JP4482983B2 - Electrode for acidity measurement, acidity measurement device using the same, and measurement method therefor - Google Patents

Description

【０００５】
次に基準油脂分析法で規定されている中和滴定法を説明する。基準油脂分析法での酸価の定義は、試料１ｇ中に含まれている遊離脂肪酸を中和するに要する水酸化カリウムのｍｇ数をいう。液体試料の場合、試料をその推定酸価（例えば酸価１以下は２０ｇを採取、酸価１を越えて４以下は１０ｇを採取、酸価が４を越えて１５以下は２．５ｇを採取）に応じて採取して三角フラスコに正しく計り取る。これに中性溶剤１００ｍＬを加え、試料が完全に溶けるまで充分に振る。但し、ここでいう中性溶剤とはエチルエーテル、エタノール１：１の混合溶剤１００ｍＬにフエノールフタレイン指示薬約０．３ｍＬを加え、使用直前に１／１０規定（Ｎ）水酸化カリウム−エタノール溶液で中和したものである。
【０００６】
固体試料の場合は水浴上で加温溶融したのち溶剤を加えて溶解する。これを、１／１０規定（Ｎ）水酸化カリウム−エタノール標準液で滴定し、指示薬の色変化が３０秒続いたときを中和の終点と定める。そしてこのときの水酸化カリウムのｍｇ数を計算するものである。
【０００７】
しかし、以上説明した中和滴定法のほかに、これとはまったく異種の酸度を測定する方法として、電気化学的すなわちボルタンメトリーで酸度を測定する方法がある。この電気化学的に酸度を測定する方法は、特開平５−２６４５０３号公報で開示されているが、遊離脂肪酸とナフトキノン誘導体が共存する測定電解液を電位規制法によるボルタンメトリーによって測定するものである。ナフトキノン誘導体を還元する還元前置波の電流値の大きさが、蟻酸のような低級脂肪酸からオレイン酸やリノール酸のような高級脂肪酸まで全ての脂肪酸について、いずれも遊離脂肪酸の濃度に比例し、各脂肪酸の電流値を重ね合わせた値が脂肪酸の総濃度に対応することを利用している。すなわち、ナフトキノン誘導体における還元前置波の電流値の大きさを測ることにより酸濃度を測定するものである。この方法で測定したデータを図１の実線で示す。図４は従来のナフトキノン誘導体が共存する測定電解液のボルタンメトリーによる酸度測定の電流−電位関係図である。図４において、横軸は比較電極に銀−塩化銀、作用電極にφ３のグラッシーカーボンを用いたときの、比較電極に対する作用電極の電位、縦軸はこのとき流れる電流値を示す。但し、電流値は作用電極の表面積の大きさや酸の濃度といった条件によって変わるものである。これに対して横軸の電圧値は酸の濃度によって若干の変動はあるものの表面積等による条件の影響は無視できる程度のものである。図４のＡが酸濃度に比例した還元前置波を示すプレピークであり、Ｂがナフトキノン誘導体の本ピークを示すものである。
【０００８】
このように比較的簡単な操作で測定が可能になる電気化学的測定方法であるが、測定電解液として、支持電解液とナフトキノン誘導体が溶解した有機混合溶媒に、遊離脂肪酸含有の被測定試料を微少量混合して作製するため、液の秤量ばらつきが測定精度に大きく効いてくるという問題を抱えていた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したように、中和滴定法を用いた従来の酸度測定装置は、測定者がフェノールフタレイン指示薬による色変化を判断して滴定の終点とするから、測定者によってその終点がまちまちとなって、酸度が測定者によって変化する可能性があった。
【００１０】
中でも基準油脂分析法における脂肪酸の中和滴定法の場合、中性溶剤としてエーテルとエタノールの混合溶液を用いており、エーテルの沸点が３４．６℃と引火しやすいため取り扱いも難しい。しかも、試料の色が濃い、例えば揚げ物を大量に揚げた油や、ジュース、ワイン等、素材そのものに色が着色している場合には、滴定終点付近におけるフェノールフタレインの色の変化を的確に把握できず、終点を読み間違えて測定値がバラつくという問題があった。そして、試料の量も数２０ｇ、中性溶剤が１００ｍＬ必要であり１回の測定に大量の試料が必要となり、測定数が増加すると大量の試料が必要となることが負担になるという問題もあった。
【００１１】
また特開平５−２６４５０３号公報で開示された電気化学的酸度測定装置は、測定試薬としてキノンとアルコールなどの有機溶媒と塩化ナトリウムなどの支持電解質を含んだ共存電解液が必要であり、さらには前記共存電解液と測定試料を所定の体積比率で混合する必要があるため、その混合ばらつきが測定精度に影響するため、装置使用上、使い勝手が悪いという問題を有していた。
【００１２】
従って、中和滴定法による測定と同様に電気化学的方法による酸度測定装置も依然として信頼性ある酸度の測定ができないものであった。また、電気化学的方法で酸度を測定する場合、測定前の電極の状態によって電極の電位が安定しないため、測定電流値が安定せず測定精度に影響していた。このように原理的には優れた技術であっても、事実上の測定装置とするには難しい問題を抱えたものであった。
【００１３】
ただ、電気化学的方法による酸度測定装置の中で、血糖値センサーに代表されるバイオセンサーを用いる装置は、溶媒の希釈や測定前の電極状態の悪影響がなく、直接測定試料を垂らして測定できるものであって、上記の共存電解液は不要で簡便ではあるが、特開昭５８−９９７４６号公報に示されているように、電極上に胆持された酵素が測定試料と触媒反応中に出る電子を媒体化合物により直接電極に移動させるために、媒体化合物例えばフェロセンを有機溶媒に溶解し、それを電極表面に付着し、その後酵素のりん酸緩衝溶液を付着して作製することが必要である。このため、電極で測定している物質は試料内に直接含有されているものではなく、酵素反応後に発生した物質を測定している。従って、測定値への変換の際に誤差が発生する恐れがあった。
【００１４】
そこで本発明は従来のこのような問題を解決するもので、測定試料を希釈する必要がなく、試料に直接含まれている物質を測定することが可能であり、コンパクトで、簡単に操作でき、精度の高い酸度を測定することができる酸度測定用電極及びそれを使用して酸度を測定する酸度測定装置を提供することを目的とする。
【００１５】
また本発明は、測定溶媒がなく希釈しないために精度の高い酸度を測定することができる酸度測定方法を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明の酸度測定用電極は、作用電極と参照電極が酸化還元反応を起こさない不活性導電性材料から構成されるとともに、対極は導電性材料から構成され、前記作用電極の表面にはプレプロトンアタック物質が固定化されたプロトンアタック層が露出して形成されていることを特徴とする。
【００１７】
この構成により、被測定試料を希釈する必要がなく含有されている酸を直接測定することのできる酸度測定用電極を提供することができる。
【００１８】
また、上記課題を解決するために本発明の酸度測定装置は、前記酸度測定用電極に酸含有の被測定試料を滴下した際に前記作用電極と前記対極間に電圧を印加する電源と、前記作用電極と前記参照電極間の電位を所定の電位に制御する制御部と、前記作用電極と前記対極間に流れる電流を検知する検知部と、前記検知部によって検知された電流値を酸度に変換する演算部とを備えている。
【００１９】
この構成により、被測定試料中の酸を高い精度で直接測定することが可能であるとともに、コンパクトで操作の容易な酸度測定装置を提供することができる。
【００２０】
さらに、上記課題を解決するために本発明の酸度測定方法は、プレプロトンアタック物質を固定化したプロトンアタック層が前記作用電極の表面に露出して形成された作用電極，及び対極，参照電極上に酸含有の被測定試料を滴下した後、前記作用電極と前記対極間に電圧を印加し、前記作用電極と前記参照電極間の電位を所定の電位に保持するとき、前記作用電極と前記対極間に流れる電流値を測定して酸度を算出することを特徴とする。
【００２１】
この構成により、測定溶媒がなく希釈しないために精度の高い酸度を測定することができる酸度測定方法を提供することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載された発明は、基台上に形成された作用電極，対極，参照電極を備えた酸度測定用電極であって、前記作用電極と前記参照電極が酸化還元反応を起こさない不活性導電性材料から構成されるとともに、前記対極は導電性材料から構成され、前記作用電極の表面にはプレプロトンアタック物質が固定化されたプロトンアタック層が露出して形成されていることを特徴とする酸度測定用電極であるから、プロトンアタック物質を混入した測定溶媒を作って酸度測定用電極を浸漬せずとも、被測定試料をそのまま酸度測定用電極に滴下するだけで酸から解離した水素及び非解離の水素を直接測定することができる。
【００２３】
このプロトンアタック物質というのは、酸より解離したプロトン（Ｈ+）と結合する作用をもつにとどまらず、酸に含有される非解離状態のプロトンを攻撃して引き抜く作用をもつ物質のことである。しかし、プロトンアタック物質は自然電位におかれたときにはそのような作用を奏さない。すなわち、この自然電位におかれた状態のものをプレプロトンアタック物質という。このプレプロトンアタック物質に自然電位よりマイナス側の電圧を印加すると、プレプロトンアタック物質がアニオン化した活性状態（ラジカル）となり、プロトンアタック物質となるのである。従って、プロトンアタック層は、電極未使用時には安定したプレプロトンアタック物質を固定したものであるが、被測定試料を滴下しアニオン化させプロトンアタック物質化すると、被測定試料中の酸が印加電圧で分極してδ＋となるため、酸のプロトンの引き抜きが可能になるものである。
【００２４】
請求項２に記載された発明は、前記作用電極，前記対極，前記参照電極がそれぞれ薄膜状に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の酸度測定用電極であるから、各電極を平面化して薄く、酸度測定用電極をコンパクトにすることができる。
【００２５】
請求項３に記載された発明は、前記基台が基板であることを特徴とする請求項１または２に記載の酸度測定用電極であるから、酸度測定用電極全体をコンパクトに形成することができる。
