(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水性試料の電気化学分析で使用するための電位差計参照電極であって、
電気導体と；
該導体上にあって、電極領域を画定する貫通開口を有する絶縁層と；
該電極領域に配置されかつ該絶縁層と接触している不均一膜層であって、該試料と直接接触しかつ該開口を介して該導体と電気接触する不均一膜層とを備え、該不均一膜層が、少なくとも１つの親水性イオン伝導性区画と、少なくとも１つの疎水性ガス透過性区画とを有し、該不均一膜層が実質的に乾燥した不活性状態にあり、水にさらされると、該疎水性区画を介した水蒸気の移動によって湿潤した活性状態に変化することができ、該疎水性区画が、該親水性イオン伝導性電解質区画の水性電解質拡散係数よりも高い水蒸気拡散係数を有する、電位差計参照電極。
【請求項２】
前記導体がｎ個の金属導体の配列の１つであり、前記絶縁層がｎ個の貫通開口を有し、各開口が電極領域を画定し、該金属導体の１つの上に位置する、請求項１に記載の電位差計参照電極。
【請求項３】
前記不均一膜層が、前記ｎ個の金属導体の１つとそれぞれ接触するｎ個の膜層の１つである、請求項２に記載の電位差計参照電極。
【請求項４】
前記不均一膜層が、均質混合された複数の疎水性及び親水性区画を含む、請求項１に記載の電位差計参照電極。
【請求項５】
前記膜の親水性区画が、試薬を含み、活性状態で水性試料流体にさらされると、該試薬を膜層から該試料流体に拡散させることができるよう構成された、請求項１に記載の電位差計参照電極。
【請求項６】
前記活性状態の膜が、汚染物質の膜層への拡散をさらに可能とする、請求項５に記載の電位差計参照電極。
【請求項７】
前記不均一膜の疎水性区画が、ポリ−シロキサン、ポリ−オルガノ−ホスファゼン、ポリ−１トリメチル−シリル−１−プロピン、ポリ−４−メチル−２−ペンチン、及びそれらの混合物の群から選択されたポリマーを含む、請求項１に記載の電位差計参照電極。
【請求項８】
前記不均一膜が、ノズルを介した分配による印刷、ピン転写印刷、スピンコーティング、ディップコーティング、スクリーン印刷、及び型紙捺染の群から選択される方法によって揮発性流体から流延された、請求項１に記載の電位差計参照電極。
【請求項９】
前記不均一膜が乾燥したエマルジョンの形態である、請求項１に記載の電位差計参照電極。
【請求項１０】
前記親水性区画が、前記電極で電位決定反応を受けるレドックス試薬を含有する、請求項１に記載の電位差計参照電極。
【請求項１１】
前記親水性区画が、親水性ポリマーバインダー、界面活性剤、乳化剤、及びｐＨ緩衝剤のうち少なくとも１つをさらに含む、請求項１０に記載の電位差計参照電極。
【請求項１２】
水性試料の電気化学分析で使用するための塩橋参照電極であって、
金属導体と；
該試料と接触させるための不均一膜であって、該導体と電気接触させるために該導体上に配置され、少なくとも１つの水蒸気透過性疎水性区画と、少なくとも１つの親水性イオン伝導性電解質区画とを含み、該親水性イオン伝導性電解質区画が、ほぼ等しいイオン移動度のイオンを有する塩成分と、該金属導体で電位決定反応を受けるレドックス成分とを含有し、該疎水性区画が、該親水性イオン伝導性電解質区画の水性電解質拡散係数よりも高い水蒸気拡散係数を有する、不均一膜と
を備えた、塩橋参照電極。
【請求項１３】
前記不均一膜が、実質的に乾燥した不活性状態にあり、水にさらされると前記疎水性区画を介した水蒸気の移動によって湿潤した活性状態に変化し、該膜が活性状態で水性試料流体にさらされると、膜層の少なくとも１つの可溶性成分を該試料流体に拡散させることができる、請求項１２に記載の塩橋参照電極。
【請求項１４】
前記膜層を乾燥した不活性状態から湿潤した活性状態に変化させるために前記電極を水にさらす工程と、該膜層を前記試料流体にさらす工程と、該試料流体への拡散により電解質相の塩濃度が減少するが、前記参照電極の応答勾配が予め選択された閾値を超える閾値濃度よりも該塩濃度が依然として高い間に前記導体での電位を測定する測定工程とを含む、請求項１３に記載の電極の使用。
【請求項１５】
前記膜層中の前記レドックス成分の濃度が、前記試料流体への該レドックス成分の拡散と該試料流体から該膜層への汚染物質の拡散により減少する間であるが、該レドックス成分が電位決定種のままである間にのみ前記測定工程が実施される、請求項１４に記載の使用。
【請求項１６】
塩橋が、疎水性水蒸気透過性区画と、塩を含有する親水性イオン伝導性電解質区画とを有する不均一膜を備え、該疎水性区画が、該親水性イオン伝導性電解質区画の水性電解質拡散係数よりも高い水蒸気拡散係数を有する、塩橋参照電極のための塩橋。
【請求項１７】
前記膜が導体と電気接触している、請求項１６に記載の塩橋参照電極のための塩橋。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は水溶液を分析するための電気化学センサに関する。特に、本発明はこのようなセンサのための単位使用（unit-use）の参照電極の構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術の電気化学センサは、２つ、時には３つの電極を備えた電気化学セルからなるのが典型的である。第１の電極は、試験溶液中の化学種に対して反応性であり、指示電極と呼ばれる。参照電極と呼ばれる第２の電極は、典型的に試験溶液の組成の変化に対して非反応性である。ポーラログラフィにおいては、第３の電流注入対向電極が時に用いられる。
【０００３】
当業者に理解されるように、水溶液中の化学物質を定量測定するための化学分析装置の一部としての電気化学センサの性能は、その用量応答曲線によって決定される。リニヤセンサについては、これは、２つの係数、即ち、勾配と切片によって独自に決定することができる。非線形の用量応答曲線については、３つ以上の係数が必要な場合がある。同様に当技術分野で公知であるように、センサの係数は、センサが２回以上用いられる場合には経時的に変化する。この係数はまた、２つのセンサを全く同じに製造することはできないため、ある程度センサによって異なる。それゆえ、センサの用量応答曲線を独自に決定するため校正が一般に必要である。自動化された化学分析装置においては、校正は、分析装置内に収容された流体素子（校正流体、ポンプ、弁、導管など）によって行われる。センサが再使用可能な装置として配備される場合には、化学分析装置の校正用流体素子は、少なくとも２つの校正点と洗浄液をしばしば考慮している。これは、用量応答曲線の勾配と切片が繰り返しの使用で変化する場合があるためである。単位使用装置について、勾配と切片が製造及び貯蔵の間センサごとに十分再現可能であれば、校正は必要ないであろう。係数のいずれか一方が再現可能であり、もう一方がそうでない場合には、１つの校正器が必要となろうし、両方の係数とも再現可能でない場合には、２つの校正器が必要となろう（非線形の用量応答曲線を有する装置に関してはより多くの校正器が必要となろう）。
【０００４】
多くの場合、化学分析装置の製造業者の目標は、化学分析装置を単位使用装置として配備し、そうして複数使用のセンサを洗浄して校正するのに必要とされる化学分析装置のしばしば非常に複雑な流体素子を排除又は簡易化できるようにセンサを十分安価に製造することである。このため、製造業者は、低コストのセンサ製造のためのプレーナ技術を研究してきた。このようなプレーナ技術はまた、構成材料及び製造プロセスの適切な制御を提供して大量生産において装置ごとの再現性を達成するとされている。
【０００５】
プレーナ技術によって作製されたセンサは、厚膜と薄膜両方の微細加工技術を包含している。プラスチック診断片のような厚膜処理された装置が、例えば、米国特許第５，７２７，５４８号に開示されている。プレーナ技術によって作製された装置はまた、ハイブリッド回路又はプリント回路の製造と同様に厚膜処理された平面基板を含む。例えば、米国特許第４，１３３，７３５号、同第４，２２５，４１０号では、メッキ、スクリーン印刷、分配などのような厚膜製作プロセスによって作製された装置が開示されている。
【０００６】
証明済みの優れた寸法制御を有する微細加工技術はまた、単位使用用途のための装置を作製するのに用いられている。微細加工技術は、シリコンウェハ上でフォトリソグラフィなどのウェハレベルプロセスを用いる。米国特許第４，０６２，７５０号、同第４，９３３，０４８号及び同第５，０６３，０８１号では、シリコン基板上に膜微細加工プロセスによって作製された電極を含む装置が開示されている。
【０００７】
プレーナ技術の上記変形態様のいずれを用いても、従来技術の平面装置は製造が複雑であるため、依然として相対的にコスト高であった。
【０００８】
従来技術の平面センサについての複雑さの理解を深めるため、それらの典型的な構成要素を考察する。従来技術の平面電気化学センサは、平面絶縁基板上の１つ又は複数の金属導体部材からなる装置である。金属導体部材の１つの領域は、外部測定回路と接続される。平面電極は、金属導体部材の別の領域に形成される。このような従来技術の電気化学センサの平面電極は、金属導体部材をオーバーコーティングする１つ又は複数の追加の金属層及び金属塩上張層から典型的に構成されている。そうして、平面電極は、典型的には以下に概説する複数の追加の機能層によって被覆される。
【０００９】
平面センサの平面電極は、一体的な電解質媒体によって典型的に被覆される。この一体的な電解質は、水溶液であることができるか又はより一般的には水性電解質のように作用するゲル材料などの固体親水性層であることができる。平面センサの使用において、平面電極及びその一体的な電解質上張層が、試験されるべき水溶液中に浸漬される。試験溶液からの化学種が一体的な電解質層に浸透し、一体的な電解質層中に含まれる他の試薬を溶解してしばしばそれらと反応する。一体的な電解質層の成分は、電流又は電圧を発生させる電極面で電気化学反応を受ける。センサの測定電流又は電圧が試験溶液からセンサに運ばれる試験溶液中の種の濃度に選択的に比例する場合には、その種に関する指示電極の基準となる。電圧が試験溶液の組成に依存しない場合には、参照電極の基準となる。従来技術の電気化学センサにおいては、一体的な電解質層中の化学試薬は、測定の際に一定濃度であることが一般に要求される。
