JPH0629874B2 - 電気化学的センサ−用電極 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 Ａ．発明の分野 本発明は、電気化学的センサー用の改良された新規電極
及び電気化学的センサー用電極の改良された新規製造方
法、詳述すれば、電気化学的センサー用の改良された、
低廉な新規使い捨て電極及び該電極の製造方法に関す
る。

Ｂ．従来技術の説明 ヒトの血糖値又はグルコース濃度の変動を測定する製品
は、７百万人の糖尿病患者の多くの者にとって日常的に
必要になっている。この病気は、血液化学において危険
な異常を起こし、視力減退及び腎臓不全に対する一因で
あると考えられるので、ほとんどの糖尿病患者は定期的
に試験し、そのグルコース値をその結果に従って、通常
インシュリン注射により調節することを必要とする。イ
ンシュリン依存性の患者（糖尿病患者の約１０〜１５
％）には、医師は一日４回、患者の血糖値をチェックす
ることを指示する。

数年間、糖尿病患者に対する解決手段は、数種の尿分析
キットであったが、これらは、繰り返し改良されたにも
かかわらず、血液中のグルコースの正確な測定値を生じ
なかった。このようなキットの最初のものは、錠剤を使
用した。この初期の試験操作は、米国特許第2,387,244
号及び同第3,164,534号明細書に記載されている。その
後、尿試験用の試薬ストリップが開発された。しかしな
がら、尿を使用する試験は、精度において限られてい
る。グルコース排出量に関する腎閾値は、各個人により
異なる。更に、尿中の糖は、糖濃度が高すぎ、数時間、
高すぎたことを示す徴候である。これは、尿に糖が達す
る際の遅延による。

更に正確な測定は、血液からの測定値を取ることによっ
て可能である。家庭用血液試験の出現は、ある者には、
1921年におけるインシュリンの発見以来、糖尿病患者の
管理に最も顕著な進歩であると考えられている。家庭用
の血中グルコース試験は、全血試験用の試験ストリップ
の開発により利用可能となった。この型の試験ストルッ
プは、米国特許第3,164,534号及び同第3,092,465号明細
書に記載されている。マイルス・ラボラトリィーズ(Mil
es Laboratories)のエイムス・ディビジョン(Ames divi
sion)がビジデックス(Visidex)家庭用血液試験をもたら
した1979年に、自己管理が飛躍的に進歩した。ビジデッ
クスは、化学的に被覆されたプラスチックストリップか
ら成る。指を突き刺すことによって採取した血液を、こ
れらの使い捨てストリップの一つ上に置いたとき、生じ
る色の変化を、キット中に含まれる色コードを付けたグ
ルコーススケールと比較するか、又は反射計を使用する
ことができる。

家庭用に入手しうる現在の技術である試験ストリップの
利点は、低コスト（１回の使用につき約５０セント）お
よび１分という応答時間である。しかし、試薬ストリッ
プには、重大な問題点があった。試薬ストリップを使用
する試験のタイミングが極めて限定的である。血液試料
をストリップ上に置いた時から、それを水洗によって除
去する時までに正確に６０秒経過しなければならない。
次に、ストリップ上の色をチャートと比較しなければな
らない。この時間制限及び色相の差異を確認する必要
が、その利用者を神経質にする。

試薬ストリップに対する代替品は、電極を使用するグル
コースセンサーである。電極は、前記のものより高価で
あり、この技術は、更に複雑であるが、電極の寿命は、
試薬ストリップの１回の使用に比べて数週間或いは数カ
月である。電極の応答時間は、迅速であり、電極は、個
々の使用者からの影響を受けにくく、試薬ストリップよ
り向上した精度を生じる。

電気化学的グルコースセンサーの電極は、酵素を利用し
てグルコースを電気的に活性な生成物に変換し、次い
で、この生成物を電気化学的に分析する。この電極に関
する反応を下記の式で示す： Ｃ₆Ｈ₁₂Ｏ₆＋Ｏ₂＋Ｈ₂Ｏ＝Ｃ₆Ｈ₁₂Ｏ₇＋Ｈ₂Ｏ₂ Ｈ₂Ｏ₂＝Ｏ₂＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ Ｏ₂＋４Ｈ^＋＝２Ｈ₂Ｏ 最初の式において、グルコースを酵素で酸化してグルコ
ノラクトン及び過酸化水素を形成する。この反応は、酵
素グルコースオキシダーゼによって触媒される。過酸化
水素は、二番目の式に示したように酸化によって検出す
るが、又は三番目の式に示した反応により酸素分圧の減
少を測定することによって検出することができる。いず
れの場合にも、グルコース濃度に相関する電流が得られ
る。過酸化水素の酸化を白金電極で行い、還元を白金又
は銀電極で行うことができる。

これらの電極においては、膜を通してのグルコースの拡
散及び膜におけるグルコースの反応が、重要である。公
知の電極において、希釈した血液からグルコース及び酸
素並びに多数の妨害因子が第一の膜を通って拡散する。
この膜を通って拡散するグルコースが第二の膜に達する
に従って、グルコースオキシダーゼは、グルコースを過
酸化水素及びグルコノラクトンに変換する反応を触媒す
る。過酸化水素は、第一の膜を通って後方へ拡散する
か、又は更に第二の膜を通って電極に拡散して、そこで
酸素に酸化され、分析に使用される電流を生じることが
できる。第二の膜は、過酸化水素を除いて実質的にすべ
ての物質の電極への通過を阻止する。

グルコース電気化学的センサーは、本質的には、２つの
主要成分、すなわち、永久又は工場で交換可能な電極並
びに第一の膜及び第二の膜を含めて利用者が交換しうる
使い捨て膜集成体から成る。電極は、過酸化水素モード
で動作するクラーク(Clark)電極に基づく。この型の電
極は、米国特許第2,913,386号明細書に記載されてい
る。クラーク電極は、白金陽極及び銀陰極を含む。0.７
ボルトの電圧を電極に印加し、陰極と陽極との間の電流
を測定する。

血液の高分子成分及び細胞成分をグルコースから分離す
るため第一の膜を使用する。この膜は、グルコースに対
して透過性であるが、血液の大きい分子及び細胞成分に
対しては比較的に不透過性でなければならない。通常の
第一の膜は、全血に対し適合性を有しない。というの
は、そうするためには表面処理を必要とするからであ
る。その非適合性のため、第一の膜は蛋白質沈着又は凝
血によって急速に汚され、利用者が膜集成体を交換する
必要が生じる。

家庭で使用する電気化学的センサーを作る以前に、全血
を使用して測定しうる技術を進歩させなければならな
い。これは現在使用されている一次の膜が全血と相溶性
でなく、全血中の夾雑物によって急速に汚染されるの
で、現在まで電気化学的センサーでは達成されていな
い。従来のセンサーの欠点の多くは、比較的に耐久性の
ある膜が得られれば、排除できるであろう。この型の膜
は、本発明と同時に出願され、本発明の譲り受け人に譲
渡されている米国特許出願第749,724号明細書に開示さ
れている。しかしながら、この種の膜は、電極に結合さ
れる。膜に欠陥があると、膜だけでなく、膜及び電極を
取り替えなければならず、数回使用後に捨てることがで
きる安価な電極を提供することが望まれている。

発明の概要 本発明の目的は、電気化学的センサー用の改良された新
規電極を提供することである。

本発明の別の目的は、グルコースセンサー用の使い捨て
電極を提供することである。

本発明のもう一つの目的は、数週間の寿命を有し、現在
のグルコース試験装置とコストにおいて競争しうるグル
コースセンサー用の改良された新規電極を提供すること
である。

