JPS6252449A - カルシウムイオンセンサ− - 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】 １０発明の背景 〔産業上の利用分野〕 本発明はカルシウムイオンセンサー、更に詳細には、内
部液及び内部液室を有しない固体型のカルシウムイオン
センサーに関スル。

〔従来の技術及び間層点〕

従来、電気化学的なカルシウムイオンセンサーとしては
、いわゆる液膜型のものが知られている。

しかしながら、この種の液膜型センサーは、一定濃度の
カルシウムイオンを含む内部液と外部の被検液をカルシ
ウムイオン選択膜で隔離してなる構造を有するため、そ
の電極体の小型化は困難であった。また、これを生体内
で使用すると、内部液の溶出、漏れを生ずる危険性があ
り、用途が制限されていた。

とれに対して、エッチ、フレイザー（Ｈ，Ｆｒｅｉｓｅ
ｒ）及びカートラルらは、液膜型センサーの内部液を無
くした、いわゆる被覆線電極（Ｃｏａｔｅｄ　Ｗｉｒｅ
Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ　；　ＣＷＥ　）を提案した。

しかしながら、ＣＷＥは白金、銀などの貴金属や銅など
の重金属にカルシウムイオン選択性膜を直接被着してな
るものであシ、小製化が可能、構造が簡単で作成が容易
などの利点を有するが、一方電位ドリフトが大きい、ま
た酸素分圧による影響が大きいなどの欠点があるため、
生体中や長時間のモニターなどに使用できなかった。

■６発明の目的 斯かる実状において、本発明者は内部液室を有しない固
体型センサーであって、かつ、電位ドリフトが小さく酸
素分圧等による妨害のないカルシウムイオンセンサーを
開発すべく種々検討を重ねていたところ、カルシウムイ
オン選択性膜を導電性基体の表面に直接被着せずに、予
め可逆的酸化還元機能を有する膜を被着した上に重ねて
被着することによシ上記目的が達成されることを見出し
、本発明を完成した。

すなわち本発明は、溶液中のカルシウムイオン濃度を電
極電位応答で測定するカルシウムイオンセンサーであっ
て、導電性基体の表面に可逆的酸化還元機能を有する膜
を被着し、更に該被膜の表面にカルシウムイオン選択性
膜を被着してなることを特徴とするカルシウムイオンセ
ンサーを提供するものである。

本発明は更に、カルシウムイオン選択性膜がカルシウム
イオンキャリヤー物質を担持せしめた高分子膜であるカ
ルシウムイオンセンサーを提供するものである。

■１発明の詳細な説明 本発明のカルシウムイオンセンサーに使用される導電性
基体としては、例えばベーサル・ブンーン・ピロリティ
ック・グラファイト（ｂａｓａｌ　ｐｌａｎｅｐｙｒｏ
ｌｙｔｉｃ　ｇｒａｐｈｉｔｅ　；以下、ＢＰＧという
）、グラツシーカーボン等の導電性炭素材料；金、白金
、銅、銀、パラジウム等の金属、特に貴金属又はこれら
の金属の表面に酸化インジウム、酸化スズ等の半導体を
被覆したものが挙げられる。就中、導電性炭素材料が好
ましく、ＢＰＧが特に好ましい。

また、可逆的酸化還元機能を有する膜（以下、酸化還元
膜ということがある）とは、これを導電性基体表面に被
着してなる電極が可逆的酸化還元反応によって導電性基
体に一定電位を発生しうるものであシ、本発明において
は特に酸素ガス分圧によって電位が変動しないものが好
ましい。斯かる酸化還元膜としては、例えば■キノンー
ヒドロキノン型の酸化還元反応を行なうことができる有
機化合物膜若しくは高分子膜、■アミンーキノイド型の
酸化還元反応を行なうことができる有機化合物膜若しく
は高分子膜等が好適なものとして挙げられる。なお、こ
こでキノン−ヒドロキノン型の酸化還元反応とは、重合
体の場合を例にとれば、例えば次の反応式で表わされる
ものをいう。

