JP2009092647A - Device and element for measuring anion concentration - Google Patents

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政男 釜堀
Hisashi Ishige
悠 石毛
Kotaro Yamashita
浩太郎 山下
Yasuhisa Shibata
康久 柴田
Masafumi Miyake
雅文 三宅
Kuniaki Nagamine
邦明 長峯
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To simplify a structure and a fabrication method of an ion selective electrode in an ion concentration measuring device for measuring an anion, particularly a chloride ion, in a biological component. <P>SOLUTION: A quaternary ammonium salt derivative 1109 serving as a ligand for an anion is immobilized to the surface of a gold electrode 1110 by using as a linker an insulative molecule forming a self-assembled monolayer, and a potential difference measuring device 1104 measures an electromotive force generated with anion binding, as an interface potential change on the surface of the gold electrode. In order to reduce the effect of adsorption of impurities on the electrode surface, a high-molecular weight polymer is physically adsorbed on the gold electrode and used when a biological component is measured. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、生体成分中の陰イオン、特に塩素イオンを測定するイオン濃度測定装置に関する。   The present invention relates to an ion concentration measuring apparatus that measures anions, particularly chlorine ions, in biological components.

医療分野における生体成分、特に血清や血漿中の電解質(ナトリウムイオン、カリウムイオン、塩素イオン等)の濃度を分析する方法としては、イオン選択性電極法が広く利用されている。イオン選択性電極法は、イオン選択性電極を参照電極と共に試料液に浸すだけで、試料中のイオン濃度を定量できるため、小型化及び自動化が可能な利点を活かして生化学自動分析装置に採用されている。   As a method for analyzing the concentration of biological components in the medical field, particularly electrolytes (sodium ions, potassium ions, chloride ions, etc.) in serum and plasma, the ion selective electrode method is widely used. The ion-selective electrode method can be used to determine the concentration of ions in a sample by simply immersing the ion-selective electrode in a sample solution together with a reference electrode. Has been.

上記イオン選択性電極のうち、塩素イオン選択性電極には、難溶性の塩化物を用いた固体電極と、イオン交換型のリガンドを添加した液膜型電極とがある。従来の液膜型塩素イオン選択性電極は、リガンドとして第4級アンモニウム塩、例えば、トリオクチルメチルアンモニウムクロライド、トリデシルメチルアンモニウムクロライド、テトラオクチルアンモニウムクロライドを用いて、エポキシ樹脂と塩化ビニルとからなるプラスチック膜にリガンドである第4級アンモニウム塩と可塑剤(例えば、ジアルキルアジペートやジアルキルフタレート)とを添加していた。また、物理的強度の向上と塩素イオンに対する選択性を高めるために、リガンドであるトリ長鎖アルキルアンモニウム基を側鎖に有するスチレンモリマーと親水基を側鎖に有するポリマーとの共重合体からなる塩素イオン選択性電極が開発されている(特開2004-184365号公報)。一方、物理的強度の向上とリガンドの溶出による劣化を防止するために、リガンドである第4級アンモニウム塩を固定化した多孔質ガラスを感応膜とする化学修飾ガラス膜イオン選択性電極も開発されている(特開昭61-170645号公報)。   Among the ion selective electrodes, the chlorine ion selective electrodes include a solid electrode using a hardly soluble chloride and a liquid membrane electrode added with an ion exchange type ligand. A conventional liquid membrane type chloride ion selective electrode comprises a quaternary ammonium salt as a ligand, for example, trioctylmethylammonium chloride, tridecylmethylammonium chloride, tetraoctylammonium chloride, and an epoxy resin and vinyl chloride. A quaternary ammonium salt as a ligand and a plasticizer (for example, dialkyl adipate or dialkyl phthalate) have been added to the plastic film. In addition, in order to improve physical strength and increase selectivity to chloride ions, it comprises a copolymer of a styrene trimer having a tri-long-chain alkylammonium group as a ligand in the side chain and a polymer having a hydrophilic group in the side chain. A chloride ion selective electrode has been developed (Japanese Patent Laid-Open No. 2004-184365). On the other hand, in order to improve physical strength and prevent degradation due to elution of the ligand, a chemically modified glass membrane ion-selective electrode using porous glass immobilized with a quaternary ammonium salt as a ligand was also developed. (Japanese Patent Laid-Open No. 61-170645).

上記したイオン選択性電極の構造及び作製法を簡便化し、将来の分析装置の小型化に対応するために、リガンドを金電極表面に固定化したイオン選択性電極が提案されている。しかし、いずれの場合も電位計測はできず、インピーダンス測定により所望のイオン濃度を得ていた。ナトリウムイオン選択性電極の例として、ニュートラルキャリヤー型リガンドとしてメルカプトクラウンエーテル化合物を金電極上に固定化した報告がある(J.Am. Chem. Soc., 120 (1998) 4652-4657)。また、リチウムイオン選択性電極の例としては、同様にニュートラルキャリヤー型リガンドをチオールと金の結合を利用して金電極表面に固定化したものがある(Anal. Chem., 78 (2006) 7132-7137、及びWO2006/113440)。一方、陰イオン選択性電極としては、フッ素イオン用リガンド(Tetra-amide Calix[6]arene誘導体)をチオールと金の結合を利用して金電極表面に固定化したものがある(Langmuir, 2006, 22, 10732-10738)。   In order to simplify the structure and manufacturing method of the ion selective electrode described above and cope with future miniaturization of an analyzer, an ion selective electrode in which a ligand is immobilized on the gold electrode surface has been proposed. However, in any case, potential measurement was not possible, and a desired ion concentration was obtained by impedance measurement. As an example of a sodium ion selective electrode, there is a report that a mercapto crown ether compound is immobilized on a gold electrode as a neutral carrier type ligand (J. Am. Chem. Soc., 120 (1998) 4652-4657). In addition, as an example of a lithium ion selective electrode, a neutral carrier type ligand is similarly immobilized on the gold electrode surface using a bond between thiol and gold (Anal. Chem., 78 (2006) 7132- 7137, and WO2006 / 113440). On the other hand, anion-selective electrodes include a fluorine ion ligand (Tetra-amide Calix [6] arene derivative) immobilized on the gold electrode surface using a bond between thiol and gold (Langmuir, 2006, 22, 10732-10738).

特開昭61-170645号公報JP-A-61-170645 特開2004-184365号公報JP 2004-184365 A WO2006/113440WO2006 / 113440 J.Am. Chem. Soc., 120 (1998) 4652-4657J. Am. Chem. Soc., 120 (1998) 4652-4657 Anal. Chem., 78 (2006) 7132-7137Anal. Chem., 78 (2006) 7132-7137 Langmuir 22 (2006) 10732-10738Langmuir 22 (2006) 10732-10738

上記のリガンドを金電極表面に固定化したイオン選択性電極では、金電極表面の絶縁性やリガンドの周囲の環境についての考慮がなされておらず、電位測定ができなかった。そのため、インピーダンス測定を用いて、所望のイオン濃度を得ていた。従来のリガンド固定化イオン選択性電極では、リガンドを固定化した金電極表面と測定溶液と間の絶縁性に関する考慮がなされておらず、実際の測定では固定化したリガンド間の隙間からのリーク電流の影響を受け、界面電位が安定に測定できなかったためである。インピーダンス測定法は、金や白金製の作用電極と対向電極、及び作用電極の電位を一定に保つための参照電極を溶液中に配置し、電流測定装置であるポテンショスタットを用いて、作用電極と対向電極間に印加した電圧に対する周波数応答性を電流値で測定する。その際、測定溶液中に電気化学活性物質である酸化還元物質を入れる必要がある。そのため、参照電極と共に試料液に浸すだけで試料中のイオン濃度を定量できる、従来のイオン選択性電極法の利点が活かせなくなっていた。また、インピーダンス測定法は電流測定法であるため、原理的に測定濃度範囲が狭い問題があった。   In the ion-selective electrode in which the above-mentioned ligand is immobilized on the gold electrode surface, consideration has not been given to the insulation property of the gold electrode surface and the environment surrounding the ligand, and potential measurement has not been possible. Therefore, a desired ion concentration has been obtained using impedance measurement. In conventional ligand-immobilized ion-selective electrodes, no consideration is given to the insulation between the gold electrode surface on which the ligand is immobilized and the measurement solution. In actual measurement, leakage current from the gap between the immobilized ligands This is because the interface potential could not be stably measured under the influence of the above. In the impedance measurement method, a working electrode made of gold or platinum, a counter electrode, and a reference electrode for keeping the potential of the working electrode constant are placed in a solution, and a potentiostat that is a current measuring device is used. The frequency responsiveness to the voltage applied between the counter electrodes is measured by the current value. At that time, it is necessary to put an oxidation-reduction substance which is an electrochemically active substance into the measurement solution. Therefore, the advantage of the conventional ion-selective electrode method in which the ion concentration in the sample can be determined simply by immersing it in the sample solution together with the reference electrode cannot be utilized. Further, since the impedance measurement method is a current measurement method, there is a problem that the measurement concentration range is narrow in principle.

本発明の目的は、参照電極と共に試料液に浸すだけで試料中のイオン濃度を定量できる、従来の液膜型イオン選択性電極法の利点及び測定濃度範囲等の基本性能を維持し、イオン選択性電極の構造及び作製法を簡便化したイオン濃度測定装置を提供することにある。   The purpose of the present invention is to maintain the basic performance of the conventional liquid membrane ion-selective electrode method, which can quantitate the ion concentration in the sample by simply immersing it in the sample solution together with the reference electrode, and to select the ions. It is an object of the present invention to provide an ion concentration measuring device that simplifies the structure and manufacturing method of the conductive electrode.

