專利名稱：陰離子濃度測定裝置以及陰離子濃度測定元件的制作方法
陰離子濃度測定裝置以及陰離子濃度測定元件技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于測定生物體成分中的陰離子、特別是氯離子的離 子濃度的測定裝置。
背景技術(shù)：
作為醫(yī)療領(lǐng)域中的生物體成分、特別是血清或血漿中的電解質(zhì)(鈉 離子、鉀離子、氯離子等)濃度的分析方法，廣泛利用離子選擇性電 極法。作為離子選擇性電極法，只需將離子選擇性電極與參比電極一 起浸漬到試樣溶液中，就可以定量測定試樣中的離子濃度，因此，利 用可以小型化和自動化的優(yōu)點，而被用于生物化學(xué)自動分析裝置中。
上述離子選擇性電極中，作為氯離子選擇性電極，已知有使用難 溶性氟化物的固體電極和添加離子交換型配體的液膜型電極。在傳統(tǒng) 的液膜型氯離子選擇性電極中，作為配體，使用季銨鹽，例如，三辛 基甲基氯化銨、十三烷基甲基氯化銨、四辛基氯化銨，向含有環(huán)氧樹 脂和氯乙烯的塑料膜中添加作為配體的季銨鹽和增塑劑(例如，己二 酸二烷基酯或苯二甲酸二烷基酯)。另外，為了提高物理強度以及提 高對氯離子的選擇性，已經(jīng)開發(fā)了由側(cè)鏈上具有作為配體的三長鏈烷 基銨基的苯乙烯單體與側(cè)鏈上具有親水基團的聚合物形成的共聚物構(gòu)
成的氯離子選擇性電極(特開2004-184365號公報)。另一方面，為
了提高物理強度以及防止由于配體溶出所造成的劣化，已經(jīng)開發(fā)了通
過固定有作為配體的季銨鹽的多孔質(zhì)玻璃作為感應(yīng)膜的化學(xué)修飾玻璃 膜離子選擇性電極(特開昭61-170645號公報)。
為了使上述的離子選擇性電極的結(jié)構(gòu)和制作方法筒便化，以及與 未來的分析裝置小型化相對應(yīng)，已經(jīng)提出將配體固定于金電極表面的 離子選擇性電極。然而，在任一情況均不能測量電位，于是通過測定
阻抗來得到所希望的離子濃度。作為鈉離子選擇性電極的例子，已經(jīng) 報告有將作為中性載體型配體的巰基冠醚化合物固定在金電極上
(J.Am. Chem. Soc. ， 120 ( 1998 ) 4652—4657 )。另外，作為鋰離子 選擇性電極的例子，同樣有利用硫醇與金的鍵合而將中性載體型配體 固定于金電極表面上的才艮導(dǎo)(Anal. Chem. ， 78 ( 2006 ) 7132-7137、 以及WO2006/113440 )。另一方面，作為陰離子選擇性電極，已經(jīng)有 利用石克醇與金的鍵合將氟離子用配體(Tetra-amide Cal ix [6] arene 衍生物)固定于金電極表面的報導(dǎo)(Langmuir， 2006， 22， 10732-10738)。
專利文獻1特開昭61-170645號公報
專利文獻2特開2004-184365號公報
專利文獻3WO2006/113440
非專利文獻1J. Am. Chem. Soc. ， 120 ( 1998 ) 4652-465非專利文獻2Anal. Chem. ， 78 ( 2006 ) 7132-713非專利文獻3Langmuir 22 ( 2006 ) 10732-10738

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明所要解決的課題
對于上述的將配體固定于金電極表面上的離子選擇性電極而言， 如果不考慮金電極表面的絕緣性和配體的周圍環(huán)境，就不能進行電位 測定。因此，采用阻抗測定來得到所希望的離子濃度。對于傳統(tǒng)的配 體固定化離子選擇性電極而言，如果不考慮將配體固定化的金電極表 面與測定溶液之間的絕緣性，則會在實際測定中受到來自固定化的配 體之間的間隙的漏電流的影響，不能穩(wěn)定地測定界面電位。阻抗測定 法是將金或鉑制的工作電極和對置電極、以及用于使工作電極的電位 保持恒定的參比電極配置于溶液中，使用作為電流測定裝置的恒電位 儀，根據(jù)電流值來測定與施加在工作電極和對置電極之間的電壓相對 應(yīng)的頻率響應(yīng)性。此時，需要向測定溶液中加入作為電化學(xué)活性物質(zhì) 的氧化還原物質(zhì)。因此，不能活用只需與參比電極一起浸漬到試樣溶
液中就可以定量測定試樣中的離子濃度的、傳統(tǒng)的離子選擇性電極法 的優(yōu)點。另外，由于阻抗測定法是電流測定法，因此，從原理上說， 存在測定濃度范圍窄的問題。
