KR0185781B1 - 염화이온센서의 전극에 구비되는 이온 선택성 막을 형성하기 위한 조성물 및 이것을 사용하여 이온 선택성 막을 형성하는 방법 - Google Patents

염화이온센서의 전극에 구비되는 이온 선택성 막을 형성하기 위한 조성물 및 이것을 사용하여 이온 선택성 막을 형성하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 염화이온 센서의 전극에 구비되는 염화이온 선택성 막을 형성하기 위한 조성물 및 이것을 사용하여 염화이온 선택성 막을 형성하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 실리콘 러버, 이온 선택성 물질로서 테트라데실트리메틸암모늄 클로라이드 1~20중량%, 및 유용성 가소제 0~40중량%로 이루어진다. 본 발명의 조성물을 사용하여 형성한 염화이온 선택성 막은 고체상 전극 표면에 형성되는 경우에는 고체상 전극 표면에 대한 접착력과 전기 화학적 성질이 우수하여 염화이온에 대한 감응성의 문제 및 짧은 수명의 문제를 해소하여 염화이온 센서의 소형화를 가능하게 한다. 또한, 본 발명에 따른 조성물로 형성된 염화이온 선택성 막이 적용되는 재래식 전극 또는 고체상 전극은 이들을 구비한 염화이온 센서를 사용하여 생체물질 중 염화이온의 정량 분석시 살리실레이트이온에 의한 방해작용을 받지 않을 뿐만 아니라 pH 5.5~10.5 범위의 생체물질에서 수산화 이온에 의한 방해작용을 받지 않음으로써, 측정 신뢰도를 한층 더 향상시킬 수 있다는 효과가 있다.

Description

염화이온센서의 전극에 구비되는 이온 선택성 막을 형성하기 위한 조성물 및 이것을 사용하여 이온 선택성 막을 형성하는 방법
제1도는 재래식 이온 선택성 막 전극과 고체상 이온 선택성 막 전극의 단면도로, a도는 재래식 이온 선택성 막 전극이고, b도는 고체상 이온 선택성 막 전극이다.
제2도는 PVC-지지체, SR-지지체 염화이온 선택성 막을 재래식 전극에 장착하였을 때의 염화이온에 대한 감응특성의 그래프이다.
제3도는 PVC-지지체, SR-지지체 염화이온 선택성 막을 재래식 전극에 장착하였을 때의 살리실레이트이온에 대한 감응특성의 그래프이다.
제4도는 가소제를 첨가한 SR-지지체 염화이온 선택성 막을 재래식 전극에 장착하였을 때의 감응특성의 그래프로서, a도는 염화이온에 대한 감응성의 그래프이고, b도는 살리실레이트이온에 대한 감응성의 그래프이다.
제5도는 가소제를 첨가하지 않은 SR-지지체의 염화이온 선택성 막을 재래식 전극에 장착하였을 때의 감응특성의 그래프로서, a도는 염화이온에 대한 감응성의 그래프이고, b도는 살리실레이트이온에 대한 감응성의 그래프이다.
제6도는 가소제를 첨가한 SR-지지체 염화이온 선택성 막의 수산화이온에 대한 감응특성의 그래프이다.
제7도는 가소제를 첨가한 SR-지지체 염화이온 선택성 막을 고체상 전극에 장착하여 유니버샬(Universal) pH7.4 완충 용액에서의 감응특성의 그래프로서, a도는 염화이온에 대한 감응성의 그래프이고, b도는 살리실레이트이온에 대한 감응성의 그래프이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 전극 몸체 20 : 고정체
30 : 내부기준전극(Ag/AgCl) 40 : 내부기준용액
50 : 이온 선택성 막 60 : AgCl 치환부
70 : Ag 판 80 : 절연체
90 : 알루미나(alumina) 판
본 발명은 실리콘 러버(silicone rubber; SR)-지지체 염화이온 선택성 막을 형성하기 위한 조성물 및 이것을 사용하여 염화이온 선택성 막을 형성하는 방법에 관한 것으로, 특히 이온 선택성 막과 고체상 전극 표면과의 접착력을 증가시킴으로써 화학센서의 수명 및 전기화학적 특성을 개선하여 전극의 소형화에 유리한 고체상 센서로의 개발을 용이하게 해주는 실리콘 러버를 지지체로 사용한 염화이온(chloride; Cl-) 선택성 막의 개발에 관한 것이다. 또한 기존에 알려지지 않았던 새로운 이온 선택성 물질을 염화이온 선택성 막을 형성하기 위한 조성물에 첨가하여 혈액 등의 생체시료 분석시 가장 큰 방해이온으로 작용하는 살리실레이트(salicylate)이온에 대한 방해작용을 제거하는 것에 관한 것이다.
