JPS6130754A - 電気化学センサを用いた検査装置 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は検体中の化学物質の定量を電気信号に変換して
行うことのできる電気化学センサーおよびその電気化学
センサーを利用した検査装置に関する。

〔発明の背景〕

従来の電気化学センサーでは電極表面に検体中の化学物
質が通過する薄膜（例えば検体中のガス成分を測定する
場合はガス透過膜、イオン成分を測定する場合はイオン
透過膜、基成分を酸素反応によって測定する場合は酵素
膜という）と、この薄膜に接し電導性を持つ境界相（主
に電解質溶液である。）と、この液相と薄膜の反対側に
接する電極（トランスジュサー）とから構成されていて
、また、その種類には検体中のガス濃度を測定するガス
センサー（又はガス電極ともいう）と、検体中のイオン
濃度を測定するイオンセンサー（又はイオン電極ともい
う。）と、特別の基質の濃度を酵素反応によって酵素セ
ンサー（又は酵素電極ともいう。）、検体中の微生物量
を測定するバイオセンサーと、検体中の特別抗原を抗体
によって測定する抗原抗体センサーとがあることが知ら
れている（例えば■血液ガスＰ１５０〜Ｐ１８８、真興
交易株式会社医書出版部発行、昭和５６年出版、■イオ
ン電極と酵素電極１９８１年出版１講談社サイセンテイ
フイク株式会社出版部発行）。

このような電気化学センサーでは薄膜と電極との間に存
在する境界相内に薄膜を通過してきて存在する化学物質
の種類とその量によって電極が、所定の電気信号を発し
、化学物質の定量を行っている。

以上のような電気化学センサーの例として検体中のＣ０
２等のガス濃度を検出するガス電極や血液検体などにお
いて血中のクルコースを酵素反応によって過酸化水素に
変換してクルコースの測定を行う等の酵素電極がある。

以上のような電気化学センサーでは正確な測定を行うた
めに化学物質量と電極から出力される電気信号を正確に
対応させる必要がある。

従って、電気化学センサーの使用に伴い、薄膜と電極と
の間に存在する境界相の組成が変化し、検体中の化学物
質量と電気信号が対応しなくなるために一般に電気化学
センサーには寿命が設けられている。

また、薄膜は応答性を良くするために薄く構成されてお
り、電気化学センサーの使用にあたっては、該センサー
が陽圧又は陽圧状態になると薄膜が変形し境界相の厚さ
が薄膜に応じて変化する。

従って検体中の化学物質量と境界相における電気信号の
変化が正確に対応しなくなる。又薄膜の変形は薄膜を傷
めることにもなり薄膜の寿命を一層縮めることにもなる
。

そこで、以上のような電気化学センサーを用いて、検体
を流しながら検体中の化学物質量の測定を行う検査装置
では電気化学センサーの薄膜に直接陽圧あるいは陽圧が
かからないように大気圧状性で検体中の化学物質の測定
を行っていた。しかし、このような検査装置では、検体
を化学電極が存在する位置まで流路内を流さなければな
らないので、検体をポンプによって測定部位まで引いて
いる。又、流路の一部に高粘性の検体で生じやすい詰ま
りが生じたときには、ポンプで流路内の検体に圧力を加
えて詰まりを取り除かなければならない。

従って電気化学センサーの薄膜は加圧または負圧状態に
なることが避けることができなかった。

そして、このことは電気化学センサーの寿命の一層の短
縮化をもたらすために、この電気化学センサーを用いた
検査装置の精度上問題があった。

〔発明の目的〕

本願第１の発明目的は、陽圧又は加圧状態で使用しても
、薄膜の変形のおそれのない電気化学センサーを提供す
ることにある。

本願第２の発明の目的は、従来の電気化学センサーを用
いても精度良く検体中の化学物質量の測定を行うことの
できる検査装置を提供することにある。

〔発明の概要〕

本願第１の発明は検体中の化学物質をそのままの形か又
は酵素反応などによって他の化学物質に変化させて該化
学物質を通過させる薄膜と、電導性を宿し、前記薄膜に
接する状態で存在する境界相と、前記境界相に前記薄膜
と反対側で接し、前記薄膜を通過して前記境界相内に存
在する前記化学物質量に応じて電気信号を出力する電極
とを有する電気化学センサーにおいて、前記薄膜の表面
に多孔性の保護膜を設けて前記電気化学センサーの薄膜
が圧力によって変形したり、傷まないようにして、精度
よく検体中の化学物質量全測定できることを特徴とする
電気化学センサーである。