【００１０】
センサ反応に有害な試験溶液中に含まれる化学物質は、一体的な電解質層から除去されることが一般に要求される。当技術分野で公知であるように、このような汚染物質は、一体的な電解質層中の化学反応に影響を及ぼすことがあるか、又はそれ自体が電子活性となって、分析される種が原因で測定電圧又は電流を妨害する電圧又は電流を発生させることがある。化学試薬の保持及び汚染物質の除去は、一体的な電解質と試験溶液の間に１つ又は複数の材料を挿入することによってしばしば達成される。試験溶液から一体的な電解質層への検出種の移動は、拡散により挿入材料を通して行われるか又はそれらの材料の開口又は孔を通して行われる。従来技術の平面センサの多くの場合においては、電極と一体的な電解質層の間に追加の半透過層を挿入することも必要である。この電極改質層の目的は、電極を害する電子活性な干渉物質又は種を除去しながら、センサ反応化学物質の移動を可能にすることである。
【００１１】
要約すると、上記のように、従来技術の参照電極を含む従来技術の平面電気化学センサは一般に多数の部材から構成される。結果として得られる装置は、製造が複雑で比較的コスト高である。これらの複雑さをさらに説明するため、現行の発明によって扱われる従来技術の装置が以下の節でより詳細に説明される。
【００１２】
［電位差計塩橋参照電極の従来技術］
従来技術の塩橋参照電極は、等可動イオン（equi-mobile ion）を有する塩、典型的には塩化カリウムの濃縮水溶液である一体的なリザーバによって接触される電極、通常は銀−塩化銀からなる。一体的な水性電解質リザーバは塩橋と呼ばれる。電解質リザーバは、抑制された流れの液絡部で試験溶液に接触する。このデザインの理想的な塩橋参照電極は、その使用の間、本質的に一定の電極電位と本質的にゼロの応答勾配を有する。参照電極の技術分野で公知のように、合計電極電位は、電極と一体的な塩橋電解質の間の電位差と、塩橋電解質と試験溶液の間の液間電位差との和である。このような従来技術の参照電極の一定の電極電位は、銀−塩化銀電極面での塩橋電解質の塩化物濃度を決定する電位が使用の間本質的に固定されたままであるため第一に達成される。これは、リザーバから試験溶液への塩化物の流出速度が抑制された流れの連絡のために十分小さいこと、及び電解質リザーバが十分大きいことの両方によって達成される。第二に、濃縮された塩化カリウム電解質を使用した場合など、塩橋電解質がほぼ等しい移動度のアニオンとカチオンを有する濃縮された塩を含むときと同じように、液間電位差が小さいとこのような塩橋参照電極の応答勾配が同様に小さくなる。
【００１３】
従来技術の平面電位差計塩橋参照電極は、上記の典型的な塩橋参照電極と同じアプローチを用いている。米国特許第４，５９２，８２４号では、平面シリコン基板上の平面銀−塩化銀電極と、微細加工されたキャビティと多孔質領域を含むシリコンカバープレートが記載されている。キャビティは使用前に濃縮された塩化カリウムで充填されると一体的な塩橋リザーバとなる。多孔質のシリコン部材は、試験溶液に接触する抑制された流れの液絡領域を形成する。同様に米国特許第４，６８２，６０２号は、平面銀−塩化銀電極と、その電極上にキャビティを画定する被覆層とを開示している。キャビティは、電解質で充填されると一体的な塩橋リザーバとなる。試験溶液に接触する抑制された流れの液絡部を提供する小さな開口がある。米国特許第５，８３５，６５９号は、カバープレートに微細加工された細長いキャビティを備えた平面銀−塩化銀を記載している。細長いキャビティが電解質で充填されると、一体的な塩橋リザーバとなる。塩橋の外への電解質の流れは、キャビティが細長くかつその開口が小さいので抑制される。一体的な電解質キャビティを備えたこれらの及び他の従来技術の平面参照電極は、比較的複雑なアセンブリであって、高コストである。それらは、使用に先立って濃縮された塩橋電解質で充填されなければならず、又は工場充填のときは、湿った状態で貯蔵されなければならない。結果として、単位使用用途のためには不向きである。
【００１４】
米国特許第４，３４２，９６４号は、一体的な塩橋電解質の上張層を持たない乾燥貯蔵の銀−塩化銀電極と、間隔を置いて配置された指示電極とを含む血液測定のための流体カセットを記載している。使用においては、校正器溶液を電極対の上に導入して指示電極を校正した後、試験溶液にさらされる。校正器溶液はまた、銀−塩化銀電極上のカセットの空のキャビティ領域を満たしてそこにとどまり、引き続いて試験溶液がカセットに導入されたときに試験溶液と液絡を形成する。このように、この特許は、装置がすでに校正器溶液を必要としているので、参照電極の複雑さそれ自体を大きく増すことなく参照電極の塩橋リザーバをどのようにして自動的に充填するかを教示し、校正器溶液が塩橋充填溶液と同じものであることができることを教示している。しかしながら、流体的な複雑さ及びコストが加わり、また、この発明に関する重大な限界は、指示電極の正確な校正の実行と低い応答の液絡の提供両方を満足する校正器溶液の単一組成物がないということである。血液において許容できる性能に関して、参照電極の液間電位成分を受け入れ可能に小さくかつ一定にするために、塩橋電解質は、約１Ｍ以上の塩化カリウム濃度を有するべきであることが当技術分野で公知である。血液用の公知の校正器溶液はこの濃度を提供しない。
【００１５】
Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｅｎｓｏｒｓ，Ｊａｎａｔａ Ｊ．ａｎｄ Ｈｕｂｅｒ Ｒ．Ｊ．（ｅｄｓ．），Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ Ｉｎｃ．，Ｏｒｌａｎｄ １９８５，１０１−１０３頁においてＪａｎａｔａは、電極を被覆する親水性のゲル層によって形成される一体的な塩橋リザーバを備えたイオン感応電界効果参照電極を記載している。Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｅｎｓｏｒｓ ｆｏｒ Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｖｏｌ．８６−１４，Ｃｏｎａｎ，Ｋ．Ｎ．Ｌ．（ｅｄ．），Ｔｈｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ，Ｐｅｎｎｉｎｇｔｏｎ，Ｎ．Ｊ．１９８６，６６−７３頁においてＳｉｎｓａｂａｕｇｈらは、ラテックス膜によって形成された一体的な塩橋リザーバによって被覆された銀−塩化銀電極からなる平面参照電極を記載している。この装置には、導体部材及びその支持体に総計で３つの被覆を施す工程がある。Ｊａｎａｔａ及びＳｉｎｓａｂａｕｇｈの装置は、校正器溶液を用いる複数回使用のセンサ用途を意図したものであった。典型的な測定においては、その塩橋リザーバ被覆層を備えた参照電極と間隔を置いて配置された指示電極は、まず校正器溶液に浸漬される。一体的なリザーバは、校正器溶液の濃度の平衡化を図る。電極対が次いで試験溶液に浸漬されると、指示電極は迅速に応答するが、その一体的な抑制された流れのリザーバのために、銀−塩化銀電極及び塩橋電解質被覆層の間の電位差は緩やかに応答する。リザーバの厚さが十分であれば（数百μｍ）、応答は指示電極が応答する時間（約１０秒）を超えて一定の電位を構成するほどゆっくりである。複数回使用する間に、塩橋の組成は徐々に塩橋が浸漬されている校正器及び試験溶液の濃度に近づく。複数回使用用途のこれらの参照電極は、参照電極電位の液絡構成要素があまりにも低い塩橋リザーバ濃度のために十分に小さくなくかつ一定でないので正確な血液測定への使用を再び妨げられる。これらの文献の両方は、単位使用の参照電極における乾燥試薬処方物としてのそれらの塩橋リザーバの使用について触れていない。両方の文献は、レドックス化学物質の塩橋リザーバへの組み込み及び塩橋被覆金属を用いて構成された参照電極内へのその使用について触れていない。Ｓｉｎｓａｂａｕｇｈの文献はまた、それらの不均一膜処方物の水蒸気輸送特性について触れていない。
【００１６】
一体的な流体リザーバを含む参照電極の製造の複雑さ並びにそれらの貯蔵及び使用準備の難しさのために、乾燥試薬参照電極は、複数回使用用途のためには非常に望ましいものである。乾燥した塩のみを備えた一体的な乾燥試薬塩橋リザーバは、まず、塩橋リザーバがその作動濃度に「湿潤化する」ことができるように水を捕捉しなければならない。上述した従来技術の装置すべてにおいて、塩橋リザーバを介した及び塩橋から接触液への種の移動は電解質位相を経由している。従来技術の装置がまず乾燥した状態で用意されるとき、湿潤化のための水の流入は、塩化カリウムの流出と同じ通路を介して行われる。このようにして、銀−塩化銀面における塩化物濃度の一定性を保つのに必要な大きさを制御できるリザーバを備えた抑制された流れの塩橋設計構成の装置において、水を取り入れる時間がまた長くなる。また、塩橋電解質の塩化カリウムは、リザーバがその湿潤化のために水を溶液から取り入れているときにリザーバから溶液に流出する。それゆえ、上述の従来技術による乾燥した試薬リザーバを用いる参照電極は、単位使用用途において十分には展開されていない。
【００１７】
上述の湿潤化の問題は、米国特許第４，９３３，０４８号において処理されたが、この特許は、平面微細加工によって作られた乾燥試薬塩橋参照電極を記載している。この装置においては、測定回路に接続するために導体を支持している平面基板上の第１の絶縁層が存在する。第２の絶縁層が、電極開口を画定する領域を除いて導体を被覆している。銀の膜、次いで塩化銀が、電極領域において導体を被覆するように形成されている。塩化カリウムを備えた固体の親水性材料が、塩化銀上に形成されている。この層は、一体的な塩橋リザーバを構成する。この装置において、塩橋リザーバは、銀−塩化銀電極のエッジを超えて十分に伸び、塩橋が液絡を画定する試験溶液に接触する銀−塩化銀からさらに遠ざけられる塩橋の領域を除き、疎水性水蒸気透過性被覆層によってさらに被覆される。この単位使用の塩橋参照電極は、その乾燥した貯蔵状態から使用中に迅速に湿潤化するように設計され、基本的に完全な湿潤後の期間及び測定の時間を経由して一体的な塩橋リザーバ中の塩化カリウムを一定の高濃度に保つように設計された。これらの望ましい性質は、水蒸気透過性被覆層を介した迅速な水の一体的な塩橋リザーバ内への流入のための短い拡散路及び一体的なリザーバの長さに沿った塩橋中の塩化カリウムのための長い拡散路を提供する米国特許第４，９３３，０４８号の装置において得られるものである。使用において、塩橋が適正に機能するために必要な水は、ガス透過性被覆層を介して拡散により数秒以内に当初は乾燥している塩化カリウム層内に迅速に混合される。内部の塩橋電解質の濃度は数秒の湿潤期間後に速やかに所定の安定値に達し、この値は、電位差計測定を実行するのに十分な期間維持される。しかしながら、この装置は、導体部材の上部に５層を有するとともにその絶縁支持体を有しているので製造が複雑化している。