이온 선택성 막을 장착한 전극은 크게 두 가지 형태로 나누어 질 수 있다. (a)는 재래식 이온 선택성 막 전극의 단면도를 나타내고, (b)는 고체상 이온 선택성 막 전극의 단면도를 나타내는 첨부도면 제1도에서 나타낸 것처럼 이온 선택성 막(50)과 내부기준전극(30)(inner reference metal electrode) 사이에 내부기준용액(40)(inner reference filling solution)을 가지고 있어야 하는 재래식 이온 선택성 막 전극(conventional ion-selective membrance electrode)과 이를 필요로 하지 않는 고체상 이온 선택성 막 전극(solid-state ion-selective membrance electrode)이 있다. 고체상 전극이 갖는 장점은 (1) 내부기준용액을 필요로 하지 않으므로 소형화에 유리하며, (2) 한 개의 소자(chip)에 여러 이온을 동시에 검출할 수 있는 다중센서(multisensor)의 개발이 용이하고, (3) 대량 생산이 가능하므로 가격의 저렴함까지 가져 올 수 있다는 것이다. 또한 이와 같은 소자 자체가 갖는 장점 뿐 아니라(4) 감응부의 소형화에 따른 시료의 미량 사용이 가능하다는 장점을 갖는다. 재래식 이온 선택성 막 전극의 경우 전극체에서 이온 선택성 막(50)을 고정체(20)로 고정시켜 막(50)의 이탈을 막아줄 수 있으나, 고체상 전극의 경우 이온 선택성 막(50)이 전극 표면에 아무런 고정체도 없이 노출되어 있으므로 이온 선택성 막의 전극 표면에 대한 접착력이 전극의 수명 및 전기화학적인 특성을 결정짓는 중요한 요인으로 작용한다.
이온 선택성 막의 일반적인 조성은 지지체로 사용되는 고분자와 특정 이온에 대한 선택성을 부여하는 이온 선택성 물질(ionophore), 그리고 비휘발성 유기용매인 가소제(plasticizer)로 이루어져 있다. 이때 고분자 지지체는 고체상 전극 표면과의 접착을 결정하는 중요한 요소로 작용한다.
지금까지 가장 보편적으로 사용되고 있는 고분자 지지체는 폴리(비닐 클로라이드)(PVC)이다. PVC는 지금까지 알려진 어떤 물질보다도 가장 우수한 전기화학적인 특성을 가지고 있어 각종 이온 선택성 막의 지지체로 널리 이용되어 왔다. 그러나 PVC-지지체 이온 선택성 막은 이온 선택성 막과 고체상 전극 표면 사이의 계면의 불안정으로 인한 감응성의 감소나, 약한 접착력으로 인해 고체상 전극에 장착하였을 경우 수명이 짧다는 것이 문제가 되어 왔다.
이를 개선하기 위한 기존의 기술로는 접착제나 외부 고정물질을 사용하는 방법, 기존의 PVC를 변형시킨 히드록시화된 PVC, 카르복시화된 PVC등을 이용하는 방법이 연구되어 왔다. 그러나 이러한 방법을 사용한 이온 선택성 막은 전기적 수행 능력이 떨어지고, 외부 고정체가 있으면 소형화에 불리한 요인으로 작용하며, 따라서 PVC 유도체의 이용은 접착력의 증가에 한계가 있으므로 좋은 방법이 될 수 없었다. 최근들어 접착제로 널리 알려진 실리콘 러버를 이온 선택성 막의 지지체로 사용하고자 하는 연구가 활발히 진행되어 왔다. 현재까지 실리콘 러버를 지지체로 이용한 양이온 선택성 막에 대한 사용이 보고된 바 있으나, 대부분 칼륨(potassium; K+)이온 선택성 막에 국한되어 있었고, 음이온 선택성 막에 대해서는 현재까지 그 응용성을 찾지 못하고 있어 고체상 음이온 센서의 개발에 어려움을 주고 있었다.
