(57)【要約】    【課題】  本発明は、微少量の測定対象物を測定できる電流検出型イオン選択性電極を提供することを目的とする。  【解決手段】  ターゲットイオンと、前記ターゲットイオン以外の化学種（以下、非ターゲット化学種という）とを含む試料溶液中の前記ターゲットイオンを定量するための電流検出型イオン選択性電極であって、導電性物質で形成された電極本体１と、前記ターゲットイオン及び／または前記非ターゲット化学種を透過させる伝導性物質と、前記ターゲットイオンの選択性を有するイオノフォアとが混在するイオン感応層３とを含み、前記電極本体と前記イオン感応層とが密着している電流検出型イオン選択性電極を提供する。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターゲットイオンと、前記ターゲットイオン以外の化学種（以下、非ターゲット化学種という）とを含む試料溶液中の前記ターゲットイオンを定量するための電流検出型イオン選択性電極であって、
導電性物質で形成された電極本体と、
前記ターゲットイオン及び／または前記非ターゲット化学種を透過させる伝導性物質と、前記ターゲットイオンの選択性を有するイオノフォアとが混在するイオン感応層とを含み、
前記電極本体と前記イオン感応層とが密着している、電流検出型イオン選択性電極。
【請求項２】
前記非ターゲット化学種は、前記ターゲットイオンと同一極性であり、かつ前記ターゲットイオンと異なるイオン（以下、非ターゲットイオンという）であり、
前記伝導性物質は、前記ターゲットイオン及び／または前記非ターゲットイオンをイオン交換するイオン伝導性物質である、請求項１に記載の電流検出型イオン選択性電極。
【請求項３】
前記イオノフォアが有する空孔の内径は、前記ターゲットイオンのイオン径と実質的に同一サイズである、請求項１に記載の電流検出型イオン選択性電極。
【請求項４】
前記ターゲットイオンはアンモニウムイオンであり、前記イオノフォアは、ノナクチン、１９−クラウン−６誘導体、２０−クラウン−６誘導体及び２１−クラウン−６誘導体から選ばれる１または複数の組み合わせである、請求項１に記載の電流検出型イオン選択性電極。
【請求項５】
前記ターゲットイオンの濃度に応じて前記イオン感応層に対する前記イオノフォアの組成比を選択する、請求項１に記載の電流検出型イオン選択性電極。
【請求項６】
前記電極本体の材質は、グラッシーカーボン、白金、金、銀から選ばれる１または複数の組み合わせである、請求項１に記載の電流検出型イオン選択性電極。
【請求項７】
ターゲットイオンと、前記ターゲットイオン以外の化学種（以下、非ターゲット化学種という）とを含む試料溶液が導入される試料セルと、
伝導性物質と前記ターゲットイオンの選択性を有するイオノフォアとが混在するイオン感応部を有し、前記試料セルに内設される電極と、
前記試料セルに内設される前記電極の対極と、
前記電極と前記対極との間に電圧を印加する電圧印加部と、
前記電圧の印加により生じる前記電極に流れる電流値Ｉ1を検出する電流値検出部と、
前記ターゲットイオン濃度の増加に応じて前記電流値の絶対値｜Ｉ1｜が減少することに基づいて、あるいは前記ターゲットイオン濃度の減少に応じて前記電流値の絶対値｜Ｉ1｜が増加することに基づいて前記ターゲットイオンの定量を行うターゲットイオン定量部と、
を含むイオン測定システム。
【請求項８】
請求項１に記載の電流検出型イオン選択性電極と、
前記ターゲットイオン及び前記非ターゲット化学種を含む試料溶液が導入される試料セルと、
前記試料セルに内設される前記電流検出型イオン選択性電極の対極と、
前記電流検出型イオン選択性電極と前記対極との間に電圧を印加する電圧印加部と、
前記電圧の印加により生じる前記電流検出型イオン選択性電極の電極本体に流れる電流値Ｉ１を検出する電流値検出部と、
前記ターゲットイオンの定量を行うターゲットイオン定量部と、
を含むイオン測定システム。
【請求項９】
前記試料セルにさらに参照電極が内設される、請求項７に記載のイオン測定システム。
【請求項１０】
請求項１に記載の電流検出型イオン選択性電極を用いたターゲットイオンの定量方法であって、
前記ターゲットイオン及び前記非ターゲット化学種を含む試料溶液が導入された試料セルに前記電流検出型イオン選択性電極と前記対極とを浸漬する浸漬ステップと、
前記電流検出型イオン選択性電極と前記対極との間に電圧を印加する電圧印加ステップと、
前記電圧の印加により生じる前記電流検出型イオン選択性電極の電極本体に流れる電流の電流値Ｉ１を検出する電流値検出ステップと、
前記ターゲットイオン濃度の増加に応じて前記電流値の絶対値｜Ｉ１｜が減少することに基づいて、あるいは前記ターゲットイオン濃度の減少に応じて前記電流値の絶対値｜Ｉ１｜が増加することに基づいて前記ターゲットイオンの定量を行うターゲットイオン定量ステップと、
を含むターゲットイオンの定量方法。
【請求項１１】
前記ターゲットイオン定量ステップでは、前記非ターゲット化学種を含む参照溶液に浸漬された前記電流検出型イオン選択性電極の電極本体での参照電流値Ｉ0と、前記電流検出ステップで検出された電流値Ｉ1とを比較し、前記電流値Ｉ1の前記参照電流値Ｉ0からの減少分である減少電流値の絶対値｜Ｉ1−Ｉ0｜を算出することにより前記ターゲットイオンの定量を行う、請求項９に記載のターゲットイオンの定量方法。
【請求項１２】
請求項１に記載の電流検出型イオン選択性電極の製造方法であって、
前記イオン感応層を構成する伝導性物質及び前記イオノフォアを、溶液中に混在させる混在ステップと、
キャスト法により、前記混在された溶液を前記電極本体の一端面に塗布し、前記溶液を蒸発させて前記イオン感応層を前記電極本体上に密着するように成膜する成膜ステップと、
を含む電流検出型イオン選択性電極の製造方法。
【請求項１３】
少なくとも１つの電極対が設けられた電極キットであって、
前記電極対は、請求項１に記載の電流検出型イオン選択性電極と前記電流検出型イオン選択性電極の対極とから構成される、電極キット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電流検出型イオン選択性電極、イオン測定システム、ターゲットイオンの定量方法、及び電流検出型イオン選択性電極の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
