JP4220864B2 - バルク電解セル，電気化学合成方法，電気化学分析方法 - Google Patents

Description

本発明は、酸化還元反応を利用するバルク電解技術に関するものであって、作用電極での再酸化反応，再還元反応を抑制し、そのバルク電解による合成，分析の精度を高めたバルク電解セル，電気化学合成方法，電気化学分析方法に関するものである。

電気化学分野において、酸化還元反応を利用するバルク電解技術は、平衡論・反応機構論といった物理化学的な観点や、高精度絶対定量といった分析化学的な観点だけでなく、有機・無機合成化学的な観点においても極めて有用であり、例えば以下に示すように汎用され始めている。

［電気化学合成］
バルク電解技術を適用した有機電解合成は、従来の有機合成のように有機溶剤を必要としない（すなわち、有機溶剤等の廃棄物が生じない）ことから、穏和でクリーンな反応を利用する技術とされている。また、電解条件を適宜設定することにより、その電解条件に応じた特定の酸化還元反応を起こすことができる（高選択性）ことから、優れた合成方法となる可能性がある点で注目されている（例えば、非特許文献１，２）。
「第５版 電気化学便覧」，（日本），丸善（株），４０５頁。 大堺利行，加納健司，桑畑進著、「ベーシック電気化学」，（日本），化学同人，１２８頁。

［電気化学分析方法］
標準酸化還元電位（Ｅ^O）は、標準状態（２５℃，１ａｔｍ）での酸化還元反応（電解セルの電極表面で起こる酸化還元反応）時における電極の平衡電位を示すものであり、電気化学分析において極めて重要な熱力学的パラメータとして取り扱われ、一般的には標準水素電極（ＳＨＥ）を基準として表現されている（例えば、非特許文献３）。
電気化学会編「電気化学測定マニュアル 基礎編」，（日本），丸善（株），１３頁。

例えば、電解液中の酸化体をＯ，還元体をＲとすると、それら酸化体Ｏと還元体Ｒとの間で電子授受平衡「Ｏ＋ｎｅ^-＝Ｒ」が成り立つ際の電極電位（Ｅ）は、標準酸化還元電位Ｅ^Oを用いて下記（１）のネルンストの式で表現することができる。なお、下記の（１）式の記号において、ｒは気体定数（８．３１４Ｊ・ｍｏｌ^-1・Ｋ^-1）、Ｆはファラデー定数（９６５００Ｃ・ｍｏｌ^-1）、Ｔは絶対温度（２５℃のとき、２９８．１５Ｋ）、［Ｏ］は酸化体濃度、［Ｒ］は還元体濃度を示すものとする。

Ｅ＝Ｅ^O＋（ｒＴ／ｎＦ）ｌｎ（［Ｏ］／［Ｒ］）……（１）
前記の（１）式から、ＯとＲとの活量の比（溶液の場合はモル濃度の比；以下、［Ｏ］／［Ｒ］と称する）が１の場合、理論的に「Ｅ＝Ｅ^O」が成り立つ。ここで、実測で得られる電極電位ＥはＥ^Oではなく、そのＥ^Oに近似した式量電位（Ｅ^O’）であることが知られている。この式量電位Ｅ^O’は、例えば種々の電極電位で［Ｏ］／［Ｒ］を測定し、「［Ｏ］／［Ｒ］＝１」になるときの電位を読み取ることにより求めることが可能である（例えば、非特許文献４）。
ケンジ・カノウ（Ｋｅｎｊｉ・Ｋａｎｏ），「レドックス・ポテンシャルズ・オブ・プロテインズ・アンド・アザー・コンパウンズ・オブ・バイオエレクトロケミカル・インターレスツ・イン・アクエアス・ソルーションズ（Ｒｅｄｏｘ・Ｐｏｔｅｎｔｉａｌｓ・ｏｆ・Ｐｒｏｔｅｉｎｓ・ａｎｄ・Ｏｔｈｅｒ・Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ・ｏｆ・Ｂｉｏｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ・Ｉｎｔｅｒｅｓｔｓ・ｉｎ・Ａｑｕｅｏｓ・Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ）」，レビュー・オブ・ポーラログラフィー（Ｒｅｖｉｅｗ・ｏｆ・Ｐｏｌａｒｏｇｒａｐｈｙ），２００２，Ｖｏｌ．４８，２９−４６。

前記の［Ｏ］／［Ｒ］は、単にバルク電解セルを用いた構成（ｉｎ ｓｉｔｕ）では測定することが困難であるが、例えば被分析対象（酸化還元種）が光吸収するものである場合（酸化還元反応時に吸収スペクトルが変化する場合）には分光法によって比較的容易に求められることから、バルク電解技術と分光法とを一体化した分光電気化学法が適用されている。この分光電気化学法としては、例えば光透過性薄層セル（ＯＴＴＬＥ）法や鏡面反射法によるものが知られている。（例えば、非特許文献５，６，７）。
日本化学会編「電子移動の化学−電気化学入門」，（日本），朝倉書店，６９頁。 電気化学会編「電気化学測定マニュアル 実践編」，（日本），丸善（株），４６頁。 大堺利行，加納健司，桑畑進著、「ベーシック電気化学」，（日本），化学同人，１２９頁。