上記目的を達成するために、本発明では金電極表面に自己組織化膜を形成する絶縁性分子(例えば、アルカンチオール)をリンカーとして陰イオン用リガンドである第4級アンモニウム塩誘導体を固定化して、陰イオンの配位に伴い生じる起電力を金電極表面の界面電位変化として測定する。その際、第4級アンモニウム塩誘導体の側鎖のアルキル基が自己組織化膜の間隔より大きく、固定化されたリガンド分子間に隙間がある場合には、リンカーより短い炭素鎖を有し、一方の末端が親水性であるアルカンチオール、例えば末端の親水基がアミノ基又は水酸基であるアルカンチオールを第4級アンモニウム塩誘導体と共存させて固定化する。リンカーの炭素数は、自己組織化膜を効率良く形成させるために6個以上20個以下が望ましい。また、第4級アンモニウム塩の他の3つの側鎖のアルキル鎖の炭素数は、自己組織化膜形成を妨げないようにリンカーの炭素数より少ないのが望ましい。さらに、電位差測定装置として、金電極と同一基板上に形成された絶縁ゲート電界効果トランジスタを用いる。その際、参照電極に1KHz以上の交流電圧を重畳して測定を行う。また、生体成分測定時の夾雑物の電極表面への吸着による影響低減のために、高分子ポリマーを金電極上に物理吸着させて使用する。   In order to achieve the above object, in the present invention, a quaternary ammonium salt derivative, which is a ligand for anions, is immobilized using an insulating molecule (for example, alkanethiol) that forms a self-assembled film on the gold electrode surface as a linker. The electromotive force generated with the coordination of the anion is measured as a change in the interfacial potential on the gold electrode surface. At that time, when the side chain alkyl group of the quaternary ammonium salt derivative is larger than the interval of the self-assembled membrane and there is a gap between the immobilized ligand molecules, it has a carbon chain shorter than the linker, An alkanethiol having a hydrophilic end, such as an alkanethiol having a terminal hydrophilic group being an amino group or a hydroxyl group, is immobilized in the presence of a quaternary ammonium salt derivative. The number of carbon atoms in the linker is preferably 6 or more and 20 or less in order to efficiently form a self-assembled film. Also, the carbon number of the other three side chain alkyl chains of the quaternary ammonium salt is preferably less than the carbon number of the linker so as not to prevent the formation of a self-assembled film. Further, an insulated gate field effect transistor formed on the same substrate as the gold electrode is used as a potential difference measuring device. At that time, measurement is performed by superimposing an AC voltage of 1 KHz or more on the reference electrode. Further, in order to reduce the influence due to adsorption of impurities on the electrode surface when measuring biological components, the polymer is physically adsorbed on the gold electrode.

本発明によると、金電極の表面に絶縁性分子を介して陰イオン用リガンドである第4級アンモニウム塩誘導体を固定化することにより、金電極と溶液間の絶縁性を向上させることができる。この絶縁性の向上によりリガンド間の隙間のリーク電流を抑制し、陰イオンの配位により生じる起電力を金電極表面の界面電位変化として安定に測定することができる。第4級アンモニウム塩誘導体の側鎖のアルキル基が自己組織化膜の間隔より大きい場合には、リンカーより短い炭素鎖を有し、一方の末端が親水性であるアルカンチオールを第4級アンモニウム塩誘導体と共存させて固定化することにより、固定化されたリガンド分子間の隙間を無くし、金電極と溶液間の絶縁性を維持することができる。その際、一方の末端が親水性であるアルカンチオールとして、末端がアミノ基であるアルカンチオールを用いることにより、応答速度を早くする効果がある。さらに、電位差測定装置として、金電極と同一基板上に形成された絶縁ゲート電界効果トランジスタを用いることで、リーク電流を低減することができ、金電極表面の界面電位を安定に測定することができる。その際、参照電極に1KHz以上の交流電圧を重畳することで、金電極表面の界面電位を安定化でき、測定精度が向上する。また、生体成分測定時の夾雑物の電極表面への吸着によるノイズやドリフトは、高分子ポリマーを金電極上に物理吸着させて使用することにより、低減することができる。   According to the present invention, the insulation between the gold electrode and the solution can be improved by immobilizing the quaternary ammonium salt derivative, which is a ligand for anions, on the surface of the gold electrode via an insulating molecule. By improving the insulating property, the leakage current in the gap between the ligands can be suppressed, and the electromotive force generated by the coordination of the anion can be stably measured as the change in the interface potential on the gold electrode surface. When the side chain alkyl group of the quaternary ammonium salt derivative is larger than the interval of the self-assembled film, an alkanethiol having a carbon chain shorter than the linker and hydrophilic at one end is converted to a quaternary ammonium salt. By immobilizing the coexisting derivative, the gap between the immobilized ligand molecules can be eliminated, and the insulation between the gold electrode and the solution can be maintained. In that case, there is an effect of increasing the response speed by using an alkanethiol having an amino group at the end as an alkanethiol having a hydrophilic end at one end. Furthermore, by using an insulated gate field effect transistor formed on the same substrate as the gold electrode as the potential difference measuring device, leakage current can be reduced and the interface potential on the gold electrode surface can be stably measured. . At that time, by superimposing an AC voltage of 1 KHz or more on the reference electrode, the interface potential on the gold electrode surface can be stabilized, and the measurement accuracy is improved. In addition, noise and drift due to adsorption of contaminants on the electrode surface during measurement of biological components can be reduced by physically adsorbing the polymer on the gold electrode.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

図1は、本発明によるイオン濃度測定装置の一例を示すブロック図である。本実施例の測定装置は、測定部101、信号処理回路102、及びデータ処理装置103から構成される。測定部101は、電位差計測装置104、参照電極105、測定物質を有する試料溶液を供給する試料溶液注入器106、測定セル107を備えている。測定セル107内の測定溶液108中には、陰イオン用リガンドである第4級アンモニウム塩誘導体109と末端にアミノ基を有するアルカンチオール110が固定化された金電極111、参照電極105が配置されている。金電極へのリガンドの固定化法の一例を図2に示す。図2(a)は、リガンドのみを固定化した場合、図2(b)はリガンドと末端にアミノ基を有するアルカンチオールを共存させて固体化した例を示している。塩素イオン用リガンドはN,N,N-トリメチル(10-メルカプトデシル)アンモニウムクロライド(N,N,N-Trimethyl(10-mercaptodecyl)ammonium chloride)、末端がアミノ基のアルカンチオールは8−アミノ−1−オクタンチオールである。尚、塩素イオン用リガンドである第4級アンモニウム塩誘導体の側鎖のアルキル基の炭素鎖は、測定条件に応じて変更することができる。その際、リガンドの金電極への固定化の際の自己組織化を妨げないように、第4級アンモニウム塩誘導体の側鎖のアルキル基の炭素数は、リンカーの炭素数より少ない方が望ましい。また、その際共存させるアルカンチオールの炭素鎖の長さは、第4級アンモニウム塩誘導体のリンカーの炭素鎖の長さ以下であれば問題ない。例えば、第4級アンモニウム塩誘導体のリンカーの炭素鎖の長さが10の場合には、末端がアミノ基である、6−アミノ−1−ヘキサンチオール、8−アミノ−1−オクタンチオール、11−アミノ−1−ウンデカンチオールや、末端が水酸基である6−ヒドロキシ−1−ヘキサンチオール、8−ヒドロキシ−1−オクタンチオール、11−ヒドロキシ−1−ウンデカンチオールを用いることもできる。   FIG. 1 is a block diagram showing an example of an ion concentration measuring apparatus according to the present invention. The measurement apparatus of this embodiment includes a measurement unit 101, a signal processing circuit 102, and a data processing apparatus 103. The measurement unit 101 includes a potential difference measuring device 104, a reference electrode 105, a sample solution injector 106 for supplying a sample solution having a measurement substance, and a measurement cell 107. In the measurement solution 108 in the measurement cell 107, there are disposed a gold electrode 111 and a reference electrode 105, in which a quaternary ammonium salt derivative 109, which is an anion ligand, and an alkanethiol 110 having an amino group at the terminal are immobilized. ing. An example of a method for immobilizing a ligand on a gold electrode is shown in FIG. FIG. 2 (a) shows an example in which only a ligand is immobilized, and FIG. 2 (b) shows an example of solidification by coexisting a ligand and an alkanethiol having an amino group at the terminal. The ligand for chloride ion is N, N, N-trimethyl (10-mercaptodecyl) ammonium chloride, and the terminal alkanethiol is 8-amino-1 -Octanethiol. In addition, the carbon chain of the alkyl group in the side chain of the quaternary ammonium salt derivative that is a ligand for chloride ions can be changed according to the measurement conditions. At that time, the carbon number of the alkyl group in the side chain of the quaternary ammonium salt derivative is preferably smaller than the carbon number of the linker so as not to prevent the self-assembly during the immobilization of the ligand to the gold electrode. In addition, there is no problem as long as the length of the carbon chain of the alkanethiol coexisting is not more than the length of the carbon chain of the linker of the quaternary ammonium salt derivative. For example, when the carbon chain length of the quaternary ammonium salt derivative linker is 10, 6-amino-1-hexanethiol, 8-amino-1-octanethiol, 11- Amino-1-undecanethiol, 6-hydroxy-1-hexanethiol, 8-hydroxy-1-octanethiol, and 11-hydroxy-1-undecanethiol having a terminal hydroxyl group can also be used.

