JPH06504624A - 流体中の物質濃度測定のためのミニチュア化されたセンサー素子とその製造方法並びにイオン選択電極 - 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】 流体中の物質濃度測定のためのミニチュア化されたセンサー素子とその製造方法 この発明は、ａ）その中に膜が形成される空洞を備えた膜担体と、ｂ）重合又は 溶液がらの取り出しによって”その場（ｉｎ　５ｉｔｕ）”位置に形成された膜 と、Ｃ）前記膜担体と機械的に接続又は一体化されて膜と接触している電導線と から構成される流体中の物質濃度測定のためのミニチュア化されたセンサー素子 に関する。

さらに本発明は、この種のセンサー素子の製造方法にも関する。

上述されたタイプのイオン選択性膜を備えたミニチュア化されたセンサー素子は 、例えば、医療技術においては血液電解質の測定のため、又環境技術においては 飲料７し山／ｌ’ｌプγφ拳−丘斤オ血小◆／シｒＴｒ　ｌ＋　ｆｉｌ　−−ｒ −ｒ−−＋　→’Ｊ”Ｔ　Ｉ＋−’　Ｍ　ｃ丁１刀貝１ｍ　ｌＪｃ、　”ｊ　ｆ ｆｌ山１，４り用　ｃ’４ＬＬｕ’　り。

”コーテッド−ワイヤ”法によりミニチュア化されたイオン選択性電極（ＩＳＥ ）を製造することは公知である（参照；Ｐ、バーベルト、液体の化学センサーの 開発と利用、”進歩したロボットのためのセンサーとセンサーシステム”４０３ 頁、スプリンガー出版ベルリンーハイデルベルク）。細い銀ワイヤかイオン選択 性ポリマー膜で被覆されており、この膜は液体相がら、例えば膜溶液中にワイヤ を浸漬させることによって作られる。

″コーテッドーワイヤ”法に類似して、イオン選択性電極は”コーテッド−フィ ルム”法によっても製造される（参照；Ｕ、レムケ、Ｋ、カマン、”コーテッド −フィルム電極”フレゼニウス分析化学、（１９８９）　３３５．８５２−８５ ４頁）。最も簡単にはこのセンサー素子は合成樹脂から作られ、この合成樹脂は イオン選択性ポリマー膜を被覆した薄い銀フィルムを取付けている。

そのようなイオン選択性ポリマー膜の製造も知られている（参照二ノイウルムの フル力ファインケミカルＧｍｂＨ社のユーザレポート”イオン選択性電極のため の選択性物質−イオン化物質”）。この膜は、例えばＰＶＣ〜マトリックスから 作られるが、このマトリックスは膜のイオン選択性を決定する電気活性物質（イ オン化物質（Ｉｏｎｏｐｈｏｒ）　）も軟化剤と共に含有している。溶媒（例え ば、テトラヒドロフラン）中に溶けた膜物質が、例えば膜の鋳造法のために用い られ、その際溶媒は気化されて固結した膜か生じる。

上述したセンサー素子より少し複雑ではあるか、いわゆる薄膜電極がある（参照 ；に、カマン他、”化学バイオセンサー　基礎と応用”雑誌応用化学１０３（１ ９９１）、５１９−５４１頁）。この電極は、前述した銀層とイオン選択性ポリ マー膜との間に、付加的に塩化銀層及び膜と銀フィルムとの間の一定なポテンシ ャル差の調整のための参照電解質をもつ固定された層を備えている。

上述したイオン選択性電極では、その相境界において測定溶液とイオン選択性膜 との間のポテンシャル変化が形成されるセンサー素子が扱われる。そのポテンシ ャル変化は、測定溶液のイオン活性度とその結果としてのイオン濃度に依存する 。ポテンシャル変化は、例えば一定なポテンシャルをもつ参照電極に対して測定 される。

