JP6783704B2

JP6783704B2 - 陰イオン選択性電極及びその製造方法

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Publication number: JP6783704B2
Application number: JP2017108426A
Authority: JP
Inventors: 淳史岸岡; 哲義小野
Original assignee: Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2017-05-31
Filing date: 2017-05-31
Publication date: 2020-11-11
Anticipated expiration: 2037-05-31
Also published as: JP2018205034A

Description

本発明は、陰イオン選択性電極及びその製造方法に関する。

イオン選択性電極は、液中の特定のイオン濃度を選択的に定量できるため、水質分析や医療分野などの広い分野で使用されている。特に、医療分野では、生体の代謝反応とイオン濃度との間に密接な関係があるため、血液や尿などの生体試料中に含まれる特定のイオンを定量することで、高血圧症状、腎疾患、神経障害などを診断することができる。臨床検査において多数の検体を連続して分析する必要があるため、イオン選択性電極を搭載した高スループットの自動分析装置又は電解質濃度測定装置が日常的に使われている。

測定項目として、主にナトリウムイオン、カリウムイオンなどの陽イオンと塩素イオンなどの陰イオンが測定されている。陽イオンに関しては、クラウンエーテルやバリノマイシンなど特定の陽イオンを選択的に補足するがそれ自体は電荷を持たないニュートラルキャリア分子が見出されている。ナトリウムやカリウムなどの陽イオン選択性電極のイオン感応膜には一般的にこれらのニュートラルキャリア分子を含む膜が使用されており、当該イオン感応膜は高いイオン選択性を有している。一方で、陰イオンに関しては、高スループットの速い応答性が求められる自動分析装置のイオン選択性電極に適したニュートラルキャリアはなく、種々の構成のイオン感応膜が用いられている。

例えば、特許文献１には、陰イオン交換膜をベースとし、その表面にメタフェニレンジアミンとホルムアルデヒドとの縮合物を被覆させた塩素イオン感応膜が記載されている。

また、特許文献２には、４級アンモニウムイオンを含むエポキシ樹脂をベースとした陰イオン感応膜が記載されている。

さらに、非特許文献１には、４級アンモニウムイオンを含むエポキシ樹脂をベースとした陰イオン感応膜について、可塑剤を加えることで、測定電位が安定するまでの時間（プレコンディショニング時間）を３時間以上から数分に短縮することが開示されている。

特許第３８１２０４９号公報特開２００３−２１５０８７号公報

Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．２００４，７６，４２１７−４２２２

自動分析装置の分析対象である血液には、陰イオンとして、塩素イオンの他に重炭酸イオンが多く含まれる。例えば、塩素イオン選択性電極を用いて、塩素イオン濃度を定量する際、重炭酸イオンに対しては感度が低く、塩素イオンに対しては感度の高い特性、つまり塩素イオン選択性に対して重炭酸イオン選択性が低いことが必要となる。キャリブレーションや濃度計算などによって補正することで妨害イオンの影響を低減する方法もあるが、より正確に塩素イオン濃度を測定するためには、より高いイオン選択性が求められる。

上記の非特許文献１のように、エポキシ樹脂をベースとしたイオン感応膜のイオン選択性は優れているが、当該イオン感応膜を装置に搭載してから測定電位が安定するまでに時間がかかる。実際に、自動分析装置では、電極を搭載してから数分〜数十分で測定が始まるため、電位が安定するまでの時間は早いほうが良い。非特許文献１では可塑剤又は溶剤を膜成分として加えることで、電位安定化までの時間を短縮できることを示しているが、可塑剤又は溶剤などの低分子量成分は、膜中に固定化されていないため、保管中や使用中に成分が抜け出し、電極性能が変化することが懸念される。

一方、イオン交換膜をベースとしたイオン感応膜は、高密度の固定電荷を有しており、含水しやすい。そのため、このイオン感応膜に関しては、電位が安定するまでの時間が短いが、イオン選択性が乏しい。そのため、特許文献１では、メタフェニレンジアミンとホルムアルデヒドの縮合物で被覆することでイオン選択性を向上させている。自動分析装置用のイオン選択性電極としては十分な性能を有しているが、更なるイオン濃度測定の分析精度及び信頼性の向上には、イオン選択性電極のイオン選択性及び長期安定性の向上が必要であった。

そこで、以下では、高いイオン選択性を有し、電位が安定するまでの時間が短い陰イオン選択性電極及びその製造方法を開示する。

例えば、上記課題を解決するために、特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例をあげるならば、内部液を入れる空間を有する電極筐体と、前記内部液に接する内部電極と、第１面と、前記第１面に対して反対側に位置する第２面とを有し、前記内部液と試料液との間に配置された陰イオン交換膜と、を有し、前記内部液は、前記陰イオン交換膜の前記第１面の一部に接し、前記陰イオン交換膜の前記第２面の一部は、前記試料液と接することができるように露出しており、前記陰イオン交換膜は、陰イオン交換樹脂膜を有し、前記陰イオン交換膜の前記第２面の少なくとも一部がエポキシアミン樹脂で被覆されている、陰イオン選択性電極が提供される。

また、他の例によれば、電極筐体に設けられた開口部を塞ぎ、かつ、試料液に接することができるように陰イオン交換膜を前記電極筐体に配置する工程であって、前記陰イオン交換膜は、陰イオン交換樹脂膜を有する、配置する工程と、前記電極筐体の内部を内部液で充填する工程と、前記内部液に接するように内部電極を前記電極筐体に取付ける工程とを含み、前記配置する工程の前、又は、前記配置する工程の後において、前記陰イオン交換樹脂膜の前記試料液に接触する側の表面にエポキシアミン樹脂を塗布するステップと、前記エポキシアミン樹脂を硬化させるステップとを含む陰イオン選択性電極の製造方法が提供される。

本発明によれば、高いイオン選択性を有し、電位が安定するまでの時間が短い陰イオン選択性電極及びその製造方法を提供することができる。本発明に関連する更なる特徴は、本明細書の記述、添付図面から明らかになるものである。また、上記した以外の、課題、構成及び効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。

