JP3545928B2 - マグネシウムイオン濃度測定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は河川水，湖沼水，地下水，水道水もしくは清涼飲料水中のマグネシウムイオン濃度または医薬品等に含まれるマグネシウムイオン組成を測定する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
環境中のマグネシウムイオン濃度は通常、人の健康を害しない範囲にあるために我が国ではマグネシウムイオン単独での濃度に関する水質基準値は設けられていない。しかしマグネシウムイオン濃度が極端に高濃度になると下痢等を引き起こす。このために諸外国ではマグネシウムイオン濃度に関する水質基準値が存在し、ＥＣ，フランス，ドイツでは最大許容濃度を５０ ｍｇ／Ｌ と定めている。我が国では通常、自然水の硬度が低いため、監視基準値が設けられていないが、水質に関してより詳細な情報を得る際にはマグネシウムイオン濃度も重要な項目の１つとなる。
【０００３】
従来、水溶液中のマグネシウムイオン濃度の測定手段としては、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ ）発光分光分析法および原子吸光光度法が代表的な測定手段であった。これらの方法は高感度な測定が可能であり、実験室系での分析や測定に用いられてきた。
またＥＤＴＡ（エチレンジアミン四酢酸二ナトリウム）を用いるキレート滴定法によっても測定が可能である。この方法においては滴定の終点を金属指示薬エリオクロムブラックＴの青色呈色によって判断する方法が一般的である。
【０００４】
以上の他に発色試薬としてチタンイエローを用いる比色分析法が知られており、操作が簡便であることから現場での簡易測定に用いられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
マグネシウムイオン濃度測定に関しては、上述のような背景から簡便な自動測定方法に対するニーズが高いが、従来の測定法には次のような問題があった。
（１） ＩＣＰ 発光分光分析法および原子吸光光度法は、高感度，高精度な測定を実現しているがマグネシウムイオン濃度測定専用としては機能が過剰である。従って装置が高価で汎用性に欠け、簡便な自動連続測定に適さない。
（２） キレート滴定法は、複雑な前処理や手作業による滴定が必要であるため、自動連続測定の実現が困難である。
（３） チタンイエローを用いる比色法は測定原理が単純であるために自動測定装置の構成も可能であるが、発色が経時的に不安定であることや、測定が他種イオンによって干渉を受けるために高感度化，高精度化が難しい。
【０００６】
一方、近年の研究によれば、ポルフィリン−金属イオン錯体を形成し、その蛍光を検出することにより金属イオン濃度の測定が可能であることが示された。金属イオンとポルフィリンの組合せについて多くのパターンが検討され、マグネシウムイオンの検出に関しても既にｐｐｂ レベルの高感度測定が可能であることが報告されている。また試料液中に複数種の金属イオンが存在する場合には、ポルフィリンへの競合配位や配位後の消光作用によって蛍光光量が干渉を受け、特定の金属イオン濃度の定量に対して誤差を生じさせる場合があることも知られている。このために目的の金属イオンだけを選択的に検出するには、溶媒抽出などの前処理が必要となっており、測定自動化の障害となっていた。
【０００７】