複合高分子材料から作られる電極感応部と、電極感応部に接している内部液に浸された基準電極とからなる電極が開示されている（特許文献１参照）。この電極では、ニトロベンゼンまたはジクロルエタンなどの液体を電極材料とすることなく、アンモニウムイオン、チオシオン酸イオンなどのアルカリ金属イオンの分析をすることができる。
また、測定極上に第１電解液層とイオン感応層を設け、測定極と対極とを覆うように第２電解液層を設けた電極が開示されている（特許文献２参照）。この電極では、測定極と対極とをスクリーン印刷で作成でき、電極表面積を一定にすることができる。また、電解液層や感応層が塗布される凹部も、スクリーン印刷により作成できるので、製造が容易でかつ測定性能を向上できる。
【０００３】
しかし、特許文献１または特許文献２に記載の電極では、電極の内部に内部液が設けられていたり、電極感応部が液状物質からなる。そのため、電極を傾斜させると内部液と電極感応部とが混ざり合ってしまったり、内部液が蒸発したりする。よって、特許文献１または２に記載の電極では測定ができなくなってしまう等の電極の劣化が生じる。
そこで、導電性粒子とイオノフォアとを混合したペーストをスクリーン印刷し、加熱乾燥することによりイオン感応部を成型した電極が開示されている（特許文献３参照）。この電極では、内部液層を省略することができるので、液状物質による電極の劣化を低減できる。
【特許文献１】特公平５−６６５８号公報
【特許文献２】特開平６−２２９９７３号公報
【特許文献３】特開平７−３１１１７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、前述の通り、前記特許文献１及び２の電極には内部液が設けられているため、内部液の蒸発及び内部液と電極感応部との混合等により電極の安定性が損なわれたり、内部液の存在のために電極の取り扱いが困難であるという問題がある。
また、前記特許文献１、２及び３の電極を用いた、試料溶液中の対象物質の測定は、対象物質が電極感応部に取り込まれる速度を電流値として検出している。そのため、試料溶液が少量である場合、あるいは試料溶液中の対象物質の濃度が小さい場合は、電極感応部に取り込まれ、検出される電流値または電荷量が小さくなる。よって、対象物質の濃度を測定することが困難であるという問題がある。
【０００５】
さらに、特許文献３に記載の電極では、導電性粒子とイオノフォアとを混合したペーストをスクリーン印刷し、加熱乾燥することにより成型して形成される。よって、加熱乾燥におけるイオノフォアの耐熱性が要求される。例えば、イオノフォアであるノナクチンは天然物であり、通常約４℃で保存し使用するが、ペーストを成型する際の加熱によりノナクチンの性質が劣化する。このように、ペーストを成型するには、耐熱性が要求されるなど使用できるイオノフォアが限定されてしまうという問題がある。
【０００６】
そこで、本発明は、微少量の測定対象物を測定できる電流検出型イオン選択性電極を提供することを目的とする。
また、本発明は、取り扱いが容易な電流検出型イオン選択性電極を提供することを目的とする。
さらに、本発明は、イオノフォアの劣化を低減できる電流検出型イオン選択性電極の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本願第１発明は、上記の課題を解決するために、ターゲットイオンと、前記ターゲットイオン以外の化学種（以下、非ターゲット化学種という）とを含む試料溶液中の前記ターゲットイオンを定量するための電流検出型イオン選択性電極であって、導電性物質で形成された電極本体と、前記ターゲットイオン及び／または前記非ターゲット化学種を透過させる伝導性物質と、前記ターゲットイオンの選択性を有するイオノフォアとが混在するイオン感応層とを含み、前記電極本体と前記イオン感応層とが密着している電流検出型イオン選択性電極を提供する。
【０００８】
このイオン感応層は、試料溶液中のターゲットイオン及び／または非ターゲット化学種を電極本体に透過させる伝導性物質と、試料溶液中からターゲットイオンを選択的に捕捉するイオノフォアとを含んでいる。電極本体では、その表面にターゲットイオン及び／または非ターゲット化学種が存在することにより電極反応が引き起こされる。ここで、非ターゲット化学種とは、溶液中のターゲットイオン以外の電気化学的な反応性がある化学種を意味し、例えば分子やイオンなどが挙げられる。このターゲットイオン及び／または非ターゲット化学種に起因する電極反応は、ターゲットイオンがイオノフォアに捕捉されることによって阻害される。そして、その阻害の結果として生じた電流を検出することでターゲットイオンを定量することができる。具体的には、検出された電極の電流値は、ターゲットイオン及び／または非ターゲット化学種が伝導性物質すなわちイオン感応層を介した電極反応に寄与すること、及びターゲットイオンについてはイオノフォアによって捕捉され電極反応を阻害することと相関関係を有している。そして、ターゲットイオンの電極反応により生じる電流からターゲットイオンを直接的に定量するのではなく、この相関関係に基づいて電極反応の阻害の結果生じる電流の電流値からターゲットイオンを間接的に定量する。そのため、ターゲットイオンの濃度が微少量である場合でも、ターゲットイオン及び／または非ターゲット化学種に起因する電極反応に応じた電流値を測定することにより試料溶液中のターゲットイオンを定量することができる。
【０００９】
ターゲットイオンの濃度は、例えば以下のように測定を行う。上記電流検出型イオン選択性電極を用いて、試料溶液中の非ターゲット化学種と同程度の濃度の非ターゲット化学種を含む参照溶液における参照電流値Ｉ0を測定する。また、上記電流検出型イオン選択性電極を用いて、試料溶液の電流値のＩ1を測定する。そして、参照電流値の絶対値｜Ｉ０｜から、試料溶液の電流値の絶対値｜Ｉ1｜がどの程度減少しているかを測定することにより、ターゲットイオンの濃度を測定することができる。
