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WO2023276380A1 - イオンセンサ、イオンセンサの製造方法及びイオンの測定方法 - Google Patents

イオンセンサ、イオンセンサの製造方法及びイオンの測定方法 Download PDF

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Publication number
WO2023276380A1
WO2023276380A1 PCT/JP2022/015516 JP2022015516W WO2023276380A1 WO 2023276380 A1 WO2023276380 A1 WO 2023276380A1 JP 2022015516 W JP2022015516 W JP 2022015516W WO 2023276380 A1 WO2023276380 A1 WO 2023276380A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
ion
solid layer
electrode
insertion material
ion sensor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2022/015516
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
順子 小島
兼一 内山
沙也加 本郷
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sysmex Corp
Original Assignee
Sysmex Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sysmex Corp filed Critical Sysmex Corp
Priority to EP22832541.1A priority Critical patent/EP4365584A4/en
Priority to CN202280046173.XA priority patent/CN117642626A/zh
Publication of WO2023276380A1 publication Critical patent/WO2023276380A1/ja
Priority to US18/397,620 priority patent/US12399145B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/28—Electrolytic cell components
    • G01N27/30—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells
    • G01N27/333—Ion-selective electrodes or membranes
    • G01N27/3335—Ion-selective electrodes or membranes the membrane containing at least one organic component
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/28—Electrolytic cell components
    • G01N27/30—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells
    • G01N27/301—Reference electrodes

Definitions

  • the present invention relates to an ion sensor, an ion sensor manufacturing method, and an ion measuring method.
  • An ion sensor that measures ions by potentiometry includes an ion-selective electrode as a working electrode and a reference electrode, both of which have been used for a long time using an internal liquid.
  • a reference electrode a reference electrode having a concentrated KCl solution with a saturated concentration or about 3M as an internal liquid is often used so as to be in contact with an Ag/AgCl electrode.
  • An internal liquid ion sensor that uses an internal liquid must contain a high-concentration ion electrolyte so that the concentration of the internal liquid does not change, causing problems such as contamination of the sample solution and clogging due to crystallization at the liquid junction. may occur, and maintenance becomes complicated.
  • a liquid is used inside the electrode, there is a problem that the structure becomes complicated and is not suitable for mass production.
  • an all-solid-state ion sensor that does not use an internal liquid for both the ion-selective electrode and the reference electrode is known.
  • the all-solid-state ion sensor does not use an internal liquid, so it is suitable for mass production, but it has a problem that the potential varies greatly between ion sensors. If the variation in potential between ion sensors is large, it is necessary to calibrate in advance using a calibration liquid before use.
  • Non-Patent Document 1 reports an all-solid-state ion sensor that uses CIM carbon for the internal solid layer.
  • ion sensor of Non-Patent Document 1 [Co III (C 9 , C 9 -bipy) 3 ] (tris(pentafluorophenyl) borane) 2 , [Co III (C 9 , C 9 -bipy) 3 ](tris(pentafluorophenyl)borane) 3 , or potassium-tetracyanoquinodimethane complex salts must be included in the electrode.
  • An object of the present invention is to provide an ion sensor with reduced potential variation, an ion sensor manufacturing method, and an ion measuring method.
  • the above problems can be solved by providing an ion sensor, an ion sensor manufacturing method, and an ion measuring method including a reference electrode including an ionic liquid-containing membrane, and an insulator in which the ion-selective electrode and the reference electrode are arranged. I found what I can do.
  • an ion sensor with reduced potential variation it is possible to provide an ion sensor with reduced potential variation, an ion sensor manufacturing method, and an ion measuring method.
  • FIG. 10 is a diagram showing open circuit potential measurement in Example 2; Potential-response-time curves of 8 reference electrodes independently prepared by the same method are shown.
  • 3 shows a cross-sectional view of an ion sensor of Example 3.
  • FIG. 4 shows KCl measurement performance results in Example 4.
  • FIG. The potential E for each ion-selective electrode was measured.
  • FIG. 10 is a diagram showing a method for measuring ions using the ion sensor of Example 6; 12 shows the results of measuring the potential E with respect to the ion-selective electrode in Example 6.
  • FIG. The horizontal axis indicates the elapsed time (minutes) after the solution stopped contacting the sensor.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of an ion-selective electrode
  • FIG. FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing an example of a reference electrode
  • 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of an ion-selective electrode
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing an example of a reference electrode
  • BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is typical sectional drawing which shows an example of the ion sensor of this invention.
  • FIG. 1 It is a schematic diagram which shows an example of the embodiment which measures the ion in a sample using the ion sensor of this invention.
  • the figure on the left is a schematic plan view showing an example of the ion sensor of the present invention.
  • the figure on the right is a schematic plan view showing how the ion sensor of the present invention is used.
  • the present invention provides an ion sensor comprising a first internal solid layer containing a first insertion material and a first ion-conducting ceramic, and an ion selective membrane disposed on the first internal solid layer.
  • a reference comprising a selective electrode, a second internal solid layer containing a second insertion material and a second ion-conducting ceramic, and an ionic liquid-containing membrane disposed on the second internal solid layer.
  • the present invention relates to an ion sensor including an electrode and an insulator in which an ion-selective electrode and a reference electrode are arranged (also referred to herein as the "ion sensor of the present invention"). This will be explained below.
  • first insertion material and “second insertion material” may be collectively referred to as “insertion material”.
  • first ion-conducting ceramics and “second ion-conducting ceramics” are collectively referred to as “ion-conducting ceramics”
  • first internal solid layer and “second internal solid layer” are collectively referred to as “ion-conducting ceramics”. sometimes referred to as the “internal solid layer”.
  • first insertion material and “second insertion material” may be the same or different.
  • first ion-conducting ceramics and the “second ion-conducting ceramics” may be the same or different.
  • first internal solid layer and the “second internal solid layer” may be the same or different.
  • the internal solid layer is a layer containing an insertion material and ion-conducting ceramics.
  • the insertion material is not particularly limited as long as it is a material that can be used for the electrode of the ion sensor.
  • As an insertion material preferably one can be used which is capable of inserting and de-inserting the ions to be measured within the structure by means of electrochemical reactions (ion-electronic conductors).
  • the ions to be measured are not particularly limited, but are for example potassium ions, sodium ions, lithium ions, calcium ions, magnesium ions, etc., preferably potassium ions, sodium ions, lithium ions, etc., particularly preferably potassium ions. mentioned.
  • the insertion material is preferably an inorganic insertion material.
  • the inorganic insertion material is not particularly limited as long as it is an inorganic material that can be used for the electrodes of the ion sensor.
  • the insertion material include metal oxides, oxygen redox materials, Prussian blue analogues, etc. Among these, metal oxides are preferred. These can be appropriately selected according to the ions to be measured.
  • metal oxides include M x MnO 2 , M x NiO 2 , M x CoO 2 , M x Ni 0.5 Mn 0.5 O 2 , M x FeO 2 , M 2/3 Fe 1/3 Mn 2 / 3O2 , MxNi1 / 3Co1 / 3Mn1 / 3O2 , MxNi0.5Ti0.5O2 , MxVO2 , MxCrO2 , MxFePO4 (wherein M are each independently Na or K, and x represents any positive number.) and the like.
  • M x MnO 2 is more preferred, and Na x MnO 2 is particularly preferred.
  • x is usually 0 ⁇ x ⁇ 1.
  • x is preferably 0.15 to 0.66, more preferably 0.2 to 0.5, still more preferably 0.22 to 0.28, 0.30 to 0.36, or 0.41 to 0.47, particularly preferably 0.245 to 0.255, 0.325 to 0.335, or 0.435 to 0.445.
  • the crystal structure of the metal oxide is not particularly limited as long as it can be used as an ion sensor electrode.
  • the crystal structure includes, for example, a rectangular crystal structure, a tetragonal crystal structure, a trigonal crystal structure, a hexagonal crystal structure, a cubic crystal structure, a triclinic crystal structure, a monoclinic crystal structure, and the like. Among these, a rectangular system crystal structure is preferred.
  • the oxygen redox material is a material that can utilize oxidation-reduction reactions of not only transition metals but also oxide ions, and is not particularly limited in this respect.
  • Specific examples of oxygen redox materials include Na2Mn3O7 , Na2 / 3Mg0.28Mn0.72O2 , Na2RuO3 , Na1.3Nb0.3Mn0.4O2 , Na0.6Li0.2Mn0.8O 2 , etc.
  • the Prussian blue analogue is a structure in which cyano groups bridge transition metal ions, and is not particularly limited in this respect.
  • Specific examples of Prussian blue analogues include Na 2 Mn[Fe(CN) 6 ], Na y CO[Fe(CN) 6 ] 0.90 2.9H 2 O (where y is any positive number ), K-FeHCF (iron hexacyanoferrate potassium), K-NiHCF (nickel hexacyanoferrate potassium), K-CuHCF (copper hexacyanoferrate potassium), Na-NiHCF (nickel hexacyanoferrate sodium), Ca-NiHCF (nickel hexacyanoferrate calcium) and the like.
  • the insertion material is preferably particles.
  • the particles of the insertion material are of any shape, such as scaly, columnar, spherical, or ellipsoidal.
  • the average particle diameter of the particles of the insertion material is preferably 1 to 20 ⁇ m, more preferably 2 to 15 ⁇ m, from the viewpoint of enhancing the adhesion to the ion conductive ceramics and enhancing the performance as an ion sensor electrode. , more preferably 5 to 12 ⁇ m.
  • the average particle size can be measured with a laser diffraction/scattering particle size distribution analyzer.
  • the material and shape of the insertion material may be of one type alone, or may be a combination of two or more types.
  • the content of the insertion material is, for example, 20 to 70 parts by mass, preferably 25 to 65 parts by mass, and more preferably 30 to 60 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the internal solid layer.
  • Ion-conductive ceramics are not particularly limited as long as they are solids that can conduct ions. As ion-conducting ceramics, those capable of conducting the measuring ions can be used.
  • ion conductive ceramics examples include potassium ion conductive ceramics, sodium ion conductive ceramics, lithium ion conductive ceramics, calcium conductive ceramics, magnesium conductive ceramics, etc., preferably potassium ion conductive ceramics and sodium ion conductive ceramics. , lithium ion conductive ceramics, etc., and particularly preferably potassium ion conductive ceramics.
  • the ion-conductive ceramics can be appropriately selected according to the ions to be measured.
  • Specific examples of ion conductive ceramics include oxide-based solid electrolytes such as ⁇ ′′ alumina, ⁇ -alumina, perovskite-type oxides, NASICON-type oxides, and garnet-type oxides, sulfide-based solid electrolytes, and stabilized zirconia. , ion exchangers, etc.
  • the ion exchanger is not particularly limited as long as it is a substance that exhibits an ion exchange phenomenon, for example, zeolite (zeolite contains cations such as Na ions, K ions, and H ions inside can be used), ion-exchange resin acids, and the like.
  • ion-conductive ceramics ⁇ ′′ alumina, ⁇ alumina, zeolite, etc. are particularly preferable from the viewpoint that they are highly stable against water and can be suitably used as electrodes of ion sensors.
  • ⁇ ′′/ ⁇ -alumina comprises a layered structure consisting of an ion-conducting layer and spinel blocks, in which the migration of ions (measurement ions) occurs.
  • ⁇ ′′ alumina has a higher content of sodium ions in the crystal structure and a relatively higher ionic conductivity.
  • ⁇ ′′/ ⁇ alumina preferably conducts sodium ions
  • the form of the ion conductive ceramics is not particularly limited, but particles are preferred.
  • the particles of the ion-conducting ceramics have arbitrary shapes such as scaly, columnar, spherical, and ellipsoidal shapes.
  • the average particle diameter of the ion conductive ceramic particles is preferably 0.02 to 3 ⁇ m, more It is preferably 0.1-1 ⁇ m, more preferably 0.15-0.5 ⁇ m. From the same point of view, the average particle size of the ion conductive ceramic particles is preferably 0.02 to 7 ⁇ m, more preferably 0.05 to 5 ⁇ m, and still more preferably 0.1 to 3 ⁇ m in the present invention.
  • the average particle size can be measured with a laser diffraction/scattering particle size distribution analyzer.
  • the average particle size of the ion conductive ceramics is preferably smaller than the average particle size of the insertion material.
  • the average particle size of the ion-conductive ceramics relative to the average particle size of the insertion material is, for example, 0.001 to 0.3, preferably 0.005. ⁇ 0.1, more preferably 0.01 to 0.05.
  • the average particle size of the ion conductive ceramics relative to the average particle size of the insertion material is, for example, 0.001 to 0.7, preferably 0.005 to 0.6, It is more preferably 0.01 to 0.05.
  • the material and shape of the ion-conducting ceramics may be of a single type or a combination of two or more types.
  • the content of the ion conductive ceramics is, for example, 15 to 70 parts by mass, preferably 20 to 65 parts by mass, and more preferably 25 to 60 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the internal solid layer.
