JP2000346807A - 電気化学発光検出器用比較電極 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】長期間安定な電位を発生するイオン選択電極，
酵素電極等の電位計測型の化学センサー及び電気化学発
光を利用した免疫分析装置用検出器等の基準電位参照用
として用いられる比較電極を安価に提供する。 【解決手段】液絡部に吸水率が６〜１４％の多孔性セラ
ミックが固着され、筐体が光透過性のないプラスチック
材料よりなり、内部電極が銀／塩化銀電極でその内部液
が過飽和塩化カリウム溶液及び塩化銀粉末から構成され
ている電気化学発光検出器用比較電極。コストアップす
ることなく従来の比較電極に比し少なくとも２倍以上期
間安定に使用可能なイオン選択電極，酵素電極等の化学
センサー及び電気化学発光を利用した免疫分析装置用検
出器等の基準電位参照用として好適な比較電極を安価で
提供できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、主に医療用の臨床
検査の分野で利用される血液，尿などの体液中に含まれ
る種々の成分を定量分析するための電位計測型の化学セ
ンサー及び電気化学発光を利用した免疫分析装置用検出
器の他、電気化学の基礎分野で行われる３電極方式によ
るボルタンメトリー計測の基準電位参照用として用いら
れる比較電極に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】溶液中に含まれるイオン等様々な化学成
分を定量分析するための化学センサーにおいて、より精
度の良い計測を行うためには原理上常に一定の電位を発
生する比較電極が対として必要である。また、電気化学
発光を利用した免疫分析装置用検出器の他、３電極方式
によるボルタンメトリー計測においてもより同様に作用
電極の電位がどこに設定されるかが最も重要であり、こ
の電位の基準となる比較電極が必要となる。このような
要求から、従来より電気化学測定法（上）（技報堂出
販）ｐ８９〜ｐ１０１に示されるように様々な比較電極
が提案されてきた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ここで、電位計測型の
化学センサー及び電気化学発光を利用した免疫分析装置
用検出器の他、３電極方式によるボルタンメトリー計測
の基準電位参照用比較電極として理想的なものを考えて
みると以下のような性質をもっていることが重要とな
る。即ち、 １）内部電極表面での電極反応が可逆であり内部液中の
ある化学種とネルンスト応答すること。

【０００４】２）その電位が、保存時及び使用時におい
て時間に対して安定であること。

【０００５】３）その電位が、微少電流が流れてもすぐ
に最初の電位に戻ること。

【０００６】４）内部電極が銀／塩化銀電極の場合、固
体層がより長時間内部液中で溶解せず安定なこと。

【０００７】であるが、これらの項目のうち本発明が解
決しようとする課題は主として２）から４）項すなわち
比較電極の短期的及び長期的な安定性に関することであ
る。

【０００８】本発明が主に用いられる臨床検査用分析装
置においては、各測定項目に対しより信頼性のある計測
が求められるのはもちろんのこと、緊急検体測定要求な
ど不意の計測に対応するため部品交換等による装置停止
時間をできるだけ低減し稼働率の低下をまねかないよう
にすることが望ましい。

【０００９】このため、従来より臨床用の生化学，免疫
分析装置等に用いられる化学センサーあるいは電気化学
発光を利用した検出器においては、本体はもちろんのこ
と比較電極に関してもより寿命の長く安価でメンテナン
ス等の不要なものの開発が望まれてきた。

【００１０】

【課題を解決するための手段】かかる課題を解決するた
めに本発明においては以下の手段を用いた。すなわち、 １）対象となる化学センサーあるいは検出器等との流路
をつなぎ内部液との電気的導通を確保するために比較電
極筐体先端に設けられた液絡部を多孔性セラミックを埋
め込むことにより構成し、かつそのセラミックの多孔度
を表わす指標である吸水率を６〜１４％としたこと。

【００１１】２）比較電極筐体を素材そのものが遮光性
を持つものかあるいは遮光性を確保する目的で黒色等の
染料を混入したプラスチックで構成したこと。

【００１２】３）比較電極筐体先端の液絡部に多孔性セ
ラミックを埋め込み、かつその周囲にゴム製のＯ−リン
グを埋め込み、比較電極の保存時に際してはそれら多孔
性セラミック及びＯ−リングが埋め込まれた比較電極筐
体先端の端面を覆う形で液漏れ防止用の部品を装着する
構造としたこと。