一実施例のフロー型陰イオン選択性電極の正面図である。図１のＡ−Ａ’断面の模式図である。図２のＢ−Ｂ’断面の模式図である。一実施例のイオン感応膜の構成に係る断面図である。一実施例のイオン感応膜の構成に係る断面図である。比較例１のイオン感応膜の構成に係る断面図である。比較例２のイオン感応膜の構成に係る断面図である。比較例３のイオン感応膜の構成に係る断面図である。一実施例のスティック型陰イオン選択性電極に係る断面図である。実施例１〜３と比較例１〜２に関するスロープ感度の評価結果である。実施例１〜３と比較例１〜２に関する塩素イオン（Ｃｌ⁻）に対する重炭酸イオン（ＨＣＯ_３ ⁻）選択性の測定結果である。実施例２、比較例２及び比較例３の電極に関して電気抵抗値を測定した結果である。実施例２、比較例２及び比較例３の電極を装置に搭載した直後の電位安定性の実験結果である。実施例３の電極について管理血清を用いて負荷試験を実施した後にスロープ感度を評価した結果である。実施例３の電極について管理血清を用いて負荷試験を実施した後に重炭酸イオン選択性を評価した結果である。実施例４のスティック型電極の重炭酸イオン選択性の評価結果である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施例について説明する。添付図面は本発明の原理に則った具体的な実施例を示しているが、これらは本発明の理解のためのものであり、決して本発明を限定的に解釈するために用いられるものではない。

［第１実施例］
図１は、一実施例のフロー型陰イオン選択性電極の正面図である。図２は図１のＡ−Ａ’断面の模式図、図３は図２のＢ−Ｂ’断面の模式図である。

本実施例のフロー型陰イオン選択性電極は、電極筐体１０を備える。電極筐体１０は、内部液（以下の内部ゲル１６）を入れる空間となる内部液空間１１と、当該電極筐体１０を貫通する流路１２とを有している。測定対象の試料液は流路１２を通る。また、内部液空間１１は、電解質を含んだ内部ゲル１６によって満たされている。電極筐体１０は、その内部ゲル１６と接するように内部電極１３を備える。内部電極１３は、内部ゲル１６を内部液空間１１に閉じ込めるためのフタ１８に接着されている。

内部液空間１１と試料液が通る流路１２との間にイオン感応膜１７が配置されている。イオン感応膜１７は、流路１２を通過する試料液に接することができるように配置されている。また、内部ゲル１６は、イオン感応膜１７によって、流路１２を通る試料液に接しないように電極筐体１０内で隔離されている。また、電極筐体１０は、流路１２の出入り口の近傍において、装置もしくは他の電極の流路と連結できるようパッキン１５を有している。

なお、本実施例の陰イオン選択性電極は、例えば、自動分析装置に搭載され、内部電極１３が装置側の配線と接続される。これにより、自動分析装置は、試料液中に含まれる測定対象イオンの濃度に応じて発生した電位を測定でき、測定対象イオンの濃度を分析できる。

図４は、図３のＣ部分を拡大した模式図であり、本実施例に特徴的なイオン感応膜１７の層構造を示している。以下では、本実施例の陰イオン選択性電極の製造方法を説明する。

まず、固定化されたカチオンを有する陰イオン交換樹脂膜を用意する。本例において、イオン感応膜１７は、陰イオン交換樹脂膜（陰イオン交換膜１）を基材とする。この例では、陰イオン交換樹脂膜は、ベンジルトリメチルアンモニウム基を有する強塩基性陰イオン交換膜であり、補強材としてＰＶＣ系合成繊維布を含む。また、陰イオン交換樹脂膜に固定化された陽イオンが４級アンモニウムイオンである。

陰イオン交換膜１は、第１面１ａと、第１面１ａに対して反対側に位置する第２面１ｂとを有する。陰イオン交換膜１の第２面１ｂに、エポキシ主剤とアミン系硬化剤との混合物で粘度３０Ｐａ・ｓの液体を均一に塗布する。したがって、イオン感応膜１７は、陰イオン交換膜１と、その表面に塗布されたエポキシアミン樹脂層５とを有する。この例では、エポキシアミン樹脂層５は、エポキシ主剤とアミン系硬化剤とを含む重合反応生成物である。

イオン感応膜１７は、塗布したエポキシアミン樹脂層５が電極筐体１０に接するように配置される。このとき、電極筐体１０に設けられた開口部（すなわち、流路１２となる開口部）を塞ぐように、イオン感応膜１７と電極筐体１０とを密着させ、４０℃、１２時間の条件でエポキシアミン樹脂層５を硬化させる。このとき、電極筐体１０と陰イオン交換膜１との接着部分にもエポキシアミン樹脂層５が配置されるため、陰イオン交換膜１と電極筐体１０とを接着することもできる。

その後、電極筐体１０の内部液空間１１に内部ゲル１６を満たす（図２及び図３参照）。内部ゲル１６は、イオン感応膜１７によって、流路１２を通る試料液に接しないように電極筐体１０内で隔離される。陰イオン交換膜１の第１面１ａの少なくとも一部は、内部ゲル１６に接する。一方、陰イオン交換膜１の第２面１ｂにあるエポキシアミン樹脂層５の一部は、流路１２を通る試料液に接することができるように露出している。なお、本例では、エポキシアミン樹脂層５が、陰イオン交換膜１の第２面１ｂにおいて、流路１２側の開口部分の全面を覆うように配置されている。なお、エポキシアミン樹脂層５が、流路１２側の開口部分の全面を必ずしも覆う必要はなく、流路１２側の開口部分の少なくとも一部を覆っていても以下で説明する本実施例の効果を期待できる。そして、フタ１８を内部液空間１１の上部に溶着すると共に、内部電極１３を内部ゲル１６と接するようにフタ１８に取付ける。

