JP2000511640A - ポーラログラフセンサー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 サンプル媒体中の気体の分圧を決定するためのポーラログラフセンサー装置が開示されている。この装置は、a)一方が感知電極である一対の間隔おいた電極を連結する実質的に吸湿性を有する電解質組成と、b)気体に対しては透過性を有するが電解質に対しては不透過性であり、また、サンプル媒体から両電極と電解質とを分離するための前部を有する膜と、c)本体部および縁部を有するスリーブを含むファスナーとを含み、ファスナーの本体部はファスナーと膜の側部とを保持し、また、ファスナーの縁部は膜の前部の一部分を保持しかつ感知電極から間隔をおいた関係に実質的に前部の全部を保持する。

Description

【発明の詳細な説明】 ポーラログラフセンサー 背景 ポーラログラフ酸素センサーは、生物学、化学および医学の分野において広く 用いられている。これらのセンサーは、試験サンプル内の気体の分圧を検出しか つ測定するための有用な分析技術を提供する。センサーの適用例は、生体臨床医 学研究、臨床検査、産業公害検査および化学反応プロセス制御を含み、数多い。 特に生化学および化学的適用において、ポーラログラフセンサーは、酸素およ び二酸化炭素のような気体を含む種々の物質を測定するための便利な分析を提供 する。 ポーラログラフセンサーは、体液の種々の酵素分析の間に変化する気体の分圧 を測定することができるため、病気の診断および治療において重要である。この ような体液は、血液、血清、血漿、脳脊髄液および尿のサンプルを含む。例えば 、グルコースの濃度レベルの測定は、糖尿病を含むいくつかの代謝障害に特徴的 であるため、グルコースレベルが臨床設定値において重要である。グルコースの 濃度を分析するために吸光光度および滴定分析方法を用いることができる。しか し、これらの方法に関連する欠点は、これらが、分析の妨げになることがある組 織を除去するための精製工程をしばしば必要とすることである。これらの問題を 克服するため、ポーラログラフセンサーが、血液中におけるグルコースの酸化と 、グルコース酸化酵素を有する尿とを測定するために用いられる。 同様に、脳脊髄液中のカタラーゼ活性の測定は、脳出血のような中枢神経系に おける病気の診断に用いられる。 医学的目的のため、ポーラログラフセンサーは、典型的には、定常状態反応を 測定する産業上の目的とは対照的に、率の測定（rate measurements）を行う。 特に、医学的な適用においては、率の変化を測定するために迅速に応答するセン サーを持つことが必須である。 近時のポーラログラフセンサーのデザインは一対の電極を含み、これらの電極 の一方が感知電極であり、サンプル媒体から両電極と電解質とを分離する単一ま たは多層の気体透過膜で電解質により結合されている。このタイプのセンサーで は、両電極に適当な電圧が印加されるとき、両電極間を流れる電流はサンプル中 の気体の分圧に比例する。分析される前記サンプル中に気体成分がないときは、 前記電極システムが分極され、電解質を通して通常流れる電流が短時間後にほぼ 零にまで低下する。分析されるべき成分の存在下、前記電極システムは減極され 、電流が再び流れる。 これらのセンサーにおける電流の大きさは、分析されるべき成分が前記膜を通 過することができる、および前記膜内で生じる拡散過程の率または速度の関数で ある。分析されるべき成分は前記膜と、前記膜および前記感知電極間に配置され た電解質とを通過しなければならないため、前記膜の透過特性と、前記膜および 前記電極間の空間関係が非常に重要である。 しかし、これらのセンサーに関する欠点は、前記センサーの目盛りの読み（示 度）の変化が結果として生じることがある、前記電極および前記膜間の良好な空 間関係を維持することの困難性にある。さらに、これらのセンサーに関する欠点 は、前記センサーの電気的出力における不安定性にある。これらの問題を克服す るため、前記膜は前記感知電極の表面に向けて「しっかりと押し付けられる」こ とがある。しかし、このタイプのセンサーに関する欠点は、利用不能のポーラロ グラフセンサーになることがある前記膜および前記センサー間の電解質の乾燥で ある。加えて、これらのセンサーについてのさらなる欠点は、前記膜に与えられ た緊張のため、最初に与えられた緊張から前記膜の緊張を変化させるコールドフ ローが生じることである。その結果として、前記膜および前記感知電極間の空間 関係が変化し、したがって、これらのセンサーの応答は一定に維持されず、これ はこれらのポーラログラフセンサーの性能における不一致性および変化性に帰す ることがある。ほとんどの場合、前記電極膜と前記電解質溶液とは、適切に維持 され機能する電極を保証するため、１週間単位で取り替えることが必要である。 その過程は長く退屈であり、また、不満足な結果となることが多い。 前記した理由から、早くかつ安定した応答時間と、サンプル媒体中で分析され る気体を正確に検出しかつ測定する優れた信頼性とを示すポーラログラフセンサ ーが必要である。さらに、このポーラログラフセンサーが延長された時間中その 性能を維持することができるものであることが有利である。 概要 サンプル媒体中の気体の分圧を決定または測定するためのポーラログラフセン サー装置が開示されている。