JPH0646191B2 - 二酸化炭素ガス測定装置 - Google Patents
二酸化炭素ガス測定装置Info
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- JPH0646191B2 JPH0646191B2 JP60014695A JP1469585A JPH0646191B2 JP H0646191 B2 JPH0646191 B2 JP H0646191B2 JP 60014695 A JP60014695 A JP 60014695A JP 1469585 A JP1469585 A JP 1469585A JP H0646191 B2 JPH0646191 B2 JP H0646191B2
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-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
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- G01N27/404—Cells with anode, cathode and cell electrolyte on the same side of a permeable membrane which separates them from the sample fluid, e.g. Clark-type oxygen sensors
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Description
【発明の詳細な説明】 I.発明の背景 〔技術分野〕 この発明は水溶液例えば血液中の二酸化炭素ガス濃度を
検出するための二酸化炭素ガス測定装置に関する。
検出するための二酸化炭素ガス測定装置に関する。
〔先行技術および問題点〕 生体液例えば血液中の酸素や二酸化炭素ガス濃度を測定
することは、病気の診断・治療にとって重要なことであ
る。
することは、病気の診断・治療にとって重要なことであ
る。
従来、このようなガス濃度測定のために使用される酸素
を検出する酸素電極は、電極系の分類から、両極分離型
電極と、クラーク型電極に大別される。実用上の観点か
らみると、経済性、耐久性、応答特性、測定精度等の点
からクラーク型電極が主として使用されている。このク
ラーク型電極は、白金製陰極と銀陽極とが、高分子膜で
隔てられた内部電解室内に浸漬された構造のものであ
る。
を検出する酸素電極は、電極系の分類から、両極分離型
電極と、クラーク型電極に大別される。実用上の観点か
らみると、経済性、耐久性、応答特性、測定精度等の点
からクラーク型電極が主として使用されている。このク
ラーク型電極は、白金製陰極と銀陽極とが、高分子膜で
隔てられた内部電解室内に浸漬された構造のものであ
る。
一方、二酸化炭素電極も測定液からガス選択透過膜で隔
てられた内部電解液室中にpHガラス膜電極が浸漬された
構造を用いているものであるため、電極の微少化が困難
である。また、ガラス透過膜上に測定液中に含まれてい
る挾雑物が付着しやすいため、検出素子の主な目的であ
る応答速度を遅くしたり、妨害を与えたりする状態とな
る。さらに内部液のpH値変化から二酸化炭素濃度を決定
するものであるため、測定精度の低下状態が生じ、また
平衡電位に到達する応答速度が遅い等の問題がある。
てられた内部電解液室中にpHガラス膜電極が浸漬された
構造を用いているものであるため、電極の微少化が困難
である。また、ガラス透過膜上に測定液中に含まれてい
る挾雑物が付着しやすいため、検出素子の主な目的であ
る応答速度を遅くしたり、妨害を与えたりする状態とな
る。さらに内部液のpH値変化から二酸化炭素濃度を決定
するものであるため、測定精度の低下状態が生じ、また
平衡電位に到達する応答速度が遅い等の問題がある。
このため、酸素濃度検出素子同様に、電流法を用いた検
出素子の開発が望まれている。
出素子の開発が望まれている。
ダブリュ・ジェイ・アルベリ(W.J.Albery)とピー・バ
ロン(P.Barron)ジャーナル・オブ・エレクトロアナラ
ティカル・ケミストリ(J.Electroanalytical Che
m.),138,79−87,1982)はジルメチルス
ルホキシド(DMSO)溶液を内部液に持った二酸化炭素ガ
ス検出素子を報告している。しかし、この二酸化炭素ガ
ス電極は、共存する酸素ガスの妨害を受けるものであ
る。したがって、この解決のために酸素電極を組合せ使
用するようにしている。このため、電極構造が複雑にな
り、また酸素選択膜、二酸化炭素選択透過膜等の二重膜
構造を取るようになっているため、必然的に応答速度の
遅い状態となる。また、この電極は回転電極として使用
し、かつ溶液中で使用しなければならないものであり、
経皮電極のように静止状態でしかも固体表面に接触した
状態で測定することができない。回転電極として使用す
る場合、比較的大きな還元電流として検出しなければな
らないものであり、また電解にも長時間を要する状態と
なって電解生成物の影響も受け易い状態となり、かつ短
時間測定のために不適当なものである。
ロン(P.Barron)ジャーナル・オブ・エレクトロアナラ
ティカル・ケミストリ(J.Electroanalytical Che
m.),138,79−87,1982)はジルメチルス
ルホキシド(DMSO)溶液を内部液に持った二酸化炭素ガ
ス検出素子を報告している。しかし、この二酸化炭素ガ