なお、内部ゲル１６の水分の蒸散を抑制するために、流路１２とは反対側の陰イオン交換膜１の第１面１ａもエポキシアミン樹脂で被覆しても良く、電極性能として同様の効果が発揮される。

本実施例では、陰イオン交換膜１として、４級アンモニウムイオンを陰イオン交換基として有する高度に架橋されたポリスチレン系の膜であり、ＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）製の糸の織物が補強材となっている膜が用いられる。しかし、この膜に限らず、固定化されたカチオンを高密度に有するイオン交換膜であれば、以下で説明する効果を発揮できる。

このような方法で製造された陰イオン選択性電極は、陰イオン交換膜１と電極筐体１０との接着部分に、エポキシ主剤とアミン系硬化剤との硬化物が存在し、また、陰イオン交換膜１の流路１２に露出している面もエポキシ主剤とアミン系硬化剤との硬化物に覆われている。このように、電極筐体１０と陰イオン交換膜１との接着部分にエポキシアミン樹脂層５が配置されているため、陰イオン交換膜１と電極筐体１０とを強固に接着することができる。また、陰イオン交換膜１とエポキシアミン樹脂層５とから構成される層構造が、イオン感応膜として、自動分析装置に求められる高い性能（スロープ感度、イオン選択性、初期電位安定性、低電気抵抗、検体負荷耐性）を満たす。具体的な電極性能に関しては後述する。このように、陰イオン交換膜１の表面にエポキシアミン樹脂層５を形成し、陰イオン交換膜１と電極筐体１０とを接着するという簡便な方法で、高性能な陰イオン選択性電極の製造が可能となる。

本実施例では、エポキシ主剤として、ビスフェノールＡ型液状エポキシ樹脂を主とする混合物を用いたが、それに限らず、他のグリシジルエーテルやグリシジルアミン、グリシジルエステルなどを用いてもよい。また、エポキシ主剤として使用される材料が、可塑剤やその他添加剤を含んでいても良い。アミン系硬化剤として、ポリアミドアミンを主とする混合物を用いたが、脂肪族ポリアミンや脂環式ポリアミン、芳香族ポリアミン、脂肪族ポリアミン、変性ポリアミンなどを用いてもよい。また、アミン系硬化剤として使用される材料が、硬化促進剤やその他の添加物を含んでいても良い。

以上から、本実施例によれば、高スループットで連続測定を行う自動分析装置に適した陰イオン選択性電極であって、高い性能（イオン選択性、スロープ感度、低電気抵抗、検体負荷耐性と初期電位安定性）を有する陰イオン選択性電極を提供できる。また、本実施例の陰イオン選択性電極は、簡便な工程によって製造可能である。

［第２実施例］
本実施例は、実施例１で説明したものと同様の図１〜３に示すフロー型陰イオン選択性電極である。図５は図３のＣ部分を拡大した模式図であり、本実施例に特徴的なイオン感応膜の層構造を示している。

本実施例の陰イオン選択性電極の製造方法を説明する。まず、固定化されたカチオンを有する陰イオン交換膜１を用意する。陰イオン交換膜１を、メタフェニレンジアミンを溶媒に溶解した溶液中に浸漬し、続いて、ホルムアルデヒドと無機酸との混合液に浸漬する。これにより、メタフェニレンジアミン（ＭＰＤＡ）とホルムアルデヒドとの縮合物を陰イオン交換膜１の内部及び表面に形成する。この縮合層２のことをＭＰＤＡ縮合層２と呼ぶ。

ＭＰＤＡ縮合層２を形成した陰イオン交換膜１の表面に、エポキシ主剤とアミン系硬化剤との混合物で粘度３０Ｐａ・ｓ（２５℃）の液を均一に塗布する。これにより、例えば、陰イオン交換膜１の第２面１ｂ側のＭＰＤＡ縮合層２の表面にエポキシアミン樹脂層５が形成される。このように、本例のイオン感応膜１７は、陰イオン交換膜１とエポキシアミン樹脂層５との間にＭＰＤＡ縮合層２が配置された層構造となる。

イオン感応膜１７は、エポキシアミン樹脂層５が電極筐体１０に接するように配置される。このとき、電極筐体１０に設けられた開口部（すなわち、流路１２となる開口部）を塞ぐように、イオン感応膜１７と電極筐体１０とを密着させ、４０℃、１２時間の条件でエポキシアミン樹脂層５を硬化させる。なお、硬化温度に関して、８０℃より高い場合、陰イオン交換膜１及び電極筐体１０がダメージを受ける可能性があるため、できるだけ低い温度で硬化できる材料を用いたほうが良い。したがって、エポキシアミン樹脂層５を硬化させる工程における硬化温度は８０℃以下が好ましい。

その後、電極筐体１０の内部液空間１１に内部ゲル１６を満たす（図２及び図３参照）。内部ゲル１６は、イオン感応膜１７によって、流路１２を通る試料液に接しないように電極筐体１０内で隔離される。陰イオン交換膜１の第２面１ｂ側にあるエポキシアミン樹脂層５の一部は、流路１２を通る試料液に接することができるように露出している。そして、フタ１８を内部液空間１１の上部に溶着すると共に、内部電極１３を内部ゲル１６と接するようにフタ１８に取付ける。

なお、内部ゲル１６の水分の蒸散を抑制するために、流路１２とは反対側の陰イオン交換膜１の第１面１ａ側もエポキシアミン樹脂で被覆しても良く、電極性能として同様の効果が発揮される。

本実施例では、陰イオン交換膜１として、４級アンモニウム基を陰イオン交換基として有する高度に架橋されたポリスチレン系の膜であり、ＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）製の糸の織物が補強材となっている膜が用いられる。しかし、この膜に限らず、固定化されたカチオンを高密度に有するイオン交換膜であれば、本実施例の効果は発揮できる。