多数のイオン選択性膜は、担体上で一つのマルチセンサーとして統合される（参 照；ヨーロッパ特許出願　εＰ０３０２２２８　Ａ２）。

さらに、イオン選択性電極をバイオセンサー素子に拡張することも知られている 。この目的のために、例えばイオン撰択性膜において、その表面又は別な膜に又 はゲル層に酵素が吸着、ゲル包含、共有結合、架橋によって固定化される。酵素 ＣＯＤによって、例えばポテンショメトリックなグルコースセンサーが作られる （参照；Ｆ、シェラ−１Ｆ、シューベルト：バイオセンサー、アカデミ−出版ベ ルリン（１９８９）、８９頁、４９−５２頁）。

従来のセンサー素子では、製造方法が例えば薄膜電極の場合に大掛かりとなった り、”コーテッドフィルム”電極のための簡単な鋳造法や接着法の利用において は各センサー素子が一個づつ作られ、そのため個別にキャリブレーションしなけ ればならないという欠点がある。

それゆえ、本発明の課題は、化学バイオセンサーのためのセンサー素子をきわめ て簡単で経済的な方法により、全面的に一様なセンサー特性をもった状態で大面 積で作り出すことにある。生成された構造体からは多くのセンサー素子を作り出 すことができ、これらのセンサーは全て同じセンサー特性を有する。従って、わ ずかのセンサー素子のキャリブレーションデータが一工程分の全てのセンサー素 子に利用できる。

上記課題は、本発明によれば、冒頭部で述べた形式のミニチュア化されたセンサ ー素子において、膜担体を毛管体とし、その毛管内において膜を重合又は毛管体 が浸漬した溶液から溶媒を蒸発させることにより生成することによって解決され る。

そのような膜担体は、例えば長尺ライン体又は布生地の形状とすることができ、 これは網目状に切断するか多くの小さなミニチュアセンサー素子に打ち抜くこと により細断される。この製造のための前提は、個々のセンサー素子の特殊な形状 である。

溶液に浸漬可能な膜担体は、例えば一般フィルタ紙、他の紙或いはセルロース含 有度から作られる。また、合成繊維度、特にいわゆるマイクロ繊維を用いること もできる。よく似た特性は、繊維組織やニット、金属繊維組織、金属−皮、或い は有機又は無機材料からなる発泡材料、例えば発泡ガラス、合成樹脂発泡材など ももっている。膜担体は機械的に支持しているマトリックであり、その中でゲル 状に固結された膜が存在しており、その膜は毛管構造体の毛管に保持されている 。

膜を、普通の方法、例えば銀接点と接続するために支持マトリックス、例えばま だ細断されていない形態のものに上述されたタイプの電導層を形成することが提 案される。この層は、例えば蒸着された銀層とすることができ、変形された”コ ーテッドフィルム”電極ができあがる。

毛管体に存在するセンサー素子に、バイオ的に活性な物質、例えば酵素を固定化 して保持しているもう一つの層を形成することができ、これによりバイオセンサ ーが実現する。

すでに示唆したように、毛管体は、フィルタ紙、ＰＴＦＥマイクロ繊維扁平体、 ニット又は合成繊維からの織物、ガラス繊維、金属ワイヤ、電導合成繊維、金属 化合成繊維、及び発泡合成樹脂層又は他の毛管を有する層から構成される。この 毛管体は、自己の毛細管力又は表面張力により膜溶液を保持することができ、− 面均一に分布できなければならない。毛管体の厚さは０．０１〜１ｍｍである。

そのような毛管体は、例えばイオン選択性膜の製造では一般的であるＰＶＣ膜溶 液溶液漬する。さらに、膜溶液は毛管体に付着され、例えば鋳造、噴霧又は液浸 が施される。溶媒の気化の後、毛管体の中にイオン選択性ＰＶＣ膜が形成され、 その膜に選択性を決定するイオン化物質か存在する。

ここでは、イオン選択性膜はまたイオン選択性ＰＶＣ膜の代わりにシリコン、ゴ ム、写真重合層、電子重合層、ゲル層、或いは液体相から形成される他の物質か ら作ることができることを指摘しておく。

