JPS612055A - 電気化学センサ− - 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】 本発明は流体内の化学種を選択的に検出する固相電気化
学センサーに関するものである。

化学種及び緒特性（例えば、イオン活性とイオン濃度、
酵素、基質、抗体、抗原等の濃度）を検出し、測定し且
つ監視する固相電気化学センサーは一般に２つのカテゴ
リー、即ちイオン又は一部の中性分子に感応するある型
式の化学層を利用する電位差型センサー（例えば、米国
特許第４　、０２０　、８３０号参照）と質量移送限定
電流が還元種又は酸化種の濃度に関する情報を提供する
電流滴定センサー（例えば、米国特許第２，９１３，３
８６号参照）に分類される。後者の型式のセンサーは典
型的には選択度の欠除、即ち、他の化学種も存在し得る
流体の内部における特定の化学種の存在を検出出来ない
ことが欠点である。然し乍ら、現在公知の固相電気化学
センサーにみられるこれらの難点と他の難点にも拘わら
ず、各種の化学種の存在を選択的に検出出来る実際的で
固相の小型化されたセンサーを見出すことに依然多大の
興味が存在している。

本発明の目的は化学特性を選択的に検出し測定する新規
にして改善された固相電気化学センサーを提供すること
にある。

本発明の他の目的はコンパクトで、正確であり、安定し
ている上に製造が容易な化学的な選択センサーを提供す
ることにある。

各種化学種を選択的に検出するよう適合可能なセンサー
を提供することも本発明の目的である。

７本発明の付加的な目的は液体状若しくは気体状環境下
における化学種を検出する集積された固相電気化学セン
サーを提供することにある。

本発明の前掲の目的と他の目的は検出されるべき選択さ
れた材料が膜の表面に存在しているときイオンを通過さ
せるよう適合したフィルム又は膜を利用する固相電気化
学センサーを含む本発明の特定の例示実施態様にて実現
される。特に、電気化学センサーには基材と、材料層へ
のイオンの移送に応答して電流を発生するよう基材に取
着された材料層が含まれ、この材料層が実際にイオンの
流れを電子の流れに変換又は転換する。材料層中で発生
した電子の流れの大きさはイオンの流れと等しい。検出
される材料又は化学種を含む流体から材料層へイオンを
移送するため材料層に取着された膜も含まれている。膜
には化学種と相互に作用して流体からのイオンを膜に浸
透させ得るゲート分子が含まれている。交流電源が材料
層及び戻り電気路として機能する電極にも接続される。

材料層内に発生する電子の流れを検出し、かくして選択
された化学種の濃度を検出する検出回路が材料層及び交
流電源に接続してある。

本発明の前掲の目的と他の目的、特徴及び利点について
は添附図面に関連して呈示された以下の詳細な説明から
明らかとなろう。

ここで図面を参照する。

第１図を参照すると、当該図には活性センサー電極４と
基準センサー電極８が含まれ、両者系差動増幅器１２の
入力部に接続されているような化学的選択センサー・シ
ステムが示されている。以後詳細に説明する活性センサ
ー電極４はセンサー電極が浸漬される（容器１８内に保
持された）流体１６中の一部の材料又は化学種の存在に
応答して電流変化をもたらす。基準センサー電極８は活
性センサー電極により発生された電流と比較し得る基準
値として（実質的にＯになる）電流を発生する。活性セ
ンサー電極４と基準センサー電極８は分離したものとし
て図示してあるが、これらの電極は関連ある回路と同じ
固相基材上で構成可能であることを理解すべきである。

差動増幅器１２の活性センサー電極入力部は又可変抵抗
２０を通じて交流電源２４の一方の側に接続される。差
動増幅器２２の基準電極入力部は抵抗２８によって交流
電源２４の一方の側にも接続されている。この構成は良
く知られているブリッジ差動増幅器回路である。差動増
幅器１２の出力部は当該増幅器の出力レベルを検出する
検出回路３２に接続されている。例えば、検出回路３２
は任意の慣用的な電圧計にすることが可能である。

交流電源２４から流体１６を通じて活性センサー電極４
にいたる回路を完成するため、戻り電極３６が備えてあ
り、この電極は交流電源２４の他方の側に接続されてい
る。戻υ電極３６は白金、銀／塩化銀の化合物等といっ
た任意型式の導電性材料で作製可能である。

活性センサー電極４と基準センサー電極８は両者共各々
流体１６が露呈窓４８．５２を通じてのみ両電極と接触
するよう流体不浸透被膜４０　、４４内に封入されてい
る。即ち、各電極の最外側層のみが流体１６に露呈され
ている。