図８Ａ（電解セル正面図），Ｂ（電解セル側面図），Ｃ（概略図）は、光透過性薄層セル法の一例を示す概略説明図である。図８Ａ、Ｂにおいて、符号８１は薄層セル８０用の作用電極を示すものであり、例えば略平板状の一対のガラス部材（石英ガラス等から成る部材）８２ａ，８２ｂ間に対し、透明電極８３を介在させると共に、スペーサ（図示点線部）８４を介して隙間８１ａを形成して構成される。前記の透明電極８３には、例えば金や白金等から成るミニグリッド（網）、石英ガラス基板に金属が蒸着された薄膜、Ｉｎ₂Ｏ₃やＳｎＯ₂等から成る導電性酸化薄膜が用いられている。

符号８５は電解液が充填される容器（以下、電解液容器）を示すものである。この電解液容器８５に充填された電解液には、前記の作用電極８１の一部が浸漬されると共に、対電極８６，参照電極８７が浸漬される。前記の電解液中に浸漬された作用電極８１の隙間８１ａには、その浸漬された箇所を介して電解液が浸入（毛細管現象により浸入）する。

そして、図８Ｃに示すように、前記の電解セル８０を分光光度計８８の計測領域（試料室）８８ａ内にセットし、参照電極８７に対する作用電極８１の電位を掃引しながら、発光部８８ｂからの光線８８ｃを前記電解セル８０の作用電極８１の透明電極８３面に対して垂直に照射し、その作用電極８１を透過した光線８８ｃを受光部８８ｄで受光して吸光度を算出する。透明電極８３に電位を加えた場合には、その透明電極８３近傍の電解液は前記の作用電極８１の電位に応じて平衡状態に近似する。なお、図８Ｃ中の符号８９ａ，８９ｂは、それぞれポテンショスタット，ファンクションジェネレータを示すものである。

図８のように、バルク電解技術を適用した光透過性薄層セル法によれば、光吸収する酸化還元種を含んだ電解液について、種々の電極電位で［Ｏ］／［Ｒ］を測定し、「［Ｏ］／［Ｒ］＝１」になるときの電位、すなわち式量電位Ｅ^O’を求めることが可能となる。

［生体物質に関する電気化学分析方法］
前記の酸化還元電位Ｅ^O’は、生体物質の機能等を分析する上でも重要なパラメータの一つとして取り扱われているが、信頼できるデータを得ることは必ずしも容易ではなかった。例えば、一般的な電解セルを用いてタンパク質（Ｐ）を分析する場合、そのタンパク質と電解セルの電極との間における電子の授受は起こり難く、直接電解による平衡化は実際上不可能とされていた。

このため、近年においては、図９の概略説明図に示すように、電解セルの作用電極９１およびタンパク質（Ｐ；Ｐ_ox，Ｐ_red）における反応性がそれぞれ高い低分子物質（以下、メディエータ（Ｍ；Ｍ_ox，Ｍ_red）と称する）を電解液９２中に介在させ、適当な還元剤あるいは酸化剤を滴定する方法が採られていた。

このような滴定する方法においては、下記（２）式に示す反応によりメディエータとタンパク質とが平衡状態となるため、メディエータの平衡電位（Ｅ）はポテンショメトリーにより測定することができる。なお、下記（２）式において、「Ｍ_ox」は酸化性のメディエータ濃度，「Ｍ_red」は還元性のメディエータ濃度，［Ｐ_ox］は酸化性のタンパク質濃度，［Ｐ_red］は還元性のタンパク質濃度を示すものとする。

また、前記のようにメディエータの平衡電位（Ｅ）を測定すると同時に、前記タンパク質における酸化還元体の濃度比（以下、［Ｐ_ox］／［Ｐ_red］と称する）を分光法により検出する。

そして、下記（３）式に基づいて、間接的にタンパク質の式量電位Ｅ^O’を求めることが可能となる。なお、下記（３）式におけるｎ_M，ｎ_Pは、それぞれ、メディエータの電子数，タンパク質の電子数を示すものである。

Ｅ＝Ｅ^O’（ｒＴ／ｎ_MＦ）ｌｎ（［Ｏ］／［Ｒ］）
＝Ｅ^O’_P＋（ｒＴ／ｎ_PＦ）ｌｎ（［Ｐ_ox］／［Ｐ_red］）……（３）
前記のような滴定する方法を適用した場合、滴定試薬と目的物質との副反応，滴定による体積補正，還元剤と酸素との反応抑制等に留意する必要がある。また、滴定する系が平衡に達するのに長時間を要するだけでなく、その電位が何の平衡を検出しているか等について考慮する必要がある。