대표적 음이온 선택성 막 중의 하나인 염화이온 선택성 막의 경우 상용화를 위한 센서 개발에서의 주요 관심사는 고체상 전극으로의 개발 뿐 아니라 생체시료내의 염화이온 측정에서 아스피린과 같은 진통제 등을 복용한 환자에게서 소량 존재하는 살리실레이트이온에 의한 방해작용을 제거하는 것 또한 주요 연구대상이 되어 왔다. 이때 염화이온과 살리실레이트이온의 임상학적 농도 범위는 각각 95~110mM과 0.15~1.0mM이다. 그러나, 살리실레이트이온에 의한 방해작용을 제거하기 위한 기존의 기술은 아직까지 보고된 바 없었다.
이에 본 발명의 발명자들은 우수한 접착력을 가진 실리콘 러버를 이용해 고체상 전극에 사용할 수 있는 이온 선택성 막을 개발하는 것과 염화이온 선택성 막을 이용한 생체물질 중 염화이온의 정량 분석시 살리실레이트이온에 대한 방해작용을 제거하기 위해, 이온 선택성 물질의 종류 및 함량변화, 가소제의 종류 및 함량변화를 시도하였다.
따라서, 본 발명의 목적은 전술한 종래의 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 고체상 전극 표면에 대한 접착력과 전기화학적 성질이 우수하여 염화이온에 대한 감응성의 문제 및 짧은 수명의 문제를 해소시킴으로써 염화이온 센서의 소형화를 가능하게 하는 막으로서, 염화이온 센서의 고체상 전극 표면에 형성되는 이온 선택성 막을 형성하기 위한 조성물을 제공하는 데에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 생체 물질 중 염화이온의 정량 분석시 살리실레이트이온에 의한 방해 작용을 받지 않는 막으로서, 염화이온 센서의 고체상 전극 또는 재래식 전극에 적용될 수 있는 염화이온 선택성 막을 형성하기 위한 조성물을 제공하는 데에 있다.
더욱이, 본 발명의 또 다른 목적은 피측정 물질중의 염화이온의 정량 분석시 수산화이온에 의한 방해작용을 받지 않는 피측정 물질중의 염화이온 정량 분석 방법을 제공하는 데에 있다.
그리고, 본 발명의 또 다른 목적은 고체상 전극 표면에 대한 접착력과 전기화학적 성질이 우수하여 염화이온에 대한 감응성의 문제 및 짧은 수명의 문제를 해소시킴으로써 염화이온 센서의 소형화를 가능하게 하는 동시에 생체물질 중 염화이온의 정량 분석시 살리실레이트이온에 의한 방해작용을 받지 않는 이온 선택성 막을 염화이온 센서의 고체상 전극 표면상에 형성하는 방법을 제공하는 데에 있다.
여전히, 본 발명의 다른 목적은 생체 물질 중 염화이온의 정량 분석시 살리실레이트 이온에 의한 방해작용을 받지 않는 막으로서, 염화이온 센서의 재래식 전극에 구비되는 이온 선택성 말을 제조하는 방법을 제공하는 데에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 제1특징으로서, 실리콘 러버 80~99중량% 및 이온 선택성 물질로서 테트라데실트리메틸암모늄 클로라이드 1~20중량%로 이루어진 것을 특징으로 하는 염화이온 센서의 재래식 전극 또는 고체상 전극에 적용되는 이온 선택성 막을 형성하기 위한 조성물을 제공한다.
또한, 본 발명은 제2특징으로서, 실리콘 러버 40~98중량%, 이온 선택성 물질로서 테트라데실트리메틸암모늄 클로라이드 1~20중량% 및 유용성 가소제 1~40중량%로 이루어진 것을 특징으로 하는 염화이온 센서의 재래식 전극 또는 고체상 전극에 적용되는 이온 선택성 막을 형성하기 위한 조성물을 제공한다.
