JPH03255355A - カルシウムイオン測定電極 - Google Patents

カルシウムイオン測定電極

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JPH03255355A
JPH03255355A JP2052200A JP5220090A JPH03255355A JP H03255355 A JPH03255355 A JP H03255355A JP 2052200 A JP2052200 A JP 2052200A JP 5220090 A JP5220090 A JP 5220090A JP H03255355 A JPH03255355 A JP H03255355A
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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、血液等の生体液中のカルシウムイオン濃度の
測定に好適な高分子支持膜型のカルシウムイオン測定電
極に関する。
[従来の技術] 生体液、特に血液中に含まれるカチオンで臨床検査の分
野で頻繁に測定されるイオンにナトリウム、カリウム、
リチウムおよびカルシウムイオンがある。これらのイオ
ンの中で最も濃度の高いナトリウムイオンは、その正常
値が135〜145mmoQ/Qである。
一方、カルシウムイオン濃度の正常値は1〜2mmoQ
/Qとナトリウムイオンに比較してその濃度が約2桁低
い。カルシウムイオンの測定は甲状腺機能や神経興奮製
、伝達機能などの診断に臨床的意義があると云われてい
る。このような観点から、カルシウムイオン濃度をもと
に、健康状態を判定をする際には、その測定が正確にで
きるか否かが重要な鍵であることことが理解されよう。
生体液中のイオン濃度を測定する方法の一つにイオン電
極法があり、近年、臨床検査の分野に広く普及してきた
が、正確な測定を実現するには電極に対する妨害物質な
どの影響に基づく誤差要因の排除が必要である。
ところで、共存イオンがある場合に、目的イオンをイオ
ン電極で測定するときの電極出力(E)と活量(濃度に
ほぼ等しい)との関係は(1)式のように書き表すこと
ができる。
E= E、 + (RT/ ztF) log(at+
Σに、 (a、 )Zl/ZJ )・・・・・・・・・
・・・・・(r) 上記において、E、は標準電位、Rはガス定数、Tは絶
対温度、Fはファラデ一定数、aおよび2はそれぞれ目
的イオン(i)および妨害イオン(j)の活量および価
数、K I Jは選択係数である。
RT / z * Fはスロープ感度と云われ、イオン
電極の良否状態を示す指標である。
2価イオンであるカルシウムイオン測定電極(以下単に
電極と云う)のスロープ感度(25℃で29.58mV
/d e c、)は1価イオンであるナトリウムイオン
の電極のスロープ感度(25℃で59.16mV/de
c、)の172である。
イオン電極法でカルシウムイオン濃度を測定する場合に
は、ナトリウムイオンの場合よりも電極感度が低く、し
かも前記のように測定濃度が極めて低いことから正確な
測定行うのはより困難なことが分かる。
イオン電極にはイオン感応膜が必須であるが。
この感応膜は目的イオンと選択的に応答する感応物質、
膜を可塑化し膜溶媒ともなる可塑剤、およびポリ塩化ビ
ニル等の高分子物質からなるマトリックス材料から成り
、電極特性は主に感応物質と可塑剤によって左右される
正確な測定を実現するには、 ■ イオン電極の選択係数K I Jを小さくする。
■ 後述の(II)式に示したような親油性陰イオンに
よる妨害を受けないようにする。
■ 電極の応答性を高める。
などが必要である。
前記■の選択係数は感応物質と目的イオンおよび妨害イ
オンとの錯形成反応における安定度定数の比でほぼ決定
されるが、本質的には感応物質に依存する。一方電極の
親油性陰イオンによる妨害や応答性には可塑剤の性質が
