JPH05503580A - 外部基準電極を有するポラログラフィー化学センサー - 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】 外部基準電極を有するボラログラフイー化学センサー発明の分野 本発明は、一般に電気化学分析に関し、特に液中に溶解している化学種の濃度お よび活量をめるため電極対の間の電流または電位差の測定に基つく分析装置およ び分析法に関する。特に、本発明は、疎水性膜と外部基準電極とを有するボラロ グラフイー電流センサーに関する。

発明の背景 種々の化学種の濃度およびその化学種の存在またはいずれかを決定するのに用い られる電気化学的な多くの分析法かある。電気分析手法は、液中に溶解している ガス種またはイオシ種の濃度および活量の測定に特に成果をおさめ、血液および その他の生物液の分析にとりわけ応用されてきている。ボラログラフイー分析は 、種々の溶解種の決定に特によく適応し、一般に検体を含むサンプル中に電極対 を浸漬することを必要とする。電極の一方は、作動電極と呼ばれ、第二の電極は 、基４電極と呼はれる。作動電極と基準を極間には予め設定した電圧かかけられ 、この電圧は、電極とサンプルの界面での目標とする特定の種の酸化状誓に於け る変化を引き起こし、その境界を越えての電子の移動を引き起こす。電子の移動 は、電流を発生させ、その電流は、作動電極の表面の目標種の濃度または活量に 比例する。二つの電極間の電流を測定して、目ｆｆｆｌの濃度か正確に決定でき る。

ボラログラフイー法は、液サンプルの溶解酸素の濃度決定にうまく利用できる。

この場合、測定電極は、一般に、酸素との無反応性故に選ばれた金、または白金 といった貴金属で形成される。基準電極は、代表的には、例えば、塩化銀で表面 コーティングされた銀といった、ハロゲン化金属コーティングされた金属で形成 される。また、基準電極は、塩化銀ペレットといったハロゲン化金属を含む複合 材料から形成することもてきる。作動電極（例えば、白金電極）に負の電圧をか けると、その電極より酸素原子へ向けて電子の流れか発生し、このことは、電極 表面で、酸素のＨ２Ｏ２およびＨＯまたはそのいずれかへの還元を引き起こす。

この電子の流れ、即ち、電流は、二つのｔｉに接続される外部電気回路で測定す ることかでき、この電流は、作動電極に対する酸素の拡散速度に比例し、また、 酸素の濃度に比例する。電極の材料および印加する電圧を適当に選択すれは、池 の溶解ガスを含む他の種、中性種およびイオンもまた同様に決定できる。いくつ かの例では、電極材料自身か、溶解種と直接反応し、外部よりの電圧の印加なし て電子の移動を引き起こすようにしているか、この原理は、一般的には、同しで あり、これによる電圧（そこから流れ出る電流）か測定される。

実際の殆との利用例では、上述の電極は両方とも、膜により、好ましくは選択透 過性を有する膜によってサンプル液からは隔離されている。膜は、サンプルに含 まれる妨害種を排除し、！極か動作する一定した分析環境を提供する。本発明の 膿受入による米国出願第１４８，１５５号は、そのような電極組品を開示してい る。

図１では、サンプル液の流動か起こるように形成された流動チャンネルＩＯを含 む従来のボラログラフイー電極組品が示されている。電極組品は、更に、ある長 さの白金線からなる作動電極Ｉ２と、少なくとも作用面か塩化銀のコーティング １７を有する長さの銀線からなる基準電極１４とを含む。作動電極１２および基 ！！９！を極１４は、膜１９により液流チャンネル１０中の液から隔離されてい るπ解質体１８によって電気的に接続かなされている。膜１９は、疎水性膜てあ り、その代表的なものはポリ塩化ビニル（塩化ヒニル）といった物質で形成され 、酸素および水に対する透過性を存する。

このタイプの電極組品は、精度および信頼度の観点からは優れ、サンプル液の膜 の外側に基準電極を配置することで多くの利点か得られる。この電極組品の加工 は、二つの電極間て電導性ブリッジを形成する共通電解Ｎ（図１の１８）の必要 性をなくすれば、単純化することか可能であり、従って、小さな、薄い電解層か 容易に使用できる。膜の下部に接している基準電極かあることによって必要とな る相対的に厚い電解層を作成し、利用するためには、いくつかの問題かある。

疎水性膜が、厚いｔＨ層の不規則な形状の上に配置されると、疎水性膜は、開口 する可能性かある。従って、作成の困難な、厚みのある膜か使用されねばならな い。更に、厚い膜は、長い電極応答時間を意味する。基準電極を膜の外部に配置 すればよいか、上述の構造に起因する種々の問題によりこのタイプのように構成 できない。

