JP2001281150A - 窒素酸化物イオンの検出方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡便且つ高感度で連続的に窒素酸化物イオン
を測定可能とする窒素酸化物イオンの検出方法を提供す
る。 【解決手段】 硝酸イオンと亜硝酸イオンの中から選ば
れる少なくとも一種類の窒素酸化物イオンを含む溶液に
紫外線を照射した後、化学発光性２，３−ジヒドロ−
１，４−フタラジンジオン化合物と接触させ、化学発光
を生じさせ、化学発光強度を測定することにより窒素酸
化物イオン濃度を定量する。化学発光性２，３−ジヒド
ロ−１，４−フタラジンジオン化合物としては、ルミノ
ールやイソルミノールが好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、化学発光法を利用
して、窒素酸化物イオンを高感度、簡便且つ迅速に検出
する方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】窒素酸化物イオンは、海水や土壌等の環
境中に幅広く存在している。これらの窒素酸化物イオン
は、様々な塩の形で肥料、防錆剤、冷媒用剤、触媒、写
真感光剤、医薬品、爆薬や食品添加物として、また各種
工業用薬品、医薬品、火薬等の原料として幅広い用途で
用いられている。しかし、一方では、化石燃料の燃焼に
よって生じる窒素酸化物が雨水に溶解して生じる酸性雨
の問題や、窒素酸化物イオンが多量に排出されることに
よって生じる河川、湖沼、閉鎖性海域等の富栄養化の問
題や、飲料水中に窒素酸化物イオンが混入することによ
って生じる各種の健康障害など、窒素酸化物イオンによ
る環境汚染が深刻化しており、簡便且つ高精度で窒素酸
化物イオンを分析する手法の開発が望まれていた。

【０００３】従来、窒素酸化物イオン濃度を測定する方
法としては、比色法、イオンクロマトグラフ法、中和滴
定法、イオン電極法や、窒素酸化物イオンを一酸化窒素
に転化した後、オゾンガスを検出用試薬として用いた化
学発光法により定量する方法（特開平７−３３３２１０
号公報、特開平８−３０４３７６号公報）等が知られて
いた。しかし、これらの方法は、簡便且つ高感度な検出
方法とは言い難く、例えば、比色法は前処理、発色操
作、吸光度測定といった煩雑な手動分析操作が必要であ
り、更に測定に必要な時間が長く、自動化、連続測定が
困難であるといった欠点を有していた。また、イオンク
ロマトグラフ法は、比色法に比べれば簡便な方法である
が、サンプル中の懸濁物質や有機物を除去するための前
処理操作が必要であり、更に測定装置そのものが高価な
ため、全自動・連続濃度モニタリングシステムとして用
いるためには多くの課題を抱えていた。また、中和滴定
法やイオン電極法についても、操作が煩雑で測定時間が
長いといった欠点を有していた。一方、オゾンガスを検
出用試薬として用いた化学発光法により定量する方法で
は、窒素酸化物イオンを一酸化窒素に転化するための前
処理操作が必要なため装置が複雑になり、装置の大型
化、高価格化が避けられないといった問題点を有してい
た。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記従来技
術の欠点を解決した窒素酸化物イオンの検出方法を提供
するものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】即ち、本発明は、硝酸イ
オンと亜硝酸イオンの中から選ばれる少なくとも一種類
の窒素酸化物イオンを含む溶液に紫外線を照射した後、
化学発光性２，３−ジヒドロ−１，４−フタラジンジオ
ン化合物と接触させ、化学発光を生じさせることを特徴
とする窒素酸化物イオンの検出方法を提供するものであ
る。

