JP3588146B2 - イオン選択性センサおよびその形成方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、イオン選択性センサ、および化学応答電界効果トランスデューサに関し、より詳しくはそのようなデバイスに使用するための電気界面を設ける方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
多くの環境、例えば、臨床研究所、分析化学研究所、または工業化学研究所において、溶液中に存在する様々なイオン化学種または分析物の濃度を迅速に分析する必要がある。従来そのような分析においては、参照電極が浸漬されている試験溶液にイオン選択性電極を接触させている。このイオン選択性電極と参照電極とを電圧計を介して接続し、溶液中の特定分析物の活量についての電位測定を行なう。既知の濃度の参照溶液または標準溶液を測定して、溶液中の分析物の濃度と活量測定値との相関関係をとることもできる。
【０００３】
一般的に、イオン選択性電極は以下の設計にしたがって製造されている。ある従来の設計は、内部酸化還元対参照電極、イオン選択性膜、および該参照電極と該イオン選択性膜とを接触させる内部液体電解質からなるものである。イオン選択性膜は好ましくは、分析すべきイオンと選択的に錯体を形成する（ｃｏｍｐｌｅｘｉｎｇ）特定の分子をその中に含有するように製造される。また電解質は好ましくは、比較的高濃度の分析すべきイオンおよび酸化還元対の陰イオン、例えば銀／塩化銀参照電極における塩化物を含む。電位測定は、電圧計により検出される起電力が溶液中の分析物の対数濃度に比例するという原理に基づいている。一般的に既知の濃度の分析物を含む標準溶液を用いてその分析における校正曲線を作成し、試験試料中に含まれる分析物の濃度を校正曲線との比較により求める。しかしながら、そのようなシステムには電極が乾ききってはならない環境にその電極を保持する必要があり、そのシステムは、例えば、プレーナ電極の製造において電極を著しく小型化できない。
【０００４】
ヒドロゲル（ｈｙｄｒｏｇｅｌ）、すなわち、塩と結合した中性重合体マトリックスが、上述した液体電解質のマトリックスと同様な様式でイオン選択性電極に用いられている。しかしながら、ヒドロゲルは使用中に許容できないほど膨潤してしまう傾向にある。そのような膨潤にはいくつかの有害な影響があり得る。その１つは、ヒドロゲルの上を覆うイオン選択性膜の物理的損傷（結局は破壊）であり、別の影響としては、膨潤数（ｓｗｅｌｌ ｖａｌｕｅ ）が変化するにつれ、ヒドロゲル内の分析物のイオンの濃度が安定せず、結果として分析が不正確になってしまうことである。
【０００５】
別のイオン選択性電極の設計には、従来のイオン選択性膜に覆われた参照酸化還元対（例えば、銀／塩化銀電極）が含まれ、「被覆ワイヤ電極」として知られている。そのような設計においては、電極を小型化でき、またプレーナ電極の製造もできるであろう。しかしながら、イオン分析システムにおいては、分析の精度を確実なものとするために、全体の電圧測定回路の物質および相界面での接合電位ができるだけ安定し、再現性のあるものであることが重要である。被覆ワイヤ電極においては、イオン選択性膜／参照酸化還元対の界面の界面接合電位（ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｊｕｎｃｔｉｏｎ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）が不安定であることが観察されている。この被覆ワイヤ電極には、電子伝導性領域とイオン伝導性領域との間に境界が存在する。この境界には、内部接触溶液がないために、それにまたがる化学平衡または電子平衡がない。そのような境界は当業者に「ブロック（ｂｌｏｃｋｅｄ ）」界面として知られている。
【０００６】
そのような接合電位を安定化させる方法の１つが、本願発明の譲受人に譲渡された系属出願である米国特許出願第０７／６５０，３４７号、および対応ヨーロッパ特許出願第０４９８５７２ Ａ２号に記載されており、その両者をここに引用する。そこには、酸化還元対のイオン化学種と錯体を形成するように計画されたフォーティオフォア（ｆｏｒｔｉｏｐｈｏｒｅ ）を含むイオン選択性膜と接触している酸化還元対参照が記載されている。
【０００７】
米国特許第４，４３４，２４９ 号は、イオン伝達膜（ｉｏｎ−ｔｒａｎｓｆｅｒ ｍｅｍｂｒａｎｅｓ）の調製、およびアクリルモノマーからなる膜、特に少なくとも２種のアクリルモノマーのコポリマーからなる膜を調製する方法について記載している。特に、メチルメタクリレート（ＭＭＡ）のような非イオン疎水性物質からなるモノマー成分（＞８８モル％）と、メタクリルアミドプロピルトリメチルアンモニウム塩化物（ＭＡＰＴＡＣ）のようなイオノゲナス基（ｉｏｎｏｇｅｎｏｕｓ ｇｒｏｕｐ）を有するアクリルモノマーからなるモノマー成分（３モル％−１２モル％）とを含む膜組成物が記載されている。この特許は、このバルク物質をまたがってイオンを伝達するイオノゲナスモノマーの最適濃度の基準について記載しており、その濃度がこの基準から離れると、伝達量は減少してしまう。２つの異なる伝導領域（例えば、電子領域およびイオン領域）の間の界面としてこのバルク物質を使用することは教示されていない。
【０００８】
ここに引用するヨーロッパ特許出願第０３２５５６２ Ａ２号は、イオン交換樹脂を電気化学酸化還元対とイオン選択性膜との間に配置し、樹脂を構成する重合体に化学的に結合した、分析すべきイオンに対するイオンを有するようにイオン交換樹脂が選択されるイオン選択性電極について記載している。この出願は、標準的な市販のイオン交換樹脂、例えば、アンバーライト、ドーエックス、およびナフィオン等の使用について教示しており、これらのイオン交換樹脂は一般的に、物質１ｇ当たり約４．３ ミリ等量、すなわち、物質１ｇ当たり約２．５ ×１０^２１の荷電部位の容量を有する。この手法における水性膨潤数または接着特性についてはいずれもこの出願には記載されていないが、一方でイオン交換樹脂は一般的にそのような環境においては許容できないほど、さらに溶解点（ｔｈｅ ｐｏｉｎｔ ｏｆ ｄｉｓｓｏｌｖｉｎｇ ）まで膨潤するので、イオン交換樹脂と不活性基質との間の接着性は一般的に乏しいと思われている。実際に、荷電基を含む多くの重合体物質と他の重合体層または基質との間の接着はしばしば、例えば、シラン化（ｓｉｌａｔｅｄ ）ポリ塩化ビニルのような中間不活性メッシュ状層により増強しなければならない。
【０００９】
イオン選択性膜はまた、イオン選択性電界効果トランジスタにおけるゲート物質として用いられてきた。この技術におていも同様に、電子領域とイオン領域の境界には複雑な状況がある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
それゆえ、イオン選択性センサ、イオン選択性電界効果トランスデューサ等における電子領域とイオン領域との間の界面として機能する固体物質であって、この固体物質を使用するどのデバイスにおいても物理的破壊が生じる膨潤値より低く、迅速に平衡状態に達して、再現性のある膨潤値を有し、調製しやすくまた使用しやすく、そして一般的な基体とこの固体物質を使用するデバイスにおいて隣接する層とに良好に接着する固体物質を配合することがこの業界で課題となっている。
【００１１】
したがって、本発明の全般的な目的は、調製しやすくまた使用しやすく、一般的な基体および使用する電気化学デバイスにおいて隣接する物質に良好に接着し、そして安定で再現性のある膨潤値を有する物質を使用することにより、電子領域とイオン領域との間のより安定な平衡状態であって、電気化学デバイスにおける接合電位の安定性と再現性を高める平衡状態を設定または維持する手段および方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の前述した目的および他の目的並びに利点は、参照酸化還元対を構成する導電物質、該導電物質上に設けられた固定荷電部位（ｉｍｍｏｂｉｌｉｚｅｄ ｃｈａｒｇｅ ｓｉｔｅｓ）を有する重合体物質、および該重合体物質を覆うイオン選択性物質からなるイオン選択性センサを形成することにより達成される。好ましくは、重合体物質は、１グラム当たり約１．６３×１０^２１未満の固定荷電部位を担持する。イオン選択性センサは導電参照電極物質が配置される基体をさらに含んでもよい。
【００１３】
