JP4758752B2 - ｐＨ電極 - Google Patents

Description

本発明は、ｐＨ電極に関し、より詳細には、生体、および生体試料中、あるいは環境試料中のｐＨを迅速かつ簡便に測定するための、医学、医療、環境モニター用デバイスに用いられるｐＨ電極に関する。

従来、ｐＨの測定には、指示薬、ガラス電極、ＩＳＦＥＴ、光ファイバーなどが用いられてきた。この中でも特にガラス電極は、安価で測定が簡便であるため、広く用いられている。ｐＨの測定にガラス電極を用いる場合、ガラス電極と、電位の基準となる参照電極との間の電位差を測定することにより、ｐＨを測定することができる。

さて、上記簡便で安価なガラス電極を生体内の微小領域で用いる場合には、電極の小型化が必要である。そこで、ガラス電極に代わる電極として、ｐＨ感応性を有する金属酸化物電極が用いられてきた。イリジウム酸化物は、良好なネルンスト応答を示す材料であることが知られており、これを用いたｐＨ電極が報告されている（非特許文献１、２参照）。

このようなｐＨ電極は、参照電極とイリジウム酸化膜との電位差を測定する方式であり、参照電極には、電気化学測定に於いて一般的に用いられる銀／塩化銀電極が用いられてきた。上記参照電極としての銀／塩化銀電極を微小化したｐＨ電極も報告されている（非特許文献２参照）。参照電極は、電解質層を有しているが、この場合、塩化物イオンなどの電解質は、高分子内に保持されている。このような高分子としては、例えば、ポリビニルピロリドンと飽和塩化カリウムとを混合したゲルが用いられている。

S. A. M. Marzouk, S. Ufer, R. P. Buck, T. A. Johnson, L. A. Dunlap, W. E. Ca scio, Anal. Chem., 1998, 70, 5054-5061 H. Suzuki, H. Shiroishi, S. Sasaki, I. Karube, Anal. Chem., 1999, 71, 5069-5075

以上から明らかなように、従来では、ｐＨ電極によるｐＨ測定において、塩化物イオンを用いる方式が有力であり、当時として望まれるｐＨ測定の精度を十分に満たすものであったが、近年は、さらに高精度のｐＨ測定が望まれるようになった。

上述のように、一般的な参照電極としては銀／塩化銀電極が用いられる。しかしながら、銀／塩化銀電極に用いられる電解質溶液中の塩化物イオン濃度に比べ、ｐＨ電極の被測定液の一例である血液中の塩化物イオン濃度の方が低い。

よって、液絡における塩化物イオンの透過性が高い場合には、参照電極中に保持されるはずの塩化物イオンが血液中に流出してしまうという問題がある。このように塩化物イオンの流出が起こると、血液等の被測定液中の実際の塩化物イオンの濃度が増加してしまい、より正確なｐＨ測定が困難になることがある。また、微小な参照電極を構築する場合には、保持できる電解質の量も微量となるため、この漏出による影響が大きくなる。

一方、液絡での透過性を低下させると、液間電位が増大し、結果的に長時間に渡って安定な電位を得るのが困難となり、ｐＨを安定に測定できないという問題がある。

このように、より高精度にｐＨ測定を行うためには、まだ改善しなければならない課題が残されている。すなわち、塩化物イオンを利用したｐＨ電極では、作用電極としてのガラス電極や金属酸化物電極の電極電位が、上述のように液絡の透過性に応じて、不安定になることがあり、より高精度にｐＨ測定を行うことが困難となるのである。

