JPH0617873B2

JPH0617873B2 - 電解質濃度測定センサ

Info

Publication number: JPH0617873B2
Application number: JP61085844A
Authority: JP
Inventors: エスヴォルフバイスオットー; ホッホムートペトラ
Original assignee: Avl AG
Current assignee: Avl AG
Priority date: 1985-04-16
Filing date: 1986-04-14
Publication date: 1994-03-09
Anticipated expiration: 2009-03-09
Also published as: ATA114885A; DK164839B; DK169786A; DK169786D0; JPS61241656A; EP0198815A2; EP0198815B1; AT384677B; DE3679586D1; US4892640A; EP0198815A3; DK164839C

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は、試料水溶液中に存在する電解質の濃度を測
定するためのセンサであって、該水溶液と接触させうる
イオン選択性のセンサ膜を有し、この膜の表面に生じる
電位差を電解質の濃度に対応させることのできるセンサ
に関する。

〔従来の技術〕

この種のセンサはイオン選択性電極の名で知られてい
る。そして、この電極は特定の電解質のみを通す物質で
被覆されている。ただ１種類の電解質のみを通す所望の
性質を上記の電極被覆物質に賦与するには、いわゆるキ
ャリヤ分子を加えなければならない。このキャリヤ分子
とは、ある種のイオンと特定状態に結合してこれが水相
から疎水性の相へ拡散することを許容する分子のことで
ある。このようにして電極表面に生じる電位差は電気化
学的に測定され、そして適切な較正により該電位差は電
解質濃度へ直接換算される。

例えば、ＰＣＴ出願の国際公開公報ＷＯ81/02218 号の
第３図には、イオン選択性の外層がカリウムイオンのみ
を通すようにされた上記タイプのイオン選択性電極が示
されている。非常に特殊なイオンキャリヤつまり上記キ
ャリヤ分子の一例はヴァリノマイシン(valinomycin)で
あり、これは大過剰のナトリウムイオンが存在していて
もカリウムイオンのみが脂質の膜を通ることを可能とす
るものである。

水性の溶液、特に血液、の中に含まれる電解質（主とし
てリチウム、ナトリウム、カリウム、カルシウム、マグ
ネシウム及び塩素イオンを含んだ化合物）の濃度を測定
するための近年の方法の多くはイオン選択性の電極に基
礎をおいている。これら電極は、その表面における電位
変化が可逆的であることから連続測定を可能とし、従っ
て測光法（例えば炎光測光法）よりも優れている。

イオン選択性電極に基礎をおき、そして該電極に電界効
果トランジスタを組合わせた構成をとって電気化学的セ
ンサが広く普及しているにも拘らず、これらセンサには
比較的嵩だかであることからカテーテルの形で生体内へ
取付けることが困難、という欠点がある。そして、これ
らセンサはほぼ同じ大きさの参照電極を必要とする。こ
の種電極に必要な電解質橋（一般的には塩橋と称されて
いるもの）は極めて外乱の影響を受けやすい。そのほか
の原因による表面電位の如何によっても測定結果が乱さ
れる、という問題がある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従って、本発明の課題は、上記従来の欠点を解消、即ち
外乱の影響を受けにくく小型で生体内への取付けに障害
を伴わずに水性溶液中の電解質濃度を測定することので
きるセンサを提供することである。

〔問題点を解決するための手段〕

上記課題は、本発明においては次のようにして、即ち、試料水溶液に対向するべきイオン選択性のセンサー膜の
表面に蛍光指示薬が固定され、この蛍光指示薬は上記試
料水溶液とセンサー膜とのあいだの境界面における電位
差に応じた強度の蛍光を発するものである、という構成によって解決される。この構成の原理は、試
料の相とキャリヤ分子で置換されているポリマー性のセ
ンサー膜とのあいだに生じイオン選択性電極により電気
化学的に測定される電位差、を生じる上記境界面に設け
られた電位感受性の適切な蛍光指示薬が、電界質濃度の
関数として測定される蛍光強度の変化を示す、ことを利
用しているのである。そして、上記境界面に現われる電
位差は、電界質濃度とのあいだに数学的比例関係のある
指示薬蛍光強度の変化、をもたらすものである。このよ
うに本発明のセンサは血液中の電解質のみならず他のイ
オンについても参照電極又は塩橋を要することなく測定
できる構成とされている。