本願第２の発明は検体を流すための流路と、この検体を
流路内に導くためや、流路内に詰まりが生じたときに流
路内にある検体を吸引又は押し出すポンプと、検体中の
化学物質をその１まの形や又は酵素反応などによって他
の化学物質に変化させて該化学物質を通過させる薄膜と
、電導性を有し前記薄膜に接する状態で存在する境界相
と、前記境界相に前記薄膜と反対側で接し、前記薄膜を
通過して前記境界相内に存在する前記化学物質量に応じ
て電気信号を出力する電極とを有する電気化学センサー
と、前記電気化学センサーによって検出された電気信号
を表示する手段とを有して流路内に生じた詰まり等の圧
力の変化を迅速に検知して、流路の詰葦り等を迅速に発
見するとともに前記電気化学センサーの薄膜に過大の圧
力が加わらないようにして精度よく検体中の化学物質量
を測定できることを特徴とする検査装置である。

本願第１の発明の電気化学センサーに用いられる保護膜
は一般に織布であってポリエステル、ナイロン、ボリグ
ロビレン及び炭素繊維等の高分子繊維により厚さが３０
０　ｐ、　Ｉｎ以下、孔径が１０〜３００μｍに織られ
たものおよび白金等の化学的に不活性の物質から成る上
記厚さ及び孔径を有するネット状の金属薄膜が好適に用
いられる。上記ネット状のプラスチックあるいは金属薄
膜は、線径が１０〜１５０μＩｎの糸状の繊維からクロ
ス状に織られたものが好捷しく、さらに織布の孔径はメ
ツンユＮＯとして６０〜３００メツシュ１インチのもの
が望ましく用いられる。また、繊維の累月となる高分子
樹脂は上記の他にポリエチレン、テフロン等も用いるこ
とができる。

また以上の保護膜は検体中の化学成分によって影響を受
けたり、検体に影響を寿えるおそれのないものであるこ
とが望捷しい。例えば、検体が血液である場合には血液
の凝固を引起さない。化学的に不活性の物質であれば基
本的には使用することができる。この意味で白金等の化
学的に不活性の金属も使用できる。

〔発明の実施例〕

次に本発明の好ましい実施例を添付図面に基づいて詳細
に説明する。

第１図は本願第１の発明にかかる電気化学センサーの実
施例を示す構成図である。

図において、−気化学センサーの電極ボディ５６内には
電導性を有する電解質液が固定された境界液相５７があ
り、この液相５７のボディ５６内側に液相５７内に接す
る形で宙、極主としてｐｔ電極５２が設けられている。

前記電極２には電極５２からの電気信号を導く導線５１
が設けられており、この導線５１は図面には記載してい
ないが、対向電極に接続されている。前記境界液相５７
の電極５２の反対側に検体中の化学物質を通過させる薄
膜５３が境界液相５７に接する形で設すられている。

この薄膜５３の表面に・は薄膜５３に直接かかる圧力か
ら薄膜を保護する多孔質（ネット状のプラスチック織布
）５４が設けられている。この多孔質５４はローリンク
５５によってボディ５６に固定されている。

本実施例において多孔質５４が設けられであるために、
検体に生ずる圧力が直接に薄い薄膜５３にかかることは
ない。

なお薄膜５３には検体中のガスを測定する場合にはカス
透過膜が、検体中の特別の物質を酵素反応によって検出
する場合には酵素膜が用いられる。

また本実施例では境界液相に電導性を有する液相を用い
ている。この他、固相を用いることもできる。また、液
相の組成は検出される化学物質の種類に応じて決定され
るもので例えば血液中のクル＝＋−ス量を測定する酵素
センサーにおいてはＫＣＩのＩＭＯＩ溶液などである。

