JPH0287055A - センサの較正液及び較正法 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、血液、体液等を扱う医用分野や臨床応用、生
化学分野のイオン濃度やガス分圧濃度変化系あるいはタ
ンパク質共存系におけるイオン濃度を固体膜型電極を有
するイオンセンサやガスセンサで測定する場合の較正液
及び較正法に関する。

［従来の技術］ 従来、血液や体液等を被検液として、そのｐＨ値やガス
分圧濃度を測定する場合、一般にＪＩＳ規格やＮＢＳ規
格（米国国立標準局規格）で定められた基準緩衡液、例
えばフタル酸塩やリン酸塩等の標準液を用い、ガラス電
極により測定がなされていた。又、この場合、比較電極
には、ガラス電極の内部電極と同一種類、同一構成のも
のが用いられていた。

［発明が解決しようとする問題点］ ｐＨセンサをはじめとする、イオンセンサは、いわゆる
イオン選択性電極を中心に、微小固体型電極又はこれに
準じた電極が広く医用センサに利用できることがわかり
臨床化学分野や人工臓器制御モニターとして実用化のき
ざしかある。しかし医用分野にセンサを応用する際、高
精度測定、温度補償が一般分析への要求より高く、これ
に対応させるのが難しいという問題があった。

ｐＨセンサを含むイオンセンサはイオン活量の変化に応
じた電極電位差として測定される。イオン活量とは、イ
オン濃度と活量係数の積である。

一般に使用されているｐＨ電極はガラス膜電極であり、
このｐＨの定義の ｐＨ＝−Ｉ２ｏｇ　　ａＨ＋・ＨＨＨＨＨ＋　　（］）
を使用することはできない。何故なら、実際、比較電極
液絡部における液間電位の存在又は測定不可能なイオン
活量係数によって、この値を厳密に求めることは不可能
である。したがって、単に内部液と外部測定液の水素イ
オン濃度から単に算術的に計算できるようなｐＨ値を定
義して使用している。

ここで、Ｒ：気体定数、Ｔ：絶対温度、Ｆ・ファラデ一
定数、Ｅ、、Ｅｓ：各溶液Ｘ及びＳ中で下記の電池の示
す起電力 Ｐｔ；Ｈ２溶液ＸまたはＳ／ 飽和Ｋ（１２液、飽和カロメル電極 ここで、ｐＨ，の溶液は標準液である。標準液として０
０５Ｍフタル酸水素カリウム溶液を使用しこのｐＨは１
５°Ｃにおいて３．９９８　　（０℃、４．０００　）
と定義されている。この標準法はＮＢＳに準拠し、これ
を日本で採用している。

以上のことから、ガラス膜以外の模型電極では、共存系
が他種イオン、蛋白種、アミノ酸その地膜電位に影響を
与える共存物質が存在する測定イオンによって膜表面の
電極電位差測定に影響が現われる。このことは上記（１
）式の定義に従って電極電位差よりｐＨを測定している
ためである。

このように、血液や体液等を被検液とする測定にあって
は、イオン濃度変化が小さいにも拘らず高い測定制度が
求められるが、上述のような一般的な測定方法を基準に
センサの較正を行なっても測定誤差が大きくなり、特に
医用分野における高精度のセンサを期待し得ないのであ
った。

従って、本発明の目的は、医用分野等のセンサによる高
精度の測定を可能にする校正液及較正法を提供すること
にある。

［課題を解決するための手段および作用］上記目的を達
成するために、本発明においては、上述の活量係数が、
そのイオンの荷電と溶液中の全イオン強度によって定ま
ることに着目したものである。

すなわち、イオン強度１と活量係数γ、との関係は、次
式に示すようなデバイーヒュッヶルの限界式によって表
わされる。

ここで、Ａ、Ｂ：溶媒の誘電率と温度によってきまる定
数、２．：イオン価、■：イオン強度ａ、：水和イオン
の有効半径 これより、あるイオンの活量係数は、その溶液中の全イ
オン強度に依存しているため測定イオンそのものの濃度
が一定であっても、共存する他種イオンの濃度変化によ
ってイオン強度すなわち活量係数が変化することが認め
られ、このイオン強度を被検液のイオン強度に実質的に
一致させるようにした。