影響する。
カルシウムイオン電極の感応物質には、ニュートラルキ
ャリアとイオン交換体があり、前者の感応物質を用いた
場合の可塑剤に0−ニトロフェニルオクチルエーテル(
誘電率岬24)等のエーテル化合物〔アナリティカル 
ケミストリー、58゜(11)、第2282頁(198
6年)〔^na1. Chew、。
58(11)、 92282(1986))が、また、
後者の感応物質を用いた場合にはジ−n−オクチルフェ
ニルフォスフェート等のリン酸エステルなど、比較的誘
電率が高い可塑剤が単独で用いられてきた。
[発明が解決しようとする課題] ニュートラルキャリア型の感応物質を利用したカルシウ
ムイオン電極の感応膜の可塑剤として、従来のエーテル
化合物と、他の可塑剤とについて種々検討したところ、
ニュートラルキャリア型を用いたカルシウムイオン電極
は、親油性陰イオンによる妨害を受は易く、可塑剤によ
ってもその影響度合いが異なることや、応答性も可塑剤
の性質に影響され易いことが明らかとなった。
前記従来のカルシウムイオン電極用感応膜は5電極の感
度や応答性などに問題があった。
本発明の目的は、高選択性で、応答性、安定性にも優れ
たカルシウムイオン電極を提供することにある。
口課題を解決するための手段] 前記目的を達成するための本発明の要旨は、有機高分子
物質、可塑剤およびニュートラルキャリア型のカルシウ
ムイオン感応物質を含む感応膜を有する高分子支持膜型
カルシウムイオン電極において、 前記可塑剤の誘電率が10以下であることを特徴とする
カルシウムイオン電極を提供することである。
可塑剤はイオン電極の感応膜には必須であり、感応膜を
可塑化すると共に、膜溶媒となるものである。そして、
本発明者らの検討によれば可塑剤の誘電率が10以下の
ものがよい。
こうした誘電率が10以下の可塑剤としては。
例えばアジピン酸ジオクチル、アジピン酸ビス(1−ブ
チルペンチル)、アジピン酸ビス(2−エチルヘキシル
)、ビス(1−ブチルペンチル)デカン−1,10−ジ
イルジグルタレート等のアジピン酸エステル、また、セ
バシン酸エステルとしてセバシン酸ジオクチル、セバシ
ン酸ジブチル、セバシン酸ジヘキシル、セバシン酸ジヘ
プチル等のアルキル基の炭素数が4〜8のセバシン酸ジ
アルキル、フタル酸ジブチル、フタル酸ジベンチル、フ
タル酸ジオクチル等の炭素数が4〜8のフタル酸エステ
ル、リン酸エステルとしてリン酸トリス(2−エチルヘ
キシル)、リン酸ジオクチルフェニル、エーテル化合物
としてジフェニルエーテルなどを挙げることができる。
また、炭素数8〜24のアルコール化合物も可塑剤とし
て用いることができる。
これらの可塑剤は単独で使用することができるが、混合
系として用いる場合には0−ニトロフェニルオクチルエ
ーテル、アセトフェノン、ニトロベンゼン等の誘電率が
10を超えるものも用いることができる。但し、他の低
誘電率の可塑剤と混合し誘電率を10以下とすることが
必要である。
また、陰イオン妨害防止の添加剤として、フェニル基が
置換基を有していてもよいテトラフェニル硼酸塩を添加
するのが望ましい、こうしたものとしては、例えば、テ
トラフェニル硼酸ナトリウム、テトラキスパラクロロフ
ェニル硼酸カリウム等がある。
[作用] 水溶液試料中のカルシウムイオンは、カルシウムイオン
感応物質と陽イオン性錯体を作り、水酸イオンなどと結
合して三元錯体となり感応膜へ抽出される。一方、血液
や尿等の生体液試料を測定する場合、可塑剤に誘電率の
高い化合物を用いると、陽イオン性錯体の対イオンとし
て生体液試料中に多く含まれる親油性陰イオンが結合し
、感応膜内へ分配される易くなる。
カルシウムイオン電極の起電力(E)はE=E、+(1
−tx)・S Qog(Ac)−tx−s’Mog(A
xl−・1II)ここで、Eo  :標準電位 tx  :陰イオンの輸率 S、S’ニスロープ感度 八〇  :カルシウムイオン濃度 Ax  :陰イオン濃度 となるが、親油性陰イオンが感応膜内へ分配されると、
