CN105531584B - 离子选择电极 - Google Patents

Abstract

以提高固体电极型离子选择电极的电位稳定性并减小个体差别为目的，设计了与测定溶液接触的离子感应膜(105)；与离子感应膜(105)接触的、石墨和液体油的混合体(104)；以及与石墨和液体油的混合体(104)接触的导电体(103)。

Description

离子选择电极

技术领域

本发明涉及用于测定溶液中的电解质浓度的离子选择电极。

背景技术

离子选择电极(ISE；Ion Selective Electrode)与参照电极一起浸渍到试样液中来测量电极间电位差，并对试样中的测定对象离子进行定量。由于其简便性，因而在分析领域被广泛利用。在医疗领域中用于临床检查，除了电解质测定的专用机之外，还在生物化学自动分析装置、紧急检体检查装置、现场检查(Point Of Care Testing)装置中用于电解质测定。

在离子选择电极中，为了从多个离子中选择性地对测定对象离子进行测定而使用离子感应膜。一般地，在聚氯乙烯等高分子基材中混合可塑剂的同时还混合配体或根据情况混合盐来用作离子感应膜。离子感应膜根据测定对象离子浓度而产生遵循能斯特方程的电位，因此，通过在使一个面接触一定浓度的水溶液的状态下使另一面接触试样液，能够获得与试样液中的测定对象离子浓度对应的电动势。根据所得到的电动势计算测定对象离子浓度。将这样的在感应膜的试样液的相反侧以水溶液、凝胶充满的电极，称为内部液型离子选择电极。

相对于内部液型离子选择电极，使感应膜的试样液的相反侧的面直接与导电性电极接触的电极，称为涂布线-离子选择电极(Coated Wire-Ion Selective Electrode)(CW-ISE)、固体接触-离子选择电极(Solid Contact-Ion Selective Electrode)(SC-ISE)。这里，将这些称为固体电极。固体电极由于不需要内部液因而易于小型化，应用于面向现场检查的装置。作为与感应膜接触的电极(基底电极)，使用铂、由导电性高分子覆盖的氯化银、以单分子膜修饰的金、多孔碳、碳黑、石墨与高分子的混合体而得到。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特表2007-534949号公报(WO2005/103664)

发明内容

发明要解决的课题

发明人为了设计电位稳定性高、个体差别小的固体电极型离子选择电极，进行了开发研究。结果得知在现有的方法中无法兼顾充分的电位稳定性和个体差别。

考察原因时得知，对基底电极和感应膜、感应膜和试样液之间的电位进行支配的离子是不同的或者是不明确的。例如，在针对基底电极使用单分子膜覆盖的金的情况下，在感应膜和基底电极之间伴随氧化还原的电子授受对电位进行支配，与此相对，在感应膜和试样液之间，测定对象离子例如钾离子对电位进行支配。

用于解决课题的手段

本发明的离子选择电极在基底电极中具有石墨和液体油的混合体。

即，本发明的离子选择电极是对测定溶液中的测定对象离子进行选择性检测的电极，具备：与测定溶液接触的离子感应膜；与离子感应膜接触的、石墨和液体油的混合体；与石墨和液体油的混合体接触的导电体。

作为一例，离子感应膜包含可塑剂，液体油包含与其相同的可塑剂。

作为一例，离子感应膜中包含的可塑剂的重量比，与石墨和液体油的混合体中包含的可塑剂的重量比的相对差为30％以内。

作为一例，离子感应膜包含疏水性阴离子，石墨和液体油的混合体包含与其相同的疏水性阴离子。

作为一例，离子感应膜包含与测定对象离子选择性结合的物质，石墨和液体油的混合体包含与其相同的物质。

作为一例，液体油是氟系高分子或氟系油。

作为一例，石墨是合成石墨。

发明效果

根据本发明，通过将石墨和液体油的混合体用于基底电极，基底电极对测定对象离子即一价阳离子例如锂、钾、钠进行响应，因此在使用对应于一价阳离子的感应膜的情况下，在感应膜的两侧对电位进行支配的离子相同，能够得到充分的电位稳定性和足够小的个体差别。

