[go: up one dir, main page]

JP2022537280A - Metal ferrocyanide-doped carbon as a transducer for ion-selective electrodes - Google Patents

Metal ferrocyanide-doped carbon as a transducer for ion-selective electrodes Download PDF

Info

Publication number
JP2022537280A
JP2022537280A JP2021573942A JP2021573942A JP2022537280A JP 2022537280 A JP2022537280 A JP 2022537280A JP 2021573942 A JP2021573942 A JP 2021573942A JP 2021573942 A JP2021573942 A JP 2021573942A JP 2022537280 A JP2022537280 A JP 2022537280A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
ion
selective
selective electrode
sensor
cations
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.)
Pending
Application number
JP2021573942A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
ヘン チェオン イー
クアン テー レイ
グジェゴシ リザーク
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.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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 Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of JP2022537280A publication Critical patent/JP2022537280A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/28Electrolytic cell components
    • G01N27/30Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells
    • G01N27/333Ion-selective electrodes or membranes
    • G01N27/3335Ion-selective electrodes or membranes the membrane containing at least one organic component
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/28Electrolytic cell components
    • G01N27/30Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells
    • G01N27/333Ion-selective electrodes or membranes
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/28Electrolytic cell components
    • G01N27/30Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells
    • G01N27/308Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells at least partially made of carbon

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
  • Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)

Abstract

本開示によれば、液体中の陽イオンの濃度を測定するためのイオン選択性電極センサが提供される。イオン選択性電極センサは、イオン選択性膜であって、当該イオン選択性膜全体にわたって液体中の陽イオンの選択的拡散を促進するイオン選択性膜と、液体中の陽イオンの濃度を測定するための外部装置に接続された電気コンタクト層と、イオン選択性膜と電気コンタクト層との間に配置されたトランスデューサ層とを含み、トランスデューサ層は、金属フェロシアン化物でドープされた炭素を含む。本開示はまた、上記のイオン選択性電極センサを製造する方法を提供する。この方法は、不活性基板上に電気コンタクト層を堆積させることと、電気コンタクト層上に金属フェロシアン化物でドープされた炭素を含むトランスデューサ層を堆積させることと、トランスデューサ層上にイオン選択性膜を堆積させて、イオン選択性電極を形成することと、を含む。SUMMARY OF THE DISCLOSURE An ion-selective electrode sensor for measuring the concentration of cations in a liquid is provided. An ion-selective electrode sensor measures the concentration of cations in a liquid with an ion-selective membrane that promotes selective diffusion of cations in a liquid across the ion-selective membrane. and a transducer layer disposed between the ion selective membrane and the electrical contact layer, the transducer layer comprising carbon doped with metal ferrocyanide. The present disclosure also provides methods of manufacturing the above ion-selective electrode sensors. The method comprises depositing an electrical contact layer on an inert substrate, depositing a transducer layer comprising carbon doped with metal ferrocyanide on the electrical contact layer, and depositing an ion selective film on the transducer layer. to form an ion selective electrode.

Description

本開示は、液体中の陽イオンの濃度を測定するためのイオン選択性電極センサに関する。本開示はまた、かかるイオン選択性電極センサを製造する方法に関する。 The present disclosure relates to ion selective electrode sensors for measuring the concentration of cations in liquids. The present disclosure also relates to methods of manufacturing such ion selective electrode sensors.

発明の背景
固体接触イオン選択性電極(SC-ISE)は、図1Aに示されているように、所望のイオノフォア-ドープ膜で直接にコーティングされた導電体からなり得る。これは、生物学的流体及び天然流体中のイオンの低コストの使い捨てセンサの小型化及び開発を実現する機会を提供し得るものである。SC-ISEの実用的応用は、安定した高信頼度の電位読み取り値を取得することにおける課題により制限されている。
BACKGROUND OF THE INVENTION A solid-contact ion-selective electrode (SC-ISE) can consist of a conductor directly coated with the desired ionophore-doped membrane, as shown in FIG. 1A. This may provide opportunities for miniaturization and development of low-cost disposable sensors of ions in biological and natural fluids. Practical applications of SC-ISE are limited by challenges in obtaining stable and reliable potential readings.

この方向性における主要な開発は、図1Aに示されている設計を有する電極であり得るコーティングされたワイヤ電極の場合、イオン選択性膜(ISM)と電気コンタクト層との間の低い界面静電容量に対処することである。コーティングされたワイヤ電極(100)は、二重層の静電容量に依存し得るので、コーティングされたワイヤ電極(100)のISM(104)と導電体(106)との間の表面積が小さいと、界面静電容量が低くなる。二重層の静電容量は、イオン選択性膜の界面及び電気コンタクトの電荷に基づいている。イオン選択性膜内の電荷はイオン性であるが、電気コンタクト内の電荷は電子性である。換言すれば、この場合、二重層の静電容量は、イオン性及び電子性の両方となる。次に、ISM(104)と電気コンタクト(106)との間の界面におけるイオンの小さい電流は、膜(104)の裏側における界面電位の比較的大きい変化をもたらす可能性があり、これが電位不安定性の原因となり得る。 A major development in this direction is the low interfacial electrostatic charge between the ion selective membrane (ISM) and the electrical contact layer for coated wire electrodes, which can be electrodes with the design shown in FIG. 1A. It is to deal with capacity. Since the coated wire electrode (100) may rely on double layer capacitance, the small surface area between the ISM (104) and conductor (106) of the coated wire electrode (100) Lower interfacial capacitance. The double layer capacitance is based on the charges on the interface and electrical contacts of the ion-selective membrane. The charges in the ion-selective membrane are ionic, whereas the charges in the electrical contacts are electronic. In other words, in this case the double layer capacitance becomes both ionic and electronic. Secondly, small currents of ions at the interface between ISM (104) and electrical contact (106) can lead to relatively large changes in interfacial potential at the backside of membrane (104), which leads to potential instability. can cause

この不安定性に対処するために、ISM(104)と電気コンタクト(106)との間に位置する追加のトランスデューサ層(110)が従来から検討されてきた(図1B)。トランスデューサ層(110)には、例えば、(i)電子伝導性及びイオン伝導性を提供する導電性ポリマー、又は、(ii)接触表面積が大きいことによりISM/トランスデューサ界面で二重層の静電容量の増加を示す高表面積ナノカーボンが含まれるものとしてもよい。どちらの場合も、界面の静電容量が大きいほど、極めて安定した電位読み取りが可能になる。 To address this instability, an additional transducer layer (110) located between the ISM (104) and the electrical contacts (106) has been previously considered (FIG. 1B). The transducer layer (110) may include, for example, (i) a conductive polymer that provides electronic and ionic conductivity, or (ii) a large contact surface area that provides double-layer capacitance at the ISM/transducer interface. High surface area nanocarbons may also be included that exhibit an increase. In both cases, the larger the interfacial capacitance, the more stable the potential reading becomes.

不安定性に対処するために開発された他の手段として、トランスデューサ層への酸化還元活性分子又はインターカレーション化合物のドーピングが挙げられ、これにより、センサ間の再現性の向上も成功裏に実証されている。 Other means developed to address instability include doping redox-active molecules or intercalation compounds into the transducer layer, which has also been successfully demonstrated to improve sensor-to-sensor reproducibility. ing.

較正に用いられる訓練溶液及び標準溶液においては、正確な測定値を得るための追加の要件が課されるため、SC-ISEが提供する利便性及び可搬性を補完し、較正の必要性を排除することは、別の魅力的な展望となるであろう。 Training and standard solutions used for calibration impose additional requirements to obtain accurate measurements, thus complementing the convenience and portability offered by SC-ISE and eliminating the need for calibration will be another attractive prospect.

センサに影響を与え、較正が必要となる因子は、ISEと参照電極との間において測定された電位の変化を観察することによって評価することができる。この電位は、ネルンストの式

Figure 2022537280000002
に従う。 Factors that affect the sensor and require calibration can be evaluated by observing changes in the potential measured between the ISE and the reference electrode. This potential is determined by the Nernst equation
Figure 2022537280000002
obey.

式において、Eは、測定された電位、R、T、Fは、それぞれ気体定数、ケルビン度、ファラデー定数、zは、分析対象物イオンIの電荷、aは、試料中のその活量である。E には、ISM/試料界面以外の他の総ての界面の電位差が含まれる。導電性ポリマーのトランスデューサ層を備えたSC-ISEの場合、酸化還元状態の連続体が存在する可能性があり、これにより、センサ間のE が変動し、使用前に較正が必要になる可能性がある。E に影響を与え得る因子として、結晶性の変化、酸化還元反応後の時間依存のコンフォメーション変化、ドーピングレベルに起因するガラス転移温度の変化、鎖間結合、層への対イオンの浸透、及び、製造プロセスの結果としての層の形態が挙げられる。従来、多層カーボンナノチューブのようなナノカーボンを取り入れたセンサの標準偏差は約10mVとなる傾向があり、一価イオンの場合、理論上のスパンが59.2mVの濃度の10年以内の測定には適していなかった。 where E is the measured potential, R, T, F are the gas constant, degrees Kelvin and Faraday's constant, respectively, zI is the charge of the analyte ion I , aI is its activity in the sample is. E I 0 includes potential differences at all interfaces other than the ISM/sample interface. For SC-ISEs with conductive polymer transducer layers, there may be a continuum of redox states that causes variations in E I 0 between sensors, requiring calibration before use. there is a possibility. Factors that can affect E I o include changes in crystallinity, time-dependent conformational changes after redox reactions, changes in glass transition temperature due to doping levels, interchain bonding, penetration of counterions into the layer. , and the morphology of the layer as a result of the manufacturing process. Conventionally, the standard deviation of sensors incorporating nanocarbons, such as multi-walled carbon nanotubes, tends to be about 10 mV, and for singly charged ions, the theoretical span is 59.2 mV for measurements within 10 years of concentration. was not suitable.

較正不要のISE設計が、ISM又はトランスデューサ相のいずれかで制御された酸化状態を用いて、ISM/トランスデューサ界面で定義された電位を取得することを中心に展開されている。トランスデューサとして導電性ポリマーを使用するセンサの場合、酸化還元状態の電気化学的制御は、電流パルスを介して、ISEを標準参照電極と平衡化させるか、電極製造中にトランスデューサ層を制御して分極させることによって行うことができる。 A calibration-free ISE design revolves around obtaining a defined potential at the ISM/transducer interface with a controlled oxidation state in either the ISM or transducer phases. For sensors using conducting polymers as transducers, electrochemical control of the redox state can be achieved via current pulses by equilibrating the ISE with a standard reference electrode or by controlling the polarization of the transducer layer during electrode fabrication. It can be done by letting

実施された特定の研究において、コロイドインプリントメソ多孔性カーボンに基づく固体選択性電極又は固体参照電極が検討された。この場合、酸化還元活性分子は、トランスデューサ層に存在するのではなく、イオン選択性膜と混合された。酸化還元対の存在により、コンディショニング溶液で72時間の試験時間にわたって安定性が得られた。 In certain studies performed, solid selective or solid reference electrodes based on colloidal imprinted mesoporous carbon were investigated. In this case the redox-active molecules were mixed with the ion-selective membrane rather than being present in the transducer layer. The presence of the redox couple provided stability in the conditioning solution over the 72 hour test period.

