(57)【要約】【課題】微小細隙内のｐＨ変動を正確に測定でき、かつ良好な測定精度を長期間維持でき、測定にあたって従来品より電極先端の損傷可能性を低減できる微小ｐＨ電極を提供する。【解決手段】ガラス管の一端に開口を有する極細先端部を形成してなり、少なくとも該先端部付近の内部に水素イオン選択性透過液膜と、該透過液膜を先端部内に保持するための保持液膜とを充填した微小ｐＨ電極であって、先端開口径が１０〜４００μｍである微小ｐＨ電極。【選択図】　図３
2004020390.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラス管の一端に開口を有する極細先端部を形成してなり、少なくとも該先端部付近の内部に水素イオン選択性透過液膜と、該透過液膜を先端部内に保持するための保持液膜とを充填した微小ｐＨ電極であって、先端開口径が１０〜４００μｍであることを特徴とする微小ｐＨ電極。
【請求項２】
層長５０〜１５０μｍを有する該保持液膜の層が、微小ｐＨ電極の先端を開口始端に、内部に向って形成され、その内部側に、層長１５０〜３５０μｍを有する該透過液膜の層が形成されていることを特徴とする請求項１記載の微小ｐＨ電極。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、０．５〜数ｍｍの微小間隙などに存在する少量の液におけるｐＨを測定することのできる微小ｐＨ電極に関する。さらに詳しくは、測定性能を長期間維持することができ、隙間腐食の発生の監視及び孔食の解明などに用いることができる微小ｐＨ電極に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の微小ｐＨ電極としては、ガラス電極が用いられている。しかし、先端感応部は薄いガラス膜を使用しているため、機械的衝撃に弱く、また、電気抵抗が大きく精度にも問題があった。液膜型の微小ｐＨ電極は、ガラス管を延伸して先端部を数μｍとし、先端部に水素イオン選択性透過液を保持させて感応膜を形成していて、主に生体内の液のｐＨを測定するために使用される。従来の液膜型の微小ｐＨ電極では選択性透過液を先端部に保持するため、先端開口径を数μｍに抑制していた。しかし、このような微小ｐＨ電極では２４時間程度の短時間で測定精度が低下し使用できなくなる欠点がある。さらに、電極先端が非常に細いため壊れやすく、微細試料の測定時に先端が測定対象物と衝突して損傷する可能性が高い。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、微小細隙内のｐＨ変動を正確に測定でき、かつ良好な測定精度を長期間維持でき、さらに測定にあたって従来品より電極先端の損傷可能性を低減できる微小ｐＨ電極を提供することを目的としている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、鋭意研究の結果、良好な測定精度を長期間維持できる微小ｐＨ電極は、先端開口径を大きくすることによって、良好な測定精度を長期間維持させるとともに電極先端の耐損傷性を向上し、一方、このように先端開口径を大きくすることによる水素イオン選択性透過液膜の流出は、先端部付近の内部に水素イオン選択性透過液膜と、該透過液膜を先端部内に保持するための液膜との組合せによって防止できることを見出し、この知見に基づいて本発明を完成するにいたった。
すなわち本発明は、
（１）ガラス管の一端に開口を有する極細先端部を形成してなり、少なくとも該先端部付近の内部に水素イオン選択性透過液膜と、該透過液膜を先端部内に保持するための保持液膜とを充填した微小ｐＨ電極であって、先端開口径が１０〜４００μｍであることを特徴とする微小ｐＨ電極、及び
