JP6975561B2 - 塩素イオン感応膜、塩素イオン選択性電極及びイオン分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、溶液中の塩素イオン濃度測定用の塩素イオン感応膜と、塩素イオン感応膜を利用した塩素イオン選択性電極及びイオン分析装置に関する。詳しくは、生体中のイオン分析装置に使用するための、塩素イオンに対して優れた選択性を有する塩素イオン感応膜に関する。

近年、イオン選択性電極を医療用に応用し、血液や尿等の生体液中に溶解しているイオン、例えばナトリウムイオン、カリウムイオン、塩素イオンなどの定量を行う試みが盛んに行われている。これは、生体液中の特定のイオン濃度が生体の代謝反応と密接な関係にあることに基づいて、生体液を被検液としてその中の前記イオン濃度を測定することにより、高血圧症状、心臓疾患、腎疾患、神経障害等の種々の診断に応用するものである。

従来から、陰イオン、特に塩素イオンを選択的に検出するためのイオン感応膜として種々の膜が提案されている。例えば、直鎖状重合体に四級アンモニウム塩を結合したイオン感応膜で、当該四級アンモニウム塩に液晶性基及びアルキル基を結合させた構造の感応膜が開示されている（例えば、下記特許文献１参照。）。このアルキル基は、一部の水素原子が水酸基に置換されたヒドロキシアルキル基を含み、ヒドロキシエチル基、ヒドロキシプロピル基を有する化合物の開示がある。また、高分子物質を支持膜とし、この中に少なくとも１つの水酸基を有するアルキル基を持つ四級アンモニウム塩を含有する構成の塩素イオン感応膜が開示されている（例えば、下記特許文献２参照。）。また、高分子物質としてのポリクロロメチルスチレンのクロロメチル基にトリブチルアンモニウム基と水酸基を共有結合させたイオン感応膜が開示されている（例えば、下記特許文献３参照。）。

一方、これら特許文献１〜３のような四級アンモニウム塩などのイオン交換体を感応物質としたイオン感応膜では、イオン選択性がホフマイスター順列に従うことがＤ．Ｗｅｇｍａｎｎらによって報告されている（例えば、下記非特許文献１参照。）。この報告によれば塩素イオンと比べて、より疎水性のチオシアン酸イオンや硝酸イオンは感応しやすく、より親水性の炭酸水素イオンは感応しにくいとされている。また、アンモニウム塩や周囲のマトリックスが疎水性になれば、疎水性の陰イオンの感度は上がり、親水性の陰イオンの感度は下がることが知られており、逆にマトリックスが親水性になれば疎水性陰イオンの感度が下がり、親水性陰イオンの感度が上がる。従って、塩素イオン感応膜の構造に関して、四級アンモニウム塩およびその周囲の親水性−疎水性のバランスを調整することにより、チオシアン酸イオンや硝酸イオンの妨害を受けにくくすることが可能になると考えられてきた。

特開平０１−２３２２５０号公報 特開平０５−０５２８０４号公報 特開平１１−０２９６４６号公報

Ｄ．Ｗｅｇｍａｎｎ，Ｈ．Ｗｅｉｓｓ，Ｄ．Ａｍｍａｎｎ，Ｗ．Ｅ． Ｍｏｒｆ，Ｅ．Ｐｒｅｔｓｃｈ，Ｋ．Ｓｕｇａｈａｒａ，Ｗ．Ｓｉｍｏｎ；Ｍｉｃｒｏｃｈｉｍｉｃａ Ａｃｔａ １９８４，Ｖｏｌｕｍｅ８４，Ｉｓｓｕｅ１，ｐｐ１−１６．

一方、生体液中には臭素イオン、炭酸水素イオン、チオシアン酸イオンなどの種々のイオンが共存するため、実際に塩素イオンを測定対象とする場合、これらの共存イオンが測定の妨害イオンとなる。よって、塩素イオン感応膜には塩素イオンに対する優れた感度と、妨害イオンに対する選択性を満足することが求められ、かつ診療部門で使用する関係で、製品の信頼性や動作の安定性も要求されている。よって、塩素イオン選択性が充分高く、長期にわたる使用に耐えうる、合成の容易な塩素イオン感応膜が望まれていた。

それに対して例えば、特許文献１に開示されている塩素イオン感応膜に関しては、膜自体が脆いため、保管中や取扱い中に破損や劣化しやすいという課題がある。特許文献２に開示されている塩素イオン感応膜では、四級アンモニウム塩が高分子支持体に結合していないために測定液や内部液中に溶出しやすく、長期間の安定性が得にくいという課題がある。特許文献３については、実質的にチオシアン酸イオンの妨害を受けやすく、必ずしも塩素イオンに対する充分な選択性が得られないという課題がある。

本発明は、上記課題を解決するため、長寿命で、塩素イオン濃度を高感度にかつ選択性がよく測定可能なことを目的とする。

本発明の塩素イオン感応膜は、高分子物質に共有結合された塩素イオン感応部を有する塩素イオン感応膜において、前記感応部の構造が下記の化学構造式（１）で表される四級アンモニウム塩であって、