第１図の活性センサー電極４は第２図の側断面図に代表
的な様式にて図示してある。即ち、異なる層に対して図
示された厚さは図解の目的上誇張してある。活性センサ
ー電極には基材６０が含まれ、当該基材上にはセンサー
の他の層が配設され、当該基材上には電気的構成要素が
設置される。基材６０には導電性材料層６４ａと第２材
料層６４ｂを含む変換器又は転換器二重層６４が取着し
てある。変換器の二重層６４の機能はイオンの流れ即ち
第２材料層６４ｂの外側面にて受取られたイオンを、基
材６０を通って金属層たる導電性材料層６４ａへ延在す
る導電体７６に与えられる電子の流れに変換することで
ある。第２材料層６４ｂはイオンと電子の両方を導通さ
せることが出来且つイオンを隣接する層と交換し得る化
合物である。

例えば、導電性材料層６４ａは銀にすることが出来、第
２材料層は塩化銀にすることが出来る。代替的に、導電
性材料層６４ａは鉛にし、第２材料層６４ｂは塩化鉛に
することが出来る。この点に関して、検出される薬品又
は材料は第２材料層６４ｂに移送されるイオンではない
ことを述べねばならない。むしろ、こうしたイオンは単
に、検出される材料が流体１６内に存在している時点を
決定する機構である。こうした材料は活性センサー電極
を刺激して溶液内のイオンを第２材料層６４ｂへ移送さ
せることが出来る。この点については以後更に説明する
。

変換器二重層６４にはヒドロゲル材料、例えばホリヘマ
（ｐｏｌｙｈｅｍａ　）　　（ポリ〔ヒドロキシエチル
・メタクリレート〕、ポリアクリルアミド）等といった
親水性材料層６８が取着してある。この層の機能は移送
されるイオンの可逆交換を可能にする安定した水利状況
を提供することにある。親水性材料層６８は又次に説明
するフィルム又は膜７２の沈積に適した表面を呈する。

親水性材料層６８に取着されるフィルム又は膜７２は一
部の薬品又は化学種の検出を選択的に可能にする。この
膜は植物又は動物から得られる天然の脂質二層フィルム
又は公知のラングミュアープロジ工法により作製される
合成リン脂質フィルムである。天然の又は合成のフィル
ムはイオンの移送に対してフィルムの「開き」と「閉じ
」を制御するいわゆるゲート分子を含む。ゲート分子は
膜を当該分子を含有する溶液に露呈させることにより膜
７２上に導入される。膜７２として使用される型式の脂
質膜について説明してある文献にはアナリチ力・キミ力
・アクタ（Ａｎａｌｙｔｉｃａ　ＣｈｉｍｉｃａＡｃｔ
ａ）　、　１９８３年第３７巻のトンプソン、ミカエル
等の「選択的化学検出モデルとしての脂質膜双極子通気
と摂取ｊ　（Ｌｉｐｉｄ　Ｍｅｍｂｒａｎｅ　Ｄｉｐｏ
ｌｅ　Ｐｅｒ−ｔｕｒｂａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｃｈｅｍ
ｏｒｅｃｅｐｔｉｏｎ　ａｓ　Ｍｏｄｅｌｓ　ｆｏｒ　
５ｅ−３４１−３４５頁にあるトーロ・ゴイコ、Ｅ等の
「新しい電気技術によるアンティスリン抗体の検出：脂
質膜伝導測定ｊ　（Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　Ａｎｔ
ｉｓｕｌｉｎ　Ａｎｔｉ−ｂｏｄｉｅｓ　ｗｉｔｈ　ａ
　Ｎｅｗ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ
　：　ＬｉｐｉｄＭｅｍｂｒａｎｅ　Ｃｏｎｄｕｃｔｏ
ｍｅｔｒｙ　）という文献がある。

先に述べた如く、第２図の多層活性センサー電極は電気
化学的検出との干渉防止とセンサー電極の層の腐食防止
を図るため流体不透過材料８０内に封入してある。

アセチルコリンを検出する例示的なセンサー電極１ｄ　
２０００ないし５０００オングストロームの金属層たる
導電性材料層６４ａ、２０００ないし５０００オングス
トロームのタングステン青銅ナトリュム層たる第２材料
層６４ｂ、約１０，０００オンダストロームのヒドロゲ
ル層たる親水性材料層６８と膜７２の被覆されたシリコ
ン・ウェーハーの基材６０で構成されている。ゲート分
子は流体１６内のアセチルコリンと相互に作用してこれ
も（天然又は合成的に）流体内にあるナトリュム・イオ
ンを膜７２に浸透（「入らせ」）させ得るアセチルコリ
ン受容体である。