【００２６】
請求項４に記載された発明は、前記プレプロトンアタック物質がキノン化合物またはアゾ化合物であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の酸度測定用電極であるから、キノン化合物やアゾ化合物が化学的に安定した物質であることから、電極の長期保存が可能になる。さらに、キノン化合物またはアゾ化合物は光によって分解のエネルギーを与えられても、固定化により分解に必要な活性化エネルギーが光エネルギーよりも高くなるため、光安定性が向上し光分解を起こすことがなく安定した測定をすることができる。
【００２７】
ここで、キノン化合物としては、ｐ−ベンゾキノン，ｏ−ベンゾキノン，ジフェノキノン，ナフトキノン，アントラキノン，ベンゼンアゾヒドロキノン等が用いられる。また、アゾ化合物としては、アゾベンゼン，アゾフェノール，ベンゼンアゾメタン，ベンゼンアゾエタン，アゾナフタリン，アゾトルエン，アゾ安息香酸，アゾアニリン，アゾアニソールメチルアゾベンゼン，１−ベンゼンアゾナフタリン，ベンゼンアゾナフトール，オキシアゾベンゼン，２，４−ジオキシアゾベンゼン等が用いられる。
【００２８】
請求項５に記載された発明は、前記作用電極の表面に前記プロトンアタック層の一部を露出させて絶縁材料によってモールドしたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の酸度測定用電極であるから、測定対象物質（酸）の電極に対する拡散が安定するため、酸度を安定して測定することができるし、表面に露出させる電極の面積を容易に調整することができる。
【００２９】
請求項６に記載された発明は、請求項１〜５のいずれかに記載の酸度測定用電極と、前記酸度測定用電極に酸含有の被測定試料を滴下した際に前記作用電極と前記対極間に電圧を印加する電源と、前記作用電極と前記参照電極間の電位を掃引する制御部と、前記作用電極と前記対極間に流れる電流を検知する検知部と、前記検知部によって検知された電流値を酸度に変換する演算部とを備えていることを特徴とする酸度測定装置であるから、表面に直接プロトンアタック層が露出して形成された電極を使用していることから、被測定試料を溶媒に希釈せずに直接クロノアンペロメトリー測定をすることができ、また、測定時間を短縮することができ、被測定試料に含有される酸の還元電流を測定するだけで容易に酸度を測定することができる。
【００３０】
請求項７に記載された発明は、請求項１〜５のいずれかに記載の酸度測定用電極と、前記酸度測定用電極に酸含有の被測定試料を滴下した際に前記作用電極と前記対極間に電圧を印加する電源と、前記作用電極と前記参照電極間の電位を掃引する制御部と、前記作用電極と前記対極間に流れる電流を検知する検知部と、前記検知部によって検知された電流値を酸度に変換する演算部とを備えていることを特徴とする酸度測定装置であるから、表面に直接プロトンアタック層が露出して形成された電極を使用していることから、被測定試料を溶媒に希釈せずに直接ボルタンメトリー測定をすることができる。また、装置の特性にばらつきがあっても精度の高い測定を行うことができ、被測定試料に含有される酸の還元電流を測定するだけで容易に酸度を測定することができる。
【００３１】
請求項８に記載された発明は、前記制御部による掃引速度が１０〜１００ｍＶ／ｓであることを特徴とする請求項７に記載の酸度測定装置であるから、被測定試料に含有される酸と電極表面のプロトンアタック物質との反応が安定するため、より高い精度で測定を行うことができる。
【００３２】
ここで、掃引速度が１０ｍＶ／ｓよりも遅くなるにつれ、電極表面での反応が過剰になり安定した電位が得られにくくなる傾向がみられ、１００ｍＶ／ｓよりも速くなるにつれ、電位を掃引する速度が電極の反応速度を上回るので安定した電流波形が得られにくくなる傾向がみられるため、いずれも好ましくない。
【００３３】
請求項９に記載された発明は、前記被測定試料がジュースであることを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載の酸度測定装置であるから、ジュースに含有される有機酸を好適に測定することができる。
【００３４】
請求項１０に記載された発明は、前記被測定試料がアルコール飲料であることを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載の酸度測定装置であるから、アルコール飲料に含有される有機酸を好適に測定することができる。
【００３５】
請求項１１に記載の発明は、前記被測定試料が食料油またはエンジンオイルであることを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載の酸度測定装置であるから、食用油またはエンジンオイルに含有される遊離脂肪酸を好適に測定することができる。
【００３６】
ここで、食用油またはエンジンオイルを測定する場合、予め食用油またはエンジンオイルを有機溶剤に溶解させた後に支持電解質である過塩素酸リチウムまたは塩化リチウム等を混入した試料溶液を作製し、該試料溶液中の遊離脂肪酸を測定することが好ましい。
【００３７】
請求項１２に記載された発明は、前記被測定試料が血清であることを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載の酸度測定装置であるから、血清中の脂肪酸を好適に測定することができる。
【００３８】
ここで、血清を測定する場合、血清中の脂質成分を酵素によって分解遊離した脂肪酸を測定することが好ましい。
【００３９】
本発明の請求項１３に記載された発明は、プレプロトンアタック物質を固定化したプロトンアタック層が表面に露出して形成された作用電極，及び対極，参照電極上に酸含有の被測定試料を滴下した後、前記作用電極と前記対極間に電圧を印加し、前記作用電極と前記参照電極間の電位を所定の電位に保持するとき、前記作用電極と前記対極間に流れる電流値を測定して酸度を算出することを特徴とする酸度測定方法であるから、プロトンアタック層が露出して形成された作用電極を使用するため、被測定試料を溶媒に希釈せずに直接クロノアンペロメトリー測定をすることができ、また、測定時間を短縮することができる。
【００４０】
本発明の請求項１４に記載された発明は、プレプロトンアタック物質を固定化したプロトンアタック層が表面に露出して形成された作用電極，及び対極，参照電極上に酸含有の被測定試料を滴下した後、前記作用電極と前記対極間に電圧を印加し、前記作用電極と前記参照電極間の電位を掃引するとき、前記作用電極と前記対極間に流れる電流値を測定して酸度を算出することを特徴とする酸度測定方法であるから、プロトンアタック層が露出して形成された作用電極を使用するため、被測定試料を溶媒に希釈せずに直接ボルタンメトリー測定をすることができる。
【００４１】
本発明の請求項１５に記載された発明は、前記プレプロトンアタック物質がキノン化合物またはアゾ化合物であることを特徴とする請求項１３または１４に記載の酸度測定方法であるから、プレプロトンアタック物質の中でも安定した物質であり、長期保存を行っても変化が少なく精度の高い測定を行うことができる。
【００４４】
以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００４５】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における酸度測定装置の斜視図であり、図２（ａ）は本実施の形態における酸度測定用電極の斜視図である。図中、１は本実施の形態における酸度測定装置、２は酸度測定装置１の本体部、３は本体部２の上面に配設された測定酸度を表示する表示手段のＬＣＤ、４は本体部２の上面に形成され測定を開始するためのスタート・ストップボタン、５は本体部２の上面に形成され酸度測定装置１の電源を入切する電源ボタン、６は本体部２の上面に形成された酸度の測定データを呼び出すボタン、７は被測定試料の酸度を測定する酸度測定用電極、８は本体部２と酸度測定用電極７を連結するための本体部側コネクター、９は本体部側コネクター８と連結する電極部側コネクター、１０は酸度測定用電極７を支えるプレート及びポールからなる支持部、１１は金、炭素もしくはグラッシーカーボンと呼ばれるガラス状炭素や、ＰＦＣと呼ばれるプラスチックフォームを１０００℃〜２０００℃で燒結した炭素等の不活性導電性材料（但し、不活性導電性材料でも白金は若干安定性に欠けるため、使用を避けたほうが適当である。）からなる表面に、後述するプロトンアタック層１９が形成された作用電極、１２は金、炭素もしくはグラッシーカーボンと呼ばれるガラス状炭素や、ＰＦＣと呼ばれるプラスチックフォームを１０００℃〜２０００℃で燒結した炭素等の不活性導電性材料からなる参照電極、１３は白金，黒鉛，金，必要であればステンレス、アルミニウム及びその合金等の、測定溶液液中でも腐食しないで化学的に安定な導電性材料からなる対極、１４は作用電極１１と参照電極１２を固定させる絶縁材料の樹脂、１５は上記３電極が配設された基台、１６は上記３電極と本体部２とを電気的に接続するケーブル、１７は枠状に形成された被測定試料の流出を防止するガード、１８は作用電極１１，参照電極１２，対極１３の露出部分以外を覆うカバーである。
【００４６】
ここで、酸度測定用電極７としては、図２（ａ）に示すような箱状に形成された対極１３の内部に作用電極１１及び参照電極１２を樹脂１４でモールドして配設した構成のほか、図２（ｂ）に示すような被測定試料の液だれを防止するカバー１７を備えた構成、あるいは図２（ｃ）に示すような基板状の基台１５にカーボンペースト等をスクリーン印刷，スパッター，ＣＶＤ等で薄膜状の電極を形成し、露出部分以外をカバー１８で覆った構成としてもよい。
【００４７】
ところで，本発明の特徴をなすプロトンアタック層について以下説明する。プロトンアタック層１９の形成方法としては、以下の４つの方法がある。
【００４８】