四級窒素原子が任意の結合手Ｂを介して前記高分子物質に結合しており、前記窒素原子には非水溶性高誘電率官能基を持つ置換基Ａと、親水性官能基を持つ置換基Ｒ１及びＲ２が結合していることを特徴とする。

より具体的には、前記置換基Ａの構造が、下記の化学構造式（２）で表され、

直鎖或いは分岐を有するアルキレン基（但し、ｎは１から４の整数）を介して結合した、置換基Ｚ（但し、Ｚは水素原子を含み、炭素数４以下のアルコキシ基、ハロゲノ基、トリハロメチル基、シアノ基、ニトロ基）を単数或いは複数有していても良いフェニル基であることを特徴とする。

さらには、前記親水性官能基を持つ置換基Ｒ１及びＲ２が、炭素数４以下のヒドロキシアルキル基、炭素数３以下のシアノアルキル基であることを特徴とする。

また、前記高分子物質に共有結合された塩素イオン感応部を有する塩素イオン感応膜であって、前記高分子物質がスチレンとジビニルベンゼンの共重合体であり、
一般式が下記の化学構造式（３）で表される構造を有することを特徴とする（但し、ｐ、ｑ、ｒは任意の整数）。

さらに、前記高分子物質が、共重合モノマーとして、スチレン、ヒドロキシエチルメタクリレート、或いは２，２，２−トリフルオロエチルアクリレートを加えた高分子物質であることを特徴とする。

特に、本発明の塩素イオン感応膜の構造は、

一般式が化学構造式（４）で表される高分子構造と四級アンモニウム塩構造を有し、四級窒素原子には、直鎖或いは分岐を有するアルキレン基（但し、ｎは１から４の整数）を介して結合した、置換基Ｚ（但し、Ｚは水素原子を含み、炭素数４以下のアルコキシ基、ハロゲノ基、トリハロメチル基、シアノ基、ニトロ基）を単数或いは複数有していても良いフェニル基、及びヒドロキシエチル基、ヒドロキシプロピル基、ヒドロキシブチル基、シアノエチル基のいずれかから選択され、互いに異なっていてもよい置換基Ｒ１、Ｒ２が結合していることを特徴とする。

本発明の塩素イオン感応膜の構造として、特に好ましくは前記非水溶性高誘電率官能基を持つ置換基がニトロベンジル基であり、親水性官能基を持つ置換基が炭素数２から４のヒドロキシアルキル基である構造が、感度と選択性の面で優れている。

また、本発明の塩素イオン選択性電極は、上記の塩素イオン感応膜を固着した支持体と、被検液の流路を有し前記支持体と第１の筐体部材と第２の筐体部材によって構成された筐体と、前記筐体の一部に固定された電極棒と、前記筐体内に封入された電解質溶液と、からなることを特徴とする。

さらに、本発明のイオン分析装置は、上記の塩素イオン選択性電極と、参照電極及びこれらの電位差を計測するための電気回路と、からなることを特徴とする。

本発明によれば、長寿命でしかも塩素イオン濃度を高感度でかつ選択性よい条件下で測定可能な塩素イオン感応膜が得られる。また、感応膜に関しては、化合物の合成が容易であることも特徴である。これによって、塩素イオンに対する感度と共存する妨害イオンに対する選択性が充分高く、長期にわたる使用に耐えうる、高性能の塩素イオン選択性電極およびイオン分析装置を得ることができる。

図１は、本発明にかかる塩素イオン感応膜を用いた塩素イオン選択性電極の断面図である。 図２は、本発明にかかる塩素イオン感応膜を用いた塩素イオン選択性電極の構成を示す分解図である。 図３は、本発明にかかる塩素イオン感応膜を塩素イオン選択性電極の支持体に貼り付けた構成を示す図である。 図４は、本発明にかかるイオン分析装置の構成を説明する図である。 図５は、本発明にかかるイオン選択性電極の耐久性テストを示す図表である。

（実施の形態）
以下、本発明の実施の形態について説明する。本発明にかかる好適な塩素イオン感応膜の化学構造式（１）〜（４）を以下に示すが、本発明はこれに限定されるものではない。

化学構造式（１）は、四級アンモニウム塩であって、四級窒素原子が任意の結合手Ｂを介して当該高分子物質に結合しており、該窒素原子には非水溶性高誘電率官能基を持つ置換基Ａと、親水性官能基を持つ置換基Ｒ１及び Ｒ２が結合している。

また、化学構造式（２）は、化学構造式（１）の置換基Ａの構造が直鎖或いは分岐を有するアルキレン基（但し、ｎは１から４の整数）を介して結合した、置換基Ｚ（但し、Ｚは水素原子を含み、炭素数４以下のアルコキシ基、ハロゲノ基、トリハロメチル基、シアノ基、ニトロ基）を単数或いは複数有していても良いフェニル基である。さらには、前記親水性官能基を持つ置換基Ｒ１及びＲ２が、炭素数４以下のヒドロキシアルキル基、炭素数３以下のシアノアルキル基である。