本発明の更に別の目的は、グルコースセンサー用の使い
捨て電極を製造する改良された新規方法を提供すること
である。

本発明の他の目的は、グルコースセンサー用の改良され
た新規積層電極を提供することである。

簡単に言えば、本発明は、電気化学的センサー用の改良
された新規電極及び該電極の改良された新規製造方法に
関する。電極は、安価であり、センサーの使用者によっ
て容易に取り替えられる。この電極は、電極は機能する
のに、電極のほんの数分子層の陽極及び陰極材料を必要
とするにすぎないという発見に基づくものである。この
発見により、積層技術を利用しうることが決定された。
積層技術を使用して薄いフィルム上に白金又は他の陽極
材料を蒸着又はスパッタリングして電極の陽極を形成す
る。同様にして、フィルム上に銀又は同様な陰極材料を
沈着させて陰極を形成する。すなわち、本発明は、
（ａ）表面に沈着した金属分子層を有する導電フィルム
からなる陰極；（ｂ）表面に沈着した金属分子層を有す
る導電フィルムからなる陽極；及び（ｃ）該陰極と該陽
極との間に積層された誘電材料層から本質的になる積層
電極において、 前記誘電体材料層と前記陰極とに重なる孔からなる作業
領域が存在し、該作業領域の前記孔に酵素が存在し、そ
の上にグルコース透過性のシリコーンエラストマーが充
填された積層電極に関する。また、電極製造方法は、二
つのフィルムの間に誘電性材料層を挟んで陽極フィルム
上に陰極フィルムを積層する。陰極及び誘電性層に開孔
を加工して陽極作動面を限定する。孔又は同様の接近構
造を電極に加工して電気的接点に接続させる。

すなわち、もう一つの本発明は、（ａ）表面に沈着した
金属分子層を有する導電フィルムからなる陰極、及び誘
電材料層にそれぞれ孔を形成し； （ｂ）該誘電材料層の、一方の側に該陰極を積層し、他
方の側に、表面に沈着した金属分子層を有する導電フィ
ルムからなる陽極を積層して、該誘電材料層の孔と該陰
極の孔とが重なるようにして作業領域を形成し； （ｃ）該陽極と接する前記作業領域の孔に酵素を挿入
し；そして （ｄ）該酵素を挿入した該孔の開口にグルコース透過性
のシリコーンエラストマーを充填する ことを特徴とする積層電極の製造方法に関する。

本発明の電極は、安価であって、使い捨てにすることが
できる。使い捨てにしうることによって、本発明の電極
を使用しうる、1985年６月２８日出願の米国特許出願第
740,724号明細書に記載されているセンサーは、１回の
使用のコストが試薬ストリップと競争しうるので、家庭
で使用可能になる。

また、センサーの使用者は、電極を容易に交換すること
ができる。これにより、家庭の使用者は、必要なだけ多
数の試験を実施し、電極がもはや機能しなくなったとき
に、その電極を容易に交換することが可能になる。電極
は、家庭の使用者がセンサーを再検定する必要がないか
又は電極を交換するのに専門家を必要としないように構
成されている。

好ましい実施態様の詳細な説明 全血中のグルコースを測定するため使用する従来の電気
化学的センサーは、使い捨て膜集成体及び半永久電極を
含む。電極は、熟練したサービスマンは取り替えるのが
典型的である。家庭用の新規電気化学的センサーは、こ
の出願と同時に出願され、本発明の譲り受け人に譲渡さ
れている特許出願第749,724号明細書に開示されてい
る。新規センサーは、電極と一体結合された全血認容性
膜を使用する。新規センサーにおいては、電極、酵素層
及び膜は、電極の効率及び応答時間を増加する一体ユニ
ットである。しかしながら、膜の寿命が限られているた
め、センサーの機器系統と膜との間に使い捨て界面が必
要である。１回使用当たりのセンサーのコストを在来の
家庭用試験具、例えば試薬ストリップと競争しうる程度
に維持するためには、使い捨て部分を安価にしなければ
ならない。更に、使い捨て部分は、家庭の使用者が交換
することができるように容易に交換可能であるべきであ
る。

従来のセンサーにおいては、使い捨て部分は、膜集成体
である。しかしながら、本発明の電極は陽極及び陰極材
料の数分子層を利用するにすぎないので、あまり貴重な
材料を必要としない積層電極を得るため蒸着及び積層技
術を使用して比較的安価な使い捨て電極を製造すること
ができる。このような使い捨て電極は、電極の陽極及び
陰極の表面の数分子層だけが活性であるという発見によ
って可能になった。

次に、図面、特に第１図〜第５図に基づいて本発明の原
理及び方法により構成した積層電極１０を説明する。電
極１０は、一つの実施態様においては、白金箔又はフィ
ルム上に蒸着又は他の方法で沈着された白金層を有する
フィルムであってよい陽極１２を含む。電極１０の陰極
１４は、同様に銀箔又はフィルム上に蒸着された銀から
形成されている。電極の陽極及び陰極の数分子層だけが
使用されるか又は活性であるという発見により、陽極及
び陰極１２及び１４に利用される箔又は沈着金属の厚さ
は、数分子層にすぎない。陽極１２及び陰極１４に好ま
しい金属として、それぞれ白金及び銀を記載するが、こ
の分野に周知の他の材料を使用することもできるものと
する。電極１０の陽極１２及び陰極１４は、誘電材料層
１６によって電気的に絶縁されており、陰極１４の上表
面は誘電材料の最上層シート１８によって保護すること
ができる。

電極１０を電気化学的センサーにおける酵素電極として
作用させるために、グルコース測定用の作業領域２０を
形成する。作業領域２０は、それぞれ誘電層１６、陰極
フィルム１４及び誘電シート１８中の一線の孔２２、２
４及び２６並びに露出した陽極１２及び陰極１４から成
る。作業領域２０は、グルコース濃度に相関する電流に
より過酸化水素の検出を可能にする。測定すべき反応に
おいて、白金陽極１２で過酸化水素が酸化される。グル
コースオキシダーゼのような酵素を用いるグルコース及
び酸素の触媒反応により過酸化水素が製造される。

好ましい電極１０においては、酵素層２８（第５図）、
例えばグルコースオキシダーゼ層は、作業領域２０にお
いて陽極１２上に結合又は固定される。グルコースおよ
び酸素を酵素層２８に通過させ、他の夾雑物の通過を遮
断するため、グルコース透過性膜３０を酵素層２８上
で、作業領域２０に結合させる。膜３０は、1985年６月
２８日出願の特許出願第749,724号明細書に記載されて
いる型のシリコーン水性エラストマーであるのが好まし
い。

本発明の重要な特徴によれば、分散相に本質的に不溶性
であり、硬化中に分散液から除去されうる液体キャリア
中のシリコーンエラストマー分散相として未硬化の状態
で施された重合性有機珪素化合物の分散液は、乾燥し、
硬化して、連続層、フィルム又は膜を形成するので、著
しく高いグルコース透過性を有する膜３０として機能す
るであろうということが判明した。有機珪素化合物を連
続層中に、モノマー、オリゴマー、プレポリマー又は不
完全硬化ポリマーとして分散することができる。珪素化
合物を連続ポリマー皮膜又は層としてその場で硬化させ
る。硬化中に例えば揮発によって除去される除去可能な
キャリアは、分散液の少なくとも５重量％、好ましくは
１０〜９０重量％の量で含まれるべきである。

モノマー、オリゴマー、プレポリマー及び未硬化ポリマ
ー又はこれらの、重合可能又は分散状態で更に重合可能
な混合物を含む重合性有機珪素化合物は、硬化中に連続
相を除去すると分散層中で硬化又は重合した時にシリコ
ーンエラストマーの硬化層又は膜を形成して、電極に鋭
敏な妨害物質を通過させず、意外に良好な酸素及びグル
コース透過性を有する層又は膜を生じることが判明し
た。重合性有機珪素化合物は、連続層に例えば乳化剤を
含有させるとによって分散した後、連続層を例えば水性
連続相珪素エマルジョン又は分散液から水を蒸発させる
ことによって任意の公知方法で、ジョンソン(Johnson)
らの特許第4,221,688号明細書（参考として本明細書に
含める）又はエリアス(Elias)の特許第4,427,811号明細
書（参考として本明細書に含める）に開示されているよ
うに硬化させることができる。更に、有機珪素化合物の
分散液は、適当な硬化触媒を含むか、又は重合性有機珪
素化合物が不完全硬化分散液の状態の相として適用さ
れ、少なくとも一部のキャリア又は連続相が最終的硬化
の間に分散液から除去される限り、熱硬化することがで
きる。特定のメカニズムに限定するものではないが、重
合中に、凝集又は重合する珪素含有ポリマー分子の配列
がキャリアの最終的除去の間に起こって、硬化したとき
に、凝集する珪素含有ポリマー分子が分子の間にグルコ
ース及び酸素を透過させることができるが、電極によっ
て感知される妨害物質を排除しうるように結合するよう
にミセルを形成する。

本発明により有用な有機珪素化合物は、本質的に不溶性
の液体キャリア、例えば水中に分散することができ、分
散状態で重合可能であり、硬化すると、連続フィルム又
は層を生じる。