図３（ａ）はプロトンアタック層の物理的吸着方法を示すモデル図、（ｂ）はプロトンアタック層の化学的表面結合を示すモデル図、（ｃ）はプロトンアタック層の物理的表面固定方法を示すモデル図、（ｄ）はプロトンアタック層の化学的表面固定方法を示すモデル図である。図中、１９はプロトンアタック層、２０はプロトンアタック層１９を形成するために表面に露出して固定化され、ラジカル化したとき脱プロトン作用を奏するキノン化合物、アゾ化合物等に代表されるプレプロトンアタック物質、２１はエポキシ樹脂，ウレタン樹脂等を主成分とする接着剤、２２は多孔質高分子からなる高分子膜である。プレプロトンアタック物質２０は、被測定試料の滴下があるとアニオン化し、活性状態となってプロトンアタック物質となる。このプロトンアタック物質は、酸より解離したプロトン（Ｈ+）と結合する作用をもつにとどまらず、酸に含有される非解離状態のプロトンを攻撃して引き抜く作用をもつが、自然電位下ではそのような作用を奏さない。この自然電位の状態のものがプレプロトンアタック物質である。
【００４９】
図３（ａ）に示される物理的吸着方法は、エタノール等の有機溶媒にプレプロトンアタック物質２０、ここではキノン化合物を５〜３０ｍＭ溶解させた共存溶液を、作用電極１１の表面に３０μｍ以下に均一に引き伸ばして塗りつけたあと、有機溶媒を乾燥させて固定する方法である。
【００５０】
図３（ｂ）に示される化学的表面結合方法は、プレプロトンアタック物質２０をヒドロ化もしくは硫黄によってメルカプト化した後、支持電解質を含有した有機溶媒に溶解させた共存電解液に作用電極１１，参照電極１２，対極１３を浸漬させ、作用電極１１と参照電極１２間に０．５〜２．０Ｖの酸化電圧がかかるように作用電極と対極間に電圧を印加して固定するか、もしくは、作用電極１１と参照電極１２間に０．５〜２．０Ｖの酸化電圧と−０．５〜−１．０Ｖの還元電圧を交互にかかるように作用電極と対極間に電圧を印加して固定する方法がある。
【００５１】
具体例を挙げると、ｐＨ６．８６の標準りん酸緩衝液２００ｍＬにメルカプトヒドロキノン１０ｍＭを溶解した溶液中に作用電極１１と参照電極１２と対極１３を浸漬し、参照電極１２に対して作用電極１１の電位が±１Ｖとなるように掃引速度１００ｍＶ／ｓで１００回掃引すると、作用電極１１の表面にメルカプトキノンのポリマーが固定化されてプロトンアタック層１９が形成される。または、参照電極１２に対して作用電極１１の電位が１Ｖとなるようにしても、固定化量は少ないがキノンを固定化することができる。
【００５２】
なお、硫黄を使用せずに作用電極１１，参照電極１２，対極１３を共存電解液に浸漬し、０．５〜２．０Ｖの酸化電圧を印加してもプロトンアタック層１９の形成が可能である。但し、この方法を用いた場合、メルカプト化した場合と比較して固定力が劣る。
【００５３】
図３（ｃ）に示される物理的表面固定方法は、絶縁性の接着剤２１にプレプロトンアタック物質２０の粒状物を混入し、作用電極１１表面に３０μｍ以下に均一に引き伸ばして塗り付ける方法である。電極表面に塗り付ける方法としては、ある程度の粘度を持たせた塗布液をスピンコート，スクリーン印刷等で塗り付ける方法が好ましい。
【００５４】
図３（ｄ）に示される化学的表面固定方法は、多孔質高分子であるナフィヨン（デュポン社製），ポリヒドロキシエチルメタクリレート等をエタノール等の有機溶媒に１〜３重量％溶解した後、エタノール等の有機溶媒にプレプロトンアタック物質２０、ここではキノン化合物を１０〜３０ｍＭ溶解させた溶液を２０〜５０％混入して、作用電極１１表面に３０μｍ以下に均一に引き伸ばして塗り付ける方法である。電極表面に塗り付ける方法としては、塗布面積が１００平方ｍｍ程度の場合、マイクロシリンジを用いて塗布液を０．０６ｍＬ滴下し、スピンコートを行う方法が好ましい。作用電極表面を鏡面近くまで研磨している場合、塗布液を滴下して自然に薄く均一に広がるのを待って乾燥させても良い。その際に塗布液の滴下量と作用電極の表面粗さを管理しておけば、安定した作用電極１１を作製できる。
【００５５】
以上のような固定化方法でプロトンアタック層１９を形成し、図２（ａ），（ｂ）のように絶縁性の樹脂１４でプロトンアタック層１９の一部を露出させてモールドするか、または図２（ｃ）のようにカバー１８でプロトンアタック層１９の一部を露出させて覆うと、電極面積のコントロールが容易になるとともに電極に対する被測定試料の拡散が安定し、測定精度が向上する。
【００５６】
ところで、本実施の形態１の作用電極１１は、キノン化合物やアゾ化合物等のプレプロトンアタック物質が露出状態で固定化されてプロトンアタック層１９を形成しているので、光分解を起こし易いプレプロトンアタック物質が安定化し、精度の高い安定した測定をすることを可能にする。すなわち、プレプロトンアタック物質が光によって分解のエネルギーを与えられたとしても、固定化したことによって分解に必要な活性化ポテンシャルが光エネルギーより高くなるために光分解がほとんど起こらず、安定した測定が可能になるからである。
【００５７】
以上説明した本実施の形態１における酸度測定用電極を使用した酸度測定装置について、以下その動作を説明する。
【００５８】
まず、本発明の酸度測定装置の酸度測定方法を説明する。図４は従来のナフトキノン誘導体が共存する測定電解液のボルタンメトリーによる酸度測定の電流−電位関係図である。図中、横軸は参照電極１２に対する作用電極１１の電位を、縦軸は対極１３に流れる還元電流値を表す。また、Ａに示される部分は酸の濃度によるピークであり、Ｂに示される部分はキノンの濃度によるピークである。但し、還元電流値は作用電極１１の表面積の大きさや酸の濃度、電位の掃引速度といった条件によって変わるものである。また、横軸のピークの現れる電位は酸の濃度によって若干変動はあるものの、この条件の影響は無視できる程度のものである。図５は還元電流値と酸度の関係を示すグラフである。図中、横軸は対極１３の還元電流値を、縦軸は被測定試料の酸度を表す。図５より、還元電流値と被測定試料の酸度は一定の関係を保つため、還元電流値を測定することによって被測定試料の酸度を算出できることがわかる。
【００５９】
次に、本実施の形態における酸度測定装置の制御回路について説明する。
【００６０】
図６は本発明の実施の形態１における酸度測定装置の制御回路図である。なお、図１，２（ａ）〜（ｃ）で説明したものと同様のものは、同一の符号を付して説明を省略する。図中、４’は測定を開始するためのスタート・ストップボタン４により入切するスタート・ストップスイッチ、５’は酸度測定装置１の電源を電源ボタン５により入切する電源スイッチ、２３はマイクロコンピューター等から構成されるボルタンメトリーするための内部回路の制御部、２４は発生させた信号を制御部２３に伝える発振子、２５は発振子２４より発生する信号を基に内部でクロックを作る分周回路、２６は分周回路２５の作るクロックをカウントして計時を行うタイマ手段、２７は制御部２３より送られるデジタル信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａコンバーター、２８はＤ／Ａコンバーター２７より送られるアナログ信号をＲＣ積分回路へ出力するオペアンプ、２９はオペアンプ２８より出力されたイマジナリショートを使用して対極１３に印加される電圧を制御するモニタリング回路、３０は抵抗器、３１は対極１３に流れた電流を電圧に変換する差動アンプ、３２はアナログ信号をデジタル信号に変換して制御部２３に再入力するＡ／Ｄコンバーター、３３はマイクロコンピューターからなる被測定試料の酸度を算出する演算部である。
【００６１】
まず、電源ボタン５を押すとＬＣＤ３が動作可能となる。次にスタート・ストップボタン４を押して測定開始すると、制御部２３は発振子２４で発生する信号を基に分周回路２５によって制御部２３の内部でクロックを作り、そのクロックをカウントしてタイマー２６が１秒単位で計時を開始する。タイマー２６の計時に同期して制御部２３はＤ／Ａコンバータ２７へ所定の電圧のデジタル信号を送る。デジタル信号はＤ／Ａコンバーター２７によってアナログ信号に変換され、オペアンプ２８へ出力される。
【００６２】
図７は本発明の実施の形態１における酸度測定装置のオペアンプからの出力図、図８は本発明の実施の形態１における酸度測定装置の積分回路からの出力図である。図中、横軸はタイマー２６により計時される時間を、縦軸は制御部２３より送られるデジタル信号の電圧を表す。図７より、時間が１，２，３・・・秒と１秒ごとに計時される度に、電圧が５，１０，１５・・・ｍＶと５ｍＶずつ増加していくことがわかる。オペアンプ２８から出力される信号はＲＣ積分回路を通ることにより積分され、図６に示したアナログ信号に変換された後、モニタリング回路２９へ入力される。
【００６３】
モニタリング回路２９では、オペアンプ２８のイマジナリショートを利用して、出力側の対極１３に印加される電圧をアナログ信号に従って制御し、マイナス入力側の参照電極１２の電圧Ｒがアナログ信号と同じ値になるようにする。これにより、参照電極１２と作用電極１１の電位差は所定の値＋８００〜−１０００ｍＶの範囲となる。一方、対極１３に流れる電流は、抵抗器３０の両端の電圧が差動アンプ３１を通ることにより電圧へ変換され、Ａ／Ｄコンバーター３２を介してアナログ信号からデジタル信号へ変換されて、さらに制御部２３へ入力される。
【００６４】
制御部２３は、後述する所定の掃引速度で掃引される電圧と入力された電流とを比較することにより、図４のＡに示されるプレピークを与える電流値を検出する。この電流のプレピーク値を基に演算部３３で被測定試料の酸度を算出し、その値をＬＣＤ３で表示する。ところで図４において、電位は作用電極１１と参照電極１２との電位差であり、還元電流は対極１３に流れる電流である。図９は酸度と還元電流値の関係を示すグラフである。図中、横軸は被測定試料の酸度を、縦軸は対極１３に流れる還元電流値を表す。図４においてＡで示したプレピーク値を与える電流値と、被測定試料の酸度は図９に示すように比例の関係にある。ここで、被測定試料の酸度をθ、プレピーク時における還元電流値をＩ、比例定数をＫ1とすると、酸度と電流値の関係は（数２）のように表される。
【００６５】
【数２】

【００６６】
（数２）より、プレピーク時の還元電流値Ｉを測定することで酸度θを測定することができることがわかる。
【００６７】