【００１３】４）内部電極を銀／塩化銀電極とし、かつ
内部液を飽和の塩化カリウム溶液及び塩化銀粉末で構成
したこと。

【００１４】ここで、上記各手段の作用について記述す
る。

【００１５】手段１）では、液絡部を多孔性セラミック
で構成しかつそのセラミックの多孔度を表わす指標であ
る吸水率を６〜１４％とした。液絡部を構成するための
材料としては、ガラス，白金，セロファン等が考えられ
るがこれらに比し多孔性セラミックは安価でかつ取り扱
いが容易である利点を持つ。また、吸水率を６〜１４％
としたのは、電極内部液を液絡部端面よりわずかに流出
させて内部電極と対象となる検出器等との流路間の電気
的導通を確保すると共に、液絡部の物理的，化学的環境
を長期間保ち安定な電位を確保するためである。ここ
で、吸水率が６％以下の場合は、多孔性セラミックが過
剰に緻密となり液絡部を挟んだ比較電極内外間の抵抗が
１００ｋΩ以上と高くなる。その結果分析装置本体から
発生する電気的ノイズ等の影響を受けることなく安定な
電極電位を取り出すためには特殊かつ高価な電気回路が
必要となる。さらに液絡部が結晶化した塩化カリウム等
により目づまりしやすくなり対象となる検出器等の流路
と電極内部液間に保たれるべき電気的導通を長期間安定
に確保するのが難しくなる。また、吸水率を１４％以上
にした場合は、液絡部端面より微量ずつ流出されるべき
電極内部液が過剰に流出し液絡部周辺の物理的，化学的
環境を不安定にするとともに電極内部液が急速に失わ
れ、その結果規定の比較電極寿命を満たす前に使用不能
の状態になる。

【００１６】手段２）では、比較電極筐体を遮光性を持
つものかあるいは遮光性を確保する目的で黒色等の染料
を混入したプラスチックで構成することとした。一般に
内部電極となる銀／塩化銀電極は紫外線により劣化し一
定の電位を保てなくなる。この現象を極力防止するため
には比較電極筐体を遮光性の材料で構成し銀／塩化銀電
極に直接紫外線が当たらないようにすることが必要であ
る。

【００１７】手段３）では、比較電極筐体先端に埋め込
まれた多孔性セラミックからなる液絡部の周囲にゴム製
のＯ−リングを埋め込む構造をとった。これにより比較
電極使用時に対象となる検出器等の流路と比較電極間に
保たれるべき気密性を容易に確保でき、それにより液絡
部周辺の物理的，化学的環境の安定性をより長期間維持
することができる。また、比較電極保存時に多孔性セラ
ミック及びＯ−リングが埋め込まれた比較電極筐体先端
の端面を覆う形で液漏れ防止用の部品を装着する構造を
取ることにした。これにより電極内部液中の塩化カリウ
ム溶液が液絡部先端から流出，結晶化し比較電極が動作
不能となるのを防止するとともに比較電極内部液流出あ
るいは水分の蒸散を極力防止して、規定期間内において
内部液濃度の変化による電位変動の少ない安定な比較電
極を安価に提供することができる。

【００１８】手段４）では、内部電極を銀／塩化銀電極
とし、かつ電極内部液を過飽和の塩化カリウム溶液及び
塩化銀粉末で構成することとした。銀／塩化銀電極は安
価でありその発生電位も紫外線下におかれない限りは比
較的安定であるが電極周辺の内部液濃度が変化すればそ
の電位はネルンストの式に従い濃度に対数比例して変化
する。従って安定な電位を長期間保つには常に内部液濃
度を一定に保たねばならない。ここで、比較電極を臨床
用の生化学あるいは免疫分析装置上で使用した場合にお
いて、測定回数が重なるにつれ電極内部液中の塩化カリ
ウムが測定対象となる溶液との濃度勾配により流出し濃
度が低下する現象が見られた。その対策として手段４）
では電極内部液としてあらかじめ過飽和の塩化カリウム
溶液を封入することとしたが、この場合電極内部液中の
塩化カリウム濃度が高いと内部電極表面の塩化銀が電極
内部液中に溶解していき安定な電位を確保することがで
きなくなる。そのため塩化銀粉末をあらかじめ添加して
おき溶解度平衡の原理により塩化銀の電極内部液中への
溶解を最小限にすることとした。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下に、本発明による一実施例を
図１〜図４により説明する。

【００２０】図１に血液中の微少な成分を免疫反応およ
び電気化学発光を利用して計測する分析装置の検出器用
として開発された比較電極の断面構造を示す。図１にお
ける比較電極は対象となる電気化学発光検出器の流路に
対し２の液絡部周辺に刻まれたネジによりねじ込み固定
される。比較電極筐体１は紫外線の透過を防ぐため黒色
ＡＢＳ樹脂で作られその筐体１先端の液絡部２には、吸
水率１０％前後のアルミナ製多孔性セラミック３が固着
されている。一方、内部電極５は直径１mm，長さ１５mm
の銀／塩化銀電極よりなり、その電極内部液４は、２.
０ｍｌ の過飽和塩化カリウム溶液に加えて、０.０２ｇ
の塩化銀粉末が添加され構成される。また、この内部
電極４の一方の先端はコネクタを介してポテンショスタ
ット等を含む電気回路へと接続されている。この電気回
路には対象となる検出器本体に設置されている白金製の
作用電極、及びその対極が同様に接続されておりこの３
電極により電気化学的発光回路が構成される。

