KR100329393B1 - Reference Electrode Using Solvent Soluble Polymer - Google Patents
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Abstract
본 발명은 일정한 전위를 유지하고, 이온선택성 전극 (ion-selective electrode ; ISE)과의 전기적인 연결을 위해 기준전극에 장착되는 이온 비감응성 고분자 막 조성물, 이로부터 형성된 이온 비감응성 기준전극 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 이온 비감응성 고분자 물질, 바람직하게는 방향족 폴리우레탄 (aromatic polyurethane)을 사용한 조성물을 용매에 녹인 뒤 막으로 성형하여 내부기준용액을 사용하는 전극체 또는 각종 금속형 전극에 장착하여 제조되는 본 발명의 이온 비감응성 기준전극은 염다리를 포함하는 종래의 전극에 비해 그 구조가 단순하여 소형화된 전극일 뿐만 아니라 내부 기준용액의 누출로 인한 피측정용액의 오염을 방지할 수 있으며, 내부기준용액을 보충할 필요가 없어 보관 및 관리가 용이한 새로운 형태의 고분자형 기준전극이다.The present invention maintains a constant potential and is an ion insensitive polymer membrane composition mounted on a reference electrode for electrical connection with an ion-selective electrode (ISE), an ion insensitive reference electrode formed therefrom, and a preparation thereof The present invention relates to a method of manufacturing a method comprising dissolving a composition using an ion-insensitive polymer material, preferably an aromatic polyurethane, in a solvent and then molding a film to attach to an electrode body or various metal type electrodes using an internal reference solution. The ion-insensitive reference electrode of the present invention is simpler in structure than a conventional electrode including a salt bridge, and can prevent contamination of a solution to be measured due to leakage of an internal reference solution. It is a new type of polymer type reference electrode that is easy to store and manage because it does not need to refill solution.
Description
본 발명은 이온선택성 전극에 대하여 기준전위를 유지하고, 이온 선택성 전극과의 전기적 연결을 위해 기준전극에 장착되는 이온 비감응성 막에 사용되는 고분자 물질의 조성물, 이온 비감응성 막으로부터 형성된 이온 비감응성 기준전극 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention maintains a reference potential with respect to an ion-selective electrode and is a composition of a polymeric material used for an ion-insensitive membrane mounted on a reference electrode for electrical connection with an ion-selective electrode, an ion-insensitive reference formed from an ion-insensitive membrane. It relates to an electrode and a method of manufacturing the same.
일반적으로 용액 중의 이온 농도를 전기화학적인 방법으로 측정하고자 할 때에는 외부환경의 변화에 감응하지 않고 일정한 출력 전압을 유지하는 기준전극과외부환경의 변화중 특히 분석하려는 이온에 대해 민감하게 감응하는 지시전극(또는 작동전극)등 2개 이상의 전극이 필요하다.In general, when measuring the ion concentration in a solution by electrochemical method, the reference electrode which maintains constant output voltage without changing the external environment and the indicator electrode which is sensitive to the ion to be analyzed especially during the change of the external environment Two or more electrodes, such as (or working electrode), are required.
지금까지 이용되어 온 기준전극은 그 일반적인 구조가 도 1 에 나타난 바와 같이, 내부전극(1), 내부기준용액(2), 전극체(3) 및 내부기준용액과 피측정용액을 전기적으로 연결시키기 위한 염다리(4)로 구성되어 있다. 기준전극은 내부전극과 내부기준용액을 외부 환경으로부터 격리시켜 내부전극과 내부기준용액의 계면에서 발생하는 출력전위 값이 일정하게 유지되도록 한다. 그러나, 전기화학적인 측면에서 볼 때, 기준전극은 작동전극과 전기적으로 연결되어야만 측정이 가능하므로, 이를 위하여 염다리(4)라고 불리는 작은 구멍으로 내부기준용액(2)과 피측정용액을 접촉시킴으로써 두 용액 사이에서 발생되는 이온의 이동에 의해 두 용액을 전기적으로 연결시킨다. 그러나, 기준전극 내부로 이온이 이동하게 되면 내부기준용액의 농도가 변화될 수 있고, 이에 따라 기준 전위값 자체가 변화될 수 있다. 따라서, 내부기준용액으로는 외부 측정용액보다 수백 내지 수천배 이상 진한 농도의 용액을 사용하여 외부 측정용액에 의한 내부기준용액(2)의 농도변화를 방지해야 한다.As the general structure of the reference electrode used up to now, as shown in FIG. 1, the internal electrode 1, the internal reference solution 2, the electrode body 3, and the internal reference solution and the measurement solution are electrically connected. Consists of salt bridge (4). The reference electrode isolates the internal electrode and the internal reference solution from the external environment so that the output potential value generated at the interface between the internal electrode and the internal reference solution is kept constant. However, from the electrochemical point of view, since the reference electrode can be measured only when it is electrically connected to the working electrode, it is necessary to contact the internal reference solution (2) with the solution under test by means of a small hole called a salt bridge (4). The two solutions are electrically connected by the movement of ions generated between the solutions. However, when ions move inside the reference electrode, the concentration of the internal reference solution may change, and thus, the reference potential value itself may change. Therefore, the concentration of the internal reference solution 2 by the external measurement solution should be prevented by using a solution having a concentration of several hundred to several thousand times more concentrated than the external measurement solution.
또한, 이러한 구조를 갖는 기준전극은 전극체(3)의 하단부에 위치한 염다리(4)를 통하여 농도가 진한 내부기준용액(2)이 외부로 누출되어 피측정용액을 오염시킬 수 있으며, 장기적으로는 누출된 내부기준용액(2)을 보충시켜야 하기 때문에 기준전극의 소형화 및 단순화에 큰 어려움이 있었다.In addition, the reference electrode having such a structure may leak the internal reference solution 2 having a high concentration through the salt bridge 4 located at the lower end of the electrode body 3 to contaminate the solution to be measured. Since the leaked internal reference solution (2) has to be replenished, there is a great difficulty in miniaturizing and simplifying the reference electrode.
한편, 이러한 문제점을 개선하고자 기준전극을 고체화하려는 연구가 진행되었다. 즉, 반도체 소자 또는 금속전극의 표면에 고분자 물질을 진공증착하거나, 분자선 조사, 광학반응(photochemical reaction) 및 표면화학적 처리방법에 의해 내부전극, 이온 비감응성 고분자 막 및 기판으로 구성된 고체형 기준전극을 제조하였다. 그러나, 이러한 고체형 기준전극은 그 제조공정이 복잡하고 어려워서 실용성이 적으며, 특히 이온 비감응성 고분자 막의 전기저항률이 높아서 안정된 특성을 갖는 전극을 얻는데는 상당한 어려움이 있었다.Meanwhile, studies to solidify the reference electrode have been conducted to improve such a problem. That is, a solid reference electrode composed of an internal electrode, an ion-insensitive polymer membrane, and a substrate by vacuum deposition of a polymer material on a surface of a semiconductor device or a metal electrode, or by molecular beam irradiation, photochemical reaction, and surface chemical treatment. Prepared. However, such a solid reference electrode has low practicality due to its complicated and difficult manufacturing process, and has a considerable difficulty in obtaining an electrode having stable characteristics due to high electrical resistivity of an ion-insensitive polymer membrane.
한편, 반도체 공정과 유사하여 극소형으로 대량생산이 가능한 전기화학적 센서중 이온 선택성 장 효과 트랜지스터(ion-selective field effect transistor; 이하, "ISFET"이라 약칭한다)를 이용하여 기준전극을 제조하려는 시도가 있었다. 그러나, 제조되는 기준전극은 조립형이고, 부피가 커서 실제 계측에서는 ISFET의 장점을 이용하기 어렵다는 단점을 가지고 있다.Meanwhile, an attempt has been made to manufacture a reference electrode using an ion-selective field effect transistor (hereinafter, referred to as an "ISFET") of an electrochemical sensor that can be produced in a very small size similar to a semiconductor process. there was. However, the reference electrode to be manufactured has a disadvantage that it is difficult to use the advantages of the ISFET in the actual measurement because of the large assembly size.