すなわち、本発明では、基本的にいって、被検液のイオ
ン濃度を、固体膜型電極を備えたセンサで測定するもの
において、基準緩衡液にＮａＣｌ２を添加してイオン強
度を被検液のイオン強度に実質的に一致させて成る構成
のセンサの較正液を提案するものである。

上記構成により、精度誤差の少ないセンサによる測定が
可能である。

センサによる測定に当たっては、上記較正液を少なくと
も２種類、ｐＨ値の異なる標準較正液として作製し、こ
れらの標準較正液にセンサを浸漬して、それらの各較正
液中での起電力を測定し、これら各標準較正液のｐＨ値
に対する起電力より較正式（検量線）を作成する各工程
より成るセンサの較正法を提案するものである。

上記較正液の採用により、ｐＨセンサなどのイオンセン
サによる、より高精度の測定が可能である。

また、被検液が炭酸ガスや酸素ガスを含んでいて、イオ
ン濃度測定に加えてガス分圧濃度測定も行なう場合には
、基準緩衡液にＮａＣｆｆを添加してイオン強度を被検
液のイオン強度に実質的に致させるとともに、炭酸塩緩
衡液を所定量加えてイオン濃度を実質的に一定に維持し
て成る構成のセンサの較正液を提案するものである。

上記構成の較正液により、ｐＨセンサなどのイオンセン
サのみならず炭酸ガスセンサにも適用でき、高精度の測
定が可能な同時較正液が得られる。

これらイオンセンサならびにガスセンサによる測定にあ
たっては、上記較正液を少なくとも２種類、ｐＨ値およ
びガス分圧の異なる標準較正液として作製し、これらの
標準較正液にイオンセンサおよびガスセンサをそれぞれ
浸漬して、それらの標準較正液におけるイオンセンサお
よびガスセンサの起電力をプロットして、それぞれの較
正式を作成する各工程より成るセンサの較正法を提案す
るものである。

上記較正法の採用により、ｐＨセンサなどのイオンセン
サによる測定ならびに炭酸ガスなどのガスセンサによる
測定に当たってここに適合した較正式をもって、より高
精度の測定を同時に行なうことが可能である。

本発明では第１に基準緩衡液を作製するためにｐＨ値が
　７．４と　６．８　　をそれぞれ有するリン酸塩緩衝
液系の　ＮａＪＰＯ４，２２，５ｍＥｑ／　Ｊ２　　／
　ＮａＨ２ＰＯ４，６，８ｍＥｑ／　４２　　並びにＮ
ａ２ＨＰＯ４，２２，５ｍＥｑ／　１２／　ＮａＨ２Ｐ
Ｏ４，２２，５ｍＥｑ／　４２　　の混合溶液で調整し
た。これに、Ｎａ　Ｃβを添加してゆくとイオン強度が
変化する。すなわち、次式（４）に従う結果、リン酸塩
緩衝液中のＮａ＋イオン濃度が一定であっても、共存中
のＮａＣｌ溶液の解離によってイオン強度が変化する。

ｐＫ、　：　リン酸の解離定数 ｚ、：イオン価 Ｃ１：イオンモル濃度 ｎ　：下記で表わされる指数 緩衝液では、ＨｎＡ’−−Ｈｎ−＋Ａｌｎ”−＋Ｈ”Ａ
は上記（３）式の定数、　ＨＰＯ４０ＨＰＯ４”＋Ｈ＋
　の場合　ｎ＝１　　となる。

上記式（４）に基づいて、被検液のイオン強度に実質的
に合致するものでｐＨ値が異なる少な（とも２つの標準
較正液を作製し、それらにｐＨセンサなどのイオンセン
サを浸漬して生ずる各起電力をプロットして較正式を作
成する。

これによって、ｐＨセンサを含むイオンセンサのための
較正液ならびに較正法が得られる。

例えば、被検液としてヒト全血を扱う場合にはそのイオ
ン強度は個体差にもよるが、　０．０８〜０．１８であ
るから、これに合致するイオン強度を有する較正液を作
製すれば良い。