ス電極は、共存する酸素ガスの妨害を受けるものであ
る。したがって、この解決のために酸素電極を組合せ使
用するようにしている。このため、電極構造が複雑にな
り、また酸素選択膜、二酸化炭素選択透過膜等の二重膜
構造を取るようになっているため、必然的に応答速度の
遅い状態となる。また、この電極は回転電極として使用
し、かつ溶液中で使用しなければならないものであり、
経皮電極のように静止状態でしかも固体表面に接触した
状態で測定することができない。回転電極として使用す
る場合、比較的大きな還元電流として検出しなければな
らないものであり、また電解にも長時間を要する状態と
なって電解生成物の影響も受け易い状態となり、かつ短
時間測定のために不適当なものである。
II.発明の目的 したがって、この発明の目的は、電極構造を充分に簡単
な構造のものとすることができるようにするとともに、
測定値に対する応答性が優れ、しかも酸素ガスが共存し
た状態においてもその影響を受けずに二酸化炭素ガス濃
度のみを選択的に検出することができる二酸化炭素ガス
測定装置を提供することにある。
な構造のものとすることができるようにするとともに、
測定値に対する応答性が優れ、しかも酸素ガスが共存し
た状態においてもその影響を受けずに二酸化炭素ガス濃
度のみを選択的に検出することができる二酸化炭素ガス
測定装置を提供することにある。
すなわち、この発明によれば、水溶液中の二酸化炭素ガ
スをその電解による還元電流値に基づいて測定するため
の二酸化炭素ガス測定装置であって、 少なくとも1つの開口面を有するハウジングと、このハ
ウジングの開口面を封止するように設けられたガス透過
膜と、上記ハウジング内に先端が上記ガス透過膜に接す
る状態で設けられた作用電極と、この作用電極からそれ
ぞれ独立して上記ハウジング内に設けられた基準電極お
よび対極と、上記ハウジング内に上記作用電極と接する
ように充填され非水系非プロトン溶媒と支持電解質とを
含む内部液とを具備してなるセンサー部、および 上記作用電極と基準電極との間に二酸化炭素の還元電位
に相当するパルス状の電解電圧を印加するための電圧印
加手段 を備えたことを特徴とする二酸化炭素ガス測定装置が提
供される。
スをその電解による還元電流値に基づいて測定するため
の二酸化炭素ガス測定装置であって、 少なくとも1つの開口面を有するハウジングと、このハ
ウジングの開口面を封止するように設けられたガス透過
膜と、上記ハウジング内に先端が上記ガス透過膜に接す
る状態で設けられた作用電極と、この作用電極からそれ
ぞれ独立して上記ハウジング内に設けられた基準電極お
よび対極と、上記ハウジング内に上記作用電極と接する
ように充填され非水系非プロトン溶媒と支持電解質とを
含む内部液とを具備してなるセンサー部、および 上記作用電極と基準電極との間に二酸化炭素の還元電位
に相当するパルス状の電解電圧を印加するための電圧印
加手段 を備えたことを特徴とする二酸化炭素ガス測定装置が提
供される。
なお、非プロトン溶媒とは、当該技術分野で理解されて
いる通り、電離しても水素イオンを供給できない溶媒を
意味する。
いる通り、電離しても水素イオンを供給できない溶媒を
意味する。
また、支持電解質とは、当該技術分野で理解されている
通り、電解反応に直接関与しないが、測定溶液の導電性
を高め電解効率を増大させるために測定溶液に加えられ
る電解質塩を意味し、後述するテトラアルキルアンモニ
ウム塩のほか、塩化カリウム、塩化ナトリウム、過塩素
酸ナトリウム、過塩素酸理知有無、過塩素酸4級アンモ
ニウム塩、ヘキサフルオロリン酸4級アンモニウム塩、
テトラフルオロホウ酸4級アンモニウム塩等が使用でき
る。
通り、電解反応に直接関与しないが、測定溶液の導電性
を高め電解効率を増大させるために測定溶液に加えられ
る電解質塩を意味し、後述するテトラアルキルアンモニ
ウム塩のほか、塩化カリウム、塩化ナトリウム、過塩素
酸ナトリウム、過塩素酸理知有無、過塩素酸4級アンモ
ニウム塩、ヘキサフルオロリン酸4級アンモニウム塩、
テトラフルオロホウ酸4級アンモニウム塩等が使用でき
る。
好ましくは、上記非水系非プロトン溶媒は、ジメチルス
ルホキシド、スルホラン、ジメチルチオホルムアミド、
N−メチルチオピリドンまたはプロピレンカーボネート
である。
ルホキシド、スルホラン、ジメチルチオホルムアミド、
N−メチルチオピリドンまたはプロピレンカーボネート
である。
また、好ましくは、上記支持電解質は、テトラアルキル
アンモニウム塩である。
アンモニウム塩である。
III.発明の具体的説明 この発明に係るガス濃度測定用電極体およびそれを用い
た測定装置にあっては、1つの面にガス透過膜を設定し
たハウジング内に、このガス透過膜に接触する状態で作
用電極を設定し、さらに基準電極および対電極を設定し
て、このハウジング内には非水系非プロトン溶媒と支持
電解質とを含む内部液を充填した電極体と、上記作用電
極と基準電極との間には、二酸化炭素の電解還元電位に
相当するパルス状電解電圧信号を印加して、上記電位に
対応して電解されるガス濃度を測定するようにしたもの
である。
た測定装置にあっては、1つの面にガス透過膜を設定し
たハウジング内に、このガス透過膜に接触する状態で作
用電極を設定し、さらに基準電極および対電極を設定し
て、このハウジング内には非水系非プロトン溶媒と支持
電解質とを含む内部液を充填した電極体と、上記作用電
極と基準電極との間には、二酸化炭素の電解還元電位に
相当するパルス状電解電圧信号を印加して、上記電位に
対応して電解されるガス濃度を測定するようにしたもの
である。