이에 본 발명자들은 전술한 문제점을 해결하고자 연구를 계속하여 오던 중, 구조가 단순하여 전극을 소형화할 수 있을 뿐만 아니라 내부 기준용액의 누출로 인한 피측정용액의 오염을 방지할 수 있으며, 내부기준용액을 보충할 필요가 없어 보관 및 관리가 용이한 새로운 형태의 기준전극을 개발하여 본 발명을 완성하였다.Accordingly, the inventors of the present invention continue to study the above-mentioned problems, the structure is simple and can not only miniaturize the electrode, but also prevent the contamination of the measurement solution due to leakage of the internal reference solution, the internal reference solution The present invention was completed by developing a new type of reference electrode that is easy to store and manage because it does not need to be supplemented.
본 발명의 목적은 이온선택성 전극 및 기준전극을 사용하여 시료용액중의 이온 농도를 전기화학적인 방법으로 측정할 때 이온선택성 전극과의 전기적 연결을 위한 것임과 동시에 기준전극의 내부 또는 외부로의 이온종의 출입을 차단하며, 화학계측상 무시할 수 있을 정도의 이온 비감응성을 갖는 고분자 막을 구비하는 기준전극을 제공하는 것이다.An object of the present invention is for the electrical connection with an ion-selective electrode when the ion concentration in the sample solution is measured by an electrochemical method using the ion-selective electrode and the reference electrode and at the same time the ion to the inside or outside of the reference electrode It is to provide a reference electrode that blocks the entry and exit of the species, and has a polymer membrane having an ion insensitivity that is negligible in terms of chemical measurement.
또한, 본 발명의 목적은 전기화학적 방법을 이용한 분석시 각종 이온종에 감응하지 않는 이온 비감응성 고분자 막 조성물을 제공하는 것이다.It is also an object of the present invention to provide an ion-insensitive polymer membrane composition that is not sensitive to various ionic species when analyzed using an electrochemical method.
또한, 본 발명의 목적은 기준전극의 내부전극과 외부 측정용액 사이의 전위전달 기능을 유지하면서 내부기준용액이 외부로 유출되는 것과 외부 측정용액중의 이온종의 출입을 방지하는 이온 비감응성 기준전극을 제공하는 것이다.In addition, an object of the present invention is to maintain the potential transfer function between the internal electrode of the reference electrode and the external measurement solution, while the ion-insensitive reference electrode prevents the internal reference solution from flowing out and the ion species in the external measurement solution. To provide.
또한, 본 발명의 목적은 상기 이온 비감응성 고분자 막 조성물을 이용하여 이온 비감응성 기준전극을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.It is also an object of the present invention to provide a method for producing an ion-insensitive reference electrode using the ion-insensitive polymer membrane composition.
도 1 은 염다리가 형성된 종래의 기준전극의 단면도이고,1 is a cross-sectional view of a conventional reference electrode formed with a salt bridge,
도 2 는 이온 비감응성 고분자 막이 장착된 본 발명의 이온 비감응성 기준전극의 단면도이며,2 is a cross-sectional view of the ion-insensitive reference electrode of the present invention equipped with an ion-insensitive polymer membrane,
도 3a 는 염다리가 형성된 종래의 기준전극을 기준으로 하였을 때, 고분자 물질인 실리콘러버의 각 이온에 대한 감응을 나타낸 그래프도이고,Figure 3a is a graph showing the response to each ion of the silicon rubber, a polymer material, based on a conventional reference electrode having a salt bridge,
도 3b 는 염다리가 형성된 종래의 기준전극을 기준으로 하였을 때, 고분자 물질인 방향족 폴리우레탄의 각 이온에 대한 감응을 나타낸 그래프도이며,Figure 3b is a graph showing the response to each ion of the aromatic polyurethane, a high molecular material, based on a conventional reference electrode having a salt bridge,
도 4 는 이온 비감응성 고분자 막에 사용되어지는 고분자 물질인 실리콘러버와 방향족 폴리우레탄의 수소 이온에 대한 감응을 나타낸 그래프도이고,FIG. 4 is a graph illustrating hydrogen sensitization of a silicone rubber and an aromatic polyurethane, which are polymer materials used in an ion-insensitive polymer membrane,
도 5a 는 기준전극으로 염다리가 형성된 종래의 기준전극과 본 발명의 기준전극을 사용하고, 작동전극으로 나트륨 이온선택성 전극을 사용하여 나트륨 이온을 측정한 결과를 나타낸 그래프도이며,5A is a graph showing the results of measuring sodium ions using a conventional reference electrode having a salt bridge as a reference electrode and a reference electrode of the present invention, and using a sodium ion selective electrode as a working electrode,
도 5b 는 기준전극으로 염다리가 형성된 종래의 기준전극과 본 발명의 기준전극을 사용하고, 작동전극으로 염화 이온선택성 전극을 사용하여 염화 이온을 측정한 결과를 나타낸 그래프도이고,5B is a graph showing the results of measuring chloride ions using a conventional reference electrode having a salt bridge as a reference electrode and a reference electrode of the present invention, and using a chloride ion selective electrode as a working electrode,
도 5c 는 기준전극으로 염다리가 형성된 종래의 기준전극과 본 발명의 기준전극을 사용하고, 작동전극으로 칼륨 이온선택성 전극을 사용하여 칼륨 이온을 측정한 결과를 나타낸 그래프도이며,5C is a graph showing results of measuring potassium ions using a conventional reference electrode having a salt bridge as a reference electrode and a reference electrode of the present invention, and using a potassium ion selective electrode as a working electrode,
도 5d 는 기준전극으로 염다리가 형성된 종래의 기준전극과 본 발명의 기준전극을 사용하고, 작동전극으로 칼슘 이온선택성 전극을 사용하여 칼슘 이온을 측정한 결과를 나타낸 그래프도이고,5D is a graph showing results of measuring calcium ions using a conventional reference electrode having a salt bridge as a reference electrode and a reference electrode of the present invention, and using a calcium ion selective electrode as a working electrode,
a : 염다리가 형성된 종래의 기준전극을 이용하여 측정한 결과 그래프a: Graph of results measured using a conventional reference electrode having a salt bridge
b : 본 발명의 이온 비감응성 고분자 막이 장착된 기준전극을 이용하여 측정한 결과 그래프b: Graph of results measured using a reference electrode equipped with an ion-insensitive polymer membrane of the present invention
c : a와 b의 출력전위값의 차이를 나타내는 그래프c: graph showing difference between output potential of a and b
도 6a 는 기준전극으로 염다리가 형성된 종래의 기준전극과 본 발명의 기준전극을 사용하고, 작동전극으로 나트륨 이온선택성 전극을 사용하여 나트륨 이온을 측정하여 얻은 검정곡선을 나타낸 그래프도이며,6A is a graph showing a calibration curve obtained by measuring sodium ions using a conventional reference electrode having a salt bridge as a reference electrode and a reference electrode of the present invention, and using a sodium ion selective electrode as a working electrode;
도 6b 는 기준전극으로 염다리가 형성된 종래의 기준전극과 본 발명의 기준전극을 사용하고, 작동전극으로 염화 이온선택성 전극을 사용하여 염화 이온을 측정하여 얻은 검정곡선을 나타낸 그래프도이고,6B is a graph showing a calibration curve obtained by measuring chloride ions using a conventional reference electrode having a salt bridge as a reference electrode and a reference electrode of the present invention, and using a chloride ion selective electrode as a working electrode,
도 6c 는 기준전극으로 염다리가 형성된 종래의 기준전극과 본 발명의 기준전극을 사용하고, 작동전극으로 칼륨 이온선택성 전극을 사용하여 칼륨 이온을 측정하여 얻은 검정곡선을 나타낸 그래프도이며,6C is a graph showing a calibration curve obtained by measuring potassium ions using a conventional reference electrode having a salt bridge as a reference electrode and a reference electrode of the present invention, and using a potassium ion selective electrode as a working electrode,
도 6d 는 기준전극으로 염다리가 형성된 종래의 기준전극과 본 발명의 기준전극을 사용하고, 작동전극으로 칼슘 이온선택성 전극을 사용하여 칼슘 이온을 측정하여 얻은 검정곡선을 나타낸 그래프도이고,6D is a graph showing a calibration curve obtained by measuring calcium ions using a conventional reference electrode having a salt bridge as a reference electrode and a reference electrode of the present invention, and using a calcium ion selective electrode as a working electrode,
a : 염다리가 형성된 종래의 기준전극을 이용하여 측정한 결과 그래프a: Graph of results measured using a conventional reference electrode having a salt bridge
b : 본 발명의 이온 비감응성 고분자 막이 장착된 기준전극을 이용하여 측정한 결과 그래프b: Graph of results measured using a reference electrode equipped with an ion-insensitive polymer membrane of the present invention
도 7a 는 내부전극이 장착된 기판 위에 수용성 고분자 막이나 수화겔을 이용하여 내부용액층을 형성하고, 내부용액층 표면에 이온 비감응성 고분자 막이 도포된 반고체형 이온 비감응성 기준전극의 단면도이며,FIG. 7A is a cross-sectional view of a semi-solid ion insensitive reference electrode having an inner solution layer formed by using a water-soluble polymer film or a hydrogel on a substrate having an inner electrode, and coated with an ion-insensitive polymer film on the inner solution layer surface.