本発明は、このような問題を鑑みてなされたもので、その目的とするところは、被測定液中の塩化物イオンの影響を受けることなく、長時間であっても、安定かつ高精度にｐＨ測定可能なｐＨ電極を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１記載の発明は、絶縁性基板上に作用電極および参照電極が形成されたｐＨ電極において、前記作用電極は金電極であり、前記参照電極は銀電極であり、前記金電極上に形成されたイリジウム酸化膜と、前記銀電極表面に形成されたヨウ化銀膜と、少なくとも前記ヨウ化銀膜の露出面を覆うように形成された、ヨウ化物イオンを含む電解質層と、前記電解質層の少なくとも一部を覆うように形成された、前記作用電極と前記参照電極とを電気的に接続するための高分子と、前記作用電極と前記参照電極との間に形成された、ヨウ化物イオンを酸化するための、少なくとも１つの対向電極とを備えることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記高分子が、前記対向電極にて生成されたヨウ素を捕捉するためのでんぷんを含むことを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の発明において、前記作用電極、前記対向電極、および前記参照電極が、絶縁層を介して積層されていることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記絶縁層は、ポリイミド、フォトレジスト、またはシリコン酸化膜のいずれかであることを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の発明において、前記電解質層は、ヨウ化物イオンを含む高分子膜、またはヨウ化銀のペースト層であることを特徴とする。

請求項６記載の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の発明において、前記電解質層の、前記高分子によって覆われていない領域、および前記高分子の一部を覆うように形成された、接着性を有する高分子膜をさらに備えることを特徴とする。

請求項７記載の発明は、請求項６記載の発明において、前記接着性を有する高分子膜は、光硬化性樹脂であることを特徴とする。

請求項８記載の発明は、請求項１乃至７のいずれかに記載の発明において、前記高分子は、ＰＶＡ−ＳｂＱ（Polyvinyl Alcohol-Stilbazolium Quaternary ）またはｐＨＥＭＡ（poly 2-hydroxyethyl methacrylate)であることを特徴とする。

請求項９記載の発明は、請求項１乃至８のいずれかに記載の発明において、前記絶縁性基板は、ポリイミド、酸化膜付きシリコン、ガラスのいずれかであることを特徴とする。

請求項１０記載の発明は、請求項１乃至９のいずれかに記載の発明において、前記ｐＨ電極は、カテーテルに搭載されていることを特徴とする。

本発明によれば、参照電極についてヨウ化物イオンを含む電解質層を用いているので、被測定液中の塩化物イオンの影響を受けることなく、長時間であっても、安定かつ高精度にｐＨ測定を行うことが可能である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
本発明の一実施形態では、参照電極用の銀薄膜上に形成する電解質層内の電解質の種類を従来から変更したｐＨ電極を構築する。具体的には、塩化銀層の代わりに、例えば、ヨウ化銀層（ヨウ化銀のペースト層）や、ヨウ化物イオンを含んだ高分子等の、ヨウ化物イオンを含んだ電解質層を形成することにより、ｐＨ電極に用いられる参照電極を構築する。

このように、電解質層として、塩化銀層ではなく、ヨウ化銀層やヨウ化物イオンを含んだ高分子等を用いると、ヨウ化銀の溶解度積が小さく、かつ、血液等の被測定液中のヨウ化物イオン濃度が他のイオン濃度（例えば、塩化物イオン濃度）に比べて低いので、液絡の透過性に関係なく、電解質層中のヨウ化物イオンが、被測定液へと流出するのを抑制することができる。また、被測定液中のヨウ化物イオン濃度は低いので、参照電極の外部、すなわち被測定液と電解質層との間のヨウ化物イオンの出入りが少なくなり、電極電位を長時間に渡って安定に保つことができる。よって、長時間に渡ってより高精度にｐＨを測定することができる。すなわち、ヨウ化物イオンを含んだ電解質層を用いると、被測定液中のヨウ化物イオン濃度が低いので、該被測定液中のヨウ化物イオンが参照電極に与える影響を抑えることができ、作用電極に対して安定な電極電位を得ることができる。

なお、本発明の一実施形態では、作用電極に用いられる電解質層は、ヨウ化物イオンを含む電解質層であればいずれを用いても良いが、ヨウ化銀は、より難溶性であるので、好ましい材料である。

また、ヨウ化物イオンの影響を排除するために、参照電極の周囲のヨウ化物イオンを酸化するための電極（対向電極）を作用電極と参照電極との間に少なくとも１つ備えることが好ましい。参照電極の性能を維持するためには、参照電極として用いているヨウ化銀の周辺のヨウ化物イオン濃度を一定に保つ必要がある。このため、ヨウ化物イオンの電解質層への混入を抑制する必要がある。そこで、対向電極を設け、該電極に電圧を印加することによって、被測定液中のヨウ化物イオンを酸化してヨウ素にすることは好ましい。このように参照電極の周囲のヨウ化物イオン濃度をヨウ素にすることができるので、ヨウ化銀の周囲のヨウ化物イオン濃度を一定に保つことができる。