本発明は、参照酸化還元対を構成する導電物質、該導電物質上に設けられた重合体物質、および該重合体物質を覆うイオン選択性物質からなり、前記重合体物質が前記酸化還元対に含まれる移動性イオンの電荷と反対の電荷の固定部位を有することを特徴とするイオン選択性センサを提供する。
【００１４】
本発明は、酸化還元対を形成する固体接触参照体（ｓｏｌｉｄ ｃｏｎｔａｃｔ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ）とイオン選択性センサ等のイオン選択性物質との間に安定で再現性のある電気界面を形成する方法であって、前記固体接触参照物および前記イオン選択性物質の両者と固定荷電部位を有する重合体物質とを接触させる工程を含み、前記重合体物質が１グラム当たり約１．６３×１０^２１未満の固定荷電部位を担持することを特徴とする方法を提供する。
【００１５】
本発明は、導電物質を用意し、該導電物質の一部を含む酸化還元対を形成し、固定荷電部位を有する重合体物質で前記酸化還元対を被覆し、該重合体物質をイオン選択性物質で覆う各工程からなるイオン選択性センサを形成する方法を提供する。
【００１６】
本発明は、酸化還元対を形成する固体接触参照物とイオン選択性センサ等のイオン選択性物質との間に安定で再現性のある電気界面を形成する方法であって、前記固体接触参照物および前記イオン選択性物質の両者と前記酸化還元対に含まれる移動性イオンの電荷と反対の電荷の固定部位を有する重合体物質とを接触させる工程を含む方法を提供する。
【００１７】
本発明は、導電物質を用意し、該導電物質の一部を含む酸化還元対を形成し、前記酸化還元対を該酸化還元対に含まれる移動性イオンの電荷と反対の電荷の固定部位を有する重合体物質で被覆し、該重合体物質をイオン選択性物質で覆う各工程からなるイオン選択性センサを形成する方法を提供する。
【００１８】
本発明は、化学応答電界効果トランスデューサであって、表面を有する半導体物質の層；該表面において第１のドーピング特性を有する一組の第１の拡散領域；前記表面において前記一組の第１の拡散領域間の部分で第２のドーピング特性を有する第２の拡散領域；前記表面上に設けられた電気絶縁物質；電気絶縁物質上に設けられた固定荷電部位を有し、１グラム当たり約１．６３×１０^２１未満の固定荷電部位を担持し、電気絶縁物質により前記第１と第２の拡散領域から隔てられている重合体物質；該重合体物質上に設けられたイオン選択性物質；および試料に露出するための前記イオン選択性物質のある領域を露出したままにしながら、前記化学応答電界効果トランスデューサを試料領域から封じる電気絶縁カプセルからなることを特徴とする化学応答電界効果トランスデューサを提供する。
【００１９】
本発明は、化学応答電界効果トランスデューサを製造する方法であって、表面を有する半導体物質の層を用意し、そこに第１のドーピング特性を付与するように前記表面において一組の第１の拡散領域をドーピングし、そこに第２のドーピング特性を付与するように前記一組の第１の拡散領域間の前記表面の部分にある第２の拡散領域をドーピングし、前記第１と第２の拡散領域を電気絶縁物質で覆い、該電気絶縁物質に隣接するように重合体物質を設け、該重合体物質をイオン選択性物質で覆い、試料に露出するために前記イオン選択性物質のある領域を露出したままにしながら、試料領域から前記化学応答電界効果トランスデューサを隔離するように該化学応答電界効果トランスデューサを電気絶縁カプセルで封じ込める各工程からなり、前記重合体物質が固定荷電部位を有し、１グラム当たり約１．６３×１０^２１未満の固定荷電部位を担持することを特徴とする方法を提供することも含む。
【００２０】
これらと他の目的を鑑みて、当業者には明確なように、本発明は明細書に記載され請求の範囲により包含された構成の組合せにある。
【００２１】
【実施例】
以下、図面に示す実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。
【００２２】
図１に従来技術の被覆ワイヤイオン選択性センサ１０の断面図を示す。このイオン選択性センサ１０は、実質的に平板の非導電基体１２、およびその上に形成された酸化還元対１４を含む。酸化還元対１４は一般的に銀のような金属１６を含み、その上には塩化銀のような金属塩１８が配置されている。イオン選択性膜２０はその上に電気化学的に形成されており、一般的に酸化還元対１４を覆い、酸化還元対１４が覆わず該酸化還元対１４を囲む区域１３における基体１２の区域と接触している。膜２０は一般的に、該膜にイオン選択性を付与するイオン選択性化学種を含む重合体膜からなる。そのようなイオン選択性化学種は、例えば、非解離性（ｎｏｎ−ｄｉｓｓｏｃｉａｂｌｅ ）イオン特異性配位子（すなわち、イオノフォア）、または荷電液体イオン交換体の形態をとってもよい。
【００２３】
金属１６からなる金属のような導電物質から一般的に形成される導線２２を、図１に示すように、金属１６と接触させるためにその真下にある基体１２を貫通させても、もしくは金属１６と接触させるために基体１２上に配置してもよい。後者の配置（図示せず）によると、導線２２は、別の形態において膜２０と接触する部分で絶縁物質により一般的に覆われている。これらの形式の両者ともが当業者によく知られている。
【００２４】
図１の右側の構成は、イオン選択性センサ１０に関連する化学平衡および電気化学平衡の概略を示している。図１に構成において、レベルＩは参照酸化還元対１４と分析装置を規定している回路の導線２２との間の電子的接触を示している。レベルＩＩは一般的な参照酸化還元対に関連する電気化学平衡を示している。ここで、例えば、Ｍは銀のような金属を示し、ＭＸは金属塩を示し、Ｘは塩化物のようなイオンを示す。レベルＩＩＩ においては、Ｐ_１ Ａ^＋ は、イオノフォアを含む一般的な重合体物質であるイオン選択性膜２０の物質Ｐ_１ と、この模範的な構成における陽イオンである分析物化学種の分析物Ａ^＋ との間の結合を示している。レベルＩＶは一般的に分析物Ａ^＋ を含有する水溶液である分析媒体を示している。図１の構成から、電子運搬の形態においてレベルＩとレベルＩＩの間、およびイオン運搬の形態においてレベルＩＩＩ とレベルＩＶの間には平衡が存在するが、レベルＩＩとレベルＩＩＩ との間には平衡が存在せず、参照酸化還元対１４とイオン選択性膜２０との間には界面があることが示され、結果として「ブロック」界面となるのが明らかである。上述したように、そのような「ブロック」接合電位は一般的に不安定であり再現性がなく、結果として電気化学分析においては測定が不正確なものとなってしまう。
【００２５】
図２は本発明の実施態様の１つによるイオン選択性センサ３０の断面図を示している。イオン選択性センサ３０は、実質的に平板の非導電基体３２上に一般的に形成されており、参照酸化還元対３４、該参照酸化還元対３４と接触している重合体物質４０、および該重合体物質４０と接触しているイオン選択性膜４２からなる。
【００２６】
基体３２は、ガラス、セラミック、シリコンウェーハ、プラスチック、重合体樹脂等のようないずれの絶縁物質からなるものであってもよく、特定の基体物質またはその形状は本発明にとっては重要な要件ではない。
【００２７】
酸化還元対３４は一般的に基体３２の一部の上面に配置されており、どのような標準的参照酸化還元対（例えば、金属３６および金属塩３８）からなるものであってもよい。好ましい実施態様においては、酸化還元対３４は銀の層３６および該銀の層３６と接触し一般的にはその上に亘って形成または配置されている塩化銀の層３８からなる。塩化銀の層３８は、既知の方法、例えば、標準ミクロ製造技術を用いたプリントにより、もしくは、溶液（例えば、塩化カリウムまたは塩化ナトリウムの濃縮溶液）からのメッキにより形成してもよい。
【００２８】
導線３９は酸化還元対３４と電気的に接触するものであり、基体３２を通過させても（図示したように）、もしくは基体３２の上に配置しても（図示せず）よい。導線３９は、銀、銅、ニッケル、金、白金、亜鉛等のようないかなる導電物質から形成されていてもよく、本発明の好ましい実施態様によると銀、白金、または金からなる。
【００２９】
本発明の好ましい実施態様によると、重合体物質４０は、酸化還元対３４と接触し、この酸化還元対３４を完全に覆い、基体３２の区域３５上に亘って配置されている。他の物質上に重合体物質を配置する既知の方法、例えば、溶解させた重合体または共重合体としての溶液の流延（ｃａｓｔｉｎｇ ）、酸化還元対および基体上へ直接的な物質の重合または共重合、もしくは重合体物質４０のシートの作成と酸化還元対３４および基体３２上へのそのシートの加圧といったいずれの方法によって重合体物質４０を酸化還元対３４および基体３２上に設けてもよい。本発明の好ましい実施態様によると、重合体物質４０は回転流延（ｓｐｉｎ−ｃａｓｔｉｎｇ）または液滴流延（ｄｒｏｐ−ｃａｓｔｉｎｇ）のいずれかにより酸化還元対３４および基体３２上に溶液を流延する。使用する溶液は、重合体物質４０がその溶液に対して溶解性であるどのような溶液（一般的には有機溶媒）であってもよい。