第２図は本願第１の発明にかかる電気化学センサーを検
査装置に用いた一実施例を示す構成図である。

本実施例では検体に血液を用いた場合について説明する
。

本実施例にかかる血液検査装置は大きく別けて３つの流
路系からなっている。その一つはＰＨ２゜ＰＯ２、ＰＣ
Ｏ２等の血液ガスを測定するガス電極部からなる流路系
２２であって、その二つはＮａ、に、ＣＬ、Ｃａ等のイ
オン濃度を測定するイオン電極部からなる流路系２３で
、その３つは、クルコース、尿素窒素等の酵素反応を利
用してその濃度を測定しようとする酵素電極部からなる
流路系２４である。

前記各流路系にはシゴキボンブ１，２８．２９が設けら
れており、流路出口２からは廃液が排出されるようにな
っている。また各流路にはサンプリングノズル２０が設
けられている。

上記流路２２の途中には標準液吸入ノズル１８が接続さ
れたカットパルプ１７が設けられており、さらに液セン
サ３、比較電極９、ＰＨ電極４、ＰＯ２電極５、ＰＣＯ
２電極７が設けられている。

上記流路２３の途中には標準液イオン吸入ノズル１９と
緩衝液吸入ノズル２１か接続されたカットバルブ２５が
設けられており、流路２３の途中には液センサ８、比較
電極２６、Ｎａ電極１０、Ｋ電極１１、Ｃｔ電極１２、
Ｃａ電極１３が流路２４の途中には、液センサ１６、比
較電極２７、グルコース電極１４、尿素窒素電極１５が
設けられている。

ここで、上記イオン電極部２３は、一般イオン電極のイ
ミン透過膜が０．２〜０．４ｔｒｒｍ程度とその膜厚が
一般に厚いため流路が詰った時、ゾゴキボンプ２８によ
り発生する約２〜０゜５　Ｋ５＋／ｍ”　（ＤＯ圧：除
圧に容易に耐えることができる。しかしながら、カス電
極部２２及び酵素電極部２４においては、感応膜の膜厚
が、応答時間を１〜２分以内に抑えるため、１０〜３０
μｍときわめて薄い高分子膜が使用されている。従って
、このような薄膜は前述したシゴキボンブ１，２９によ
り発生する陽圧、あるいは防圧下では、安定した状態を
保つことが難しく、特に防圧下においてはガス透過膜や
感応膜が密着しているはずの電気化学デバイスから離れ
てしまい、測定が不可能となったりすることがある。

次に本実施例の動作について説明する。

上記各流路２２，２３．２４に設けられたシゴキポンプ
１，２８．２９の駆動によってサンプリングノズル２０
から血液検体がサンプリングされる。この際カットパル
プ１７．２５は血液検体が上記各流路２２，２３．２４
に流れるようにパルプの制御が行なわれている。

血液検体が上記各流路２２，２３．２４に設けられた各
種の電極に血液検体が行きわたると、シゴキポンプ１，
２８．２９を停止する。これは各流路系２２，２３．２
４に設けられた電極が加圧、負圧状態で測定を行うと検
体化学物質量と正確に対応した測定を行うことができな
いことによるものである。次に各流路系に設けられた電
極の特性に応じて血液中のガス濃度、電解質濃度、グル
コース尿素等の基質濃度の測定がおこなわれる。この測
定は各流路系２２，２３．２４に設けられた基準電極９
，２６．２７との各電極に生じた電位を、差をとること
によって、この差に応じて各成分の濃度に換算して行う
。