なお、プロトンアタック層１９を形成するために基台１５に固定化されたプレプロトンアタック物質（本実施の形態ではキノン化合物）は、酸を含有した被測定試料を滴下した際、ｐＨに応じて一部がヒドロ化する。例えば、プレプロトンアタック物質をキノンとした場合、ヒドロ化したヒドロキノンとキノンがｐＨに応じて一定の比率で混在する。そこで、ヒドロ化したプレプロトンアタック物質をプレプロトンアタック物質に戻すため、制御部２３によって作用電極１１と参照電極１２との間に酸化電位を印加させた後、自然電位よりマイナス側の電位でプレプロトンアタック物質をラジカル化して掃引し、ボルタンメトリーを行うことが好ましい。これにより、プレプロトンアタック物質であるキノン化合物やアゾ化合物の量を増加することになり、プロトンアタック物質の反応性を高め、感度の向上を図ることができる。
【００６８】
次に、本実施の形態における酸度測定装置の操作時における動作を説明する。酸度測定用電極７に被測定試料を作用電極１１，参照電極１２，対極１３が十分浸るように滴下した後、酸度測定用電極７を支持部１０に固定する。電源ボタン６とスタート・ストップボタン４を押して測定を開始すると、制御部２３が作用電極１１の電位を参照電極１２の電位に対して＋８００〜−１０００ｍＶの範囲内で１０〜２００ｍＶの掃引速度で掃引するように、作用電極１１と対極１３との間に電圧を印加していく。このように、掃引速度１０〜２００ｍＶで所定の電位差を掃引すると、図４に示すような安定したボルタモグラムを得ることができる。なお、このような掃引を行うことで、酸の還元電流のピークが０ｍＶ付近で出現する。プレピークと呼ばれるこの電位は、酸の濃度が上がるとマイナス側へシフトしていくが、シフトがあっても作用電極１１の電位を＋８００〜−１０００ｍＶの範囲に設定しておけば、概ねどのような濃度の酸も測定することができる。
【００６９】
以上のように、本実施の形態における酸度測定装置及び酸度測定用電極は構成されているので、以下のような作用を有する。
【００７０】
（１）ボルタンメトリーで酸度を測定する場合、作用電極のプロトンアタック層、例えばメルカプトキノンがポリマー化して固定化されているので、被測定試料にプロトンアタック物質や溶媒等を別個に混合する必要がなく、直接被測定液中に含有された酸の酸度を測定することができる。
【００７１】
（２）また、作用電極と参照電極間の電位を所定の範囲内に掃引しながら電流値を測定するため、安定したボルタモグラムを得ることができ、精度の高いボルタンメトリーによる測定を行うことができる。
【００７２】
（３）さらに、樹脂でモールドされた酸度測定用電極は、作用電極のプロトンアタック層の露出面積を容易に調整可能であり、また、基板上に各電極を薄膜状に形成した酸度測定用電極は、極めてコンパクトな形状とすることができる。
【００７３】
（実施の形態２）
実施の形態２における酸度測定装置は、実施の形態１に記した酸度測定装置の電圧印加方法及び電流値の検出方法をクロノアンペロメトリーとしたものである。
【００７４】
図１０は本発明の実施の形態２における酸度測定装置の制御回路図である。なお、図１〜９で説明したものと同様のものは、同一の符号を付して説明を省略する。
【００７５】
以上のように構成された本実施の形態の酸度測定装置について、以下その動作を説明する。
【００７６】
まず、本実施の形態における酸度測定装置の酸度測定方法を説明する。図４のＡに示される電位が作用電極１１と参照電極１２との間に固定電位としてかかるように、作用電極１１と対極１３との間に電圧を印加したとき、作用電極１１と対極１３の間に還元電流が流れる。図１１は還元電流値と時間の関係を示すグラフである。図中、横軸は電圧印加後の時間を、縦軸は還元電流値を表す。図１１に示される関係は酸の濃度によって変化するため、電圧を印加後一定時間のデータと被測定試料との間に一定の関係がある。このように電圧を印加しない状態からある一定の電圧を印加し続けた際の時間に対する電流量の変化をみる電圧印加方法及び電流値の検出方法による測定方法をクロノアンペロメトリーという。図１２は還元電流値の対数と酸度の関係を示すグラフである。図中、横軸は還元電流値の対数を、縦軸は被測定試料の酸度を表す。図１２より、還元電流値の対数と被測定試料の酸度は一定の関係を保つため、クロノアンペロメトリーにより還元電流値を測定することによって被測定試料の酸度を算出できることがわかる。
【００７７】
次に、本実施の形態における酸度測定装置の酸度測定方法について説明する。まず、電源ボタン５を押すとＬＣＤ３が動作可能となる。次にスタート・ストップボタン４を押して測定開始すると、制御部２３が発振子２４で発生する信号を基に分周回路２５によって制御部２３の内部でクロックを作り、そのクロックをカウントしてタイマー２６が１秒単位で計時を開始する。タイマー２６の計時に同期して制御部２３はＤ／Ａコンバータ２７へ所定の電圧のデジタル信号を送る。デジタル信号はＤ／Ａコンバーター２７によってアナログ信号に変換され、オペアンプ２８へ出力される。
【００７８】
図１３は本実施の形態における酸度測定装置のオペアンプからの出力図である。図中、横軸はタイマー２６により計時される時間を、縦軸は制御部２３より送られるデジタル信号の電圧を表す。図１３より、オペアンプ２８からの出力は、プラスの電圧を一定時間印加した後、マイナスの電圧を印加していることがわかる。このとき、プラスの電圧は作用電極１１の表面に固定化された化合物の反応基を酸化するので、作用電極１１の表面を一定の状態に保つことで測定値のばらつきを押さえることが可能になる。オペアンプ２８より出力される信号は、モニタリング回路２９へ入力される。
【００７９】
モニタリング回路２９では、オペアンプ２８のイマジナリショートを利用して、出力側の対極１３に印加される電圧をアナログ信号に従って制御し、マイナス入力側の参照電極１２の電圧Ｒがアナログ信号と同じ値になるようにする。これにより、参照電極１２と作用電極１１の電位差は所定の値＋８００〜−１０００ｍＶの範囲となる。一方、対極１３に流れる電流は、抵抗器３０の両端の電圧が差動アンプ３１を通すことにより電圧へ変換され、Ａ／Ｄコンバーター３２を介してアナログ信号からデジタル信号へ変換されて、さらに制御部２３へ入力される。制御部２３は、所定の電圧と入力された電流とを比較することにより、各点における電流値を検出する。この一定時間での電流値を基に演算部３３で被測定試料の酸度を算出し、その値をＬＣＤ３で表示する。
【００８０】
ここで、被測定試料の酸度をθ、還元電流値をＩ、比例定数をＫ2とすると、酸度と電流値の関係は（数３）のように表される。
【００８１】
【数３】

【００８２】
（数３）より、還元電流値Ｉの測定値の対数をとることで酸度θを測定することができることがわかる。
【００８３】
なお、プロトンアタック層１９を形成するために基台１５に固定化されたプレプロトンアタック物質は、酸を含有した被測定試料を滴下した際、ｐＨに応じて一部がヒドロ化する。そこで、ヒドロ化したプレプロトンアタック物質をプレプロトンアタック物質に戻すため、制御部２３によって作用電極１１と参照電極１２との間に酸化電位を印加させた後、自然電位よりマイナス側の還元電位に保持してプレプロトンアタック物質をラジカル化して還元することが好ましい。
【００８４】
次に、本実施の形態における酸度測定装置の操作時における動作を説明する。酸度測定用電極７に被測定試料を作用電極１１，参照電極１２，対極１３が十分浸るように滴下した後、酸度測定用電極７を支持部１０に固定する。電源ボタン５とスタート・ストップボタン４を押して測定を開始すると、制御部２３が作用電極１１の電位と参照電極１２の間の電位が＋３００〜＋１０００ｍＶの酸化電位になるように、作用電極１１と対極１３との間に電圧を５〜３０秒印加した後、作用電極１１の電位と参照電極１２の間の電位が０〜−３００ｍＶの還元電位になるように、作用電極１１と対極１３との間に電圧を印加した際の作用電極１１と対極１３との間に流れる電流を測定すると、図１１に示すような応答図が得られる。このとき、還元電位を印加した瞬間から電流が流れているため、測定時におけるタイムラグのばらつきが測定値に影響を及ぼすと考えられるので、還元電流値の測定は還元電位を印加して所定の時間が経過してから測定することが好ましい。具体例を挙げると、面積が約３平方ｍｍの作用電極１１を使用して被測定試料をワインとした場合、１〜１０秒後が好ましい。
【００８５】
以上説明したように、本実施の形態における酸度測定装置は構成されているので、実施の形態１で説明した作用を奏するほか、作用電極と参照電極間の電位を所定の範囲内に保持しながら電流値を測定するため、所定の時間を経過した後の電流値を測定することで、安定して精度の高い測定を行うことができる。
【００８６】
【発明の効果】
以上のように、本発明の酸度測定用電極によれば、以下のような有利な効果が得られる。
【００８７】
請求項１に記載された発明によれば、プロトンアタック物質を混入した測定溶媒を作って酸度測定用電極を浸漬せずとも、被測定試料をそのまま酸度測定用電極に滴下するだけで酸から解離した水素及び非解離の水素を直接測定することができる。
【００８８】
請求項２に記載された発明によれば、各電極を平面化して薄く、酸度測定用電極をコンパクトにすることができる。
【００８９】
請求項３に記載された発明によれば、基板化により酸度測定用電極全体をコンパクトに形成することができる。
【００９０】
請求項４に記載された発明は、キノン化合物やアゾ化合物が化学的に安定した物質であるため、電極の長期保存が可能になる。さらに、キノン化合物またはアゾ化合物が光によって分解のエネルギーを与えられても、固定化したことで分解に必要な活性化エネルギーが光エネルギーよりも高くなるため、光安定性が向上し光分解を起こすことがなく安定した測定をすることができる。
【００９１】
請求項５に記載された発明によれば、酸の電極に対する拡散が安定するため、酸度を安定して測定することができるし、表面に露出させる電極の面積を容易に調整することができる。
【００９２】
請求項６に記載された発明によれば、表面に直接プロトンアタック層が露出して形成された電極を使用しているため、被測定試料を溶媒に希釈せずに直接クロノアンペロメトリー測定をすることができ、また、測定時間を短縮することができ、被測定試料に含有される酸の還元電流を測定するだけで容易に酸度を測定することができる。
【００９３】
請求項７に記載された発明によれば、表面に直接プロトンアタック層が露出して形成された電極を使用しているため、被測定試料を溶媒に希釈せずに直接ボルタンメトリー測定をすることができる。また、装置の特性にばらつきがあっても精度の高い測定を行うことができ、被測定試料に含有される酸の還元電流を測定するだけで容易に酸度を測定することができる。