【００３０】
重合体物質４０は、酸化還元対３４および基体３２上にフイルムまたはコーティングを形成するのに十分な分子量を有するどのような物質からなっていてもよいが、特性においては、非結晶性であるように十分に低い分子量、一般的には２，０００ ダルトンから２５，０００ダルトンまでの範囲、より一般的には５，０００ ダルトンから１５，０００ダルトンまでの範囲の分子量を有する。
【００３１】
好ましくは、重合体物質４０は、水と接触すると、安定な膨潤数まで比較的素早くそして再現性をもって平衡状態となる。重合体物質４０は、水と接触すると、乾燥重量の５倍以下の重量、好ましくは乾燥重量の約１．５ 倍から３倍までの範囲の重量となるように膨潤すべきであり、より好ましくは、水と接触すると、乾燥重量の約２倍以上の重量までは膨潤しない。上述したように、イオン選択性センサまたは他の電気化学デバイスの電子伝導またはイオン伝導に伴う重合体物質の膨潤数が迅速で安定的に平衡状態に達する結果、読出しにおける正確さの点から見て電極全体の平衡が迅速で安定なものとなる。
【００３２】
本発明の好ましい実施態様の１つによると、重合体物質４０は１グラム当たり約１．６３×１０^２１（約２．７２ミリ等量／グラムに対応する（ｍｅｑ／ｇ））以下の固定荷電部位を含む。ここに用いているように、１グラム当たりの荷電部位およびｍｅｑ／ｇは、重合体物質４０の乾燥重量に関するものである。好ましくは重合物質４０は、１グラム当たり約５．５ ×１０^１９から約１．４ ×１０^２１（約０．０９から約２．２６ｍｅｑ／ｇ）までの範囲の固定荷電部位、より好ましくは１グラム当たり約４．１ ×１０^２０から約１．１ ×１０^２１（約０．０９から約２．２６ｍｅｑ／ｇ）までの範囲の固定荷電部位、最も好ましくは１グラム当たり約５．５ ×１０^２０から約８．２ ×１０^２０（約０．６８から約１．８１ｍｅｑ／ｇ）までの範囲の固定荷電部位を含む。グラム当たりの固定荷電部位の数のこれらの好ましい範囲を含む使用条件にしたがって重合体物質４０を使用すると、イオン選択性センサ３０の全体的な性能が好ましい影響を受けて、特に、膨潤、接着、寿命、および正確さが良好なものとなる。
【００３３】
本発明の好ましい別の実施態様によると、重合体物質４０は酸化還元対３４に含まれる移動性イオンの電荷とは反対の電荷の固定部位を有する。すなわち、一般的な銀／塩化銀の酸化還元対を参照酸化還元対３４として用いる場合、重合体物質４０は好ましくは、その酸化還元対に含まれる塩化物イオンの電荷と反対である、正の電荷の固定部位を含む。そのような電荷の重合体物質を選択すると、結果として、参照酸化還元対３４と重合体物質４０との間の平衡が安定する。このことについて、以下さらに記載する。
【００３４】
重合体物質４０は、少なくとも１つの荷電部位を担持する少なくとも１つのモノマー、および少なくとも１つの不活性モノマーの重合生成物または共重合生成物からなものであってよい。好ましくは、重合体物質４０は、陰イオン、陽イオン、または双性イオンの化学種、および一般的には少なくとも１つの他の非イオン化学種の重合生成物からなる。重合体物質４０を形成するように重合する化学種に関連することのある荷電部位の非制限の模範的な例としては、スルホネート、カルボンキシレート、ホスホネート、アンモニウム基、第４アンモニウム基、ホスホニウム基、第４ホスホニウム基等が挙げられる。これらの荷電基と釣り合う様々な範囲の対イオンを用いてもよく、本発明のセンサにより分析すべきイオンおよび／または参照酸化還元対に含まれるイオンを好ましくは対イオンとして選択してもよい。
【００３５】
重合体物質４０として使用するのに適した重合体の模範的な例としては、固定荷電部位を有するポリスチレン、過フッ素化アイオノマー、スルホン化スチレン−ジビニルベンゼン樹脂、ジビニルナフタレン酸重合体、ビニルピリジニウム塩、第４（ｑｕａｒｔｅｒｎｉｚｅｄ）ビニルベンジルハロゲン化物、１９９３年４月９日に出願されここに引用する系属出願であって共有の米国特許出願０８／０４５，８４７号に記載されているようなアクリレート重合体、ニトリル含有重合体、アミド含有重合体等が挙げられる。
【００３６】
本発明の重合体物質４０を形成する重合または共重合に適したモノマーの特に好ましい群が、米国特許第４，４３４，２４９ 号および１９８４年２月２８日に出版されＣ．Ｌ．バレストラッセとＴ．Ｒ．ベックによるジャーナルオブエレクトロケミカルソサイエティー、１３４ 、１１、２７４５−２７４９（１９８７）に掲載された「アクリルイオン−トランスファー重合体」と題する論文に記載されており、その両者をここに引用する。
【００３７】
ある好ましい実施態様によると、重合体物質４０は少なくとも１つの荷電アクリルモノマーおよび少なくとも１つの中性アクリルモノマーの共重合生成物からなる。好ましくは、使用する荷電アクリルモノマーは下記の化学式を有する：
【００３８】
【化３】

【００３９】
ここでＲ_１ は、水素、炭化水素基およびアルコール基からなる群より選択され、Ｙは下記の化学式を有する：
【００４０】
【化４】

【００４１】
ここでＲ_２ は、ストレート（ｓｔｒａｉｇｈｔ）または枝分れ飽和炭化水素鎖、ストレートまたは枝分れ不飽和炭化水素鎖、およびヒドロキシ官能価を有するストレートまたは枝分れ飽和もしくは不飽和炭化水素鎖からなる群より選択され、Ｒ_３ 、Ｒ_４ 、およびＲ_５ は、水素、炭化水素基、およびアルコール基からなる群より各々が独立して選択され、Ｚ⁻ は、ハロゲン化物、アセテート、およびメチルスルフェートイオンからなる群より選択される。
【００４２】
より好ましくは、Ｒ_１ はＨおよびＣＨ_３ からなる群より選択され、Ｒ_２ はストレートまたは枝分れ飽和炭化水素鎖からなる群より選択され、Ｒ_３ 、Ｒ_４ 、およびＲ_５ はＨおよびＣＨ_３ からなる群より各々独立して選択され、Ｚ⁻ はハロゲン化物である。特に好ましい実施態様によると、Ｒ_１ 、Ｒ_３ 、Ｒ_４ およびＲ_５ は各々ＣＨ_３ であり、Ｒ_２ は（ＣＨ_２ ）_３ であり、Ｚ⁻ は塩化物である。
【００４３】
この実施態様によると、使用する中性アクリルモノマーは、化学式ＣＨ_２ ＝Ｃ（Ｒ_１ ）（ＣＯＯＲ_２ ）で表される少なくとも１つの成分からなるものであってもよく、ここでＲ_１ およびＲ_２ は、水素、炭化水素、およびアルコールからなる群より各々独立して選択される。好ましくは、Ｒ_１ は水素および低級アルキル基からなる群より選択され、Ｒ_２ は１から２０までの炭素原子を有する、線状炭化水素、枝分れ炭化水素および環状炭化水素、並びにアルコールからなる群より選択される。上記記載によると、水素、アルキル、アルケニル、アルキニル、シクロアルキル、アリール、アルカリル、アラルキル等のような炭化水素基を選択してもよい。
【００４４】
ここに用いている、専門用語である、「炭化水素」、「アルキル」、「シクロアルキル」および同様な炭化水素用語は、アルコールおよび水素を含むことを意味するが、水素および／またはアルコールを含む特定の記載もしばしばここに用いる。そのような基の実施例としては、メチル、プロペニル、エチニル、シクロヘキシル、フェニル、トリル、ベンジル、ヒドロキシエチル等が挙げられる。
【００４５】
陰イオン、陽イオン、またはフリーラジカルの重合開始剤を含む従来の手段により重合体物質４０の共重合を行なってもよい。
【００４６】
特に好ましい実施態様において、重合体物質４０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ライド（ＭＡＰＴＡＣ）およびメチルメタクリレート（ＭＭＡ）の共重合体からなる。例えば、所定の比率のこれらのモノマーの混合物の重合反応により調製したランダム共重合体を用いてもよく、また上述したモノマー各々で約１から５００ モノマー単位のブロックからなるブロック共重合体を調製してもよい。ブロック共重合体は、様々な分子量のブロックのランダム混合物であっても、または用途に応じて比較的狭い範囲の分子量を有するブロック体の混合物であってもよい。好ましくは、ＭＡＰＴＡＣモノマーとＭＭＡモノマーとの混合物を溶液中で重合させる。