同じ濃度の゛カルシウムイオンが存在しても(II)式
の第3項が無視できなくなり、親油性陰イオンによる電
極電位への影響が現れる。
以上の点から、親油性陰イオンによるカルシウムイオン
電極への影響を低減するには、親油性陰イオンが感応膜
内へ分配されないようにする。それには用いる可塑剤は
低誘電率のものがよい。
[実施例] 以下、本発明の詳細な説明する。
第1図は本発明が適用されるカルシウムイオン電極の構
成断面図の一例である。
電極形状はこれに限るものではなく、カルシウムイオン
感応膜を用いたものであれば特に形状にはこだわらない
電極筒1には10mmoQ/Qの塩化カルシウムを含む
内部溶液2が取容されており、この内部溶液2内に銀/
塩化銀からなる内部電極3が浸漬されている。電極筒1
の端部には感応膜4が形成されている。この感応膜4に
はポリ塩化ビニルなどの高分子物質をマトリックス材料
とし、カルシウムイオン感応物質および可塑剤がそれぞ
れが適当な重量濃度となるように分散されている。
〔実施例1〕 カルシウムイオン感応物質として(−)−(R,R)−
N、N’−ビス[11−(エトキシカルボニル)ウンデ
シル]−N、N’−4,5−テトラメチル−3,6−シ
オキサオクタンジアミド((−)−(R,R)−N。
N ’−Bis[11−(ethoxy−carbon
yl)undecyll −N 。
N ’ −4p 5− tetramethyl−3+
 6 − dioxaoctanediaigide)
 (以後リガンドAと云う)1重量%。
可塑剤としてセバシン酸ジオクチル(以後DO8と云う
、誘電率:約4)65.7重量%、マトリックス材料と
してポリ塩化ビニル33重量%、および 陰イオン妨害防止の添加剤としてテトラフェニル硼酸ナ
トリウム0.3重量%からなり、これらを、テトラヒド
ロフラン(THF)に溶解し、ガラス板上に乗せた直径
30mmのガラスリング内にキヤステングし、THFを
蒸発させて本発明の感応膜を作成した。
上記感応膜を直径約5mmの大きさに裁断し、ポリ塩化
ビニル製の電極筒1の端部に接着してカリウムイオン電
極を形成した。
各種イオンに対する選択性を単独溶液法により調べた結
果を第2図に示す。
〔比較例1〕 可塑剤のみが実施例1のイオン感応膜組成と異なるカル
シウムイオン電極の電極性能を比較した。
該可塑剤として誘電率が比較的高い。−二トロフェニル
オクチルエーテル(以後。−NPOEと云う、誘電率:
約24)を用いた。
該カルシウムイオン電極を、  10m ysofl/
QのCa CQ 、水溶液で充分にコンディショニング
した後、各種イオンに対する選択性をJIS  Ko1
22の方法に準じ、単独溶液法により調べた結果を第2
図に示す。
実施例1の選択性は、ナトリウム、カリウムおよびリチ
ウムイオンを除き比較例のそれとはS゛同じである。生
体液を測定対象とするとき、該液中のイオン濃度から判
断して両力ルシウムイオン電極の選択性の差は測定値に
影響を及ぼさないものと考えられる。
次に、前記のカルシウムイオン電極の応答性をジェット
フロー法により調べた。
ジェットフロー法は、イオン電極の本来の応答性を調べ
るときに有効な方法である。
200〜300crn、/秒の線速度で測定溶液をイオ
ン電極の感応膜表面に吹付けると、感応膜表面の拡散層
の厚さを無視できるので、イオン電極が有する本来の応
答性を得ることができる。イオン電極を溶液に浸漬した
りすると、電極膜表面と溶液バルクとの間に濃度勾配が
できるが、これは拡散層と呼ばれている。この拡散層が
無視できないとイオンが該層を拡散して電極表面に到達
するまでの時間がイオン電極が持つ本来の応答時間に加
味されてしまう。
この拡散層を無視できるようにするためには、溶液をス
タラー等で強く゛撹拌する方法や、溶液をイオン電極表
面に高速で吹き付けるジェットフロー法がある。特に2
種の溶液を用い、溶液を変えたときの応答性を調べるに
はこのジェットフロー法が最適である。