第１図のシステムは流体１６内における一部の薬品又は
材料の存在を以下の様式にて検出する。

活性センサー電極４を流体内に設置すると、検出すべき
薬品（例えば、アセチルコリン）が膜７２上のゲート分
子（例えば、アセチルコリン受容体）と結合し、これに
よって流体内のイオン（例えばナトリウム・イオン）が
膜を浸透出来るようにする。膜の侵入を高める効果があ
るこの膜内でのイオンの浸透又は移送は変換器二重層６
４に達しそこでイオンの流れは電子の流れに変換される
。導電性材料層６４ａが銀で、第２材料層６４ｂがタン
グステン黄銅ナトリウムであれば、反応は次の如くなる
。

Ｎａ＋ＮａＸＷＯ３＋ｅ＃ＮａＸＷＯ３変換器二重層６
４内で発生した電子の流れは導電体７６によって差動増
幅器１２へ運ばれ、そこで当該流れと基準センサー電極
８で発生された流れの間の差が増幅され、電流検出回路
３２に供給される。

（基準センサー電極が検出される薬品に露呈されるとき
当該基準センサー電極により発生される電流が変化しな
いよう）ゲート分子が外側フィルム内に与えられず又は
流体１６内に存在している薬品又は材料とは無関係に実
質的に一定の基準電流が発生されるよう外側フィルム内
のゲート分子が可逆的に禁止されることを除いて、基準
センサー電極８は本質的に活性センサー電極４と同様に
構成される。

交流電源２４を採用することによって、各層のインター
フェイスにおける全体的な化学変化が回避される。更に
、これは検出すべき薬品の濃度を正確に読み取れる前に
相当時間に亘って電荷の蓄積を要する電圧滴定測定方法
を回避する。交流電源の使用によって膜７２のしきい値
破壊電圧以下の低振幅変調信号（５ないし５０ミリボル
ト）の使用が可能になる。最後に、交流電源の採用によ
って、イオンから電子の流れへの変換器層の性質はゲー
ト化されるイオンがナトリウムであり、変換器構造が塩
化イオン材料を含み且つその逆も成り立つことから余９
重要ではない。

第３図は多重センサーを有するセンサー電極の代表的な
斜視図を示す。特に、電極には基材１００、二重変換層
１０４、親水性層１０８、親水性層１０８に取着され相
互に隔置分離されている複数個の膜１１２が含まれてい
る。各層１１２は異なる薬品又は化学種の検出を可能に
するため異なるゲート分子を導入する。

第４図は多重センサー電極の別の実施態様を示す。この
電極も同様にして基材２００、二重変換層２０４、親水
性材料層２０８を含む。然し乍ら、この実施態様におい
ては、単一の化学的選択膜又はフィルム２１２が与えら
れ、膜の表面上の異なる領域２１６は異なる薬品又は化
学種の検出を可能にするため異なるゲート分子を導入し
ている。