測定手順は以下の通りである。最初、測定セル107内の測定溶液108中に試料溶液注入器106を用いて試料溶液を注入する。試料溶液中の測定対象である塩素イオンは、陰イオン用リガンドである第4級アンモニウム誘導体109とイオン交換作用により結合し、金電極111上の界面電位が変化する。電位測定は、試料溶液注入器106による試料溶液注入前後で変化する金電極111の界面電位を電位差計測装置104によりリアルタイムで計測し、信号処理回路102及びデータ処理装置103で記録することで行う。金電極111上の界面電位変化は、測定対象である塩素イオンの濃度に依存する。そのため、予め標準溶液を測定して作成した検量線を元に、測定した電位変化値から未知濃度の試料の塩素イオン濃度を得ることができる。   The measurement procedure is as follows. First, a sample solution is injected into the measurement solution 108 in the measurement cell 107 using the sample solution injector 106. Chlorine ions to be measured in the sample solution are bonded to the quaternary ammonium derivative 109, which is a ligand for anions, by an ion exchange action, and the interface potential on the gold electrode 111 changes. The potential measurement is performed by measuring the interface potential of the gold electrode 111 changing before and after the sample solution injection by the sample solution injector 106 in real time by the potential difference measuring device 104 and recording it by the signal processing circuit 102 and the data processing device 103. The change in the interfacial potential on the gold electrode 111 depends on the concentration of the chlorine ion to be measured. Therefore, based on a calibration curve prepared by measuring a standard solution in advance, the chloride ion concentration of a sample having an unknown concentration can be obtained from the measured potential change value.

試料溶液注入器106は、シリンジポンプ又は加圧式送液装置を使用することができる。また、金電極111に代えて、銀等の他の貴金属やカーボンからなる電極を用いてもよい。また、生体成分測定時の夾雑物の電極表面への吸着による影響を低減するために、高分子ポリマーを金電極上に物理吸着させて使用しても良い。高分子ポリマーとしては、メチルセルロース、アクリルアミド、デキストラン、ポリエチレングリコール等を使用すれば良い。   As the sample solution injector 106, a syringe pump or a pressurized liquid feeding device can be used. Further, instead of the gold electrode 111, an electrode made of other noble metal such as silver or carbon may be used. Moreover, in order to reduce the influence by the adsorption | suction to the electrode surface of the contaminant at the time of a biological component measurement, you may use a high molecular polymer by physically adsorbing on a gold electrode. As the polymer, methyl cellulose, acrylamide, dextran, polyethylene glycol, or the like may be used.

参照電極105は、測定溶液108中の金電極111の表面で起こる平衡反応あるいは化学反応に基づく電位変化を安定に測定するために、基準となる電位を与える。通常は参照電極としては、飽和塩化カリウムを内部溶液に使用している銀・塩化銀電極、あるいは甘こう(カロメル)電極が用いられるが、測定する試料溶液の組成が一定の場合には、疑似電極として銀・塩化銀電極のみを使用しても問題はない。   The reference electrode 105 gives a reference potential in order to stably measure a potential change based on an equilibrium reaction or a chemical reaction occurring on the surface of the gold electrode 111 in the measurement solution 108. Usually, the reference electrode is a silver / silver chloride electrode or calomel electrode using saturated potassium chloride as the internal solution. However, if the composition of the sample solution to be measured is constant, There is no problem even if only a silver / silver chloride electrode is used as an electrode.

図3は、電界効果トランジスタ(Field Effect Transistor: FET)センサを用いた本発明によるイオン濃度測定装置の一例を示すブロック図である。本実施例の測定装置は、測定部301、信号処理回路302、及びデータ処理装置303から構成される。測定部301は、絶縁ゲート電界効果トランジスタ304、参照電極305、参照電極305に電圧を印加する電源306、測定物質を有する試料溶液を供給する試料溶液注入器307、測定セル308を備えている。絶縁ゲート電界効果トランジスタ304は、ソース309、ドレイン310、ゲートと電気的に接続された金電極311を備えている。金電極311上には、陰イオン用リガンドである第4級アンモニウム塩誘導体312と末端にアミノ基を有するアルカンチオール313が固定化されている。測定セル308内の測定溶液314中には、陰イオン用リガンドである第4級アンモニウム誘導体312とアルカンチオール313を固定化された金電極311、参照電極305が配置されている。   FIG. 3 is a block diagram showing an example of an ion concentration measuring apparatus according to the present invention using a field effect transistor (FET) sensor. The measurement apparatus of this embodiment includes a measurement unit 301, a signal processing circuit 302, and a data processing apparatus 303. The measurement unit 301 includes an insulated gate field effect transistor 304, a reference electrode 305, a power source 306 that applies a voltage to the reference electrode 305, a sample solution injector 307 that supplies a sample solution having a measurement substance, and a measurement cell 308. The insulated gate field effect transistor 304 includes a source 309, a drain 310, and a gold electrode 311 electrically connected to the gate. On the gold electrode 311, a quaternary ammonium salt derivative 312 as an anion ligand and an alkanethiol 313 having an amino group at the terminal are immobilized. In the measurement solution 314 in the measurement cell 308, a gold electrode 311 and a reference electrode 305 to which a quaternary ammonium derivative 312 and an alkanethiol 313 as an anion ligand are immobilized are arranged.

測定手順は以下の通りである。最初、測定セル308内の測定溶液314中に試料溶液注入器307を用いて試料溶液を注入する。試料溶液中の測定対象である塩素イオンは、陰イオン用リガンドである第4級アンモニウム誘導体312とイオン交換作用により結合し、金電極311上の界面電位が変化する。電位測定は、試料溶液注入器307による試料溶液注入前後で変化する絶縁ゲート電界効果トランジスタ304内のソース309、ドレイン310間の電流をリアルタイムでモニターし、信号処理回路302、及びデータ処理装置303で記録することで行う。金電極311上の界面電位変化は、測定対象である塩素イオンの濃度に依存する。そのため、予め標準溶液を測定して作成した検量線を元に、測定した電位変化値から未知濃度の試料の塩素イオン濃度を得ることができる。測定外部変動による影響を低減するために、電源306は、好ましくは交流成分を含む電源である。その際、直流成分に1KHz以上の交流電圧を重畳することで、金電極311の表面電位の安定化が期待できる。   The measurement procedure is as follows. First, the sample solution is injected into the measurement solution 314 in the measurement cell 308 using the sample solution injector 307. Chlorine ions to be measured in the sample solution are bonded to the quaternary ammonium derivative 312 that is a ligand for anions by an ion exchange action, and the interface potential on the gold electrode 311 changes. In the potential measurement, the current between the source 309 and the drain 310 in the insulated gate field effect transistor 304 that changes before and after the sample solution injection by the sample solution injector 307 is monitored in real time, and the signal processing circuit 302 and the data processing device 303 are used. This is done by recording. The change in the interfacial potential on the gold electrode 311 depends on the concentration of the chlorine ion to be measured. Therefore, based on a calibration curve prepared by measuring a standard solution in advance, the chloride ion concentration of a sample having an unknown concentration can be obtained from the measured potential change value. In order to reduce the influence due to external measurement fluctuations, the power source 306 is preferably a power source including an AC component. In that case, the surface potential of the gold electrode 311 can be stabilized by superimposing an AC voltage of 1 KHz or more on the DC component.

試料溶液注入器307は、シリンジポンプ又は加圧式送液装置を使用することができる。金電極311は、銀等の他の貴金属やカーボンからなる電極を用いてもよい。また、生体成分測定時の夾雑物の電極表面への吸着による影響を低減するために、高分子ポリマーを金電極上に物理吸着させて使用しても良い。高分子ポリマーとしては、メチルセルロース、アクリルアミド、デキストラン、ポリエチレングリコール等を使用すれば問題ない。   The sample solution injector 307 can use a syringe pump or a pressurized liquid delivery device. The gold electrode 311 may be an electrode made of other noble metal such as silver or carbon. Moreover, in order to reduce the influence by the adsorption | suction to the electrode surface of the contaminant at the time of a biological component measurement, you may use a high molecular polymer by physically adsorb | sucking on a gold electrode. There is no problem if methylcellulose, acrylamide, dextran, polyethylene glycol or the like is used as the polymer.

参照電極305は、測定溶液314中の金電極311の表面で起こる平衡反応あるいは化学反応に基づく電位変化を安定に測定するために、基準となる電位を与える。通常は参照電極としては、飽和塩化カリウムを内部溶液に使用している銀・塩化銀電極、あるいは甘こう(カロメル)電極が用いられるが、測定する試料溶液の組成が一定の場合には、疑似電極として銀・塩化銀電極のみを使用しても問題はない。   The reference electrode 305 gives a reference potential in order to stably measure a potential change based on an equilibrium reaction or a chemical reaction occurring on the surface of the gold electrode 311 in the measurement solution 314. Usually, the reference electrode is a silver / silver chloride electrode or calomel electrode using saturated potassium chloride as the internal solution. However, if the composition of the sample solution to be measured is constant, There is no problem even if only a silver / silver chloride electrode is used as an electrode.