基準電極を疎水性膜の外側に配置する場合、イオンか膜を非常にゆっくりと通遇 するという事実により疎水性膜の電気工導度か低（なることによるセンサーの動 作に関連する問題を起こすということか知られている。酢酪セルロースといった より透過性のある親水性膜を使用したセンサーは、膜か透過性に於いて非常に選 択性を有さない限り、従って、多数の親水性妨害イオンおよび中性種を通過させ るかぎり、その存効性は限られている。例えば、血液サンプル中の溶解酸素の分 析に、親水性膜を有する電極組品を使用すると、親水性膜に容易に拡散可能なＣ ｕ４２といったイオンおよび他の還元種による妨害により、誤った結果か得られ る。

これらの問題により、従来は、一般に、共通膜の下部あるいは後方にボラログラ フイーセンサーの作動電極および基準電極か配置されてきた。例えば、米国再発 行特許第３１，２９９号では、作動電極と、基４電極と、共通疎水性膜の下部に 配置された電解物質とを含む、酸素濃度を測定するための分析電極組品か開示さ れている。更に、共通疎水性膜に付加して、上記再発行特許第３１．２９９号に よる装置では、基準電極および測定電極の作用面上に、別々に、イオン選択性膜 のコーティングか含まれる。同様に、米国特許１４，６８５．４６５号は、単一 の酸素透過性膜の後部に配置された測定電極および基準電極を含む、従来技術に よる酸素センサーを開示している。

疎水性膜の低電気電導度に起因する問題を回避するため、電気化学分析に親水性 膜を使用する種々の試みかなされているか、上述の如く、これら膜はそこを透過 する種に対して選択性を有さない。米国特許第４，６７２．９７０号では、一つ の面の上に親水性膜を配置しこ測定電極か開示され、このような親水性材料の疎 水性材料より優れ、また、好ましいことか示されているか、これら親水性膜の選 択性の欠如に起因する問題は、取り扱われていない。

本発明によれは、疎水性膜か十分なイオン電導度を有するように選択され、かつ 、加工されれは、電極センサー組品か疎水性膜によって作動電極か基準電極から 隔離されるように構成されることか可能であると判明している。本発明によれば 、また、重合体材料を適度にトープするか、改質することによってボラログラフ イー電極組品で使用に適するように、疎水性膜は、十分なレベルまて電導度を上 げられることか判明している。本発明によれば、更に、測定装置の残りの部分に よる電気抵抗より膜の電気抵抗か小さけれは、膜は、　“十分に電導性を有する ”ことか判明している。即ち、膜自身は、電気電導、従って測定に対する主な制 限項目とはならない。

また、膜を電導性にするたけでは、多数に事例にて、精度を保証するに十分ては ないことか判明している。疎水性膜の両側に存在するイオン種の濃度差によって 疎水性膜の両側にて電圧か発生するという問題か起こる。この電圧は作動ｔｆＭ の印加電圧に重畳され、その大きさか一般に未知であるので、誤差の原因となる 。

更に、本発明によれば、電極組品に接触する全検体液で、相対的に一定の濃度で 存在することかわかっているある一つのイオン種に対して透過性を有すると、こ の電圧は相対的に一定とすることか可能であると判明している。

本発明によれば、ボラログラフイータイブ電極組品の精度、大きさおよび加工の 容易さを制限している問題か解決される。本発明を使用すると、妥当な高電導度 を有し、かつ、種々のイオン混合を含む検体液中で、安定した電気化学的電圧を 示す、選択透過性疎水性膜によって、基準電極か測定電極から隔離されるように 電極組品を加工することか可能である。本発明の上述の利点およびその他の利点 は、以下の図面、説明、請求の範囲により明白になろう。

発明の開示 イオンを含む液中に溶解している化学種の濃度を測定する装置かここで開示され ている。装置は、液と電気的に接触状態にある基準電極を含み、更に、溶解種と 電気化学的に作用する部分を存する電導体で構成される作動電極と、作動電極の 作用部分を、サンプル液からおよび基準電極から隔離するように配置され、化学 種に対して透過性を示す、連続した、疎水性膜とを含む。装置は、作動を極の少 なくとも作用部分上に設けられ、膜によって覆われた電解質体を含むことか好ま しい。電解質体としては、疎水性膜と電極との界面での、自然水和および電気化 学反応またはそのいずれかの結果、発生する電解質を利用できる。他の例では、 別に電解質を供給している。好適な一実施例では、膜の電気抵抗は、作動電極と 基準′：ｔ、極の間に設けられる残りの電気回路の電気抵抗より小さくされてい る。更に、池の例では、膜か、サンプル液または検量Ｗ中に見いたされる予め選 択されたイ才し種に対して少なくとも部分的に透過性を存するイオン導体である ことか好まし：、その目的で、膜は、イオン透過担体またはイオン交換種を含む 。池の例では、電導性は、イオン導体部分を有する疎水性重合体材料のグラフト 共重合体から構成される膜を用いて得られる。