（式中、Ｒ１、Ｒ２は例えば芳香族含有構造の化合物を
示す） また、アミン−キノイド型の酸化還元反応とは、前記同
様重合体の場合を例にとれば、例えば次の反応式で表わ
されるものをいう。

（式中、Ｒ３、Ｒ４は例えば芳香族含有構造の化合物を
示す） このような可逆的酸化還元機能を有する膜を形成しうる
化合物としては、例えば次の（＆）〜（Ｃ）の化合物が
挙げられる。

（式中、Ａｒ、は芳香核、各Ｖは置換基、−は１ないし
Ａｒ、の有効原子価数、ｎ、は０ないしＡｒ。

の有効原子価数−１を示す） で表わされるヒドロキシ芳香族化合物 Ａｒ、の芳香核は、例えばペンゼ／核のように単環のも
のであっても、アントラセン核、ビレ／核、クリセン核
、ペリレン核、コロネン核等のように多環のものであっ
てもよく、またべ／ゼン骨核のみならず複素環骨核のも
のであってもよい。置換基Ｒ５としては、例えばメチル
基等のアルキル基、フェニル基等の７リール基、および
ハロゲン原子等が挙げられる。具体的には、例えばジメ
チルフェノール、フェノール、ヒドロキシピリジ７、Ｏ
−またはｍ−ベンジルアルコール、ｏ　−５ｍ−ｔタハ
ｐ−ヒドロキシベンズアルデヒド、０−またはｍ−ヒド
ロキシアセトフエノン、ｏ−ｌｍ−またはｐ−ヒドロキ
シベンゾフェノン、　ｏ−１ｍ−１タハｐ　−ヘアシフ
エノール、０−ｌｍ−またはｐ−ヒドロキシベンゾフェ
ノン、ｏ−ｌｍ−またはｐ−カルボキシフェノール、ジ
フェニルフェノール、２−）ｆルー８−ヒドロキシキノ
リン、５−ヒドロキシ−１，４−す７トキノ／、４−（
ｐ−ヒドロキシフェニル）２−ブタノン、１，５−ジヒ
ドロキシ−１，２，３，４−テトラヒドロナフタレン、
ビスフェノールＡ、サリチルアニリド、５−ヒドロキシ
キノリン、８−ヒドロキシキノリン、１，８−ジヒドロ
キシアントラキノン、５−ヒドロキシ−１，４−ナフト
キノン等が挙げられる。

（ｂ）　　次式 （式中、Ａｒ、は芳香核、各Ｒ６は置換基、ｍ、は１な
いしＡｒ、の有効原子価数、ｎ、はＯないしＡｒ。

の有効原子価数−１を示す） で表わされるアミン芳香族化合物 Ａｒ、の芳香核、置換基Ｒ６としては化合物体）におけ
るＡｒ、　、置換基Ｒ５と夫々同様のものが使用される
。アミノ芳香族化合物の具体例を挙げると、アニリン、
１，２−ジアミノベンゼン、アミノピレン、ジアミノピ
レン、アミノクリセン、ジアミノクリセン、１−アミノ
７エナントレン、９−アミノ７エナントレン、９．１０
−ジアミノ７エナントレン、１−アミノアントラキノ／
、ｐ−フェノキシアニリン、０−７二二レンジアミン、
ｐ−クロロアニリ／、３．５−ジクロロアニリン％　　
２，４，６−ドリクロロアニリ／、Ｎ−メチルアニリン
、Ｎ−フェニル−ｐ−フェニレンジアミン等である。

（ｃ）１，６−ピレンキノン、１．２，５．８−テトラ
ヒドロキシナリザリン、７エナントレンキノン、１−ア
ミノアントラキノン、プルプリン、１−アミノニ４−ヒ
ドロキシアントラキノン、アントラルフィン等のキノン
類。