【００４７】
上述した本発明の実施態様の１つによると、ＭＡＰＴＡＣモノマーとＭＭＡモノマーの相対量の比率は、上述した好ましい荷電／グラム（ｍｅｑ／ｇ）の上述した好ましい範囲となるように選択する。１グラム当たり約１．６３×１０^２１未満の固定荷電部位を担持する重合体物質を配合するために、ＭＭＡに対するＭＡＰＴＡＣの重量比が約６０／４０未満であるＭＭＡとＭＡＰＴＡＣからなる混合物を重合させる。１グラム当たり約５．５ ×１０^１９から１．４ ×１０^２１までの範囲の固定荷電部位を含む重合体物質を配合するために、ＭＡＰＴＡＣ／ＭＭＡの重量比が約２／９８から約５０／５０までのＭＡＰＴＡＣとＭＭＡを共重合させる。１グラム当たり約４．１ ×１０^２０から１．１ ×１０^２１までの範囲の固定荷電部位を含む重合体物質を配合するために、ＭＡＰＴＡＣ／ＭＭＡの重量比が約１５／８５から約４０／６０までのＭＡＰＴＡＣとＭＭＡを用いる。１グラム当たり約５．５ ×１０^２０から８．２ ×１０^２０までの範囲の固定荷電部位を含む重合体物質を配合するために、ＭＡＰＴＡＣ／ＭＭＡの重量比が約２０／８０から約３０／７０までのＭＡＰＴＡＣとＭＭＡを用いる。
【００４８】
上述した実施態様によると、重合体物質４０は、固定された、正荷電部位、負荷電部位、または正と負の両方の荷電部位を含んでいてもよい。負に荷電されたかまたは正に荷電された固定部位の一方のみが重合体物質４０に存在する実施態様によると、重合体物質４０に塩を加えることが特に好ましく、これを本発明の範囲に包含する。上述したように、重合体物質４０に関連する固定荷電部位の対イオンは、溶液中の分析物イオンまたは参照酸化還元対３４に含まれるイオンのいずれかと同一であるように好ましくは選択してもよい。重合体物質４０に添加するために選択する塩は、分析物イオンおよび／または参照酸化還元対３４に含まれるイオンを含むように好ましくは選択してもよい。例えば、銀／塩化銀酸化還元対３４を用いる場合、イオン選択性膜は特定の陽イオンに対して選択性を有し、重合体物質４０は固定された正に荷電した部位を含み、分析すべき陽イオンおよび塩化物を含む塩を好ましくは重合体物質４０に加えてもよい。
【００４９】
重合体物質４０にそのような塩を添加すると、一般的に重合体物質４０の移動特性に好ましく影響が与えられる。移動の原理が上述した米国特許第４，４３４，２４９ 号に記載されている。本発明によると、検知するイオンについて理想的な値である１．０ に近い全体の輸率を有するイオン選択性センサ３０を製造することが好ましいが、検知するイオンの荷電と反対の荷電のイオンについてゼロの理想値の輸率を有するイオン選択性センサ３０を製造することも好ましい。しかしながら、重合体物質４０それ自身の内部においては、陽イオンと陰イオンの化学種の両者についての輸率がゼロより大きく、好ましくは約０．１ と約１．０ の間であることが好ましい。
【００５０】
いくつかの方法により重合体物質４０に塩を添加してもよい。ある方法によると、フリースタンディング（ｆｒｅｅ−ｓｔａｎｄｉｎｇ ）重合体として重合体物質４０を流延して、所定のサイズに切断し、添加すべき塩を含む水溶液中に浸漬してもよい。一般的に、そのような水溶液は約０．１ Ｍから０．２ Ｍまでの範囲の濃度を有する。あるいは、そのような塩の存在下で重合体物質４０を重合または共重合させるか、またはイオン選択性センサ３０もしくは以下に記載するイオン選択性電界効果トランジスタ４０または８０の製造中に選択した塩を含む溶液から液滴流延（ｄｒｏｐ ｃａｓｔ ）または回転流延（ｓｐｉｎ ｃａｓｔ ）してもよい。別の方法によると、重合体物質４０を施す前に、酸化還元対３４上に塩をスクリーンプリントしてもよい。
【００５１】
この実施態様によると、好ましくは重合体物質４０の陽イオン輸率と陰イオン輸率とを比較してほぼ２桁の大きさ以内にあるように特定の塩を加える。より好ましくは、陰イオンの輸率に対する陽イオンの輸率の比率または陽イオンの輸率に対する陰イオンの輸率の比率が約６．０ 以下であり、さらにより好ましくは約２．６ 以下であり最も好ましくは約１．９ 以下であるように、特定の塩を加える。好ましい実施態様によると、重合体物質４０は、この重合体物質内で陽イオンまたは陰イオンの移動の特異性に悪影響を及ぼすことなくそのような塩を加えるように選択する。
【００５２】
本発明の好ましい実施態様によると、イオン選択性物質４２は重合体物質４０と接触してこれを完全に覆う。イオン選択性物質４２の選択は本発明にとっては重要な要件ではない。したがって、物質にイオン選択性を付与する様々な既知のイオン交換体またはイオノフォアを含む様々な既知の物質から選択してもよい。イオン選択性物質４２は、所定のサイズに切断され重合体物質４０の上面に配置される市販のまたは予備製造された膜であってもよく、製造されて適切な溶液に溶解されそして重合体物質４０上に流延されてもよく、もしくは配合され溶液中で重合体物質４０上に重合されてもよい。好ましくは、イオン選択性物質４２は重合体物質４０の上面に溶液から流延された膜である。さらに、イオン選択性ガラス等のような他のイオン選択性物質をイオン選択性物質４２として使用することも本発明の範囲に含む。
【００５３】
イオン選択性物質４２の形成に適した物質の非制限の模範的な例としては、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、ポリアクリレート、ポリカーボネート、シリコンゴム、ポリエステル、ポリアミド、塩化ビニリデン、アクリロニトリル、ポリウレタン、ポリ塩化ビニリデン、ポリ塩化ビニルと共重合したポリ塩化ビニリデン、ポリビニルブチリル、ポリビニルホルマル、ポリビニルアセテート、ポリビニルアルコール、セルロースエステル、および上述した物質の共重合体、並びにガラスが挙げられる。イオン選択性物質４２からなる膜の調製には、ｏ−ニトロフェニル−オクチルエーテル、ジメチルフタレート、ジオクチルフェニル−ホスホネート、ジブチルフタレート、ヘキサメチルホスホアミド、ジブチルアジペート、ジオクチルフタレート、ジウンデシルフタレート、ジオクチルアジペート、ジオクチルセバケート、および他の従来の可塑剤のような可塑剤を用いてもよい。
【００５４】
上述したように、物質４２にイオン選択性を付与するためには、一般的に適切なイオノフォアまたはイオン交換体を用いる。分析すべきイオンに対して選択性のある既知のイオノフォアを用いてもよい。イオノフォアの非制限の模範的な例としては：カリウムについては、バリノマイシン、ジシクロヘキサノ−１８−クラウン−６、ジベンゾ−１８−クラウン−６、テトラフェニルボレート、テトラキス（ｐ−クロロフェニル）ボレート；カルシウムについては、ビス（ジデシルホスフェート）、ビス（４−オクチルフェニルホスフェート）、ビス（４−（１、１、３、３−テトラメチルブチル）フェニルホスフェート テトラコサメチルシクロドデカシロキサン、Ｎ，Ｎ′−ジ（１１−エトキシカルボニル）ウンデシル）−Ｎ，Ｎ′，４，５−テトラメチル−３，６−ジオキサオクタン ジアミド；水素については、トリドデシルアミン，Ｎ−メチル Ｎ−オクタデシル（１−メチル，２−ヒドロキシ，２−フェニル）エチルアミン、Ｎ−オクタデシル３−ヒドロキシｎ−プロピルアミン、Ｎ，Ｎ′ビス（アクタデシル エチレン アミン）、ｐ−オクタデシルオキシ−ｍ−クロロフェニルヒドラゾンメソ オキサロニトリル；ナトリウムについては、モネンシン、Ｎ，Ｎ′，Ｎ″−トリヘプチル−Ｎ，Ｎ′，Ｎ″−トリメチル−４，４′，４″−プロピリジントリス−（３−オキサブチルアミド）、Ｎ，Ｎ，Ｎ′，Ｎ′−テトラシクロヘキシル−１，２−フェニレンジオキシジアセトアミド、４−オクタデカノイルオキシメチル−Ｎ，Ｎ，Ｎ′，Ｎ′，−テトラシクロヘキシル−１，２−フェニレンジオキシジアセトアミド、ビス［（１２−クラウン−４）メチル］ドデシルメチルマロネート；リチウンについては、Ｎ，Ｎ′−ジヘプチル−Ｎ，Ｎ′，５，５−テトラメチル−３，７−ジオキソノナンジアミド）、１２−クラウン−４，６，６−ジベンジル−１４クラウン−４；塩化物については、第４塩化アンモニウム，トリブチルスズクロライド等が挙げられる。
【００５５】
本発明に関する特定の膜におけるイオン選択性物質を製造するための様々な成分および方法が従来技術において知られており、例えば、１９９１年８月８日に出願された国際特許出願ＷＯ９１／１１７１０号、米国特許第４，２１４，９６８ 号、第３，５６２，１２９ 号、第３，７５３，８８７ 号、および第３，８５６，６４９ 号に記載されており、これらをここに引用する。また、そのような成分および方法は、共有されている系属出願の米国特許第０７／６５０，３４７号およびヨーロッパ特許出願第０３２５５６２Ａ２ 号にも同様に記載されており、これらもここに引用する。