他の研究においては、クリックケミストリによってセンサの構成要素に酸化還元活性分子が共有結合している固体イオン選択性電極が調査された。この場合、酸化還元活性分子の付着方法が研究の焦点であり、クリックケミストリは、種々の異なる分子を成分に付着させる手段とみなされた。 Other studies have investigated solid ion-selective electrodes in which redox-active molecules are covalently attached to sensor components by click chemistry. In this case, methods of attachment of redox-active molecules were the focus of research, and click chemistry was viewed as a means of attaching a variety of different molecules to moieties.

上述したコロイドインプリントメソ多孔性カーボンに基づく固体選択性電極又は固体参照電極の研究においては、ISM層の制御された酸化還元状態は、膜カクテルを調製する際に、定義された酸化状態の酸化還元活性化合物を膜相に直接に混合することによって実現されている。従来より、低ドリフトを示す非常に安定したセンサが開発されてきたが、酸化還元活性分子は、溶液に浸漬した際にISMから浸出しないように十分に親油性になるように設計する必要がある。この目的のために、従来、煩雑な合成プロトコルが、所望の特性を有する酸化還元活性分子を得るように設計されている。ISMにおけるこれらの分子の使用においても不両立が存在している。安定なイオン-イオノフォア錯体は、センサ性能における高い選択性に寄与するが、これは逆に、溶液と接触した場合に、ISMからの酸化還元活性分子の損失を増加させる場合がある。結果として、センサの読み取り値の安定性は、センサの選択性と必然的に競合することとなり、このため、妥協を余儀なくされる。さらに、従来のISEの手順書においては通常24時間のコンディショニングが推奨されているが、これは長すぎて簡便ではない場合がある。従来のセンサは、高い安定性を示すことが報告されているが、時間の経過とともにゼロ以外の電位ドリフトが発生する可能性が高いため、再較正を含めた較正が必要になる。 In the solid selective electrode or solid reference electrode studies based on colloid-imprinted mesoporous carbon described above, the controlled redox state of the ISM layer was oxidized to a defined oxidation state when preparing the membrane cocktail. It is realized by mixing the reductively active compound directly into the membrane phase. Previously, highly stable sensors have been developed that exhibit low drift, but redox-active molecules must be designed to be sufficiently lipophilic that they do not leach out of the ISM when immersed in solution. . To this end, tedious synthetic protocols are conventionally designed to obtain redox-active molecules with the desired properties. Conflicts also exist in the use of these molecules in ISM. Although stable ion-ionophore complexes contribute to high selectivity in sensor performance, this may in turn increase the loss of redox-active molecules from the ISM when in contact with solutions. As a result, the stability of the sensor reading is necessarily competing with the selectivity of the sensor, and thus a compromise is required. In addition, conventional ISE protocols usually recommend 24 hours of conditioning, which may be too long and inconvenient. Conventional sensors have been reported to exhibit high stability, but are likely to experience non-zero potential drift over time, requiring calibration, including recalibration.

このように、上述した問題の1つ以上を改善及び/又は解決する解決手段が必要とされている。本明細書に記載の解決手段は、少なくとも、センサ及びかかるセンサを製造する方法を提供するものである。 Thus, what is needed is a solution that ameliorates and/or solves one or more of the problems discussed above. The solutions described herein provide at least a sensor and a method of manufacturing such a sensor.

発明の概要
第1の態様では、液体中の陽イオンの濃度を測定するためのイオン選択性電極センサにおいて、
イオン選択性膜であって、当該イオン選択性膜全体にわたって液体中の陽イオンの選択的拡散を促進するイオン選択性膜と、
液体中の陽イオンの濃度を測定するための外部装置に接続された電気コンタクト層と、
イオン選択性膜と電気コンタクト層との間に配置されたトランスデューサ層と、
を含み、
トランスデューサ層が、金属フェロシアン化物でドープされた炭素を含む、
イオン選択性電極センサが提供される。
SUMMARY OF THE INVENTION In a first aspect, an ion selective electrode sensor for measuring the concentration of cations in a liquid, comprising:
an ion selective membrane that promotes selective diffusion of cations in a liquid across the ion selective membrane;
an electrical contact layer connected to an external device for measuring the concentration of cations in the liquid;
a transducer layer disposed between the ion selective membrane and the electrical contact layer;
including
wherein the transducer layer comprises carbon doped with metal ferrocyanide;
An ion selective electrode sensor is provided.

他の態様では、第1の態様において説明したイオン選択性電極センサを製造する方法であって、
不活性基板上に電気コンタクト層を堆積させることと、
電気コンタクト層上に金属フェロシアン化物でドープされた炭素を含むトランスデューサ層を堆積させることと、
トランスデューサ層上にイオン選択性膜を堆積させて、イオン選択性電極を形成することと、
を含む方法が提供される。
In another aspect, a method of making an ion selective electrode sensor as described in the first aspect, comprising:
depositing an electrical contact layer on an inert substrate;
depositing a transducer layer comprising carbon doped with metal ferrocyanide on the electrical contact layer;
depositing an ion selective membrane on the transducer layer to form an ion selective electrode;
A method is provided comprising:

図面においては、同様の参照文字は、概して、異なる図を通して同様の部分を指す。図面は、必ずしも縮尺通りではなく、代わりに一般的に本発明の原理を説明することに重点が置かれる。以下の説明においては、本開示の種々の実施形態が、以下の図面を参照して説明される。 In the drawings, like reference characters generally refer to like parts throughout the different views. The drawings are not necessarily to scale, emphasis instead being generally placed on illustrating the principles of the invention. In the following description, various embodiments of the disclosure are described with reference to the following drawings.

コーティングされたワイヤ電極を示す概略図である。電極(100)は、液体センシング環境(102)に配置される。電極(100)は、支持基板(108)上に配置され、PVCイオン選択性膜(ISM)(104)及び電気コンタクト(106)を含む。FIG. 2 is a schematic diagram showing a coated wire electrode; The electrodes (100) are placed in a liquid sensing environment (102). The electrode (100) is disposed on a support substrate (108) and includes a PVC ion selective membrane (ISM) (104) and electrical contacts (106). 変更された電極(112)を示す概略図であり、トランスデューサ層(110)が選択性膜層の下に配置されている。Schematic showing a modified electrode (112) with a transducer layer (110) positioned below the selective membrane layer. 10-3MのKClに浸漬した従来のPEDOT:PSSトランスデューサを備えたISEの時間h単位におけるコンディショニング時間(202)に対するmVにおける標準電位項E(200)のプロットを示す図である。Eは、10-1、10-2、10-3及び10-4MのKCl溶液の溶液で較正した場合の各センサの個々の検量線から計算した。総ての開回路電位(OCP)測定が、標準の3MのKCl参照電極に対して行われた。中空の菱形は乾燥条件下で取得されたデータを表し、影付きの菱形は予備水和条件下で取得されたデータを表している。FIG. 3 shows a plot of the standard potential term E 0 (200) in mV versus conditioning time (202) in hours h for an ISE with a conventional PEDOT:PSS transducer immersed in 10 −3 M KCl. E 0 was calculated from individual calibration curves for each sensor when calibrated with solutions of 10 −1 , 10 −2 , 10 −3 and 10 −4 M KCl solutions. All open circuit potential (OCP) measurements were made against a standard 3M KCl reference electrode. Open diamonds represent data acquired under dry conditions and shaded diamonds represent data acquired under pre-hydration conditions. 10-3MのKClに浸漬した従来のPEDOT:PSSトランスデューサを備えたISEの時間h単位におけるコンディショニング時間(302)に対するmVにおける標準電位項E(300)のプロットを示す図である。Oを含まないセットを脱気溶液に48時間保持し、Oを含むセットを実験室の雰囲気に曝露した溶液に保持した。上方のプロットは、酸素の存在下で取得されたデータを表している。下方のプロットは、酸素の非存在下で取得されたデータを表している。FIG. 3 shows a plot of the standard potential term E 0 in mV (300) versus conditioning time (302) in hours h for an ISE with a conventional PEDOT:PSS transducer immersed in 10 −3 M KCl. The O2 -free set was kept in the degassed solution for 48 h and the O2 -containing set was kept in the solution exposed to the laboratory atmosphere. The upper plot represents data acquired in the presence of oxygen. The lower plot represents data acquired in the absence of oxygen. KFeCNセンサアーキテクチャを示す側面図である。電極(400)は、液体センシング環境(402)に配置される。電極(400)は、支持基板(408)上に配置され、PVCイオン選択性膜(ISM)(404)と電気コンタクト(406)との間に挟まれ、KFeCNでドープされた炭素トランスデューサ層(410)を含む。FIG. 10 is a side view of the KFeCN sensor architecture; The electrodes (400) are placed in a liquid sensing environment (402). The electrode (400) is disposed on a support substrate (408) and sandwiched between a PVC ion selective membrane (ISM) (404) and an electrical contact (406), a carbon transducer layer (410) doped with KFeCN. )including. メトロームドロップセンス(Metrohm Dropsens)社製の従来のスクリーン印刷電極を示す概略図である。1 is a schematic diagram showing a conventional screen printed electrode from Metrohm Dropsens; FIG. 較正不要測定、コンディショニング及び水和手順の影響を得るためのフローチャートである。6~12時間の第3のコンディショニング及び保存状態が推奨される。3~12時間及び6~12時間(酸素なし)の「較正不要測定」では、安定した測定が可能であるが、コンディショニング液から酸素を除去する必要がある。この煩雑さは、ユーザが個別の較正ステップを実行することよりも重大であり、従って、依然として使用可能ではあるが、好ましい使用とはされない。「較正必要」と表示されているボックスは、安定した測定をすることができない経路を示している。ワークフローは、(600)、(602)及び(604)により表される3つの段階に一般化することができる。(600)においては、それぞれの保存雰囲気から新しいセンサが取り出されて使用される。(602)においては、センサが10-3MのKClに浸漬され、浸漬時間及び溶解酸素環境が制御される。は、雰囲気レベルに存在する酸素を示す。**は、窒素で飽和していることを示す。FIG. 10 is a flow chart for obtaining the effects of calibration-free measurements, conditioning and hydration procedures; FIG. A third conditioning and storage period of 6-12 hours is recommended. The 3-12 hour and 6-12 hour (no oxygen) "calibrate free measurements" allow stable measurements but require the removal of oxygen from the conditioning solution. This complication outweighs the need for the user to perform separate calibration steps, so while still usable, it is not a preferred use. Boxes labeled "Needs Calibration" indicate pathways for which stable measurements cannot be made. The workflow can be generalized into three stages represented by (600), (602) and (604). At (600), a new sensor is removed from each storage atmosphere and used. At (602), the sensor is soaked in 10 −3 M KCl and the soak time and dissolved oxygen environment are controlled. * indicates oxygen present at ambient level. ** indicates saturated with nitrogen. 時間h単位のコンディショニング時間(702)に対するmVにおけるE値(700)のプロットを示す図である。E値は、48時間にわたる10-1~10-4MのKCl溶液における較正から得られたデータ点をリニアフィッティングすることにより計算した。中空の菱形及び十字は、電極の各セットについて、それぞれ酸素を含む場合及び含まない場合のコンディショニング溶液から取得されたデータを表している。Oを含まないコンディショニング溶液に保存された電極の場合、Nでバブリングして溶液を脱気した。Oに曝露したセンサと曝露していないセンサとにおける安定したE読み取り値の絶対値の違いは、少量のバッチ生産中の混合エラーに起因している。FIG. 7 shows a plot of E0 values in mV (700) versus conditioning time in hours h (702). E 0 values were calculated by linear fitting the data points obtained from the calibration in 10 −1 to 10 −4 M KCl solutions over 48 hours. Hollow diamonds and crosses represent data obtained from conditioning solutions with and without oxygen, respectively, for each set of electrodes. For electrodes stored in conditioning solution without O2 , the solution was degassed by bubbling N2 . The difference in absolute stable E 0 readings between O 2 -exposed and non-exposed sensors is attributed to mixing errors during small batch production. 時間h単位のコンディショニング時間(802)に対するmVにおけるE値(800)のプロットを示す図である。具体的には、図8Aは、最初に乾燥した状態からコンディショニングされたKFeCNセンサと、溶液中の酸素なしでコンディショニングされたセンサを100%の湿度に24時間供したセンサとの比較を示している。6~12時間の安定した電位値の間の絶対値の違いは、センサ製造中のバッチ間のエラーに起因している。中空の菱形及び十字は、それぞれ乾燥状態及び予備水和状態で取得されたデータを表している。FIG. 10 shows a plot of E0 values in mV (800) versus conditioning time in hours h (802). Specifically, FIG. 8A shows a comparison of a KFeCN sensor that was initially dry conditioned and a sensor that was conditioned without oxygen in solution and subjected to 100% humidity for 24 hours. . The difference in absolute values between the 6-12 hour stable potential values is due to batch-to-batch errors during sensor manufacturing. Hollow diamonds and crosses represent data acquired in dry and pre-hydrated conditions, respectively. 時間h単位のコンディショニング時間(806)に対するmVにおけるE値(804)のプロットを示す図である。具体的には、図8Bは、最初に乾燥した状態からコンディショニングされたKFeCNセンサと、溶液中の酸素でコンディショニングされたセンサを100%の湿度に24時間供したセンサとの比較を示している。中空の菱形及び十字は、それぞれ予備水和状態及び乾燥条件で取得されたデータを表している。FIG. 10 shows a plot of E0 values in mV (804) versus conditioning time in hours h (806). Specifically, FIG. 8B shows a comparison of a KFeCN sensor that was initially dry conditioned and a sensor that was conditioned with oxygen in solution and subjected to 100% humidity for 24 hours. Hollow diamonds and crosses represent data obtained under pre-hydrated and dry conditions, respectively. トランスデューサ層にKFeCNが存在しないセンサを0.1MのKClで48時間コンディショニングした場合の、時間h単位(902)に対するmVで測定された開回路電位(OCP)(900)のプロットを示す図である。FIG. 10 shows a plot of open circuit potential (OCP) measured in mV (900) versus time h units (902) for a sensor without KFeCN in the transducer layer conditioned with 0.1 M KCl for 48 hours. .