그리고, 본 발명은 제3특징으로서, 염화이온 센서의 고체상 전극 표면에 이온 선택성 막을 형성하기 위한 방법에 있어서, 실리콘 러버 80~99중량% 및 이온 선택성 물질로서 테트라데실트리메틸암모늄 클로라이드 1~20%중량로 이루어진 조성물을 유기 용매에 녹여서 고체상 전극 표면에 코팅하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 제4특징으로서, 염화이온 센서의 고체상 전극 표면에 이온 선택성 막을 형성하기 위한 방법에 있어서, 실리콘 러버 40~98중량%, 이온 선택성 물질로서 테트라데실트리메틸암모늄 클로라이드 1~20중량% 및 유용성 가소제 1~40중량%로 이루어진 조성물을 유기 용매에 녹여서 고체상 전극 표면에 코팅하는 공정을 특징으로 하는 방법을 제공한다.
그리고, 본 발명은 제5특징으로서, 염화이온 센서의 재래식 전극에 구비되는 이온 선택성 막을 제조하기 위한 방법에 있어서, 실리콘 러버 80~99중량% 및 이온 선택성 물질로서 테트라데실트리메틸암모늄 클로라이드 1~20중량%로 이루어진 조성물을 유기 용매에 녹여서 용액을 형성하는 공정, 및 상기의 용액을 유리판 또는 테프론 위의 유리링에 부어서 건조시킨 후 성형하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 제6특징으로서, 염화이온 센서의 재래식 전극에 구비되는 이온 선택성 막을 제조하기 위한 방법에 있어서, 실리콘 러버 40~98중량%, 이온 선택성 물질로서 테트라데실트리메틸암모늄 클로라이드 1~20중량% 및 유용성 가소제 1~40중량%로 이루어진 조성물을 유기 용매에 녹여서 용액을 형성하는 공정, 및 상기의 용액을 유리판 또는 테프론 위의 유리링에 부어서 건조시킨 후 성형하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.
끝으로, 본 발명은 제7특징으로서, 생체 시료를 완충 용액으로 희석하여 상기 생체 시료를 pH 5.5~10.5로 고정시키는 공정, 및 상기의 고정된 pH값을 지니는 생체 시료를, 상기의 제1특징 또는 제2특징에 따른 조성물로 형성된 염화이온 선택성 막을 구비하는 염화이온 센서를 사용하여 정량 분석하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 수산화이온에 의한 방해작용을 받지 않는 생체 시료중의 염화이온의 정량 분석 방법을 제공한다.
본 발명에 있어서, SR-지지체 염화이온 선택성 막의 제조를 위해 사용된 이온 선택성 물질로는 금속포르피린(metalloporphyrin)계나 4차 암모늄 염(quatemary ammoulum salt) 등을 사용할 수 있으나, 4차 암모늄 염인 테트라데실트리메틸암모늄 클로라이드를 이온 선택성 물질로 1wt%~20wt%까지 사용하는 것이 바람직하고 가소제는 비스(2-에틸헥실)아디페이트, 비스(2-에틸헥실)세바케이트, 2-니트로페닐 옥틸 에테르, 디에틸 숙신에이트, 디옥틸 말레이트, 디운데실 프탈레이드 등이 이용될 수 있다. 상기의 가소제 중에서 비스(2-에틸헥실)세바케이트가 SR-지지체 염화이온 선택성 막에 가장 적합하며, 이는 0wt%~40wt%까지 사용하는 것이 바람직하다. 본 발명의 명세서에 나타낸 염화이온 선택성 막의 조성은 표 1에 나타내었다.
※ 주) : PVC = 폴리(비닐 클로라이드)
SR = 실리콘 러버
TDMACI = 트리도데실메틸암모늄 클로라이드
TDTMACI = 테트라데실트리메틸암모늄 클로라이드
DOA = 비스(2-에틸헥실)아디페이트
이하, 본 발명에 따른 조성물로 형성된 염화이온 선택성 막의 효과를 첨부 도면에 의거하여 설명하기로 한다.