このような方法で製造された陰イオン選択性電極は、陰イオン交換膜１と電極筐体１０との間に、エポキシ主剤とアミン系硬化剤との硬化物が存在し、また、陰イオン交換膜１の流路１２に露出している面もエポキシ主剤とアミン系硬化剤との硬化物に覆われている。このように、陰イオン交換膜１と電極筐体１０との間にエポキシ樹脂が存在することで、陰イオン交換膜１と電極筐体１０とを強固に接着することができる。また、陰イオン交換膜１をＭＰＤＡ縮合層２で被覆しているため、陰イオン交換膜１そのものよりもイオン選択性が向上する。さらに、本実施例の陰イオン選択性電極では、そのＭＰＤＡ縮合層２の表面にエポキシアミン樹脂層５が存在するため、スロープ感度やイオン選択性が向上する。具体的な電極性能に関しては、後述する。

本実施例におけるＭＰＤＡ縮合層２で被覆された陰イオン交換膜１もまた、自動分析装置に求められる性能を十分満たすことができる。そのため、もし仮に、試料液と接する表面の一部分がエポキシアミン樹脂層５に覆われていなくても、十分な電極性能を発揮するため、安定した性能の電極を製造できる。

［第３実施例］
本実施例は、実施例１で説明したものと同様の図１〜３に示すフロー型陰イオン選択性電極である。図５は図３のＣ部分を拡大した模式図であり、本実施例に特徴的なイオン感応膜の層構造を示している。

ＭＰＤＡ縮合層２を形成した陰イオン交換膜１の表面に、エポキシ主剤とアミン系硬化剤との混合物で粘度１．５Ｐａ・ｓ（２５℃）の液を均一に塗布する。これにより、例えば、陰イオン交換膜１の第２面１ｂ側のＭＰＤＡ縮合層２の表面にエポキシアミン樹脂層５が形成される。

イオン感応膜１７は、エポキシアミン樹脂層５が電極筐体１０に接するように配置される。このとき、電極筐体１０に設けられた開口部（すなわち、流路１２となる開口部）を塞ぐように、イオン感応膜１７と電極筐体１０とを密着させ、４０℃、１２時間の条件でエポキシアミン樹脂層５を硬化させる。

その後、電極筐体１０の内部液空間１１に内部ゲル１６を満たす。内部ゲル１６は、イオン感応膜１７によって、流路１２を通る試料液に接しないように電極筐体１０内で隔離される。陰イオン交換膜１の第２面１ｂ側にあるエポキシアミン樹脂層５の一部は、流路１２を通る試料液に接することができるように露出している。そして、フタ１８を内部液空間１１の上部に溶着すると共に、内部電極１３を内部ゲル１６と接するようにフタ１８に取付ける。

このような方法で製造された陰イオン選択性電極は、陰イオン交換膜１と電極筐体１０との間に、エポキシ主剤とアミン系硬化剤との硬化物が存在し、また、陰イオン交換膜１の流路１２に露出している面もエポキシ主剤とアミン系硬化剤との硬化物に覆われている。このように、陰イオン交換膜１と電極筐体１０との間にエポキシ樹脂が存在することで、陰イオン交換膜１と電極筐体１０とを強固に接着することができる。また、陰イオン交換膜１をＭＰＤＡ縮合層２で被覆しているため、陰イオン交換膜１そのものよりもイオン選択性が向上する。さらに、本実施例の陰イオン選択性電極では、そのＭＰＤＡ縮合層２の表面にエポキシアミン樹脂層５が存在するため、イオン感応膜１７として、自動分析装置に求められる性能（スロープ感度、イオン選択性、初期電位安定性、低電気抵抗、検体負荷耐性）が向上する。具体的な電極性能に関しては、後述する。

本実施例におけるＭＰＤＡ縮合層２で被覆された陰イオン交換膜１もまた、自動分析装置に求められる性能を十分満たすことができる。そのため、もし仮に、試料液と接する表面の一部分がエポキシアミン樹脂層５に覆われていなくても、十分な電極性能を発揮するため、安定した性能の電極を製造できる。さらに、本実施例では、実施例２と比べて低粘度のエポキシアミン樹脂を使用しているため、膜表面に均一に塗布しやすく、高い性能を有する電極がより安定して製造可能となる。エポキシアミン樹脂層５として使用されるエポキシアミン樹脂の粘度は、３０Ｐａ・ｓ（２５℃）以下が好ましく、より好ましくは、１０Ｐａ・ｓ（２５℃）より小さい。

［第４実施例］
図９は、本実施例のスティック型陰イオン選択性電極の断面の模式図である。スティック型陰イオン選択性電極は、電極筐体２２を備える。電極筐体２２は開口部を有する。陰イオン交換膜２１は、電極筐体２２の下側の開口部を塞ぐように配置されている。陰イオン交換膜２１は、第１面２１ａと、第１面２１ａに対して反対側に位置する第２面２１ｂとを有する。スティック型陰イオン選択性電極の外側に位置する陰イオン交換膜２１の第２面２１ｂは、エポキシ主剤とアミン系硬化剤との硬化物からなるエポキシアミン樹脂層２６で被覆されている。電極筐体２２の開口部は、内部液２３を入れる内部液空間２７を構成しており、内部液空間２７には、電解質を含んだ内部液２３が配置されている。陰イオン交換膜２１の第１面２１ａの少なくとも一部は、内部液２３に接する。また、電極筐体２２は、その内部液２３と接するように内部電極２４を備える。内部電極２４は、内部液２３を電極筐体２２内に閉じ込めるためのフタ２５に接着されている。

なお、本実施例の陰イオン選択性電極は、例えば、自動分析装置に搭載され、内部電極２４が装置側の配線と接続される。これにより、自動分析装置は、試料液中に含まれる測定対象イオン濃度に応じて発生した電位を測定でき、測定対象イオンの濃度を分析できる。

本実施例の陰イオン選択性電極の製造方法を説明する。まず、固定化されたカチオンを有する陰イオン交換膜２１を用意する。陰イオン交換膜２１の材料は、上述の実施例１〜３の陰イオン交換膜１と同様の材料を採用することができる。

