蒸発させた後、センサーは使用できる状態になる。
【００２５】
測定
個々のパラメーターの測定は、ポテンショメトリーにより行った。その際、カロメル電極を参照電極として使用した。Roche Diagnostics GmbHの標準溶液を試験媒質として使用した。個々の標準溶液の組成の関数としてかつ電極と標準溶液との初期コンタクト後の経過時間の関数として、電位を測定した。主要イオンの濃度と妨害イオンの濃度を系統的に変化させた。
【００２６】
添付の図面を参照しながら本発明について以下でさらに説明する。図１は、本発明に係るイオン選択性電極の概略断面図である。図２は、本発明に係るイオン選択性電極を用いて得られた測定結果を示すグラフである。
【００２７】
図1に示されるように、たとえばポリカーボネートからなる電気絶縁性基材1上に、アルカリ土類金属の塩を含有する導電性電極材料2が適用され、その電極上の測定領域5にイオン選択性膜3が適用されている。サンプルPと直接接触しないように電極材料2は電気絶縁層4によりシールされている。好ましくは、スクリーン印刷法により、電極材料2および電気絶縁層4を適用する。
【００２８】
電極材料2は、グラファイトまたは活性炭の粒子と、アルカリ土類金属塩の粒子と、からなる。個々の粒子は、結合剤により結合される。
【００２９】
図2は、アルカリ土類金属塩が添加されていない従来の電極の電位と比較して、本発明に係るイオン選択性電極の電位を、電極と標準溶液との初期コンタクト後の経過時間の関数として示している。
【００３０】
図2からわかるように、電極材料中にアルカリ土類金属塩を含有するイオン選択性電極(「改質」と記されている)は、初期安定化段階の後、従来の電極よりも安定した挙動を呈し、とくに、かなり小さい電位ドリフトを呈する。このように、電極と標準溶液との初期コンタクトから約3時間の安定化段階の後、参照電極に対する電位は、従来の電極(「未改質」と記されている)と比較して、数日間にわたりごくわずかに変化するにすぎない。
【００３１】
電極材料にアルカリ土類金属塩を添加すると、その副次的効果として、電極の選択率が向上する。たとえば、体液中のマグネシウムを測定するためのイオン選択性電極の場合にこうした効果が見られる。以下の表は、電極材料中に塩を含まない電極と比較して、本発明に係る電極の選択率に及ぼす電極材料中のマグネシウム塩の存在の影響を示している。
【表１】
2004340965.tif 000002
【００３２】
電極材料にマグネシウム塩を添加したところ、マグネシウムに対する電極の感度は改良され(より高い値)、一方、カルシウムの影響はわずかに減少した(より低い値)。改良された感度挙動は、電極の全寿命にわたって認められる。Mg感度のこの改良は、マグネシウムを定量するための古典的イオン選択性電極(内部電解液を有する電極)でも観測されており(たとえば、Eugster, Spichiger, Simon, Anal. Chem. 65, 1993, pp. 689-695)、本発明に係る電極の場合、イオノフォアグラジエントが、膜の外部(低濃度のイオノフォア)の方向に向かって膜内に発生し、Mg(1:1)およびCa(1:2)のイオン-イオノフォア錯体の化学量論組成が異なるため、イオノフォアが膜の外側で枯渇した場合、Mgイオンの錯化が優位になると解釈することができる。この効果は、イオン選択性センサーの膜の内部のマグネシウムイオンの濃度が高いときに観測されるだけではなく、イオン選択性センサーの膜の内部に高濃度のカルシウムイオンが存在するときにも観測される。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に係るイオン選択性電極の概略断面図である。
【図２】本発明に係るイオン選択性電極を用いて得られた測定結果を示すグラフである。
【図１】
2004340965.tif 000003
【図２】
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【外国語明細書】
2004340965000001.pdf