由于是石墨和液体油的混合体，因此能够一次制作均匀的混合体，并能够制作多个相同成分的基底电极。因此能够减小个体差别。

作为液体油通过使用在离子感应膜中包含的可塑剂，能够抑制由于可塑剂从离子感应膜向基底电极的扩散而导致的电位变动，并能够提高电位稳定性。此外，通过在基底电极中追加在离子感应膜中包含的化合物即盐、配体，能够在时间经过后也维持良好的个体差别。

通过在基底电极中使用石墨和氟系高分子的混合体，能够在维持针对一价阳离子的响应的同时，防止离子感应膜中包含的可塑剂等成分向基底电极扩散。

对于石墨使用合成石墨，由此，由于不包含在表面具有天然石墨所包含的各种感应基团的碳，因此能够抑制基于这些碳的副反应，能够提高电位稳定性。

上述记载之外的课题、结构和效果，通过以下实施方式的说明而变得明确。

附图说明

图1是表示固体电极型离子选择电极的一例的概略图。

图2是表示内部液型离子选择电极的一例的概略图。

图3是表示电解质测定装置的一例的概略图。

图4是表示电解质测定装置的一例的概略图。

图5是表示电解质浓度测定结果的一例的图。

图6是表示石墨与液体油的混合体对一价阳离子的响应性的测定结果的图。

图7是表示石墨与液体油的混合体对二价阳离子的响应性的测定结果的图。

图8是表示固体电极的电位的日变化量的图。

图9是表示固体电极的电位的日变化量的图。

图10是表示固体电极的电位的日变化量的图。

图11是表示固体电极的电位的个体差别的图。

图12是表示电解质浓度测定结果的一例的图。

图13是表示石墨与液体油的混合体对一价阳离子的响应性的测定结果的图。

图14是表示固体电极型离子选择电极的一例的概略图。

图15是表示使用了电解质浓度测定装置的系统的例子的图。

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的实施方式。

图1是表示固体电极型离子选择电极的一例的概略图。在离子选择电极的套壳101中通有流路102，(a)是表示与流路垂直的面的图，(b)是表示与流路平行的面的图。(c)是表示(a)的点划线处的截面的图，感应膜105与流路相接触，在与流路相反的一侧填充有石墨与液体油的混合体104，且混合体104与铂丝103接触。铂丝103还兼作端子。对于感应膜105，可以使用Pure Appl.Chem.,Vol.72,No.10,pp.1851-2082,2000中记载的那样的锂、钠、钾等离子选择膜。

说明图1的离子选择电极的制作方法的一例。在利用聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯等树脂制成的套壳101上粘贴有感应膜105。可以使用四氢呋喃等溶剂进行粘贴，也可以进行机械按压。随后，在感应膜105上配置了石墨与液体油的混合体104。石墨与液体油的混合体104是将石墨与液体油以重量比1:2左右混合，并利用研钵进行充分混合而得。盖上盖子106，从盖子106上的开口将铂丝103插入，并使铂丝接触石墨与液体油的混合体104，进行电连接。

优选液体油在设想的使用环境即0～50℃是液体状态。这是因为，由于是液体状态，不仅能够期待针对以下说明的一价阳离子的响应性，还保持了与感应膜的紧密性或者当离子在液体中运动时其运动变快且响应性提高。此外，若在使用的条件下是液体，也不必在全部这些温度范围内是液体。对于液体油，能够使用不与水混合的物质，例如石蜡等烷烃；Pure Appl.Chem.,Vol.72,No.10,pp.1851-2082,2000中记载的DOA、DOP、DOS、oNPOE等可塑剂；氟系高分子；氟系油。