この装置は、ａ）一対の間隔をおかれた電極であっ てその内の１つが感知電極であるものを連結する実質的に吸湿性の電解質組成と 、ｂ）気体の通過を許すが電解質の通過を許さない膜であってサンプル媒体から 両電極と電解質とを分離するための前部を有する膜と、ｃ）本体部と縁部とを有 するスリーブを含むファスナーであって前記本体部が前記ファスナーと前記膜の 側部とを保持し、また、前記縁部が前記膜の前部の一部分を保持しかつ前記前部 全体を前記感知電極から間隔をおいた関係に実質的に保持する、ファスナーとを 含む。 前記装置の膜は前記サンプル媒体から両電極と前記電解質とを分離し、また、 前記感知電極から間隔をおいた関係にある。 前記スリーブは、前記膜と前記感知電極との間に間隔をおいた関係を維持する 。 前記膜は、ポリエチレン、ポリプロピレン、フッ素化アルカン、シリコーンゴ ム、テフロン、パーフルオロアルコキシポリマー(perfluoroalkoxy polymer)、 パーフルオロアルコキシ・テフロン(PFA-Teflon)の内の少なくとも１つとするこ とができる。好ましくは、前記膜はパーフルオロアルコキシ・テフロン(PFA-Tef lon)である。前記膜の厚さは、典型的には、約１ミルから約３ミルまでであり、 好ましくは、前記膜の厚さは約１ミルである。 前記気体は、酸素または二酸化炭素である。 典型的には、前記感知電極は、ワイヤー製の陰極である。前記ワイヤーは、プ ラチナ、金、銀およびロジウムで形成することができる。 第２の電極は、ワイヤー製の陽極とすることができる。典型的には、前記ワイ ヤーは、亜鉛、カドミウム、鉛および銀で形成することができる。好ましくは、 前記ワイヤは銀からなる。 前記電解質組成は、塩化カリウムまたは塩化リチウムで形成することができる 。 好ましくは、前記電解質組成は塩化リチウムからなる。前記塩化リチウム溶液の 濃度は、典型的には、約０．０２Ｍから約０．２０Ｍである。好ましくは、前記 濃度は、約０．０２Ｍから約０．１０Ｍである。より好ましくは、前記塩化リチ ウムの濃度は０．０２５Ｍである。 前記スリーブは、エラストマーからなるものとすることができる。前記ファス ナーは、さらに、前記膜を間隔をおいた関係に保持するためのガスケットを含み 得る。 前記電解質組成は、さらに、グリセロールまたはエチレングリコールを含み得 る。典型的には、前記電解質組成がグリコールを含む場合、グリセロールの濃度 は約５％から約２０％までとすることができる。好ましくは、グリセロールの濃 度は１０％である。 図面の説明 本発明のこれらのおよび他の特徴、面および利点は、次の説明、添付の請求の 範囲および添付図面を参照することによりより良く理解されることとなろう。 図１は、本発明に係るポーラログラフセンサー装置の立断面を示す。 図２は、図１に示す装置の末端部の拡大図である。 図３は、Synchron CX（登録商標）３ アナライザ（カリフォルニア州 ブレ アのベックマン インスツルメンツ インコーポレイテッド）に用いられたグル コースセンサーとしてベックマンの再充電可能の酸素電極の電極安定性を示すグ ラフである。 図４は、Synchron CX（登録商標）３およびCX（登録商標）３ デルタ アナ ライザ（カリフォルニア州 ブレアのベックマン インスツルメンツ インコー ポレイテッド）に用いられたグルコースセンサーとしてベックマンのポーラログ ラフ酸素センサーの電極安定性を示すグラフである。 図５は、Synchron CX（登録商標）３およびCX（登録商標）３ デルタ アナ ライザに用いられたグルコースセンサーとしてベックマンのポーラログラフ酸素 センサーを使用するグルコース制御回復を示すグラフである。説明 本発明の１面において、分析的な使用にとって感度がよく、選択性がありかつ ふさわしいものであるサンプル媒体中の気体成分を測定するための固体状態のポ ーラログラフセンサー装置が提供される。図１は、本発明に従って組み立てられ たセンサーを示す。図２は、前記センサー装置のスリーブおよび膜部分間の関係 を示す、図１に示す装置の末端部の詳細を示す。ポーラログラフセンサーの一般 的な作動についてはこの技術分野においてよく知られている。これらのセンサー の一般的な構造の詳細な説明は、クラーク ジュニアの米国特許第2,913,381号 明細書にあり、その内容は言及によりここに組み入れられている。 図１および図２に示すように、ポーラログラフセンサー装置１０は、一対の間 隔をおかれた電極であって該一対の電極の内の１つが感知電極１２である一対の 電極を連結する実質的に吸湿性の電解質組成２４を含む。感知電極１２と、第２ の電極１４とは、膜１６によりサンプル媒体から分離されている。感知電極１２ は、プラスチックまたはガラス製の本体１８に埋め込まれたワイヤの形態を取り 得る。第２の電極１４は感知電極１２を取り巻き、また、電解質組成２４内に配 置された電極１４の大部分を有する。前記第２の電極は陽極とすることができる 。この装置は、さらに、内部空洞と第１の端部と外部表面とを有するハウジング ３０を含む。膜１６は、前記ハウジングの第１の端部を取り巻く前部１６ａを有 する。前記ハウジングは管形状とすることができる。 この装置は、さらに、本体部２２ａと縁部２２ｂとを有するスリーブ２２を備 えるファスナーを含む。本体部２２ａは、前記ファスナーと膜１６ｂの側部とを 保持する。縁部２２ｂは膜の前部１６ａの一部分を保持しかつ前部１６ａの全体 を前記感知電極から間隔をおいた関係に実質的に保持する。 ポーラログラフセンサー装置１０の組立の間、膜１６が最初にハウジング３０ 上に据えられる。