【０００６】最近、発光反応を利用した分析法が注目を
集めている。この方法は、吸光光度法や蛍光分析法に比
較して高感度であり、定量範囲が広く、応答速度が速い
（発光反応に要する時間が短い）ため、特に連続流れ系
や循環系等の流通系における高感度検出法として注目さ
れている。発光には、化学発光、生物発光等があるが、
現在、分析法としては、化学発光を利用したものが多
く、トリエチルアミン、トリプロピルアミン、Ｎ−エチ
ルモルホリン、Ｎ−エチルピペラジン、チウラムなどの
三級アミン類やトリプトファン、インドール等の二級ア
ミン類、クロロチアジド、ヒドロクロロチアジド等のチ
アジド類、蓚酸、ピルビン酸、マロン酸、アセト酢酸、
レブリン酸のようなα−、β−あるいはγ−ジケトン構
造を持つ化合物類や、過酸化水素、酸素、過マンガン酸
塩、ハロゲン酸化物、沃素等が化学発光原因物質として
知られている。なお、化学発光とは、化学発光物質の化
学反応に伴って新たに生成した物質が、更にその反応に
伴う化学エネルギーによって励起されて光を放射する現
象である。

【０００７】化学発光法の中でも化学発光性２，３−ジ
ヒドロ−１，４−フタラジンジオン化合物（ルミノール
等）を用いる方法は、ルミノール等が容易且つ比較的安
価に入手可能であり、発光分析に際し特別な前処理が不
要であることから幅広く検討されている。しかし、窒素
酸化物イオンをイオンの状態で直接検出できることは知
られていなかった。本発明は、化学発光性２，３−ジヒ
ドロ−１，４−フタラジンジオン化合物を検出用試薬
（化学発光物質）として用い、特定の条件下でイオンの
状態の窒素酸化物イオンを直接検出できるという新しい
知見に基づいて成されたものである。

【０００８】本発明で検出用試薬（発光物質）として用
いられる化学発光性２，３−ジヒドロ−１，４−フタラ
ジンジオン化合物としては、例えば、５−アミノ−２，
３−ジヒドロ−１，４−フタラジンジオン（ルミノー
ル）、６−アミノ−２，３−ジヒドロ−１，４−フタラ
ジンジオン（イソルミノール）、Ｎ−エチルイソルミノ
ール、Ｎ−（６−アミノヘキシル）−Ｎ−エチルイソル
ミノール、Ｎ−（４−アミノブチル）−Ｎ−エチルイソ
ルミノールヘミサクシミド等が挙げられ、これらは単独
使用でも併用でもよく、併用の場合は感度増大が期待さ
れる。これらのうち、好ましい化学発光性２，３−ジヒ
ドロ−１，４−フタラジンジオン化合物は、ルミノール
またはイソルミノールである。

【０００９】本発明で用いられる化学発光の一般的な発
光機構について、ルミノールを例として説明する。ルミ
ノールの化学発光は、ルミノールが酸化剤により酸化さ
れて過酸化物中間体となり、それが分解して生成する励
起状態の３−アミノフタル酸ジアニオンに基くものであ
り、発光波長は溶媒の種類によって変化するが、通常は
４２５ｎｍである。従って、この反応過程を利用すれ
ば、発光量の測定から酸化剤の定量が可能になる。窒素
酸化物イオン（硝酸イオン、亜硝酸イオン）が紫外線照
射されて生成する中間生成物が上記酸化剤として作用す
るものと推定される。

【００１０】この様に、ルミノールが発光するために
は、励起状態の３−アミノフタル酸ジアニオンの生成が
重要であり、生成を促進させるための触媒（Ｆｅ^２＋、
Ｃｕ^{２ ＋}、ペルオキシダーゼ等）が添加されることもあ
る。また、発光強度を向上させるために、フェノール誘
導体やベンゾチアゾール誘導体等の化学発光増感剤が添
加されることもある。

【００１１】また、ルミノール等の化学発光物質は溶液
状態では安定性に劣るため、溶液調製後長時間保存する
ことは好ましくなく、溶液調製後、速やかに用いるのが
好ましい。