도 7b 는 내부전극이 장착된 기판 위에 이온 비감응성 고분자 막이 도포된 고체형 이온 비감응성 기준전극의 단면도이고,7B is a cross-sectional view of a solid ion insensitive reference electrode coated with an ion insensitive polymer film on a substrate on which an internal electrode is mounted;
도 8 는 기준전극으로 염다리가 형성된 종래의 기준전극과 본 발명의 고체형 이온 비감응성 기준전극을 사용하고, 작동전극으로 칼륨 이온선택성 전극을 사용하여 칼륨 이온의 전위차 감응을 비교한 그래프도이며,FIG. 8 is a graph comparing potentiometric response of potassium ions using a conventional reference electrode having a salt bridge as a reference electrode and a solid ion insensitive reference electrode of the present invention, and a potassium ion selective electrode as a working electrode;
a : 염다리가 형성된 종래의 기준전극을 이용하여 측정한 결과 그래프a: Graph of results measured using a conventional reference electrode having a salt bridge
b : 본 발명의 이온 비감응성 고분자 막이 장착된 기준전극을 이용하여 측정한 결과 그래프b: Graph of results measured using a reference electrode equipped with an ion-insensitive polymer membrane of the present invention
c : a와 b의 출력전위값의 차이를 나타내는 그래프c: graph showing difference between output potential of a and b
도 9 는 염다리가 형성된 종래의 기준전극을 기준으로 하였을 때, 본 발명의 고체형 이온 비감응성 기준전극에 대한 단백질의 영향을 본 그래프도이고,9 is a graph showing the effect of the protein on the solid ion insensitive reference electrode of the present invention based on a conventional reference electrode having a salt bridge,
도 10 은 본 발명의 고체형 이온 비감응성 기준전극을 기준으로 하였을 때, 혈청 내의 칼륨 이온, 나트륨 이온, 칼슘 이온, 수소 이온 및 염소 이온을 분석하기위한 장치도; 및 이에 사용되어진 고체형 전극의 정면도 및 단면도이며,10 is an apparatus diagram for analyzing potassium ions, sodium ions, calcium ions, hydrogen ions, and chlorine ions in serum, based on the solid ion insensitive reference electrode of the present invention; And front and sectional views of the solid electrode used therein,
도 11 은 본 발명의 고체형 이온 비감응성 기준전극을 기준으로 하였을 때, 혈청 내의 칼륨 이온, 나트륨 이온, 칼슘 이온, 수소 이온 및 염소 이온을 분석, 상용화된 혈액분석기기[미국 노바사 제품(Nova Stat Profile M)]와 비교한 그래프도이고,11 is a blood analysis device commercialized by analyzing potassium ions, sodium ions, calcium ions, hydrogen ions, and chlorine ions in serum based on the solid ion insensitive reference electrode of the present invention. Stat Profile M)]
도 12 는 염다리가 형성된 종래의 기준전극을 기준으로 하였을 때, 본 발명의 기준전극의 시간에 따른 감응성 변화를 나타낸 그래프도이다.12 is a graph showing the change in sensitivity of the reference electrode of the present invention with time, based on a conventional reference electrode having a salt bridge.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
1, 11, 23, 32 : 내부전극 2, 12, 22 : 내부기준용액1, 11, 23, 32: internal electrode 2, 12, 22: internal reference solution
3, 13 : 전극체 4 : 염다리3, 13 electrode body 4: salt bridge
14, 21, 31 : 이온 비감응성 고분자 막 24, 33 : 기판14, 21, 31: ion-insensitive polymer membrane 24, 33: substrate
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 이온선택성 전극과의 전기적 연결을 위해 기준전극에 장착되는 이온 비감응성 막에 사용되는 고분자 막 조성물, 이러한 이온 비감응성 고분자 막 조성물이 장착된 이온 비감응성 기준전극 및 이의 제조방법을 제공한다.In order to achieve the above object, in the present invention, a polymer membrane composition used in an ion insensitive membrane mounted on a reference electrode for electrical connection with an ion selective electrode, an ion insensitive reference electrode equipped with such an ion insensitive polymer membrane composition And it provides a preparation method thereof.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
이온 선택성 전극은 그 개발과 응용 분야가 혈액, 뇨 등의 생체액 분석과 발효 공정 등의 식품화학, 공업화학 분야의 공정조절, 그리고 환경분석에 이르기까지 널리 사용되고 있다.Ion-selective electrodes have been widely used in the fields of development and applications ranging from biological fluid analysis of blood and urine, process control of food chemistry such as fermentation process, industrial chemistry, and environmental analysis.
본 발명은 이러한 이온선택성 전극에 대하여 기준전위를 유지하고, 이온 선택성 전극과의 전기적 연결을 위해 기준전극에 장착되는 이온 비감응성 막에 사용되는 고분자 물질의 조성물, 이온 비감응성 막으로부터 형성된 이온 비감응성 기준전극 및 이의 제조방법을 제공한다.The present invention maintains a reference potential with respect to such an ion-selective electrode and is a composition of a polymeric material used for an ion-insensitive membrane mounted on a reference electrode for electrical connection with the ion-selective electrode, an ion-insensitive membrane formed from an ion-insensitive membrane. It provides a reference electrode and a method of manufacturing the same.
우선, 본 발명에서는 이온선택성 전극과의 전기적인 연결을 위한 기준전극에 장착되는 이온 비감응성 막에 사용되는 고분자 막 조성물을 제공한다.First, the present invention provides a polymer membrane composition for use in an ion-insensitive membrane mounted on a reference electrode for electrical connection with an ion-selective electrode.
본 발명의 조성물은 폴리우레탄, 실리콘러버, 폴리비닐 클로라이드(PVC)로 이루어지는 군에서 선택되는 고분자 물질 50∼100 중량%, 양이온 유도물질과 음이온 유도물질이 화학양론적으로 약 1:1 의 비로 혼합된 혼합물 0∼10 중량%, 그리고 가소제 0∼40 중량%로 구성된다.The composition of the present invention is 50 to 100% by weight of the polymeric material selected from the group consisting of polyurethane, silicone rubber, polyvinyl chloride (PVC), the cation inducing material and anion inducing material is mixed stoichiometrically in a ratio of about 1: 1 0 to 10% by weight of the mixture, and 0 to 40% by weight of a plasticizer.
본 발명의 조성물에 사용되는 고분자 물질은 고분자 지지체로 사용될 수 있는 고분자 물질들이 모두 사용될 수 있으나, pH 감응특성, 생체적합성 및 전기저항률 등을 고려하여 폴리우레탄을 사용하는 것이 바람직하다. 그 중에서도 연질부 (soft segment)를 10∼60 중량% 함유하는 방향족 폴리우레탄 (aromatic polyurethane)을 사용하는 것이 가장 바람직하다.As the polymer material used in the composition of the present invention, any polymer material that can be used as a polymer support may be used, but it is preferable to use a polyurethane in consideration of pH sensitivity, biocompatibility, and electrical resistivity. Among them, it is most preferable to use an aromatic polyurethane containing 10 to 60% by weight of soft segments.
본 발명의 이온 비감응성 고분자 막 조성물에는 고체형 전극에 도입했을 때 고분자 물질의 높은 전기 저항을 낮추며, 시간에 따른 안정성을 부여하기 위하여 양이온 및 음이온 유도물질을 첨가한다.In the ion-insensitive polymer membrane composition of the present invention, when introduced to a solid electrode, high electrical resistance of the polymer material is lowered, and cation and anion inducing substances are added to impart stability with time.
양이온 유도물질로는 트리도데실메틸암모늄 클로라이드(TDMACl)를 포함하는 지용성 사차암모늄염 들이 사용될 수 있으며, 음이온 유도물질로는 포타슘 테트라키스 파라클로로페닐보레이트(KTpClPB)를 포함하는 지용성 페닐보레이트염 들이 사용될 수 있다.Fat soluble quaternary ammonium salts containing tridodecylmethylammonium chloride (TDMACl) may be used as the cation inducer, and fat soluble phenylborate salts containing potassium tetrakis parachlorophenylborate (KTpClPB) may be used as the anion inducing material. have.