発明の詳細な説明
以下の詳細な説明は、本発明を実施することができる特定の詳細及び実施形態を例示として示す添付の図面を参照している。これらの実施形態は、当業者が本発明を実施できるように十分に詳細に説明されている。また、本発明の範囲を逸脱しない範囲において、他の実施形態を利用したり、変更を加えたりすることができる。一部の実施形態を1つ以上の他の実施形態と組み合わせて新しい実施形態を構成することができるため、種々の実施形態は必ずしも相互に排他的ではない。本明細書における過去に公開された文献の列挙又は議論は、その文献が最新技術の一部であること又は一般的な知識であることを認めるものとは必ずしも解釈されるべきではない。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The following detailed description refers to the accompanying drawings that show, by way of illustration, specific details and embodiments in which the invention may be practiced. These embodiments are described in sufficient detail to enable those skilled in the art to practice the invention. Also, other embodiments may be utilized and modifications may be made without departing from the scope of the invention. Various embodiments are not necessarily mutually exclusive, as some embodiments can be combined with one or more other embodiments to form new embodiments. The listing or discussion of a previously published document herein should not necessarily be construed as an admission that the document is part of the state of the art or is common knowledge.

一実施形態の文脈において説明される特徴は、他の実施形態の同一又は類似の特徴に対応して適用可能であり得る。一実施形態の文脈において説明される特徴は、他の実施形態で明示的に説明されていなくても、対応してこれらの他の実施形態に適用可能であり得る。さらに、一実施形態の文脈における特徴について説明されるような追加及び/又は組合せ及び/又は代替は、他の実施形態における同一又は同様の特徴に対応して適用可能であり得る。 Features described in the context of one embodiment may be correspondingly applicable to the same or similar features of other embodiments. Features described in the context of one embodiment, even if not explicitly described in other embodiments, may be correspondingly applicable to those other embodiments. Moreover, additions and/or combinations and/or alternatives described for features in the context of one embodiment may be applicable correspondingly to the same or similar features in other embodiments.

本開示は、イオン選択性電極センサ及びかかるイオン選択性電極センサを製造する方法を提供する。 The present disclosure provides ion selective electrode sensors and methods of manufacturing such ion selective electrode sensors.

本発明に係るイオン選択性電極センサ及び方法は、少なくとも電位ドリフトを軽減し、本発明に係るイオン選択性電極センサを使用して行われる測定に関してセンサ間の再現性を改善し、使用前の較正及び再較正の必要性を減らす点において有利である。本発明に係るイオン選択性電極センサは、固体形態であり、使用中も固体形態を保持するので、本明細書においては「固体接触イオン選択性電極センサ」と称され得る。 The ion-selective electrode sensors and methods of the present invention at least mitigate potential drift, improve sensor-to-sensor reproducibility for measurements made using ion-selective electrode sensors of the present invention, and provide calibration prior to use. and in reducing the need for recalibration. Because the ion selective electrode sensor according to the present invention is in solid form and retains the solid form during use, it may be referred to herein as a "solid contact ion selective electrode sensor."

このように、本開示は、液体中の陽イオンの濃度を測定するためのイオン選択性電極センサを提供する。イオン選択性電極センサは、イオン選択性膜であって、イオン選択性膜全体にわたって液体中の陽イオンの選択的拡散を促進する、イオン選択性膜と、液体中の陽イオンの濃度を測定するための外部装置に接続された電気コンタクト層と、イオン選択性膜と電気コンタクト層との間に配置されたトランスデューサ層とを含み、トランスデューサ層は、金属フェロシアン化物でドープされた炭素を含む。 Thus, the present disclosure provides an ion selective electrode sensor for measuring the concentration of cations in liquids. An ion-selective electrode sensor measures the concentration of cations in a liquid with an ion-selective membrane that promotes selective diffusion of cations in the liquid across the ion-selective membrane. and a transducer layer disposed between the ion selective membrane and the electrical contact layer, the transducer layer comprising carbon doped with metal ferrocyanide.

本明細書において使用される「陽イオン」という用語は、正に帯電したイオンを指す。陽イオンは、一価陽イオン、二価陽イオン又は三価陽イオンであり得る。陽イオンは、金属イオンであるものとしてもよい。 As used herein, the term "cation" refers to positively charged ions. Cations can be monovalent cations, divalent cations or trivalent cations. The cations may be metal ions.

イオン選択性電極センサの場合、入力信号は、特定のイオンの活量であり、出力は、電位であり得る。 For ion-selective electrode sensors, the input signal can be the activity of a particular ion and the output can be a potential.

本発明に係るイオン選択性電極センサは、(i)参照電極と(ii)電気コンタクトとの間の電位差を測定するためのポテンショメータを含む外部装置に接続することができる。ポテンショメータにより、ユーザは、取得された電位差の測定値を読み取ることが可能となる。また、イオン選択性電極及び参照電極を電圧計に結合して、ユーザがかかる読み取り値を取得することも可能となる。 An ion selective electrode sensor according to the present invention can be connected to an external device including a potentiometer for measuring the potential difference between (i) a reference electrode and (ii) an electrical contact. The potentiometer allows the user to read the obtained potential difference measurement. Also, the ion-selective electrode and the reference electrode can be coupled to a voltmeter to allow the user to obtain such readings.

特定のイオンの活量に基づく信号入力の電位出力への変換は、試料流体とイオン選択性膜との間の界面で生じる。イオン選択性膜においては、自由に移動する電荷担体はイオンである。信号の変換には、イオンが下地のトランスデューサ層に近づく又は進入することにより、イオン電流が電流に変換されることも含まれる。トランスデューサ層としての導電性ポリマーの場合、変換は、導電性ポリマー層で起こる酸化還元反応の結果として生じる。ただし、イオン選択性膜を液体に浸漬すると、イオン選択性膜とその下地の層の大部分とが水和する可能性があり、即ち、水の層におけるコーティング又は分子水若しくはバルク水の吸収が生じ、イオン選択性膜へのイオンの拡散及びイオン濃度プロファイルに影響が発生して、これによって電位測定のドリフトが引き起こされる。本発明に係るセンサは、これを軽減するものである。 Conversion of a signal input to a potential output based on the activity of specific ions occurs at the interface between the sample fluid and the ion-selective membrane. In ion-selective membranes, the freely mobile charge carriers are ions. Signal conversion also includes the conversion of ionic currents into electrical currents as ions approach or enter the underlying transducer layer. In the case of a conducting polymer as the transducer layer, conversion occurs as a result of redox reactions occurring in the conducting polymer layer. However, when the ion-selective membrane is immersed in a liquid, the ion-selective membrane and most of the underlying layer can become hydrated, i.e. the coating or absorption of molecular or bulk water in the water layer. , affecting the diffusion of ions into the ion-selective membrane and the ion concentration profile, which causes potential measurement drift. The sensor according to the present invention alleviates this.

有利には、本発明に係るイオン選択性電極センサを使用して、標準偏差が4mV以下の安定した測定値を取得することができる。本発明に係るセンサは、金属フェロシアン化物がドープされた炭素電極を含むトランスデューサ層を有する。金属フェロシアン化物は、センサ間の再現性を高める酸化還元対である。これは、同等の条件下で測定を行うために使用される同一のセンサが異なる結果を生成しないことを意味する。このことはまた、同等の条件下で測定を行う異なるセンサが異なる結果を生成しないことも意味する。 Advantageously, the ion-selective electrode sensor according to the invention can be used to obtain stable measurements with a standard deviation of 4 mV or less. A sensor according to the present invention has a transducer layer comprising carbon electrodes doped with metal ferrocyanide. Metal ferrocyanides are redox couples that enhance reproducibility between sensors. This means that the same sensor used to make measurements under comparable conditions will not produce different results. This also means that different sensors measuring under comparable conditions will not produce different results.

金属フェロシアン化物は、酸化還元対を提供するための金属フェリシアン化物を含み得る。金属フェロシアン化物は、金属フェリシアン化物に変換可能であり、また、その逆も可能であり得る。酸化還元対は、イオン選択性膜が水和した場合においても、イオン選択性膜とトランスデューサ層との間の界面電位を安定させる。金属フェロシアン化物及び/又は金属フェリシアン化物により、イオン選択性膜とトランスデューサ層との間の界面電位を安定化するためにイオン選択性膜に直接に混合される親油性分子を使用することが回避される。親油性分子は、イオンに対する選択性及び/又は測定値の安定性を損なう場合がある。さらに、金属フェロシアン化物及び/又は金属フェリシアン化物は、吸湿性を有さない炭素にドープされているため、トランスデューサ層は、上部における水の形成に対して耐性を有する。 Metal ferrocyanide can include metal ferricyanide to provide a redox couple. A metal ferrocyanide can be converted to a metal ferricyanide and vice versa. The redox couple stabilizes the interfacial potential between the ion selective membrane and the transducer layer even when the ion selective membrane is hydrated. With metal ferrocyanide and/or metal ferricyanide, it is possible to use lipophilic molecules mixed directly into the ion selective membrane to stabilize the interfacial potential between the ion selective membrane and the transducer layer. Avoided. Lipophilic molecules may impair the selectivity for ions and/or the stability of the measurement. In addition, the metal ferrocyanide and/or metal ferricyanide is doped with carbon, which is not hygroscopic, so the transducer layer is resistant to water formation on top.