これに対して、滴定試薬を用いる替わりにバルク電解技術を適用した場合には、原理上は電極にてメディエータをバルク電解することが可能とされ、例えば図９に示した方法によれば［Ｐ_ox］／［Ｐ_red］を測定することも容易となり、前記の滴定試薬を用いた場合の問題点を解決できるとされている（例えば、非特許文献８）。
電気化学会関西支部「第２８回電気化学講習会」，（日本），丸善（株），１９９８，５７頁。

現在知られているバルク電解技術では、陽極反応生成物の陰極における再還元反応、または陰極反応生成物の陽極における再酸化反応を防止する必要がある。

前記の再酸化反応や再還元反応を防止する方法としては、例えば電解セルに隔膜を設けて、陽極反応生成物の陰極側への移動，陰極反応生成物の陽極側への移動を防止すると共に、それら陽極側と陰極側とを電気的に接続する手段が採られている。例えば、図１０の概略説明図に示すように、ガラスフィルタ等の隔膜１０１を介し陽極室１０２ａと陰極室１０２ｂとを電気的に連結して成る略Ｈ字状の容器１００を構成した電解セル（以下、Ｈ型セルと称する）が用いられている。

しかしながら、前記のＨ型セルのように隔膜等を用いた場合、その隔膜等により電解セルの容積が物理的に大きくなってしまう（すなわち、コンパクト化等が困難）と共に電解セルの形状が複雑化（すなわち、分析が複雑化）し、その電解セルの設計も制限されてしまう。

また、バルク電解技術は、比較的大きな電流を利用することから、電解セルにおいてオーム降下の影響を受け易いだけでなく、電流分布が不均一になり易い。このため、電解セルの電位規制は厳密に行う必要があるが、その電解セルの電位は該電解セルの構造による影響を受け易い問題がある。

その結果、例えば電気化学合成において電解条件を適宜設定しても、目的とする酸化還元種の合成ができない（目的とする特性の合成物質が得られない）場合がある。また、図８に示したようにバルク電解技術と分光法とを一体化した光透過性薄層セルにおいては、構成が複雑なものとなってしまい、式量電位Ｅ^O’の測定と同時に［Ｏ］／［Ｒ］等を測定することも困難になる。さらに、光透過性薄層セル内の電解液は常に静止状態であり、透明電極（ミニグリッド等）近傍の電解速度は時間経過に連れて減少（電解を完結させるのに長時間を要する）と共に、その透明電極近傍において拡散の影響を受け易いため、精度良く式量電位Ｅ^O’を測定することは困難になる。

本発明は、前記課題に基づいてなされたものであり、バルク電解セルにおいて構造を簡略化すると共に作用電極での再酸化反応，再還元反応を抑制し、そのバルク電解セルによる合成，分析の精度，効率を高めることが可能なバルク電解セル、および電気化学合成方法，電気化学分析方法を提供することにある。

本発明は、前記課題の解決を図るために、請求項１記載の発明は、バルク電解セルにおいて、電解液容器内の該電解液（例えば、酸化還元種を含んだ電解液）中に少なくとも作用電極，対電極，参照電極が浸漬され、前記の作用電極浸漬面積／対電極浸漬面積が１００／１以上であることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、前記請求項１記載の発明において、作用電極（例えば、薄膜状の作用電極）は、前記電解液容器の内壁に沿って設けられたことを特徴とする。

請求項３記載の発明は、前記請求項１または２記載の発明において、電解液容器は光透過性容器から成り、その光透過性容器における非透過領域に前記作用電極を設けたことを特徴とする。

請求項４記載の発明は、前記請求項１乃至３記載の発明において、作用電極表面は、酸化還元酵素が固定化されたことを特徴とする。

請求項５記載の発明は、電気化学合成方法において、酸化還元種を含んだ電解液が充填された電解液容器に対して、作用電極，対電極，参照電極を浸漬し、作用電極浸漬面積／対電極浸漬面積を１００／１以上にし、前記作用電極に電位を印加して前記の酸化還元種を合成することを特徴とする。

請求項６記載の発明は、前記請求項５記載の発明において、作用電極は、前記電解液容器の内壁に沿って設けられたことを特徴とする。

請求項７記載の発明は、前記請求項５または６記載の発明において、電解液は、撹拌手段（例えば、スターラー，撹拌子を用いた撹拌手段）を介して撹拌されることを特徴とする。

請求項８記載の発明は、電気化学分析方法において、被分析対象を含んだ電解液が充填された電解液容器に対して、作用電極，対電極，参照電極を浸漬し、作用電極浸漬面積／対電極浸漬面積を１００／１以上にし、前記作用電極に電位を印加し該作用電極の電流変化を検出することを特徴とする。

