KR100511052B1

KR100511052B1 - 이온센서 및 그것을 사용한 생화학 자동분석장치

Info

Publication number: KR100511052B1
Application number: KR10-2003-0001583A
Authority: KR
Inventors: 야마시타고타로; 다야마고이치; 요시오카노리코; 시바타야스히사
Original assignee: 가부시키가이샤 히다치 하이테크놀로지즈
Priority date: 2002-01-11
Filing date: 2003-01-10
Publication date: 2005-08-31
Also published as: EP1327879B1; EP1327879A3; DE60229829D1; US7189315B2; US20030152486A1; EP1327879A2; CN101038266A; CN1431492A; JP2003207476A; KR20030061346A; JP3625448B2

Abstract

이온 교환막에는 미시적인 빈 구멍이 있고, 이 속에 물이 침입 가능한 그물코구조로 되어 있다. 이온 교환막을 센서본체에 조립한 경우, 막의 한쪽이 샘플 용액과 접하고, 다른 한쪽은 내부 용액에 접한다. 내부 용액 중의 물은 서서히 막을 투과하여 샘플 유로측으로 이동한다. 이 때문에 센서를 장기적으로 사용할 때, 내부전극과 이온 교환막 사이의 도전성의 감소에 의하여 센서성능의 저하가 생기는 경우가 있다.

시료가 흐르는 유로와 그 시료 유로의 시료에 접하도록 설치된 이온 교환막과 그 이온 교환막의 시료와 접촉하지 않는 쪽측에 접하도록 설치된 내부 용액과 그 내부 용액에 접하도록 설치된 내부 전극을 밀폐용기 내에 배치한 이온센서에 있어서, 상기 이온 교환막의 시료와 접촉하지 않는 면에 2액 혼합계 에폭시수지를 사용하여 피복처리한다.

Description

이온센서 및 그것을 사용한 생화학 자동분석장치{ION SENSOR AND BIOCHEMICAL AUTOMATIC ANALYZER}

본 발명은 생체액 중의 이온분석에 사용하는 데에 있어서 적합한 이온센서에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 이온을 포텐시오메트릭으로 측정하는 분석에 사용하기에 적합한 이온센서 및 생화학 자동분석장치에 관한 것이다.

이온센서는 용액 중의 특정한 이온 농도를 선택적으로 정량할 수 있다는 특징이 있어, 특정 이온의 농도 모니터, 수질분석 등의 넓은 분야에서 사용되어 왔다. 특히 의료분야에서는 혈액 중이나 소변 등의 생체액에 포함되는 이온, 예를 들면 염소 이온, 칼륨이온 등의 정량에 응용되고 있다. 이는 생체액 중의 특정한 이온 농도가 생체의 대사반응과 밀접한 관계에 있는 것에 의거하고 있어, 해당 이온 농도를 측정함으로써, 고혈압증상, 신장질환, 신경장증해 등의 여러가지의 진단을 행하는 것이다. 이온센서에서는 대상으로 하는 이온의 활량(a)과 이온센서가 나타내는 전위(E)와의 사이에

E = E0 + 2.303(RT/ZF)loga

로 나타나는 활량의 로그와 전위의 변화가 비례하는 관계가 성립하여, 전위의 측정값으로부터 목적으로 하는 이온의 활량을 간단하게 계산할 수 있다. 상기 식에 서 R은 기체 정수, T는 절대온도, Z는 이온가, F는 패러데이정수, E0는 시스템의 표준 전극전위이다. 이와 같이 이온센서를 사용하면, 전위를 측정하는 것만으로 넓은 농도범위에서의 이온의 정량이 가능하게 된다.