本發(fā)明的目的在于提供能夠保持只需與參比電極一起浸漬到試 樣溶液中就可以定量測定試樣中的離子濃度的、傳統(tǒng)的液膜型離子選 擇性電極法的優(yōu)點以及測定濃度范圍等基本性能，并且離子選擇性電 極的結(jié)構(gòu)和制作方法簡便化的離子濃度測定裝置。
用于解決課題的手段
為了達到上述目的，本發(fā)明中，利用能夠形成自組織化膜的絕緣 性分子(例如，鏈烷烴硫醇)作為連接體，將作為陰離子用配體的季 銨鹽衍生物在金電極表面上固定化，將伴隨陰離子的配位而產(chǎn)生的電 動勢(electromotive force )作為金電極表面的界面電位變化進行測 定。此時，當(dāng)季銨鹽衍生物的側(cè)鏈烷基大于自組織化膜的間隔，從而 使得在固定化的配體分子之間具有間隙時，使具有比連接體短的碳鏈 且一個末端為親水性的鏈烷烴硫醇，例如末端的親水基團為氨基或者 羥基的鏈烷烴硫醇，與季銨鹽衍生物共存而使其固定化。為了高效地 使其形成自組織化膜，連接體的碳數(shù)優(yōu)選為6個以上至20個以下。另 外，希望季銨鹽的其他3個側(cè)鏈的烷基鏈的碳數(shù)少于連接體的碳數(shù)， 以便不妨礙自組織化膜的形成。進而，作為電位差測定裝置，使用與 金電極在同一基板上形成的隔離柵場效應(yīng)晶體管。此時，通過在參比 電極上疊加1KHz以上的交流電壓來進行測定。另外，為了減少在測定 生物體成分時由于夾雜物在電極表面上的吸附所帶來的影響，使高分 子聚合物物理吸附在金電極上來使用。
發(fā)明的效果
根據(jù)本發(fā)明，通過借助絕緣性分子將作為陰離子用配體的季銨鹽 衍生物固定于金電極的表面上，由此可以提高金電極與溶液之間的絕 緣性。通過提高該絕緣性，抑制配體間的間隙的漏電流，可以將由于 陰離子的配位而產(chǎn)生的電動勢作為金電極表面的界面電位變化來進行 穩(wěn)定的測定。當(dāng)季銨鹽衍生物的側(cè)鏈烷基大于自組織化膜的間隔時，
通過使具有比連接體短的碳鏈且一個末端為親水性的鏈烷烴硫醇與季 銨鹽衍生物共存而使其固定化，如此可以使被固定化了的配體分子間 的間隙消失，可以維持金電極與溶液之間的絕緣性。此時，通過使用 末端為氨基的鏈烷烴硫醇作為一個末端為親水性的鏈烷烴硫醇，可以 獲得響應(yīng)速度快的效果。進而，通過使用與金電極在同一基板上形成 的隔離柵場效應(yīng)晶體管作為電位差測定裝置，可以降低漏電流，可以 穩(wěn)定地測定金電極表面的界面電位。此時，通過在參比電極上疊加
lKHz以上的交流電壓，可以使金電極表面的界面電位穩(wěn)定化，從而提 高測定精度。另外，通過使高分子聚合物物理吸附于金電極上來使用，
的噪音或漂移,


圖1為示出本發(fā)明中離子濃度測定裝置的一例的方塊圖。
圖2為示出將氯離子用配體在金電極上固定化的例子的圖，(a)
為示出只將作為氯離子用配體的季銨鹽衍生物固定化的例子的圖；(b )
為示出將作為氯離子用配體的季銨鹽衍生物和末端具有氨基的鏈烷烴
疏醇共存而固定化的例子的圖。
圖3為示出使用FET傳感器的本發(fā)明的離子濃度測定裝置的一例
的方塊圖。
圖4為示出在本發(fā)明的離子濃度測定裝置中使用的使用FET傳感 器的分析元件的結(jié)構(gòu)例的圖，(a)為截面圖，(b)為平面圖。
圖5為示出與配體共存的鏈烷烴硫醇的末端殘基以及碳鏈長度對 氯離子濃度的響應(yīng)速度造成影響的圖，(a)為示出當(dāng)共存末端具有曱 基的疏水性鏈烷烴硫醇時的圖，(b)為示出當(dāng)共存末端具有羥基的親 水性鏈烷烴硫醇時的圖，(c)為示出當(dāng)共存末端具有氨基的親水性鏈 烷烴硫醇時的圖。
圖6為示出使用作為配體的季銨鹽衍生物與末端具有氨基的鏈烷 烴硫醇共存的離子電極來測定氯離子濃度的結(jié)果的圖。
圖7為示出按同一平面狀形成FET傳感器和參比電極的本發(fā)明的 離子濃度測定裝置一例的方塊圖。
圖8為示出氯離子選擇性電極的作為配體使用的季銨鹽的側(cè)鏈長 度對氯離子濃度的響應(yīng)時間造成影響的圖。
圖9為示出作為氯離子用配體的季銨鹽的一例的圖。
圖10為示出氯離子選擇性電極的作為配體的季銨鹽衍生物的側(cè) 鏈長度與對氯離子濃度的電位響應(yīng)的關(guān)系的圖。
圖11為示出本發(fā)明的離子濃度測定裝置一例的方塊圖。符號說明