請求項９記載の発明は、前記請求項８記載の発明において、作用電極は、前記電解液容器の内壁に沿って設けられたことを特徴とする。

請求項１０記載の発明は、前記請求項８または９記載の発明において、電解液容器は光透過性容器から成り、その光透過性容器における非透過領域に前記作用電極を設け、前記の作用電極に電位を印加し該作用電極の電流変化を検出すると共に、分光法により電解液の吸光度変化を算出したことを特徴とする。

請求項１１記載の発明は、前記請求項８乃至１０記載の発明において、吸光度変化をネルンスト解析して、式量電位Ｅ^O’，反応電子数ｎを算出することを特徴とする。

請求項１２記載の発明は、前記請求項８乃至１１記載の発明において、電解液はメディエータを含んだことを特徴とする。

請求項１３記載の発明は、前記請求項８乃至１２記載の発明において、作用電極表面は、酸化還元酵素が固定化されたことを特徴とする。

請求項１４記載の発明は、前記請求項８乃至１３記載の発明において、電解液は、撹拌手段を介して撹拌されることを特徴とする。

本発明のように、作用電極浸漬面積／対電極浸漬面積が１００／１以上であれば（例えば、作用電極を電解液容器の内壁に沿って設け、対電極浸漬面積を微小にして作用電極浸漬面積／対電極浸漬面積を１００／１以上すれば）、従来のバルク電解セル（例えば、図１０）のように隔膜等を用いなくとも、再酸化反応，再還元反応が抑制される。

また、光透過性容器を用い該光透過性容器における非透過領域に前記作用電極を設けることにより、例えば作用電極浸漬面積／対電極浸漬面積を１００／１以上に保つことが出来ると共に、その光透過性容器（電解液）に対して光線を透過させることが可能となる。

さらに、電解液の吸光度変化を算出することにより、電解液の［Ｏ］／［Ｒ］等を測定することが可能となる。

さらにまた、電解液がメディエータを含んだことにより、電子の授受が起こり難い被分析対象（例えば、タンパク質等の生体物質）であっても、分析することが可能となる。

加えて、作用電極表面に酸化還元酵素を固定化させたことにより、その酵素に対する特異的な反応を起こす被分析対象に関して分析が可能となる。

加えてまた、撹拌手段を用いて電解液を撹拌することにより、例えば電解液の物質移動が促進され、電極周辺の拡散が防止される。

以上示したように本発明によれば、バルク電解セルにおいて構造が簡略化（例えば、図８，図１０と比較して簡略化）すると共に作用電極での再酸化反応，再還元反応が抑制される。ゆえに、そのバルク電解による合成，分析の精度，効率を高めることができ、電気化学技術分野において大きく貢献することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態におけるバルク電解セル，電気化学合成方法，電気化学分析方法を図面等に基づいて詳細に説明する。

本実施の形態は、電解液容器内の電解液に作用電極，対電極，参照電極が浸漬されたバルク電解セルにおいて、前記の作用電極の電解液に浸漬される面積（以下、作用電極浸漬面積と称する）を対電極の浸漬面積（以下、対電極浸漬面積と称する）よりも大きく（例えば、従来のバルク電解セルの場合よりも大きく）、例えば前記の作用電極浸漬面積と対電極浸漬面積との比（以下、作用電極浸漬面積／対電極浸漬面積と称する）を１００／１以上にする。

前記の作用電極浸漬面積を対電極浸漬面積よりも大きくする手段としては、例えば前記の電解液に対して例えば薄膜の作用電極（金箔等）を電解液容器の内壁に設け、線状の対電極（白金線等）を僅かに浸漬させる方法が考えられる。これにより、従来のバルク電解セルのように隔膜等を用いなくとも、再酸化，再還元の抑制が可能となる。

また、前記の電解液容器として、例えば有底筒状で外周側から電解液に対して光線を透過させることが可能な容器（以下、光透過性容器と称する）を構成し、その光透過性容器（電解液）に対する光線の透過を妨げないように該電解液中に前記作用電極，対電極，参照電極を浸漬させる。

前記のように電解液に対する光線の透過を妨げないように作用電極を構成する手段としては、例えば光透過性容器の内壁の電解液が接触する領域のうち、光線を透過させない領域（以下、非透過領域と称する）に対して作用電極を被覆する方法が考えられる。これにより、電解液に関してバルク電解を行うことができると共に、分光法を適用して電解液の［Ｏ］／［Ｒ］等を測定することが可能となる。

本実施の形態のように構造が簡略化されたバルク電解セルによれば、従来のバルク電解セルと比較して、例えば分光法を適用することや、必要に応じてスターラ，撹拌子等の撹拌手段を用いて電解液を撹拌することも容易になる。前記のように電解液を撹拌することにより、例えば電解液の物質移動の促進，電極周辺の拡散の防止が容易になる。

図１Ａ（光線が透過する側面側の図），Ｂ（非透過領域の側面側から観たＡ−Ａ部分断面図）は、本実施の形態におけるバルク電解セルの一例を示す概略説明図である。図１において、符号１は、横断面が略矩形状の筒状体で透明性を有する光透過性容器（少なくとも対向する一対の側面が透明な光透過性容器）を示すものであり、その光透過性容器１内には被合成対象，被分析対象等を含んだ電解液２が充填される。