電極筐体２２は、図９上の上下方向に開口する開口部を有する。電極筐体２２の下側の開口部を塞ぐように、陰イオン交換膜２１を電極筐体２２に接着する。次に、陰イオン交換膜２１の少なくとも試料液に接する表面（第２面２１ｂ）にエポキシ主剤とアミン系硬化剤との混合物を塗布する。そして、４０℃、１２時間の条件でエポキシアミン樹脂層２６を硬化させる。その後、電極筐体２２の内部に内部液２３を充填する。内部液２３は、陰イオン交換膜２１の第１面２１ａの少なくとも一部と接する。そして、フタ２５を電極筐体２２の上部に取り付けると共に、内部電極２４を内部液２３と接するようにフタ２５に取付ける。

本実施例では、陰イオン交換膜２１として、４級アンモニウム基を陰イオン交換基として有する高度に架橋されたポリスチレン系の膜であり、ＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）製の糸の織物が補強材となっている膜が用いられる。しかし、この膜に限らず、固定化されたカチオンを高密度に有するイオン交換膜であれば、本実施例の効果は発揮できる。

このような方法で製造された陰イオン選択性電極は、陰イオン交換膜２１と電極筐体２２との境界部にも、エポキシ主剤とアミン系硬化剤との硬化物が存在し、また、陰イオン交換膜２１の露出している面もエポキシ主剤とアミン系硬化剤との硬化物に覆われている。そのため、陰イオン交換膜２１と電極筐体２２とを強固に接着することができる。

また、陰イオン交換膜２１とエポキシアミン樹脂層２６からなる層構造が、イオン感応膜として、陰イオン選択性電極に求められる高い性能（スロープ感度、イオン選択性、初期電位安定性、低電気抵抗、検体負荷耐性）を満たす。具体的な電極性能に関しては後述する。このように、陰イオン交換膜２１の表面にエポキシアミン樹脂を塗布するという簡便な方法で、高性能かつ強固な電極の製造が可能となる。また、陰イオン交換膜２１とエポキシアミン樹脂層２６とから構成される層構造が、イオン感応膜として、陰イオン選択性電極に求められる高い性能（スロープ感度、イオン選択性、初期電位安定性、低電気抵抗、検体負荷耐性）を満たす。具体的な電極性能に関しては後述する。このように、陰イオン交換膜２１の表面にエポキシアミン樹脂を塗布するという簡便な方法で、高性能かつ強固な陰イオン選択性電極の製造が可能となる。

なお、陰イオン交換膜２１に対して、実施例２と同様のＭＰＤＡ処理を行っても良い。すなわち、陰イオン交換膜２１の表面及び内部にＭＰＤＡ縮合層が形成されてもよく、ＭＰＤＡ縮合層の表面にエポキシアミン樹脂層２６が形成されてもよい。

本実施例の膜の層構造は、実施例１〜３と同様であるため、イオン感応膜としてのスロープ感度、イオン選択性、電気抵抗、使用寿命、及び初期電位安定性なども同等の特性を持つ。

本実施例では、陰イオン交換膜２１と電極筐体２２との接着工程とエポキシアミン樹脂層２６の塗布及び硬化工程とを別々の工程で行ったが、同時に行っても良く、陰イオン交換膜２１と電極筐体２２との接着工程をエポキシアミン樹脂で行っても本実施例の効果は発揮される。

［比較例１］
比較例１は、図１〜３で示した構成と同様の構成を有し、イオン感応膜の構成のみ異なる。したがって、以下では、実施例１と異なる部分のみ説明する。図６は、図３のＣ部分を拡大した模式図であり、比較例１のイオン感応膜の層構造を示している。

比較例１の陰イオン選択性電極の製造方法を説明する。まず、固定化されたカチオンを有する陰イオン交換膜１を用意する。電極筐体１０に設けられた開口部を塞ぐように、陰イオン交換膜１を、低沸点の溶剤であるＴＨＦ（テトラヒドロフラン）を用いて電極筐体１０に溶着する。その後、電極筐体１０の内部液空間１１に内部ゲル１６を満たす。そして、フタ１８を内部液空間１１の上部に溶着すると共に、内部電極１３を内部ゲル１６と接するようにフタ１８に固定する。

本比較例では、陰イオン感応膜として、４級アンモニウム基を陰イオン交換基として有する高度に架橋されたポリスチレン系の膜であり、ＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）製の糸の織物が補強材となっている膜が用いられる。このような方法で製造された陰イオン選択性電極は、陰イオン交換膜１が流路１２に直接露出されている構造となる。具体的な電極性能に関しては後述する。

［比較例２］
比較例２は、図１〜３で示した構成と同様の構成を有し、イオン感応膜の構成のみ異なる。したがって、以下では、実施例２と異なる部分のみ説明する。図７は、図３のＣ部分を拡大した模式図であり、比較例２のイオン感応膜の層構造を示している。

比較例２の陰イオン選択性電極の製造方法を説明する。まず、固定化されたカチオンを有する陰イオン交換膜１を用意する。陰イオン交換膜１を、メタフェニレンジアミンを溶媒に溶解した溶液中に浸漬し、続いて、ホルムアルデヒドと無機酸との混合液に浸漬する。これにより、メタフェニレンジアミン（ＭＰＤＡ）とホルムアルデヒドとの縮合物を陰イオン交換膜１の内部及び表面に形成する。この縮合層２のことをＭＰＤＡ縮合層２と呼ぶ。

ＭＰＤＡ縮合層２を形成した陰イオン交換膜１を、電極筐体１０に設けられた開口部（すなわち、流路１２となる開口部）を塞ぐように、低沸点の溶剤であるＴＨＦ（テトラヒドロフラン）を用いて電極筐体１０に溶着する。その後、電極筐体１０の内部液空間１１に内部ゲル１６を満たす。そして、フタ１８を内部液空間１１の上部に溶着すると共に、内部電極１３を内部ゲル１６と接するようにフタ１８に固定する。