本発明の一つの実施態様によれば、重合性有機珪素化合
物は、ポリオルガノシロキサン、特に、ジョンソン(Joh
nson)らの米国特許第4,221,688号明細書（参考として本
明細書に含める）に開示されているような、ジオルガノ
シロキサン１００単位に対して最高約１単位のモノオル
ガノシロキサンまでの少数のモノオルガノシロキサン単
位を含んでいてよいジオルガノシロキサン反復単位を主
として含む線状ポリジオルガノシロキサンであり、その
ポリマー鎖はそれぞれの末端に珪素原子に結合したヒド
ロキシル基を有する。

本発明の別の重要な実施態様によれば、グルコース透過
性膜を形成する重合性有機珪素化合物を連続水相及び陰
イオンで安定化された分散シリコーン相（シリコーン相
は水溶性珪酸塩及びヒドロキシル基で末端を封鎖された
ポリジオルガノシロキサンのグラフトコポリマーであ
る）を含む水性シリコーンエマルジョンとして電極上に
施す。サーム(Saam)の米国特許第4,244,849号明細書に
開示されているように、8.５〜１２のpH範囲を有するこ
のようなシリコーンエマルジョンは、長期貯蔵したとき
に安定であり、環境条件下で水を除去すると、硬化した
エラストマー連続層を生じる。これらのシリコーン化合
物は、ヒドロキシル基で末端を封鎖されたポリジオルガ
ノシロキサン及びアルカリ金属珪酸塩を反応させて例え
ば8.５〜１２のpHの水性エマルジョン中で陰イオンで安
定化されたグラフトコポリマーを形成することにより得
られる。しかし、安定性が重要でない場合には、pHは限
定的でない。例えば、成分が均一に分散されたら直ち
に、エルマジョンを層状に施して膜を製造することがで
きる。

用語“ヒドロキシル基で末端が封鎖されたポリジオルガ
ノシロキサン”とは、モノオルガノシロキサン単位の僅
かな不純物を含む反復ジオルガノシロキサン単位のほぼ
線状のポリマーを示すものとする。従って、ヒドロキシ
ル基で末端が封鎖されたポリジオルガノシロキサンは、
本質的には、１分子当たり、珪素に結合したヒドロキシ
ル基を２個有する。エマルジョンから水を除去した後に
得られる生成物にエラストマー特性を与えるためには、
ポリシロキサンは少なくとも５０００の重量平均分子量
（Ｍｗ）を有するべきである。５０００未満、例えば最
低約９０の重量平均分子量を有するポリシロキサンも、
そのポリマーが硬化するとき連続フィルム又は層を形成
する限り、有用である。引張強さ及び破断時の伸びは、
分子量が増加すると共に改良し、約５００００Ｍｗ以上
で比較的高い引張強さ及び伸びが得られる。しかしなが
ら、本発明の好ましい実施態様では、硬化したポリマー
は直接電極に結合され、使用中の過酷な機械的応力を受
けないので、ポリマーが本明細書に記載した本発明に有
用であるためには、高い強度は必要でない。最高のＭｗ
は、液体キヤリア又は連続相、例えば水中に乳化するか
又は分散されうる分子量である。不完全に硬化した分散
ポリシロキサンについて約１００００００以下の重量平
均分子量を本発明に実用しうると思われる。硬化する
と、膜の分子量に上限はない。硬化性分散シロキサンに
ついて好ましいＭｗは１０００〜７０００００の範囲に
ある。

ヒドロキシル基は末端が封鎖された有用なポリジオルガ
ノシロキサン上の有機基は、例えば基１個当たり７個未
満の炭素原子を含む１価炭化水素基及び基１個当たり７
個未満の炭素原子を含む２−（ペルフルオロアルキル）
エチル基であってよい。１価の炭化水素基は、例えば、
メチル基、エチル基、ピロピル基、ブチル基、イソプロ
ピル基、ペンチル基、ヘキシル基、ビニル基、シクロヘ
キシル基及びフェニル基であり、２−（ペルフルオロア
ルキル）エチル基は、例えば、３，３，３−トリフルオ
ロプロピル基及び２−（ペルフルオロブチルメチル）基
である。ヒドロキシル基で末端が封鎖されたポリジオル
ガノシロキサンは、少なくとも５０％がメチル基である
有機基を含むのが好ましい。好ましいポリジオルガノシ
ロキサンは、ヒドロキシル基で末端が封鎖されたポリジ
メチルシロキサンである。

本発明の重要な実施態様によれは、ヒドロキシル基で末
端が封鎖されたポリジオルガノシロキサンを陰イオンで
安定化された水性エマルジョンとして使用する。この実
施態様の目的には、“陰イオンで安定化された”とは、
ポリジオルガノシロキサンがエマルジョン中でアニオン
界面活性剤で安定化されていることを意味する。ヒドロ
キシル基で末端が封鎖されたポリジオルガノシロキサン
の最も好ましい、陰イオンで安定化された水性エマルジ
ョンは、フィンドレイ(Findlay)らによって米国特許第
3,294,725号明細書に記載されたアニオン性乳化重合法
によって製造されたものであり、この米国特許明細書
は、重合方法を示し、ヒドロキシル基で末端が封鎖され
たポリジオルガノシロキサンの陰イオンで安定化された
エマルジョンを示すため参考として本明細書に含める。
ヒドロキシル基で末端が封鎖されたポリジオルガノシロ
キサンの別の製造方法は、ハイド(Hyde)らによって米国
特許第2,891,920号明細書に記載され、この米国特許明
細書は、ヒドロキシル基で末端が封鎖されたポリジオル
ガノシロキサン及びその製造方法を示すため、本明細書
に参考として含める。これらの方法及び他の方法は、文
献に公知である。

本発明に使用する長時間貯蔵安定なエマルジョンの製造
用の乳化されたシリコーン組成物中にアルカリ金属珪酸
塩又はコロイド状シリカを含有させることができる。本
発明のグルコース透過性膜を形成するエマルジョンに使
用するのに好ましいアルカリ金属珪酸塩は、水溶性珪酸
塩である。アルカリ金属珪酸塩は、水溶液として使用す
るのが好ましい。任意のアルカリ金属の珪酸塩、例えば
珪酸リチウム、珪酸ナトリウム、珪酸カリウム、珪酸ル
ビジウム及び珪酸セシウムの水溶液を使用することがで
きる。

コロイド状シリカは、周知であり、多くは市販されてお
り、強度及び貯蔵安定性を増加するため分散液中に含有
させることができる。煙霧質コロイド状シリカ及び沈降
コロイド状シリカを含めて任意のコロイド状シリカを使
用しうるが、好ましいコロイド状シリカは、水性媒体に
含まれた形で入手しうるものである。水性媒体中のコロ
イド状シリカは、通常、安定化された型、例えばナトリ
ウムイオン、アンモニア又はアルミニウムイオンで安定
化された形で入手しうる。ナトリウムイオンで安定化さ
れた水性コロイド状シリカは、例えばpH範囲を8.５〜１
２にするために付加的成分を添加する必要がなく、この
ようなナトリウムイオン安定化コロイド状シリカを使用
することによって、pH条件を適合することができるの
で、エマルジョンの製造に特に有用である。本明細書に
使用する用語“コロイド状シリカ”は0.０００１〜0.１
マイクロメートルの粒径を有するシリカである。コロイ
ド状シリカの粒径が0.００１〜0.０５マイクロメートル
であるのが好ましい。

乾燥粉末の形で又は水性分散液として、陰イオンで安定
化したヒドロキシル化ポリジオルガノシロキサンにコロ
イド状シリカを添加することができる。最良の方法は、
コロイド状シリカをナトリウムイオンで安定化されたコ
ロイド状シリカの水性分散液の形で添加することであ
る。市販されているコロイド状シリカのこのようなナト
リウムイオン安定化水性分散液は、多数ある。これらの
市販のコロイド状シリカは、通常、１５〜３０重量％の
コロイド状シリカを有し、8.５〜１0.５のpH範囲を有す
る水性分散液として入手しうる。