【００９４】
請求項８に記載された発明によれば、被測定試料に含有される酸と電極表面のプロトンアタック物質との反応が安定するため、より高い精度で測定を行うことができる。
【００９５】
請求項９に記載された発明によれば、ジュースに含有される有機酸を好適に測定することができる。
【００９６】
請求項１０に記載された発明によれば、アルコール飲料に含有される有機酸を好適に測定することができる。
【００９７】
請求項１１に記載の発明によれば、食用油に含有される遊離脂肪酸を好適に測定することができる。
【００９８】
請求項１２に記載された発明によれば、血清中の脂肪酸を好適に測定することができる。
【００９９】
本発明の請求項１３に記載された発明によれば、プロトンアタック層が露出して形成された作用電極を使用するため、被測定試料を溶媒に希釈せずに直接クロノアンペトメトリー測定をすることができ、また、測定時間を短縮することができる。
【０１００】
本発明の請求項１４に記載された発明によれば、プロトンアタック層が露出して形成された作用電極を使用するため、被測定試料を溶媒に希釈せずに直接ボルタンメトリー測定をすることができる。
【０１０１】
本発明の請求項１５に記載された発明によれば、プレプロトンアタック物質が安定であるため、長期保存を行っても変化が少なく精度の高い測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における酸度測定装置の斜視図
【図２】（ａ）本発明の実施の形態１における酸度測定用電極の斜視図
（ｂ），（ｃ）図２（ａ）の別形態である酸度測定用電極の斜視図
【図３】（ａ）プロトンアタック層の物理的吸着方法を示すモデル図
（ｂ）プロトンアタック層の化学的表面結合を示すモデル図
（ｃ）プロトンアタック層の物理的表面固定方法を示すモデル図
（ｄ）プロトンアタック層の化学的表面固定方法を示すモデル図
【図４】従来のナフトキノン誘導体が共存する測定電解液のボルタンメトリーによる酸度測定の電流−電位関係図
【図５】還元電流値と酸度の関係を示すグラフ
【図６】本発明の実施の形態１における酸度測定装置の制御回路図
【図７】本発明の実施の形態１における酸度測定装置のオペアンプからの出力図
【図８】本発明の実施の形態１における酸度測定装置の積分回路からの出力図
【図９】酸度と還元電流値の関係を示すグラフ
【図１０】本発明の実施の形態２における酸度測定装置の制御回路図
【図１１】還元電流値と時間の関係を示すグラフ
【図１２】還元電流値の対数と酸度の関係を示すグラフ
【図１３】本発明の実施の形態２における酸度測定装置のオペアンプからの出力図
【符号の説明】
１ 酸度測定装置
２ 本体部
３ ＬＣＤ
４ スタート・ストップボタン
４’ スタート・ストップスイッチ
５ 電源ボタン
５’ 電源スイッチ
６ ボタン
７ 酸度測定用電極
８ 本体部側コネクター
９ 電極部側コネクター
１０ 支持部
１１ 作用電極
１２ 参照電極
１３ 対極
１４ 樹脂
１５ 基台
１６ ケーブル
１７ ガード
１８ カバー
１９ プロトンアタック層
２０ プレプロトンアタック物質
２１ 接着剤
２２ 高分子膜
２３ 制御部
２４ 発振子
２５ 分周回路
２６ タイマ手段
２７ Ｄ／Ａコンバーター
２８ オペアンプ
２９ モニタリング回路
３０ 抵抗器
３１ 差動アンプ
３２ Ａ／Ｄコンバーター
３３ 演算部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an acidity measuring electrode capable of directly measuring an organic acid or the like contained in foods without diluting in a solvent, an acidity measuring apparatus for measuring acidity using the electrode, and a measuring method thereof. .
[0002]
[Prior art]
In various foods, the acidity is measured in the production process, and there are various measurement methods. Examples of conventional acid measurement methods include methods defined by the standard oil and fat analysis method, Japanese Agricultural Standards, JIS, Japanese Pharmacopoeia oil and fat test method, hygiene test method food and drink test method, water test method, etc. However, the basis of the measurement is neutralization titration method using phenolphthalein as an indicator. Therefore, in order to explain this neutralization titration method, the neutralization titration method defined in the water test method and the standard oil analysis method will be described below.
[0003]
The acidity in the water test method is defined as the number of mg when acid is converted into calcium carbonate contained in 1 liter of a sample. Specifically, take 100 mL of test water, add about 0.2 mL of phenolphthalein indicator to the test water, add 0.02 mol / L sodium hydroxide solution, seal tightly and shake gently, and if the red color disappears For example, when the titration is continued until the slight red color remains without disappearing, the neutralization end point is determined and the mL number a of the sodium hydroxide is obtained. The acidity θ (calcium carbonate equivalent mg / L) at that time is calculated according to (Equation 1).
[0004]
[Expression 1]

[0005]
Next, the neutralization titration method defined in the standard fat analysis method will be described. The definition of the acid value in the standard fat analysis method refers to the number of mg of potassium hydroxide required to neutralize free fatty acids contained in 1 g of a sample. In the case of a liquid sample, an estimated acid value (for example, 20 g is collected for an acid value of 1 or less, 10 g is collected for an acid value exceeding 1 and 4 or less, and 2.5 g is collected for an acid value exceeding 4 and 15 or less. ) And measure correctly into an Erlenmeyer flask. Add 100 mL of neutral solvent and shake well until the sample is completely dissolved. However, the neutral solvent referred to here is about 0.1 mL of phenolphthalein indicator added to 100 mL of a mixed solvent of ethyl ether and ethanol 1: 1, and a 1/10 N (N) potassium hydroxide-ethanol solution just before use. Neutralized.
[0006]
In the case of a solid sample, it is heated and melted on a water bath, and then dissolved by adding a solvent. This was titrated with 1/10 normal (N) potassium hydroxide-ethanol standard solution, and the end point of neutralization was determined when the color change of the indicator continued for 30 seconds. And the mg number of potassium hydroxide at this time is calculated.
