JP2935768B2 - イオン電極 - Google Patents

イオン電極

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JP2935768B2
JP2935768B2 JP4078759A JP7875992A JP2935768B2 JP 2935768 B2 JP2935768 B2 JP 2935768B2 JP 4078759 A JP4078759 A JP 4078759A JP 7875992 A JP7875992 A JP 7875992A JP 2935768 B2 JP2935768 B2 JP 2935768B2
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淳一 徳本
隆史 加藤
汀 安藤
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【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電極に関する。
【0002】
【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)に応じた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。
【0003】従来のイオン選択性電極は内部液を必要と
するタイプが多く、電極が大きくなってしまい、測定溶
液を多量に必要とする。これに対して、イオン検出部
(感応膜)に固体電解質などの固体膜を用いて内部液を
必要としない全固体型もある。この場合、感応膜に直接
リード線をつけて電位をとり出す方法と、内部液の代わ
りにイオンブリッジと呼ばれる固体の内部電解質層を介
してリード線をつけて電位をとり出す方法がある。前者
は、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。
【0004】ファブリ他(P.Fabry et al)の論文“Inter
nal Ionic Bridge for Ion Solid State Sensors”, Pr
oc. of 2nd Int. Meeting on Chemical Sensors, Borde
au 1986, 5-02, 473〜476頁は、固体電解質たるナシコ
ン(NASICON)を固体膜として用い、Naイオン及びM
(Cu,Ag)イオンでドープしたポリエチレンオキサ
イド(PEO)ポリマをイオンブリッジに用いたものを
提案している。これにより下記の電気化学式チェインが
生ずる。
【0005】
【化1】
【0006】ファブリ他の論文「NASICON, an ionic co
nductor for solid-state Na+-selective electrode」,
Sensors and Actuators 15(1988), 33〜49頁はさらにN
ASICONを固体膜とするNaイオンセンサセルアセンブリ
を開示している。このセルアセンブリはナシコンペレッ
トとAg又はAg−Cd合金のリード電極との間に介装
された溶融塩イオンブリッジからなり、このイオンブリ
ッジは、溶融・冷却によって両側の層にボンドされてい
る。イオンブリッジは固体膜から内部の金属導電体(リ
ード電極、内部電極を成す)へのイオン伝導性中間層を
成し、Na、Agイオン伝導性をAgCl−NaCl系
又はAgI−NaI系イオンブリッジによって備え、夫
々最大偏位20mVないし40mVを示す。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】安定な電位を得るため
に、Na及びMの塩(ヨウ化物)をドープしたPEOポ
リマ組成物を用いるか、又は塩又はその溶融物(固溶
体)を用いてイオンブリッジ層を構成するが、これらの
イオンブリッジは固体電解質感応膜及びリード電極との
密着性が悪く、機械的強度に劣る。このことが個体間で
の出力電圧のばらつきの原因となっている。
【0008】本発明は、上述の問題を解消し、個体間で
のばらつきを生ずることなく安定した出力を得られる新
規なイオン電極を創出することを課題とする。さらに本
発明は、その耐久寿命の長いものを得ることも第2の課
題とする。
【0009】
【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。
【0010】すなわち、本発明のイオン電極は、測定イ
オン接触側より、イオン感応膜としての固体電解質、イ
オンブリッジ層及び内部電極を存在させてなり、そのう
ちのイオンブリッジ層が電気伝導性樹脂組成物に塩、固
溶体及び固体電解質のうち少なくとも1つを混入してい
ることを特徴とする。
【0011】
【作用】電気伝導性樹脂組成物の持つ流動性により、固
体電解質感応膜へのイオンブリッジ層の塗布作業が可能
となる。これによって微小な面積の固体電解質感応膜で
もイオンブリッジ層が容易に接着でき、電極の小型化が
可能である。また、電気伝導性樹脂組成物は加熱操作に
より反応熟成されると共に揮発成分が消散されるので、
固体電解質感応膜とイオンブリッジ層の密着性を高くす
ることができる。さらに、塩でドープされたPEOポリ
マのみでイオンブリッジ層を構成すると、既述の通り個