膜溶液への浸漬の前後に、毛管体は一側に銀フィルムを備えることかでき、いわ ゆる”コーテッドフィルム”電極の形態をとることかできる。このことは、例え ば真空蒸着、銀ペーストを用いたスクリーン印刷、網目状に塗布された不活性接 着層をもった接着剤、或いは化学的遊離によって行われる。

特に興味のあることは、銀接点の代わりに毛管体は一方の表面に固結した参照電 解質を接触状態で備えることができることである。このことは、例えば参照電解 質がゲル状の層として毛管体内に形成されることにより実現し、その層は一方の 表面にイオン選択性膜を、他方の層に塩化銀／銀導線を備えている。この参照電 解質層は、例えばＫＣＩ塩溶液から構成されることができ、その溶液はゼラチン 、寒天、或いはポリビニルアルコールなどの高粘性剤で固結する。請求の範囲の 従属項のさらに別な特徴については後述する。

本発明では、製造される化学つまりバイオセンサー素子の特別な形態において、 一様なセンサー特性を存する大きな面積のものから分断又は打ち抜きにより大量 のほぼ同じセンサー特性をもつミニチュアセンサー素子を作り出せるという利点 がある。このセンサー素子に組み込まれる膜の参照電解質層の特性の一様性は、 用いられる毛管体の一様性から生じるものである。毛管体の基礎材料、つまり織 物、紙、マイクロ繊維皮或いはこの種のものは、大変一様な特性をもって製造で きることが知られている。

その際、膜の構造は毛管の大きさ、対象となる毛管体の表面特性やこの種のもの に合わせなければならないことを指摘しておく。また、その利用は、例えば生体 外か生体内かいずれの環境での測定なのか考慮されなければならない。

一連の実験により、毛管体が一様な配置となっていると、膜と参照電解質層のた めの層特性も一様となることが示されている。この特性は毛管体の公知の性質と 、毛細管力つまりは表面張力によって支持マトリックス内部で一様に分布する取 り込まれた層、電解質溶液、又はゲル溶液の容量から生じる。

まず大面積で製造し、続いて細断又は打ち抜きする製造方法によって、センサー 素子構造全体の電気化学的特性が広い面積にわたって一定に維持される。わずか なミニチュアセンサー素子で測定された値が、十分な再現性をもって同じ工程分 の他のセンサー素子に適用することができる。

さらなる説明は、添付の図面を使って以下に行われる。

図面はそれぞれ断面で示されている： 図１は膜と大きな面積の金属接点をもつ”コーテッドフィルム”構造の断面図、 図２は膜と流体状イオン電解質をもつイオン選択性電極、 図３は個別の金属接点をもつ”コーテッドフィルム”構造の断面図、 図４は接着された導線をもつ”コーテッドフィルム”構造の断面図、 図５は膜をもつ薄膜電極の断面図、 図６はバイオセンサー素子、 図７と図８は担体上のセンサー素子の２つの実施例。

図１に、ミニチュア化されたセンサー素子が概略的に図示されている。このセン サー素子は、膜担体１及びこの膜担体と直接接触している銀フィルム５とから構 成されている。膜担体１は、ここでは約１ｍｍ厚のフィルタ紙層、ＤＩＮ１２４ ４８による一般フィルタ紙から構成されている。銀フィルム５の厚さは、膜担体 ｌの厚さを越えている。この層は、例えば真空蒸着又は銀ペーストを用いたスク リーン印刷と熱処理によって作られる。蒸着層は、典型的な厚さとして１ミクロ ンである。スクリーン印刷によって作られる層厚さは、１〜１０ミクロンの間で ある。