  • the mass ratio of the insertion material to the ion-conducting ceramics in the internal solid layer is, for example, 5:1 to 1:5, preferably 2:1 to 1:2, more preferably 1.5:1 to 1:1.5, more preferably 1.2:1 to 1:1.2, still more preferably 1.1:1 to 1:1.1.
  • the internal solid layer preferably contains a conductive agent.
  • the conductivity of the internal solid layer can be improved, the cushioning action against the volume change due to the ingress and egress of ions can be improved, and the reproducibility of the measurement can be enhanced.
  • Examples of conductive agents include, but are not limited to, carbon materials such as carbon black, acetylene black, ketjen black, carbon nanotubes, graphene, carbon powder, and graphite powder; conductive fibers such as metal fibers; carbon fluoride; Metal powders such as aluminum, conductive whiskers such as zinc oxide and potassium titanate, conductive metal oxides such as titanium oxide, organic conductive materials such as phenylene derivatives and graphene derivatives, and the like can be used. Among these, carbon materials are preferred.
  • the component and shape of the conductive agent may be a single type or a combination of two or more types.
  • the content of the conductive agent is, for example, 0.1 to 20 parts by mass, preferably 1 to 15 parts by mass, and more preferably 2 to 10 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the internal solid layer.
  • the mass ratio of the insertion material to the conductive agent (insertion material: conductive agent) in the internal solid layer is, for example, 20:1 to 1:1, preferably 15:1 to 3:1, more preferably 10:1 to 1:1. 6:1.
  • the mass ratio of the ion-conductive ceramics and the conductive agent in the internal solid layer is, for example, 20:1 to 1:1, preferably 15:1 to 3:1, more preferably 10:1. 1-6:1.
  • the internal solid layer preferably contains a binder. Thereby, each component in the internal solid layer can be bound more firmly.
  • binders include, but are not limited to, polyvinylidene fluoride, polyvinylpyrrolidone, polytetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, aramid resin, polyamide, polyimide, polyamideimide, polyacrylonitrile, polyacrylic acid, and polymethyl acrylate.
  • Ester polyethyl acrylate, polyhexyl acrylate, polymethacrylic acid, polymethyl methacrylate, polyethyl methacrylate, polyhexyl methacrylate, acrylic emulsion, polyvinyl acetate, polyvinylpyrrolidone, polyether, poly Polymers such as ether sulfone, hexafluoropolypropylene, styrene-butadiene rubber, and carboxymethyl cellulose, analogous compounds having the same skeleton as these polymers, and composite agents composed of a plurality of polymers can be used.
  • polyvinylidene fluoride preferably (a) polyvinylidene fluoride, (b) a mixture containing styrene-butadiene latex and carboxymethyl cellulose, (c) a mixture containing polyamide, polyimide and carbodiimide, and (d) polytetrafluoroethylene , (e) acrylic emulsion and the like, more preferably polyvinylidene fluoride.
  • the component of the binder may be of one type alone or may be a combination of two or more types.
  • the content of the binder is, for example, 0.1 to 20 parts by mass, preferably 1 to 15 parts by mass, and more preferably 2 to 10 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the internal solid layer.
  • the mass ratio of the insertion material to the binder (insertion material:binder) in the inner solid layer is, for example, 20:1 to 1:1, preferably 15:1 to 3:1, more preferably 10:1. 1-6:1.
  • the mass ratio of the ion-conductive ceramics and the binder (ion-conductive ceramics:binder) in the internal solid layer is, for example, 20:1 to 1:1, preferably 15:1 to 3:1, more preferably 10:1 to 6:1.
  • the internal solid layer may contain other components than those mentioned above.
  • Other components include, for example, MnCO 3 , Na 2 CO 3 , Al 2 O 3 and the like.
  • the total content of the insertion material and ion-conducting ceramics in the internal solid layer (and the total content including the conductive agent and binder if they are contained) per 100 parts by mass of the internal solid layer
  • 70 to 100 parts by mass preferably 80 to 100 parts by mass, more preferably 90 to 100 parts by mass, still more preferably 95 to 100 parts by mass, and even more preferably 99 to 100 parts by mass.
  • each component is preferably in a mixed state.
  • the layer structure of the internal solid layer is not particularly limited.
  • the internal solid layer may have a single-layer structure consisting of one layer of a single composition, or may have a multi-layer structure consisting of a plurality of layers having the same or different compositions.
  • the thickness is, for example, 1-200 ⁇ m. From the viewpoint of production efficiency, production cost, etc., the thickness is preferably 1 to 100 ⁇ m, more preferably 1 to 50 ⁇ m, further preferably 1 to 20 ⁇ m.
  • the components blended in the production of the first internal solid layer and the components blended in the production of the second internal solid layer are the same.
  • the content ratio of each component in the first internal solid layer is, for example, 50 to 200%, preferably 60 to 180%, relative to 100% content ratio of the corresponding component in the second internal solid layer. More preferably 70 to 140%, still more preferably 80 to 120%. Among these ranges, preferably 90 to 110%, more preferably 95 to 105%, still more preferably 98 to 102%, particularly preferably 99-101%.
  • the composition of the first internal solid layer and the composition of the second internal solid layer are substantially the same.
  • substantially the same composition means that the compositions other than minor components such as impurities and residual solvents are the same.
  • the composition of the first internal solid layer and the second internal solid layer are produced using the same mixed composition, the resulting composition of the first internal solid layer and the second internal solid layer It can be said that the composition of the layers is substantially the same.
  • the ion selective electrode includes a first internal solid layer and an ion selective membrane.
  • the ion selective membrane contains an ion selective substance.
  • Ionophores Conventionally known ionophores or synthetic substances can be widely used as the ion-selective substance.
  • the ion-selective substance can be selected according to the ions to be measured.
  • Ionophores are preferably used as the ion-selective substance.
  • Ionophores include valinomycin, monesin, rhodopsin, nonactin, monactin, ionomycin, gramicidin A, nigericin, CCCP (carbonyl cyanide-m-chlorophenylhydrazone), FCCP (carbonyl cyanide-p-trifluoromethoxyphenylhydrazone), etc. mentioned.
  • Synthetic substances include crown ethers (a group of macrocyclic polyethers), and acyclic nonylphenoxypolyethanols.
  • the ion-selective substance may be used singly or in combination of two or more.
  • Specific examples of ion-selective substances include DD16C5, Bis-12Crown-4, 12-Crown-4, 15-Crown-5, 18-Crown-6, carexarene, and the like.
  • Ion selective membranes usually contain a binder resin.
  • the binder resin is not particularly limited. Specific examples of binder resins include polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, polyacrylonitrile, polyurethane, polyvinyl acetate, silicone elastomer, polyvinyl alcohol, cellulose ester, polycarbonate, vinyl chloride/vinyl acetate copolymer, vinyl chloride/acetic acid. vinyl/vinyl alcohol copolymers, vinyl chloride/vinylidene chloride copolymers, and the like. The components of the binder resin may be used singly or in combination of two or more.
  • the ion selective membrane preferably contains a plasticizer. Since the plasticizer increases the flexibility of the ion selective membrane, it is possible, for example, to suppress the occurrence of cracks in the ion selective membrane.
  • plasticizers include, but are not limited to, TEHP (tris(2-ethylhexyl) phosphate), NPOE (2-nitrophenyloctyl ether), DOP (dioctyl phthalate), DOS (dioctyl sebacate), DBE (dioctyl sebacate), basic acid ester), BA (butyl acrylate), and the like.
  • the plasticizer may be used singly or in combination of two or more.
  • the ion selective membrane preferably contains an anion scavenger.
  • Anion scavengers can be selected according to the ions to be measured.
  • anion scavengers include sodium tetrakis(4-chlorophenyl)borate (Na-TCPB), potassium tetrakis(4-chlorophenyl)borate (K-TCPB), tetrakis[3,5-bis(trifluoromethyl)phenyl ] sodium borate (Na-TFPB), tetrakis[3,5-bis(trifluoromethyl)phenyl]potassium borate (K-TFPB), potassium tetraphenylborate (K-TPB), sodium tetraphenylborate ( Na-TPB), tetraphenylborate salts such as sodium tetrakis[3,5-bis(1,1,1,3,3,3-hexafluoro-2-methoxy-2-propyl)phenyl
  • the content of the above components is not particularly limited as long as the ion selective membrane can function.
  • the content per 100 parts by mass of the ion selective membrane is, for example, 1 to 10 parts by mass of the ion selective substance, 15 to 45 parts by mass of the binder resin, 50 to 80 parts by mass of the plasticizer, and 0.1 to 0.1 parts by mass of the anion exclusion agent. 5 parts by mass.
  • the layer structure of the ion selective membrane is not particularly limited.
  • the ion-selective membrane may have a single-layer structure consisting of one layer of a single composition, or may have a multi-layer structure consisting of a plurality of layers having the same or different compositions.
  • the thickness is, for example, 50-300 ⁇ m.
  • the application of the ion-selective membrane is not particularly limited, and is, for example, a cation-selective membrane for sodium ions, potassium ions, and the like.
  • the ion selective membrane is placed on the internal solid layer.
  • the ion-selective membrane is placed directly on the inner solid layer.
  • a schematic diagram of the ion-selective electrode is shown in FIG.
  • the ion-selective electrode D has a two-layer structure in which an ion-selective membrane C1 is placed directly on an internal solid layer A.
  • the reference electrode includes a second internal solid layer and an ionic liquid-containing membrane.
  • the ionic liquid is not particularly limited, but for example, the cation is at least one of imidazolium cation, pyridinium cation, piperidinium cation, pyrrolidinium cation, quaternary ammonium cation, phosphonium cation, and arzonium cation.
  • the anion is [R 1 SO 2 NSO 2 R 2 ]-(R 1 and R 2 are each a perfluoroalkyl group having 1 to 5 carbon atoms), a borate ion containing fluorine and tetravalent boron; Bis(2 - ethylhexyl)sulfosuccinate, AlCl4- , Al3Cl7- , NO3- , BF4- , PF6- , CH3COO- , CF3COO- , CF3SO3- , ( CF 3SO2 ) 2N- , ( CF3SO2 ) 3C- , AsF6- , SbF6- , F ( HF ) n- , CF3CF2CF2CF2SO3- , ( CF3CF2 SO2 ) 2N- , or CF3CF2CF2COO- .
  • the ionic liquid-containing membrane is preferably a gel membrane containing an ionic liquid.
  • the method for gelling the hydrophobic ionic liquid is not particularly limited, it can be gelled using a polymer compound.
  • polymer compounds include, for example, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, polymethyl methacrylate, polyethyl methacrylate, polyacrylonitrile, polybutyl acrylate, polyvinylpyridine, organic electrolyte oligomer (main chain cationic moiety is PICPM structure), polyvinyl chloride, and other synthetic rubbers.
  • a cross-linking agent may be used together with the polymer, for example, a gelling agent containing a cross-linking agent having a plurality of fluoroalkylated sulfonylamide groups and a polymer compound having a group capable of forming an onium salt with the cross-linking agent. may be used.
  • a plasticizer may also be used together with the polymer. For example, polyvinyl chloride may be mixed with a plasticizer and dried to gel. As the plasticizer, the same plasticizers as those used in the ion selective membrane can be used.
  • the content of the above components is not particularly limited as long as the ionic liquid-containing membrane can function.
  • the content per 100 parts by mass of the ionic liquid-containing film is, for example, 1 to 15 parts by mass for the ionic liquid, for example, 15 to 45 parts by mass for the polymer compound, and for example, 50 to 80 parts by mass for the plasticizer.
  • the content of the ionic liquid with respect to 100 parts by mass of the ionic liquid-containing film is preferably 1 to 10 parts by mass, more preferably 1 to 6 parts by mass, from the viewpoint of suppressing the elution of the ionic liquid and further suppressing the effect on ion measurement. Department.
  • the layer structure of the ionic liquid-containing film is not particularly limited.
  • the layer may have a single layer structure consisting of one layer of a single composition, or may have a multi-layer structure consisting of a plurality of layers having the same or different compositions.
  • the ionic liquid-containing membrane is placed on the internal solid layer.
  • the ionic liquid-containing membrane is placed directly on the inner solid layer.
  • a reference electrode is shown in FIG. In FIG. 11, the reference electrode E has a two-layer structure in which an ionic liquid-containing film C2 is placed directly on an internal solid layer A. In the reference electrode E, it is preferable to dispose the ionic liquid-containing film C2 so as to cover the side surfaces of the internal solid layer A and provide sidewalls on the side surfaces so that the internal solid layer A is not exposed.
  • the ion-selective electrode and the reference electrode can function as electrodes as long as the internal solid layer contains a conductive material. From the viewpoint of further improving the function as an electrode or imparting the function as an electrode, it is preferable that the ion-selective electrode and the reference electrode contain an electrode material.
