JPH06511083A - 試料のｐＨを表示するセンサー膜、その製造およびその使用 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 試料のｐ）（を表示するセンサー膜、その製造およびその使用 本発明は機械的に安定な支持体を有し、さらにその上に取り付けた指示薬色素層 を有する試料のｐＨの可逆的、光学的表示のためのセンサー膜に関する１本発明 は更に指示薬色素を含む層を機械的に安定な支持体に付けている試料のｐＨの可 逆的、光学的表示を行うためのセンサー膜の製造方法に関する。最後に本発明は このタイプのセンサー膜の使用にも関する。

ｐＨの光学的な測定はある種の色素（例えばリドマスのような）が色の変化を伴 って試料のｐＨに反応し、したがって試料のｐＨを表示することができるという 発見に回帰するのである。妥当な色素（指示薬色素）の選択は、色素が色を変え るｐＨ範囲とともに、例えばＥ、ビショップ（Ｂｉｓｈｏｐ）著　インディケー タ−（Ｉｎｄｉｃａｔｏｒ）、第３章　ベルガモンプレス（Ｐｅｒｇａｍｏｎ　 Ｐｒｅｓｓ）、１９７２年に見出すことができる。

先ず最初のｐＨに感する小片は色素溶液に紙片を浸漬することによって得られた 。このタイプの色付紙片の色素は吸収によって支持体に結合している。このこと は色素を試料が洗流すことができるという欠点を持っており、このことから光学 的に走査シグナルがｐＨの変更によってではなく、洗い流しによってますます弱 くなるので、このような紙片はセンサータイプ（オン−ライン）利用には不適当 であることになる。

色素を化学的および物理的に固定する手段によって洗い流されることを防ぐこと が可能である。固定したｐＨに敏感な素材は従ってｐＨの連続測定には適してい る。固体の支持体（繊維素、アガロース、ポリメチルアクリレート、ポリアクリ ルアミド、ガラス）上にｐＨ支支持金固定する方法は先行技術から公知である。

ｐＨの連続光学測定用の方法および構造は文献に記載されている。ヨーロッパ特 許１３７，１５７および米国特許４．５４８，９０７ではｐＨセンサーが記載さ れており、その中ではそのｐＨ指示薬が膜上に固定されており、そのｐＨによる 蛍光強度の変化を光ガイドによって確認している。光の反射の原理を利用した類 似の繊維光学構造は米国特許４，２００，１１０および４，４７６．８７０に記 載されている。同様に米国特許４，１６６．８０４も色素の固定およびｐ）ｌの 連続測定用にこのようにして製造された素材の使用を記載している。米国特許４ ，７１６，１１８はｐＨ指示薬の固定ならびにｐＨの精密測定を通じて溶液のイ オン濃度の測定も記載している。米国特許４，３７６゜８２７に記載されている 同様の方法はテスト紙片を使ったイオン濃度の測定を可能にしている。

その他の光学的なｐＨ測定方法は米国特許４，４７３．６５０．４，３１８，７ ０９．４，５３２，２１６のなかにも見出される。米国特許４，５６８，５１８ はポリエチレンイミンの相互に浸透している網目に結合している指示薬のついた ｐＨに敏感な蛍光を発する繊維素膜を記載している。最終的には、ＥＰ−Ａ　１ ２６．６００には指示薬がイオン交換樹脂の球に結合している光学的センサーを 記載しており、他方米国特許４，３２１，０５７は極めて一般的に特に詳細には 特定していないｐＨに敏感な素材を有する繊維光学センサーを記載している。

分析化学雑誌（Ａｎａｌ、Ｃｈｅｍ、）　５８　２４９６（１９８６）はオート メーション化した分析システムにおけるセンサーとして市販のｐＨ指示薬紙片の 使用を記載している。紙片を流出セルの中に導入し、その色変化を光ガイドを使 って走査する。このセンサーの応答時間は引用文献の中の図５Ｂおよび７Ｂから 認めることが出来るところによれば、３ないし１５分である。この場合の応答ス ピードは緩衝液の容積が減少する共に顕著に減少している。そのような長い応答 時間は実際面で不適当であり、その理由から著者達はいわゆる「一時的な作業技 術」を使用し、すなわち一定の信号を待つことなく、所定の時間間隔の後に測定 を行うのである。

