JPH05505754A - ｐＨ電極 - 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】 ｐＨ電極 技術分野 本発明は］）Ｈ電極に関する。

従来の技術 従来のｐＨ電極は中空絶縁ガラス軸に融合させられた、一般に球の形において、 特別な組成のガラスの膜体からなる。膜体の内部は一定のｐＨを維持するために 緩衝剤を含有する内部基準溶液と接触している。内部基準溶液は、一般には銀ま たは銀／塩化銀で被覆されたプラチナ導体である、内部基準電極により接触させ られる。膜体が溶液内に浸漬されるとき、電圧はガラスを横切って確立されそれ はネルンスト等式により決定される２つのインターフェイス電位およびガラス膜 体の厚さを横切って存在する非対称電位の合計である。このハーフセルの電位は 外部基準電極に対して測定される。電極がｐＨ電極として使用されるために、内 方インターフェイス電位は一定に保持されねばならずかつ非対称電位は既知のｐ Ｈの溶液中の電極の電圧を測定することにより較正された。

内部基準溶液の機能は内方インターフェイスで一定のｐＨを維持しかつ内部基準 電極電位を安定化するために一定の塩化物活性を維持することにある。内部基準 溶液が電極の密封された構造および水蒸気およびイオンに対するガラスのかなり の不浸透性により維持される。

ガラス電極は多くの用途を有するが、それらの生体内での使用は多数の制限によ り制約され、その最も重要なものはプロティンおよび膜体の外方感知面を被覆し かつそれを駄目にするような他の生物学的な物質の成分に対する傾向である。ガ ラスの脆性および製造コストはまたそれらの使用について実際には制限である。

ポリマ自体の特性により直接か、または水素イオンに関して選択的なリガンドま たはイオン透過担体の結合によるｐＨ感知であるプラスチックｐＨ膜体は、とく に生体内で、生物学的な測定に関するかなりの利点を有する。

それらは生物学的適合性および中毒からの自由を示し、丈夫でかつ製造が安価で ある。しかしながら、それらはガラス電極に比して１つの重大な欠点を有し、す なわち、低抵抗のプラスチック膜体は水蒸気および電解質の通過に対して比較的 透過可能である。それゆえ、ドライ・シェルフの寿命は内部基準溶液の蒸発によ り制限される。

使用において、緩衝剤を含有する内部基準溶液の比較的大きな容積は膜体を横切 る水および電解質の運動により発生される内部基準溶液のｐＨの変化による電極 電位のドリフトを最小にすべ（設けられねばならない。それゆえ貯蔵および小型 化はそれらの用途を制限する問題がある。

ヨーロッパ特許第０１３３５３６号に開示されたｐＨ感知電極においては、イオ ン透過担体としてトリドデシルアミンを含有するシリコンゴム膜体が電解質とし てＮａｃＩを含有するｐＨ４緩衝剤に関連して使用される。

このｐＨ４緩衝剤は選ばれたイオン透過担体（トリドデシルアミン）がｐＨによ り変化する内方膜体電位を呈することにより応答し始めるｐＨに実質上対応する 。

同様に、イオン透過担体としてトリーロードデシルアミンを含有するプラスチッ ク膜体を含有するｐＨ監視センサにおけるクエン酸塩緩衝剤の使用が、１９８８ 年４月の、バイオメディカル・エンジニアリング誌、第１Ｏ巻、１６５ないし１ ６９ページの、エム・オド−等による「胎児の評価用イオン選択センサ」に開示 されている。

１９８５年のアナリテイカル・ケミストリー、５７，１１５５に開示されたｐＨ 電極は同様にｐＨ４に緩衝された内部電解質に関連してトリドデシルアミン含有 ＰＶＣ膜体を使用する。一定の内部ｐＨを維持するこの技術は比較的大容量の緩 衝された電解質の使用を要求する。これは高価であるだけでなくまたｐＨ電極の 小型化を妨げる。

かかるプラスチックｐＨ膜体は膜体がネルンスト等式にしたがって動＜ｐＨ範囲 が制限されかつ膜体組成物の特別な特徴であり、そして膜体が非常に低い非対称 電位を示すことによりガラス膜体と異なる。

本発明の目的は、これら最後の２つの特性を開発して、小型化し易くかつ生体内 （または生体外）でｐＨの適切な決定に有用であり、そして生物学的適合性の表 面特性、長いシェルフ寿命、および例えば、１ミリボルト／日の領域において、 低い電位ドリフトを備えた適切な作動寿命を好ましくは有する新規なｐＨ電極を 提供することである。

