JP2005274182A - イオン選択性電極及び参照電極 - Google Patents

Abstract

【課題】取扱いが便利で、微小化が可能であり、１つの試料中の複数種類のイオンを測定することにも容易に対応できる、イオン選択性電極及び参照電極を提供すること。
【解決手段】イオン選択性電極は、基板内に設けられた透孔内の底部に配置されたセンシング膜１６と、該センシング膜上に積層された内部電解質溶液含有親水性高分子層１２と、該親水性高分子層１２に接続された導体電極２０とを具備し、前記センシング膜１６がイオンと選択的に結合してその電位を変化させるイオノフォアを含む。参照電極１０は、基板内に設けられた透孔内の底部に配置された多孔膜１６と、該多孔膜上に積層された内部電解質溶液含有親水性高分子層１２と、該親水性高分子上層に接続された導体電極２０とを具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、イオン選択性電極及び参照電極に関し、特に、基板内に形成され、微小に形成することが可能なイオン選択性電極及び参照電極に関する。

従来、イオン選択性電極や参照電極は、例えば血液中のナトリウムイオン濃度やカリウムイオン濃度を測定するため等に広く用いられており、各種イオンの濃度を測定するためのイオン選択性電極が市販されている。従来のイオン選択性電極は、通常、比較的大型で鉛筆状であり、内部には電解質溶液が密封されている。

特許第３２８８８１２号公報

従来のイオン選択性電極は、サイズが比較的大型であり、１本ずつの鉛筆状であるから、取扱いが不便であり、特に、１つの試料について複数種類のイオンを同時に測定しようとすれば、鉛筆状の電極をイオンの種類の数だけ用いて測定する必要があるため、ますます取扱いが不便になる。

したがって、本発明の目的は、取扱いが便利で、微小化が可能であり、１つの試料中の複数種類のイオンを測定することにも容易に対応できる、イオン選択性電極及び参照電極を提供することである。

本願発明者らは、鋭意研究の結果、基板内に設けた透孔内に電極を形成することに想到し、内部電解質溶液を親水性高分子に含浸させることにより、基板内に設けた透孔内に電極を形成するが可能であることを見出し、かつ、このようにして形成した電極が正しく機能することを実験的に確認して本発明を完成した。

すなわち、本発明は、基板内に設けられた透孔内の底部に配置されたセンシング膜と、該センシング膜上に積層された内部電解質溶液含有親水性高分子層と、該親水性高分子層に接続された導体電極とを具備し、前記センシング膜がイオンと選択的に結合してその電位を変化させるイオノフォアを含むイオン選択性電極を提供する。また、本発明は、基板内に設けられた透孔内の底部に配置された多孔膜と、該多孔膜上に積層された内部電解質溶液含有親水性高分子層と、該親水性高分子上層に接続された導体電極とを具備する参照電極を提供する。

本発明により、取扱いが便利で、微小化が可能であり、１つの試料中の複数種類のイオンを測定することにも容易に対応できる、イオン選択性電極及び参照電極が提供された。本発明の電極は、基板内に設けられた透孔内に形成され、また、内部電解質溶液を親水性高分子に含浸させるため、電解質溶液を密封するための構造が不要であることから、微小化が容易であり、例えば、上部の直径が2mm程度の電極を形成することができる。また、１枚の基板に複数の透孔を設けて、複数の電極を形成することが容易であるから、１枚の基板に複数のイオン選択性電極及び参照電極を容易に形成することができ、それらに１つの試料を同時に又は連続的に接触させることにより、１つの試料中の複数種類のイオンを同時測定する場合にも容易に対応することができる。

本発明のイオン選択性電極の好ましい態様を図１に基づき説明する。図１は、本発明のイオン選択性電極の好ましい態様を模式的に示す断面図である。電極１０は、基板１４内に設けられた透孔１２内に形成される。基板１４の材質は、不導体であれば特に限定されず、合成樹脂やガラスを例示することができ、加工が容易な合成樹脂（例えばアクリル）が好ましい。透孔の形状は、特に限定されないが、図１に示すように、少なくともその下部がすり鉢状（すなわち、下に行くほど細くなる）になっていることが好ましい。下部がすり鉢状になっていると、後述するセンシング膜を容易に形成することが可能になる。透孔のサイズは、特に限定されないが、例えば、上部の直径が2mm、下部の直径が1mm、厚さが3mm程度の微小なもので十分に機能する。また、基板のサイズは何ら限定されるものではなく、例えば、取扱いに便利なスライドガラス程度の大きさ（例えば、50mm x 13mm程度）であってよい。

