JP2014513803A - ダイヤモンド電極を用いた電気化学的被着及び分光学的分析方法及び装置 - Google Patents
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Abstract
【選択図】図1
Description
導電性のダイヤモンド材料で作られた第1の電極と、第2の電極とを有する電気化学的被着装置を用意するステップと、
第1の電極を分析されるべき溶液と接触状態に配置すると共に第2の電極を分析されるべき溶液と電気的接触状態に配置するステップと、
第1の電極と第2の電極の電位差を印加して電流が分析されるべき溶液を通って第1の電極と第2の電極との間を流れ、化学種が溶液から第1の電極上に電着されるようにするステップと、
分光学的分析技術を第1の電極上に被着された化学種に適用して第1の電極上に電着された化学種に関する分光学的データを生成するステップと、
分光学的データを用いて第1の電極上に電着された化学種のタイプを突き止めるステップとを含むことを特徴とする方法が提供される。
導電性のダイヤモンド材料で作られていて、分析されるべき溶液と接触関係をなして配置されるよう構成された第1の電極と、
分析されるべき溶液と電気的接触関係をなすよう構成された第2の電極と、
第1の電極と第2の電極との電位差を印加して溶液からの化学種を第1の電極上に電着するよう構成された電気式コントローラと、
分光学的分析技術を第1の電極上に電着された化学種に適用し、被着後且つ溶出前に第1の電極上に電着された化学種に関する分光学的データを生成するよう構成された分光計とを有することを特徴とするセンサが提供される。
(i)電気化学的被着ステップでは、導電性ダイヤモンド材料が次の幾つかの点で標準型金属電極よりも性能的に勝っていることが判明した。
a.導電性ダイヤモンド材料は、広い電位窓を有し、かかる導電性ダイヤモンド材料を高い電圧で駆動することができ、それにより、低い濃度で広範な化学種の電気化学的被着が可能であること、
b.導電性ダイヤモンド材料は、不活性であり、かくして、標準型金属電極を損傷させる場合のある過酷な物理的及び化学的環境でかかる導電性ダイヤモンド材料を使用することができること、
c.導電性ダイヤモンド材料を容易にクリーニングして再使用することができること。
(ii)分光学的分析ステップでは、導電性ダイヤモンド材料は、これに被着された材料の分光学的分析をそれほど妨害することがないということが判明した。例えば、金属の分析にあたり、金属電極の使用により、金属電極上に被着された金属種の分光学的分析が邪魔される場合があることが判明した。さらに、幾つかの分光学的分析技術、例えばX線蛍光による元素分析に対する導電性ダイヤモンド材料の透明性により、分光学的分析をダイヤモンド電極を介して実施することができ、それによりセンサ装置がダイヤモンド電極の後ろに分光計コンポーネントを備えることができる。これにより、センサ装置を分析されるべき溶液中に挿入可能なプローブ中に組み込むことができる。
(1)ファウリング‐電極表面が汚れた場合、これは、基準電極の化学的素性又は正体を壊さないで、電位クリーニングサイクルを利用することによって電極をクリーニングすることは、問題である。
(2)腐食性溶液条件では、例えば、高又は低pHでは、この場合も又、電極の化学的劣化は、同一の溶液中で時間につれて基準電極電位が変化することを意味している。
(3)AgClは、感光性であり、光分解する場合があり、これ又、電極の安定性に悪影響を及ぼす。
(1)かかる基準電極を第1(検出)電極としてダイヤモンド電極製作手順に容易に組み込むことができる。
(2)ダイヤモンド材料は、あらゆる溶液中において化学的及び光劣化に対して耐性があり、従って、いったん溶液中に存在すると、溶液組成物が効果的に一定なままであると仮定すると、電極電位は、一定のままであろう。
(3)ダイヤモンド電極は、現場クリーニングサイクルを用いると効果的にクリーニングできる(電位パルス/サイクル及び/又は加熱を用いてダイヤモンド電極をクリーニングすることができるということが、技術文献に詳細に記載されている)。
(1)電着を用いて種を集中させることにより現場分光学的感度が向上すること、
(2)比較分光学的及び電気化学的測定を行うことによって多種溶液中の現場種識別が向上すること、
(3)よりロバストな基準電極の使用を可能にする内部較正。
基準電極及び検出電極を含む電気化学センサを用意するステップ(24)と
検出電極を分析されるべき溶液と接触関係をなして配置するステップ(26)と、
電圧を検出電極に印加して溶液からの化学種を検出電極上に電着させるステップ(28)と、