発明の開示 本発明によれば、内部基準電極、内部基準物質からなる層、および最も好ましく は生物学的に適合可能であるｐＨ感知ポリマを基礎にした膜体からなり、膜体が 制限されたｐＨ応答範囲を有し、かつ内部基準物質が膜体のｐＨ応答の範囲外の ｐＨを有することを特徴とするｐＨ電極が提供される。

かかるｐＨ電極によれば、一定のｐＨを維持するために緩衝されている多量の内 部基準物質（または電解質）を使用する従来の技術を適用する必要がない。これ は内部のｐＨが該内部のｐＨが膜体が応答するレベルに達するまで膜体の内部面 での電位（内方膜体電位）に影響を及ぼすことなしに変化させられることができ るという知見のためである。

本発明において、（ａ）膜体のｐＨ応答の範囲外の値に物質のｐＨを（使用にお いて水和化されるとき）調整するような量において固体ｐＨ調整添加物（クエン 酸のごとき好ましくは薬理学的に許容し得るカルボキシル酸である固体酸例えば 有機酸；または固体アルカリ）；（ｂ）固体電解質形成物質（例えば塩化カリウ ム）；および（Ｃ）固体基準電極塩（例えば塩化銀）からなる固体内部基準物質 からなる層を使用するのが好適である。

使用において、水は膜体を通って透過しかつ固体ｐＨ調整添加物が緩衝されない 飽和溶液を発生するために水和化する。例えば、クエン酸が使用されかつ膜体が イオン透過担体としてトリーｎ−ドデシルアミンを有するＰＶＣからなる場合に 、溶液が代表的には約２のｐＨを有する。溶液は緩衝されないため、ｐＨは使用 の間中変化することができるが、内部ｐＨが内方膜体電位がｐＨにより変化し始 める約４に上昇するまででない。実質的な時間はこれが行われる前に経過するこ とができ、かつそれはｐＨ電極の有効な作動寿命を呈するこの時間である。

使用されるときそれを迅速に安定化することがｐＨ電極を使用するとき重要であ る。内部基準物質がまた吸湿性物質を含有することが非常に好適である。

吸湿性物質の含有は内部基準物質が迅速に水和されるのを可能にしそれにより使 用されるとき安定化（活性化）するように電極構体に要求される時間を減少する 。吸湿性物質の型式および量はその吸湿性、他の成分の性質、膜体の性質および 電極構体の意図された使用を考慮する比較的簡単な審査および実験により選ぶこ とができる。

その溶融において内部基準物質の他の成分が分解されまたは分散させられること ができる比較的低い溶融点の吸湿性物質、例えばソルビット（ｍｐ　１１０°Ｃ ）を使用するのが好適である。他の成分を含有する溶融物は次いで基準電極を収 容する、ＰＶＣチューブのごとき、チューブ内に導入され、該チューブはその場 合にチューブの端部の上方にその場所で形成される膜体により閉止される。

低溶融吸湿性物質の使用はそれがｐＨ電極の製造の間中弱める内部基準物質の他 の成分の危険を最小にするのでとくに好都合である。例えば、内部基準物質がク エン酸を含む場合に、溶融物の低い温度がその有毒な性質に鑑みて非常に慎重な 取扱いを要求するシトラコニツク酸へのクエン酸の分解に至らない。かくして、 吸湿性物質が好ましくは内部基準物質の他の成分の分解温度以下である溶融点を 有する。吸湿性物質としてのソルビットの使用はそれが比較的低い溶融点を有す るためだけでなく、またそれが安定な、非有毒でありかつ膜体にに逆に作用しな いためとくに好都合である。

内部基準物質は好ましくは固体であるけれども、使用において運転されるとき十 分な水和を促進するように水で僅かに湿り気が付与される。その所望の水含量は 密封パッケージ内において使用の前に構体を密封することにより好都合に維持さ れることができる。所望ならば、しかしながら、構体は、パッケージ内に、乾燥 剤、例えばシリカゲルを含むことにより完全に乾燥した状態に維持されても良い 。

ポリマを基礎にした膜体は（ａ）ポリマが水素イオンに対して固有の透過性を有 するか、または（ｂ）イオン透過担体、リガンドまたは複合剤がかかる選択的な 透過性を付与するようにポリマ内に組み込まれるものにすることができる。

好ましくは、膜体は基準電極および物質がその中に設けられるカニユーレを横切 って設けられる。内部基準物質は基準電極と両立できるように選ばれる。かくし て、基準電極が銀／塩化銀である好適な場合において、内部基準物質が塩化銀お よび溶融可能な塩化塩、例えば塩化ナトリウムまたは塩化カリウムのごとき第１ 族の塩化物を含有する。