透孔の底部には、センシング膜が形成されている。センシング膜は、通常、合成樹脂中にイオノフォアを含む膜であり、それ自体は公知である。合成樹脂としては、例えば、ポリ塩化ビニル(PVC)やシリコーン樹脂を用いることができる。イオノフォアとしては、各種イオンと選択的に結合する種々のものが公知であり、市販されている。イオノフォアとしては、各種クラウンエーテル系のイオノフォアや、抗生物質であるバリノマイシン等が広く知られており、公知のものをそのまま利用することができる。例えば、カリウムイオノフォアとしてはバリノマイシン（同仁化学社より市販）、ナトリウムイオノフォアとしてはDD16C5(2,6,13,16,19-Pentaoxapentacyclo[18.4.4.47,12 .0 1,20 .0 7,12]dotriacontane)（同仁化学社より市販）等を用いることができる。その他、イオン選択性電極としては、例えば塩素イオン、アンモニウムイオン、鉛イオン、銅イオン、臭素イオン、フッ素イオン、シアンイオン、カドミウムイオン、硝酸イオン測定用のものなどが市販されており、それらに用いられている各イオノフォアを用いることができる。合成樹脂中に含有させるイオノフォアの濃度は、イオノフォアの種類や、イオン濃度のダイナミックレンジ等に基づいて適宜設定可能であるが、通常、合成樹脂の重量に対して5〜20重量％程度である。また、センシング膜の厚さは、特に限定されないが、通常、10μｍ〜1.0mm程度である。

センシング膜１６上には、内部電解質溶液が含浸された親水性高分子から成る層１８が積層されている。親水性高分子としては、特に限定されないが、ポリビニルピロリドンが取扱い性が良好で、電極性能も良好であるので好ましい。内部電解質溶液としては、従来から用いられている塩化カリウム等を用いることができる。内部電解質溶液の溶媒は通常、水であり、電解質の濃度は、特に限定されないが、飽和溶液が好ましい。ポリビニルピロリドンを用いる場合、その濃度は特に限定されないが、電極の製造時に取扱い性が良好な適切な粘度が得られるように、10〜40重量％程度が好ましい。親水性高分子層１８の厚さは、特に限定されないが、通常、0.5〜5.0mm程度である。なお、この親水性高分子層の上表面は、基板１４の上表面と同一の高さでも、突出していても凹んでいても良い。

内部電解質溶液含有親水性高分子層には、導体電極２０が接続される。導体電極２０としては、金属電極が好ましく、例えば、金属の薄膜を積層することにより容易に形成することができる。あるいは、スパッタリングや蒸着により金属層を被着した第２の基板（以下、「上部基板」）を積層し、上部基板上の金属層と前記内部電解質溶液含有親水性高分子層が接触するようにすることもできる。あるいは、導体電極は、棒状ないし線状のもの（導線）であって、親水性高分子層内部に挿入されていてもよい。なお、図１では、導体電極２０の上表面は、基板１４の上表面と同じ高さになるように描かれているが、このような必要はなく、導体電極２０の上表面が、基板の上表面よりも突出していても凹んでいても構わない。なお、導体電極には、導線が直接又は間接的に接続され、電位が測定される。

次に、本発明の電極の製造方法の好ましい一例について説明する。先ず、基板内に上記透孔を形成する。次に、透孔の底部に、テフロン（登録商標）膜のような離型性の良い材質から成る膜を当て、透孔にセンシング膜溶液を注ぎ、乾燥させてセンシング膜を形成する。センシング膜溶液は、例えばテトラヒドロフラン（THF）のような溶媒中に上記した例えばポリ塩化ビニルのような合成樹脂及び上記したイオノフォアを溶解したものである。合成樹脂の濃度は、特に限定されず、適度な粘度が得られるように適宜設定されるが、通常、10〜50重量％程度である。溶液が乾燥して膜が形成されたら、テフロン（登録商標）膜を剥離する。この際、透孔の下部を上記のようにすり鉢状に形成しておくと、膜がテフロン（登録商標）膜に付着することなく容易に剥がれるので好ましい。

次に、電解質溶液に親水性高分子を溶解した溶液を透孔内に注入し、上記センシング膜上に積層する。親水性高分子としてポリビニルピロリドンを用いる場合、その濃度は、特に限定されず、適度な粘度が得られるように適宜設定されるが、通常、10〜40重量％程度である。

次に、電解質溶液含有親水性高分子層に、導体電極を接続する。これは、金属の薄膜を積層することや、導線を親水性高分子層に挿入することにより容易に形成することができが、取扱い性の観点から、スパッタリングや蒸着により金属層を被着した上記上部基板を積層し、上部基板上の金属層と前記内部電解質溶液含有親水性高分子層を接触させることにより形成することが好ましい。