第２に、本発明において、イオン濃度の測定に加えて、
ガス分圧濃度を測定するイオンセンサ及びガスセンサを
同時に較正するための目的にかなった較正液の作成及び
較正法について以下概説する。

すなわち、例えば、ＣＯ□ガスが溶液中に溶解した場合
、次式 ％式％ より、溶液中の［Ｈ”］、つまり、ｐＨが変化すること
がわかる。

ここで、リン酸塩緩衝液系と同様に炭酸塩緩衡液系を用
いれば、ＣＯ２存在下において、溶液のｐＨを一定に保
つことができる。

炭酸塩緩衡液系では、炭酸の解離定数　Ｋαは、下式の
ようになる。

が成り立ち、 ヘンリーの法則より、 ここで、 溶解係数 ｐｅｏ２　：ｃｏ□分圧 両辺の対数をとると、 従って、一定のｐＨの較正液を調製するために一定濃度
の［ＨＣＯ３−］及び一定分圧濃度のＰ　ＣＯ２を維持
させる必要があることが認められる。

［ＨＣＯ３−］の濃度は、削代（４）におけるて、標準
較正液のｐＨ＝７．４及び　６．８の系で変化させ、式
（４）と（５）の交点より求めることができる。

又、本発明においては、被検液中に溶存するイオンある
いはタンパク質の荷電により固定膜型電極の膜表面に誘
起した荷電状態に着目したものである。

すなわち、本発明においては、被検液中のイオンあるい
はタンパク質の荷電状態が固体膜の表面に影響を与えて
いることを見出し、これに鑑みて、基準緩衡液にＮａＣ
ｌ２を添加して被検液中に溶存するイオンまたはタンパ
ク質が固体膜表面に誘起する荷電状態に一致させてなる
構成のセンサの較正液を提案するものである。

［実施例］ 以下、ｐＨセンサのみの較正を行なう第１の実施例と、
ｐＨセンサ及びガスセンサの同時較正を行なう第２の実
施例と被検液中に溶存するイオンやタンパク質の荷電状
態に一致させる較正に関する第３の実施例をそれぞれ添
付図面を参照して説明する。

第１の実施例 表１−Ａ及びｌ−Ｂで示すように、イオン強度が０．０
５．０．１０．０．１６．及び１．０　　とそれぞれ異
なる較正液組成を削代（４）に従って、ｐＨ値が７．４
付近（表１−Ａ）及び６．８付近（表ＩＢ）のグループ
で１〜８の実験例として算出した。

表１−Ａ　（ｐＨ＝７．４付近　） 表１−Ｂ　（ｐＨ＝６．８付近　） 基準緩衡液のＮａ２ＨＰＯ４／　ＮａＨ２ＰＯ４の混合
比は実験例１〜４では４／１．実験例５〜８では１／１
とした。

上記の表より、起電力とｐＨ値との関係を第１図のよう
にプロットすれば、第１図に示すように各イオン強度に
対応した較正図（検量線）が得られる。

具体的に、被検液としてヒト全血（イオン強度的０．１
５　）を測定する場合には、上記実験例３及び７の較正
漆工及びＩＩ中で、ｐＨセンサより得た起電力１５１．
１ｍＶ　　及び１８７．２４ｍＶをプロットして第１図
の破線で示す、イオン強度０．１６の較正図（検量線）
を用いればよい。

較正液１．ＩＩの各成分の好ましい範囲は、下表の通り
である。

表１ Ｃ（但し、Ａ：　ＮａＪＰＯ＜　　Ｂ：　Ｎａ２ＨＰＯ
４）第２の実施例 ヒト全血をｐＨ電極を用いて測定したときの電極電位対
飽和塩化ナトリウムカロメル電極（５ＳＣＥ）は、１５
３．３０ｍＶ、その時のｐＨを測定温度３７°でラジオ
メータ社製ＨＬ−３０ガスモニター装置より求め　ｐＨ
＝　７．３６７を得た。