【００１８】
米国特許第４，４３１，５０８号は、従来技術の非プレーナ技術を用いて製造されるレドックス対を含む親水性コーティングを有するグラファイト参照電極を記載している。
【００１９】
要約すると、従来技術の平面参照電極は、濃縮された塩化カリウムからなる一体的な塩橋電解質リザーバに接触する銀−塩化銀電極からなっているのである。これらの装置は、すでに塩橋リザーバに含まれる水を用いて製造されるか、又は水の塩橋への移動を容易にするガス透過性コーティングを用いた乾燥した試薬装置であるかのいずれかである。塩橋は、流れを抑制する小さなオリフィスを介して又はプレーナ技術において装置上に形成される他の流れを制限する物理的な締め付けを介して試験溶液と接続している。塩橋と試験溶液との接続は、銀−塩化銀電極から除かれた点において行われ、従って、電解質の一体的なリザーバは溶液と電極の間に存在する。
【００２０】
平面塩橋参照電極を備えた従来技術の平面電気化学センサは、要求される機能性を実現するために多数の電極材料及び膜コーティングを必要とする。従来技術の平面電気化学センサは、従って、なお複雑化しており、比較的製造コストが高い。比較的コスト高であることに加えて、このような装置は一般的に、実験室の分析装置に匹敵する性能を得るために少なくとも単一の、使用中の校正流体工程をなおさらに必要とする。その高い寸法精度レベルを備えた微細加工技術（例えば、米国特許第５，０６３，０８１号及び同第５，５１４，２５３号）を用いるセンサ設計でさえ、流体素子のない分析装置における校正工程なしの使用に要求される性能標準（再現可能な応答の勾配及び切片）を達成することに失敗している。
【００２１】
したがって、コスト効率のよい単位使用装置として使用するために設計及び構成の十分に簡単な精度の高い定量分析のための平面電気化学センサ装置を提供する有意なニーズが依然としてある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
本発明の目的は、簡単な構成の単位使用の平面電気化学センサとその電極部材を提供することである。
【００２３】
本発明の具体的な目的は、プレーナ技術において製造される単位使用の塩橋参照電極を提供することである。
【００２４】
本発明の目的は、単一の校正器溶液による使用のための単位使用の塩橋参照電極と指示電極を提供することである。
【００２５】
本発明の目的は、電極と校正器が単一の単位使用ハウジング内にすべて収容された、単一の校正器溶液による使用のための単位使用の塩橋参照電極と指示電極を提供することである。本発明は、このような一体的な診断装置を教示するものである。カード読出装置とともに用いられると、本発明のオンボード校正器と電極を含む一体的な診断装置は、非常に低コストの定量的な試験結果を与えることができる分析装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
これらの目的は、本発明によれば、疎水性のガス透過性流路を介した速やかなガスと水蒸気の移動と、親水性流路を介した電解質の移動を支持するための少なくとも単一の不均一膜で構成された平面塩橋参照電極を提供することによって達成される。
【００２７】
本発明に従った不均一膜は、少なくとも２つの成分相、不揮発性種の移動と化学反応を支持する親水性の電解質含有区画と、ガス及び水蒸気の移動を支持する疎水性区画との均質混合物を含む処方物から構成される。本発明に従ったこのような不均一膜は、非常に簡単な構成の単位使用センサの部材として使用することができる。
【００２８】
非常にガス透過性のポリマー、例えば、シロキサン、特にはポリ−ジメチルシロキサン又はその誘導体が、親水性成分との均質混合物において本発明の不均一膜で用いられることが好ましい。得られた不均一膜の均質混合物は、疎水性のシロキサン区画を介したガスと水蒸気の移動流路と、親水性の区画を介した電解質塩の屈曲した移動流路とを含む。
【００２９】
本発明は、シロキサンの水性エマルジョンから不均一膜を調製する方法を教示するものである。
【００３０】
好ましい実施態様においては、本発明の電極は、導体が第１の親水性リザーバ層によって被覆され、次に第２の不均一膜層によって被覆された測定回路に接続するための単一導体部材を含む。不均一膜は、適切な装置機能に必要とされる二重の電解質及びガス伝導特性を提供する。本発明のこの実施態様においては、第１の親水性層は、電極と接触して電極反応に必要な試薬（フェロシアン化カリウムなどの電位決定レドックス試薬、及び塩化カリウムなどの等可動イオンの塩）を含む一体的な電解質を構成し、不均一膜が、一体的な電解質へのガスの移動をその疎水性区画を介して提供し、並びに親水性区画を介した電解質の移動によって一体的な電解質と試験溶液の間に電気接触を提供する。不均一膜の親水性区画は、少なくとも塩化カリウムなどの等可動イオンの塩を含む参照電極の液絡部を形成する。
【００３１】
別の実施態様においては、本発明の電極は、測定回路に接続するための単一の導体部材を備え、この導体は不均一膜でコーティングされている。不均一膜は、単一の部材内に、電解質リザーバと、適切な装置機能に必要とされる二重の電解質及びガス伝導特性とを与えることが好ましい。これは、従来技術の装置に含まれる多数の部材とは異なるものである。この好ましい実施態様においては、不均一膜の親水性区画は、内部電解質リザーバ及び液絡部として作用する。これは、少なくともレドックス試薬と等可動イオンの塩とを含有する。不均一膜の疎水性区画は、電極面への迅速なガスの移動を可能とする。したがって、この実施態様により、単一膜の装置において非常に低コストで製造できる使い捨て塩橋参照電極が達成される。
【００３２】
本発明の更なる目的は、塩橋参照電極に使用するための単一膜及び二重膜の組成物を提供することである。これらの組成物は、不均一膜材料への複数の移動流路を設計することによって達成される。
【００３３】
本発明のさらに別の目的は、不均一膜の望ましい輸送特性を達成するための設計原理を提供することである。
【００３４】
驚くべきことに、本発明による簡易センサ膜の製造方法は、同時係属の米国特許出願第ＳＮ０９／８７１，８２３号において開示されている低コストのスマートカード系電極モジュールと有利に組み合わせることができることを見出した。これらの基板は、エポキシ樹脂の箔と金をコーティングした銅の低コストの型押しされた積層体である。電極の材料は、これらのモジュールにおいては金である。したがって、本発明の目的は、膜組成物を備えた使い捨てセンサ及び積層箔電極の製作に好適な構成方法を提供することである。
【００３５】
本発明のさらに別の目的は、接点配列上に製作された電極センサ配列に、配列中の電極すべてに共通の接触材料と、配列中の電極あたりただ１つの膜とを提供することである。
【００３６】
一体的な内部電解質部材が十分な大きさを持つとともに内部のセンサの試薬を移動不能にするリザーバとして作用するよう試験溶液から十分絶縁されていることが、通常のセンサの最も重要な特徴である。通常のセンサにおいては、リザーバの試薬組成は、測定の間（乾燥して貯蔵されている装置の湿潤化中の最初の数秒間を除いて、そして当然ながらその組成変化がセンサ反応を構成している分析されるべき種に関係する化学反応を除いて）本質的に一定のままであり、試験溶液からの汚染物質は、この内部電解質リザーバから締め出され、したがってこの内部電解質リザーバにおいて低濃度である。実際には、これらの装置は典型的に再使用可能なように設計されているため、電極面における電解質リザーバ部材中の試薬組成は、多数の測定にわたって一定のままである場合がほとんどである。幾つかの従来技術の装置において、センサの内部電解質部材は、分析されるべき種のみを選択的に移動させる１つ又は複数の層によって試験溶液から完全に絶縁されている。例えば、従来技術の溶解二酸化炭素及び酸素のセンサは、センサの電極を被覆している内部電解質部材とその上部の選択的ガス透過性であるが電解質不透過性の上張層からなる。内部電解質部材と試験溶液が直接接触している他の従来技術の装置においては、電極に隣接する内部電解質は、試験溶液との接触点からかなり離されている。
【００３７】
対照的に、本発明の装置においては、試験溶液から電極の内部電解質を完全に絶縁する用意はない。好ましい実施態様においては、電極面直近の不均一膜の電解質構成要素の試薬組成が、装置の使用中に時間とともに実際に変化する。例えば、試薬は、不均一膜から試験溶液内に拡散し、汚染物質が、試験溶液から不均一膜内に浸透する。さらに、不均一膜内の内部電解質の初期量は、使用中に移動不能にされた試薬を一定の組成に維持するリザーバを形成するのにはしばしば不十分である。驚くべきことに、従来技術の装置において必要であった多数の部材が本発明の単純化された装置から除去されているが、定量的な検出性能を定めている重要な特性は維持されているのである。好ましい装置は、迅速な湿潤化（装置が使用前に乾燥状態に貯蔵されている場合は重要である）、それらがポーラログラフ装置である場合には少なくとも再現可能な応答切片、それらが電位差計装置である場合には少なくとも再現可能な応答勾配、及び干渉からの十分な解放を示すことができる。したがって、本発明のこれらの非常に簡単な装置は、単一の使用中の校正流体のみを必要とする分析装置に組み込むことができる。
【００３８】