【００１０】
上記の電流検出型イオン選択性電極では、イオン感応層が固相状態であるので取り扱いが容易である。
本願第２発明は、本願第１発明において、前記非ターゲット化学種は、前記ターゲットイオンと同一極性であり、かつ前記ターゲットイオンと異なるイオン（以下、非ターゲットイオンという）であり、前記伝導性物質は、前記ターゲットイオン及び／または前記非ターゲットイオンをイオン交換するイオン伝導性物質である電流検出型イオン選択性電極を提供する。
【００１１】
この電流検出型イオン選択性電極の電流値は、ターゲットイオン及び／または非ターゲットイオンがイオン伝導性物質すなわちイオン感応層のイオン伝導に寄与すること、及びターゲットイオンについてはイオノフォアによって捕捉されこのイオン伝導を阻害することと相関関係を有している。この相関関係に基づいて、取り出された電流値によりターゲットイオンを間接的に定量する。そのため、ターゲットイオンの濃度が微少量である場合でも、ターゲットイオンがイオノフォアに捕捉され、結果として、ターゲットイオン及び／または非ターゲットイオンに起因する電極反応に応じた電流値を測定することにより試料溶液中のターゲットイオンを定量することができる。
【００１２】
本願第３発明は、本願第１発明において、  前記イオノフォアが有する空孔の内径は、前記ターゲットイオンのイオン径と実質的に同一サイズである電流検出型イオン選択性電極を提供する。
前記イオノフォアの空孔径が、前記ターゲットイオンのイオン径と実質的に同一であるので、前記イオノフォアによる前記ターゲットイオンの選択性を高めることができる。そのため、電流検出型イオン選択性電極から電流値を取り出すことによって、ターゲットイオンの定量をより正確に行うことができる。
【００１３】
本願第４発明は、本願第１発明において、前記ターゲットイオンはアンモニウムイオンであり、前記イオノフォアは、ノナクチン、１９−クラウン−６誘導体、２０−クラウン−６誘導体及び２１−クラウン−６誘導体から選ばれる１または複数の組み合わせである、電流検出型イオン選択性電極を提供する。
上記のイオノフォアは、その空孔においてアンモニウムイオンを選択的に捕捉し、またその空孔へのアンモニウムイオンの捕捉を妨害する妨害イオンをブロックする効果を有する。よって、ターゲットイオンであるアンモニウムイオンの選択性がより高まるため、前述の相関関係を有する電流を取り出すことによって、ターゲットイオンの定量をさらに正確に行うことができる。
【００１４】
本願第５発明は、本願第１発明において、前記ターゲットイオンの濃度に応じて前記イオン感応層に対する前記イオノフォアの組成比を選択する電流検出型イオン選択性電極を提供する。
例えば、ターゲットイオン濃度が高濃度である場合は、前記イオン感応層内のイオノフォアの組成比を大きくすることで、ターゲットイオンを捕捉する空孔が飽和するのを防止することができる。
【００１５】
本願第６発明は、本願第１発明において、前記電極本体の材質は、グラッシーカーボン、白金、金、銀から選ばれる１または複数の組み合わせである電流検出型イオン選択性電極を提供する。
グラッシーカーボンや白金等は、導電性が大きいことや安定した電流値を供給するなどの電気特性に優れ、また試料溶液に対する耐性が大きいなどの特性に優れる。よって、電極本体において正確な電流を取り出すことができる。
【００１６】
本願第７発明は、ターゲットイオンと、前記ターゲットイオン以外の化学種（以下、非ターゲット化学種という）とを含む試料溶液が導入される試料セルと、伝導性物質と前記ターゲットイオンの選択性を有するイオノフォアとが混在するイオン感応部を有し、前記試料セルに内設される電極と、前記試料セルに内設される前記電極の対極と、前記電極と前記対極との間に電圧を印加する電圧印加部と、前記電圧の印加により生じる前記電極に流れる電流値Ｉ1を検出する電流値検出部と、前記ターゲットイオン濃度の増加に応じて前記電流値の絶対値｜Ｉ1｜が減少することに基づいて、あるいは前記ターゲットイオン濃度の減少に応じて前記電流値の絶対値｜Ｉ1｜が増加することに基づいて前記ターゲットイオンの定量を行うターゲットイオン定量部とを含むイオン測定システムを提供する。
【００１７】
イオン感応部を有する電極が、ターゲットイオン及び非ターゲット化学種を含む試料セル内の試料溶液に浸漬される。このイオン感応部は、電圧印加部による電圧の印加により、ターゲットイオン及び／または非ターゲット化学種を電極本体に透過させる伝導性物質と、試料溶液中からターゲットイオンを選択的に捕捉するイオノフォアとを含んでいる。電極では、その表面にターゲットイオン及び／または非ターゲット化学種が存在することにより電極反応が引き起こされる。このターゲットイオン及び／または非ターゲット化学種に起因する電極反応はターゲットイオンがイオノフォアに捕捉されることによって阻害される。そして、電流値検出部は、その阻害の結果として生じた電流の電流値Ｉ1を検出する。このとき、ターゲットイオン濃度の増加に応じて前記電流値の絶対値｜Ｉ1｜が減少する、あるいは前記ターゲットイオン濃度の減少に応じて前記電流値の絶対値｜Ｉ1｜が増加する傾向を有する。よって、ターゲットイオン定量部は、この傾向に基づいて試料溶液中のターゲットイオンの定量を行うことができる。
【００１８】
本願第８発明は、本願第１発明に記載の電流検出型イオン選択性電極と、前記ターゲットイオン及び前記非ターゲット化学種を含む試料溶液が導入される試料セルと、前記試料セルに内設される前記電流検出型イオン選択性電極の対極と、前記電流検出型イオン選択性電極と前記対極との間に電圧を印加する電圧印加部と、前記電圧の印加により生じる前記電流検出型イオン選択性電極の電極本体に流れる電流値Ｉ1を検出する電流値検出部と、前記ターゲットイオンの定量を行うターゲットイオン定量部とを含むイオン測定システムを提供する。
【００１９】