珪酸ナトリウム又はカリウムの水溶液は、周知であり、
市販されている。この溶液は、一般に、著量のばらばら
な粒子の無定形シリカを含まず、一般に水ガラスと言わ
れる。アルカリ金属珪酸塩の水溶液中のSiO₂とアルカリ
金属酸化物との重量比は、限定的ではなく、珪酸ナトリ
ウムについては約1.５〜3.５の常用の範囲、珪酸カリウ
ムについては2.１〜2.５の常用の範囲内で変動しうる。
アルカリ金属珪酸塩水溶液は、珪酸塩溶液に添加がしば
しばエマルジョンのpHを約8.５〜約１２の範囲にし、エ
マルジョンのpHを調節するため付加的成分を必要としな
いので、本発明のエマルジョンの製造の際に特に有用で
ある。もちろん、他のアルカリ金属珪酸塩溶液、例えば
アルカリ金属水酸化物水溶液中で珪酸エステルを加水分
解することによって製造されるものを本発明に使用する
こともできる。

本発明の一実施態様によれば、アルカリ金属珪酸塩の水
溶液及び重合可能な有機珪素化合物を混合して重合可能
な有機珪素化合物をエマルジョン中に分散させて、グラ
フトコポリマーを分散粒子として形成させる。シリコー
ンエマルジョンを製造するため好ましい操作は、アルカ
リ金属珪酸塩をヒドロキシル基で末端が遮断されたポリ
ジオルガノシロキサンの１種以上の陰イオンで安定化さ
れた水性エマルジョンに添加し、エマルジョンのpHを約
8.５〜１２の範囲内に調節し、次いでエマルジョンを環
境条件下に水を除去すると、エラストマー生成物が形成
するような時間、熟成させることである。この実施態様
においては、溶解した珪酸塩及び分散したヒドロキシル
基で末端が封鎖されたポリジオルガノシロキサンを含む
エマルジョンのpHは、エマルジョンの形成にとって重要
である。8.５〜１２のpHはキャリア（水）の除去の間
に、溶解した珪酸塩と分散されたシロキサンとの間に十
分なグラフト共重合が起こって、膜を形成する層として
沈着したときに、有機珪素化合物を重合又は更に重合さ
せうるエマルジョンを生成するように、アルカリ金属珪
酸塩を溶解状態に保持する。pHが前記の範囲より低い場
合には、アルカリ金属珪酸塩から珪酸が生成する。珪酸
は、不安定であり、縮合により急速に重合し、エマルジ
ョンをゲル化しうる。珪酸の生成は、pH１０〜１２でほ
とんど完全に抑制され、溶解したアルカリ金属珪酸塩と
分散されたシロキサンとの反応は、１０〜１２のpH範囲
で一層迅速に起こるので、アルカリ金属珪酸塩を含むエ
マルジョンには、このpH範囲が好ましい。

この珪酸塩共重合法によって製造されたシリコーンエマ
ルジョンを8.５〜１２のpH範囲で、サーム(Saam)の米国
特許第4,244,849号明細書（参考として本明細書に含め
る）に開示されているように、環境条件下で水を除去す
ると、エラストマー生成物が生成するように、溶解した
珪酸塩と分散されたシロキサンとを反応させるのに充分
な時間、熟成させる。有機錫塩をポリジオルガノシロキ
サン１００重量部に対して約0.１〜２重量部の量で使用
すると、熟成時間は有効に低減される。エマルジョンに
有用であると思われる有機錫塩は、モノ−、ジ−及びト
リ−有機錫塩を含む。使用する錫塩の陰イオンは、限定
的ではなく、有機又は無機イオンであってよいが、有機
陰イオン、例えばカルボキシレートが一般に好ましい。
使用しうる有機錫塩は、オクチル錫トリアセテート、ジ
オクチル錫ジオクトエート、ジデシル錫ジアセテート、
ジブチル錫ジアセテート、ジブチル錫ジブロミド、ジオ
クチル錫ジラウレート及びトリオクチル錫アセテートを
含む。好ましいジオルガノ錫ジカルボキシレートは、ジ
オクチル錫ジラウレートである。

水又は他の連続相キャリアは、フィルム、層又は膜の形
成中、Si相の硬化の間に除去されるので、安定化された
エマルジョン中の重合可能な珪素含有化合物、例えばヒ
ドロキシル基で末端が遮断されたポリジオルガノシロキ
サンの濃度は、特に制限されない。

使用するアルカリ金属珪酸塩及びヒドロキシル基で末端
が封鎖されたポリジオルガノシロキサンの相対的量は、
かなりな範囲で変動しうる。シロキサン１００重量部に
対して0.３〜３０重量部の珪酸塩を使用する場合に、好
ましいエラストマー特性が得られる。

本発明によるグルコース透過性を有する連続珪素含有ポ
リマー膜を形成する際に有用な分散液を形成するため有
用な他の重合可能な有機珪素化合物は、ウィリング(Wil
ling)の特許第4,248,751号明細書（参考として本明細書
に含める）に開示されているように、珪素と結合した水
素原子を有するポリオルガノシロキサンと一緒に分散さ
れたビニル基で末端が封鎖遮断されたポリジオルガノシ
ロキサンを含む。ウィリングの特許に開示されているよ
うに、これらのポリシロキサンは、一般に、水及び表面
活性剤を使用して珪素と結合した水素原子を有するポリ
オルガノシロキサンと一緒にビニル基で末端が封鎖され
たポリジオルガノシロキサンを乳化させてエマルジョン
を形成させ、その後、白金触媒を添加し、エマルジョン
を加熱して架橋したシリコーンエラストマーを形成させ
ることによって分散される。

ビニル基で末端が封鎖されたポリジオルガノシロキサン
は、ジオルガノビニルシロキシ単位で末端が封鎖された
ポリジオルガノシロキサンであってよく、式： (CH₂＝CH)R₂SiO(R₂SiO)_xSiR₂(CH＝CH₂) 〔式中Ｒは、それぞれ１価の炭化水素基又は１価のハロ
ゲン化炭化水素基を表し、ｘはポリマー中のジオルガノ
シロキサン反復単位の数を表す〕で表される。１価の基
は、文献に公知のものであってよく、炭素原子数６以下
のものであるのが好ましい。好ましいポリジオルガノシ
ロキサンは、１価の有機基がメチル基、エチル基、フェ
ニル基、３，３，３−トリフルオロプロピル基及び少な
くとも５０％の基がメチル基である、上記基の混合物で
あるものである。ポリジオルガノシロキサンは、同種の
ジオルガノシロキサン反復単位を有するか、又は２種以
上のジオルガノシロキサン反復単位の組み合わせ、例え
ばジメチルシロキサン単位とメチルフェニルシロキサン
単位との組み合わせを有する単一型ポリマーであってよ
い。２種以上のポリジオルガノシロキサンの混合物も有
用である。ｘの数値は、分散された相において最終的に
硬化すると、ｘの数値が急速に増加するので、限定的で
はない。本発明に適当なポリジオルガノシロキサンの上
限は、完全に硬化したときに連続膜を形成しうる均質層
を達成するように分散されて均質な分散液を形成し得な
くならない程度にだけ制限される。

このビニル基で末端が封鎖された態様においては、この
ポリジオルガノシロキサンと共に分散される有機珪素化
合物又は該化合物の混合物は、珪素と結合した水素原子
を含むものである。有機珪素化合物は架橋剤として有用
な珪素と結合した水素原子を含み、オルガノシロキサン
化合物１分子当たり少なくとも2.１の化合物又は該化合
物の混合物であってよい。このような有機珪素化合物
は、米国特許第3,697,473号明細書（参考として本明細
書に含める）に記載されているように公知である。好ま
しい有機珪素化合物は、HSiO_1.5、Ｒ′HSiO、Ｒ′₂HSiO
_0.5、Ｒ′SiO_1.5、Ｒ′₂SiO、Ｒ′₃SiO_0.5及びSiO₂から
選択された単位から成り、１分子当たり珪素と結合した
水素原子が少なくとも2.１個存在するシロキサンであ
る。各Ｒ′は、炭素原子数１〜１２のアルキル基、フェ
ニル基及び３，３，３−トリフルオロプロピル基から選
択されるのが好ましい。