上記のイオン選択性の膜の材質としては、イオン選択性
電極のためのキャリヤ分子含有膜の製作にも用い得るも
の、即ち、例えばポリ塩化ビニル又はこれに類したも
の、が適当である。そのほか、ホスファチジル脂肪酸(p
hosphatidyl)などの２官能性分子、及び自然の脂質膜の
中に存在する２官能性分子、も上記の膜材質として用い
うる。キャリヤ分子として好適なものは、特定の測定対
象イオンに対しては高い親和性を示し、他のイオンを上
記膜の中へ拡散させないという性質のものである。水素
イオン、及びカリウム、ナトリウム、カルシウム、リチ
ウムの各イオン、並びに塩化物イオンに対して比較的に
特定の親和性を示すキャリヤ分子が知られているから、
これらを用いかつ上述のセンサを用いることによって初
めて血液中の重要な電解質の測定のための蛍光光学的か
つ連続的方法を駆使できるのである。

電位感応性の蛍光指示薬として特に適しているのは、励
起状態のときの磁気双極子モーメントの値が基準状態の
ときの値と異なっているものである。蛍光指示薬はその
ほかにも次の性質、即ち、できる限り安定であること、
つまり貯蔵によっても光線照射によっても変質しないと
いう安定性を備えていなければならない。これら蛍光指
示薬は長波長域に吸収極大と蛍光発光の極大点とがある
から、比較的安価な光源での励起、及び紫外線不透過性
として知られているプラスチック導光材料の使用、が可
能である。上記蛍光指示薬はストークスの法則における
波長差、つまり、放射で励起された発光（この場合蛍
光）の強度極大波長と、励起させる光線の吸収極大波長
との差が大であるから、これら蛍光、励起光、さらには
ラマン散乱光相互間の分離を効率よく行うことができ
る。

蛍光光学的ではあるが電位感受性でないセンサは種々の
イオンについて知られているが、いずれの場合にも指示
薬が測定対象物質と可逆的に結合するか、又は指示薬の
蛍光が消失するか、あるいは二酸化炭素(CO₂)の場合の
ように前もって調べてある酸−塩基間の平衡に生じる変
化をＰＨ測定により追跡するか、のいずれかである。し
かし血液中の重要な電解質を測定するための蛍光指示薬
は今まで提出されてはいない。

本発明の重要な実施態様においては、電位感受性の蛍光
指示薬がイオン選択性の膜と共に光透過性の担体特にガ
ラス上に直接配置され、該ガラスを励起（させる）光と
蛍光とが透過する、という構成である。これにより安定
した担体を確保できると共に、励起光を蛍光指示薬へ照
射できるのである。そして２枚の平行な被覆表面を備え
た担体の内部にまで励起光が全反射的に放射されるに
は、周囲の物質より高い屈折率を有している境界面上の
指示薬層が該境界面を貫いての光線の透過を許容し、こ
れにより指示薬の励起が保証されさえすればよい。

さらに他の好適実施態様では、電位感受性の蛍光指示薬
がイオン選択性の膜と共に、該膜の該指示薬から離隔し
た側で導光部材、殊に光ファイバー、の端へ接続されて
いる。適切な測光系としては、例えば光ファイバーから
なるカテーテルの形をとることができる。この場合、イ
オン選択性の膜と蛍光指示薬とからなる本発明センサー
の中の膜体は、光ファイバー製の導光部材の端と一体化
される。電位感受性の蛍光指示薬の層は、やはりこの場
合も試料と対向させられる。励起光は光ファイバー製の
導光部材を通じて指示薬へ照射される。蛍光は該導光部
材自体に通されてもよく、あるいは２叉状導光部材の第
２のアームに通されてもよい。光源としては、タングス
テン灯、ハロゲン灯、真空ランプ、発光ダイオード(LE
D)、レーザー、その他を用いうる。その選択は、主とし
て測定の態様と指示薬の性状とに基づいて行われる。