また、化学構造式（３）は、化学構造式（１）の前記高分子物質がスチレンとジビニルベンゼンの共重合体である（但し、ｐ、ｑ、ｒは任意の整数）。さらに、高分子物質が、共重合モノマーとして、スチレン、ヒドロキシエチルメタクリレート、或いは２，２，２−トリフルオロエチルアクリレートを加えた高分子物質である。

また、化学構造式（４）は、本発明の塩素イオン感応膜であり、高分子構造と四級アンモニウム塩構造を有し、四級窒素原子には、直鎖或いは分岐を有するアルキレン基（但し、ｎは１から４の整数）を介して結合した、置換基Ｚ（但し、Ｚは水素原子を含み、炭素数４以下のアルコキシ基、ハロゲノ基、トリハロメチル基、シアノ基、ニトロ基）を単数或いは複数有していても良いフェニル基、及びヒドロキシエチル基、ヒドロキシプロピル基、ヒドロキシブチル基、シアノエチル基のいずれかから選択され、互いに異なっていてもよい置換基Ｒ１、Ｒ２が結合している。

本発明の塩素イオン感応膜は、高分子物質に共有結合された塩素イオン感応部を有していて、前記感応部の構造が四級アンモニウム塩であって、四級窒素原子が任意の結合手Ｂを介して当該高分子物質に結合している。また、置換基Ａは非水溶性高誘電率官能基を持つ置換基を示しており、Ｒ１、Ｒ２は親水性官能基を持つ置換基を意味していて、下記に示す表３中の構造式のＲ１、Ｒ２にも対応している。

また、置換基Ｚは非水溶性高誘電率官能基が持つ置換基の一例を示しており、Ｒ１、Ｒ２は親水性官能基を持つ置換基を意味していて、下記に示す表３中の構造式のＲ１、Ｒ２にも対応している。

本発明の塩素イオン感応部の四級アンモニウム塩の窒素原子には、高い誘電率を得るために非水溶性高誘電率官能基が結合している。一般的には共役π電子を有する骨格が用いられ、直鎖状の骨格よりは環状の骨格の方が安定性の面で優れている。代表的な骨格は化学構造式（２）に示すように置換基Ｚを有していてもよいベンゼン環であり、芳香族ヘテロ五員環骨格や、これらで縮環した骨格を挙げることができる。より好ましくは、ベンゼン環一つがよく、その理由は、共役が伸びたりヘテロ環を含んだりすると空気中の酸素により酸化されやすくなるためである。

これらの非水溶性高誘電率官能基は、四級アンモニウム塩の窒素原子に直接結合する必要はなく、炭素数１のメチレン基から炭素数４のブチレン基を介して結合していても良い。製造上、或いは原料入手のしやすさから、メチレン基を介した骨格が好ましい。さらに、ベンゼン環に結合している置換基Ｚとして、電子供与性の官能基或いは電子吸引性の官能基のいずれかまたは両方を、各々複数持つことでさらに極性を高め、かつ誘電率を上げることができる。より具体的には、電子供与性の官能基としては、アルコキシ基、ジアルキルアミノ基などが挙げられるが、試料の液性に影響を与えない点で、アルコキシ基が優れている。電子吸引性の官能基としては、フルオロ基やクロロ基などのハロゲノ基、トリフルオロメチル基などのハロアルキル基、アルキルカルボニル基やアルコキシカルボニル基、ジアルキルアミノカルボニル基などの置換カルボニル基およびシアノ基、ニトロ基やスルホン基、スルホキシド基などが挙げられる。

これらの中でも、炭素数４以下のアルコキシ基、ハロゲノ基、トリハロメチル基、シアノ基、ニトロ基が結合したベンジル基がよく、特に電子吸引効果の大きいニトロ基が最も優れている。一方、アルコキシ基の場合、炭素数が５以上になると疎水性が強くなるために好ましくない。このことは、炭素数４以下のアルコールが水と任意に混和するのに対して、炭素数５のペンタノールが水に溶けにくい（溶解度 ２２ｇ／リットル）ことからも明白である。

本発明の塩素イオン感応部に結合する親水性官能基を持つ置換基は、一般的に親水性の官能基を持つ置換基であればよく、通常共役π電子を持っていない。ここで、一般的に親水性官能基とは、メタンに該官能基が置換した場合に水に溶解する官能基のことを指す。なお、親水性の基準として、本明細書中では、２５℃において１リットルの水に１００グラム以上溶解する場合に、水に溶解するとしている。例えばメタンの水素原子に水酸基が置換した構造のメタノールは、水１リットルに１００グラム以上容易に溶解するので親水性官能基であるが、クロロ基の場合はクロロメタンが水に溶解しないので本発明中では親水性官能基とは言わない。

