JPH04501319A - 多孔性高分子薄膜によるカルシウムイオンの化学センサ、およびそれを用いてカルシウムイオンを検出する方法 - 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】 芝社繕冴り引鮭挑支幻匹佼ム℃し変几笑鴫付夏およびそれ　いてカルシウムイオ ン　出丈寮方法光明り背景 化学センサは、物質中の金属陽イオンの存在を検出するのに用いられ、様々な分 野で役立っている。典型的には、支持体、例えば光ファイバーに比色分析用試薬 を固定化し、生物医学分野での用途に、またプロセス制御、あるいは環境問題で の分析にこのセンサを適用する。２価のカルシウムイオン［Ｃａ（ＩＩ）１の検 出は、例えば、動物の血液中のカルシウム量の検出に、あるいは食品加工業にお けるカルシウムの検出に有用である。比色分析用試薬は、物質または溶液中のカ ルシウムイオンと反応し、その結果、光学的特性、例えば吸光度、発光性、ある いは反射率に変化が生じるので、これをカルシウムイオンの濃度と関連付けるこ とができる。これは、カルシウムイオンの濃度を、カルシウムの濃度に対する光 学的特性の関係を示す較正曲線との相関関係からめることによってなされる。

現在までに開発されているセンサには、高分子支持体に物質輸送の障壁が存在す るために応答時間が遅いこと、分析用信号が弱いために感度が低いこと、干渉作 用のために選択性が低いこと、あるいは、固定化された試薬の分解、または支持 体からのその脱着のために長期的には不安定なことなど、いくつかの欠点がある 。

本発明はセンサの改良に関するものであって、改良されたセンサは、分析用試薬 の支持体の材料に多孔性高分子薄膜を用いていることがら、応答時間を速やかに 、かつ感度を高くできるようになっている。陰イオン交換重合体に結合するスル ホン酸またはカルボン酸と、カルシウムイオンをキレート化する原子団とを有す るカルシウムイオン感受性の比色用試薬を用いることによって、高度の選択性、 および分解に対する耐性も実現されている。

本発明の第１の目的は、溶液または物質中のカルシウムイオンに対する改良され た化学センサを提供することにある。

応答時間が速やかなカルシウムイオン用化学センサを提供することも、本発明の 目的である。

また、カルシウムイオンに対する高感度の化学センサを提供することも、本発特 表千４−５０１３１９　（２） 明の目的である。

更に、カルシウムイオンに対して選択性の高い化学センサを提供することも、本 発明の目的である。

分解に対して耐性のある化学センサを提供することも、本発明は目的とする。

分析用試薬がそれを保持する高分子支持体と強固に結合している化学センサを提 供することもまた、本発明の目的である。

本発明のその他の目的は、下記の開示から明らかにされるものと思われる。

光咀の要約 多孔性の陰イオン交換高分子薄膜であって、カルシウムイオンに感受性を有する 比色分析用試薬、好ましくはカルシクロームを固定化させた高分子薄膜を提供す る。この比色分析用試薬を用いて、被験体であるカルシウムイオンの反応を測定 することができる。

図面Ω説明 図１は、Ｃａ（ＩＩ）の濃度をＸ軸にとり、相対反射率をＹ軸にとって両者の関 係を示すグラフである。

光■の詳紐な説明 本発明に用いられる陰イオン交換高分子薄膜は、当業界においては充分に公知で あるが、重要な点は、薄膜が多孔性でなければならないことである。多孔性を高 めることによって、速やかな応答が保証され、高分子支持体に備わる非常に多数 の結合部位によって、強力な分析用信号が生じるのである。この種の多孔性陰イ オン交換高分子薄膜は、市販により入手可能であって、例えば、米国ニューヨー ク州ホウボウジ所在のアールニーアイ・リサーチ・コーポレーション（ＲＡＩ　 Ｒｅ５ｅａｒｃｈ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）からＮ０Ｏ３０なる分類番号のも とに購入できる。

本発明の高分子薄膜の実施例には、四級化されたアミンが用いられる。四級化さ れたアミンの正電荷がカルシクロームを薄膜に強く付着させ、多孔性が応答時間 の改善を助ける。薄膜材料としては四級化アミンの重合体が好適であるが、透過 選択性のある高分子薄膜であれば、所望の特性が得られる。この種の薄膜は低分 子に対してのみ透過性があり、高分子の透過は阻止する。

必要な多孔度は、分析の対象に応じて変化する。本発明の薄膜は、夾雑物の透過 は妨げつつ、被験物たるカルシウムの通過を許すのに充分なだけ多孔性でなけれ ばならない。血清の分析に薄膜を用いる場合を例にとれば、好適な多孔度の最小 値は約ｓ、ｏｏｏオングストローム（０，５μｍ）であり、最大値は１０ミクロ ン（１０μｍ）である。したがって、好適な範囲は、０．５ミクロン（０，５μ ｍ）ないし１０ミクロン（１０μｍ）となるが、１０ミクロンが最も好適である 。