101， 301 , 701 ， 1101…測定部；102， 302， 702， 1102…信號處 理電路；103， 303， 703， 1103…數(shù)據(jù)處理裝置；104, 1104…電位差 測量裝置；105， 305， 1105…參比電極；106， 307， 706， 1106…用于 供給含有測定物質(zhì)的試樣溶液的試樣溶液注入器；107， 308， 707， 1107…測定池;108， 314， 713， 1108…測定溶液;109， 312， 711， 1109…陰離子用配體的季銨鹽衍生物；110， 313， 712…末端具有氨基 的鏈烷烴硫醇；111， 311, 405， 710, 1110…金電極；304, 401， 704… 隔離柵場效應(yīng)晶體管；306…電源；309， 402， 708…源電極、310， 403, 709…漏電極；404…柵極絕緣物；406…隔離柵場效應(yīng)晶體管的柵極； 407…導(dǎo)電性配線；705…疑似參比電極。
具體實施方式
以下參照

本發(fā)明的實施方案。
圖1為示出本發(fā)明的離子濃度測定裝置一例的方塊圖。本實施例 的測定裝置包括測定部101、信號處理電路102、以及數(shù)據(jù)處理裝置 103。測定部101具備電位差測量裝置104、參比電極105、用于供給 含有測定物質(zhì)的試樣溶液的試樣溶液注入器106、測定池10乙在測定 池107內(nèi)的測定溶液108中，配置已將作為陰離子用配體的季銨鹽衍 生物109和末端具有氨基的鏈烷烴硫醇110固定化了的金電極111、 參比電極105。圖2中示出了配體在金電極上的固定化法的一例。圖2
(a)示出當(dāng)只將配體固定時的情況，圖2 (b)示出配體與末端具有氨 基的鏈烷烴硫醇共存而被固體化的例子。氯離子用配體為N，N，N-三甲 基(10-巰基癸基)氯化銨(N，N，N-Trimethyl ( 10-mercaptodecyl ) ammonium chloride)，末端是氨基的鏈烷烴硫醇為8 -氨基-1 -辛 烷硫醇。應(yīng)予說明，作為氯離子用配體的季銨鹽衍生物的側(cè)鏈烷基的 碳鏈，可以根據(jù)測定條件進行變更。此時，希望季銨鹽衍生物的側(cè)鏈 烷基的碳數(shù)少于連接體的碳數(shù)，以便不會妨礙配體在向金電極上固定 化時的自組織化。另外，此時共存的鏈烷烴硫醇的碳鏈長度，只要在 季銨鹽衍生物的連接體的碳鏈長度以下，就沒有問題。例如，當(dāng)季銨 鹽衍生物的連接體的碳鏈長度為10時，也可以使用末端為氨基的6-氨基-l-己烷硫醇、8-氨基-l-辛烷硫醇、ll-氨基-l-十一烷 硫醇；或是末端為羥基的6-羥基-l-己烷硫醇、8-羥基-l-辛烷 疏醇、ll-羥基-l-十一烷硫醇。
測定順序如下。最初，使用試樣溶液注入器106，向測定池107 內(nèi)的測定溶液108中注入試樣溶液。作為試樣溶液中的測定對象的氯 離子，通過離子交換作用而與作為陰離子用配體的季銨衍生物109鍵 合，從而使金電極111上的界面電位發(fā)生變化。電位測定是使用電位 差測量裝置104來實時地測量當(dāng)用試樣溶液注入器106注入試樣溶液 的前后在金電極111上變化的界面電位，用信號處理電路102和數(shù)據(jù) 處理裝置103進行記錄。金電極111上的界面電位變化依賴于作為測 定對象的氯離子的濃度。因此，以預(yù)先測定標(biāo)準溶液而制成的標(biāo)準曲 線為基準，可以根據(jù)測得的電位變化值求出未知濃度的試樣中的氯離 子濃度。
作為試樣溶液注入器106，可以使用注射泵或者加壓式送液裝置。 另外，也可以使用由銀等其他的貴金屬或碳構(gòu)成的電極來代替金電極 111。另外，為了減輕在測定生物體成分時由于夾雜物在電極表面上的 吸附所帶來的影響，也可以通過使高分子聚合物物理吸附在金電極上 來使用。作為高分子聚合物，可以使用甲基纖維素、丙烯酰胺、葡聚 糖、聚乙二醇等。
為了能夠穩(wěn)定地測定基于在測定溶液108中的金電極111的表面 上引起的平衡反應(yīng)或者化學(xué)反應(yīng)的電位變化，可以利用參比電極105 來賦予作為基準的電位。通常，作為參比電極，可以使用在內(nèi)部溶液 中使用飽和氯化鉀的銀.氯化銀電極、或者甘汞(calomel)電極，但 在所測定的試樣溶液的組成為一定的情況，即便只使用銀.氯化銀電極 作為疑似電極也沒有問題。