各ビニル基又は珪素と結合した水素原子に関する重量の
単位が著しく変動するので、ビニル基で末端が封鎖され
たジオルガノシロキサン及び有機珪素化合物の量は、重
量で広く変動しうる。このような“重量の単位”は、１
分子当たりのビニル基の数又は１分子当たりのSiHの数
で分子量を割ることによって決定することができる。膜
中の架橋された分子は、ポリジオルガノシロキサンのビ
ニル基と有機珪素化合物の珪素と結合した水素原子(Si
H)との間の反応によって形成されるので、それぞれの量
は、ビニル基に対するSiHの比に左右されるであろう。
化学量論によれば、ビニル基１個に対して約１個のSiH
が必要なすべてであるが、SiHの反応性並びにその反応
への利用性は著しく変動しうる。この理由で、ビニル基
に対するSiHの比は、化学量論的量を越えて変動し、そ
れでもなお、層の形で重合して連続グルコース透過性膜
を生じうる生成物を生じることができる。ビニル基で末
端が封鎖されたポリジオルガノシロキサン及び有機珪素
化合物は、ビニル基に対するSiHの比が、好ましくは0.
７５／１〜４／１、最も好ましくは0.７５／１〜1.５／
１の範囲で変動しうるように混合する。

白金触媒は、珪素と結合したビニル基への珪素と結合し
た水素原子の付加を触媒することが知られている任意の
白金触媒であってよい。白金触媒は、白金自体又はシリ
カゲル若しくは粉末活性炭のような担体に沈着した白金
から塩化白金、白金の塩及び塩化白金酸に及ぶ任意の公
知の形であってよい。シロキサン中への白金触媒の分散
性は、米国特許第3,419,593号明細書に記載されている
ようにビニル基含有シロキサンと錯体を形成することに
よって向上することができる。

使用する白金触媒の量は、ポリジオルガノシロキサン及
び有機珪素化合物の合計重量１００万重量部に対して少
なくとも0.１重量部の白金が存在するようにすべきであ
る。使用する触媒の量は、ポリジオルガノシロキサン及
び有機珪素化合物１００万重量部に対して白金１〜２０
重量部であるのが好ましい。経済的考慮が重要でない場
合には、それより多量の白金を使用することができる。

分散液中に白金触媒が含まれ、膜の形成のため分散液を
層にする以前に完全に硬化するのを防止するため、白金
触媒抑制剤が望ましい場合には、多種の公知抑制剤があ
る。これらの抑制剤は、白金触媒の活性を遅延又は抑制
するが、温度を高めると、例えば７０℃以上では白金触
媒を活性にする。分散液中のキャリアが水である場合に
は、抑制剤の選択は水又は表面活性剤によってはその効
果が破壊されないものであるか、又はエマルジョンを破
壊しないものであるべきである。有効な抑制剤は、米国
特許第3,445,420号明細書に記載されているアセチレン
性アルコール及び他のアセチレン性化合物を含む。他の
白金触媒抑制剤は、米国特許第3,188,299号、同第3,18
8,300号、同第3,192,181号、同第3,344,111号、同第3,3
83,356号、同第3,453,233号、同第3,453,244号及び同第
3,532,649号明細書に記載されているように公知であ
る。Si含有化合物を部分的に架橋してキャリア中に架橋
粒子が分散した安定なエマルジョンを形成する時間、分
散組成物を加熱することができる。電極上に層の形で施
した後、更に層を硬化して連続グルコース透過性膜を形
成する。

キャリアの蒸発は、環境温度で又は赤外線加熱或いは種
々の手段の組み合わせにより高めた温度で、乾燥空気又
は他のガスの流れによって助成される。キャリア、例え
ば水を蒸発させるため加速手段を使用する場合に、迅速
に離散する水蒸気がフィルムにおいて不所望な不連続性
を生じないように注意すべきである。

本発明の硬化したグルコース透過性膜の構造的一体性を
向上させるのに有用な他の強化材料は、ヒュープナー(H
uebner)らの特許第4,288,356号明細書（参考として本明
細書に含める）に開示されているコポリマーを含む。コ
ポリマーは、乳化重合され、少なくとも１種の不飽和有
機モノマー及び少なくとも１種の不飽和有機珪素モノマ
ーから選択された遊離基重合されるモノマーを含む。コ
ポリマーは、１〜７重量％の不飽和有機珪素モノマー及
び９３〜９９重量％の有機モノマーから作られる。遊離
基重合によりポリマーを形成するために一般に使用され
る不飽和有機モノマーを単独で組み合わせて、例えばス
チレン、メタクリル酸メチル及び塩化ビニルを組み合わ
せて使用することができると考えられる。不飽和有機珪
素モノマーは、不飽和有機モノマー又は使用する不飽和
有機モノマーの混合物と共重合し、コポリマーを製造す
るため使用する乳化重合法の条件下に＝SiOHを形成する
不飽和シラン、シロキサン又はシラザンであってよい。

不飽和有機珪素モノマーは、式Ｒ′Ｒ″_xSi（Ｒ）
_３−ｘ〔式中Ｒ′はオレフィン性不飽和基、例えばビニ
ル基、アリル基、アクリルオキシプロピル基又はメタク
リルオキシプロピル基を表し、Ｒ″は炭素原子数１〜４
のアルキル基又はフェニル基を表し、Ｒは加水分解可
能な基、例えば−ＯＲ″、−ＯＣＯＲ″又はハロゲンを
表し、ｘは０、１又は２を表す〕のシランであってよ
い。不飽和有機珪素モノマーは、式（Ｒ′Ｒ″SiO）_ａ
〔式中Ｒ′及びＲ″は前記のものを表し、ａは３〜６を
表す〕の環状シロキサンであってよい。不飽和有機珪素
モノマーは、式Ｒ′Ｒ″₂Si−ＮＨ−SiR″₂Ｒ′〔式中
Ｒ′及びＲ″は前記のものを表す〕のジシラザンであっ
てよい。不飽和有機珪素モノマーは、式（Ｒ′Ｒ″SiN
H）₃〔式中Ｒ′及びＲ″は前記のものを表す〕の環状シ
ラザンであってよい。好ましい不飽和有機珪素モノマー
は、ビニルトリエトキシシランである。

不飽和有機珪素モノマーの例は、シラン類、例えばViMe
SiCl₂、ViMe₂SiOMe、ViMeSi(OEt)₂及びViSi(OEt)₃、シロ
キサン類、例えば(ViMe₂Si)₂O、(ViMeSiO)₃及び(ViMeSi
O)_a〔式中ａは３〜６を表す〕及びシラザン類、例えば
(ViMe₂Si)₂NH及び(ViMeSiNH)₃〔式中Meはメチル基を表
し、Etはエチル基を表し、Viはビニル基を表す〕を含
む。

不飽和有機モノマー及び不飽和有機珪素モノマーを、こ
のような共重合を実施する一般的方法によって乳化重合
することができる。このような方法の一つは、遊離基発
生剤による有機モノマーを乳化重合させることによるア
クリル酸エステル及びアクリルオキシアルキルアルコキ
シシランを共重合させる方法を示すためブラックデルフ
(Blackderf)によって米国特許第3,706,697号明細書（参
考として本明細書に含める）に記載されている。

例えば、水及びアニオン表面活性剤から成る混合物を製
造し、次いで、ブチレンとビニルトリエトキシシランと
の混合物を窒素ガスシール下に徐々に添加する。次に重
合触媒として過硫酸アンモニウムを添加する。混合物を
加熱すると、重合が開始するが、エマルジョンは発熱反
応によって加熱されないように反応温度を制御する必要
がある。重合後、エマルジョンを７より大きいpHに調節
する。

コポリマーを重合可能な有機珪素化合物、例えばポリジ
オルガノシロキサン１００重量部に対して乳化重合コポ
リマー５〜１００重量部の量で添加する。コポリマーの
添加は、ポリジオルガノシロキサンの強化剤又は充填剤
として作用する。重合可能なSi含有化合物１００部当た
り５〜２５部のコポリマーを添加すると、SiO₂のような
他の充填剤を添加することなく、所望のグルコース透過
性及び強度を有する強化膜が生じる。添加したコポリマ
ーの量が２６〜６０重量部である場合には、エマルジョ
ンを乾燥することによって得られる最終生成物は強度の
一層高い膜である。添加するコポリマーが多い程、最終
的な膜は硬くて、弾性が低くなる。

本発明の一実施態様によれば、アリキル錫塩を分散液に
添加して、キャリアの脱蔵又は他の除去中の最終的エマ
ルジョンの硬化を触媒して硬化膜を生じる。好ましい塩
は、ジアルキル錫ジカルボキシレート、例えばジブチル
錫ジアセテート、ジブチル錫ジラウレート及びジオクチ
ル錫ジラウレートである。ジブチル錫ジラウレートが最
も好ましい。触媒のエマルジョンを、重合可能な有機珪
素化合物、例えばポリジオルガノシロキサン１００重量
部に対してアルキル錫塩0.１〜２重量部を生じるのに充
分な量で使用する。それより多量を使用することもでき
が、それより多量は有用な目的に適合しない。