  • the electrode material is not particularly limited as long as it contains a conductive material.
  • conductive materials include metals such as platinum, gold, silver, copper, palladium, chromium, aluminum, and nickel; carbon; substances (alloys, etc.) containing at least one of these metals and/or carbon; and metal halides such as chlorides of Among these, platinum, gold, silver, palladium, aluminum, nickel, carbon and the like are preferred.
  • the conductive material may be used alone or in combination of two or more.
  • the content of the conductive material is, for example, 70 to 100 parts by mass, preferably 85 to 100 parts by mass, and more preferably 95 to 100 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the electrode material.
  • the shape of the electrode material is not particularly limited, it is usually flat.
  • the layer structure of the electrode material is not particularly limited.
  • the electrode material may have a single layer structure consisting of one layer of a single composition, or may have a multi-layer structure consisting of a plurality of layers having the same or different compositions.
  • the thickness is, for example, 1-10 ⁇ m. From the viewpoint of production efficiency, production cost, etc., the thickness is preferably 1 to 5 ⁇ m.
  • FIG. 12 shows an ion-selective electrode containing an electrode material.
  • the ion-selective electrode D has an internal solid layer A directly on the electrode material B, and an ion-selective membrane C1 directly on the surface of the internal solid layer A opposite to the electrode material B. It has a three-layer structure.
  • FIG. 13 shows a reference electrode containing an electrode material. In FIG.
  • the reference electrode E has an internal solid layer A directly on the electrode material B, and an ionic liquid-containing film C2 directly on the surface of the internal solid layer A opposite to the electrode material B. It has a three-layer structure. In these electrodes, it is preferable to dispose the internal solid layer A so as to cover the side surface of the electrode material B and to provide side walls so that the electrode material is not exposed.
  • the ion sensor of the present invention can be an all-solid-state ion sensor that does not use an internal liquid for either the ion-selective electrode or the reference electrode.
  • the ion sensor of the present invention includes an ion-selective electrode, a reference electrode, and an insulator.
  • the insulator is not particularly limited as long as it contains an insulating material that does not affect the conductivity of the electrodes.
  • insulating materials include polyester resins such as polyvinyl alcohol, polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, polyethylene naphthalate, and polybutylene naphthalate, polyimides, glass epoxy resins, glass, ceramics, fiber base materials such as paper, and the like. be done.
  • FIG. 14 shows a schematic cross-sectional view of the ion sensor of the present invention.
  • an ion-selective electrode D and a reference electrode E are arranged on an insulator F.
  • FIG. 14 shows a schematic cross-sectional view of the ion sensor of the present invention.
  • an ion-selective electrode D and a reference electrode E are arranged on an insulator F.
  • FIG. 14 shows a schematic cross-sectional view of the ion sensor of the present invention.
  • an ion-selective electrode D and a reference electrode E are arranged on an insulator F.
  • the distance between the ion-selective electrode and the reference electrode (that is, the shortest distance between the end of the ion-selective electrode and the end of the reference electrode.
  • the ion It is the distance between the end Z1 of the selective electrode and the end Z2 of the reference electrode E.
  • the distance is more preferably 3 mm or more, still more preferably 4 mm or more, and even more preferably 5 mm or more.
  • the upper limit of the distance is desirably a distance that allows a smaller number of identical samples to be brought into contact with both the ion-selective electrode and the reference electrode at the same time. 8mm or 6mm.
  • the ion-selective electrode and the reference electrode are preferably arranged on the same side of the insulator.
  • the ion-selective electrode D and the reference electrode E are arranged on the same side of the insulator F.
  • FIG. 14 the ion-selective electrode D and the reference electrode E are arranged on the same side of the insulator F.
  • the ion sensor of the present invention can have only one ion-selective electrode, or can have two or more ion-selective electrodes (eg, 2 to 5). Also, the ion sensor of the present invention can have only one reference electrode, or it can have two or more (eg, 2-5) reference electrodes.
  • the ion sensor of the present invention can preferably be used as a potassium ion sensor.
  • behaviors that increase blood potassium such as excessive intake of high-potassium diets, can alter the electrical activity of the heart to the extent that abnormalities appear on the electrocardiogram, and in some cases, cause fatal arrhythmia.
  • the blood potassium level is not high, medication, dialysis, etc., may cause an excessive decrease in the blood potassium level, resulting in paralysis, muscle spasm, and in some cases, death.
  • the blood potassium level varies depending on the patient's constitution, disease state, daily diet, etc. Therefore, the patient should measure the blood potassium level by himself/herself to prevent an excessive decrease or an excessive increase in the blood potassium level.
  • the ion sensor of the present invention has reduced potential variation and is an ion sensor that requires less calibration (can be calibration-free), so measurements by hyperkalemia patients (usually calibration It is particularly suitable as a potassium ion sensor to be used for such complicated and specialized work as is difficult).
  • Fig. 16 shows an example of using the ion sensor J of the present invention.
  • Ion concentration is measured by setting an ion sensor J, in which an ion selective electrode D and a reference electrode E are arranged on an insulator F, to a separately prepared potentiometer G, as shown on the right side of FIG. can be done.
  • the connection terminal K of the ion sensor J to the connection terminal in the potentiometer G and bringing the tip L of the ion sensor J connected to the potentiometer G into contact with the blood, the blood flows into the flow path M It is sucked through by capillary action.
  • the aspirated blood contacts the ion-selective electrode D and the reference electrode E, the potential difference is measured by the potentiometer G, and the ion concentration is calculated. Note that the ion sensor J can be discarded after measurement as a disposable ion sensor.
  • a method for manufacturing an ion sensor provides an ion-selective electrode comprising, on an insulator, a first internal solid layer containing a first insertion material and a first ion-conductive ceramics, and an ion-selective membrane. forming on the insulator a reference electrode comprising a second internal solid layer containing a second insertion material and a second ion-conducting ceramic, and an ionic liquid-containing membrane. and a method for manufacturing an ion sensor.
  • the method of forming the electrodes is not particularly limited.
  • the electrode can be manufactured by a method comprising forming an ionic liquid containing membrane.
  • the method of forming the internal solid layer is not particularly limited.
  • a composition containing an insertion material and an ion-conductive ceramic (preferably in a mixed state) is formed on an insulator (or on an electrode material formed on the insulator) and dried to form an internal A solid layer can be formed.
  • Electrostatic coating, coating with a dispenser, screen printing, sputtering, vapor deposition, hot pressing, etc. can be used as the film forming method, and the adhesiveness between the insertion material and the ion-conducting ceramics can be enhanced. From this point of view, electrostatic coating is preferred.
  • a method for forming other layers such as an ion-selective membrane and an ionic liquid-containing membrane, a method according to the above can be adopted. That is, it can be formed by forming a film of a composition (paste, solution, etc.) containing each component constituting the layer on the internal solid layer and drying the layer.
  • a composition paste, solution, etc.
  • the present invention is a method for measuring ions using the ion sensor of the present invention, comprising a step of bringing a sample into contact with an ion-selective electrode and a reference electrode, and a potential between the ion-selective electrode and the reference electrode.
  • a method for measuring ions in this specification, may be referred to as the “measurement method of the present invention”, which includes the step of measuring
  • the sample is an object to be measured for ions, and is not particularly limited as long as it can contain ions, and can be liquid, semi-solid, or the like.
  • Samples include, for example, body fluids or substances that retain body fluids.
  • Body fluids include, for example, whole blood, serum, plasma, menstrual blood, saliva, urine, interstitial fluid, sweat, tears, saliva, and the like. Examples of other samples include food and drink.
  • the potential can be measured according to or according to a known method.
  • a potentiometer G can be placed between an ion-selective electrode D and a reference electrode E via a lead H to measure the potential.
  • the potential measurement is performed while the sample I is in contact with the ion-selective electrode D and the reference electrode E.
  • the ion concentration in the sample I can be calculated based on the obtained measured values.
  • the step of contacting the sample can include supplying the sample onto the ion sensor.
  • the sample is placed at the position where the ion-selective electrode is placed, and the reference electrode is placed. It is preferable to flow toward the position In the present invention, the sample is first brought into contact with the ion-selective electrode, and then the sample can also be brought into contact with the reference electrode by flowing the sample from the ion-selective electrode in the direction of the reference electrode.
  • the dynamics of sample flow is not particularly limited as long as it does not significantly affect potential measurement, and examples thereof include capillary action, gravity, and the like.
  • the ion sensor of the present invention has reduced potential variation and is an ion sensor requiring less calibration (calibration-free is also possible), the measurement method of the present invention using this is highly effective. It is particularly suitable for self-monitoring of blood potassium levels by kalemia patients.
  • Example 1 Structure of Ion Sensor and Manufacturing Method The structure of the ion sensor will be described with reference to FIGS.
  • FIG. 1(A) shows a plan view of the ion sensor obtained in Example 1
  • FIG. 1(B) shows a cross-sectional view of the ion sensor along line 1B-1B' in FIG. 1(A). showing.
  • an ion-selective electrode 52 and a reference electrode 51 are arranged at positions facing each other in concave portions 112 and 111 formed on the same side of an alumina substrate 11, which is an insulator.
  • the ion-selective electrode 52 has a structure in which a platinum electrode 22, an internal solid layer 32, and an ion-selective film 42 are arranged on the alumina substrate 11 in this order from the alumina substrate 11 side.
  • the reference electrode 51 has a structure in which a platinum electrode 21, an internal solid layer 31, and an ionic liquid containing film 41 are arranged on the alumina substrate 11 in this order from the alumina substrate 11 side.
  • the platinum electrodes 21, 22 are embedded in the recesses 111, 112 and have a circular diameter of 1.7 mm ( ⁇ 1.7 mm) when viewed from above.
  • the ion selective membrane 42 is arranged on the alumina substrate 11 so as to cover the top and side surfaces of the internal solid layer 32 .
  • the ionic liquid containing film 41 is arranged on the alumina substrate 11 so as to cover the upper and side surfaces of the internal solid layer 31 .
  • the distance between the inner edge 62 of the ion selective electrode 52 and the inner edge 61 of the reference electrode 51 is 5.6 mm.
  • the total thickness of the inner solid layer 32 (about 15 ⁇ m thick) and the ion selective membrane 42 (about 15 ⁇ m thick) is about 30 ⁇ m, and the inner solid layer 31 (about 15 ⁇ m thick) and the ionic liquid containing membrane 41 (about 15 ⁇ m thick) 15 ⁇ m), the total thickness is about 30 ⁇ m.
  • the concave portions 112 and 111 are formed on the same surface side of the alumina substrate 11, fabrication according to the shapes of the ion selective electrode 52 and the reference electrode 51 is facilitated.
  • the ion selective electrode 52 and the reference electrode 51 may be arranged on the alumina substrate 11 in which the concave portions 112 and 111 are not formed.
  • Insertion material Na 0.33 MnO 2 (orthogonal crystal structure, average grain size 8.9 ⁇ m, scale-like)
  • ion conductive ceramics ⁇ ” alumina: Na 2 Al 10.6 O 15.9 , average grain size 0.26 ⁇ m
  • electrical conductivity Agent acetylene black
  • binding agent polyvinylidene fluoride
  • ionophore valinomycin
  • a plasticizer tris(2-ethylhexyl) phosphate
  • an anion scavenger tetrakis(4-chlorophenyl)potassium borate
  • a binder resin polyvinyl chloride
  • an ionic liquid [TBMOEP + ][C 1 C 1 N - ]: tributyl (2-methoxyethyl) phosphonium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide
  • a plasticizer phosphorus
  • a tetrahydrofuran solution containing 64 parts by mass of tris(2-ethylhexyl) acid and 32 parts by mass of a polymer compound for gelling (polyvinyl chloride) is layered and dried to obtain an ion as an ionic liquid-containing membrane.
  • a liquid containing membrane 41 is formed to obtain a reference electrode 51 .
  • the cross-sectional morphology of the reference electrode 51 was analyzed with a field emission scanning electron microscope (FE-SEM, S-4800, Hitachi High-Technologies Corporation) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS, XFlash 6130, Bruker AXS).
  • FE-SEM field emission scanning electron microscope
  • EDS energy dispersive X-ray spectroscopy
  • FIG. 2 shows a Scanning Electron Microscope (SEM) image of the reference electrode 51 and an elemental distribution map of the SEM image obtained using an Energy Dispersive X-ray Spectrometer (EDS).
  • SEM Scanning Electron Microscope
  • ⁇ ′′ alumina as an ion conductive ceramic 34
  • tris phosphate (2-ethyl to xyl) is shown by the elemental distribution of P
  • polyvinyl chloride, a polymer compound for gelling is shown by the elemental distribution of Cl.
  • Example 2 Potential difference measurement by ion sensor 1
  • the ion-selective electrode 52 and the reference electrode 51 are connected via a potentiometer 75
  • the ion-selective electrode 52 and the Ag/AgCl reference electrode 78, and the reference electrode 51 and the Ag A /AgCl reference electrode 78 was also connected via potentiometers 752 and 751 to measure the potential.