図面の簡単な説明 図１は、単一の、連続、疎水性膜の下に設けられた基準、測定電極を示す、電極 組品の従来例の断面図である。

図２は、疎水性膜によって隔離された参照、測定電極を含む、本発明による電極 組品の一実施例の断面図である。

図３は、本発明によって構成された特定の電極の断面図である。

図４は、本発明によって構成されたセンサー電極を含む第一酵素の断面図である 。

図５は、本発明によって構成されたセンサー電極を含む他の一つの酵素の断面図 である。

図６は、本発明によって構成されたセンサー電極を含むさらに池の一つの断面図 ２で示されるのは、本発明によって構成された一つの装置の断面図であり、この 装置は、液中に溶解している化学種の濃度を電気化学的に測定するように動作す る。ここていう“化学種”は、溶解ガスおよびイオンや基はもとより他の中性種 も含む。図２に示される装置は、絶縁体の二つの部分１３ａ、＋３ｂによって画 定される液流チャンネル１０を含む。絶縁体およびそれによって画定されるチャ ンネル１０は、血液ガスモニターといった電気分析装置の一部としてもよく、液 流のチャンネルｌＯの通過か連続的または周期的てあっても動作可能とされても よい。ここで開示の原理は、異なった装置、または、異なったｔｆｉの形状にも 応用可能であることはいうまでもない。

液流チャンネル中には、少なくとも部分か、分析される溶解種と電気化学的に作 用する、電導体１５を含む作動電極か設けられている。“電気化学的に作用する ′とは、電極か、分析される種へｔｆ’を移動し、または、分析される種から電 子を除去する能力を有し、このような電子の移動は、作動電極１５と電解層Ｈの 間に生起する電圧によって引き起こされるということを意味する。説明の実施例 では、導体１５は、下部絶縁体＋３ａの内部に設けられ、かつそれによって支持 されていて、従って、導体１５の一方の面は、液流チャンネル１０に露出してい る。

導体１５のこの露出面の上には、電解質体Ｉ６かあ頃その働きは、分析される種 の導体Ｉ５の間に接触を起こす媒質を提供することにある。後に詳述するか、本 発明の実施に利用可能な電解質物質は多種あり、どれを選択するかは、分析され る特定の種、電極組品の残りの材料との適合性、およびその他の要因により決定 される。多くの例では、セリ−状または厚い電解質材料を使用するのか好ましく （、他の例では、この材料としては、電極組品の加工、保存および取扱いを容易 にするため脱水された、再水和可能な電解質か用いられる。この場合、水和は、 使用中か使用直前に実行される。脱水された、再水和可能な電解質の加工および 使用に関しては、米国特許第３，８７８．８３０号および同第３．　９９９．　 ２８４号により開示されていて、その開示は参照ししてここに含まれる。更に、 他の例では、電解質体１６は、“発生した電解質体”であり、この用語の意味は 、特に注入した電解質体てはなく、膜中、導体１５表面または絶縁体１３ａ表面 に存在するイオンから、または、電極の表面と検体の電気化反応の結果からの両 方の要因、または何れか一方の要因で生成する電解質体ということを意味する。

更に、他の例では、電解質体１６は、ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）といった高分 子イオン材料でも構成される。

電解質体１６の上部を完全に覆っているのは、膜１８であり、分析される種に対 して透過性を有する、疎水性膜である。更に詳しく説明されるように、膜１８は 、予め選択したイオン種に対して透過性を有し、ボラログラフイー分析か実行さ れるに十分高い電気工導度を有する。一般に、膜１８の電気工導度は、膜による 電気抵抗か分析装置の残りの電気抵抗よりも小さくなるように、設定されること か必要である。膜１８およびその特性を次に詳細に説明する。

図２の装置は、更に、作動電極組品からは離して配置されているか、電気的な接 続は、液流チャンネル１０の液を通してなされるような参照電極２０を存してい る。基準電極２０は、また、下部絶縁体＋３８の内部て支持されていて、少なく ともその一部は、液流チャンネル１０の液と電気的に接続するように、露出して いる。図２に示されるように、基準電極を含む電導体２０の一面２２は、液と接 触すへく露出している。この液接触面は、基準電極２２の残りの本体部分とは異 なった組成である。例えば、電極２０の本体は、銀で構成キ顛その面２２は、塩 化銀のコーティングからなっている。当業者にはよく知られているように、電極 ２０の面２２は、親水性体または疎水性体で保護されているか、他のコーティン グで被覆されているか、またはその両方ともなされているかである。膜か、疎水 性なら、それは、適度なイオン透過担体でトープされなければならない。