この発明は上述の点に鑑みてなされその目的は、ポルフィリン−金属錯体を形成する際の干渉を排除して、高感度，高精度で自動連続測定が可能なマグネシウムイオン濃度測定装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述の目的は第一の発明によれば、試料液中のマグネシウムイオン濃度の測定装置において、試料液にｐＨ緩衝液を添加する第一の試薬混合部と、ｐＨ緩衝液添加によって生じる析出物の分離部と、前記分離部を通過した試料液にポルフィリン溶液を添加する第二の試薬混合部と、ポルフィリンと試料液中のマグネシウムイオンを反応させて錯体を形成する加熱反応部と、試料液に特定波長の励起光を照射してポルフィリンとマグネシウムイオンの錯体が発する所定波長範囲の蛍光光量を光電変換手段を用いて電気信号に変換する蛍光検出部と、前記錯体形成前後の蛍光光量の変化から試料液中のマグネシウムイオン濃度を所定の検量線を用いて算出する演算処理部を備えることにより達成される。
【０００９】
第二の発明によれば第一の発明においてポルフィリンがα， β， γ， δ−テトラ（４−Ｎ−メチルピリジル）ポルフィン（ＴＭＰｙＰ ）、α， β， γ， δ−テトラ（４−スルホナトフェニル）ポルフィン（ＴＳＰＰ）またはα， β， γ， δ−テトラ（４−カルボキシフェニル）ポルフィン（ＴＣＰＰ）であることが有効である。
第三の発明によれば第一の発明においてポルフィリンとマグネシウムイオンの錯体が発する所定波長範囲の蛍光を分光することが有効である。
【００１０】
第四の発明によれば第一の発明においてマグネシウムイオン濃度をｘ、蛍光光量をｆ（ ｘ） 、ａ，ｂ，ｃをそれぞれ定数としたときに測定に用いる検量線が式（１）で近似することが有効である。
【００１１】
【数２】
ｘ＝ａ× ｅｘｐ｛ｂ×ｆ（ｘ）｝＋ｃ （１）
試料液にポルフィリンとｐＨ緩衝液を添加し、ポルフィリン−マグネシウムイオン錯体を形成させる。試料液に励起光を照射すると、液中のポルフィリン−マグネシウムイオン錯体が蛍光を発する。この蛍光光量を光電変換手段を用いて電気信号に変換して検出する。検出した電気信号は演算処理部で解析し、錯体形成前後における蛍光の光量変化から試料液中のマグネシウムイオン濃度が算出される。
【００１２】
共存する他種金属イオンの干渉を抑制するために反応液のｐＨ調整や、緩衝液に含まれるイオンの作用を用いて、マグネシウムイオン濃度測定に干渉する他種金属イオンを析出、沈降させて反応系から除外する。また錯体に照射する励起光波長と蛍光測定波長をマグネシウムイオン錯体に適した値に選定すると共存する他種金属イオン等の挟雑物による光吸収や蛍光の影響が低減される。
【００１３】
α， β， γ， δ−テトラ（４−Ｎ−メチルピリジル）ポルフィン（ＴＭＰｙＰ ）、α， β， γ， δ−テトラ（４−スルホナトフェニル）ポルフィン（ＴＳＰＰ）またはα， β， γ， δ−テトラ（４−カルボキシフェニル）ポルフィン（ＴＣＰＰ）は水溶性のポルフィリンであるので、水溶液中のマグネシウムイオンと反応してポルフィリン−マグネシウムイオン錯体を形成する。
【００１４】
ポルフィリンとマグネシウムイオンの錯体が発する所定波長範囲の蛍光が分光されると分光スペクトルデータの解析によってポルフィリンの発する蛍光の錯体蛍光に対する干渉が除去される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
第二の試薬混合部で添加されるポルフィリンとしては、水溶性のポルフィリンであるポルフィンが用いられる。例えばα， β， γ， δ−テトラ（４−Ｎ−メチルピリジル）ポルフィン（ＴＭＰｙＰ ）、α， β， γ， δ−テトラ（４−スルホナトフェニル）ポルフィン（ＴＳＰＰ）またはα， β， γ， δ−テトラ（４−カルボキシフェニル）ポルフィン（ＴＣＰＰ）等が挙げられる。