図4は、FETセンサを用い、本発明のイオン濃度測定装置に使用する分析素子の構造の一例を示す図である。図4(a)、(b)は、各々断面構造及び平面構造を表わしている。絶縁ゲート電界効果トランジスタ401は、シリコン基板の表面にソース402、ドレイン403、及びゲート絶縁物404を形成し、金電極405を設けてある。金電極405と絶縁ゲート電界効果トランジスタのゲート406を導電性配線407で接続してある。好ましくは、絶縁ゲート電界効果トランジスタは、シリコン酸化物を絶縁膜として用いる金属酸化物半導体(Metal-oxide semiconductor)電界効果トランジスタ(FET)であるが、薄膜トランジスタ(TFT)を用いても問題はない。本構造を採用することにより、金電極405を任意の場所に、かつ任意の大きさに形成でき、測定対象の試料溶液量に応じて測定セルの容積を変更することができる。   FIG. 4 is a diagram showing an example of the structure of an analysis element that uses an FET sensor and is used in the ion concentration measurement apparatus of the present invention. 4 (a) and 4 (b) show a cross-sectional structure and a planar structure, respectively. In the insulated gate field effect transistor 401, a source 402, a drain 403, and a gate insulator 404 are formed on a surface of a silicon substrate, and a gold electrode 405 is provided. The gold electrode 405 and the gate 406 of the insulated gate field effect transistor are connected by a conductive wiring 407. Preferably, the insulated gate field effect transistor is a metal-oxide semiconductor field effect transistor (FET) using silicon oxide as an insulating film, but there is no problem even if a thin film transistor (TFT) is used. By adopting this structure, the gold electrode 405 can be formed at any location and in any size, and the volume of the measurement cell can be changed according to the amount of the sample solution to be measured.

本発明で使用する絶縁ゲート電界効果トランジスタは、SiO2(厚さ;17.5nm)を用いた絶縁層を有するデプレション型FETであり、金電極を400μm×400μmの大きさで作製してある。通常の測定は、水溶液を使用するため、本素子は溶液中で動作しなければならない。溶液中で測定する場合には、電気化学反応を起こし難い−0.5〜0.5Vの電極電位範囲で動作することが必要である。そのため、本実施例ではデプレション型nチャネルFETの作製条件、すなわち閾値電圧(Vt)調整用イオン打ち込み条件を調整し、FETの閾値電圧を−0.5V付近に設定してある。なお、金電極に代えて、銀等の他の貴金属からなる電極を用いてもよい。同一基板上に2つ以上のFETセンサを有する素子は、図4のFETセンサを同一基板上に複数形成することにより作製する。その際に問題となるFETセンサ間のクロストークは、SOI(Silicon on Insulator)構造とすることで低減できる。 The insulated gate field effect transistor used in the present invention is a depletion type FET having an insulating layer using SiO 2 (thickness: 17.5 nm), and a gold electrode is fabricated in a size of 400 μm × 400 μm. . Since normal measurement uses an aqueous solution, the device must operate in solution. When measuring in a solution, it is necessary to operate in an electrode potential range of −0.5 to 0.5 V that hardly causes an electrochemical reaction. Therefore, in this embodiment, the fabrication condition of the depletion type n-channel FET, that is, the ion implantation condition for adjusting the threshold voltage (Vt) is adjusted, and the threshold voltage of the FET is set to around −0.5V. Instead of the gold electrode, an electrode made of other noble metal such as silver may be used. An element having two or more FET sensors on the same substrate is manufactured by forming a plurality of the FET sensors of FIG. 4 on the same substrate. Crosstalk between the FET sensors, which is a problem at that time, can be reduced by adopting an SOI (Silicon on Insulator) structure.

次に、絶縁性分子であるリンカーを介して陰イオン用リガンドである第4級アンモニウム誘導体を金電極表面に固定する際に、末端に親水性、特にアミノ基を有するアルカンチオールを第4級アンモニウム誘導体と共存させて固定化することの効果について、説明する。   Next, when the quaternary ammonium derivative, which is a ligand for anions, is immobilized on the gold electrode surface via a linker, which is an insulating molecule, an alkanethiol having a hydrophilic property, particularly an amino group, is added to the quaternary ammonium. The effect of immobilizing the coexisting derivative will be described.

金電極表面へのリガンドの固定化は、以下の手順で行った。最初、固定化に使用する金電極を1N硝酸、純水、エタノールの順番で洗浄し、金電極表面を窒素パージした。次に、リガンドとアルカンチオールの混合溶液(各々の濃度;0.5mM、溶媒;エタノール)に1時間浸漬した。固定化終了後、300mM塩化ナトリウム溶液中で10分間、95℃で加熱処理した。その後エタノール及び純水で洗浄し、使用するまで300mM塩化ナトリウム水溶液中で保存した。   The ligand was immobilized on the gold electrode surface by the following procedure. First, the gold electrode used for immobilization was washed with 1N nitric acid, pure water, and ethanol in this order, and the gold electrode surface was purged with nitrogen. Next, it was immersed in a mixed solution of ligand and alkanethiol (each concentration: 0.5 mM, solvent: ethanol) for 1 hour. After completion of immobilization, heat treatment was performed at 95 ° C. for 10 minutes in a 300 mM sodium chloride solution. Thereafter, it was washed with ethanol and pure water and stored in a 300 mM sodium chloride aqueous solution until use.

陰イオン用リガンドである第4級アンモニウム塩誘導体と共存させて金電極表面に固定するアルカンチオールの末端残基及び炭素鎖の長さの塩素イオンに対する応答速度に及ぼす影響について、以下に説明する。   The influence of the terminal residue of alkanethiol and the length of the carbon chain on the chloride ion coexisting with the quaternary ammonium salt derivative, which is a ligand for anions, on the response rate to chloride ions will be described below.

本実施例では、塩素イオン用のリガンドとして1−デカンチオールをリンカーとした第4級アンモニウム塩誘導体の一例であるN,N,N-トリメチル(10-メルカプトデシル)アンモニウムクロライド(N,N,N-Trimethyl(10-mercaptodecyl)ammonium chloride)を、末端がメチル基であるアルカンチオールとして、疎水性アルカンチオールである1−オクタンチオール(1-OT)、1−ウンデカンチオール(1-UDT)、1−テトラデカンチオール(1-TDT)、1−オクタデカンチオール(1-ODT)を、末端が水酸基であるアルカンチオールとして、6−ヒドロキシ−1−ヘキサンチオール(6-HHT)、8−ヒドロキシ−1−オクタンチオール(8-HOT)、11−ヒドロキシ−1−ウンデカンチオール(11-UUT)、親水性のエチレングリコールを有して炭素鎖が18個に相当するトリエチレングリコール−モノ−11−メルカプトデシルエーテル(Triethyleneglycol-mono -11-mercaptodecylether ;TGM)を、末端がアミノ基であるアルカンチオールとして6−アミノ−1−ヘキサンチオール(6-AHT)、8−アミノ−1−オクタンチオール(8-AOT)、11−アミノ−1−ウンデカンチオール(11-AUT)を使用した。塩素イオンに対する応答速度は、イオン濃度に対する電位応答が90%変化するまでの時間として測定した。   In this example, N, N, N-trimethyl (10-mercaptodecyl) ammonium chloride (N, N, N), which is an example of a quaternary ammonium salt derivative having 1-decanethiol as a linker as a ligand for chloride ion, is used. 1-octanethiol (1-OT), 1-undecanethiol (1-UDT), 1-octanethiol (1-UDT), 1-octanethiol (1-UDT), which is a hydrophobic alkanethiol. Tetradecanethiol (1-TDT), 1-octadecanethiol (1-ODT) is used as an alkanethiol whose terminal is a hydroxyl group, 6-hydroxy-1-hexanethiol (6-HHT), 8-hydroxy-1-octanethiol (8-HOT), 11-hydroxy-1-undecanethiol (11-UUT), triethylene glycol mono-11- having hydrophilic ethylene glycol and corresponding to 18 carbon chains Mercaptodecyl ether (Triethyleneglycol-mono-11-mercaptodecylether; TGM) is used as an alkanethiol having an amino group at its end as 6-amino-1-hexanethiol (6-AHT), 8-amino-1-octanethiol (8- AOT), 11-amino-1-undecanethiol (11-AUT) was used. The response speed to chloride ions was measured as the time until the potential response to the ion concentration changed by 90%.