膜１６は、前記ハウジングの第１の端部および外部表面を覆う ようにしっかりと引かれる。シリコーンゴムのような外側のエラストマー製のス リーブ２２がハウジング３０の前記第１の端部上に徐々に押し進められる。次に 、前記ハウジングの内部空洞の約１／３が実質的に吸湿性の電解質組成２４で満 たされる。感知電極１２が前記ハウジングの内部空洞に挿入され、膜１６に押し つ け、膜１６を平坦な断面から、前記ハウジングの第１の端部から突き出る膨張断 面に膨張させる。前記ハウジングの内部空洞内の電解質は感知電極１２の周囲に 環状に配置され、前記ハウジングの内部空洞内に行き渡り、２つの間隔をおいた 電極間に電気的な伝導路を提供すべく膜１６と感知電極１２の先端部との間に電 解質のフィルムを形成する領域に伸びている。間隔をおいた関係は、膜１６の背 部と感知電極１２との間に維持される。感知電極１２は、感知電極１２と膜１６ との間に間隔をおい関係が維持される小さい電解質フィルム状空間３６を提供す ることができる粗い端面を持ち得る。電解質のフィルム状空間３６は、感知電極 １２と電極１４との間に電気的連続性を維持するための瞬間電解質流路を提供す る。 膜１６の緊張はスリーブ２２を介して前記膜を押さえ付けておくことにより維 持される。スリーブ２２のためにエラストマーを用いることにより、感知電極１ ２と膜１６との間に電解質組成２４のしっかりした層を提供するように、前記膜 が完全に引き伸ばされ得る。前記スリーブの本体部２２ａおよび前記スリーブの 縁部２２ｂは、膜１６を一定位置に保持しかつ感知電極１２と膜１６との間に前 記間隔をおい関係を保持するように膜１６の側部と前部との双方に力を付与する 。 また、スリーブ２２の弾性は、前記膜が感知電極１２と間隔をおいた関係に確 実に保持され得るように、一様な把持力を付与する。前記膜の緊張支持をさらに 高めるため、ガスケット３２を用いることができる。 シリコーンゴム管材料のような材料から形成されたスリーブ２２は、感知電極 １２から間隔をおいた関係に膜１６を保持する。スリーブ２２は、電極のハウジ ング３０の側部に対して膜１６ｂの側部をぴったりと保持する。前記スリーブの 縁部２２ｂは、前記感知電極の外部表面に対して前記膜の前部１６ａを間隔をお いた関係に保持するように、前記膜をハウジング３０に対してより強固に引き寄 せる。スリーブ２２は、従来利用され線状の密封接触を与えるＯ−リングと対比 して、膜１６と電極のハウジング３０との間に大きく十分な密封接触を与える。 ガスケット３２も、また、前記膜を決まった場所に保持するための追加密封を付 与するために膜１６とスリーブ２２ｂの先端部との間に配置される。 膜１６は、好ましくは、パーフルオロアルコキシ・テフロン(perfluoroalkoxy -Teflon)、または、例えばポリテトラフルオロエチレン(テフロン)、パーフルオ ロアルコキシポリマー(perfluoroalkoxypolymer，polyethylene)、ポリエチレン 、ポリプロピレンおよびシリコーンゴムのような他の高い気体透過膜で形成され る。 ポーラログラフセンサー１０が酸素の測定に用いられるとき、感知電極１２は 金、ロジウムまたは他の貴金属で形成され得る。好ましくは、感知電極１２はロ ジウムからなる。第２の電極１４は銀で形成され、また、電解質２４は塩化リチ ウム溶液が適当である。 特に図１を参照すると、中央開口２８を有する中空の円筒状のキャップ２６が 形成されており、スリーブ２２によりハウジング３０上に据えられた膜１６を伸 ばすハウジング３０の前記第１の端部を通り抜けている。 前記キャップがハウジング３０の第１の端部に通され、本体３０に前記スリー ブを強固に押すときように働くとき、前記キャップ内の環状の凹所内に配置され た小さいゴム製のＯ−リング３８が膜１６と係合する。前記キャップ内の小さい Ｏ−リング３８は、前記センサーの寸法に応じて除かれる。 空気のような気体が膜１６を経て、電極１２に近接する電解質フィルムスペー ス３６に拡散するときに前記酸素が前記電極において減少されるように、外部の 回路（図示せず）から両電極間に適当な分極化電位が付与され、これにより、分 析されるサンプル媒体中の酸素の分圧を指示することができる電流を生じさせる 。両電極がこれらの間に適当な大きさの電圧電位を生じさせる材料から形成され ている場合には、外部電圧は排除される。例えば、感知電極１２はプラチナ、金 、銀、ロジウムまたは他の貴金属で形成され、また、電極１４は亜鉛、カドミウ ム、鉛、または銀で形成され、また、前記電解質は塩化リチウム溶液で形成され る。 Ｉ ポーラログラフセンサー装置 本発明によれば、サンプル媒体中の気体の分圧を測定するためのポーラログラ フセンサー装置１０が提供される。この装置は、ａ）間隔をおいた一対の電極１ ２，２４を連結する実質的に吸湿性の電解質組成２４，３６と、ｂ）気体の通過 を許すが電解質の通過を許さない膜１６であってサンプル媒体から両電極と電解 質とを分離するための前部を有する膜１６と、ｃ）膜１６を保持するための本体 部２２ａと縁部２２ｂとを有するスリーブ２２を含むファスナーとを含む。前記 ファスナーはさらにガスケット３２を含み得る。 Ａ．電極 ポーラログラフセンサー装置１０は、実質的に吸湿性の電解質組成により連結 されるように適合された一対の電極を含む。前記一対の電極の１つは感知電極で ある。典型的には、前記感知電極は陰極である。他の電極は、典型的には、陽極 である。 １．感知電極 典型的には、前記感知電極は、プラスチックまたはガラス体に埋め込まれたワ イヤの形態を有する。