圖3為示出使用場效應(yīng)晶體管(Field Effect Transistor: FET ) 傳感器的本發(fā)明離子濃度測定裝置的一例的方塊圖。本實施例的測定 裝置包括測定部301、信號處理電路302、以及數(shù)據(jù)處理裝置303。測 定部301具備隔離柵場效應(yīng)晶體管304、參比電極305、用于向參比電 極305施加電壓的電源306、用于供給含有測定物質(zhì)的試樣溶液的試 樣溶液注入器307、測定池308。隔離柵場效應(yīng)晶體管304具備源電極 309、漏電極310、與柵極電連接的金電極311。在金電極311上，將 作為陰離子用配體的季銨鹽衍生物312和末端具有氨基的鏈烷烴疏醇 313固定化。在測定池308內(nèi)的測定溶液314中，配置已將作為陰離 子用配體的季銨衍生物312和鏈烷烴硫醇313固定化了的金電極311 以及參比電極305。
測定順序如下。最初，使用試樣溶液注入器307,將試樣溶液注 入到測定池308內(nèi)的測定溶液314中。作為試樣溶液中的測定對象的 氯離子，通過離子交換作用而與作為陰離子用配體的季銨衍生物312 鍵合，從而使金電極311上的界面電位發(fā)生變化。電位測定是通過實 時監(jiān)測當(dāng)用試樣溶液注入器307注入試樣溶液前后在隔離柵場效應(yīng)晶 體管304內(nèi)的源電極309與漏電極310之間的電流變化，用信號處理 電路302和數(shù)據(jù)處理裝置303進行記錄。金電極311上的界面電位變 化依賴于作為測定對象的氯離子的濃度。因此，以預(yù)先測定標(biāo)準溶液 而制成的標(biāo)準曲線為基準，可以根據(jù)所測得的電位變化值求出未知濃 度的試樣中的氯離子濃度。為了減輕由于測定外部變動所帶來的影響， 電源306優(yōu)選為含有交流成分的電源。此時，通過在直流成分的基礎(chǔ) 上疊加lKHz以上的交流電壓，可以期待金電極311的表面電位的穩(wěn)定 化。
作為試樣溶液注入器307，可以使用注射泵或者加壓式送液裝置。 作為金電極311，也可以使用由銀等其他的貴金屬或碳構(gòu)成的電極來 代替。另外，為了減輕在測定生物體成分時由于夾雜物在電極表面上 的吸附所帶來的影響，也可以通過使高分子聚合物物理吸附在金電極 上來使用。作為高分子聚合物，只要使用甲基纖維素、丙烯酰胺、葡 聚糖、聚乙二醇等就沒有問題。
為了能夠穩(wěn)定地測定基于測定溶液314中的金電極311的表面上 引起的平衡反應(yīng)或者化學(xué)反應(yīng)的電位變化，可以利用參比電極305來 賦予作為基準的電位。通常，作為參比電極，可以使用在內(nèi)部溶液中 使用飽和氯化鉀的銀.氯化銀電極、或者甘汞電極，但在所測定的試樣 溶液的組成為一定的情況，即便只使用銀.氯化銀電極作為疑似電極也 沒有問題。
圖4為示出在使用FET傳感器的、在本發(fā)明的離子濃度測定裝置 中使用的分析元件的結(jié)構(gòu)的一例的圖。圖4 (a) 、 (b)分別表示截 面結(jié)構(gòu)和平面結(jié)構(gòu)。隔離柵場效應(yīng)晶體管401是通過在硅基板的表面 上形成源電極402、漏電極403、以及柵極絕緣物404并設(shè)置金電極 405而成的。金電極405與隔離柵場效應(yīng)晶體管的柵極406用導(dǎo)電性 配線407連接起來。優(yōu)選的是，隔離柵場效應(yīng)晶體管為使用硅氧化物 作為絕緣膜的金屬氧化物半導(dǎo)體(Meta卜oxide semiconductor )場效 應(yīng)晶體管(FET)，但是即便使用薄膜晶體管(TFT)也沒有問題。通 過采用本結(jié)構(gòu)，可以在任意場所且按任意大小來形成金電極405，可 以根據(jù)測定對象的試樣溶液量來改變測定池的容積。
本發(fā)明中使用的隔離柵場效應(yīng)晶體管為具有使用Si02(厚度 17. 5nm)形成的絕緣層的耗盡型(depletion型)FET,按400 nmx 400 jam的大小制作金電極。通常的測定使用水溶液，因此，本元件必須 在溶液中工作。當(dāng)在溶液中進行測定時，必須在不易引起電化學(xué)反應(yīng) 的-0.5 0.5V電極電位范圍內(nèi)進行工作。因此，在本實施例中，調(diào) 整耗盡型n型通道(channel ) FET的制作條件，即閾值電壓(Vt )調(diào)
整用離子打入條件，將FET的閾值電壓設(shè)定在-0. 5V附近。應(yīng)予說明， 也可以使用由銀等其他的貴金屬構(gòu)成的電極來代替金電極。在同一基 板上具有2個以上FET傳感器的元件，通過在同一基板上形成多個圖 4的FET傳感器來制作。此時，成為問題的FET傳感器之間的串音 (cross talk)可以通過形成SOI (絕緣襯底上夕卜延珪(Silicon on Insulator))結(jié)構(gòu)來減輕。