符号３は、前記光透過性容器１内における非透過領域（図１では、対向する一対の側面および底面）に対して被覆された例えば薄膜から成る作用電極を示すものであり、その作用電極３には必要に応じてリード線３ａ等の配線が接続される。符号４は、前記の作用電極３を光透過性容器１の内壁に固定するための略立方格子状の枠体を示すものである。この枠体４の枠間を介して、電解液２と作用電極３とが接する。

前記のような枠体４を用いることにより、例えば作用電極浸漬面積を殆ど損なうことなく、かつ光透過性容器１（電解液２）に対する光線の透過を妨げることなく、該作用電極３を光透過性容器１内壁に固定できる。

符号５，６は、それぞれ電解液２に浸漬される対電極，参照電極を示すものであり、前記対電極５の浸漬面積は作用電極３の浸漬面積よりも小さくなるように設定（作用電極浸漬面積／対電極浸漬面積を１００／１以上に設定）する。前記参照電極６の先端部には、例えば電解液による汚染を防ぐためにセラミックス等の薄膜６ａが被覆される。

符号７は、光透過性容器１内にガス（アルゴンガス，窒素ガス等；以下、導入ガスと称する）を導入するための導入管を示すものであり、その光透過性容器１内の導入ガスは排出管８を介して排出することができる。符号９は、電解液が充填された光透過性容器を封止するための封止部材を示すものである。

なお、前記電解液２は、例えば撹拌子，スターラ等の撹拌手段（図示省略）を用いて撹拌しても良い。この撹拌により、物質（酸化還元種）移動を促進させることができると共に、電極周辺における拡散現象を防止することができる。

また、前記導入管７の先端部（導入口）は、導入ガスによって電解液２の溶存酸素を除去（以下、脱気処理と称する）する際には該電解液２中に浸漬し、光透過性容器１内の気相を導入ガスで置換する場合には電解液２から取り出す（電解液の水面より上方に位置させる）ことが好ましい。

さらに、光透過性容器１内に固定された作用電極３の高さ（光透過性容器１の深さ方向の長さ）においては、少なくとも電解液２の水位と同等または該水位よりも高くすること（すなわち、作用電極表面を電解液の水面付近においても接触させること）が好ましい。これにより、少なくとも作用電極３全体が電解液に浸漬された場合と比較して、作用電極浸漬面積／対電極浸漬面積を同等以上にすることができる。

次に、図１に示したような構成のバルク電解セルを用いて、実施例１〜４に示すように種々の試料に関して定電位分解による分析を行った。なお、実施例１〜４におけるバルク電解セルにおいて、光透過性容器１にはジーエルサイエンス社製の石英セル（二面石英製コード６２１０−１１００６，光路幅１０ｍｍ））、作用電極３にはニラコ社製の金箔を０．０１ｍｍ×１０ｍｍ×７０ｍｍの形状に切断したもの（ＡＵ−１７３１１７５）、治具４にはテフロン（登録商標）から成るもの、対電極５には直径１ｍｍの白金線、参照電極６には飽和塩化カリウム溶液が充填されたＡｇ／ＡｇＣｌ電極、導入管７，排出管８には直径２ｍｍのガラス管、封止部材９にはピーク材から成るものを用いた。また、対電極５の浸漬面積は０．０７ｃｍ²に設定し、脱気処理にはアルゴンガスを用い、電解液２の撹拌は撹拌子，スターラを用いて行った。

［実施例１］
実施例１では、０．２５ｍｏｌ／ｌのヘキサシアノ鉄（ＩＩ）酸イオン（Ｆｅ（ＣＮ）₆ ^4-）を含んだ０．１ｍｏｌ／ｌのリン酸緩衝液（ｐＨ７．０）を試料（電解液２）Ｓ１として用意し、その試料Ｓ１を光透過性容器１内に１．２ｍｌ充填（試料Ｓ１の水位が作用電極２の高さ以下となるように充填）した。

そして、前記の試料Ｓ１の脱気処理を行った後、導入管７を介して試料Ｓ１内に窒素ガスをフローさせながら、作用電極３に対して０．５Ｖの電位（参照電極６を基準にした電位）を印加することにより定電位電解を行うと共に、その電解時の作用電極３における電流変化を検出した。なお、前記の定電位電解により、Ｆｅ（ＣＮ）₆ ^4-は酸化されてＦｅ（ＣＮ）₆ ^3-となった。

また、実施例１の比較例（以下、比較例１と称する）として、対電極５において直径２ｍｍの白金線から成る螺旋状の電極を用い、その螺旋状の電極の浸漬面積を３．５ｃｍ²に設定（実施例１の場合の５０倍に設定）し、実施例１と同様の方法（対電極５の浸漬面積を０．０７ｃｍ²に設定して行った場合と同様の方法）により試料Ｓ１の定電位電解を行い電流変化を検出した。