【００１６】
ポルフィリンがα， β， γ， δ−テトラ（４−Ｎ−メチルピリジル）ポルフィン（ＴＭＰｙＰ ）であるときは、第一の試薬混合部で添加されるｐＨ緩衝液のｐＨは９ないし１０、加熱反応部の温度は８５℃ないし１００℃で且つ反応時間は５分ないし３０分、蛍光検出部において試料液に照射する励起光波長は４４５ｎｍないし４５５ｎｍを含む範囲で選定されポルフィリンとマグネシウムイオンの錯体が発する蛍光の測定波長は６３５ｎｍないし６４５ｎｍを含む範囲に選定される。
【００１７】
ポルフィリンがα， β， γ， δ−テトラ（４−スルホナトフェニル）ポルフィン（ＴＳＰＰ）であるときは、ｐＨ緩衝液のｐＨは９ないし１０、加熱反応部の温度は８５℃ないし１００℃で且つ反応時間は５分ないし６０分、試料液に照射する励起光波長は４３０ｎｍないし４３５ｎｍを含む範囲に選定されポルフィリンとマグネシウムイオンの錯体が発する蛍光の測定波長は６１５ｎｍないし６２５ｎｍを含む範囲に選定される。
【００１８】
ポルフィリンがα， β， γ， δ−テトラ（４−カルボキシフェニル）ポルフィン（ＴＣＰＰ）であるときは、ｐＨ緩衝液のｐＨは９ないし１０、加熱反応部の温度は８５℃ないし１００℃で且つ反応時間は５分ないし１２０分、試料液に照射する励起光波長は４３０ｎｍないし４３５ｎｍを含む範囲に選定されポルフィリンとマグネシウムイオンの錯体が発する蛍光の測定波長は６１５ｎｍないし６２５ｎｍを含む範囲に選定される。
【００１９】
【実施例】
図１はこの発明の実施例に係るマグネシウムイオン濃度測定装置を示す構成図である。
ポルフィリンは水溶性ポルフィリンであるα， β， γ， δ−テトラ（４−スルホナトフェニル）ポルフィン（ＴＳＰＰ）を用いる。先ず測定フローと信号検出方法を説明する。
【００２０】
マグネシウムイオンを含む試料液１をポンプ２を用いて測定対象となる液中から採取し、懸濁物質除去のために中空糸フィルタ３を通過させた後、第一の試薬混合部４に送る。続いてこの試料液をポンプ５を用いて送液し、ポンプ６によって送液される炭酸緩衝液１４と混合する。ｐＨ値は２５℃で１０． ０１である。緩衝液中の炭酸イオン（ＣＯ_３ ^２− ）の濃度は０． ０５ｍｏｌ／Ｌ である。純水１１、マグネシウムイオン濃度２０ｍｇ／Ｌの標準液１２、およびマグネシウムイオン濃度５０ｍｇ／Ｌの標準液１３は装置の自動較正に用いる。
【００２１】
分離部７では、試料液のｐＨ調整や、緩衝液に含まれるイオンの作用により、マグネシウムイオン濃度測定に干渉する他種金属イオンを析出、沈降させ、フィルタ８でろ過して反応系から共存する他種金属イオンを除く。マグネシウムイオン濃度測定に干渉する金属イオンとしては、マンガンイオン，銅イオン，亜鉛イオン，銀イオン，カドミウムイオン，鉛イオン，クロムイオン，鉄イオン，コバルトイオン，ニッケルイオン，スズイオン等が挙げられる。これらの金属イオンがマグネシウムイオン濃度測定を干渉するのは、少なくともマグネシウムイオンに対して数倍以上のモル濃度が系中に存在する場合である。上記の反応系では、マンガンイオン，銅イオン，亜鉛イオン，カドミウムイオン，鉛イオン，クロムイオン，鉄イオン，コバルトイオン，ニッケルイオンは水酸化物としての溶解度が小さいため、また銀イオンは炭酸塩としての溶解度が小さいため、特殊な場合を除いてマグネシウムイオンより低濃度になる。前述の特殊な場合とは、純水などマグネシウムイオン濃度が低い溶液に、干渉作用のある金属イオンを添加する場合である。通常は干渉作用のある金属イオンは析出、沈降し、マグネシウムイオン濃度測定に干渉しなくなる。