上記電極体すなわち二酸化炭素ガスセンサーは、測定対
象ガスとはガス透過膜を隔て、このガス透過膜を透過す
る二酸化炭素ガス、および酸素ガスが共存する場合には
酸素ガスを同一の作用電極表面で電解する。二酸化炭素
ガスセンサー内は、内部液室を保有しており、この内部
液室には非水系非プロトン溶媒と支持電解質とを含む内
部液が充填されている。この液室には、上記作用電極に
加えて基準電極および対極の三電極が浸漬されており、
作用電極の周囲は絶縁された状態となっている。また、
作用電極の先端部分は、ガス透過膜に接触する状態にあ
るため、ガス透過膜を透過してくる二酸化炭素ガスおよ
び共存することのある酸素ガスをこの作用極部分でそれ
ぞれ電解する状態となる。しかしながら、上記内部液室
中に、非水系非プロトン溶媒と支持電解質が存在するた
め、酸素ガスの還元電流は発生するもののこの酸素ガス
の還元電流値は二酸化炭素ガスの還元電流値に重畳され
ることがなく(すなわち、プロトン性溶媒を用いた場合
は、それから供給される水素イオンが酸素と二酸化炭素
との各還元に関与し、酸素の還元反応と二酸化炭素の還
元反応とが相互に影響し合うためこれらを分離すること
が困難であったが、非プロトン溶媒を用いることにより
酸素と二酸化炭素の各還元に対する水素イオンの影響が
なくなり、各還元反応を分離できるからである)、した
がって、二酸化炭素ガスの還元電圧印加に対応する還元
電流値を測定することによって二酸化炭素ガス濃度を選
択的に検出することができる。
象ガスとはガス透過膜を隔て、このガス透過膜を透過す
る二酸化炭素ガス、および酸素ガスが共存する場合には
酸素ガスを同一の作用電極表面で電解する。二酸化炭素
ガスセンサー内は、内部液室を保有しており、この内部
液室には非水系非プロトン溶媒と支持電解質とを含む内
部液が充填されている。この液室には、上記作用電極に
加えて基準電極および対極の三電極が浸漬されており、
作用電極の周囲は絶縁された状態となっている。また、
作用電極の先端部分は、ガス透過膜に接触する状態にあ
るため、ガス透過膜を透過してくる二酸化炭素ガスおよ
び共存することのある酸素ガスをこの作用極部分でそれ
ぞれ電解する状態となる。しかしながら、上記内部液室
中に、非水系非プロトン溶媒と支持電解質が存在するた
め、酸素ガスの還元電流は発生するもののこの酸素ガス
の還元電流値は二酸化炭素ガスの還元電流値に重畳され
ることがなく(すなわち、プロトン性溶媒を用いた場合
は、それから供給される水素イオンが酸素と二酸化炭素
との各還元に関与し、酸素の還元反応と二酸化炭素の還
元反応とが相互に影響し合うためこれらを分離すること
が困難であったが、非プロトン溶媒を用いることにより
酸素と二酸化炭素の各還元に対する水素イオンの影響が
なくなり、各還元反応を分離できるからである)、した
がって、二酸化炭素ガスの還元電圧印加に対応する還元
電流値を測定することによって二酸化炭素ガス濃度を選
択的に検出することができる。
このように、作用電極のガス透過膜に接触する端面部分
のみが、ガスの還元反応に関与する状態であり、還元反
応をパルス状の電圧印加によっておこなっているため、
次のような特徴が発揮される。
のみが、ガスの還元反応に関与する状態であり、還元反
応をパルス状の電圧印加によっておこなっているため、
次のような特徴が発揮される。
(1) ガス測定精度限界値まで電極の微少化が可能とな
る。
る。
(2) 電極反応は瞬時(通常1秒以内)に行われる状態
となり、電解生成物は極めて少なくなり、長時間に亙り
使用しても挟雑物等による電流変化を受けない。
となり、電解生成物は極めて少なくなり、長時間に亙り
使用しても挟雑物等による電流変化を受けない。
(3) 電極内部溶液は、非水系であるので、二酸化炭素
の還元反応による電解生成物は、通常の電解方法に比べ
てこの発明の方法は、還元生成物に含まれる有機酸をお
よび一酸化炭素等の分解生成物をほとんど含まない状態
である。
の還元反応による電解生成物は、通常の電解方法に比べ
てこの発明の方法は、還元生成物に含まれる有機酸をお
よび一酸化炭素等の分解生成物をほとんど含まない状態
である。
(4) しかも、非水系溶媒を用いているので、従来の水
系法のように系中に水素ガスを生成することがなく、二
酸化炭素の還元反応標示を妨害することがない。
系法のように系中に水素ガスを生成することがなく、二
酸化炭素の還元反応標示を妨害することがない。
(5) 加えて、内部液は非水系非プロトン溶媒と支持電
解質の双方を含むため、酸素ガスの共存する系において
二酸化炭素ガスのみを選択的に検出できる。
解質の双方を含むため、酸素ガスの共存する系において
二酸化炭素ガスのみを選択的に検出できる。
この発明に用いられるガス透過膜としては、テフロン、
ポリフッ化ビニリデン等のフッ素系高分子;シリコーン
等のケイ素系高分子、ポリエチレン;ポリプロピレン等
のポリオレフィン;含塩素高分子;ポリウレタン;ポリ
カーボネート;ポリスチレン等のスチレン系高分子;ビ
スフェノールAを一成分とする縮合系高分子などを用い
ることができる。これらガス透過膜の孔径は0ないし
0.1μmであり、膜厚は、1ないし50μmであるこ
とが好ましい。
ポリフッ化ビニリデン等のフッ素系高分子;シリコーン
等のケイ素系高分子、ポリエチレン;ポリプロピレン等
のポリオレフィン;含塩素高分子;ポリウレタン;ポリ
カーボネート;ポリスチレン等のスチレン系高分子;ビ
スフェノールAを一成分とする縮合系高分子などを用い
ることができる。これらガス透過膜の孔径は0ないし