【００５６】
ここで図２の構成を参照する。これは、本発明のイオン選択性センサに関する好ましい化学平衡を示したものである。レベルＶは導線３９を通じて酸化還元対３４への電流と該酸化還元対３４からの電流を示している。レベルＶＩは、例えば、銀／塩化銀のような酸化還元対３４に関連する電気化学平衡を示している。レベルＶＩＩ は、Ｐ_２ により示した重合体物質４０の部分と酸化還元対３４のイオンＸ⁻ （例えば、塩化物イオン）との結合、およびＰ_３ により示した重合体物質４０の部分と結合した分析すべきイオン（例えば、Ａ^＋ で示した陽イオン）の含有について説明している。固定正荷電部位が重合体物質４０と結合しているのであれば、銀／塩化銀が酸化還元対３４として選択される場合、Ｐ_２ Ｘ⁻ により示される結合、並びに分析すべきいかなる陰イオンとの結合が強められる。重合体物質４０が固定負荷電部位を有するのであれば、酸化還元対３４と関連する電気化学平衡に含まれる正イオンとの結合および／または図２において陽イオンＡ^＋ として示された正荷電イオンとの結合が強められる。重合体物質４０が正または負のいずれかのみに荷電した部位を含むように選択される場合、酸化還元対３４と関連した陰イオンと分析物化学種と関連した陽イオンの両者の平衡が存在し（上述したように）、本発明による重合体物質４０のグラム当たりの固定荷電部位の好ましい範囲にしたがってこのような結果となるように、固定部位の電荷と同一の電荷のイオンをある程度含有するように好ましくは重合体物質４０を選択する。図２の構成のレベルＶＩＩＩは、この構成においては陽イオンＡ^＋ である分析すべきイオンと結合するＰ_１ として示されるイオン選択性物質４２の部分を示す。レベルＩＸは、模範的な分析物Ａ^＋ を含有する分析物媒質を示し、これは水溶液または有機溶液、血液または血漿、皮膚等からなり、様々な分析物媒質が本発明により製造されるイオン選択性センサにより測定可能である。
【００５７】
図２の構成から分かるように、レベルＶとレベルＶＩの間では電子が移動し、図１のレベルＩおよびＩＩに示される従来技術の状態に似ている。レベルＶＩＩＩとレベルＩＸとの間にはイオンが移動し、図１のレベルＩＩＩ およびＩＶに示される従来技術の状態に似ている。しかしながら、本発明によると、重合体物質４０の部分Ｐ_２ と酸化還元対３４（Ｘ⁻ ）の平衡に関連するイオンとの間に結合により補助されて、レベルＶＩとレベルＶＩＩ の間でイオンが移動する。
【００５８】
さらに、イオン選択性物質４２（レベルＶＩＩＩ）の部分Ｐ_１ と重合体物質４０（レベルＶＩＩ ）との間で模範的な分析物イオン（Ａ^＋ ）が移動する形態で、レベルＶＩＩ とＶＩＩＩとの間でイオンが移動する。したがって、イオン選択性センサ３０をまたがって「非閉鎖（ｕｎｂｌｏｃｋｅｄ ）」接合電位となり、イオン化学種の分析における精度が改善される。
【００５９】
上述したように、プレーナ電気化学デバイスの製造に通常関係する問題の１つは、層間の接着が不十分なことである。特定のデバイスの寿命、またはデバイス製造の可能性において、しばしば離層が決定要件となる。本発明のイオン選択性センサは、酸化還元対３４の上をイオン選択性物質４２で覆うように設けられている試料室からなるサンプリングデバイス上に付設されており、この試料室は試料溶液が酸化還元対３４の上にあるイオン選択性物質４２と接触するように構成されている。模範的な試料室が前述した共有の系属出願である米国特許出願第０８／０４５，８４７号に記載されている。そのようなサンプリングデバイスにおいて、図２を参照して、ガスケットまたは他の器具が全般的にイオン選択性物質４２上で基体３２の方向に圧力を加えている。しかしながら、そのようなセンサの一般的なミクロ製造には、単一のチップ上に複数のデバイスを製造し、続いてそのチップのシンギュレーション（ｓｉｎｇｕｌａｔｉｏｎ ；ダイシング）を行なって複数のセンサを作成し、各々のセンサデバイスを収容する試料デバイスに取り付ける工程を必要とする。そのようなシンギュレーションと分離の結果、様々な層間の接着が不十分である場合には離層が生じるかもしれない。
【００６０】
驚くべきことに、本発明の好ましい実施態様による重合体物質４０は、重合体物質４０と基体３２との間、または重合体物質４０とイオン選択性物質４２との間に補助の結合層を必要としないように、様々な絶縁基体物質および様々なイオン選択性物質に良好に接着することが明らかとなった。
【００６１】
層の機械的接着力は、テープ試験、ブリスター試験、引掻きまたは掻取り試験、超音波浴試験およびピール試験を含む方法により特徴付けられる。接着のための単純で効果的な半定量的な試験はテープ試験である。一般的な方法においては、概略を図２に示した本発明により製造したセンサは、複数の電極とともにチップ上に製造されている。市販されている接着テープ（３Ｍ）一片を、複数の電極を含むチップ、一般的には５．０８ｃｍ×５．０８ｃｍ（２インチ×２インチ）の寸法を有するチップ上に押し付ける。次いでテープを、チップの表面にほぼ垂直な角度で上方にゆっくりと引っ張ることにより取り除く。好ましくは、層間の機械的接着力が良好な場合にはテープが層を破壊することなく引き剥がせるが、接着力が不十分な場合には離層が生じるような接着強度を有するようにテープを選択する。あるいは、そのような試験において、一方の層から他方の層が離層するか、またはいずれかの層が破壊するまで、接着力の強いテープを次々と用いてもよい。本発明のイオン選択性センサのようなセンサを製造する目的は、十分な接着性を有するテープを用いる場合、重合体物質４０からイオン選択性物質４２が離層するか、または重合体物質４０が基体３２から離層するよりもむしろ、特にイオン選択性物質４２が膜からなる場合のイオン選択性物質４２、および／または重合体物質４０が破壊されることにある。別の言い方をすると、重合体物質４０と基体３２との間の接着および重合体物質４０とイオン選択性物質４２との間の接着が、イオン選択性物質４２または重合体物質４０いずれかを破壊するのに必要な力よりも強いように、基体３２およびイオン選択性物質４２と十分に結合するように重合体物質４０を選択する。本発明による重合体物質４０として選択される物質は、良好な接着特性を示すものである。上述したように、重合体物質が一般的なプレーナ電気化学デバイスにおける絶縁基体または隣接層に対して良好に接着する場合、そのような重合体物質には固定荷電部位が含まれない考えられているという点で、その結果は驚くべきことである。
【００６２】
ここで図３を参照する。図３は、化学応答トランスデューサ、具体的に言うと本発明の重合体物質４０を含むイオン選択性の電界効果トランジスタ（ＩＳＦＥＴ）の概略断面図を示している。そのようなトランスデューサ、特にＩＳＦＥＴは、フレイザー Ｈ．の「イオン選択性電極および分析化学」第２巻、プレナムプレス、ニューヨーク（１９７９）、上述した米国特許出願第０７／６５０，３４７号、および米国特許第４，５０２，９３８ 号に記載されており、ここにこれらを引用する。ここに用いているような電気化学トランスデューサとは、イオン活性とイオン濃度、酵素、基体、抗体、抗原、ホルモン、還元ガス、グルコース、ラクテート、ピルベート、クレアチニン、尿素等の存在と濃度を含む様々な化学特性の別々のまたは同時の検出および／または測定に使用する電界効果デバイスを意味するものである。そのようなデバイスは、フローインジェクション分析中の上述した化学種または他の化学種の測定、臨床または研究室の雰囲気での血液の連続性または断続性オンラインモニタリングに適したフロースルーキュベット装置における信号増幅および／またはプロセシングに好ましく使用してもよい。本発明の重合体物質４０を採用することにより好ましく改良し得る適切な装置は、膜のようなイオン選択性物質を使用し、電気領域と化学領域との間の境界をまたがる伝導が好ましくは安定している電気化学をベースにしたいかなるトランスデューサをも含む。
【００６３】
ＩＳＦＥＴはそのようなトランスデューサを描写的に例示するのに用いられるが、本発明の電気化学トランスデューサはトランジスタの実施態様に限定されるものではないことを理解すべきである。そのようなトランジスタは、金属ゲートを、膜またはガラスのようなイオン選択性物質、該膜に接触する電解質（分析物）溶液、および該電解質溶液と接触する参照電極により置換または拡大させることにより製造され、このとき参照電極はＩＳＦＥＴのゲート回路と電気的に接触している。