图2是表示用于比较的内部液型离子选择电极的一例的概略图。在离子选择电极的套壳201中通有流路202，(a)是表示与流路垂直的面的图，(b)是表示与流路平行的面的图。(c)是表示(a)的点划线处的截面的图，感应膜205与流路相接触，在与流路相反的一侧填充有内部液204，且内部液204与银-氯化银电极203接触。银-氯化银电极203还兼作端子。对于感应膜205，在钠、钾、钙、镁等阳离子选择电极的情况下，可以使用Pure Appl.Chem.,Vol.72,No.10,pp.1851-2082,2000中记载的那样的感应膜；在氯、碳酸、硫氰酸盐、硝酸、氢氧化物、磷酸、硫酸、碘等阴离子选择电极的情况下，除了可以使用Pure Appl.Chem.,Vol.74,No.6,pp.923-994,2002中记载的那样的感应膜之外，还可以使用氯化银、溴化银等卤化银，或离子交换膜(特开平10-318973号公报，特开平11-132991号公报，特开2003-207476号公报)；在参照电极的情况下，可以使用多孔玻璃、陶瓷等。

图3是表示使用了图1、图2的离子选择电极的电解质测定装置的一例的概略图。在测定单元301上连接有控制部302、运算记录部303、输出部304。测定单元301具有稀释槽311、检体分注嘴312、稀释液分注嘴313、内部标准液分注嘴314、吸取嘴315、配管316、钠离子选择电极317、钾离子选择电极318、氯离子选择电极319、参照电极320、配管321、泵322、电位测量部323。检体分注嘴312、稀释液分注嘴313、内部标准液分注嘴314分别将血液、尿等检体、稀释液、内部标准液分注排出到稀释槽311。稀释液不包含测定对象的离子或者是已知的低浓度，能够用于检体的稀释。内部标准液是离子浓度已知的试样，能够用于电位的校正。试样液吸取嘴315能够上下移动，通过泵322的驱动力来吸取稀释槽311内的溶液。被吸取的溶液通过配管316被导入到电极317～320的流路，进而通过配管321被废弃。电极的端子连接到电位测量部323。

图4是表示使用了图1、图2的离子选择电极的电解质测定装置的另一例的概略图。在测定单元401上连接有控制部402、运算记录部403、输出部404。测定单元401具有稀释槽411、检体分注嘴412、稀释液分注嘴413、内部标准液分注嘴414、吸取嘴415、配管416、氯离子选择电极417、钾离子选择电极418、钠离子选择电极419、配管420、阀421、汇接点422、配管423、参照电极424、阀425、配管426、参照液427、配管428、泵429、电位测量部430。检体分注嘴412、稀释液分注嘴413、内部标准液分注嘴414分别将血液、尿等检体、稀释液、内部标准液分注排出到稀释槽411。试样液吸取嘴415能够上下移动，通过泵429的驱动力来吸取稀释槽411内的溶液。

在阀421打开、阀425关闭的情况下，被吸取的溶液通过配管416被导入到电极417～419的流路，进而通过配管420、汇接点422、配管428而被废弃。此外，在阀421关闭、阀425打开的情况下，当使泵429驱动时，参照液427通过配管426被吸取并被导入到参照电极424的流路，进而通过配管423、汇接点422、配管428而被废弃。电极417～419和424的端子连接到电位测量部430。电位测量部430能够使用与图3相同的电位测量部。对于参照电极424，可以使用使用图2说明的多孔玻璃、陶瓷的参照电极此外，也可以针对参照电极424使用离子选择电极，将与其对应的参照液427中的电解质浓度设为恒定。

图5是表示使用了本发明的固体电极型离子选择电极或现有的内部液型离子选择电极的电解质浓度测定的结果的一例的图。钾离子选择膜包含30％w/w的聚氯乙烯(PVC)作为基材，包含66％w/w的oNPOE作为可塑剂，包含双(苯并-15-冠-5)(Bis(benzo-15-crown-5))作为配体(与测定对象离子选择性结合的物质)，并包含疏水性阴离子盐即四苯基硼酸钾(KTpClPB)作为阴离子排除剂。钠离子选择膜包含30％w/w的聚氯乙烯(PVC)作为基材，包含66％w/w的oNPOE作为可塑剂，包含双(12-冠-4)(Bis(12-crown-4))作为配体(与测定对象离子选择性结合的物质)，并包含疏水性阴离子的盐即四[3,5-二(三氟甲基)苯基]硼酸钠盐(NaTFPB)作为阴离子排除剂。对于基底电极，使用天然石墨(CAS.No.7782-42-5)与石蜡油(CAS.No.8042-47-5)的重量比为1:2的混合物。