ナトリウムイオン140nnmo12/Q、カリウムイ
オン5rn+5o12/f1.塩素イオン105mmo
Q/Qに、カルシウムイオンを2m■oQ/Qを含む混
合溶液(A液)と、5mmoQ/Q含まれる混合溶液(
B液)を線速度250c+a/秒で交互に流し、その時
の応答時間を比較した。
第3図(a)〜(d)にその各応答曲線を示す。
実施例1のカルシウムイオン電極の95%応答時間(a
、b図)は平均で約0.5秒(5回測定)であった。
一方比較例1のカルシウムイオン電極の95%応答時間
(c、d図)は平均で約1.5秒(5回測定)である。
両電極の応答性には有意差が認められ、応答性の点で可
塑剤には誘電率の低いり。
Sの方が適していることが分かる。
〔実施例2〕 カルシウムイオン感応物質およびマトリックス材料は実
施例1と同じであるが、可塑剤としてアジピン酸ジオク
チル(以下DOAと云う:誘電率約4)、陰イオン妨害
防止の添加剤としてテトラキスパラクロロフェニル硼酸
カリウムを加えた。
感応膜の4種の原料組成比を、1.0重量%、64.0
重量%、34.5重量%、0.5重量%とした。
〔比較例2〕 可塑剤としてo −N P OEを用いた以外は実施例
2と同じとしたカルシウムイオン電極を用い電極性能を
比較した。感応膜の4種の原料組成比は実施例2と同じ
とした。
生体液中のカルシウムイオン濃度を測定する上でナトリ
ウムイオンやカリウムイオンに対する選択性が重要であ
る。ナトリウムイオンに対する選択係数は、実施例2が
0.0005であり、比較例2は0.0001であった
。カリウムイオンに対する選択係数は実施例2が0.0
003であり、比較例2は0.0001であった。
実施例1の場合と同様に、可塑剤にo−NPOEを用い
た方がDOAを用いるよりもや\選択性がよい、しかし
、生体液中のナトリウムイオンやカリウムイオンによる
影響はカルシウムイオン濃度に換算して0.1mmoQ
/Q以下であり1両電極の選択性の差は実用上問題には
ならない・一方、g油性陰イオン(−例として5CN−
)に対する応答性には両電極に相違が見られた。
ナトリウムイオンが 140m厘OQ/Q、カリウムイ
オンが5m■oI2IQ、塩素イオンが105mr1o
 Q / Q含まれる混合溶液に、CaCQzおよびC
a(SCN)、が最終濃度でそれぞれ3mmofi/Q
の溶液になるように調製した2種類の溶液(それぞれC
液、D液)を測定試料とし、それぞれのカルシウムイオ
ン電極で測定した結果を第1表に示す。
C液に対する測定値は両者のカルシウムイオン電極とも
ほぼ同じであったが、D液に対する測定値はそれぞれ異
なった。
カルシウムイオン電極の可塑剤にはDOAを用いた方が
o−NPOEを用いた場合よりもより正確に測定できる
ことが分かる。
可塑剤にDOAを用いたカルシウムイオン電極でもD液
に対する測定値が理論値よりも低いのは、5CN−の一
部がCa”+と結合しており、その分力ルシウムイオン
電極で測定できるイオン状のカルシウムイオンが減少し
ているためである。
第   1   表 それぞれのカルシウムイオン電極の応答性を実施例1と
同様にジェットフロー法により調べた。
A液とB液を線速度250cm/秒で交互に流し、その
時の応答時間を比較した。
実施例2のカルシウムイオン電極の95%応答時間は平
均で約0.4秒(5回測定)であった。
方、比較例2のカルシウムイオン電極の95%応答時間
は平均で約1゜1秒(5回測定)であり、両電極の応答
性には有意差が認めらた。
可塑剤の誘電率と選択性の関係をみると、誘電率の高い
可塑剤を用いた方が選択性のよいことが実施例1および
実施例2から分かったが、逆に親油性陰イオンによる影
響が大きい。
〔実施例3〕 本実施例では、カルシウムイオン感応物質、添細則およ
びマトリックス材料は実施例2と同じリガンドA、テト
ラキスパラクロロフェニル硼酸カリウム、ポリ塩化ビニ
ルを用い、可塑剤にはり。
Aとo −N P OE (5: 1 )の混合物を用
いた。