【００６４】
図３はＩＳＦＥＴ４１を示す概略図である。ＩＳＦＥＴ４１は、実質的に平板の絶縁基体４４；ｎ型物質またはｐ型物質であってもよく、絶縁基体４４上に配置された好ましい実施態様によるとｐ型シリコンからなる半導体４６；第１のドーピング極性を有する半導体４６中に別々に形成される供給源４８とドレーン（ｄｒａｉｎ ）５０を含み、例えば、好ましい実施態様によるとｎ型シリコンからなる拡散領域；金属のような導電物質から形成されそれぞれ供給源（ｓｏｕｒｃｅ）４８およびドレーン５０と接触している導線５２および５４；導線５２および５４が供給源４８およびドレーン５０と接触している場所を除いた全ての場所で半導体４６（およびその中に形成された供給源４８およびドレーン５０）を被覆している絶縁層５６であって、好ましい実施態様によるとＳｉＯ_２ からなる絶縁層５６；拡散領域上方の絶縁層５６上面、またはある実施態様によるウェル５７中に形成された供給源４８とドレーン５０との間にある半導体４６のチャンネル５１上面に形成された本発明による重合体物質４０；重合体物質４０上面に形成されたイオン選択性物質４２；およびＩＳＦＥＴ４１、特に導線５２および５４の部分をシーリングし、イオン選択性物質４２の部分を露出したままにする封入剤５８からなる。供給源４８とドレーン５０との間の半導体４６の領域５１は、供給源４８およびドレーン５０のドーピング極性とは異なるかまたは異なった大きさのいずれかであるドーピング極性を有する。例えば、供給源４８およびドレーン５０はｎ型シリコンからなり、一方領域５１はｐ型シリコンからなる。あるいは、供給源４８およびドレーン５０は特定の極性まで比較的重度にドープされ、領域５１はそれと同一の極性まで軽度にドープされる。
【００６５】
試料６０は分析物またはイオンを含んでいてもいなくてもよいが、この試料６０をイオン選択性物質４２と接触させる。参照電極６２を電解質または分析物溶液６０に接触させる。図３に示すように、液体電解質６０はイオン選択性物質４２および封入剤５８と接触しており、ビーカー等のような境界５９内に収容されている。接点６４は導線５２と接触し、接点６８は導線５４に接触ており、したがって、ＩＳＦＥＴ４１のドレーン回路は、導線５２、接点６４、導体７０、接点６８、導線５４、ドレーン５０、領域５１、供給源４８および電圧源７１を含む。ドレーン回路は、参照電極６２と電気的に接触しており、したがって、参照電極６２、電解質６０、イオン選択性物質４２、重合体物質４０、および電圧源７３はＩＳＦＥＴ４１のゲート回路を閉じている。導体７０と電気的に接続されている接点７２を半導体４６と接触させて、ＩＳＦＥＴ４１のドレーン回路とゲート回路の安定な参照を設けてもよい。
【００６６】
図４は、ＩＳＦＥＴが重合体物質４０を組み込んでいる本発明の第２の実施態様を示している。図３および４に共通の構成部分と特徴は共通の数字で示している。図３と同様に図４において、電界効果トランジスタの金属ゲートをイオン選択性物質４２、重合体物質４０、電解質または分析物溶液６０、および参照電極６２で置き換える。図４に示した実施態様はさらに、重合体物質４０と絶縁層５６との間にイオンバリア層７４を設けている。イオンバリア層７４は、金、銀、白金、銅、黄銅、亜鉛等、またはそれらの酸化物、もしくは合金のような電導金属からなる。イオンバリア層７４として使用するのに適した特に好ましい物質は、Ａｌ_２ Ｏ_３ 、Ｔａ_２ Ｏ_５ 、およびＳｉ_３ Ｎ_４ である。本発明によるＩＳＦＥＴ４１の構成部分に適した模範的な物質、およびそれらの構成部分の模範的な寸法の明細が、前述した米国特許第４，５０２，９３８ 号に記載されている。
【００６７】
図２に関して上述した「非閉鎖」接合電位を、図３および図４のトランスデューサを定義する本発明の実施態様により実現する。
【００６８】
イオン選択性センサ３０およびＩＳＦＥＴ４０の寸法は本発明にとっては重要な要件ではない。従来の薄膜または厚膜技術により製造したプレーナ電気化学デバイスに一般的な寸法を本発明のセンサおよびＩＳＦＥＴに利用することができる。さらに、この上にイオン選択性センサ３０が製造されている基体３２を図２に示しているけれども、このイオン選択性センサ３０は、既知の「浸漬」電極の形状となるように、基体を持たずして製造してもよい。そのような実施態様は、米国特許第３，７１４，０１５ 号を参照することにより明確に理解されるものであり、この特許をここに引用する。
【００６９】
以下の実施例においては、予備試験を用いて本発明のセンサを評価した。記載したこの予備試験は、最終的な精密な評価を意味するものではない。
【００７０】
以下の実施例は本発明の利点を説明することを意図したものであり、本発明の全範囲を例示したものではない。例えば、もっぱら厚膜技術を例示しているが、薄膜技術を選択してもよいことが理解されよう；１つの電極デバイスのみを製造しているが、単一のチップ上に複数の電極を含むデバイス、並びに単一のチップ上に複数のトランスデューサを含むデバイスを製造することもできる。さらに、本発明の電極の構成部分における特定の形状および配置を著しく変更してもよく、そのような変更は本発明の範囲に含まれる。これらの変更と他の変更並びにこれらと同等なものは本発明の範囲に含まれることが理解されよう。
【００７１】
（実施例１）
この実施例と以下の実施例において、レーザにより筋をつけたセラミックウェハー上に複数の個々の電極をスクリーン印刷し、続いてイオン選択性膜を付着させることによりイオン選択性センサを製造した。複数の個々のセンサチップを作成するために、このセラミックウェハーをレーザによる筋に沿って切断し、１つ１つのウェーハを製造した。この実施例と以下の実施例において説明を単純にするために、単一のチップを製造したかのように方法を記載した。
【００７２】
コロラド州、グランドジャンクションのクアーズセラミック社から得られる、約９６％のＡｌ_２ Ｏ_３ および約４％の結合剤からなる絶縁複合基体（０．４５７ ｃｍ×１．１４３ ｃｍ）上にイオン選択性センサのベースチップを製造した。１つ１つのウェーハを作成するのに必要なレーザスコア加工技術は、フロリダ州、アルタモンテ スプリングスのレザレリアンス テクノロジーズ社から得られるものである。厚膜付着技術を利用することにより、ニュージャージー州、ノース ブランチのアフィリエイテッド マニュファクチャラー社から得られるフレームを付けたステンレス３２５ メッシュ／０．１ ｍｍのエマルジョン被覆スクリーンを用いたスクリーン印刷により電導小片（ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｓｔｒｉｐ）を製造した。銀電導ペーストは、ペンシルベニア州、エルバーソンのメテック社からパーツ番号３５７１ＵＦとして得られる。約１．５２ｍｍ×約０．７６２ ｍｍの寸法を有する楕円形の電極を形成するようにこの電導小片を製造した。製造元の指示にしたがって、マサチューセッツ州、ビラリカのＢＴＵから得られる、３層乾燥機が備え付けられたファストファイア、７層ベルト炉を用いてそのペーストを焼成した。続いて、銀の導体を覆って接触するように、金の導体と接触パッドをスクリーン印刷した。接触パッドは誘電被覆エッジから約２．０３ｍｍの長さに亘って延び、約１．６６ｍｍの接触区域を有する。金のペーストは、ペンシルベニア州、エルバーソンのメテック社からパーツ番号ＭＴＰＣ１０３９１ として得られる。焼成は、製造元の指示にしたがって行なった。作用電極区域および接触パッドを定義するように、開口部を有する両方の導体に亘って誘電（ガラス）パッシベーションを印刷した。誘電ペースト、パーツ番号９６５１は、デラウェア州、ウィルミントンのＥ．Ｉ．デュポン社から得られ、製造元の指示にしたがって焼成した。
【００７３】
金接触パッドを、マサチューセッツ州、ケンブリッジのグリーン ラバー社から得られるシリコン接着性を有する０．２５０ インチの削出しＴＦＥフイルムテープでマスキングした。次いで銀電極を、−２．００ｍＡで１０分間に亘り０．１ ＭのＫＣｌ中の塩化銀により化学静電的にメッキした。テープを取り除いて脱イオン水でチップを濯ぎ、空気乾燥させた。
【００７４】
（実施例２）
