JPH0463341B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

〔産業上の利用分野〕 この発明は、可塑化されていない高分子基質の
中に含有された１種またはそれ以上の電気的に活
性の成分、を有するアニオン感受性の膜を備えた
イオン感応膜電極、特に塩化物イオンないし塩素
イオン感応膜電極、に関する。 ここにイオン感応膜電極とはイオンに対する選
択的感応挙動を示すセンサであつて、これは試料
ないし試料溶液中の特定のイオンが膜物質（膜
相）の中へ優先的に電荷移動される現象を利用す
ると共に、その結果として電気化学的電位におい
て生じる変化を利用するものである。 このようなイオン選択性の電極は、これを用い
ての測定に相当の長所があることから、稀釈され
ていない体液中のイオンを測定する場合にも広汎
に利用されている。 〔従来の技術〕 上述のタイプのイオン感応膜電極は文献の中に
詳しく記されている。例えばカール・カマン著
『イオン選択性電極を用いての研究』シユプリン
ガー・フエアラーク社、ベルリン、ハイデルベル
ク、ニユーヨーク、1973年版、には種々のイオン
感受性の電極について原理と実際の応用、イオン
分析のための応用を含む、が詳しく概説されてい
る。 生物学的液体の中のイオンの測定についても多
くの文献があり、その中ではジリ・コリータ著の
『メデイカル・アンド・バイオロジカル・アプリ
ケーシヨンズ・オブ・エレクトロケミカル・デバ
イシス（電気化学的装置の医学的および生物学的
応用）』、ジヨン・ワイリー・アンド・サンズ社、
ニユーヨーク、1980年版を挙げることができる。 この種のタイプのカチオン感受性の電極はこの
数年実際的な分析用途に多数用いられているが、
イオン選択性の電極として構成開発されたアニオ
ン感受性センサにはまだ種々の問題がある。生物
学的液体の中のアニオンで日常的な分析の対象と
なつている代表的なものの例として塩素イオンが
ある。細胞外の体液、つまり血清などについて最
も頻繁に取上げられるアニオンは約0.1mol／
の濃度の塩化物イオンないし塩素イオン（以下、
単に塩素イオンと称する）である。通常CO₂全量
から決められる重炭酸イオンと塩素イオンとが全
アニオンの中の大部分を占めている。 イオン感受性センサを用いて血液、血清、血
漿、リンパ液、尿などの塩化物を測定しようとす
る試みは、既にイオン感受性センサの開発初期か
らなされていた。そして当初は従来のハロゲン化
物質の電極がこの目的に用いられた。このタイプ
の電極は電気分解法で形成される塩化銀のコーテ
イングを施された固体の銀である。電気化学の法
則によれば、このような電極は塩素イオンに対し
可逆性であり、該電極の電位はネルンスト
（Nernst）の式に従う。適当な参照電極と併用す
るならば上記のような銀電極は水溶液中の塩化物
を測定できるであろう。生物学的な液との接触に
より好ましくない干渉作用と副反応とが種々発生
し、これは試験結果に大きな誤差をもたらすほ
か、当該電極の耐久性を相当に低下させることに
もなる。 他のタイプのイオン感受性の電極、つまり液膜
電極は、特に塩化物の測定において上述のもの以
上に好適であることは認められている。この電極
の主たる構成要素は、適切な膜状基質の中に含有
保持された電気的活性成分であり、この成分は多
孔性の基質、例えば不活性な濾材の小片、に吸収
された状態のものであつて、ムーデイ
（Moody）、オウク（Oke）及びトーマス
（Thomas）の創始者的研究が出版紹介（『ア・カ
ルシウムセンシテイブ・エレクトロード・ベイス
ド・オン・リキツド・アイアン・エクスチエンジ
ヤー・イン・ア・ポリビニル・クロライド・マト