本発明に係るセンサは、液体中の陽イオンの濃度を測定するために使用することができ、活量は、液体中の陽イオンの濃度と相関し得る。陽イオンはカリウムイオンを含み得る。金属フェロシアン化物は、陽イオンと相容性を有するように選択することができる。例えば、陽イオンがカリウムイオンを含む場合、金属フェロシアン化物はフェロシアン化カリウムを含み得る。従って、金属フェリシアン化物は、フェリシアン化カリウムを含み得る。 A sensor according to the invention can be used to measure the concentration of cations in a liquid, and the activity can be correlated with the concentration of cations in the liquid. Cations may include potassium ions. Metal ferrocyanides can be selected to be compatible with cations. For example, if the cations include potassium ions, the metal ferrocyanide can include potassium ferrocyanide. Accordingly, the metal ferricyanide may include potassium ferricyanide.

本発明に係るセンサのイオン選択性膜は、ポリ塩化ビニル、又は、イオン選択性膜の33重量%の量のポリ塩化ビニルを含み得る。イオン選択性膜はまた、ポリ塩化ビニルが約33重量%の量でありかつ可塑剤が約66重量%である状態で、可塑剤を含むものとしてもよく、ここで、重量%は、イオン選択性膜に基づいている。可塑剤の非限定的な例は、ポリ塩化ビニルと相容性を有する任意の適当な可塑剤、例えばセバシン酸ジオクチルであるものとしてよい。可塑剤により拡散性が向上し、これにより、イオン選択性膜のイオン伝導性が向上する。 The ion selective membrane of the sensor according to the invention may comprise polyvinyl chloride or polyvinyl chloride in an amount of 33% by weight of the ion selective membrane. The ion-selective membrane may also include a plasticizer in an amount of about 33 wt% polyvinyl chloride and about 66 wt% plasticizer, where wt% is the ion selective Based on the sex membrane. A non-limiting example of a plasticizer may be any suitable plasticizer that is compatible with polyvinyl chloride, such as dioctyl sebacate. The plasticizer improves diffusivity, which improves the ionic conductivity of the ion-selective membrane.

本発明に係るイオン選択性電極センサは、イオン選択性膜に配置されたイオノフォアであって、イオン選択性膜への及び/又はイオン選択性膜からの液体中の陽イオンの選択的拡散を促進するイオノフォア、又は、イオン選択性膜に配置されたイオノフォアであって、イオン選択性膜への及び/又はイオン選択性膜からの液体中の陽イオンの選択的拡散を促進し、バリノマイシンを含み得るイオノフォアをさらに含み得る。イオノフォア、例えばバリノマイシンは、イオン選択性膜におよそ1重量%のローディングレートを有し得る。イオノフォアは陽イオンと選択的に結合し、陽イオンを、膜を越えてトランスデューサ層に輸送するのに役立ち得る。イオン伝導性及び電子伝導性の両方を示すトランスデューサ層の場合、イオン選択性膜とトランスデューサ層との間の界面において、イオノフォアが陽イオンを放出する。 The ion-selective electrode sensor of the present invention is an ionophore disposed in an ion-selective membrane that facilitates selective diffusion of cations in a liquid to and/or out of the ion-selective membrane. or an ionophore located in an ion-selective membrane that promotes selective diffusion of cations in a liquid to and/or out of the ion-selective membrane and may include valinomycin It may further contain an ionophore. Ionophores, such as valinomycin, can have loading rates of approximately 1% by weight on ion-selective membranes. Ionophores can selectively bind cations and help transport the cations across the membrane to the transducer layer. For transducer layers that exhibit both ionic and electronic conductivity, ionophores emit positive ions at the interface between the ion-selective membrane and the transducer layer.

本発明に係るイオン選択性電極センサは、さらに、イオン選択性膜、電気コンタクト層及びトランスデューサ層が上部に配置されている不活性基板を含み得る。 An ion-selective electrode sensor according to the present invention may further comprise an inert substrate on which the ion-selective membrane, the electrical contact layer and the transducer layer are arranged.

本開示はまた、本明細書に記載のイオン選択性電極センサを製造する方法を提供する。この方法は、不活性基板上に電気コンタクト層を堆積させることと、電気コンタクト層上に金属フェロシアン化物でドープされた炭素を含むトランスデューサ層を堆積させることと、トランスデューサ層上にイオン選択性膜を堆積させて、イオン選択性電極を形成することとを含む。 The present disclosure also provides methods of manufacturing the ion selective electrode sensors described herein. The method comprises depositing an electrical contact layer on an inert substrate, depositing a transducer layer comprising carbon doped with metal ferrocyanide on the electrical contact layer, and depositing an ion selective film on the transducer layer. to form an ion selective electrode.

既に上述した本発明に係るイオン選択性電極センサに関連する実施形態及び利点は、本方法に適用可能であり、逆もまた同様である。種々の構成要素及び構成並びにそれらの利点が既に上述されているので、本発明に係るイオン選択性電極センサの要素は、簡潔にするために繰り返し説明しないものとする。例えば、トランスデューサ層は、金属フェロシアン化物でドープされた炭素層であるものとしてよい。金属フェロシアン化物は、金属フェリシアン化物を含み得る。金属フェロシアン化物/フェリシアン化物は、カリウムフェロシアン化物/フェリシアン化物を含み得る。これに関して、本発明は、フェロシアン化カリウムでドープされた炭素の層を形成することを含み得る。 Embodiments and advantages relating to the ion-selective electrode sensor according to the invention already mentioned above are applicable to the present method and vice versa. Since the various components and configurations and their advantages have already been described above, the elements of the ion selective electrode sensor according to the invention will not be repeated for the sake of brevity. For example, the transducer layer may be a carbon layer doped with metal ferrocyanide. Metal ferrocyanides can include metal ferricyanides. The metal ferrocyanide/ferricyanide can include potassium ferrocyanide/ferricyanide. In this regard, the invention may include forming a layer of carbon doped with potassium ferrocyanide.

本方法において、イオン選択性膜を堆積させることは、(ia)ポリマーをシクロヘキサノンに溶解してポリマー溶液を形成すること、又は、(ib)ポリマーをシクロヘキサノンに溶解してポリマー溶液を形成することであって、ポリマーが、ポリ塩化ビニルを含む、ことと、(ii)トランスデューサ層上にポリマー溶液を形成することと、(iii)ポリマー溶液を加熱してシクロヘキサノンを除去し、これによってイオン選択性膜を形成することと、を含み得る。シクロヘキサノンの使用は、テトラヒドロフランなどの従来の溶媒と比較して、ポリ塩化ビニルを溶解するのに非常に時間を要するという点において有利である。言い換えると、シクロヘキサノンはイオン選択性膜を形成するためのポリ塩化ビニルの溶媒であるが、シクロヘキサノンのこの特性は、堆積された炭素のトランスデューサ層の溶解を有利に低減又は妨害する。ドープされた炭素トランスデューサ層の堆積には、ポリマー結合剤を伴うことができる。ポリマー結合剤がテトラヒドロフランと接触すると、容易に溶解し、ドープされた炭素層の完全性が失われ、ドープされた炭素層が溶媒に部分的に溶解する可能性がある。従って、シクロヘキサノンを使用すると、トランスデューサ層に損傷を与える可能性のあるさらに揮発性の高い溶媒が不要になる。既に上述したように、使用されるポリ塩化ビニルは、イオン選択性膜の約33重量%であり得る。可塑剤は、ポリマーに含まれ得る。例えば、可塑剤がポリ塩化ビニルに含まれるものとしてもよい。可塑剤は、イオン選択性膜の約66重量%であり得る。さらに、イオノフォアがポリマーに含まれ得る。イオノフォアは、イオン選択性膜の重量あたり約1重量%であり得る。イオノフォアは、例としてバリノマイシンであるものとしてもよい。 In the method, depositing the ion-selective membrane comprises (ia) dissolving the polymer in cyclohexanone to form a polymer solution, or (ib) dissolving the polymer in cyclohexanone to form a polymer solution. (ii) forming a polymer solution on the transducer layer; (iii) heating the polymer solution to remove cyclohexanone, thereby forming an ion selective membrane; and forming a. The use of cyclohexanone is advantageous in that it takes much longer to dissolve polyvinyl chloride compared to conventional solvents such as tetrahydrofuran. In other words, although cyclohexanone is a solvent for polyvinyl chloride to form ion-selective membranes, this property of cyclohexanone advantageously reduces or hinders dissolution of the deposited carbon transducer layer. Deposition of the doped carbon transducer layer can be accompanied by a polymeric binder. When the polymer binder comes into contact with tetrahydrofuran, it dissolves easily, and the integrity of the doped carbon layer is lost, and the doped carbon layer can partially dissolve in the solvent. Therefore, the use of cyclohexanone eliminates the need for more volatile solvents that can damage the transducer layer. As already mentioned above, the polyvinyl chloride used can be about 33% by weight of the ion selective membrane. A plasticizer may be included in the polymer. For example, a plasticizer may be included in polyvinyl chloride. The plasticizer can be about 66% by weight of the ion selective membrane. Additionally, ionophores can be included in the polymer. The ionophore can be about 1% by weight based on the weight of the ion selective membrane. The ionophore may be, for example, valinomycin.

本方法は、液体中の陽イオンの濃度の較正不要測定のためにイオン選択性電極センサをコンディショニングすることをさらに含み得る。コンディショニングは、(i)イオン選択性電極を不活性環境に保存することと、(iia)使用前に陽イオンを含む溶液にイオン選択性電極センサを浸漬すること、又は、(iib)使用前に陽イオンを含む溶液にイオン選択性電極センサを浸漬することであって、陽イオンがカリウムイオンを含み得る、ことと、を含み得る。 The method may further include conditioning the ion-selective electrode sensor for calibration-free measurement of the concentration of cations in the liquid. Conditioning includes (i) storing the ion-selective electrode in an inert environment; (ii) soaking the ion-selective electrode sensor in a solution containing cations prior to use; or (iib) prior to use. immersing the ion-selective electrode sensor in a solution containing cations, wherein the cations may include potassium ions.

イオン選択性電極の保存は、無水窒素中又は含水窒素中にイオン選択性電極を配置することを含み得る。既に上述したように、金属フェロシアン化物及び/又は金属フェリシアン化物でドープされた炭素トランスデューサ層は、水の存在下でセンサを安定化する酸化還元対を提供する。従って、湿気のない窒素又は湿気のある窒素でセンサを保存しても、センサの安定性が大幅に損なわれることはない。 Storing the ion selective electrode can include placing the ion selective electrode in anhydrous or hydrous nitrogen. As already mentioned above, a carbon transducer layer doped with metal ferrocyanide and/or metal ferricyanide provides a redox couple that stabilizes the sensor in the presence of water. Therefore, storage of the sensor in dry or moist nitrogen does not significantly compromise sensor stability.