検出電極に印加される電圧を変化させて検出電極から電着状態の化学種を溶出するステップ(30)と、
オプションとして、電気溶出中の電流を測定し、それによりストリッピングボルタンメトリデータを生成するステップ(32)と、
少なくとも1つの分光学的分析技術を適用して被着後且つ溶出前に少なくとも1つの電極に電着された化学種に関する分光学的データを生成するステップ(34)と、
分光学的データ及びオプションとしてストリッピングボルタンメトリデータを用いて溶液中の化学種のタイプ及び濃度を求めるステップ(36)とを含む。
1.ピーク位置がアノディックストリッピングボルタンメトリにおいて互いにオーバーラップしている場合であっても、多種溶液中の種区別が可能である。
2.金属間生成又はアマルガム(これらは、上述のように構成されていなければ、特定の種の識別を困難にする場合がある)に起因してボルタンメトリデータ中にピーク面積の相互依存性が存在している場合でも種の現場較正が可能である。
3.標準基準電極が使用されていない場合であってもボルタンメトリデータ中のピークを割り当てる基準を作ることができ、かくして、よりロバストな基準電極、例えばダイヤモンド材料で作られた基準電極を利用することができる。或る特定の実施形態は、センサ装置の現場における自律的定量化/較正を提供することができる。
4.環境に優しい仕方で水銀の検出が可能である。というのは、既存の電極は、典型的には、環境に良くないと考えられる金水銀アマルガムを用いているからである。
5.使用前に且つ金属被着/溶出サイクルを完了した後で電極の表面の現場クリーニングが可能であり、かくして、各測定に先立って電極表面をエクスシチュー(ex-situ)で調製する必要が回避されること(これは、金水銀アマルガムを利用した現在市販されているセンサの必要条件であると言える)。
6.複雑な溶液環境中における多量の化学種、例えばカルシウム(「スケーリング能力」)、銅、亜鉛、カドミウム、水銀、鉛、砒素、アルミニウム、アンチモン、沃素、硫黄、セレン、テルル、ウラン等を検出して定量化することができる。
Claims (33)
- 溶液中の化学種を分析する方法であって、前記方法は、
導電性のダイヤモンド材料で作られた第1の電極と、第2の電極とを有する電気化学的被着装置を用意するステップと、
第1の電極を分析されるべき溶液と接触状態に配置すると共に前記第2の電極を分析されるべき前記溶液と電気的接触状態に配置するステップと、
前記第1の電極と前記第2の電極の電位差を印加して電流が分析されるべき前記溶液を通って前記第1の電極と前記第2の電極との間を流れ、化学種が前記溶液から前記第1の電極上に電着されるようにするステップと、
分光学的分析技術を前記第1の電極上に被着された前記化学種に適用して前記第1の電極上に電着された前記化学種に関する分光学的データを生成するステップと、
前記分光学的データを用いて前記第1の電極上に電着された前記化学種のタイプを突き止めるステップとを含む、方法。 - 前記分光学的分析技術は、前記電気化学的被着装置内で現場で適用される、請求項1記載の方法。
- 前記分光学的データを用いて前記溶液中の前記化学種の量を突き止めるステップを更に含む、請求項1又は2記載の方法。
- 前記電位差を変化させて前記第1の電極から前記電着化学種を溶出するステップを更に含む、請求項1〜3のうちいずれか一に記載の方法。
- 前記電着化学種の溶出中、前記第1の電極と前記第2の電極との間を流れる電流を測定し、それにより前記電着化学種に関するボルタンメトリデータを生成するステップを更に含み、前記第1の電極は、電気化学的検出電極として機能し、前記第2の電極は、基準電極として機能する、請求項4記載の方法。
- 前記分光学的データ及び前記ボルタンメトリデータを用いて前記溶液中の前記化学種のタイプ及び量を突き止めるステップを更に含む、請求項5記載の方法。
- 前記分光学的データは、前記第1の電極上に被着された前記化学種のタイプを突き止めるために用いられ、前記ボルタンメトリデータは、前記第1の電極上に被着された前記化学種の量を突き止めるために用いられる、請求項6記載の方法。
- 前記第2の電極は、非固定基準電極であり、前記分光学的データは、前記ボルタンメトリデータのための現場較正として用いられる、請求項5〜7のうちいずれか一に記載の方法。
- 前記第2の電極は、導電性のダイヤモンド材料で作られている、請求項1〜8のうちいずれか一に記載の方法。
- 前記分光学的分析技術は、前記電気化学的被着装置内に設けられた窓を通って前記第1の電極上に電着された前記化学種の前面の方へ向けられる、請求項1〜9のうちいずれか一に記載の方法。