上述したように、本発明による多孔質の不均一膜を備えたセンサは、装置から試験溶液への試薬の減少を必然的に示すことになる。その上、いくらかの汚染物質又は電気化学的な干渉物が、試験溶液から装置に浸透する可能性がある。試薬の化学組成が装置の完全な湿潤化後でさえ電極面で変化する本発明の装置を用いて測定が可能であることは驚くべきことである。したがって、本発明の目的は、これらの有害な影響に耐性のある不均一膜の組成及び特性を教示すること、及び使用の際に特定の内容物を試験溶液中に失い又は試験溶液から汚染物質を受け取る不均一膜を組み込んだ電極を用いる測定方法を教示することである。本発明は、電気化学的な検出のための不均一膜の許容できる輸送特性の範囲をさらに教示する。好ましい実施態様においては、水蒸気の拡散係数は、水性電解質及び他の水溶性種の拡散係数よりも少なくとも１０倍速く、好ましくは５０倍以上速いことが必要とされる。より具体的には、ガス及び水蒸気拡散は５×１０-6ｃｍ2／ｓ以上で生じ、電解質塩拡散は５×１０-7ｃｍ2／ｓ以下で生じることが好ましい。
【００３９】
本発明の装置の再現可能な性能特性が、装置の物理的な寸法変化に対して強固であることも驚くべきことである。それゆえ、本発明によるアプローチは、寸法制御及び構成的な精度に対する仕様の緩和を可能にし、より簡単な製造プロセス、より少ない材料及びプロセス工程を可能にする。
【００４０】
本発明の好ましい実施態様は、例としてのみ、そして添付図面を参照して以下にさらに説明される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
図１Ａに示される最も一般的な構成においては、本発明による電極は平面導体１を含む。平面導体は、絶縁体２と同一平面にあってこれと接触し、絶縁体２は電極領域を画定する貫通開口３を有する。不均一膜４が、水性試料流体と直接接触するよう構成され、電極領域に配置されて導体１と電気接触するため開口３を貫通している。不均一膜は、疎水性のガス透過性区画と親水性の電解質透過性区画を含む。
【００４２】
［不均一膜電極］
本発明による不均一膜は、２つの区画の均質混合物からなる材料である。第１は、疎水性のガス透過性材料の区画であり、第２は、親水性の電解質伝導性区画である。好ましい組成物においては、疎水性の区画は親水性の区画よりも体積が大きい。本発明の不均一膜の本質的な輸送特性は、疎水性の区画を通過するガス（湿潤のための水蒸気）に関する膜拡散係数が、親水性の区画に含まれる水に溶解している種（イオン及び中性の不揮発性分子）の膜拡散係数よりも相当に大きいということである。これらの拡散係数の比が約１０である場合に適切な性能特性を有するセンサを作製できることが見出されたが、この比は、好ましくは少なくとも５０以上、さらには１００よりも大きいべきである。
【００４３】
混合物の疎水性成分は、高い蒸気透過速度のポリマーであることが好ましい。このようなポリマーは当技術分野で周知である。例としては、ポリ−シロキサン、ポリ−オルガノ−ホスファゼン、ポリ−１トリメチル−シリル−１−プロピン、及びポリ−４−メチル−２−ペンチンが挙げられる。混合物の親水性成分は、センサに応じて乳化剤、親水性ポリマーバインダー、電解質塩及び他の任意選択の溶解成分のうち幾つか又は全てを含む親水性区画である。親水性ポリマーは当技術分野で周知である。例としては、ポリビニルアルコール、ポリ−ヒドロキシメタクリレート、ポリ−アクリルアミド、多糖類、セルロースポリマー、及びゼラチンが挙げられる。親水性区画の他の任意選択の成分には、調製時に膜に取り込まれる架橋剤、触媒、レドックス剤、緩衝剤、及び界面活性剤がある。
【００４４】
不均一膜は、揮発性溶媒中の膜材料の溶液及び懸濁液から流延することによって調製される。膜は、疎水性ポリマー樹脂の固体粒子の懸濁液として又は懸濁した液体疎水性ポリマー若しくはモノマーのエマルジョンとして、溶解した親水性成分と疎水性成分を含有する水性の流延溶液からのキャスト１であることができる。液体懸濁液は、疎水性溶媒に溶解されたポリマー樹脂であることができるか、又は溶媒のない液体ポリマー若しくはモノマーであることができる。懸濁液中のモノマー又は低分子量液体前駆体は、疎水性ポリマーが架橋できる反応基を含有する場合には流延の際に固体の疎水性ポリマー膜に架橋することができるか、又は非水性溶媒とのエマルジョンにおいては溶解した疎水性ポリマーと水中に溶解した親水性成分を含有する非水性流延溶液からのエマルジョン２に適切な架橋添加剤を加えることによって固体の疎水性ポリマー膜に架橋することができる。
【００４５】
原則として、揮発性液体からコーティングを堆積する任意の方法が実施可能である。膜は、ノズルを介した分配、固体チップから電極上への液滴の転写、スピンコーティング、ディップコーティング、スプレーコーティング、スクリーン印刷などのような当技術分野で公知の方法のいずれを用いても平面電極上に流延することができる。主としてピン転写及びノズル分配技術を用いた。
【００４６】
具体的な装置の寸法及び不均一膜エレメントの組成は、本発明の電極のタイプ及び機能に依存している。
【００４７】
本発明の装置は、電位差計塩橋参照電極として機能するセンサを包含するが、この設計原理は、電位差計及びポーラログラフのガスセンサ並びに酵素電極など、他のセンサタイプにも拡張することができる。
【００４８】
本発明の不均一膜技術によって達成できる種々の主な電極タイプの全てが、図１Ｂに示される本発明の好ましい実施態様と、図１Ｃに示される他の実施態様において表される。
【００４９】
これらの図において、部材の具体的な組成及び寸法は、具体的な電極のタイプに依存する。異なる電極タイプのそれぞれの以下の詳細な説明から明らかなように、不均一膜の組成、構造及び寸法は、それぞれの電極の機能的な特性を決定する。
【００５０】
図１Ｂは、積層された箔電極である第１の好ましい実施態様を表し、図１Ｃは、コーティングされた絶縁基板電極である別の好ましい実施態様を表している。両図は、複数の電極がどのようにして単一基板上に作製できるかを示すために単一基板上の１対の電極を図示している。本発明では、試験用途によって決まるように、多数の異なる組み合わせの電極が単一基板上に存在し得ることを明らかに意図している。例えば、血液ガス（ｐＨ、溶解二酸化炭素及び溶解酸素）用の試験装置は、基板上に４つの電極の配列（ｐＨ及び２つの溶解ガスのための指示電極と共通の塩橋参照電極）からなるであろう。グルコース試験装置は、基板などの上の２つの電極の配列であろう。
【００５１】
断面で示される図１Ｂの積層された箔の実施態様は、１対の電極を備えた電極モジュールを含む。同時係属の米国特許出願第ＳＮ０９／８７１，８２３号に詳細に記載されているように、電極モジュール５は、導体箔７を積層した絶縁体箔６と、それらの間の任意選択の接着剤６Ａとを含む。開口８Ａ及び８Ｂが、絶縁体を貫通して２つの電極の位置を画定している。コーティング９Ａ及び９Ｂが開口の上に適用され、絶縁体上に重なるようにして開口を貫通している。コーティングは、導体箔７と電気接触している。
【００５２】
１対の電極を含む電極モジュール１０のコーティングされた絶縁基板の実施態様が図１Ｃに断面で示される。平面絶縁基板１１は、絶縁上張層１３によってコーティングされた２つの導体膜１２を支持している。開口１４Ａ及び１４Ｂが、絶縁上張層を貫通して２つの電極の各位置を画定している。コーティング１５Ａ及び１５Ｂが開口中に及び、絶縁上張層に部分的に重なって導体１２に接触している。
【００５３】
図１Ｂのコーティング９Ａ及び９Ｂと図１Ｃのコーティング１５Ａ及び１５Ｂは、本発明に従った不均一膜エレメントである。
【００５４】
［不均一膜の輸送特性］
膜の輸送特性を考察することは、本発明による不均一膜の材料選択及び組成に関する設計基準の理解を深めるために必要である。不均一膜の輸送特性をモデル化するため、その個々の成分の輸送特性及びそれらの混合物の性質、特には疎水性成分と親水性成分の相対容量、親水性区画の移動流路の特徴的な寸法、及び２つの成分が均質に混合された場合に生じる移動流路の屈曲を知ることが必要である。
【００５５】
膜の移動流路の屈曲は、純粋な材料のスラブを介した拡散と比較して種の拡散速度が低下することを説明する。本発明の不均一膜においては、この屈曲は、連続した流路の移動のための流路長さを増すこと又は不連続な流路内の孤立した地帯からの粒子移動速度を低下させることよってモデル化できる。このような移動モデルは両方とも膜移動の技術分野で周知である。
【００５６】
本発明の不均一膜は、幾何学的面積Ａ、幾何学的厚さＬ、及び体積Ｖ＝ＡＬのスラブであって、この体積は、疎水性区画のガス透過性ポリマー体積ＶGと、親水性区画のＶ−ＶG＝ＶHとを含む。
【００５７】
不均一材料は、膜の厚さを貫く２つの移動流路を有する。第１の移動流路は、疎水性ポリマー区画を通過するガス及び水蒸気のためのものである。疎水性ポリマーは、ガス溶解度ＳG（ｍｏｌ／ｃｍ3・ａｔｍ）とガス拡散係数ＤG（ｃｍ2／ｓ）によって特徴づけられる材料である。温度Ｔで水と平衡させた場合、疎水性区画の１ｃｍ3あたりの水はＳGＰ（ｍｏｌ）であって、式中、Ｐ（気圧）は温度Ｔでの水の飽和蒸気圧である。疎水性のガス移動流路は、有効面積ＡGと、有効長さＬGとによって特徴づけられる。比ＬG／Ｌが１より大きい場合には、幾何学的厚さよりもガス状透過物のための移動流路が長いという特徴を与える。比（ＬG／Ｌ）2＝τGは、ガス状透過物の流路の屈曲性を特徴づける。支配的な体積成分が疎水性区画（ＶG／Ｖ＞０．５）である不均一膜について、屈曲性は、１＜τG＜２の範囲であろう。不均一膜のガス透過性流路を通過するガスの有効拡散係数は、ＤG,M＝ＤG／τGで与えられるＤG,Mであって、式中、膜に関する有効拡散係数は、屈曲係数τGにより純粋な疎水性ポリマーのスラブにおける拡散係数ＤGよりも小さい。選択された好ましいガス透過性材料は、ポリ−ジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）及びその誘導体であった。室温でのＰＤＭＳに関するガス溶解度と拡散係数の公表データを以下の表に示す。
【００５８】
【表１】
0004559231.tif 000002
【００５９】