好ましくは、前記ワイヤはガラス体に埋め込まれる。前記 感知電極は、典型的には、陰極である。前記陰極は、プラチナ、金、銀、ロジウ ムまたは他の貴金属からなる金属ワイヤとすることができる。好ましくは、前記 ワイヤはロジウムである。 前記ワイヤが前記ガラス体に埋め込まれているとき、十分な密封がなされる。 この密封またはシールは、前記ワイヤと前記ガラス体とが同様の熱膨張率を有す ることから、最大限度になされる。本発明によれば、前記ロジウム製ワイヤと前 記ガラス体とは、より精密な感知電極をもたらす漏れのないシールがなされるよ うに、同様の熱膨張率特性を有する。 前記電解質組成溶液が乾燥しないように、また、最上の毛管効果を確保するた め、前記陰極は磨かれかつ輪郭を付けられる。典型的には、前記陰極は２４０− ６００グリット仕上げまで研磨される。２４０グリット仕上げを下回るときは、 粗い表面を有する陰極および前記電極からの比較的大きい電流出力を生じさせる 。６００グリット仕上げより大きいときは、前記電極からの比較的小さい電流を 生じさせる。好ましくは、前記陰極は３２０グリット仕上げに研磨される。 ２．第２の電極 典型的には、前記第２の電極は、前記電極を通る電流の一部である陽極として も振る舞う基準電極または参照電極である。前記第２の電極は、ワイヤからなる 陽極とすることができる。典型的には、前記ワイヤは亜鉛、カドミウム、鉛およ び銀で作ることができる。好ましくは、前記ワイヤは銀製である。 銀が陽極として使用され、また、電解質溶液が塩素イオンを含むときは、安定 性のある銀／塩化銀（Ag/AgCl）基準電極を確立することができる。しかし、前 記センサーの使用中に生じる銀イオンのいくつかは、不安定な電極反応を生じさ せることがある前記陰極の表面に堆積する。この問題は、次のようにして最少に することができる。１）前記銀の溶解度が最少であるように、電解質溶液を作る ことができる。２）前記陽極における前記電流密度が大いに減少されるように、 前記銀製陽極の表面領域を十分大きくすべきである。３）前記銀製陽極の表面は Nafion（登録商標）（デラウェア州 ウィルミントンのデュポン ケミカルズ） の薄い層で被覆することができる。Nafion（登録商標）は、電気分解の間に生じ る銀イオンの割合を制限し、これにより低速の電極反応を生じさせる、前記陰極 上にこれらの銀イオンが堆積することができない、カチオン型イオノマーである 。 Ｂ．電解質組成 前記電解質組成は、典型的に、実質的に吸湿性を有する電解質溶液である。前 記電解質溶液の組成は、前記ポーラログラフセンサーの応答安定性および前記ポ ーラログラフセンサーの寿命を決定するのに重要である。電解質の消耗は、通常 、センサーが必要とする頻繁なメンテナンスにつながる。 電解質組成のある特質は、典型的には、溶液中に溶解しかつ溶液中を移動する 銀イオンの量を最少にすることができる前記電解質組成の能力を含み得る。また 、前記電解質溶液は、蒸発から溶媒、例えば水の損失を少なくすべきものである 。酸素還元反応は水を消費することがあり、これが、不安定なセンサーを生じさ せる前記電極表面における水の損失に導くことがある。典型的には、前記電解質 は、ａ)銀製のワイヤが陽極として使用されるときは安定した基準電位を確立し 、ｂ）酸素還元電流が安定でありかつ印加されたバイアス電位とは独立した適正 な広い電位域を提供し、ｃ）溶媒すなわち水の損失を減らし、ｄ）前記陰極表面 の近傍の結晶化を排除し、ｅ）前記電極表面に生じた銀イオンが前記電解質溶液 中に溶 解し、移動することを妨げ、ｆ）酸素圧に比例する酸素還元電流を有し、また、 ｇ）前記酸素ポーラログラフセンサーの残余電流が低いものであるように十分で ある。 典型的には、前記電解質溶液の緩衝能およびｐＨは、前記センサーが一旦使用 されると水酸イオンの形成のために前記陰極の近傍のｐＨがすぐにアルカリにな るため、重要なファクターではない。 前記電極からの溶媒の消耗は前記電極のオーム抵抗の増大をもたらし、酸素還 元電流の減少を生じさせる。 典型的には、塩化カリウム(KCl)または塩化リチウム(LiCl)のような実質的に 吸湿性を有する組成は、電解質組成として用いることができる。好ましくは、塩 化リチウムが用いられる。塩化リチウムは、塩化カリウムよりも実質的に吸湿性 に富んでおり、このため、塩化リチウムが用いられるとき、水分の喪失にはより 多くの時間がかかる。 典型的には、塩化リチウムの濃度域は約０．０２Ｍから約０．２Ｍである。好 ましくは、前記濃度域は０．０２Ｍないし０．１０Ｍである。より好ましくは、 ０．０２５Ｍの塩化リチウムが電解質組成として用いられる。０．２Ｍより多い 塩化リチウムは、前記感知電極が銀の毒作用を被る可能性がある。０．０２Ｍよ り少ないときは、前記電極の安定性を変化させることのある不十分な基準電圧を 生じさせる。 前記電解質溶液中の塩素イオンの存在は、安定した銀／塩化銀(Ag/AgCl)基準 電極電位を確立する。比較的低濃度の塩化リチウムは、前記陰極領域におけるLi Cl結晶の生成を排除しまた遅れた応答をするセンサを生じさせ得る、AgCl₂ ^-錯体 を生成することにより前記溶液中に溶解されるように前記陽極で形成されるAgCl の量を減少させることができる。 電極の出力は、典型的に、この適用に関してはナノアンペアの範囲にある。し たがって、比較的高い液体抵抗により生じさせられ得る「抵抗降下」はファクタ とされるべきではない。 