염소 이온센서에서는 이온 감응물질로서 주로 제 4급 암모늄염이 사용되고 있고, 선택성의 향상을 목적으로 하여 여러가지 연구가 이루어져 있다(Mikrochimica Acta[Wien] 1984 III, 1-16). 일본국 특원소64-23151호 공보에 기재된 바와 같이 특히 테트라옥타디실암모늄염을 폴리염화비닐과 같은 고분자 지지막 속에 감응물질로서 담지시킨 센서는 선택성이 우수하다. 이 액막형 감응막을 사용한 센서는 막의 주성분으로서 친유성이 높은 에스테르, 알콜 및 폴리염화비닐 등을 사용하기 때문에 수분의 투과성이 낮아 내부 용액 중의 수분이동이 일어나기 어려워 내부 용액 조성은 안정하게 유지된다. 그러나 감응물질이나 가소재 등의 용출 때문에 전극의 슬로프감도의 안정성이 저하되는 경우가 있다는 과제가 남겨져 있다. 또 일본국 특개소 57-40642호 공보나 특공평2-13262호 공보에 기재된 바와 같이 제 4급 암모늄염을 고분자 매트릭스에 고정한 이온 교환막을 사용하는 센서도 알려져 있다. 감응물질이 고정되어 있기 때문에 용출은 아주 적어 전극의 슬로프감도의 안정성은 높다고 생각된다. 그러나 이온 교환막은 탈염을 목적으로 하여 개발되었기 때문에 이온 투과성이 높고, 따라서 수분의 투과성도 높다. 이온 교환막을 이온센서의 감응막에 사용한 경우, 내부 용액 중의 수분이동이 일어나기 쉬워, 내부 용액이 고갈되어 센서로서 동작하지 않게 되기 쉽다는 과제가 있다. 이 때문에 일본국 특개2000-28568호 공보에 기재된 바와 같이 수분의 투과를 억제하는 부재를 이온 교환막에 인접하여 설치하는 방법이 보고되어 있다. 수분투과억제부재로서, 수분의 투과성이 낮고, 또한 이온의 투과성이 충분히 높다는 성질을 가지는 재료를 사용하고 있다. 구체적으로는 (1) 제 4급 암모늄염 및 가소제를 폴리염화비닐에 분산시킨 가소화 고분자막, (2) 제 4급 암모늄염, 크라운에테르 및 가소제를 폴리염화비닐에 분산시킨 가소화 고분자막, (3) 폴리피롤필름에 요오드이온을 도프한 고분자막이고, 유기용제 등을 사용하여 이온 교환막의 시료와 접하는 면의 반대측의 면에 인접하여 접착 형성시키고 있다. 이들 방법으로 형성한 수분투과억제부재와 일체화한 이온 교환막을 조립한 센서는 3개월간 보관에 있어서 슬로프감도 저하가 억제되고 있다.

본 발명자들은 상기 일본국 특개2000-28568호 공보의 실시예에 기재된 수분투과억제부재에 폴리염화비닐을 사용한 센서를 검토하였으나, 이 센서는 센서 중량의 감소는 억제 가능하나, 슬로프감도의 안정성은 장기적으로 유지할 수 없다는 과제가 있음을 발견하였다.

본 발명의 목적은 안정성이 높은 이온센서를 제공하는 것에 있다.

① 시료가 흐르는 유로와 그 시료 유로의 시료에 접하도록 설치된 이온 교환막과 그 이온 교환막의 시료와 접촉하지 않는 측에 접하도록 설치된 내부 용액(내부 겔)과 그 내부용액에 접하도록 설치된 내부 전극을 밀폐용기 내에 배치한 이온센서에 있어서, 상기 이온 교환막의 시료와 접촉하지 않는 면을 반응형 접착제를 사용하여 피복한 이온센서.

② 시료가 흐르는 유로와 그 시료 유로의 시료에 접하도록 설치된 이온 교환막과 그 이온 교환막의 시료와 접촉하지 않는 측에 접하도록 설치된 내부 용액(내부 겔)과 그 내부 용액에 접하도록 설치된 내부 전극을 밀폐용기 내에 배치한 이온센서에 있어서, 상기 이온 교환막의 시료와 접촉하지 않는 면을 2액 혼합계 에폭시수지로 피복한 이온센서.

③ 시료가 흐르는 유로와 그 시료 유로의 시료에 접하도록 설치된 염소이온 교환막과 그 염소이온 교환막의 시료와 접촉하지 않는 측에 접하도록 설치된 내부 용액(내부 겔)과 그 내부 용액에 접하도록 설치된 내부 전극을 밀폐용기 내에 배치한 염소 이온센서에 있어서, 상기 염소 이온 교환막의 시료와 접촉하지 않는 면을 2액 혼합계 에폭시수지로 피복한 염소 이온센서.

④ ① 내지 ③ 중 어느 하나에 기재된 이온센서를 사용한 생화학 자동분석장치.