動作状罪では、検体を存するサンプル液は、液流チャンネルｌＯに満たされ、電 極１５およびｔ極２０の間に電圧かかけられる。例えば、酸素含存量の分析の場 合は、作動電極１５は、基準電極２０に対して負にされ、従って、分子酸素は、 過酸化水素および水酸化イオンまたはいずれかに、その表面で還元される。基準 電極２０は、作動電極に対して正の電圧に維持され、従ってその両方の間に電流 か発生する。この電流の大きさは、酸素の濃度に比例している。

このタイプの電極か利用でき得る多くの形状かある。図２の実施例は、分析され るサンプル液か流れるチャンネル内にて、そのサンプル液か測定および基準電極 と接触するような構成となっている。この特別な実施例は、インライン型血液ガ ス分析器に利用されるのに適する。これは、また、通過する他の液にもまた使用 される。基準電極、作動電極、電解質体および膜の材質を適当に選択することで 、広い範囲の溶解種の測定を可能とする装置か実現できる。

図３では、本発明により構成された池の電極か示される。図２の平板皇電極に対 して、図３の電極は、長い探針状の形状となっていてサンプル液中に浸漬するの に特に適する。図３による特定の電極は、分析される化学種と電気化学的に作用 する電導部材２４を含む。導体２４の一部分は、その周りに被覆２６を形成する 電気的絶縁体により保護されている。この電気絶縁体に付いては、ゴム、フルオ ロカーボン、ビニル、アセテートといった合成重合体材なとの多くの市販の材料 の内から一つを選択すればよい。絶縁被覆２６は、露出部を残すために導体２４ の一部のみを覆う。この露出部分は、電解質体２８と接触し、この電解質体は、 既に説明した電解質体と大体、同一である。電解質体２８を取り囲むのは、疎水 性膜１８てあり、この疎水性膜１８は、導体２４の露出部分の周１の電解質体２ ８を、絶縁被覆２６と共同して密閉している。

図３の電極は、導体線の一部から絶縁体を除去し容易に加工でき、導体の露出部 分を電解質混合物へ浸漬しくそして、電解質を乾燥してもよい）、この電解質て コーティングされた部材を模型合体溶液へ浸漬する。この形状の電極は、静脈内 測定、あるいは動脈内測定に応用されるのか理想的であるように小型化すること が可能である。図示はされていないか、これら電極は、適当な基準電極と共に使 用されなければならない。

膜１８は、本発明の電極組品で最も重要な要素である。上述の如く、膜は、疎水 性である。このことは、親水性膜を用いている多くの従来のｔｔｂ組品と対照的 である。親水性膜は、種々の中性種およびイオン種に対して透過性で示し、従っ て、精度上の問題を起こし、誤差のある読みとり結果を与える可能性かある。疎 水性膜の材料は、これまで既知のものであり、利用されているか、これまでに利 用されている膜は、イオンの移動性に劣るので、電導膜か低いという問題かあっ た。この低電導度故に、適度な応答時間と測定精度を得ようと思えば、基準電極 も作動電極も単一膜の下か、後部に配置する必要かあった。

本発明によれば、疎水性膜の電気抵抗は、残りの測定回路の抵抗より小さくすれ ばよく、即ち、膜による抵抗は、制限事項とはならないということか一般にいえ る。

殆との場合、分析装置は、相対的に微小領域を有するマイクロ電極により構成さ れているので、残りの電気回路の電気抵抗は、使用の作動電極の面積に強く依存 する。従って、残りの回路の抵抗より低く抑える一方、膜の抵抗は、広範囲に設 定可能である。本発明は、残りの測定回路の電気抵抗より低い電気抵抗を有する 膜で実施されるか、膜抵抗は、大体、１０’から１０７オームの範囲か最も現実 的であることかわかっている。

膜の加工に用いられる種々の疎水性材料かある。ポリテトラフルオロエチレン、 ポリ弗化ビニリデン等の種々のフルオロカーホン、また、ノリコン重合体、ポリ エチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル（塩化ビニル）等のその他の材料か 含まれる。電導膜は、そのような膜の材料に依存し、いくつかの例では、膜の材 料は適当な電導促進材でドープされる。イオン透過担体は、疎水性膜にイオン電 導性を付与するのに特に有効であることかわかっている。イオン透過担体は、一 般に膜を通過してのイオン輸送を容易にする化合物として説明され、特定のイオ ン種と特に結合する材料から選択される。例えば、バリノマインン（ｖａｌ　ｉ ｎｏｍｙｃｉｎ）は、カリウムに対して好結合性を有する。同様に、種々の環状 ポリエーテルか、ナトリウム、カリウムまたはその他のアルカリ金属イオンと選 択的に結合することか知られている。モネンシン（ｍｏｎｅｎｓ　ｉｎ）の化合 物もまたナトリウムイオンと結合することか示された。適当な化合物を用いてイ オン選択性膜を形成する技術は、当業者にはよく知られていて、米国特許第４． ２１４．９６８号および同第３．５６２．１２９号を含む多数の刊行物か参照と なり、これらの開示を、参照としてここに含む。