（２）層長５０〜１５０μｍを有する該保持液膜の層が、微小ｐＨ電極の先端を開口始端に、内部に向って形成され、その内部側に、層長１５０〜３５０μｍを有する該透過液膜の層が形成されていることを特徴とする第１項記載の微小ｐＨ電極、
を提供するものである。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明の微小ｐＨ電極は、極小空間例えば０．５〜数ｍｍの微小間隙などにある少量のサンプル水のｐＨ値を測定することができるものである。
本発明の微小ｐＨ電極は、グリーンガラス円筒を加熱溶融延伸し、先端開口径を１０〜４００μｍに形成してなる極細先端部と、ソーダ石灰ガラス円筒を加熱溶融延伸して作製した電極胴体部とを接合した電極本体外筒に、内部溶液を注入し、水素イオン選択性透過液膜と、該水素イオン選択性透過液膜を保持する保持液膜とを組合せて充填し、該保持液膜を例えば硬化処理することなどによって、水素イオン選択性透過液膜が先端開口部から流出しないようにして、これに電極線を装填することによって製造することができる。
グリーンガラス円筒の加熱溶融延伸は、例えば、直径数〜１０ｍｍのグリーンガラス円筒をガスバーナー等で加熱して半溶融状態で円筒の両端から延伸して、目的の先端開口径まで細く形成することができる。グリーンガラス円筒の加熱溶融延伸は、目的の先端開口径に達するまで数回に分けて行うことができる。
また、ソーダ石灰ガラス円筒の加熱溶融延伸は、延伸したソーダ石灰ガラス円筒の先端径がグリーンガラスで作製した極細先端部の後部（先端開口とは反対側端部）に連結できる程度の太さになるまで細くする。
そして、微小電極本体外筒は、グリーンガラスで作製した極細先端部の後部と延伸したソーダ石灰ガラス円筒をガスバーナーで溶融結合して作製することができる。
【０００６】
電極本体外筒に充填される内部溶液は、ｐＨ電極に使用されている公知の内部溶液を特に制限なく使用することができる。例えば、塩化カリウム（ＫＣｌ）とリン酸ナトリウム・１２水和塩（Ｎａ３ＰＯ４・１２Ｈ２Ｏ）を混合し、ｐＨを７に調整した内部溶液を使用することができる。塩化カリウム（ＫＣｌ）３００ミリモルとリン酸ナトリウム・１２水和塩（Ｎａ３ＰＯ４・１２Ｈ２Ｏ）５０ミリモルを混合し、ｐＨを７に調整した内部溶液などを好適に使用することができる。
本発明に用いる水素イオン選択性透過液膜は、水素イオンを選択的に透過できる液膜であれば公知のものを特に制限なく使用することができる。例えば、ｏ−ニトロフェニルオクチルエーテルにトリドデシルアミン及びホウ酸テトラフェニル・ナトリウムを添加した溶液を使用することができる。ｏ−ニトロフェニルオクチルエーテルに対して、トリドデシルアミンを重量比５〜１５％、及びホウ酸テトラフェニル・ナトリウムを重量比０．５〜１％添加した溶液を好適に使用することができる。以下、この溶液をＬＩＸと称する。
水素イオン選択性透過液膜を先端部内に保持するための保持液膜は、水素イオンが選択的に透過可能であり、かつ、水素イオン選択性透過液が先端開口部から流出することを防ぐことのできる液膜であれば公知のものを特に制限なく使用することができる。例えば、ＬＩＸにポリ塩化ビニル及びテトラヒドロフランを添加した溶液を使用することができる。ＬＩＸに対して、ポリ塩化ビニルを重量比５〜１５％配合し、テトラヒドロフランを容量比約３倍量添加した溶液を好適に使用することができる。以下、この溶液をＰＶＣ−ＬＩＸと称する。
水素イオン選択性透過液膜と、該水素イオン選択性透過液膜を保持する保持液膜とを特定の割合に組合せて充填することによって、形成される水素イオン選択性透過液膜を安定的に保持し、良好な測定精度を長期間維持できる微小ｐＨ電極として好適に使用することができる。特に、ＬＩＸ及びＰＶＣ−ＬＩＸの組合せにより優れた効果が得られる。