一般式Ａ_ｍ−Si（ＯＲ）_4-mのシラン架橋剤を分散液に
添加して硬化膜の物理的性質を向上させることができ
る。シラン架橋剤中の基Ａは、水素原子、炭素原子数１
〜６の１価炭化水素基及び炭素原子数１〜６の１価ハロ
ゲン炭化水素基から成る群から選択された基である。好
ましい基は、メチル基、エチル基、フェニル基及び３，
３，３−トリフルオロプロピル基であり、メチル基が最
も好ましい。基Ｒは水素原子及び炭素原子数１〜４のア
ルキル基、 −ＣＨ₂ＣＨ₂ＯＨ、−ＣＨ₂ＣＨ₂ＯＣＨ₃又は−ＣＨ₂Ｃ
Ｈ₂ＯＣ₂Ｈ₅基である。シラン分子上のＲ基は、同一又
は異なっていてよい。Ａ基の数は、０又は１であってよ
く、本発明の最終的膜の硬化の際に架橋剤として作用す
るためには、シラン分子が３又は４官能性であってよい
ことを意味する。シラン上のＯＲ基は、本発明の膜の硬
化中にシラノール基を形成する加水分解基である。好ま
しいシラン架橋剤は、メチルトリメトキシシランであ
る。シラン架橋剤は、所望の架橋度を得るのに充分な量
で含めることができる。使用すべき量は、重合可能はSi
−含有化合物のヒドロキシル基含有量及び選択した架橋
剤の分子量に左右される。使用する架橋剤が多い程、膜
は硬く、弾性が低くなる。好ましいメチルトリメトキシ
シラン架橋剤の有用な量は、ポリジオルガノシロキサン
１００重量部に対しシラン１〜７重量部の範囲で変動す
る。

重合して、グルコース透過性の膜、フィルム又は層を形
成しうる他の有用な有機珪素化合物は、ソーキン(Sorki
n)の米国特許第3,624,017号明細書（参考として本明細
書に含める）に開示されているような、ジオルガノシロ
キサン及び任意の加水分解性シランのコポリマーを含
む。

ジオルガノシロキサンは分散液中にモノマー又はポリマ
ーとして含まれていてよい。モノマーを分散液又はエマ
ルジョン中で部分的に重合させ、次いでシランを添加
し、ジオルガノシロキサンポリマーと共重合させること
ができる。コポリマーとエマルジョンを形成するため使
用する表面活性剤は、アニオン性、カチオン性又はノニ
オン性であってよく、共重合を開始するため有用な任意
の触媒、例えば強酸又は強塩基を使用することができ
る。出発ジオルガノシロキサンは、環状又は線状物質で
あってよく、出発ジオルガノシロキサンの分子量は限定
的ではない。

重合可能な有機珪素化合物の分散液は、成分を広い濃度
範囲で含んでいてよい。好ましい濃度範囲は、所望の膜
の厚さに左右される。例えば、キャリア又は連続相が蒸
発するに従って、亀裂を形成しない厚いエラストマー膜
（厚さ0.５mm）を生じるには、キャリア、例えば水１０
０重量部に対して合計６７〜１６０重量部の珪酸塩及び
ポリジオルガノシロキサンを含む分散液を使用するのが
最も好ましい。好ましい膜厚は、0.０７３〜0.６４mm
（0.５〜２５ミル）、例えば0.１１mm（4.５ミル）であ
る。

分散液を形成するため乳化剤を組成物中に配合する場合
には、乳化剤の量は、エマルジョンの２重量％未満であ
ってよく、乳化剤は、ヒドロキシル基で末端が遮断され
たポリジオルガノシロキサンを製造する乳化重合法に使
用する中和スルホン酸から生じることができる。

アニオン性表面活性剤は、好ましくは、米国特許第3,29
4,735号明細書に示されているようにヒドロキシル基で
末端が封鎖されたポリジオルガノシロキサンを形成する
ため乳化重合に使用される表面活性スルホン酸の塩であ
り、上記米国特許明細書を表面活性スルホン酸及びその
塩を示すため参考として本明細書に含める。スルホン酸
のアルカリ金属塩、特にナトリウム塩が好ましい。スル
ホン酸は、脂肪族基で置換されたベンゼンスルホン酸、
脂肪族基で置換されたナフタリンスルホン酸、脂肪族ス
ルホン酸、シリルアルキルスルホン酸及び脂肪族基で置
換されたジフェニルエーテルスルホン酸で説明すること
ができる。他のアニオン性乳化剤、例えば、アルカリ金
属スルホリシノレエート、脂肪酸のスルホン化グリセリ
ルエステル、フルホン化された１価アルコールエステル
の塩、アミノスルホン酸のアミド、例えばオレイルメチ
ルタウリドのナトリウム塩、スルホン化芳香族炭化水素
アルカリ塩、例えばα−ナフタリンモノスルホン酸ナト
リウム、ナフタリンスルホン酸とホルムルデヒドとの縮
合生成物、及び硫酸塩、例えばラウリル硫酸アンモニウ
ム、ラウリル硫酸トリエタノールアミン及びラウリルエ
ーテル硫酸ナトリウムを使用することもできる。

アニオン性乳化剤の他に、ノニオン性乳化剤をエマルジ
ョンに含めることもできる。このようなノニオン性乳化
剤は、例えば、サポニン、脂肪酸とエチレンオキシドと
の縮合生成物、例えばテトラエチレンオキシドのドデシ
ルエーテル、エチレンオキシド及びソルビタントリオレ
エートの縮合生成物、側鎖を有するフェノール化合物と
エチレンオキシドとの縮合生成物、例えばエチレンオキ
シドとイソドデシルフェノールとの縮合生成物、及びイ
ミン誘導体、例えば重合エチレンイミンである。

本発明のグルコース透過性膜を形成するため使用する重
合可能な有機珪素化合物の分散液は、分散液又は分散液
から得られる硬化したポリマー膜生成物の性質を変性す
るため付加的成分を含んでいてよい。例えば、分散液の
粘度を変性するか、又は分散液のチキソトロピーを生じ
るため、増粘剤を添加することができる。製造、被覆又
は層の状態で硬化する間の発泡を低減するため、分散液
に消泡剤を添加することができる。

膜を補強し、増量するか又は発色するため充填剤を分散
液に添加することができる。有用な充填剤は、コロイド
状シリカ、カーボンブラック、粘土、アルミナ、炭酸カ
ルシウム、石英、酸化亜鉛、雲母、二酸化チタン及びそ
の他、文献に周知のものを含む。これらの充填剤は、微
細粉化すべきであり、市販されている場合には、このよ
うな充填剤の水性分散液、例えばカーボンブラックの水
性分散液を使用するのが有利である。重合可能なSi−化
合物を含む分散液は、充填剤を必要としないが、膜に選
択された性質を与えるため乾式又は水性の形で、充填剤
を添加することができる。

充填剤は、１０マイクロメートル未満の平均粒径を有す
るのが好ましい。有用な充填剤は、最低0.０５マイクロ
メートルの平均粒径を有する。これらのシリコーンエマ
ルジョンを、本発明のグルコース透過性膜を形成するた
め、最終的硬化のため塗布すると、水又は他の非溶剤キ
ャリアは蒸発するか、又は除去されて硬化したグルコー
ス及び酸素透過性膜を生じる。キャリアの蒸発は、通
常、分散液フィルムの厚さ及び塗布方法に応じて数時間
〜約１日以内に完了する。本発明の重要な利点は更に、
極性及び非極性支持体に対してこれらの膜が優れた粘着
性を示すことである。

他の方法、例えば凝固も有用であるので、本発明は、蒸
発によってシリカ分散液中の連続液体相を除去する方法
に限定されないことを理解すべきである。一層迅速に硬
化した膜を製造するため、重合可能な有機珪素化合物の
分散液を加熱してキャリアを一層迅速に除去することも
有利である。

本発明によれば、本明細書に開示したグルコース透過性
膜３０は、膜を透過するグルコースの濃度を測定する公
知の方法及び装置と結合されて、有用である。詳述すれ
ば、キュプロパン(Cupropane)膜の間に保持されたか又
は酸素電極上に被覆されたポリアクリルアミドゲル中に
物理的に捕捉した可溶性グルコースオキシダーゼを使用
して、電流測定によりグルコース濃度を測定する。酸素
圧の低下は下記の反応式により、生物学的液体、例えば
血液又は血漿中のグルコース含有量に等しい： 酸素含有量の減少を測定する代わりに、白金電極を使用
して酵素反応において生成する過酸化水素をグルコース
透過性膜に対して使用する。過酸化水素を測定する白金
電極装置はクラーク(Clark)の米国特許第3,539,455号明
細書に開示されている。