0.1μmであり、膜厚は、1ないし50μmであるこ
とが好ましい。
また、内部液を構成する非水系非プロトン溶媒として
は、ジメチルスルホキシド、スルホラン、ジメチルチオ
ホルムアミド、N−メチルチオピロリドン、プエロピレ
ンカーボネート等が好ましく用いられる。
は、ジメチルスルホキシド、スルホラン、ジメチルチオ
ホルムアミド、N−メチルチオピロリドン、プエロピレ
ンカーボネート等が好ましく用いられる。
さらに、内部液に含まれる支持電解質としては、テトラ
アルキルアンモニウム塩が好ましく用いられる。その具
体例を挙げると、式 (これらの式において、Rはアルキル基好ましくは、炭
素数1ないし6のアルキル基、特にエチル基またはブチ
ル基である)で示されるものである。
アルキルアンモニウム塩が好ましく用いられる。その具
体例を挙げると、式 (これらの式において、Rはアルキル基好ましくは、炭
素数1ないし6のアルキル基、特にエチル基またはブチ
ル基である)で示されるものである。
以下、図面を参照してこの発明の一実施例を説明する。
第1図は二酸化炭素ガス濃度を測定する検出電極体(セ
ンサー)11の構造を示すもので、テフロン等で円筒状
に構成されるハウジング12を備え、このハウジング1
2の検出端方向の開口面は、テフロン等からなるガス透
過膜13によって、Oリングを用いて気密状態に封止さ
れている。上記ハウジング12の内部には、その中心軸
部分に対応して直径0.2mmの銀線からなる作用電極1
4を設定し、さらにこの作用電極14を挾むような状態
で基準電極15および対極16をそれぞれ独立する状態
で設定する。この場合、これら電14〜16は平行状態
に配置され、円筒状にしたポリプロピレン等からなる内
筒17の内部に埋設設定されているもので、この内筒1
7は上記ハウジング12の内部にOリング19を介して
接触され、上記電極部分に対応するハウジング内部に空
間を設定してその空間部分に非水系非プロトン溶媒と支
持電解質とを含む内部液18を充填してある。ここで、
基準電極15および対極16は、それぞれ直径1.0mm
の銀線、および白金線によって構成されている。また、
このように構成されるセンサー11において、特にガス
透過膜13を通過したガスを検出する作用電極14は、
ガス透過膜13に対して接触する状態に設定するもので
ある。また、支持電解質の濃度は5mM/ないし500m
M/であることが好ましい。
第1図は二酸化炭素ガス濃度を測定する検出電極体(セ
ンサー)11の構造を示すもので、テフロン等で円筒状
に構成されるハウジング12を備え、このハウジング1
2の検出端方向の開口面は、テフロン等からなるガス透
過膜13によって、Oリングを用いて気密状態に封止さ
れている。上記ハウジング12の内部には、その中心軸
部分に対応して直径0.2mmの銀線からなる作用電極1
4を設定し、さらにこの作用電極14を挾むような状態
で基準電極15および対極16をそれぞれ独立する状態
で設定する。この場合、これら電14〜16は平行状態
に配置され、円筒状にしたポリプロピレン等からなる内
筒17の内部に埋設設定されているもので、この内筒1
7は上記ハウジング12の内部にOリング19を介して
接触され、上記電極部分に対応するハウジング内部に空
間を設定してその空間部分に非水系非プロトン溶媒と支
持電解質とを含む内部液18を充填してある。ここで、
基準電極15および対極16は、それぞれ直径1.0mm
の銀線、および白金線によって構成されている。また、
このように構成されるセンサー11において、特にガス
透過膜13を通過したガスを検出する作用電極14は、
ガス透過膜13に対して接触する状態に設定するもので
ある。また、支持電解質の濃度は5mM/ないし500m
M/であることが好ましい。
第2図は上記のようなセンサー11をさらに小形化して
構成する場合に効果的な構造の例を示しているもので、
電極14〜16を保持する内筒17をハウジング12の
内周面に接触しない筒状に構成し、ハウジング12の内
周面と内筒17の外周面との間にOリング19を介在さ
せて、内部液18の収納部分を形成するようにする。そ
して、内筒17のガス透過膜13に接触する面は、作用
電極14に対応する部分を突出させた構成として、作用
電極14の端面のみがガス透過膜13に対して接触する
ように構成しているものである。
構成する場合に効果的な構造の例を示しているもので、
電極14〜16を保持する内筒17をハウジング12の
内周面に接触しない筒状に構成し、ハウジング12の内
周面と内筒17の外周面との間にOリング19を介在さ
せて、内部液18の収納部分を形成するようにする。そ
して、内筒17のガス透過膜13に接触する面は、作用
電極14に対応する部分を突出させた構成として、作用
電極14の端面のみがガス透過膜13に対して接触する
ように構成しているものである。
第3図は上記のように構成されるセンサー11を用いて
二酸化炭素ガス濃度を測定する原理的手段を説明するも
ので、ガスボンベ21、22および23から二酸化炭
素、酸素ガスおよび窒素ガスがそれぞれガス混合器24
に供給されるようになっているもので、このガス混合器
24内には被測定混合ガスが充填される状態となってい
る。このガス混合器24からの混合ガスは、容器25に
設定される測定液26中に供給され、この測定液26中
のガス分圧が均一となるように撹拌して、この測定液2
6の中に上記センサー11のガス透過膜13部分を浸漬
設定するものである。そして、パルス電解装置27から
上記センサー11の電極に対して電圧設定したパルス状
電圧信号を供給し、これによって得られた電流−時間応