分析化学雑誌　土ユ　３４８　（１９７５）はガラスに結合している再利用可能 な指示薬を記載しており、同誌　１ユ　４０４　（１９８８）は多孔質のポリマ ーフィルムを化学的に修飾することによって得られた光学的ｐＨセンサーを記載 している０両者のセンサータイプを製造するのは極めて苦労が多く、固定化化学 の分野で多くの経験を要し、ことにガラスを支持体に使用しているときには、再 現性ある製造をすることは困難である。

上に述べたように、これら全てのセンサーの欠点は応答時間が１．０分から２０ 分と極めて長く、このことはｐＨ電極の短い応答時間にくらべて顕著な欠点にな っていることである。これらの電極は本件のなかで討議した膜とは対照的に試験 紙のように簡単にはその現場に使用することができなく、また簡単に設計するこ とも、また安価に廃棄できる物として設計することも出来ない、さらに、ｐＨ電 極は強く緩衝したシステム内でのみ機能を果すのである。

分析化学雑誌　５９　４３７　（１９８７）は応答時間を短くするためにいかに して色素および光ガイドの上の極めて薄いフィルムとして支持体を付けるかとい うことを開示している。同様のことが分析科学（Ａｎａｌ、Ｓｃｉ、）旦　７（ １９８７）では開示されている。

この方法には以下のような１つあるいはそれ以上の欠点が付随している。即ち経 費がかかり、再現性の低い結果を生じ、数ｎｍの厚さの層内に存在する僅かの色 素故に極めて弱い信号しか生ぜず、その結果低い信号解像度しか達成できないの である。比較的大量の固定した色素が既に顕著な緩衝容積を示しているので、市 販の指示薬紙は緩衝していない溶液には実際上不適当であるという欠点が付随し ている。最終的には、上記のセンサー膜は光学的に不透明であって、その結果セ ンサー膜は吸収光（透過光）でなく、反射光のみが測定できるのである０例外と してはガラス上の固定化方法だけであり、上に引用した方法では分析化学雑誌土 ユ　３４８　（１９７５）から透明な素材が得られており、しかしながらそのも のもガラスセンサーの脆弱性および大量生産の困難性のために実地に応用するこ とは不適当であった。

本発明の目的は上記の欠点を回避し、特に費用の面でも好ましく、従って一回セ ンサーとして適当な短い応答時間を有するセンサー膜の簡単製造さらに、大量生 産が可能になり、緩衝していないあるいは弱く緩衝したシステム中では今まで可 能ではなかったそのようなセンサー膜の使用が可能になるように、前文に記載し たタイプのセンサー膜およびこのタイプのセンサー膜を製造する方法を改良する ことにある。

本発明の対象は機械的に安定な支持体を有し、更にその上に取り付けた指示薬色 素を有する試料のｐ）（の可逆的、光学的表示のためのセンサー膜であり、その 特徴とするところは支持体の少なくとも一面上に指示薬色素を固定した形態で示 している親水性の適応層を付けることである。それに相当するセンサー膜を製造 する方法は本発明によって、支持体上に親水性の適応層をつけ、そのなかに指示 薬色素を入れ、その色素を固定することに特徴を有する。このことは支持体上に 適応層を付ける前あるいは後に行うことも出来る。

本発明によってセンサー膜を以下のように作製することができる、通常の極めて 薄い層０．１ないし２０μｍ、好ましくは０．１ないし０．５μｍの支持体上に 本来の指示薬色素を載せているあるいは示す親水性の第２の適応層を付ける。支 持体はしたがって機械的な強化用の下皮えとしてのみ役に立ち、本来のセンサー フィルムは極端に薄い親水性の層の中に付いているのである。