現在存在する装置のあるものは、フィルタートラップ上
に保持されたグルコースオキシダーゼを使用し、２個の
白金電極を利用している。その白金電極の一方は、試料
中の電気的に酸化可能な化合物、例えばアスコルビン酸
を補正し、第二の白金電極は、過酸化水素を生成する酵
素反応を監視する。他の装置は、水素受容体として酸素
の代わりにキノンを使用し、下記の反応式によりキノン
の電気的酸化を測定する： （Ｅ＝0.４Ｖ、標準カロメル電極に対して） このようなキノン電気酸化においては、グルコースオキ
シダーゼは多孔性ゲル化層に捕捉され、白金電極上の透
析膜で覆われる。他のものは、セロファンによってその
場に保持された白金−ガラス電極上に固定されたグルコ
ースオキシダーゼを有する。生じる電流は、グルコース
濃度に比例する。他のものは、下記の触媒反応により、
流れ中で又は静置電極のところで電極表面における沃素
活性の局部的減少を測定する： 従来は、グルコースのこのような電極測定は妨害となる
還元剤、例えばアスコルビン酸の除去を必要とするが、
本発明のグルコース透過性膜は、電極に鋭敏な還元剤の
透過を防止しながら、グルコース及び酵素の透過に極め
て選択的である。従って、本発明の膜はこのような電極
測定径に極めて好適である。

しかし、本発明のグルコース透過性膜の更に重量な利点
の一つは、これらの膜が、グルコースオキシダーゼ又は
グルコースデヒドロゲナーゼのような好適な触媒の結合
層で活性化された電極に結合でき、イオン伝導性緩衝液
の中間層に対する必要性を排除しうることである。本発
明のこの実施態様によれば、グルコースと酸素との反応
を触媒しうる化合物を直接電極１０、例えば陽極１２に
結合し、本発明のグルコース透過性膜３０を触媒される
陽極１２上に被覆して、膜層３０と陽極１２の外表面と
の間に触媒２８を捕捉する。触媒、例えばグルコースオ
キシダーゼ２８は、任意の適当な方法で電極１０の外表
面に固定される。

酵素２８を公知の数種の方法で直接陽極１２上に固定す
ることができる。例えば、シランカップリング剤、例え
ばＮ−β−アミノエチル−γ−アミノプロピルトリメト
キシシランにより固定を実施することができる。シラン
カップリング剤の重要な特徴は、シラン分子のSi(OR₃)
部分で多数の金属酸化物及びヒドロキシル化金属表面と
共有結合を形成する能力である。このことは、白金につ
いて事実である。環境条件に普通に曝露すると、白金は
容易にヒドロキシ官能性表面を発現する。アルコキシシ
ランは、この表面と容易に反応して安定は“Pt−Ｏ−S
i”結合を形成する。シランカップリング剤も、適当な
架橋剤、例えばグルタルアルデヒドにより触媒、例えば
グルコースオキシダーゼ２８と反応して、直接陽極１２
上に、酸化酵素、例えばグルコースオキシダーゼ２８を
固定する有機官能基、例えばアミノ基を含み、結合した
酵素２８は数カ月間、活性である。

本発明の全利点を達成するため、グルコースと酸素との
反応を触媒しうる触媒２８を、シランカップリング剤及
び適当な架橋剤を使用して、陽極１２の表面上に固定す
る。電極の白金表面に蛋白質触媒、例えばグルコースオ
キシダーゼを固定するのに適当な架橋剤は、グルタルア
ルデヒド、臭化シアン、ヒドラジン、ベンゾキノン、過
沃素酸塩、トリクロロ−ｓ−トリアジン、塩化トシル及
びジアゾニウムを含む。これらの架橋剤はフェノール又
芳香族アミン官能性シランカップリング剤に結合しうる
ジアゾニウムを除いて、それぞれ第一級アミノ官能性シ
ランカップリング剤に結合することによって蛋白質、例
えばグルコースオキシダーゼを固定するのに適当であ
る。更に、トリクロロ−ｓ−トリアジン架橋剤は、シラ
ンカップリング剤のヒドロキシル官能基により酵素を架
橋することができ、塩化トシルは、シランカップリング
剤のチオール官能基に結合しうる。適当なシランカップ
リング剤は、３−アミノプロピルトリエトキシシラン、
Ｎ−２−アミノエチル−３−アミノプロピルトリメトキ
シシラン、４−アミノブチルジメチルメトキシシラン、
（アミノエチルアミノメチル）フェメチルトリメトキシ
シラン、４−アミノブチルトリエトキシシラン、Ｎ−
（２−アミノエチル）−３−アミノメチルジメトキシシ
ラン、及び３−アミノプロピルトリス（トリメチルシロ
キシ）シラン等を含む。

触媒２８が陽極１２に結合されたら、膜３０を作業領域
２０の酵素２８上に施す。前記の膜材料は、全血と極め
て認容性であり、耐久性表面を有し、酸素の透過に対し
て極めて選択性であり、化学量論的に充分に過剰の酸素
が全血からさえ膜３０を透過する。

重合した珪素含有膜３０の意外な特性は、先行文献の教
示に反するグルコース透過性である。

膜３０の別の意外な特性は、電極１０へのアスコルビン
酸の通過を防止する能力である。アスコルビン酸は、主
な妨害物質であり、膜３０によって電極表面１２へ達す
るのを本質的に防止されている。更に、硬化した膜３０
は、付着し、膜を汚染しうる汚染物質を除去するため、
使用後に膜３０を水洗し、拭うことができる耐久性で、
レジリエントな表面を有する。

膜３０の好まい材料は、ダウ・コーニング(Dow Cornin
g)の米国特許第4,221,668号明細書により製造され、エ
ラストマーとしてダウ・コーニングから市販されてい
る、コロイド状シリカを約５重量％含む、ヒドロキシル
基で末端が遮断されたポリジメチルシロキサンの陰イオ
ンで安定化された水性エラストマーである。除去可能な
液体キャリア中に分散した、不完全に硬化した状態で層
の状態で施した重合可能な珪素含有化合物の分散液から
形成した膜３０を使用して得られた新規の、予測できな
かった結果を示すため、４種の膜を製造した。すなわ
ち、３種の膜はシリコーン−水分散液から製造し、１種
は除去可能な液体相を本質的に含まないシリコーンペー
スト材料から製造した。ポリエステルフィルム上に0.２
５mm（10ミル）のドクターブレードを用いてエラストマ
ーを流延し、環境温度で硬化することによって膜を製造
した。除去可能なキャリア（水）を含む３種の組成物を
適切なポリシロキサンエマルジョンとして施した。硬化
は、３０〜６０分で達成されるが、熱によって加速する
ことができる。この方法により、約0.１１mm（4.５ミ
ル）の最終的乾燥フィルム（膜）厚を得た。

ダウ・コーニングから得た３種の、キャリアを除去しう
るシリコーンラテックス組成物は、材料の組成において
僅かに異なるにすぎない。ダウ・コーニング３−５０２
４は、SiO₂５重量％と共にヒドロキシル基で末端が遮断
されたポリジメチルシロキサンエラストマー及びアニオ
ン性乳化剤を含む基本組成物であり、更に、適当な架橋
剤、例えばシラン及び触媒、例えばアルキル錫塩を含ん
でいてよい。この材料は、３種のうち最も粘度の低い
（１０００cps）ものであり、硬化して薄い澄明なフィ
ルムになる。

第二のシリコーン水性エラストマーであるダウ・コーニ
ング３−５０２５は、有機チキソトロープ添加剤を添加
したダウ・コーニング３−５０２４と同一のものであ
り、２５０００cpsの予備硬化粘度を有する。このフィ
ルムも、乾燥すると、澄明である。

第三のシリコーン水性エラストマーであるダウ・コーニ
ング３−５０３５は、約4.５重量％の充填剤TiO₂を含
む。これらのフィルムは、不透明であり、白色である。

更に、揮発性キャリアをほとんど含まない熱硬化性シリ
コーンペースト（ダウ・コーニング３−９５９５）を比
較の目的で試験した。ダウ・コーニング３−９５９５
は、４０重量％のシリカを含むジメチルポリシロキサン
であり、ドクターブレードを用いて材料を層に塗布する
ことを必要とする２液性パテ様物質として供給される。