상기한 양이온 및 음이온 유도물질은 화학양론적으로 약 1:1의 비율로 혼합된 형태로 0∼10 중량% 첨가되는 것이 바람직하다.The cation and anion inducing material is preferably added in an amount of 0 to 10% by weight in a stoichiometric ratio of about 1: 1.
가소제로는 비휘발성 유기용매인 DOA [비스(2-에틸헥실)아디페이트]와 DOS [비스(2-에틸헥실)세바케이트] 등이 사용될 수 있다.As a plasticizer, DOA [bis (2-ethylhexyl) adipate] and DOS [bis (2-ethylhexyl) sebacate], which are nonvolatile organic solvents, may be used.
또한, 본 발명은 상기한 이온 비감응성 고분자 막 조성물이 장착된 이온 비감응성 기준전극을 제공한다.The present invention also provides an ion-insensitive reference electrode equipped with the ion-insensitive polymer membrane composition described above.
본 발명의 이온 비감응성 기준전극은 도 2 에 도시된 바와 같이, 내부전극(11), 내부기준용액(12), 전극체(13)와 이온 비감응성 고분자 막(14)으로 구성된다. 여기에서 이온 비감응성 고분자 막(14)은, 이온선택성 전극 및 기준전극을 사용하여 시료 용액중의 이온 농도를 전기화학적인 방법으로 측정할 때, 이온 선택성 전극과 기준전극을 전기적으로 연결하는 역할을 함과 동시에 기준전극의 내부 또는 외부로의 이온종의 출입을 차단하는 역할을 한다. 즉, 상기 이온 비감응성 고분자 막은 전기저항률이 작아 기준전극의 내부전극과 외부용액의 전위전달을 원활하게 하며, 화학계측상 무시할 수 있을 정도의 이온 감응성을 갖는 고분자 막이다.The ion insensitive reference electrode of the present invention As shown in FIG. 2, the internal electrode 11, the internal reference solution 12, the electrode body 13, and the ion-insensitive polymer membrane 14 are formed. In this case, the ion-insensitive polymer membrane 14 serves to electrically connect the ion-selective electrode and the reference electrode when the ion concentration in the sample solution is measured by an electrochemical method using the ion-selective electrode and the reference electrode. At the same time it serves to block the access of the ion species to the inside or outside of the reference electrode. That is, the ion-insensitive polymer membrane has a low electrical resistivity, facilitates the potential transfer between the internal electrode and the external solution of the reference electrode, and is a polymer membrane having negligible ion sensitivity in terms of chemical measurement.
또한, 본 발명은 상기 기준전극의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a method of manufacturing the reference electrode.
본 발명의 이온 비감응성 기준전극은 상기한 이온 비감응성 고분자 막 조성물을 유기 용매에 용해시킨 뒤 이를 금속, 플라스틱 또는 유리 등의 판 위에 형성된 성형틀에 부어 건조·성형하여 이온 비감응성 고분자 막을 형성하고, 이를 전극체에 장착시키는 과정을 포함하는 방법에 의해 제조된다. 상기 유기 용매로는 디메틸 포름아미드(DMF) 및 테트라히드로퓨란(THF) 등이 사용될 수 있으며, 성형틀에 부은 이온 비감응성 고분자 막 조성물은 40∼60℃에서 1∼2일 동안, 혹은 실온에서5∼7일 동안 건조시킨다.In the ion-insensitive reference electrode of the present invention, the ion-insensitive polymer membrane composition is dissolved in an organic solvent and then poured into a mold formed on a plate such as metal, plastic, or glass, followed by drying and molding to form an ion-insensitive polymer membrane. It is produced by a method comprising the step of mounting it on the electrode body. Dimethyl formamide (DMF) and tetrahydrofuran (THF) may be used as the organic solvent, and the ion-insensitive polymer membrane composition poured into a molding mold may be used at 40 to 60 ° C. for 1 to 2 days or at room temperature. Dry for ˜7 days.
상기와 같이 제조된 이온 비감응성 기준전극의 특성을 도 3 내지 도 6 에 의거하여 설명하면 다음과 같다.The characteristics of the ion-insensitive reference electrode manufactured as described above will be described with reference to FIGS. 3 to 6.
먼저, 도 3a 는 염다리가 형성된 종래의 기준전극을 기준으로 하여, 실리콘러버 막의 나트륨(Na+), 염소(Cl-), 칼륨(K+), 칼슘(Ca2+) 및 살리실레이트(Sal-) 이온에 대한 감응을 나타낸 것으로, 각 이온에 대해서 비감응성을 보인다.First, Figure 3a Is based on a conventional reference electrode having salt bridges,+), Chlorine (Cl-), Potassium (K+), Calcium (Ca2+) And salicylate (Sal-) It is sensitive to ions and shows insensitivity to each ion.
도 3b 는 염다리가 형성된 종래의 기준전극을 기준으로 하여, 방향족 폴리우레탄 막의 나트륨(Na+), 염소(Cl-), 칼륨(K+), 칼슘(Ca2+) 및 살리실레이트(Sal-) 이온에 대한 감응을 나타낸 것으로, 각 이온에 대해서 우수한 비감응성을 보인다.3B shows sodium (Na + ), chlorine (Cl − ), potassium (K + ), calcium (Ca 2+ ) and salicylate (Sal − ) of an aromatic polyurethane film based on a conventional reference electrode having salt bridges formed thereon. ) Shows a sensitivity to ions, showing excellent insensitivity to each ion.
도 4 는 이온 비감응성 고분자 막에 사용되어지는 고분자 물질 실리콘러버와 방향족 폴리우레탄의 수소 이온에 대한 감응을 나타낸 그래프이다. 실리콘러버는 수소 이온에 대해 많은 감응을 보이는 반면, 방향족 폴리우레탄은 수소 이온에 대해서도 비감응성을 보임을 알 수 있다.FIG. 4 is a graph showing the hydrogen ion response of the high molecular weight silicone rubber and the aromatic polyurethane used in the ion-insensitive polymer membrane. Silicon rubber shows a lot of sensitivity to hydrogen ions, while aromatic polyurethane is insensitive to hydrogen ions.