答、電流−電圧応答をディジタルオシロスコープ、ある
いはX−Yレコーダ等の表示記録装置28で観測するよ
うにする。
二酸化炭素ガス濃度を測定する原理的手段を説明するも
ので、ガスボンベ21、22および23から二酸化炭
素、酸素ガスおよび窒素ガスがそれぞれガス混合器24
に供給されるようになっているもので、このガス混合器
24内には被測定混合ガスが充填される状態となってい
る。このガス混合器24からの混合ガスは、容器25に
設定される測定液26中に供給され、この測定液26中
のガス分圧が均一となるように撹拌して、この測定液2
6の中に上記センサー11のガス透過膜13部分を浸漬
設定するものである。そして、パルス電解装置27から
上記センサー11の電極に対して電圧設定したパルス状
電圧信号を供給し、これによって得られた電流−時間応
答、電流−電圧応答をディジタルオシロスコープ、ある
いはX−Yレコーダ等の表示記録装置28で観測するよ
うにする。
第4図は上記パルス電解装置27部の具体的構成例を示
すもので、タイミング制御回路27からのタイミング信
号によりプログラマブルな電圧パルス発生器28を制御
して、電圧値の設定されたパルス状信号を発生する。そ
して、この電圧設定されたパルス状信号は、ポテンショ
スタット30を介して、センサー11の電極部分に供給
する。このポテンショスタット30にあっては、溶液抵
抗値補正の機能を備えるもので、電極体11の作用電極
14と基準電極15との間に、パルス発生器29で設定
された電圧が印加され、内部液18の抵抗値の変化によ
って上記電極間の電圧が変化しないように対電極16に
流れる電流を制御するものである。そして、ポテンショ
スタット30を介して検出される作用電極14における
電解電流を第1あるいは第2のサンプルホールド回路3
1、32でホールドさせるようにするものである。
すもので、タイミング制御回路27からのタイミング信
号によりプログラマブルな電圧パルス発生器28を制御
して、電圧値の設定されたパルス状信号を発生する。そ
して、この電圧設定されたパルス状信号は、ポテンショ
スタット30を介して、センサー11の電極部分に供給
する。このポテンショスタット30にあっては、溶液抵
抗値補正の機能を備えるもので、電極体11の作用電極
14と基準電極15との間に、パルス発生器29で設定
された電圧が印加され、内部液18の抵抗値の変化によ
って上記電極間の電圧が変化しないように対電極16に
流れる電流を制御するものである。そして、ポテンショ
スタット30を介して検出される作用電極14における
電解電流を第1あるいは第2のサンプルホールド回路3
1、32でホールドさせるようにするものである。
ここで、二酸化炭素と酸素ガスの電解電位をみると、一
般に使われる被水溶媒と支持電解質との内部液のときに
は第5図に示すように二酸化炭素と酸素ガスの電解電位
が大きく相違するものであり、二酸化炭素と酸素ガスの
混合ガスを被測定ガスとして用いる場合、作用電極に作
用する電位を高い状態から負電位方向に変化させると、
まず酸素ガスが電解されこの酸素ガス濃度に対応した還
元電流が検出される状態となる。そして、さらに電極電
圧を負電位にさせ、二酸化炭素の電解電位に達すると、
酸素ガスおよび二酸化炭素の混合ガス全体が電解される
ようになり、この両者のガス濃度に対応した還元電流が
検出されるようになる。したがって、二酸化炭素ガスの
みの還元電流値を得るためには、まず酸素ガスの電解電
位で還元電流を測定し、その後二酸化炭素の電解電位で
還元電流を測定して、この二酸化炭素電位による還元電
流から上記酸素ガス電解電位による還元電流を減算する
ことが必要である。しかしながら、既に述べたように、
この発明のセンサー11においては、内部液18に支持
電解質が添加されているため、二酸化炭素ガスの還元電
圧に相当する電圧を印加しても、それによって発生する
還元電流値には、酸素ガスの還元電流値がほとんど重畳
されることはないので、減算処理は必要とはならない。
これは、第6図に示すように、内部液として非水系非プ
ロトン溶媒に支持電解質を添加した系にあっては、酸素
の還元反応が抑制されるためと二酸化炭素ガスの吸収,
溶解度が非常に大きなため、窒素ガスの還元電流値によ
ってほとんど影響されないためである。
般に使われる被水溶媒と支持電解質との内部液のときに
は第5図に示すように二酸化炭素と酸素ガスの電解電位
が大きく相違するものであり、二酸化炭素と酸素ガスの
混合ガスを被測定ガスとして用いる場合、作用電極に作
用する電位を高い状態から負電位方向に変化させると、
まず酸素ガスが電解されこの酸素ガス濃度に対応した還
元電流が検出される状態となる。そして、さらに電極電
圧を負電位にさせ、二酸化炭素の電解電位に達すると、
酸素ガスおよび二酸化炭素の混合ガス全体が電解される
ようになり、この両者のガス濃度に対応した還元電流が
検出されるようになる。したがって、二酸化炭素ガスの
みの還元電流値を得るためには、まず酸素ガスの電解電
位で還元電流を測定し、その後二酸化炭素の電解電位で
還元電流を測定して、この二酸化炭素電位による還元電
流から上記酸素ガス電解電位による還元電流を減算する
ことが必要である。しかしながら、既に述べたように、
この発明のセンサー11においては、内部液18に支持
電解質が添加されているため、二酸化炭素ガスの還元電
圧に相当する電圧を印加しても、それによって発生する
還元電流値には、酸素ガスの還元電流値がほとんど重畳
されることはないので、減算処理は必要とはならない。
これは、第6図に示すように、内部液として非水系非プ