図5(a)は、リガンドと末端にメチル基を有するアルカンチオールをリガンドと1:1で共存させた場合の炭素鎖の長さの塩素イオンに対する応答速度に及ぼす影響を示している。図5(a)の横軸は、A:リガンドのみ固定化した金電極、B:リガンドと1-OTを固定化した金電極、C:リガンドと1-UDTを固定化した金電極、D:リガンドと1-TDTを固定化した金電極、E:リガンドと1-ODTを固定化した金電極を表している。図5(a)に示すように、各種炭素鎖長さが違うアルカンチオールを共存させて固定化した塩素イオン電極の応答速度は、共存するアルカンチオールの炭素鎖の長さが長くなると遅くなった。これは、単純にリガンド間の隙間をアルカンチオールが埋めてリガンド間の隙間へのイオン進入を妨害することによる応答性の改善効果より、リガンドの周辺の疎水性が増大することによる応答性が遅くなる悪影響の方が大きいことを示している。すなわち、リガンド周辺の疎水性が増大することにより、塩素イオンがリガンドへ近づき難くなることを示している。   FIG. 5 (a) shows the effect of the length of the carbon chain on the response rate to chloride ions when an alkanethiol having a methyl group at the terminal coexists with the ligand in a ratio of 1: 1. In FIG. 5A, the horizontal axis represents A: a gold electrode in which only the ligand is immobilized, B: a gold electrode in which the ligand and 1-OT are immobilized, C: a gold electrode in which the ligand and 1-UDT are immobilized, and D: E represents a gold electrode on which a ligand and 1-TDT are immobilized, and E: a gold electrode on which a ligand and 1-ODT are immobilized. As shown in FIG. 5 (a), the response speed of the chloride ion electrode immobilized by coexisting alkanethiols with various carbon chain lengths became slower as the carbon chain length of the coexisting alkanethiols became longer. . This is because the alkanethiol simply fills the gaps between the ligands and prevents ions from entering the gaps between the ligands, resulting in a slower response due to increased hydrophobicity around the ligands. It shows that the negative effect is greater. That is, it is shown that chloride ions are difficult to approach the ligand due to the increase in hydrophobicity around the ligand.

図5(b)は、リガンドと末端に水酸基を有するアルカンチオールをリガンドと1:1で共存させた場合の炭素鎖の長さの塩素イオンに対する応答速度に及ぼす影響を示している。図5(b)の横軸は、A:リガンドのみ固定化した金電極、B:リガンドと6-HHTを固定化した金電極、C:リガンドと8-HOTを固定化した金電極、D:リガンドと11-HUTを固定化した金電極、E:リガンドとTGMを固定化した金電極を表している。図5(b)に示すように、各種炭素鎖長さが違う末端に水酸基を有するアルカンチオールを共存させて固定化した塩素イオン電極の応答速度は、リガンドのみを固定した場合と同程度であった。また、親水性のエチレングリコールを有して炭素鎖が18個に相当するTGMを共存させた場合には、同じ炭素鎖の長さを有する疎水性アルカンチオールである1-ODTと同程度の応答速度を示し遅くなった。これは、親水性の効果よりも立体障害の効果が大きいことを示している。このように、アルカンチオールの炭素鎖の長さが長くなりすぎると、リガンド周辺の立体障害で塩素イオンが近づき難くなり、応答速度が遅くなると考えられる。   FIG. 5 (b) shows the influence of the length of the carbon chain on the response rate to chloride ions when an alkanethiol having a hydroxyl group at the terminal and the ligand coexists in a ratio of 1: 1. The horizontal axis of FIG. 5 (b) is A: a gold electrode in which only the ligand is immobilized, B: a gold electrode in which the ligand and 6-HHT are immobilized, C: a gold electrode in which the ligand and 8-HOT are immobilized, D: A gold electrode on which a ligand and 11-HUT are immobilized, and E: a gold electrode on which a ligand and TGM are immobilized. As shown in FIG. 5 (b), the response speed of the chloride ion electrode immobilized by coexisting an alkanethiol having a hydroxyl group at the terminal with different carbon chain lengths was similar to that when only the ligand was immobilized. It was. In addition, when TGM having hydrophilic ethylene glycol and 18 carbon chains is present, the same response as 1-ODT, which is a hydrophobic alkanethiol having the same carbon chain length. The speed was slow. This indicates that the steric hindrance effect is greater than the hydrophilic effect. Thus, if the length of the carbon chain of the alkanethiol is too long, it is considered that chloride ions are difficult to approach due to steric hindrance around the ligand, and the response speed is slow.

図5(c)は、リガンドと末端にアミノ基を有するアルカンチオールをリガンドと1:1で共存させた場合の炭素鎖の長さの塩素イオンに対する応答速度に及ぼす影響を示している。図5(c)の横軸は、A:リガンドのみ固定化した金電極、B:リガンドと6-AHTを固定化した金電極、C:リガンドと8-AOTを固定化した金電極、D:リガンドと11-AUTを固定化した金電極を表している。図5(c)に示すように、炭素鎖の長さが違うアルカンチオールを共存させて固定化した塩素イオン電極の応答感度は、リガンドのみを固定化した金電極に比べて、共存するアルカンチオールの炭素鎖の長さが長くなると速くなった。これは、リガンド間の隙間をアルカンチオールが埋めて、イオンが進入するのを妨害しているためと考えられる。   FIG. 5 (c) shows the influence of the length of the carbon chain on the response rate to chloride ions when an alkanethiol having an amino group at the terminal is coexisted with the ligand in a ratio of 1: 1. The horizontal axis of FIG. 5 (c) is A: a gold electrode in which only the ligand is immobilized, B: a gold electrode in which the ligand and 6-AHT are immobilized, C: a gold electrode in which the ligand and 8-AOT are immobilized, D: This represents a gold electrode on which a ligand and 11-AUT are immobilized. As shown in FIG. 5 (c), the response sensitivity of the chloride ion electrode immobilized by coexisting alkanethiols with different carbon chain lengths is higher than that of the gold electrode immobilized with only the ligand. As the carbon chain length increased, it became faster. This is presumably because the alkanethiol fills the gaps between the ligands and prevents ions from entering.

図5(a)〜(c)が示すように、リガンドと共存するアルカンチオールに親水基、特にアミノ基を導入することにより、塩素イオンに対する応答速度が改善する。すなわち、塩素イオン用リガンドと共存させるアルカンチオールは親水性で、かつ炭素鎖の長さがリガンドより短い方が良い。特に、共存するリガンドの長さ以下で、かつアミノ基を有するアルカンチオールが望ましい。   As shown in FIGS. 5A to 5C, by introducing a hydrophilic group, particularly an amino group, into the alkanethiol coexisting with the ligand, the response speed to chloride ions is improved. That is, it is preferable that the alkanethiol coexisting with the ligand for chloride ions is hydrophilic and the carbon chain length is shorter than the ligand. In particular, an alkanethiol having an amino group which is shorter than the length of the coexisting ligand is desirable.

絶縁性分子であるリンカーを介して陰イオン用リガンドである第4級アンモニウム誘導体と末端がアミノ基であるアルカンチオールを共存させて金電極表面に固定した本発明によるイオン電極を用いて、塩素イオンに対する電位応答の測定した結果を以下に説明する。   Using an ion electrode according to the present invention in which a quaternary ammonium derivative as an anion ligand and an alkanethiol having an amino group at the end coexist through a linker as an insulating molecule and immobilized on the gold electrode surface, chloride ion is used. The measurement result of the potential response to is described below.

本実施例では、塩素イオン用のリガンドとして1−デカンチオールをリンカーとした第4級アンモニウム塩誘導体の一例であるN,N,N-トリメチル(10-メルカプトデシル)アンモニウムクロライド(N,N,N-Trimethyl(10-mercaptodecyl)ammonium chloride)を、末端がアミノ基であるアルカンチオールとして、11−アミノ−1−ウンデカンチオール(11-AUT)を使用した。塩素イオンに対する電位応答は、塩化ナトリウム水溶液を用いて測定を行い、濃度範囲4.5mM〜300mMでのスロープ感度を比較した(図6)。尚、電位測定値は浸漬後5分後の値である。図6の横軸は塩素イオン濃度を活量で表わしてある。縦軸は塩素イオンに応じて生じた起電力を示している。その結果、塩素イオンに対する電位応答は、ネルンストの式に従い、スロープ感度は約60mVであった。   In this example, N, N, N-trimethyl (10-mercaptodecyl) ammonium chloride (N, N, N), which is an example of a quaternary ammonium salt derivative having 1-decanethiol as a linker as a ligand for chloride ion, is used. 11-Amino-1-undecanethiol (11-AUT) was used as an alkanethiol having an amino group at the end as -trimethyl (10-mercaptodecyl) ammonium chloride). The potential response to chloride ions was measured using a sodium chloride aqueous solution, and the slope sensitivity in a concentration range of 4.5 mM to 300 mM was compared (FIG. 6). The measured potential value is the value after 5 minutes after immersion. The horizontal axis in FIG. 6 represents the chlorine ion concentration in terms of activity. The vertical axis represents the electromotive force generated according to chlorine ions. As a result, the potential response to chlorine ions was approximately 60 mV according to the Nernst equation.