[0007]
However, in addition to the neutralization titration method described above, there is a method of measuring acidity electrochemically, that is, voltammetric, as a method for measuring acidity completely different from this. This method for electrochemically measuring acidity is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-264503, and a measurement electrolyte solution in which a free fatty acid and a naphthoquinone derivative coexist is measured by voltammetry using a potential regulating method. The current value of the pre-reduction wave that reduces the naphthoquinone derivative is proportional to the free fatty acid concentration for all fatty acids, from lower fatty acids such as formic acid to higher fatty acids such as oleic acid and linoleic acid, It is utilized that the value obtained by superimposing the current values of the respective fatty acids corresponds to the total concentration of fatty acids. That is, the acid concentration is measured by measuring the current value of the pre-reduction wave in the naphthoquinone derivative. Data measured by this method is shown by the solid line in FIG. FIG. 4 is a current-potential relationship diagram of acidity measurement by voltammetry of a measurement electrolyte solution in which a conventional naphthoquinone derivative coexists. In FIG. 4, the horizontal axis indicates the potential of the working electrode with respect to the reference electrode when silver-silver chloride is used for the reference electrode and φ3 glassy carbon is used for the working electrode, and the vertical axis indicates the current value flowing at this time. However, the current value varies depending on conditions such as the surface area of the working electrode and the acid concentration. On the other hand, although the voltage value on the horizontal axis varies slightly depending on the acid concentration, the influence of conditions due to the surface area and the like is negligible. 4A shows a pre-peak indicating a pre-reduction wave proportional to the acid concentration, and B shows the main peak of the naphthoquinone derivative.
[0008]
In this way, it is an electrochemical measurement method that enables measurement with a relatively simple operation. As a measurement electrolyte, an organic mixed solvent in which a supporting electrolyte and a naphthoquinone derivative are dissolved is mixed with a sample to be measured containing free fatty acids. Since it was prepared by mixing a minute amount, there was a problem that variation in the weighing of the liquid greatly affected the measurement accuracy.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, in the conventional acidity measuring apparatus using the neutralization titration method, the measurer determines the color change caused by the phenolphthalein indicator and sets the end point of the titration. Therefore, the end point varies depending on the measurer. Therefore, the acidity may vary depending on the measurer.
[0010]
In particular, in the neutralization titration method of fatty acids in the standard fat and oil analysis method, a mixed solution of ether and ethanol is used as a neutral solvent, and the boiling point of ether is 34.6 ° C., which is easy to ignite, and handling is difficult. In addition, if the color of the sample is dark, such as oil fried in a large amount of fried food, juice, wine, etc., and the material itself is colored, the change in the color of phenolphthalein near the titration end point is accurately detected. There was a problem that the measured value varied because the end point was misread and could not be grasped. In addition, the amount of the sample is several tens of grams, 100 mL of the neutral solvent is necessary, a large amount of sample is required for one measurement, and there is a problem that a large amount of sample is required when the number of measurement increases. It was.
[0011]
In addition, the electrochemical acidity measuring apparatus disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-264503 requires a coexisting electrolytic solution containing an organic solvent such as quinone and alcohol and a supporting electrolyte such as sodium chloride as a measuring reagent. Since the coexisting electrolyte and the measurement sample need to be mixed at a predetermined volume ratio, the mixing variation affects the measurement accuracy, and thus there is a problem that the apparatus is not convenient for use.