典型的には、陽極反応の間、前記塩素イオン濃度はそれが陽極によって使用さ れるように減少する。水酸イオンは酸素還元の結果として生じ、また、銀酸化物 が前記陽極表面に生じうる。したがって、最初の塩化物濃度が低い場合、前記陽 極における反応はより早い。 しかし、Ag/AgCl(+0.22V)およびAg/Ag₂O(+0.35V)に関する基準電圧の差は１３ ０mVに過ぎないため、前記酸素還元がバイアス電圧から独立であるように、前記 陰極に印加されるバイアス電位は注意深く選択される。前記電極出力は、基準電 位のこの変化により、基本的にもとのままである。 前記ポーラログラフセンサーの膜は前記電解質に対しては比較的不透過性を有 するが、前記膜は、水蒸気に対してはいくぶん透過性を有するものとすることが できる。したがって、前記センサーが所定の時間を超えて空気または他の気体媒 質に曝されると、電解質組成からの水蒸気が前記膜を通して前記センサから放散 する。したがって、前記電解質溶液は、前記センサーが乾燥しないように前記電 解質溶液の湿気を維持すべく補助することにより前記ポーラログラフセンサーの 性能および安定性を維持するため、さらに、追加の添加物を含み得る。典型的に は、前記電極ハウジングに前記電解質組成溶液を満たすとき、前記感知電極と前 記膜との間に薄い層のエアポケットが形成される。これは、実質的に低い（零に 近い）電流出力を生じさせる。トリトンＸ−１００(Triton X-100)またはサーフ ィノル(Surfynol)のような適当な湿潤剤を前記エアポケットを排除するために用 いることができる。 加えて、前記電解質組成溶液はグリセロールまたはエチレングリコールを含み 得る。典型的には、グリセロールを含む溶液は高沸点を有し、また、溶液の蒸発 を低減することができる。加えて、グリセロールは、また、湿潤剤として使用す ることができ、また、ポーラログラフセンサーの劣化に導く前記陰極表面の乾燥 を防止することができる。典型的に、グリセロールの濃度域は約５％から約２０ ％である。好ましくは、１０％のグリセロールが用いられる。２０％を越えるグ リセロールの存在は、ゆっくりした電極反応を生じさせる。１０％に満たないグ リセロールは前記電極の保湿に効果的でない。 エチレングリコールは、前記電解質組成中のグリセロールの代わりとして用い ることができる。エチレングリコールの前記濃度域は好ましくは３３％であり、 この濃度レベルでは、エチレングリコールが、前記気体透過性膜と前記感知電極 表面との間の境界面で前記電解質が乾燥することを防止する上で効果を発揮する からである。 Ｃ．膜 典型的に、前記膜は気体に対して透過性を有するが、前記電解質に対しては不 透過性である。できるだけ薄く、また、前記サンプル媒体の気体濃度に変化があ るときに前記感知電極のための最も短い可能な応答時間が達成可能であるように 良好な拡散定数を有する材料でできた拡散障壁としての気体透過性膜を選択する ことが望ましい。前記膜は、ポリテトラフルオロエチレン(すなわちテフロン)、 ポリエチレン、ポリプロピレン、シリコン・ゴム、マイラー、パーフルオロアル コキシポリマー(perfluoroalkoxy polymer)およびパーフルオロアルコキシ−テ フロン(PFA-テフロン)からなるものとすることができる。好ましくは、前記膜は PFA-テフロンからなる。PFA-テフロンは、酸素および二酸化炭素のような通常分 析されるいくつかの成分の比較的急速な通過を許すが、電解質に対しては比較的 不透過性である特性を有する。 前記膜の厚さは、典型的には、１ミルから約３ミルである。好ましくは、前記 膜の厚さは約１ミルである。 好ましくは、前記膜は、該膜がまさに信号対雑音比を改善するために結晶化の 白色特性を示し始める点まで伸張されかつ緊張される。前記膜は、前記ポーラロ グラフセンサーの貯蔵寿命の間維持されるべきである。さらに、膜の劣化は、ま た、センサーが必要とする頻繁なメンテナンスをもたらす。 好ましくは、前記ポーラログラフセンサーは、単一の膜のみを含む。典型的に は、２つの膜を有する場合、前記陰極に近い親水性を有する内側の膜と時間のか かる電極応答を生じさせうる外側の膜との間に隙間があらわれる。一つの膜を用 いることにより、この問題は排除することができる。 Ｄ．ファスナー 前記ファスナーは、本体部と、前記膜を保持しかつ前記膜を電極ハウジングに 据える縁部とを有するスリーブを含む。前記膜の緊張が前記スリーブより前記膜 を押さえることにより維持される。前記膜は、前記電極と前記電解質とを前記サ ンプル媒体から分離する。前記スリーブは、前記膜と前記感知電極との間に間隔 をおかれた関係を維持する。 典型的には、前記スリーブは、前記膜が前記感知電極との間に間隔をおかれた 関係に固定され得るように一様な把持力を提供するようにエラストマーで形成さ れる。前記膜は、感知電極１２と膜１６との間に電解質組成２４の不変のフィル ム層を提供すべく完全に伸張される。 前記膜の伸張支持をさらに高めるため、前記膜を保持するガスケット３２を用 いることができる。前記ガスケットは、前記膜と感知電極との前記間隔をおかれ た関係を変え得る変動が前記膜の緊張に生じるような過大な圧縮性を有するもの であってはならない。さらに、反応の間、前記サンプル媒体は典型的にはかき混 ぜられる。時間の経過後、前記膜は緩むことができかつ垂れ下がることができ、 バックグラウンドノイズの増大が生じる。前記ガスケットは、前記膜のための追 加支持を与えることによりこの電位問題を実質的に緩和することができ、これに より、支持としての追加の膜の必要を除く。