ポリマを基礎にした膜体はトリーｎ−ドデシルアミンを組み込んでいるＰｖＣか ら好都合に形成される。ｐＨ電極が血液のごとき生命維持に必要な流体の生体内 でのｐＨ監視に使用される場合において、膜体はＰＶＣのごとき生物学的適合の ポリマから形成される。　本発明のｐＨは主として使い捨て型からなるように向 けられかつそれゆえ比較的短い周期にわたって受容し得る安定性で作動させるこ とができるように十分な化学薬品を設けることに矛盾のない非常に小さい大きさ からなることができ、その長さは意図される使用分野により決定される。

例えば、電極構体が分娩の間中胎児の血液の監視に使用されるべくなされる場合 において、十分な時間の長さは約１２時間である。代表的には、受容し得る作動 寿命範囲が０．３ないし０．７ｍｍと同じ位小さい外径を備えることができる。

本発明のｐＨ電極は血液または他の生命維持に必要な流体中の生体内での監視の ための監視装置に使用されてもよく、前記装置はそれから突出しかつ血液または 他の生命維持に必要な流体のｐＨが監視されるはずである場所で患者への挿入に 適合される第１および第２電極を有する本体からなり、第１電極が基準電極であ りそして第２電極が本発明のｐＨ電極である。

好ましくは、各電極が前記本体から各々螺旋状に成形された針の端部に設けられ 、それは電極が、必要ならば、例えばアメリカ合衆国再発行特許第２８９９０号 に開示されたような、適宜に成形された工具を使用して、電極構体の本体に対し てねじり作用を加えることにより所望の深さにまで患者の皮膚を通して挿入され ることができるためである。選択的な実施例において、針は真っ直ぐな、クリッ プ状（例えばヨーロッパ特許第０００７７０２号に開示されるような）、または 外方に向けて広げられる（例えばヨーロッパ特許第０００４９６７号に開示され るような）。

図面の簡単な説明 第１図はｐＨを監視するための本発明によるｐＨ電極の先端を示す拡大長手方向 断面図、そして第２図は第１図に示したｐＨ電極を含んでいる監視装置を示す側 面図である。

発明を実施するための好適な形態 次に第１図を参照すると、ｐＨ電極は薄い壁構造のカニユーレ１０を貫通しかつ ０．７ｍｍを有するステンレス鋼からなる。カニユーレ１０内に、該カニユーレ ＩＯの内壁を接触するＰＶＣスリーブ１２である。０．１２５ｍｍの外径を有す る塩素で処理された銀ワイヤ（スリーブ１２内のクリヤランスと適合するように ）はクリヤランスを備えたＰＶＣスリーブ１２内に中央に配置された基準電極１ ４を設ける。ＰｖＣスリーブ１２と基準電極１４との間の空間は使用中緩衝され ない酸電解質を形成しかつ吸湿性物質の連続相内に分散される固体電解質溶質、 固体基準電極塩および固体酸を含有する。

１例において、内部基準物質１６は吸湿性物質として５４重量％のソルビット、 固体酸として２２重量％のクエン酸−水化物、固体電解質溶質として２２重量％ の塩化ナトリウムおよび固体基準電極塩として２重量％の塩化銀からなる。かか る混合物は基準電極１４とＰｖＣスリーブＩ２との間の空間を満たすように使用 される薄いイロツブに溶けるまで９５’Ｃに攪拌しながら加熱される。

他の例において、塩化ナトリウムは塩化カリウムにより置き換えられる。

カニユーレｌＯの先端は皮膚の貫通を助けるために針先端を設けるように鋭くさ れる。

カニユーレ１０の先端は安定剤のいらないテトラヒドロフランにおいてポリマ膜 体（この例においてフル力社により供給されるようなセレクトフォア）の溶液中 に簡単に浸漬される。この膜体物質は水素イオン担体としてトリーｎ−ドデシル アミンを含有するＰｖＣに基礎を置いている。乾燥がそれに続く膜体溶液への構 体の針先端の浸漬は斜面を横切る膜体２０の形成を結果として生じる。ＰＶＣか らなっている膜体２０はＰＶＣスリーブ１２に堅固に結合されかつ電解質１６に 接触する。代表的には、膜体２０は約０．１ないし０．２ｍｍの厚さを有する。

