JP2015090270A

JP2015090270A - 電気化学測定装置

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Publication number: JP2015090270A
Application number: JP2013228939A
Authority: JP
Inventors: 晋弥松岡; Shinya Matsuoka; 常盤　幸恵; Yukie Tokiwa; 幸恵常盤
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2013-11-05
Filing date: 2013-11-05
Publication date: 2015-05-11
Anticipated expiration: 2033-11-05
Also published as: JP6255216B2

Abstract

【課題】電気化学測定フローセルにおいて、電極表面が局所的に溶出し、性状が不均一となることを防ぐことを課題とする。【解決手段】本発明は、液体を導入する空洞部を有するフローセルと、前記空洞部を挟んで対向した位置に設けられた第一電極および第二電極と、前記第一電極および第二電極に電圧を印加する電圧印加手段と、を備えた電気化学測定装置において、前記第一電極および前記第二電極は２つ以上に分割して形成されており、分割された第一電極および分割された第二電極に対して独立に電圧を印加可能な電圧制御手段と、を備えたことを特徴としている。【選択図】図３

Description

本発明はフローセルを用いて電気化学測定を行う電気化学測定装置に関する。

電気化学測定は化学物質の性質を電気的に測定する方法を言う。電気化学測定を行う測定器として、例えば特許文献１に記載されているような電気化学測定フローセルがある。電気化学測定フローセルはＰＥＥＫ等の耐薬品性を持つボディに流路を設け、流路に電極が接するように配置された構造を持ち、主に液体クロマトグラフィーやフローインジェクション分析の検出器として用いられる。電気化学測定フローセルでは測定対象物質を含む溶液を流路内に導入して測定を行う。

電気化学測定で用いる電極は一般に、作用電極、対向電極、参照電極の３種類から構成される。作用電極と対向電極は、測定対象の反応へ影響を与えないようにするため、白金等の安定な金属が用いられる。作用電極は、目的とする電気化学反応が行われる電極であり、対向電極は、作用電極との間で電流を流すために必要な補助的な電極である。参照電極は、電位を一定に保つ特殊な機能を備えた電極であり、銀・塩化銀電極などが用いられる。

電気化学測定フローセルは一般的に適切な洗浄の上で繰り返しの測定に用いられる。電気化学測定フローセルは、電極や流路等を持つ比較的複雑な構造となるため比較的高価であり、これを使い捨てで使用することは、コストやメンテナンス性の観点から適さないためである。洗浄では電極上に測定対象溶液由来の成分が残存し、次回以降の測定に影響を与えることを防止するために、フローセル内に洗浄用の溶液を導入した状態で、電気分解により酸素等の気体が発生するような電圧を印加することで、洗浄液の流れと気泡発生による物理的な洗浄効果による十分な洗浄が行われる。

特開平６−１０９６８７号公報

洗浄時などの工程において、フローセル内に気体が発生するような電圧を電極に印加すると、電極金属の溶出が発生する場合がある。電極金属の溶出は、溶液に電圧を印加した際に、電場が集中する場所で顕著に起こる。一般的には、電極金属の状態を一定に保つため、電圧を印加した際の電場の集中を抑制するよう、対向電極の面積を、作用電極の面積に対して大きくし、また作用電極の全領域が対向電極の平行面に含まれるような構造としている。

しかし、流路構造に制約があり電極の形状や大きさを自由にとることができないフローセルでは、対向電極の面積を作用電極の面積に対して十分に大きくすることが困難な場合がある。特に、フローセル内部の観察や、内部での反応を発光等で測定する必要がある場合には、作用電極と向かいあう対向電極側に光を透過する部分を設ける必要が生じ、作用電極の面積に対して対向電極の面積を小さくせざるを得ない場合がある。このような構造では、作用電極において対向電極に近い部分に電場が集中することとなり、対向電極付近で電極金属の溶出が優先的に発生する。

このようなフローセルを長期間に亘って使用すると、作用電極表面の部位毎に性状の差が発生し、電気化学測定の性能に影響を生じる可能性がある。一方で、電場が集中する部位の電極金属溶出を防ぐために洗浄用の電圧を印加する時間を短くすると、それ以外の部分で電極の洗浄が不十分となり、測定に影響を与える可能性がある。