图5(a)是将钾离子选择电极用于感应膜来对氯化钾水溶液进行测定的结果，图5(b)是将钠离子选择电极用于感应膜来对氯化钠水溶液进行测定的结果。任一结果均得到了与61.6mV/10倍程(decade)这样的理论值相等的结果。如此，在本发明的固体电极型离子选择电极中得到了与内部液型离子选择电极同等的电位响应。

同样地，制作5个固体电极型钾离子选择电极，比较在测定10mmol/l的氯化钾水溶液的情况下的电位。结果，电位的标准偏差为3.6mV这样实用上允许的小值程度，可知本发明的固体电极型离子选择电极能够抑制电位的个体差别。作为能够抑制个体差别的理由，考虑是基底电极即石墨与液体油的混合体对测定对象离子即一价阳离子有响应性。

图6是表示石墨与液体油的混合体对一价阳离子具有响应性的测定结果。使用恒电位仪，将石墨与液体油的混合体(不具有感应膜)设为作用电极，将在内部液中使用了饱和氯化钾的银-氯化银参照电极设为参照电极，将铂电极设为对电极，在(a)100mmol/l氯化锂水溶液、(b)100mmol/l氯化钠水溶液、(c)100mmol/l氯化钾水溶液中进行测定。将测定条件设为扫描速率100mV/s。结果，在(a)～(c)的任一条件下，都在-0.5V附近和0V附近分别观测到电流峰值。认为这些峰值是由于对石墨与液体油的混合体进行的阳离子的加入和放出而导致的。

另一方面，在设测定溶液为图7(a)100mmol/l氯化镁水溶液、(b)100mmol/l氯化钙水溶液的情况下，未观测到与离子的加入和放出对应的电流峰值。此外，在使用玻碳电极在100mmol/l氯化钾水溶液中进行测定的情况(c)下，也未观测到与离子的加入和放出对应的电流峰值。

即，石墨与液体油的混合体对一价阳离子具有响应性，对二价阳离子的响应性低。

图8是表示同样地制作的、在基底电极中使用了天然石墨与石蜡油的混合体的固体电极型钾离子选择电极对100mmol/l氯化钾水溶液的电动势的日变化量的一例的图。可知，电动势随着一天天的经过而逐渐下降。原因被推定为，天然石墨中的杂质向基底电极中的石蜡油的离子感应膜中的扩散。

作为应对石墨中的杂质的对策，使用合成石墨(CAS.No.1333-86-4)代替天然石墨。图9示出了其结果，通过使用合成石墨使电位的下降减半。天然石墨包含在表面具有各种感应基团的碳，因而推定这些影响。

作为应对石蜡油向离子感应膜中的扩散的对策，使用离子感应膜的主要成分即可塑剂(此时是oNPOE)代替石蜡油。图10表示其结果，电位的下降被抑制到1/4。原因被推定为，通过将基底电极和离子感应膜中包含的离子设为相同，离子的扩散得以抑制。在用于离子感应膜的可塑剂为Pure Appl.Chem.,Vol.72,No.10,pp.1851-2082,2000中记载的DOA、DOP、DOS等其他可塑剂的情况下，针对基底电极使用在离子感应膜中使用的相同可塑剂，得到同样的效果。