前記の実施例１，比較例１のように検出した各電流変化を図２の特性図に示した。図２に示すように、実施例１の場合には、時間経過と共に電流が減少し、約３５０秒を経過した時点で電流値が「０」になったことを読み取れる。一方、比較例１の場合には、時間経過しても（たとえ、約３５０秒経過後も）電流変化が起こらなかったことが読み取れる。

このように対電極５の浸漬面積の違いによって異なる結果が得られた理由として、実施例１の場合には対電極５において主に水素イオンが還元されていることが考えられる。これに対して比較例１の場合には、作用電極３近傍で生成した電極反応活性物質（すなわち、Ｆｅ（ＣＮ）₆ ^3-が対電極５近傍にて再還元されてＦｅ（ＣＮ）₆ ^4-となった後、そのＦｅ（ＣＮ）₆ ^4-が作用電極３近傍にて再び酸化されたためと考えられる。

ゆえに、本実施例のバルク電解セルによれば、従来のバルク電解セルのように隔膜等を用いなくとも、陰極反応生成物の陽極における再酸化反応を防止できることを確認できた。

［実施例２］
実施例２では、０．２５ｍｏｌ／ｌのＦｅ（ＣＮ）₆ ^3-を含んだ０．１ｍｏｌ／ｌのリン酸緩衝液（ｐＨ７．０）を試料（電解液）Ｓ２として用意し、その試料Ｓ２を光透過性容器１内に１．２ｍｌ充填（試料Ｓ２の水位が作用電極２の高さ以下となるように充填）した。

そして、前記の試料Ｓ２の脱気処理を行った後、導入管７を介して試料Ｓ２内に窒素ガスをフローさせながら、作用電極３に対して０．１Ｖの電位（参照電極６を基準にした電位）を印加することにより定電位電解を行うと共に、その電解時の作用電極３における電流変化を検出した。

また、実施例２の比較例（以下、比較例２と称する）として、対電極５において直径２ｍｍの白金線から成る螺旋状の電極を用い、その螺旋状の電極の浸漬面積を３．５ｃｍ²に設定（実施例２の場合の５０倍に設定）し、実施例２と同様の方法（対電極５の浸漬面積を０．０７ｃｍ²に設定して行った場合と同様の方法）により試料Ｓ２の定電位電解を行い電流変化を検出した。

前記の実施例２，比較例２のように検出した各電流変化を図３の特性図に示した。図３に示すように、実施例２の場合には、時間経過と共に電流が減少し、約４００秒を経過した時点で電流値が「０」になったことを読み取れる。一方、比較例２の場合には、時間経過しても（たとえ、約４００秒経過後も）電流変化が起こらなかったことが読み取れる。

このように対電極５の浸漬面積の違いによって異なる結果が得られた理由として、実施例２の場合には対電極５において主に水分子が酸化されていることが考えられる。これに対して比較例２の場合には、作用電極３近傍で生成した電極反応活性物質（すなわち、Ｆｅ（ＣＮ）₆ ^4-が対電極５近傍にて再酸化されてＦｅ（ＣＮ）₆ ^3-となった後、そのＦｅ（ＣＮ）₆ ^3-が作用電極３近傍にて再び還元されたためと考えられる。

ゆえに、本実施例のバルク電解セルによれば、従来のバルク電解セルのように隔膜等を用いなくとも、陽極反応生成物の陰極における再還元反応を防止できることを確認できた。また、実施例１，２により、例えば電解条件を適宜設定して、目的とする電解合成が可能であることを確認できた。

［実施例３］
実施例３では、還元体として知られているＦｅ（ＣＮ）₆ ^4-に関して、標準酸化還元電位（すなわち、式量電位Ｅ^O’）と反応電子数（酸化還元反応に関与する電子数）ｎを求めた。

まず、０．３０ｍｍｏｌ／ｌのＦｅ（ＣＮ）₆ ^4-を含んだ０．１ｍｏｌ／ｌのリン酸緩衝液（ｐＨ７．０）を試料（電解液）Ｓ３として用意し、その試料Ｓ３を光透過性容器１内に１．２ｍｌ充填（試料Ｓ３の水位が作用電極２の高さ以下となるように充填）した。

そして、前記の試料Ｓ３の脱気処理を行った後、導入管７を介して試料Ｓ３内に窒素ガスをフローさせながら、作用電極３に対して１４０ｍＶ，１８０ｍＶ，２２０ｍＶ，２６０ｍＶ，３００ｍＶ，３４０ｍＶの電位（参照電極６を基準にした電位）を印加することにより定電位電解を行うと共に、紫外可視ダイオードアレイ分光光度計により波長２５０ｎｍ〜７００ｎｍにおける吸収スペクトルを測定した。