- 前記分光学的分析技術は、前記第1の電極を通って前記第1の電極上に電着された前記化学種の後面の方へ向けられる、請求項1〜9のうちいずれか一に記載の方法。
- 前記分光学的分析技術は、元素分析技術である、請求項1〜11のうちいずれか一に記載の方法。
- 前記分光学的分析技術は、反射技術である、請求項1〜12のうちいずれか一に記載の方法。
- 前記分光学的分析技術は、X線又はガンマ線を含む、請求項1〜13のうちいずれか一に記載の方法。
- 前記分光学的分析技術は、X線蛍光元素分析を含む、請求項1〜14のうちいずれか一に記載の方法。
- 前記化学種は、1種類又は2種類以上の重金属を含む、請求項1〜15のうちいずれか一に記載の方法。
- 前記化学種は、銅、亜鉛、カドミウム、水銀、鉛、砒素、アルミニウム、アンチモン、沃素、硫黄、セレン、テルル及びウランのうちの1つ又は2つ以上を含む、請求項1〜16のうちいずれか一に記載の方法。
- 追加の分光学的分析及び/又は電気溶出サイクルを実施して前記第1の電極が清浄であるかどうかを判定するステップを更に含む、請求項1〜17のうちいずれか一に記載の方法。
- 前記追加の分光学的分析及び/又は前記電気溶出サイクルにより前記第1の電極が所定の清浄レベルを満たさないことが判定された場合に前記第1の電極をクリーニングするステップを更に含む、請求項18記載の方法。
- センサであって、
導電性のダイヤモンド材料で作られていて、分析されるべき溶液と接触関係をなして配置されるよう構成された第1の電極と、
分析されるべき前記溶液と電気的接触関係をなすよう構成された第2の電極と、
前記第1の電極と前記第2の電極との電位差を印加して前記溶液からの化学種を前記第1の電極上に電着するよう構成された電気式コントローラと、
分光学的分析技術を前記第1の電極上に電着された前記化学種に適用し、被着後且つ溶出前に前記第1の電極上に電着された前記化学種に関する分光学的データを生成するよう構成された分光計とを有する、センサ。 - 前記分光学的データを用いて前記溶液中の前記化学種のタイプ及び量を突き止めるよう構成されたプロセッサを更に有する、請求項20記載のセンサ。
- 前記電気式コントローラは、前記印加される電位差を変化させて前記第1の電極から前記電着化学種を溶出するよう構成されている、請求項20又は21記載のセンサ。
- 前記電気式コントローラは、前記電着化学種の溶出中、電流を測定し、それにより前記電着化学種に関するボルタンメトリデータを生成するよう構成され、前記第1の電極は、電気化学的検出電極として機能し、前記第2の電極は、基準電極として機能する、請求項22記載のセンサ。
- 前記分光学的データ及び前記ボルタンメトリデータを用いて前記溶液中の前記化学種のタイプ及び量を突き止めるよう構成されたプロセッサを更に有する、請求項23記載のセンサ。
- 前記プロセッサは、前記分光学的データを用いて前記第1の電極上に被着された前記化学種のタイプを突き止めるよう構成され、前記ボルタンメトリデータは、前記第1の電極上に被着された前記化学種の量を突き止めるために用いられる、請求項24記載のセンサ。
- 前記第2の電極は、非固定基準電極であり、前記分光学的データは、前記ボルタンメトリデータのための現場較正として用いられる、請求項23〜25のうちいずれか一に記載のセンサ。
- 前記第2の電極は、導電性のダイヤモンド材料で作られている、請求項20〜26のうちいずれか一に記載のセンサ。
- 前記センサは、窓を有し、前記分光計は、前記分光学的分析技術を、前記第1の電極を通って前記第1の電極上に電着された前記化学種の全面の方へ向けるよう構成されている、請求項20〜27のうちいずれか一に記載のセンサ。
- 前記分光計は、前記第1の電極を通って前記分光学的分析技術を前記第1の電極上に電着された前記化学種の後面の方へ向けるよう構成されている、請求項20〜27のうちいずれか一に記載のセンサ。
- 前記分光計は、元素分析技術を実施するよう構成されている、請求項20〜29のうちいずれか一に記載のセンサ。
- 前記分光計は、反射技術を実施するよう構成されている、請求項20〜30のうちいずれか一に記載のセンサ。
- 前記分光計は、X線又はガンマ線を含む分光学的分析技術を実施するよう構成されている、請求項20〜31のうちいずれか一に記載のセンサ。
- 前記分光計は、X線蛍光元素分析を含む分光学的分析技術を実施するよう構成されている、請求項20〜32のうちいずれか一に記載のセンサ。
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