イオン選択性電極センサを浸漬することは、イオン選択性電極を酸素の非存在下で溶液に6~12時間浸漬すること、又は、イオン選択性電極を酸素の存在下で溶液に6~12時間浸漬することを含み得る。 Soaking the ion-selective electrode sensor includes immersing the ion-selective electrode in solution in the absence of oxygen for 6-12 hours, or immersing the ion-selective electrode in solution in the presence of oxygen for 6-12 hours. can include soaking.

本方法は、金属フェロシアン化物及び/又は金属フェリシアン化物でドープされた炭素を含むトランスデューサ層を導入するので、使用前のイオン選択性電極センサのコンディショニングは、酸素の存在下又は非存在下で行うことができる。既に上述したように、金属フェロシアン化物及び/又はフェリシアン化物は、電位ドリフトを軽減する酸化還元対を提供する。換言すれば、本発明のトランスデューサ層は、特定された6~12時間の間に試料溶液中の酸素の影響に対する耐性が向上し、電位測定の安定性が向上したことを示す。これにより、本発明に係るイオン選択性センサのコンディショニングがより汎用的となり、酸素の必要性又は非存在によって制限されなくなる。 Since the method introduces a transducer layer comprising metal ferrocyanide and/or carbon doped with metal ferricyanide, conditioning of the ion-selective electrode sensor prior to use can be done in the presence or absence of oxygen. It can be carried out. As already mentioned above, metal ferrocyanides and/or ferricyanides provide a redox couple that mitigates potential drift. In other words, the transducer layer of the present invention exhibits improved resistance to the effects of oxygen in the sample solution during the specified 6-12 hours and improved potential measurement stability. This makes the conditioning of ion-selective sensors according to the invention more versatile and not limited by the need or absence of oxygen.

溶液は、陽イオンを含むものとしてもよく、その濃度が測定対象となっている。陽イオンはカリウムであり得る。溶液は塩化カリウムを含み得る。塩化カリウムは、本発明に係るイオン選択性電極センサをコンディショニングするために、10-3~10-5Mの範囲の濃度であり得る。 The solution may contain cations, the concentration of which is being measured. The cation can be potassium. The solution may contain potassium chloride. Potassium chloride can range in concentration from 10 −3 to 10 −5 M to condition ion selective electrode sensors according to the present invention.

本開示において、「実質的に」という言葉は、「完全に」を除外するものではなく、例えば、Yを「実質的に含まない」組成物は、Yを完全に含まない場合もある。必要に応じて、「実質的に」という言葉は、本発明の特定事項から省略されてもよい。 In this disclosure, the word "substantially" does not exclude "completely", for example a composition "substantially free" of Y may be completely free of Y. If desired, the word "substantially" may be omitted from the specification of the invention.

種々の実施形態の文脈において、特徴又は要素に関連して使用される冠詞「a」、「an」及び「the」は、1つ以上の特徴又は要素への言及を含む。 In the context of various embodiments, the articles "a," "an," and "the" used in connection with features or elements include references to one or more features or elements.

種々の実施形態の文脈において、数値に適用される「約(about)」又は「およそ(approximately)」という用語は、正確な値及び合理的な分散を包含する。 In the context of various embodiments, the term "about" or "approximately" as applied to numerical values encompasses exact values and reasonable variances.

本明細書において使用される場合、「及び/又は」という用語は、関連する列挙された項目の1つ以上のありとあらゆる組合せを含む。 As used herein, the term "and/or" includes any and all combinations of one or more of the associated listed items.

本明細書に例示的に記載される本発明は、本明細書に具体的に開示されていない任意の1つ又は複数の要素、限定又は制限が存在しない場合に、適当に実施することができる。従って、例えば、用語「含む(comprising)」、「備える(including)」、「含有する(containing)」などは、拡張的かつ非限定的に解釈されるものとする。従って、用語「含む(comprise)」又は「含む(comprises)」又は「含む(comprising)」などの変形は、記載された整数又は整数の群を含むことを意味するが、任意の他の整数又は整数の群を除外することを意味しないと理解される。さらに、本明細書において使用される用語及び表現は、限定ではなく説明の用語として使用されており、かかる用語及び表現の使用には、図示及び説明される特徴又はその一部の任意の均等物を除外する意図はないが、特許請求される本発明の範囲内において種々の修正が可能であることが認識される。従って、本発明は、例示的な実施形態及び任意選択の特徴によって具体的に開示されているが、本明細書に開示される本明細書において具現化される本発明の修正及び変形が当業者によって行われるものとしてもよく、かかる修正及び変形は本発明の範囲内であるとみなされることを理解されたい。 The invention illustratively described herein suitably may be practiced in the absence of any element or elements, limitation or limitation not specifically disclosed herein. . Thus, for example, the terms "comprising," "including," "containing," etc. shall be interpreted expansively and non-limitingly. Thus, the term “comprises” or “comprises” or variations such as “comprising” are meant to include the recited integer or group of integers, but any other integer or It is understood that it is not meant to exclude groups of integers. Moreover, the terms and expressions used herein are used as terms of description rather than of limitation, and use of such terms and expressions does not imply any equivalents of the features illustrated and described, or portions thereof. is not intended to exclude, but it is recognized that various modifications are possible within the scope of the invention as claimed. Accordingly, while the present invention has been specifically disclosed by way of exemplary embodiments and optional features, modifications and variations of the invention embodied herein disclosed herein will occur to those skilled in the art. and that such modifications and variations are considered to be within the scope of the present invention.

実施例
本開示は、液体中の陽イオンの濃度を測定するためのイオン選択性電極センサ、及び、イオン選択性電極センサを製造する方法を提供する。本開示が容易に理解され、実際に実施され得るために、特定の実施形態が、以下の非限定的な例によって説明される。
EXAMPLES The present disclosure provides ion-selective electrode sensors for measuring the concentration of cations in liquids and methods of making ion-selective electrode sensors. In order that the present disclosure may be readily understood and implemented in practice, specific embodiments are illustrated by the following non-limiting examples.

実施例1A:従来のセンサの電位ドリフト
固体接触イオンセンサにおいては、同一溶液で記録された電位が異なる時点で変化する、電位ドリフトが生じる場合がある。乾燥した電極を溶液に浸漬すると、膜に水分が取り込まれ、膜の水和状態が変化する。これにより、膜内の一次イオン(この場合はK)の活量係数が変化する。電位差信号は、ISEの金属接点と参照電極との間の総ての界面電位の合計であるため、水和の関数としての膜のイオン濃度プロファイルの変化により、膜の界面電位が変化する。これは、記録された電位の絶対値の全体的なシフトとして観察される。センサを最初に10-3MのKClコンディショニング溶液に浸漬してから1~12時間後の、標準電位項Eの読み取り値を比較する場合の例を図2に示す。予備水和されたセンサを湿度100%のN雰囲気に24時間曝露したのに対し、乾燥したセンサは、0時間の試験時間で液体に直接に浸漬した。この2セットのデータの違いは、2セットのイオン選択性膜間の水和状態の違いを説明している。
Example 1A Potential Drift of Conventional Sensors In solid contact ion sensors, potential drift can occur where the potential recorded in the same solution changes at different times. When a dry electrode is immersed in a solution, water is taken up by the membrane and the hydration state of the membrane is changed. This changes the activity coefficient of the primary ion (in this case K + ) in the membrane. Since the potentiometric signal is the sum of all interfacial potentials between the metal contacts of the ISE and the reference electrode, changes in the membrane's ion concentration profile as a function of hydration will change the membrane's interfacial potential. This is observed as an overall shift in the absolute value of the recorded potential. An example comparing readings for the standard potential term E 0 1-12 hours after the sensor was first immersed in a 10 −3 M KCl conditioning solution is shown in FIG. The pre-hydrated sensors were exposed to a 100% humidity N2 atmosphere for 24 hours, whereas the dried sensors were immersed directly in the liquid for a test time of 0 hours. The difference in the two sets of data explains the difference in hydration state between the two sets of ion-selective membranes.

PVC膜中の水は、2つの拡散係数を有することが見出されている。第1のより速い係数は、膜の初期の水和において支配的であることが見出されている。これは、水和の最初の12時間の間に、図2の乾燥膜の場合のドリフト速度がはるかに高いことから分かる。次いで、24時間の水和が経過した後のデータ点から、第2のより遅い水和プロセスが分かり、ドリフトのより遅いプロセスとして観察することができる。 Water in PVC membranes has been found to have two diffusion coefficients. A first, faster factor is found to dominate the initial hydration of the membrane. This can be seen from the much higher drift velocity for the dry film in FIG. 2 during the first 12 hours of hydration. A second slower hydration process can then be seen from the data points after 24 hours of hydration has passed and can be observed as a slower process of drift.

ドリフトの結果、各センサの電位差信号は時間のオーダーで安定せず、時間によってドリフトの速度が異なるため、ドリフトの程度を予測することは困難である。 As a result of drift, the potential difference signal of each sensor is not stable in the order of time, and the speed of drift varies with time, making it difficult to predict the extent of drift.

固体接触のISEの平衡化プロセスは、ISM/トランスデューサ層の界面で起こる平衡化プロセスによって複雑となる。PEDOT:PSSは、新たに準備された電極のさらなる下方へのドリフトを促すものであり、これがISM層で発生する平衡化と競合する程度がこれまでに推測されてきた。それにもかかわらず、一貫しているのは48時間の実験中の継続的な下方へのドリフトである。従って、時間の経過に伴う絶対電位は、常に時間に依存している。これは、従来のセンサの測定値間において較正が必要であることを示している。 The equilibration process of a solid-contact ISE is complicated by the equilibration process that occurs at the ISM/transducer layer interface. It has previously been speculated that PEDOT:PSS promotes further downward drift of the newly prepared electrode and the extent to which this competes with the equilibration occurring in the ISM layer. Nonetheless, what is consistent is a continued downward drift during the 48 hour experiment. Therefore, the absolute potential over time is always time dependent. This indicates the need for calibration between conventional sensor measurements.

実施例1B:従来のセンサの較正の要件
従来のISEにおいては、ドリフトによる電位不安定性と、センサ間の再現性が低いこととから、効果的な測定を実行するための較正を必要とする。これを克服するためには、自動化又は訓練を用いる必要があり、リソースの使用が増加し、測定エラーが発生する可能性がある。
Example 1B: Requirements for Calibration of Conventional Sensors In conventional ISEs, potential instabilities due to drift and poor sensor-to-sensor reproducibility require calibration to perform effective measurements. To overcome this, automation or training must be used, which increases resource usage and can introduce measurement errors.

実施例1C:従来のセンサの保存用の酸素感度
保存環境の酸素がE値に与える影響は2通りある。図3においては、9時間後にE値の明らかな乖離が見られる。ここで、脱気された溶液に保存されたセンサの値は、Oが存在する環境に保存されたものと比較して、E値の低下がより大きくなっている。この効果は、PEDOT:PSSの従来の膜において以前に報告されている。
Example 1C: Oxygen Sensitivity for Storage of Conventional Sensors There are two ways oxygen in the storage environment affects the E0 value. In Figure 3, a clear divergence of the E0 values is seen after 9 hours. Here, the sensor values stored in the degassed solution show a greater drop in E0 values compared to those stored in an environment with O2 present. This effect has been previously reported in conventional films of PEDOT:PSS.