以下の方法にしたがって、ＭＡＰＴＡＣおよびＭＭＡの共重合体を合成した。ＭＡＰＴＡＣを、６００ ｐｐｍのＭＥＨＱで阻害した５０重量パーセントの水溶液として、ウィスコンシン州、ミルウォーキーのアルドリッヒ社から購入し、そのまま用いた。ＭＭＡをウィスコンシン州、ミルウォーキーのアルドリッヒ社から購入し、使用前に蒸留した。イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）は、ペンシルベニア州、ピッツバーグのフィッシャーからＨＰＬＣグレードのものを購入し、そのまま用いた。無水エタノールをオハイオ州、シンシナティのクオンタム ケミカル社から購入し、そのまま用いた。アゾビスイソブチロニトリル（ＡＩＢＮ）をニューヨーク州、ロチェスターのコダック ケミカル社から購入し、使用前に再結晶させた。無水ジエチルエーテルをフィッシャーから購入し、そのまま用いた。重量比で７５部のＭＭＡと２５部のＭＡＰＴＡＣを有する共重合体を以下のように合成した。１０ｍｌのＩＰＡ、５ｇの５０重量パーセントＭＡＰＴＡＣの水溶液および７．５ ｇのＭＭＡを試験管に加え、次いで隔壁（ｓｅｐｔｕｍ）で覆った。窒素ラインに連結した針を隔壁に挿入し、反応混合物と窒素の泡を約５分間に亘り混合した。次に０．１１ｇのＡＩＢＮを反応混合物に加え、これと窒素の泡をさらに２０分間に亘り混合した。針を取り除いて、試験管を７０℃の水浴中に２．５ 時間に亘り配置した。次いで水浴から試験管を取り出して、この試験管にキャップを被せて室温で一晩放置した。ガラスを破壊することにより重合体を試験管から取り出した。重合体の小片を１０％の無水エタノール中に溶解させて、無水ジエチルエーテル中に沈殿させ、次いで真空下で３０分間に亘り乾燥させた。
【００７５】
（実施例３）
１９９２年１月７日に出願され共有されている、系属出願の米国特許出願第０７／８１７２１号にしたがって、シラン化ＰＶＣを室内で合成した。実施例２により調製した２５／７５の重量比であるＭＡＰＴＡＣ／ＭＭＡを５重量％のエタノール溶液として溶解させた。実施例１により製造したチップを実施例１に記載したように調製し、ＭＡＰＴＡＣ／ＭＭＡを含有するエタノール溶液をそのチップの上面にパスツールピペットを用いてドロップキャストした。室温で乾燥させ、次いで８０℃で３０分間に亘り乾燥させることにより、エタノールを蒸発させた。生成したＭＡＰＴＡＣ／ＭＭＡの層は約１０ｍｍの厚さを有した。次いでチップに、３０秒間に亘り４，０００ ｒｐｍでテトラヒドロフラン中のシラン化ＰＶＣ１重量％の溶液を用いてスピンキャストして、８０℃で２時間に亘り硬化させた。生成したシラン化ＰＶＣ層は約１ｍｍの厚さを有した。
【００７６】
（実施例４）
水素イオンに選択性を有する膜を含むチップ（ｐＨセンサ）を以下のように製造した。以下の方法にしたがって、実施例３により製造したセンサの上面に水素イオン選択性膜を付着させることによりｐＨセンサを調製した。テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）をウィスコンシン州、ミルウォーキーのアルドリッヒ社から購入した。トリドデシルアミン（ＴＤＤＡ）をスイス国、バフス（Ｂｕｃｈｓ ）のフルカ社から購入した。カリウム テトラキス（ｐ−クロロフェニル）ボレート（ＫＴｐＣｌＰＢ）をフルカ社から購入した。ジオクチルフタレート（ＤＯＰ）をフルカ社から購入した。ＰＶＣをフルカ社から購入した。２重量％のＴＤＤＡ、０．１ 重量％のＫＴｐＣｌＰＢ、６５重量％のＤＯＰ、および３３重量％のＰＶＣを含有するＴＨＦ中で１０重量％の膜溶液を調製した。３．６ ｍｌの膜溶液を、実施例３により製造したチップ上に溶液流延した。ＴＨＦ雰囲気下において室温で約２４時間に亘り層を乾燥させた。最終膜厚は約１２０ ｍｍであった。
【００７７】
（実施例５）
カリウムイオンに選択性を有する膜を含むチップを以下のように製造した。バリノマイシン（ＶＡＬ）をフルカから購入した。ジウンデシルフタレート（ＤＵＰ）を、ニューヨーク州、オンタリオのサイエンティフィック ポリマー プロダクツ社から購入した。１重量％のＶＡＬ、３３重量％のＰＶＣ、６６重量％のＤＵＰ、および０．２ 重量％のＫＴｐＣｌＰＢを含有するＴＨＦ中で１０重量％の膜溶液を配合した。実施例４に記載した方法により、実施例３で製造したチップ上面に膜層を流延した。
【００７８】
（実施例６）
ナトリウムイオンに選択性を有する膜を含むチップを以下のように製造した。メチルモネンシンエステル（ＭＭＯ）を、カルフォルニア州、ラジョラのカルバイオケム社から購入した。ｏ−ニトロフェノールオクチルエーテル（ＮＰＯＥ）をフルカから購入した。
【００７９】
２重量％のＭＭＯ、３０重量％のＰＶＣ、６７．６重量％のｏ−ＮＰＯＥ、および０．４ 重量％のＫＴｐＣｌＰＢを含有するＴＨＦ中で１０重量％の膜溶液を配合した。実施例４に記載した方法により、実施例３で製造したチップ上面に膜層を流延した。
【００８０】
（実施例７）
カルシウムイオンに選択性を有する膜を含むチップを以下のように製造した。（Ｒ、Ｒ）−Ｎ、Ｎ′−［ビス（１１−エトキシカルボニル）ウンデシル］−Ｎ、Ｎ′−４、５−テトラメチル−３、６−ドクサオクタン ジアミド（ＥＴＨ１００１）をフルカ社から購入した。３．３ 重量％のＥＴＨ１００１、１．２ 重量％のＫＴｐＣｌＰＢ、３０重量％のＰＶＣ、および６５．６重量％のＮＰＯＥを加えることにより、ＴＨＦ中１０重量％の溶液を調製した。実施例４に記載した方法により、実施例３により製造したチップ上面に膜層を溶液流延した。
【００８１】
（実施例８）
実施例４により製造したチップを用いて、ｐＨセンサについての５日間に亘る全血と血清の研究を行なった。参照酸化還元対のすぐ上にあるイオン選択性膜の区域に全試料溶液をさらすように試料室を構成した。従来の銀／塩化銀参照電極およびｐＨチップの金接触パッドを高インピーダンスの電圧計に接続し、参照電極を試料溶液に露出した。
【００８２】
７つのセンサについて試験を行なった。最初のセンサをｐＨ７の緩衝液中でウェットアップ（ｗｅｔｕｐ ）して、初期勾配を求めた。次いでセンサを緩衝液中で約４８時間に亘り浸漬した。
【００８３】
１日目に、固定干渉法を用いて電位差計選択性係数（ｐｏｔｅｎｔｉｏｍｅｔｒｉｃ ｓｅｌｅｃｔｉｖｉｔｙ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）を求めた。緩衝液は：１）１０ｍＭ ＮａＯＨ、１３０ ｍＭ ＮａＣｌ、１０ｍＭ トリス；２）１９０ ｍＭ ＫＣｌ、１０ｍＭ ＫＯＨ、１０ｍＭ トリス；３）６０ｍＭ ＬｉＯＨ、６．６ ｍＭ クエン酸、１１．４ｍＭ ホウ酸；４）１３０ ｍＭ ＣａＣｌ_２ 、２０ｍＭ Ｃａ（ＯＨ）_２ 、１０ｍＭ トリス；および５）１３０ ｍＭ ＭｇＣｌ_２ 、２０ｍＭ Ｍｇ（ＯＨ）_２ 、１０ｍＭ トリスであった。各々の溶液のｐＨは１ＮのＨＣｌを滴下して加えることにより調整した。勾配をその日の終りに求めた。
【００８４】
２日目から４日目には、以下の順番で試験工程を行なった：（Ａ） 水性試験（さまざまなｐＨ標準溶液の３重測定と勾配決定）；（Ｂ） ２０個のヒト血清試料のｐＨを測定した；（Ｃ） （Ａ） のような水性試験；（Ｄ） １０個のヒト全血試料ｐＨ測定と、その後に続く勾配測定（ＷＢ１）；（Ｅ） 第２の血液試料について工程（Ｄ） の繰り返し（ＷＢ２）；（Ｆ） 第３の血液試料について工程（Ｄ） の繰り返し（ＷＢ３）；（Ｇ） 工程（Ａ） の水性試験の繰り返し。
【００８５】
この試験結果を表１に示す。この表には、市販のｐＨセンサ（チバコーニングダイアグノスティクス社のガラスｐＨ電極２００シリーズ）を用いて同一の試料について行なった対照ｐＨ試験の結果に対して測定した％ｃｖおよび標準偏差とともに７つのセンサ各々の平均読取値を示している。その結果は、本発明のイオン選択性ｐＨセンサを用いて行なったｐＨ測定の精度が良好であることを示している。固定干渉法（ｆｉｘｅｄ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｍｅｔｈｏｄ ）を用いて、リチウム、ナトリウム、カリウム、マグネシウム、およびカルシウムについての本発明のｐＨセンサの選択性を求めた。
【００８６】
（実施例９）