適応層は発明を更に有利に展開する方法によってセルロース、ゼラチン、ヒドロ ゲル、親水性のポリビニルアルコールあるいはこれらの物質の混合物から成り立 っている。適応層並びに指示薬色素を持っている支持体は本発明によって好まし くは疎水性の光学的に透明な素材、好ましくはフタル酸エステルタイプのポリエ ステル、ポリカーボネート、ポリビニルクロライド、ポリアミド、シリコン、架 橋ポリアクリルアミド、あるいは架橋ポリビニルアルコールのグループから成り 立っている。特にその際に支持体にはフタル酸エステルタイプのポリエステルお よび親水性の適応層にはセルロースが好ましい。

親水性の薄い最上コーティング上に相当するｐＨ指示薬色素を通常の方法で固定 することができる。あるいは色素指示薬は薄い親水性の膜の上に先ず固定してそ の後に後者を疎水性の支持体に付けるのである。

通常は反応性のある指示薬、すなわち、ｐＨに敏感な吸収の他に疎水性の支持体 層への化学的な結合を可能薬を使用する。そのような共有結合をした色素（指示 薬）は洗い流されることはない。

反応性のある指示薬の典型的な化学構造は例えば以下のような構造である。

ａ） ｂ） ｏ２ Ｒ＝　−Ｎ＋Ｉ−（Ｈ２−ＣＩ、−５ｏ、ＨＣ） このようにして得られたセンサー層は先行技術とは対照的に光学的に完全に透明 であり、従って光測定用の吸収測定に容易に使用可能である。さらに、大量に低 価格でこれらを生産することが可能である。その理由は色素のコーティングおよ び固定が実際上オンライン操作で行えるからである。最終的にはこのようにして 得られた膜はその指示薬層の薄膜故に極めて僅かの緩衝能力を持っているに過ぎ なく、このことは緩衝していない溶液（酸性雨の証明の際に）の測定目的には極 めて好ましく、また薄い親水性の指示薬層を通過するプロトンの拡散が現在まで の公知の比較的厚いセンサー膜の中よりも遥かに早く起るので、早い応答時間を 持っている。

膜の精製においては、上記のようにこの膜を両面でコーティングすることも可能 であり、特に反射測定あるいは蛍光測定の代わりに吸収測定によって評価を行う ときにはおよび試料が両面から接近できるときには、両面層にコーティングする ことが可能である。

センサー膜の色の強度測定は繊維光学あるいは統合した光学方法によって行うこ とができる。この場合には親水性の薄い層は直接疎水性の光学ガイド素材上に付 けることができるのである。これに関係した構造は例えばＯ，Ｓ、ヴオルフバイ ス（Ｗｏｌｆｂｅｉｓ）著「繊維光学化学センサーおよびバイオセンサー」の巻 １の第２章、第３章に記載されている。同書はＣＲＣブレス、ボカ　ラートン（ Ｂｏｃａ　Ｒａｔｏｎ）。

フロツク（Ｆｌｏｒｉｄａ）州、１９９１年発行である。

本発明による膜の代替精製法では、後者を参照素子として使用することも可能で ある。この目的のために、膜表面の一部分は気体あるいはプロトン不浸透性の素 材で覆われておりあるいは試料とも接触していない。

色の強度が試料で変化しないおよび光度計による測定の場合には、信号が参照値 を示すような参照素子として役に立つ面がこのようにして得られた。

本発明によるｐＨセンサーはｐＨを測定するためだけに使用するのではなく、適 当に精製したならば、特に気体浸透性層でカバーすることによって、例えば上記 の引用文献の巻２、第１１章に記載されているように酸性の気体あるいは塩基性 の気体の光学的な探査に役立つこともできる。最終的には、そのようなセンサー はｐＨが変化する生化学反応用の伝達素子としても使用可能である。これ自身も 既に例えば、分析化学雑誌６０　４３３　（１９８８）の中で、ペニシリンの測 定用に記載されている。