【００２２】
ろ過後の試料液は第二の試薬混合部９に送り、ポンプ１０によって送液する一定濃度に調製されたＴＳＰＰ溶液１５と混合させる。
次に試料液を加熱反応部２０に送り、反応容器２１中に一定時間（４０分）保つ。この間に液中のＴＳＰＰとマグネシウムイオンがモル比１ ：１ の錯体形成反応を起こす。反応容器は反応促進のためにヒーター２２によって一定温度（９０℃）に加熱される。滞在時間は電磁弁２３、２４により送液を止めることで調節する。同時に電磁弁２３、２４は試料液端面のＴＳＰＰ−マグネシウム錯体の拡散を防ぎ蛍光信号の鈍りを防止する。滞在時間を反応容器２１の容積とポンプ５、６、１０の送液量によって調節すれば反応容器前後の電磁弁２３、２４が省略できる利点があるが、反応容器の大型化や消費液量の増加につながるため、用途に応じて装置構成が選択される。
【００２３】
蛍光検出部２５のフローセル２６に送ったＴＳＰＰ−マグネシウムイオン錯体に中心波長４３０ｎｍの励起光を照射すると、中心波長６２０ｎｍの蛍光を発する。励起光源２７としては、熱の発生が少なく長寿命な青色発光ダイオードが優れているが、タングステンランプなどの白色光源を用いてもよい。光源が発した光は励起光側レンズ２８によって集光し、４３０ｎｍに透過のピークを持つ励起光側干渉フィルタ２９によって最適波長のみを選択透過させる。試料液が発する蛍光は蛍光側レンズ３０によって集光し、６２０ｎｍに透過のピークを持つ蛍光側干渉フィルタ３１によって目的とする波長のみを選択透過させる。これらの波長限定によって挟雑物質による光吸収や蛍光の影響が低減される。
【００２４】
蛍光側干渉フィルタ３１を透過した光は光電変換器３２によって電気信号に変換され演算処理部３３に送られる。演算処理部としてパソコンが使用される。測定後の試料液は廃液３４となる。
図２はこの発明の実施例に係る錯体蛍光光量とマグネシウムイオン濃度の検量関係を示す線図である。
【００２５】
図３はこの発明の実施例に係るマグネシウムイオン濃度と錯体蛍光光量の検量関係を示す線図である。
次にマグネシウムイオン濃度の定量方法を説明する。マグネシウムイオン濃度Ｃ_Ｍｇと蛍光光量ｆ（ Ｃ_Ｍｇ） は、ほぼ関数Ｆの関係で表される。マグネシウムイオン濃度Ｃ_Ｍｇと蛍光光量ｆ（ Ｃ_Ｍｇ） が直線関係にならないのは、マグネシウムイオン濃度が上昇し、蛍光物質であるＴＳＰＰ−マグネシウムイオン錯体の濃度が高くなると、濃度消光の影響が出て蛍光光量の増加の割合が低下するためである。濃度消光の影響は、試料液フローに対する蛍光観察視野の広さよって異なるが、試料液フローを細くして、フロー全体の蛍光を観察するよう光学系を設定した場合には、Ｃ_Ｍｇとｆ（ Ｃ_Ｍｇ） の関係は式（２）で表される。
【００２６】
【数３】

【００２７】
となる。式（２）中でεは蛍光物質であるＴＳＰＰ−マグネシウムイオン錯体の吸光係数、ｌは励起光軸方向の試料液フローの光路長である。
実際の装置においては、試料液の蛍光光量ｆ（ ｘ） が得られ、Ｆの逆関数Ｆ^−１を解くことで、試料液中のマグネシウムイオン濃度ｘが算出される。式（２）の逆関数（対数関数を含む）を導き、測定に用いても良いが、式（２）は対数関数で近似できる場合がある。このときは、式（２）の逆関数を求めなくてもＦの逆関数Ｆ^−１は式（１）の指数関数で近似される。
【００２８】
【数４】
ｘ＝ａ× ｅｘｐ｛ｂ×ｆ（ ｘ） ｝＋ｃ…（１）
ここでａ、ｂ、ｃは実測値から算出される定数である。