実施例５により製造したチップを使用したカリウムセンサを用いて、５日間の実施例８に記載した全血および血清試料の研究を行なった。４つのカリウムセンサを製造した。１日目に、別々の溶液法を用いて電位差選択性係数を求めた。結果は従来のＫ^＋ 電極と同様であった。２日目から４日目において、市販の（マサチューセッツ州、ミッドフィールドのチバコーニングダイアグノスティスク社）６４４ 校正および６４４ 勾配溶液（６４４ Ｃａｌ ａｎｄ ６４４ Ｓｌｏｐｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎ）を用いて工程Ａを行なって、ｐＨではなくカリウムを測定したことを除いては、実施例８に記載した順番の試験工程を行なった。この試験の結果を表２および３に示す。この表には、市販のカリウムセンサ（チバコーニングダイアグノスティクス社のガラスカリウム電極２００シリーズ）を用いて同一の試料について行なった対照カリウム試験の結果に対して測定した％ｃｖおよび標準偏差とともに４つのセンサ各々の平均読取値を示している。全血および血清の実行可能性試験の精度は良好なものであった。勾配、線形性、および選択性係数もまた良好であった。
【００８７】
（実施例１０）
実施例６により製造したチップを使用したナトリウムセンサを用いて、５日間の実施例８に記載した全血および血清試料の研究を行なった。実施例８のように試料室を構成した。実施例９に記載した勾配および校正溶液を用いた。対照センサは市販されているナトリウムセンサ（チバコーニングダイアグノスティクス社のガラスナトリウムセンサ２００シリーズ）であった。表４は、この実施例により製造した５つのセンサの平均精密値（ａｖｅｒａｇｅ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｖａｌｕｅ ）を示している。結果は非常に良好であった。勾配、線形性、および選択性係数もまた良好であった。
【００８８】
（実施例１１）
実施例７により製造したチップを使用したカルシウムセンサを用いて、５日間の実施例８に記載した全血および血清試料の研究を行なった。５つのセンサを製造した。実施例８のように試料室を構成した。勾配および校正溶液は、チバコーニングダイアグノスティクス社から市販されている６３４ 校正および６３４ 勾配溶液であった。表５は平均精密値を示している。精度は非常に良好であった。線形性、勾配および選択性もまた良好であった。
【００８９】
（実施例１２）
実施例２により製造したＭＡＰＴＡＣ／ＭＭＡの膜物質における輸率測定を行なった。実施例３に記載した溶液流延法と同様に、エタノール中の５重量％の溶液からの溶液流延によりフリースタンディング（ｆｒｅｅ−ｓｔａｎｄｉｎｇ ）ＭＡＰＴＡＣ／ＭＭＡを形成した。空気乾燥したフリースタンディング膜は約８２ｍｍの厚さを有した。膜をＮａＣｌの１６０ ｍＭ溶液に約３０分間に亘り浸漬し、結果として乾燥重量の約２．１ 倍まで膨潤させた。フリースタンディング膜から円形部分を切断し、既知のフィリップス本体に備え付けた。充填溶液は浸漬溶液と同一であり、銀／塩化銀内部参照を用いた。飽和ＫＣｌカロメル参照電極によりビーカー中でＥＭＦ測定を行なった。ＥＭＦ法により輸率を測定した。それにより、膜のいずれかの側の電解質濃度Ｃ１およびＣ２を用いて膜電位を求める。一方の側のＮａＣｌの濃度を１６０ ｍＭで一定に保ち、他方の側のＮａＣｌまたはＫＮＯ_３ の濃度Ｃ２を変化させた。この既知の方法は、Ｎ．ラクシュミナラヤナイアーによる「膜中の輸送現象」、ニューヨーク、アカデミックプレス（１９６９）に記載されている。結果を表６に示す。試験したフイルム上において、かなりの陽イオンおよび陰イオン輸送が観察された。ＮａＣｌをＫＮＯ_３ と置き換えた場合にも同様な結果が得られたことにより、イオン輸送は非選択的現象であることが分った。
【００９０】
（実施例１３）
実施例４にしたがってｐＨセンサを調製した。エタノール中で２５／７５重量比のＭＡＰＴＡＣ／ＭＭＡを７５０ ｒｐｍで３０秒間に亘りチップ上にスピンキャストした。チップを乾燥させた。実施例４によるチップ上にｐＨ膜を流延させた。ミネソタ州、セントポールの３Ｍ者からの６２００Ｃ永久メンディングテープをチップ上に押し付けて、チップの表面からほぼ直角の角度で上方に引くことによりゆっくりと剥がした。接着性は良好であった。水性性能を４０日間に亘って試験して、良好であることがわかった。
【００９１】
以上の実施例は本発明の特定の実施態様を説明するために述べたものであり、本発明の範囲を制限することを意図するものではない。本発明の範囲内のさらなる実施態様および利点（例えば、単一の無機イオン以外の電気活性化学種を測定すること）も当業者には明らかなことである。
【００９２】
【表１】

【００９３】
【表２】

【００９４】
【表３】

【００９５】
【表４】

【００９６】
【表５】

【００９７】
【表６】

【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術によるイオン選択性電極の断面図
【図２】本発明の一実施態様によるイオン選択性電極の断面図
【図３】本発明の一実施態様によるイオン選択性電界効果トランジスタの断面図
【図４】本発明の別の実施態様によるイオン選択性電界効果トランジスタの断面図
【符号の説明】
１０、３０ イオン選択性センサ
１２、３２ 非電導基体
１４、３４ 酸化還元対
１６、３６ 金属
１８、３８ 金属塩
２０、４２ イオン選択性膜
２２、３９、５２、５４ 導線
４０ 重合体物質
４４ 絶縁基体
４６ 半導体
５６ 絶縁層
６０ 電解質
６２ 参照電極
６４、６８、７２ 接点
７１、７３ 電源
７４ イオンバリア層

Claims (12)

1. 金属と、該金属のイオンおよび該金属イオンとは反対の電荷を有するイオンを含む金属塩とから構成される参照酸化還元対；
   前記参照酸化還元対によって担持され、少なくとも１つの荷電モノマーの重合生成物を含み、該荷電モノマーからの正の固定荷電部位、および前記金属塩における金属イオンと反対の電荷を有するイオンと同じイオンである移動性対イオンを有する、重合体物質の層；および
   前記重合体物質の層によって担持された陽イオン選択性膜；を含むイオン選択性センサ。
2. 前記重合体物質が、メチルメタクリレート（ＭＭＡ）と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ライド（ＭＡＰＴＡＣ）との共重合体であることを特徴とする、請求項１記載のイオン選択性センサ。
3. 前記重合体物質が、塩をさらに含むことを特徴とする、請求項１記載のイオン選択性センサ。
4. 金属と、該金属のイオンおよび該金属イオンとは反対の電荷を有するイオンを含む金属塩とから構成される参照酸化還元対；
   前記参照酸化還元対によって担持され、少なくとも１つの荷電モノマーの重合生成物を含み、該荷電モノマーからの固定荷電部位、および前記金属塩における金属イオンと反対の電荷を有するイオンと同じイオンである移動性対イオンを有する、アクリレート重合体物質の層；および
   前記アクリレート重合体物質の層によって担持されたイオン選択性膜；を含むイオン選択性センサ。
5. 前記アクリレート重合体物質が、少なくとも１つの荷電アクリルモノマーと、少なくとも１つの中性アクリルモノマーとの共重合生成物を含むことを特徴とする、請求項４記載のイオン選択性センサ。
6. 前記金属イオンと反対の電荷を有するイオンがハロゲン化物イオンであることを特徴とする、請求項１から５いずれか１項記載のイオン選択性センサ。
7. 前記金属イオンと反対の電荷を有するイオンが塩化物イオンであることを特徴とする、請求項６記載のイオン選択性センサ。
8. 前記金属イオンが銀イオンであることを特徴とする、請求項１から７いずれか１項記載のイオン選択性センサ。
9. 銀と、銀およびハロゲン化物からなる塩と、から構成される参照酸化還元対；
   前記参照酸化還元対の上に設けられた、少なくとも１つの荷電モノマーの重合生成物を含み、正の固定荷電部位、および移動性ハロゲン化物イオンを有する、アクリレート重合体物質の層；および
   前記アクリレート重合体物質の層によって担持されたイオン選択性膜；を含むイオン選択性センサ。
10. 前記アクリレート重合体物質が、少なくとも１つの荷電アクリルモノマーと、少なくとも１つの中性アクリルモノマーとの共重合生成物を含むことを特徴とする、請求項９記載のイオン選択性センサ。
11. 前記アクリレート重合体物質が、メチルメタクリレート（ＭＭＡ）と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ライド（ＭＡＰＴＡＣ）との共重合体であることを特徴とする、請求項９記載のイオン選択性センサ。
12. 前記ハロゲン化物イオンが塩化物イオンであることを特徴とする、請求項９から１１いずれか１項記載のイオン選択性センサ。

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