[0012]
Therefore, the acidity measuring apparatus using the electrochemical method as in the neutralization titration method still cannot measure the acidity with reliability. Further, when the acidity is measured by an electrochemical method, since the electrode potential is not stable depending on the state of the electrode before the measurement, the measurement current value is not stable, which affects the measurement accuracy. In this way, even a technique that is excellent in principle has had a difficult problem to be a practical measuring device.
[0013]
However, among the acidity measuring devices based on the electrochemical method, devices using biosensors typified by blood glucose level sensors do not have the adverse effect of solvent dilution or electrode state before measurement, and can be measured by hanging the measurement sample directly. However, the coexisting electrolyte described above is unnecessary and simple, but as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 58-99746, the enzyme held on the electrode is reacted with the measurement sample during the catalytic reaction. In order to transfer the emitted electrons directly to the electrode by the medium compound, it is necessary to make a medium compound such as ferrocene by dissolving it in an organic solvent, attaching it to the electrode surface, and then attaching an enzyme phosphate buffer solution. is there. For this reason, the substance measured by the electrode is not directly contained in the sample, but the substance generated after the enzyme reaction is measured. Therefore, there is a possibility that an error occurs when converting to a measured value.
[0014]
Therefore, the present invention solves such a conventional problem, it is not necessary to dilute the measurement sample, it is possible to measure the substance directly contained in the sample, it is compact and easy to operate, An object of the present invention is to provide an acidity measuring electrode capable of measuring acidity with high accuracy and an acidity measuring device for measuring acidity using the electrode.
[0015]
Another object of the present invention is to provide an acidity measurement method capable of measuring acidity with high accuracy because there is no measurement solvent and no dilution is performed.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the acidity measurement electrode of the present invention is composed of an inert conductive material in which the working electrode and the reference electrode do not cause a redox reaction, and the counter electrode is composed of a conductive material, A proton attack layer in which a pre-proton attack substance is immobilized is exposed on the surface of the electrode.
[0017]
With this configuration, it is possible to provide an acidity measuring electrode that can directly measure the contained acid without the need to dilute the sample to be measured.
[0018]
In order to solve the above-mentioned problem, the acidity measuring apparatus of the present invention comprises a power source for applying a voltage between the working electrode and the counter electrode when an acid-containing sample to be measured is dropped onto the acidity measuring electrode, A control unit that controls the potential between the working electrode and the reference electrode to a predetermined potential, a detection unit that detects a current flowing between the working electrode and the counter electrode, and a current value detected by the detection unit is converted into acidity And an arithmetic unit for performing.
[0019]
With this configuration, it is possible to directly measure the acid in the sample to be measured with high accuracy, and to provide a compact and easy-to-operate acidity measuring apparatus.
[0020]
Furthermore, in order to solve the above-mentioned problem, the acidity measurement method of the present invention includes a proton attack layer in which a preproton attack substance is immobilized. On the surface of the working electrode After dropping the measurement sample containing acid on the exposed working electrode, the counter electrode, and the reference electrode, a voltage is applied between the working electrode and the counter electrode, and the potential between the working electrode and the reference electrode Is maintained at a predetermined potential, an acidity is calculated by measuring a current value flowing between the working electrode and the counter electrode.
[0021]
With this configuration, it is possible to provide an acidity measurement method capable of measuring acidity with high accuracy because there is no measurement solvent and no dilution.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The invention described in claim 1 is an acidity measuring electrode comprising a working electrode, a counter electrode, and a reference electrode formed on a base, wherein the working electrode and the reference electrode do not cause a redox reaction. It is composed of an active conductive material, the counter electrode is composed of a conductive material, and a proton attack layer on which a pre-proton attack substance is immobilized is exposed on the surface of the working electrode. Therefore, hydrogen is dissociated from the acid just by dropping the sample to be measured directly onto the acidity measurement electrode without immersing the acidity measurement electrode by making a measurement solvent mixed with a proton attack substance. And undissociated hydrogen can be measured directly.
[0023]
This proton attack substance is a substance that not only has an action of binding to a proton (H +) dissociated from an acid but also has an action of attacking and extracting a non-dissociated proton contained in an acid. . However, the proton attack substance does not exhibit such action when placed at a natural potential. That is, a substance in a state at this natural potential is called a pre-proton attack substance. When a voltage on the negative side of the natural potential is applied to the pre-proton attack substance, the pre-proton attack substance becomes an anionized active state (radical) and becomes a proton attack substance. Therefore, the proton attack layer is a layer in which a stable pre-proton attack substance is fixed when the electrode is not used. Since it is polarized to δ +, it is possible to extract the proton of the acid.
[0024]
The invention described in claim 2 is the acidity measurement electrode according to claim 1, wherein each of the working electrode, the counter electrode, and the reference electrode is formed in a thin film shape. It can be made flat and thin, and the acidity measuring electrode can be made compact.
[0025]
The invention described in claim 3 is the acidity measuring electrode according to claim 1 or 2, wherein the base is a substrate, so that the whole acidity measuring electrode can be formed compactly. it can.
[0026]
The invention described in claim 4 is the acidity measurement electrode according to any one of claims 1 to 3, wherein the pre-proton attack substance is a quinone compound or an azo compound. Since the azo compound is a chemically stable substance, the electrode can be stored for a long time. Furthermore, even if quinone compounds or azo compounds are given the energy of decomposition by light, the activation energy required for decomposition becomes higher than the light energy by immobilization, so that the light stability is improved and photolysis is caused. Stable measurement.
[0027]
Here, as the quinone compound, p-benzoquinone, o-benzoquinone, diphenoquinone, naphthoquinone, anthraquinone, benzeneazohydroquinone, or the like is used. As azo compounds, azobenzene, azophenol, benzeneazomethane, benzeneazoethane, azonaphthalene, azotoluene, azobenzoic acid, azoaniline, azoanisolemethylazobenzene, 1-benzeneazonaphthalene, benzeneazonaphthol, oxyazobenzene, 2 , 4-dioxyazobenzene or the like is used.
[0028]
The invention described in claim 5 On the surface of the working electrode 5. The acid measurement electrode according to claim 1, wherein a part of the proton attack layer is exposed and molded with an insulating material. Therefore, the acidity can be stably measured, and the area of the electrode exposed on the surface can be easily adjusted.
[0029]
The invention described in claim 6 is the acidity measurement electrode according to any one of claims 1 to 5 and the working electrode and the counter electrode when an acid-containing measurement sample is dropped onto the acidity measurement electrode. A power source for applying a voltage therebetween, a control unit for sweeping a potential between the working electrode and the reference electrode, a detection unit for detecting a current flowing between the working electrode and the counter electrode, and the detection unit Since it is an acidity measuring device characterized by having an arithmetic unit for converting a current value into acidity, an electrode formed by exposing a proton attack layer directly to the surface is used, and therefore a device under test is used. Chronoamperometry measurement can be performed directly without diluting the sample in a solvent, the measurement time can be shortened, and the acidity can be easily measured simply by measuring the reduction current of the acid contained in the sample to be measured. Can be measured
[0030]
The invention described in claim 7 is the acidity measurement electrode according to any one of claims 1 to 5, and the working electrode and the counter electrode when an acid-containing sample to be measured is dropped onto the acidity measurement electrode. A power source for applying a voltage therebetween, a control unit for sweeping a potential between the working electrode and the reference electrode, a detection unit for detecting a current flowing between the working electrode and the counter electrode, and the detection unit Since it is an acidity measuring device characterized by having an arithmetic unit for converting a current value into acidity, an electrode formed by exposing a proton attack layer directly to the surface is used, and therefore a device under test is used. Voltammetric measurements can be made directly without diluting the sample in the solvent. Further, even if there are variations in the characteristics of the apparatus, it is possible to perform highly accurate measurement, and it is possible to easily measure the acidity simply by measuring the reduction current of the acid contained in the sample to be measured.
[0031]
The invention described in claim 8 is the acidity measuring apparatus according to claim 7, wherein the sweep rate by the control unit is 10 to 100 mV / s, and the acid contained in the sample to be measured. And the proton attack substance on the electrode surface are stabilized, so that the measurement can be performed with higher accuracy.
[0032]
Here, as the sweep speed becomes slower than 10 mV / s, there is a tendency that the reaction on the electrode surface becomes excessive and it becomes difficult to obtain a stable potential, and the potential is swept as it becomes faster than 100 mV / s. Since the speed exceeds the reaction speed of the electrode, it tends to be difficult to obtain a stable current waveform.