ロトン溶媒に支持電解質を添加した系にあっては、酸素
の還元反応が抑制されるためと二酸化炭素ガスの吸収,
溶解度が非常に大きなため、窒素ガスの還元電流値によ
ってほとんど影響されないためである。
上記パルス電解装置27にあっては、タイミング制御回
路28において電圧パルス発生器29に対して酸素ガス
電解電位を設定する指令を与える状態の時に、第1のサ
ンプルホールド回路31に対してホールド指令を与え、
同様に二酸化炭素電解電位を指令する状態で第2のサン
プルホールド回路32に対してホールド指令を与えるよ
うにする。すなわち、第1のホールド回路31には、酸
素ガスの還元電流がホールド設定され、第2のホールド
回路32には二酸化炭素ガスの還元電流値がホールド設
定されるようになる。そして、第1のサンプルホールド
回路31からは、酸素ガス濃度に対応した出力信号が得
られ、この信号は酸素ガス濃度信号として表示記録装置
に対して供給される。また、第2のサンプルホールド回
路32からは、二酸化炭素ガス濃度に対応した出力信号
が得られ、この信号は二酸化炭素ガス濃度信号として表
示記録装置に対して供給される。この場合、第1および
第2のサンプルホールド回路31,32からの出力信号
は、適宜較正回路33によって残余電流値を引算して表
示記録装置に対して供給され、酸素還元限界電流および
二酸化炭素還元限界電球がそれぞれ直読されるようにな
る。
路28において電圧パルス発生器29に対して酸素ガス
電解電位を設定する指令を与える状態の時に、第1のサ
ンプルホールド回路31に対してホールド指令を与え、
同様に二酸化炭素電解電位を指令する状態で第2のサン
プルホールド回路32に対してホールド指令を与えるよ
うにする。すなわち、第1のホールド回路31には、酸
素ガスの還元電流がホールド設定され、第2のホールド
回路32には二酸化炭素ガスの還元電流値がホールド設
定されるようになる。そして、第1のサンプルホールド
回路31からは、酸素ガス濃度に対応した出力信号が得
られ、この信号は酸素ガス濃度信号として表示記録装置
に対して供給される。また、第2のサンプルホールド回
路32からは、二酸化炭素ガス濃度に対応した出力信号
が得られ、この信号は二酸化炭素ガス濃度信号として表
示記録装置に対して供給される。この場合、第1および
第2のサンプルホールド回路31,32からの出力信号
は、適宜較正回路33によって残余電流値を引算して表
示記録装置に対して供給され、酸素還元限界電流および
二酸化炭素還元限界電球がそれぞれ直読されるようにな
る。
このようにして、パルス電解装置にあっては、瞬時的に
一定電位のパルス電解を実行するようになるものである
ため、電極表面に対して電解生成物が付着し難い状態と
なるものであり、このため妨害物からの防御が効果的に
行われるようになる。したがって、電解応答速度の速い
状態となって、かつ長時間使用に対しても耐久性の優れ
たものとすることができる。
一定電位のパルス電解を実行するようになるものである
ため、電極表面に対して電解生成物が付着し難い状態と
なるものであり、このため妨害物からの防御が効果的に
行われるようになる。したがって、電解応答速度の速い
状態となって、かつ長時間使用に対しても耐久性の優れ
たものとすることができる。
以上のように構成されるこの発明の二酸化炭素ガスセン
サーを用いて二酸化炭素ガス濃度を実際に実験した例を
以下に説明する。
サーを用いて二酸化炭素ガス濃度を実際に実験した例を
以下に説明する。
実験例1 作用電極および基準電極としてそれぞれ直径0.2mmの
銀線を有しかつ対極として直径1.0mmの白金線を有す
る第1図に示すようなセンサー11の測定面すなわちガ
ス透過膜13部分を測定液に入れた。この場合、測定液
に対しては二酸化炭素、酸素およびい窒素ガスを表1に
示すように任意に混合した混合ガスを、中空糸型人工肺
を介して溶解させ、このガス交換された測定液をローラ
ーポンプによって循環させ、センサー11に対して接触
させるようにした。なお、センサー11の内部液として
は過塩素酸テトラエチルアンモニウム塩(支持電解質)
を0.2M/リットルの割合で含むスルホラン(非水系
非プロトン溶媒)を用いた。総ガス圧は760mmHgに設
定し、測定液の液温は20℃±0.1℃に保持した。ま
た、電解に用いたパルス電圧信号は、第7図に示すよう
に第1パルスaの波高を酸素の還元電位に相当する−
1.0ボルトとし、第2パルスbの波高を二酸化炭素の
還元電位に相当する−1.8ボルトとし、電解時間を1.
0001秒、サンプリング時間を1秒とした。測定結果を表
1に併記する。
銀線を有しかつ対極として直径1.0mmの白金線を有す
る第1図に示すようなセンサー11の測定面すなわちガ
ス透過膜13部分を測定液に入れた。この場合、測定液
に対しては二酸化炭素、酸素およびい窒素ガスを表1に
示すように任意に混合した混合ガスを、中空糸型人工肺
を介して溶解させ、このガス交換された測定液をローラ
ーポンプによって循環させ、センサー11に対して接触
させるようにした。なお、センサー11の内部液として
は過塩素酸テトラエチルアンモニウム塩(支持電解質)
を0.2M/リットルの割合で含むスルホラン(非水系
非プロトン溶媒)を用いた。総ガス圧は760mmHgに設
定し、測定液の液温は20℃±0.1℃に保持した。ま
た、電解に用いたパルス電圧信号は、第7図に示すよう
に第1パルスaの波高を酸素の還元電位に相当する−
1.0ボルトとし、第2パルスbの波高を二酸化炭素の
還元電位に相当する−1.8ボルトとし、電解時間を1.