薄膜に固定化されるのは、Ｃａ（ＩＩ）に感受性のある比色分析用試薬である。

陰イオン交換重合体と結合し、かつＣａ（ＴＩ）キレート化原子団を含有するス ルホン酸またはカルボン酸を有するものであれば、いかなる試薬でも本発明を充 足するだけの応答が得られる。しかし、試薬は、支持体に固定化された後もその Ｃａ（ＩＩ）キレート化特性を保持していることが必要である。本発明に効果的 なことが見出された試薬はカルシクロームであり、これはまたカルシオンとも称 される。カルシクロームの化学名は、２，８．８−トリヒドロキシ−１，ｌ−ア ゾナフタレン−３，６，３，６−チトラスルホン酸である。カルシクロームを支 持体に塗布する濃度は、乾燥薄膜１ｇあたり５ｘｌＯ−’〜２Ｘ１０−”　ミリ モルである。好適な濃度は、乾燥薄膜１ｇあたり１ｘｌＯ−’ミリモルである。

薄膜上に試薬を捕捉するには数通りかの方法が利用でき、共有結合、静電結合、 吸着、あるいは、膜の後方の溶液貯溜層に被験物を捕捉することなどによる。静 電結合するカルシクロームを用いた場合、負電荷がアミンの正電荷に引き付けら れる。吸着の場合は、強力な化学結合が利用されることはなく、各種の相互作用 によって試薬を薄膜上に保持するのである。膜、例えばテフロンまたはセルロー スの後方にカルシクロームを捕捉することが可能で、その結果、カルシウムはカ ルシクローム中を拡散し、かつこれと反応することが可能である。試薬を捕捉す るのに特定の方法を用いるのが特に重要であるということはない。

カルシクロームを薄膜に含浸させる場合、時間的調節は特に重要ではなく、５分 間ないし１晩とすれば満足すべき結果が得られる。選択的に、薄膜を空気乾燥さ せて保管し、あるいは直ちに使用することもできる。Ｃａ（ＩＩ）の光学的検出 に用いる場合、試料溶液をｐＨ１２またはその前後とするのが好適である。

カルシクロームを薄膜に固定化したならば、続いてセンサの光学的または化学的 特性をＣａ（ＩＩ）の関数として判定する。この種の特性を判定する方法の一例 は、拡散反射率の分光分析法を用いることである。標準曲線を用い、結果をごれ と比較してＣａ（ＴＩ）の濃度を決定することができる。

ここに開示の発明の利用によって、他の方法によるよりもはるかに反応時間を短 くできる可能性がある。既存の方法を用いた場合、反応の終了には５〜１０分間 待たな＋ｊればならないのを常とする。本発明によれば、１分を大幅に下回る時 間で結果が得られ、１５秒またはそれ以下という短時間で得ることも可能である 。

以下、本発明の例示のための手段として実施例を記載するが、これは本発明の方 法を制約することを意図するものではない。当業界の技術の習熟者にとって、本 発明の対象範囲内には各種の変化形が含まれることは明白だと思われる。

大施例 多孔性陰イオン交換高分子薄膜［前出アールニーアイ・リサーチ・コーポレーシ ョンより入手コを、四ナトリウム塩として得られるカルシクローム［米国コネチ カット州ウォーターベリー所在、ブファルツ・アンド・バウワー社（Ｐｆａｌｚ 　＆　Ｂａｕｅｒ、　Ｉｎｃ、）より入手］の水溶液に室温にて数時間浸漬する ことによって、カルシクロームを前記薄膜に固定化する。溶液から取り出した後 、脱イオン水を用いて過剰な試薬を基質から洗い落とす。

化学センサの作動可能性の試験のため、化学センサ用オブトードおよびフローセ ルを双方とも取り付ける。いずれの構成においても、光伝導路としては光ファイ バー［米国コネチカット州ニーボン所在、エンサイン−ビックフォード・オプテ ィックス社（Ｅｎｓｉｇｎ−Ｂｉｃｋｆｏｒｄ　０ｐｔｉｃｓ　Ｃｏ、）製：口 径４００μａＩ］を用いる。入射させようとする光は、第１列用の光ファイバー を用いてこれを伝導し、センサ薄膜で拡散反射された光は、第２列目の光ファイ バーを用いてこれを回収し、モノクロメータへと導く。光源にはキセノンアーク ランプ［米国コネチカット州スタッフォード所在、オーリエル・コーポレーショ ン（Ｏｒｉｅｌ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）製］を用い、０゜２２ｍ格子のモノ クロメータを用いて伝導放射光を散乱させ、アナログ方式で作動するデジタル光 度計［米国ニューシャーシー州エジソン所在、スペックス社（ＳＰＥＸ。