本発明は上記課題に鑑み、電気化学測定フローセルにおいて、構造上の制約から対向電極の面積を作用電極の面積に対して大きくとることができない場合であっても、電極表面が局所的に溶出し、性状が不均一となることを防ぐことを課題とする。

本発明は上記課題に鑑み、液体を導入する空洞部を有するフローセルと、前記空洞部を挟んで対向した位置に設けられた第一電極および第二電極と、前記第一電極および第二電極に電圧を印加する電圧印加手段と、を備えた電気化学測定装置において、前記第一電極および前記第二電極は２つ以上に分割して形成されており、分割された第一電極および分割された第二電極に対して独立に電圧を印加可能な電圧制御手段と、を備えたことを特徴としている。

本発明によれば、電気化学測定フローセルの作用電極において、電場が集中する部分とそれ以外の部分に対して電圧を印加する時間を異なる長さにすることができる。電場が集中する部分に電圧が印加される時間を最小限にすることで、この部分が優先的に性状変化することを抑制可能となる。

本発明を適用した電気化学測定フローセルと測定装置電気化学フローセルとこれを用いた測定系を説明する図フローセル内部の電極配置と電位制御手段の接続を説明する図測定サイクルを説明する図

はじめに、本発明を適用した電気化学計測を測定原理とする免疫自動分析装置を、図１を引用して説明する。

免疫自動分析装置は、検体を載せるサンプルラック１００、試薬容器１０１を収納する試薬ディスク１０２、検体の分取・分注を行う検体分注機構１０３、試薬の分取・分注を行う試薬分注機構１０４、試薬のうち磁性粒子溶液を撹拌する磁性粒子撹拌機構１０５、分取した検体および試薬を入れ反応を行う反応容器１０６、検体の分取・分注を行う際に検体分注機構の先端に取り付けて用いる使い捨ての分注チップ１０７、反応容器と分注チップを収納するマガジン１０８、試薬と検体の分注された反応容器を載せ温度を一定に保って反応を行うインキュベータ１０９、反応容器をインキュベータ、反応容器廃棄部１１０に搬送し、また分注チップを分注チップ装着位置１１１、分注チップ廃棄場所１１２に搬送する搬送機構１１３、インキュベータから磁気分離部１１４に反応容器を搬送するＢＦ分離用搬送機構１１５、磁気分離部に搬送された反応容器から反応溶液を吸引する反応溶液吸引機構１１６、磁気分離部に搬送された反応容器に洗浄液を吐出する洗浄液吐出機構１１７、インキュベータから検出部１１８に、あるいは検出部からインキュベータに反応容器を搬送する検出部搬送機構１１９、検出部に搬送された反応容器に対して検出用の試薬を吐出する検出試薬吐出機構１２０などから構成される。本発明で説明する電気化学フローセルは検出器内部に搭載される。

次に電気化学測定に関する部分について、図２を引用してさらに詳細に説明する。

電気化学測定フローセル２０１は作用電極２０２、対向電極２０３、参照電極２０４の３種類の電極が流路２０５に面して設置されている。ここでは作用電極と対向電極には白金電極を、参照電極には銀・塩化銀電極を用いる。電気化学測定フローセルと溶液吸引用ノズル２０６はチューブ等の外部流路２０７を通じて接続される。電気化学測定フローセルの出口側にも外部流路２０８が取り付けられ、その先にシリンジポンプ等の溶液駆動手段２０９が接続される。

電気化学測定フローセルの３種の電極からは配線２１０が取り出されており、この配線は電位制御手段２１１に接続される。電位制御手段は例として、ポテンシオスタット等の電圧制御装置や電源等により構成される。電位制御手段は、計算機および計算機プログラムにより実現される制御・演算・記録手段２１２によってその印加電圧の制御および電流の測定が行われる。また本発明で必要となる、複数サイクル分の電流測定値はこの制御・演算・記録手段によって記録され、また演算される。

ノズルは図示しないノズル駆動機構により上下および水平方向に駆動され、測定対象物質を含む溶液２１３、洗浄液２１４、緩衝液２１５のそれぞれを吸引することができる。なお、ここで緩衝液とは、反応物質を含む溶液の輸送および電気化学反応を補助するために用いられる溶液である。電気化学測定は複数の測定対象物質溶液を測定間に洗浄液による洗浄を含んで繰り返し行われる。