図を引用しながら以下に更に詳細に発明を記載する。

第１図は試料媒体と接触している平板状の光学的ｐＨ敏感膜の層構造を示してい る。指示薬色素を含有している適応層は一方側だけに付着している。第２図は本 発明（実施例）によるｐＨセンサー膜の酸およびアルカリ型の吸収スペクトルを 示しており、第３−５図は種々の色素のコーティングを有するるセンサー膜のｐ Ｈによって変動する吸収の変化を示している１種々の色素を選択することによっ て、それぞれの場合に希望するｐＨ範囲を設定することが可能である。第６図は 光源、光バイブ、先端にあるセンサー膜および光感短冊にまで集光した反射光を 導く光パイプから成る繊維光学構造を示している。第７図はｐＨを種々に変えた 時の以下の実施例によるセンサー膜の応答挙動を示しており、第８図はこのタイ プのセンサー膜を有する長時間テストを示している。

第１図（１１尺通りではない）は本発明によるセンサー１ｌｉＳの一例の切断面 を示している。約２００μｍの典型的な厚さを有する支持体１としてのポリエス テル膜上に、化学的に染色されている繊維素からなる薄い適応層２がある。繊維 素層の色を決定している試料溶液３がこの膜のうえを流れている０色を対応する 光電子装置によって走査することができ、なかでも繊維光学による光学ガイドに よって走査することができる０周囲の光が膜の反射能あるいは蛍光の測定を妨害 することから防ぐために、後者はあるいはいわゆる光学遮蔽によってカバーを行 ってもよい、この目的のためには、膜はプロトン浸透性の、しかし光学的には不 透明の薄い層、例えば白色の顔料化したヒドロゲルで覆われている。

第２図は酸性ｐＨ（４，００）およびアルカリ性ｐＨ（１０，０）の例によって 得られたセンサー膜の吸収スペクトルを示している。明らかになったことは、５ ９５ｎｍにおけるアルカリ性の形（ＩＩ）の吸収マキシマムが黄色ＬＥＤの発光 波長（５９０ｎｍ）とよく一致しており、それによって容易に測定可能である。

第３ないし５図は５６５ｎｍで測定した種々の膜の吸収強度の変化を示しており 、これらの膜は指示薬色素として２−　［４−（２−ヒドロキシ−７−スルフオ ー１−ナフチルアゾ）−３−二トロフェニルスルフオニル］エチル　ハイドロジ エン　サルフェート（第３図）、２−［３（４−アニリノフェニルアゾ）−４− カルボキシフェニルスルフォニル］エチル　ハイドロジエン　サルフェート（第 ４図）および２−　［３−（４−ヒドロキシナフチルアゾ）−４−サルフオフェ ニルスルフオニル］エチル　ハイドロジエン　サルフェート（第５図）を使用し て化合物を固定して得られたものである。

第６図は本発明によるセンサー膜の反射能の繊維光学測定用の構造を示している 。光源りかうの光を光学的導波管ＬＷＬ　１に導き、さらに試料と接触している センサー膜に向ける。ｐＨ値の関数として膜が反射した光は同一の繊維で再吸収 され、繊維カップラーＦＫを通過後には、光学的導波管ＬＷＬ２を経由して光感 短冊りに到達する。後者は光電流を流すことになり、さらにその電流はプリアン プリファイア−中で電圧に変換され、さらにその後にアンブリファイア−装置、 デジタル化した装置、さらに最終的には計測装置各こ達する。この構造が特にオ ンラインおよび遠隔測定を実でテすることを可能にしている。

第７図は種々のｐＨ値で実施例１によって得られたセンサー膜の繊維光学光度計 （第６図に対応する）でｆｉ１１定した反射能を示している。全体を通して調整 時間Ｃよ１ｏおよび３０秒の間にあり、ただしＦｌ！１時間が約９０秒であるｐ Ｈ８，０２から８．９７への変化を除くこととする。

第８図はセンサー膜な使った、ｐＨについては下記の値開に一定の変化をさせて 、５．００．５．５０゜６．００，６．５０．７．００．７．５０．８．００． ８．５０，９．００．１０．００゜９．００．８．５０，８．００．７．５０． ７．００，６．５０．６．００，５．５０および５．００の１９時間に及ぶ長時 間テストを示している。センサーは明らかに長期間安定性を有しおよび良好な再 現性に優れている。