먼저, 본 발명에 이르기 전에 일본국 특개2000-28568호 공보의 실시예에 기재된 수분투과억제부재를 사용한 센서의 슬로프감도 안정성에 대하여 검토한 결과를 소개한다. 막 재료로는 제 4급 암모늄염을 분산시킨 가소화 고분자막을 사용하였다. 제 4급 암모늄염에는 메틸트리디실암모늄클로라이드를 30%, 가소제로서 세바신산 디옥틸을 50%, 고분자로서 폴리염화비닐을 20%, 합계 200mg 칭량하고, 용매인 테트라하이드로퓨란 2㎖ 중에 용해시켰다. 이 용액을 샤알레 속으로 유연(流延)하여 용매가 증발하면 가소화 고분자막이 형성된다. 이 막을 적당한 형상으로 펀칭하여 테트라하이드로퓨란을 사용하여 이온 교환막의 내부 용액측에 접착함으로써 이온 교환막과 수분투과억제부재를 일체로 형성하였다. 염소 이온센서 5개에 조제한 막을 조립하여 수분억제부재없는 전극을 블랭크로 하여 37℃ 항온조 중에서의 슬로프감도의 안정성을 조사하였다. 표 1 및 표 2에 보존기간과 슬로프감도 및 센서의 중량변화를 나타내나, 보존 개시 3개월후에 있어서 센서의 중량은 조금밖에 감소하지 않았으나, 슬로프감도의 저하가 보였다.

슬로프감도의 안정성(단위 : mV)

보관시간(월)	1	2	3	4	5	6
센서 1	-50	-49	-46	-42	-40	-40
센서 2	-51	-50	-45	-40	-37	-36
센서 3	-50.5	-50	-47	-42	-36	-35
센서 4	-51	-50	-44	-40	-37	-34
센서 5	-50	-49	-44	-38	-35	-35
블랭크	-51	-46	-41	-37	-34	-34

센서 중량변화(단위 : g)

보관시간(월)	1	2	3	4	5	6
센서 1	-0.05	-0.15	-0.25	-0.3	-0.4	-0.45
센서 2	-0.03	-0.05	-0.1	-0.15	-0.3	-0.5
센서 3	-0.1	-0.1	-0.15	-0.2	-0.3	-0.6
센서 4	-0.1	-0.15	-0.2	-0.25	-0.4	-0.5
센서 5	-0.1	-0.2	-0.4	-0.5	-0.6	-0.6
블랭크	-0.6	-1.0	-1.6	-2.1	-2.5	-2.8

이와 같이 수분투과억제재로 폴리염화비닐을 사용한 경우, 센서 중량의 감소는 억제 가능하나, 슬로프감도의 안정성은 장기적으로 유지할 수 없다는 과제가 있음이 밝혀졌다.

이온 교환막을 이온 감응막에 사용하는 이온센서에 있어서 센서를 장기적으로 사용할 때, 내부 전극과 이온 교환막 사이에 설치된 내부 용액 중의 수분이 경시적으로 이온 교환막을 통하여 시료 유로로 빠지기 때문에, 도전성이 감소하여 센서성능의 저하가 생기는 경우가 있다. 이 수분의 감소를 저감시키기 위하여 이온 교환막의 시료와는 접촉하지 않고 내부 용액과 접촉하는 면에 고분자를 사용하여 피복처리 함으로써 내부 용액 중의 물의 막 투과성을 제어하여 높은 안정성을 실현할 수 있다. 사용하는 고분자는 이온 교환막에 밀착하고 물이 침투 가능한 세공(細孔)을 가지고 있을 필요가 있다. 물이 전혀 침투하지 않으면 도전성이 생기지 않아 센서로서 기능하지 않는다. 물이 과도하게 침투하면 시료 유로로 빠지기 쉽게 되기 때문에 센서의 안정성은 저하된다. 수분이 침투함으로써 고분자와 이온 교환막의 접착성이 저하되어 고분자의 일부 또는 전부가 박리상태가 되면 도전성은 저하된다. 따라서 본 발명에서 최적의 고분자는 물이 적절하게 투과하고, 이온 교환막과의 박리가 생기지 않는 상태를 장기적으로 유지할 수 있는 것이 필요하게 된다.

여러가지 고분자를 사용한 센서를 제작하여 성능의 검토를 행한 결과, 상기 조건을 만족하는 고분자 재료로서 에폭시수지가 최적임을 발견하였다. 명확한 기구는 알고 있지 않으나, (1) 건조상태에서의 이온 교환막과의 접착성이 좋고, (2) 수분에 접한 경우 에폭시수지 속으로 수분은 침투하여 적절한 도전성을 가지며, (3) 수분이 침투한 경우에도 이온 교환막과의 접착성이 유지되기 때문이라고 생각된다. 상기 과제에서 설명한 성능의 경시적인 저하가 생긴 폴리염화비닐을 고분자 피복재료로 사용한 센서 모두에 폴리염화비닐피막과 이온 교환막과의 사이에 작은 간극이 보였다. 이것은 폴리염화비닐피막에서는 이온 교환막과의 접착성을 장기적으로 유지할 수 없기 때문이라고 생각된다.