次に、本発明の中心部となるフローセル内部の電極構造と動作を、図３および図４を引用して説明する。

図３はフローセルの電極設置部を流路内の溶液の流れに対して垂直な方向から見た断面図を表す。溶液は図３の紙面に対して垂直方向に導入される。対向電極３０１（２カ所）が設けられたアクリル等の透明な部材３０２と、作用電極３０３（３カ所）が設けられＰＥＥＫ等の樹脂部材３０４が、スペーサ３０５により隔てられて向かいあう。スペーサは決められた厚さをフッ素ゴム等の部材であり、透明部材と樹脂部材とスペーサにより囲まれた空間が反応溶液を導入する流路３０６となる。

作用電極は樹脂部材による仕切り部分３０７によって３つの部分に分けられている。なお、仕切り部分３０７は非導電性であれば良く、樹脂部材以外の部材によって形成されていても良い。それぞれの作用電極を作用電極３０７Ａ，作用電極３０７Ｂ，作用電極３０７Ｃと称する。作用電極３０７Ａおよび作用電極３０７Ｃは対向電極の直下にあり、作用電極と対向電極間の距離が近く、作用電極３０７Ｂは対向電極から離れた部分であり、作用電極と対向電極間の距離が遠い。

対向電極も左右２つに分割されており、それぞれ対向電極３０１Ａ，対向電極３０１Ｂである。作用電極３０７Ｂに対向する位置（中央部）は対向電極により遮られていないため、アクリル等の透明部材を介して外部からフローセル内の観察やフローセル内の発光を観察可能である。

それぞれの電極は３０８に模式的に示した配線により、電圧印加手段３０９に接続されている。電圧印加手段は制御・演算・記録手段３１０により制御される。３つに分割された作用電極のうち、作用電極３０７Ａおよび作用電極３０７Ｃから取り出された配線は途中で１つにまとめられ、１つの回路開閉手段３１１に接続され、回路開閉手段を介して電圧印加手段に接続される。作用電極３０７Ｂから取り出された配線は直接電圧印加手段に接続される。回路開閉手段は制御・演算・記録手段によって制御され、あらかじめ定められた動作手順に従って回路を開閉する。

図４は、本発明を適用した測定装置の動作パターンを表したものである。

図４の横軸は測定の１サイクル分の時間を表す。縦軸は上から順に、作用電極への印加電圧、回路開閉手段３１１の状態、をそれぞれ表す。ここで表した動作は本発明を実現するための最小限の動作構成であり、実際にはこれ以外のプロセスを含む場合があっても良い。

図４に示す１サイクルには、測定プロセスと洗浄プロセスが含まれており、４０１で示したタイミングから４０２で示したタイミングで反応液をフローセル中に導入して電圧を印加するプロセス（測定プロセス）が実行され、４０４で示したタイミングから４０５で示したタイミングで洗浄液をフローセル中に導入して洗浄するプロセス（洗浄プロセス）が実行される。

制御・演算・記録手段３１０は電圧印加手段３０９を制御し、測定プロセスの間に測定用の電圧４０３を印加し、洗浄プロセスの間で洗浄用の電圧４０６を作用電極に印加する。なお、洗浄プロセスの際に印加される電圧４０６は、電気分解により気体が発生するのに十分な電圧である必要があるため、測定プロセスの際に印加される電圧４０３よりも大きい。

回路開閉手段３１１は、「ＯＮ」となる状態で回路が閉じ、作用電極３０７Ａ〜３０７Ｃの全ての作用電極に対して電圧が印加される。回路開閉手段３１１が「ＯＦＦ」となる状態では回路が開放され、作用電極３０７Ａおよび作用電極３０７Ｃには電圧は印加されず、作用電極３０７Ｂにのみ電圧が印加される。

測定サイクル開始時点では回路開閉手段３１１は「ＯＮ」であるため、全ての作用電極に対して測定用の電圧４０３が印加されている。測定用の電圧が印加される４０１から４０２のタイミングまでの間（測定プロセス）についても、やはり回路が閉じられているため、全ての作用電極に対して電圧が印加されている。

