JP7150981B2 - イオン選択性電極及び電解質濃度測定装置 - Google Patents

Description

本開示は、イオン選択性電極及び電解質濃度測定装置に関する。

フロー型電解質濃度測定装置は、生化学自動分析装置、水質分析装置、土壌分析装置などに搭載され、血清や尿などの生体試料、環境水、土壌といった検体中のイオン濃度を高精度かつ高スループットで分析する。複数のイオン（ナトリウムイオン、カリウムイオン、カルシウムイオン、塩化物イオンなど）を同時に分析するため、検出するイオンに対応した複数のイオン選択性電極（ＩＳＥ：Ｉｏｎ Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）が電解質濃度測定センサとして電解質濃度測定装置に搭載される（特許文献１等）。

イオン選択性電極は、典型的には、電解質溶液、電解質溶液が封入され、被検液の流路を有する筐体、電解質溶液と被検液との間に設けられたイオン感応膜及びイオン感応膜に誘起された起電力を測定するための電極棒を備える。

筐体の材料としては、塩化ナトリウム水溶液などの電解質溶液を長期間安定に封入できることと、製造の容易性から、塩化ビニル樹脂が用いられている。イオン感応膜としては、例えばイオン選択性物質、可塑剤、ポリ塩化ビニル等をテトラヒドロフラン等の有機溶媒に溶解した後、膜状に成形することによって得られる高分子膜が用いられる。イオン感応膜は、テトラヒドロフラン等を使用した溶剤接着などの方法により筐体に固着される。

例えば特許文献２には、「被検液の流路を有する支持体上に固定されたイオン感応膜と、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、からなるイオン選択性電極において、前記筐体の材質がポリ塩化ビニルを主成分とする塩化ビニル樹脂であり、かつ有機酸亜鉛塩及び有機酸金属塩（ただし、金属はカルシウム、マグネシウム、バリウム、カリウムからなる１種または複数）を含有することを特徴とするイオン選択性電極」が開示されている（同文献の請求項１参照）。

特開昭６１－１２４８６４号公報 特開２０１６－１８０６３０号公報

しかしながら、特許文献２に記載のイオン選択性電極のように、筐体が塩化ビニル樹脂製である場合、感応膜の可塑剤が筐体へ移行し易く、感応膜の組成が経時的に変わり、電極性能が経時的に変化してしまう。電極性能が経時的に変化するため、従来のイオン選択性電極の保管寿命は一年程度であるが、より安定性を向上して保管寿命を延ばすことが求められる。

また、筐体の材料に関して、感応膜と筐体との接着性を重視するのであれば感応膜材料との親和性が高いほうがよく、一方で感応膜の可塑剤の移行性を低減するためには、感応膜材料との親和性が低いほうが良い。このようにトレードオフの関係にある感応膜の可塑剤の低移行性と、感応膜と筐体との接着性とを両立するような筐体の材料はこれまで見出されていなかった。

そこで、本開示は、イオン選択性電極の安定性及び感応膜と筐体との接着性を両立する技術を提供する。

本開示のイオン選択性電極は、イオン選択性物質、基材及び可塑剤を含む感応膜と、前記感応膜を収容する筐体と、を備え、前記筐体の材料は、溶解度パラメータ（ＳＰ値）が１９．５～２１．５である物質を含むことを特徴とする。

本開示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、本開示の態様は、要素及び多様な要素の組み合わせ及び以降の詳細な記述と添付される特許請求の範囲の様態により達成され実現される。
本明細書の記述は典型的な例示に過ぎず、本開示の特許請求の範囲又は適用例を如何なる意味に於いても限定するものではないことを理解する必要がある。

本開示によれば、イオン選択性電極の安定性及び感応膜と筐体との接着性を両立することができる。
上記した以外の、課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

フロー型電解質濃度測定装置の一例を示す概略図。 イオン選択性電極の構成を示す概略図。 メチルメタクリレートアクリロニトリルブタジエンスチレン樹脂及び塩化ビニル樹脂の可塑剤（アジピン酸系）浸漬による重量変化を示すグラフ。 塩化ビニル樹脂を基準としたときのメチルメタクリレートアクリロニトリルブタジエンスチレン樹脂の重量相対変化率を示すグラフ。 溶解度パラメータ（ＳＰ値）の差異を示す模式図。

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

＜電解質濃度測定装置の構成＞
図１は、フロー型の電解質濃度測定装置１００の一例を示す概略図である。電解質濃度測定装置１００は、検体中の陽イオン及び陰イオンを測定する装置であり、測定部１８０、記録演算部１８１、出力部１８２、制御部１８３及び入力部１８４を備える。

測定部１８０は、複数のイオン選択性電極１０１（イオン選択性電極１０１ａ～１０１ｃ）、比較電極１０４、ピンチ弁１０５、真空吸引ノズル１０６、シッパーノズル１０７、希釈液供給ノズル１０８、内部標準液供給ノズル１０９、希釈槽１１０、廃液タンク１１１、真空ポンプ１１２、切替え弁１２１、内部標準液用シリンジ１３１、希釈液用シリンジ１３２、シッパーシリンジ１３３、内部標準液ボトル１４１、希釈液ボトル１５１、比較電極液ボトル１６１及び電位測定部１７１を備える。例えば、イオン選択性電極１０１ａを塩素イオン電極とし、イオン選択性電極１０１ｂをカリウムイオン電極とし、イオン選択性電極１０１ｃをナトリウムイオン電極とすることができる。イオン選択性電極１０１の数は、測定対象となるイオン種の数に応じて変更することができる。また、イオン選択性電極１０１は全てのイオン種に適応可能である。

比較電極液ボトル１６１には比較電極液が収容されており、比較電極液はシッパーシリンジ１３３により比較電極１０４の流路に導入される。比較電極液として、例えば塩化カリウム水溶液などを用いることができる。内部標準液ボトル１４１には内部標準液が収容されており、内部標準液は内部標準液用シリンジ１３１及び内部標準液供給ノズル１０９により希釈槽１１０に分注され、イオン選択性電極１０１の流路に導入される。

検体は、図示しないサンプリング機構により希釈槽１１０に分注される。希釈液ボトル１５１には希釈液が収容されており、希釈液は希釈液用シリンジ１３２及び希釈液供給ノズル１０８により希釈槽１１０に分注されて検体と混合され、希釈液で希釈された検体がシッパーノズル１０７によりイオン選択性電極１０１の流路に導入される。

ピンチ弁１０５は、イオン選択性電極１０１の流路に導入された検体が希釈槽１１０側に逆流することを防止する。イオン選択性電極１０１における分析後、真空ポンプ１１２を駆動することにより、希釈槽１１０内の液体が真空吸引ノズル６から吸引され、廃液タンク１１１に廃棄される。

比較電極１０４に導入された比較電極液は、切替え弁１２１、真空ポンプ１１２及びシッパーシリンジ１３３を操作することにより廃液タンク１１１に廃棄される。

比較電極１０４と各イオン選択性電極１０１との電位差（起電力）は、イオン選択性電極１０１の流路に導入された液中の分析対象イオン濃度によって変化する。電位測定部１７１は、その起電力を測定して記録演算部１８１に測定結果を出力し、記録演算部１８１は、記録演算部１８１の測定結果に基づいてイオン濃度を算出する。電解質濃度測定装置１００を用いたイオン濃度の測定方法としては、例えば特許文献１に記載の方法を採用することができる。

＜イオン選択性電極の構成＞
図２は、イオン選択性電極１０１の構成を示す概略図である。図２（ａ）はイオン選択性電極１０１の正面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＢ矢視図であり、図２（ｃ）は図２（ａ）のＡ－Ａ断面図である。イオン選択性電極１０１は、筐体２０１、流路２０２、銀／塩化銀電極２０３、内部液２０４及び感応膜２０５を備える。流路２０２は、筐体２０１を水平方向に貫通し、内部を検体が流れる。内部液２０４には銀／塩化銀電極２０３が接触している。銀／塩化銀電極２０３は端子も兼ねている。内部液２０４としては、例えば塩化カリウムなどの電解質を含む溶液を用いることができる。

図２（ｃ）に示すように、感応膜２０５は、流路２０２を流れる検体と接するように配置され、感応膜２０５を介して流路２０２と反対側には内部液２０４が充填される。流路２０２内の検体と内部液２０４とは、感応膜２０５を介して電気的に導通されている。感応膜２０５は、流路２０２を流れる検体からイオンを取り込み、内部液２０４に移動させる。このときに発生する起電力と比較電極１０４の電位との電位差によりイオン濃度を算出することができる。

なお、図２において流路２０２と電解質濃度測定装置１００との接続箇所を簡略化して記載しているが、イオン選択性電極１０１を電解質濃度測定装置１００に搭載した際に、流路２０２内を通る検体の流れを妨げず、液漏れしない構造であればよい。

感応膜２０５は、基材、イオン選択性物質及び可塑剤を含む。感応膜２０５は、アニオン排除剤又はカチオン排除剤など、感応膜２０５に添加される通常の添加剤を含んでいてもよい。

基材としては、それ自身がイオン交換性を有さず、イオン選択性物質、可塑剤及び各種添加剤を膜状に保持できる物質であればよく、典型的にはポリ塩化ビニルが用いられる。ポリ塩化ビニルの他に、基材として例えばポリ塩化ビニリデン、ポリアニリン、セルローストリアセテート、ポリメタクリレート、ポリアクリレート、シリコーン、ポリエステル、ポリウレタン、ポリビニルアルコール、エポキシ樹脂などを単独で、又はこれらを混合して用いてもよい。

イオン選択性物質は、特定のイオンと結合する物質であり、検出対象のイオン種に応じて選択される。検出対象のイオンがナトリウム、カリウム、カルシウム、マグネシウム、アンモニウムなどの陽イオンである場合は、例えばクラウンエーテル、バリノマイシン、カリックスアレーン、リン酸エステル、ノナクチンなどを用いることができる。検出対象のイオンが塩素、炭酸、チオシアン、硝酸、水酸、リン酸、硫酸、ヨウ素などの陰イオンである場合は、第四級アンモニウム塩などのイオン選択性物質を含む膜の他に、塩化銀、臭化銀などのハロゲン化銀やイオン交換膜を用いることができる。

可塑剤としては、用いる基材及びイオン選択性物質に応じて適宜選択でき、例えばアジピン酸ジオクチルやアジピン酸ジイソノニルなどのアジピン酸エステル類；フタル酸ジオクチル、フタル酸ジイソノニル、フタル酸ジイソデシル、フタル酸ジブチルなどのフタル酸エステル類；トリメリット酸トリオクチルなどのトリメリット酸エステル類；ｏ－ニトロフェニルオクチルエーテルやｏ－ニトロフェニルデシルエーテルなどのｏ－ニトロフェニルアルキルエーテル類；トリスオクチルフォスフェート等のトリスアルキルフォスフェート類等を用いることができる。

筐体２０１及び感応膜２０５は、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）などの溶媒を用いた溶剤接着にて接着される。

筐体２０１は、典型的にはポリ塩化ビニルを主成分として含む塩化ビニル樹脂により形成されるが、上記のように、可塑剤が塩化ビニル樹脂へ移行し易く、電極性能が経時的に変化する虞があった。鋭意検討の結果、我々は、筐体２０１の材料としてメチルメタクリレートアクリロニトリルブタジエンスチレン樹脂（ＭＡＢＳ樹脂）を用いることで、上記課題が解決できることを見出した。

メチルメタクリレートアクリロニトリルブタジエンスチレン樹脂は、メチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）とアクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）との混合物又は共重合体である。メチルメタクリレートアクリロニトリルブタジエンスチレン樹脂は、耐衝撃性及び表面硬度に優れ、高い熱安定性及び高い成形性を有する。また、メチルメタクリレートアクリロニトリルブタジエンスチレン樹脂は吸湿性が極めて少ないため、電解質溶液である内部液２０４を吸収することなく収容することができる。

メチルメタクリレートアクリロニトリルブタジエンスチレン樹脂には、必要に応じて熱安定剤、光安定剤、着色剤などの各種添加剤が添加されていてもよい。

（可塑剤の移行試験）
筐体２０１の材料に対する可塑剤の移行度合の確認のため、ＪＩＳ Ｋ７１１４：２００１「プラスチック－液体薬品への浸せき効果を求める試験方法」に従い、ＭＡＢＳの試験片を作製し、浸漬試験を行った。試験片の大きさは６０ｍｍ×６０ｍｍ×１ｍｍとし、浸漬温度は６０℃、浸漬期間は最長１ヶ月、浸漬する可塑剤はアジピン酸系の可塑剤を使用した。試験片として、一般的に流通しているメチルメタクリレートアクリロニトリルブタジエンスチレン樹脂のうち、メーカーもしくは型番の異なる４種（ＭＡＢＳ－１～ＭＡＢＳ－４）と塩化ビニル樹脂（ＰＶＣ）を用いた。

図３は、メチルメタクリレートアクリロニトリルブタジエンスチレン樹脂及び塩化ビニル樹脂の可塑剤（アジピン酸系）浸漬による重量変化を示すグラフである。塩化ビニル樹脂は１ヶ月間で０．４５ｇ増加したのに対して、ＭＡＢＳ－１～ＭＡＢＳ－４はいずれも１ヶ月間で０．１ｇ以下の増加であった。

重量変化そのものは試験片の大きさ及び浸漬時間に依存する。したがって、試験片の大きさ及び浸漬時間に依存しないよう指標を一般化するため、塩化ビニル樹脂を基準としてＭＡＢＳ樹脂の重量相対変化率を算出した。

図４は、塩化ビニル樹脂を基準としたときのメチルメタクリレートアクリロニトリルブタジエンスチレン樹脂の重量相対変化率を示すグラフである。４種のＭＡＢＳ－１～ＭＡＢＳ－４のいずれにおいても、塩化ビニル樹脂を基準としたときの重量相対変化率は４０％以下であった。これは、アジピン酸系可塑剤のメチルメタクリレートアクリロニトリルブタジエンスチレン樹脂への移行量は、塩化ビニル樹脂に対して４０％以下であることを示している。このように、メチルメタクリレートアクリロニトリルブタジエンスチレン樹脂は、塩化ビニル樹脂と比較して可塑剤の移行量が少なく、より長期安定性を有するイオン選択性電極を作製できることがわかる。

（感応膜の接着試験）
次に、接着溶媒としてテトラヒドロフランを用いた場合における筐体への感応膜の接着の可否を確認した。まず、筐体の材料としてメチルメタクリレートアクリロニトリルブタジエンスチレン樹脂を用いて、ナトリウムイオン選択性電極及びカリウムイオン選択性電極を作製した。テトラヒドロフランを使用して筐体と感応膜との接着作業を行ったところ、メチルメタクリレートアクリロニトリルブタジエンスチレン樹脂がテトラヒドロフランに適度に溶解して容易に接着でき、作業性に問題はなかった。

また、作製したナトリウムイオン選択性電極及びカリウムイオン選択性電極の流路に１００ｋＰａの空気圧を印加したところ、空気漏れは認められなかった。したがって、メチルメタクリレートアクリロニトリルブタジエンスチレン樹脂製の筐体は、テトラヒドロフランによる感応膜接着が可能であると判断した。このように、メチルメタクリレートアクリロニトリルブタジエンスチレン樹脂を筐体２０１の材料として用いた場合、塩化ビニル樹脂を使用した場合と同様に、感応膜の接着性を実現できることがわかる。

さらに、我々は筐体２０１の材料がイオン選択性電極１０１に適しているかどうかの判断指標として、溶解度パラメータが有用であることを発見した。

溶解度パラメータ（ＳＰ値）は、２成分系溶液の溶解度の目安となる値であり、２つの成分のＳＰ値の差が小さいほど溶解度が大となることが経験的に知られている。

ＳＰ値には、Ｆｅｄｏｒｓの溶解度パラメータ、Ｈｉｌｄｅｂｒａｎｄの溶解度パラメータ、Ｈａｎｓｅｎの溶解度パラメータなどがある。本開示における樹脂と可塑剤の移行性及び感応膜の接着性を判定するためのＳＰ値としては、分散、分極、水素結合の３つのエネルギーパラメータから総合的に算出でき、より正確な溶解性が判定できるという観点から、Ｈｉｌｄｅｂｒａｎｄの溶解度パラメータによるＳＰ値を用いることがより好ましい。なお、溶解度パラメータ（ＳＰ値）の単位は（ＭＰａ）１／２を採用する。

表１に代表的な可塑剤の溶解度パラメータ（ＳＰ値）を示す。表１に示すように、これら可塑剤の溶解度パラメータ（ＳＰ値）は１７．４～１８．４である。

また、H. Burrell, J. Brandrup, E. H. Immergut, “Polymer Handbook”, Interscience, New York (1966) によると、塩化ビニル樹脂の溶解度パラメータ（ＳＰ値）は１９．１９～１９．３４であり、テトラヒドロフランの溶解度パラメータ（ＳＰ値）は２１．９であることが知られている。

ここで、Ｈａｎｓｅｎ球法により、４種のＭＡＢＳ－１～ＭＡＢＳ－４の溶解度パラメータを測定した。具体的には、まず、対象となる試料を溶解度パラメータ既知の溶媒に混合し、溶解したか否かを判別した。次に、溶解性試験の結果を溶解度パラメータ（δＤ、δＰ、δＨ）の三次元空間にプロットした。次に、溶解した溶媒の座標を含み、溶解しなかった溶媒の座標を含まない球（Ｈａｎｓｅｎ球）を求めた。

溶解度パラメータの測定条件は、以下の通りとした。
試験温度：室温（２２～２５℃）
試験時間：２４時間

ＭＡＢＳ－１～ＭＡＢＳ－４の溶解度パラメータは、表２に示す通り、２０．６～２１．１であった。

図５は、アジピン酸系可塑剤、塩化ビニル樹脂、ＭＡＢＳ樹脂及びテトラヒドロフランの溶解度パラメータ（ＳＰ値）を示す模式図である。図５に示すように、いずれの可塑剤を使用した感応膜においても、筐体２０１の材料としてＭＡＢＳ樹脂に限らず、溶解度パラメータ（ＳＰ値）が１９．５～２１．５の範囲にある物質を使用することで、塩化ビニル樹脂を筐体に使用する場合と比較して、可塑剤の移行量が少なく性能が安定したイオン選択性電極が得られることがわかる。筐体２０１の材料の溶解度パラメータは、条件に応じて、ＭＡＢＳ樹脂の溶解度パラメータと同様に２０．６～２１．１とすることができる。

＜技術的効果＞
以上のように、本開示のイオン選択性電極は、筐体の材料として溶解度パラメータ（ＳＰ値）が１９．５～２１．５である物質、特にＭＡＢＳ樹脂を採用している。これにより、感応膜に含まれる可塑剤の移行を抑制でき、安定性及び筐体と感応膜との接着性を両立することができる。また、長寿命化により大量生産、大量ストックが可能となるため、高効率でイオン選択性電極を生産することができる。さらに、ユーザーにとっては、イオン選択性電極の寿命による交換の頻度や作業時間を低減することが可能となり、保守コストを削減できる。

＜変形例＞
本開示は、上述した実施形態に限定されるものでなく、様々な変形例を含んでいる。例えば、上述した実施形態は、本開示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必要はない。また、ある実施形態の一部を他の実施形態の構成に置き換えることができる。また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることもできる。また、各実施形態の構成の一部について、他の実施形態の構成の一部を追加、削除又は置換することもできる。

１００・・・電解質濃度測定装置、１０１・・・イオン選択性電極、１０４・・・比較電極、１０５・・・ピンチ弁、１０６・・・真空吸引ノズル、１０７・・・シッパーノズル、１０８・・・希釈液供給ノズル、１０９・・・内部標準液供給ノズル、１１０・・・希釈槽、１１１・・・廃液タンク、１１２・・・真空ポンプ、１２１・・・切替え弁、１３１・・・内部標準液用シリンジ、１３２・・・希釈液用シリンジ、１３３・・・シッパーシリンジ、１４１・・・内部標準液ボトル、１５１・・・希釈液ボトル、１６１・・・比較電極液ボトル、１７１・・・電位測定部、１８０・・・測定部、１８１・・・記録演算部、１８２・・・出力部、１８３・・・制御部、１８４・・・入力部、２０１・・・筐体、２０２・・・流路、２０３・・・銀／塩化銀電極、２０４・・・内部液、２０５・・・感応膜

Claims (5)

1. イオン選択性物質、基材及びアジピン酸エステル類の可塑剤を含む感応膜と、
   前記感応膜を収容する筐体と、を備え、
   前記筐体の材料は、メチルメタクリレートアクリロニトリルブタジエンスチレン樹脂であることを特徴とするイオン選択性電極。
2. 請求項１に記載のイオン選択性電極であって、
   前記筐体及び前記感応膜は、前記筐体の内部で接着されることを特徴とするイオン選択性電極。
3. 請求項１に記載のイオン選択性電極であって、
   前記基材がポリ塩化ビニルであることを特徴とするイオン選択性電極。
4. 請求項１に記載のイオン選択性電極を備える電解質濃度測定装置。
5. 請求項１に記載のイオン選択性電極であって、
   前記メチルメタクリレートアクリロニトリルブタジエンスチレン樹脂の溶解度パラメータ（ＳＰ値）が２０．６～２１．１であることを特徴とするイオン選択性電極。
   

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