体間の検出電圧にばらつきが生じるが、本発明では電気
伝導性樹脂組成物を用いこれに塩、固溶体(溶融物)及
び固体電解質のうち少なくとも1つを混入しているの
で、固体電解質感応膜の伝導イオン種との間で可逆的平
衡状態を得やすくなり、個体間の検出電圧のばらつきを
低減することができる。
【0012】
【好適な手段】電気伝導性樹脂組成物は固体電解質及び
リード電極金属に強い結合を生ずる接着性樹脂に金属、
炭素などの粉状導電性物質を混合したものである。特
に、当初はペースト状で流動性が良好なもので、熱処理
によって揮発成分が消散されると共に反応熟成される熱
硬化性樹脂例えばエポキシ樹脂、フェノール樹脂に導電
性物質を混合したものが好ましい。混入する塩、固溶体
及び固体電解質の電気伝導性樹脂に対する比は、重量比
で1/10以上5以下、好ましくは1/1が良い。塩な
どが少なすぎると個体間の検出電圧のばらつき低減作用
が不十分となり、一方多すぎるとペーストの流動性が劣
化し塗布作業が困難となり感応膜との密着性も悪くな
る。
【0013】粉状導電性物質は、電気伝導性樹脂組成物
に10〜60重量%、好ましくは20〜50wt%、含
有される。カーボン粉末(グラファイト粉末でもよい)
が最も好ましく、粉末粒径は二次粒子径で約0.1μm
(通例粒径20〜30nmの1次粒子が6〜7個凝集し
たものでよい)のものが好ましい。電気伝導性樹脂組成
物に用いる樹脂としては、さらに、不飽和ポリエステル
系樹脂、アクリル系樹脂、ウレタン系樹脂等、初期に流
動性があり加熱により反応熟成(ないし硬化)して接着
力の高いものから、選択して用いることができる。なお
耐水性も備えることが当然好ましい。
【0014】電気伝導性樹脂組成物に混入する塩は、安
定な電位を得るため固体電解質感応膜の伝導イオンのハ
ロゲン化物、または内部電極用金属のハロゲン化物が好
ましい。例えば、固体電解質感応膜の伝導イオンがNa
イオンである場合、NaF、NaCl、NaBr、Na
Iを好ましく利用でき、内部電極用金属がAgである場
合、AgF、AgCl、AgBr、AgIを好ましく利
用できる。また、2種類以上の塩を混入しても差し支え
ない。
【0015】電気伝導性樹脂組成物に混入する固溶体
は、安定な電位を得るため固体電解質感応膜の伝導イオ
ンのハロゲン化物と内部電極用金属のハロゲン化物の固
溶体が好ましい。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
を好ましく利用できる。ここに固溶体とは、溶融生成物
のことを言う。
【0016】電気伝導性樹脂組成物に混入する固体電解
質は、安定な電位を得るため感応膜に用いる固体電解質
の伝導イオンを伝導するものを使用するのが好ましい。
例えば、感応膜の固体電解質の伝導イオンがNaイオン
である場合、混入する固体電解質はNa−β−アルミナ
ないしはNa−β”−アルミナ、Na1+xZr2Six
3-x12(0≦x≦3)で表わされるいわゆるNASIC
ONなどを好ましく使用できる。
【0017】また、塩、固溶体及び電解質のうちのいく
つかを選んで混合し、これを電気伝導性樹脂組成物に混
入してもよい。例えば、NaClとNASICONを混
合し、これを電気伝導性樹脂組成物に混入することもで
きる。 尚、これらの塩、固溶体及び電解質は粉末状
で、平均粒径は50μm以下好ましくは10μm以下に
すると良い。
【0018】固体電解質感応膜は、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
はこの固体電解質感応膜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イオ
ン伝導性セラミックス、例えば、Na−β−アルミナな
いしはNa−β”−アルミナ、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
%以定好ましくは99%以上、また平均結晶粒径は10
μm以下好ましくは5μm以下にすると良い。本発明の
イオン電極はNaイオンの他、各種イオンの活量測定に
適用可能である。
【0019】
【実施例】
【実施例1】 ナシコン焼結体(組成式Na3Zr2Si2PO12
粉末を成形後焼結したもの)の板φ5×t0.5mmを
用意する。
【0020】 電気伝導性樹脂組成物としてフェノー
ル樹脂にカーボンを混合したカーボンペースト(例え
ば、藤倉化成(株)製商品名「DOTITE」)を用意
し、このカーボンペーストとAgCl粉末を重量比1:
1で十分に混合する。
【0021】 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に、のペーストを塗布してその上
にのナシコン板を重ねる。
【0022】 の積層物に150℃、30minの
熱処理を施してのペーストの硬化を行ない、積層物を
銀電極上に接着させる。
【0023】 ナシコン板の最表面の約25%面積を
露出させるようにしてエポキシ樹脂にて封止する。
【0024】以上の様にして電気伝導性樹脂組成物に塩
を混入したイオンブリッジ層と、固体電解質セラミック
スであるナシコン板を用いてナトリウムイオン電極を作
製した(図1、図2)。
【0025】
【実施例2】NaClとAgClをモル比1:1で十分
に混合し、580℃、1hrの熱処理を施してNaCl