これらの化合物のうち、特に２，６−キシＶノール、１
−アミノピレンが好ましい。

更に、本発明に係る酸化還元膜を形成しうる化合物とし
ては、 （ｄ）　　ポリ（Ｎ−メチルアニリン）〔大賞、検印、
小山、日本化学会誌、１８０１−１８０９（１９８４）
　］、ポリ（２，６−シフチルー１　、４−７二二し／
エーテル）、、Ｉ−’ＩＪ（０−フェニレンジアミン）
、ポリ（フェノール）、ポリキシレノール；ピラゾロキ
ノン系ビニルモノマーの重合体、イソアロキサジン系ビ
ニルモノマーの重合体等のキノン系ビニルポリマー縮重
合化合物のような（ＪＬ）〜（Ｃ）の化合物を含有する
有機化合物、（ａ）〜（ｅ）の化合物の低重合度高分子
化合物（オリゴマー）、あるいは（ａ）〜（Ｃ）をポリ
ビニル化合物、ポリアミド化合物等の高分子化合物に固
定したもの等の当該酸化還元反応性を有するもの が挙げられる。なお、本明細書において、重合体という
語は単独重合体及び共重合体等の相互重合体の双方を含
む。

本発明において、叙上の酸化還元膜を形成しうる化合物
を導電性基体の表面に被着するためには、アミノ芳香族
化合物、ヒドロキシ芳香族化合物等を電解酸化重合法ま
たは電解析出法によって基体表面上で直接重合させる方
法、あるいは電子線照射、光、熱などの適用によって、
予め合成された重合体を溶媒に溶かし、この溶液を浸漬
・塗布および乾燥によシ基体表面に固定する方法、更に
は重合体膜を化学的処理、物理的処理もしくは照射処理
によって基体表面に直接固定する方法を採ることができ
る。これらの方法の中では、特に電解酸化重合法による
のが好ましい。

本発明において、電解酸化重合法は、溶媒中で適当な支
持電解質の存在下、アミン芳香族化合物、ヒドロキシ芳
香族化合物等を電解酸化重合させ導電体の表面に重合体
膜を被着することによシ実施される。溶媒としては、例
えばアセトニトリル、水、ジメチルホルムアミド、ジメ
チルスルホキシド、プロピレンカーボネート等が、また
支持電解質としては、例えば過塩素酸ナトリウム、硫酸
、硫酸二ナトリウム、リン酸、ホウ酸、テトラフルオロ
リン酸カリウム、４級アンモニウム塩などが好適なもの
として挙げられる。斯くして被着される重合体膜は一般
に極めて緻密であシ、薄膜であっても酸素の透過を阻止
することができる。然し、本発明効果を奏するためには
、酸化還元膜は当該酸化還元反応性を有するものであれ
ば特に制限はなく、膜の緻密の如何は問わない。

酸化還元膜の膜厚は０．１μｍ〜０．５絽となるように
するのが好ましい。０．１μｍよシ薄い場合には、本発
明の効果を十分奏さず、また０、　５　ｖｔｘよシ厚い
場合には膜抵抗が高くなシ好ましくない。

また、本発明に使用される酸化還元膜は、これに電解質
を含浸させて使用することができる。電解質としては、
例えばリン酸、リン酸水素二カリウム、過塩素酸ナトリ
ウム、硫酸、テトラフルオロホウ酸塩、テトラフェニル
ホウ酸塩等が挙げられる。酸化還元膜に電解質を含浸さ
せるには、酸化還元膜を導電性基体に被着したのち、こ
れを電解質溶液に浸漬する方法が簡便である。

叙上の如くして導電性基体に被着された酸化還元膜の表
面に重ねて被着されるカルシウムイオン選択性膜は、例
えばカルシウムイオンキャリヤー物質及び電解質塩を高
分子化合物に担持せしめた膜が使用される。