0001秒、サンプリング時間を1秒とした。測定結果を表
1に併記する。
表1に示す結果から、供給混合ガス中の各酸素ガス分圧
(mmHg)における二酸化炭素ガス分圧(mmHg)に対する
二酸化炭素ガス還元電流値をプロットすると、第8図に
示すように原点を通る直線関係が得られた(図中、△印
および□印はO2分圧がそれぞれ 76.0および253.0 mmH
gのものである)。すなわち、O2分圧が76.0およ
び253.0mmHgと大きく異なるにもかかわらず、
両者は、実質的に同一直線上にある。したがって、この
実験では、共存酸素ガスの影響を受けることなく二酸化
炭素ガス濃度を測定することができた。
(mmHg)における二酸化炭素ガス分圧(mmHg)に対する
二酸化炭素ガス還元電流値をプロットすると、第8図に
示すように原点を通る直線関係が得られた(図中、△印
および□印はO2分圧がそれぞれ 76.0および253.0 mmH
gのものである)。すなわち、O2分圧が76.0およ
び253.0mmHgと大きく異なるにもかかわらず、
両者は、実質的に同一直線上にある。したがって、この
実験では、共存酸素ガスの影響を受けることなく二酸化
炭素ガス濃度を測定することができた。
このようなパルス電解法によるガス濃度の測定は約1分
以内と迅速である。特に、ガス濃度が150mmHg以下と低
い場合には、約20秒で測定できる。医用分野では、二
酸化炭素ガス分圧は、動脈系および静脈系において100m
mHg以下の低濃度の場合を問題にすることが多いので、
この発明の二酸化炭素ガスセンサーはこの医用分野にお
いて利用して特に有用である。
以内と迅速である。特に、ガス濃度が150mmHg以下と低
い場合には、約20秒で測定できる。医用分野では、二
酸化炭素ガス分圧は、動脈系および静脈系において100m
mHg以下の低濃度の場合を問題にすることが多いので、
この発明の二酸化炭素ガスセンサーはこの医用分野にお
いて利用して特に有用である。
実験例2 センサーの内部液中の非水系非プロトン溶媒としてジメ
チルスルホキシドを用いた以外は、実験例1と同様の操
作をおこなった。なお、二酸化炭素ガスのパルス電解電
位は−2.2ボルトであり、酸素ガスのパルス電解電位
は−7.0ボルトであった。測定結果を表2に示す。
チルスルホキシドを用いた以外は、実験例1と同様の操
作をおこなった。なお、二酸化炭素ガスのパルス電解電
位は−2.2ボルトであり、酸素ガスのパルス電解電位
は−7.0ボルトであった。測定結果を表2に示す。
表2に示す結果から、二酸化炭素分圧と二酸化炭素還元
電流値との関係をプロットすると第9図に示すように直
線関係を得た(図中、○印、△印、□印、▽印はO2ガ
ス分圧がそれぞれ50.67、101.33、202.66および405.3mm
Hgのものである)。この直線は、 を示す。すなわち、この実験において二酸化炭素ガス測
定中に酸素ガスの濃度が重畳されるものと推察される
が、その値はわずかである。これら直線は、ほぼ一致し
ており、酸素濃度により二酸化炭素濃度の測定誤差は、
5mmHg以下となる。この程度の誤差は、血液中の二
酸化炭素ガス計測を目的とした場合、実用上は問題ない
と考えられる。なお、100mmHg以下の二酸化炭素ガス
分圧領域でも、二酸化炭素ガス分圧と二酸化炭素還元電
流値とは直線関係を示すので、このセンサーは医用分野
に用いて好適であることがわかる。
電流値との関係をプロットすると第9図に示すように直
線関係を得た(図中、○印、△印、□印、▽印はO2ガ
ス分圧がそれぞれ50.67、101.33、202.66および405.3mm
Hgのものである)。この直線は、 を示す。すなわち、この実験において二酸化炭素ガス測
定中に酸素ガスの濃度が重畳されるものと推察される
が、その値はわずかである。これら直線は、ほぼ一致し
ており、酸素濃度により二酸化炭素濃度の測定誤差は、
5mmHg以下となる。この程度の誤差は、血液中の二
酸化炭素ガス計測を目的とした場合、実用上は問題ない
と考えられる。なお、100mmHg以下の二酸化炭素ガス
分圧領域でも、二酸化炭素ガス分圧と二酸化炭素還元電
流値とは直線関係を示すので、このセンサーは医用分野
に用いて好適であることがわかる。
実験例3 センサーの内部液の非水系非プロトン溶媒としてプロピ
レンカーボネートを用いた以外は実験例1と同様の操作
をおこなった。なお、二酸化炭素ガスのパルス電解電位
は−1.5ボルト(対基準電極)であった。結果を表3
に示す。
レンカーボネートを用いた以外は実験例1と同様の操作
をおこなった。なお、二酸化炭素ガスのパルス電解電位
は−1.5ボルト(対基準電極)であった。結果を表3
に示す。
表3に示す結果から、二酸化炭素分圧と二酸化炭素還元
電流値との関係をプロットすると第10図に示すように
直線関係を得た(図中、△印および▽印はO2ガス分圧
がそれぞれ152および380mmHgのものである)。この直線
は、 を示す。すなわち、この実験において二酸化炭素ガス測
定中に酸素ガスの濃度が重畳されるものと推察される
が、その値はわずかである。これら直線は、ほぼ一致し
ており、酸素濃度により二酸化炭素濃度の測定誤差は、
5mmHg以下となる。この程度の誤差は、血液中の二
酸化炭素ガス計測を目的とした場合、実用上は問題ない
と考えられる。なお、この実験で用いたセンサーは152m
mHg以下の二酸化炭素ガス分圧領域において、二酸化炭
素ガス分圧と二酸化炭素還元電流値との良好な直線関係
を示すので、このセンサーは医用分野に用いて好適であ
ることがわかる。
電流値との関係をプロットすると第10図に示すように
直線関係を得た(図中、△印および▽印はO2ガス分圧
がそれぞれ152および380mmHgのものである)。この直線
は、 を示す。すなわち、この実験において二酸化炭素ガス測
定中に酸素ガスの濃度が重畳されるものと推察される
が、その値はわずかである。これら直線は、ほぼ一致し
ており、酸素濃度により二酸化炭素濃度の測定誤差は、
5mmHg以下となる。この程度の誤差は、血液中の二
酸化炭素ガス計測を目的とした場合、実用上は問題ない
と考えられる。なお、この実験で用いたセンサーは152m
mHg以下の二酸化炭素ガス分圧領域において、二酸化炭
素ガス分圧と二酸化炭素還元電流値との良好な直線関係
を示すので、このセンサーは医用分野に用いて好適であ
ることがわかる。
IV.発明の具体的効果 以上述べたように、この発明の二酸化炭素ガスセンサー
によれば、パルス電解法を用いて溶液中の二酸化炭素ガ
スを測定するに当り、共存する酸素ガスの影響をほとん
ど受けず、二酸化炭素ガスの還元電位を相当するパルス
状電圧を印加することによって実質的に二酸化炭素ガス
濃度のみに対応した還元電流値を発生させることができ
る。したがって、その還元電流値を測定することによっ
て二酸化炭素ガス濃度を知ることができる。
によれば、パルス電解法を用いて溶液中の二酸化炭素ガ