とAgClの固溶体を形成し、これを粉砕して粉末状に
したものを実施例のAgClに代えて混入して、ナトリ
ウムイオン電極を作製した。
【0026】
【実施例3】NaClとナシコンの各粉末を重量比1:
1で十分に混合したものを実施例1のAgClに代えて
混入して、ナトリウムイオン電極を作製した。
【0027】実施例1、2、3のナトリウムイオン電極
を用いてポテンショメトリー測定を行ない(例えば図
3)、Naイオンに対する応答を調べた結果、各々1〜
1000mmol/1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(図4、図5、図6)。また、
その時の応答時間も30秒以内で検出電圧は一定となっ
た。各々3個のイオン電極を作製して得た検量線のばら
つきもほとんど見られなかった。即ち、実施例1のイオ
ン電極では出力電圧のばらつき2mV以内、実施例2、
3のイオン電極についても出力電圧のばらつき5mV以
内であった。これに対して、イオンブリッジ層をカーボ
ン含有電気伝導性樹脂組成物のみで構成した比較例で
は、出力電圧のばらつきが50mVにも及んだ。
【0028】尚、図1〜図3において、1はイオン選択
性電極部(内部電極(Ag)1a、イオンブリッジ層1
b、イオン感応膜1cから成る)、2はリード、3はリ
ード端子、4は絶縁性支持体、5は封止部材(エポキシ
樹脂)を示し;図3において、Aはイオン電極、Bは市
販参照電極、C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は攪拌子を示す。
【0029】
【発明の効果】本発明(請求項1)のイオン電極は、全
固体型であって、塩、固溶体及び固体電解質のうち少な
くとも1つを混入した電気伝導性樹脂組成物をイオンブ
リッジ層とすることにより、 個体間の検出電圧のばらつきが極めて少ないもので
あり、 小型化が容易であり、微量の測定液についても検出
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、 メンテナンスが簡単である。
【0030】請求項2〜4の構成により、イオンブリッ
ジ層の好適な態様を示す。請求項5の構成により、電気
伝導性樹脂組成物の好適な態様を示す。本発明によれば
イオン電極の耐久性も増大する。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1〜3のイオンブリッジ層を用いたイオ
ン電極を示す模式図(平面図)
【図2】実施例1〜3のイオンブリッジ層を用いたイオ
ン電極を示す模式図(断面図)
【図3】本発明のイオンブリッジ層の使用例として作製
した全固体型イオン電極を用いてなるイオン濃度測定法
の例を示す概略図
【図4】実施例1のイオンブリッジ層を使用して作成し
たイオン電極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
【図5】実施例2のイオンブリッジ層を使用して作成し
たイオン電極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
【図6】実施例3のイオンブリッジ層を使用して作成し
たイオン電極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
【符号の説明】
A イオン電極 1 イオン選択性電極部 1a 内部電極 1b イオンブリッジ層 1c イオン感応膜
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−100369(JP,A) 特開 昭62−265559(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01N 27/333

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】測定イオン接触側より、イオン感応膜とし
    ての固体電解質、イオンブリッジ層及び内部電極を存在
    させてなり、イオンブリッジ層が電気伝導性樹脂組成物
    に塩、固溶体及び固体電解質のうち少なくとも1つを混
    入してなることを特徴とするイオン電極。
  2. 【請求項2】イオンブリッジ層の塩が、イオン感応膜と
    しての固体電解質の伝導イオンのハロゲン化物、又は内
    部電極用金属のハロゲン化物であることを特徴とする請
    求項1記載のイオン電極。
  3. 【請求項3】イオンブリッジ層の固溶体が、イオン感応
    膜としての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の固溶体であることを特徴
    とする請求項1記載のイオン電極。
  4. 【請求項4】イオンブリッジ層の固体電解質が、イオン
    感応膜としての固体電解質の伝導イオンと同一の伝導イ
    オンを伝導するものであることを特徴とする請求項1記
    載のイオン電極。
  5. 【請求項5】イオンブリッジの電気伝導性樹脂組成物が
    カーボン含有の接着性樹脂組成物から本質上成ることを
    特徴とする請求項1〜4記載のイオン電極。
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