JP2752201B2 - 電気分析方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、電気分析方法に係り、特に電圧、電流また
は電気量の変化をもとに被定量物質を絶対定量すること
ができる電気分析方法に関するものである。

〔従来の技術〕

電気化学分析は、最近いわゆるバイオセンサや液体ク
ロマトグラフ検出器などにおいて、その利用分野が拡大
されており、この方法を用いた検出器としては、試料液
中に検出部である電極を浸漬させるもの、検出極内に試
料液を強制的に流動させるもの、電解液に直接試料を投
入するもの等がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、電気分析において電解液を検出極中で
流動させたり、干渉成分が十分にマスキングされていな
いときは、バックグランドレベルが高くなったり、S/N
比が低下する傾向にあり、上記の分析方法では十分な検
出感度や精度が得られない場合もあった。

最近では電気化学分析に対する期待が大きく、分析時
間の短縮化および分析精度の高度化が強く要求されるよ
うになり、上記従来技術では充分に対応できなくなって
きている。

本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、応答
時間が短く、高精度で、しかも操作性に優れた電気分析
方法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明者らは、上記従来技術の欠点の改良を試みて鋭
意研究を重ねた結果、電気分析用検出器の検出極に透過
膜をあてることにより、流体の連続分析では検出極内に
試料を流れによる乱れを作らず、またサンプルを投与す
る形の分析においてはフィルター効果により妨害成分を
除去するという効果も生じるので、検出器のバックグラ
ンドレベルが低下し、またS/N比が向上し、高感度、高
精度の分析が迅速にできることを見出し、本発明に到達
した。

すなわち本発明は、導電性多孔体からなる検出極を有
する検出極室と、対極を有する対極室とがイオン透過性
の隔膜を介して隣接する電解槽内の前記検出極室の多孔
体に電解液を含浸させ、これに透過膜を通過させた一定
量の試料を供給して電解し、検出極における電圧、電流
または電気量のうち少なくとも１つ以上を測定すること
により、試料中の被定量物質を絶対定量することを特徴
とする。

電気分析において、被定量物質を電解したときの電気
的な変化量、すなわち電圧、電流または電気量の変化
は、電解された物質の量に関係するので、電解時の電気
的な変化量を計測することにより、前記被定量物質を定
量することができる。

本発明に用いる電気分析用検出器は、イオン透過性の
隔膜としてイオン交換膜、微多孔膜等を用いる。バック
グランドレベルを低下させ、安定した定量を行うために
は、イオン交換膜である方が好ましいが、検出器の電気
抵抗を大幅に低下させる必要があるときなどは、単なる
多孔性の隔膜が好ましい。

また検出極材としては、表面に炭素よりも重い元素が
ESCA（光電子分光分析法）で測定される表面元素数比が
1.5％以上存在する、炭素質もしくはグラファイト質の
カーボン繊維の集合体、または多孔状カーボンを用いる
ことが好ましい。前記電極表面に共存させる元素は、周
期律表のＶ族、VI族、VII族元素などの元素の酸化物や
炭化物などとして前記検出極表面に導入される。これに
より、試料の分散性が向上するとともに、電解反応にお
ける検出極と被電解物質との電子移動反応も速やかに行
なわれる。

検出器の検出極においては、通常、集電用の金属網か
らリード線が取出されるが、比較的小電流しか流れない
分析においては、検出極をそのまま延長してセルの外部
に出して集電するか、またはカーボン繊維を並べたもの
を集電用クロスおよびリード線とすることもできる。

検出極室に供給する試料を透過させる透過膜は、特定
成分透過膜であり、被定量物質により使い分けられる。
被定量物質が血液などの液体サンプルの場合、透過膜と
して例えば多孔体フィルタ膜、除蛋白機能付フィルタ
膜、浸透膜などが、またガス試料および一部の液体試料
の場合、例えば半透膜、イオン交換膜、セルロース濾過
膜、合成樹脂膜などが用いられる。

本発明に用いられる電気分析用検出器において、透過
膜を介して検出極に隣接する一定容量の試料室を設ける
場合は、該試料室に試料の流入口および流出口を設ける
ことも好ましい。これにより、試料を連続供給して該試
料中の被定量物質を連続分析することができ、または連
続供給を一時停止し、静止状態で校正のための絶対定量
を行うことができる。

本電気分析用検出器において、前記透過膜とこれに対
面する試料室の壁面との間隔（以下、試料室の高さとい
うことがある）は、3mm以内、好ましくは2mmとする。間
隔が3mmよりも広くなると検出感度が低くなり、校正安
定性が悪くなる場合が多い。