上記結果を第１図の較正図の関係に写しとると、図に　
ム　で示すように、イオン強度■＝０．１６　　の較正
図（検量線）に一致した。

なお、被検液としてヒト全血を測定する場合、イオン強
度は文献によりまちまちであり、又、実際の測定でもバ
ラツキがあり、これは個体差によるものと考えられる。

従って、そのバラツキの範囲として、０．０８〜０．１
８　　を考慮し、この範囲のイオン強度について較正図
を作成しておけばよい。

イオンセンサ及びガスセンサの同時較正の場合の較正液
の作製のために、下記の表２−Ａ及び２−Ｂの実験例９
〜１８で示すように、実験例９〜１３では較正液■を用
いた。

そして、実験例１４〜１８では較正液ＩＩを用い、これ
に、それぞれＮａＨＣＯ３を種々添加し、削代（５）に
従って較正液組成の各個とを算出した。

ここにおいて、実験例９〜１３の溶液中には、ＣＯ□、
０□の混合ガスをＰＣＯ２＝　３６．　ｌｍｍＨｇ、　
Ｐｏ□３５．２ｍｍＨｇ　　の割合で、又、実験例１４
〜１８ではＰＣＯ２＝　７９．０ｍｍ１ｇ、　ＰＯ２＝
　１４２．６ｍｍＨｇの割合で溶解させた。

表２−Ａ　（ｐＨ＝７．４付近、ＮａＨ印、　　添加　
）イオンセンサとガスセンサの同時較正に適した較正液
中のＮａＨＣＯ３の添加量については、以下のように決
定した。

すなわち、第２図及び第３図に示すように、削代（４）
及び（５）式を合せ考え、式（４）の表２−Ｂ　（ｐＨ
＝６．８付近、ＮａＨＣＯ３添加　）［ＨＣＯ３−］の
みを　ｐＨ＝７．４付近（第２図）及び　ｐＨ＝６．８
付近（第３図）で変化させて、両式（４）、（５）の示
す曲線の交点より液中のＨＣＯ３−濃度を決定した。

尚、・印の曲線は実測値である。

これにより、適した較正液■ｒとして実験例１２が、又
、較正液■として実験例１６が決定された。

この両較正液１１１．ＩＶ中で、ｐＨセンサ、炭酸ガス
センサの各起電力及び酸素ガスセンサの電流値を測定し
、較正液ＩＩ１．ＩＶのｐＨ値、ＰＣＯ２値に対してｐ
Ｈセンサ、炭酸ガスセンサの起電力をプロットし、又、
ＰＯ２値に対して酸素ガスセンサの電流値をプロットす
れば、各々のセンサの個有の較正図（検量線）を作成す
ることができる。

較正液１１１．ＴＶの各成分の好ましい範囲は、下表の
通りである。

表２−〇（但し、Ａ：　Ｎａ２ＨＰＯ４Ｂ：　ＮａＨ２
ＰＯ４）このようにして較正液を得て、測定温度３７℃
〜３０°Ｃ範囲を考慮して種々、較正図を作成しておき
、そのときのセンサの電極特性をメモリーしておけば、
生体測定用として連続モニタリングにも適合する校正液
作製と較正システムを提供でき、連続的かつ迅速な較正
作業をなし得る。

第３の実施例 第４図、第５図及び第６図は、被検液中に溶存するイオ
ン及びタンパク質が固体膜電極の膜表面に誘起する荷電
状態を考察したものである。

第４図はＮａＣｌを含む被検液中のナトリウムイオンが
、被検液に浸漬した固体膜電極の水素イオンキャリヤ膜
（ＰＣＭ）の膜表面に対してのふるまいを示してあり、
膜表面近くのナトリウムイオンは同図（ａ）で示すよう
に膜表面に取り込まれてプラスの電荷が誘起され、他方
、電極の導電性液体側のキャリヤ膜上にマイナスの電荷
を帯電させる。

この膜表面電位（Ｅ）とナトリウムイオン濃度とは、同
図（ｂ）で示す関係となっているので、ここにおいて使
用する較正液は、膜表面に誘起される荷電状態に合致さ
せるように構成する。