さらに、液絡に、対向電極にて生成されたヨウ素を捕捉するためのでんぷんを含ませても良い。このでんぷんによって、対向電極にて生成されたヨウ素はトラップされるので、ヨウ素が電解質層へと混入することを抑制することができる。

このように、対向電極を設け、液絡にでんぷんを含ませることによって、ヨウ化物イオンの電解質層への混入を抑制することが可能となる。

なお、本明細書において、「液絡」とは、イオンのみが通過することのできる部分であって、高分子によって形成される。この液絡があることによって、参照電極と作用電極との電気的な接続が保たれる。

以下、本発明を実施例に基づいて詳細に説明するが、本発明は、下記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、種々変更可能であることは言うまでもない。

（第１の実施例）
本実施例では、ｐＨ電極の基本構造を説明する。図１の上側の図は、本実施例に係るｐＨ電極の上面図であり、下側の図は、その断面図である。
図１において、絶縁性基板としてのガラス基板１上に、銀電極２、白金電極３、金電極４をそれぞれ参照電極、対向電極、作用電極として形成している。金電極４は、イリジウム電極のリードとして用いている。銀電極２表面には、ヨウ化銀膜８が形成されている。銀電極２およびヨウ化銀膜８上には、ヨウ化銀層５が形成されている。このようにして、少なくともヨウ化銀膜８の露出面はヨウ化銀層５により覆われる。このヨウ化銀層５の一部を覆うようにして、液絡としてのＰＶＡ−ＳｂＱ（Polyvinyl Alcohol-Stilbazolium Quaternary）６が形成されている。このようにして、ＰＶＡ−ＳｂＱ６とヨウ化銀層５とは接している。本実施例では、液絡として、ＰＶＡ−ＳｂＱを用いているが、これに限定されず、例えば、ｐＨＥＭＡ（poly 2-hydroxyethyl methacrylate)など、イオンのみを透過し、作用電極と参照電極とを電気的に接続する機能を有する高分子であればいずれを用いても良い。ヨウ化銀層５、およびＰＶＡ−ＳｂＱ６の一部を覆うように、接着性を有する高分子膜としての封止用シリコーンゴム７が形成されている。なお、本実施例では、封止用高分子としてシリコーンゴムを用いているが、これに限定されず、光硬化性樹脂など、ヨウ化銀層５を安定に保つことができる高分子であればいずれを用いても良い。

なお、本実施例では、ヨウ化銀層５の一部を覆うようにＰＶＡ−ＳｂＱ６を形成しているが、これに限定されず、ヨウ化銀層５の全部を覆うようにＰＶＡ−ＳｂＱ６を形成しても良い。すなわち、本実施例では、電解質層の少なくとも一部を液絡にて覆うようにすれば良いのである。なお、ヨウ化銀層５の全部をＰＶＡ−ＳｂＱ６にて覆う場合は、シリコーンゴム７を形成しなくても良い。

上記ヨウ化銀膜８は、銀薄膜をヨウ化したものであって、ヨウ化銀層５、ＰＶＡ−ＳｂＱ６、シリコーンゴム７を形成する前に、銀電極２部分を０．１Ｍヨウ化カリウム溶液に浸漬し、銀電極２および白金電極３に対して１μＡの電流を流して形成することができる。

本実施例では、上記ヨウ化銀膜８を長期間維持するために、ヨウ化銀膜８上にヨウ化銀の粉末をポリマーで固定した層（ヨウ化銀のペースト層）を形成している。これがヨウ化銀層５である。
このヨウ化銀層５は、０．１Ｍ硝酸銀溶液と０．１Ｍヨウ化カリウム溶液とを混合し、沈殿したヨウ化銀を銀電極２およびヨウ化銀膜８上に塗布することにより形成できる。