本発明の微小ｐＨ電極の水素イオン選択性透過液膜と保持液膜を組合せて使用するときは、電極本体外筒に内部溶液を注入した後、電極本体外筒の先端開口から１５０〜３５０μｍの位置まで透過液膜を吸引して透過液膜層を形成することができる。透過液膜の吸引に続いて、電極本体外筒の先端から５０〜１５０μｍの位置まで保持液膜を吸引して透過液膜を先端部内に保持するための保持液膜層を形成する。先端部側に保持液膜層が形成されることにより、先に吸引して形成した透過液膜層は内部側に移動する。この結果、層長５０〜１５０μｍの保持液膜層が先端開口部を始端にして内部に向って形成され、保持液膜層に続いて層長１５０〜３５０μｍの透過液膜層が形成される。透過液膜層の長さ（層長）が１５０μｍ未満では水素イオン選択性透過液膜の効果が不十分であり、３５０μｍを超えても、透過膜としての効果は向上しない。保持液膜の層長が５０μｍ未満では、水素イオン選択性透過液膜の先端部から流出する恐れがあり、１５０μｍを超えると水素イオン選択性透過液膜としての性能が低下する。
【０００７】
透過液膜層の長さ１５０〜３５０μｍと保持液膜層の長さ５０〜１５０μｍとの比率は、水素イオン選択性透過液膜の流出を防止するために重要な因子となり、透過液膜：保持液膜＝３：２〜１：１の比率を水素イオン選択性透過液膜の安定性の点から選択することができる。
保持液膜層に対する透過液膜層の比率が前記比率上限を超えて過剰になると、透過液膜層の流出を抑制できず、逆に、前記比率下限未満になり、過少になると、水素イオン選択性透過液膜としての性能が不十分になる。
本発明の、水素イオン選択性透過液膜の保持液膜の硬化処理による水素イオン選択性透過液膜の先端部からの流出の防止は、例えば、水素イオン選択性透過液膜としてＬＩＸを使用する場合には、上述の方法によって、ＬＩＸ及びＰＶＣ−ＬＩＸを順次電極本体の先端開口から吸引後、例えば、室温で約２時間放置してこのＰＶＣ−ＬＩＸ層を硬化させて好適に行うことができる。
本発明に用いる電極線は、例えばＡｇ／ＡｇＣｌ線を使用することができる。電極線は、その一端が電極本体外筒の内部溶液中に浸漬するように装填され、他端は外部のｐＨメーターに接続されている。
本発明の微小ｐＨ電極の先端開口径（内径）は、１０〜４００μｍ、好ましくは２０〜３００μｍ、特に好ましくは４０〜２００μｍにすることができる。
先端開口径が４００μｍを超えると、先端部の液膜保持が困難となり、１０μｍ未満では、性能低下が短時間で起こり、かつ、先端部が損傷し易くなる。
本発明の微小ｐＨ電極は、特定イオンを選択的に検出する感応膜に生じた電位差を測定することによってｐＨを測定する原理を利用するものである。すなわち、液膜によって隔てられた２つの液相内に選択的透過能を持つイオンが存在する際に液相間に生ずる電位差（起電力）を測定する。電位差とｐＨは比例関係にあり、種々のｐＨにおける電位差を測定し、その検量線からｐＨを算出することができる。
【０００８】
本発明の微小ｐＨ電極によるｐＨ測定は、電極線を介してｐＨメーターにそれぞれ接続されている微小ｐＨ電極と微小照合電極（市販されている任意のものを使用することができる）とを被測定液に浸漬することによって行われ、被測定液中の水素イオン量に応じた電位差がｐＨメーターに伝達され、ｐＨ値として表示される。
図３は、本発明の一態様を示す微小ｐＨ電極の側面の断面図である。本発明の微小ｐＨ電極を製造する方法の事例を図３を用いて説明する。
本発明の、１０μｍの先端開口径の微小ｐＨ電極は下記の各項の工程によって製造することができる。