  • the potential (E) between the ion selective electrode 52 and the reference electrode 51 is the ion selective electrode
  • E R and E W were each measured against Ag/AgCl 2 reference electrode 78 .
  • drop the sample solution onto a dry sensor that has not been subjected to prior conditioning contacting the electrode with a solution containing the ions to be measured (potassium ions) for a certain period of time) for 50 to 60 seconds for 110 to 60 seconds.
  • the sample liquids for KCl measurements contained KCl 1, 10, 100 mmol dm -3 and 140 mmol dm -3 of NaCl electrolyte.
  • For serum measurement purchase serum standard solutions (JCTCM 130-4) Low (L), Middle (M), and High (H), mix L and M, M and H, and prepare samples with other concentration levels. prepared. Table 1 shows each ion concentration of serum samples.
  • Example 3 Potential difference measurement by ion sensor 2
  • the ion sensor 1 (Example 1) and the ion sensor having the same configuration as the ion sensor 1 (Example 1) except that the reference electrode 51 is not provided 2 (Fig. 5) was prepared.
  • the open circuit potential of the ion-selective electrode of each of ion sensor 1 and ion sensor 2 was measured for 3 minutes against Ag/AgCl reference electrode 78 in the same manner as in Example 2 (FIG. 3) to obtain a calibration curve, It was evaluated whether parameters such as slope, standard potential, selectivity (Kpot K + , Na + ) were different between the two.
  • Table 4 shows the results. Table 4 shows three ion sensors 2 without the reference electrode 51 and three ion sensors 1 with the reference electrode 51, respectively, and individually determined for the two types of ion sensors: 1) slope, 2) standard potential and 3) the mean and standard deviation of selectivity coefficients (mean ⁇ standard deviation).
  • the K+ concentration of the sample solution is 1, 10, and 100 mmol dm 3 for the KCl solution containing 140 mmol dm 3 of NaCl. did.
  • Example 4 Potential difference measurement with ion sensor 3
  • ion sensor 1 Example 1 was used to measure the KCl solution only once, and the calibration curve obtained. Three ion sensors 1 were used for each solution, for a total of 15 ion sensors 1. These 15 ion sensors 1 were produced independently by the same method.
  • FIG. 6(a) shows the calibration curve of the ion-selective electrode 52 with respect to the reference electrode 51 when measuring the KCl solution.
  • Non-Patent Document 1 using an all-solid-state ion sensor, the potential variation (standard deviation) was 4.3 mV when a KCl solution was measured without electrode conditioning (the electrode was immersed in a 1 mM KCl solution for 24 hours). (1) in Fig. 6(c). In addition, when the KCl solution was measured after conditioning (the electrode was immersed in a 1 mM KCl solution for 24 hours), the potential variation (standard deviation) was 14 mV, and the variation increased. In addition, 42 CFR ⁇ 493.931 - Routine chemistry, which is a federal regulation of the United States, permits a potential variation (standard deviation) of 2.3 mV in the case of potassium ion measurement ((2) in Fig. 6(c)).
  • the standard deviation of the potential (0.4-1.3 mV) in this example is less than the allowable value of US Federal Regulation 42 CFR ⁇ 493.931-Routine chemistry, and the standard deviation of the prior art of all-solid-state ion sensors (Fig. 6(b)).
  • Example 5 Potentiometric measurement with an ion sensor 4 The performance of Ion Sensor 1 (Example 1) was tested with blood serum samples. A series of serum samples with different concentrations of K + , Na + , Cl ⁇ were prepared (Table 1).
  • FIG. 7(a) A calibration curve of the ion sensor 1 for serum samples is shown in FIG. 7(a). Using the same ion sensor 1 as in Example 1, the relationship between the potential value E of the ion-selective electrode 52 and the reference electrode 51 was measured. The slope of the response for serum samples was 51.7 mV/decade, not significantly different from the observed slope of 51.2 mV/decade in the range of KCl 1-10 mmol dm ⁇ 3 .
  • Non-Patent Document 1 when measuring 10% serum using an all-solid-state ion sensor without electrode conditioning (electrodes immersed in 1 mM KCl solution for 24 hours), the potential variation (standard deviation) is 4.4 mV. (1) in Fig. 7(c).
  • the variation (standard deviation) of the potential when 10% serum was measured after conditioning was 19 mV, and the variation was expanded.
  • 42 CFR ⁇ 493.931 - Routine chemistry which is a federal regulation of the United States, permits a potential variation (standard deviation) of 2.3 mV in the case of potassium ion measurement ((2) in Fig. 7(c)).
  • Example 6 Potentiometric measurement with a potassium ion sensor 5 Using the ion sensor 3 (Example 6) in which the ionic liquid-containing film 43 of 70% by mass of the ionic liquid is further laminated on the ionic liquid-containing film 41 of the ion sensor 1 (Example 1), the system shown in FIG. measurements were taken. Specifically, the reference electrode 51 and the Ag/AgCl reference electrode 78 were connected via a potentiometer 75, and the potential was measured.

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Abstract

電位のばらつきを低減させたイオンセンサ、イオンセンサの製造方法及びイオンの測定方法を提供すること。 第1のインサーション材料及び第1のイオン伝導性セラミックスを含有する第1の内部固体層と、第1の内部固体層上に配置されたイオン選択膜と、を含むイオン選択性電極と、第2のインサーション材料及び第2のイオン伝導性セラミックスを含有する第2の内部固体層と、第2の内部固体層上に配置されたイオン液体含有膜と、を含む参照電極と、イオン選択性電極及び参照電極が配置された絶縁体と、を含むイオンセンサ。

Description

イオンセンサ、イオンセンサの製造方法及びイオンの測定方法
　本発明は、イオンセンサ、イオンセンサの製造方法及びイオンの測定方法に関する。
　ポテンショメトリーによりイオンを測定するイオンセンサが知られている。イオンセンサは作用極であるイオン選択性電極と参照電極を含み、いずれにも内部液を用いたものが古くから使用されてきた。例えば、参照電極としては、Ag/AgClの電極に接するように飽和濃度や3M程度の濃厚なKCl溶液を内部液として持つ参照電極が多用されている。内部液を用いた内部液型イオンセンサでは、内部液の濃度が変化しないように高濃度のイオン電解質を含む必要があり、サンプル溶液の汚染、液絡部での結晶化による目詰まりなどの問題が生じることがあり、メンテンナンスが煩雑となる。また、電極内部に液体を使用した場合、構造が複雑になることから大量生産に向かないという問題がある。
　上記問題を解決するために、イオン選択性電極と参照電極のいずれにも内部液を用いない全固体型イオンセンサが知られている。全固体型イオンセンサでは、内部液を用いないために大量生産には向くものの、イオンセンサ間での電位のばらつきが大きいという課題を有している。イオンセンサ間での電位のばらつきが大きい場合には、使用前にキャリブレーション用の液体を用いて事前にキャリブレーションする必要が生じる。
ACS Appl. Nano Mater. 2018, 1, 293-301.
　非特許文献１には、内部固体層に、CIMカーボンを使用した全固体型イオンセンサが報告されている。非特許文献１のイオンセンサでは、キャリブレーションフリーとするために、[CoIII(C9,C9-bipy)3](トリス(ペンタフルオロフェニル)ボラン)2、[CoIII(C9,C9-bipy)3](トリス(ペンタフルオロフェニル)ボラン)3、又はカリウム－テトラシアノキノジメタン錯塩を電極に含ませることを必要としている。しかしながら、非特許文献１の[CoIII(C9,C9-bipy)3](トリス(ペンタフルオロフェニル)ボラン)2、[CoIII(C9,C9-bipy)3](トリス(ペンタフルオロフェニル)ボラン)3、又はカリウム－テトラシアノキノジメタン錯塩は、サンプル溶液に溶出してしまうため、溶出した成分がイオンセンサの電位にばらつきを生じさせてしまう。