膜体２０は約４ないし８の比較的制限された有効な作動ｐＨ範囲を有するが、こ れは胎児の血液監視状態において許容し得る。膜体２０はまた水蒸気を透過可能 でありそれは、水性液体、例えば血液中に配置されるとき、水が膜体２０を透過 しかつ内部基準物質１６を水和することができる。膜体を横切る水の通過は電極 内の吸湿性物質の存在により加速され、かくして電極を使用され始めているとき 迅速に安定化させることができる。配置は、電極構体の所望の有効な作動寿命に わたって、電解質が塩化ナトリウムにより飽和され、そしてクエン酸および塩化 銀が常に存在するようになっている。代表的には、水和後、電極は内方膜体電位 が内部ｐＨの変化に応答し始めるｐＨ以下である約２のｐＨを有する。かくして 、膜体２０の内面での電位は電極構体の意図される有効な作動寿命（代表的には 約１２時間）にかんして許容し得るように一定のままである。内方基準電極電位 はまた、電極構体の意図される有効な作動寿命の間中、電極と接触して銀、塩化 銀および飽和塩化物溶液がある。

上述したｐＨ電極は第２図に示した監視装置の基準電極に関連して使用されるこ とができる。かかる装置は分娩の間の胎児のｐＨ監視に向けられそして第１およ び第２電極を支持する合成プラスチック体３０からなる。電極３２および３４は ２重の開始螺旋を画成するように共通軸線のまわりに相互に配置された螺旋形状 からなる。

監視装置は胎児の血液と接触するように電極の鋭くされた先端を胎児の頭の皮を 貫通させるために時計回り方向に監視装置を回転させることにより所定位置に固 定されることができる。挿入の深さは皮に対して本体の下側面３６の係合により 制限される。第１電極３２は針を通して絶縁銀ワイヤを通し、そしてそれを針チ ューブ上に戻すように針の先端に塗布される医療用エポキシ樹脂を使用して所定 位置に固定することにより形成される基準電極である。治療後、ワイヤおよび過 剰のエポキシ樹脂は針の斜面と同一で切断され、銀ワイヤの端部表面において露 出された銀が塩化物で処理され、そしてその場合に針の斜面はテトラヒドロフラ ン中で生物学的に適合可能なポリウレタンポリマ例えばテコフレックスの溶液の 表面に接触指せられる。結果として生じる樹脂層は銀のプロティン凝固作用の結 果として電極上へのプロティンの配置を阻止するのに役立つ。

第２電極３４は第１図に関連して上記に本書で説明した型のｐＨ感知電極である 。

第２図の監視装置はさらに、ｐＨの変化が表示されることができるようにｐＨセ ルの現行の電圧を戻すための設備とともに、ネルンスト等式の単位において目盛 られた非常に高い入力抵抗の電圧計であるｐＨメータへの取着のために遠隔位置 に延在する電気導体３８を含んでいる。

他の実施例（図示せず）において、本発明によるｐＨ電極は銀ワイヤ（またはス テンレス鋼ワイヤまたは銀で被覆された他の材料）でありかつ端部分にわたって 塩化物で処理されることができる、導電性ワイヤの端部に銀／銀塩化物電極を形 成することにより設けられることができる。塩化物で処理された端部分は電気絶 縁材料、例えばＰＶＣの薄い層で被覆され、端部は切断されかつ露出された区域 が再び塩化物で処理され、その結果端部が銀／銀塩化物電極区域を形成する。そ の区域およびそれに隣接する絶縁された部分の小さい部分はその場合銀塩化物の １％添加物との等しい部の細かく砕かれた塩化カリウムおよびクエン酸の混合物 に浸漬され、該混合物はクエン酸が溶融するまで加熱され、形成された固体化さ れた層が内部基準物質である。この層はその場合に、可望剤およびｐＨ感知イオ ン透過担体またはリガンド、例えばトリーｎ−ドデシルアミンを含有するｐＨ感 知膜体、例えばＰＶＣ（絶縁層と結合するために）で被覆される。

膜体はまた身体組織または流体との適合性を損なうことなしに添加物としてカリ ウムテトラフェニルポレートまたはカリウムパラクロロテトラフェニルボレート を含むことができる。

かかる電極は２日の代表的な作動寿命を有しそして６．８４ｐＨの燐酸塩緩衝剤 中のそれらの電位が約１ミリボルト／日だけ移動する。それらは使用まで殺菌包 装中で殺菌されかつ乾燥して補完されモしてＰＶＣ／イオン透過担体膜体を通る 水蒸気の通過により事実上乾燥する、現存する流体充填ＰＶＣ／イオン透過担体 ｐＨ電極より長いシェルフ寿命を有する。