〔作用〕

以上の説明から明らかなように、試料水溶液に接触する
方のセンサー膜表面に蛍光指示薬が固定されているか
ら、該接触により該表面に水溶液中の電解質濃度に応じ
た電位差が生じると、この電位差に応じた強度の蛍光を
励起光受光中の該指示薬が発生するので、該蛍光を光学
的に測定することにより電解質濃度を求めることができ
る。

上記センサー膜に含有保持されるキャリヤ分子は、上記
電解質のイオンを引きつけ一部該膜の中へ取込むことで
上記電位差を生じさせるのである。

〔発明の効果〕

本発明の光学的センサの本質的利点は、その嵩を極めて
小さくできることである。例えば酸素用カテーテルの場
合に直径０．２mmの光ファイバーが用いられる。従来の
電気化学式センサとは異なり、参照電極と塩橋を全く必
要としない。

水性の相とポリマー性の相とのあいだに蛍光指示薬を配
置するには、物理的又は化学的な固定化手段を用い担体
上へ該指示薬を固定するか、あるいは上記ポリマーの相
へ直接固定すればよく、装置の具体的構成について選択
のはばが広い。このように固定するから指示薬が流矢す
るおそれはない。固定のための具体的手段としては、有
機化合物固定方法として多くの文献に詳しく紹介されて
いるものを採用することができるので困難はない。特に
指示薬固定方法の例としてはドイツ連邦共和国特許公開
公報第28 51 138 号に開示されているものがある。

〔実施例〕

以下、添付の模式図面を参照して実施例とその長所を詳
しく説明する。

第１図に示す如く、イオン選択性のセンサー膜(1)、例
えばポリマー層(1)、の中にキャリヤ分子(2)が、又該膜
の表面(1′)には電位に感応した強さで蛍光を発する蛍
光指示薬(5)が、それぞれ配置されている。ポリマー層
(1)の前面（図の右側）には電解質(4)を含有した試料溶
液(3)があり、この電解質はキャリヤ分子(2)によりポリ
マー層(1)の中へ部分的に取込まれる。蛍光指示薬(5)の
分子は化学的又は物理的にポリマー層(1)に固定されて
いる。イオンの移動より生じるポリマー層表面での電位
差が指示薬の蛍光強度を変化させ、この蛍光強度が測定
される。イオン選択性の膜、つまりポリマー層(1)と電
位感受性の蛍光指示薬(5)とで構成された第１図のセン
サ膜は番号(12)で示してある。第２図は測定システム
（この例では商標“Amico SPF 500”で市販されている
蛍光分光計）を模式的に示し、ここではセンサ膜(12)が
ガラス担体(9)の上に直接取付けられている。光源(6)か
らの励起光(7)はセンサ膜(12)へ照射されるが、該膜の
蛍光指示薬(5)は試料溶液(3)に対向した面に固定されて
いる。蛍光(8)は検出・演算装置(13)へ導かれる。

次にカリウム感受性のセンサ膜を製作する方法について
例示する。

ヴァリノマイシン２mg、カリウム−テトラキス−クロル
フェニル硼酸塩２mg、ポリ塩化ビニル30mg、及びジオク
チルフタレート66mgを溶媒としてのテトラヒドロフラン
10mlに溶かす。この溶液を２．５×２．６ｃｍのガラス
板へ塗布し、室温で徐々に溶媒蒸発を行わせる。上記ガ
ラス板はセンサ膜製作の際の基盤としてのみならず、こ
の光学的センサの該センサ膜を支持する強固な担体とし
ても利用されているのである。上記溶液から完全に溶媒
が蒸発してしまう前に、この半固化膜表面へ市販のアミ
ノエチルセルロース約0.5mgを噴霧する。完全固化のと
きにはアミノエチルセルロースの一部分がポリ塩化ビニ
ルのポリマー層(1)の表面へ固着し、残余は除去され
る。

電位感受性の蛍光指示薬であるローダミンＢ(rhodamin
B)は、アミノエチルセルロースのアミノ基との共有結合
により上記境界面へ固定される。この処理のためＥＤＣ
（１−エチル−３−（３−ジメチル−アミノ−プロピ
ル）カルボジイミド塩酸塩２mgと、ローダミンＢの５mg
を５mlの水に溶解させた溶液が調整される。この溶液の
0.5mlを上記のポリ塩化ビニル膜の表面へ滴下させる。
そして18時間放置ののち、所定寸法に切り取り、水で数
回洗滌する。