上記親水性官能基を持つ置換基は特に制限はないが、より好ましくは、該置換基全体が水素に置換された場合に水に溶解する置換基がよい。具体例としては、炭素数４以下のヒドロキシアルキル基、または、炭素数３以下のシアノアルキル基が好適である。この理由として、親水性官能基である水酸基がエチレン基を介して結合した置換基であるヒドロキシエチル基は、全体が水素に置換された場合はエタノールとなり、水に容易に溶けるためより好ましいと考えられる。また親水性官能基であるシアノ基がメチレン基を介して結合した置換基であるシアノメチル基は、全体が水素に置換された場合はアセトニトリルに相当して、水に容易に溶けるためより好ましいと考えられる。

しかし、親水性官能基である水酸基が直鎖へキシレン基を介して結合した置換基であるヒドロキシヘキシル基は、全体が水素に置換された場合はヘキサノールに相当して水に溶けず（６ｇ／リットル、２５℃）、好ましくはないと考えられる。ところが、アルキル鎖長が長くても、ヒドロキシエトキシ基がエチレン基を介して結合した置換基であるヒドロキシエトキシエチル基になると、全体が水素に置換された場合はエトキシエタノールに相当して水に溶けるため、より好ましいと考えられる。

本発明の塩素イオン感応膜は、ラジカル重合で製造するのであれば、一般的にポリエチレン骨格に種々の置換基が置換された高分子物質が用いられ、この場合置換基の種類は同一でなくともよい。また全ての置換基に四級アンモニウム塩の窒素原子が結合していなくともよく、異なる置換基を有する共重合体であってもよい。また、高分子反応を利用する場合は、縮合系芳香族高分子物質を使用することもできる。また、架橋構造を含んでいてもよいし、別の高分子物質或いは可塑剤などの添加剤との混合物でも良い。

具体例としては、ラジカル（共）重合で製造するのであれば、フェニル基を介して塩素イオン感応部が結合したスチレン誘導体、カルボニル基を介した（メタ）アクリル酸誘導体或いはビニルケトン誘導体、エーテル結合を介したビニルエーテル誘導体などが挙げられる。さらに、炭素数１から４のアルキル基を介した構造や、アルキレンエーテル結合を１から４つ介した構造でもよい。原料となる高分子物質から高分子反応、例えばクロロメチル化反応を利用して製造するのであれば、その原料としては、芳香族環を持つポリスチレンなどの他に、芳香族ポリエーテルやポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトンなどのいわゆるエンジニアリングプラスチックなどが使用できる。

本発明の塩素イオン感応膜は、前述したような特定の四級アンモニウム塩を持つ高分子物質そのものの膜でも良いし、或いは織布、不織布、多孔質膜、各種充填剤などで補強されていてもよい。

（中間体の製造方法）
本発明の塩素イオン感応膜の製造方法は、一般的には三級アミンにするべき原料を購入し、三級アミン化合物を製造し、それを四級アンモニウム塩への反応、高分子重合反応の四段階で製造する。四級アンモニウム塩への反応を高分子重合反応の後で行うことも可能である。

三級アミン化合物の合成方法は、第１の方法として非水溶性高誘電率官能基を有するハロゲン化物に親水性官能基を有するアミンを結合させる方法、第２の方法として非水溶性高誘電率官能基を有するアミンと親水性官能基を有するハロゲン化物を反応させる方法がある。三級アミン化合物の製造は、ハロゲン化物が過剰になると直ちに四級アンモニウム塩への反応が進行して三級アミンで停止しないため、アミンが過剰の条件で製造することがよい。一方第３の方法として、ハロゲン化物として酸ハロゲン化物を使用し三級アミド化合物を得た後、水素化リチウムアルミニウムなどの還元剤によってカルボニル基を還元して三級アミン化合物を得る方法もある。この三級アミドを経由する方法では四級アンモニウム塩への反応が起こらないので、四級アンモニウム塩への反応が進行しやすくて三級アミンで停止しない場合に特に有用な方法である。

（四級アンモニウム塩の製造方法）
本発明による四級アンモニウム塩の合成方法は、前記三級アミン化合物と反応可能なハロゲン化物が結合している高分子物質を反応させることにより得られる。ハロゲン化物を結合している高分子物質は、クロロメチルスチレンやクロロエチル（メタ）アクリレートなどのハロゲン化物を持つモノマーを重合して製造してもよいし、ポリスチレンや、芳香族ポリエーテルなどの高分子物質の芳香環をクロロメチル化する製法でも得られる。

なお、上記重合可能なハロゲン化物とは、脱離基としてのハライドを持つ化合物を指すが、合成技術上は必ずしもハロゲン化物でなくても、脱離しやすい置換基を持つ化合物であれば同様に使用できる。良い脱離基として通常用いられる置換基としては、トルエンスルホニルオキシ基やトリフルオロメタンスルホニルオキシ基などのアルコールと強酸とのエステルが挙げられる。従って、水酸基を持つ高分子物質を原料として、該水酸基を脱離しやすい置換基に変換してからアミンと反応させることも可能である。原料入手や製造の容易さから考えると、クロロメチルスチレンと、共重合可能な別モノマー、ジビニルベンゼンなどの架橋剤及び重合開始剤を混合し、このペーストを不織布或いは多孔質膜などの補強材に含浸して加熱重合し、まずクロロメチル基を持った高分子中間体膜を製造し、これに別途製造した三級アミン化合物を反応させて四級アンモニウム塩にする方法も好適である。