【００２１】ここで、検出器内の作用電極上に一定のシ
ーケンスで導かれ磁力等により一時的に留め置かれるル
テニウム錯体等の発光標識をあらかじめ結合させられて
いる試料に前記電気化学的発光回路を用いて一定の電圧
を与えると、前記試料はその濃度に比例した一定波長の
光を発する。この光の量を光電子増倍管等を用いて検出
し、あらかじめ濃度既知の試料を用いて作成した検量線
と比較することにより濃度未知の試料の濃度が算出され
る。

【００２２】図２に比較電極保存時に比較電極筐体１先
端の液絡部２を覆う形で内部液蒸発防止用の部品として
ネジ付きキャツプ６を装着した状態の断面図を示す。図
において比較電極筐体１先端の液絡部２にはゴム製のＯ
−リング３が埋め込まれ、ネジ付きキャツプ６が液絡部
２の周辺に刻まれたネジにより比較電極筐体１にねじ込
み固定される際にネジ付きキャツプ６内面の端面にわず
かに接触するようになっている。これにより、電極内部
液中の塩化カリウム溶液の液絡部先端から流出や結晶化
により比較電極の動作不能となること、あるいは内部液
の水分蒸発に起因する内部液濃度の変化及びそれに伴う
発生電位の変動を極力防止でき室温で少なくとも１年以
上の保存が可能となる。

【００２３】図３に従来の比較電極と本発明による比較
電極を用いて行った使用時の起電力安定性の比較試験の
結果を示す。図において横軸は比較電極を用いた電気化
学的発光検出器に対して負荷された測定回数を示し、縦
軸はその時の比較電極の起電力を示す。また、８のグラ
フは従来の比較電極の使用寿命試験結果を示し９は本発
明による改良後の比較電極の使用寿命試験結果を示す。

【００２４】本試験においては用いた比較電極は電極内
部液組成のみ変化させ他の構成要素は同一とした。すな
わち、比較電極筐体１は黒色ＡＢＳ樹脂によるプラスチ
ックとし、筐体１先端の液絡部２には吸水率１０％前後
のアルミナ製多孔性セラミック３を固着した。電極内部
液４は、従来の比較電極が２.０ｍｌ の飽和塩化カリウ
ム溶液のみを用いたのに対し本発明による改良後の比較
電極では２.０ｍｌ の過飽和塩化カリウム溶液に加えて
０.０２ｇ の塩化銀粉末を添加した。内部電極５は銀／
塩化銀電極を用いた。ここで図から明らかなように、本
発明による比較電極では５０,０００ 回の測定後におけ
る内部電極５の起電力がほとんど変化していないのに対
し、従来の比較電極を用いた場合においては負荷開始後
徐々に起電力が上昇し、５０,０００ 回測定後における
内部電極５の起電力の変化が初期に対して±１０ｍＶ以
下でなければならないとした仕様に対して２０,０００
回の測定後において既に＋１０ｍＶ以上と仕様を満たさ
なくなっていることが分かる。以上より、本発明による
比較電極は従来の比較電極に比し少なくとも２倍以上の
期間安定に使用可能であると判断される。

【００２５】図４に液絡部２に固着されるアルミナ製多
孔性セラミック３の吸水率を変化させたときの比較電極
寿命（使用時及び保存時）の比較実験結果を示す。ここ
でいう寿命とは、先に示した５０,０００ 回の測定後に
おける内部電極の起電力の変化が初期に対し±１０ｍＶ
以下でなければならないこと（使用時）、１年間室温保
存した後使用開始しても正常に動作しかつ内部電極の起
電力の変化が初期に対し±１０ｍＶ以下でなければなら
ないこと（保存時）いう仕様に基づき、仕様を満たさな
くなった時の測定回数（使用時）あるいは仕様を満たさ
なくなった時の月数（保存時）をもって判断した。