以上の測定が終了したら、カットパルプ１７゜２５は、
流路２２に標準液ガスパルプ１８から標準液ガスが流れ
るように、又、流路２３に標準液イオンパルプ１９から
標準液イオンが、流路２４に緩衝液パルプ２１から緩衝
液が流れるようにそれぞれ制御され、シゴキポンプ１，
２８．２９に駆動される。

そして、シゴキポンプ１，２８．２９の駆動によってそ
れまで各流路２２，２３．２４に存在した血液が廃液と
して排出され、かわりに各標準液が各流路２２，２３．
２４に満たされて、各流路内の電極部において標準液中
の化学物質量の測定が行われる。このように標準液の測
定を行うのは各電極に生じうる出力の不安定性が測定に
与える影響を消去しても正確な測定を得ようとするため
である。

以上の標準液の測定が終了するとンゴキボンプ１．２８
．２９の駆動とカットパルプ１７．２５の制御によって
各流路２２，２３．２４が次の血液検体に置換される。

ところで、血液のように細い流路内において、凝集して
詰ｔりの生じやすいものの場合は正確な測定を行う上で
その詰１りを発見する必要がある。

その詰まりの発見は各電極における異常測定値によって
行うことができるが、各流路２２，２３゜２４に流路内
の圧力を検出する圧力センサーを設けることによって迅
速に発見することが可能となる。そして詰まりが発見さ
れた時は、シゴキボンプ１，２８．２９の駆動によって
詰まりを取り除く。

以上のように本実施例によれば、次のような特有の効果
がある。

つまり、従来の血液中のガス成分、電解質成分、クルコ
ース、尿素など特別の基質の濃度を電気化学センサーに
よって測定する検査装置では、応答性を良くするために
、電気化学センサーの表面に設けられたガス透過膜、イ
オン透過膜、酵素膜薄くできている。また検体を測定部
に導く流路か細くなっているために、流路抵抗が増大し
、血液の詰まりが生じやすく、また電解質や次の検体と
の交換が迅速にできない。無理にシゴキボンプの駆動力
を大きくして流路における検体の流れを大きくしようと
すると電気化学センサーが容易に劣化してしまう。した
がって病院内における迅速緊急を要する検査に連座に対
応できなかったが、本実施例の血液検査装置によれば以
上の問題が解測される。

また、以上のような検査装置に圧力センサーを設けるこ
とによって、流路内の詰１りが迅速に発見できる他、圧
力センサーによって検知された圧力に応じて測定値に圧
力補正を施こすことにより、電気センサーが大気圧状件
下でなく加圧才たは負圧状態でつ１り検体を流路内に流
しながら連続測定が可能となる。

第３図は本願第３の発明にかかる検査装置の一実施例を
示す構成図である。

本実施例では第２図の実施例と同様に血液を用いた場合
に説明するが、電気化学センサーには従来の感応膜に保
護膜のないものを用いている点お。

よび圧力センサー３０，３１．３２が必らず各流路系に
用いられている点が第２図の実施例と異なる。従って本
実施例において第２図の実施例と同一な符号を付しであ
る部分においては構成および動作とも同じである。

本実施例によれば次のような特有の効果がある。

つまり流路内に血液の詰まりが生じた場合や、流路内の
検体や標準液を他の検体や標準液に置換する場合に、ン
ゴキボンプを駆動する必要がある。

この時必要以上の大きな圧力が電気化学センサーのガス
透過膜やイオン透過膜、酵素膜などの表面にかかるのを
圧力センサーによって流路圧を検知することにより防止
できる。従って電気化学センサーの予想以上の劣化を防
止できることによって測定精度の高い検査装置を得るこ
とができる。

また圧力センサー３０，３１．３２に設けられているこ
とによって第２図に示された実施例と同様検体を流路に
流しながら検体の連続測定を行うことができる。さらに
、圧力センサは常時夫々の流路の圧力を検知しており、
もし流路の圧力が負圧になるような時にはアラームが発
生し、即座にソゴキポンプ１が停止し、ガス及び酵素電
極の膜の破損を防止することができる。