電解質塩と不揮発性分子のための第２の移動流路は、親水性区画を通っている。親水性区画は、水の溶解度ＳH（ｍｏｌ／ｃｍ3・ａｔｍ）によって特徴づけられる。温度Ｔで水と平衡させた場合、親水性区画の体積１ｃｍ3あたりの水はＳHＰ（ｍｏｌ）であって、式中、Ｐ（気圧）は温度Ｔでの水の飽和蒸気圧である。移動流路は、有効面積ＡHと、有効長さＬHとによって特徴づけられる。比ＬH／Ｌが１より大きい場合には、幾何学的厚さよりも移動流路が長いという特徴を与える。比（ＬH／Ｌ）2＝τHは、親水性流路の屈曲性を特徴づける。少数の体積成分が親水性区画（ＶH／Ｖ＜０．５）である不均一膜については、屈曲性は、大きくかつ疎水性成分と親水性成分の混合物の性質に依存する場合がある。不均一膜の親水性成分の量が大きい場合には、親水性区画は不均一膜内部に連続した伝導路を含み、τHはほぼ不変である。膜の親水性成分の量が小さい場合には、親水性成分の流路は屈曲しているか又はさらには不連続であって、τHは大きくなり、流路が孤立している場合には、τHが無限大に近づき、膜を貫通する親水性の伝導路がなくなる。
【００６０】
親水性区画は、連続体の親水性マトリックス中に含まれる含水性のミクロキャピラリー細孔のモデルによってさらに特徴づけられる。親水性区画中の水性電解質の体積はＶEであり、乾燥した他の親水性区画成分の体積はＶH−ＶEである。平衡において、水０．０５５ｍｏｌが１ｃｍ3を占めるとすると、ＶE／ＶH＝ＳHＰ／０．０５５である。親水性区画内の電解質の伝導路は、有効面積ＡEと、有効長さＬEとに特徴づけられる。比ＬE／ＬHが１より大きい場合には、親水性の流路長さよりも親水性区画の細孔を通る電解質拡散体のための移動流路が長いという特徴を与える。比（ＬE／ＬH）2＝τPは、親水性流路に関する電解質細孔の屈曲性を特徴づける。親水性マトリックス中の電解質流路の屈曲性と不均一膜中の親水性マトリックス流路の屈曲性を組み合わせ、膜に関する電解質流路の合計屈曲性を（ＬE／Ｌ）2＝τPτH＝τEとして与える。親水性ポリマーの細孔を通る電解質流路の屈曲性τPが、親水性ポリマーの平衡含水量とマトリックスの架橋度に応じて非常に大きくなる場合があり、その結果、０．０１＜ＶE／ＶH＜１である場合には典型的に１＜τP＜１００００となることが親水性ポリマーゲルの技術分野において周知である。その結果として、平衡含水量が親水性マトリックスの体積の数％程度であり、親水性マトリックス中での水溶性拡散体の拡散係数が水中での拡散係数よりも最大１０００倍低い親水性マトリックスを処方することが可能である（例えば、Ｈｙｄｒｏｇｅｌｓ ｉｎ Ｍｅｄｉｃｉｎｅ ａｎｄ Ｐｈａｒｍａｃｙ，ＣＲＣ Ｐｒｅｓｓ，Ｎ．Ａ．Ｐｅｐｐａｓ ｅｄ．，Ｖｏｌ１ １９８６を参照されたい）。不均一膜の親水性区画の間隙水に溶解した種の有効拡散係数は、ＤE,M＝ＤE／τMによって与えられるＤE,Mであって、式中、不均一膜に関する有効拡散係数は、屈曲係数τEにより純粋な水性電解質ＤEのスラブにおける拡散係数よりも小さい。水の体積分率がＶE／ＶHの親水性ポリマーを通る小分子の拡散については、親水性区画ＤHを通る塩の拡散定数は、以下に与えられる係数によって水中での拡散係数ＤWよりも小さい。
【００６１】
【数１】
0004559231.tif 000003
【００６２】
式中、Ｎはほとんど変わらず一定である（例えば、Ｈ．Ｙａｓｕｄａらの「Ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ Ｓｏｌｕｔｅｓ ｔｈｒｏｕｇｈ Ｈｙｄｒａｔｅｄ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｍｅｍｂｒａｎｅｓ」 ｉｎ Ｄｉｅ Ｍａｋｒｏｍｏｌｅｋｕｌａｒｅ Ｃｈｅｍｉｅ １１８（Ｎｒ．２８５８），（１９６８）１９−３５頁を参照されたい）。相対拡散係数は、先に規定された屈曲性と関係している。親水性ポリマーの文献（そのうち２つの上記例が典型的である）は、種々の平衡吸水量と種々の塩の拡散係数を有する親水性ポリマーマトリックスを達成するための化学架橋法の多数の例を提供している。
【００６３】
不均一膜を介したガスと水蒸気の移動は、主としてガス透過性区画を介した拡散、次いで膜中のガス透過性区画と親水性区画の間の分配による。疎水性区画の細孔と親水性区画の細孔の間の水の分配は、疎水性細孔／親水性細孔の境界を横切る水の移動が膜の厚さを貫く細孔に沿った移動に比べて速い場合には平衡プロセスであると仮定することができる。疎水性から親水性への細孔移動の特徴的な距離は、膜の厚さ（１００μｍ程度）に比べて小さい混合物の細孔サイズ程度（１μｍ程度）である。疎水性区画から親水性区画への水の移動がより遅い場合、例えば、不均一混合物の特徴的な細孔サイズが大きい場合には、追加の時定数は水吸収の速度論に導入される。
【００６４】
電解質の移動は、親水性区画内の水で満たされたキャピラリー細孔を介してのみ行われる。
【００６５】
本発明の不均一膜の輸送特性に必要とされる範囲の理解をさらに深めるため、差分法を用いて発明電極の応答特性のシミュレーションを実施した。この方法を用いて、不均一膜を通る様々な種の同時移動に関する式を解いた。このシミュレーションの結果は、位置及び時間に対する膜中の種の濃度（水、イオン、他の溶質及びガス）である。次に、これらの濃度値を用いて、本発明の不均一膜を用いた電極の電気的応答を計算する。本発明の最良の実施方法を教示するため、これらの数値的なシミュレーション及び本発明に従って作製された典型的な不均一膜電極からのデータを以下に与える。
【００６６】
［不均一膜への水の拡散］
乾式試薬の電気化学センサに水を導入する前には、以下の場合が一般的である。１：装置が相当なノイズを示す。水がないと、装置の大部分の膜成分がまだ十分なイオン導電性ではなく、その電気抵抗が大きい；２：電位差計参照電極を含む電位差計電極の電極電位と応答勾配が不安定であり、時間とともに急速に変化する。湿潤化の前は、電極界面での電気化学反応はゆっくりであり、電極電位が十分には安定していないといわれている；３：ポーラログラフ装置は、湿潤化の前には低い電極電流と大容量の過渡電流を示す。その結果として、乾式試薬の電気化学センサは、装置が水を吸収してセンサとしてのその機能状態に達する間、水溶液に浸さなければならない。これは湿潤化時間と呼ばれる。
【００６７】
本発明の不均一膜の湿潤化は、ガス透過性の疎水性区画を介した急速な水の拡散、次いで不均一膜中のガス透過性区画と親水性区画の間の急速な分配による。
【００６８】
以下のように不均一膜の湿潤化を計算した。まず、水が疎水性区画を介して膜に拡散する時間と位置の依存性を計算する。輸送方程式の数値解法は、（２３℃、４０％ＲＨでの通常の室内空気に相当する）０．０１気圧の水蒸気の周囲条件において当初貯蔵された、水溶解度が１×１０-3ｍｏｌ／ｃｍ3・ａｔｍの疎水性ポリマーの初期平衡含水量に相当する１×１０-5ｍｏｌ／ｃｍ3の初期条件を用いた。この計算に用いた溶解度及び拡散係数は、ガス透過性が高いポリマーの典型であるＰＤＭＳについて表１に示している。親水性区画中の水量は、（親水性区画の平衡吸水量の値を仮定して）疎水性区画と親水性区画の間の平衡分配を計算することにより得られる。このようにして電極の内膜面での水量対時間が得られる。次いで、内面での９５％吸水に対する時間は、計算時間の過渡より得られる。
【００６９】
幾つかの不均一膜の組成及び厚さに関する９５％湿潤化の計算時間が図２に示される。ＶE／Ｖ×１００％＝ＶE／ＶH×ＶH／Ｖ×１００％によって与えられる膜中の水の体積百分率は、親水性成分中の水の体積分率と不均一膜中の親水性区画の体積分率との積である。湿潤化時間は、湿潤される膜の水量とともに直線的に増加する（図２Ａ）。湿潤化時間は、膜厚の二乗として増加する（図２Ｂ）。
【００７０】
本発明に従った典型的な膜組成物は、０．０１＜ＶH／Ｖ＜０．１及び０．０１＜ＶE／ＶH＜０．１を有するため、０．０００１＜ＶE／Ｖ＜０．０１である。典型的な膜厚は０．０１ｃｍであるため、典型的な不均一膜のｔ95は、水溶解度が１×１０-3ｍｏｌ／ｃｍ3・ａｔｍ、拡散係数が１×１０-5ｃｍ2／ｓの典型的な疎水性ガス透過性ポリマーを含有する場合には１２＜ｔ95＜６０秒である。
【００７１】
［不均一膜を有する電位差計塩橋参照電極］
図３Ａと図３Ｂは、従来技術の平面塩橋参照電極の水平断面を示し、図３Ｃは、本発明の好ましい塩橋電極の好ましい水平断面を示す。図３Ａに表される装置２０は、従来技術である米国特許第４，９３３，０４８号の延長した塩橋平面参照電極である。これは平面基板２１を備え、微細加工された導体２２が絶縁体層２３の孔を介して微細加工された銀２４と塩化銀２５の電極に接触している。塩化カリウムを含有する薄膜の親水性マトリックス２６は微細加工されて、電極から試験溶液と液絡している辺境領域２８まで延びている。親水性マトリックス膜は、微細加工された水蒸気透過性絶縁部材２７でコーティングされている。図３Ｂに表される装置３０は、従来技術である米国特許第４，５９２，８２４号の別の平面参照電極である。これは平面シリコン基板３１を備え、絶縁体層３３の上に微細加工された銀３４と塩化銀３５の電極を備えている。シリコンにはエッチングされたキャビティがあり、それは塩化カリウム溶液３６で満たされ、ガラスカバー３７でシールされている。キャビティ中の一体的な電解質は、シリコン基板中に作られた多孔領域３８を介して試験溶液と液絡接触している。
【００７２】
これらの使用においては、従来技術の平面塩橋参照電極は試験溶液に浸漬される。塩化カリウムの一体的なリザーバは、銀−塩化銀電極上で一定濃度のままであり、したがって、一定の電極電圧を規定する。塩橋は、銀−塩化銀電極領域を外部の試験溶液に電気接続させる。
【００７３】
図３Ｃは、電位差計塩橋参照電極に向けられた本発明の好ましい実施態様の水平断面を示す。
【００７４】
図３Ｃの実施態様は、上記従来技術の複雑な多層デバイスと比較した場合に非常に簡単である。この実施態様において、平面電極は金属のみである（標準的な銀−塩化銀技術の場合の金属塩がない）。金属は、金属接点材料と同じものである。塩橋電解質は、不均一な組成物からなる単一層の膜コーティングに組み込まれる。断面で示される電極モジュール４０は、導電性金属箔部材４２と任意選択の中間の接着剤４３を積層した絶縁箔４１を備えている。絶縁体箔４１を貫く穿孔４４が電極の位置を定める。不均一膜４５は、水蒸気透過性（であるが電解質不透過性）の疎水性ポリマー成分と、親水性の電解質透過性成分とからなる。この親水性成分は、ほぼ等可動のカチオンとアニオンの濃縮塩（例えば、塩化カリウム）と、金属電極で酸化還元反応に関与するレドックス活性種とから少なくともなる。この装置の好ましい実施態様においては、電極は金であり、不均一膜は、少なくとも塩化カリウムとフェロシアン化カリウムを含有する親水性成分と混合したシロキサンの疎水性ポリマーからなる。膜の親水性区画の追加成分は、ポリビニルアルコールなどの親水性ポリマーバインダー、界面活性剤、及びｐＨ緩衝剤である。