第１表は、断面積が50φの円形からなる検出器の試料
室の高さを変化させて水道水中の残留塩素およびガス中
のオゾンを定量したときの検出器の検出感度、および校
正安定性を示すものである。

ところで、単に所要時間が長くなるだけで系の安定し
たばらつきの小さい分析の場合は、試料室の高さを4mm
以上にしてもさしつかえない。この場合、次に述べる方
法によって、分析所要時間の短縮を図ることができる。

すなわち、検出極を流れる電流と電気量とのプロット
の外挿または検出極電流の対数と時間のブロットの外挿
によって、試料中の目的成分を絶対定量することができ
る。この方法はｉ（電流）−Ｑ（電気量）プロットまた
はlogi−ｔ（時間）プロットといわれる方法であり、時
間に対して指数関数的に電流が減少する場合には、この
プロットは直線になる。そしてバックグランド電流のレ
ベルまで電流が低下した所まで外挿したときの電気量
（logi−ｔプロットのときも電流の時間積分Ｑ＝∫i₀・
ｅ^−αｔdtによりＱを求める、ここでi:初期電球、α：
係数）をもって目的成分の絶対定量を行うことができ
る。この外挿法を本発明の方法に適用すれば、電解終了
まで15〜20分も要する場合でも、２〜３分の分析時間で
済ませることもできる。このように、試料室内の試料交
換、数分の電解を繰り返し間歇的に絶対定量をしてゆく
ことも可能である。

本検出器の試料室の形状としては、例えば円筒体、立
方体もしくは直方体、またはこれらを複合させた形状が
あげられるが、特に限定されない。

上記した電気分析用検出器を用いた本発明の電気分析
方法は、検出極に電解液を含浸させた状態、すなわち電
解液が静止している状態で、特定物質の透過膜を通過さ
せた試料を電解して絶対定量を行なう。透過膜を通過さ
せた試料を電解することにより、目的成分である特定物
質だけが定量され、分析妨害物質の影響を避けることが
できる。また、電解液を非流動状態としたことにより、
バックグランドが極めて小さく、かつ安定し、分析感度
および分析精度が向上する。

本発明に用いられる電解液としては、各種のpH緩衝液
などがあげられるが、これに例えばヨウ化カリウム等に
代表される酸化還元メディエータ（モリブデン酸イオン
などの金属酸化物イオン、フェリシアンイオン／フェロ
シアンイオン、アミノカルボン酸鉄などの錯化合物）、
酵素などを溶解または分散させたものも使用できる。

本発明の電気分析方法において試料が液体の場合は、
定量ピベットなどを用いて、一定量の試料を透過膜上に
滴下することにより投与することもできる。このとき検
出器の試料室は必要としない。

液体試料または気体試料の試料中の目的成分を連続分
析する必要がある場合には、試料の流入口および流出口
を備えた試料室を有する電気分析用検出器が用いられ
る。この場合試料は、検出器の試料室に設けられた流入
口から所定の流量で連続的に導入され、該試料中の被定
量成分が透過膜を透過して連続的に検出極に達し、例え
ばボルタンメトリーまたはアンペロメトリーにより測定
される。測定後の試料は、試料室の試料出口から所定の
流量で流出する。すなわち、本分析方法によれば試料が
試料室内を流動している間に、試料中の目的成分の一部
または全部が透過膜を通して検出器に導入され、連続的
に定量される。この場合、連続分析中に一時的に試料の
流れを止め、これに基づく電流、電気量または電圧の変
化を測定し、被定量物質の濃度を求めることによって連
続供給時の測定値を校正することができる。

本発明の電気分析方法において、被定量物質を絶対定
量する場合は、試料を前記試料室内に一時的に保持し、
その間の電気量または電流変化を測定することにより行
なわれる。この場合、試料供給ポンプは停止され、前記
試料室の入口およひ出口は、例えば弁、バルブ等の手段
で閉じられる等の処置がとられる。弁の代わりにキャピ
ラリを用いてもよい。この絶対定量法によれば、前記試
料室中の被定量物質を完全に反応させなくても、電流−
電気量曲線やlog（電流）−時間曲線が得られれば、そ
の外挿値により絶対定量することができるのは前述した
通りである。