図7は、FETセンサと参照電極を同一平面状に形成した本発明によるイオン濃度測定装置の一例を示すブロック図である。本実施例の測定装置は、測定部701、信号処理回路702、及びデータ処理装置703から構成される。測定部701は、絶縁ゲート電界効果トランジスタ704、擬似参照電極705、測定物質を有する試料溶液を供給する試料溶液注入器706、測定セル707を備えている。絶縁ゲート電界効果トランジスタ704は、ソース708、ドレイン709、ゲートと電気的に接続された金電極710を備えている。また、金電極710と同一平面に疑似参照電極705を設けてある。疑似参照電極705は導電性配線を介して、外部と接続されている。疑似参照電極としては、銀/塩化銀、金、白金等を用いることが出来る。本実施例では、金電極710上に、塩素イオン用リガンドである第4級アンモニウム塩誘導体711と末端にアミノ基を有するアルカンチオール712が固定化されている。測定セル707内の測定溶液713中には、塩素イオン用リガンドである第4級アンモニウム塩誘導体711と末端にアミノ基を有するアルカンチオール712が固定化された金電極710、擬似参照電極705が配置されている。擬似参照電極705には、直流成分に1kHz以上の交流電圧を重畳して印加する。   FIG. 7 is a block diagram showing an example of an ion concentration measuring apparatus according to the present invention in which an FET sensor and a reference electrode are formed on the same plane. The measurement apparatus of this embodiment includes a measurement unit 701, a signal processing circuit 702, and a data processing apparatus 703. The measurement unit 701 includes an insulated gate field effect transistor 704, a pseudo reference electrode 705, a sample solution injector 706 for supplying a sample solution having a measurement substance, and a measurement cell 707. The insulated gate field effect transistor 704 includes a source 708, a drain 709, and a gold electrode 710 electrically connected to the gate. A pseudo reference electrode 705 is provided on the same plane as the gold electrode 710. The pseudo reference electrode 705 is connected to the outside through a conductive wiring. As the pseudo reference electrode, silver / silver chloride, gold, platinum or the like can be used. In this embodiment, a quaternary ammonium salt derivative 711 that is a ligand for chlorine ions and an alkanethiol 712 having an amino group at the terminal are immobilized on the gold electrode 710. In the measurement solution 713 in the measurement cell 707, a gold electrode 710 in which a quaternary ammonium salt derivative 711 that is a ligand for chloride ions and an alkanethiol 712 having an amino group at the terminal are immobilized, and a pseudo reference electrode 705 are disposed. Has been. The pseudo reference electrode 705 is applied with an AC voltage of 1 kHz or more superimposed on a DC component.

図8は、塩素イオン選択性電極のリガンドとして使用する第4級アンモニウム塩の側鎖の長さが塩素イオン濃度に対する応答時間に及ぼす影響を示している。本実施例では、第4級アンモニウム塩の一例として、図9(a)、(b)、(c)に示す、側鎖がメチル基であるN,N,N-トリメチル(10-メルカプトデシル)アンモニウムクロライド(N,N,N-Trimethyl(10-mercaptodecyl)ammonium chloride)、側鎖がエチル基であるN,N,N-トリエチル(10-メルカプトデシル)アンモニウムクロライド(N,N,N-Triethyl(10-mercaptodecyl)ammonium chloride)、側鎖がプロピル基であるN,N,N-トリプロピル(10-メルカプトデシル)アンモニウムクロライド(N,N,N-Tripropyl(10-mercaptodecyl)ammonium chloride)を使用した。本実施例では、リガンドである第4級アンモニウム塩の側鎖の影響を、リガンドのみを固定化した場合に加えて、リガンドと親水性のアルカンチオールを共存させた場合も併せて示し、比較してある。図中のTMA、TEA、TPA、11−HUT、11−AUTは、各々、N,N,N-トリメチル(10-メルカプトデシル)アンモニウムクロライド、N,N,N-トリエチル(10-メルカプトデシル)アンモニウムクロライド、プロピル基であるN,N,N-トリプロピル(10-メルカプトデシル)アンモニウムクロライド、11−ヒドロキシ−1−ウンデカンチオール、11−アミノ−1−ウンデカンチオールを表わしている。   FIG. 8 shows the effect of the side chain length of the quaternary ammonium salt used as a ligand of a chloride ion selective electrode on the response time with respect to the chloride ion concentration. In this example, as an example of a quaternary ammonium salt, N, N, N-trimethyl (10-mercaptodecyl) whose side chain is a methyl group, as shown in FIGS. 9 (a), (b) and (c), is used. Ammonium chloride (N, N, N-Trimethyl (10-mercaptodecyl) ammonium chloride), N, N, N-triethyl (10-mercaptodecyl) ammonium chloride (N, N, N-Triethyl () 10-mercaptodecyl) ammonium chloride) and N, N, N-tripropyl (10-mercaptodecyl) ammonium chloride (N, N, N-Tripropyl (10-mercaptodecyl) ammonium chloride) whose side chain is a propyl group . In this example, the influence of the side chain of the quaternary ammonium salt, which is a ligand, is shown and compared in the case where the ligand and the hydrophilic alkanethiol coexist in addition to the case where only the ligand is immobilized. It is. TMA, TEA, TPA, 11-HUT, and 11-AUT in the figure are N, N, N-trimethyl (10-mercaptodecyl) ammonium chloride and N, N, N-triethyl (10-mercaptodecyl) ammonium, respectively. It represents N, N, N-tripropyl (10-mercaptodecyl) ammonium chloride, 11-hydroxy-1-undecanethiol, 11-amino-1-undecanethiol which is chloride and propyl group.

その結果、リガンドのみを固定した場合と、リガンドと親水性のアルカンチオールを共存させた場合共に、第4級アンモニウム塩の側鎖の炭素鎖が長くなると、非常に応答時間が短くなった。本実施例では、リガンドのみを固定した場合には、側鎖がメチル基の場合には88秒、エチル基の場合には14秒、プロピル基の場合には6秒であった。また、側鎖がメチル基の場合には、図8(c)に示すように、リガンドとアミノ基を有するアルカンチオールを共存させる方が、リガンドのみの場合に比べて応答時間が速くなっていたが、第4級アンモニウム塩の側鎖が長くなるにつれてその効果が小さくなり、側鎖がプロピル基の場合には、リガンドのみを固定化した場合が最も応答時間が短くなった。   As a result, in both the case where only the ligand was immobilized and the case where the ligand and hydrophilic alkanethiol were allowed to coexist, when the carbon chain in the side chain of the quaternary ammonium salt was increased, the response time was extremely shortened. In this example, when only the ligand was immobilized, it was 88 seconds when the side chain was a methyl group, 14 seconds when the side chain was ethyl group, and 6 seconds when the side chain was propyl group. Further, when the side chain is a methyl group, as shown in FIG. 8 (c), the response time is faster when the ligand and the alkanethiol having an amino group coexist than when only the ligand is used. However, the effect became smaller as the side chain of the quaternary ammonium salt became longer. When the side chain was a propyl group, the response time was the shortest when only the ligand was immobilized.

このように、第4級アンモニウム塩の側鎖を長くすることにより、他の親水性のアルカンチオールを必要とせず、単純な組成で金電極に固定化することができる。その際、第4級アンモニウム塩の金電極への固定化の際の自己組織化を妨げないように、第4級アンモニウム塩誘導体の側鎖のアルキル基の炭素数は、リンカーの炭素数より少ない方が望ましい。例えば、本実施例の場合にはリンカーの炭素鎖の長さが炭素10個であるので、側鎖の炭素数は10個以下が望ましい。尚、塩素イオン用リガンドである第4級アンモニウム塩誘導体のリンカーの炭素鎖は、測定条件に応じて変更することができるが、化学合成法や合成後の精製法及び金電極への固定化法を考慮すると、炭素数は20個以下が望ましい。   Thus, by lengthening the side chain of the quaternary ammonium salt, other hydrophilic alkanethiol is not required and can be immobilized on the gold electrode with a simple composition. At that time, the carbon number of the alkyl group in the side chain of the quaternary ammonium salt derivative is less than the carbon number of the linker so as not to prevent self-assembly during the fixation of the quaternary ammonium salt to the gold electrode. Is preferable. For example, in the case of the present embodiment, the length of the carbon chain of the linker is 10 carbons, so the number of carbons in the side chain is preferably 10 or less. The carbon chain of the quaternary ammonium salt derivative linker, which is a ligand for chloride ions, can be changed according to the measurement conditions, but the chemical synthesis method, the purification method after synthesis, and the immobilization method on the gold electrode In consideration of the above, the carbon number is preferably 20 or less.

図10は、リガンドである第4級アンモニウム塩誘導体の側鎖の長さと塩素イオン濃度に対する電位応答の関係を示している。本実施例では、第4級アンモニウム塩の一例として、図9(a)、(b)、(c)に示すものを使用した。図10(a)は側鎖がメチル基であるN,N,N-トリメチル(10-メルカプトデシル)アンモニウムクロライド(N,N,N-Trimethyl(10-mercaptodecyl)ammonium chloride)を使用した場合、図10(b)は側鎖がエチル基である(N,N,N-Triethyl(10-mercaptodecyl)ammonium chloride)を使用した場合、図10(c)は側鎖がプロピル基である(N,N,N-Tripropyl(10-mercaptodecyl)ammonium chloride)を使用した場合をそれぞれ示している。ナトリウムイオンイオン濃度に対する電位応答は、塩化ナトリウム水溶液を用いて測定を行い、濃度範囲0.001mM〜1000mMでのリガンド固定化電極表面の起電力を比較した。   FIG. 10 shows the relationship between the side chain length of the quaternary ammonium salt derivative that is a ligand and the potential response to the chloride ion concentration. In this example, examples shown in FIGS. 9A, 9B, and 9C were used as examples of quaternary ammonium salts. FIG. 10 (a) shows a case where N, N, N-trimethyl (10-mercaptodecyl) ammonium chloride (N, N, N-Trimethyl (10-mercaptodecyl) ammonium chloride) whose side chain is a methyl group is used. When 10 (b) uses (N, N, N-Triethyl (10-mercaptodecyl) ammonium chloride) whose side chain is an ethyl group, FIG. 10 (c) shows that the side chain is a propyl group (N, N , N-Tripropyl (10-mercaptodecyl) ammonium chloride) is shown. The potential response to the sodium ion ion concentration was measured using a sodium chloride aqueous solution, and the electromotive force of the ligand-immobilized electrode surface in the concentration range of 0.001 mM to 1000 mM was compared.