洗浄プロセスが開始され、洗浄用の電圧４０６が印加開始されると、４０７で示すタイミングで回路開閉手段３１１が「ＯＦＦ」に変更される。これにより、作用電極３０７Ａおよび作用電極３０７Ｂが回路から切り離された状態になるため、これらの部分には電流が流れず、作用電極３０７Ｂにのみ電圧が印加される。洗浄用電圧の印加が終了した後４０８で示したタイミングで再度回路開閉手段を再び「ＯＮ」にして、次の測定サイクルの準備をする。作用電極３０７Ｂは回路開閉手段３１１を介することなく直接電圧印加手段に接続されているため、洗浄用電圧の印加を終了する４０５のタイミングまで電圧が印加され続ける。

以上のように、回路開閉手段を制御することにより、洗浄プロセスにおいて電場が集中する作用電極３０７Ａおよび３０７Ｃに電圧が印加される時間を短くすることができるので、電極の局所的な溶出を抑制し、全ての作用電極３０７Ａ〜３０７Ｃの性状を一定にすることが可能である。

なお、本実施例では作用電極を３つに分割し、そのうち２つを回路開閉手段により制御する方法をとったが、作用電極を２つあるいは４つ以上に分割してそれぞれを制御すること、また分割したそれぞれの電極部に独立した電圧印加手段を接続して電圧を制御することも可能である。

１００検体を載せるサンプルラック
１０１試薬容器
１０２収納する試薬ディスク
１０３検体分注機構
１０４試薬分注機構
１０５粒子撹拌機構
１０６反応容器
１０７分注チップ
１０８マガジン
１０９インキュベータ
１１０反応容器廃棄部
１１１分注チップ装着位置
１１２分注チップ廃棄場所
１１３搬送機構
１１４磁気分離部
１１５ＢＦ分離用搬送機構
１１６反応溶液吸引機構
１１７洗浄液吐出機構
１１８検出部
１１９検出部搬送機構
１２０検出試薬吐出機構１２０
２０１電気化学測定フローセル
２０２作用電極
２０３対向電極
２０４参照電極
２０５流路
２０６溶液吸引用ノズル
２０７入口側の外部流路
２０８出口側の外部流路
２０９溶液駆動手段
２１０配線
２１１電位制御手段
２１２制御・演算・記録手段
２１３測定対象物質を含む溶液
２１４洗浄液
２１５緩衝液
３０１対向電極
３０２透明部材
３０３作用電極
３０４樹脂部材
３０５スペーサ
３０６流路
３０７作用電極の仕切り部
３０８配線
３０９電位制御手段
３１０制御・演算・記録手段
３１１回路開閉手段
４０１測定電圧印加開始タイミング
４０２測定電圧印加終了タイミング
４０３測定電圧
４０４洗浄電圧印加開始タイミング
４０５洗浄電圧印加終了タイミング
４０６洗浄電圧
４０７回路を開くタイミング
４０８回路を閉じるタイミング

Claims

液体を導入する空洞部を有するフローセルと、
前記空洞部を挟んで対向した位置に設けられた第一電極および第二電極と、
前記第一電極および第二電極に電圧を印加する電圧印加手段と、を備えた電気化学測定装置において、
前記第一電極および前記第二電極は２つ以上に分割して形成されており、
分割された第一電極および分割された第二電極に対して独立に電圧を印加可能な電圧制御手段と、を備えたことを特徴とする電気化学測定装置。
請求項１記載の電気化学測定装置において、
前記電圧制御手段は、前記電圧印加手段と分割された第一電極のそれぞれとを接続する配線上に設けられた回路開閉手段であることを特徴とする電気化学測定装置。
請求項１記載の電気化学測定装置において、
前記第一電極は３つ以上に分離して形成されており、
前記第二電極は２つ以上に分離して形成されており、
前記電圧制御手段は、前記第二電極との距離が近い第一電極に電圧を印加するタイミングと、前記第二電極との距離が遠い第一電極に電圧を印加するタイミングを独立して制御することを特徴とする電気化学測定装置。
請求項１記載の電気化学測定装置において、
前記フローセル内を洗浄する洗浄液を供給する手段を備え、
前記電圧制御手段は、洗浄液がフローセル内に導入されている際に電圧を印加する電極を切り替えることを特徴とする電気化学測定装置。
請求項３記載の電気化学測定装置において、
前記第二電極との距離が近い第一電極に電圧を印加する時間が、前記第二電極との距離が遠い電極に電圧を印加する時間よりも短いことを特徴とする電気化学測定装置。