JP2549311B2 - イオンセンサ - Google Patents
イオンセンサInfo
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- JP2549311B2 JP2549311B2 JP1145424A JP14542489A JP2549311B2 JP 2549311 B2 JP2549311 B2 JP 2549311B2 JP 1145424 A JP1145424 A JP 1145424A JP 14542489 A JP14542489 A JP 14542489A JP 2549311 B2 JP2549311 B2 JP 2549311B2
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- Japan
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- ion
- sensor
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- film
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、医療、農業、醗酵工業、バイオ技術、環境
測定等の分野に用いられ、水溶液をはじめとする種々の
溶液中に存在する様々なイオンの濃度を定量するための
イオンセンサに関するものである。
測定等の分野に用いられ、水溶液をはじめとする種々の
溶液中に存在する様々なイオンの濃度を定量するための
イオンセンサに関するものである。
従来のイオンセンサは、通常イオン選択性電極と呼ば
れるもので、溶液に浸漬された際に、溶液／イオン選択
感応部に生ずる電位を検出する構成となっている。
れるもので、溶液に浸漬された際に、溶液／イオン選択
感応部に生ずる電位を検出する構成となっている。
上記従来のイオンセンサの構成は第５図に示すように
なっており、参照電極ａ、標準電解溶液b,b′、塩橋
ｃ、試料溶液（被検液）ｄ、センサ本体ｅが直列回路を
形成しており、この回路内に発生する電位をリードｆを
介して直流電位差計ｇで検出するようになってい。そし
て上記センサ本体ｅに取付けられているイオン選択感応
膜ｈには、特定のイオンのみと錯形成する物質をPVC
（ポリ塩化ビニル）等の高分子膜に固定した有機系の膜
（例えば、K+、Ca2+、Na+、Mg2+などのセンサ）、複合
酸化物ガラス等を用いる無機系の膜（例えばH+センサ）
等が用いられるが、いずれの膜材料においても電気伝導
率が低く、PVC膜で〜10-6（Scm-1）、ガラス膜では〜10
-8（Scm-1）である。
なっており、参照電極ａ、標準電解溶液b,b′、塩橋
ｃ、試料溶液（被検液）ｄ、センサ本体ｅが直列回路を
形成しており、この回路内に発生する電位をリードｆを
介して直流電位差計ｇで検出するようになってい。そし
て上記センサ本体ｅに取付けられているイオン選択感応
膜ｈには、特定のイオンのみと錯形成する物質をPVC
（ポリ塩化ビニル）等の高分子膜に固定した有機系の膜
（例えば、K+、Ca2+、Na+、Mg2+などのセンサ）、複合
酸化物ガラス等を用いる無機系の膜（例えばH+センサ）
等が用いられるが、いずれの膜材料においても電気伝導
率が低く、PVC膜で〜10-6（Scm-1）、ガラス膜では〜10
-8（Scm-1）である。
〔発明が解決しようとする課題〕 上記従来のイオンセンサでは、センサ自身の持つ抵抗
値が高くなり、その結果次のような問題があった。
値が高くなり、その結果次のような問題があった。
（１）イオン選択感応部の有効面積を大きくしなければ
らず、小型化、微小化が困難である。
らず、小型化、微小化が困難である。
（２）高抵抗のため、高入力インピーダンスエレクトロ
メータ（直流電位差計）が必要となり、ノイズ除去の機
構が必要となる。
メータ（直流電位差計）が必要となり、ノイズ除去の機
構が必要となる。
（３）応答時間が長くかかる。
本発明は上記のことにかんがみなされたもので、イオ
ンセンサの微小化、小型化を図ることができ、また応答
時間を短縮することができその上、参照電極が不必要に
なって、構造が極めて簡単となり、経済性に優れたイオ
ンセンサを提供することを目的とするものである。
ンセンサの微小化、小型化を図ることができ、また応答
時間を短縮することができその上、参照電極が不必要に
なって、構造が極めて簡単となり、経済性に優れたイオ
ンセンサを提供することを目的とするものである。
上記目的を達成するために、本発明に係るイオンセン