【００７５】
不均一膜の疎水性水蒸気透過性区画は、当初実質的に乾燥した膜への十分かつ急速（典型的には３０秒未満）な吸水を達成するのに十分な量で存在すべきである。本開示において用いられる「乾燥した」の定義は、「乾燥した」親水性区画が液体電解質よりはむしろ準固体の特性を有し、さらには膜の成分が棚に保管している間化学的に安定であり、保管の間に膜から認め得るほどには移動しない程度に水が存在しないことである。乾燥した膜の初期条件は、例えば、通常の４０％相対湿度環境での保管から生じた結果であり、相対的に無水（低い相対湿度）の保管条件から生じた結果として乾燥している必要はない。本明細書で記載される全ての典型的な装置を標準の室温及び湿度（４０％＋／−１０％ＲＨ）で保管した。使用において、装置を試験溶液に浸漬すると、疎水性区画を介した初期（典型的には３０秒未満）の急速な吸水が起こる。
【００７６】
乾燥した状態では、親水性区画の含水量は比較的少なく、式１によれば、その伝導路の屈曲性は大きい。結果として、電気抵抗も大きく、装置はノイズを示す。装置は、湿潤化されるまでは安定した参照電極として作用しない。
【００７７】
本装置は、１つの校正流体を使用する測定手順において電位差計指示電極とともに使用することを意図しており、本発明の最適性能の塩橋参照電極についての設計仕様は、（電位決定反応による電極での電位と液界電位の和である）参照電極の電位が測定の進行を通して一定であることを必要としないし、装置ごとに一定であることも必要としない。最適性能の装置は、試験溶液の化学組成における変化に対して低い応答勾配を示すことのみ必要とされる。それゆえ、不均一膜の内部境界での電極電位決定種（本例ではレドックス試薬）の濃度が使用の際に一定のままであることは必ずしも必要ではなく、濃度は、電位決定電極反応を構成するため試験溶液から浸透するレドックス汚染物質に対して十分過剰なままであればよい。種々の塩橋電解質の濃度が一定のままであることも必ずしも必要ではなく、低い液界電位と一致した閾値濃度よりも高いままであればよい。
【００７８】
湿潤化の際及びその後には、親水性区画に当初含まれていた試薬（少なくとも塩化カリウムとレドックス電解質）は、試験溶液への外部拡散によって不均一膜中で連続的に枯渇している。したがって、不均一膜中でのこれら試薬の濃度は、測定の進行を通して減少する。膜中の試薬の初期量、膜厚、及び膜の親水性区画の透過性によって、試薬が臨界の閾値濃度レベルまで減少する時間が決定される。以下に示すように、塩の拡散係数が十分低い限りは、膜の塩化カリウム濃度は、測定時間（典型的な測定時間は１０〜２００秒程度である）まで閾値濃度よりも高いままであり、参照電極の応答勾配は小さい。レドックス試薬が電位決定種であるようなレベルにレドックス試薬の濃度がある限りは、試験溶液中の電子活性汚染物質の変化レベルに対する電極応答はないであろう。低い電解質拡散係数で処方された不均一膜はまた、レドックス汚染物質が、試験溶液からそれらが電位決定反応体として争うであろう電極面まで移動するのを妨げる。
【００７９】
本発明に従った不均一塩橋膜を処方するための設計基準の理解を深めるために、本発明に従って作製された幾つかの典型的な参照電極からの試験データを示し、それらの電気的特性を計算したシミュレーションデータと比較する。
【００８０】
シミュレーションにおいては、不均一膜の親水性区画に拡散する水、それから拡散する試薬、及びそれに拡散する汚染物質の過渡濃度は、拡散方程式の前述した差分解法を用いて計算した。数値的なシミュレーションの更なる改良は、時間と位置で変化する膜の塩拡散係数を使用することである。これによって、親水性流路の多孔性と屈曲性（したがって、塩拡散係数）が変化する湿潤化の際の膜輸送のモデル化が可能となる。膜の輸送特性と含水量の間で式１の関係式を使用した。
【００８１】
［参照電極の例］
参照電極は、商業的に入手可能なスマートカードモジュール上に作製した。この電極は、金メッキされた０．００１５ｃｍの銅を一方の側に積層した、約１ｃｍ×１ｃｍ、厚さ０．０１ｃｍのエポキシ樹脂の箔本体を備えていた。金属箔は、スマートカードモジュールに関するＩＳＯ規格によって定められる幾何学的形状の８つのコンタクトパッドに光成形した。７つの０．８ｍｍ直径の穴を接点金属上の領域のエポキシ樹脂箔に打抜いた。
【００８２】
このモジュールは、販売業者から得られる電極を調製するのに用いた。参照電極の不均一膜はピン転写印刷法によって印刷した。この方法では、金属ピンを印刷溶液に浸して印刷材料を充填した。次いで、エポキシ樹脂を貫く流路領域のモジュール表面に印刷材料を有するピンを移動した。印刷材料を有するピンをモジュール表面に接触させて、印刷充填物を流路上に堆積させた。印刷の濡れ厚さは約２００〜５００μｍであり、直径は約１ｍｍ〜１．２ｍｍであった。試験のため、参照電極膜を備えたモジュールあたり数個の電極を典型的に印刷した。印刷したモジュールを室温で約１０分間空気乾燥し、次いで約７０℃のホットプレート上に置いた。次いで、光架橋性ＰＶＡを含有する膜を市販の歯科用ランプによるＵＶに１０秒間さらした。モジュールを室温（２０〜２５℃）及び湿度（４０〜５０％ＲＨ）で保管した後に試験を行った。
【００８３】
印刷混合物は、溶解塩を有するシロキサンの水性エマルジョンを含んでいた。水性シロキサンエマルジョンは、Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃより得られるＳＭ２０５９であった。これは、カチオン乳化剤を有する反応性アミン末端シロキサンのエマルジョンである。塩（と幾つかの混合物においてはポリビニルアルコール）の計量した量を下表に示す量で受け入れたままのシロキサンエマルジョンに添加した。ポリビニルアルコールは、スチルバゾニウム官能基を結合したポリビニルアルコール（Ｅｓｐｒｉｘ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓより得られるＰＶＡＳＢＱ２５０）を用いた光架橋性処方物であった。
【００８４】
【表２】
0004559231.tif 000004
【００８５】
参照電極膜は、乾燥厚さが５０〜２００μｍの堅いエラストマーに硬化した。
【００８６】
電極は流体セルにおいて試験した。セルは、水性流体を導入するための流体チャンバーを含んでいた。セルは、一方が試験のためのモジュール電極面であり、もう一方がポリカーボネートのスラブである、２つの間隔を置いて配置した平面から構成された。これらの面は、チャンバーを流体からシールするシリコーンゴムガスケットによって離して配置した。流体は、第１の入口管を介してチャンバーに導入し、第２の出口管を介して排出した。各管は、ポリカーボネートのスラブを介して接続された。モジュールの接触面をＡｍｐｈｅｎｏｌ製のスマートカードコネクターに接触させた。入口管に銀接地電極を配置し、出口管に市販の３Ｍ ＫＣｌ銀／塩化銀参照電極（Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ社）を配置した。電位差計の測定のために、スマートカード電極の配列上の各参照電極とインラインの市販の参照電極を高インピーダンスソースフォロアアンプに接続し、次いでデータ取得カードを介してＰＣに接続した。電流−電圧測定のために、インラインの銀電極に電圧をかけ、スマートカード電極を電流電圧変換器に接続し、次いでデータ取得カードを介してＰＣに接続した。
【００８７】
試験溶液は、塩化ナトリウム及び炭酸水素ナトリウムを含有する種々のＨＥＰＥＳ緩衝水溶液であった。
【実施例】
【００８８】
［例１：湿潤化中の電圧の推移］
７つの参照電極配列の時間に対する電圧を図４に示す。このデータは、表２の処方物ＰＣ−０２０８０２−１／１を用いて印刷した電極配列に関するものである。
【００８９】
このグラフのデータは、本発明による電極の典型的な電圧対時間の推移を示している。電極のノイズが多く、電圧が急速に変化する第１の急速な湿潤化期間（０〜３０秒）がある。続いて電圧がより緩やかに変化する停滞した領域があり、次に塩が膜から漏れ出すにつれてゆっくりとした電圧の変化がある。
【００９０】
ＶH／Ｖ＝０．０１、ＶE／ＶH＝０．０６（ＶE／Ｖ＝０．０６％を膜の平衡含水量とする）、ＤG＝１×１０-5ｃｍ2／ｓ、ＳG＝１×１０-3ｍｏｌ／ｃｍ3・ａｔｍを用いて不均一膜のシミュレーションを行った。膜の親水性区画への当初の塩の充填は、塩化カリウム１×１０-2ｍｏｌ／ｃｍ3及びフェロシアン化カリウム２×１０-3ｍｏｌ／ｃｍ3であった。電極電圧対時間は、電極面における電位決定イオン（フェロシアン化物）の濃度の対数から計算した。
【００９１】
電極面における膜のシミュレーションされた塩濃度が、図５Ａに示されており、電極電圧対時間が図５Ｂに示されている。このシミュレーションは、実験に基づいて観測したのと同じ典型的な電圧推移を示している。最初の２０秒の間、吸水のために塩化カリウムとフェロシアン化カリウムの濃度が初期の迅速な減少を示した。これに塩の拡散排出の緩やかな変化が追随した。塩濃度の減少速度は、親水性流路が式１に従って水を捕捉するので、時間の経過とともに増加する塩拡散係数によって大きくなる。終端塩拡散係数は、親水性流路の終端水量を知ることによって上述の式から計算される。所定の膜の塩拡散排出量は、膜の塩拡散係数とともに増加する。膜に組み込まれる外部汚染物質（試験溶液中の１００ｍＭの塩ＡＢ）の量も、塩拡散係数とともに増加する。
【００９２】
［例２：湿潤化中の膜抵抗の推移］
図６Ａに示されているデータは、厚さの異なる３つの電極配列についての実験に基づく膜抵抗対時間を示す。これらの電極は、表２に記載されている処方物ＰＣ−０２１００７−１を用いて印刷された。
【００９３】