（イオン選択性電極の構成）
以下、一般的なイオン選択性電極の構造について、図１、図２および図３を用いて詳細に説明する。説明上同じ部材には同じ符号を用いる。また以下の説明で用いる被検液とは、血液、体液や尿などの被分析物を希釈した溶液を指し、ナトリウムイオン、カリウムイオン及び塩素イオンなどのイオンを含む水溶液を指す。

図１は、本発明にかかる塩素イオン感応膜を用いた塩素イオン選択性電極の断面図である。図１（ａ）は全体の断面図、図１（ｂ）は塩素イオン感応膜２１と支持体２２とをそれぞれ示す断面図である。支持体２２は、内部に被検液が通る貫通孔（流路３１）を有しており、支持体２２の一部の側面は貫通孔まで切削されて空孔（穴３２）を形成する構造となっている。この流路３１上に塩素イオン感応膜２１が接着剤により貼り付けられている。この構成により、塩素イオン感応膜２１は被検液と接触することができる。この支持体２２は第１の筐体部材２３及び第２の筐体部材２４に組み付けられ、内部の空隙には電解質溶液１６が封入されている。塩素イオン感応膜に発生した電位は、電極棒２５によって、測定される。

図２は、本発明にかかる塩素イオン感応膜を用いた塩素イオン選択性電極の構成を示す分解図である。塩素イオン選択性電極２０は、塩素イオン感応膜２１が接着された支持体２２、及び支持体２２を内部に収容する筐体（第１の筐体部材２３及び第２の筐体部材２４）から構成されている。

第１の筐体部材２３と第２の筐体部材２４には、嵌合穴２３ａ、２４ａが開口され、支持体２２の両端に形成された嵌合突起３３、３４が嵌合した状態で互いが接着或いは接合される。また、第１の筐体部材２３及び第２の筐体部材２４は、互いが接合する外周面を高周波加熱等の方法で接合して一体化される。

支持体２２に設けられた穴３２は塩素イオン感応膜２１で塞がれているため、筐体（第１の筐体部材２３及び第２の筐体部材２４）の内部に形成された空間に、塩化カリウム水溶液からなる電解質溶液１６を蓄えることができる。被検液（不図示）は、塩素イオン感応膜２１を介して電気的導通をとっている。また第２の筐体部材２４には、銀線の表面に塩化銀が形成された電極棒（銀−塩化銀電極とも言う）２５が貫通し、固定されている。

図３は、本発明にかかる塩素イオン感応膜を塩素イオン選択性電極の支持体に張り付けた構成を示す図である。図３を用いて、塩素イオン感応膜２１と支持体２２との関係を詳細に説明する。塩化ビニル樹脂製の支持体２２の形状は円柱状であり、その両端には第１の筐体部材２３及び第２の筐体部材２４と嵌合する嵌合突起３３、３４が形成されている。支持体２２の中央軸に沿った長手方向には被検液の流路３１が貫通している。

この支持体２２の円柱状の周面の一部の領域を、被検液の流路３１の一部が露出するまで切削し、穴３２が開いた状態にする。その後に、塩素イオン感応膜２１を、穴３２を塞ぐように接着する。これにより、塩素イオン感応膜２１が接着された支持体２２が形成できる。

（イオン分析装置の構成）
図４は、本発明にかかるイオン分析装置の構成を説明する図である。図３に示した塩素イオン選択性電極２０を複数（ナトリウム塩素イオン選択性電極２０−１、カリウム塩素イオン選択性電極２０−２、塩素イオン選択性電極２０−３）用い、参照電極４４（図４ではＲｅｆと表示）と、温度センサ４５とともに被検液４２の流路に沿って配置する。ポット４１に入った被検液４２は、各電極２０の流路を経由して電磁ポンプ４６によって吸引される。

それぞれの塩素イオン感応膜２１に誘起された起電力は、第２の筐体部材２４に固定された電極棒２５により計測され、参照電極４４の電位及び温度センサ４５の情報と共に温度補償回路４７に入力される。

ナトリウムイオン、カリウムイオン及び塩素イオンの各塩素イオン選択性電極２０の起電力は、参照電極の電位をシステムグラウンドとした電位差として外部の演算回路４８で計測され、表示器４９に表示される。これらのイオン分析装置としては、例えば商業的には全自動電解質分析装置ＥＡ０７（本出願人、株式会社エイアンドティー製）などが利用できる。