リツクス（ポリ塩化ビニル基質の中の液体イオン
交換剤に基づいたカルシウム感受性の電極）』ア
ナリスト誌−95巻910ページ（1970年）参照）さ
れて以来、可塑剤を多量に含んだポリ塩化ビニル
が最もよく用いられる膜材料となつた。 従つて、刊行物や特許文献の中に塩化物測定用
のアニオン感受性の電極に向けられたものが多数
あることは驚くにあたらず、これら電極の主要構
成要素は、 (1) テトラヒドロフラン、シクロヘキサノン等の
適宜溶媒中の高分子（特にポリ塩化ビニル）の
溶液、 (2) この溶液中の塩素イオンとのあいだに多少と
も選択的な交互作用を許す電気的に活性の成
分、及び、 (3) 高濃度の（即ち上記膜の中で高い重量％を占
める）可塑剤であつて、該膜を柔軟にすると共
にその電気抵抗を数100メグオームという実用
的なレベルにまで低下させるもの となつている。 上記の公知タイプの電気的活性成分は四級アン
モニウム化合物（塩化物）の群又は四級ホスホニ
ウム塩化物の群の中から主として選ばれる。例え
ば、ケー・ハートマンほか（K.Hartman etal）
の、『クロライド・セレクテイブ・リキツド・メ
ンブレン・エレクトローズ・ベイスド・オン・リ
ポフイリツク・メチルトリ−Ｎ−アルキルアンモ
ニウム・コンパウンズ・アンド・ゼア・アプリカ
ビリテイ・トウ・ブラツド・シーラム・メジヤメ
ンツ（親油性のメチルトリ−Ｎ−アルキルアンモ
ニウム化合物に基づいた塩化物選択性の液膜電極
とその血清測定への応用可能性）』ミクロシミ
カ・アクタ誌235〜246ページ（1978）、という研
究によれば該四級化合物は強親油性を発現する状
態で用いられねばならず、この状態は該化合物が
適宜鎖長のアルキル鎖を結合した構造のものであ
り、これによつて該化合物が上記膜の内部に留ま
ると共に、やはり親油性の物質をある程度含有し
ている血液ないし血清といつた水性溶液と接触し
たときにも該化合物が、上記膜の高度の拡散係数
にもかかわらず試料の中へ入り込まないようにす
ることで実現される。 塩化物感受性の初期のタイプの液膜電極におい
ては周知の商品「アリクワート（Aliquat）336」
が電気的活性成分として用いられていて、これは
恐らくメチルトリカプリルシルアンモニウムクロ
ライドであるが、上記研究によれば、しかしメチ
ルトリドデシルアンモニウムクロライドの方が好
ましいのである。この後者化合物はメチル基に加
え３つのドデシル基が結合していることにより親
油性が高いという利点がある。この特殊な化合物
が各文献にしばしば引用されているけれども、本
発明は電気的活性成分としてメチルトリドデシル
アンモニウムクロライドの使用のみに限定するも
のでない。即ち、十分な親油性とそれによる十分
な耐久性とを上記膜に賦与する側鎖を備えている
ならば、如何なる四級アンモニウムないしホスホ
ニウム化合物であつても本発明の目的に用いるこ
とができる。 上記の公知の膜を製作するためには、ある％の
電気的活性成分がポリ塩化ビニルと可塑剤と共に
適宜の溶媒に溶解される。溶媒を蒸発除去すれ
ば、この溶液（混合物）から所要形状の硬くて透
明な膜を成形することができる。文献中に好適と
記されている典型的な膜は、約29重量％のポリ塩
化ビニルと、約65重量％の可塑剤、例えばオルソ
ニトロフエニルオクチルエーテル、ジニトロブチ
ルフタレート等と、約６重量％の電気的活性成
分、例えばメチルトリドデシルアンモニウムクロ
ライド、という組成となるであろう。 上記の公知膜組成の詳細は文献ごとに、又特許
ごとにそれぞれ異なつている。例えばアメリカ特
許第4349426号では、メチルトリドデシルアンモ
ニウムクロライドの濃度は10〜20重量％の範囲と