図６Ａの実験に基づくデータはまた、本発明による電極の典型的な推移を示している。水が膜の親水性区画によって捕捉されているとき膜の抵抗が速やかに低下している湿潤化期間（１００μｍの厚さの膜に対して０〜３０秒、２００μｍの厚さの膜に対して０〜９０秒）を示している。最小の抵抗は、平衡水を捕捉したが膜に当初に充填されたほとんどの量の塩を保持しているような膜に対応する。時間が経過すると、塩が漏れ出し、従って、膜の抵抗は再び増加する。
【００９４】
膜の大部分の電気抵抗が、推移する塩濃度分布及び時間に依存する湿潤化塩の拡散係数の計算によってシミュレーションされた。この計算は、図６Ｂに示されている。シミュレーションは、１×１０-5の水蒸気拡散係数及び１×１０-7ｃｍ2／ｓの塩拡散係数を用いた。シミュレーションは、実験に基づくデータと同じ典型的な抵抗の推移を示している。
【００９５】
上記のデータ及びシミュレーションは、実質的に完全に吸水される時間までの湿潤化中に膜の電気抵抗が大きくかつ迅速に変化することを示している。結果的に、参照電極は、実質的な湿潤化まで有用な性能を示さない。
【００９６】
［例３：参照電極の性能］
本発明による電位差計塩橋参照電極は、主として生体外の血管分析のための、単一校正器溶液を用いる単位使用の配置を目的としている。このような適用において、測定時間は、典型的に３００秒未満である。
【００９７】
図７のグラフは、応用のために処方された典型的な不均一膜についての液絡部の参照電極応答に関する実験に基づくデータを示している。試験データは、それぞれ７つの参照電極を備えた２つのモジュールから取られた平均的な応答である。不均一膜は、表２に記述されている処方物ＰＣ−０２０８０２−２を用いて印刷された。この処方物において、親水性区画は、乳化剤と塩のみを含み、すなわち、ポリビニルアルコールバインダーの追加はない。処方物のＳＭ２０５９シリーズに関して、ポリビニルアルコールバインダーがないとき最適の性能を持つ最小のＰＶＡ量の挙動を見出した。
【００９８】
これらの試験において、フローセルへ連続して３つの異なる溶液を流した。第１のベースライン溶液１は、９１ｍＭのＮａＣｌ、９ｍＭのＮａＨｅｐｅｓ及び１１ｍＭのＨＨｅｐｅｓであり、第２の溶液２Ａ（３０ｍＭの重炭酸化物によって置換された３０ｍＭの塩化物を含むベースライン溶液であった）の組成は、６３ｍＭのＮａＣｌ、３０ｍＭのＮａＨＣＯ3、７．５ｍＭのＮａＨｅｐｅｓ及び１２．５ｍＭのＨＨｅｐｅｓであった。第３の溶液２Ｂ（３０ｍＭの追加のＮａＣｌを含むベースライン溶液であった）の組成は、１２１ｍＭのＮａＣｌ、９ｍＭのＮａＨｅｐｅｓ、１１ｍＭのＨＨｅｐｅｓであった。溶液が溶液１から溶液２Ａ又は溶液２Ｂに変化されたとき、市販の参照電極に対する電極電位の変化が記録され、同様に、約３００秒の完全な湿潤化からの測定時間にまたがる変化の時間が記録された。
【００９９】
データは、参照電極応答が試験溶液中の浸漬時間とともに一般的に増加し、３００秒において＋０．２５ｍＶ（３０ｍＭの重炭酸化物の追加）及び０．２５ｍＶ（３０ｍＭの塩化物の追加）に到達することを示している。
【０１００】
また、液絡の応答のシミュレーションを行った。膜における電解質濃度対時間を計算するために差分拡散モデルを用いた。膜の内部境界における電解質及び膜の外部境界における試験溶液中の電解質の電位差が、拡散方程式の数値解から得られた電解質濃度を用いた液絡に関するＨｅｎｄｅｒｓｏｎの式から計算される液間電位である。以下に示されているＨｅｎｄｅｒｓｏｎの式は当技術分野で周知であり、この主題に関して多くの標準的なテキストにおいて記載されている（例えば、Ａ．Ｊ．Ｂａｒｄ及びＬ．Ｒ．Ｆａｕｌｋｎｅｒ，Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｔｈｏｄｓ，Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ＆Ｓｏｎｓ，１９８０）。
【０１０１】
【数２】
0004559231.tif 000005
【０１０２】
不均一膜の水性区画におけるタイプｉのすべてのイオン濃度は、電極面における内部境界Ｃi（Ｌ）において及び校正器又は試験溶液に接触する外部境界Ｃi（０）において評価され、その際ｚi及びｕiは、それぞれｉ番目のイオンの電荷数及び移動度である。この式は、優勢な濃度の液絡中の塩が存在するとき及び塩の陽イオン及び陰イオンの移動度が数値的に類似しているとき、液間電位が、小さくなって接合中の他の塩の濃度には依存しないことを教示している。従って、工業規格の塩橋参照電極は、飽和溶解度に近い濃度においてそのイオンがほぼ等可動性である３又は４Ｍの塩化カリウムの塩橋組成を用いる。本発明による不均一膜の液間電位の計算は、膜の水性キャピラリー細孔（通常、純粋な水性の電解質と同じ）内の移動度に屈曲係数をかけて得られる膜のイオン移動度の値を用いる。良好な液絡においては、拡散イオンと親水性区画の構成要素の間には特定の相互反応が生じないことが必要である。このような相互反応は、純粋な水性電解質におけるそれらの値からイオンの相対的な移動度の変化として現れる。小さな液間電位を示す有効な塩橋マトリックスとなるべき膜のために、塩化カリウムイオンの相対的な移動度は、純粋な水性の電解質におけるそれと同一であるべきであり、すなわち、それはほぼ等可動性であるべきである。
【０１０３】
シミュレーションにおいて、液間電位は、装置がまず溶液１に浸漬され、次いで異なる組成の第２の試験溶液２Ａ又は２Ｂに浸漬される。溶液１から溶液２の電位差は液絡応答を表す。図７のグラフは、ミリボルト（ｙ軸のＤｍＶ）対時間における液間電位の計算された変化を示している。実験に基づくデータとともに、計算はまた、液間電位対時間の増加を示しており、計算が、膜内における塩化カリウム濃度の時間経過の漸次の減少に一致することを示している。
【０１０４】
データ及びシミュレーションは、試験溶液中の優勢な電解質イオンの組成（試験溶液が血液であるとき、ナトリウム、塩化物及び重炭酸化物）が正常な血液の組成に近い中間点組成付近の３０ｍｌ／Ｌだけ変化されるとき、液間電位の変化を定める。３０ｍＭの変化は、ほぼ正常な血液の組成である血液組成のこれらのイオンの９９％の範囲を内容とする。この変化は、参照電極の液絡応答が特定の限界内であるべき最大の組成的な範囲を示している。一価のイオン濃度の測定における塩橋参照電極と組み合わせられる電位差計指示電極を使うとき、＋／−１％の測定誤差が、−／＋０．２５ｍＶの参照電極の液絡誤差に常に遭遇する。特定された２％の測定誤差を下回るために（通常、生体外血液分析目的で求められる）、参照電極の液絡は、＋／−０．５ｍＶの応答しか与えることができない。
【０１０５】
データは、例の参照電極が３００秒まで使用でき、＋／−０．２５ｍＶ未満の誤差を与えることができることを示している。対応するシミュレーションは、３又は４Ｍの塩化カリウムの液絡を用いた工業規格参照電極の応答に対して０．２５ｍＶを下回る誤差を達成するために、測定点における０．６ｍｏｌ／Ｌの塩橋塩化カリウムの減少させられた濃度のための閾値を教示している。工業規格の参照電極に対して１％を下回る誤差の達成のために、液絡は０．２５ｍＶしか与えることができない。１％の許容値の塩化カリウムの閾値濃度は約１Ｍである。
【０１０６】
他の実施例の参照電極は、例えば、配合ＰＣ−０２０８０２−１／１によるものであり、２００秒後に±１ｍＶに上昇する１００秒において±０．５ｍＶの大きな参照応答を示す。これらの電極は１００秒後に２％の許容限界を超えるので、測定は、必要な２％の許容限界を達成するために１００秒以前に実行されねばならない。シミュレーションは、３〜５×１０-7ｃｍ2／ｓの拡散係数においてさらに迅速な塩の減少と一致する結果を示す。
【０１０７】
電位差計測定を実行するための最適な時間窓を決定する設計原理は、今や、膜がほとんど湿潤して膜の塩化カリウムが１Ｍ（１％の許容値）から０．６Ｍ（２％の許容値）に減少する間の時間として要約できる。この時間窓は、膜内への水の移動及び膜外への塩の移動の相対的な拡散係数に依存するであろう。
【０１０８】
膜からの材料の拡散流入及び排出の速度は、固有の時間によってほとんど理解される。拡散処理の特性時間ｔcは、厚さを平方して拡散係数で割られたｔc〜Ｌ2／Ｄで測定する。Ｄ＝１×１０-5ｃｍ2／ｓにおける０．０１ｃｍ厚さの膜への水の流入の場合、ｔc＝１０秒であり、及び、９５％完了までの時間は、約−ＬＮ（０．０５）ｔc＝３０秒である。Ｄ＝１×１０-7ｃｍ2／ｓにおける０．０１ｃｍ厚さの膜からの塩の排出の場合、ｔc＝１０００秒であり、及び、例えば、５０％排除までの時間は、約−ＬＮ（０．５）ｔc＝６９０秒である。Ｄ＝５×１０-7ｃｍ2／ｓにおける０．０１ｃｍ厚さの膜への塩の排出の場合、ｔc＝２００秒であり、及び、５０％排除までの時間は、約−ＬＮ（０．５）ｔc＝１３８秒である。Ｄ＝１×１０-6ｃｍ2／ｓにおける０．０１ｃｍ厚さの膜への塩の排出の場合、ｔc＝１００秒であり、及び、５０％排除までの時間は、約−ＬＮ（０．５）ｔc＝６９秒である。
【０１０９】
本発明による塩橋参照電極の不均一膜は、水及び塩の拡散比が約１０のみであるとき、かろうじて有用である。もし公称の測定時間が公称０．０１ｃｍ厚さの膜に対して４４秒と定められると、測定時間は、膜厚さが代わりに０．００８ｃｍの厚さ（公称厚さマイナス２０％）又は０．０１２ｃｍ（公称厚さプラス２０％）であるとき問題外となる。膜は、仕様内で一貫しているべき変化の公称厚さ±２０％／３＝７％の係数において印刷されるべきである。このような膜組成は、しかしながら、膜厚さの変化において強さがない。水対塩の拡散係数の比が２０であるとき、必要な膜厚さの仕様は、公称±３６％／３＝１２％ＣＶとなる。比が１００であるとき、必要な膜厚さの仕様は、公称±６５％／３＝２２％ＣＶとなる。これらの膜は、膜厚さの変化において強固である。
【０１１０】
我々は、金属電極上に単一の不均一膜コーティング工程を持つ塩橋参照電極を製造したかった。上記したように、これは、膜がその親水性区画内に塩化カリウムを含む内部塩リザーバとレドックス試薬を提供することを必要とする。これはまた、従来技術の装置よりも製造が非常に簡単なものであるのに、金属電極をコーティングした２つの膜を含んでいる参照電極を明らかに実現可能にしている。最初のものは内部リザーバ層であって、リザーバの塩を含む親水性区画を備えている。第２のものは、水蒸気透過性区画と親水性区画を備えた不均一膜である。不均一膜の水蒸気透過性区画は、水蒸気の移動が内部の親水性層及び不均一膜の親水性区画両方の湿潤化を可能にする。不均一膜の親水性区画は、内部リザーバと試験溶液の間の塩の移動を可能にして液絡を確立する。