電流検出型イオン選択性電極では、その表面にターゲットイオン及び／または非ターゲット化学種が存在することにより電極反応が引き起こされる。電極反応はターゲットイオンがイオノフォアに捕捉されることによって阻害され、その阻害の結果として生じた電流の電流値を測定する。このとき、ターゲットイオン濃度の増加に応じて前記電流値が減少する、あるいは前記ターゲットイオン濃度の減少に応じて前記電流値が増加する傾向を有する。この傾向に基づいて次のようにターゲットイオンを定量する。電流検出型イオン選択性電極を用いて、試料溶液中の非ターゲット化学種と同程度の濃度の非ターゲット化学種を含む参照溶液における参照電流値Ｉ0をまず測定する。次に、電流検出型イオン選択性電極を用いて試料溶液内の電流値Ｉ1を測定する。そして、参照電流値の絶対値｜Ｉ0｜から、試料溶液内の電流値の絶対値｜Ｉ1｜がどの程度減少しているかを測定することにより、ターゲットイオンの濃度を測定することができる。
【００２０】
本願第９発明は、本願第７発明において、前記試料セルにさらに参照電極が内設されるイオン測定システムを提供する。
参照電極を用いることで、電流検出型イオン選択性電極に印加されている電圧を正確に求め、電極本体に取り出される電流値を電流値検出部により正確に検出することができる。
【００２１】
本願第１０発明は、本願第１発明に記載の電流検出型イオン選択性電極を用いたターゲットイオンの定量方法であって、前記ターゲットイオン及び前記非ターゲット化学種を含む試料溶液が導入された試料セルに前記電流検出型イオン選択性電極と前記対極とを浸漬する浸漬ステップと、前記電流検出型イオン選択性電極と前記対極との間に電圧を印加する電圧印加ステップと、前記電圧の印加により生じる前記電流検出型イオン選択性電極の電極本体に流れる電流の電流値Ｉ1を検出する電流値検出ステップと、前記ターゲットイオン濃度の増加に応じて前記電流値の絶対値｜Ｉ1｜が減少することに基づいて、あるいは前記ターゲットイオン濃度の減少に応じて前記電流値の絶対値｜Ｉ1｜が増加することに基づいて前記ターゲットイオンの定量を行うターゲットイオン定量ステップとを含むターゲットイオンの定量方法を提供する。
【００２２】
第１発明に記載の電流検出型イオン選択性電極を用いて、ターゲットイオン濃度の増加に応じて前記電流値の絶対値｜Ｉ1｜が減少することに基づいて、あるいは前記ターゲットイオン濃度の減少に応じて前記電流値の絶対値｜Ｉ1｜が増加することに基づいてターゲットイオンの定量を行うことができる。
本願第１１発明は、本願第９発明において、前記ターゲットイオン定量ステップでは、前記非ターゲット化学種を含む参照溶液に浸漬された前記電流検出型イオン選択性電極の電極本体での参照電流値Ｉ0と、前記電流検出ステップで検出された電流値Ｉ１とを比較し、前記電流値Ｉ1の前記参照電流値Ｉ0からの減少分である減少電流値の絶対値｜Ｉ1−Ｉ0｜を算出することにより前記ターゲットイオンの定量を行うターゲットイオンの定量方法を提供する。
【００２３】
試料溶液における電流値Ｉ1が、ターゲットイオンを含まない参照溶液における参照電流値Ｉ0から減少した減少電流値の絶対値｜Ｉ1−Ｉ0｜を算出することによってターゲットイオンの定量を行うことができる。
本願第１２発明は、本願第１発明に記載の電流検出型イオン選択性電極の製造方法であって、
前記イオン感応層を構成する伝導性物質及び前記イオノフォアを、溶液中に混在させる混在ステップと、
キャスト法により、前記混在された溶液を前記電極本体の一端面に塗布し、前記溶液を蒸発させて前記イオン感応層を前記電極本体上に密着するように成膜する成膜ステップと、
を含む電流検出型イオン選択性電極の製造方法。
効果  キャスト法により電極本体にイオン感応層を成膜するので、伝導性物質及び／またはイオノフォアを劣化させることなく第１発明に記載の電流検出型イオン選択性電極を製造することができる。
【００２４】
本願第１３発明は、少なくとも１つの電極対が設けられた電極キットであって、前記電極対は、本願第１発明に記載の電流検出型イオン選択性電極と前記電流検出型イオン選択性電極の対極とから構成される電極キットを提供する。
上記の電極キットをターゲットイオン及び非ターゲット化学種を含む試料溶液に浸漬し、電極対の間に電圧を印加することにより試料溶液中のターゲットイオンの定量を行うことができる。ターゲットイオンの定量は、本願第１発明と同様に行う。
【発明の効果】
【００２５】
本発明を用いれば、微少量の測定対象物を測定できる電流検出型イオン選択性電極を提供することができる。
また、本発明を用いれば、取り扱いが容易な電流検出型イオン選択性電極を提供することができる。
さらに、本発明を用いれば、イオノフォアの劣化を低減できる電流検出型イオン選択性電極の製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
＜発明の概要＞
本発明に係る電流検出型イオン選択性電極は、電極本体及び電極本体の少なくとも一部を覆う感応部を有している。感応部は、測定対象である対象物質を選択的に捕捉する捕捉物質と、対象物質及び／または非対象物質を電極本体に透過させる伝導性物質とを含む。ここで、非対象物質とは、試料中に含まれる対象物質以外の物質をいう。
【００２７】
この電流検出型イオン選択性電極を、対象物質及び非対象物質を含む試料溶液に浸漬する。そして、電流検出型イオン選択性電極に電圧を印加すると、感応部の伝導物質により対象物質及び／または非対象物質が電極本体に透過され、電極本体において透過した対象物質及び／または非対象物質に起因する電極反応が生じる。このとき、対象物質が感応部を構成する捕捉物質により選択的に捕捉され電極反応が阻害される。この電極反応の阻害は、対象物質の捕捉により対象物質の電極反応が減少すること、及び／または対象物質の捕捉により非対象物質の電極本体への透過率が減少し非対象物質の電極反応が減少することに起因している。また、電極反応の阻害は対象物質の濃度と関係を有しているため、試料溶液に浸漬した電極本体に流れる電流の電流値を測定することにより対象物質の濃度を定量することができる。
＜第１実施形態例＞
図１は、本発明の第１実施形態例に係る電流検出型イオン選択性電極の斜視図、図２は図１の断面図、図３は図１に示す電流検出型イオン選択性電極を用いたイオン測定システムである。以下に第１実施形態例に係る電流検出型イオン選択性電極、イオン測定システムの構成を説明する。