典型的には、前記ガスケットは、任 意のパーフルオアルコキシポリマー(perfluoalkoxy polymer)(PFA)から形成され る。好ましくは、前記ガスケットは、前記膜のための支持を提供するために１０ ミルのPFAから形成される。 前記膜と感知電極との間の間隔をおかれた関係は、これをして前記ポーラログ ラフセンサーの高耐用性を決定するための特別の利点にする特性を有する。 前記電極フィルム層の厚さは、典型的には、前記膜に向けての前記感知電極の 膨張により規制される。前記感知電極の表面端の荒さは、前記間隔をおいた関係 を決定することができる。より粗い表面は、より大きい間隔をおいた関係を与え 、また、仕上げがされた表面は、より薄い電極フィルム層を提供し得る。前記膜 の緊張が変化すると、前記間隔がおかれた関係および前記感知電極と前記膜との 間の電解質層も変わり、これにより、前記電極の応答の変化を生じさせる。 迅速な電極の応答に寄与するに十分な電解質層を提供すべく、前記感知電極の 好ましい膨張は１０＋／−５ミルである。厚い電解質フィルム層は、遅い電極の 応答を生じさせうる前記感知電極と前記膜との間の大きい隙間を生じさせうる。 加えて、前記膜は、典型的には、前記電極を頻繁に変える必要を回避する実質的 な緊張状態にべきである。 加えて、前記電極ハウジングに関する電解質組成貯蔵２４の十分な密封が組み 立てられた状態で与えられていなければならない。前記膜は、典型的には、決定 される気体成分のための前記膜の拡散特性が不必要な方法で変えられないように または毛管状の膨張破損であって該破損から前記電極が貯蔵または操作の間に気 づかれないではみ出ることができる膨張破損が形成されるように前記膜を据える 間に過大に膨張されないようにしなければならない。 さらに、前記サンプル媒体中にかなりの大きさの圧力変動があるときは、膜１ ６と感知電極１２との間の前記間隔をおいた関係は比較的一定の一様さを残すも のでなければならない。この間隔をおいた関係は、「攪拌効果」としてこの分野 の当業者に知られている問題を軽減する。前記サンプル媒体の一定の攪拌は、バ ックグラウンドノイズおよび不正確な読み取りを生じさせる前記感知電極に緩衝 するかなりの大きさの圧力変動を生じさせる。 II.ポーラログラフセンサー装置の使用 典型的に、今説明した前記ポーラログラフセンサー装置は、決定される前記気 体の分圧を有するサンプル媒体に浸される。適当な電圧を前記両電極に印加する ことができる。前記両電極間を通過する電流は、前記サンプル中の前記気体分圧 に比例する。 ポーラログラフセンサー装置１０は、典型的に、サンプル媒体中の反応の非常 に初期の段階における正確な瞬間の速度の大きさに依存する。典型的に、最大速 度は、およそ１０秒ないし１０分の比較的短時間内に得られる。ポーラログラフ センサー装置１０を用いての直接の速度感知は、さらに、濃度および活性の決定 と、非常に低レベルの濃度決定にも適用可能である。 血液および尿中のグルコースの酵素に関する検定に関して、ポーラログラフセ ンサー装置１０は、グルコースオキシダーゼ−グルコース反応において消費され る酸素を直接に観察することができ、また、前記サンプルの予備的な精製または 除蛋白を必要としない。血液または尿のグルコースの分析では、血液または尿の サンプルの等容積部分が、緩衝剤で処理されたグルコースオキシダーゼ溶液の単 一バッチに添加される。前記溶液は攪拌され、また、酸素濃度に比例する電気的 応答を与える装置１０の存在のもとで反応が進行する。前記電気的応答は、酸素 の変化の時間レートに比例する信号に変更され、この信号は記録される。最大の 記録された信号は、最初に存在したグルコースの量を決定する。 本発明のより完全な理解のため、次の例と比較結果とが実例のみにより提示さ れている。 例 例Ｉ ポーラログラフセンサーの使用可能な寿命が前記電極出力電流の安定性により 測定された。ベックマンのシンクロンＣＸ（Synchron CX）(登録商標)３および ＣＸ（登録商標）３デルタ アナライザが実験に使用された。前記電極電流には 、器具使用のための操作ソフトウェア定義領域内のソフトウェア利得設定値を用 いた（１８−４５ナノアンペア）。 使用されたポーラログラフ酸素センサーは、本発明において説明されたもので ある。前記ポーラログラフ酸素センサーは、テフロンの膜と０．０２５Ｍの塩化 リチウムから形成された電解質溶液とを有していた。典型的には、前記電解質組 成は、０．１Ｍの重炭酸ナトリウム、０．０１Ｍの炭酸ナトリウム、０．０２５ Ｍの塩化リチウムおよび１０％のグリセロールとを含んでいた。 シンクロンＣＸ（登録商標）３およびＣＸ（登録商標）３デルタにおけるグル コースの測定には、ベックマン インスツルメンツ インコーポレイテッド（カ リフォルニア州 ブレア）により開発された酸素率法を用いた。サンプルが酵素 試薬液に注入されたときに酸素消費量の変化率を測定するため、従来のベックマ ンの再充電可能な酸素電極と４つのベックマンのポーラログラフ酸素センサーと が用いられた。 １０マイクロリットルのサンプルが、グルコースをして次の反応に従って変化 を受けるようにする酵素試薬液に注入された。 グルコース オキシダーゼ b-D-グルコース+0₂＋H₂＿グルコン酸+H₂0₂+4e^- 反応では、グルコースが反応してグルコン酸を生じさせると同じ割合で酸素が 消費された。