图11是表示针对基底电极使用合成石墨与可塑剂(此时是oNPOE)的混合体或者合成石墨与可塑剂与疏水性阴离子的盐(此时是NaTFPB)以及配体(此时是双(12-冠-4)(Bis(12-crown-4)))的混合物、针对感应膜使用与上述相同的钠选择膜的固体电极型离子选择电极对100mmol/l氯化钠水溶液的电动势的日变化量的一例的图。在针对基底电极使用合成石墨和可塑剂的混合体的情况下，在刚作成后是7.3mV这样的小的标准偏差，在30天后增大为28mV。与此相对地，在针对基底电极使用合成石墨与可塑剂与盐以及配体的混合物的情况下，在刚作成后是2.3mV这样小的标准偏差，即使经过30天也维持为3.9mV的小值。其原因被推定为，与感应膜中包含的盐和配体相同的物质也以相同浓度被包含在基底电极中，因此盐和配体的扩散得以抑制。作为基底电极和感应膜两者中包含的盐，可以使用PureAppl.Chem.,Vol.72,No.10,pp.1851-2082,2000中记载的KTFPB、KTmClPB、KTPB、KTpClPB、NaTFPB、NaTpClPB等疏水性阴离子的盐。作为基底电极和感应膜两者中包含的配体(与测定对象物质选择性地结合的物质)，可以使用Pure Appl.Chem.,Vol.72,No.10,pp.1851-2082,2000中记载的缬氨霉素(Valinomycin)、冠醚化合物等，或其等同物。

在使用可塑剂作为液体油的情况下，以重量％计感应膜中的可塑剂浓度，为了使电阻值不会变得过小则为33％以上，为了使机械强度不会变得过低则为70％以下，为了根据情况而降低电阻值，则为40～70％、50～70％或60～70％之间，优选为66％。这种情况下，基底电极中的可塑剂浓度与感应膜中的可塑剂浓度相应地，以重量％计为33～80％、40～80％、50～80％、或60～80％之间，优选为66％。优选地，感应膜中的可塑剂浓度和基底电极中的可塑剂浓度，以重量％比计为±30％、±20％、±10％、±5％、±3％、±1％以内，优选为±1％以内。

图12是表示使用本发明的固体电极型离子选择电极的电解质浓度测定的结果的一例的图。针对基底电极使用天然石墨(CAS.No.7782-42-5)和氟系高分子(FOMBLIN(R))的混合物，针对感应膜使用上述钾选择膜。当在25℃条件下对氯化钾水溶液进行了测定时，得到与理论值基本相等的58.4mV/decade的电位响应。通过针对基底电极使用氟系高分子，能够防止可能导致电位变动的感应膜中的成分向基底电极的扩散。另一方面，根据图13可知，图6中观测到的对一价阳离子的响应得以维持。图13是使用恒电位仪，将石墨与氟系高分子的混合体设为作用电极，将在内部液中使用了饱和氯化钾的银-氯化银参照电极设为参照电极，将铂电极设为对电极，在100mmol/l氯化钾水溶液中进行测定后的结果。在-0.4V附近和-0.2V附近分别观测到电流峰值。

在使用氟系高分子作为液体油的情况下，基底电极中的氟系高分子浓度与感应膜中的可塑剂浓度相应地，以重量％计为33～80％、40～80％、50～80％、或60～80％之间，优选为66％。

图14是表示本发明的固体电极型离子选择电极的另一例的概略图。电极基板1401具有电极1405和端子1406，电极1405和端子1406通过配线1407电连接。电极基板1401具有凹下部1402，在凹下部1402中充满基底电极1403，在基底电极1403上配置有离子感应膜1404。通过同时与参照电极和想要测定的溶液接触，并测定本电极与参照电极之间的电位差，能够得到作为离子感应膜1404的对象的离子的浓度。作为电极基板1401，可以使用硅基板或聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚碳酸酯(PC)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚氯乙烯(PVC)等树脂基板。如果电极基板1401是硅基板，则电极1405、端子1406、配线1407可以使用导电性金属、导电性多晶硅，如果电极基板1401是树脂，则电极1405、端子1406、配线1407可以使用导电性金属或金属浆料、碳糊。凹下部1402优选使用树脂，在离子感应膜1404包含PVC的情况下，将凹下部1402也设为PVC，由此能够提高凹下部1402和离子感应膜1404的紧密度。