（１）構成
（１−１）電流検出型イオン選択性電極
電流検出型イオン選択性電極１０の電極本体１は、その両端面を除き、導電性物質である電極本体１の側面を覆うように絶縁物質２が設けられている。電極本体１の両端面の一方は、電圧を印加するため導電性物質をむき出しにしておき、他端にイオン感応層３を密着して電流検出型イオン選択性電極１０を形成する。イオン感応層３は、測定対象となるイオン（以下、ターゲットイオンという）に対して選択性を有するイオノフォアと、伝導性物質とが混在して形成されている。伝導性物質は、ターゲットイオンを測定するために電極本体１に電圧が印加された場合、試料溶液中のターゲットイオン及び／または非ターゲット化学種を電極本体に透過させる。ここで、非ターゲット化学種とは、試料溶液７０中のターゲットイオン以外の電気化学的な反応性がある化学種をいい、例えばイオン、溶存酸素などの分子、ラジカル等が挙げられる。
【００２８】
伝導性物質としては、例えば、ナフィオンやスルホン基を有するパーフルオロカーボンなどが挙げられる。
電極本体１は導電性物質で形成されており、その導電性物質としては、劣化することなく電流値を正確かつ安定に測定できる物質、導電性が大きい物質、及び／または試料溶液に対する耐性が大きく、試料溶液に無害な物質であれば、電極本体１の電流を正確に取り出すことができ好ましい。例えば、グラッシーカーボン、白金、金、銀から選ばれる１または複数の組み合わせであると好ましい。
【００２９】
また、その形状は特に限定されず、棒状、筒状、シート状等が挙げられる。好ましくは、試料溶液との接触面が大きくなるような形状とする。
イオノフォアとしては、ジベンゾ−１８−クラウン−６、ジベンゾ−３０−クラウン−１０、ビスクラウンエーテル類、ノナクチン、モナクチン、バリノマイシン、またはそれらの誘導体等をターゲットイオンに応じて適宜選択する。イオノフォアが有する空孔の内径と、ターゲットイオンのイオン径とが実質的に同一サイズとなるようにイオノフォアを選択するとターゲットイオンの選択性を高めることができ好ましい。さらにイオノフォアの分子構造とターゲットイオンの分子構造とに応じて選択すると、さらにターゲットイオンの選択性を高めることをでき好ましい。
【００３０】
ターゲットイオンがアンモニウムイオンである場合、イオノフォアとしては、ノナクチン、１９−クラウン−６誘導体、２０−クラウン−６誘導体及び２１−クラウン−６誘導体から選ばれる１または複数の組み合わせから選択するとアンモニウムイオンの選択性が高く好ましい。さらに、ＴＤ１９−クラウン−６、ＴＤ２０−クラウン−６及びＴＤ２１−クラウン−６から選択されると好ましい。前記のイオノフォアは、その空孔においてアンモニウムイオンを選択的に捕捉し、またその空孔へのアンモニウムイオンの捕捉を妨害する妨害イオンをブロックする効果を有する。よって、ターゲットイオンであるアンモニウムイオンの選択性をより高めることができる。
【００３１】
ターゲットイオンがナトリウムイオンである場合、イオノフォアとしては、ビス−１２−クラウン−４及びジベンジル−ビス−１２−クラウン−４が好ましい。
ターゲットイオンがカリウムイオンまたはタリウムイオンである場合、イオノフォアとしては、ビス−ベンゾ−１５−クラウン−５が好ましい。
ターゲットイオンがマグネシウムイオンである場合、イオノフォアとしては、Ｃ１４−Ｋ２２Ｂ５、Ｋ２２Ｂ１Ｂ５及びＫ２２Ｂ９が好ましい。
【００３２】
ターゲットイオンが銀イオンである場合、イオノフォアとしては、オクタデシロキシメチルピリジンが好ましい。
ターゲットイオンがリチウムイオンである場合、イオノフォアとしては、フォスフォドデシル−１４−クラウン−４、ジベンジル−１４−クラウン−４及びＴＴＤ１４−クラウン−４が好ましい。
【００３３】
また、イオン感応層３におけるイオノフォアの組成比は、ターゲットイオンの濃度に応じて決定すると好ましい。例えば、ターゲットイオン濃度が高濃度である場合は、イオン感応層３内のイオノフォアの組成比を大きくすることで、ターゲットイオンを捕捉する空孔が飽和するのを防止することができる。さらに、イオン感応膜３の厚みをターゲットイオンの濃度に応じて調整すると好ましい。
【００３４】
上記の電流検出型イオン選択性電極１０では、イオン感応層３が固相状態であるので、内部液の混合や蒸発が生じず取り扱いが容易である。
（１−２）イオン測定システム
図３は、本発明の電流検出型イオン選択性電極を使用したイオン測定システムである。前述のように形成された電流検出型イオン選択性電極１０とその対極２０とが試料セル３０に内設されている。電流検出型イオン選択性電極１０及び対極２０は、電圧印加／電流検出システム４０と導線等の接続線５０を介して接続されている。試料セル３０内の試料溶液７０に電流検出型イオン選択性電極１０と対極２０を浸漬し、電流検出型イオン選択性電極１０と対極２０との間に、電圧印加／電流検出システム４０により電圧を印加する。このとき、電流検出型イオン選択性電極１０のイオン感応層３が密着されていない電極端が接続線５０と接続され、イオン感応層３が密着されている電極端が試料溶液７０内に浸漬される。そして、その電圧の印加により生じる電流検出型イオン選択性電極１０の電極本体１に流れる電流値を電圧印加／電流検出システム４０により検出する。
【００３５】
ここで、試料セル３０にさらに参照電極を内設すると、電流検出型イオン選択性電極１０に印加されている電圧を正確に求め、電極本体１に取り出される電流値を電圧印加／電流検出システム４０により正確に検出することができ好ましい。
イオン定量部６０は、後述のターゲットイオン定量方法によりターゲットイオンの定量を行う。
（２）ターゲットイオンの定量方法
次に、ターゲットイオンの定量方法について以下に説明を行う。図３の試料セルに、ターゲットイオンと非ターゲット化学種とを含む試料溶液７０を導入する。試料溶液７０としては、予め非ターゲット化学種の濃度が分かっているような溶液、例えば生体試料等、を用いることにより簡便に測定できるが、ターゲットイオン濃度に応じて非ターゲット化学種の濃度を調整するようにしても良い。
【００３６】