　本発明は、電位のばらつきを低減させたイオンセンサ、イオンセンサの製造方法及びイオンの測定方法を提供することを課題とする。
　本発明者は上記課題に鑑みて鋭意研究を進めた結果、第1のインサーション材料及び第1のイオン伝導性セラミックスを含有する第1の内部固体層と、第1の内部固体層上に配置されたイオン選択膜と、を含むイオン選択性電極と、第2のインサーション材料及び第2のイオン伝導性セラミックスを含有する第2の内部固体層と、第2の内部固体層上に配置されたイオン液体含有膜と、を含む参照電極と、イオン選択性電極及び参照電極が配置された絶縁体と、を含むイオンセンサ、イオンセンサの製造方法及びイオンの測定方法であれば上記課題を解決できることを見出した。
　本発明によれば、電位のばらつきを低減させたイオンセンサ、イオンセンサの製造方法及びイオンの測定方法を提供することができる。
（Ａ）実施例1で得られたイオンセンサの平面図を示す。（Ｂ）実施例1で得られたイオンセンサの断面図を示す。 実施例1で得られたイオンセンサの参照電極の走査電子顕微鏡(SEM：Scanning Electron Microscope)画像と、SEM画像のエネルギー分散形X線分光器（EDS：Energy Dispersive X-ray Spectrometer）を用いた元素分布図を示す。 実施例2の開放回路電位測定を示す図である。 同じ方法で独立して作製された8個の参照電極の電位応答時間曲線を示す。 実施例3のイオンセンサの断面図を示す。 実施例4におけるKCl測定性能結果を示す。各イオン選択性電極に対する電位Eを測定した。(a) 参照電極に対するイオン選択性電極の検量線を示す。CKはK+濃度（mol dm3）を示す。(b) 各KCl溶液における電位の標準偏差を示す。(c) 参照値として、(1)は非特許文献１の全固体型イオンセンサの電位標準偏差を示し、(2)は米国の連邦規則である42 CFR § 493.931 - Routine chemistryにおいてカリウムイオン測定の場合に許容される電位標準偏差を示す。 実施例5における血清測定性能結果を示す。各イオン選択性電極に対する電位Eを測定した。(a) 参照電極に対するイオン選択性電極の検量線を示す。CKはK+濃度（mol dm3）を示す。(b) 各血清における電位の標準偏差を示す。(c) 参照値として、(1)は非特許文献１の全固体型イオンセンサの電位標準偏差を示し、(2)は米国の連邦規則である42 CFR § 493.931 - Routine chemistryにおいてカリウムイオン測定の場合に許容される電位標準偏差を示す。 実施例6のイオンセンサを用いたイオンの測定方法を示す図である。 実施例6における、イオン選択性電極に対する電位Eを測定した結果を示す。横軸は溶液がセンサに接して停止してからの経過時間（分）を示す。縦軸は1分後の測定値に対する電位差を示す。 イオン選択性電極の一例を示す模式的な断面図である。 参照電極の一例を示す模式的な断面図である。 イオン選択性電極の一例を示す模式的な断面図である。 参照電極の一例を示す模式的な断面図である。 本発明のイオンセンサの一例を示す模式的な断面図である。 本発明のイオンセンサを用いて試料中のイオンを測定する実施態様の一例を示す模式図である。 左側の図は、本発明のイオンセンサの一例を示す模式的な平面図である。右側の図は、本発明のイオンセンサの使用態様を示す模式的な平面図である。
　1．イオンセンサ
　本発明は、第1のインサーション材料及び第1のイオン伝導性セラミックスを含有する第1の内部固体層と、第1の内部固体層上に配置されたイオン選択膜と、を含むイオン選択性電極と、第2のインサーション材料及び第2のイオン伝導性セラミックスを含有する第2の内部固体層と、第2の内部固体層上に配置されたイオン液体含有膜と、を含む参照電極と、イオン選択性電極及び参照電極が配置された絶縁体と、を含むイオンセンサ（本明細書において、「本発明のイオンセンサ」と示すこともある。）に関する。以下に、これについて説明する。　
　以下の説明においては、「第1のインサーション材料」と「第2のインサーション材料」をまとめて、「インサーション材料」と示すことがある。「第1のイオン伝導性セラミックス」と「第2のイオン伝導性セラミックス」をまとめて「イオン伝導性セラミックス」と示し、「第1の内部固体層」と「第2の内部固体層」をまとめて「内部固体層」と示すことがある。
　「第1のインサーション材料」と「第2のインサーション材料」とは、同一であってもよいし、異なっていてもよい。「第1のイオン伝導性セラミックス」と「第2のイオン伝導性セラミックス」とは、同一であってもよいし、異なっていてもよい。「第1の内部固体層」と「第2の内部固体層」とは、同一であってもよいし、異なっていてもよい。
　内部固体層は、インサーション材料及びイオン伝導性セラミックスを含有する層である。
　インサーション材料は、イオンセンサの電極に使用可能な材料である限り、特に制限されない。インサーション材料として、好適には、電気化学的な反応により、構造内で測定イオンの挿入（インサーション）・脱離を行うことができるもの（イオン－電子伝導体）を使用することができる。
　本明細書において、測定イオンとしては、特に制限されないが、例えばカリウムイオン、ナトリウムイオン、リチウムイオン、カルシウムイオン、マグネシウムイオン等、好ましくはカリウムイオン、ナトリウムイオン、リチウムイオン等、特に好ましくはカリウムイオンが挙げられる。
　インサーション材料は、無機インサーション材料であることが好ましい。無機インサーション材料は、イオンセンサの電極に使用可能な無機材料である限り、特に制限されない。
　インサーション材料として、具体的には、例えば金属酸化物、酸素レドックス材料、プルシアンブルー類似体等が挙げられ、これらの中でも好ましくは金属酸化物が挙げられる。これらは、測定イオンに応じて、適宜選択することができる。
　金属酸化物として、具体的には、例えばMxMnO2、MxNiO2、MxCoO2、MxNi0.5Mn0.5O2、MxFeO2、M2/3Fe1/3Mn2/3O2、MxNi1/3Co1/3Mn1/3O2、MxNi0.5Ti0.5O2、MxVO2、MxCrO2、MxFePO4（式中、Mは、それぞれ独立に、Na又はKであり、xは任意の正数を示す。）等が挙げられる。これらの中でも、より好ましくはMxMnO2が挙げられ、特に好ましくはNaxMnO2が挙げられる。
　xは、通常は0＜x≦1である。xは、好ましくは0.15～0.66であり、より好ましくは0.2～0.5であり、さらに好ましくは0.22～0.28、0.30～0.36、又は0.41～0.47であり、特に好ましくは0.245～0.255、0.325～0.335、又は0.435～0.445である。
　金属酸化物の結晶構造は、イオンセンサの電極として使用可能なものである限り、特に制限されない。結晶構造としては、例えば直方晶系結晶構造、正方晶系結晶構造、三方晶系結晶構造、六法晶系結晶構造、立法晶系結晶構造、三斜晶系結晶構造、単斜晶系結晶構造等が挙げられ、これらの中でも好ましくは直方晶系結晶構造が挙げられる。
　酸素レドックス材料は、遷移金属だけでなく酸化物イオンの酸化還元反応を利用することができる材料であり、この限りにおいて特に制限されない。酸素レドックス材料として、具体的には、例えばNa2Mn3O7、Na2/3Mg0.28Mn0.72O2、Na2RuO3、Na1.3Nb0.3Mn0.4O2、Na0.6Li0.2Mn0.8O2等が挙げられる。
　プルシアンブルー類似体は、シアノ基が遷移金属イオンを架橋した構造体であり、この限りにおいて特に制限されない。プルシアンブルー類似体して、具体的には、例えばNa2Mn［Fe(CN)6］、NayCO[Fe(CN)6]0.90・2.9H2O（式中、yは任意の正数を示す。）、K-FeHCF（鉄ヘキサシアノ鉄カリウム）、K-NiHCF（ニッケルヘキサシアノ鉄カリウムK-CuHCF（銅ヘキサシアノ鉄カリウム）、Na-NiHCF（ニッケルヘキサシアノ鉄ナトリウム）、Ca-NiHCF（ニッケルヘキサシアノ鉄カルシウム）等が挙げられる。
　インサーション材料の形態は特に制限されないが、インサーション材料は好ましくは粒子である。インサーション材料の粒子は、例えばウロコ状、柱状、球状、楕円体状など任意の形状である。
　インサーション材料の粒子の平均粒径は、イオン伝導性セラミックスとの密着性を高め、イオンセンサの電極としての性能を高めることができるという観点から、好ましくは1～20μm、より好ましくは2～15μm、さらに好ましくは5～12μmである。なお、平均粒径は、レーザ回折/散乱式粒子径分布測定装置で測定することができる。
　インサーション材料の材質及び形状は、1種単独であってもよいし、2種以上の組合せであってもよい。
　インサーション材料の含有量は、内部固体層100質量部に対して、例えば20～70質量部、好ましくは25～65質量部、より好ましくは30～60質量部である。
　イオン伝導性セラミックスは、イオンが伝導可能な固体である限り、特に制限されない。イオン伝導性セラミックスとして、測定イオンを伝導可能なものを使用することができる。
　イオン伝導性セラミックスとしては、例えばカリウムイオン伝導性セラミックス、ナトリウムイオン伝導性セラミックス、リチウムイオン伝導性セラミックス、カルシウム伝導性セラミックス、マグネシウム伝導性セラミックス等、好ましくはカリウムイオン伝導性セラミックス、ナトリウムイオン伝導性セラミックス、リチウムイオン伝導性セラミックス等、特に好ましくはカリウムイオン伝導性セラミックスが挙げられる。
　イオン伝導性セラミックスは、測定イオンに応じて、適宜選択することができる。イオン伝導性セラミックスとして、具体的には、例えばβ”アルミナ、βアルミナ、ペロブスカイト型酸化物、NASICON型酸化物、ガーネット型酸化物等の酸化物系固体電解質、硫化物系固体電解質、安定化ジルコニア、イオン交換体等が挙げられる。なお、イオン交換体としては、イオン交換現象を示す物質である限り特に制限されず、例えばゼオライト（ゼオライトは内部にNaイオン、Kイオン、Hイオンなどカチオンを含むことができる）、イオン交換樹脂酸等が挙げられる。
　イオン伝導性セラミックスの中でも、水に対する安定性が高く、イオンセンサの電極として好適に使用できるという観点から、特に好ましくはβ”アルミナ、βアルミナ、ゼオライト等が挙げられる。
　β”／βアルミナは、イオン伝導層とスピネルブロックとからなる層状構造を含み、イオン伝導層内でイオン（測定イオン）の移動が起こる。β”アルミナとβアルミナとは結晶構造において相違しており、これらの内β”アルミナの方が、結晶構造内のナトリウムイオン含有量が高く、また、相対的にイオン導電性が高い。β”／βアルミナは、好ましくは、ナトリウムイオンが伝導することができるNa－β”／βアルミナである。Na－β”アルミナは、通常、化学組成がNa2O・xAl2O3（x＝5～7）である物質である。また、Na－βアルミナは、通常、化学組成がNa2O・xAl2O3（x＝9～11）である物質である。
　イオン伝導性セラミックスの形態は特に制限されないが、好ましくは粒子である。イオン伝導性セラミックスの粒子は、例えばウロコ状、柱状、球状、楕円体状など任意の形状である。
　イオン伝導性セラミックスの粒子の平均粒径は、インサーション材料との密着性を高め、イオンセンサの電極としての性能を高めることができるという観点から、本発明においては、好ましくは0.02～3μm、より好ましくは0.1～1μm、さらに好ましくは0.15～0.5μmである。イオン伝導性セラミックスの粒子の平均粒径は、同様の観点から、本発明においては、好ましくは0.02～7μm、より好ましくは0.05～5μm、さらに好ましくは0.1～3μmである。なお、平均粒径は、レーザ回折/散乱式粒子径分布測定装置で測定することができる。
　内部固体層においては、イオン伝導性セラミックスの平均粒径がインサーション材料の平均粒径より小さいことが好ましい。具体的には、インサーション材料の平均粒径に対するイオン伝導性セラミックスの平均粒径（＝イオン伝導性セラミックスの平均粒径／インサーション材料の平均粒径）は、例えば0.001～0.3、好ましくは0.005～0.1、より好ましくは0.01～0.05である。或いは、インサーション材料の平均粒径に対するイオン伝導性セラミックスの平均粒径（＝イオン伝導性セラミックスの平均粒径／インサーション材料の平均粒径）は、例えば0.001～0.7、好ましくは0.005～0.6、より好ましくは0.01～0.05である。
　イオン伝導性セラミックスの材質及び形状は、1種単独であってもよいし、2種以上の組合せであってもよい。
　イオン伝導性セラミックスの含有量は、内部固体層100質量部に対して、例えば15～70質量部、好ましくは20～65質量部、より好ましくは25～60質量部である。
　内部固体層におけるインサーション材料とイオン伝導性セラミックスとの質量比（インサーション材料：イオン伝導性セラミックス）は、例えば5：1～1：5、好ましくは2：1～1：2、より好ましくは1.5：1～1：1.5、さらに好ましくは1.2：1～1：1.2、よりさらに好ましくは1.1：1～1：1.1である。
　内部固体層は、導電剤を含有することが好ましい。これにより、内部固体層の導電性を向上させ、イオンの出入りによる体積変化に対する緩衝作用を向上させ、測定の再現性を高めることができる。
　導電剤としては、特に制限されないが、例えばカーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ、グラフェン、カーボン粉末、及びグラファイト粉末等の炭素材料、金属繊維等の導電性繊維類、フッ化カーボン、アルミニウム等の金属粉末類、酸化亜鉛、チタン酸カリウム等の導電性ウィスカー類、酸化チタン等の導電性金属酸化物、フェニレン誘導体、グラフェン誘導体等の有機導電性材料等を用いることができる。これらの中でも、好ましくは炭素材料が挙げられる。
　導電剤の成分及び形状は、1種単独であってもよいし、2種以上の組合せであってもよい。