即ち、化学的選択膜２１２上の領域２１６は各々化学的
選択膜２１２内のこれらの領域内へのイオンの浸透を可
能にするよう異なる薬品又は化学種と相互に作用する。

第３図及び第４図に関して説明した様式において多重セ
ンサーを単一基材に設けること及び多数の異なる薬品又
は化学種の検出目的に使用することが出来る。

前述した配列は本発明の諸原理の適用を例示したに過ぎ
ないことを理解すべきである。本発明の技術思想と範囲
から逸脱せずに当技術の熟知者により多数め改変と代替
的な配列を案出し得るもので、前掲の特許請求の範囲は
こうした改変と配列を保護する意図がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の諸原理に従って作製された増幅器回路
を含む化学的選択センサー・システムの模式図を示す。 第２図は第１図の模式図の活性センサー電極の側断面図
を示す。 第３図は本発明の諸原理に従って作製された多重センサ
ーの実施態様の代表的斜視図。 第４図は異なる多重センサーの実施態様の代表的斜視図
。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）流体中の化学種を選択的に検出する電気化学センサ
   ーであつて、 基材と、 第１材料層へのイオンの移送に応答して電流を発生する
   よう基材に付着され、発生される電流の大きさをイオン
   の流れと等しくする当該第１材料層と、 イオンを第１層へ移送するため第１層に付着され、検出
   すべき化学種と選択的に相互に作用して流体中のイオン
   を膜に透過可能ならしめるゲート分子を含む当該膜と、 一端子を第１層に接続した交流電源と、 交流電源の他端子に接続した電極と、 第１層により発生された電流を検出する第１層に接続さ
   れた装置から成る電気化学センサー。 ２）更に、センサーが露呈される流体と層との接触を防
   止するよう第１層の周わりに形成された流体不浸透性材
   料を含む特許請求の範囲第１）項に記載の電気化学セン
   サー。 ３）更に、第１層と膜の間に形成され親水材料から成る
   中間層を含む特許請求の範囲第１）項に記載の電気化学
   センサー。 ４）前記中間層がヒドロゲル材料から成る特許請求の範
   囲第３）項に記載の電気化学センサー。 ５）前記中間層がポリヘマから成る特許請求の範囲第４
   ）項に記載の電気化学センサー。 ６）前記中間層がポリアクリルアミドから成る特許請求
   の範囲第４）項に記載の電気化学センサー。 ７）前記第１層の厚さが約４０００ないし１０，０００
   オングストロームあり、前記中間層の厚さが約１０，０
   ００オングストロームある特許請求の範囲第３）項に記
   載の電気化学センサー。 ８）前記第１層が２つの２次材料層から成り、当該２次
   材料層の一方が膜に付着され、他方が交流電源に電気的
   に接続され、前記一方の２次材料層がイオンを構成材料
   とする材料を含むようにした特許請求の範囲第１）項に
   記載の電気化学センサー。 ９）前記一方の２次層の厚さが約２０００ないし５００
   ０オングストロームあり、前記他方の２次層が厚さが約
   ２０００ないし５０００オングストロームある特許請求
   の範囲第８）項に記載の電気化学センサー。 １０）一方の２次層が塩化銀で構成され、前記他方の２
   次層が銀で構成されている特許請求の範囲第８）項に記
   載の電気化学センサー。 １１）前記一方の２次層がタングステン青銅ナトリウム
   から成り、前記他方の２次層が金属から成る特許請求の
   範囲第８）項に記載の電気化学センサ１２）前記膜がホ
   スファチジル・コリン製のリン脂質ラングミユアーブロ
   ジエ膜から成る特許請求の範囲第１）項に記載の電気化
   学センサー。 １３）前記膜フィルムが脂肪酸製である特許請求の範囲
   第１）項に記載の電気化学センサー。 １４）前記電極と前記検出装置が前記基材上に配設して
   ある特許請求の範囲第１）項に記載の電気化学センサー
   。 １５）前記電極と前記膜が基材上で相互に隣接して配設
   してある特許請求の範囲第１１）項に記載の電気化学セ
   ンサー。 １６）前記検出装置が、 第１層に接続されている第１入力部と第２入力部を有す
   る差動電流増幅器と、 交流電源の前記一方の端子と差動電流増幅器の前記第１
   入力部の間に接続された第１インピーダンス装置と、 基準電流を発生し差動電流増幅器の前記第２入力部に接
   続された基準センサー装置と、 交流電源の前記一方の端子と差動電流増幅器の前記第２
   入力部の間に接続された第２インピーダンス装置から成
   る特許請求の範囲第１）項に記載の電気化学センサー。 １７）前記第１インピーダンス装置が可変抵抗で構成さ
   れ、前記第２インピーダンス装置が抵抗で構成されるよ
   うにした特許請求の範囲第１６）項に記載の電気化学セ
   ンサー。 １８）前記基準センサー装置が、 第１層材料の取付け位置から隔置された個所において基
   材に取着され、第１層と同じ材料製になつている第２材
   料層と、 最初に述べた膜と同じ材料で作製され第２材料層に取付
   けられた第２膜から成る特許請求の範囲第１６）項に記
   載の電気化学センサー。 １９）流体中の薬品を選択的に検出する固相電気化学セ
   ンサーであつて、 基材と、 層において受け取られるイオン電流を電子の流れに変換
   するよう基材に取付けられた変換材流層と、 変換層に取付けられ空間的に相互に分離され各各イオン
   を変換層に移送し、各々検出される異なつた薬品に対し
   選択的に結合して流体内のイオンを個々の膜に浸透可能
   ならしめる異なつたゲート分子を含む複数個の膜と、 一方の端子が変換層に接続してある交流電源と、交流電
   源の他方の端子に接続された電極と、層内で発生した電
   子の流れを検出する、変換器に接続された装置から成る
   固相電気化学センサー。