下面說明當(dāng)借助作為絕緣性分子的連接體將作為陰離子用配體的 季銨衍生物固定在金電極表面上時，使末端具有親水性基團特別是氨 基的鏈烷爛硫醇與季銨衍生物共存而固定化的效果。
按照以下順序進行配體在金電極表面上的固定化。最初，對用于 固定化的金電極依次用1N硝酸、純水、乙醇洗滌，用氮氣凈化金電 極表面。接著，在配體與鏈烷烴硫醇的混合溶液(各濃度0. 5mM、溶 劑乙醇)中浸漬l小時。固定化結(jié)束后，在300mM氯化鈉溶液中， 在95。C下進行10分鐘加熱處理。然后，用乙醇和純水洗滌，直至使 用， 一直保存在300mM氯化鈉水溶液中。
下面說明與作為陰離子用配體的季銨鹽衍生物共存而固定在金電 極表面上的鏈烷烴硫醇的末端殘基以及碳鏈長度對氯離子的響應(yīng)速度 造成的影響。
在本實施例中，作為氯離子用的配體，使用以1-癸烷硫醇為連 接體的季銨鹽衍生物一例的N，N，N-三甲基(lO-巰基癸基)氯化銨 (N，N，N-Trimethyl ( 10-mercaptodecyl ) ammonium chloride); 作 為末端為甲基的鏈烷烴硫醇，使用疏水性鏈烷烴硫醇的1-辛烷硫醇 (1-0T) 、 l-H"—烷硫醇(l-UDT) 、 1-十四烷石克醇(l-TDT) 、 l-十八烷硫醇(1-0DT);作為末端為羥基的鏈烷烴硫醇，使用6-羥基 —1 -己烷硫醇(6-HHT ) 、 8 -羥基一 1 —辛烷硫醇(8-H0T ) 、 11 -羥 基-l-十一烷硫醇(ll-UUT)、具有親水性的乙二醇且相當(dāng)于18個 碳鏈的三甘醇-單-11 -巰基癸基醚(Triethyleneglycol-mono -ll-mercaptodecylether ; TGM);作為末端為氨基的鏈烷烴硫醇， 使用6 一氨基—1 —己烷硫醇(6-AHT ) 、 8 -氨基—1 一辛烷硫醇(8-A0T) 、 11 -氨基-1 -十一烷硫醇(ll-AUT)。對于氯離子的響應(yīng) 速度，作為對于離子濃度的電位響應(yīng)達到90%變化時的時間來進行測 定。
圖5 (a)示出當(dāng)配體與末端具有甲基的鏈烷烴硫醇按照1: l共 存時，碳鏈長度對氯離子響應(yīng)速度造成的影響。圖5 (a)的橫軸上， A表示只將配體固定化的金電極；B表示將配體和l-OT固定化的金電 極；C表示將配體和l-UDT固定化的金電極；D表示將配體和l-TDT 固定化的金電極；E表示將配體和l-ODT固定化的金電極。如圖5(a) 所示，共存的鏈烷烴疏醇的碳鏈長度越長，與各種碳鏈長度不同的鏈 烷烴硫醇共存而進行固定化的氯離子電極的響應(yīng)速度越慢。這簡單地 是由于鏈烷烴硫醇填充入配體間的間隙而妨礙了離子進入配體間的間 隙的緣故，從而達到改善響應(yīng)性的效果，因此，通過增大配體周圍的 疏水性可以使響應(yīng)性變慢的不利影響增大。也就是表示，通過增大配 體周圍的疏水性，可使氯離子變得難以靠近配體。
圖5 (b)示出當(dāng)配體與末端具有羥基的鏈烷烴硫醇按照1: 1共 存時，碳鏈長度對氯離子響應(yīng)速度造成的影響。圖5 (b)的橫軸上， A表示只將配體固定化的金電極；B表示將配體和6-HHT固定化的金電 極；C表示將配體和8-H0T固定化的金電極；D表示將配體和ll-HUT 固定化的金電極；E表示將配體和TGM固定化的金電極。如圖5(b) 所示，與各種碳鏈長度不同的末端具有羥基的鏈烷烴疏醇共存而進行
固定化的氯離子電極的響應(yīng)速度與只將配體固定的情況為同等程度。 另外，在與具有親水性乙二醇且相當(dāng)于18個碳鏈的TGM共存的情況， 顯示出與具有相同碳鏈長度的疏水性鏈烷烴硫醇的l-ODT為同等程度
的響應(yīng)速度，變得遲緩。這表示，空間位阻的效果要比親水性的效果 大 如此，可以這樣認為，如果鏈烷烴硫醇的碳鏈長度變得過長，則 由于配體周圍的立體障礙而使氯離子難以靠近，因此響應(yīng)速度變得遲 緩。
圖5 (c)示出當(dāng)配體與末端具有氨基的鏈烷烴硫醇按照1: 1共 存時，由碳鏈長度對氯離子的響應(yīng)速度造成的影響。圖5(c)的橫軸
上，A表示只將配體固定化的金電極；B表示將配體和6-AHT固定化的 金電極；C表示將配體和8-A0T固定化的金電極；D表示將配體和 ll-AUT固定化的金電極。如圖5 (c)所示，與只將配體固定化的金電 極相比，共存的鏈烷烴硫醇的碳鏈長度越長，與碳鏈長度不同的鏈烷 烴硫醇共存而進行固定化的氯離子電極的響應(yīng)速度越快。可以認為， 這是由于鏈烷烴硫醇填充入配體間的間隙而妨礙了離子進入的緣故。