反応の間の全時間において、酸素消費量の割合は、反応カップに存 在するグルコースの濃度に正比例した。試薬の混合およびシステムの応答に必要 な短時間の合間の後になされた、観察された割合は、前記サンプルの注入時にお ける該サンプル中に初めに存在したグルコースの濃度の直接測定であることが示 された。過酸化物の形成というよりもむしろ酸素の消費が測定されるため、過酸 化物に必要なただ一つのものは、それが、酸素に戻らない経路によって破壊され なければならないことである。前記試薬へのエタノールの追加は、次に反応に従 って、過酸化物をして酸素を生じさせることなしに破壊されたカタラーゼにする 。 カタラーゼ H₂O₂+エタノール＿アセトアルデヒド+H₂O 図３を参照すると、これは、グルコースセンサーとしてシンクロンＣＸ（登録 商標）３ アナライザで使用されたベックマンの再充電可能の酸素電極の電極安 定性を示すグラフである。電流（ナノアンペア（ｎＡ）で測定された）は、３ヶ 月を越えて測定された。２週間ごとに、前記電極膜および電解質溶液は電流の激 烈な低下のために取り替えなければならない。図４を参照すると、これは、グル コースセンサーとしてシンクロンＣＸ(登録商標)３およびＣＸ(登録商標)３ デ ルタで使用されたベックマンのポーラログラフ酸素センサーの電極安定性を示す グラフである。このグラフは、また、測定されている電流（ｎＡ）を示すが、こ れらのポーラログラフ酸素センサーは、ベックマンの再充電可能の酸素電極（図 ３）と比べて、５ヶ月の間安定であった。２つのポーラログラフ酸素センサーが シンクロンＣＸ（登録商標）３ アナライザ（S/N 179およびS/N 1470）で測 定され、また、２つのポーラログラフ酸素センサーがＣＸ（登録商標）３ デル タ アナライザ（S/N 695およびS/N 5）で測定された。その結果は、５ヶ月を越 える期間、ベックマンの再充電可能の酸素電極（図３）と比べて疑似電流読み取 り値と比べて非常に安定（電流平均値は２５ｎＡおよび３９ｎＡの間）に維持さ れたことを示す。さらに、前記ポーラログラフセンサーに関し、前記膜および前 記電解質溶液は、ベックマンの酸素電極と比べて、５ヶ月間取り替える必要はな かった。これらのポーラログラフセンサーは、５ヶ月後、ＣＸ（登録商標）３お よびシンクロン ＣＸ（登録商標）３アナライザで再充電またはメンテナンスな しに使用された。 例II ベックマンのシンクロン アナライザは、血液グルコース測定のための酸素欠 乏率法を利用する。好ましくは、前記電極は最初の応答、安定した酸素の基準線 を有するべきであり、また、好ましくは、前記ポーラログラフセンサーは前記攪 拌効果に対して無感応である。好ましくは、これらの基準は、前記ポーラログラ フ耐用年数を通して維持されなければならない。図５に示す結果は、シンクロン ＣＸ(登録商標)３およびＣＸ(登録商標)３ デルタ装置におけるベックマン シ ンクロンの制御グルコースの回復を示す。 ３つのベックマン シンクロン アナライザのグルコース制御溶液45mg/dl、2 10-220mg/dl、および、360-390mg/dl。１のポーラログラフ酸素センサー（CX（ 登録商標）３ S/N 1470）がシンクロンＣＸ（登録商標）３アナライザで使用さ れ、また、１のポーラログラフ酸素センサー(CX（登録商標）３デルタ S/N 95) がシンクロンＣＸ（登録商標）３デルタ アナライザで使用された(図５参照)。 図５は、グルコースセンサーとしてシンクロンＣＸ（登録商標）３アナライザお よびＣＸ（登録商標）デルタ アナライザで使用されたベックマンのポーラログ ラフ酸素センサーを用いるグルコース制御回復を示すグラフである。 図５における結果は、これらのポーラログラフセンサーが一貫したグルコース 回復を生じさせ、また、５ヶ月の試験期間を越えて申し分のない直線性および正 確なデータを生じさせたことを示す。 本発明は、改良された感度および選択度を有するポーラログラフセンサー装置 を提供する。特に、この装置は、従来のポーラログラフセンサーと比べて多くの 利点を提供する。これらのポーラログラフセンサーは、サンプル媒体中の気体の 分圧を検出しかつ測定することにおいて正確である。好ましくは、こられのポー ラログラフセンサーは、酸素消費反応における血中グルコースの測定に特に適す るが、しかし、他の酵素検定における他の気体の測定に使用することができる。 加えて、前記膜を間隔をおかれた関係に捕捉しかつこれを確保するための前記ス リーブは、不十分な膜のシール性に関する問題を回避する。これらのタイプのポ ーラログラフセンサーは管理の必要が少なく、また、長期間（３ヶ月以上）にわ たって高性能を発揮する。 本発明について適当な好ましい特定例に関する詳細な説明をしたが、他の例も 考えられる。したがって、添付の請求の範囲の精神および範囲は、ここに含まれ る好ましい例の説明に制限されるべきではない。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 イン、ディーン ワイ アメリカ合衆国 91708 カリフォルニア 州 チノ ヒルズ ウッドヒル レーン 13821 (72)発明者 ングイェン、クハン ヴィ アメリカ合衆国 92684 カリフォルニア 州 ウェストミンスター アランデル ア ヴェニュー 10271 (72)発明者 シュー、フランク アール アメリカ合衆国 90631 カリフォルニア 州 ラ アブラ ハイツ ラス パロマス ドライヴ 1542