本発明の参照電極は、上記したイオン選択性電極におけるセンシング膜を多孔膜に代えたものであり、上記と同様に製造することができる。多孔膜としては、特に限定されないが、ポリヒドロキシエチルメタクリレート(pHEMA)膜が好ましい。pHEMA膜はソフトコンタクトレンズに多用されている材料であり、多孔性で柔軟性がある。pHEMA膜は、重合開始剤を含むモノマー溶液を透孔に添加し、その場で多孔性膜を生成することが好ましい。なお、このようなpHEMA膜の製造方法自体は周知であり、下記実施例にも好ましい例が詳述されている。

上記した本発明のイオン選択性電極及び参照電極は、１枚の基板中に容易に複数形成することができ、その際、各イオン選択性電極に用いるセンシング膜の種類を変えて各種イオンを測定できるようにすると、１枚の基板を用いて、単一の試料中の複数種類のイオンを同時に測定することができる（このような電極を便宜的に「マルチ電極」と呼ぶ）。この場合、電極を一列に配置し、また、基板の下側に別の基板（以下、「下部基板」）を設け、下部基板の内部に、上記各イオン選択性電極のセンシング膜及び参照電極の多孔膜を連通する流路（溝）を設けておき、この溝の中に試料液を流通させることにより、簡便に単一の試料中の複数種類のイオンを同時に測定することができる。また、この方式は、多種類のイオンの自動測定にも適用することができる。

以下、本発明を実施例に基づきより具体的に説明する。もっとも、本発明は下記実施例に限定されるものではない。

厚さ3mmのアクリル板に、図１に示すような、下部がすり鉢状になった透孔を形成した。上側の開口部の直径は2mm、下側の開口部の直径は1mmであった。下側の開口部にテフロン（登録商標）膜を当て、バリノマイシンを含むPVC溶液（溶媒：THF、PVC濃度：50重量％、バリノマイシン濃度：6重量％）１５μLを上側の開口部から添加した。乾燥後、テフロン（登録商標）膜を剥離した。飽和KCl溶液にポリビニルピロリドン（平均分子量2000）を１５重量％の濃度で溶解した溶液を、アクリル板の上表面よりもやや盛り上がる程度に滴下した。直径1mmの銀線（AgCl化していないもの）をポリビニルピロリドン層内に挿入し、電極兼導線とした。

上記のようにカリウムイオン選択性電極を透孔内に形成した基板の底部（すなわちPVC膜）を、純水を入れたシャーレにつけ、外部Ag|AgCl参照電極を設置して、飽和KCl溶液を徐々に滴下しながら連続的に電位を測定した。結果を図２に示す。図２に示されるように、カリウムイオン濃度に依存して、電位が段階的に上昇しており、上記電極がカリウムイオン選択性電極として機能することが確認された。

導体電極として、銀線に代えて、銀層をスパッタしたアクリル板から成る上部基板を、該銀層がポリビニルピロリドン層に接触するように上記基板上に積層し、該銀層に導線を接続したことを除き実施例１と同じ操作を行なった。

結果を図３に示す。図３に示されるように、上部基板に被着された金属層を導体電極として用いた場合にも、カリウムイオン濃度に依存した応答が確認された。

上面に溝を設けた下部基板（アクリル製）を、UV効果型接着剤で、実施例２で作成した電極の基板の下面に接着した。この際、センシング膜が溝に接するようにした。この状態で、溝に試料液を流し、実施例１と同様にして電位を測定した。試料液は、実施例１と同様、純水に飽和KCl溶液を徐々に滴下したものであり、測定時に試料の流通を止めて測定した場合（バッチ測定）と、試料を流通させながら測定した場合（フロー測定）と、両方の態様で測定した。

バッチ測定の結果を図４、フロー測定の結果を図５に示す。いずれの場合も、カリウムイオン濃度に依存した応答が確認された。特に、フロー測定の場合の方が、純水と最高濃度試料との電位差が大きく、より高感度に測定できた。

参考例１
メチレンビスアクリルアミド250mg、1-ビニル-2-ピロリドン1.5g、メタクリル酸2-ヒドロキシエチルエステル250mg、N,N-ジメチルアクリルアミド0.5g、メタクリル酸メチル0.5g、ジメチルスルホキシド3.0g、水3.0gから成る混合物の1.0gを、重合開始剤アゾビスイソブチロニトリル(AIBN) 3.0mgと混合した。超音波に5 分以上かけて、脱気と混合を行なった。混合溶液を60 度の乾熱にいれ、30 分から1 時間おきに目視で重合度・膜の硬さを観察しつつ、程よい膜が形成するまで重合を続け、pHEMA膜を得た。