試料溶液７０に浸漬された電流検出型イオン選択性電極１０と対極２０との間に、電圧印加／電流検出システム４０により電圧を印加する。そして、電圧印加／電流検出システム４０は、電圧の印加により生じる電流検出型イオン選択性電極１０の電極本体１に流れる電流の電流値Ｉ１を検出する。
このとき、電流検出型イオン選択性電極１０のイオン感応層３は、試料溶液７０中のターゲットイオン及び／または非ターゲット化学種を電極本体１に透過させる伝導性物質と、試料溶液７０中からターゲットイオンを選択的に捕捉するイオノフォアとを含んでいる。よって、電極本体１では、その表面にターゲットイオン及び／または非ターゲット化学種が存在することにより電極反応が引き起こされる。このターゲットイオン及び／または非ターゲット化学種に起因する電極反応はターゲットイオンがイオノフォアに捕捉されることによって阻害される。そして、その阻害の結果として生じた電流を電圧印加／電流検出システム４０により取り出す。この検出された電極の電流値は、ターゲットイオン及び／または非ターゲット化学種が伝導性物質すなわちイオン感応層を介した電極反応に寄与すること、及びターゲットイオンについてはイオノフォアによって捕捉されこの電極反応を阻害することと相関関係を有している。そして、ターゲットイオンの電極反応により生じる電流からターゲットイオンを直接的に定量するのではなく、この相関関係に基づいて電極反応の阻害の結果生じる電流の電流値からターゲットイオンを間接的に定量する。そのため、ターゲットイオンの濃度が微少量である場合でも、ターゲットイオン及び／または非ターゲット化学種に起因する電極反応に応じた電流値を測定することにより試料溶液７０中のターゲットイオンを定量することができる。つまり、ターゲットイオンがイオノフォアにより捕捉され続けることにより、電極本体１での電極反応が阻害される。その阻害の度合いはターゲットイオン濃度に依存しており、阻害による電流値の減少を測定することによりターゲットイオンの定量を行うことができる。
【００３７】
このとき、ターゲットイオンに対してより高い選択性を有するイオノフォアを用いることにより、より多くのターゲットイオンがイオノフォアに捕捉され、結果として、ターゲットイオン及び／または非ターゲット化学種に起因する電極反応をより強く阻害する。そのため、より正確なターゲットイオンの定量を行うことができる。
ターゲットイオンの濃度は、例えば以下のようにイオン定量部６０により定量を行う。試料溶液７０中の非ターゲット化学種と同程度の濃度の非ターゲット化学種を含む参照溶液から上記電流検出型イオン選択性電極１０を用いて、参照電流値Ｉ0をまず測定する。次に、電流検出型イオン選択性電極１０を用いて試料溶液７０内の電流値の絶対値｜Ｉ1｜を測定する。そして、参照電流値の絶対値｜Ｉ0｜から、試料溶液７０内の電流値の絶対値｜Ｉ1｜がどの程度減少しているかを測定することにより、ターゲットイオンの濃度を測定することができる。つまり、試料溶液７０中のターゲットイオン濃度の増加に応じて電流値の絶対値｜Ｉ1｜が減少することに基づいて、あるいは前記ターゲットイオン濃度の減少に応じて前記電流値の絶対値｜Ｉ1｜が増加することに基づいて前記ターゲットイオンの定量を行う。また、参照電流値Ｉ0と取り出された電流値Ｉ1との間の減少電流値の絶対値｜Ｉ1−Ｉ0｜を算出することによりターゲットイオンの濃度の定量を行っても良い。
（３）電流検出型イオン選択性電極の製造方法
次に、本発明の電流検出型イオン選択性電極の製造方法を説明する。側面が絶縁物質で覆われた電極本体１の両端面の一端面のみにイオン感応層３を密着させる。イオン感応層３は、溶媒中に伝導性物質とイオノフォアとを混在させた溶液を、電極本体１の一端面に塗布することにより形成する。このとき、イオン感応層３は、キャスト法により、混在された溶液を蒸発させてイオン感応層３を電極本体１上に密着させるように成膜して形成される。よって、キャスト法により加熱することなく電極本体１にイオン感応層３を成膜するので、伝導性物質及び／またはイオノフォアを劣化させることなく電流検出型イオン選択性電極１０を製造することができる。また、このキャスト法によれば、導電性物質を変えることなく、スポット的に異なる性質のイオン感応膜３を形成することができるので様々な種類の電極を容易に作製することができる。例えば、カーボンからなる電極本体１を種々用意し、ターゲットイオンに応じて伝導物質とイオノフォアとを混在させた溶液を電極本体１に塗布しイオン感応膜３を成膜する。このように、電極本体１の材質を変えずにイオン感応膜３を変えることで、種々のターゲットイオンを定量することのできる電流検出型イオン選択性電極１０を容易に作製できる。
＜第２実施形態例＞
再び図１〜３を用いて、本発明の第２実施形態例に係る電流検出型イオン選択性電極及びイオン測定システムを説明する。第２実施形態例のイオン測定システムは、第１実施形態例と同様であるので、電流検出型イオン選択性電極についてのみ説明を行う。
（１）電流検出型イオン選択性電極の構成
電流検出型イオン選択性電極１０の電極本体１は、その両端面を除き、導電性物質である電極本体１の側面を覆うように絶縁物質２が設けられている。電極本体１の両端面の一方は、電圧を印加するため導電性物質をむき出しにしておき、他端にイオン感応層３を密着して電流検出型イオン選択性電極１０を形成する。イオン感応層３は、測定対象となるターゲットイオンというに対して選択性を有するイオノフォアと、イオン伝導性物質とが混在して形成されている。イオン伝導性物質は、ターゲットイオンを測定するために電極本体１に電圧が印加された場合、試料溶液中のターゲットイオン及び／または非ターゲットイオンをイオン交換する。ここで、非ターゲットイオンとは、ターゲットイオンと同一極性であり、かつターゲットイオンと異なるイオンをいうものとする。
【００３８】
イオン伝導性物質としては、ターゲットイオンの極性に応じて陽イオンまたは陰イオンを電極本体１に透過させる性質を有する物質、例えばイオン交換物質を選択する。ターゲットイオンがプラスイオンである場合は、例えば、水素イオン（H+）の伝導性が高いナフィオン（Nafion：デュポン社製）を使用する。