（塩素イオン選択性の測定）
本発明の塩素イオン感応膜及び比較例の膜を支持体２２に貼り付けた構成の試験用電極と参照電極を被検液に浸漬して、両電極間の電位差測定を行う方法により、塩素イオン選択性の評価を行った。まず１０ｍＭ、１００ｍＭ、３００ｍＭの塩素イオン水溶液の測定電位を求めた。次に、これらの測定電位から塩素イオン換算濃度が求めるための検量線を作製した。独立に測定した２０ｍＭのチオシアン酸イオン（ＳＣＮイオン）を含む１００ｍＭの塩素イオン水溶液での測定電位から求めた塩素イオン換算濃度Ｃｉと、ＳＣＮイオンを含まない１００ｍＭの塩素イオン水溶液の測定電位から求めた塩素イオン換算濃度Ｃｊとの差（Ｃｉ−Ｃｊ）を求め、下記（式１）により選択係数Ｋｉｊを算出した。

Ｋｉｊ＝（Ｃｉ−Ｃｊ）／２０ …（式１）

下記の各製造例１〜９は、反応性置換基であるクロル基を有する高分子中間体膜の製造例を示している。具体的にはクロルメチルスチレンとジビニルベンゼン、及びスチレンなどの共重合モノマーからなる高分子中間体膜である。これらの組合せをまとめて表１に示す。

（高分子中間体膜の製造例１）
先ず本発明の塩素イオン感応膜２０の中間体として、クロロメチル基を持ち補強材を含む高分子中間体膜を製造した。空隙率４５％、厚さ２５マイクロメーターのポリエチレン製多孔質膜を６ｃｍ四方に切出して補強材とした。クロロメチルスチレン０．８５ｇとジビニルベンゼン（純度５０％）０．１５ｇを秤量して混合したモノマー１ｇに対して、エチレングリコールジグリシジルエーテル０．０５ｇと過酸化ベンゾイル０．０３ｇを加えて溶解し、モノマーペーストとした。厚さ５０マイクロメーターのポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）シートを８ｃｍ四方に切出し、このシート上に補強材を置き、モノマーペーストを浸み込ませた。この上からＰＥＴシートをさらに重ね、その上にさらに補強材を置いてモノマーペーストを浸み込ませた。さらにもう一枚ＰＥＴシートとモノマーペーストを浸み込ませた補強材を重ね、最後にＰＥＴシートを重ねた。この積層体をアルミ箔で包み、ホットプレート上で５００ｇの荷重をかけながら９０℃で１０時間重合した。ＰＥＴシートから補強材に含浸したポリマーを剥がし、アセトンで洗浄してクロロメチル基を持った高分子中間体膜を得た。

（高分子中間体膜の製造例２〜５）
次に、製造例１のクロロメチルスチレンとジビニルベンゼン（純度５０％）の重量比を変えて、製造例１と同様の処理を行い、クロロメチル基を持った高分子中間体膜を得た。

（高分子中間体の製造例６〜９）
次に、製造例１のクロロメチルスチレンとジビニルベンゼン（純度５０％）に加えて、表１に示す共重合モノマーを加えてクロロメチル基を持った高分子中間体膜を得た。

下記の表１には、クロロメチル基を有する高分子中間体膜の製造１〜９の材料の組み合わせをまとめて示す。

次に、製造例１０〜２９には、本発明及び比較例として用いた四級アンモニウム塩を製造するための中間体として、三級アミン化合物の製造例を示す。アミン化合物としてジエタノールアミンやジメチルアミンなどを用い、ハロゲン化物として塩化ベンジル或いは塩化４−ニトロベンジルなどから製造した。これらの組み合わせによる三級アミン化合物の製造例をまとめて下記の表２に示す。

（製造例１０）（４−ニトロベンジル）ジエタノールアミンの製造
塩化４−ニトロベンジル８ｇとジエタノールアミン５０ｇをナス型フラスコにとり、テトラヒドロフラン５０ｍｌに溶解させ、８０℃に加温し３時間反応させた。反応後、反応液に水酸化ナトリウム水溶液を加えてアルカリ性溶液とした後に酢酸エチルで抽出を行い、有機層を純水で洗浄した。得られた有機層を留去しＮ−（４−ニトロベンジル）ジエタノールアミンを得た。

（製造例１１〜１７）
上記製造例１０の塩化４−ニトロベンジルに代えて、表２に記載のハロゲン化ベンジル化合物を用いて、同様な方法で三級アミン化合物を製造した。

（製造例１８）Ｎ−ベンジル−Ｎ−（４−ヒドロキシブチル）−Ｎ−（３−ヒドロキシプロピル）アミンの製造
４−アミノブタノール１０ｇと３−臭化プロパノール５ｇをナス型フラスコに量りとり、無水炭酸ナトリウム６ｇを加え、９０℃で良く攪拌しながら２４時間反応させた。反応終了後、テトラヒドロフラン１００ｍＬに溶解し、固体を濾別し、テトラヒドロフランを減圧留去した。残さを真空蒸留（沸点１３５℃／０．１ｍｍＨｇ）してＮ−（４−ヒドロキシブチル）−Ｎ−（３−ヒドロキシプロピル）アミンを得た。これと塩化ベンジルを用いて製造例１０に準じてＮ−ベンジル−Ｎ−（４−ヒドロキシブチル）−Ｎ−（３−ヒドロキシプロピル）アミンを得た。