サは、溶液中の様々な成分の中からある特定のイオンの
みを選択的に、かつ溶液中の濃度に応じた量だけ取込む
イオン選択感応部に電極を取付け、この電極にインピー
ダンスアナライザを接続した構成となっている。
サは、溶液中の様々な成分の中からある特定のイオンの
みを選択的に、かつ溶液中の濃度に応じた量だけ取込む
イオン選択感応部に電極を取付け、この電極にインピー
ダンスアナライザを接続した構成となっている。
上記構成のイオンセンサを被検液に浸漬してこれの電
極にインピーダンスアナライザにて交流電圧を印加し、
このときのイオン選択感応部の容量、抵抗、インピーダ
ンス等の物理量を測定し、この測定結果を、あらかじめ
作成してある検量線と照合して被検液中の特定イオンの
濃度を検出する。
極にインピーダンスアナライザにて交流電圧を印加し、
このときのイオン選択感応部の容量、抵抗、インピーダ
ンス等の物理量を測定し、この測定結果を、あらかじめ
作成してある検量線と照合して被検液中の特定イオンの
濃度を検出する。
従来のイオンセンサの測定方式は以下の通りである。
すなわち、注目するイオン種の濃度Ｃ（正しくは活量
ａ、ａ＝rC、r:活量係数）であるような試料溶液にイオ
ンセンサを浸漬すると、イオン選択感応膜が注目イオン
のみを選択的に、かつその濃度Ｃに対応するだけ取り込
み、試料溶液との間にＥなる電位を発生する。
ａ、ａ＝rC、r:活量係数）であるような試料溶液にイオ
ンセンサを浸漬すると、イオン選択感応膜が注目イオン
のみを選択的に、かつその濃度Ｃに対応するだけ取り込
み、試料溶液との間にＥなる電位を発生する。
ただし、R:気体定数 T:絶対温度（゜Ｋ） Z:注目イオンの価数 F:ファラディ定数 従来のイオンセンサが有する上記問題点は、高抵抗イ
オン選択感応膜に発生する上記直流電位を検出するとい
う原理に基づいている。
オン選択感応膜に発生する上記直流電位を検出するとい
う原理に基づいている。
イオン選択感応膜を構成する材料は、その内部に電流
の担い手となる電荷運搬体が十分に存在せず、従って直
流電位検出法では電流値が極めて小さく、かつ定常状態
に達するまでに長時間を要する、すなわち、応答時間が
長くなることを意味している。イオン選択感応膜材料
は、導電体と考えるより、誘電体、抵抗体と考えられ
る。
の担い手となる電荷運搬体が十分に存在せず、従って直
流電位検出法では電流値が極めて小さく、かつ定常状態
に達するまでに長時間を要する、すなわち、応答時間が
長くなることを意味している。イオン選択感応膜材料
は、導電体と考えるより、誘電体、抵抗体と考えられ
る。
本発明に係るイオンセンサは、上記のことから、検出
する物理特性として直流電位ではなく、交流印加による
容量抵抗インピーダンス等を採用した。
する物理特性として直流電位ではなく、交流印加による
容量抵抗インピーダンス等を採用した。
その場合、それらの物理量は、試料溶液中に含まれる
注目イオンの濃度Ｃに依存して変化することがセンサと
して不可欠条件であるが、イオン選択感応膜は濃度Ｃに
依存した量の注目イオンを膜内に取り込む能力を有して
おり、結果として膜の抵抗、容量なども膜内の注目イオ
ン量に応じて変化することになる。
注目イオンの濃度Ｃに依存して変化することがセンサと
して不可欠条件であるが、イオン選択感応膜は濃度Ｃに
依存した量の注目イオンを膜内に取り込む能力を有して
おり、結果として膜の抵抗、容量なども膜内の注目イオ
ン量に応じて変化することになる。
本発明の実施例を第１図を参照して説明する。
図中１はイオン選択感応膜であり、このイオン選択感
応膜１内に電極対となる２本のリード線2a,2bを所定の
間隔Ｗをあけて取付けてある。そしてその２本のリード
線2a,2bはインピーダンスアナライザ３に接続されてい
る。
応膜１内に電極対となる２本のリード線2a,2bを所定の
間隔Ｗをあけて取付けてある。そしてその２本のリード
線2a,2bはインピーダンスアナライザ３に接続されてい
る。
上記イオン選択感応膜１は従来のイオンセンサに用い
ているものと同様の材料でよく、注目する測定対象イオ
ン種に合わせて、高分子系材料、無機ガラス材料、無機
化合物材料、液膜材料等の中から任意に選定する。
ているものと同様の材料でよく、注目する測定対象イオ
ン種に合わせて、高分子系材料、無機ガラス材料、無機
化合物材料、液膜材料等の中から任意に選定する。
上記構成のイオンセンサは被検液である試料溶液４中
に浸漬してこの試料溶液４のイオン濃度を測定するが、
この測定に先立ってまず検量線を作成する。
に浸漬してこの試料溶液４のイオン濃度を測定するが、
この測定に先立ってまず検量線を作成する。