１）グリーンガラス円筒の中心部をガスバーナーで溶融させながら延伸する。その後、中間点で２等分し、一方の延伸円筒について、この作業を繰り返して、所定の先端口径の極細先端部１を作製する。
２）ソーダ石灰ガラス円筒の中心部を市販のガスバーナーで溶融させながら延伸する。この溶融延伸にはＰｉｅｚｏガスバーナー［ＰＲＩＮＣＥ社製、ＧＢ−２００１］を好適に使用することができる。この時、延伸したソーダ石灰ガラス円筒の先端径がグリーンガラスで作製した極細先端部１の後部に連結できる程度の太さに制御して電極胴体部２を作製する。
３）１）で延伸作製したグリーンガラス細円筒による極細先端部１と、２）で延伸作製したソーダ石灰ガラス細円筒による電極胴体部２をバーナーで溶融接合し、微小電極本体外筒を作製する。
【０００９】
４）３）で作製した微小電極本体外筒の先端部を固定して吊り下げ、先端細円筒部分を加熱ニクロム線で溶融させながら重力牽引によって延伸し、先端口径を約２０μｍに調整することができる。加熱ニクロム線の温度はスライダックで調節することができる。
５）さらに加熱白金線で溶融させながら、重力牽引によって延伸して、１０μｍの内径の位置でカッターで切断し、先端開口径を約１０μｍに調整することができる。
６）先端開口径が目的の太さになるように、先端をカッターナイフなどで剥ぎ落とした後、スライダックで温度を調節した通電加熱白金線によって、最先端部を丸くしながら先端口径１０μｍに調整する。
７）電極本体外筒を１１０℃のオーブンで約３時間乾燥させた後、清浄雰囲気中で約６時間徐冷放置し熱歪みを除去し、クロロトリメチルシランを使用して電極本体の管内全体を疎水化のためにシラン処理を行う。シラン処理後デシケーター中にて密閉して約３時間乾燥させた後、内部溶液を仕込む工程に用いることができる。
８）シリンジを用いて７）で作製した電極本体外筒の電極胴体部２の後部開放端から内部溶液３を注入し、極細先端部１の先端開口から内部溶液３が流出することを確認する。注入量は電極胴体部２に設けた約２〜３ｃｍまでの水位線（図示されていない）を目安として注入することができる。
９）内部溶液を充填後、極細先端部１の先端から２００μｍの位置までＬＩＸを電極胴体部２の後部開放端から減圧吸引する。ついで、極細先端部１の先端から１４０μｍの位置まで、ＰＶＣ−ＬＩＸを吸引する。これによって、図３に示すように、内部溶液３の先端に、ＬＩＸ層４及びＰＶＣ−ＬＩＸ層５を形成することができる。
ＰＶＣ−ＬＩＸ層５を吸引後、硬化させるために約２時間室温で放置することができる。このとき軽く加温して硬化を促進することができる。
１０）電位差を測定するために必要な、電極線６としてＡｇ／ＡｇＣｌ線を装填する。
以上の工程により、微小ｐＨ電極を作製することができるが、さらに、次の１１）、１２）の工程を９）と１０）の間に挿入することもでき、強度の強いｐＨ電極とすることができる。
１１）極細先端部１を１０％酢酸セルロースアセトン溶液に浸し、次いで牛血清アルブミンを１０％（重量／容積）添加した５０ミリモルリン酸緩衝液１ｍＬに、２５％グルタルアルデヒドを１０μＬ滴下した溶液を調製し、この溶液に５００μｍ程度浸漬することによって、タンパク質を被膜することができる。
１２）パスツールピペットで製作したケーシングの後部からｐＨ微小電極を挿入し、ｐＨ微小電極先端をケーシングから約２ｃｍ突出させた状態で、速乾性樹脂を塗布して固定することができる。ケーシング内には０．３ＭＫＣｌ溶液を満たすことができる。
【００１０】
【実施例】
以下に、実施例を挙げて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例によりなんら限定されるものではない。