本比較例では、陰イオン感応膜として、４級アンモニウム基を陰イオン交換基として有する高度に架橋されたポリスチレン系の膜であり、ＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）製の糸の織物が補強材となっている膜が用いられる。このような方法で製造された陰イオン選択性電極は、ＭＰＤＡ縮合層２が流路１２に直接露出されている構造となる。具体的な電極性能に関しては後述する。

［比較例３］
比較例３は、図１〜３で示した構成と同様の構成を有し、イオン感応膜の構成のみ異なる。したがって、以下では、実施例１と異なる部分のみ説明する。図８は、図３のＣ部分を拡大した模式図であり、比較例３のイオン感応膜の層構造を示している。

比較例３の陰イオン選択性電極の製造方法を説明する。まず、流路１２の内径とほぼ同一の外径を有する丸棒を流路１２に差込んだ状態で、電極筐体１０に設けられた開口部（すなわち、流路１２となる開口部）を塞ぐようにエポキシ主剤とアミン系硬化剤の混合物を塗布する。そして、４０℃、１２時間の条件で、塗布した混合物を硬化させる。これにより、円弧状のエポキシアミン樹脂層７が流路１２の上部に形成される。その後、電極筐体１０の内部液空間１１に内部ゲル１６を満たす。そして、フタ１８を内部液空間１１の上部に溶着すると共に、内部電極１３を内部ゲル１６と接するようにフタ１８に固定する。

本比較例では、エポキシ主剤として、ビスフェノールＡ型液状エポキシ樹脂及びビスフェノールＦ型液状エポキシ樹脂を主とする混合物を用い、アミン系硬化剤として、ポリアミドアミンを主とする混合物を用いる。このような方法で製造された陰イオン選択性電極は、エポキシアミン樹脂層７が試料液に接する構造となる。具体的な電極性能に関しては後述する。

上記の実施例１〜３及び比較例１〜３について、塩素イオン選択性電極としての特性を評価するための手順をここで述べる。

まず、スロープ感度については、既知の高濃度標準液と低濃度標準液を測定し、式（１）から求めた。
ＳＬ＝（ＥＭＦ_Ｈ−ＥＭＦ_Ｌ）／（ＬｏｇＣ_Ｈ−ＬｏｇＣ_Ｌ）・・・・式（１）
ＳＬ：スロープ感度
ＥＭＦ_Ｈ：既知高濃度標準液の測定起電力
ＥＭＦ_Ｌ：既知低濃度標準液の測定起電力
Ｃ_Ｈ：高濃度標準液の既知濃度値
Ｃ_Ｌ：低濃度標準液の既知濃度値

なお、スロープ感度ＳＬは、以下のネルンスト式の２．３０３×（ＲＴ／ｚＦ）に相当する。
Ｅ＝Ｅ０＋２．３０３×（ＲＴ／ｚＦ）×Ｌｏｇ（ｆ×Ｃ）
（Ｅ０：測定系により定まる一定電位、ｚ：測定対象イオンの価数、Ｆ：ファラデー定数、Ｒ：気体定数、Ｔ：絶対温度、ｆ：活量係数、Ｃ：イオン濃度）

スロープ感度は温度と測定対象のイオン価数から計算することができるが、上記の方法によって電極固有のスロープ感度ＳＬを求めることができる。

また、塩素イオンに対する重炭酸イオン選択性は、いわゆる混合溶液法で評価した。混合溶液法とは、標準液に妨害イオンを添加し、それを試料液としたときの測定濃度値を添加濃度に対してプロットした直線の傾きから求める方法である。

図１０は、実施例１〜３と比較例１〜２に関するスロープ感度の評価結果である。図１１は、実施例１〜３と比較例１〜２に関する塩素イオン（Ｃｌ⁻）に対する重炭酸イオン（ＨＣＯ_３ ⁻）選択性の測定結果である。

スロープ感度は、その絶対値が大きいほうが電極としての性能が良いことを示し、つまり、陰イオン選択性電極の場合、値が小さいほうが良い。また、塩素イオン選択性電極として使用する際は、妨害イオンである重炭酸イオン選択性は小さいほうが良い。

図１０に示すように、陰イオン交換膜１に何も処理していない感応膜を有する比較例１の電極に関しては、スロープ感度は-45.4であった。これに対して、陰イオン交換膜１の表面をエポキシアミン樹脂層５で被覆した実施例１の電極に関しては、スロープ感度が-49.4に改善した。

図１１に示すように、比較例１の電極に関しては、重炭酸イオン選択性は0.47であったが、実施例１に関しては、重炭酸イオン選択性は0.22に改善した。このように、従来ではイオン交換膜のイオン選択性を向上させるためにはＭＰＤＡ処理などの表面処理が必要であった。しかし、実施例１と比較例１との比較結果が示すように、エポキシアミン樹脂層５を陰イオン交換膜１の表面に塗布して硬化させることで、ＭＰＤＡ処理を行うことなく、同様の効果が得られることが分かった。

また、図１０に示すように、陰イオン交換膜１にＭＰＤＡ処理を施した感応膜を有する比較例２の電極に関しては、スロープ感度は-51.1であった。また、図１１に示すように、比較例２の電極に関しては、重炭酸イオン選択性は0.21であった。これに対して、ＭＰＤＡ処理を施した陰イオン交換膜１の表面にエポキシアミン樹脂層５を形成した実施例２及び実施例３に関しては、スロープ感度が、それぞれ、-51.1、-52.8であった。また、実施例２及び実施例３に関しては、重炭酸イオン選択性が、それぞれ、0.17、0.11であった。これらの結果から、実施例２及び３の重炭酸イオン選択性は、比較例２と比較して向上していることを確認した。また、実施例３のスロープ感度は、実施例２と比較してさらに改善されたことが分かる。