【００１２】なお、本発明の方法において、過酸化水素
の添加は必ずしも必要ではないが、過酸化水素を系内に
共存させると発光強度の増加が認められるため、高感度
での分析が必要なときには、過酸化水素を添加すること
が好ましい。その添加量は、０．１〜１０ミリモル／リ
ットル程度で十分である。

【００１３】本発明において用いられる紫外線として
は、紫外域の波長（３８０〜４００ｎｍ以下）を含む光
であれば特に制限はないが、安定的且つ高感度で窒素酸
化物イオンを測定するためには、２２０〜２８０ｎｍの
紫外線を用いることが好ましく、特に２４５〜２６０ｎ
ｍの波長の紫外線を用いることが好ましい。なお、２０
０ｎｍ以下の波長の光を水性系に照射すると水が分解し
て過酸化水素が生成し、化学発光におけるバックグラウ
ンドが増大し、場合によっては窒素酸化物イオンの検出
を妨害することもある。従って、水性系ではかかる光の
照射は避けるのが望ましい。

【００１４】

【発明の実施の形態】次に、発明の実施の形態を説明す
るが、本発明はこれらに限定されるものではない。

【００１５】本発明の方法により窒素酸化物イオンを検
出する際の測定条件としては、特に制限はなく、測定温
度、試料溶液中の窒素酸化物イオンの濃度、必要に応じ
て用いる緩衝液の種類、紫外線強度、紫外線照射時間、
必要に応じて添加する過酸化水素濃度等は任意に設定す
ることができる。測定時のｐＨは、通常、８〜１１程度
のアルカリ性に設定するが、触媒を併用する際には、中
性でも本発明方法を実施できる。ただし、窒素酸化物イ
オンの検出感度は、温度、ｐＨ、必要に応じて用いる緩
衝液の種類、紫外線照射条件や必要に応じて添加する過
酸化水素濃度の影響を受けるため、一定の測定条件で測
定を行うことが好ましい。好ましい測定条件としては、
以下の条件が挙げられる。 温度：２０〜３０℃ ｐＨ：８〜１１ 緩衝液：硼酸塩緩衝液 紫外線強度：１〜１００Ｗ 紫外線照射時間：２０〜６００秒 過酸化水素濃度：０〜１０ミリモル／リットル

【００１６】本発明において、化学発光反応の触媒は必
ずしも必要ではないが、用いても良い。用い得る触媒の
例としては、Ｆｅ^２＋、Ｃｕ^２＋、Ｃｏ^２＋等の遷移金
属イオンのキレート錯体（ポルフィリン錯体等）やフェ
リシアン化カリウム、ペルオキシダーゼ等が挙げられ
る。

【００１７】また、発光強度を向上させるための化学発
光増感剤も本発明では必ずしも必要ではないが、系に添
加しても良い。用い得る化学発光増感剤の例としては、
ｐ−ヨードフェノール、フェノールインドール等のフェ
ノール誘導体、６−ヒドロキシベンゾチアゾール等のベ
ンゾチアゾール誘導体、ジエチルアニリン等の芳香族ア
ミン等が挙げられる。

【００１８】次に、本発明の検出方法を実施する装置の
一例について説明する。装置は、基本的にキャリア溶液
を送液するポンプ、窒素酸化物イオンを含む試料溶液を
キャリア溶液中に注入するインジェクター、検出用試薬
としての化学発光性２，３−ジヒドロ−１，４−フタラ
ジンジオン化合物を含む溶液を送液するポンプ、試料溶
液を注入されたキャリア溶液に紫外線を照射する光化学
反応器、キャリア溶液と試料溶液と化学発光性２，３−
ジヒドロ−１，４−フタラジンジオン化合物を含む溶液
とを混合する混合器、発光を検出する検出器、検出器で
得られたデータを記録するデータプロセッサーで構成さ
れている。ただし、場合によっては、キャリア溶液と窒
素酸化物イオンを含む試料溶液とを予め混合し、得られ
た混合物を連続的に供給することもあるため、そのよう
な系ではインジェクターは不要となる。また、過酸化水
素を添加する場合には、過酸化水素を含む溶液を送液す
るポンプが別途必要である。ただし、過酸化水素を予め
化学発光性２，３−ジヒドロ−１，４−フタラジンジオ
ン化合物と混合して用いる場合には、過酸化水素溶液送
液用のポンプは不要である。