（製造例１９）Ｎ−（４−ニトロベンジル）ジメチルアミンの製造
塩化４−ニトロベンジル８ｇと大過剰のジメチルアミン水溶液（５０％）をナス型フラスコに取り、テトラヒドロフラン５０ｍｌに溶解させ、１０時間室温で撹拌を行った。反応後溶媒を留去しＮ−（４−ニトロベンジル）ジメチルアミンを得た。

（製造例２０〜２４）
上記製造例１９の塩化４−ニトロベンジルに代えて、表２に記載のハロゲン化ベンジル化合物を用いて、同様な方法で三級アミン化合物を製造した。

（製造例２５）Ｎ−（４−ブトキシベンジル）ジメチルアミンの製造
塩化４−ブトキシベンゾイル２ｇを１０ｍＬの塩化メチレンに溶解し、大過剰のジメチルアミン水溶液にゆっくり滴下した。滴下終了後１時間撹拌し、塩化メチレン層を分液した。１規定の希塩酸で２回、続いてイオン交換水で２回有機層を洗浄し、塩化メチレンを減圧留去してＮ，Ｎ−ジメチル−４−ブトキシベンズアミドを得た。これをテトラヒドロフラン（ＴＨＦ）に溶解し、あらかじめＴＨＦに分散させた水素化リチウムアルミニウム０．４ｇ中にゆっくり滴下した。滴下終了後１時間還流させ、室温に放冷後、酢酸エチル、エタノール、イオン交換水によって過剰の水素化リチウムアルミニウムを分解した。有機層を分液し、飽和食塩水で洗浄後、減圧留去してＮ−（４−ブトキシベンジル）ジメチルアミンを得た。

（製造例２６）Ｎ−（４−ブトキシベンジル）−Ｎ−（２−ヒドロキシエチル）−Ｎ−（３−ヒドロキシプロピル）アミンの製造
塩化４−ブトキシベンゾイルとジエタノールアミンから、製造例２５と同様な方法で得られた化合物は、Ｎ−（４−ブトキシベンジル）−Ｎ−（２−ヒドロキシエチル）アミンであったため、これと３−臭化プロパノールを用いて製造例１８と同様な方法でＮ−（４−ブトキシベンジル）−Ｎ−（２−ヒドロキシエチル）−Ｎ−（３−ヒドロキシプロピル）アミンを得た。なお、真空蒸留ではなく、シリカゲルカラムによって精製した。

（製造例２７）Ｎ−（３，４，５−トリメトキシベンゾイル）ジメチルアミンの製造
上記製造例２５の塩化４−ブトキシベンゾイルに代えて、塩化３，４，５−トリメトキシベンゾイルを用いて、製造例２５と同様な方法で三級アミン化合物を製造した。

（製造例２８〜２９）
製造例１０のジエタノールアミンに代えて、イミノジ（２−シアノエチル）を用い、塩化４−ニトロベンジルまたは塩化４−シアノベンジルと上記製造例１０と同様な方法にて、Ｎ，Ｎ−ビス（２−シアノエチル）−Ｎ−（４−ニトロベンジル）アミンおよびＮ，Ｎ−ビス（２−シアノエチル）−Ｎ−（４−シアノベンジル）アミンを製造した。

これらの製造例による三級アミン化合物とクロロメチル基を有する高分子中間体膜を用いて、本発明の塩素イオン感応膜を作成した。その典型的な構造は、上記の化学構造式（４）に示す。式中任意の結合手Ｂはメチレン基であり、高分子主鎖側から見てメタ−パラ混合であるが、本発明はこれに限定されるものではない。

（実施例１）
製造例１０の三級アミン化合物を密封可能な容器に取り、ジメチルホルムアミドに溶解する。そこへ製造例１のクロロメチル基を持つ膜を浸漬し、密封して８０℃の恒温器にて２４時間反応させた。反応後、膜をアセトンにて洗浄し、乾燥して塩素イオン感応膜を得た。得られた塩素イオン感応膜を図２及び図３に示す支持体２２に接着し、塩素イオン選択性電極を作成した。これをイオン分析装置に組込んで、チオシアン酸イオンに対する選択性を測定した。結果をまとめて下記の表３に示す。

（実施例２〜１９、比較例１〜９）
実施例１の製造例１０の三級アミン化合物と製造例１のクロロメチル基を持つ高分子中間体膜の代わりに表３に示す三級アミン化合物と高分子中間体膜とを用いて、実施例１と同様に塩素イオン感応膜を得た。実施例１と同様に、得られた塩素イオン感応膜のイオン選択性の値をまとめた。表３に実施例１〜１９、表４に比較例１〜９を示す。