　導電剤の含有量は、内部固体層100質量部に対して、例えば0.1～20質量部、好ましくは1～15質量部、より好ましくは2～10質量部である。
　内部固体層におけるインサーション材料と導電剤との質量比（インサーション材料：導電剤）は、例えば20：1～1：1、好ましくは15：1～3：1、より好ましくは10：1～6：1である。
　内部固体層におけるイオン伝導性セラミックスと導電剤との質量比（イオン伝導性セラミックス：導電剤）は、例えば20：1～1：1、好ましくは15：1～3：1、より好ましくは10：1～6：1である。
　内部固体層は、結着剤を含有することが好ましい。これにより、内部固体層内の各成分をより強固に結着させることができる。
　結着剤としては、特に制限されないが、例えばポリフッ化ビニリデン、ポリビニルピロリドン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、アラミド樹脂、ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリアクリルニトリル、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸メチルエステル、ポリアクリル酸エチルエステル、ポリアクリル酸ヘキシルエステル、ポリメタクリル酸、ポリメタクリル酸メチルエステル、ポリメタクリル酸エチルエステル、ポリメタクリル酸ヘキシルエステル、アクリルエマルジョン、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルピロリドン、ポリエーテル、ポリエーテルスルホン、ヘキサフルオロポリプロピレン、スチレンブタジエンゴム、カルボキシメチルセルロース等の重合体や、これらの重合体と同様の骨格を持つ類似化合物、さらには複数の重合体からなるの複合剤を用いることができる。これらの中でも、好ましくは（a）ポリフッ化ビニリデン、（b）スチレンブタジエンラテックス及びカルボキシメチルセルロースを含有する混合剤、（c）ポリアミド、ポリイミド、及びカルボジイミドを含有する混合剤、（d）ポリテトラフルオロエチレン、（e）アクリルエマルジョン等が挙げられ、より好ましくはポリフッ化ビニリデンが挙げられる。
　結着剤の成分は、1種単独であってもよいし、2種以上の組合せであってもよい。
　結着剤の含有量は、内部固体層100質量部に対して、例えば0.1～20質量部、好ましくは1～15質量部、より好ましくは2～10質量部である。
　内部固体層におけるインサーション材料と結着剤との質量比（インサーション材料：結着剤）は、例えば20：1～1：1、好ましくは15：1～3：1、より好ましくは10：1～6：1である。
　内部固体層におけるイオン伝導性セラミックスと結着剤との質量比（イオン伝導性セラミックス：結着剤）は、例えば20：1～1：1、好ましくは15：1～3：1、より好ましくは10：1～6：1である。
　内部固体層には、上記以外の他の成分が含まれていてもよい。他の成分としては、例えばMnCO3、Na2CO3、Al2O3等が挙げられる。
　内部固体層における、インサーション材料及びイオン伝導性セラミックスの合計含有量（さらに、導電剤、結着剤を含有する場合は、それらも含めた合計含有量）は、内部固体層100質量部に対して、例えば70～100質量部、好ましくは80～100質量部、より好ましくは90～100質量部、さらに好ましくは95～100質量部、よりさらに好ましくは99～100質量部である。
　内部固体層においては、各成分が混合状態であることが好ましい。
　内部固体層の層構造は特に制限されない。内部固体層は、単一の組成からなる1つの層からなる単層構造であってもよいし、互いに同一又は異なる組成からなる複数の層からなる複層構造であってもよい。
　内部固体層の厚み（＝内部固体層の最も広い面に対して垂直方向の長さ）は、導電性が著しく損なわれない限り、特に制限されない。該厚みは、例えば1～200μmである。製造効率、製造コスト等の観点から、該厚みは、好ましくは1～100μm、より好ましくは1～50μm、さらに好ましくは1～20μmである。
　第1の内部固体層の作製において配合する成分と第2の内部固体層の作製において配合する成分とは同じであることが好ましい。この場合において、第1の内部固体層における各成分の含有割合は、第2の内部固体層における対応する成分の含有割合100％に対して、例えば50～200％、好ましくは60～180％、より好ましくは70～140％、さらに好ましくは80～120％であり、これらの範囲の中でも、好ましくは90～110％、より好ましくは95～105％、さらに好ましくは98～102％、特に好ましくは99～101％である。
　本発明において、第1の内部固体層の組成と第2の内部固体層の組成が実質的に同じであることが好ましい。「組成が実質的に同じ」とは、不純物や残留溶媒等の微量成分以外の組成が同じであることを示す。例えば、第1の内部固体層の組成と第2の内部固体層とを、同じ混合組成物を使用して作製した場合は、得られた第1の内部固体層の組成と第2の内部固体層の組成とは実質的に同じであるということができる。
　イオン選択性電極は、第1の内部固体層とイオン選択膜とを含む。イオン選択膜は、イオン選択性物質を含有する。
　イオン選択性物質としては、従来公知のイオノフォア又は合成物質が広く使用できる。イオン選択性物質は、測定イオンに応じて選択することができる。イオン選択性物質としては、イオノフォアが好適に用いられる。イオノフォアとしては、バリノマイシン、モネシン、ロドプシン、ノナクチン、モナクチン、イオノマイシン、グラミシジンA、ナイジェリシン、CCCP（カルボニルシアニド-m-クロロフェニルヒドラゾン）、FCCP（カルボニルシアニド-p-トリフルオロメトキシフェニルヒドラゾン）、などが挙げられる。また合成物質としては、クラウンエーテル（一群の大環状ポリエーテル）、更には非環状のノニルフェノキシポリエタノール等が挙げられる。イオン選択性物質は、1種単独であってもよいし、2種以上の組合せであってもよい。イオン選択性物質としては具体的には、DD16C5、Bis-12Crown-4、12-Crown-4、15-Crown-5、18‐Crown-6、カレックスアレンなどが挙げられる。
　イオン選択膜は、通常、バインダ樹脂を含有する。バインダ樹脂は、特に限定されるものではない。バインダ樹脂は、具体的には、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリアクリロニトリル、ポリウレタン、ポリ酢酸ビニル、シリコンエラストマー、ポリビニルアルコール、セルロースエステル、ポリカーボネート、塩化ビニル／酢酸ビニル共重合体、塩化ビニル／酢酸ビニル／ビニルアルコール共重合体、塩化ビニル／塩化ビニリデン共重合体等が挙げられる。バインダ樹脂の成分は、1種単独であってもよいし、2種以上の組合せであってもよい。
　イオン選択膜は、好ましくは可塑剤を含有する。可塑剤により、イオン選択膜の柔軟性が高められるため、例えば、イオン選択膜の割れの発生が抑制させることができる。可塑剤としては、特に制限されないが、例えばTEHP（りん酸トリス(2-エチルヘキシル)）、NPOE（2-ニトロフェニルオクチルエーテル）、DOP（フタル酸ジオクチル）、DOS（セバシン酸ジオクチル）、DBE（二塩基酸エステル）、BA（アクリル酸ブチル）等が挙げられる。可塑剤は、1種単独であってもよいし、2種以上の組合せであってもよい。
　イオン選択膜は、好ましくはアニオン排除剤を含有する。アニオン排除剤は、測定イオンに応じて選択することができる。アニオン排除剤としては、例えばテトラキス（4-クロロフェニル）ホウ酸ナトリウム（Na-TCPB）、テトラキス（4-クロロフェニル）ホウ酸カリウム（K-TCPB）、テトラキス［3,5-ビス（トリフルオロメチル）フェニル］ホウ酸ナトリウム（Na-TFPB）、テトラキス［3,5-ビス（トリフルオロメチル）フェニル］ホウ酸カリウム（K-TFPB）、テトラフェニルホウ酸カリウム（K-TPB）、テトラフェニルホウ酸ナトリウム（Na-TPB）、テトラキス［3,5-ビス（1,1,1,3,3,3-ヘキサフルオロ-2-メトキシ-2-プロピル）フェニル］ホウ酸ナトリウム等のテトラフェニルボレート塩が挙げられる。アニオン排除剤の成分は、1種単独であってもよいし、2種以上の組合せであってもよい。
　上記成分の含有量は、イオン選択膜が機能できる限りにおいて、特に制限されない。イオン選択膜100質量部に対する含有量は、イオン選択性物質が例えば1～10質量部、バインダ樹脂が例えば15～45質量部、可塑剤が例えば50～80質量部、アニオン排除剤が例えば0.1～5質量部である。
　イオン選択膜の層構造は特に制限されない。イオン選択膜は、単一の組成からなる1つの層からなる単層構造であってもよいし、互いに同一又は異なる組成からなる複数の層からなる複層構造であってもよい。
　イオン選択膜の厚み（＝イオン選択膜の最も広い面に対して垂直方向の長さ）は、特に制限されない。該厚みは、例えば50～300μmである。
　イオン選択膜の用途は、特に限定されず、例えばナトリウムイオン、カリウムイオン等の陽イオン選択膜である。
　イオン選択膜は、内部固体層上に配置される。好ましくは、内部固体層上に直接、イオン選択膜が配置される。イオン選択性電極の模式図を図１０に示す。図１０において、イオン選択性電極Dは、内部固体層A上に直接、イオン選択膜C1が配置されてなる、2層構造である。イオン選択性電極Dにおいては、内部固体層Aが露出しないように、例えばイオン選択膜C1を内部固体層Aの側面も覆うように配置すること、側壁を設けることが好ましい。
　参照電極は、第2の内部固体層とイオン液体含有膜とを含む。
　イオン液体としては、特に制限されないが、例えば、陽イオンが、イミダゾリウムカチオン、ピリジニウムカチオン、ピペリジニウムカチオン、ピロリジニウムカチオン、4級アンモニウムカチオン、フォスフォニウムカチオン又はアルゾニウムカチオンの少なくとも1つ以上であり、陰イオンが、［R1SO2NSO2R2］-（R1、R2はそれぞれ炭素数1～5のパーフルオロアルキル基）、フッ素及び4価のホウ素を含むボレートイオン、ビス（2-エチルヘキシル）スルホサクシネイト、AlCl4 -、Al3Cl7 -、NO3 -、BF4 -、PF6 -、CH3COO-、CF3COO-、CF3SO3 -、（CF3SO2）2N-、（CF3SO2）3C-、AsF6 -、SbF6 -、F（HF）n-、CF3CF2CF2CF2SO3 -、（CF3CF2SO2）2N-、又はCF3CF2CF2COO-の少なくとも1つ以上である疎水性イオン液体が挙げられる。
　イオン液体含有膜は、イオン液体を含有するゲル膜であることが好ましい。
　疎水性イオン性液体をゲル化する方法としては特に限定されないが、高分子化合物を用いてゲル化することができる。このような高分子化合物としては、例えば、フッ化ビニリデン－ヘキサフルオロプロピレン共重合体、ポリメチルメタクリレート、ポリエチルメタクリレート、ポリアクリロニトリル、ポリブチルアクリレート、ポリビニルピリジン、有機電解質オリゴマー（主鎖カチオン部分がPICPM構造を有するもの等）、ポリ塩化ビニル、その他の合成ゴム等が挙げられる。高分子とともに架橋剤を用いてもよく、例えば、複数のフルオロアルキル化スルホニルアミド基を有する架橋剤と、当該架橋剤とオニウム塩を形成可能な基を有する高分子化合物とを含むゲル化剤等を用いてもよい。また、高分子とともに可塑剤を用いてもよく、例えばポリ塩化ビニルに可塑剤を混合し乾燥させてゲル化してもよい。可塑剤としては、イオン選択膜に使用される上述の可塑剤と同様のものを使用することができる。
　上記成分の含有量は、イオン液体含有膜が機能できる限りにおいて、特に制限されない。イオン液体含有膜100質量部に対する含有量は、イオン液体が例えば1～15質量部、高分子化合物が例えば15～45質量部、可塑剤が例えば50～80質量である。イオン液体含有膜100質量部に対するイオン液体の含有量は、イオン液体の溶出を抑制し、イオン測定に与える影響をより抑えるという観点から、好ましくは1～10質量部、より好ましくは1～6質量部である。
　イオン液体含有膜の層構造は特に制限されない。該層は、単一の組成からなる1つの層からなる単層構造であってもよいし、互いに同一又は異なる組成からなる複数の層からなる複層構造であってもよい。
　イオン液体含有膜は、内部固体層上に配置される。好ましくは、内部固体層上に直接、イオン液体含有膜が配置される。参照電極を図１１に示す。図１１において、参照電極Eは、内部固体層A上に直接、イオン液体含有膜C2が配置されてなる、2層構造である。参照電極Eにおいては、内部固体層Aが露出しないように、例えばイオン液体含有膜C2を内部固体層Aの側面も覆うように配置すること、側面に側壁を設けることが好ましい。
　イオン選択性電極及び参照電極は、内部固体層中に導電性材料が含まれている限り、電極として機能することが可能である。電極としての機能をより向上させる、或いは電極としての機能を付与する観点から、イオン選択性電極及び参照電極は、電極材を含むことが好ましい。
　電極材は、導電性材料を含有するものである限り、特に制限されない。導電性材料としては、例えば白金、金、銀、銅、パラジウム、クロム、アルミニウム、ニッケルなどの金属、炭素、これらの金属及び／又は炭素の少なくとも１つを含む物質（合金等）、これらの金属の塩化物などの金属ハロゲン化物などが挙げられる。これらの中でも、好ましくは白金、金、銀、パラジウム、アルミニウム、ニッケル、炭素等が挙げられる。導電性材料は、1種単独であってもよいし、2種以上の組合せであってもよい。
　導電性材料の含有量は、電極材100質量部に対して、例えば70～100質量部、好ましくは85～100質量部、より好ましくは95～100質量部である。
　電極材の形状は特に制限されないが、通常は扁平状である。
　電極材の層構造は特に制限されない。電極材は、単一の組成からなる1つの層からなる単層構造であってもよいし、互いに同一又は異なる組成からなる複数の層からなる複層構造であってもよい。
　電極材の厚み（＝電極材の最も広い面に対して垂直方向の長さ）は、電極としての機能をより向上させる、或いは電極としての機能を付与することができる限り、特に制限されない。該厚みは、例えば1～10μmである。製造効率、製造コスト等の観点から、該厚みは、好ましくは1～5μm。