도 5 는 각종 생체시료, 특히 인체 혈액을 측정할 때 가장 중요하게 인식되는 이온인 나트륨(Na+), 염소(Cl-), 칼륨(K+) 및 칼슘(Ca2+) 이온을 염다리가 구비된 종래의 기준전극과 본 발명의 이온 비감응성 고분자 막이 장착된 기준전극을 사용하여, 각각의 작동전극으로 각 이온을 측정하였을 때의 전위차 감응을 나타낸 것으로서, 염다리가 구비된 종래의 기준전극을 이용하여 측정한 결과를 (a)로, 본 발명의 이온 비감응성 기준전극을 이용하여 측정한 결과를 (b)로 표시하였다. 또한, 측정범위 내에서 염다리가 형성된 종래의 기준전극과 본 발명의 이온 비감응성 기준전극으로 얻은 결과 (a)와 (b)의 출력전위값의 차이를 (c)로 나타내었다. 각 측정은 실제 혈액에서 각 이온종의 정상농도 분포범위를 포함한 상한 및 하한의 농도범위에서 인조 혈청의 농도가 변화되도록 조절하여 측정하였다. 이때, 나트륨(Na+), 염소(Cl-), 칼륨(K+) 및 칼슘(Ca2+) 이온에 대한 이온선택성 물질로 ETH2120 (N,N,N',N'-테트라시클로헥실-1,2-페닐렌디옥시디아세트아미드; N,N,N',N'-Tetra cyclohexyl-1,2-phenylenedioxydiacetamide), Ag/AgCl, 발리노마이신 및 ETH1001 [(-)-(R,R)-N,N'-(비스(11-에톡시카보닐)운데실)-N,N'-4,5-테트라메틸-3,6-디옥사옥탄디아미드; (-)-(R,R)-N,N'-(Bis(11-ethoxycarbonyl)undecyl)-N,N'-4,5-tetra methyl-3,6-dioxaoctanediamide]을 각각 사용하였다. 도 5a 내지 5d 에서 볼 수 있듯이, 본 발명의 이온 비감응성 기준전극을 이용하여 각 이온종에 대하여 측정된 전위차값은 종래의 염다리가 구비된 기준전극으로 측정된 전위차 값과 거의 대등하여 본 발명의 기준전극이 종래의 상용 기준전극과 동일한 특성을 지니고 있음을 알 수 있다.5 is a variety of biological samples, in particular the sodium ion that is recognized most important when measuring the human blood (Na +), chlorine (Cl -), Potassium (K +) and calcium (Ca 2+) ions having a salt bridge Using a reference electrode equipped with a conventional reference electrode and an ion-insensitive polymer membrane of the present invention, and showing the potential difference response when each ion is measured by each working electrode, and using a conventional reference electrode provided with a salt bridge. The measurement results are shown in (a), and the results measured using the ion insensitive reference electrode of the present invention (b). In addition, the difference between the output potential values of (a) and (b) obtained by the conventional reference electrode having salt bridges within the measurement range and the ion-insensitive reference electrode of the present invention is represented by (c). Each measurement was measured by adjusting the concentration of artificial serum in the upper and lower concentration range, including the normal concentration distribution range of each ionic species in the blood. At this time, the sodium (Na +), chlorine (Cl -), Potassium (K +) and calcium ETH2120 (N, N, N ', N'- tetra-cyclohexyl -1 with an ion-selective material on the (Ca 2+) ion , 2-phenylenedioxydiacetamide; N, N, N ', N'-Tetra cyclohexyl-1,2-phenylenedioxydiacetamide), Ag / AgCl, ballinomycin and ETH1001 [(-)-(R, R)- N, N '-(bis (11-ethoxycarbonyl) undecyl) -N, N'-4,5-tetramethyl-3,6-dioxaoctanediamide; (-)-(R, R) -N, N '-(Bis (11-ethoxycarbonyl) undecyl) -N, N'-4,5-tetra methyl-3,6-dioxaoctanediamide] were used, respectively. As can be seen in Figures 5a to 5d, the potential difference value measured for each ionic species using the ion-insensitive reference electrode of the present invention is almost equivalent to the potential difference value measured with a reference electrode equipped with a conventional salt bridge of the present invention It can be seen that the reference electrode has the same characteristics as the conventional commercial reference electrode.
도 6 은 나트륨(Na+), 염소(Cl-), 칼륨(K+) 및 칼슘(Ca2+) 이온을 염다리가 구비된 종래의 기준전극과 본 발명의 이온 비감응성 고분자 막이 장착된 기준전극으로 측정하여 얻은 검정곡선을 비교한 것으로, 종래의 기준전극을 이용하여 측정한 결과를 (a)로, 본 발명의 이온 비감응성 고분자 막이 장착된 기준전극을 이용하여 측정한 결과를 (b)로 표시하였다. 도 6a 내지 6d 에서 볼 수 있듯이, 본 발명의 이온 비감응성 기준전극은 각 이온들의 임상학적 농도 범위 내에서의 농도변화에 대해 그 측정값이 변화되지 않았으며, 임상학적 농도범위를 포함하는 전후영역에서 우수한 직선성을 나타내고 있어 임상측정과 같은 정밀측정에서 종래의 염다리가 구비된 기준전극을 대치할 수 있음을 알 수 있다.6 is a reference electrode equipped with a conventional reference electrode equipped with a salt bridge of sodium (Na + ), chlorine (Cl − ), potassium (K + ) and calcium (Ca 2+ ) ions and an ion-insensitive polymer membrane of the present invention. It is a comparison of the calibration curves obtained by using the conventional reference electrode (a) and the results measured using the reference electrode equipped with the ion-insensitive polymer membrane of the present invention (b). Indicated. As can be seen in Figure 6a to 6d, the ion-insensitive reference electrode of the present invention did not change the measured value for the concentration change within the clinical concentration range of each ion, the front and rear region including the clinical concentration range It can be seen that the excellent linearity can be replaced by the reference electrode with a conventional salt bridge in precision measurement, such as clinical measurement.
한편, 본 발명에서는 도 7a 에 도시된 바와 같은 반고체형 기준전극을 제공한다. 도 7a 는 본 발명에 의한 반고체형 기준전극의 단면을 나타낸 것으로, 기판(24)위에 내부기준전극(23)을 형성하고 그 위에 수용성 고분자 막이나 수화겔을 이용하여 내부용액층(22)을 형성하며, 내부용액층(22) 위에 고분자성 이온 비감응성 고분자 막(21)을 형성한다. 도 7a의 반고체형 기준전극은 고체기판 표면에 형성되는 것을 제외하면 도 2 에서 나타낸 이온선택성 전극 형식의 기준전극과 같은 구성을 가진다.On the other hand, the present invention provides a semi-solid reference electrode as shown in Figure 7a. Figure 7a Is a cross-sectional view of the semi-solid reference electrode according to the present invention, the internal reference electrode 23 is formed on the substrate 24, and the internal solution layer 22 is formed on the substrate 24 using a water-soluble polymer film or a hydrogel. A polymer ion insensitive polymer membrane 21 is formed on the inner solution layer 22. The semi-solid reference electrode of FIG. 7A has the same configuration as the reference electrode of the ion selective electrode type shown in FIG. 2 except that the semi-solid reference electrode is formed on the surface of the solid substrate.
또한, 본 발명에서는 도 7b에 도시된 바와 같은 고체형 기준전극을 제공한다. 도 7b는 도 7a의 반고체형 기준전극을 일부 변형한 고체형 기준전극의 단면을 나타내는 것으로, 본 발명의 고체형 기준전극은 내부용액층 없이 기판(33) 위에 형성된 내부전극(32) 표면에 고분자 이온 비감응성 고분자 막(31)이 직접 형성되어 있다. 본 발명의 고체형 기준전극은 상기 이온 비감응성 고분자 막 조성물 용액을 마이크로 시린지(microsyringe) 또는 디스펜서(dispenser) 등을 이용하여 고체상 전극의 금속 표면에 코팅한 뒤 실온에서 약 10∼24 시간 동안 건조시켜 제조된다. 본 발명의 고체형 기준전극은 ISFET의 제조공정에 금속전극을 형성하고 고분자 격리막을 도포하는 공정만 추가하면 동일 기판 위에 기준전극을 쉽게 형성할 수 있어그 제조방법이 간단하고, 기준전극의 초소형화를 이룩할 수 있으며, 생산비용을 절감시킬 수 있다.In addition, the present invention provides a solid reference electrode as shown in Figure 7b. FIG. 7B is a cross-sectional view of the solid reference electrode partially modified with the semi-solid reference electrode of FIG. 7A. The solid reference electrode of the present invention has a polymer on the surface of the inner electrode 32 formed on the substrate 33 without an inner solution layer. The ion insensitive polymer membrane 31 is directly formed. In the solid reference electrode of the present invention, the ion-insensitive polymer membrane composition solution is coated on the metal surface of the solid-state electrode by using a microsyringe or dispenser, and then dried at room temperature for about 10 to 24 hours. Are manufactured. The solid reference electrode of the present invention can easily form a reference electrode on the same substrate by adding a process of forming a metal electrode and applying a polymer separator to the manufacturing process of the ISFET, thus simplifying the manufacturing method and miniaturizing the reference electrode. It can achieve and reduce the production cost.
본 발명에 의한 고체형 기준전극의 특성을 파악하기 위하여, 종래의 염다리가 구비된 기준전극과 본 발명의 고체형 기준전극을 이용하고, 칼륨 이온선택성 전극을 작동전극으로 하여 칼륨이온에 대한 전위차 감응을 측정하였다. 도 8 에서 볼 수 있듯이, 염다리가 형성된 종래의 기준전극과 본 발명의 고체형 이온 비감응성 기준전극에 대한 칼륨 이온의 전위차 감응을 조사한 결과 그 감응성이 거의 대등하여 본 발명의 고체형 기준전극이 기존의 염다리가 구비된 기준전극을 대치할 수 있으므로 값싸고 소형화된 기준전극을 얻을 수 있다.In order to grasp the characteristics of the solid reference electrode according to the present invention, using a reference electrode equipped with a conventional salt bridge and the solid reference electrode of the present invention, using a potassium ion selective electrode as a working electrode, the potential difference response to potassium ions Was measured. As can be seen in Figure 8, as a result of investigating the potentiometric response of the potassium ion to the conventional reference electrode having a salt bridge and the solid ion non-sensitive reference electrode of the present invention the sensitivity is almost the same, so that the solid reference electrode of the present invention Since a reference electrode equipped with a salt bridge can be replaced, a cheap and miniaturized reference electrode can be obtained.