本発明による電極は一般に使い捨てとして考慮されかつ各々１度だけ使用される けれども、かかる電極は使用後乾燥され、かつ再び要求されるまで保管されても よい。

さらに他の実施例において、本発明によるｐＨ電極は銀板（またはステンレス鋼 または１面に銀で被覆された他の材料からなる板）の１面上に銀／塩化銀内部基 準電極を形成し、塩化物で処理し、上述のごとく設けられた塩化カリウム／クエ ン酸／塩化銀混合物の層で被覆し、上述のごと＜ｐＨ感知膜体中にその層を封入 し、そして板に導電性リード線を付着した後絶縁材料中に板の残部を封入するこ とにより設けられることができる。

またさらに他の実施例において、本発明によるｐＨ電極はプラスチックまたはセ ラミック基板のマスクされた区域内で銀フィルムを形成し、銀フィルムの露出さ れた表面を塩化物で処理し、該塩化物で処理された表面を上述のごとく設けられ た塩化カリウム／クエン酸／塩化銀の層で被覆し、そしてその層を上述のごとく 設けられたｐＨ感知膜体で被覆することにより設けられることができる。

本発明によりｐＨ電極を製造する上述した方法のいずれも細かく砕かれた塩化カ リウム／クエン酸／銀の混合物を６０％塩混合物；３０Ｄ重量％のポリマの比率 においてジアセトンアクリルアミドと混合することにより変性されることができ る。ジアセトンアクリルアミドを使用する利点は、 １、ポリマの溶融点である５４ないし５６°Ｃへの内部基準物質の処理温度の低 下、 ２、加熱された混合物の粘性減少を結果として生じるポリマ添加物の可塑作用、 ３、ジアセトンアクリルアミドの水保持特性に存する。

この添加物により得られる良好な流動学的な特性は平面処理技術に基礎を置いた ｐＨ感知装置、すなわち厚膜／薄膜ｐＨセンサおよびｐＨ感知電界効果トランジ スタの構造においてとくに望ましい。これらの感知装置において、少量の内部基 準物質をフォトリソグラフィでパターン化されたマイクロウェルに分配すること が要求されそしてこれは通常の被覆技術によっては行うことができない。

要約書 生体内での使用に適するｐＨ電極がカニユーレ１０内に設けられ、そして塩化カ リウム、塩化銀、クエン酸および吸湿性剤としてのソルビットからなる固体の緩 衝されない内部基準物質１６により取り囲まれる塩化物で処理された銀ワイヤ１ ４からなる。物質１６はＰｖＣスリーブ１２にり取り囲まれる。カニユーレＩＯ の先端はその端部を横切ってｐＨ感知ポリマを基礎にした膜体２０を有する。基 準物質は膜体２０のｐＨ応答の範囲以下である約２の水和されるときのｐＨを有 する。

国際調査報告　Ｑｒ↑ＩｒＱ　＠５／ｌ’１ｌｌｎｊｅｌＰＣＴ／Ｇｌｌ　９２ １０００４９

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. １．内部基準電極、内部基準物質からなる層、および最も好ましくは生物学的に 適合可能であるｐＨ感知ポリマを基礎にした膜体からなるｐＨ電極において、前 記膜体が制限されたｐＨ応答範囲を有し、かつ前記内部基準物質が前記膜体のｐ Ｈ応答の範囲外のｐＨを有することを特徴とするｐＨ電極。
2. ２．前記内部基準電極が固体であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の ｐＨ電極。
3. ３．前記内部基準物質は前記膜体のｐＨ応答の範囲以下であるｐＨを有すること を特徴とする請求の範囲１または２に記載のｐＨ電極。
4. ４．前記内部基準物質が固体ｐＨ調整添加物、固体電解質形成物質および固体基 準電極塩からなることを特徴とする前記請求の範囲のいずれか１項に記載のｐＨ 電極。
5. ５．前記内部基準物質が吸湿性物質を含有することを特徴とする前記請求の範囲 のいずれか１項に記載のｐＨ電極。
6. ６．前記吸湿性物質が前記内部基準材料の他の成分の分解温度以下である溶融点 を有することを特徴とする請求の範囲第５項に記載のｐＨ電極。
7. ７．前記吸湿性物質がソルビットであることを特徴とする請求の範囲第６項に記 載のｐＨ電極。
8. ８．前記内部基準電極は銀／塩化銀基準電極であり、そして前記内部基準物質が 塩化銀、水に溶解可能な塩化物、薬理学的に受容可能なカルボキシル酸、および ソルビットからなることを特徴とする前記請求の範囲のいずれか１項に記載のｐ Ｈ電極。
9. ９．前記薬理学的に受容可能なカルボキシル酸がクエン酸であることを特徴とす る請求の範囲第８項に記載のｐＨ電極。