実施例１〜３が比較例１及び２と比べて電極性能の向上した理由として、陰イオン交換膜１の試料液と接する表面（第２面１ｂ）をエポキシアミン樹脂層５で被覆したことで、エポキシアミン樹脂が有するイオン選択性が獲得できたと考えられる。なお、実施例２と実施例３との違いは、硬化前のエポキシアミン樹脂の粘度の違いにより、実施例３の方が表面に均一にエポキシアミン樹脂を塗布できたことが一つの要因であると考えられる。

図１２は、実施例２、比較例２及び比較例３に関して電気抵抗値を測定した結果である。一般的にイオン選択性電極にとって電気抵抗値は低い方が、電気的なノイズの影響を受けにくいため適している。エポキシアミン樹脂のみをイオン感応膜として有する比較例３に関しては、電気抵抗値は９００ＭΩであり、高い抵抗値であった。一方、比較例２の電極に関しては、電気抵抗値は４１ＫΩであった。また、実施例２の電極に関しては、電気抵抗値４９ＫΩであり、比較例３と比べて桁違いに低い抵抗を有することが確認できた。

エポキシアミン樹脂の硬化過程ではアンモニウムイオンが生成されるが、アンモニウムイオンが低密度でしか存在していないと考えられる。そのため、比較例３のエポキシアミン樹脂のみで成形されたイオン感応膜の導電性が低く、高い抵抗を有していたと考えられる。一方、陰イオン交換膜１には高密度にアンモニウムイオンが固定化されており、比較的高い導電性を有する。実施例２は、エポキシアミン樹脂層５を陰イオン交換膜１の表面にしか有していないため、比較例２とほぼ同等の低い抵抗を有していると考えられる。

図１３は、比較例２、比較例３及び実施例２の電極をそれぞれ電解質測定装置に搭載し、その直後から数分から数十分おきにイオン濃度が一定の標準液を連続測定したときの起電力を示す。図１３のグラフでは、縦軸が、測定された電位を示し、横軸が、測定時間を示す。「０：００」は、電解質測定装置に各電極を搭載した直後に測定した電位である。

図１３に示すように、比較例３は、１時間以上経過してから電位が安定するのに対し、比較例２は、装置に搭載された直後から電位が安定していた。一方、実施例２も比較例２とほぼ同様に、装置に搭載された直後から速やかに電位が安定することが確認された。これは、イオン感応膜の水分に対するなじみやすさに関係していると考えられる。比較例３のエポキシアミン樹脂のみから構成されたイオン感応膜はアンモニウムイオンが低密度であり、水になじむのがゆっくりであるのに対し、陰イオン交換膜１をベースとした比較例２と実施例２は、陰イオン交換膜自体が高密度の固定化されたアンモニウムイオンを有するため水になじみやすい。このことから、比較例２と実施例２の場合、装置に搭載してすぐに電位が安定したと考えられる。電解質測定装置は、立ち上げてすぐに測定を開始できることは重要である。実施例２のイオン選択性電極は、速やかに電位が安定するという重要な特性を有する。

図１４は、実施例３の電極について管理血清を用いて負荷試験を実施した後にスロープ感度を評価した結果である。図１５は、実施例３の電極について管理血清を用いて負荷試験を実施した後に重炭酸イオン選択性を評価した結果である。

合計12000検体負荷を実施した。その結果、実施例３に関して、スロープ感度と重炭酸イオン選択性はともに安定しており、自動分析装置で連続測定を行っても、電極性能としてほとんど変化しないことが確認できた。実施例１及び実施例２に関しても、同様に負荷試験でほとんど変化しないことを確認した。これは、試料と接する表面の材質が同質のもので形成されているため、膜表面の汚染については同等であると考えられ、また、イオン感応膜１７のベースとして高密度に固定化されたカチオンを有している陰イオン交換膜１を使用しているため、当該膜中にカウンターアニオンとして多くの塩素イオンを有している。そのため、測定の際に妨害イオンが陰イオン交換膜１中に入り込んだ場合でも、イオン応答への影響は少ないと考えられる。また、上述の実施例１〜３のイオン感応膜１７は物理的な強度も十分持ち合わせている。以上のことから、実施例１〜３の電極の全てに関して、負荷試験に対して安定した電極性能を維持できたと考えられる。

図１６は、実施例４のスティック型電極において、エポキシアミン樹脂層２６の膜厚を変更した際の重炭酸イオン選択性の測定結果を示す。

図１６に示すように、エポキシアミン樹脂を塗布していないものは重炭酸イオン選択性が0.5であったのに対し、エポキシアミン樹脂層２６を陰イオン交換膜２１の表面に塗布することで、選択性が0.21〜0.26と大幅に改善した。また、膜厚が１ｍｍ以上の場合は、測定液に浸漬後１分以内という短い測定時間内においては正常な電位が取得できなかった。このため、陰イオン交換膜上のエポキシアミン樹脂の膜厚は１ｍｍ未満が好ましい。

上述の実施例１〜４の陰イオン選択性電極は、内部液を内部に保持するための電極筐体と、イオン感応膜と、内部電極とを有する。内部液は、陰イオン感応膜の第一面の一部と内部電極の一部とに接し、陰イオン感応膜の第二面の一部は試料液と接することができるように流路に露出している。陰イオン感応膜は陰イオン交換樹脂膜を基材とし、陰イオン感応膜の第二面の少なくとも一部がエポキシアミン樹脂で被覆されている。

上述の実施例１〜４の陰イオン選択性電極は以下の方法で製造できる。当該製造方法は、電極筐体に設けられた開口部を塞ぎ、かつ、試料液に接することができるように陰イオン交換膜を電極筐体に配置する工程と、電極筐体の内部を内部液で充填する工程と、内部液に接するように内部電極を配置する工程とを含む。実施例１〜３の場合、陰イオン交換膜を電極筐体に配置する工程の前に、イオン交換樹脂膜の試料液に接触する側の表面にエポキシアミン樹脂を塗布するステップと、エポキシアミン樹脂を硬化させるステップとを含む。実施例４の場合、陰イオン交換膜を電極筐体に配置する工程の後において、イオン交換樹脂膜の試料液に接触する側の表面にエポキシアミン樹脂を塗布するステップと、エポキシアミン樹脂を硬化させるステップとを含む。