酸素はまた、センサ間のE値の再現性を大幅に低下させる。O中のセンサは、E値において約20mVの標準偏差を示した。ネルンストの式によれば、従来の電位差センサは、一価の分析物イオンに対して分析物濃度の10年当たり59.2mVの差を示しており、20mVの標準偏差は、センサ間の同一の電圧読み取り値に対して分析物活量の不十分な相関をもたらすことになる。 Oxygen also significantly reduces the reproducibility of E0 values between sensors. Sensors in O2 showed a standard deviation of about 20 mV in E0 values. According to the Nernst equation, conventional potentiometric sensors show a 59.2 mV per decade difference in analyte concentration for monovalent analyte ions, with a standard deviation of 20 mV yielding the same This will result in poor correlation of analyte activity to voltage readings.

実施例2:本発明に係るセンサの構造
本発明に係るKセンサは、フェロシアン化カリウム(KFeCN)をドープした炭素トランスデューサに基づいており、センサは、遊離Kイオンを検出するために水溶液に浸漬することができる。本発明に係るセンサの設計は、他の金属陽イオン感応膜と共に使用され、かつ、トランスデューサ層にフェロシアン化物を有する場合に、同様に高い性能を可能にする。次いで、試料に依存した電位が試料/ISM界面全体にわたって生じる。遊離金属陽イオンの活量は、測定された電圧を較正曲線から外れた活量に一致させることによって決定することができる。
Example 2: Structure of a sensor according to the present invention A K + sensor according to the present invention is based on a carbon transducer doped with potassium ferrocyanide (KFeCN) and the sensor is immersed in an aqueous solution to detect free K + ions. can do. The sensor design according to the present invention enables similarly high performance when used with other metal cation sensitive membranes and having ferrocyanide in the transducer layer. A sample-dependent potential is then developed across the sample/ISM interface. The free metal cation activity can be determined by matching the measured voltage to the activity outside the calibration curve.

従来のセンサと比較して、本発明に係るセンサは安定した電位及びセンサ間の高い再現性を示す。本発明に係るセンサはまた、材料の製造を必要とせず、市販の試薬で製造することができるため、費用効果が高く、簡便に製造可能である。本発明に係るセンサは、10-3Mの塩化カリウム(KCl)の水溶液に6~12時間曝露することにより、簡便な方法により準備することができる。センサをKCl溶液から直ちに取り出して測定に使用することにより、安定した測定値(E標準偏差が約4mV以下)を取得することができる。全体のワークフローを図6に示す。 Compared to conventional sensors, the sensors according to the invention exhibit stable potentials and high reproducibility between sensors. Sensors according to the present invention are also cost-effective and easy to manufacture, as they do not require the manufacture of materials and can be manufactured with commercially available reagents. A sensor according to the present invention can be conveniently prepared by exposure to an aqueous solution of 10 −3 M potassium chloride (KCl) for 6-12 hours. Stable measurements ( E0 standard deviation less than about 4 mV) can be obtained by immediately removing the sensor from the KCl solution and using it for measurements. The overall workflow is shown in Figure 6.

全体的に見ると、本発明に係るセンサは、図4に示されているように、不活性基板(408)上に支持された3つの層を含み得る。各層はスクリーン印刷などの大規模な生産方法に適しており、センサは平面基板(408)に印刷することができる。ISM(404)及び基板(408)は、分析物溶液(402)と接触するセンサの唯一の部分であり得る。電気コンタクト(406)は、絶縁されており、標準の参照電極に対する測定のために外部ポテンショメータに接続され得る。 Overall, a sensor according to the present invention may comprise three layers supported on an inert substrate (408), as shown in FIG. Each layer is suitable for large scale production methods such as screen printing and the sensor can be printed on a planar substrate (408). The ISM (404) and substrate (408) may be the only parts of the sensor that come into contact with the analyte solution (402). Electrical contacts (406) are insulated and can be connected to an external potentiometer for measurement against a standard reference electrode.

ISM(404)は、Kに対する感度及び選択性を提供する。ISM製剤の非限定的な例は、約33重量%のポリ塩化ビニル及び66重量%の可塑剤からなる膜であるものとしてもよい。ここで、重量%は、ISMに基づいている。一方、トランスデューサ層(410)は、以下を提供する。 ISM (404) provides sensitivity and selectivity for K + . A non-limiting example of an ISM formulation may be a membrane consisting of about 33% polyvinyl chloride and 66% plasticizer by weight. Here, weight percentages are based on ISM. On the other hand, the transducer layer (410) provides:

本発明に係るセンサのトランスデューサ層(410)は、炭素中の酸化還元対の存在により、センサ間の再現性を大幅に改善する。これにより、ISM/トランスデューサ層界面における界面電位が安定化する。トランスデューサ(410)内の酸化還元対の存在は、上記の背景で説明したような従来のセクションの設計とは対照的である。従来のセクションの設計においては、ISM(404)内の酸化還元対の位置がセンサの使用中にセンシング環境(402)に対して見失われないように十分に親油性である分子の設計及び合成が必要とされる。前述のセンサの選択性と読み取り値の安定性との間の不両立の関係も、本発明に係るセンサによって回避することができる。カーボントランスデューサ(410)は、PEDOT:PSSと比較して吸湿性を有さないため、測定中に不安定性を生じさせる水層の形成に対する耐性が高くなる。ネルンストの式に基づくと、ISM/トランスデューサ層の界面の電位は、カリウムフェロシアン化物/カリウムフェリシアン化物の酸化還元対の酸化還元状態に依存し、その安定性は、層中のこの全体的な酸化還元状態を変化させる外部因子に依存し得る。かかる因子には、長時間の曝露により湿ったフェロシアン化物をフェリシアン化物に酸化する可能性のある酸素、又は、製造プロセス中のフェロシアン化物若しくはフェリシアン化物の純度が含まれ得る。酸化還元状態は、次式、即ち、

Figure 2022537280000003
により表すことができる。 The transducer layer (410) of the sensor of the present invention greatly improves sensor-to-sensor reproducibility due to the presence of redox couples in the carbon. This stabilizes the interfacial potential at the ISM/transducer layer interface. The presence of redox couples in transducer (410) is in contrast to conventional section designs as described in the Background above. In the design of conventional sections, the design and synthesis of molecules that are sufficiently lipophilic so that the positions of the redox couples within the ISM (404) are not lost to the sensing environment (402) during use of the sensor. Needed. The aforementioned trade-off between sensor selectivity and reading stability can also be avoided by the sensor according to the invention. Carbon transducers (410) are less hygroscopic compared to PEDOT:PSS, making them more resistant to the formation of water layers that cause instability during measurements. Based on the Nernst equation, the potential at the ISM/transducer layer interface depends on the redox state of the potassium ferrocyanide/potassium ferricyanide redox couple, and its stability depends on this overall It can depend on external factors to change the redox state. Such factors can include oxygen, which can oxidize wet ferrocyanide to ferricyanide upon prolonged exposure, or the purity of ferrocyanide or ferricyanide during the manufacturing process. The redox state is given by the formula:
Figure 2022537280000003
can be represented by

トランスデューサ(410)の全体的な酸化還元状態は一定のままであるため、センサを使用して較正不要測定を行うことができる。トランスデューサ(410)はまた、ほぼゼロ電流(約10-12A)の状態でISM(404)とイオンを交換し、このイオン電流が電子電流に変換されて、ポテンショメータにより測定可能となる。 Since the overall redox state of the transducer (410) remains constant, the sensor can be used to make calibration-free measurements. The transducer (410) also exchanges ions with the ISM (404) at near zero current (approximately 10 −12 A) and this ion current is converted to an electronic current that can be measured by a potentiometer.

電気コンタクト(406)は、トランスデューサ(410)とポテンショメータへのワイヤとの間に電気的接触を形成する導体として機能する。 The electrical contacts (406) act as conductors making electrical contact between the transducer (410) and the wires to the potentiometer.

実施例3:装置製造のための材料選択
電極の選択には、スクリーン印刷されたカーボンセンサを採用した。また、フェロシアン化カリウム酸化還元対をドープした炭素を採用した。電極は、図5に示されるレイアウトでメトローム社から購入した。
Example 3: Material Selection for Device Fabrication Screen-printed carbon sensors were employed for electrode selection. Carbon doped with a potassium ferrocyanide redox couple was also employed. Electrodes were purchased from Metrohm with the layout shown in FIG.

作用電極、対向電極及び疑似参照電極は、総て同一の電極上に配置した。電極は、平面形状であるため、ドロップキャスティング又はスクリーン印刷などのプロセスによる修正が可能である。作用電極の直径は、4mmであり、測定には作用電極のみを使用した。 The working, counter and pseudo-reference electrodes were all placed on the same electrode. Because the electrodes are planar, they can be modified by processes such as drop casting or screen printing. The diameter of the working electrode was 4 mm and only the working electrode was used for the measurements.

イオン選択性膜の選択は、従来から研究されているイオン選択性電極で使用されているものと同様であり、膜の重量組成あたりおよそ33重量%のPVC、及び、セバシン酸ジオクチルなどの66重量%の可塑剤を使用した。Kに対して高い選択性を有する、イオノフォアであるバリノマイシンを使用した。膜を約6重量%の膜成分を含むシクロヘキサノン溶媒に溶解し、10μlの膜溶液を個々の電極にドロップキャスト又はスクリーン印刷した。シクロヘキサノンは、テトラヒドロフランなどのより一般的に使用される溶媒と比較して、PVCの溶解に非常に長い時間を要するために選択された。スクリーン印刷プロセスで使用されるインクはポリマー結合剤で構成されているため、シクロヘキサノンのこの特性により、スクリーン印刷された炭素電極の溶解が大幅に減少する。それ以外の場合で、揮発性が高すぎる溶媒を使用すると、炭素層が完全性を失い、部分的に溶解する可能性がある。次に、各電極を70℃のホットプレート上に約5分間置いた。 The selection of ion-selective membranes is similar to those used in previously studied ion-selective electrodes, with approximately 33 wt% PVC and 66 wt% such as dioctyl sebacate per weight composition of the membrane. % plasticizer was used. The ionophore valinomycin was used, which has high selectivity for K + . The membrane was dissolved in a cyclohexanone solvent containing about 6% by weight membrane component and 10 μl of the membrane solution was drop-cast or screen-printed onto each electrode. Cyclohexanone was chosen because it takes a very long time to dissolve PVC compared to more commonly used solvents such as tetrahydrofuran. This property of cyclohexanone greatly reduces the dissolution of screen-printed carbon electrodes, since the inks used in the screen-printing process are composed of polymeric binders. Otherwise, using a solvent that is too volatile can cause the carbon layer to lose integrity and partially dissolve. Each electrode was then placed on a hot plate at 70° C. for about 5 minutes.

トランスデューサ層は、そのスクリーン印刷可能な特性のために選択され、これは、高性能が大量生産技術によって実現され得ることの証明として役立つ。炭素作用電極上において利用可能な種類の酸化還元対は、シンプルで入手が容易な酸化還元活性化合物で構成されており、新しい製造方法を開発する必要はない。炭素は、従来のPEDOT:PSSとは異なり吸湿性を有さず、その結果、ISMとトランスデューサ層の間に水層が形成されにくくなる。 The transducer layer was chosen for its screen-printable properties, which serve as proof that high performance can be achieved by mass production techniques. The types of redox couples available on carbon working electrodes consist of simple, readily available redox-active compounds without the need to develop new manufacturing methods. Carbon, unlike conventional PEDOT:PSS, is not hygroscopic, resulting in less formation of a water layer between the ISM and transducer layers.