膜担体ｌは適当な膜材料に、例えば軟化剤と共に膜のイオン選択性を決定する電 気活性物質（イオン化物）も含むＰＶＣ膜溶液を含浸させる。ＩＳＥ法のための 、液体膜、例えばＰｖＣ膜又はシリコンゴム膜のための適当な溶液の製造は、公 知である。ノイウルムのフル力ファインケミカルＧｍｂＨ社のユーザレポート、 ”イオン選択性電極のための選択物とイオン化物″に例か示されている。溶剤が 気化した後、同一場所（”ｉｎ　５ｉｔｕ”）の膜担体の毛管体内に膜担体の毛 管体内部に保持される膜が生成される。図１によるセンサー素子の拡張は、需要 と使用目的によって決まる。好ましくは大面積で製造された長尺体、例えば５０ Ｘ１００ｃｍの寸法から大量のマイクロセンサー素子が細断又は打ち抜きされて 、３Ｘ３ｍｍの大きさにされる。従って、このような形態は、修正されたコーテ ッドフィルム法によるセンサー素子を表す。

導電性毛管体を用いると、毛管体の厚さが比較的大きい場合、比較的小さい電気 的な膜抵抗となる利点かある。

これは、電気的な膜抵抗が電導性繊維を包む膜材料の厚さによって決まるからで ある。

そのような毛管体は、真空蒸着又はめっき法によって薄い金属フィルムに被覆さ れた繊維から構成される。或いは、電導性てあって、例えばすず又は金属粉末を 施されたポリエチレン系から作られた繊維を用いることもできる。

図２に、膜と共に浸漬されている膜担体ｌかどのように”古典的”に利用をされ るかを示している。図２は、従来のイオン選択性電極を断面で示している。一般 的には、円筒容器２の端部に貼り付けられたイオン選択性ポリマー膜は、膜を有 する膜担体に置き換えられている。

約３〜５ｍｍの直径をもつこの円筒容器２は、参照電解質溶液３で満たされてい る。この電解質溶液３の中へ表面を塩化した銀ワイヤ４を沈ませる。

膜担体ｌは、ここではＰＴＦＥマイクロ繊維織物から作られている。そのような 材料自体は公知である。膜担体のＰＴＦＥ毛管体内に保持されるイオン選択性膜 は、例えば既に述べたやり方であるＰｖＣ膜溶液の鋳造や噴霧によって付着させ られ、その際、これは溶媒の蒸発の後膜が生成される。膜をもった膜担体は、例 えば好ましくは合成樹脂から作られた耳部材２の端部に付着される。

従って、この方法によって製造された膜担体ｌは、従来のイオン選択性電極を作 るためにも利用できるという利点がある。

接点のための他の手法が、図３に示されている。ここでは′コーテッドフィルム ”電極の全面銀接点が、例えば直径３ｍｍで細断又は打ち抜きされたミニチュア センサー素子の面より少し小さい個別の接触面６によって置き換えられている。

この小さな接点は、例えばシャドーマスクを用いた真空蒸着をスクリーン印刷法 で形成される。

イオン選択性膜ｌは、ここではまず膜溶液に浸漬され、続いて例えば紫外線によ る写真重合により固定化された膜が生成されることにより毛管体内に形成される 。

図４は、修正された”コーテッドフィルム”法によるミニチュア化センサー素子 の別な実施例を示している。

まず、溶液から沈殿されることにより、毛管体のその場に形成された膜をもつ膜 担体が作られる。続いて、網目状の通路７″ができるように接着層７が塗布され 、この通路内に銀膜８が侵入して完全に接着し、この銀フィルムは通路内て膜担 体ｌの膜と接触する。銀フィルムの代わりに他の同等な電導性材料を接着しても よい。この実施例は、機械的に安定で簡単に作れる組織が形成されるという利点 かある。

図５は、参照電極を存するミニチュア化されたセンサー素子を示している。まず 、膜を備えた膜担体１が既に述べられた方法で作られる。膜担体として、例えば 人工皮が用いられ乙。同じ材ｆ−１、好ましくは一汝ものから固定化された参照 電解質９を備えた層９が形成される。この層は別々に形成されてもよく、参照電 解質、例えばポリビニルアルコール中のＫＣＩの鋳造や噴霧によって作られる。