され、可塑剤のｎ−テトラデシルアルコールは20
〜40重量％の範囲、又、ポリ塩化ビニルは40〜60
重量％の範囲とされている。 西ドイツの特許公開公報第3000886号が開示し
ているのは、20〜24重量％のメチルトリドデシル
アンモニウムクロライドと、可塑剤として５〜15
重量％のフエニルアルキルアルコールと、60〜79
重量％のポリ塩化ビニルとからなる組成で、これ
らをテトラヒドロフランの中に溶解して製作する
膜である。 これらの公知の全ての膜に共通の特徴は、次の
３種の基本的成分を含んでいることである：即
ち、 (1) 膜構成の基本物質（基質）として適している
ポリカーボネート、ポリメチルアクリレート、
シリコーンゴム、などの高分子材料、 (2) テトラアルキルアンモニウムクロライド又は
テトラアルキルホスホニウムクロライドの中か
ら選ばれた電気的活性成分、及び (3) 上記基質のための可塑剤として、可変量、た
だし通常は極めて高濃度に添加されるもの、 が基本的成分である。 唯一の例外が前述のケー・ハートマンほかの報
文であり、これは他の諸文献の全てと相異して２
成分系の膜を示している。その中の一例では可塑
剤としての５−フエニル−１−ペンタノールが10
重量％添加されているが、他の例では可塑剤が全
く用いられず、メチルトリドデシルアンモニウム
クロライド18重量％と、ポリ塩化ビニル82重量％
とからなる組成である。この後者組成が目的に適
つた作用を示すと記されているものの、これの方
が好ましいとは述べられていない。 このタイプのイオン感受性、特に塩素イオン感
受性の電極が使用されると、これが生物学的な
液、特に血清と尿とに接触したとき他種のアニオ
ンの存在に起因した不都合を生じ、これは誤つた
測定結果を与える。親油性のアニオン、例えば強
度の喫煙者の尿の中にかなりの濃度で含まれてい
るチオシアンイオン（SCN）、は特に問題であ
る。 種々のアニオンに対する選択性の一覧表は前出
のケー・ハートマンほかの報文の中に示されてい
る。さらに重要なことは、上記のような電極が、
治療目的で管理されるべき物質のアニオン、特に
臭素イオン、サリチル酸イオン、及びアスコルビ
ン酸イオンに感応しないという点である。 上記の公知タイプの膜電極を用いた測定、特に
稀釈していない尿を試料としての操作において頻
繁に妨害ないし干渉現象が起こるのであるが、そ
の直接の原因は現在のところ不明である。そして
稀釈した尿を試料とした場合でも妨害ないし干渉
（以下単に干渉と称する）の悪影響を受ける。 ここで注目されるべきことは、四級アンモニウ
ムクロライド又は四級ホスホニウムクロライドの
群から分子構造の異なる２種又はそれ以上の電気
的活性成分を選び、これらを併用することによつ
ては何らの改良効果をも得られていない、という
点である。セロフアン、キユプロフアン、その他
の適宜のセルロースエステル、ないしはこれらの
混合物からなる親水性でイオン透過性の保護コー
テイングをイオン感受性の液膜に施せば、ある種
の干渉作用を抑制することはできる。しかし、こ
のような改良の試みにもかかわらず、全く干渉を
伴わない満足できる正確な測定を可能とするには
至つていない。 さらに考慮されるべきことは、上述の四級アン
モニウムクロライド等のイオン交換塩が用いられ
るとき種々の干渉イオンのあいだにある種の選択
性順位があらわれることを避けられない、という
事実である。この順位は可塑剤の添加や膜コーテ
イングなどの手段によつては変えることができ
ず、起こりうる唯一の変化は下記係数の全体的範
囲における変化である。つまり、選択性係数Ｋが
１より大であるイオンの干渉活性が低下すれば、