【００２６】図において１１は使用寿命の試験結果を、
１０は保存寿命の試験結果を表わす。ここで用いた比較
電極は、比較電極筐体１が黒色ＡＢＳ樹脂からなるプラ
スチックであり、筐体１先端に設けられた液絡部２には
吸水率１０％前後のアルミナ製多孔性セラミック３が固
着されている。また、電極内部液４は２.０ｍｌ の飽和
塩化カリウム溶液に０.０２ｇ の塩化銀粉末が添加され
ている。この場合、図から明らかなようにアルミナ製多
孔性セラミック３の吸水率が１４％以下で使用寿命がほ
ぼ一定(７５,０００回前後）となることが分かるが、既
に作用の項で記述したように液絡部２に吸水率が小さす
ぎる多孔性セラミックを用いた場合、液絡部２を挟んだ
比較電極内外間の抵抗が１００ｋΩ以上と高くなって分
析装置本体から発生する電気的ノイズ等の影響を受け易
くなり、比較電極から安定な起電力を取り出すために特
殊な電気回路が必要となり結果として高価な装置となる
こと、また吸水率が６％以下では比較電極保存中に液絡
部が目づまりしやすくなり電気的導通を確保するのが難
しくその結果６ヶ月程度の保存寿命しか確保できないこ
とから、請求項１に示したように臨床用の生化学あるい
は電気化学発光を利用した免疫学的分析装置の検出器用
に使用する場合は多孔性セラミックの吸水率を６〜１４
％とすることがが望ましい。

【００２７】また、この比較電極において保存時電極内
部液中の塩化カリウム溶液が液絡部２先端から流出、結
晶化して比較電極が動作不能となったり、内部液４中の
水分の蒸発による電極内部液濃度の変化を極力防止する
ため液絡部２先端を覆う形でネジ付きキャップ６を設け
た。比較電極保存時、このネジ付きキャップ６をしめる
と比較電極筐体１先端の液絡部２周辺に埋め込まれたゴ
ム製のＯ−リング７との相互作用により液絡部２先端が
封止され、少なくとも、室温で１年以上保存した後でも
仕様内で安定な起電力を得ることができた。

【００２８】

【発明の効果】コストアップすることなく従来の比較電
極に比し少なくとも２倍以上の期間安定に使用できるイ
オン選択電極，酵素電極等の化学センサー及び電気化学
発光を利用した免疫分析装置用検出器等の基準電位参照
用として好適な比較電極を容易に提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による比較電極内部構造を表す断面図。

【図２】本発明による比較電極保存時の液漏れ防止用の
部品を装着した状態を示す断面図。

【図３】本発明による比較電極と従来の比較電極を用い
て行った使用寿命試験結果を示すグラフ。

【図４】多孔性セラミックの吸水率を変化させたときの
使用及び保存寿命試験結果を示すグラフ。

【符号の説明】

１…比較電極筐体、２…液絡部、３…多孔性セラミッ
ク、４…電極内部液、５…内部電極、６…液漏れ防止用
部品（ネジ付きキャップ）、７…Ｏ−リング、８…従来
品の比較電極を使用した時の使用寿命試験結果を示すグ
ラフ、９…本発明による比較電極を使用した時の使用寿
命試験結果を示すグラフ、１０…吸水率の異なる種々の
多孔性セラミックを用いた時の保存寿命試験結果を示す
グラフ、１１…吸水率の異なるを種々の多孔性セラミッ
ク用いた時の保存寿命試験結果を示すグラフ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０１Ｎ 27/42 ３１１ Ｇ０１Ｎ 33/483 Ｆ 33/483 Ｃ 33/543 ５７５ 33/543 ５７５ 27/30 ３１３Ａ // Ａ６１Ｂ 5/145 Ａ６１Ｂ 5/14 ３１０

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電気化学発光を利用した免疫分析装置用検
   出器等の基準電位参照用として用いられる比較電極にお
   いて、比較電極筐体がプラスチックにより形成され、そ
   の内部に充填される電極内部液が主として塩化カリウム
   溶液で構成され、その電極内部液に浸漬される形で基準
   電位発生用の銀／塩化銀電極を持ち、また対象となる検
   出器等の流路をつなぎ電気的導通を確保するために比較
   電極筐体先端に設けられた液絡部を多孔性セラミックを
   埋め込むことにより構成し、かつそのセラミックは多孔
   度を表わす指標である吸水率が６〜１４％であることを
   特徴とする電気化学発光検出器用比較電極。
2. 【請求項２】請求項１の比較電極において、前記比較電
   極筐体を構成するプラスチックが遮光性を持つものであ
   るかあるいは遮光性を確保し得る染料を混入したもので
   あることを特徴とする電気化学発光検出器用比較電極。
3. 【請求項３】請求項１の比較電極において、前記比較電
   極筐体先端に埋め込まれた多孔性セラミックからなる液
   絡部の周囲にゴム製のＯ−リングが埋め込まれ、比較電
   極の保存に際してはそれら多孔性セラミック及びＯ−リ
   ングが埋め込まれた比較電極筐体先端の端面を覆う形で
   液漏れ防止用の部品が装着されていることを特徴とする
   電気化学発光検出器用比較電極。
4. 【請求項４】請求項１の比較電極において、前記比較電
   極の電極内部液が過飽和の塩化カリウム溶液と塩化銀の
   粉末から構成されていることを特徴とする電気化学発光
   検出器用比較電極。