本発明の電気分析方法において、試料液中の被定量物
質が検出極と直接電子移動反応を起こさない場合は、電
解液中に前述したようなヨウ素／ヨウ素イオンなどの酸
化還元メディエータ、酵素等の補助物質を共存させるこ
とが好ましい。これらの補助物質は、被定量物質を電極
反応活性物質に変換することができるので、酸化還元メ
ディエータとしては、ハロゲンイオン／ハロゲン系、ハ
イドロキノン類／キノン類系（例えばナフトキノンスル
ホン酸等）、多価金属イオン等が、また酵素としては、
例えばグルコースのように被定量物質と反応して過酸化
水素を発生させるものや酸素などを消費するもの、その
他、直接または酸化還元メディエータを介して、酸素等
の検出極に対する活物質を生成させるものがある。

〔実施例〕

第１図は、本発明に用いる電気分析用検出器の一例を
示す断面図である。この電気分析用検出器は、隔膜１
と、該隔膜１を挟んで両側にそれぞれ設けられた、検出
極２を有する検出極室３および対極４を有する対極室５
と、前記検出極室３の試料投入面に設けられた透過膜７
と、該透過膜７を介して前記検出極室３に隣接する試料
室８と、該試料室８に設けられた試料の流入出用のキャ
ピラリ９および試料ポンプ10とから主として構成されて
いる。なお、６は検出極２または対極４から取出された
リード線である。

このような構成において、試料ポンプ10によりキャピ
ラリ９を経て試料室８へ導入された試料中の被定量物質
は、透過膜７を通して検出極室３の検出極２に投与され
て電解され、このときの電圧、電流または電気量がリー
ド線６を経て取出されることにより定量される。一方、
被定量物質が除かれた前記試料は、入口と反対方向のキ
ャピラリ９を経て試料室８外へ排出される。

次に、本発明を具体的実施例によりさらに詳細に説明
する。

実施例１ 透過膜７として、0.025mm厚のアクチルセルロース系
薄膜を、電解液としてコレステロールオキシダーゼ（３
βヒドロキシステロイドオキシダーゼ）およびフェロシ
アン化カリウム（0.3M）を含むpH6クエン酸系緩衝液
を、検出極として、1:1硝酸中で約15分間煮沸して表面
酸化処理を行った、たて30mm、よこ20mm、厚さ3mmの炭
素室カーボンフェルトを用い、かつ第１図の電気分析用
検出器の試料室部分を省いた構成の検出器により血液中
のコレステロールの定量をした。10回の分析における定
量結果はすべて170〜185mg/dlの範囲に入る。極めて再
現性のよいものであった。また、１回の分析に要した時
間は短く、それぞれ約30秒であった。なお、コレステロ
ール測定キットによる分析値は180mg/dlであった。

本実施例によれば、透過膜としてアセチルセルロース
系の薄膜を用いたことにより、供試血液を直接透過膜７
上に投与しても、血清分だけが検出極３へ移行して分解
分析されるので、従来法における遠心分離等による前処
理が不要となり、短時間で素早くコレステロールを定量
することができた。

比較例１ 透過膜７を使用せずに供試血液を直接検出極２に投与
した以外は実施例１と同様に血液中のコレステロールの
定量を10回行なった。１回目の定量時間は約20秒と短か
かったが、回数を重ねるごとに長くなり、まもなく１分
を超えるようになった。また、定量値は大きくばらつ
き、その範囲は175〜230mg/dlであった。

実施例２ 電解液として、酵素であるウリカーゼと、酸化還元メ
ディエータであるフェロシアン化カルウムを含むpH緩衝
液を用いた以外は実施例１と同様にして尿中の尿酸の定
量を20回連続で行なったところ、すべて６〜8mg/dlの安
定した分析値が得られた。なお、１回の分析時間は45〜
50秒であった。

比較例２ 透過膜７をなくした以外は実施例２と同様にして同様
の定量を行なったところ、定量値の範囲は４〜9mg/dlと
ばらつき、安定した結果は得られなかった。

実施例３ 電解液として、フェロシアン化カリウムを溶解したpH
緩衝液を用いた以外は実施例１と同様にして還元性物質
である天然果汁（オレンジ）中のアスコルビン酸を10回
連続で電解したところ、すべて2.71〜2.92mク−ロンと
安定した値が得られた。また、１回の分析時間はいずれ
も60秒以内であった。

比較例３ 透過膜７をなくした以外は実施例３と同様にして同様
の分析を行なったところ、電流ピークの形状は不規則に
なるとともに、バックグランドレベル（暗電流）の変動
が大きくなり、良好な結果はえられなかった。