A. 이온 교환막 이면의 고분자 피복처리

2액 혼합계 에폭시수지 약 50mg을 이온 교환막의 시료와 접촉하지 않는 이면에 도포 후 40℃에서 24시간 건조시킴으로써 고분자 피막처리를 행하였다.

B. 이온센서 제작예

도 1, 도 2에 본 발명에 의한 염소 이온센서의 제작예를 나타낸다. 도 1은 본 제작예의 플로우셀형 염소 이온센서의 사시도이다. 직육면체형상의 폴리염화비닐제의 플로우셀형 센서 본체(3)의 1쌍의 면에 지름 1mm의 유로(4)를 형성하여, 시료액의 유로로 한다. 또 본 센서를 복수개 겹쳐 사용하는 경우, 센서의 접합용으로 원주형상의 볼록부(5)를 관통구멍이 형성된 면의 한쪽에 설치하였다. 볼록부(5)의 상면에는 액누설방지용 O 링(6)을 설치하였다.

도 2는, 도 1의 a-a'선으로 자른 단면도이다. 플로우셀형 센서 본체(3) 내부의 일부에 공동(10)이 설치되어 있다. 공동(10)의 한 방향으로 만곡한 내곡면(11)은 유로(4)와 교차하고 있어, 유로의 측면에 타원형의 작은 구멍(12)이 형성되어 있다. 이 작은 구멍(12)을 막도록 내곡면(11)을 따라 이온 교환막(9)이 유로측으로 볼록해지도록 형성되어 있다.

선택화 처리한 이온 교환막은 내경 4.6φ의 코르크천공기로 둥글게 펀칭하여 플로우셀형 전극 몸통에 THF로 접착 후 1시간 건조시켰다. 막 이면에의 도포는 재료의 고분자 약 50mg을 막의 이면에 도포함으로써 행하고, 도포 후 40℃에서 24시간 건조시켰다. 유로의 반대측 공동(10)에는 내부 용액을 채워 둔다. 은/할로겐화 은으로 이루어지는 내부 전극(7)을 내부 용액 중에 침지하여, 이 내부 전극(7)의 금속부분에 신호 인출용 리드선(8)의 한쪽 끝을 접속하고, 다른쪽 끝을 외부측 정회로에 접속하였다.

C.측정예 1 (초기 성능시험)

이온 교환막을 각종 고분자로 처리하여 플로우셀형 전극을 제작하여, 히타치 7170형 생화학 자동분석장치에 의하여 평가하였다. 도 5에 생화학 자동분석장치의 구성도를 나타낸다. 희석조(130)에 샘플용 펌프(107)로 시약을, 샘플링 프로브 (127)로 시료를 주입하여 흡인용 펌프(126)로 이온센서(128)에 측정 시료를 흘리고, 발생한 전위는 AD 변환기(129)로 신호 처리한다. 결과를 표에 나타낸다.

고분자

슬로프감도(mV)

셀룰로스아세테이트폴리비닐알콜폴리염화비닐폴리아크릴로니트릴폴리염화비닐리덴폴리에스테르폴리프로필렌폴리우레탄폴리아크릴산에스테르폴리아세트산비닐폴리아미드수지폴리에스테르수지페놀수지멜라민수지폴리우레탄폴리에테르수지에폭시수지ABS수지ACS수지SBRNBRBR우레탄고무아크릴고무실리콘고무

-46.5-47-50-51-46-45-45.5-46-49.5-49-49.5-48-47.5-50-50-50.5-50-51-47.5-47-48-46-45.5-47-48-47

본 실험에 사용한 대부분의 고분자 재료에 있어서 전극의 초기 슬로프감도는 -45mV 이상을 나타내었다. 이온 교환막의 내부 용액측을 고분자에 의하여 피복한 경우, 고분자는 완전한 절연체에서는 없는 도전성을 나타냄을 알 수 있었다. 슬로프감도에 재료에 따른 차가 보이는 것은 재료의 도전성에 차가 있기 때문이라고 생각된다.

