JP2698808B2 - イオンセンサ - Google Patents

イオンセンサ

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JP2698808B2
JP2698808B2 JP2121138A JP12113890A JP2698808B2 JP 2698808 B2 JP2698808 B2 JP 2698808B2 JP 2121138 A JP2121138 A JP 2121138A JP 12113890 A JP12113890 A JP 12113890A JP 2698808 B2 JP2698808 B2 JP 2698808B2
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403Cells and electrode assemblies

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は医療計測(臨床検査),水質検査,食品工業
や化学工業におけるプロセス管理などに利用されるイオ
ンセンサに関する。
[従来の技術] 試料液中のイオンを検出する場合,イオン選択性電極
を用いるイオン電極法がある。ここで,イオン選択性電
極とは,溶液中の陰陽イオン活量(熱力学的補正濃度)
に応じて電位差を検出するための電極をいい,特定のイ
オン種に選択的に感応するイオン感応体(膜)を備えた
ものをいう。
しかし,このイオン電極法による測定では,別体に存
在するイオン選択電極と参照電極とを要し,しかも各電
極について内部液を用いるタイプが多い。そのため,電
極が大きくなってしまい,測定試料を多量に必要とす
る。また,内部液を無くして感応膜に直接リード線をつ
けて電位をとり出そうとすると,応答時間が長くなった
り,変動が大きくなってしまい,安定した測定値が得ら
れない。内部液を要するものは,その補充や保管状態に
気を配る必要もある。
[発明が解決しようとする課題] そのため,本発明は,イオン選択電極及び参照電極の
内部液をなくして電極の小型化を行ない,両電極を一体
化することによって微量の測定試料でも測定できる様に
すること,また,この時の応答出力の変動を小さく抑え
ると共に,応答時間の短縮を図ること,また,メンテナ
ンスフリーのセンサを得ること,を課題とする。
[課題を解決するための手段] そこで,本発明は係る課題を下記手段によって解決し
た。
即ち,第1の視点によれば,本発明のイオンセンサは
イオン選択性電極部と参照電極部とを一の絶縁性支持体
に保持してなるイオンセンサであって,イオン選択性電
極部が,測定イオン接触側より,イオン感応体としての
固体電解質セラミックス,固体電解質の伝導イオンのハ
ロゲン化物と内部電極用金属のハロゲン化物との固溶
体,及び内部電極を存在させてなり,参照電極部が,測
定イオン接触側より,Ia族又はIIa族金属のハロゲン化物
と内部電極用金属のハロゲン化物との固溶体,及び内部
電極を存在させてなることを特徴とする。
又,第2の視点によれば,本発明のイオンセンサは前
記イオン選択性電極部について,固体電解質セラミック
スよりも測定イオン接触側に,イオン感応体としてのイ
オノフォアを存在させることを特徴とする。
[作用] イオン選択性電極部のイオン感応体が固体電解質セラ
ミックスの場合(第1の視点),その伝導性イオン種に
応じたイオン応答を示す。即ち,例えばナトリウムイオ
ン導電性セラミックスの場合は,Naイオン濃度に対する
電位を得ることができる。また,固体電解質セラミック
スの表面に更にイオン感応体としてイオノフォアを存在
させた場合(第2の視点)は,そのイオノフォアの性質
に応じて種々のイオン,例えばNaイオン,Kイオン,Liイ
オン,Caイオン,NH4イオン,Mgイオン等の陽イオン,更
に硝酸イオン,硫酸イオン,塩素酸イオン等の陰イオン
の濃度に対応した電位を得ることができる。
この場合,イオン選択性電極部及び参照電極部に夫々
存在するハロゲン化物固溶体によって,電位を素早く安
定化させ,しかもそのばらつきを殆んど生じない。ま
た,イオン選択性電極部及び参照電極部に,夫々,同種
(一種又は二種以上)ハロゲンを用いているので,固体
電解質セラミックスの伝導イオン種と内部電極用金属と
の間で可逆的平衡状態を得やすい。
本構成のセンサを用いることにより,測定液との接触
(浸漬又は滴下)後,定常電位が得られるまでの時間
(応答時間)が短縮される。また,応答性が良いので,
初期の出力変動が小さく抑えられる。更に,全固体型の
センサであるので,小型化が容易であり,微量の試料で
測定が可能になると共に,1つのセンサ内に多種のイオン
電極を設けたマルチイオンセンサとして用いることもで
きる。
[好適な手段] イオン選択性電極部に存在するハロゲン化物固溶体は
安定な電位を得るため,固体電解質セラミックスの伝導
イオンのハロゲン化物と内部電極用金属のハロゲン化物
との固溶体とされる。この場合,伝導イオンと内部電極