膜層導度は、また、イオン交換化合物の添加により上昇させられることかできる 。そのような化合物および、それらを電導膜の形成に用いることは、当業者には 既知の技術であり、とりわけ、上記の米国特許か参照となる。第四アンモニウム 化合物は、膜に容易に形成できる特定のイオン交換種の−ってあり、有機スルホ ネートは、池の−っである。

適当なイオン電導性は、グラフト共重合体で形成された膜を使用することても可 能である。このタイプの材料は、第一の材料の重合体鎖の長さ方向に沿った種々 の位置にグラフトされた第二材料の部分を有する第一の材料を含む。グラフト部 分を適当に選択することで、ある限定された、選択性イオン透過度か、そうしな いと低い透過度および低い電導膜を存することになる、膜に達成できる。グラフ ト重合体およびその生産方法は、当業者には既知であるのてここてはその説明は しない。

ボラログラフイー電極か安定した検量特性を示すためには、作動電極と基４電極 との間に印加される電圧は非常に狭い許容値内におさめる必要かある。そうする と、電解質溶液と、実際に反応を起こす作動電極との間の電圧か、一定となる。

図１の従来例の電極組品では、二つの電極は、保護嗅の下の同し電解質液中にあ り、一定電圧に維持するのに問題はない。

本発明では、（限定された透過度を有す）膜および外部液は、作動電極と基準電 極との間に配置される。新規の電圧か、膜と、その膜の両側で異なった液との間 で生起する。これらの電圧は、作動電極と基準電極との間で印！ＪＯ電圧（＝、 ｂｏ算され、測定を複雑化している。これらの電圧は、溶液の組成か相対的に変 化すると、変化し、更に、これらの電圧の大きさも未知であり、一般に変化する ので、測定誤差の大きい原因となる。

本発明は、膜横断の電圧か、扱う可能性のある溶液の範囲で相対的に一定である ように、膜を改質することによりこの問題を解決している。この一定電圧は、測 定回路によって容易に処理される。相対的に一定の膜電圧は、予想サンプル液の 範囲で相対的に一定した濃度で見いたされる特定のイオン種に対して透過性を有 する膜を形成することて、維持てきる。例えは、血液中の酸素レベルを測定する センサーの場合、膜は、ナトリウムイオンに選択透過性を示すように形成される 。血液（およびセンサーと使用される検量液）のこのイオノの濃度は、非常に狭 い範囲におさまり、従って、膜電圧は、溶液の変更かあっても、数ミリボルト以 上には変化しない。これに伴う分極電位に於ける若干の変化は、酸素濃度を測定 する上での目立った誤差となるほど大きくはない。

上述のように、作動電極と疎水性膜との間に配置される電解質体は、種々の組成 を含み、その基本的な判定基準は、電解質体か、作動電極前でその電気化学反応 を引き起こすために、分析にかけられる種を輸送する能力を有するかとうがであ る。一般に、電解質は、ナトリウム、カリウム、塩化物、重炭酸塩等のイオンを 含む。電解質は、更に、濃縮材および状態調節材、または、いずれかを含む。

いくつかの例では、電解質体は、発生電解質体であり、また、他の例では、電解 質体は、乾燥した状態で適用されるか、または、溶液として適用され、後に乾燥 されて脱水電極となる。脱水電極は、長期の保存に耐え、使用前に、−水溶液に 浸すことにより容易に再水和可能である。

本発明による電極の加工に適する種々の電導材料かある。一般に、作動７ＩＬ極 の電導材料は、電解質および測定される種に不活性であることか好ましく、この ためには、白金電極または金電極かよいことかわかっている。分析条件に応して 、ある場合には、当業者によりステンレス鋼、炭素、あるいはメッキ材により容 易に代替可能である。

溶解種を直接検出することに加えて、本発明による電極は、電極部での主たる電 気化学的反応を示さない溶解種の測定にも、間接的に利用可能である。例えば、 血液流中のグルコースといった種々の分子の濃度の測定をしたい場合がしばしば ある。ある一つの測定方法論では、グルコースは、酸素の存在のもとてグルコー スをグルコン酸と過酸化水素に変換する＃素体、グルコースセンサ−セを含むｘ ｉを使用することで分析できる。グルコースは、生成した過酸化水素を検出する か、または、酸素量の低下をｆｆ１ｌｌ定することによって測定でき、更に、他 の例では、グルコン酸副産物か測定される。このような測定技術は、当業者にと っては、既知であるか、ここで開示のタイプの電極組品に関しては、まだ利用さ れてはいない。