その結果、図４の特性図に示すように、Ｆｅ（ＣＮ）₆ ^4-とＦｅ（ＣＮ）₆ ^3-の酸化還元対のうち、酸化体であるＦｅ（ＣＮ）₆ ^3-のみに関して吸収スペクトルが測定され、波長４２０ｎｍにて各吸収スペクトルのピークが現れていることが読み取れる。

次に、Ｌａｍｂｅｒｔ−Ｂｅｅｒの法則に基づいて、前記の各電位で測定された波長４２０ｎｍの吸収スペクトル変化から［Ｏ］／［Ｒ］（すなわち、［Ｆｅ（ＣＮ）₆ ^3-］と［Ｆｅ（ＣＮ）₆ ^4-］との濃度比）を算出すると共に、前記の（１）式に基づいて前記［Ｏ］／［Ｒ］と作用電極３の電極電位とのネルンストプロットを求め、図５の特性図に示した。

図５に示した結果においてネルンスト解析を行い、その回帰式の切片からＦｅ（ＣＮ）₆ ^4-の式量電位Ｅ^O’は２３４．５６ｍＶ（ＳＨＥ基準で換算（Ａｇ／ＡｇＣｌ基準の電位に約１９７ｍＶを足して換算）すると約４３１．６ｍＶ）であり、傾きから反応電子数ｎは１であることが読み取れ、それら各数値は文献（例えば、前記の非特許文献４）値と略一致していることを判明した。

ゆえに、本実施例のバルク電解セルによれば、酸化還元種が光吸収するものである場合、分光電気化学法を適用して標準酸化還元電位（すなわち、式量電位Ｅ^O’），反応電子数を測定できることが確認できた。

［実施例４］
実施例４では、生体関連物質であるシトクロームｃに関して、標準酸化還元電位（すなわち、式量電位Ｅ^O’）と反応電子数ｎを求めた。なお、前記のシトクロームｃとは、主に高等動植物，酵母，カビ等のミトコンドリアに存在し、電子伝達鎖において重要な役割を果たすものであり、例えば分子量約１３０００の塩基性タンパク質の場合、還元型では波長４１５ｎｍ，５２０ｎｍ，５５０ｎｍにて吸収体を有し、酸化型では波長４０７ｎｍにて吸収体を有する。

まず、１０μｍｏｌ／ｌのシトクロームｃ（馬心臓のシトクロームｃ），メディエータとして１１０μｍｏｌ／ｌの［ＯｓＣｌ（Ｈｉｍ）（ｄｍｂｐｙ）₂］⁺を含んだ０．１ｍｏｌ／ｌのリン酸緩衝液（ｐＨ７．０）を試料（電解液）Ｓ４として用意し、その試料Ｓ４を光透過性容器１内に１．６ｍｌ充填（試料Ｓ４の水位が作用電極３の高さ以下となるように充填）した。

そして、前記の試料Ｓ４の脱気処理を行った後、導入管７を介して試料Ｓ４内に窒素ガスをフローさせながら、作用電極３に対して−１００ｍＶ，０ｍＶ，４０ｍＶ，８０ｍＶ，１２０ｍＶ，１６０ｍＶ，１８０ｍＶの電位（参照電極６を基準にした電位）を印加することにより定電位電解を行うと共に、紫外可視ダイオードアレイ分光光度計により波長２５０ｎｍ〜７００ｎｍにおける吸収スペクトルを測定した。なお、前記の各吸収スペクトルは、メディエータの各電位におけるバックグラウンドスペクトルを減じたものとする。

その結果、図６の特性図に示すように、シトクロームｃに関して吸収スペクトルが測定され、波長５５０ｎｍにて各吸収スペクトルのピークが現れていることが読み取れる。

次に、Ｌａｍｂｅｒｔ−Ｂｅｅｒの法則に基づいて、前記の各電位で測定された波長５５０ｎｍの吸収スペクトル変化から［Ｏ］／［Ｒ］（すなわち、［シトクロームｃの酸化体］と［シトクロームｃの還元体］との濃度比）を算出すると共に、前記の（１）式に基づいて前記［Ｏ］／［Ｒ］と作用電極３の電極電位とのネルンストプロットを求め、図７の特性図に示した。

図７に示した結果においてネルンスト解析を行い、その回帰式の切片からシトクロームｃの式量電位Ｅ^O’は５３．０５５ｍＶ（ＳＨＥ基準で換算（Ａｇ／ＡｇＣｌ基準の電位に約１９７ｍＶを足して換算）すると約２４０．１ｍＶ）であり、傾きから反応電子数ｎは１であることが読み取れ、それら各数値は文献（例えば、前記の非特許文献４）値と略一致していることを確認できた。

ゆえに、本実施例のバルク電解セルによれば、直接電解が困難な生体物質に関しても、標準酸化還元電位（すなわち、式量電位Ｅ^O’），反応電子数を測定できることが確認できた。