すなわち、上記構成におけるイオンセンサにあって
は、電極間隔Ｗ、取付けられているイオン選択感応膜１
の体積、形状、リード線2a,2bとの接合状態等の幾何学
的因子により容量、抵抗等は変化するため、あらかじめ
測定対象イオン濃度が既知で、かつ濃度レベルの異なる
数種類の溶液に常に一定深さＤだけ浸漬して容量等を計
測して検量線を作成しておく。
は、電極間隔Ｗ、取付けられているイオン選択感応膜１
の体積、形状、リード線2a,2bとの接合状態等の幾何学
的因子により容量、抵抗等は変化するため、あらかじめ
測定対象イオン濃度が既知で、かつ濃度レベルの異なる
数種類の溶液に常に一定深さＤだけ浸漬して容量等を計
測して検量線を作成しておく。
次に、試料溶液４中に上記実施例のイオンセンサを深
さＤだけ浸漬してインピーダンスアナライザ３にて交流
印加による容量等を計測し、この計測結果を上記検量線
に照合して濃度を割り出す。
さＤだけ浸漬してインピーダンスアナライザ３にて交流
印加による容量等を計測し、この計測結果を上記検量線
に照合して濃度を割り出す。
次にカリウムイオンセンサの例を以下に示す。
イオン選択感応膜として高分子系材料の中から以下の
物質、組成物を用いた。
物質、組成物を用いた。
PVC（ポリ塩化ビニル） :800mg（33.1wt％） Ｏ−NPOE（オルトニトロフェニルオクチルエーテル） :340mg（14.1wt％） DOS（ジオクチルセバケイト）:1260mg（52.1wt％） KTCPB（カリウムテトラキスクロロフェニルボレイト） :4mg（0.16wt％） Val（バリノマイシン） :12mg（0.5wt％） 上記の各物質を約10mlのTHF（テトラヒドロフラン）
に均一に攪拌溶解し、K+用イオン選択感応膜原液（Ｉ）
とした。
に均一に攪拌溶解し、K+用イオン選択感応膜原液（Ｉ）
とした。
次に直径が0.3mm、長さが200mmの銀線を２本用意し、
これで、イオン選択感応膜取付け部として間隔Ｗが1m
m、長さが20mmの平行部を作成し、この平行部に上記原
液（Ｉ）を塗布する。この原液（Ｉ）はやや粘性をおび
た液体であるが、空気中に放置しておくとTHFが揮発し
て体積収縮を生じるため、２本の銀線を第２図に示すよ
うに完全に覆うためには数回塗布する必要があった。
これで、イオン選択感応膜取付け部として間隔Ｗが1m
m、長さが20mmの平行部を作成し、この平行部に上記原
液（Ｉ）を塗布する。この原液（Ｉ）はやや粘性をおび
た液体であるが、空気中に放置しておくとTHFが揮発し
て体積収縮を生じるため、２本の銀線を第２図に示すよ
うに完全に覆うためには数回塗布する必要があった。
イオン選択感応膜１部のTHFを完全に揮発させた後、
濃度10-6Mから100Mまでの各KCl溶に常に一定の深さ10mm
浸漬して容量を測定し、検量線を作成した。その結果を
第３図に示す。
濃度10-6Mから100Mまでの各KCl溶に常に一定の深さ10mm
浸漬して容量を測定し、検量線を作成した。その結果を
第３図に示す。
この図において、K+濃度10-5Mから10-1Mの広範囲にわ
たり、直線関係が成立し、また妨害イオンであるNa+に
対しては殆ど応答しないことより、選択性に優れたK+セ
ンサであることがわかる。
たり、直線関係が成立し、また妨害イオンであるNa+に
対しては殆ど応答しないことより、選択性に優れたK+セ
ンサであることがわかる。
また応答時間もセンサ浸漬と同時にLCRメータにより
容量を読み取ることが可能であり、応答性も極めて良好
である。
容量を読み取ることが可能であり、応答性も極めて良好
である。
比較例 上記K+用イオン選択感応膜原液（Ｉ）を清浄なガラス
板上に展開し、THFを除去後得られたイオン選択感応膜
をガラス板よりはがして外径5mmのガラう管に取り付
け、標準電解質（0.1MKCl溶液）、リード線を取り付
け、第５図に示すようなイオンセンサを作成した。
板上に展開し、THFを除去後得られたイオン選択感応膜
をガラス板よりはがして外径5mmのガラう管に取り付
け、標準電解質（0.1MKCl溶液）、リード線を取り付
け、第５図に示すようなイオンセンサを作成した。
これを上記本発明の実施例と同様の方法で検量線を求
めた。その結果を第４図に示す。
めた。その結果を第４図に示す。
この図において、濃度と電位の直線性及びNa+に対す
る選択性は略満足なものであるが、応答時間は２〜５分
と長くかかり、この点で即時に応答する上記本発明の実
施例に及ばない。
る選択性は略満足なものであるが、応答時間は２〜５分
と長くかかり、この点で即時に応答する上記本発明の実
施例に及ばない。