図４は、本発明により構成された測定電極を含む酵素の一実施例の断面１てあり 、サンプル液のグルコース濃度の測定用に特に構成されている。図４の電極組品 は、図２で説明されたセンサー技術に基つき形成され、従って、基準電極（図示 されていない）も使用されている。図４の電極組品は、導体Ｉ５と、電解質体１ ６と、内部疎水性膜１８とを含み、これら全ては、既に述へたものに類似してい る。図４の電極構造は、更に、疎水性膜１８上に設けられた酵素体３ｏを含む。

酵素の組成及び濃度は、分析される種によっていて、グルコースの場合、好まし い酵素の一つは、グルコースオキシダーゼである。酵素層３ｏは、溶液の酵素と 、または、他の例では、センサーの膜１８．３２の一つを形成する材料と結合さ れた酵素と、架橋された重合体材料といった、従来技術で知られている種々の材 料でよい。

酵素層３０は、親水性膜あるいは疎水性膜のいずれがである外部膜３２て保護さ れていることか好ましい。外部１＃３２は、分析される種および分析に副次的な 種に対して適度な透過度を存する必要かある。例えば、グルコース分析ては、膜 ３２は、グＡコースと酸素に対して透過性を存する必要がある。既に述へたよう に、安定した電気化学電圧を維持することが重要であり、この目的のための、外 部膜３２および内部膜１８は、この回路での一定の分極電位を維持するために利 用される適切なイオンに対して透過性を存す必要がある。

図４の！陽組品は、酸素低下か測定されるモートで動作するグルコース測定電極 である。疎水性膜１８、電解質体１６、作動電極１５の極性は、全て、酸素濃度 を測定するのに最適なように設定される。このセンサーでは、グルコースと酸ｒ 　素は、酵素層３０に於いて、またはその内部で反応し、酸素は、疎水性膜１８ を拡散し、酸素の濃度は、既に述へた例のように測定される。分析される液サン プル中のバックグラウンド濃度は、好ましくは図２または図３に示されるものに 類似した。別の電極システムにて測定される。酵素層の下の酸素レベルとバック グラウンド酸素レベルとを比較し、酸素低下量、即ち、グルコースの濃度が決定 される。本発明によって、センサーを含む酵素の他の構造も構成できる。図５で は、他のセンサー組品か示されている。この特定のセンサーは、作動電極　Ｉ５ と、外部疎水性膜１８とを含み、その両方とも全体として既に述へたものに類似 している。図５のセンサーは、更に、その中に酵素体を含む電解質体３４を有す る。

膜１８は、安定した電気化学電圧を維持するため選択イオン透過性を有し、この 目的て、膜】８は、イオン透過担体またはイオン交換種を含むが、あるいは、既 に述へたように、共重合体により形成される。膜１８は、また、分析される踵、 この例では、グルコ−人に対して透過的である。電解［３４は、グルコースセン サーセか類似の酵素を含む。図５のセンサーは、グルコースの酸化による酸素の 低下量か測定される酸素検出モートが、あるいは、酵素反応よりの過酸化水素か 測定される過酸化物検出モートかで、動作する。過酸化物が検出される例では、 作動電極１５は、過酸化物を酸化するため正の電圧に維持される。図５のセンサ ーか酸素検出て動作する例では、基本酸素濃度の測定のため、別の酸素に反応す る電極か必要となる。図５のセンサーは、外部基準電極と使用されることは明か である。

図６は、センサーを含む酵素の他の実施例を示す。図６のセンサーは、グルコー スの濃度を検出するように動作し、それも過酸化水素検出モードで検出するよう に動作する。動作導体１５は、第一の膜３８によって導体１５と接触状態に維持 される電解質体３６を含む。第−膜３８上には、外部膜４２によって保護されて いる酵素体４０か設けられている。動作状態では、グルコースは、第二、＠４２ を通過し、酵素含汀層４０により酸化され、酸化作用で生成された過酸化水素は 、第〜膜３８を通過し、作動電極で酸化される。第−膜３８および外部膜４２ま たはそのいずれかは、既に述へたように安定した電気化学的電圧を維持するよう に考慮した。適度なイオン透過性を有する疎水性膜てなけれはならない。更に、 第−膜３８は、過酸化水素に対して透過性を有し、外部膜４２は、グルコースに 対して透過性を有す必要がある。これらの広いパラメーターの範囲で、過酸化水 素検出モードで動作する種々のグルコースセンサーか構成可能である。既に述へ た　。

ように、図６のセンサーは、外部基準電極と共に用いられる。

上述の構造に対する変形もセンサーの加工に利用できる。例えば、グルコースの 測定に於いて、上述のアプローチは、酸素か酵素反応で共有基板であり、過酸化 水素か副産物であるという場合に限定されない。