装置は以下のようにして自動較正される。装置内部にマグネシウムイオン濃度既知の標準液を内蔵し、定期的にこの標準液を自動測定する。これら標準液の測定結果に基づいて演算処理部で演算を行い、定数ａ、ｂ、ｃを更新して装置を較正する。例えば１日１回、純水１１、マグネシウムイオン濃度２０ｍｇ／Ｌの標準液１２、およびマグネシウムイオン濃度５０ｍｇ／Ｌの標準液１３を用いて蛍光光量ｆ（ ０） 、ｆ（ ２０） およびｆ（ ５０） を測定する。これらの測定結果を式（３）にそれぞれ代入し、３連の連立方程式を解いて定数ａ、ｂ、ｃを更新する。
【００２９】
蛍光側干渉フィルタに替えて励起光をカットする（例えば５００ｎｍ以上の光のみを透過させる）シャープカットフィルタを用い、光電変換器として分光用楔形干渉フィルタ付フォトダイオードアレイを用いる方式も可能である。単一のフォトダイオードを用いる方式は、信号処理が単純な点で優れている。フォトダイオードアレイを用いる分光方式は、信号処理は複雑になるが、スペクトルデータを利用してより高度な演算処理が可能な点で優れている。
【００３０】
図４はポルフィリンＴＳＰＰとマグネシウムイオンの反応系につきその蛍光スペクトルを示す線図である。
Ｉ（太実線）はフォトダイオードアレイから得られる蛍光の電気信号出力、ＩＩ（細実線）はＩに対するＴＳＰＰ−マグネシウムイオン錯体の蛍光の寄与分、ＩＩＩ （破線）はＩに対するＴＳＰＰ単体の蛍光の寄与分である。この反応系では錯体を形成していない単独のＴＳＰＰが発する蛍光が中心波長６４０ｎｍにあり、ＴＳＰＰ−マグネシウムイオン錯体が発する蛍光のうち６１０ｎｍ〜６３０ｎｍの波長範囲の蛍光を単一のフォトダイオードで一括検出すると、斜線で示した面積Ｓに相当するＴＳＰＰ単体の蛍光が錯体の蛍光光量に干渉する。
【００３１】
これに対しフォトダイオードアレイ方式では、次の方法で干渉分を補正する。予めマグネシウムイオン濃度０の標準液測定時の６４０ｎｍでの蛍光光量Ｉ_０ と、この時の干渉面積Ｓ_０ を求めておく。マグネシウムイオン濃度未知の試料液を測定する際には６４０ｎｍでの蛍光光量Ｉ_１ から６１０ｎｍ〜６３０ｎｍへの干渉分Ｓ_１ が式（３）で与えられる。
【００３２】
【数５】
Ｓ_１ ＝Ｓ_０ ×（Ｉ_１ ／Ｉ_０ ）… （３）
これを６１０ｎｍ〜６３０ｎｍの波長範囲の蛍光光量の積分値から差し引くことによりＴＳＰＰ−マグネシウムイオン錯体の寄与分のみを検出することができる。このようにして０． ５ｍｇ／Ｌの検出感度が達成され、５０ｍｇ／ＬのＭｇ標準液測定時にはＣ．Ｖ．値が３％程度の測定精度を実現することができる。
【００３３】
【発明の効果】
この発明によれば試料液中のマグネシウムイオン濃度の測定装置において、試料液にｐＨ緩衝液を添加する第一の試薬混合部と、ｐＨ緩衝液添加によって生じる析出物の分離部と、前記分離部を通過した試料液にポルフィリン溶液を添加する第二の試薬混合部と、ポルフィリンと試料液中のマグネシウムイオンを反応させて錯体を形成する加熱反応部と、試料液に特定波長の励起光を照射してポルフィリンとマグネシウムイオンの錯体が発する所定波長範囲の蛍光光量を光電変換手段を用いて電気信号に変換する蛍光検出部と、前記錯体形成前後の蛍光光量の変化から試料液中のマグネシウムイオン濃度を所定の検量線を用いて算出する演算処理部を備えるので、第一の試薬混合部におけるｐＨ調整および緩衝液中のイオンの作用により異種金属イオンの析出、沈降が起こり、分離部で異種金属イオンを反応系から除外して異種金属イオンの錯体形成への干渉を防止することができる。また蛍光検出部において錯体の励起または蛍光検出に用いる光の波長をマグネシウムイオン錯体に適した波長に選定して挟雑物質による光吸収や蛍光の影響を低減することができる。