【０１１１】
［本発明による電極を用いた診断カード］
本発明による電極は、単一の校正器溶液を備えた単位使用の診断装置に展開することが特に適している。単位使用の診断カードは、我々が診断試験カードを出現させるまで単一の一体的なユニットに形成されていた。センサ及び一体的な校正器を備えた診断試験カードは、当技術分野で周知である。しかしながら、これまでにここで述べているようなコスト効果を持ったものはない。我々は、同時係属の米国特許出願第ＳＮ０９／８７１，８２３号において電極モジュールを内蔵したコスト効果のある診断カードが開示し、本明細書で本発明による電極モジュール及び不均一膜電極を用いるように形成された診断カードをより詳細に記載している。この新規なカードは、現在の技術のいかなる装置よりもはるかにコスト効果があり、一体化された測定装置を提供する。
【０１１２】
図８Ａ〜８Ｃは、本発明による不均一膜電極を備えた電極モジュールを含む診断カードの底面図と２つの断面図の概略を示している。図８Ｂの概略断面ＡＡ’は、測定セル２１１を貫通して校正器チャンバー２２０から消耗チャネル２４１に流路に沿っており、他方の図８Ｃの概略断面ＢＡ’は、測定セル２１１を貫通して試料流入口２５１から消耗チャネル２４１に流路に沿っているものである。
【０１１３】
図８Ａ−８Ｃにおいて、この実施例における診断カードは、ハウジングの下面に埋め込まれた電極モジュール２０３を備えたクレジットカードサイズの成形されたプラスチックハウジング２００である。電極モジュールは、本発明による不均一膜を備えた電極配列である。これは、８つの電極接触部材に光成形された金メッキの銅箔を積層された型抜きの貫通通路を有するエポキシ樹脂の箔モジュール２０４を含んでいる。２つの接触部材２０５及び２０６が、概略側面図に示されている。不均一膜２０７及び２０８が、モジュールの上面にエポキシ樹脂内の通路を貫通している金属接点２０５及び２０６に接触して示されている。電極モジュール及びその接点金属の寸法は、電子的なスマートカードに関して定められているＩＳＯ規格に対応していることが好ましい。ハウジング２００はまた、シールされたとき流体チャネル及びシールされた流体リザーバを形成するその上面（底面視概略図における破線）及び下面（底面視概略図における実線）の両方に成形された構成（溝、トレンチ及び孔）を備えている。シールは、シール部材２０１及び２０２及び２２３を積層することによってハウジングの下面及び上面に作られる。カードの下面におけるシール部材２０１は、型抜きの接着剤をコーティングされたポリマーシートである。上面おけるシール部材２０２はまた、ガス透過性であり、少し機械的な剛性を備えるとともに透明又は半透明であるように選ばれている型抜きの接着剤を塗布されたシートである。部材２０３は、熱をシールするために塩化ポリビニリデンをコーティングされた型抜きの金属箔である。
【０１１４】
プラスチックハウジングの下面には、２つのトレンチがある。部材２２３によってシールされると、それらは約１５０μＬの体積を有するチャンバー２２０を形成する。充填ポート２２１がプラスチックハウジング２００を貫通しており、これを介して校正液２２４が連通ポート２２２を用いてハウジングの上面から射出されてチャンバー２２０を充填し、さらにハウジングを介して充填処理中にチャンバー２２０からの通気をも可能にする。液体を充填されたチャンバーは、ポート２２１及び２２２がハウジングの上面に積層されたシール部材２０２によって閉じられたとき完全にシールされる。
【０１１５】
液体チャネル２１０が、モジュールの上で校正器チャンバーを測定セル２１１に接続し、次いで消耗チャネル２４１に接続している。第２の液体チャネル２５０が、試料注入ポート２５１を測定セルに接続している。破断可能なシール２３０が、校正器チャンバーの選択的な開放のために測定セル及び校正器チャンバーの間のチャネルに配置されている。このシール２３０は、ハウジング２００を介して開口２３３に嵌合されるプラグ２３４を備えてハウジング開口内をプラグが摺動することを可能にしている。以下にさらに詳細に説明されるように、プラグ２３４付近のハウジング２００及びシール部材２０２の間のシールの領域２３１及び２３２が、プラグ２３４の上方移動時に積層を外される。
【０１１６】
カードは、以下のようにして組み立てられる。受け入れられた成形されたプラスチックハウジング２００はまず、電極モジュール２０３及び校正器チャンバーのシール部材２２３を積層される。校正器流体が、ポート２２１を通ってチャンバー２２０に射出される。不均一膜が、組み立て過程のこの時点においてモジュール上に印刷され、又は、それらは、モジュールの組み立て前に印刷されることもできる。上方のシール部材２０２次いで下方のシール部材２０１を備えたカードハウジングの積層は、処理を終了する。上方のシール部材２０２は、ハウジング２００からのシール部材の部分的な持ち上げを可能にするフラップ部分２９０を備えている。
【０１１７】
使用に際して、カードは、図９Ａに概略を示されるように種々の構成を備えた平面の合せ部材２８０を有するカード読取装置に挿入される。
【０１１８】
カード読取機のカード挿入オリフィスは、カードの構成をカード読取機の合せ部材のそれぞれの合せ面の特徴と整合するための構成のガイドを有している。カードの下方の面は、カード読取機の合せ面に接触させられる。カードが合せ面に接触すると、ピン部材２８２がまず、校正器チャンバーの出口弁２３０（図９Ｂ）においてカードに接触する。ピンは、プラグ２３４を上方に押し上げる。これは半硬質の積層体２０２を持ち上げ、シール点２３１及び２３２で積層剥離を生じさせ、そうして校正器チャンバーを流体的に開放する。同時に電極モジュールが、カード読取機の合せ面にやはり埋め込まれている８つの接触ピンの配列を備えた電極モジュール接触配置によって接触される。８つの接触ピンの内の２つが、図９Ａの概略側面図に示されている。それぞれが、電極モジュールの下方面上で接点部材２０５、２０６にｚ作動接触する接触端部２８３、２８４、及び、電気回路測定配置に接触する接触端部２８５、２８６を備えている。同時に、電極モジュールはまた、ヒータブロック２８７によって接触される。ヒータブロック２８７は、測定チャンバーの直下でその下方面においてモジュールに熱的な接触を行う。ヒータブロックは、ブロックとそれぞれ密接な熱的な接触を行うヒータ部材及び温度測定部材に接続されている。ヒータ部材及び温度測定部材はまた、電気回路に接続されている。カードが合せ面に対して下降され続けると、ピン部材２８１は、校正器チャンバー２２０に接触してこれを押し下げ、チャンバーから流体チャネル２１０に沿って測定チャンバー２１１へ流体を供給する（図９Ｃ）。校正期間後、カード読取機は、使用者に診断カードへの試料液の供給をうながす。使用者は、フラップ２９０を持ち上げて試料ポート２５１の領域においてハウジング２００からシール部材２０２を取り外し、次いで試料を含んでいるシリンジをカードの試料注入ポート２５１にあるルアー型取り付け部材に係合させる。使用者は、チャネル２５０に沿ってシリンジから測定セル２１１に試料を供給し、校正器をチャンバー２１１から消耗チャンバー２４１に移動させる。これは、図１０に概略が示されている。試料射出過程は、実質的にすべての校正器流体が測定セル２１１から押し出されるまで続行され、これは、少なくとも測定セルの上方の領域においてシール部材２０１の透明性のために視覚で確認可能である。試料の測定は、試料の射出の完了直後に実行される。
【０１１９】
本発明の特定の実施例がここでは説明の目的で記述されたが、種々の変形がその技術的な範囲から逸脱することなく行える。
【図面の簡単な説明】
【０１２０】
【図１Ａ】本発明による電極の原理的な模式断面図である。
【図１Ｂ】本発明による装置の好ましい実施態様の水平断面図である。
【図１Ｃ】本発明による装置の好ましい実施態様の水平断面図である。
【図２Ａ】膜厚に対する不均一膜の９５％湿潤化のシミュレート時間である。
【図２Ｂ】平衡含水量に対する不均一膜の９５％湿潤化のシミュレート時間である。
【図３Ａ】従来技術の平面塩橋参照電極の水平断面図である。
【図３Ｂ】従来技術の平面塩橋参照電極の水平断面図である。
【図３Ｃ】本発明の１つの実施態様による塩橋参照電極の水平断面図である。
【図４】本発明による参照電極の時間に対する実験に基づく電極電圧データのグラフである。
【図５Ａ】本発明による参照電極の時間に対する内膜面のシミュレートされた塩濃度のグラフである。
【図５Ｂ】本発明による参照電極の時間に対するシミュレートされた電極電圧のグラフである。
【図６Ａ】本発明による参照電極の時間に対する実験に基づく膜抵抗のグラフである。
【図６Ｂ】本発明による参照電極の時間に対するシミュレートされた膜抵抗のグラフである。
【図７】時間に対する実験に基づく参照電極応答（四角）と、シミュレーションによって計算した参照電極応答（実線及び破線）のグラフである。
【図８Ａ】一体的な流体素子を備え、本発明による電極を含む診断カードの下部面の概略図である。
【図８Ｂ】流路ＡＡ’に沿った図８Ａの診断カードの概略側面図である。
【図８Ｃ】流路ＢＡ’に沿った図８Ａの診断カードの概略側面図である。
【図９Ａ】初期位置にある流路ＡＡ’に沿った診断カードとカード読取機の合せ部材の概略側面図である。
【図９Ｂ】カードを合せ面に下げたときの流路ＡＡ’に沿った診断カードとカード読取機の合せ部材の概略側面図である。
【図９Ｃ】カードを合せ面に完全に接触させたときの流路ＡＡ’に沿った診断カードとカード読取機の合せ部材の概略側面図である。
【図１０】流路ＢＡ’に沿った診断カードとシリンジからの試料供給の概略側面図である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０】
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