実施例４ 第１図に示す検出器の試料室８内の試料の流路を第２
図に示すような蛇行流路とした検出器により、透過膜７
としてポリ塩化ビニリデン薄膜を、電解液としてヨウ化
カリウムを含む3N−酢酸水溶液をそれぞれ用いて水道水
中の残留塩素の連続定量を行なった。試料室８内の試料
の流れを一時的に停止して１分間電流値の減少を観察
し、ｉ−Ｑ曲線（i:電流、Q:電気量）を作成し、外挿法
により試料室８内の一定量の試料中の被定量物質量を求
め、これと前記連続分析中の定量値をもとにして検出器
の構成を行なった。このようにして求めた残留塩素の濃
度は0.75〜0.90ppmと安定していた。並行して、オルト
トリジン法で求めた定量値との差は５〜８％と小さく、
信頼性の高いものであった。検出器の設置方向は、水平
または垂直のどの方向でもよく、設置方向によって分析
値が変化することはなかった。また本実施例において、
検出器を保温して恒温に保つことにより、分析の信頼性
をさらに向上させることができた。

実施例５ 透過膜７としてフッ素樹脂薄膜を、電解液としてヨウ
化カリウムを含むpH7のリン酸ナトリウム系水溶液を用
いた以外は、実施例４と同様の条件でガス中のオゾンを
連続分析した。分析結果は0.1ppmから100ppmの範囲で95
％以上の再現性を示した。中性ヨウ化カリウムで吸収
し、滴定法によって求めた定量結果との差は10％以内で
あった。

本実施例によれば、センサとして流体中の目的成分を
監視することができる。

実施例６ 検出極の目付量を従来の400gm^-2から620gm^-2に変更
し、検出極の含浸液として1M-KCl、1M−KH₂PO₄水溶液を
用いた外は実施例４および５と同様にしてアルゴンガス
で脱気した純水中の溶存酸素を測定した。アルゴンガス
による脱気時間をそれぞれ30分、45分および60分であ
り、各検水を約5ml/minで検出器に送液し、試料室内が
十分に新しい検水で置換されたと考えられる時間（２
分）で送液を停止し、その直後より減少して行ゆく電流
を観察した。３分間の観察によって得たｉ−Ｑプロット
の外挿値より溶存酸素をもとめたところ、脱気30分後の
溶存酸素は16ppb、脱気45分後の溶存酸素は9ppb、脱気6
0分後の溶存酸素は5ppbであった。平行して行ったジチ
ゾン法（比色法）による定量では、脱気30分後、45分後
および60分後の溶存酸素は、それぞれ約20ppb、約10ppb
および10ppb以下であった。

〔発明の効果〕

本発明によれば、気体試料または液体試料中の被定量
物質を短時間で、かつ精度よく定量することができる。
また、本発明に用いる電気分析用検出器は、例えば臨床
検査用の高感度センサとして用いることも可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に用いる電気分析用検出器の一例を示
す説明図、第２図は、本発明に用いる電気分析検出器の
試料室内の試料の流路を模式的に示す図である。 １……隔膜、２……検出極、４……対極、７……透過
膜、８……試料室、９……キャピラリ。

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】導電性多孔体からなる検出極を有する検出
   極室と、対極を有する対極室とがイオン透過性の隔膜を
   介して隣接する電解槽内の前記検出極室の多孔体に電解
   液を含浸させ、これに透過膜を通過させた一定量の試料
   を供給して電解し、検出極における電圧、電流または電
   気量のうち少なくとも１つ以上を測定することにより、
   試料中の被定量物質を絶対定量することを特徴とする電
   気分析方法。
2. 【請求項２】前記電解槽として、検出極を有する検出極
   室と、対局を有する対局室とが隔膜を介して隣接し、か
   つ前記検出極室の試料供給面に透過膜を挟んで前記検出
   極室と反対側に設けられた、試料を保持する試料室を有
   する電気分析用検出器を用いることを特徴とする請求項
   （１）記載の電気分析方法。
3. 【請求項３】前記検出極室の試料供給面に設けられた透
   過膜を通して検出極室に試料を連続供給し、該試料中の
   被定量物質を連続分析するとともに、連続分析中の任意
   の時点で前記試料の供給を停止してこれに基づく電流、
   電気量または電圧の変化を測定し、被定量物質の濃度を
   求めることによって連続供給時の測定値を校正すること
   を特徴とする請求項（１）または（２）記載の電気分析
   方法。
4. 【請求項４】電解液として、試料中の被定量成分を電極
   反応活性物質に変換するメディエータを含む電解液を用
   いることを特徴とする請求項（１）ないし（３）のいず
   れか記載の電気分析方法。