도 9 는 종래의 염다리가 구비된 기준전극을 기준으로 하여 본 발명의 이온 비감응성 기준전극의 단백질 영향을 측정한 것이다. 도 9 에서 볼 수 있듯이, Ag/AgCl전극은 단백질의 유무로 출력전압이 변화되었지만, 본 발명의 이온 비감응성 기준전극은 단백질의 유무로 인해 출력전압이 변화되지 않음을 알 수 있다.9 is a measure of the protein effect of the ion-insensitive reference electrode of the present invention based on a reference electrode equipped with a conventional salt bridge. As can be seen in Figure 9, the Ag / AgCl electrode has a change in output voltage with or without protein, the ion-insensitive reference electrode of the present invention can be seen that the output voltage does not change due to the presence or absence of protein.
도 10 은 본 발명의 고체형 이온 비감응성 기준전극을 기준으로 하였을 때, 혈청내의 칼륨 이온, 나트륨 이온, 수소 이온 및 염소 이온을 분석하기 위한 장치도; 및 이에 사용되어진 고체형 전극의 정면도 및 단면도이다.10 is an apparatus diagram for analyzing potassium ions, sodium ions, hydrogen ions and chlorine ions in serum, based on the solid ion insensitive reference electrode of the present invention; And front and sectional views of the solid electrode used therein.
도 11 은 본 발명의 고체형 이온 비감응성 기준전극을 기준으로 하였을 때, 혈청내의 칼륨 이온, 나트륨 이온, 칼슘 이온, 수소 이온 및 염소 이온을 분석한 그래프도인데, 혈청내의 이온종들을 약 3분 이내에 분석할 수 있음을 보여준다. 본 발명의 고체형 이온 비감응성 기준전극을 기준으로 하였을 때, 분석한 수치와 상용화된 혈액분석기기와 비교하였을 때 분석치는 오차한계 범위 내에서 서로 일치하였다.FIG. 11 is a graph illustrating analysis of potassium ions, sodium ions, calcium ions, hydrogen ions, and chlorine ions in serum based on the solid ion insensitive reference electrode of the present invention. It shows that it can be analyzed within. Based on the solid-state ion insensitive reference electrode of the present invention, the analyzed values were consistent with each other within the margin of error when compared with the commercially available blood analyzer.
도 12 는 인조혈청을 이용하여 본 발명의 이온 비감응성 기준전극의 시간에 따른 감응특성을 측정한 것이다. 도 12 에서 볼 수 있듯이, 인조혈청을 10배 희석하였을 때 약 3∼4주 동안 기준전극으로써 사용할 수 있음을 알 수 있고, 인조혈청 원액을 사용할 때는 약 1주 동안 본 발명의 기준전극을 사용할 수 있음을 알 수 있다.12 is a time-sensitive response of the ion-insensitive reference electrode of the present invention using artificial serum. As can be seen in Figure 12, when the artificial serum diluted 10-fold it can be seen that it can be used as a reference electrode for about 3 to 4 weeks, when using the artificial serum stock solution can be used for a reference electrode of the present invention for about 1 week It can be seen that.
이하, 실시예에 의하여 본 발명을 상세히 설명하고자 한다. 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by examples. The examples are merely illustrative of the present invention, and the present invention is not limited by the examples.
[조성예][Composition example]
우선, 하기 본 발명의 실시예에서 사용된 본 발명의 이온 비감응성 고분자 막 조성물의 조성예를 하기표 1에 정리하여 나타내었다.First, a composition example of the ion-insensitive polymer membrane composition of the present invention used in the Examples of the present invention is shown in Table 1 below.
본 실험에서 사용되어지는 작동 전극 막의 조성 예를 다음표 2에 정리하여나타내었다.Examples of the composition of the working electrode membrane used in this experiment are shown in Table 2 below.
〈실시예 1〉 방향족 폴리우레탄의 합성Example 1 Synthesis of Aromatic Polyurethane
(단계 1) 예비 중합체의 합성(Step 1) Synthesis of Prepolymer
150℃ 건조기에서 1시간동안 건조시킨 반응조를 뜨거운 상태에서 결합시켜 고정시킨 후 반응조 내부로 질소 가스를 불어 넣어 보내면서 PTMG[폴리테트라메틸렌 글리콜; poly(tetramethylene)glycol]를 연질부의 중량%에 따라 칭량하여 놓고 , 최종까지 들어가야 할 용매 총량의 5 - 10%를 넣고, 교반하여 균일한 용액이 되도록 하였다. 40∼45℃로 용융 보관된 MDI[4,4'-메틸렌비스 페닐이소시아네이트; 4,4'-methylenebis(phenyl isocyanate)]용액 중 맑은 용액을 필요한 당량에 비하여 4 - 10% 과량이 되도록 칭량하여 반응조에 넣은 후 교반을 계속 하였다.반응조의 온도는 격렬한 발열반응이 예상되는 초기에는 약 1시간 정도에 걸쳐 60℃까지 승온시키고, 나머지 1시간 가량 60℃에서 반응시켰다. 용매는 점도가 상승함에 따라 소량씩 추가로 주입하여 예비 중합체를 합성하였다.After fixing the reaction tank dried for 1 hour in a 150 ℃ dryer in a hot state to fix and then blowing nitrogen gas into the reaction tank PTMG [polytetramethylene glycol; poly (tetramethylene) glycol] was weighed according to the weight% of the soft part, and 5-10% of the total amount of the solvent to be added to the end was added and stirred to make a uniform solution. MDI [4,4'-methylenebis phenylisocyanate melt-stored at 40-45 degreeC; The clear solution in 4,4'-methylenebis (phenyl isocyanate)] solution was weighed to 4-10% excess relative to the required equivalent weight and placed in the reactor, and the stirring was continued. It heated up to 60 degreeC over about 1 hour, and made it react at 60 degreeC for the remaining 1 hour. The solvent was further injected in small amounts as the viscosity increased to synthesize the prepolymer.
(단계 2) 사슬늘림 반응(Step 2) Chain Stretching Reaction
반응조의 온도를 10℃ 이하로 유지시키면서 BD[부탄디올; 1,4-butanediol]를 조성비에 따라서 비이커로 칭량하여 주입하였다. 약 1시간 정도에 걸쳐 60℃까지 승온시킨 후 60℃에서 약 2-3시간 정도 반응시켰다. 반응 도중 반응시간이 진행함에 따른 반응용액의 점도가 증가함에 따라 용매를 적당히 분배하여 주입하였다 (사슬늘림 반응).BD [butanediol; maintaining the temperature of the reactor at 10 占 폚 or lower; 1,4-butanediol] was injected into the beaker according to the composition ratio. After raising the temperature to 60 ° C. over about 1 hour, the reaction was performed at 60 ° C. for about 2-3 hours. During the reaction, as the viscosity of the reaction solution increased as the reaction time proceeded, the solvent was appropriately distributed and injected (chain reaction).
(단계 3) 잔류 NCO기의 제거(Step 3) Removal of Residual NCO Group
반응이 끝나고, 폴리우레탄 용액에 메탄올을 소량 (1-2 ml) 첨가한 후 20분 동안 120 rpm으로 교반하여 반응 종료 후의 NCO[이소시아네이트; isocyanate]기와 과량의 NCO반응기를 메탄올과 반응시켜 제거하였다 (잔류 NCO기의 제거).After the reaction was completed, a small amount of methanol (1-2 ml) was added to the polyurethane solution, followed by stirring at 120 rpm for 20 minutes to obtain NCO [isocyanate; isocyanate] group and excess NCO reactor were removed by reaction with methanol (removal of residual NCO groups).
상기와 같이 합성하여 만든 방향족 폴리우레탄을 고분자 물질로 하는 이온 비감응성 고분자 막을 사용하여 실험을 하였다 (표 1참조).The experiment was carried out using an ion-insensitive polymer membrane made of a synthetic polyurethane prepared as described above as a polymer material (see Table 1 ).