このようにして製作されたバラ色のセンサ膜は使用に供
することができる完成品であり、例えば第２図の如き測
定システムにおいてカリウム濃度の測定のために用いら
れる。

〔別実施例〕

第３図は光ファイバー状のカテーテルとして形成された
測定装置の例であり、この光ファイバーからなる導光部
材(10)は外套(15)に封埋された芯体(14)を備え、その端
部(11)へセンサ膜(12)が取付けられている。芯体(14)は
外套(15)と共に保護筒(16)で包囲されている。しかし外
套を欠いた光ファイバーを用いてもよい。電位感受性の
蛍光指示薬(5)は試料溶液(3)に面する上記膜の表面に固
定されている。励起光と蛍光は光ファイバーを通して導
かれる。

さらに別の実施例では、カテーテル型の多アーム状の導
光部材が用いられ、（別々のアームを通し）センサ膜(1
2)へ励起光を供給し、蛍光を上記の検出・演算装置へ導
くようになっている。そして、電位感受性のセンサ膜は
外套(15)の代わりに導光部材の芯体(14)へ取付けること
もでき、これにより、いわゆるエバン化波(evanesziere
nde Welle)により蛍光が励起される。このエバン化波と
は、電磁場の部分であって、例えば導光部材の芯体と外
套とのあいだの境界などの境界面での全反射（total re
flexion）の際に外套の中へ侵入する電磁場の部分であ
る。その強度は指数関数的に弱まるが、そこに存在する
指示薬を励起して蛍光を発生させるにはその平均侵入深
度は数ナノメートル(nm)で十分である。

〔使用試験〕

上述のセンサ膜を第２図の系に用い、種々の濃度の塩化
カリウム溶液流に接触させたときの出力信号の変化は第
４図に示す通りであり、図中(m)は上記溶液のモル濃度
を示し、縦軸には相対的蛍光強度(I)、横軸には測定経
過時間(t)を分(min)単位で示してある。注目に値するの
は、出力信号強度（蛍光強度）の低下は実際上カリウム
イオンによってのみ引き起こされ、ナトリウムイオンは
何らの影響も及ぼさないという事実がある。

〔さらに他の諸実施例〕

ナトリウムイオン選択性のセンサー膜は、前記のヴァリ
ノマイシンに代え、N-N′-ジベンジル-N,N′-ジフェニ
ル-1,2-フェニレンジオキシド-ジアセタミドなどのナト
リウムキャリヤ分子を用いれば製作できる。このように
キャリヤ分子を適切に選ぶことで、対象イオンの種類に
応じた選択性を得ることができる。

次に、第２の具体例として、蛍光指示薬を静電的方法で
固定したカリウム選択性のセンサー膜の製法について述
べる。

懸濁重合されたポリマーをスルホン化することでカチオ
ン交換樹脂が得られるが、そのためには例えば、還流冷
却器、温度計、撹拌機つきの250ml３つ首フラスコの中
で、硝酸銀0.1gと濃硫酸75mlとの混合物を80℃に加熱
し、次いでスチレン98％とジビニルベンゼン２％とから
なる共重合ポリマーを投入して撹拌混合する。３時間の
あいだ100℃に保ち、次いで徐々に放冷する。次にフラ
スコ内容物を50％硫酸250mlの中へ注入撹拌し、冷却後
に蒸溜水で稀釈する。金褐色になった懸濁重合ポリマー
をピペットで取り、水とジオキサンとで洗滌ののちデシ
ケーター内で乾燥させる。このイオン交換樹脂にヴァリ
ノマイシンを封入するには、該樹脂200mg、ヴァリノマ
イシン2.8mg及びテトラヒドロフラン１mlを24時間のあ
いだ熟成させる。そのあとテトラヒドロフランを除去
し、上記ポリマーをデシケーター内で一晩乾燥させる。