上述の実施例によれば、高い性能（イオン選択性、スロープ感度、低電気抵抗、検体負荷耐性）を有し、さらに電極を装置に設置してから測定電位が安定するまでの時間が短い陰イオン選択性電極を提供することができる。また、上述の実施例の陰イオン選択性電極は、簡便な工程にて製造可能である。上述の実施例の陰イオン選択性電極は、高スループットで連続測定を行う自動分析装置にも適しており、イオン濃度測定の分析精度及び信頼性の更なる向上が達成できる。

本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることもできる。また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることもできる。また、各実施例の構成の一部について、他の構成を追加・削除・置換することもできる。

１ …陰イオン交換膜
２ …ＭＰＤＡ縮合層
５ …エポキシアミン樹脂層
１０ …電極筐体
１１ …内部液空間
１２ …流路
１３ …内部電極
１５ …パッキン
１６ …内部ゲル
１７ …イオン感応膜
１８ …フタ
２１ …陰イオン交換膜
２２ …電極筐体
２３ …内部液
２４ …内部電極
２５ …フタ
２６ …エポキシアミン樹脂層
２７ …内部液空間

Claims

内部液を入れる空間を有する電極筐体と、
前記内部液に接する内部電極と、
第１面と、前記第１面に対して反対側に位置する第２面とを有し、前記内部液と試料液との間に配置された陰イオン交換膜と、
を有し、
前記内部液は、前記陰イオン交換膜の前記第１面の一部に接し、
前記陰イオン交換膜の前記第２面の一部は、前記試料液と接することができるように露出しており、
前記陰イオン交換膜は、陰イオン交換樹脂膜を有し、
前記陰イオン交換膜の前記第２面の少なくとも一部がエポキシアミン樹脂で被覆されている、陰イオン選択性電極。
請求項１に記載の陰イオン選択性電極において、
前記エポキシアミン樹脂は、エポキシ主剤とアミン系硬化剤とを含む重合反応生成物であることを特徴とする陰イオン選択性電極。
請求項１に記載の陰イオン選択性電極において、
前記電極筐体と前記陰イオン交換膜との接着部分に前記エポキシアミン樹脂が配置されていることを特徴とする陰イオン選択性電極。
請求項１に記載の陰イオン選択性電極において、
前記陰イオン交換樹脂膜に固定化された陽イオンが４級アンモニウムイオンであることを特徴とする陰イオン選択性電極。
請求項１に記載の陰イオン選択性電極において、
前記陰イオン交換膜と前記エポキシアミン樹脂との間に、メタフェニレンジアミンとホルムアルデヒドとの縮合物が配置されていることを特徴とする陰イオン選択性電極。
請求項１に記載の陰イオン選択性電極において、
前記陰イオン交換樹脂膜が、ベンジルトリメチルアンモニウム基を有する強塩基性陰イオン交換膜であり、補強材としてＰＶＣ系合成繊維布を含むことを特徴とする陰イオン選択性電極。
請求項１に記載の陰イオン選択性電極において、
前記陰イオン交換膜の前記第１面の少なくとも一部がエポキシアミン樹脂で被覆されていることを特徴とする陰イオン選択性電極。
請求項１に記載の陰イオン選択性電極において、
前記エポキシアミン樹脂の膜厚が１ｍｍ未満であることを特徴とする陰イオン選択性電極。
電極筐体に設けられた開口部を塞ぎ、かつ、試料液に接することができるように陰イオン交換膜を前記電極筐体に配置する工程であって、前記陰イオン交換膜は、陰イオン交換樹脂膜を有する、配置する工程と、
前記電極筐体の内部を内部液で充填する工程と、
前記内部液に接するように内部電極を前記電極筐体に取付ける工程とを含み、
前記配置する工程の前、又は、前記配置する工程の後において、
前記陰イオン交換樹脂膜の前記試料液に接触する側の表面にエポキシアミン樹脂を塗布するステップと、
前記エポキシアミン樹脂を硬化させるステップと
を含む陰イオン選択性電極の製造方法。
請求項９に記載の陰イオン選択性電極の製造方法において、
前記エポキシアミン樹脂は、エポキシ主剤とアミン系硬化剤とを含む重合反応生成物であることを特徴とする陰イオン選択性電極の製造方法。
請求項９に記載の陰イオン選択性電極の製造方法において、
前記エポキシアミン樹脂の粘度は３０Ｐａ・ｓ（２５℃）以下であることを特徴とする陰イオン選択性電極の製造方法。
請求項９に記載の陰イオン選択性電極の製造方法において、
前記硬化させるステップの硬化温度が８０℃以下であることを特徴とする陰イオン選択性電極の製造方法。
請求項９に記載の陰イオン選択性電極の製造方法において、
前記配置する工程は、前記陰イオン交換樹脂膜と前記電極筐体との間に前記エポキシアミン樹脂を配置して、前記陰イオン交換樹脂膜と前記電極筐体とを接着するステップを含むことを特徴とする陰イオン選択性電極の製造方法。
請求項９に記載の陰イオン選択性電極の製造方法において、
前記エポキシアミン樹脂を塗布するステップの前に、前記陰イオン交換樹脂膜の表面をメタフェニレンジアミンとホルムアルデヒドとの縮合物で被覆するステップをさらに含むことを特徴とする陰イオン選択性電極の製造方法。
請求項９に記載の陰イオン選択性電極の製造方法において、
前記陰イオン交換樹脂膜が、ベンジルトリメチルアンモニウム基を有する強塩基性陰イオン交換膜であり、補強材としてＰＶＣ系合成繊維布を含むことを特徴とする陰イオン選択性電極の製造方法。