〈실시예 2〉폴리우레탄을 이용한 이온 비감응성 기준전극의 제조Example 2 Fabrication of Ion-Insensitive Reference Electrode Using Polyurethane
상기표 1의 1번 조성물(분자량이 2000인 연질부를 40 중량% 함유하는 방향족 폴리우레탄 98.9 중량%, 음이온 유도물질인 KTpClPB와 양이온 유도물질인 TDMACl이 화학양론적으로 약 1:1이 혼합된 혼합물 1.1 중량%)을 DMF 용매 1000 μl에 녹여 금속 평판 위의 유리 링에 부은 뒤 오븐에 넣고 55℃에서 12시간 동안 경화시켰다. 그런 다음 성형된 폴리우레탄 막을 잘라 5.5㎜ 크기로 만든 뒤 내부기준용액으로 0.1 M KCl용액이 담긴 필립스 전극체[IS-561;글라스블래세라이묄러(Glasblaserei Moller)사 제조, 스위스]에 장착하여 본 발명의 이온 비감응성 기준전극을 제조하였다.Composition 1 of Table 1 (98.9 wt% of an aromatic polyurethane containing 40 wt% of a soft portion having a molecular weight of 2000, a mixture of about 1: 1 stoichiometric mixture of KTpClPB, an anion inducing material, and TDMACl, a cation inducing material) 1.1 wt%) was dissolved in 1000 μl of DMF solvent, poured into a glass ring on a metal plate, placed in an oven, and cured at 55 ° C. for 12 hours. Then, the molded polyurethane film was cut to a size of 5.5 mm and mounted on a Philips electrode body [IS-561; manufactured by Glasblaserei Moller, Switzerland] containing 0.1 M KCl solution as an internal reference solution. An ion insensitive reference electrode was prepared.
한편, 상기 용액 5㎕를 공기압출형 디스펜서 (pneumatic dispenser) 1000XL(EFD사 제조, 미국)로 기판 위에 장착된 내부전극인 은/염화은 전극(silver/silver chloride electrode) 위에 도포하고, 대기 중에서 12시간 동안 건조시켜 고체형 기준전극을 제조하였다.Meanwhile, 5 μl of the solution was applied onto a silver / silver chloride electrode, an internal electrode mounted on a substrate with a pneumatic dispenser 1000XL (manufactured by EFD, USA), for 12 hours in air. Drying to prepare a solid reference electrode.
〈실시예 3〉실리콘러버를 이용한 이온 비감응성 기준전극의 제조Example 3 Fabrication of Ion-Insensitive Reference Electrode Using Silicon Rubber
상기표 1의 2번 조성물[3140 RTV 실리콘러버 76.9 중량%, 음이온 유도물질인 KTpClPB와 양이온 유도물질인 TDTMACl이 화학양론적으로 약 1:1이 혼합된 혼합물 0.9 중량% 및 가소제인 비스(2-에틸헥실)아디페이트(DOA) 22.2 중량%]을 THF 용매에 녹여 금속 평판 위의 유리 링에 부은 뒤 실온에서 3∼5일 동안 건조시켰다. 그런 다음 성형된 실리콘러버 막을 잘라 5.5㎜ 크기로 만든 뒤 내부기준용액으로 0.1M KCl용액이 담긴 필립스 전극체에 장착하여 이온 비감응성 기준전극을 제조하였다.Composition 2 of Table 1 [3140 RTV silicone rubber 76.9% by weight, 0.9% by weight of a stoichiometric mixture of KTpClPB, an anion inducer, and TDTMACl, a cation inducer, and bis (2- Ethylhexyl) adipate (DOA) 22.2% by weight] was dissolved in THF solvent, poured into a glass ring on a metal plate, and dried at room temperature for 3-5 days. Then, the molded silicon rubber film was cut to a size of 5.5 mm, and then mounted on a Philips electrode body containing 0.1 M KCl solution as an internal reference solution, thereby preparing an ion-insensitive reference electrode.
〈실시예 4〉각 이온종에 대한 이온 비감응성 기준전극의 감응특성 측정Example 4 Measurement of Response Characteristics of Ion-Insensitive Reference Electrodes for Each Ion Species
사용될 수 있는 고분자 물질 실리콘러버와 방향족 폴리우레탄의 여러 이온에 대한 실험으로부터 두 막의 이온 비감응성을 알 수 있었다 (도 3 참조).Experiments with various ions of the polymeric silicone rubber and aromatic polyurethane that can be used showed the ion insensitivity of the two membranes (see FIG. 3).
그러나, 실리콘러버는 수소 이온에 대해 많은 감응을 하여 이온 비감응성 막으로 적합하지가 않았다. 이로부터 방향족 폴리우레탄을 고분자 막으로 사용한 이온 비감응성 막이 선택되어졌다 (도 4 참조).However, silicone rubbers are highly sensitive to hydrogen ions and are not suitable as ion insensitive films. From this, an ion insensitive membrane using an aromatic polyurethane as the polymer membrane was selected (see FIG. 4).
종래의 기준전극으로 염다리가 구비된 상용 기준전극인 오리온 이중 접합 기준전극(은/염화은 전극) 90-02(미국 오리온 사 제조)과 상기 실시예 2의 이온 비감응성 기준전극을 이용하여 나트륨(Na+), 칼륨(K+) 및 칼슘(Ca2+) 이온과 염소(Cl-)이온에 대한 감응특성을 측정하였다. 먼저, 나트륨, 칼륨 및 칼슘 이온 선택성 전극(ISE)으로 0.1 M의 염화나트륨(NaCl), 염화칼륨(KCl) 및 염화칼슘(CaCl2)을 내부기준용액으로 채운 필립스 전극체를 사용하고, 염소 이온에 대한 이온 선택성 전극(ISE)으로는 은/염화은(Ag/AgCl) 선을 이용하였다. 그리고, 나트륨에 대한 이온선택성 물질로 ETH 2120을, 칼륨에 대한 이온 선택성 물질로는 발리노마이신을, 그리고, 칼슘에 대한 이온 선택성 물질로는 ETH 1001을 각각 사용하였다 (표 2 참조).As a conventional reference electrode, sodium (Na) was used by using an ion non-bonding reference electrode 90-02 (manufactured by Orion, USA) which is a commercial reference electrode equipped with a salt bridge, and manufactured by Orion, USA. + ), Potassium (K + ) and calcium (Ca 2+ ) ions and chlorine (Cl − ) ions were measured. First, a Philips electrode body filled with 0.1 M sodium chloride (NaCl), potassium chloride (KCl) and calcium chloride (CaCl 2 ) as an internal reference solution was used as a sodium, potassium and calcium ion selective electrode (ISE). Silver / silver chloride (Ag / AgCl) wire was used as the selective electrode (ISE). ETH 2120 was used as an ion selective material for sodium, ballinomycin as an ion selective material for potassium, and ETH 1001 was used as an ion selective material for calcium (see Table 2).
인조혈청 용액이 담긴 시료에 각 이온들의 임상학적 농도범위 내에서의 농도변화에 대해 상기한 이온 선택성 전극과 이온 비감응성 기준전극의 전위값을 통상적인 고-임피던스 입력 16-채널 A/D 컨버터가 장착된 전위차 측정기에서 측정하였다. 그 결과, 본 발명의 이온 비감응성 기준전극을 이용하여 각 이온종에 대하여 측정된 전위차 값은 종래의 염다리가 구비된 기준전극으로 측정된 전위차 값과 거의 대등하여 본 발명의 기준전극이 종래의 상용 기준전극과 동일한 특성을 지니고 있음을 알 수 있다 (도 5 참조).For a sample containing artificial serum solution, the high-impedance input 16-channel A / D converter can convert the potential values of the ion-selective electrode and the ion-insensitive reference electrode to the concentration change within the clinical concentration range of each ion. Measurements were made on an equipped potentiometer. As a result, the potential difference value measured for each ionic species using the ion-insensitive reference electrode of the present invention is almost the same as the potential difference value measured with a reference electrode equipped with a conventional salt bridge, so that the reference electrode of the present invention is commercially available. It can be seen that it has the same characteristics as the reference electrode (see Figure 5).
또한, 본 발명의 이온 비감응성 기준전극은 각 이온들의 임상학적 농도 범위 내에서의 농도변화에 대해 그 측정값이 변화되지 않았으며, 임상학적 농도범위를포함하는 전후영역에서 우수한 직선성을 나타내고 있어 임상측정과 같은 정밀측정에서 종래의 염다리가 구비된 기준전극을 대치할 수 있음을 알 수 있다 (도 6 참조).In addition, the ion-insensitive reference electrode of the present invention did not change the measured value with respect to the concentration change in the clinical concentration range of each ion, and shows excellent linearity in the front and rear region including the clinical concentration range It can be seen that in the precision measurement such as clinical measurement can replace the reference electrode equipped with a conventional salt bridge (Fig. 6 Reference).