本発明によれば、高抵抗のイオン選択感応膜を用いて
も、交流印加による容量等を測定するため、イオン選択
感応部の有効面積が小さくなり、イオンセンサの微小
化、小型化を図ることができる。また応答時間を短縮す
ることができる。またその上、参照電極が不要となっ
て、構造が極めて簡単になり、経済性に優れたイオンセ
ンサを得ることができる。
も、交流印加による容量等を測定するため、イオン選択
感応部の有効面積が小さくなり、イオンセンサの微小
化、小型化を図ることができる。また応答時間を短縮す
ることができる。またその上、参照電極が不要となっ
て、構造が極めて簡単になり、経済性に優れたイオンセ
ンサを得ることができる。
また本発明によれば、イオン選択感応部内に、電極対
となる２本のリード線を所定の間隔をあけて取付けたこ
とにより、この２本のリード線間の抵抗は常時一定とな
り、両リード線間の容量変化の測定において、両リード
線間の抵抗値の変化を考慮しないですみ、様々のイオン
濃度の測定を精度よく行うことができる。
となる２本のリード線を所定の間隔をあけて取付けたこ
とにより、この２本のリード線間の抵抗は常時一定とな
り、両リード線間の容量変化の測定において、両リード
線間の抵抗値の変化を考慮しないですみ、様々のイオン
濃度の測定を精度よく行うことができる。
第１図は本発明の実施例を示す構成説明図、第２図は第
１図のII−II線に沿う断面図、第３図は本発明の実施例
における検量線図、第４図は比較例における検量線図、
第５図は従来例を示す構成説明図である。 １はイオン選択感応膜、2a,2bはリード線、３はインピ
ーダンスアナライザ、４は試料溶液。
１図のII−II線に沿う断面図、第３図は本発明の実施例
における検量線図、第４図は比較例における検量線図、
第５図は従来例を示す構成説明図である。 １はイオン選択感応膜、2a,2bはリード線、３はインピ
ーダンスアナライザ、４は試料溶液。
Claims (1)
- 【請求項１】溶液中の様々な成分の中からある特定のイ
オンのみを選択的に、かつ溶液中の濃度に応じた量だけ
取込むイオン選択感応部内に、２本のリーク線を所定の
間隔Ｗをあけて取付け、上記リード線をインピーダンス
アナライザに接続したことを特徴とするイオンセンサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1145424A JP2549311B2 (ja) | 1989-06-09 | 1989-06-09 | イオンセンサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1145424A JP2549311B2 (ja) | 1989-06-09 | 1989-06-09 | イオンセンサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0312549A JPH0312549A (ja) | 1991-01-21 |
| JP2549311B2 true JP2549311B2 (ja) | 1996-10-30 |
Family
ID=15384931
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1145424A Expired - Lifetime JP2549311B2 (ja) | 1989-06-09 | 1989-06-09 | イオンセンサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2549311B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB9922142D0 (en) * | 1999-09-21 | 1999-11-17 | Secr Defence Brit | Electrochemical monitor |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH01142454A (ja) * | 1987-11-28 | 1989-06-05 | Makoto Takagi | 交流検出型化学物質計測法 |
-
1989
- 1989-06-09 JP JP1145424A patent/JP2549311B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0312549A (ja) | 1991-01-21 |
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