単独溶液法によるナトリウムイオンおよびカリウムイオ
ンに対する選択係数はそれぞれ0.0001であった。
可塑剤としてDOAを単独で用いる場合よりも、混合可
塑剤とすることにより、o−NPOEの場合と同じ選択
性を得ることができた。
また、D液およびD液の測定値を第1表に示したが、可
塑剤としてDOAを単独で用いる場合とほぼ同じ結果が
得られた。
〔実施例4〕 本実施例ではカルシウムイオン感応物質にN。
N、N’、N’−テトラシクロへキシル−3−オキサペ
ンタンジアミド(N + N 、 N ’ 、 N ’
 −tatracycl。
haxyl −3−oxapentanediamid
e) 、可塑剤にリン酸トリス(2−エチルヘキシル)
(誘電率:約8)を用い、添加剤およびマトリックス材
料、さらにそれぞれの濃度は実施例2と同じにした。
実施例4および比較例2によるカルシウムイオン電極を
1力月以上10m麿oρ/ρのCaCρ2溶液に浸漬し
た後の選択性を調べた。
結果を第4図に示した。
どちらのカルシウムイオン電極とも選択性は変化したが
その変化は実施例4の方が少なく、安定性に関しては誘
電率の低い可塑剤を用いた方がよいことを示している。
第5図に可塑剤(単独および混合系)の誘電率とカルシ
ウムイオン電極のジェットフロー法による95%応答時
間および前記試料り液を測定したときの測定値との関係
を示す。
誘電率が10を超えると95%応答時間が増し。
D液を測定したときの測定値が低下し始める。
なお、上記り被測定値の低下は、D液中のカルシウムイ
オンの濃度は一定であるが、カルシウムイオン電極がチ
オシアン酸イオンの影響を受けるためと考える。
前記の結果から前記可塑剤の誘電率は10以下が望まし
い。
〔実施例5〕 実施例2のイオン感応膜の原料組成において、可塑剤を
1−テトラデシルアルコールに換えた。
単独溶液法によるナトリウムイオンに対する選択係数は
0.0005であった。
上記アルコール化合物は、感応膜からの溶出によるカル
シウムイオン電極の劣化防止の観点から炭素数8〜24
のアルコール化合物が望ましい。
炭素数25以上のアルコール化合物は結晶性が高く、感
応膜内に析出し、カルシウムイオン電極の応答性の低下
、または電極抵抗の上昇を招く恐れがあるので好ましく
ない。
本実施例では1価のアルコール化合物を用いたが、2W
J以上のものも用いることができる。
〔実施例6〕 実施例2のカルシウムイオン感応膜を用いて、電界効果
型トランジスタを作成した。
第6図にその構造の断面模式図を示す。
n型のソース5およびドレイン6をシリコン基板7上に
形成し、その上にSin、膜8およびSi3N4絶縁膜
9を形成した。次に、実施例2の感応膜4をSi3N4
絶縁膜9に形成してカルシウムイオン測定用の電界効果
型トランジスタを作成した。
該トランジスタを測定電極として用いる場合の測定回路
を第7図に示す。
上記トランジスタ10は増幅器11.11’定電流電源
12等からなる測定回路に組み込まれ、比較電極13と
対にして用いることにより出力(Vout)される。
〔実施例7〕 第8図は、本発明のカルシウムイオン感応膜を用いたカ
ルシウムイオン電極を検知器として内蔵する生体液分析
計の構成図を示す。
測定試料14は試料吸引器15により吸引され、カルシ
ウムイオン電極と比較電極を有するフローセル16に導
かれる。上記両電極間にはカルシウムイオン濃度に応じ
た起電力が発生し、増幅器11で増幅された信号に基づ
き演算器17で演算されて表示部18にカルシウムイオ
ン濃度が表示されるようになっている。
なお、検知器としてナトリウム、カリウムのイオン電極
を内蔵させ、あるいはこれらのイオン電極と共に酸素電
極や炭酸ガス電極などのガス電極をも含めた多項目測定
用生体液分析装置とすることもできる。
また、実施例6で示した電界効果型トランジスタの測定
電極を用いることもできる。
本実施例によれば従来のカルシウムイオン電極よりも高
感度で、応答性および安定性に優れた生体液の分析装置