浸漬のために用いられた材料の固定化の後、内側の参照電解質層９か生じる。

参照電解質の取り込みの前に、毛管体９の材料の表面に銀−塩化銀接点が形成さ れる。これは、ここでは塩化銀層１０と銀層１１ての層状の真空蒸着によって行 われる。他の方法は、支持マトリックスのための境界に電解質塩化された銀層の 化学的遊離又は蒸着である。このために、支持マトリックスは、銀蒸着の後まず 適当な塩化液に浸漬され、この液はＡｇＣ１層の生成の後再び洗浄される。両系 管体１と９が一体でない限り、接合され、参照電解質溶液を入れる前に、毛管体 ９が膜担体ｌに収められ、２つのフィルタの間を参照電解質層が乾燥又は固結す るまで張る。

さらに利益のある可能性は、いわゆるバイオセンサーの製造である。既に明細書 の冒頭で述べたように、この種のバイオセンサーは公知である。このバイオセン サーは、ここで請求されたミニチュア化されたセンサー素子から作られるが、図 ６にしたがってその一方の表面に銀接点５を備えた膜担体ｌが、他の表面にバイ オセンナ−として必要な酵素層１２又は他のバイオ活性物質をもつ膜を備える。

最後に、図７と８には、ミニチュア化されたセンサー素子の組み込みと組立の可 能性が示されている。まず、膜担体内で一様に取り付いた膜の大きな面が生成さ れた後、個々の板片が細断によって作られる。この板片は、膜担体ｌＯと接触面 ６を備えている。ここでは、例えば図３のような大きな組織体は相応に細断され るか又は打ち抜きされる。接触面６は、合成樹脂舌片１４、例えばポリエチレン がその下面に金属層１３を備え、この層に銀導電接着剤を用いて接触面６を接着 することによって作成される。測定流体が、接触面６と金属面１３との間に侵入 することを防ぐために、ミニチュア化されたセンサー素子ｌＯの下側はそのまま にした状態でシリコン樹脂による口筒りが接触面６の周辺に施される。

支持体１４は、その長さつまりその面の拡がりにわたって多数のこの種の金属層 １３とミニチュアセンサー素子１０を支持することができ、マルチセンサー素子 を実現する。合成樹脂舌片１４のための支持体物質は、他の合成樹脂、例えばＰ ＴＦＥやポリカーボネイトでもよい。

図８は、ミニチュア化されたセンサー素子１０を装着した支持体１４の図７とは 異なった実施例を示す。支持体１４には、やはり金属層１３が存在する。この金 属層１３は絶縁層１５を覆っており、絶縁層１５は開口部１７を設けている。こ の開口部に接点板６が差し込まれ接着させられる。このためにも、銀導電接着剤 が用いられる。

ミニチュア化されたセンサー素子は、カラー状にシリコン樹脂１６で接着され、 板片６の金属層１３との接点は流体侵入に対して保護されている。

ここで前述したまずＩＳＥ膜に適した技術が、所望の電気化学的センサー効果を 及ぼす他の材料を利用するためにも適していることが注記される。そのような材 料は、例えばゲル状又は流体状のイオン交換体となることが可能である。

Ｆｉｇ、１ Ｆｉｇ、４ Ｆｉｇ、５ Ｆｉｇ、６ Ｆｉｇ−８

Claims (19)