酵素分析センサーに於ける仲介体または電子移動体としてメタロセンを使用する 一群の技術か開発されている。例えば、フェロセンとその誘導体は、グルコース の酵素仲介の酸化を援助するのに使用されていて、これに関する技術は、米国特 許第４．７１１．２４５号に開示され、この開示を、参考資料としてここに含む 。この開示で示されるように、グルコースは、フェロセン誘導体の存在により、 グルコースオキシダーゼまたはグルコース以外）・ロゲナーセと容易に反応する 。

そのような仲介体を使用すると、酸素の必要性かなくなり、従って分析を量線化 することかできる。このメタロセンの技術は、センサーｍ造内に適当なメタロセ ン試薬を与える単純な方法により、本発明に容易に応用可能である。例えば、図 ５の構造は、層３４を含む酵素にフェロセンを含ませるようにすることか可能で ある。

更に、その他の変更を本発明に加えることもてきる。膜および酵素またはいずれ かを適当に選択することで、酸素およびグルコース以外の種も測定できる。例え ば、他の種々の有［種または無機種かそうであるように、ラクテートイオンも容 易に測定できる。本発明の原理を利用して種々の電極の構成か、電導性、疎水性 膜を使用して可能である。本発明によれば、作動電極の外側に基準電極を配置で き、従って、薄い電解層か使用でき、スペースと加工工程か節約できる。本発明 による膜は、透過率は限定されているが、電気化導度は、十分てあり、測定回路 の抵抗を制限せず、相対的（ニ一定のａｔ圧を得るため選択された踵に対して予 め選択されたイオン透過性を存す。本発明による電極は、種々の物質の検出に適 するように構成でき、電気化学的に直接作用しない種の′６１Ｉ定も可能とする ため酵素や他の反しコ材料を更に含むことか可能である。電極組品の加工は、比 較的簡単てあり、ある長さの金線または白金線といった電導性材料体か、ガラス 板または重合体といった電気的絶縁性の支持部材に埋め込まれ、ある場合には、 導体は、絶縁される。導体の一部分は、絶縁物で覆われず、露出し、その頭部に は、電解質体か配置される。この電解質体は、既に述へたように、溶液の状態か または脱水した材料であってもよい。次に、疎水性膜が、電解質体上に設けられ るが、これは、電極組品を膜材の溶液に浸すかまたはその溶液を電極組品につけ るかして容易になされる。ある例では、膜材のコーティング前に電解質体を脱水 するほうか好ましく、他の例では、膜材と溶液との適合は、湿ったままの電解層 に溶液をコーティングする方法でなされる。電極を含む酵素の場合は、これらの 材料か過度に追加可能であることはいうまでもない。更に、他の例では、電極は 発生電極であり、従って、特別の電解質体は、加工段階で電極に付加されない。

本発明による電気化学センサーは、単体センサー構造、多重センサー構造、通過 型センサー構造、探針型センサー構造、平板型センサー構造といった種々の構造 に容易に加工できる、以上述へたように、本発明による電極組品には、本発明の 原理に従う数多くの変形例か可能である。以上の図面および説明は、本発明の特 定の実施例を説明しているに過ぎず、従って、発明の実施をこれらに限定しない 。発明の範囲は、以下の請求の範囲による。

要　約　書 本発明の電気化学的作用をする電極アセンブリは、電導体の作動電極を存し、こ の作動電極は、電解質体（１６）を存すると共に疏水性膜（１８）により電解質 体から隔離されている。この膜の電気抵抗は、測定回路の残部の電気抵抗より大 きく、さらに、予め選択されたイオン種に対して部分的に透過性を存し、安定し たｒＡｔ位を提供している。このタイプのアセンブリを用いることにより、膜（ １８）の外部に基準電極（２０）の配置が可能となる。

国際調査報告

Claims (24)