が得られる。
[発明の効果コ 本発明のカルシウムイオン感応膜は高感度、安定性、応
答性が優れているので、信頼性の高いカルシウムイオン
電極ならびに該イオン電極を用いた生体液分析装置を提
供することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明が適用されるカルシウムイオン電極の構
成断面図、第2図は実施例1と比較例1のカルシウムイ
オン電極の選択特性を示すグラフ。 第3図は実施例1 (at b)と比較例1 (c、d
)のカルシウムイオン電極の応答特性を示すグラフ、第
4図は実施例4と比較例2のカルシウムイオン電極の安
定特性を示すグラフ、第5図はカルシウムイオン電極の
特性と可塑剤の誘電率との関係を示すグラフ、第6図は
カルシウムイオン測定用電界効果型トランジスタの構成
断面図、第7図はカルシウムイオン測定用電界効果型ト
ランジスタを用いた測定回路図および第8図はカルシウ
ムイオン電極を検知器とする生体液分析計の構成図ある
。 1・・・電極筒、2・・・内部溶液、3・・・内部電極
、4・・・感応膜、5・・・ソース、6・・・ドレイン
、7・・・シリコン基板、8=−8iO,膜、9−8i
3N4絶縁膜、10・・・カルシウムイオン測定用電界
効果型トランジスタ、11.11’・・・増幅器、12
・・・定電流電源。 13・・・比較電極、14・・・測定試料、15・・・
試料吸引部、16・・・フローセル、17・・・演算器
、18・・・第2図 第1図 (a) (C) 第 図 (b) (d) 第 図 第 図 第 図 12・・・定電流電源 13・・・比較電極 17・・・演算器 18・・・表示部 第 図 第 図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、有機高分子物質、可塑剤およびニュートラルキャリ
    ア型のカルシウムイオン感応物質を含む感応膜を有する
    カルシウムイオン測定電極において、 前記可塑剤の誘電率が10以下であることを特徴とする
    カルシウムイオン測定電極。 2、有機高分子物質、可塑剤およびニュートラルキャリ
    ア型のカルシウムイオン感応物質を含む感応膜を有する
    カルシウムイオン測定電極において、 前記可塑剤は、エステル化合物、エーテル化合物および
    炭素数8〜24のアルコール化合物から選ばれる誘電率
    が10以下の有機化合物であることを特徴とするカルシ
    ウムイオン測定電極。 3、有機高分子物質、可塑剤およびニュートラルキャリ
    ア型のカルシウムイオン感応物質を含む感応膜を有する
    カルシウムイオン測定電極において、 前記可塑剤は、アジピン酸エステル、セバシン酸エステ
    ル、フタル酸エステル、リン酸エステル、およびX−O
    −X’(X、X’はアルキル基、フェニル基またはその
    誘導体)で表わされる化合物から選択されることを特徴
    とするカルシウムイオン測定電極。 4、有機高分子物質、可塑剤およびニュートラルキャリ
    ア型のカルシウムイオン感応物質を含む感応膜を有する
    カルシウムイオン測定電極において、 フェニル基が置換基を有していてもよいテトラフェニル
    硼酸塩を含むことを特徴とする請求項第1項〜第3項の
    いずれかに記載のカルシウムイオン測定電極。 5、シリコン基板上にn型ソースおよびドレインを有し
    、その上に形成されたSiO_2膜およびSi_3N_
    4絶縁膜を有する電界効果型トランジスタの少なくとも
    前記Si_3N_4絶縁膜上に、有機高分子物質、可塑
    剤およびニュートラルキャリア型のカルシウムイオン感
    応物質を含む感応膜が設けられており、 前記可塑剤の誘電率が10以下であることを特徴とする
    カルシウムイオン測定用電界効果型トランジスタ。
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