【特許請求の範囲】
1. １．ａ）その中に膜が形成される空洞を備えた膜担体（１）と、ｂ）重合又は溶 液からの取り出しによって“その場”位置に形成された膜と、ｃ）前記膜担体と 機械的に接続又は一体化されて膜と接触している電導線とから構成される流体中 の物質濃度測定のためのミニチュア化されたセンサー素子において、前記膜担体 （１）が毛管体であり、その毛管内に膜が重合又は毛管体が浸漬した溶液から溶 媒を蒸発させることにより生成されることを特徴とするミニチュア化されたセン サー素子。
2. ２．前記膜担体（１）が、一般フィルタ紙、他の紙或いはセルロース含有皮から 作られていることを特徴とする請求の範囲１に記載のミニチュア化されたセンサ ー素子。
3. ３．前記膜担体（１）が、合成繊維皮、特にいわゆるマイクロ繊維から作られて いることを特徴とする請求の範囲１に記載のミニチュア化されたセンサー素子。
4. ４．前記膜担体（１）が、繊維組織又はニットから作られていることを特徴とす る請求の範囲１に記載のミニチュア化されたセンサー素子。
5. ５．前記膜担体（１）が、金属繊維組織又は金属−皮から作られていることを特 徴とする請求の範囲１に記載のミニチュア化されたセンサー素子。
6. ６．前記膜担体（１）が、有機又は無機の発泡材料から作られていることを特徴 とする請求の範囲１に記載のミニチュア化されたセンサー素子。
7. ７．前記毛管担体の繊維が、接点面として機能する電導層、特に銀層を備えてい ることを特徴とする請求の範囲１〜５のいずれかに記載のミニチュア化されたセ ンサー素子。
8. ８．電導性物質、例えばすずや金属粉末を混入させることにより、前記膜担体の 毛管体材料に電導性を与えていることを特徴とする請求の範囲１〜４及び６のい ずれかに記載のミニチュア化されたセンサー素子。
9. ９．前記膜担体（１）が、合成繊維羊皮、特にいわゆるマイクロ繊維から作られ ていることを特徴とする請求の範囲１に記載のミニチュア化されたセンサー素子 。
10. １０．貫通する電導層（５）が、前記膜担体（１）の少なくとも平坦側に備えら れていることを特徴とする請求の範囲１〜９のいずれかに記載のミニチュア化さ れたセンサー素子。
11. １１．個々の接点板片又は接点面が、前記膜担体（１）の少なくとも平坦側に備 えられていることを特徴とする請求の範囲１〜１０のいずれかに記載のミニチュ ア化されたセンサー素子。
12. １２．前記膜担体の一側に、酵素層（１２）又は他のバイオ活性物質を有する層 が備えられていることを特徴とするバイオセンサーの部品としての請求の範囲１ 〜１１に記載のミニチュア化されたセンサー素子。
13. １３．毛管体（９）が参照として電解質を備えており、その一方の表面でイオン 選択性膜を有する相応な膜担体と、そして他方の表面で銀電導体あるいは塩化銀 電導体と接続されていることを特徴とする参照電解質を備えた請求の範囲１〜１ ２に記載のミニチュア化されたセンサー素子。
14. １４．ミニチュアセンサー素子（１０）が網目状部材、打ち抜き、又はその種の ものによって浸漬された膜担体の大きな長尺層から作られることを特徴とする請 求の範囲１〜１３のいずれかに記載のミニチュア化されたセンサー素子。
15. １５．請求の範囲１４によるミニチュアセンサー素子が、切断又は打ち抜きによ って作り出され、これが金属層（１３）に接触状態で固定され、続いて前記接触 領域が目塗りされることを特徴とする担体組み付けセンサー素子の製造方法。
16. １６．前記金属層（１３）が、接点窓開口部（１７）を設けた絶縁層（１５）に 覆われ、かつこの開口部にそれぞれミニチュアセンサー素子を有する前記接点板 片（６）が入れられ、接触状態で固定されることを特徴とする請求の範囲１５に 記載の製造方法。
17. １７．前記ミニチュアセンサー素子（１０）の固定が、電導接着剤、例えば銀− 電導接着剤を用いて行われることを特徴とする請求の範囲１５又は１６に記載の 製造方法。
18. １８．膜を有する膜担体（１）が不活性接着層を施され、その接着層に網目状の 通路が形成されており、かつ銀フィルム又は同等の電導材料が全面的に被せられ て通路（７′）領域で膜担体（１）の膜と接触することを特徴とする請求の範囲 １〜１４のいずれかに記載のミニチュアセンサー素子の製造方法。
19. １９．従来のイオン選択性電極（図２）において、イオン選択性ポリマー膜を有 する膜担体として請求の範囲１〜１４のいずれかに記載のミニチュア化されたセ ンサー素子の利用。