銀は、スクリーン印刷に適したインクの形態とすることができ、種々の測定に必要とされる電位及び温度で安定であることが証明されている導電体であるため、選択された。 Silver was chosen because it can be in the form of an ink suitable for screen printing and is a conductor that has been proven stable at the potentials and temperatures required for various measurements.

実施例4A:センサの製造
以下に、較正不要測定が可能な条件を示す。このことは図6に見ることができる。較正不要測定は、センサが1)一定期間(時間h単位)の各センサの有意なドリフトE値がないこと、及び、2)センサ間の再現性が高いこと(即ち、Eの標準偏差が4mV未満)を示す期間内において定義される。
Example 4A: Fabrication of Sensor The conditions under which calibration-free measurements are possible are shown below. This can be seen in FIG. A calibration-free measurement requires that the sensors are 1 ) free of significant drift E0 values for each sensor over a period of time (in hours h) and 2 ) highly reproducible between sensors (i.e., the standard deviation of E0 is less than 4 mV).

電位差イオン選択性電極のコンディショニングは、使用前に膜を水和するための方法である。電極は、コンディショニング中に、Oへの曝露又はOの除去に供され得る。乾性のN又は湿度100%のNのいずれかにおける24時間の電極の初期状態を使用して、較正不要測定を実施可能なウィンドウを決定することができる。 Conditioning of potentiometric ion-selective electrodes is a method for hydrating the membrane prior to use. The electrodes may be subjected to O2 exposure or O2 removal during conditioning. Initial conditions of the electrode for 24 hours in either dry N2 or 100% humid N2 can be used to determine the window in which calibration-free measurements can be performed.

本発明に係るセンサの性能とコンディショニングの利便性とのバランスを考慮すると、図6に示すように、保存中に乾燥Nが存在し、センサが酸素の存在下で6~12時間浸漬される条件とすることができる。コンディショニング溶液を取り扱う際に必要な管理又は予防措置がほぼ不要であることから、これを選択した。 Considering the balance between performance and conditioning convenience of the sensor according to the present invention, dry N2 is present during storage and the sensor is immersed in the presence of oxygen for 6-12 hours, as shown in FIG. can be a condition. It was chosen because it requires almost no care or precautions required when handling conditioning solutions.

実施例4B:較正不要状態に関連する拡張コンディショニング
図7は、溶液中にOが存在する場合と存在しない場合の、10-3MのKCl溶液中におけるコンディショニングの1~48時間の最初のコンディショニングプロセスのE値を示している。個別の検討ごとに、新しく作成された電極のセットが毎回使用され、3つの電極のセットは、それぞれ各電極について同一のプロセスにより作成した。センサの各セットのE値は、コンディショニング溶液との最初の接触から48時間にわたって検討した。総ての試験溶液は、脱イオン水中のKClを使用して調製し、雰囲気に曝露した。観察結果は以下のとおりである。
Example 4B: Extended Conditioning Associated with No Calibration Condition FIG. 7 shows initial conditioning for 1-48 hours of conditioning in 10 −3 M KCl solution with and without O 2 in solution. The E0 value of the process is shown. For each individual study, a newly prepared set of electrodes was used each time, and three sets of electrodes were each prepared by the same process for each electrode. E0 values for each set of sensors were studied over a period of 48 hours from initial contact with conditioning solution. All test solutions were prepared using KCl in deionized water and exposed to atmosphere. The observation results are as follows.

最も再現性が高く、安定したE値は、コンディショニング溶液中の酸素の存在に関係なく、6時間、9時間及び12時間(影付きの領域により表される)において観察される。酸素に曝露したセンサは、より悪影響を受け、24時間後にはセンサ間の再現性が低下した。Eの平均値は24~36時間までわずかな変化を示したが、48時間での値は予測不能な変化を示した。6~12時間のE読み取り値の差が小さくかつその分散が少ないことから理解されるように、本発明に係るセンサの高い安定性が達成されており、この時間内に較正不要測定を行うことができる。本発明に係るセンサは、Oが存在する溶液でコンディショニングされているかどうかに関わらず、6~12時間で最も安定し、変動が最も少ない電位値を示したが、これは、本発明に係るセンサの安定性のウィンドウが12~24時間の任意の時間で長く続く傾向があることを意味する。 The most reproducible and stable E0 values are observed at 6, 9 and 12 hours (represented by the shaded areas) regardless of the presence of oxygen in the conditioning solution. Sensors exposed to oxygen were more adversely affected, with reduced sensor-to-sensor reproducibility after 24 hours. Mean values of E 0 showed little change from 24 to 36 hours, but values at 48 hours showed unpredictable changes. A high stability of the sensor according to the present invention is achieved, as seen by the small difference in the E 0 readings from 6 to 12 hours and the small variance, making calibration-free measurements during this time. be able to. The sensor according to the invention showed the most stable and least fluctuating potential values from 6 to 12 hours, regardless of whether it was conditioned in a solution with O2 present, which is consistent with the present invention. This means that the sensor stability window tends to be long, anywhere from 12 to 24 hours.

実施例4C:ISMの予備水和の影響
図8は、乾燥状態からの、又は、最初に試験前に24時間、N雰囲気中において100%湿度に曝露した状態からのセンサのE変化を示している。コンディショニング溶液中のOでコンディショニングしたセンサの挙動を、Nで脱気された溶液と比較した。
Example 4C: Effect of pre-hydration of ISM Figure 8 shows the change in E0 of the sensor from a dry state or from being first exposed to 100% humidity in a N2 atmosphere for 24 hours prior to testing. showing. The behavior of sensors conditioned with O 2 in conditioning solutions was compared to solutions degassed with N 2 .

高湿度に曝露したセンサにおいては、Eの標準偏差が低かったことが分かる。また、乾性窒素でコンディショニングされたセンサの測定安定性も見られる。乾燥状態から試験されたセンサは、6時間、9時間及び12時間の較正時に偏差の少ない安定した読み取り値を示した。溶液中のOでコンディショニングしたセンサと比較して、Oなしでコンディショニングしたセンサは、特に予備水和したセンサにおいても、著しく優れた電位安定性を示した。予備水和されていたがOなしで保存されたセンサは、3時間のコンディショニングまでに安定したE値を実現した。ISMの予備水和は、各センサが安定した電位値を実現するために必要な時間を短縮するのに効果的であり、この時間が6時間から3時間に低減された。最初の1時間のデータ点は有望に見えるが、初期の1時間に測定された3つのセンサの各々の検量線にはデータのノイズを構成するスロープが存在するため、考慮に入れなかった。 It can be seen that the sensor exposed to high humidity had a lower standard deviation of E0 . Also observed is the measurement stability of the sensor conditioned with dry nitrogen. Sensors tested from dry showed stable readings with low deviations at 6, 9 and 12 hours of calibration. Compared to sensors conditioned with O 2 in solution, sensors conditioned without O 2 showed significantly better potential stability, especially even in pre-hydrated sensors. Sensors that had been prehydrated but stored without O achieved stable E0 values by 3 hours of conditioning. Pre-hydration of the ISM was effective in reducing the time required for each sensor to achieve a stable potential value, which was reduced from 6 hours to 3 hours. The data points for the first hour look promising, but were not taken into account due to the presence of slopes in the calibration curves for each of the three sensors measured in the first hour, which constitutes noise in the data.

実施例4D:トランスデューサ層に炭素のみを含むセンサの応答
図9は、スクリーン印刷された炭素のみから作られた、即ち、KFeCNをドープせずに作られたトランスデューサを有するセンサのコンディショニング挙動を示している。以下のように観察が行われた。
Example 4D Response of a Sensor Containing Only Carbon in the Transducer Layer FIG. 9 shows the conditioning behavior of a sensor with a transducer made entirely of screen-printed carbon, i.e. without KFeCN doping. there is Observations were made as follows.

最初の12時間で速いドリフトが観察され、その後、残余のプロセスにおいてほぼ線形のドリフトが観察された。さらに、コンディショニング時間中に安定した電位に到達しなかった。 A fast drift was observed for the first 12 hours, followed by an almost linear drift for the remainder of the process. Furthermore, no stable potential was reached during the conditioning period.

酸化還元対を使用していないセンサが不安定で、48時間の試験時間では安定した電位に到達しなかったのに対し、酸化還元対を使用した本発明に係るセンサにおいては、3~6時間で安定した電位に到達したことにより、酸化還元対の影響が示された。 The sensor without the redox couple was unstable and did not reach a stable potential in the 48 hour test period, whereas the sensor according to the invention with the redox couple showed 3-6 hours. The effect of the redox couple was indicated by reaching a stable potential at .

Claims (13)