【００１９】上記の光化学反応器としては、例えば、紫
外線を発する光源と紫外線照射下に置かれたリアクショ
ンコイルから構成されている反応器を用いることがで
き、反応条件を安定化させるため、温度を一定に保持で
きる恒温槽中に設置されているのが好ましい。

【００２０】また、混合器としては、インラインミキサ
ー、混合コイル等でもよく、混合後の混合物は直ちに検
出に供されるのが望まれるので、検出器に混合器を付設
したり、検出器中で攪拌混合や合流混合するような構成
の検出器が混合器を兼ねるものでもよい。また、データ
プロセッサーは、化学発光強度対窒素酸化物イオン濃度
の検量線を内包し、窒素酸化物イオンの濃度計算等の演
算処理と記録を行うことができるものが好ましく、更に
必要に応じて試薬供給ポンプ等を起動、停止させるため
の出力信号も発することができるのが好ましい。

【００２１】なお、複数種の窒素酸化物イオンを含む試
料溶液を個々の成分ごとに分析する場合には、各成分を
分離するため、例えば、インジェクターと光化学反応器
の中間に陰イオンクロマト分離カラムを設置するのが好
ましい。

【００２２】本発明の検出方法を図１を参照して更に具
体的に説明する。図１は、本発明の検出方法を実施する
装置の一例を示すフロー図である。キャリア溶液と化学
発光性２，３−ジヒドロ−１，４−フタラジンジオン化
合物を含む溶液（図１では、この溶液を「イソルミノー
ル溶液」で代表している）は、それぞれポンプ１、２に
より供給される。キャリア溶液には、インジェクター３
から窒素酸化物イオンを含む試料溶液の一定量が注入さ
れた後、混合液は光化学反応器４に供給されて紫外線が
照射される。紫外線照射後の（キャリア溶液／試料溶
液）混合液は混合器５に供給され、化学発光性２，３−
ジヒドロ−１，４−フタラジンジオン化合物を含む溶液
と混合器５で混合される。混合器５の直後に設置されて
いる検出器６で、化学発光が検出され、発光強度や窒素
酸化物イオン濃度変換値がデータプロセッサー７に記録
される。検出器６には、光電子増倍管、アバランシェフ
ォトダイオード、イメージインテンシファイヤー等を用
いることができる。データプロセッサー７は、Ａ／Ｄコ
ンバーター、コンピューター、表示装置（ＣＲＴ、液晶
ディスプレー、レコーダー等）を包含するのが一般的で
ある。

【００２３】本発明の方法を用いれば、従来、簡便且つ
高感度で連続的に測定することが困難であった窒素酸化
物イオンが、イオン状態のままで高感度で且つ幅広い定
量範囲で簡便に連続して検出することが可能となった。
更に、本発明の方法は、応答速度が速い（発光反応に要
する時間が短い）ため、特に連続流れ分析法（ＦＩＡ：
Flow Injection Analysis）に代表される全自動連続測
定系における高感度検出法としての応用展開が可能であ
る。

【００２４】

【実施例】以下に実施例により本発明を更に詳しく説明
するが、実施例は本発明のいくつかの実施態様を説明す
るものであり、本発明を何ら限定するものではない。

【００２５】実施例１ 図１に示した装置を用いて、窒素酸化物イオンの検出を
行った。なお、図１中の光化学反応器４としては、１０
Ｗの紫外線放電管（主波長２５４ｎｍ）にリアクション
コイルとしてのポリテトラフルオロエチレンチューブ
（内径０．５ｍｍ×外径１．０ｍｍ）を巻き付けたもの
を用いた。反応温度を一定に保持するため、２７℃の恒
温槽中にこの光化学反応器４を設置した。