次に、第５図では被検液がマグネシウムイオンやカルシ
ウムイオンを溶存させるものの測定の場合で、同図（ａ
）で示すようにこれらイオンが水素キャリヤ膜表面にマ
イナスの電荷を誘起し、例えば、カルシウムイオン濃度
と膜表面電位（Ｅ）は同図（ｂ）で示すほぼ直線の関係
となっている。これはマグネシウムイオンの場合でも同
様である。

従って、この場合の較正液は、前記同様、グラフに示す
関係を考慮して、膜表面に誘起される荷電状態に合致さ
せるように構成する。

更に、被検液がタンパク質として、例えば牛血清アルブ
ミン（ＢＳＡ）を溶存させたタンパク質溶液の測定の場
合が第６図に示されている。

同図（ｂ）で示すように、牛血清アルブミン（ＢＳＡ）
濃度が一定値を超えると膜表面電位（Ｅ）が上昇する傾
向を示す。これは、同図（ａ）で示すように膜表面に吸
着したタンパク質により膜表面の酸塩基反応が変調され
荷電状態が影響される結果と認められる。

従って、このようなタンパク質溶液を被検液とする較正
液は、同図（ｂ）のごとき関係を考慮して荷電状態に合
致するように構成する。

上述のように吸着タンパク質の影響をうける電極は、ｌ
５ＦＥＴ電極、白金電極、　ＳｎＯ□電極、グラフシー
カーボン（ＧＣ）電極、などが挙げられるが、ガラス電
極及び感応膜をガラスで被覆したｌ５ＦＥＴ電極ではタ
ンパク質濃度を変えても電位変化は起こらなかった。