図10の横軸は、塩素イオン濃度を活量で表わしてある。縦軸は、塩素イオンに応じて生じた起電力を示している。第4級アンモニウム塩の側鎖の長さが長くなると、低濃度まで塩素イオン濃度に対する電位応答を示した。本実施例では、側鎖がメチル基の場合には10〜1000mM、側鎖がエチル基の場合には1〜1000mM、プロピル基の場合には0.1〜1000mMの濃度範囲で直線性を維持できる。すなわち、第4級アンモニウム塩の側鎖は長いほど、応答時間が短くなるばかりでなく、直線的な応答を示す範囲(測定レンジ)が広くなることを示している。   The horizontal axis of FIG. 10 represents the chlorine ion concentration as an activity. The vertical axis represents the electromotive force generated according to chlorine ions. When the side chain length of the quaternary ammonium salt was increased, the potential response to the chlorine ion concentration was shown up to a low concentration. In this example, linearity can be maintained in a concentration range of 10 to 1000 mM when the side chain is a methyl group, 1 to 1000 mM when the side chain is an ethyl group, and 0.1 to 1000 mM when the side chain is a propyl group. That is, as the side chain of the quaternary ammonium salt is longer, not only the response time is shortened but also the range (measurement range) showing a linear response is widened.

図11は、本発明によるイオン濃度測定装置の一例を示すブロック図である。本実施例の測定装置は、測定部1101、信号処理回路1102、及びデータ処理装置1103から構成される。測定部1101は、電位差計測装置1104、参照電極1105、測定物質を有する試料溶液を供給する試料溶液注入器1106、測定セル1107を備えている。測定セル1107内の測定溶液1108中には、陰イオン用リガンドである第4級アンモニウム塩誘導体1109が固定化された金電極1110、参照電極1105が配置されている。本実施例では、塩素イオン用リガンドとしてはN,N,N-トリプロピル(10-メルカプトデシル)アンモニウムクロライドを使用しているため、親水性のアルカンチオオールを共存して固定しなくても、速い応答速度を得ることができる。尚、塩素イオン用リガンドである第4級アンモニウム塩誘導体の側鎖のアルキル基の炭素鎖は、測定条件に応じて変更することができる。その際、リガンドの金電極への固定化の際の自己組織化を妨げないように、第4級アンモニウム塩誘導体の側鎖のアルキル基の炭素数は、リンカーの炭素数より少ない方が望ましい。例えば、本実施例の場合には、リンカーの炭素鎖の長さが炭素10個であるので、側鎖の炭素数は10個以下が望ましい。   FIG. 11 is a block diagram showing an example of an ion concentration measuring apparatus according to the present invention. The measurement apparatus according to the present exemplary embodiment includes a measurement unit 1101, a signal processing circuit 1102, and a data processing apparatus 1103. The measurement unit 1101 includes a potential difference measurement device 1104, a reference electrode 1105, a sample solution injector 1106 for supplying a sample solution having a measurement substance, and a measurement cell 1107. In the measurement solution 1108 in the measurement cell 1107, a gold electrode 1110 and a reference electrode 1105 to which a quaternary ammonium salt derivative 1109 that is a ligand for anion is immobilized are arranged. In this example, since N, N, N-tripropyl (10-mercaptodecyl) ammonium chloride is used as a ligand for chloride ions, it is not necessary to coexist and fix a hydrophilic alkanethiool. A fast response speed can be obtained. In addition, the carbon chain of the alkyl group in the side chain of the quaternary ammonium salt derivative that is a ligand for chloride ions can be changed according to the measurement conditions. At that time, the carbon number of the alkyl group in the side chain of the quaternary ammonium salt derivative is preferably smaller than the carbon number of the linker so as not to prevent the self-assembly during the immobilization of the ligand to the gold electrode. For example, in the case of this example, the length of the carbon chain of the linker is 10 carbons, so the number of carbons in the side chain is preferably 10 or less.

本発明によるイオン濃度測定装置の一例を示すブロック図。The block diagram which shows an example of the ion concentration measuring apparatus by this invention. 金電極へ塩素イオン用リガンドを固定化した例を示す図であり、(a)は塩素イオン用リガンドである第4級アンモニウム塩誘導体のみを固定化した例を示す図、(b)は塩素イオン用リガンドである第4級アンモニウム塩誘導体と、末端にアミノ基を有するアルカンチオールを共存して固定化した例を示す図。It is a figure which shows the example which fix | immobilized the ligand for chlorine ions to the gold electrode, (a) is a figure which shows the example which fix | immobilized only the quaternary ammonium salt derivative which is a ligand for chlorine ions, (b) is a chloride ion Of an example in which a quaternary ammonium salt derivative that is a ligand for use and an alkanethiol having an amino group at the end coexist and immobilized. FETセンサを用いた本発明によるイオン濃度測定装置の一例を示すブロック図。The block diagram which shows an example of the ion concentration measuring apparatus by this invention using a FET sensor. 本発明のイオン濃度測定装置に使用するFETセンサを用いた分析素子の構造例を示す図であり、(a)は断面図、(b)は平面図。It is a figure which shows the structural example of the analysis element using the FET sensor used for the ion concentration measuring apparatus of this invention, (a) is sectional drawing, (b) is a top view. リガンドと共存させるアルカンチオールの末端残基及び炭素鎖の長さの塩素イオン濃度に対する応答速度に及ぼす影響を示す図であり、(a)は末端にメチル基を有する疎水性アルカンチオールを共存させた場合の図、(b)は末端に水酸基を有する親水性アルカンチオールを共存させた場合の図、(c)は末端にアミノ基を有する親水性アルカンチオールを共存させた場合の図。It is a figure showing the influence of the terminal residue of the alkanethiol coexisting with the ligand and the response speed to the chloride ion concentration, and (a) coexists the hydrophobic alkanethiol having a methyl group at the terminal. (B) is a diagram in the case where a hydrophilic alkanethiol having a hydroxyl group at the end coexists, (c) is a diagram in the case of coexisting a hydrophilic alkanethiol having an amino group at the end. リガンドとして第4級アンモニウム塩誘導体と末端にアミノ基を有するアルカンチオールを共存させたイオン電極を用いて塩素イオン濃度を測定した結果を示す図。The figure which shows the result of having measured the chlorine ion density | concentration using the quaternary ammonium salt derivative and the ion electrode which coexisted the alkanethiol which has an amino group at the terminal as a ligand. FETセンサと参照電極を同一平面状に形成した本発明によるイオン濃度測定装置の一例を示すブロック図。The block diagram which shows an example of the ion concentration measuring apparatus by this invention which formed the FET sensor and the reference electrode on the same plane. 塩素イオン選択性電極のリガンドとして使用する第4級アンモニウム塩の側鎖の長さが塩素イオン濃度に対する応答時間に及ぼす影響を示す図。The figure which shows the influence which the length of the side chain of the quaternary ammonium salt used as a ligand of a chloride ion selective electrode has on the response time with respect to a chloride ion concentration. 塩素イオン用リガンドである第4級アンモニウム塩の一例を示す図。The figure which shows an example of the quaternary ammonium salt which is a ligand for chloride ions. 塩素イオン選択性電極のリガンドである第4級アンモニウム塩誘導体の側鎖の長さと塩素イオン濃度に対する電位応答を示す図。The figure which shows the electric potential response with respect to the length of the side chain of a quaternary ammonium salt derivative which is a ligand of a chloride ion selective electrode, and a chloride ion concentration. 本発明によるイオン濃度測定装置の一例を示すブロック図。The block diagram which shows an example of the ion concentration measuring apparatus by this invention.

符号の説明Explanation of symbols

101,301,701,1101…測定部、102,302,702,1102…信号処理回路、103,303,703,1103…データ処理装置、104,1104…電位差計測装置、105,305,1105…参照電極、106,307,706,1106…測定物質を有する試料溶液を供給する試料溶液注入器、107,308,707,1107…測定セル、108,314,713,1108…測定溶液、109,312,711,1109…陰イオン用リガンドである第4級アンモニウム塩誘導体、110,313,712…末端にアミノ基を有するアルカンチオール、111,311,405,710,1110…金電極、304,401,704…絶縁ゲート電界効果トランジスタ、306…電源,309,402,708…ソース、310,403,709…ドレイン、404…ゲート絶縁物、406…絶縁ゲート電界効果トランジスタのゲート、407…導電性配線、705…擬似参照電極。   101, 301, 701, 1101 ... measurement unit, 102, 302, 702, 1102 ... signal processing circuit, 103, 303, 703, 1103 ... data processing device, 104, 1104 ... potential difference measuring device, 105, 305, 1105 ... see Electrodes 106, 307, 706, 1106... Sample solution injector for supplying a sample solution having a measurement substance, 107, 308, 707, 1107... Measurement cell, 108, 314, 713, 1108. 711, 1109 ... quaternary ammonium salt derivatives as anion ligands, 110, 313, 712 ... alkanethiols having amino groups at the ends, 111, 311, 405, 710, 1110 ... gold electrodes, 304, 401, 704 ... Insulated gate field effect transistor, 306 ... Power supply, 309, 402 708 ... Source, 310,403,709 ... drain, 404 ... Gate insulator 406 ... insulated gate field effect transistor gates, 407 ... conductive wire, 705 ... pseudo reference electrode.