カルシウムイオンキャリヤー物質としては、カルシウム
イオンを選択的に輸送しうる物質であれば特に制限はな
いが１例えばカルシウム　ビス〔ジー（ｎ−オクチルフ
ェニル）ホスフェート〕、（−）−（Ｒ，Ｒ）−Ｎ、Ｎ
／−ビス〔（１１−エトキシカルボニル）クンデシル］
−Ｎ、Ｎ／、４．５−テトラメチル−３，６−シオキサ
オクタンージアミト、カルシウム　ビス〔ジ（ｎ−７’
シル）ホスフェート〕等が好適なものとして挙げられる
。

電解質塩としては、例えばナトリウムテトラキス（ｐ−
クロロフェニル）ボレート、カリウムテトラキス（ｐ−
クロロフェニル）ボレート、ナトリウムテトラキス（ｐ
−クロロフェニル）リン酸、カリウムテトラキス（ｐ−
クロロフェニル）リン酸、および次式 ％式％ （式中、Ｒ／はアルキル基、好ましくは炭素数２〜６の
アルキル基を示す） で表わされる化合物が挙げられる。

また、高分子化合物としては、例えば塩化ビニル樹脂、
塩化ビニルーエチレ／共重合体、ポリエステル、ポリア
クリルアミド、ポリウレタン、シリコーン樹脂などを挙
げることができ、可塑剤が溶出しにくいものが使用され
る。このような可塑剤としては、例えばセパシン酸ジオ
クチルエステル、アジピン酸ジオクチルエステル、マレ
イン酸ジオクチルエステル、ジ−ｎ−オクチルフェニル
ホスホネート等が挙げられる。また、溶媒としては、テ
トラヒドロフランが好適に使用される。

酸化還元膜の表面にカルシウムイオン選択性膜を被着す
るには、例えば担体である高分子化合物１００重量部に
対して可塑剤を５０〜５００重量部、カルシウムイオン
キャリヤー物質０．１ないし５０重量部及び電解質塩等
を溶媒（例えばテトラヒドロフラン）に溶かした溶液中
に、基盤電極（ここでは酸化還元膜被覆電極）を浸漬、
引き上げ、風乾そして乾燥（８０℃、３分）を３０回程
度繰υ返し、キャリヤー膜厚５０μｍ〜３ｆｌ、特に０
．３舅冨〜２１となるようにするのが好ましい。あるい
ハ、ペースト塩化ビニル、カルシウムイオンキャリヤー
物質可塑剤゛電解質塩を上記の重量比で混合した後、基
盤電極上に厚さ５０μｍないし３１Ｅｌになるように載
せ、１６０℃で１分間加熱処理してゲル化することによ
ってもカルシウムイオンキャリヤー膜は得られる。

従来、イオン選択性電極に使用される膜は、膜抵抗を小
さくするために一般に薄膜゛のものであったが、本発明
において使用されるカルシウムイオン選択性膜は必ずし
も薄膜である必要はなく、上記の如く約１〜３１１１１
程度の厚膜とすることができる。このことは本発明セン
サーの独特の構成に基くものと考えられる。また、本発
明に使用されるカルシウムイオン選択性膜は被検液中の
溶存酸素その他共存物質の影響を受けにくい性質を有す
る。

〔実施例〕

下記方法により第１図に示すカルシウムイオンセンサー
を作製した。

（１）ベーサル・プレーン・ピロリティック・グラ７フ
イ）　（ＢＰＧ）（ユニオン・カーバイト社製）板から
直径５額の円柱１１を切出したのち、その底面部１１ｂ
に導電性接着剤（アミコン社渠、Ｃ−８５０−６＋１５
を用いてテア０ン被覆銅線のリード線１６を接続し、゛
次いで熱収縮チューブ（アル７アーワイヤ社製）でＢＰ
Ｇの先端面１１１Ｌが僅かに露出するように被覆絶縁し
たのち、露出先端部をナイフの刃で剥離させ、新しい面
を露出させた。このようにして作製したＢＰＧ基体電極
を作用電極とし、飽和塩化ナトリウム甘コク電極（ＳＳ
ＣＥ　）を基準電極、白金網を対電極として以下に示す
条件で電解酸化を行なった。