D. 측정예 2 (부하시험)

초기 슬로프감도가 -50mV 이상이었던 고감도 전극에 대해서는 부하시험으로 내구성을 조사하였다. 안정성을 가속 평가하기 위하여 전극을 60℃ 항온조 속에서 보존하여 슬로프감도 및 전극 중량의 경시변화를 추적하였다. 결과를 도 3, 도 4에 나타낸다.

약 6개월간의 항온조 보관 중에 슬로프감도 및 전극 중량의 변화가 보였다. 고분자를 도포하고 있지 않은 블랭크에서는 3개월째에는 중량이 약 3g 감소하여 슬로프감도가 나오지 않게 되었다. 사용한 고분자 재료 중에서 에폭시수지를 도포한 전극만 슬로프의 저하가 작아 양호한 결과를 나타내고 있고, 이온 교환막의 시료 접촉면의 이면을 이들 고분자로 피복처리함으로써 내부 용액 중의 물의 막 투과성을 제어하여 고분자의 박리도 생기지 않아 높은 안정성을 실현할 수 있음을 알 수 있었다.

이온 교환막의 시료 접촉면의 이면을 고분자로 피복처리함으로써 내부 용액 중의 물의 막 투과성을 제어하여 높은 안정성을 실현할 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 제작예에서의 염소 이온센서의 사시도,

도 2는 본 발명에 의한 제작예에서의 염소 이온센서의 단면도,

도 3은 본 발명에 의한 측정예 2에서의 슬로프감도의 시간변화의 결과도,

도 4는 본 발명에 의한 측정예 2에서의 전극중량의 시간변화의 결과도,

도 5는 본 발명이 적용되는 생화학 자동분석장치의 구성도이다.

※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 분주기구 2 : 분주 아암

3 : 플로우셀형 센서본체 4 : 유로

5 : 볼록부 6 : O 링

7 : 내부전극 8 : 리드선

9 : 이온 교환막 10 : 공동

11 : 내곡면 12 : 작은 구멍

101 : 샘플용기 102 : 샘플 디스크

103 : 컴퓨터 104 : 인터페이스

105, 110 : 분주 프로브 106 : 반응용기

107 : 샘플용 펌프 109 : 반응 디스크

111 : 시약용 펌프 112 : 시약 용기

113 : 교반기 114 : 광원

115 : 광도계 116, 129 : AD 변환기

117 : 프린터 118 : CRT

119 : 세정기구 120 : 세정펌프

121 : 입력장치 122 : 하드 디스크

125 : 시약 디스크 126 : 흡인용 펌프

127 : 샘플링 프로브 128 : 이온센서

130 : 희석조 15O : 용기종류별 검출장치

151 : 액면 검출장치

Claims

시료가 흐르는 유로와,

상기 시료 유로의 시료에 접하도록 설치된 이온 교환막과,

상기 이온 교환막의 시료와 접촉하지 않는 측에 접하도록 설치된 내부 용액과,

상기 내부 용액에 접하도록 설치된 내부 전극을 밀폐용기 내에 배치한 이온센서에 있어서,

상기 이온 교환막의 시료와 접촉하지 않는 면을 에폭시수지를 사용하여 피복처리하는 것을 특징으로 하는 이온센서.
시료가 흐르는 유로와,

상기 시료 유로의 시료에 접하도록 설치된 이온 교환막과,

상기 이온 교환막의 시료와 접촉하지 않는 측에 접하도록 설치된 내부 용액과,

상기 내부 용액에 접하도록 설치된 내부 전극을 밀폐용기 내에 배치한 이온센서에 있어서,

상기 이온 교환막의 시료와 접촉하지 않는 면을 2액 혼합계 에폭시수지로 피복처리하는 것을 특징으로 하는 이온센서.
시료가 흐르는 유로와,

상기 시료 유로의 시료에 접하도록 설치된 염소 이온 교환막과,

상기 염소 이온 교환막의 시료와 접촉하지 않는 측에 접하도록 설치된 내부 용액과,

상기 내부 용액에 접하도록 설치된 내부 전극을 밀폐용기 내에 배치한 염소 이온센서에 있어서,

상기 염소 이온 교환막의 시료와 접촉하지 않는 면을 2액 혼합계 에폭시수지로 피복처리하는 것을 특징으로 하는 염소 이온센서.
제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 기재된 이온센서를 사용한 생화학 자동분석장치.