実施例１
試薬塩酸でｐＨ５及び６に調整した水溶液を作製し、それぞれを内径１ｍｍの微小サンプル管内にマイクロシリンジで微量注入し、これに、ＬＩＸ、ＰＶＣ−ＬＩＸを使用して、本発明によって得られた先端開口径が５０μｍに作製した微小ｐＨ電極の先端を挿入浸漬し、電位差を測定した。
検知電位差がｐＨ５のとき１２０ｍＶ、ｐＨ６のとき６０ｍＶであり、ｐＨ１あたりの電位差は６０ｍＶ／ｐＨであった。２４時間経過ごとにこの測定を繰り返し、この検知電位差が変化する関係を求めた。結果を第１表に示す。
図１は、先端開口径が５０μｍの場合について、第１表に基づき作成した経過日数とｐＨ１あたりの電位差との関係図である。比較のために、先端開口径が５μｍの従来方法によって作製された微小ｐＨ電極を使用し、経過日数と経過日数ごとに測定されたｐＨ１あたりの電位差との関係を図１に示した。
実施例２及び比較例１
ｐＨ電極の先端開口径が２００μｍ、４００μｍ、５００μｍ、１０μｍ及び５μｍ（比較例１）である以外は、実施例１の通り行い、ｐＨ値及び電位差を測定した。結果を実施例１とともに第１表に示す。
第１表は、実施例１、２及び比較例１のそれぞれの先端開口径における、ｐＨ１あたりの電位差と経過日数との関係を示すものである。なお、表中の−表示は、１０ｍＶ／ｐＨ未満を表すもので、実質的には正確なｐＨを測定できない領域となる。
図２は、電極先端開口径と性能維持日数との関係を示すグラフである。性能維持日数は、第１表の各例において、２４時間経過ごとに測定した電位差が顕著に低下するまでの日数をとっている。すなわち、先端開口径が１０μｍは２日、５０μｍは６日、２００μｍは７日、４００μｍは３日、５００μｍは０日、比較例１の５μｍでは１日である。図２は、各例ごとの電極先端開口径と上記性能維持日数との関係をプロットしたものである。
【００１１】
本発明の、ｐＨ電極の先端開口径が５０μｍの微小ｐＨ電極の実施例１によれば、最初６０ｍＶ／ｐＨであったものが１日後も６０ｍＶ／ｐＨを維持し、２日後５５ｍＶ／ｐＨ、３日後には３２ｍＶ／ｐＨに低下したがその後６日目までほぼ一定であり、７日後に２９ｍＶ／ｐＨに低下するまで、６日間良好な性能を維持することができた。実施例２の先端開口径が２００μｍの微小ｐＨ電極によれば、さらに結果が良く、７日間良好な性能を維持することができた。従来技術による微小ｐＨ電極は比較例１に示すように、最初５５ｍＶ／ｐＨであったものが１日後には１０ｍＶ／ｐＨに急低下した。
【００１２】
【表１】
2004020390.tif 000003
【００１３】
【発明の効果】
本発明の微小ｐＨ電極によれば、従来技術による微小ｐＨ電極よりも長期間良好な性能を維持することができ、測定にあたって従来品より電極先端の損傷可能性を低減することができる。本発明の微小ｐＨ電極を使用すれば、０．５〜数ｍｍの微小間隙に存在する液のｐＨ変動を測定することができ、隙間腐食の発生監視、孔食の解明、生体内液ｐＨ測定などに役立てることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、経過日数とｐＨ１あたりの電位差との関係を示すグラフである。
【図２】図２は、電極先端開口径と性能維持日数との関係を示すグラフである。
【図３】図３は、微小ｐＨ電極の断面図である。
【符号の説明】
１　極細先端部
２　電極胴体部
３　内部溶液
４　ＬＩＸ層
５　ＰＶＣ−ＬＩＸ層
６　電極線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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