上記の表３、表４から、妨害イオンであるチオシアン酸イオンに対する選択性の数値は、比較例１〜９までの全ての比較例で３０倍以上なのに対して、本発明の全ての実施例では２２倍以下の数値を示していることがわかる。

（耐久性テスト）
以上説明した図１に示す塩素イオン選択性電極２０と動物由来血清を用いて、３００００回まで測定した。

（実施例２０）
図５は、本発明にかかるイオン選択性電極の耐久性テストを示す図表である。横軸は、測定回数、縦軸はチオシアン酸イオンに対する選択性である。実施例１で製造した塩素イオン感応膜を塩素イオン選択性電極に組立て、動物由来血清を使用して耐久性試験を行った結果を示す。図５に示す通り、３万回の測定後もチオシアン酸イオンに対する選択性が悪化することはなかった。また、膜の物理的劣化もなく、分析装置として高い耐久性を示した。

本発明の塩素イオン感応膜、および塩素イオン選択性電極は、塩素イオンに対する感度が高く、かつ共存する妨害イオンに対する選択性が高いため、血液や尿等の生体液中に溶解している塩素イオン濃度の測定を目的とした塩素イオン選択性電極及び医療用の分析装置に用いるのが好適である。

１６ 電解質溶液
２０ 塩素イオン選択性電極
２１ 塩素イオン感応膜
２２ 支持体
２３ 第１の筐体部材
２３ａ、２４ａ 嵌合穴
２４ 第２の筐体部材
２５ 電極棒
３１ 被検液の流路
３２ 穴
３３、３４ 嵌合突起
４１ ポット
４２ 被検液
４４ 参照電極
４５ 温度センサ
４６ 電磁ポンプ
４７ 温度補償回路
４８ 演算回路
４９ 表示器

Claims (7)

1. 高分子物質に共有結合された塩素イオン感応部を有する塩素イオン感応膜において、前記感応部の構造が下記の化学構造式（１）で表される四級アンモニウム塩であって、
   

   

   四級窒素原子が任意の結合手Ｂを介して前記高分子物質に結合しており、前記窒素原子には非水溶性高誘電率官能基を持つ置換基Ａと、親水性官能基を持つ置換基Ｒ１及びＲ２が結合しており、
   前記置換基Ａの構造が、下記の化学構造式（２）で表され、
   

   

   直鎖或いは分岐を有するアルキレン基（但し、ｎは１から４の整数）を介して結合した、置換基Ｚ（但し、Ｚは水素原子を含み、炭素数４以下のアルコキシ基、ハロゲノ基、トリハロメチル基、シアノ基、ニトロ基）を単数或いは複数有していても良いフェニル基であることを特徴とする塩素イオン感応膜。
2. 前記親水性官能基を持つ置換基Ｒ１及びＲ２が、炭素数４以下のヒドロキシアルキル基、炭素数３以下のシアノアルキル基であることを特徴とする請求項１に記載の塩素イオン感応膜。
3. 前記高分子物質に共有結合された塩素イオン感応部を有する塩素イオン感応膜であって、前記高分子物質がスチレンとジビニルベンゼンの共重合体であり、
   一般式が下記の化学構造式（３）で表される構造を有することを特徴とする請求項１または２に記載の塩素イオン感応膜（但し、ｐ、ｑ、ｒは任意の整数）。
   

   
4. 前記高分子物質が、共重合モノマーとして、スチレン、ヒドロキシエチルメタクリレート、或いは２，２，２−トリフルオロエチルアクリレートを加えた高分子物質であることを特徴とする請求項３に記載の塩素イオン感応膜。
5. 請求項１〜４のいずれか一つに記載の塩素イオン感応膜において、
   

   

   一般式が化学構造式（４）で表される高分子構造と四級アンモニウム塩構造を有し、四級窒素原子には、直鎖或いは分岐を有するアルキレン基（但し、ｎは１から４の整数）を介して結合した、置換基Ｚ（但し、Ｚは水素原子を含み、炭素数４以下のアルコキシ基、ハロゲノ基、トリハロメチル基、シアノ基、ニトロ基）を単数或いは複数有していても良いフェニル基、及びヒドロキシエチル基、ヒドロキシプロピル基、ヒドロキシブチル基、シアノエチル基のいずれかから選択され、互いに異なっていてもよい置換基Ｒ１、Ｒ２が結合していることを特徴とする塩素イオン感応膜。
6. 請求項１〜５のいずれか一つに記載の塩素イオン感応膜を固着した支持体と、
   被検液の流路を有し前記支持体と第１の筐体部材と第２の筐体部材によって構成された筐体と、
   前記筐体の一部に固定された電極棒と、
   前記筐体内に封入された電解質溶液と、
   を有することを特徴とする塩素イオン選択性電極。
7. 請求項６に記載の塩素イオン選択性電極を含む複数のイオン選択性電極と、
   参照電極と、
   前記イオン選択性電極と前記参照電極との間の電位差を計測するための電気回路とを有することを特徴とするイオン分析装置。
   

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