Claims (20)

測定対象物質を含む測定溶液が導入される容器と、
前記容器中の測定溶液と接触するイオン選択性電極と、
前記容器中の測定溶液と接触する参照電極と、
前記イオン選択性電極の界面電位を測定する手段とを備える陰イオン濃度測定装置において、
前記イオン選択性電極に第4級アンモニウム塩が固定化され、前記第4級アンモニウム塩の1つの側鎖は前記イオン選択性電極に固定化されたアルカンチオール基であり、他の3つの側鎖はアルキル鎖であることを特徴とする陰イオン濃度測定装置。
A container into which a measurement solution containing a substance to be measured is introduced;
An ion selective electrode in contact with the measurement solution in the vessel;
A reference electrode in contact with the measurement solution in the container;
In an anion concentration measuring apparatus comprising a means for measuring an interface potential of the ion selective electrode,
A quaternary ammonium salt is immobilized on the ion selective electrode, one side chain of the quaternary ammonium salt is an alkanethiol group immobilized on the ion selective electrode, and the other three side chains. Is an alkyl chain, an anion concentration measuring device.
請求項1記載の陰イオン濃度測定装置において、前記第4級アンモニウム塩の前記他の3つの側鎖のアルキル鎖の炭素数が1以上20以下であることを特徴とする陰イオン濃度測定装置。   2. The anion concentration measuring apparatus according to claim 1, wherein the number of carbon atoms in the other three side chain alkyl chains of the quaternary ammonium salt is 1 or more and 20 or less. 請求項1記載の陰イオン濃度測定装置において、前記イオン選択性電極には、前記第4級アンモニウム塩の他に一方の末端が親水性であるアルカンチオールが共存して固定化されていることを特徴とする陰イオン濃度測定装置。   2. The anion concentration measuring apparatus according to claim 1, wherein an alkanethiol having one end hydrophilic in addition to the quaternary ammonium salt is coexistingly immobilized on the ion selective electrode. Characteristic anion concentration measuring device. 請求項3記載の陰イオン濃度測定装置において、前記第4級アンモニウム塩と共存する前記アルカンチオールの末端の親水基がアミノ基又は水酸基であることを特徴とする陰イオン濃度測定装置。   4. The anion concentration measuring apparatus according to claim 3, wherein a hydrophilic group at the terminal of the alkanethiol coexisting with the quaternary ammonium salt is an amino group or a hydroxyl group. 請求項3記載の陰イオン濃度測定装置において、前記第4級アンモニウム塩と共存する前記アルカンチオールの炭素鎖の長さが前記第4級アンモニウム塩の一つの側鎖であるアルカンチオールの炭素鎖より短いことを特徴とする陰イオン濃度測定装置。   4. The anion concentration measuring apparatus according to claim 3, wherein the alkanethiol carbon chain coexisting with the quaternary ammonium salt is longer than the alkanethiol carbon chain which is one side chain of the quaternary ammonium salt. Anion concentration measuring device characterized by being short. 測定対象物質を含む測定溶液が導入される容器と、
電界効果トランジスタと、
前記電界効果トランジスタのゲートと配線で接続され、前記容器中の測定溶液と接触するイオン選択性電極と、
前記容器中の測定溶液と接触する参照電極と、
前記電極と前記参照電極との間に電圧を印加する電源と、
前記電界効果トランジスタの出力を検出する検出部とを備え、
前記イオン選択性電極に第4級アンモニウム塩が固定化され、前記第4級アンモニウム塩の1つの側鎖は前記イオン選択性電極に固定化されたアルカンチオール基であり、他の3つの側鎖はアルキル鎖であることを特徴とする陰イオン濃度測定装置。
A container into which a measurement solution containing a substance to be measured is introduced;
A field effect transistor;
An ion-selective electrode that is connected to the gate of the field-effect transistor by a wiring and is in contact with the measurement solution in the container;
A reference electrode in contact with the measurement solution in the container;
A power supply for applying a voltage between the electrode and the reference electrode;
A detector for detecting the output of the field effect transistor;
A quaternary ammonium salt is immobilized on the ion selective electrode, one side chain of the quaternary ammonium salt is an alkanethiol group immobilized on the ion selective electrode, and the other three side chains. Is an alkyl chain, an anion concentration measuring device.
請求項6記載の陰イオン濃度測定装置において、前記第4級アンモニウム塩の前記他の3つの側鎖のアルキル鎖の炭素数が1以上20以下であることを特徴とする陰イオン濃度測定装置。   The anion concentration measuring apparatus according to claim 6, wherein the number of carbon atoms in the other three side chain alkyl chains of the quaternary ammonium salt is 1 or more and 20 or less. 請求項7記載の陰イオン濃度測定装置において、前記イオン選択性電極には、前記第4級アンモニウム塩の他に一方の末端が親水性であるアルカンチオールが共存して固定化されていることを特徴とする陰イオン濃度測定装置。   8. The anion concentration measuring apparatus according to claim 7, wherein an alkanethiol having one hydrophilic end in addition to the quaternary ammonium salt coexists on the ion selective electrode. Characteristic anion concentration measuring device. 請求項6記載の陰イオン濃度測定装置において、前記第4級アンモニウム塩と共存する前記アルカンチオールの末端の親水基がアミノ基又は水酸基であることを特徴とする陰イオン濃度測定装置。   7. The anion concentration measuring apparatus according to claim 6, wherein the hydrophilic group at the terminal of the alkanethiol coexisting with the quaternary ammonium salt is an amino group or a hydroxyl group. 請求項6記載の陰イオン濃度測定装置において、前記第4級アンモニウム塩と共存する前記アルカンチオールの炭素鎖の長さが前記第4級アンモニウム塩の一つの側鎖であるアルカンチオールの炭素鎖より短いことを特徴とする陰イオン濃度測定装置。   7. The anion concentration measuring apparatus according to claim 6, wherein the alkanethiol carbon chain coexisting with the quaternary ammonium salt is longer than the alkanethiol carbon chain which is one side chain of the quaternary ammonium salt. Anion concentration measuring device characterized by being short. 請求項6記載の陰イオン濃度測定装置において、前記電源は交流電圧を印加することを特徴とする陰イオン濃度測定装置。   The anion concentration measuring apparatus according to claim 6, wherein the power source applies an AC voltage. 請求項6記載の陰イオン濃度測定装置において、前記電源で1kHz以上の周波数の交流電圧を印加することを特徴とする陰イオン濃度測定装置。   7. The anion concentration measuring apparatus according to claim 6, wherein an AC voltage having a frequency of 1 kHz or more is applied by the power source. 請求項6記載の陰イオン濃度測定装置において、前記参照電極は前記電界効果トランジスタと同一基板上に形成されていることを特徴とする陰イオン濃度測定装置。   7. The anion concentration measuring apparatus according to claim 6, wherein the reference electrode is formed on the same substrate as the field effect transistor. 電極と、
前記電極表面に固定化された第4級アンモニウム塩とを有し、
前記第4級アンモニウム塩の1つの側鎖はアルカンチオール基であり、他の3つの側鎖はアルキル鎖であることを特徴とする分析素子。
Electrodes,
A quaternary ammonium salt immobilized on the electrode surface;
One side chain of the quaternary ammonium salt is an alkanethiol group, and the other three side chains are alkyl chains.
請求項14記載の分析素子において、前記第4級アンモニウム塩の前記他の3つの側鎖のアルキル鎖の炭素数が1以上20以下であることを特徴とする陰イオン分析素子。   15. The anion analysis element according to claim 14, wherein the other three side chain alkyl chains of the quaternary ammonium salt have 1 to 20 carbon atoms. 請求項14記載の分子素子において、前記電極には、前記第4級アンモニウム塩の他に一方の末端が親水性であるアルカンチオールが共存して固定化されていることを特徴とする分析素子。   15. The molecular element according to claim 14, wherein an alkanethiol having one end hydrophilic in addition to the quaternary ammonium salt is immobilized on the electrode together with the quaternary ammonium salt. 請求項14記載の分析素子において、前記第4級アンモニウム塩と共存する前記アルカンチオールの末端の親水基がアミノ基又は水酸基であることを特徴とする分析素子。   The analytical element according to claim 14, wherein the hydrophilic group at the terminal of the alkanethiol coexisting with the quaternary ammonium salt is an amino group or a hydroxyl group. 請求項14記載の分析素子において、前記第4級アンモニウム塩と共存する前記アルカンチオールの炭素鎖の長さが前記第4級アンモニウム塩の一つの側鎖であるアルカンチオールの炭素鎖より短いことを特徴とする分析素子。   15. The analytical element according to claim 14, wherein the length of carbon chain of the alkanethiol coexisting with the quaternary ammonium salt is shorter than the carbon chain of alkanethiol which is one side chain of the quaternary ammonium salt. A characteristic analytical element. 請求項14記載の分析素子において、前記電極は参照電極と同一基板上に形成されていることを特徴とする分析素子。   15. The analytical element according to claim 14, wherein the electrode is formed on the same substrate as the reference electrode. 請求項14記載の分析素子において、電界効果トランジスタを有し、前記電界効果トランジスタのゲートと前記電極が導電性配線で接続されていることを特徴とする分析素子。   15. The analytical element according to claim 14, further comprising a field effect transistor, wherein the gate of the field effect transistor and the electrode are connected by a conductive wiring.
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