【００３４】
他の発明によればポルフィリンとマグネシウムイオンの錯体が発する所定波長範囲の蛍光を分光するので、ポルフィリンの発する蛍光のマグネシウムイオン錯体の蛍光に対する干渉が除去されマグネシウムイオン濃度測定の精度が向上する。
さらに他の発明によればマグネシウムイオン濃度をｘ、蛍光光量変化をｆ（ ｘ） 、ａ，ｂ，ｃをそれぞれ定数としたときに測定に用いる検量線を式（１）で近似するので、自動較正によりａ，ｂ，ｃを決定して高精度のマグネシウムイオン濃度測定を行うことができる。
【００３５】
このようにしてポルフィリン−マグネシウムイオン錯体形成における干渉を排除して高感度，高精度で自動連続測定が可能なマグネシウムイオン濃度測定装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例に係るマグネシウムイオン濃度測定装置を示す構成図
【図２】この発明の実施例に係る錯体蛍光光量とマグネシウムイオン濃度の検量関係を示す線図
【図３】この発明の実施例に係るマグネシウムイオン濃度と錯体蛍光光量の検量関係を示す線図
【図４】ポルフィリンＴＳＰＰとマグネシウムイオンの反応系につきその蛍光スペクトルを示す線図
【符号の説明】
１ 試料液
２ ポンプ
３ 中空糸フィルタ
４ 第一の試薬混合部
５ ポンプ
６ ポンプ
７ 分離部
８ フィルタ
９ 第二の試薬混合部
１０ ポンプ
１１ 純水
１２ 標準液
１３ 標準液
１４ 炭酸緩衝液
１５ ＴＳＰＰ溶液
１６ 電磁弁
１７ 電磁弁
１８ 電磁弁
１９ 電磁弁
２０ 加熱反応部
２１ 反応容器
２２ ヒーター
２３ 電磁弁
２４ 電磁弁
２５ 蛍光検出部
２６ フローセル
２７ 励起光源
２８ 励起光側レンズ
２９ 励起光側干渉フィルタ
３０ 蛍光側レンズ
３１ 蛍光側干渉フィルタ
３２ 光電変換器
３３ 演算処理部
３４ 廃液

Claims (4)

1. 試料液中のマグネシウムイオン濃度の測定装置において、試料液にｐＨ緩衝液を添加する第一の試薬混合部と、ｐＨ緩衝液添加によって生じる析出物の分離部と、前記分離部を通過した試料液にポルフィリン溶液を添加する第二の試薬混合部と、ポルフィリンと試料液中のマグネシウムイオンを反応させて錯体を形成する加熱反応部と、試料液に特定波長の励起光を照射してポルフィリンとマグネシウムイオンの錯体が発する所定波長範囲の蛍光光量を光電変換手段を用いて電気信号に変換する蛍光検出部と、前記錯体形成前後の蛍光光量の変化から試料液中のマグネシウムイオン濃度を所定の検量線を用いて算出する演算処理部を備えることを特徴とするマグネシウムイオン濃度測定装置。
2. ポルフィリンがα， β， γ， δ−テトラ（４−Ｎ−メチルピリジル）ポルフィン（ＴＭＰｙＰ ）、α， β， γ， δ−テトラ（４−スルホナトフェニル）ポルフィン（ＴＳＰＰ）またはα， β， γ， δ−テトラ（４−カルボキシフェニル）ポルフィン（ＴＣＰＰ）である請求項１に記載のマグネシウムイオン濃度測定装置。
3. ポルフィリンとマグネシウムイオンの錯体が発する所定波長範囲の蛍光を分光する請求項１に記載のマグネシウムイオン濃度測定装置。
4. マグネシウムイオン濃度をｘ、蛍光光量をｆ（ ｘ） 、ａ，ｂ，ｃをそれぞれ定数としたときに測定に用いる検量線が式（１）で近似する請求項１に記載のマグネシウムイオン濃度測定装置。
   

   

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