【００２６】試料は、硝酸ナトリウムと亜硝酸ナトリウ
ムを用い、純水で希釈して表１に示す濃度に調製し、イ
ンジェクター３から２０マイクロリットルずつキャリア
溶液中に注入した。

【００２７】一方、検出用試薬であるイソルミノール又
はルミノールを含む溶液としては、イソルミノール又は
ルミノール濃度が０．５ミリモル／リットルとなるよう
にイソルミノール又はルミノールを溶解させた５０ミリ
モル／リットル濃度の硼酸塩緩衝液を用いた。なお、こ
の際のｐＨは１０．０であった。このイソルミノール又
はルミノールを含む溶液をポンプ２を用いて０．５ｍｌ
／分で送液して、混合器５に供給した。

【００２８】また、キャリア溶液としては、５０ミリモ
ル／リットル濃度の硼酸塩緩衝液（ｐＨ＝１０．０）を
用い、ポンプ１を用いて０．５ｍｌ／分で送液した。

【００２９】キャリア溶液に溶解した試料は、光化学反
応器４で紫外線照射処理（紫外線照射時間：５分間）を
受けた後、混合器５でイソルミノール又はルミノールを
含む溶液と混合され、生じた発光が検出器６で検出され
た。

【００３０】結果を表１に示すが、窒素酸化物イオンが
高感度且つ幅広い範囲で検出できることが分かった。な
お、下記の表１と表２において、「化学発光強度」は、
各試料の化学発光強度測定値から反応系溶媒（主に純
水）の測定強度値をバックグラウンドとして差し引いた
差分（補正値）で、任意単位の値である。

【００３１】

【表１】

【００３２】実施例２ 検出用試薬としてイソルミノールを用い、イソルミノー
ルと過酸化水素をそれぞれの濃度が０．５ミリモル／リ
ットルとなる様に５０ミリモル／リットル濃度の硼酸塩
緩衝液に添加し、その溶液をポンプ２を用いて０．５ｍ
ｌ／分で送液したことを除いて、実施例１と同様の操作
で測定を行った。結果を表２に示すが、いずれの試料に
ついても検出は可能であった。また、過酸化水素を加え
ると、発光強度の増加が認められた。

【００３３】

【表２】

【００３４】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の方法を用いれば、従来の分析方法では簡便且つ高感度
で連続測定することが困難であった窒素酸化物イオン
が、簡便且つ高感度で連続的に測定可能となるため、窒
素酸化物イオンが添加されていたり、混入してくる系で
あれば、幅広く応用することができる。また、本発明の
方法は、最近注目されている連続流れ分析法による全自
動連続測定系への応用展開が可能である。

【００３５】従って、本発明の方法は、各種排水中の窒
素酸化物イオンの濃度モニタリングや河川、湖沼等の環
境モニタリング、上水道における窒素酸化物イオンの濃
度モニタリング等の用途で好適に用いることができる。
また、食品中に添加されている亜硝酸塩の定量分析や、
肥料、防錆剤、冷媒用剤、触媒、写真感光剤、医薬品、
爆薬や食品添加物として用いられる硝酸塩、亜硝酸塩の
品質管理用分析方法として有用である。更に、窒素酸化
物イオンを用いる各種工業用薬品、医薬品、火薬等を製
造する際の工程管理等にも応用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明を実施するための装置の一例を
示すフロー図である。

【符号の説明】

１、２ ポンプ ３ インジェクター ４ 光化学反応器 ５ 混合器 ６ 検出器 ７ データプロセッサー

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 硝酸イオンと亜硝酸イオンの中から選ば
   れる少なくとも一種類の窒素酸化物イオンを含む溶液に
   紫外線を照射した後、化学発光性２，３−ジヒドロ−
   １，４−フタラジンジオン化合物と接触させ、化学発光
   を生じさせることを特徴とする窒素酸化物イオンの検出
   方法。