スを測定するに当り、共存する酸素ガスの影響をほとん
ど受けず、二酸化炭素ガスの還元電位を相当するパルス
状電圧を印加することによって実質的に二酸化炭素ガス
濃度のみに対応した還元電流値を発生させることができ
る。したがって、その還元電流値を測定することによっ
て二酸化炭素ガス濃度を知ることができる。
また、上記パルス電解法は、二酸化炭素ガスの濃度に対
応する還元反応を一定電位で瞬時に生じさせるため、電
極表面の気・液平衡に達する時間が迅速になり、電流応
答速度が速い。
応する還元反応を一定電位で瞬時に生じさせるため、電
極表面の気・液平衡に達する時間が迅速になり、電流応
答速度が速い。
さらに電極体の作用電極は、その断面部分でガス濃度検
知をする状態に設定できるものであるため、この電極の
微少化のために大きな効果を発揮する。
知をする状態に設定できるものであるため、この電極の
微少化のために大きな効果を発揮する。
そして、この作用電極は、固体表面に接触する状態でも
作動できるものであり、経皮電極として効果的に用いる
ことができ、血液中の二酸化炭素、酸素濃度の測定等に
対して効果的に利用できるようになるものである。
作動できるものであり、経皮電極として効果的に用いる
ことができ、血液中の二酸化炭素、酸素濃度の測定等に
対して効果的に利用できるようになるものである。
第1図はこの発明の一実施例に係るガス濃度測定装置を
説明するための電極体構造を示す断面図、第2図は同じ
く電極体構造の他の例を示す断面図、第3図は上記電極
体を用いた測定手段を原理的に説明する構成図、第4図
は上記測定手段で用いられるパルス電解装置を説明する
構成図、第5図は二酸化炭素および酸素ガスの電解電位
の状態を説明する図、第6図は、この発明のセンサーを
用いた場合の二酸化炭素および酸素ガスの電解電位の状
態を説明する図、第7図は上記装置の実験例における電
極供給パルス信号の状態を示す図、第8図ないし第10
図はそれぞれ各実験例における二酸化炭素の還元電流値
を二酸化炭素ガス分圧に対してプロットして示す図であ
る。 11……電極体、12……ハウジング、13……ガス透
過膜、14……作用電極、15……基準電極、16……
対電極、18……内部液、27……パルス電解装置、2
8……タイミング制御回路、29……プログラマブル電
圧パルス発生器、30……ポテンショスタット、31,
32……第1および第2のサンプルホールド回路。
説明するための電極体構造を示す断面図、第2図は同じ
く電極体構造の他の例を示す断面図、第3図は上記電極
体を用いた測定手段を原理的に説明する構成図、第4図
は上記測定手段で用いられるパルス電解装置を説明する
構成図、第5図は二酸化炭素および酸素ガスの電解電位
の状態を説明する図、第6図は、この発明のセンサーを
用いた場合の二酸化炭素および酸素ガスの電解電位の状
態を説明する図、第7図は上記装置の実験例における電
極供給パルス信号の状態を示す図、第8図ないし第10
図はそれぞれ各実験例における二酸化炭素の還元電流値
を二酸化炭素ガス分圧に対してプロットして示す図であ
る。 11……電極体、12……ハウジング、13……ガス透
過膜、14……作用電極、15……基準電極、16……
対電極、18……内部液、27……パルス電解装置、2
8……タイミング制御回路、29……プログラマブル電
圧パルス発生器、30……ポテンショスタット、31,
32……第1および第2のサンプルホールド回路。
Claims (3)
- 【請求項1】水溶液中の二酸化炭素ガスをその電解によ
る還元電流値に基づいて測定するための二酸化炭素ガス
測定装置であって、 少なくとも1つの開口面を有するハウジングと、このハ
ウジングの開口面を封止するように設けられたガス透過
膜と、上記ハウジング内に先端が上記ガス透過膜に接す
る状態で設けられた作用電極と、この作用電極からそれ
ぞれ独立して上記ハウジング内に設けられた基準電極お
よび対極と、上記ハウジング内に上記作用電極と接する
ように充填され非水系非プロトン溶媒と支持電解質とを
含む内部液とを具備してなるセンサー部、および 上記作用電極と基準電極との間に二酸化炭素の還元電位
に相当するパルス状の電解電圧を印加するための電圧印
加手段 を備えたことを特徴とする二酸化炭素ガス測定装置。 - 【請求項2】非水系非プロトン溶媒が、ジメチルスルホ
キシド、スルホラン、ジメチルチオホルムアミド、N−
メチルチオプロピリドンまたはプロピレンカーボネート
である特許請求の範囲第1項記載の二酸化炭素ガス測定
装置。 - 【請求項3】支持電解質が、テトラアルキルアンモニウ
ム塩である特許請求の範囲第1項または第2項記載の二
酸化炭素ガス測定装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60014695A JPH0646191B2 (ja) | 1985-01-29 | 1985-01-29 | 二酸化炭素ガス測定装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60014695A JPH0646191B2 (ja) | 1985-01-29 | 1985-01-29 | 二酸化炭素ガス測定装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61173149A JPS61173149A (ja) | 1986-08-04 |
| JPH0646191B2 true JPH0646191B2 (ja) | 1994-06-15 |
Family
ID=11868320
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP60014695A Expired - Fee Related JPH0646191B2 (ja) | 1985-01-29 | 1985-01-29 | 二酸化炭素ガス測定装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0646191B2 (ja) |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS60178346A (ja) * | 1984-02-24 | 1985-09-12 | Terumo Corp | ガス濃度測定装置 |
| JPH0442773Y2 (ja) * | 1984-09-21 | 1992-10-09 |
-
1985
- 1985-01-29 JP JP60014695A patent/JPH0646191B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS61173149A (ja) | 1986-08-04 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |