(57)【要約】【課題】取り扱いが易しく、臨床分析や環境分析の分野で十分利用できるほどイオン選択性が高いイオンセンサ及びその構成要素であるイオン感応膜を提供する。【解決手段】この発明のイオン感応膜は、イオン感応膜の構成成分である支持体にゲル化剤を使用する。また、この発明のイオンセンサは、前記イオン感応膜を作用電極に使用する。なお、支持体として使用するゲル化剤としては、下記の化学式（１）：2011257287.tif 000009で示される構造単位を有する物質が例示できる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゲル化剤からなる支持体と、有機化合物からなる膜溶媒とを含有するイオン感応膜。
【請求項２】
ゲル化剤からなる支持体が、下記の化学式（１）：
【化１】
2011257287.tif 000006
で示される化合物である請求項１に記載のイオン感応膜。
【請求項３】
ゲル化剤からなる支持体が、下記の化学式（２）：
【化２】
2011257287.tif 000007
で示される化合物である請求項１に記載のイオン感応膜。
【請求項４】
有機化合物からなる膜溶媒が、下記の化学式（４）：
【化４】
2011257287.tif 000008
で示される化合物である請求項１から請求項３のいずれかに記載のイオン感応膜。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載のイオン感応膜を使用する作用電極と参照電極とを備えたイオンセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、臨床分析及び環境分析に使用可能なイオンセンサ等に関し、特に、前処理をしなくても特定のイオンの濃度を定量的に測定することができるイオンセンサ等に関する。
【背景技術】
【０００２】
イオン選択性電極（以下、ＩＳＥと略す。）を作用電極として使用するイオンセンサは、作製が簡単で安価であること、迅速且つ簡便に測定できること、測定出力が安定していること、測定の際の危険性が極めて少ないこと、そして何よりも、特定のイオンに対して選択的に応答することなどの優れた性質を備えているため、様々な分野で利用されている。
【０００３】
そして、臨床分析や環境分析の分野で幅広く利用するため、前処理なく何時でも何処でも定量的に特定のイオンを測定できるように、イオンセンサのイオン選択性を向上させることが求められており、従来から数多くの研究がなされている。
【０００４】
さて、ＩＳＥのイオンセンサの作用電極において、実際にイオンを感知するのは、センサーの先端に取り付けられたイオン感応膜である。このイオン感応膜は、ＰＶＣなどの高分子物質からなる支持体と、特定のイオンと反応するイオノフォアと、イオノフォアを溶解する膜溶媒等から構成されており、イオン感応膜の性能は、多くの場合、イオノフォアと膜溶媒との組み合わせに依存する。
【０００５】
そこで、従来から、既知のイオノフォアと膜溶媒を組み合わせることによって、イオン感応膜の性能を向上させることが試みられてはいるが、性能をさらに向上させることは困難であった。
【０００６】
そのため、イオン感応膜の性能を向上することを目指して、新しい化合物を合成・利用することが研究・実用化されている。この様な例としては、例えば、新規イオノフォアの合成に関するもの（例えば、特許文献１、特許文献２を参照）が多いが、イオン感応膜の膜溶媒に液晶を使用するもの（例えば、非特許文献１を参照）、支持体としてゾルーゲルマトリックスを用いるもの（例えば、特許文献３、特許文献４を参照）や高分子液晶を用いるもの（例えば、特許文献５を参照）についても研究がなされている。一方、液体をゲル化するゲル化剤については、従来から研究されている（特許文献６及び非特許文献２、非特許文献３を参照）。
【０００７】
しかし、ＩＳＥのイオン感応膜を構成する支持体にゲル化剤を利用することには、これまで行われてこなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第３０９３０６９号公報
【特許文献２】特開２００３-１４９１９３号公報
【特許文献３】特許第４０５４３８２号公報
【特許文献４】特許第４１５６３９１号公報
【特許文献５】特許第４１９５９３８号公報
【特許文献６】特開平１０-２２６６１５号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】K. Kimura et al., Anal. Chem.,74, 5544-5549 (2002).
【非特許文献２】英謙二ら, 高分子論文集, 55巻, 585-594 (1998).
【非特許文献３】K. Hanabusa et al., Chem. Mater.,11, 649-655 (1998).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
そこで、この発明は、臨床分析や環境分析の分野で十分利用できるほどイオン選択性が高いイオンセンサ及びイオン感応膜を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明のイオン感応膜は、その構成成分である支持体にゲル化剤を使用すること最も主要な特徴とする。また、この発明のイオンセンサは、前記イオン感応膜を作用電極に使用することを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
この発明のイオン感応膜は、作製が容易であるとともに、イオン感応膜にイオノフォアを添加しなくてもイオン選択性が従来からあるものに匹敵する。そのため、このイオン感応膜をイオンセンサの作用電極に使用すれば、臨床分析や環境分析の分野において、前処理の必要なく、特定イオンの濃度を定量的に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】化合物（１）のゲル化剤を用いたイオン感応膜を備えたISEを作用電極として使用するイオンセンサにより、カリウムイオンの活量変化に対する電位応答を測定した結果を示すグラフである。
【図２】化合物（２）のゲル化剤を用いたイオン感応膜を備えたISEを作用電極として使用するイオンセンサにより、カリウムイオンの活量変化に対する電位応答を測定した結果を示すグラフである。
【図３】化合物（１）のゲル化剤を用いたイオン感応膜を備えたISEを作用電極として使用するイオンセンサにより、リチウムイオンに対するカリウムイオンの選択係数を測定した結果を示すグラフである。
【図４】化合物（２）のゲル化剤を用いたイオン感応膜を備えたISEを作用電極として使用するイオンセンサにより、リチウムイオンに対するカリウムイオンの選択係数を測定した結果を示すグラフである。
【図５】化合物（１）のゲル化剤を用いたイオン感応膜を備えたISEを作用電極として使用するイオンセンサにより、ナトリウムイオンに対するカリウムイオンの選択係数を測定した結果を示すグラフである。
【図６】化合物（２）のゲル化剤を用いたイオン感応膜を備えたISEを作用電極として使用するイオンセンサにより、ナトリウムイオンに対するカリウムイオンの選択係数を測定した結果を示すグラフである。
【図７】化合物（１）のゲル化剤を用いたイオン感応膜を備えたISEを作用電極として使用するイオンセンサにより、ルビジウムイオンに対するカリウムイオンの選択係数を測定した結果を示すグラフである。
【図８】化合物（２）のゲル化剤を用いたイオン感応膜を備えたISEを作用電極として使用するイオンセンサにより、ルビジウムイオンに対するカリウムイオンの選択係数を測定した結果を示すグラフである。
【図９】化合物（１）のゲル化剤を用いたイオン感応膜を備えたISEを作用電極として使用するイオンセンサにより、セシウムイオンに対するカリウムイオンの選択係数を測定した結果を示すグラフである。
【図１０】化合物（２）のゲル化剤を用いたイオン感応膜を備えたISEを作用電極として使用するイオンセンサにより、セシウムイオンに対するカリウムイオンの選択係数を測定した結果を示すグラフである。
【図１１】化合物（１）のゲル化剤を用いたイオン感応膜を備えたISEを作用電極として使用するイオンセンサにより、アンモニウムイオンに対するカリウムイオンの選択係数を測定した結果を示すグラフである。
【図１２】化合物（２）のゲル化剤を用いたイオン感応膜を備えたISEを作用電極として使用するイオンセンサにより、アンモニウムイオンに対するカリウムイオンの選択係数を測定した結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
１．イオン感応膜
この発明のイオン感応膜は、膜材料である支持体と、膜溶媒とを含んでいる。そこで、これら構成成分について以下に詳説する。
【００１５】
なお、測定の対象となるイオンの種類は、硝酸イオン、亜硝酸イオン、硫酸イオン、亜硫酸イオン、塩化物イオン、臭化物イオン、ヨウ化物イオン、過塩素酸イオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、カルシウムイオン、マグネシウムイオンなどを例示できるが、これに限定するものではない。
【００１６】
（１）支持体
支持体は、膜の形状を一定に保つものであり、ゲル化剤から構成されている。ここで、ゲル化剤とは、液体をゲル化する低分子および高分子物質であり、アミド結合、尿素結合、ヒドロキシル基、カルボキシル基など、水素結合や静電的相互作用により分子間相互作用できる官能基が導入されている物質のことである。
【００１７】
具体的には、下記の化学式（１）で示される構造単位を有する物質（非特許文献２を参照）や下記の化学式（２）で示される構造単位を有する物質（特許文献６を参照）、下記の化学式（３）で示される構造単位を有する物質（非特許文献３を参照）などが挙げられるが、これに限定するものではない。なかでも、優れた応答を示すため、化学式（１）で示される構造単位を有する物質や下記の化学式（２）で示される構造単位を有する物質が好ましい。
【００１８】
【化１】
2011257287.tif 000002
【００１９】
【化２】
2011257287.tif 000003
【００２０】
【化３】
2011257287.tif 000004
【００２１】
（２）膜溶媒
膜溶媒は、支持体やイオノフォアを溶解して流動性を与えるためのものであり、低分子量の有機溶媒である。具体的には、例えば、ヘキサン、ドデカン、トルエン、キシレン、ニトロベンゼン、1,2-ジクロロエタン、セバシン酸ジオクチル、オクタノール、下記の化学式（４）に示す化合物が挙げられるが、これに限定するものではない。なかでも、優れた応答を示すため、化学式（４）で示す化合物が好ましい。
【化４】
2011257287.tif 000005
【００２２】
（３）その他
（１）支持体及び（２）膜溶媒以外にも、ゲル化剤同士が超分子構造をとることを妨げないのであれば、イオン感応膜に含まれる通常の添加物、例えばイオノフォアやカチオン性またはアニオン性添加塩などを加えてもよい。
【００２３】
２．イオン感応膜やイオンセンサの作製
次に、前記各成分から、この発明のイオン感応膜、イオンセンサを作製する方法について以下に詳説する。
【００２４】
（１）混合・溶解工程
前記各成分を混合・加熱溶解して混合液とする。なお、イオン感応膜中、支持体、膜溶媒など含有量は、具体的な材料によって異なるが、概ね以下のとおりである。また、溶媒の量は、後述する膜形成工程で得られるイオン感応膜に適した強度が得られる量である。
【００２５】
イオン感応膜中に含まれる支持体の含有率は、支持体＋膜溶媒の合計重量の0.9重量％〜10重量％であり、優れた応答を示すため、好ましくは5重量％程度である。また、膜溶媒の含有率は、同じく90重量％〜99.1重量％であり、優れた応答を示すため、好ましくは95重量％程度である。
【００２６】
（２）膜形成工程
（１）で得られた混合物を、鋳型に流し込み、混合液を流し込んだ鋳型を埃が降ってこない容器に入れて、室温で数分以上放置することによって、イオン感応膜を作製する。なお、鋳型の形態は、作製されたイオン感応膜がポテンショメータに取り付けられるのであれば特に限定することなく如何なる形態であってもよい。鋳型の具体例としては、円形、矩形などのガラス製、プラスチック製などの材質でできたものが挙げられ、好ましくは、内径0.37cm、外径0.70cm、高さ0.20cmの円筒形のものが挙げられる。
【００２７】
（３）組み立て工程
（２）で作製されたイオン感応膜を、作用電極としてポテンショメータの一極に取り付け、ポテンショメータの他極に参照電極を取り付けることにより、イオンセンサが完成する。なお、前記ポテンショメータや参照電極は、公知のイオンセンサに使用可能であれば特に限定することなく使用することができる。
【００２８】
以上のように、この発明のイオン感応膜は、ゲル化剤を使用することで、ゲル化剤同士の分子間相互作用によって形成される超分子構造により、高いイオン選択性が生じる。従来からあるイオン感応膜は、イオノフォアを含まなければイオン選択性を示さない。そのため、この発明のイオン感応膜を作用電極に使用することによって、この発明のイオンセンサは、臨床分析や環境分析の分野において、前処理の必要なく容易に特定イオンの濃度を定量的に測定することができる。
【００２９】
以下に、この発明を実施例に従ってさらに詳しく説明するが、この発明の特許請求の範囲は如何なる意味においても下記の実施例により限定されるものではない。
【実施例】
【００３０】
（１）イオンセンサの作製
（ａ）作用電極の作製
支持体である化学式（１）または（２）のゲル化剤と、膜溶媒である化学式（４）の２-ニトロフェニルオクチルエーテル(NPOE)とを、ゲル化剤を5.0重量％、NPOEを95.0重量％の割合で混合し、加熱溶解した。なお、化学式（１）と化学式（２）のゲル化剤は、特許文献６や非特許文献２に基づいて合成して使用した。また、化学式（４）のNPOEは市販のものを使用した。
【００３１】
この様にして得られた膜溶液を、プラスチック製の内径0.37cm、外径0.70cm、高さ0.20cmの円筒形の鋳型に流し込み、室温で数分以上放置し、鋳型内にイオン感応膜を得た。そして、この膜を鋳型ごと東亜ディーケーケー型イオン選択性電極本体に取り付けてISEを作製した。
【００３２】
（ｂ）イオンセンサの作製
（ａ）で作製したISEを、0.1 Mの塩化カリウム水溶液に一晩以上浸してコンディショニングを行ったのち、ポテンショメータ（東興化学研究所（株）社製ＴＰ-１０００）、参照電極（東亜ディーケーケー（株）社製４０８３）と組み合わせて、特許文献５などを参考にイオンセンサを作製した。
【００３３】
ISEを作用電極として使用するイオンセンサは、ポテンショメータの一方の端子に作用電極が接続し、他の端子に参照電極が接続したものである。そして、作用電極と参照電極はその一部が試料溶液を入れる恒温槽に浸かっており、恒温槽には、その内部をなるべく均一に保つため、攪拌子が回転している。
【００３４】
また、作用電極は、その電極に銀-塩化銀電極を、その内部溶液に塩化銀を飽和させた1×10-3
Mの塩化カリウム水溶液をそれぞれ使用し、その先端には前記のイオン感応膜が取り付けてある。
【００３５】
なお、参照電極は、電極として銀-塩化銀電極、内筒溶液として3 M飽和塩化カリウム溶液、外部溶液として0.025 M酢酸リチウム水溶液を使用するダブルジャンクション型のものである。
【００３６】
（２）カリウムイオンの活量変化に対する電位応答の測定
（１）で作製したイオンセンサを使用して、塩化カリウム水溶液の活量を1X10-6 M〜1X10-1 Mの範囲で変化させてその電位応答を測定した。具体的には、25℃に保温した恒温槽に試料溶液である1X10-6 Ｍ
塩化カリウム水溶液を入れ、この試料溶液に高濃度の塩化カリウム水溶液を任意量添加することによって、その活量を徐々に増加させながら（インジェクション法）、それに伴う電位応答を測定した。その結果を図１及び図２に示す。なお、図１はイオン感応膜の支持体に化学式（１）の化合物を使用した結果を示しており、図２はイオン感応膜の支持体に化学式（２）の化合物を使用した結果を示している。
【００３７】
これらの図からも明らかなように、このカリウムイオンセンサの応答結果は、1X10-6 M〜5X10-2 Mの幅広い範囲において良好な直線性を示した。なお、このグラフは直線部分が長いほど直線性が良好であり、グラフが直線となっている活量の範囲は、グラフの左上の括弧内に対数値で記載した。
【００３８】
また、イオンセンサの応答の傾きについても、これらのグラフの左上に示すように、化学式（１）のゲル化剤の場合は 57.6 mV decade-1、 化学式（２）のゲル化剤の場合は54.9 mV decade-1であり、何れの場合も、ネルンスト応答の理論値（59.2 mV decade-1）に近い値であることから、このイオンセンサはほぼネルンスト応答していると考えられる。
【００３９】
（３）リチウムイオン、ナトリウムイオン、ルビジウムイオン、セシウムイオン、アンモニウムイオンに対するカリウムイオンの選択係数の測定
リチウムイオン、ナトリウムイオン、ルビジウムイオン、セシウムイオン、アンモニウムイオンに対するカリウムイオンの選択係数は、妨害イオン(リチウムイオン、ナトリウムイオン、ルビジウムイオン、セシウムイオン、アンモニウムイオン)の活量を一定にして、目的イオン(カリウムイオン)の活量を変化させる混合溶液法によって算出した。
【００４０】
具体的には、次のようにして行った。例えば、目的イオンがカリウムイオンで、妨害イオンがリチウムイオンである場合には、まず、25℃に保温した恒温槽に試料溶液である塩化カリウム及び塩化リチウムをそれぞれ1X10-6 M、1 Mずつ含む水溶液を入れ、この試料溶液に1 M 塩化リチウムと高濃度の塩化カリウム水溶液とを含む水溶液を任意量添加して、試料溶液の塩化カリウム活量のみを増加させながら、それに伴う電位応答を測定した。
【００４１】
つぎに、得られた電位応答から選択係数の値を算出した。なお、選択係数は、低濃度における電位の一定値を延長した線と、高濃度における直線を外挿した線の交点の活量が選択係数の値と等しいとして算出した。その結果を図３及び図４に示す。
【００４２】
また、リチウムイオンの場合と同様に、妨害イオンがナトリウムイオンの場合については、塩化カリウム及び塩化ナトリウムをそれぞれ1X10-6 M、1 Mずつ含む水溶液（測定結果を図５及び図６に示す。）、妨害イオンがルビジウムイオンの場合については塩化カリウム及び塩化ルビジウムをそれぞれ1X10-6 M、1X10-2 Mずつ含む水溶液（測定結果を図７及び図８に示す。）、妨害イオンがセシウムイオンの場合については塩化カリウム及び塩化セシウムをそれぞれ1X10-6 M、0.1 Mずつ含む水溶液（測定結果を図９及び図１０に示す。）、妨害イオンがアンモニウムイオンの場合については塩化カリウム及び塩化アンモニウムをそれぞれ1X10-6 M、0.1 Mずつ含む水溶液（測定結果を図１１及び図１２に示す。）を用いて、試料溶液の塩化カリウム活量のみを増加させながら、それに伴う電位応答を測定し、選択係数の値を算出した。
【００４３】
その結果、算出したリチウムイオンに対するカリウムイオンの選択係数(logkK,Li)は、図３及び図４のグラフ左上に示すように、化学式（１）のゲル化剤を用いた場合は、-4.49であり、化学式（２）のゲル化剤を用いた場合は、-4.14であり、何れの作用電極を使用した場合でも-4.0を下回る値であり、リチウムイオンに対して高い選択性を示した。
【００４４】
また、算出したナトリウムイオンに対するカリウムイオンの選択係数(logkK,Na)は、図５及び図６のグラフ左上に示すように、化学式（１）のゲル化剤を用いた場合は、-3.48であり、化学式（２）のゲル化剤を用いた場合は、-3.21であり、何れの作用電極を使用した場合でも-3.0を下回る値であった。そして、この値は、以前より使用されていたバリノマイシン(天然物)による値（-4程度）には劣るものの、従来からあるイオノフォアとしてクラウンエーテル誘導体を使用するISEで得られる値（-3程度）よりは高かった。
【００４５】
また、算出したルビジウムイオンに対するカリウムイオンの選択係数(logkK,Rb)は、図７及び図８のグラフ左上に示すように、化学式（１）のゲル化剤を用いた場合は、-0.79であり、化学式（２）のゲル化剤を用いた場合は、-0.62であり、何れの場合でも-1.0程度の値である。そして、バリノマイシンでは、ややルビジウムイオンに対して選択性を示すので、よりカリウムイオン選択性に優れていた。
【００４６】
また、算出したセシウムイオンに対するカリウムイオンの選択係数(logkK,Cs)は、図９及び図１０のグラフ左上に示すように、化学式（１）のゲル化剤を用いた場合は、-2.23であり、化学式（２）のゲル化剤を用いた場合は、-2.01であり、何れの場合でも-2.0を下回る値であり、セシウムイオンに対して高い選択性を示した。
【００４７】
さらに、算出したアンモニウムイオンに対するカリウムイオンの選択係数(logkK,NH4)は、図１１及び図１２のグラフ左上に示すように、化学式（１）のゲル化剤を用いた場合は、-1.96であり、化学式（２）のゲル化剤を用いた場合は、-1.73であり、何れの場合でも-1.5を下回る値であり、アンモニウムに対して選択性を示した。
【００４８】
このように、（１）で作製したイオンセンサのリチウムイオン、セシウムイオン、アンモニウムイオンに対するカリウムイオンの選択性は、バリノマイシンを使用するイオンセンサによる値とほぼ等しい値であった。
【００４９】
（４）ドデカンまたはセバシン酸ジオクチルを膜溶媒とするイオン感応膜を取り付けたISEを使用するイオンセンサのカリウムイオンの活量変化に対する電位応答
支持である化学式（１）または（２）のゲル化剤と、化合物（４）の代わりにドデカンまたはセバシン酸ジオクチルを膜溶媒としたイオン感応膜を作製した。さらに、この膜を取り付けたISEを使用して作製したイオンセンサのカリウムイオンの活量変化に対する電位応答を測定した。
【００５０】
膜溶媒としてドデカンを用いた場合には、化学式（１）のゲル化剤を用いた場合も、化学式（２）のゲル化剤を用いた場合も、電位応答の傾きは、10 mV decade-1以下であり、良好な応答ではなかった。
【００５１】
膜溶媒としてセバシン酸ジオクチルを用いた場合には、化学式（１）のゲル化剤を用いた場合も、化学式（２）のゲル化剤を用いた場合も、電位応答の傾きは、40 mV decade-1程度であり、良好な応答ではなかった。
【００５２】
（２）、（３）、及び（４）の結果から、（１）で作製したイオンセンサは、広いイオン濃度範囲で測定可能であるとともに、高いイオン選択性をも備えた優れたイオンセンサであることが分った。なお、臨床分析や環境分析において、ナトリウムの存在量が多いことから、ナトリウムに対する選択性が高いことは、センサーとして非常に重要な性質である。また、イオノフォアを添加しなくても、従来からあるイオノフォアとしてクラウンエーテル誘導体を使用するISEの性能に勝るとも劣らないものであったことから、この発明にかかるイオンセンサの実用化は比較的容易に行えると考えられる。
【図１】
2011257287.tif 000010
【図２】
2011257287.tif 000011
【図３】
2011257287.tif 000012
【図４】
2011257287.tif 000013
【図５】
2011257287.tif 000014
【図６】
2011257287.tif 000015
【図７】
2011257287.tif 000016
【図８】
2011257287.tif 000017
【図９】
2011257287.tif 000018
【図１０】
2011257287.tif 000019
【図１１】
2011257287.tif 000020
【図１２】
2011257287.tif 000021