　電極（イオン選択性電極、参照電極）が電極材を含む場合、通常、電極材上に直接、又は他の層を介して内部固体層が配置されている。この場合、好ましくは、電極材上に直接、内部固体層が配置されている。電極材を含む場合のイオン選択性電極を図１２に示す。図１２において、イオン選択性電極Dは、電極材B上に直接、内部固体層Aが配置され、さらに内部固体層Aの電極材Bとは反対側の表面上に直接、イオン選択膜C1が配置されてなる、3層構造である。電極材を含む場合の参照電極を図１３に示す。図１３において、参照電極Eは、電極材B上に直接、内部固体層Aが配置され、さらに内部固体層Aの電極材Bとは反対側の表面上に直接、イオン液体含有膜C2が配置されてなる、3層構造である。これらの電極においては、電極材が露出しないように、例えば内部固体層Aを電極材Bの側面も覆うように配置すること、側壁を設けることが好ましい。
　本発明のイオンセンサは、イオン選択性電極と参照電極のいずれにも内部液を用いない全固体型イオンセンサとすることができる。
　本発明のイオンセンサは、イオン選択性電極、参照電極、並びに絶縁体を含む。
　絶縁体は、電極の導電性に影響を与えない絶縁性材料を含むものである限り、特に制限されない。絶縁性材料としては、例えばポリビニルアルコール、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリブチレンナフタレートなどのポリエステル系樹脂、ポリイミド、ガラスエポキシ樹脂、ガラス、セラミック、紙などの繊維基材などが挙げられる。
　本発明のイオンセンサにおいて、イオン選択性電極及び参照電極は絶縁体上に配置されている。本発明のイオンセンサの模式的な断面図を図１４に示す。図１４においては、絶縁体F上に、イオン選択性電極D及び参照電極Eが配置されている。
　本発明のイオンセンサにおいて、イオン選択性電極と参照電極との距離（すなわち、イオン選択性電極の端部と参照電極の端部との最短距離である。例えば図１４の断面図においては、イオン選択性電極の端部Z1と参照電極Eの端部Z2との距離である。）は、イオン測定における電位変化をより抑えるという観点から、2mm以上であることが好ましい。当該距離は、より好ましくは3mm以上、さらに好ましくは4mm以上、よりさらに好ましくは5mm以上である。当該距離の上限は、より少ない同一試料を、イオン選択性電極と参照電極の両方に同時に接触させることができることができる程度の距離であることが望ましく、この観点から、例えば20mm、15mm、10mm、8mm、又は6mmである。
　イオン選択性電極及び参照電極は、絶縁体の同一面側に配置されていることが好ましい。図１４においては、イオン選択性電極D及び参照電極Eは、絶縁体Fの同一面側に配置されている。
　本発明のイオンセンサは、イオン選択性電極を1つのみ有することができるし、イオン選択性電極を2つ以上（例えば2～5）有することもできる。また、本発明のイオンセンサは、参照電極を1つのみ有することができるし、参照電極を2つ以上（例えば2～5）有することもできる。
　本発明のイオンセンサは、好ましくはカリウムイオンセンサとして使用することができる。高カリウム血症患者は、高カリウム食の過剰摂取等の血中カリウムを増加させる行動により、心電図に異常が現れる程度に心臓の電気的活動が変動したり、場合によっては致死的不整脈を起こす可能性が高い一方、血中カリウムレベルが高くない状態で投薬、透析等を行うと、過剰に血中カリウムの低下を引き起こし、それにより麻痺や筋肉痙攣が起こり、場合によっては死亡することがある。血中カリウムレベルは、患者の体質、病態、日常の食事内容等に応じて異なるので、血中カリウムレベルの過剰低下や過剰増加を起こさないように、血中カリウムレベルを患者自身が測定した上で、投薬タイミング、投薬量、食事内容等を適宜調節できることが望ましい。本発明のイオンセンサは、電位のばらつきが低減されており、キャリブレーションの必要性がより低い（キャリブレーションフリーも可能な）イオンセンサであるので、高カリウム血症患者による測定（通常、キャリブレーションのような煩雑且つ専門的な作業は困難）に使用するカリウムイオンセンサとして、特に適している。
　図１６に本発明のイオンセンサJの使用例を示す。絶縁体Fにイオン選択性電極D及び参照電極Eが配置されたイオンセンサJを、図１６の右側に示されるように、別途準備した電位差計Gにセットすることにより、イオン濃度を測定することができる。具体的には、イオンセンサJの接続端子Kを電位差計G内の接続端子に接続し、電位差計Gに接続されたイオンセンサJの先端Lを血液に接触させることにより、血液が流路Mを介して毛細管現象によって吸引される。吸引された血液は、イオン選択性電極D及び参照電極Eに接触することにより、電位差計Gによって電位差が計測され、イオン濃度が算出される。なお、イオンセンサJは、使い捨てのイオンセンサとして、測定後に廃棄することができる。
　2．イオンセンサの製造方法
　本発明は、絶縁体上に、第1のインサーション材料及び第1のイオン伝導性セラミックスを含有する第1の内部固体層と、イオン選択膜と、を含むイオン選択性電極を形成する工程と、絶縁体上に、第2のインサーション材料及び第2のイオン伝導性セラミックスを含有する第2の内部固体層と、イオン液体含有膜と、を含む参照電極を形成する工程と、を含む、イオンセンサの製造方法、に関する。
　電極（イオン選択性電極、参照電極）の形成方法は、特に制限されない。好適には、絶縁体上（或いは絶縁体上に形成された電極材上）にインサーション材料及びイオン伝導性セラミックスを含有する内部固体層を形成すること、及び内部固体層上にイオン選択膜／イオン液体含有膜を形成すること、を含む方法により、電極を製造することができる。
　内部固体層の形成方法は特に制限されない。好ましくは、インサーション材料及びイオン伝導性セラミックスを（好ましくは混合状態で）含有する組成物を絶縁体上（或いは絶縁体上に形成された電極材上）に成膜、乾燥することにより、内部固体層を形成することができる。成膜方法としては、静電塗布、ディスペンサでの塗布、スクリーン印刷、スパッタ、蒸着、ホットプレスなどを採用することができるが、インサーション材料とイオン伝導性セラミックスとの密着性を高めることができるという観点から、静電塗布が好ましい。
　イオン選択膜、イオン液体含有膜等の他の層の形成方法としては、上記に準じた方法を採用することができる。すなわち、層を構成する各成分を含有する組成物（ペースト、溶液等）を内部固体層上に成膜、乾燥することにより、形成することができる。
　3．イオン測定方法
　本発明は、本発明のイオンセンサを用いたイオンの測定方法であって、イオン選択性電極と参照電極に試料を接触させる工程と、イオン選択性電極と参照電極との間の電位を測定する工程と、を含む、イオンの測定方法（本明細書において、「本発明の測定方法」と示すこともある。）に関する。
　試料は、イオンの測定対象であり、イオンを含み得るものである限り特に制限されず、液体、半固体等であることができる。試料としては、例えば体液又は体液を保持する物質等が挙げられる。体液としては、例えば全血、血清、血漿、経血、唾液、尿、組織液、汗、涙、唾液等が挙げられる。試料としては、他にも、例えば飲食品等が挙げられる。
　電位の測定は、公知の方法に従って又は準じて、測定することができる。例えば、図１５に示すように、イオン選択性電極Dと参照電極Eとの間に導線Hを介して電位差計Gを配置し、電位を測定することができる。電位の測定は、イオン選択性電極Dと参照電極Eに試料Iが接触している状態で行う。得られた測定値に基づいて試料I中のイオン濃度を算出することができる。
　本発明において、試料を接触させる工程において、試料をイオンセンサ上に供給することを含むことができる。
　また、本発明においては、イオン液体のイオン選択性電極への接触を抑止し、イオン測定における電位変化をより抑えるという観点から、試料をイオン選択性電極が配置された位置から参照電極が配置された位置に向かって流動させることが好ましい。本発明においては、試料を最初にイオン選択性電極に接触させ、その後、イオン選択性電極から参照電極方向への試料の流動により、試料を参照電極にも接触させることができる。試料の流動の動力は、電位測定に著しい影響を与えないものである限り特に制限されず、例えば毛細管現象、重力等が挙げられる。
　本発明のイオンセンサは、電位のばらつきが低減されており、キャリブレーションの必要性がより低い（キャリブレーションフリーも可能な）イオンセンサであるので、これを使用する本発明の測定方法は、高カリウム血症患者自身による血中カリウムレベルのモニタリング測定に、特に適している。
　以下に、実施例に基づいて本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例によって限定されるものではない。
　実施例1．イオンセンサの構造と作製方法
　図１（Ａ）、（Ｂ）を用いてイオンセンサの構造について説明する。図１（Ａ）は、実施例1で得られたイオンセンサの平面図を示しており、図１（Ｂ）は図１（Ａ）の1B－1B´線に沿ったイオンセンサの断面図を示している。イオンセンサ1は、絶縁体であるアルミナ基板11の同一面側に形成された凹部112、111のそれぞれ対向する位置に、イオン選択性電極52及び参照電極51が配置されている。イオン選択性電極52は、アルミナ基板11に近い方から順に、白金電極22、内部固体層32、イオン選択膜42がアルミナ基板11上に配置された構造である。参照電極51は、アルミナ基板11に近い方から順に、白金電極21、内部固体層31、イオン液体含有膜41がアルミナ基板11上に配置された構造である。白金電極21、22は、凹部111、112に埋め込まれており、上面視で円形状の直径1.7mm（φ1.7mm）を有している。イオン選択膜42は、内部固体層32の上面及び側面を覆うようにアルミナ基板11上に配置されている。イオン液体含有膜41は、内部固体層31の上面及び側面を覆うようにアルミナ基板11上に配置されている。イオン選択性電極52の内側端部62と参照電極51の内側端部61との間の距離は5.6mmである。内部固体層32（厚さ約15μm）とイオン選択膜42（厚さ約15μm）の総厚さは約30μmであり、内部固体層31（厚さ約15μm）とイオン液体含有膜41（厚さ約15μm）の総厚さは約30μmである。アルミナ基板11の同一面側に凹部112、111を形成した場合には、イオン選択性電極52及び参照電極51の形状に応じた作製が容易となる。なお、イオンセンサ1は、凹部112、111が形成されていないアルミナ基板11に、イオン選択性電極52及び参照電極51が配置されていてもよい。
　次に、イオンセンサの作製方法について説明する。インサーション材料（Na0.33MnO2（直方晶系結晶構造、平均粒径8.9μm、ウロコ状））、イオン伝導性セラミックス（β”アルミナ：Na2Al10.6O15.9、平均粒径0.26μm）、導電剤（アセチレンブラック）、結着剤（ポリフッ化ビニリデン）、及び溶媒である1-メチル-2-ピロリドンを、インサーション材料：イオン伝導性セラミックス：導電剤：結着剤＝8：8：1：1の組成比で混合し、内部固体層31及び内部固体層32の素材を調製する。調製した素材を、アルミナ基板11上の白金電極21及び白金電極22それぞれの上に、静電気力により材料をターゲットに塗布する静電塗布により積層した後、真空乾燥炉で完全に乾燥させて内部固体層31及び内部固体層32を作製する。
　アルミナ基板11上に内部固体層31及び内部固体層32を形成した後、内部固体層32上に、イオノフォア（バリノマイシン）3質量部、可塑剤（リン酸トリス（2-エチルへキシル））67.9質量部、アニオン排除剤（テトラキス（4-クロロフェニル）ホウ酸カリウム）0.3質量部、及びバインダ樹脂（ポリ塩化ビニル）28.8質量部を含有するテトラヒドロフラン溶液を積層して乾燥させてイオン選択膜42を形成し、イオン選択性電極52を得る。
　次に、内部固体層31上に、イオン液体（[TBMOEP+][C1C1N-]：トリブチル（2-メトキシエチル）ホスホニウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド）4質量部、可塑剤（リン酸トリス（2-エチルへキシル））64質量部、及びゲル化用高分子化合物（ポリ塩化ビニル）32質量部を含有するテトロヒドロフラン溶液を積層して乾燥させてイオン液体含有膜としてのイオン液体含有膜41を形成し、参照電極51を得る。
　参照電極51の断面形態を、電界放出型走査電子顕微鏡（FE-SEM, S-4800, Hitachi High-Technologies Corporation）とエネルギー分散型X線分光法（EDS, XFlash 6130, Bruker AXS）で分析した。
　参照電極51の走査電子顕微鏡(SEM：Scanning Electron Microscope)画像と、SEM画像のエネルギー分散形X線分光器（EDS：Energy Dispersive X-ray Spectrometer）を用いた元素分布図を図２に示す。インサーション材料33であるNa0.33MnO2はMnとNaの元素分布で、イオン伝導性セラミックス34であるβ”アルミナはAlとNaの元素分布で、可塑剤であるリン酸トリス（2-エチルへキシル）はPの元素分布で、ゲル化用高分子化合物であるポリ塩化ビニルはClの元素分布で示されている。Mnの元素分布及びAlの元素分布を比較すると、Mnの分布部分（すなわちインサーション材料33）の周囲にAl（すなわちイオン伝導性セラミックス34）が分布していることから、インサーション材料33周囲をイオン伝導性セラミックス34が覆っていることが確認できた。また、インサーション材料33とイオン伝導性セラミックス34の間のNa+のやり取りのため、イオン選択性電極52と同じように可塑剤がインサーション材料33の間に入っていることが必要であるが、Pの元素分布およびClの元素分布においてはP及びClが比較的均一に分布していることから、可塑剤とゲル化用高分子化合物がインサーション材料33の間隙に設計通り入り込んでいることが確認された。
　実施例2．イオンセンサによる電位差測定1