液体中の陽イオンの濃度を測定するためのイオン選択性電極センサにおいて、
イオン選択性膜であって、当該イオン選択性膜全体にわたって前記液体中の前記陽イオンの選択的拡散を促進するイオン選択性膜と、
前記液体中の前記陽イオンの前記濃度を測定するための外部装置に接続された電気コンタクト層と、
前記イオン選択性膜と前記電気コンタクト層との間に配置されたトランスデューサ層とを含み、
前記トランスデューサ層は、金属フェロシアン化物でドープされた炭素を含む、
イオン選択性電極センサ。
In an ion-selective electrode sensor for measuring the concentration of cations in liquids,
an ion-selective membrane that facilitates selective diffusion of said cations in said liquid across said ion-selective membrane;
an electrical contact layer connected to an external device for measuring the concentration of the cation in the liquid;
a transducer layer disposed between the ion selective membrane and the electrical contact layer;
wherein the transducer layer comprises carbon doped with metal ferrocyanide;
Ion-selective electrode sensor.
前記陽イオンはカリウムイオンを含み、及び/又は、前記金属フェロシアン化物はフェロシアン化カリウムを含む、請求項1に記載のイオン選択性電極センサ。 2. The ion selective electrode sensor of claim 1, wherein said cations comprise potassium ions and/or said metal ferrocyanide comprises potassium ferrocyanide. 前記イオン選択性膜は、
ポリ塩化ビニル、又は、
前記イオン選択性膜の33重量%の量のポリ塩化ビニル
を含む、請求項1又は2に記載のイオン選択性電極センサ。
The ion-selective membrane is
polyvinyl chloride, or
3. The ion selective electrode sensor of claim 1 or 2, comprising polyvinyl chloride in an amount of 33% by weight of the ion selective membrane.
前記イオン選択性電極センサは、
前記イオン選択性膜に配置されたイオノフォアであって、前記イオン選択性膜への及び/又は前記イオン選択性膜からの前記液体中の陽イオンの選択的拡散を促進するイオノフォア、又は、
前記イオン選択性膜に配置されたイオノフォアであって、前記イオン選択性膜への及び/又は前記イオン選択性膜からの前記液体中の陽イオンの選択的拡散を促進し、バリノマイシンを含むイオノフォア
をさらに含む、請求項1乃至3のいずれか一項に記載のイオン選択性電極センサ。
The ion-selective electrode sensor is
an ionophore disposed in the ion-selective membrane, the ionophore facilitating selective diffusion of cations in the liquid to and/or from the ion-selective membrane; or
an ionophore disposed in said ion selective membrane, said ionophore facilitating selective diffusion of cations in said liquid to and/or from said ion selective membrane, said ionophore comprising valinomycin; 4. The ion selective electrode sensor of any one of claims 1-3, further comprising.
前記電気コンタクト層は、銀を含む、請求項1乃至4のいずれか一項に記載のイオン選択性電極センサ。 5. The ion selective electrode sensor of any one of claims 1-4, wherein the electrical contact layer comprises silver. 前記イオン選択性電極センサは、前記イオン選択性膜、前記電気コンタクト層及び前記トランスデューサ層が上部に配置された不活性基板をさらに含む、請求項1乃至5のいずれか一項に記載のイオン選択性電極センサ。 Ion selection according to any one of claims 1 to 5, wherein the ion selective electrode sensor further comprises an inert substrate on which the ion selective membrane, the electrical contact layer and the transducer layer are arranged. sex electrode sensor. 前記外部装置は、(i)参照電極と(ii)電気コンタクト層との間の電位差を測定するためのポテンショメータを含む、請求項1乃至6のいずれか一項に記載のイオン選択性電極センサ。 7. The ion-selective electrode sensor of any one of claims 1-6, wherein the external device comprises a potentiometer for measuring the potential difference between (i) a reference electrode and (ii) an electrical contact layer. 請求項1乃至7のいずれか一項に記載のイオン選択性電極センサを製造する方法であって、
不活性基板上に電気コンタクト層を堆積させることと、
前記電気コンタクト層上に金属フェロシアン化物でドープされた炭素を含むトランスデューサ層を堆積させることと、
前記トランスデューサ層上にイオン選択性膜を堆積させて、前記イオン選択性電極を形成することと、
を含む方法。
A method of manufacturing an ion selective electrode sensor according to any one of claims 1 to 7, comprising:
depositing an electrical contact layer on an inert substrate;
depositing a transducer layer comprising carbon doped with metal ferrocyanide on the electrical contact layer;
depositing an ion selective film over the transducer layer to form the ion selective electrode;
method including.
前記トランスデューサ層を堆積させることは、フェロシアン化カリウムでドープされた炭素の層を形成することを含む、請求項8に記載の方法。 9. The method of claim 8, wherein depositing the transducer layer comprises forming a layer of potassium ferrocyanide-doped carbon. 前記イオン選択性膜を堆積させることは、
(ia)ポリマーをシクロヘキサノンに溶解してポリマー溶液を形成すること、又は、
(ib)ポリマーをシクロヘキサノンに溶解してポリマー溶液を形成することであって、前記ポリマーはポリ塩化ビニルを含む、ことと、
(ii)前記トランスデューサ層上に前記ポリマー溶液を形成することと、
(iii)前記ポリマー溶液を加熱して前記シクロヘキサノンを除去し、これによって前記イオン選択性膜を形成することと、
を含む、請求項8又は9に記載の方法。
Depositing the ion selective membrane comprises:
(ia) dissolving the polymer in cyclohexanone to form a polymer solution, or
(ib) dissolving a polymer in cyclohexanone to form a polymer solution, said polymer comprising polyvinyl chloride;
(ii) forming the polymer solution on the transducer layer;
(iii) heating the polymer solution to remove the cyclohexanone, thereby forming the ion selective membrane;
10. A method according to claim 8 or 9, comprising
前記方法は、前記液体中の前記陽イオンの濃度の較正不要測定のために前記イオン選択性電極センサをコンディショニングすることをさらに含み、前記コンディショニングすることは、
(i)前記イオン選択性電極を不活性環境に保存することと、
(iia)使用前に前記陽イオンを含む溶液に前記イオン選択性電極センサを浸漬すること、又は、
(iib)使用前に前記陽イオンを含む溶液に前記イオン選択性電極センサを浸漬することであって、前記陽イオンがカリウムイオンを含む、ことと、
を含む、請求項8乃至10のいずれか一項に記載の方法。
The method further comprises conditioning the ion-selective electrode sensor for calibration-free measurement of the concentration of the cation in the liquid, the conditioning comprising:
(i) storing the ion selective electrode in an inert environment;
(iia) immersing the ion-selective electrode sensor in a solution containing the cations prior to use, or
(iib) immersing the ion selective electrode sensor in a solution containing the cations prior to use, the cations comprising potassium ions;
11. The method of any one of claims 8-10, comprising
前記イオン選択性電極を保存することは、前記イオン選択性電極を無水窒素中又は含水窒素中に配置することを含む、請求項11に記載の方法。 12. The method of claim 11, wherein storing the ion selective electrode comprises placing the ion selective electrode in anhydrous or hydrous nitrogen. 前記イオン選択性電極センサを浸漬することは、
前記イオン選択性電極を酸素の非存在下で前記溶液に6~12時間浸漬すること、又は、
前記イオン選択性電極を酸素の存在下で前記溶液に6~12時間浸漬すること
を含む、請求項11又は12に記載の方法。
Immersing the ion-selective electrode sensor comprises:
immersing the ion-selective electrode in the solution in the absence of oxygen for 6-12 hours, or
A method according to claim 11 or 12, comprising soaking the ion selective electrode in the solution in the presence of oxygen for 6-12 hours.
JP2021573942A 2019-06-14 2019-06-14 Metal ferrocyanide-doped carbon as a transducer for ion-selective electrodes Pending JP2022537280A (en)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/EP2019/065664 WO2020249225A1 (en) 2019-06-14 2019-06-14 Metal ferrocyanide-doped carbon as transducer for ion selective electrode

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2022537280A true JP2022537280A (en) 2022-08-25

Family

ID=66998382

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2021573942A Pending JP2022537280A (en) 2019-06-14 2019-06-14 Metal ferrocyanide-doped carbon as a transducer for ion-selective electrodes

Country Status (4)

Country Link
JP (1) JP2022537280A (en)
KR (1) KR20220020271A (en)
CN (1) CN113924481A (en)
WO (1) WO2020249225A1 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2023030993A (en) * 2021-08-24 2023-03-08 Koa株式会社 All-solid potassium ion selective electrode and method for manufacturing all-solid potassium ion selective electrode

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS584981B2 (en) * 1976-05-19 1983-01-28 イ−ストマン・コダツク・カンパニ− ion selective electrode
JPS60243555A (en) * 1984-05-18 1985-12-03 Fuji Photo Film Co Ltd Ion-selecting electrode and manufacture thereof
JPH0633063U (en) * 1992-01-15 1994-04-28 ベックマン インスツルメンツ インコーポレーテッド Graphite-based solid polymer membrane ion-selective electrode
JPH0750059B2 (en) * 1985-12-23 1995-05-31 イクバル ダブリュー シッディクィ Method for manufacturing laminar electrode
JP2002530672A (en) * 1998-11-19 2002-09-17 エフ.ホフマン−ラ ロシュ アーゲー Electrode system
US20180246055A1 (en) * 2015-03-16 2018-08-30 Crc Care Pty Ltd Method of recalibrating a device for assessing concentration of at least one analyte ion in a liquid

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA1093641A (en) * 1976-05-19 1981-01-13 Charles J. Battaglia Ion-selective electrode
EP0231476A1 (en) * 1985-12-23 1987-08-12 Siddiqi, Iqbal W., Dr. Selectively ion-permeable electrodes for analyzing selected ions in aqueous solution
US20090170210A1 (en) * 2005-10-28 2009-07-02 Atsushi Fukunaga Measuring device, measuring apparatus and method of measuring
WO2018052937A1 (en) * 2016-09-13 2018-03-22 Erno Lindner Superhydrophobic solid contact ion-selective electrodes

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS584981B2 (en) * 1976-05-19 1983-01-28 イ−ストマン・コダツク・カンパニ− ion selective electrode
JPS60243555A (en) * 1984-05-18 1985-12-03 Fuji Photo Film Co Ltd Ion-selecting electrode and manufacture thereof
JPH0750059B2 (en) * 1985-12-23 1995-05-31 イクバル ダブリュー シッディクィ Method for manufacturing laminar electrode
JPH0633063U (en) * 1992-01-15 1994-04-28 ベックマン インスツルメンツ インコーポレーテッド Graphite-based solid polymer membrane ion-selective electrode
JP2002530672A (en) * 1998-11-19 2002-09-17 エフ.ホフマン−ラ ロシュ アーゲー Electrode system
US20180246055A1 (en) * 2015-03-16 2018-08-30 Crc Care Pty Ltd Method of recalibrating a device for assessing concentration of at least one analyte ion in a liquid

Also Published As

Publication number Publication date
WO2020249225A1 (en) 2020-12-17
CN113924481A (en) 2022-01-11
KR20220020271A (en) 2022-02-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Hu et al. Rational design of all-solid-state ion-selective electrodes and reference electrodes
Sutter et al. Solid-contact polymeric membrane electrodes with detection limits in the subnanomolar range
Sutter et al. A polypyrrole-based solid-contact Pb2+-selective PVC-membrane electrode with a nanomolar detection limit
van de Velde et al. Solid contact potassium selective electrodes for biomedical applications–a review
US5286365A (en) Graphite-based solid state polymeric membrane ion-selective electrodes
Liang et al. A simple approach for fabricating solid-contact ion-selective electrodes using nanomaterials as transducers
KR102060579B1 (en) Flexible Paper-based Ion Sensor and Method for Fabricating the Same
Abu-Shawish et al. Modified carbon paste electrode for potentiometric determination of silver (I) ions in burning cream and radiological films
KR20010092830A (en) Planar reference electrode
Bartoszewicz et al. Calibration free solid contact electrodes with two PVC based membranes
Wang et al. All-solid-state blood calcium sensors based on screen-printed poly (3, 4-ethylenedioxythiophene) as the solid contact
Madeira et al. Model improvement for super-Nernstian pH sensors: the effect of surface hydration
Cheong et al. Ion selective electrodes utilizing a ferrocyanide doped redox active screen-printed solid contact-impact of electrode response to conditioning
CN102980931B (en) All-solid-state selective electrode based on functional ion liquid and preparation method of all-solid-state selective electrode
Mohamed et al. Septonex–tetraphenylborate screen-printed ion selective electrode for the potentiometric determination of Septonex in pharmaceutical preparations
Lu et al. A new solid-state silver ion-selective electrode based on a novel tweezer-type calixarene derivative
Han et al. Anomalous potentiometric response of solid-contact ion-selective electrodes with thin-layer membranes
Song et al. All-solid-state carbonate-selective electrode based on a molecular tweezer-type neutral carrier with solvent-soluble conducting polymer solid contact
Akl et al. Construction of modified screen-printed and carbon paste electrodes for electrochemical determination of antihistaminic diphenhydramine hydrochloride in pure and pharmaceutical preparations
Alva et al. Ag/AgCl reference electrode based on thin film of arabic gum membrane
Bobacka Perspective on the coulometric transduction principle for ion-selective electrodes
Soleymanpour et al. Liquid membrane/polyaniline film coated glassy carbon sensor for highly sensitive and selective determination of fluvoxamine in pharmaceutical and biological samples
JP2022537280A (en) Metal ferrocyanide-doped carbon as a transducer for ion-selective electrodes
Abu-Shawish et al. A New chemically modified carbon paste electrode for determination of copper based on n, n′-disalicylidenehexameythylenediaminate copper (ii) complex
Dybko et al. Miniaturized back-side contact transducer for potentiometric sensors

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20211213

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20230207

A601 Written request for extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601

Effective date: 20230502

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20231003