（電解液） 支持電解質：　　０．２Ｍ過塩素酸す）　ＩＪクム反忠
心性物質　　１０ｍＭ１−アミノビ７７１９ｍＭピリジ
／ 溶　　　媒：　アセトニトリル （電解条件） 作用電極の電位を５ＳＣＫに対しＯｖから１ｖまで３回
掃引（５０ｍＶ／秒）したのち、１ｖ対５ＳＣＥで１０
分間定電位電解した。

このようにしてＢＰＧ基体の露出面上に１−アミノピレ
ンの電解酸化重合体膜（厚さ約３０μｍ）１３を形成し
た。この膜はアミン−キノイド型の酸化還元反応によっ
て一定電位を発生する〔０．ＩＭ力ＩＪ’）ム　テトラ
−ｐ−クロロフェニルボレート（ＫＴｐＣＡＰＢ　）　
（７）　’）：ｔりｆルセハシ７　酸（ＤＯ８）溶液で
５０ｍＶ対５ＳＣＥの一定電位を発生した〕。

（ＩＩ）　　（１）で作製した電極体を、カルシウムイ
オンキャリヤー物質を含有する下記組成の浸漬液に浸漬
したのち乾燥を行ない電解酸化重合体膜１３上にカルシ
ウムイオン選択性膜１４を被着した。なお、浸漬・乾燥
操作は繰シ返し行ない、厚さ約０−３　ｘｘのカルシウ
ムイオンキャリヤー膜を形成した。

（浸漬液） ＫＴｐＣぶＰＢ　　　　　　　　　　　　　８．６ダＤ
Ｏ８４９１８■ ポリ塩化ビ、−ｔｂ　　　　　　　　　２５１．１ｒＩ
９テトラヒドロフラン　　　　　　　　５　一実施例２ 実施例１で作製したセンサーのカルシウムイオンに対す
る応答性を調べるため、１０−ｓ〜１０−’Ｍ塩化カル
シウム水溶液に該センサー及び５８ＣＥ　ｉ浸漬して、
本発明センサーの起電力をエレクトロメーター（ＴＲ８
６５２タクダ理研社製）で測定した（温度２５℃）。そ
の結果を第２図に示す。

第２図から明らかなように、起電力（対５ＳＣＥ　）と
カルシウムイオン濃度は良好な直線関係を示した。

実施例３ 実施例１と同様にしてＢＰＧ基体電極を作製したのち、
次の電解液及び条件で電解重合反応を行ない、２，６−
シメチルフエノールの重合体膜を被覆した。

（電解液） 支持電解質？０．２Ｍ過塩素酸ナトリウム反応性物質：
　　　０．５Ｍ　　２．６−シメチルフエノール 溶　　　媒：　アセトニトリル （電解条件） 作用電極の電位を５ｓｃａに対しＱＶ〜１．５ｖまで３
回掃引（５０ｍＶ／秒）したのち、１．５ｖ対５ＳＣＥ
で１０分間定電位電解した。

このようにして作製した酸化還元膜電極の表面に実施例
１の（１）と同様にしてカルシウムイオンキャリヤー膜
（厚さ約０．４　ｍ　）を形成した。

実施例４ 実施例２と同様にして実施例３で作製したセンサーの起
電力のカルシウムイオン濃度依存性を調べた結果、第３
図に示す如く、起電力とカルシウムイオン濃度の間に直
線関係が得られた。また、応答速度（９５％電位応答に
要する時間）は第４図に示す如く１〜２分間であった。

また、その後起電力にドリフトはみられなかった。

実施例５ 実施例３で作製したセンサーの起電力を、カルシクムイ
オ／とマグネシウムイオンの共存する溶液中（２５±０
．１℃）で測定しマグネシウムイオンに対するイオン選
択係数を求めたところｏｔ ４ｏｇ　ＫＣａＭｇ＝−３，３３であった（第５図）。