【特許請求の範囲】
1. １．イオンを含むサンプル液中に溶解している化字種の濃度を測定する装置であ って、 Ａ）前記サンプル液と電気的に連結されている基準電極と、Ｂ）前記溶解種と電 気化学的作用をする作用部分を有する電気的導体を含む作動電極と、 Ｃ）前記作動電極と前記基準電極との間の電流を測定する手段と、Ｄ）前記溶解 種に対して、および前記液に含まれる前記イオンに対して透過性を有する、連続 した、疎水性膜とを含み、前記膜の電気抵抗は、前記作動電極の前記電導体、お よび電流を測定するための前記手段の電気的抗より低く、前記膜は、前記サンプ ル液からも前記基準電極からも前記作動電極の作用部分か隔離されるように配置 されていることを特徴とする装置。
2. ２．前記導体の少なくとも前記作用部分に設けられていて、前記膜によって覆わ れている電解質体をさらに有することを特徴とする請求の範囲第１項に記載の装 置。
3. ３．前記電解質体は、発生した電解質体であることを特徴とする請求の範囲第２ 項に記載の装置。
4. ４．前記電解質体は、重合体電解質体であることを特徴とする請求の範囲第２項 に記載の装置。
5. ５．前記作動電極と前記基準電極との間の電流を測定するための手順を更に含む ことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の装置。
6. ６．前記膜は、前記液中の予め選択したイオン種に対して少なくとも部分的には イオン電導体であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の装置。
7. ７．前記膜は、イオン透過担体でドープされていることを特徴とする請求の範囲 第１項に記載の装置。
8. ８．前記膜は、イオン交換種によりドープされていることを特徴とする請求の範 囲第１項に記載の装置。
9. ９．前記イオン交換種は、第四アンモニウム化合物であることを特徴する請求の 範囲第８項に記載の装置。
10. １０．前記イオン交換種は、有機スルホネートであることを特徴とする請求の範 囲第８項に記載の装置。
11. １１．前記膜は、イオン電導部分を有する疎水性重合体材料のグラフト共重合体 から形成されていることを特徴とする請求の範囲１項に記載の装置。
12. １２．前記膜は、シリコン重合体と、フルオロカーボン重合体や、ポリ塩化ビニ ル（塩化ビニル）と、ポリエチレンと、ポリプロピレンと、これらの組み合わせ とを含むグループから選択された一材料から、形成されることを特徴とする請求 の範囲第１項に記載の装置。
13. １３．前記基準電極は、少なくとも一部分はハロゲン化銀のコーティングで覆わ れている銀製電極であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の装置。
14. １４．前記作動電極の前記作用部分は、白金であることを特徴とする請求の範囲 第１項に記載の装置。
15. １５．前記疎水性膜は、酸素に対して透過性を有することを特徴とする請求の範 囲第１項に記載の装置。
16. １６．酵素体を更に含むことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の装置。
17. １７．前記酵素体は、メタロセンを内部に含むことを特徴とする請求の範囲第１ ６項に記載の装置。
18. １８．前記酵素体は、前記疎水性膜の少なくとも一部分の上に設けられることを 特徴とする請求の範囲第１６項に記載の装置。
19. １９．前記酵素体は、外部膜により覆われていることを特徴とする請求の範囲第 １８項に記載の装置。
20. ２０．前記酵素体は、前記疎水性膜の下部に接して設けられていることを特徴と する請求の範囲第１６項に記載の装置。
21. ２１．前記酵素体は、グルコースと酸素の間の化学反応の触媒となることを特徴 とする請求の範囲第１６項に記載の装置。
22. ２２．前記電解質体は、再水和可能の脱水化されている電解質体であり、前記膜 は、少なくとも部分的には、水に対して透過性を有することを特徴とする請求の 範囲第２項に記載の装置。
23. ２３．イオンを含むサンプル液中に溶解している化学種の濃度を測定する装置で あって、 少なくとも一つの壁によって境界が仕切られ、前記液をその中に保持するように 動作する液チャンネルと、 少なくともその一部分が前記チャンネルに露出しているように配置されている基 準電極と、 電気的絶縁物の支持部材と、前記部材により支持され、かつ、前記支持部材より 突出している作用部分を有する電気電導体とからなる作動電極とを含み、前記支 持部材は、前記導体の前記作用部分が前記液中に露出するように、配置されてい て、更に、 前記支持部材上に配置され、前記電気電導体の前記作用部分を複っている電解質 体と、 前記作動電極と前記基準電極との間の電流を測定する手段と、前記溶解化学種に 対して、および前記液に含まれる前記イオンに対して透過性を有する、連続した 、疎水性膜とを含み、前記膜の電気的抗は、前記作動電極の前記電導体、前記電 解質体、および電流を測定するための前記手段の電気抵抗より低く、前記膜は、 前記電解質体を覆い、従って、前記電解質体および前記電極の前記作用部分は、 前記液からも前記参照電極からも隔離されるように配置されていることを特徴と する装置。
24. ２４．イオンを含むサンプル液中に溶解している化学種の濃度を測定する装置で あって、 Ａ）前記サンプル液と電気的に連結されている基準電極と、Ｂ）前記溶解種と電 気化学的作用をする作用部分を有する電気的導体を含む作動電極と、 Ｃ）前記作動電極と前記基準電極との間の電流を測定する手段と、Ｄ）前記溶解 種に対して、および前記液に含まれる前記イオンに対して透過性を有する、連続 した、疎水性膜とを含み、前記膜は、イオン電導性を有し、その電気電導体は、 １０４オームから１０７オームの範囲であり、その電気抵抗は、前記作動電極の 前記電導体、および電流を測定するための前記手段の電気抵抗より低く、前記膜 は、前記サンプル液からも前記基準電極からも前記作動電極の前記作用面が隔離 されるように配置されていて、Ｅ）前記導体の少なくとも前記作用部分設けられ 、前記膜により覆われている電解質体とを含むことを特徴とする装置。