電極本体１の材質、形状等は第１実施形態例と同様である。また、イオノフォアの材質、組成比等は第１実施形態例と同様である。
（２）ターゲットイオンの定量方法
次に、ターゲットイオンの定量方法について以下に説明を行う。図３の試料セルに、ターゲットイオンと非ターゲットイオンとを含む試料溶液７０を導入する。試料溶液としては、予め非ターゲットイオンの濃度が分かっているような溶液、例えば生体試料等、を用いることにより簡便に測定できるが、ターゲットイオン濃度に応じて非ターゲットイオンの濃度を調整するようにしても良い。
【００３９】
試料溶液７０に浸漬された電流検出型イオン選択性電極１０と対極２０との間に、電圧印加／電流検出システム４０により電圧を印加する。そして、電圧印加／電流検出システム４０は、電圧の印加により生じる電流検出型イオン選択性電極１０の電極本体１に流れる電流の電流値Ｉ１を検出する。
このとき、電流検出型イオン選択性電極１０のイオン感応層３は、試料溶液７０中のターゲットイオン及び／または非ターゲットイオンをイオン交換するイオン伝導性物質と、試料溶液７０中からターゲットイオンを選択的に捕捉するイオノフォアとを含んでいる。よって、電極本体１では、その表面にイオンが存在することにより電極反応が引き起こされる。この電極反応はターゲットイオンがイオノフォアに捕捉されることによって阻害され、その阻害の結果として生じた電流を電圧印加／電流検出システム４０により取り出す。この検出された電極の電流値は、ターゲットイオン及び／または非ターゲットイオンがイオン伝導性物質すなわちイオン感応層のイオン伝導に寄与すること、及びターゲットイオンについてはイオノフォアによって捕捉されこのイオン伝導を阻害することと相関関係を有している。そして、ターゲットイオンの電極反応により生じる電流からターゲットイオンを直接的に定量するのではなく、この相関関係に基づいて電極反応の阻害の結果生じる電流の電流値からターゲットイオンを間接的に定量する。そのため、ターゲットイオンの濃度が微少量である場合でも、ターゲットイオンがイオノフォアに捕捉され、結果として、ターゲットイオン及び／または非ターゲットイオンに起因する電極反応に応じた電流値を測定することにより試料溶液７０中のターゲットイオンを定量することができる。つまり、ターゲットイオンがイオノフォアにより捕捉され続けることにより、ターゲットイオン及び／または非ターゲットイオンに起因する電極本体１での電極反応が阻害される。その阻害の度合は、ターゲットイオン濃度に依存しており、阻害による電流値の減少を測定することによりターゲットイオンの定量を行うことができる。
【００４０】
このとき、ターゲットイオンに対してより高い選択性を有するイオノフォアを用いることにより、より多くのターゲットイオンがイオノフォアに捕捉され、結果として、ターゲットイオン及び／または非ターゲットイオンに起因する電極反応をより強く阻害する。そのため、より正確なターゲットイオンの定量を行うことができる。
ターゲットイオンの濃度は、例えば以下のようにイオン定量部６０により定量を行う。上記電流検出型イオン選択性電極１０を用いて、試料溶液７０中の非ターゲットイオンと同程度の濃度の非ターゲットイオンを含む参照溶液における参照電流値の絶対値Ｉ0を測定する。次に、電流検出型イオン選択性電極１０を用いて試料溶液７０内の電流値のＩ1を測定する。そして、参照電流値の絶対値｜Ｉ0｜から試料溶液７０内の電流値の絶対値｜Ｉ1｜がどの程度減少しているかを測定することにより、ターゲットイオンの濃度を測定することができる。つまり、試料溶液７０中のターゲットイオン濃度の増加に応じて電流値の絶対値｜Ｉ1｜が減少することに基づいて、あるいは前記ターゲットイオン濃度の減少に応じて前記電流値の絶対値｜Ｉ1｜が増加することに基づいて前記ターゲットイオンの定量を行う。また、参照電流値Ｉ０と取り出された電流値Ｉ１との間の減少電流値の絶対値｜Ｉ1−Ｉ0｜を算出することによりターゲットイオンの濃度の定量を行っても良い。
＜第３実施形態例＞
図４は、本発明の第３実施形態例に係る電極キットの断面図、図５は電極キットの平面図である。以下に第３実施形態例に係る電極キットの構成を説明する。
（１）構成
電極キットは、基板１００上に形成された電極対２００を有している。電極対２００は、電流検出型イオン選択性電極１０と電流検出型イオン選択性電極１０の対極２０とを有している。電流検出型イオン選択性電極１０には、電極本体１の一部を覆うように、イオン感応層３が密着して設けられている。イオン感応層３は、前記第１実施形態例と同様に、イオノフォアと伝導性物質とが混在して形成されている。電極本体１、イオノフォア及び伝導性物質の材質や作用等は前記第１実施形態例と同様である。
（２）ターゲットイオンの定量方法
次に、ターゲットイオンの定量方法について以下に説明を行う。図５の電極キットの電極対２００を、ターゲットイオンと非ターゲット化学種とを含む試料溶液７０に浸漬する。そして、電極対２００間に電圧を印加する。このとき、電流検出型イオン選択性電極１０のイオン感応層３が密着された部分を試料溶液７０に浸漬し、イオン感応層３が密着されていない電極本体１と対極２０との間を導線等の接続線により接続し電圧を印加する。そして、電圧の印加により生じる電流検出型イオン選択性電極１０の電極本体１に流れる電流の電流値Ｉ１を検出することで、ターゲットイオンの定量を行う。ターゲットイオンの定量方法は、前記第１実施形態例と同様である。
（３）電極キットの製造方法
次に、本発明の電極キットの製造方法を説明する。図５の基板１００上に、例えばカーボンペーストからなる電極本体１及び対極２０をスクリーン印刷する。そして、イオン感応層３を電極本体１に密着するようにキャスト法により成膜する。このように基板１００上に電極本体１及び対極２０をスクリーン印刷し、さらにキャスト法を用いてイオン感応層３を形成することで、容易に電極キットを作成することができる。また、電極キットのイオン感応層３が固相状態であり、また電極キットが比較的小型に形成できるので、取り扱いが容易であり携行性に優れる。
＜その他の実施形態例＞