ALS660A（商品名）のCV（サイクリックボルタメトリー）を用いて平衡電位測定を行なった。10 mMフェリシアン化カリウム溶液（指示塩として100 mM KCl保持）に、あらかじめアルミナ研磨剤でよく磨いた、金電極を作用極とし，対極に白金棒，参照電極に作製したpHEMAを液絡部とした参照電極とした。

図６で示したボルタモグラムのうち、線１が標準参照電極であり、線２が新規参照電極のCV測定結果である。pHEMA利用参照電極の平衡電位は約180 mVであり、標準参照電極の平衡電位は約220 mVであった。平衡電位に差は見られたものの、25個以上測定してみてpHEMA利用参照電極の平衡電位は安定していたので，一定した差が示されたといえる。よって、これを考慮すれば基板内微小参照電極として利用できることが確認できた。

参考例２
直径2 mmのキャピラリーを用いて参照電極を作製し,試料溶液に含まれる塩濃度を変化させて，参照電極のライフタイムを評価した。この測定に用いた電極の構造はPVC膜厚約1 cm，内部電解質溶液はポリビニルピロリドン(PVP)保持飽和KClとし、飽和KClで24時間以上コンディショニングを行なってから測定を行なった。試料溶液は、KH2PO4-NaOH緩衝溶液（pH 7.0）を用いて，塩濃度は1.0 M KCl，0.1 M KCl，0.01 M KClの三種類で比較した。

結果を図７に示す。図７中、３本の曲線の下から順に塩濃度1.0 M KCl、0.1 M KCl、0.01 M KClで測定した結果である。塩濃度が大きい方が，液絡部からのイオンの漏れが抑えられるので、電位差のずれが小さくなるのは明らかである。しかし、どの参照電極も±1 mV/h以内を実現している。特に，測定開始後10時間以内に着目すると、体内塩濃度に近い0.01 Mにおける誤差が5 mV、すなわち0.5 mV/hを実現している事がわかる。集積化マイクロチップでの1回の測定にかかる時間は長くても5分以内であるので、この誤差は充分無視できる範囲である。よって、基板内に参照電極を設けた場合でも、参照電極は充分機能するということが確かめられたといえる。

本発明のイオン選択性電極の好ましい態様の模式断面図である。 本発明の実施例１で作製したカリウムイオン選択性電極を用いて測定した、試料に飽和KCl溶液を添加し始めてからの時間と、測定された電位の関係を示す図である。 本発明の実施例２で作製したカリウムイオン選択性電極を用いて測定した、試料に飽和KCl溶液を添加し始めてからの時間と、測定された電位の関係を示す図である。 本発明の実施例３で作製したカリウムイオン選択性電極を用いてバッチ測定した、試料に飽和KCl溶液を添加し始めてからの時間と、測定された電位の関係を示す図である。 本発明の実施例３で作製したカリウムイオン選択性電極を用いてフロー測定した、試料に飽和KCl溶液を添加し始めてからの時間と、測定された電位の関係を示す図である。 pHEMA膜を用いた参照電極の平衡電位を、公知の参照電極の平衡電位と比較して示す図である。 液絡部に電解質溶液含有ポリビニルピロリドンを用いた参照電極のライフタイムを示す図である。

符号の説明

１０ 電極
１２ 透孔
１４ 基板
１６ センシング膜
１８ 電解質溶液含有親水性高分子層
２０ 導体電極

Claims (10)

1. 基板内に設けられた透孔内の底部に配置されたセンシング膜と、該センシング膜上に積層された内部電解質溶液含有親水性高分子層と、該親水性高分子層に接続された導体電極とを具備し、前記センシング膜がイオンと選択的に結合してその電位を変化させるイオノフォアを含むイオン選択性電極。
2. 前記イオノフォアは、カリウムイオン又はナトリウムイオンに対するイオノフォアである請求項１記載の電極。
3. 前記センシング膜は、ポリ塩化ビニルから成る膜中に前記イオノフォアを含む請求項１又は２記載の電極。
4. 基板内に設けられた透孔内の底部に配置された多孔膜と、該多孔膜上に積層された内部電解質溶液含有親水性高分子層と、該親水性高分子層に形成された導体電極とを具備する参照電極。
5. 前記多孔膜は、ポリヒドロキシエチルメタクリレート膜である請求項４記載の電極。
6. 前記透孔は、断面が、少なくともその下部がすり鉢状である請求項１ないし５のいずれか１項に記載の電極。
7. 前記親水性高分子が、ポリビニルピロリドンである請求項１ないし６のいずれか１項に記載の電極。
8. 前記内部電解質溶液は、飽和水溶液である請求項８記載の電極。
9. １枚の基板内に請求項１ないし８のいずれか１項に記載の電極が複数個設けられてなるマルチ電極。
10. 各電極のセンシング膜及び多孔膜を連通する流路が設けられている請求項９記載のマルチ電極。
    

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