金電極４上には、イリジウム薄膜（イリジウム酸化膜９）が形成されている。イリジウムは、硫酸、あるいは過塩素酸リチウム溶液中で電位を掃引することにより、ｐＨに応答する酸化膜９として金電極４上に形成される。電極面積の規制を行うためにポリイミドを用いて絶縁層１０が形成されている。
なお、本実施例では、絶縁性基板としてガラスを用いているが、これに限定されず、ポリイミド、酸化膜付きシリコンなどを用いても良い。

血液を動物から採取し、ヘパリンを加えたビーカー内に、本実施例によるｐＨ電極を挿入し、血液のｐＨを測定したところ、７．３５であった。また、応答電位は、安定であった。

比較として、銀／塩化銀電極を参照電極とした。同様な構造のｐＨ電極を作製し、同様な実験を行ったところ、開始直後のｐＨは７．３５と、ヨウ化銀を用いたｐＨ電極と同じ結果であったが、時間の経過に伴い、応答電位が不安定となった。これは、電解質層に含まれる塩化物イオンが血液試料中に流出し、電位を安定に保つことができなくなったためである。

以上のように、本発明によるｐＨ電極は、血液中の塩化物イオンの影響を受けることなく、安定にｐＨを測定することができる。

（第２の実施例）
図２（ａ）および（ｂ）に、本実施例によるｐＨ電極の模式図（センシング部の拡大図）を示す。図２（ａ）は、電極の配置を示している。本実施例では、ｐＨ電極を微小化するために、図２（ａ）および（ｂ）に示すように、各電極（作用電極、対向電極、参照電極）を絶縁層としてのポリイミドを介して積層している。本ｐＨ電極は、以下のように作製できる。

絶縁性基板として、ポリイミド基板１１を用い、基板１１上にチタン（１０ｎｍ）、金（２００ｎｍ）の積層膜１２を幅２００μｍにパターニングする。その上に、ｐＨ感応部となる部分を残して、ポリイミドを用いて絶縁層２０を形成する。ｐＨ感応部には、イリジウム膜１３（３００ｎｍ）を形成する。次に、絶縁層２０上のイリジウム膜１３から所定の距離だけ離れた領域に、チタン（１０ｎｍ）、白金（２００ｎｍ）の積層膜１４を形成し、電極部２２を残して、同様にポリイミドを用いて絶縁層２１を形成する。続いて、絶縁層２１上の電極部２２から所定の距離だけ離れた領域に、チタン（１０ｎｍ）、銀（２００ｎｍ）の積層膜１５を形成し、同様に、電極部２３を残してポリイミドを用いて絶縁層２４を形成する。このようにして、基板１１上に順に、イリジウム／金、白金、銀が積層された積層体が形成される。

本実施例では、イリジウム／金、白金、銀の順に積層させているが、積層の順番は入れ替えても構わない。

この後、ダイシングソーを用いて３００μｍ幅に切り出す。切り出した電極は、ポテンシオスタット（ＡＬＳ８０２）に接続し、０．１Ｎ硫酸中で０〜１．５Ｖの範囲で電位掃引を行い、イリジウム酸化膜１６を形成する。ヨウ化カリウム溶液（０．１Ｍ）中に本電極を挿入し、参照電極としての積層膜１５および対向電極としての積層膜１４に対して１μＡの電流を流して、銀表面にヨウ化銀膜を形成する。その後ヨウ化銀のペーストをヨウ化銀膜上に塗布して、ヨウ化銀層１７を形成する。本実施例では、チタン、銀の積層膜５は絶縁層２４によって覆われており、ヨウ化銀膜の上面のみが露出しているが、この露出面は、ヨウ化銀層１７によって覆われることになる。続いて、液絡用にＰＶＡ−ＳｂＱ１８、封止剤としてシリコーンゴム１９を塗布して、本実施例のｐＨ電極が完成する。

なお、本実施例では、絶縁層としてポリイミドを用いているが、これに限定されず、フォトレジスト、シリコン酸化膜などを用いても良い。

本実施例のｐＨ電極は、カテーテルに実装し、血管内で血液のｐＨ測定に使用できる。犬の大腿動脈に本実施例のｐＨ電極を実装したカテーテルを挿入し、血液のｐＨ測定を行った。ポテンシオスタットに接続し、開回路モードで測定を行ったところ、ｐＨは７．４であった。連続的に数時間測定を行った場合でも、数十時間安定した応答が得られた。