如圖5(a) ~ (c)所示，通過向與配體共存的鏈烷烴硫醇中引 入親水基團，特別是氨基，可以使對氯離子的響應(yīng)速度得到改善。即， 與氯離子用配體共存的鏈烷烴硫醇優(yōu)選為親水性的且其碳鏈長度優(yōu)選 比配體短。特別優(yōu)選共存的配體長度以下且具有氨基的鏈烷烴硫醇。
以下說明使用借助作為絕緣性分子的連接體來使作為陰離子用配 體的季銨衍生物與末端為氨基的鏈烷烴硫醇共存而固定在金電極表面 上的本發(fā)明的離子電極，對氯離子的電位響應(yīng)的測定結(jié)果。
在本實施例中，作為氯離子用的配體，使用以1-癸烷硫醇為連 接體的季銨鹽衍生物一例的N，N,N-三曱基(10-巰基癸基)氯化銨 (N，N，N-Trimethyl ( 10-mercaptodecyl ) ammonium chloride); 作 為末端為氨基的鏈烷烴硫醇，使用11 -氨基-1 -十一烷硫醇 (ll-AUT)。對氯離子的電位響應(yīng)，使用氯化鈉水溶液進行測定，對在 4. 5mM~ 300mM濃度范圍內(nèi)的傾斜靈敏度進行比較(圖6)。應(yīng)予說明， 電位測定值為浸漬后5分鐘后的值。在圖6的橫軸上以活度表示氯離 子濃度?？v軸表示根據(jù)氯離子而產(chǎn)生的電動勢。其結(jié)果，對氯離子的 電位響應(yīng)，按照能斯托(Nernst)公式求出其傾斜靈敏度約為60mV。
圖7為示出按同一平面狀形成FET傳感器和參比電極的本發(fā)明的 離子濃度測定裝置一例的方塊圖。本實施例的測定裝置包括測定部 701、信號處理電路702、以及數(shù)據(jù)處理裝置703。測定部701具備隔 離柵場效應(yīng)晶體管704、疑似參比電極705、用于供給含有測定物質(zhì)的 試樣溶液的試樣溶液注入器706、測定池707。隔離柵場效應(yīng)晶體管 704具備源電極708、漏電極709、與柵極電連接的金電極710。另夕卜， 在與金電極710同一平面上設(shè)置疑似參比電極705。疑似參比電極705通過導(dǎo)電性配線與外部相連接。作為疑似參比電極，可以使用銀/氯化
銀、金、鉑等。在本實施例中，在金電極710上，將作為氯離子用配 體的季銨鹽衍生物711和末端具有氨基的鏈烷烴疏醇712固定化。在 測定池707內(nèi)的測定溶液713中，配置已將作為氯離子用配體的季銨 鹽衍生物711和末端具有氨基的鏈烷烴硫醇712固定化了的金電極 710、疑似參比電極705。對于疑似參比電極705，在直流成分的基礎(chǔ) 上疊加lkHz以上的交流電壓。
圖8示出氯離子選擇性電極的作為配體使用的季銨鹽的側(cè)鏈長度 對氯離子濃度的響應(yīng)時間造成的影響。在本實施例中，作為季銨鹽的 一例，如圖9 (a) 、 (b) 、 (c)所示，使用側(cè)鏈為甲基的N， N， N-三甲基(10-巰基癸基)氯化銨(N， N, N-Trimethyl( lO-mercaptodecyl ) ammonium chloride)、側(cè)鏈為乙基的N， N， N-三乙基(IO-巰基癸基) 氯化銨(N， N， N-Triethyl ( 10-mercaptodecyl ) ammonium chloride )、 側(cè)鏈為丙基的N, N， N-三丙基(10-巰基癸基)氯化銨(N， N， N-Tripropyl (10-mercaptodecyl) ammonium chloride)。在本實施例中，對于作 為配體的季銨鹽的側(cè)鏈的影響，除了只將配體固定化的情況以外，還 將配體和親水性鏈烷烴硫醇共存的情況一并示出來進行比較。圖中的 TMA、 TEA、 TPA、 11-HUT、 11-AUT分別表示N， N， N-三甲基(IO-巰 基癸基)氯化銨、N，N，N-三乙基(10-巰基癸基)氯化銨、作為丙基的 N，N，N-三丙基(10-巰基癸基)氯化銨、11-羥基-l-十一烷硫醇、
11 -氨基-1 - H"—烷硫醇。
其結(jié)果，在只將配體固定的情況、以及配體與親水性鏈烷烴硫醇 共存的情況，如果使季銨鹽的側(cè)鏈的碳鏈變長，則響應(yīng)時間變得非常 短。在本實施例中，在只將配體固定的情況，當(dāng)側(cè)鏈為甲基時，為88 秒；當(dāng)側(cè)鏈為乙基時，為14秒；當(dāng)側(cè)鏈為丙基時，為6秒。另外，當(dāng) 側(cè)鏈為甲基時，如圖8(c)所示，配體與具有氨基的鏈烷烴硫醇共存 的情況與只將配體固定的情況相比，響應(yīng)時間變快，但如果隨著使季 銨鹽的側(cè)鏈變長，其效果就變小；當(dāng)側(cè)鏈為丙基時，在只將配體固定 化的情況，其響應(yīng)時間最短。