Ｉｎｃ、）製のスペックスＤＰＣ−２型のもの］を用いて測定する。

次いで、ｐＨ１２，１におけるＣａ（ＩＩ）の存在または不在下で、多孔性陰イ オン交換衛分子薄膜に固定化されたカルシクロームの光学的応答を測定する。Ｃ ａ（ＩＩ）の濃度に対する相対反射率をプロットして得られた較正曲線を図１に 示す。この曲線からＣａ（ＩＩ）の濃度を決定することが可能となる。前述の条 件下で判定されるセンサの検出限度は数ミリモル前後である。ｐＨ１２，１のＣ ａ（ＩＩ）溶液をフローセル内に注入することによつて、このセンサの一過性の 光学的応答を調べた。平衡（９９％で終了）に達するまでの時間は約１３秒であ り、応答は、約３．７秒で反射率の最大値の６３％（１−１／ｅ）に達した。

入射光に対する露出時間を延長し、その前後およびその間の数日にわたって拡散 反射光の強度を測定することによって、センサ応答の安定性を調べた。強度に有 意な差が観察されたことは皆無である。

他の金属イオンによる干渉作用を、Ｍｇ（ＩＩ）、Ｂａ（ＩＩ）、５ｒ（ＩＩ） を試験イオンに用いて調べた。ｐＨ１２，１の緩衝液、およびｐＨ１２，１の上 記イオンの飽和溶液中で、光学的応答を測定し、た。得られた反射光のスペクト ルを識別するのはほとんど不可能であった。

上記により、本発明は少なくとも所期の目的のすべてを達成するものと判断でき る。

い１１りっ猷（モｌす ＦＩＧ、１ 国際調査報告

Claims (19)

【特許請求の範囲】
1. １．多孔性高分子薄膜に多孔性のカルシウム感受性試薬を固定化する段階と、前 記薄膜を含カルシウム溶液と接触させる段階と、前記含カルシウム溶液との前記 カルシウム感受性試薬の反応を測定する段階と、 前記溶液中のカルシウムの濃度を前記カルシウム感受性試薬の反応との関数関係 において算定する段階と からなることを特徴とする溶液中のカルシウムの定量方法。
2. ２．カルシウム感受性試薬として、高分子薄膜と結合し得るスルホン酸とカルボ ン酸とからなる一群から選択され、かつカルシウムキレート化原子団を有する酸 を用いた試薬が用いられることを特徴とする請求項１記載の定量方法。
3. ３．カルシウム感受性試薬として、カルシクロームが用いられることを特徴とす る請求項１記載の定量方法。
4. ４．多孔性高分子薄膜として、四級化されたアミンが用いられることを特徴とす る請求項１記載の定量方法。
5. ５．薄膜におけるカルシクロームの濃度が、前記薄膜１ｇあたり５×１０−４〜 ２×１０−２ミリモルであることを特徴とする請求項３記載の定量方法。
6. ６．カルシウム感受性試薬が、静電結合によって薄膜に固定化されることを特徴 とする請求項１記載の定量方法。
7. ７．カルシウム感受性試薬の反応が、拡散反射率の分光分析法を用いて測定され ることを特徴とする請求項１記載の定量方法。
8. ８．反応が１分以内に生起することを特徴とする請求項１記載の定量方法。
9. ９．試薬が、多孔性であるために溶液中のカルシウムによる前記薄膜の透過を許 しつつ、その他の分子の透過を阻む薄膜に固定化されることを特徴とする請求項 １記載の定量方法。
10. １０．血清の分析に用いられる方法であり、かつ、約５，０００オングストロー ム（０．５μｍ）ないし約１０ミクロン（１０μｍ）の多孔度の薄膜に試薬が固 定化される方法であることを特徴とする請求項１記載の定量方法。
11. １１．溶液中のカルシウム濃度の定量用のセンサであって、カルシウム感受性試 薬が固定化された、多孔性高分子薄膜を備えていることを特徴とするセンサ。
12. １２．カルシウム感受性試薬が、高分子薄膜と結合し得るスルホン酸とカルボン 酸とからなる一群から選択され、かつカルシウムキレート化原子団を有する酸で あることを特徴とする請求項１１記載のセンサ。
13. １３．カルシウム感受性試薬が、カルシクロームであることを特徴とする請求項 １１記載のセンサ。
14. １４．多孔性高分子薄膜が、四級化されたアミンを含有することを特徴とする請 求項１１記載のセンサ。
15. １５．薄膜が、前記薄膜１ｇあたり５×１０−４〜２×１０−２ミリモルの濃度 でカルシクロームを含有することを特徴とする請求項１３記載のセンサ。
16. １６．薄膜が、前記薄膜１ｇあたり１×１０−２ミリモルの濃度でカルシクロー ムを含有することを特徴とする請求項１５記載のセンサ。
17. １７．薄膜が、多孔性であるために溶液中のカルシウムによる前記薄膜の透過を 許しつつ、その他の分子の透過を阻むことを特徴とする請求項１１記載のセンサ 。
18. １８．薄膜が、約５，０００オングストローム（０．５μｍ）ないし約１０ミク ロン（１０μｍ）の多孔度であることを特徴とする請求項１０記載のセンサ。
19. １９．薄膜が、約０．５ミクロン（０．５μｍ）ないし約１０ミクロン（１０μ ｍ）の多孔度のものであることを特徴とする請求項１８記載のセンサ。