图15是表示使用了电解质浓度测定装置的系统的例子的图。(a)表示在生物化学自动分析装置1501中搭载有主要进行光学测量的生物化学测定装置和电解质浓度测定装置。生物化学自动分析装置1501能够从操作部进行操作。(b)表示电解质浓度测定装置和生物化学测定装置以及免疫测定装置等各装置是独立的，进行与检体输送装置之间的检体往来。各装置能够从操作部进行操作。例如，当从操作部指示某检体中的离子浓度测定时，(a)、(b)中都将指定的检体输送到电解质浓度测定装置，测定离子浓度并输出结果。

此外，本发明并不限于上述实施例，包含各种变形例。例如，上述实施例是为了使本发明易于理解而详细进行了说明，并不一定限于具备所说明的全部结构。此外，可以将某实施例的结构的一部分替换为其他实施例的结构，还可以在某实施例的结构中追加其他实施例的结构。此外，可以针对各实施例的结构的一部分进行其他结构的追加、删除、置换。

符号说明

101 离子选择电极的套壳

102 流路

103 铂丝

104 石墨和液体油的混合体

105 感应膜

106 盖子

201 离子选择电极的套壳

202 流路

203 银-氯化银电极

204 内部液

205 感应膜

301,401 测定单元

302,402 控制部

303,403 运算记录部

304,404 输出部

311,411 稀释槽

312,412 液体分注嘴

313,413 稀释液分注嘴

314,414 内部标准液分注嘴

315,415 吸取嘴

316,321,416,420,423,426,428 配管

317,419 钠离子选择电极

318,418 钾离子选择电极

319,417 氯离子选择电极

320,424 参照电极

322,429 泵

323,430 电位测量部

1401 电极基板

1402 凹下部

1403 基底电极

1404 离子感应膜

1405 电极

1406 端子

1407 配线

1501 生物化学自动分析装置

Claims (7)

1.一种电极，对测定溶液中的测定对象离子进行选择性检测，其特征在于，

所述测定对象离子是阳离子，

所述电极具备：

与测定溶液接触的离子感应膜；

与所述离子感应膜接触的、石墨和液体油的混合体；以及

与所述石墨和液体油的混合体接触的导电体，

所述离子感应膜包含可塑剂，

所述液体油均匀地包含与所述离子感应膜所包含的所述可塑剂相同的可塑剂。

2.根据权利要求1所述的电极，其特征在于，

所述离子感应膜中包含的所述可塑剂的重量比，与所述石墨和液体油的混合体中包含的所述可塑剂的重量比的相对差为30％以内。

3.根据权利要求1所述的电极，其特征在于，

所述离子感应膜包含疏水性阴离子，

所述石墨和液体油的混合体包含所述疏水性阴离子。

4.根据权利要求1所述的电极，其特征在于，

所述离子感应膜包含与测定对象离子选择性结合的物质，

所述石墨和液体油的混合体包含与测定对象离子选择性结合的所述物质。

5.根据权利要求1所述的电极，其特征在于，

所述石墨是合成石墨。

6.一种电极，对测定溶液中的测定对象离子进行选择性检测，其特征在于，

所述测定对象离子是阳离子，

所述电极具备：

硅或树脂制的电极基板；

在所述电极基板上形成的导电性电极；

与所述导电性电极接触的、石墨和液体油的混合体；以及

与所述石墨和液体油的混合体接触的离子感应膜，

所述离子感应膜包含可塑剂，

所述液体油均匀地包含与所述离子感应膜所包含的所述可塑剂相同的可塑剂。

7.一种测定装置，其测量测定溶液中的离子浓度，其特征在于，

所述测定装置具备多个对测定溶液中的测定对象离子进行选择性检测的电极，所述测定对象离子是阳离子，

所述电极的一部分或全部具备：

与测定溶液接触的离子感应膜；

与所述离子感应膜接触的、石墨和液体油的混合体；以及

与所述石墨和液体油的混合体接触的导电体，

所述离子感应膜包含可塑剂，

所述液体油均匀地包含与所述离子感应膜所包含的所述可塑剂相同的可塑剂。