這樣，通過延長季銨鹽的側(cè)鏈，不需要其他的親水性鏈烷烴硫醇， 就可以按單純的組成固定于金電極上。此時，希望季銨鹽衍生物的側(cè) 鏈烷基的碳數(shù)少于連接體的碳數(shù)，以便不會妨礙季銨鹽在向金電極上 固定化時的自組織化。例如，在本實施例的情況，由于連接體的碳鏈
長度為10個碳，因此，希望側(cè)鏈的碳數(shù)為IO個以下。應(yīng)予說明，作
為氯離子用配體的季銨鹽衍生物的連接體的碳鏈，可以根據(jù)測定條件 而進行變更，但如果考慮到化學(xué)合成法或是合成后的精制法以及向金
電極上的固定化法，則希望碳數(shù)為20個以下。
圖10示出作為配體的季銨鹽衍生物的側(cè)鏈長度與對氯離子濃度 的電位響應(yīng)的關(guān)系。在本實施例中，作為季銨鹽的一例，使用圖9(a)、 (b) 、 (c)所示的季銨鹽。圖10 (a)示出使用側(cè)鏈為甲基的N，N，N-三甲基(lO-巰基癸基)氯化銨(N，N，N-Trimethyl( 10-mercaptodecyl ) ammonium chloride)的情況；圖10( b )示出使用側(cè)鏈為乙基的N， N， N-三乙基(lO-巰基癸基)氯化銨(N，N，N-Triethyl( 10-mercaptodecyl ) ammonium chloride)的情況；圖10( c )示出使用側(cè)鏈為丙基的N， N， N-三丙基(10-巰基癸基)氯化銨(N，N，N-Tripropyl( 10-mercaptodecyl) ammonium chloride)的情況。對鈉離子濃度的電位響應(yīng)，使用氯化鈉 水溶液來進行測定，對在0. 001mM~ lOOOmM濃度范圍內(nèi)的配體固定化 電極表面的電動勢進行比較。
圖10的橫軸是按活度表示的氯離子濃度。縱軸表示根據(jù)氯離子而 產(chǎn)生的電動勢。如果季銨鹽的側(cè)鏈長度變長，則甚至在低濃度下也會 對氯離子濃度顯示電位響應(yīng)。在本實施例中，當(dāng)側(cè)鏈為甲基時，可以 在10~ lOOOmM的濃度范圍內(nèi)維持直線性；當(dāng)側(cè)鏈為乙基時，可以在1 ~ lOOOmM的濃度范圍內(nèi)維持直線性；當(dāng)側(cè)鏈為丙基時，可以在0. 1 ~ lOOOmM的濃度范圍內(nèi)維持直線性。即，季銨鹽的側(cè)鏈越長，不僅響應(yīng) 時間變短，而且示出直線性響應(yīng)的范圍(測定范圍)變寬。
圖11為示出本發(fā)明的離子濃度測定裝置一例的方塊圖。本實施例 的測定裝置包括測定部1101、信號處理電路1102、以及數(shù)據(jù)處理裝置 1103。測定部1101具備電位差測量裝置1104、參比電極1105、用于
供給含有測定物質(zhì)的試樣溶液的試樣溶液注入器1106、測定池1107。 在測定池1107內(nèi)的測定溶液1108中，配置已將作為陰離子用配體的 季銨鹽衍生物1109固定化了的金電極1110、參比電極1105。在本實 施例中，由于使用N，N，N-三丙基(10-巰基癸基)氯化銨作為氯離子 用配體，因此，即便使親水性鏈烷烴硫醇共存而將其固定化，也可以 獲得快的響應(yīng)速度。應(yīng)予說明，作為氯離子用配體的季銨鹽衍生物的 側(cè)鏈烷基的碳鏈，可以根據(jù)測定條件進行變更。此時，希望季銨鹽衍 生物的側(cè)鏈烷基的碳數(shù)少于連接體的碳數(shù)，以便不會妨礙配體在向金 電極上固定化時的自組織化。例如，在本實施例的情況，由于連接體 的碳鏈長度為10個碳，因此，希望側(cè)鏈的碳數(shù)為10個以下。
權(quán)利要求
1、陰離子濃度測定裝置，具有用于導(dǎo)入含有測定對象物質(zhì)的測定溶液的容器、用于與上述容器中的測定溶液接觸的離子選擇性電極、用于與上述容器中的測定溶液接觸的參比電極、用于測定上述離子選擇性電極的界面電位的裝置；其特征在于，在上述離子選擇性電極上固定有季銨鹽，上述季銨鹽的1個側(cè)鏈為固定在上述離子選擇性電極上的鏈烷烴硫醇基，其它3個側(cè)鏈為烷基鏈。