第４図は第２図、第３図実施例に用いられる圧力センサ
ーの構成図である。

検体が血液である場合に、その粘性等の変化により生じ
る流路内の圧力変化を測定する圧力センサーには、スト
レインゲージ等に代表される半導体圧力センサーが好ま
しく用いられている。この他、キャピラリ状のガラスチ
ューブをＵ形あるいはスパイラル状に巻いて作ったガラ
スチューブでも液面位置の変動を検知することによって
、流路内の圧力の変動を知ることができる。具体的には
、第４図に示すようにキャピラリ形のガラスチューブあ
るいはプラスチックチューブ４４がサンプル流路と十字
管によって連結され、この時キャピラリチューブ内に入
ってくる液面位置をフォトカブラ等で検知すれば、流路
内圧を知ることができる。

なお３１は、サンブリンク流路出口を４６はサンプリン
グ流路入口を示す。

この圧力センサーに妄求される特性としては、ガス透過
膜あるいは酵素膜のｐｔ電極あるいは過酸化水素電極等
の電気化学デバイスからの離れ現象が生じる前に、流圧
の変動を検知して、シゴキポンプの回転をとめ、オペレ
ータ等にアラームを出す必要があるため、圧変動に対す
る応答性がもつとも重要である。これに適する圧力セン
サーとしては半導体ストレインゲージもさることながら
、液柱方式もきわめて好ましく用いることができる。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば電気化学センサーの薄膜の
表面に保護膜が設けられであるために薄膜の安定性の向
上を図ることができ、その結果、電気化学センサーの高
寿命化を図ることができる。

次にこのような電気化学センサーを用いることによって
検体中の化学物質量の測定を行う検査装置の測定精度の
向上を図ることができる。

さらに従来の薄膜に保護膜のない電気化学センサーを用
いて検体中の化学物質量の測定を行う検査装置に、圧力
センサーを設けることによって該検査装置の測定精度の
向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本願第１の発明にかかる電気化学センサーの一
実施例を示す構成図、第２図は本願第１の発明にかかる
電気化学センサーを利用した検査装置の一実施例を示す
構成図、第３図は本願第２の発明にかかる検査装置の一
実施例を示す構成図、第４図は圧力センサーの一実施例
を示す構成図である。 １．２８．２９・・・ンゴキポンプ、２２・・・ガス電
極部流路、２３・・・イオン電極部流路、２４・・・酵
素電極部流路、３０，３１．３２・・・圧力センサー、
５２・・・電極、５３・・・薄膜、５４・・・保護膜、
５６・・・ボディ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、検体中の化学物質をそのままの形か又は他の化学物
   質に変化させて該化学物質を通過させる薄膜と、前記薄
   膜に接し、電導性を持つ境界相と、前記境界相に前記薄
   膜と反対側で接し、前記薄膜を通過して前記境界相内に
   存在する前記化学物質量に応じて電気信号を出力する電
   極とを有する電気化学センサーにおいて、前記感応膜の
   表面に多孔性の保護膜を設けたことを特徴とする電気化
   学センサー。 ２、特許請求の範囲第１項記載の発明において、上記保
   護膜が不活性金属の薄膜と、高令子繊維の薄膜の少なく
   ともどちらか１種であることを特徴とする電気化学セン
   サー。 ３、特許請求の範囲第１項記載の説明において、上記不
   活性金属が白金であることを特徴とする電気化学センサ
   ー。 ４、検体を流すための流路と、前記流路に検体を流すた
   めに前記流路内にある検体を吸引又は押し出すポンプと
   、検体中の化学物質をそのまま形か又は他の化学物質に
   変化させて該化学物質を通過させる薄膜、前記薄膜に接
   し、電導性を持つ境界相、および前記境界相に前記薄膜
   と反対側で接し、前記薄膜を通過して前記境界相内に存
   在する前記化学物質量に応じて電気信号を出力する電極
   とを有する電気化学センサーと、前記電気化学センサー
   によつて検出された電気信号を表示する手段とを有する
   ことを特徴とする検査装置。