本発明の他の実施形態例としては、本発明の電流検出型イオン選択性電極１０のイオン感応層３にさらに、各種酵素を固定化し、酵素センサとして使用することのできる電極を作製することもできる。例えば、イオン感応層３上にクレアチニンデイミナーゼを固定化し、クレアチニンを検出する。
【００４１】
また、本発明の電流検出型イオン選択性電極１０のイオン感応層３にさらにポリピロールを電界重合させた電極を作製することもできる。ポリピロールを設けることで、ピロールが電荷をため込む性質を利用し、増幅された応答電流を得られると考えられる。
さらに、図６に示すように、複数のターゲットイオンを同時に測定することができるような電極キットを作成することもできる。図６に示す電極キットでは、複数の電極対２００ａ、２００ｂ、２００ｃ…を設け、ターゲットイオンの種類に応じたイオン感応層３をそれぞれの電極本体１に密着させるように形成する。例えば、塩化アンモニウム、塩化ナトリウムあるいは塩化カリウムを共存させた純粋中における、アンモニウムイオン濃度、ナトリウムイオン濃度及びカリウムイオン濃度を同時に測定できるように、イオン感応層３の種類を変えて電極を作製する。
＜実験例１＞
３ｍｍ径のエポキシ樹脂の円筒に覆われた５ｍｍ径のグラッシーカーボン電極上に５％ナフィオン溶液に５％濃度のノナクチンを混濁させた溶液を滴下し室温で乾燥させ、イオン選択性電極を作製した。
【００４２】
この電極を作用極とし、白金線からなる電極を対極として、飽和カロメル電極（ＳＣＥ）を参照極とする三電極系を組み立てた。これら三電極を、それぞれリン酸緩衝液（ＰＢＳ）中につけ測定を行った。ここでは、電位はＳＣＥを基準として、０．７Ｖから−１．０Ｖまでの範囲で毎秒０．１０Ｖの挿引速度で挿引した時の電流応答の瞬間的値を測定した。ここで、ＰＢＳは血液中のナトリウム、カリウムの濃度と同じ濃度のナトリウム、カリウムを含み、また溶液のｐＨは血液のｐＨと同じ値に調製されている。したがって、この測定は血液をそのまま分析するという測定の系を模していることになる。
【００４３】
また同様にして、ＰＢＳ中に１ｍＭから４ｍＭの濃度の塩化アンモニウムを溶解させた溶液についても同様の測定を行った。
上記の測定結果を図７に示す。図７は、各アンモニウムイオン濃度の溶液における還元電流値Ｉ1のＰＢＳ溶液（アンモニウムイオン濃度が０ｍＭ）における還元電流値Ｉ０からの変化量（Ｉ1−Ｉ0）と、アンモニウムイオン濃度とを電位毎にプロットした図である。
【００４４】
上記の塩化アンモニウムをＰＢＳに溶解させた溶液のサイクリックボルタノメトリー測定において、各電位での還元電流値はアンモニウムイオン濃度が増大するに従って小さくなるという一定の傾向があり、これを利用してアンモニウムイオン濃度を定量できる。
＜実験例２＞
３ｍｍ径のエポキシ樹脂の円筒に覆われた５ｍｍ径のグラッシーカーボン電極上に５％ナフィオン溶液に１％濃度のノナクチンを混濁させた溶液を滴下し室温で乾燥させ、イオン選択性電極を作製した。この電極を作用極とし、白金線からなる電極を対極として、飽和カロメル電極（ＳＣＥ）を参照極とする三電極系を組み立てた。これら三電極を、それぞれリン酸緩衝液（ＰＢＳ）中につけ測定を行った。ここでは、電位はＳＣＥを基準として、―０．６Ｖで３０秒静置した後、ステップ状に−１．０Ｖに変化させ、０．１秒後の応答電流の瞬間的値を測定した。また、同様にして、ＰＢＳ中に１０μＭから８０μＭの濃度の塩化アンモニウムを溶解させた溶液についても同様の測定を行った。
【００４５】
上記の測定結果を、横軸に塩化アンモニウム濃度、縦軸に測定された還元電流値をとり図８に示す。図８の横軸の塩化アンモニウム濃度とは、リン酸緩衝液中に溶解させた塩化アンモニウムの濃度である。図８に示すように、０μMから６０μMの濃度範囲においては、ほぼ直線の検量線を得ることができる。よって、得られた検量線と、実際の測定値を照らし合わせることにより、アンモニウムイオンの濃度を定量することができる。また、第２実施例では、電位をステップ状に変化させるクロノアンペロメトリーを用いて応答電流を測定したため、応答電流値を安定にすることができる。
【００４６】
なお、最終的な印加電位を−１．０Vとすることによって、ターゲットイオンであるアンモニウムイオンがノナクチンに捕捉され、溶液中に存在しない状態での応答電流値を測定している。つまり、溶液中に存在したターゲットイオンが全てノナクチンに捕捉されている状態での応答電流を測定している。よって、ターゲットイオンの捕捉によって生じる電極反応の阻害による電流値の減少をより正確に測定することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明を用いれば、微少量の測定対象物を測定できる電流検出型イオン選択性電極を提供することができる。
また、本発明を用いれば、取り扱いが容易な電流検出型イオン選択性電極を提供することができる。
さらに、本発明を用いれば、イオノフォアの劣化を低減できる電流検出型イオン選択性電極の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の第１実施形態例に係る電流検出型イオン選択性電極の斜視図。
【図２】図１の断面図。
【図３】図１に示す電流検出型イオン選択性電極を用いたイオン測定システム。
【図４】本発明の第２実施形態例に係る電極キットの断面図。
【図５】電極キットの平面図。
【図６】複数のターゲットイオンを同時に測定するための電極キット。
【図７】変化量（Ｉ1−Ｉ0）とアンモニウムイオン濃度との関係図。
【図８】塩化アンモニウム濃度と測定された還元電流値との関係図。
【符号の説明】
【００４９】
１：電極本体    
３：イオン感応層    
１０：電流検出型イオン選択性電極  
２０：対極  
３０：試料セル  
４０：電圧印加／電流検出システム  
６０イオン定量部  
７０：試料溶液  
１００：基板    
２００：電極対    
【図１】
2004309478.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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