用金属との間で可逆的平衡状態を得やすくするため,固
溶体のハロゲンは同種のものとされる。例えば,伝導イ
オンがNaイオンであって内部電極用金属がAgである場
合,NaF+AgF固溶体,NaCl+AgCl固溶体,NaBr+AgBr固溶
体,NaI+AgI固溶体を好ましく使用できる。
一方,参照電極部に存在するハロゲン化物固溶体つい
てはIa族又はIIa族金属のハロゲン化物と内部電極用金
属のハロゲン化物との固溶体とされる。この場合も,平
衡状態を得やすくするため,固溶体のハロゲンは同種の
ものとされる。また,Na,Kのハロゲン化物を用いた場合
に最も電位が安定しており,応答性も良いが,用途(測
定イオン)によってはLi,Ca等のハロゲン化物を用いる
ことも可能である。参照電極は,測定イオンの濃度によ
らず一定の電位を示すため,例えばNa+が測定イオンの
場合にもKのハロゲン化物の固溶体を用いて差支えな
い。又,Na+以外の測定イオンの場合でもNa,Kのハロゲ
ン化物を用いることが,安定性,応答性の見地から好ま
しい。従って,内部電極用金属がAgである場合,NaF+Ag
Fの固溶体,NaCl+AgClの固溶体,NaBr+AgBrの固溶体,Na
I+AgIの固溶体,KF+AgFの固溶体,KCl+AgClの固溶体,K
Br+AgBrの固溶体,KI+AgIの固溶体を好ましく使用でき
る。
イオン選択性電極部のハロゲン化物固溶体と参照電極
部のハロゲン化物固溶体とは同一組成のものが好ましい
が,異なった組成のものでも差し支えない。
固体電解質セラミックスは,一般にその伝導イオン種
に応じたイオン応答を示すものであるが,本発明ではこ
の固体電解質セラミックスとして緻密な膜となり測定液
中でも安定なものを好ましく使用できる。特に,Na+
導性セラミックス,例えばNa−β−アルミナないしはNa
−β″−アルミナ,Na1+XZr2SiXP3-XO12(0≦x≦3)
で表わされるいわゆるNASICON等が優れている。尚,固
体電解質セラミックスの相対密度は95%以上好ましくは
99%以上,又平均結晶粒径は10μm以下好ましくは5μ
m以下にするとよい。
又,固体電解質セラミックスの表面に更にイオノフォ
アを存在させる場合,このイオノフォア(イオン輸送担
体)としては通常のものを広く使用できる。即ち,天然
物質特に生理活性物質としてのバリノマイシン,モネシ
ン,ロドプシン,ノナクチン,モナクチン,又合成物質
としてのクラウンエーテル(一群の大環状ポリエーテ
ル),更には非環状のノニルフェノキシポリエタノール
等であり,これらの一種又は所望により二種以上の混合
物として使用する。イオノフォアは通常の如く高分子膜
例えばポリ塩化ビニル(PVC),ポリ酢酸ビニル,シリ
コーンゴムに分散保持せしめたり,固体電解質セラミッ
クスの表面を比較的多孔質のものとしそれに保持させて
るとよい。
この場合,イオノフォアがイオン選択性であり,これ
によって応答イオンが決まってくるので,固体電解質セ
ラミックスについては測定イオンに対応したイオン伝導
性を示すものを選択する必要はない。
内部電極としては,Ag,Au,Pt,アマルガム等を用いるこ
とができる。しかし,Au,Ptはコスト,安定性の面で,ま
たアマルガムは安全面の問題があるため,Ag電極が最も
好ましい。
イオン選択性電極部及び参照電極部を構成する各要素
(固体電解質セラミックスなどイオノフォアを除く各要
素)は応答性を阻害しないために融着状態で存在させる
ことが好ましい。また,それらの厚みについては,ハロ
ゲン化物固溶体50μm〜2mm,固体電解質セラミックス50
μm〜2mm,イオノフォア1μm〜500μm,内部電極10μ
m以上程度にするとよい。
また,イオン選択性電極部及び参照電極部は一の絶縁
性支持体例えばセラミックス,樹脂等の高分子物質に埋
込み状態で備えられる(第1〜3図)。従って,従来イ
オン選択性電極と参照電極とを別体に構成していたもの
に比べて小型化でき,微量の試料での測定が可能とな
る。
本発明のイオンセンサは各種のイオン濃度(活量)測
定に広く適用可能である。即ち,Na+,K+に限定されず,
陽イオン全てに適用可能であり,更に硝酸イオン,硫酸
イオン,塩素酸イオン等の陰イオンにも適用可能であ
る。
測定に際しては,このセンサを測定液中に浸してもよ
いし(第5図),またイオン選択性電極部及び参照電極
部が同時に測定液に接するように滴下してもよい(第4
図)。
[実施例] 実施例1 ナシコン焼結体(組成式Na3Zr2Si2PO12)の板φ5×t
0.5mmを用意する。
NaClとAgClをモル比1:1で十分に混合し,φ 5×t1mmのペレットにプレス成形する。
あらかじめアルミナ絶縁基板上にメタライズされた銀
電極の一方に,のペレットとのナシコン板を,もう
一方にはのペレットのみをそれぞれ積み重ねる。
の積層物に600℃,30minの熱処理を施こしてNaClとA
gClの固溶体を形成すると共に,各積層物を順次銀電極
上に融着させる。