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ サンプル媒体中の気体の分圧を決定するためのポーラログラフセンサ ー装置であって、 ａ）一対の間隔をおかれた電極を連結する、実質的に吸湿性を有する電解質組 成であって前記一対の電極の一方が感知電極である、電解質組成と、 ｂ）気体に対しては透過性を有するが前記電解質に対しては不透過性を示す膜 であって前記サンプル媒体から両電極と前記電解質とを分離するための前部を有 する膜と、 ｃ）本体部および縁部を有するスリーブを含むファスナーであって前記本体部 が前記ファスナーと前記膜の側部とを保持し、また、前記縁部が前記膜の前部の 一部分を保持しかつ前記感知電極から間隔をおいた関係に実質的に前記前部の全 部を保持する、ファスナーとを含む、ポーラログラフセンサー装置。 ２ 前記膜は、ポリエチレン、ポリプロピレン、フッ素化アルカンのポリ マー、シリコーンゴム、テフロン、パーフルオロアルコキシポリマーおよびパー フルオロアルコキシ−テフロンからなるグループから選択される、請求項１に記 載の装置。 ３ 前記膜はパーフルオロアルコキシ−テフロンからなる、請求項２に記 載の装置。 ４ 前記膜は、パーフルオロアルコキシ−テフロンの気体および透過性に 近い気体および透過性を有する、請求項１に記載の装置。 ５ 前記膜の厚さは約１ミルから約３ミルである、請求項１に記載の装置 。 ６ 前記膜の厚さは約１ミルである、請求項５に記載の装置。 ７ 前記気体は、酸素および二酸化炭素からなるグループから選択される 、請求項１に記載の装置。 ８ 前記感知電極は陰極である、請求項１に記載の装置。 ９ 前記陰極はワイヤである、請求項８に記載の装置。 １０ 前記ワイヤは、プラチナ、金、銀およびロジウムからなるグループ から選択される、請求項９に記載の装置。 １１ 前記ワイヤはロジウムからなる、請求項１０に記載の装置。 １２ 前記第２の電極は陽極である、請求項１に記載の装置。 １３ 前記陽極はワイヤからなる、請求項１２に記載の装置。 １４ 前記ワイヤは、亜鉛、カドミウム、鉛および銀からなるグループか ら選択される、請求項１３に記載の装置。 １５ 前記ワイヤは銀からなる、請求項１４に記載の装置。 １６ 前記電解質組成は、塩化カリウムおよび塩化リチウムからなるグル ープから選択される、請求項１に記載の装置。 １７ 前記電解質組成は塩化リチウムを含む、請求項１６に記載の装置。 １８ 前記塩化リチウムは、約０．０２Ｍから約０．２Ｍの濃度を有する 、請求項１７に記載の装置。 １９ 前記塩化リチウムは、約０．０２Ｍから約０．１０Ｍの濃度を有す る、請求項１８に記載の装置。 ２０ 前記塩化リチウムは、約０．０２５Ｍの濃度を有する、請求項１９ に記載の装置。 ２１ 前記スリーブはエラストマーからなる、請求項１に記載の装置。 ２２ 前記ファスナーは、さらに、前記膜を、間隔をおいた関係に保持す るためのガスケットを含む、請求項１に記載の装置。 ２３ 前記電解質組成は、さらに、グリセロールまたはエチレングリコー ルを含む、請求項１に記載の装置。 ２４ 前記グリセロールは、約５％から約２０％の濃度である、請求項２ ３に記載の装置。 ２５ 前記グリセロールの濃度は、約１０％である、請求項２４に記載の 装置。 ２６ サンプル媒体中の気体の分圧を決定するためのポーラログラフセン サー装置であって、 ａ）一対の間隔をおいた電極を連結する、実質的に吸湿性を有する電解質組成 であって該電解質組成が約０．０２Ｍから約０．１Ｍの塩化リチウムからなり、 前記一対の電極の一方が感知電極である、電解質組成と、 ｂ）気体に対しては透過性を有するが前記電解質に対しては不透過性を示す膜 であって前記サンプル媒体から両電極と前記電解質とを分離するための前部を有 する膜と、 ｃ）本体部および縁部を有するスリーブを含むファスナーであって前記本体部 が前記ファスナーと前記膜の側部とを保持し、また、前記縁部が前記膜の前部の 一部分を保持しかつ前記感知電極から間隔をおいた関係に実質的に前記前部の全 部を保持する、ファスナーとを含む、ポーラログラフセンサー装置。 ２７ 前記ファスナーは、さらに、前記膜を、間隔をおいた関係に保持す るためのガスケットを含む、請求項２６に記載の装置。 ２８ サンプル媒体中の気体の分圧を決定するためのポーラログラフセン サー装置であって、 ａ）ハウジングであって内部空洞、第１の端部および外部表面を有するハウジ ングと、 ｂ）前記管状のハウジングの内部に配置された、一対の間隔をおいた電極を連 結する、実質的に吸湿性を有する電解質組成であって前記一対の電極の一方が感 知電極である、電解質組成と、 ｃ）気体に対しては透過性を有するが前記電解質に対しては不透過性を示す膜 であって前記ハウジングの第１の端部を覆う前部を有する膜と、 ｄ）本体部および縁部を有するスリーブを含むファスナーであって前記本体部 が前記ファスナーと前記膜の側部とを前記ハウジングの外部表面に保持し、また 、前記縁部が前記膜の前部の一部分を保持しかつ前記感知電極から間隔をおいた 関係に実質的に前記前部の全部を保持する、ファスナーとを含む、ポーラログラ フセンサー装置。 ２９ サンプル媒体中の気体の分圧を決定するための方法であって、 ａ）請求項１に記載の装置に前記サンプル媒体を接触させること、 ｂ）前記両電極間に電圧を印加すること、 ｃ）前記両電極間に生じた、前記サンプル中の前記気体の分圧に比例する電流 を測定すること、 ｄ）前記サンプル中の前記気体の分圧を決定することを含む、気体の分圧決定 方法。