〈실시예 5〉각 이온종에 대한 고체형 기준전극의 감응특성 측정Example 5 Measurement of the Response Characteristics of the Solid Type Reference Electrode for Each Ion Species
종래의 기준전극으로 염다리가 구비된 상용 기준전극인 오리온 이중 접합 기준전극(은/염화은 전극) 90-02(미국 오리온 사 제조)과 상기 실시예 2의 고체형 기준전극을 이용하고, 작동 전극으로 칼륨 이온선택성 전극을 사용하여, 칼륨(K+) 이온에 대한 감응특성을 측정하였다. 먼저, 도 7b 의 고체상 전극을 사용하여, 칼륨에 대한 이온 선택성 물질로는 발리노마이신을 사용하였다 (표 2 참조). 표준용액을 단계적으로 첨가한 뒤 각각의 이온 선택성 전극과 고체형 기준전극간의 전위차 값을 통상적인 고-임피던스 입력 16-채널 A/D 컨버터가 장착된 전위차 측정기에서 측정하였다. 그 결과, 본 발명의 이온 비감응성 기준전극을 이용하여 각 이온종에 대하여 측정된 전위차값은 종래의 염다리가 구비된 기준전극으로 측정된 전위차 값과 거의 대등하여 본 발명의 기준전극이 종래의 상용 기준전극과 동일한 특성을 지니고 있음을 알 수 있으며, 10-6에서 10-1M의 넓은 농도 범위에서도 고체형 기준전극의 출력전압의 변화가 거의 없음을 알 수 있다 (도 8 참조).Orion double junction reference electrode (silver / silver chloride electrode) 90-02 (manufactured by Orion, USA) and a commercial reference electrode equipped with a salt bridge as a conventional reference electrode using a solid reference electrode of Example 2 as a working electrode Using potassium ion selective electrode, potassium (K)+) The response to ions was measured. First, using the solid-state electrode of Figure 7b, ballinomycin was used as the ion selective material for potassium (Table 2 Reference). After stepwise addition of the standard solution, the potential difference between each ion-selective electrode and the solid reference electrode was measured on a potentiometer equipped with a conventional high-impedance input 16-channel A / D converter. As a result, the potential difference value measured for each ionic species using the ion-insensitive reference electrode of the present invention is almost the same as the potential difference value measured with the reference electrode provided with a conventional salt bridge, so that the reference electrode of the present invention is commercially available. It can be seen that it has the same characteristics as the reference electrode, 10-6In 10-OneIt can be seen that there is almost no change in the output voltage of the solid reference electrode even in a wide concentration range of M (see FIG. 8).
또한, 이온종과 단백질 혼합액에서 투석막을 이용해 단백질만을 취해 실험한 결과, 순수한 Ag/AgCl 전극은 단백질의 영향을 많이 받고, 본 발명의 이온 비감응성 기준 막은 영향을 거의 받지 않았다. 실험하는 단백질을 준비하는데는, 하나의투석막에는 인산 완충용액과 BSA(bovine serum albumin)혼합액을 넣고, 다른 하나에는 인산 완충용액만을 넣은 후 밀봉하여 인산 완충용액 상에서 12시간 간격으로 3일동안 투석시켜 이온종을 제거해 주었다(약 4℃). 이로부터 혈청내의 단백질에도 영향을 받지 않는 것을 알 수 있다 (도 9 참조).In addition, as a result of experiment using only dialysis membrane protein from ionic species and protein mixture, pure Ag / AgCl electrode was much affected by protein, and the ion-insensitive reference membrane of the present invention was hardly affected. To prepare the protein to be tested, one dialysis membrane was mixed with phosphate buffer solution and BSA (bovine serum albumin) solution, and the other only with phosphate buffer solution and sealed and dialyzed on phosphate buffer solution for 3 days at 12 hour intervals. Ionic species were removed (about 4 ° C). From this, it can be seen that the protein in serum is not affected (see FIG. 9).
또한, 고체상 전극을 사용하여 (도 10 참조), 혈청내의 주요 이온종의 정량분석을 시도하였다. 본 발명의 고체형 이온 비감응성 기준전극을 기준으로 하고, 작동전극은표 2의 조성으로 하였을 때, 혈청내의 칼륨 이온, 나트륨 이온, 칼슘 이온, 수소 이온 및 염소 이온을 분석한 그래프도인데, 혈청내의 이온종들을 약3분 이내에 분석할 수 있음을 보여준다. 자료를 근거로 정량을 해보면, 상용화된 혈액분석기기와 거의 유사한 수치를 얻을 수 있었다 (도 11 참조).In addition, quantitative analysis of major ionic species in serum was attempted using solid phase electrodes (see FIG. 10). Based on the solid-state ion insensitive reference electrode of the present invention, the working electrode is a graph showing the analysis of potassium ions, sodium ions, calcium ions, hydrogen ions and chlorine ions in serum when the composition is shown in Table 2 . It shows that the ionic species within can be analyzed within about 3 minutes. Quantitative quantification based on the data yielded values almost similar to those of commercially available hematology analyzers (see FIG. 11).
또한, 본 발명의 고체형 기준전극의 시간에 따른 감응특성을 측정하기 위하여 인조혈청 원액과 이를 각각 10배, 25배, 50배, 100배 및 200배로 희석한 용액에 고체형 기준전극을 넣고 1주, 2주, 3주 및 4주 경과시 각각의 시료에 대한 고체형 기준전극의 감응특성을 측정하였다. 그 결과, 인조혈청 원액을 사용할 때 약 1주동안 본 발명의 기준전극을 사용할 수 있었으며, 인조혈청을 10배 희석하였을 때 약 3∼4주 동안 기준전극으로써 사용할 수 있었다 (도 12 참조).In addition, in order to measure the response characteristics of the solid reference electrode of the present invention with time, put the solid reference electrode in the artificial serum stock solution and diluted 10 times, 25 times, 50 times, 100 times and 200 times, respectively. Sensitivity characteristics of the solid reference electrode were measured for each sample at weeks, two, three and four weeks. As a result, when the artificial serum stock solution was used, the reference electrode of the present invention could be used for about 1 week, and when the artificial serum was diluted 10-fold, it could be used as the reference electrode for about 3 to 4 weeks (see FIG. 12).
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 이온 비감응성 고분자 막, 특히 방향족 폴리우레탄을 사용한 이온 비감응성 고분자 막은 생체 시료, 특히, 인체의 혈액측정시 가장 중요하게 인식되는 나트륨, 칼륨, 칼슘, 수소 및 염소 이온에 대한 감응성이 매우 작고, 단백질 흡착 및 막 자체의 전기저항율도 작다는 장점이 있다. 또한, 본 발명의 이온 비감응성 고분자 막이 장착된 기준전극은 종래 기준전극의 문제점이었던 내부용액의 보충과 피측정용액의 오염을 방지할 수 있어 우수한 기준전극으로 사용될 수 있으며, 내부용액없이 이온 비감응성 고분자막이 내부전극 표면에 직접 형성된 본 발명의 고체형 기준전극은 그 제조공정이 간편하고, 반도체의 제조공정과 비슷하여 소형화 및 생산 비용의 저렴화를 이룩할 수 있다. 특히, 본 발명의 이온 비감응성 고분자 물질로 폴리우레탄이 사용되는 경우에는 기타 다른 고분자 물질이 사용된 경우보다 제조된 기준전극의 효과가 매우 우수하다.As described above, the ion-insensitive polymer membrane of the present invention, particularly the ion-insensitive polymer membrane using an aromatic polyurethane, is sodium, potassium, calcium, hydrogen, and chlorine which are most importantly recognized when measuring blood of a biological sample, especially the human body. The sensitivity to ions is very small, and the protein resistivity and the electrical resistivity of the membrane itself are also small. In addition, the reference electrode equipped with the ion-insensitive polymer membrane of the present invention can be used as an excellent reference electrode because it can prevent the replenishment of the internal solution and the contamination of the solution under test, which are problems of the conventional reference electrode, and can be used as an excellent reference electrode. The solid reference electrode of the present invention in which the polymer film is directly formed on the surface of the internal electrode has a simple manufacturing process, and is similar to the semiconductor manufacturing process, thereby miniaturizing and reducing the production cost. In particular, when polyurethane is used as the ion-insensitive polymer material of the present invention, the effect of the manufactured reference electrode is much better than when other polymer materials are used.
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