2、 權(quán)利要求1所述的陰離子濃度測定裝置，其特征在于，上述 季銨鹽的上述其它3個側(cè)鏈的烷基鏈的碳數(shù)為1以上至20以下。
3、 權(quán)利要求1所述的陰離子濃度測定裝置，其特征在于，上述 離子選擇性電極中，除了上述季銨鹽以外，還共存并固定有一個末端具 有親水性的鏈烷烴硫醇。
4、 權(quán)利要求3所述的陰離子濃度測定裝置，其特征在于，與上 述季銨鹽共存的上述鏈烷烴硫醇的末端親水基團為氨基或者羥基。
5、 權(quán)利要求3所述的陰離子濃度測定裝置，其特征在于，與上 述季銨鹽共存的上述鏈烷烴硫醇的碳鏈長度比作為上述季銨鹽的一個 側(cè)鏈的鏈烷烴硫醇的碳鏈短。
6、 陰離子濃度測定裝置，其特征在于，具有 用于導(dǎo)入含有測定對象物質(zhì)的測定溶液的容器、 場效應(yīng)晶體管、與上述場效應(yīng)晶體管的柵極通過配線連接、并與上述容器中的測定 溶液接觸的離子選擇性電極、用于與上述容器中的測定溶液接觸的參比電極、用于向上述電極和上述參比電極之間施加電壓的電源、用于檢測上迷場效應(yīng)晶體管的輸出的檢測部；在上述離子選擇性電極上固定有季銨鹽，上述季銨鹽的1個側(cè)鏈為 固定在上述離子選擇性電極上的鏈烷烴硫醇基，其它3個側(cè)鏈為烷基鏈。
7、 權(quán)利要求6所述的陰離子濃度測定裝置，其特征在于，上述 季銨鹽的上述其它3個側(cè)鏈的烷基鏈的碳數(shù)為1以上至20以下。
8、 權(quán)利要求7所述的陰離子濃度測定裝置，其特征在于，上述 離子選擇性電極中，除了上述季銨鹽以外，還共存并固定有一個末端具 有親水性的鏈烷烴硫醇。
9、 權(quán)利要求6所述的陰離子濃度測定裝置，其特征在于，與上 述季銨鹽共存的上述鏈烷烴硫醇的末端親水基團為氨基或者羥基。
10、 權(quán)利要求6所述的陰離子濃度測定裝置，其特征在于，與上 述季銨鹽共存的上述鏈烷烴硫醇的碳鏈長度比作為上述季銨鹽的一個 側(cè)鏈的鏈烷經(jīng)硫醇的碳鏈短。
11、 權(quán)利要求6所述的陰離子濃度測定裝置，其特征在于，由上 述電源施力口交力乾電壓。
12、 權(quán)利要求6所述的陰離子濃度測定裝置，其特征在于，由上 述電源施加lkHz以上頻率的交流電壓。
13、 權(quán)利要求6所述的陰離子濃度測定裝置，其特征在于，上述 參比電極與上述場效應(yīng)晶體管形成于同一基板上。
14、 分析元件，其特征在于，具有電極和固定在上述電極表面上 的季銨鹽，上述季銨鹽的l個側(cè)鏈為鏈烷烴硫醇基，其它3個側(cè)鏈為烷 基鏈。
15、 權(quán)利要求14所述的分析元件，其特征在于，上述季銨鹽的 上述其它3個側(cè)鏈的烷基鏈的碳數(shù)為1以上至20以下。
16、 權(quán)利要求14所述的分析元件，其特征在于，上述電極中， 除了上述季銨鹽以外，還共存并固定有一個末端具有親水性的鏈烷烴硫醇。
17、 權(quán)利要求14所述的分析元件，其特征在于，與上述季銨鹽 共存的上述鏈烷烴硫醇的末端親水基團為氨基或者羥基。
18、 權(quán)利要求14所述的分析元件，其特征在于，與上述季銨鹽 共存的上述鏈烷炫硫醇的碳鏈長度比作為上述季銨鹽的一個側(cè)鏈的鏈 烷烴硫醇的碳鏈短。
19、 權(quán)利要求14所述的分析元件，其特征在于，上迷電極與參 比電極形成于同一基板上。
20、 權(quán)利要求14所述的分析元件，其特征在于，具有場效應(yīng)晶體 管，上述場效應(yīng)晶體管的柵極和上迷電極通過導(dǎo)電性配線連接。
全文摘要
本發(fā)明提供用于測定生物體成分中的陰離子、特別是氯離子的離子濃度測定裝置，將其中的離子選擇性電極的結(jié)構(gòu)和制作法簡便化。利用能夠形成自組織化膜的絕緣性分子作為連接體，將作為陰離子用配體的季銨鹽衍生物(1109)在金電極(1110)表面上固定化，將伴隨陰離子的鍵合而產(chǎn)生的電動勢作為金電極表面的界面電位變化，用電位差測量裝置(1104)進行測定。為了減輕在測定生物體成分時由于夾雜物在電極表面上的吸附所致的影響，通過使高分子聚合物物理吸附在金電極上來使用。
文檔編號G01N27/49GK101393221SQ200810211099
公開日2009年3月25日 申請日期2008年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月19日
發(fā)明者三宅雅文, 山下浩太郎, 柴田康久, 石毛悠, 釜堀政男, 長峰邦明 申請人:株式會社日立高新技術(shù)