従来のカルシウムイオンセンサーにおいては−１，９〜
−２０であったことを考慮すると、本発明センサーが選
択性に優れていることが判る。

実施例６ 実施例３で作製したセンサーの起電力を、カルシウムイ
オンとナトリウムイオンの共存する溶液中（２５±０．
１℃）で測定しナトリウムイオンにｏｔ 対するイオン選択係数を求めたところ”ｇ　ＫＣａＮａ
＝　７．５　Ｘ　ＩＱ−４であった。

このことから、本発明センサーは、ナトリウムイオンが
共存しても、低濃度のカルシウムイオンの定量が行なえ
ることを示している。

実施例７ 実施例３と同様にし２，６−シメチルフエノールの酸化
還元膜電極を作製した。

次いで、この電極体を、実施例１の（ＩＩ）と同様にし
てカルシウムイオンキャリヤー物質を含有する下記組成
の浸漬液に浸漬したのち乾燥を行ない電解酸化重合体膜
上にカルシウムイオン選択性膜を被着した（膜厚的０．
４　ｗｓｉ　ｌ。

（浸漬液） ＨＤＯＰＰ−Ｃａ　　　　　　　　　　　８０１ｎ９Ｄ
Ｏ８３６０Ｉｎ９ ジーｎ−オクチルフェニルホスホネート　　　　　３６
０■ポリ塩化ビニル　　　　　　　　３４Ｑｒｎ９テト
ラヒドロフラン　　　　　　　１０ｍこのように作製し
たセンサーでは、１０″″重〜１０″″！Ｍ濃度のマグ
ネシウムイオンが共存しても、マグネシウムイオンの影
響を受けずにカルシウムイオン濃度を測定できることが
判った。

尚、本発明センサーの測定可能なカルシウムイオン濃度
は、１０−４〜１０″″ＩＭ（検出限界値は約１０−’
Ｍ）であった。

■６発明の具体的効果 本発明は、膜上の如く構成されるカルシウムイオンセン
サーであるので、 （１）小型化が可能であり、生体内溶液のｉｎ　５ｉｔ
ｕ測定などに利用できる、 （１１）内部液室を必要としないため、液漏れや破損等
がなく安全である、 （Ｉｌ＋１　　被検液中の溶存酸素をはじめ種々の共存
物質の影響を受けにくく、被検液の糧類に制限されるこ
となく使用できる、 （ｌｖ）　　応答速度が速く、また経時安定性に優れて
いる 等、従来のセンサーにない種々の特長を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のカルシウムイオンセンサーの拡大断面
説明図を示す。第２図は実施例１で作製した本発明セン
サーの起電力とカルシウムイオン濃度の関係を示す図面
である。第３図は実施例３で作製した本発明センサーの
起電力とカルシウムイオン濃度の関係を示す図面である
。第４図は同センサーの電位応答を示す図面である。第
５図は同センサーの起電力をカルシウムイオン及びマグ
ネシクムイオン共存下測定した場合の起電力とマグネシ
ウムイオン濃度の関係を示す図面である。 １１・・・Ｂ　Ｐ　Ｇ　　　　　ｌｌ＆・・・先端面１
１ｂ・・・底面部 １３・・・電解酸化重合膜 １４・・・カルシウムイオン選択性膜 １５・・・導電性接着剤　１６・・・リード線以上

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、溶液中のカルシウムイオン濃度を電極電位応答で測
   定するカルシウムイオンセンサーであつて、導電性基体
   の表面に可逆的酸化還元機能を有する膜を被着し、更に
   該被膜の表面にカルシウムイオン選択性膜を被着してな
   ることを特徴とするカルシウムイオンセンサー。 ２、カルシウムイオン選択性膜がカルシウムイオンキャ
   リヤー物質を担持せしめた高分子膜である特許請求の範
   囲第１項記載のカルシウムイオンセンサー。