選択性係数Ｋが１より小の他の干渉イオンに対す
る選択性も低下することになる。 〔発明が解決しようとする問題点〕 従つて、本発明の課題は検出されるべきイオン
に対する選択性が改良されたイオン感受性の前述
のタイプの膜電極を、公知タイプの膜電極の欠点
が排除された状態で、提供することである。特
に、血液中の他のアニオンや親油性のイオン、及
び体液中の干渉物質との関連において塩素イオン
に対する高度の選択的感受性を具備した簡潔な構
成の膜電極を提供しようとするものである。 〔問題点を解決するための手段〕 本発明によれば、上記課題は上記膜の中に保持
される四級アンモニウムまたはホスホニウム化合
物から選ばれた少なくとも１つの電気的活性成分
の含有量を50〜90重量％にまで高めることによつ
て解決される。この組成は次のような驚くべき新
知見に基づいて創出されたものであり、この新知
見とは、 従来の膜電極に通常例外なく含まれていた可塑
剤を膜体主成分たる高分子基質から完全に除去す
ることにより、 及び、 可塑剤に代えて電気的活性成分の含有量を50重
量％以上にまで極端に増大させることにより、 上記液膜の選択性が驚異的に改良される、とい
う発見である。 そして上記高分子基質がポリ塩化ビニルであ
り、上記電気的活性成分がメチルトリドデシルア
ンモニウムクロライドである場合の膜電極にあつ
ては、本発明の好適実施例として以下に示される
如く、膜の中に含まれる電気的活性成分が60〜80
重量％であれば有利であることが実証された。 〔作用及び効果〕 以下に詳述するように、上記組成の膜電極は特
定のアニオンに対し、特に塩素イオンに対し極め
て優れた選択性を示すが、その機構ないし作用原
理の詳細は今のところ推測の域を出ず、ここにこ
れを明示することは差しひかえる。 しかし注目されるべきことは、従来公知のタイ
プの膜電極に鑑みるとき、特にケー・ハートマン
ほかの前出の報文で可塑剤非含有の膜電極が好ま
しくないものとされている事実に鑑みるときは、
本発明が当分野の専門家の常識を完全にくつがえ
した、ということである。 〔実施例〕 下記第１表は本発明の膜（膜電極）と他の対照
用の膜（膜電極）２種、合計３種について塩素イ
オンに対する選択性と他の種々のアニオンによる
干渉とを試験した結果である。この試験に供した
上記３種の膜の組成は次の通りである。 膜１：可塑剤で可塑化されている従来型の電極用
膜（例えば、27重量％のメチルトリドデシル
アンモニウムクロライドと、可塑剤としての
５重量％の２−ニトロパラシメン
（paracymene）及び５重量％の５−フエニ
ル−１−ペンタノールと、63重量％のポリ塩
化ビニルとからなるもの） 膜２：ケー・ハートマンほかの前出報文に記され
ている非可塑化膜、つまり、80重量％のポリ
塩化ビニルと、20重量％のトリドデシルアン
モニウムクロライドとからなるもの 膜３：本発明による組成の一例として、80重量％
のトリドデシルアンモニウムクロライドと、
20重量％のポリ塩化ビニルとからなるもの 上記試験においては全ての膜について固定干渉
法（FIM法）で選択性係数が測定された。尚、
固定干渉法とは、干渉イオンの濃度を一定とし、
測定イオン濃度を変化させることによつて干渉イ
オンの選択性係数を測定する方法である。つま
り、干渉イオン濃度を一定に保持しておくと共
に、測定イオン濃度を順次減少させていき、干渉
イオンの影響が測定イオンの影響を上回つたとき
の測定イオンの濃度を決定する。より具体的に
は、横軸に測定イオン濃度をとり、縦軸に測定電
位をとり、測定イオン濃度を変化させていつたと
き、実質的に測定イオンのみによつて決まる曲線
領域と干渉イオンによつてのみ決まる水平直線領