なお、本実施例における作用電極浸漬面積／対電極浸漬面積は１００／１であるが、１００／１以上であれば本実施例と同様の作用効果が得られることを確認できた。

以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。

例えば、本実施の形態のバルク電解セルの電解反応において、ネルンスト解析を行って反応電子数（電気量）を求めることにより、電解反応に関与する物質の全モル数を算出することが可能となり、そのバルク電解セル（光透過性容器）が十分小さい構成（例えば、従来のバルク電解セルと比較して十分小さい構成）であれば絶対微量定量を行うことも可能である。

また、従来のバルク電解セルのように隔膜等を用いる必要がなく（すなわち、使用する隔膜の選定，電解液中の各イオンに関する隔膜の透過性等を考慮する必要がなく）、各種分光法を適用することによりバルク電解セルの電解反応を観測できるため、その電解反応機構の解明，電解反応の制御等が容易（例えば、従来のバルク電解セルと比較して容易）になる。

さらに、酸化還元酵素が固定化されたバイオ電極（例えば、図１に示したように光透過性容器内の側面，底面に被覆されたバイオ電極）を作用電極として適用しマイクロデバイス型のバルク電解セル（例えば、図１と同様の構成で、生体反応特異性を有する変換系ユニット）を構成することにより、前記の酵素に対する特異的な反応を起こす生体物質に関して、絶対微量定量を行うことが可能となる。さらにまた、酸化還元反応を起こし得る酵素であれば、その酵素の活性に関して分析することが可能となる。加えて、単一あるいは複数細胞の呼吸活性においても、微小な構成のバルク電解セルを用いて酸素濃度を測定することにより分析が可能となる。

本実施の形態におけるバルク電解セルの一例を示す概略説明図。 実施例１における電流変化特性図。 実施例２における電流変化特性図。 実施例３における吸収スペクトル特性図。 実施例３におけるネルンストプロット図。 実施例４における吸収スペクトル特性図。 実施例４におけるネルンストプロット図。 一般的な光透過性薄層セル法の一例を示す概略説明図。 メディエータを用いた場合の酸化還元反応を示す概略説明図。 隔膜を用いたＨ型セルの概略説明図。

符号の説明

１…光透過性容器
２…電解液
３…作用電極
４…治具
５…対電極
６…参照電極
７…導入管
８…排出管
９…封止部材

Claims (14)

1. 電解液容器内の該電解液中に少なくとも作用電極，対電極，参照電極が浸漬され、
   前記の作用電極浸漬面積／対電極浸漬面積が１００／１以上であることを特徴とするバルク電解セル。
2. 前記作用電極は、前記電解液容器の内壁に沿って設けられたことを特徴とする請求項１記載のバルク電解セル。
3. 前記電解液容器は光透過性容器から成り、その光透過性容器における非透過領域に前記作用電極を設けたことを特徴とする請求項１または２記載のバルク電解セル。
4. 前記作用電極表面は、酸化還元酵素が固定化されたことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載のバルク電解セル。
5. 酸化還元種を含んだ電解液が充填された電解液容器に対して、少なくとも作用電極，対電極，参照電極を浸漬し、
   作用電極浸漬面積／対電極浸漬面積を１００／１以上にし、
   前記作用電極に電位を印加して前記の酸化還元種を合成することを特徴とする電気化学合成方法。
6. 前記作用電極は、前記電解液容器の内壁に沿って設けられたことを特徴とする請求項５記載の電気化学合成方法。
7. 前記電解液は、撹拌手段を介して撹拌されることを特徴とする請求項５または６記載の電気化学合成方法。
8. 被分析対象を含んだ電解液が充填された電解液容器に対して、少なくとも作用電極，対電極，参照電極を浸漬し、
   作用電極浸漬面積／対電極浸漬面積を１００／１以上にし、
   前記作用電極に電位を印加し該作用電極の電流変化を検出することを特徴とする電気化学分析方法。
9. 前記作用電極は、前記電解液容器の内壁に沿って設けられたことを特徴とする請求項８記載の電気化学分析方法。
10. 前記電解液容器は光透過性容器から成り、その光透過性容器における非透過領域に前記作用電極を設け、
    前記の作用電極に電位を印加し該作用電極の電流変化を検出すると共に、分光法により電解液の吸光度変化を算出したことを特徴とする請求項８または９記載の電気化学分析方法。
11. 前記吸光度変化をネルンスト解析して、式量電位Ｅ^O’，反応電子数ｎを算出することを特徴とする請求項８乃至１０の何れか１項記載の電気化学分析方法。
12. 前記電解液は、メディエータを含んだことを特徴とする請求項８乃至１１の何れか１項記載の電気化学分析方法。
13. 前記作用電極表面は、酸化還元酵素が固定化されたことを特徴とする請求項８乃至１２の何れか１項記載のバルク電解セル。
14. 前記電解液は、撹拌手段を介して撹拌されることを特徴とする請求項８乃至１３の何れか１項記載の電気化学分析方法。

Images