このようにして得られたイオン交換樹脂にローダミンＢ
を固定するには0.5mgのローダミンＢを含んだ４mlの水
溶液の中で５分間振盪する。次いで濾過・水洗後再びデ
シケーター内で乾燥させる。一方、30mgのポリ塩化ビニ
ルと66mgのジオクチルフタレートを10mlのテトラヒドロ
フランに溶解する。その溶液の0.2mlを２．５×２．８c
m大のガラス板へ滴下させる。溶媒の蒸発は室温で行わ
せる。この蒸発中のあいだに、上記のローダミンＢ固定
後のスルホン化共重合ポリマーを添加する。乾燥が終わ
ればこのセンサー膜をカリウム測定に用いることができ
る。

最後に第３の具体例として、ローダミンＢをガラス表面
に固定したナトリウム選択性センサー膜の製法について
述べる。

下記アミノ化処理のための溶媒として純トルエン30mlと
水分を飽和させたトルエン３mlとを混ぜる。これに、0.
15mlのトリエトキシシリル−プロピルアミン、30mgのト
シルクロライド及び100mgのＣＰＧ（多孔質ガラス“500
A”）を加える。この反応系を２時間のあいだ煮沸還流
させる。冷却後、ＣＰＧの小球をトルエンとアセトンで
洗滌する。100℃で３時間乾燥する。

こうして得られたＣＰＧ小球には、ＥＤＣ（前出）のた
すけをかりてローダミンＢが固定される。即ち、乾燥後
のＣＰＧ小球に、５mgのＥＤＣと11mgのローダミンＢを
含んだ水50mlを加え、室温で６時間放置する。そのあと
再びＥＤＣを５mg添加する。16時間後さらにＥＤＣ５mg
を加えて６時間反応させる。最後に、上記ＣＰＧ小球を
濾過し、水とアセトンで洗ったのち、100℃で乾燥す
る。

ナトリウムのためのキャリヤ分子とポリ塩化ビニルの溶
液（前出のものと同組成）0.2mlを２．５×２．８cm大
のガラス板に滴下する。室温で溶媒が蒸発しているあい
だに、既にローダミンＢを固定ずみの上記ＣＰＧ小球約
１mgを上記ガラス板の溶液塗布面へ散布する。これら小
球はポリ塩化ビニル膜が完全に乾いたとき該膜の表面へ
強固に付着している。こうして得られたセンサー膜はこ
のままの状態でナトリウムイオンの測定に用いられる。

【図面の簡単な説明】

図は本発明の実施例を示し、第１図は構成原理の模式
図、第２図及び第３図はそれぞれ別の実施例の略示断面
図、第４図は作動を示したグラフである。 (1)……センサー膜、(1′)……表面、 (3)……試料水溶液、(5)……蛍光指示薬、 (7)……励起光、(8)……蛍光。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】試料水溶液中に存在する電解質の濃度を測
定するべく、該水溶液と接触させうるイオン選択性のセ
ンサー膜を備え、この膜の表面に生じる電位差を電解質
の濃度に対応させることができる構成のセンサにおい
て、試料水溶液（３）に対向するべきイオン選択性のセンサ
ー膜（１）の表面（１′）に蛍光指示薬（５）が固定さ
れ、この蛍光指示薬は上記試料水溶液（３）とセンサー
膜（１）とのあいだの境界面における電位差に応じた強
度の蛍光を発するものである、ことを特徴とする電解質濃度測定センサ。
【請求項２】前記の蛍光指示薬（５）がセンサー膜
（１）と共に光透過性の担体へ直接取付けられ、この担
体が励起光（７）と蛍光（８）とを透過しうるものであ
る特許請求の範囲第１項に記載の電解質濃度測定セン
サ。
【請求項３】前記担体がガラス板（９）である特許請求
の範囲第２項に記載の電解質濃度測定センサ。
【請求項４】前記の蛍光指示薬（５）がセンサー膜
（１）と共に、該指示薬から離隔した側の該センサー膜
の面で導光材料へ接続されている特許請求の範囲第１項
に記載の電解質濃度測定センサ。
【請求項５】前記導光材料が光ファイバーである特許請
求の範囲第４項に記載の電解質濃度測定センサ。