イオン電極側のナシコン板及び参照電極側の(NaCl,A
gCl)固溶体の最表面の一部を残してエポキシ樹脂にて
封止する。
以上の様にしてナトリウムイオンセンサを作成した
(第1図,第2図)。
実施例2 バリノマイシン1重量部, ポリ塩化ビニル17重量部, ジオクチルアジペート82重量部, をテトラヒドロフランに溶解し,実施例1と同様に作成
したセンサのイオン選択性電極部に滴下し,乾燥させる
ことにより,イオノフォア(バリノマイシン)含有高分
子膜で被覆して,カリウムイオンセンサを作成した(第
3図)。
実施例1,2のイオンセンサを用いてポテンショメトリ
ー測定を行ない(例えば第4図),Naイオン及びKイオ
ンに対する応答を調べた結果,各々1〜1000mmol/lの濃
度範囲においてネルンストの式に合う直線応答が得られ
た(第6図,第7図)。また,その時の応答時間も10秒
以内で一定となった。各々3個のセンサを作成して得た
検量線のバラツキ(変動)もほとんど見られなかった。
尚,実施例2においてNa+伝導性のナシコン(固体電解
質セラミックス)はバリノマイシン(イオノフォア)の
K+応答を妨害することはなかった。
尚,第1〜3図において,1はイオン選択性電極部(内
部電極(Ag)1a,ハロゲン化物固溶体1b,固体電解質セラ
ミックス1cから成る),2は参照電極部(内部電極2a,ハ
ロゲン化物固溶体2bから成る),3は絶縁性支持体,4はリ
ード,5はリード端子を示し;第4図において,Aはイオン
センサ,Bは測定液,6はエレクトロメータ,7はマグネチッ
クスターラ,8は撹拌子を示す。
この構成のセンサは,上記の基板を用いた平板状セン
サの他,筒状,針状等のセンサも作成可能である。ま
た,1つのセンサ(絶縁体)内に多数の固体電解質セラミ
ックス膜電極を形成し,その各々に異なったイオノフォ
アを存在させることによって,マルチイオンセンサを構
成することも可能である。この場合,固体電解質セラミ
ックスは1種類のものを使用し,イオノフォアを異なら
せるだけで良い。
[発明の効果] 本発明のイオンセンサは,全固体型であって,イオン
選択性電極と参照電極とが一体化されたイオンセンサと
なることにより, 応答時間が短かく,かつ応答のばらつき(変動)が少
ない応答性に優れたものであり, 小型化が容易であり,微量の測定試料についても検出
でき, 平板状,筒状,針状等さまざまな形状のものが可能で
あり,測定分野・対象に応じて最適なものを選択して使
用でき, メンテナンスが極めて簡便であり, 測定にあたり即時使用が可能である。
また,本構成のセンサでは, 多機能のマルチセンサへの応用が可能であり, イオノフォア含有高分子膜を換えれば,さまざまなイ
オンを検出できるイオンセンサとして使用可能である。
【図面の簡単な説明】
第1,2図は実施例1のイオンセンサを示す模式図であっ
て,第1図はその平面図,第2図はその断面図, 第3図は実施例2のイオンセンサを示す断面模式図, 第4,5図は本発明のイオンセンサを用いてなるイオン濃
度測定方法の例を示す概略図であって第4図は測定液を
滴下するもの,第5図は測定液に浸漬するもの,そして 第6,7図は実施例1,2のイオンセンサを用いた測定試験に
おいてイオン濃度に基づく電位変化を示すグラフであっ
て,第6図は実施例1(Naイオンセンサ)に係るもの,
第7図は実施例2(Kイオンセンサ)に係るもの, を夫々表わす。 1……イオン選択性電極(部) 1a……内部電極 1b……ハロゲン化物固溶体 1c……固体電解質セラミックス 2……参照電極(部)、2a……内部電極 2b……ハロゲン化物固溶体

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】イオン選択性電極部と参照電極部とを一の
    絶縁性支持体に保持してなるイオンセンサであって, イオン選択性電極部が,測定イオン接触側より,イオン
    感応体としての固体電解質セラミックス,固体電解質の
    伝導イオン及び内部電極用金属のハロゲン化物固溶体,
    及び内部電極を存在させてなり, 参照電極部が,測定イオン接触側より,Ia族又はIIa族金
    属のハロゲン化物と内部電極用金属のハロゲン化物との
    固溶体,及び内部電極を存在させてなる, ことを特徴とするイオンセンサ。
  2. 【請求項2】イオン選択性電極部と参照電極部とを一の
    絶縁性支持体に保持してなるイオンセンサであって, イオン選択性電極部が,測定イオン接触側より,イオン
    感応体としてのイオノフォア,固体電解質セラミック
    ス,固体電解質の伝導イオン及び内部電極用金属のハロ
    ゲン化物固溶体,及び内部電極を存在させてなり, 参照電極部が,測定イオン接触側より,Ia族又はIIa族金
    属のハロゲン化物と内部電極用金属のハロゲン化物との
    固溶体,及び内部電極を存在させてなる, ことを特徴とするイオンセンサ。
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