하기의 각각의 실험에 있어서, 재래식 염화이온 센서에 구비되는 이온 선택성 막을 제조하기 위하여, 상기의 표 1에서 제시된 조성물을 테트라히드로푸란 용매에 녹인 후 이를 유리판이나 테프론 위의 유리링 위에 부어 실온에서 1~3일 정도 건조하여 성형하고, 이와 같이 제조된 이온 선택성 막을 펀치 등을 사용하여 잘라낸 후 재래식 전극에 장착하여 실험하였다. 다른 한편으로, 고체상 전극에 염화이온 선택성 막을 형성하기 위해서는 테트라히드로푸란 용매에 조성물을 녹인 용액을 마이크로실린지(microsyringe) 등을 이용하여 고체상 전극 표면에 코팅한 후 건조시켰다.
제2도는 재래식 전극체에 장착된 PVC-지지체와 SR-지지체에 이온 선택성 물질로 트리도데실메틸암모늄 클로라이드와 테트라데실트리메틸암모늄 클로라이드를 사용하여 형성한 염화이온 선택성 막의 유니버셜 pH 5.5 완충 용액에서의 염화이온에 대한 감응성을 나타낸 것이다. ㄱ은 트리도데실메탈암모늄 클로라이드를 이온 선택성 물질로 사용하여 형성한 염화이온 선택성 막의 그래프이고, ㄴ은 테트라데실트리메틸암모늄 클로라이드를 이온 선택성 물질로 사용하여 형성한 염화이온 선택성 막의 감응성 그래프이다. PVC-지지체 염화이온 선택성 막(표 1의 조성 1)에서는 트리도데실메틸암모늄 클로라이드를 이온 선택성 물질로 사용하여 형성한 막이 염화이온에 대해 우수한 감응을 나타낸 반면 SR-지지체 염화이온 선택성 막(표 1의 조성 2)에서는 테트라데실트리메틸암모늄 클로라이드를 이온 선택성 물질로 사용하여 형성한 염화이온 선택성 막이 염화이온에 대한 감응이 더 큰 것을 볼 수 있다.
제3도는 재래식 전극체에 장착된 PVC-지지체(표 1의 조성 1)와 SR-지지체(표 1의 조성 2) 염화이온 선택성 막의 유니버셜 pH 5.5 완충 용액에서 살리실레이트이온에 대한 감응성을 나타낸 것이다. ㄱ은 트리도데실메틸암모늄 클로라이드를 이온 선택성 물질로, ㄴ은 테트라데실트리메틸암모늄 클로라이드를 이온 선택성 물질로 사용하여 형성한 염화이온 선택성 막의 감응성 그래프이다. 두 경우 모두 테트라데실트리메틸암모늄 클로라이드를 이온 선택성 물질로 사용하여 형성한 염화이온 선택성 막이 살리실레이트이온에 의한 방해작용이 적음을 볼 수 있다.
제4도는 가소제를 첨가하여 형성한 SR-지지체 염화이온 선택성 막(표 1의 조성 5)을 재래식 전극에 장착하여 유니버셜 pH 5.5 완충 용액에서의 염화이온(a)과 살리실레이트이온(b)에 대한 감응특성의 그래프이다. 이 막의 염화이온에 대한 감응성은 102M~3×101M영역에서의 기울기가 -36.6mV으로 이론값인 -59mV 보다는 작지만 살리실레이트이온의 방해작용이 적으므로 실제 사용화 될 염화이온 센서에 적용할 수 있다는 것을 알 수 있다.
제5도는 가소제를 첨가하지 않은 조성물로 형성한 염화이온 선택성 막(표 1의 조성 6)을 재래식 전극에 장착하여 유니버셜 pH 5.5 완충 용액에서의 염화이온(a)과 살리실레이트이온(b)에 대한 감응특성을 나타낸 그림이다. 이 막의 염화이온에 대한 10-2M~3*10-1M영역에서의 감응 기울기는 -39mV로, 가소제를 첨가하여 형성한 염화이온 선택성 막과 같이 염화이온 센서에 적용할 수 있을 것으로 보인다.