域との接線の交点を求める。その値が干渉イオン
の選択性を決定するものとなる（前述のカール・
カマン著「イオン選択性電極を用いての研究」）。

【表】 第１表の選択性データに見られるように、本発
明の膜電極がその塩素イオンに対し示す選択性よ
りも高い選択性を有したイオンが数種存在してい
る。上記第１表には、測定値が０となる成分（こ
の場合、塩素イオン）の測定結果の記載が省かれ
ている。故に、適切な測定媒体と組合わせるなら
ば本発明のイオン感受性の膜電極は塩素イオン以
外のもの、例えば、ClO₄，SCN，Ｉ，NO₃，Br
などのイオン、の測定にも応用することができ
る。そしてその場合に得られる利点は測定対象の
溶液の組成に関係するものである。生理学的溶液
については、各イオンの濃度比からして本発明の
膜電極の利用が最適である。 適切な荷電状態をとる電気的活性成分を本発明
のイオン感受性の電極に含有させるならば該成分
は種々の目的にとつて好都合である。即ち、この
ようにして製作される膜の電気抵抗は比較的低く
（0.1〜１メグオーム）、つまり膜内の電荷密度が
比較的大であるから、この膜電極を用いての測定
が容易である。 尿試料中の塩素イオンの測定結果の比較からも
本発明の電極の優秀さが明らかであろう。 第２表は５種の尿試料について (a) 従来の比色定量法と、 (b) 従来の可塑化膜電極（第１表中の膜１） とにより塩素イオン測定を行つた結果である。比
色定量においては尿が未稀釈で供給され装置内で
自動的に稀釈される。膜１による測定では干渉イ
オンによる強いドリフト現象にわざわいされ有効
な測定ができないので試料は予め稀釈（稀釈剤２
部：尿１部）せねばならなかつた。 第２表試料 比色定量 膜１ １ 66ｍ mol／ 375ｍ mol／ ２ 85 95 ３ 99 154 ４ 136 309 ５ 176 228 対比データ間の大きな偏差は未稀釈試料の場合
にはさらに著しいものとなつたであろう。 第３表は比色定量法と非可塑化膜電極（第１表
中の膜２）とによる測定結果を示す。 第３表試料 比色定量 膜２ １ 16ｍ mol／
1117（617）ｍ mol／ ２ 43 86 ３ 79 119 ４ 91 130 ５ 119 400 膜２による測定ではやはり２：１の割合で稀釈
を行つた。 第４表は本発明の膜電極（第１表中の膜３）を
用いた結果である。 第４表試料 比色定量 膜３ １ 39ｍ mol／ 43ｍ mol／ ２ 70 75 ３ 91 93 ４ 170 169 ５ 233 241 この結果からわかるように、本発明の膜電極を
用いるならば未稀釈の尿についても従来の膜電極
のような大きな偏差を生じることなく正確な測定
を行うことができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 可塑化されていない高分子基質と、十分な親
   油性とそれによる耐久性を賦与する側鎖を備えた
   四級アンモニウムまたはホスホニウム化合物から
   選ばれた少なくとも１つの電気的に活性の成分、
   とからなり、上記高分子基質に含有されている上
   記の電気的に活性の成分の含有量が50〜90重量％
   である構成のアニオン感受性の膜を備えたイオン
   感応膜電極。 ２ 前記の高分子基質がポリ塩化ビニルであり、
   前記の電気的に活性の成分がメチルトリドデシル
   アンモニウムクロライドであつて、この電気的に
   活性の成分の含有量が60〜80重量％である特許請
   求の範囲第１項に記載のイオン感応膜電極。 ３ 前記のアニオン感受性の膜が塩素イオンに対
   し感受性である特許請求の範囲第１項又は第２項
   に記載のイオン感応膜電極。