　イオンセンサ1（実施例1）のイオン選択性電極52及び参照電極51それぞれの開放回路電位を、図３に示すようにして、Ag/AgCl参照電極78（飽和KCl、ダブルジャンクションNaCl 140 mmol dm-3）に対して3分間測定した。具体的には、イオン選択性電極52と参照電極51との間が電位差計75を介して接続させ、さらにイオン選択性電極52とAg/AgCl参照電極78との間、及び参照電極51とAg/AgCl参照電極78との間も電位差計752、751を介して接続させ、電位を測定した。イオン選択性電極52及び参照電極51をアルミナ基板11の同一面上に集積したイオンセンサ1の評価において、イオン選択性電極52と参照電極51との間の電位（E）は、イオン選択性電極52の電位（EW）から参照電極51の電位（ER）を差し引いて算出し、ERとEWはそれぞれAg/AgCl 参照電極78との間で測定した。各測定において、事前のコンディショニング（測定対象イオン（カリウムイオン）が含まれる溶液に電極を一定時間接触させる作業）を行っていない乾燥状態のセンサに試料溶液を滴下し、50～60秒、110～120秒、170～180秒の平均値を、それぞれ1分、2分、3分の測定値として測定した。KCl測定用のサンプル液には、KCl 1, 10, 100 mmol dm-3および140 mmol dm-3のNaCl電解質が含まれていた。血清測定には、血清標準液（JCTCM 130-4）Low(L)、Middle(M)、High(H)を購入し、LとM、MとHを混合して他の濃度レベルの試料を調製した。表１に、血清サンプルの各イオン濃度を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　10 mmol dm-3 KClおよび140 mmol dm-3 NaCl水溶液とAg/AgCl参照電極78を用いて測定した8個の参照電極51（それぞれ同じ方法で独立して作製された8個の参照電極51）の電位差応答を図４に示す。電位応答波形から、応答時間は45秒程度であった（図４）。8個のセンサ間の標準電位(Eo) の再現性は、1分で標準偏差 ± 0.6 mV、2分で ± 0.7 mV、3分で± 0.6 mV となり、非常に良好であった（表２）また、1-100 mmol dm-3のK+が存在している場合でも電極電位は標準偏差 ± 0.3 mV となり、参照電極51の測定電位はKCl濃度に依存しないことが分かった（表３）
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　実施例3．イオンセンサによる電位差測定2
　イオンセンサ1の電極間距離5.6mmの妥当性を評価するために、イオンセンサ1（実施例1）と、参照電極51を備えない以外はイオンセンサ1（実施例1）と同じ構成のイオンセンサ2（図５）を用意した。イオンセンサ1及びイオンセンサ2それぞれのイオン選択性電極の開放回路電位を、実施例2（図３）と同様にしてAg/AgCl参照電極78に対して3分間測定し、検量線を得て、傾き、標準電位、選択性（Kpot K+,Na+）などのパラメータが両者で異なるかどうかを評価した。
　結果を表４に示す。表４は、参照電極51を備えないイオンセンサ2と、参照電極51を備えたイオンセンサ1をそれぞれ3個ずつ測定し、2種類のイオンセンサについて個別に求めた1)傾き、2)標準電位、3)選択性係数の平均値と標準偏差を示す（平均値±標準偏差）。サンプル溶液のK+濃度は、140 mmol dm3のNaClを含むKCl溶液の場合、1、10、100 mmol dm3であり、1個のセンサに低濃度から順番に3種類の液を滴下して測定した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　参照電極51の有無によって傾き、電位、選択性に有意な差はなかった（表４）。
　実施例4．イオンセンサによる電位差測定3
　イオンセンサ1（実施例1）がディスポ―ザブルセンサーとして、キャリブレーションフリー測定が可能かどうか確認するために、イオンセンサ1（実施例1）1つで1回のみKCl溶液を測定し、検量線を取得した。溶液毎に3つずつのイオンセンサ1を使用し、合計15個のイオンセンサ1を使用した。これら15個のイオンセンサ1は、同じ方法でそれぞれ独立して作製されたものであった。
　KCl溶液測定時における、参照電極51に対するイオン選択性電極52の検量線を図６（a）に示す。KClの1-100 mmol dm-3における傾きは53.2 mV/decadeであり、直線性はR2＝0.999と良好であった。
　非特許文献１では、全固体型イオンセンサを用いて、電極のコンディショニング（電極を1mM KCl溶液に24時間浸漬）なしでKCl溶液を測定した場合の電位のばらつき（標準偏差）が4.3mVであったことが報告されている（図６（c）の（1））。なお、コンディショニング（電極を1mM KCl溶液に24時間浸漬）後にKCl溶液を測定した場合の電位のばらつき（標準偏差）は14mVとなり、ばらつきが拡大していた。また、米国の連邦規則である42 CFR § 493.931 - Routine chemistryにおいてカリウムイオン測定の場合に許容される電位のばらつき（標準偏差）は2.3mVである（図６（c）の（2））。よって、本実施例における電位の標準偏差（0.4-1.3 mV）は、米国の連邦規則である42 CFR § 493.931 - Routine chemistryの許容値以下であり、さらに全固体型イオンセンサの従来技術の標準偏差よりも低い、非常に良好な値であった（図６（b））。
　実施例5．イオンセンサによる電位差測定4
　イオンセンサ1（実施例1）の性能を血液の血清サンプルでテストした。K+, Na+, Cl-の濃度が異なる一連の血清サンプルを用意した（表１）。
　血清検体に対するイオンセンサ1の検量線を図７（a）に示す。実施例１と同じイオンセンサ1を用いて、イオン選択性電極52の電位値Eと参照電極51の関係を測定した。血清試料に対する応答の傾きは51.7mV/decadeであり、KCl 1-10mmol dm-3の範囲で観測された応答の傾き51.2mV/decadeと大きな違いはなかった。
　非特許文献１では、全固体型イオンセンサを用いて、電極のコンディショニング（電極を1mM KCl溶液に24時間浸漬）なしで10％血清を測定した場合の電位のばらつき（標準偏差）が4.4mVであったことが報告されている（図７（c）の（1））。なお、コンディショニング（電極を1mM KCl溶液に24時間浸漬）後に10％血清を測定した場合の電位のばらつき（標準偏差）は19mVとなり、ばらつきが拡大していた。また、米国の連邦規則である42 CFR § 493.931 - Routine chemistryにおいてカリウムイオン測定の場合に許容される電位のばらつき（標準偏差）は2.3mVである（図７（c）の（2））。よって、本実施例における電位の標準偏差（0.2-2.2 mV）は、米国の連邦規則である42 CFR § 493.931 - Routine chemistryの許容値以下であり、さらに全固体型イオンセンサの従来技術の標準偏差よりも低い、非常に良好な値であった（図７（b））。
　実施例6．カリウムイオンセンサによる電位差測定5
　イオンセンサ1（実施例1）のイオン液体含有膜41上に、さらにイオン液体70質量%のイオン液体含有膜43を積層したイオンセンサ3（実施例6）を用いて、図８で示す系にて測定を行った。具体的には、参照電極51とAg/AgCl参照電極78とを電位差計75を介して接続させ、電位を測定した。
　測定溶液としてKCl 1 mmol dm-3の溶液を100μL使用し、溶液がイオンセンサ1に接して停止してからの3分間、Ag/AgCl電極78に対して参照電極51の電位を測定した。イオン液体含有膜41を積層した参照電極51側からイオン選択性電極52側に測定溶液を流した場合（ケース1）とイオン選択性電極52側から参照電極51側に測定溶液を流した場合（ケース2）の3分間の電位変化ΔE（1分後の測定値に対する電位差）を図９に示す。ケース2では3分間安定した電位を示すのに対し、ケース1では溶液中に溶けだしたイオン液体がイオン選択性電極52の膜に影響を与え、徐々に電位が低下した。
１　　　イオンセンサ
２　　　イオンセンサ
１１　　アルミナ基板
１１１　凹部
１１２　凹部
２１　　白金電極
２２　　白金電極
３１　　内部固体層
３２　　内部固体層
４１　　イオン液体含有膜
４２　　イオン選択膜
４３　　イオン液体70質量%のイオン液体含有膜
５１　　参照電極
５２　　イオン選択性電極
６１　　端部
６２　　端部
７１　　Ag/AgCl
７２　　飽和KCl溶液
７３　　140mm dm-3 NaCl溶液
７４　　試料溶液
７５　　電位差計
７５１　電位差計
７５２　電位差計
７６　　導線
７８　　Ag/AgCl参照電極
Ａ　　　内部固体層
Ｂ　　　電極材
Ｃ１　　イオン選択膜
Ｃ２　　イオン液体含有膜
Ｄ　　　イオン選択性電極
Ｅ　　　参照電極
Ｆ　　　絶縁体
Ｇ　　　電位差計
Ｈ　　　導線
Ｉ　　　試料溶液
Ｊ　　　イオンセンサ
Ｋ　　　接続端子
Ｌ　　　先端
Ｍ　　　流路

Claims (25)

  1. 　第1のインサーション材料及び第1のイオン伝導性セラミックスを含有する第1の内部固体層と、前記第1の内部固体層上に配置されたイオン選択膜と、を含むイオン選択性電極と、
    　第2のインサーション材料及び第2のイオン伝導性セラミックスを含有する第2の内部固体層と、前記第2の内部固体層上に配置されたイオン液体含有膜と、を含む参照電極と、　前記イオン選択性電極及び前記参照電極が配置された絶縁体と、を含むイオンセンサ。
  2. 　前記第1のイオン伝導性セラミックス及び前記第2のイオン伝導性セラミックスは、カリウムイオン伝導性セラミックス、ナトリウムイオン伝導性セラミックス、又はリチウムイオン伝導性セラミックスである、請求項１に記載のイオンセンサ。
  3. 　前記第1のイオン伝導性セラミック及び前記第2のイオン伝導性セラミックは、β”アルミナ又はβアルミナである、請求項１又は２に記載のイオンセンサ。
  4. 　前記第1のインサーション材料及び前記第2のインサーション材料は、金属酸化物、酸素レドックス材料、又はプルシアンブルー類似体である、請求項１～３のいずれか一項に記載のイオンセンサ。
  5. 　前記第1のインサーション材料及び前記第2のインサーション材料は、イオン－電子伝導体である、請求項１～４のいずれか一項に記載のイオンセンサ。
  6. 　前記第1のインサーション材料及び前記第2のインサーション材料は、カリウムイオン、ナトリウムイオン、又はリチウムイオンに対するイオン－電子伝導体である、請求項５に記載のイオンセンサ。
  7. 　前記第1のインサーション材料及び前記第2のインサーション材料は、金属酸化物である、請求項１～６のいずれか一項に記載のイオンセンサ。
  8. 　前記金属酸化物は、MxMnO2（MはNa又はKを示し、xは任意の正数を示す。）である、請求項７に記載のイオンセンサ。
  9. 　前記xは、0.2～0.5である、請求項８に記載のイオンセンサ。
  10. 　前記イオン選択性電極及び前記参照電極は、電極材を含む、請求項１～９のいずれか一項に記載のイオンセンサ。
  11. 　前記第1のインサーション材料、前記第2のインサーション材料、前記第1のイオン伝導性セラミックス及び前記第2のイオン伝導性セラミックスは、粒子である、請求項１～１０のいずれか一項に記載のイオンセンサ。
  12. 　前記第1のイオン伝導性セラミックスの平均粒径は、前記第1のインサーション材料の平均粒径より小さく、且つ前記第2のイオン伝導性セラミックスの平均粒径は、前記第2のインサーション材料の平均粒径より小さい、請求項１１に記載のイオンセンサ。
  13. 　前記第1のインサーション材料と前記第1のイオン伝導性セラミックスとの質量比及び前記第2のインサーション材料と前記第2のイオン伝導性セラミックスの質量比は、2：1～1：2である、請求項１～１２のいずれか一項に記載のイオンセンサ。
  14. 　前記第1の内部固体層及び前記第2の内部固体層は、結着剤及び導電剤を含有する、請求項１～１３のいずれか一項に記載のイオンセンサ。
  15. 　前記結着剤は、
    （a）ポリフッ化ビニリデン、
    （b）スチレンブタジエンラテックス及びカルボキシメチルセルロースを含有する混合剤、
    （c）ポリアミド、ポリイミド、及びカルボジイミドを含有する混合剤、
    （d）ポリテトラフルオロエチレン、又は
    （e）アクリルエマルジョンである、請求項１４に記載のイオンセンサ。
  16. 　前記導電剤は、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ、グラフェン、カーボン粉末、又はグラファイト粉末である、請求項１４又は１５に記載のイオンセンサ。
  17. 　前記イオン選択膜は、イオノフォアを含有する、請求項１～１６のいずれか一項に記載のイオンセンサ。
  18. 　前記イオン液体含有膜は、イオン液体を含有するゲル膜である、請求項１～１７のいずれか一項に記載のイオンセンサ。
  19. 　前記第1の内部固体層の組成と前記第2の内部固体層の組成は、実質的に同じである、請求項１～１８のいずれか一項に記載のイオンセンサ。
  20. 　前記イオン選択性電極及び前記参照電極は、前記絶縁体の同一面側に配置されている、請求項１～１９のいずれか一項に記載のイオンセンサ。
  21. 　絶縁体上に、第1のインサーション材料及び第1のイオン伝導性セラミックスを含有する第1の内部固体層と、イオン選択膜と、を含むイオン選択性電極を形成する工程と、
    　前記絶縁体上に、第2のインサーション材料及び第2のイオン伝導性セラミックスを含有する第2の内部固体層と、イオン液体含有膜と、を含む参照電極を形成する工程と、を含む、イオンセンサの製造方法。
  22. 　前記第1の内部固体層及び前記第2の内部固体層の形成方法は、静電塗布である、請求項２１に記載の製造方法。
  23. 　請求項１～２２のいずれかに記載のイオンセンサを用いたイオンの測定方法であって、　前記イオン選択性電極と前記参照電極に試料を接触させる工程と、
    　前記イオン選択性電極と前記参照電極との間の電位を測定する工程と、を含む、イオンの測定方法。
  24. 　前記試料を接触させる工程において、前記試料をイオンセンサ上に供給する、請求項２３に記載のイオンの測定方法。
  25. 　前記試料を接触させる工程において、前記試料を前記イオン選択性電極が配置された位置から前記参照電極が配置された位置に向かって流動させる、請求項２３に記載のイオンの測定方法。
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