제6도는 가소제를 첨가하여 형성한 SR-지지체 염화이온 선택성 막(표 1의 조성 5)의 수산화이온에 대한 감응특성 그래프이다. 이 막은 pH 5.5~10.5 영역에서 pH 변화에 따른 감응변화가 없기 때문에 pH 7.4인 혈액에서 수산화이온의 방해작용 없이 염화이온의 농도를 측정할 수 있다는 것을 알 수 있다.
제7도는 가소제를 첨가하여 형성한 SR-지지체 염화이온 선택성 막(표 1의 조성 5)을 고체상 전극에 장착시켜 유니버셜 pH 7.4 완충 용액에서 각 이온에 대한 감응특성을 나타낸 그림이다. (a)는 염화이온에 대한 감응 곡선으로 102M~3×101M영역에서 감응 기울기가 -33.3mV로, 고체상 전극에서도 정상적으로 작동함을 볼 수 있고 살리실레이트이온에 대한 방해작용도 재래식 전극에 장착했을 때와 마찬가지로 거의 영향을 받지 않는 것을 볼 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 조성물에 의해 고체상 전극 표면에 형성된 염화이온 선택성 막은 고체상 전극 표면에 대한 접착력과 전기 화학적 성질이 우수하여 염화이온에 대한 감응성의 문제 및 짧은 수명의 문제를 해소하여 염화이온 센서의 소형화를 가능하게 한다. 또한, 본 발명에 따른 조성물로 형성된 염화이온 선택성 막이 적용되는 재래식 전극 또는 고체상 전극은 이들을 구비한 염화이온 센서를 사용하여 생체물질 중 염화이온의 정량 분석시 살리실레이트이온에 의한 방해작용을 받지 않을 뿐만 아니라 pH 5.5~10.5 범위의 생체물질에서 수산화이온에 의한 방해작용을 받지 않음으로써, 측정의 신뢰도를 한층 더 향상시킬 수 있다는 효과가 있다.

Claims (6)

  1. 실리콘 러버 80~99중량% 및 이온 선택성 물질로서 테트라데실트리메틸암모늄 클로라이드 1~20중량%으로 이루어진 것을 특징으로 하는 염화이온 센서의 고체상 전극에 적용되는 이온 선택성 막을 형성하기 위한 조성물.
  2. 실리콘 러버 40~98중량%, 이온 선택성 물질로서 테트라데실트리메틸암모늄 클로라이드 1~20중량% 및 유용성 가소제 1~40중량%로 이루어진 것을 특징으로 하는 염화이온 센서의 고체상 전극에 적용되는 이온 선택성 막을 형성하기 위한 조성물.
  3. 제2항에 있어서, 유용성 가소제는 비스(2-에틸헥실)아디페이트, 비스(2-에틸헥실)세바케이트, 2-니트로페닐 옥틸 에테르, 디에틸 숙신에이트, 디옥틸 말레이트, 및 디운데실 프탈레이트로 이루어진 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 조성물,
  4. 염화이온 센서의 고체상 전극 표면에 이온 선택성 막을 형성하기 위한 방법에 있어서, 실리콘 러버 80~99중량% 및 이온 선택성 물질로서 테트라데실트리메틸암모늄 클로라이드 1~20중량%로 이루어진 조성물을 유기 용매에 녹여서 고체상 전극 표면에 코팅하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 염화이온 센서의 고체상 전극 표면에 이온 선택성 막을 형성하기 위한 방법에 있어서, 실리콘 러버 40~98중량%, 이온 선택성 물질로서, 테트라데실트리메틸암모늄 클로라이드 1~20중량% 및 유용성 가소제 1~40중량%로 이루어진 조성물을 유기 용매에 녹여서 고체상 전극 표면에 코팅하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제5항에 있어서, 유용성 가소제는 비스(2-에틸헥실)아디페이트, 비스(2-에틸헥실)세바케이트, 2-니트로페닐 옥틸 에테르, 디에틸 숙신에이트, 디옥틸 말레이트, 및 디운데실 프탈레이드로 이루어진 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
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