前記の４種の材料から製造した膜の評価結果を下記の表
にまとめる。

全く意外なことに、揮発性キャリアをほとんど含まない
ペースト状のシリコーン材料のグルコース透過性は、ダ
ウ・コーニング３−５０２５及びダウ・コーニング３−
５０３５より３桁低く、ダウ・コーニング３−５０２４
より２桁低い。評価表は、更に、３種のラテックスがペ
ースト状シリコーンよりはるかに、アスコルビン酸に比
してグルコースに対して選択的である。

積層電極１０は白金及び銀又は類似の材料の数分子層を
必要とするにすぎず、膜３０が極めて少量の材料を必要
とするにすぎないので、電極１０は安価である。更に、
製造方法が電極１０のコストを低減する。第１〜４図に
関して、電極１０の製造方法を説明した。最初の工程
は、誘電層１６（第３図）、陰極層１４（第２図）及び
誘電シート１８（第１図）にそれぞれ、孔又は穴２２、
２４及び２６を形成する。誘電シート１８、陰極層１４
及び誘電層１６のそれぞれを、接着剤、例えばシリコー
ンを基質とする接着剤を用いて、紙支持体で裏打ちする
ことができる。紙支持体を剥離し、誘電シート１６、陰
極層１４及び誘電層１８を一緒に、陽極層１２にロール
３２及び３４又は同様の操作によって積層する。次に、
膜３０を液体状態で作業領域２０に施し、硬化させる。
得られる積層ストリップを次いで、ブレード３６及び３
８で切断して、個々の電極１０を形成する。

接着剤塗層は、誘電体として作用し、陰極層１４上の接
着剤層を使用して誘電層１６の代わりとしうることが判
明した。この置換により、材料及び一つの集成工程を排
除することによって更に電極のコストが低減される。こ
のことは、更に、電極１０の厚さを減少し、膜を一層平
坦に、一層容易に施すことを可能にする。

電気化学的センサー用における電子表示器に結合される
電気的端子又はコネクターに陽極１２及び陰極１４を接
続する数種の異なる方法で電極１０を構成することがで
きる。一つの構造を第５図に示した。電極１０は、陰極
１４より短い誘電シート１８を有する構造の踏み面型で
構成されている。陰極１４は露出されており、電気的接
続は、上面になされる。陽極１２は上側で露出され、電
気的接続は容易になされる。

電気的接続に関する別の方法は、電極にスロットを形成
することである。第６図には、別の電極１００が示され
ている。電極１００は、陽極１１２及び陰極１１４がス
トリップ又はリボンとして形成され、並んで配置されて
いることを除いて電極１０と実質的に同じである。作業
領域１２０は、誘電材料の最上層シート１１８を通る孔
１４０によって限定される。端子を接続するアクセスを
設けるため、最上シート１１８にスロット１４２を形成
し、陽極１１２及び陰極１１４を露出して電気的に接続
させる。スロット１４２は、スロット１４２上をスライ
ドする電気的接点で電気化学的センサー中に電極を差し
込んで接続させうるという利点を生じる。

電気的接続に関する別の方法を第７図に示す。第二の電
極２００は、電極１０と同一の要素から成り、陽極フィ
ルム２１２、誘電材料層２１６、陰極フィルム２１４及
び誘電材料の最上層シート２１８を含む。最上層シート
２１８にスロット２４２を形成して、最上層シート２１
８中の第一の孔２５０が電気的接続ピンを陰極２１４に
接近させるようにする。第二の孔２５２を最上層シート
２１８及び陰極２１４に加工して、第二の電気的ピンを
陽極２１２に接近させることができる。

電気的接続に関する他の数種の構造は当業者によって認
識され、本発明は示した構造に限定されるものではない
ことを理解すべきである。

蒸着の他に、陽極及び陰極を形成する他の方法が考えら
れる。例えば選択した陽極及び陰極材料をフィルム上に
スパッタリングするか、又はセラミック基板上に材料を
シルクスクリーンで施すことができる。記載する実施例
は、限定的なものではなく、公知の他の操作も考えられ
る。

蒸着及び積層技術を使用することによって、これらの高
価な材料の量は最小にされるので、電極のコストは著し
く低減される。陽極及び陰極材料の量を減少することに
より、電極のコストを著しく変動することなく、層２８
に使用される酵素材料の量を増加させることができる。
増加した酵素は、電極からはるかに大きい信号を生じ、
応答も良くなる。

本発明の多数の変形及び変動は、前記の教示に照らして
可能である。従って、特許請求の範囲内で、詳細に記載
したもの以外にも本発明を実施することができることを
理解すべきである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の電極を形成するため積層する前の誘
電性最上層シートの平面図、第２図は、本発明の電極を
形成するため積層する前の銀箔又はフィルムの平面図、
第３図は、本発明の電極を形成するため積層する前の誘
電性中心シートの平面図、第４図は、白金箔又はフィル
ムに最上層誘電性シート、銀箔又はフィルム及び中心誘
電性シートを積層する工程を示す説明図、第５図は、本
発明の原理により構成した積層電極の拡大垂直断面図で
ある。また、第６図及び第７図は、それぞれ電気的接続
に関する説明のための平面図、第８図は、第７図の電極
の８−８における線断面図、第９図は、第７図の電極の
９−９線における断面図である。 １０、１００及び２００……電極、１２、１１２及び２
１２……陽極、１４、１１４及び２１４……陰極、１６
及び２１６誘電材料層、１８、１１８及び２１８……最
上層シート、２０及び１２０……作業領域、２２、２
４、２６、１４０、２５０及び２５２……孔、２８……
酵素層、１４２……スロット、３０……膜

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】（ａ）表面に沈着した金属分子層を有する
   導電フィルムからなる陰極；（ｂ）表面に沈着した金属
   分子層を有する導電フィルムからなる陽極；及び（ｃ）
   該陰極と該陽極との間に積層された誘電材料層から本質
   的になる積層電極において、 前記誘電体材料層と前記陰極とに重なる孔からなる作業
   領域が存在し、該作業領域の前記孔に酵素が存在し、そ
   の上にグルコース透過性のシリコーンエラストマーが充
   填された積層電極。
2. 【請求項２】陽極が、表面に蒸着された白金層を有する
   導電性フィルムである特許請求の範囲第１項記載の積層
   電極。
3. 【請求項３】陰極が、表面に蒸着された銀層を有する導
   電性フィルムである特許請求の範囲第１項記載の積層電
   極。
4. 【請求項４】前記作業領域の孔に、グルコースオキシダ
   ーゼが存在する特許請求の範囲第１項記載の積層電極。
5. 【請求項５】前記作業領域の孔に、グルコースデヒドロ
   ゲナーゼが存在する特許請求の範囲第１項記載の積層電
   極。
6. 【請求項６】グルコース透過性のシリコーンエラストマ
   ーが、ポリジオルガノシロキサンを含む特許請求の範囲
   第１項記載の積層電極。
7. 【請求項７】グルコース透過性のシリコーンエラストマ
   ーが、ビニル基又は水酸基で末端が封鎖されたポリジオ
   ルガノシロキサンを含む特許請求の範囲第６項記載の積
   層電極。
8. 【請求項８】グルコース透過性のシリコーンエラストマ
   ーが、ポリジメチルシロキサンを含む特許請求の範囲第
   ６項記載の積層電極。
9. 【請求項９】（ａ）表面に沈着した金属分子層を有する
   導電フィルムからなる陰極、及び誘電材料層にそれぞれ
   孔を形成し； （ｂ）該誘電材料層の、一方の側に該陰極を積層し、他
   方の側に、表面に沈着した金属分子層を有する導電フィ
   ルムからなる陽極を積層して、該誘電材料層の孔と該陰
   極の孔とが重なるようにして作業領域を形成し； （ｃ）該陽極と接する前記作業領域の孔に酵素を挿入
   し；そして （ｄ）該酵素を挿入した該孔の開口にグルコース透過性
   のシリコーンエラストマーを充填することを特徴とする
   積層電極の製造方法。
10. 【請求項１０】グルコース透過性のシリコーンエラスト
    マーを、前記の作業領域の孔の酵素の上に充填した後に
    硬化させる特許請求の範囲第９項記載の製造方法。