以下の実施例は簡単な方法によるそのような膜の製造を記載しており、しかしな がら本発明の方法の範囲をこの特異な方法に限定するものではない。

実施例 応答の早いｐＨセンサー膜の製造 ２−［４−（４−ヒドロキシ−１−ナフチルアゾ）−３−二トロフェニルスルフ オニル］エチル　ハイドロジエン　サルフェート９００ｍｇを事前に良く粉砕し て濃硫酸１．００ｇ中に溶解する０、この溶液を乾燥雰囲気中に３０分放置する 。その後にこれを１０００ｍ１の蒸留水に注ぎ、３２％の水酸化ナトリウムの水 溶液１．８ｍｌで中和し、色を緑色に変化させる。

この溶液に繊維素でコーティングしたポリエステル膜（例えば、製品１７７０３ Ｔ、市販のウィーンのヒユーレット−パラカード社製、加筆可能なオバーヘッド プロジェクタ−用の透明膜として入手可能）を懸濁し、徐々に攪拌する。５分後 に、固体の炭酸ナトリウム２５ｇを加え、更に５分後には、３２％の水酸化ナト リウム水溶液５．２ｍｌを加＾る。この混合物を攪拌しながらさらに１時間放置 する０色素を付けた膜を洗浄水が無色になるまで蒸留水で洗浄する。得られた素 材は酸性溶液では黄色、アルカリ性溶液では青色を持っている。有用なｐＨ範囲 は６および９の間である。

上記の色素はＡｎｇｅｗ、Ｃｈｅｍ、７６．４２３（１９６４）に記載されてい る方法に類似した方法で固定されており、この雑誌は他のｐＨ範囲（８−１１， １１−１３、さらに１−５）で色を変化するｐＨに敏感な膜を提供している。

本発明によるセンサー膜は好ましくは光度計あるいは反射メーター測定器を使っ て試験片によってｐＨをめるために、極めて弱く緩衝した溶液（例えば地表水あ るいは雨水）のｐＨをめるために、および生理学的ｐＨの測定に、場合によって は繊維光学導波管を使用する。

吸収 第３図　ｐＨ 吸収 吸収 第５図　ｐＨ Ω４

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　機械的に安定な支持体およびその上に付けた指示薬色素層を有する試料のｐ Ｈ値の可逆的光学的表示のためのセンサー膜において、支持体の少なくとも一面 上に指示薬色素を固定状態で示している親水性の適応層を付けることを特徴とす る上記のセンサー膜。 ２　適応層が０．１乃至０．５μｍまでの範囲の厚さを示すことを特徴とする請 求項１によるセンサー膜。 ３　適応層が繊維素、ゼラチン、ヒドロゲル、親水性のポリビニルアルコールあ るいはこれらの物質の混合物から成ることを特徴とする請求項１あるいは２によ るセンサー膜。 ４　適応層ならびに指示薬色素を有する支持体が疎水性の、光学的に透明な素材 、好ましくはフタル酸エステルタイプのポリエステル、ポリカーボネート、ポリ ビニルクロライド、ポリアミド、シリコーン、架橋したアクリルアミド、ポリビ ニルアルコールのグループからの素材から成ることを特徴とする請求項１ないし ３の１項あるいはそれ以上の項によるセンサー膜。 ５　機械的に安定な支持体上に指示薬色素層からなる層を付けた、試料のｐＨ値 の可逆的光学的表示のためのセンサー膜の製造方法において、指示薬色素を導入 し、固定する親水性の適応層を支持体上に付けることを特徴とする上記の方法。 ６　支持体としては疎水性の、光学的に透明な素材を使用することを特徴とする 請求項５による方法。 ７　非緩衝または弱緩衝システムにおいてｐＨ値を求めるために試験片として請 求項１ないし４までのいずれか１項によるセンサー膜の使用。