さらに、血液中のヨウ化物イオンの影響を排除するために、電極１４と電極１５との間に、ヨウ化物イオンを酸化するための電極を絶縁層を介してもう一つ設置し、該ヨウ化物イオンを参加するための電極上に生成したヨウ素を捕捉するために液絡用のＰＶＡ−ＳｂＱ１８にでんぷんを混ぜることによって、ｐＨの変動を（±０．０５）の範囲に抑制し、精度良く測定が行えることを確認した。

比較として、銀／塩化銀電極を参照電極とした、同様な構造のｐＨ電極を作製し、同様な実験を行ったところ、開始直後のｐＨは７．３５と、ヨウ化銀を用いた本実施例のｐＨ電極と同じ結果であったが、時間の経過に伴い、応答電位が不安定となった。これは、電解質層に含まれる塩化物イオンが血液試料中に流出し、電位を安定に保つことができなくなったためである。

以上のように、本実施例によるｐＨ電極は、血液中の塩化物イオンやヨウ化物イオンの影響を受けることなく、安定にｐＨを測定することができる。

このように、本発明の一実施形態に係るｐＨ電極によれば、
１．血液中の塩化物イオンやヨウ化物イオンの影響を受けることなく、長時間にわたってｐＨを測定することができる。
２．電極を積層し、微小化することによって、血管内で連続的にｐＨの測定を行うことができる。
という効果を有する。

本発明の一実施例に係る、ｐＨ電極の構造を示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、本発明の一実施例に係る、ｐＨ電極の構造を示す図である。

符号の説明

１ 絶縁性基板
２ 銀電極
３ 白金電極
４ 金電極
５ ヨウ化銀層
６ ＰＶＡ−ＳｂＱ
７ シリコーンゴム
８ ヨウ化銀膜
９ イリジウム酸化膜
１０ ポリイミド絶縁膜

Claims (10)

1. 絶縁性基板上に作用電極および参照電極が形成されたｐＨ電極において、
   前記作用電極は金電極であり、
   前記参照電極は銀電極であり、
   前記金電極上に形成されたイリジウム酸化膜と、
   前記銀電極表面に形成されたヨウ化銀膜と、
   少なくとも前記ヨウ化銀膜の露出面を覆うように形成された、ヨウ化物イオンを含む電解質層と、
   前記電解質層の少なくとも一部を覆うように形成された、前記作用電極と前記参照電極とを電気的に接続するための高分子と、
   前記作用電極と前記参照電極との間に形成された、ヨウ化物イオンを酸化するための、少なくとも１つの対向電極と
   を備えることを特徴とするｐＨ電極。
2. 前記高分子が、前記対向電極にて生成されたヨウ素を捕捉するためのでんぷんを含むことを特徴とする請求項１に記載のｐＨ電極。
3. 前記作用電極、前記対向電極、および前記参照電極が、絶縁層を介して積層されていることを特徴とする請求項１または２記載のｐＨ電極。
4. 前記絶縁層は、ポリイミド、フォトレジスト、またはシリコン酸化膜のいずれかであることを特徴とする請求項３記載のｐＨ電極。
5. 前記電解質層は、ヨウ化物イオンを含む高分子膜、またはヨウ化銀のペースト層であ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ｐＨ電極。
6. 前記電解質層の、前記高分子によって覆われていない領域、および前記高分子の一部を覆うように形成された、接着性を有する高分子膜をさらに備え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ｐＨ電極。
7. 前記接着性を有する高分子膜は、光硬化性樹脂であることを特徴とする請求項６記載のｐＨ電極。
8. 前記高分子は、ＰＶＡ−ＳｂＱ（Polyvinyl Alcohol-Stilbazolium Quaternary）またはｐＨＥＭＡ（poly 2-hydroxyethyl methacrylate)であ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ｐＨ電極。
9. 前記絶縁性基板は、ポリイミド、酸化膜付きシリコン、ガラスのいずれかであることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のｐＨ電極。
10. 前記ｐＨ電極は、カテーテルに搭載されていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載のｐＨ電極。

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