［発明の効果］ 以上のように、本発明によれば、較正液を被検液に合わ
せたイオン強度に調製することによって、あるいは又、
被検液中に溶存するイオンやタンパク質が固体膜表面に
誘起する荷電状態に実質的に一致させることによって、
特に被検液が血液あるいは体液等のイオン濃度変化が小
さいにも拘わらず、より高い測定精度を要求される医用
分野等において好適に使用できるとともにイオンセンサ
の較正に加えてガスセンサの同時較正をも可能にするも
のである等、種々の効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は第１の実施例における各実験例の異なるイオン
強度に応じて作成されたｐＨ値とセンサの起電力との関
係を示す較正図、第２図及び第３図は第２の実施例にお
いてイオンセンサ、ガスセンサの同時較正に適したＮａ
ＨＣＯ３濃度を異なるｐＨ値において決定するためのグ
ラフ、第４図ないし第６図は第３の実施例においてイオ
ン及びタンパク質の電極膜表面に誘起する荷電状態を説
明する膜表面部位の説明図及びグラフである。 出 願 人 ア ル モ 株 式 第４図 （ｂ） ＩＮ（１＋１　イオン ［００２月イオン ［Ｂ５Ａｌ　′＋血清アルブ途）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）被検液のイオン濃度を、固体膜型電極を備えたセ
   ンサで測定するものにおいて、基準緩衡液にＮａＣｌを
   添加してイオン強度を被検液のイオン強度に実質的に一
   致させてなることを特徴とするセンサの較正液。 （２）前記センサは、イオンセンサである請求項１記載
   のセンサの較正液。 （３）前記センサは、ｐＨセンサである請求項２記載の
   センサの較正液。 （４）基準緩衡液は、リン酸塩緩衡系よりなる請求項１
   記載のセンサの較正液。 （５）基準緩衡液は、Ｎａ＿２ＨＰＯ＿４／ＮａＨ＿２
   ＰＯ＿４の混合溶液である請求項４記載のセンサの較正
   液。 （６）Ｎａ＿２ＨＰＯ＿４／ＮａＨ＿２ＰＯ＿４の混合
   比は１／１である請求項５記載のセンサの較正液。 （７）Ｎａ＿２ＨＰＯ＿４／ＮａＨ＿２ＰＯ＿４の混合
   比は４／１である請求項５記載のセンサの較正液。 （８）イオン強度は、０．０８〜０．１８の範囲内にあ
   る請求項１記載のセンサの較正液。 （９）ｐＨセンサを較正する較正法であって、基準緩衡
   液にＮａＣｌを添加してイオン強度を被検液のイオン強
   度に実質的に一致させるとともにｐＨ値の異なる少なく
   とも２つの標準較正液を作製する工程と、 これらの標準較正液にセンサを浸漬して、それら各較正
   液中での起電力を測定する工程と、これらの標準較正液
   のｐＨ値に対する起電力より較正式を作成する工程と、 よりなることを特徴とするセンサの較正法。 （１０）被検液のイオン濃度及び溶存ガス濃度を固体型
   電極を備えたイオンセンサ及びガスセンサで同時較正す
   るための較正液であって、 基準緩衡液にＮａＣｌを添加してイオン強度を被検液の
   イオン強度に実質的に一致させるとともに、炭酸塩緩衡
   液を所定量加えてイオン濃度を実質的に一定に維持して
   なることを特徴とするセンサの較正液。 （１１）前記炭酸塩緩衡液は、ＮａＨＣＯ＿３である請
   求項１０記載のセンサの較正液。（１２）炭酸ガス及び
   酸素ガスを、それぞれ、所定量含んでなる請求項１１記
   載のセンサの較正液。 （１３）センサは炭酸ガスセンサである請求項１２記載
   のセンサの較正液。 （１４）センサは酸素ガスセンサである請求項１２記載
   のセンサの較正液。 （１５）イオンセンサ及びガスセンサを同時に較正する
   較正法であって、 基準緩衡液にＮａＣｌを添加してイオン強度を被検液の
   イオン強度に実質的に一致させるとともにｐＨ値を安定
   させるために炭酸塩緩衡液を加え、ｐＨ値及びガス分圧
   の異なる少なくとも２つの標準較正液を作製する工程と
   、 これらの標準較正液にイオンセンサ及びガスセンサをそ
   れぞれ浸漬してそれらの標準較正液におけるイオンセン
   サ及びガスセンサの起電力をそれぞれ測定する工程と、 これらの標準較正液のｐＨ値及びガス分圧値に対するイ
   オンセンサ及びガスセンサの各起電力をプロットして、
   それぞれの較正式を作成する工程よりなることを特徴と
   するセンサの較正法。 （１６）前記イオンセンサはｐＨセンサであり、前記ガ
   スセンサは炭酸ガスセンサである請求項１５記載のセン
   サの較正法。 （１７）ｐＨセンサ、炭酸ガスセンサ及び酸素ガスセン
   サを同時に較正する較正法であって、 基準緩衡液にＮａＣｌを添加してイオン強度を被検液の
   イオン強度に実質的に一致させるとともにｐＨ値を安定
   させるために炭酸塩緩衡液を加え、ｐＨ値及び炭酸ガス
   分圧ならびに酸素分圧の異なる少なくとも２つの標準較
   正液を作製する工程と、 これらの標準較正液にｐＨセンサ、炭酸ガスセンサ及び
   酸素センサを浸漬して、それらの標準較正液におけるｐ
   Ｈセンサ及び炭酸ガスセンサの起電力をそれぞれ測定す
   るとともに酸素センサの電流値を測定する工程と、 これらの標準較正液のｐＨ値及び炭酸ガス分圧値に対す
   るｐＨセンサ及び炭酸ガスセンサの各起電力をプロット
   して、それぞれの較正式を作成するとともに酸素ガス分
   圧値に対する酸素ガスの電流値をプロットして較正式を
   作成する工程と、よりなることを特徴とするセンサの較
   正法。 （１８）炭酸塩緩衡液はＮａＨＣＯ＿３である請求項１
   ５、１６又は１７に記載のセンサの較正法。 （１９）被検液のイオン濃度を固体膜型電極を備えたセ
   ンサで測定するものにおいて、基準緩衝液にＮａＣｌを
   添加して、被検液中に溶存するイオン又はタンパク質が
   当該電極の固体膜表面に誘起する荷電状態に実質的に一
   致させて成ることを特徴とするセンサの較正液。