[0033]
The invention described in claim 9 is the acidity measuring apparatus according to any one of claims 6 to 8, wherein the sample to be measured is juice, and therefore, an organic acid contained in juice is suitable. Can be measured.
[0034]
The invention described in claim 10 is the acidity measuring device according to any one of claims 6 to 8, wherein the sample to be measured is an alcoholic beverage, and therefore the organic acid contained in the alcoholic beverage Can be suitably measured.
[0035]
The invention according to claim 11 is the acidity measuring device according to any one of claims 6 to 8, wherein the sample to be measured is food oil or engine oil. The free fatty acid contained can be measured suitably.
[0036]
Here, when measuring edible oil or engine oil, after preparing edible oil or engine oil in an organic solvent in advance, a sample solution mixed with lithium perchlorate or lithium chloride as a supporting electrolyte is prepared, and the sample is prepared. It is preferred to measure free fatty acids in the solution.
[0037]
The invention described in claim 12 is the acidity measuring apparatus according to any one of claims 6 to 8, wherein the sample to be measured is serum, so that fatty acids in serum are suitably measured. be able to.
[0038]
Here, when measuring serum, it is preferable to measure the fatty acid which decomposed | disassembled and released the lipid component in serum with an enzyme.
[0039]
According to the thirteenth aspect of the present invention, there is provided a working electrode in which a proton attack layer having a pre-proton attack substance immobilized thereon is exposed on the surface, and a sample to be measured containing an acid on the counter electrode and the reference electrode. After dropping, when a voltage is applied between the working electrode and the counter electrode and the potential between the working electrode and the reference electrode is maintained at a predetermined potential, the value of the current flowing between the working electrode and the counter electrode is measured. Since the acidity measurement method is characterized by calculating the acidity by using a working electrode formed by exposing the proton attack layer, direct chronoamperometry measurement without diluting the sample to be measured in a solvent In addition, measurement time can be shortened.
[0040]
According to a fourteenth aspect of the present invention, there is provided a working electrode in which a proton attack layer having a pre-proton attack substance immobilized thereon is exposed on the surface, and a sample to be measured containing an acid on the counter electrode and the reference electrode. After dropping, when a voltage is applied between the working electrode and the counter electrode, and the potential between the working electrode and the reference electrode is swept, the value of the current flowing between the working electrode and the counter electrode is measured to calculate the acidity Since the working electrode formed by exposing the proton attack layer is used, the voltammetric measurement can be performed directly without diluting the sample to be measured in the solvent.
[0041]
The invention according to claim 15 of the present invention is the acidity measuring method according to claim 13 or 14, wherein the preproton attack substance is a quinone compound or an azo compound. Among them, it is a stable substance and can be measured with high accuracy with little change even after long-term storage.
[0044]
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0045]
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a perspective view of an acidity measuring device according to Embodiment 1 of the present invention, and FIG. 2A is a perspective view of an acidity measuring electrode according to this embodiment. In the figure, 1 is an acidity measuring device in the present embodiment, 2 is a main body of the acidity measuring device 1, 3 is an LCD of display means for displaying the measured acidity disposed on the upper surface of the main body 2, and 4 is a main body. A start / stop button 5 is formed on the upper surface of 2 for starting measurement, 5 is a power button formed on the upper surface of the main body 2 to turn on / off the acidity measuring device 1, and 6 is formed on the upper surface of the main body 2. A button for calling acidity measurement data, 7 is an acidity measuring electrode for measuring the acidity of a sample to be measured, 8 is a main body side connector for connecting the main body 2 and the acidity measuring electrode 7, and 9 is a main body side An electrode side connector to be connected to the connector 8, 10 is a support part comprising a plate and a pole for supporting the acidity measurement electrode 7, 11 is a glassy carbon called gold, carbon or glassy carbon, or a plastic called PFC Surface made of an inert conductive material such as carbon obtained by sintering a foam at 1000 ° C. to 2000 ° C. (however, it is more appropriate to avoid using platinum even if the inert conductive material is slightly unstable). Further, a working electrode on which a proton attack layer 19 described later is formed, 12 is an inert conductive material such as glassy carbon called gold, carbon or glassy carbon, or carbon obtained by sintering a plastic foam called PFC at 1000 ° C. to 2000 ° C. A reference electrode made of a conductive material, 13 is a counter electrode made of a conductive material that is chemically stable without being corroded even in a measurement solution, such as platinum, graphite, gold, and if necessary, stainless steel, aluminum and alloys thereof, and 14 is an action. Resin of insulating material for fixing the electrode 11 and the reference electrode 12, 15 is a base on which the three electrodes are disposed, and 16 is the three electrodes and the main body. Cable for electrically connecting the door, the guard 17 for preventing the outflow of the sample to be measured, which is formed in a frame shape, 18 is a cover for covering the non-exposed portion of the working electrode 11, reference electrode 12, counter electrode 13.
[0046]
Here, the acidity measurement electrode 7 has a configuration in which the working electrode 11 and the reference electrode 12 are molded with a resin 14 inside a counter electrode 13 formed in a box shape as shown in FIG. In addition, as shown in FIG. 2B, a configuration provided with a cover 17 that prevents dripping of the sample to be measured, or carbon paste or the like is screen-printed on a substrate-like base 15 as shown in FIG. Alternatively, a thin film electrode may be formed by sputtering, CVD or the like, and the cover 18 may be covered except for the exposed portion.
[0047]
By the way, the proton attack layer which characterizes the present invention will be described below. There are the following four methods for forming the proton attack layer 19.
[0048]
3A is a model diagram showing the physical adsorption method of the proton attack layer, FIG. 3B is a model diagram showing the chemical surface bonding of the proton attack layer, and FIG. 3C is the physical surface fixing method of the proton attack layer. (D) is a model diagram showing a chemical surface immobilization method of the proton attack layer. In the figure, 19 is a proton attack layer, 20 is a preproton represented by a quinone compound, an azo compound, etc. that are exposed and immobilized on the surface to form the proton attack layer 19 and have a deprotonation action when radicalized. An attack substance, 21 is an adhesive mainly composed of epoxy resin, urethane resin, etc., and 22 is a polymer film made of a porous polymer. When the sample to be measured is dropped, the pre-proton attack material 20 becomes anion and becomes active to become a proton attack material. This proton attack substance not only has a function of binding to a proton (H +) dissociated from an acid, but also has a function of attacking and extracting a non-dissociated proton contained in an acid. There is no such effect. This self potential state is a pre-proton attack substance.
[0049]
The physical adsorption method shown in FIG. 3 (a) is such that a coexisting solution in which 5-30 mM of a preproton attack substance 20, here a quinone compound is dissolved in an organic solvent such as ethanol is reduced to 30 μm or less on the surface of the working electrode 11. In this method, the organic solvent is dried and fixed after it is uniformly stretched and applied.
[0050]
In the chemical surface bonding method shown in FIG. 3B, the pre-proton attack material 20 is hydrolyzed or mercaptoized with sulfur and then dissolved in an organic solvent containing a supporting electrolyte in the coexisting electrolyte 11, The reference electrode 12 and the counter electrode 13 are immersed, and a voltage is applied and fixed between the working electrode and the counter electrode so that an oxidation voltage of 0.5 to 2.0 V is applied between the working electrode 11 and the reference electrode 12, or Fixed by applying a voltage between the working electrode and the counter electrode so that an oxidation voltage of 0.5 to 2.0 V and a reduction voltage of -0.5 to -1.0 V are alternately applied between the working electrode 11 and the reference electrode 12. There is a way to do it.
[0051]
Specifically, working electrode 11, reference electrode 12, and counter electrode 13 are immersed in a solution of 10 mM mercaptohydroquinone dissolved in 200 mL of a standard phosphate buffer having a pH of 6.86. When 100 sweeps are performed at a sweep rate of 100 mV / s so that the potential becomes ± 1 V, the polymer of mercaptoquinone is immobilized on the surface of the working electrode 11 and the proton attack layer 19 is formed. Alternatively, even if the potential of the working electrode 11 is 1 V with respect to the reference electrode 12, the amount of immobilization is small, but quinone can be immobilized.
[0052]
The proton attack layer 19 can be formed even if the working electrode 11, the reference electrode 12, and the counter electrode 13 are immersed in the coexisting electrolyte without applying sulfur and an oxidation voltage of 0.5 to 2.0 V is applied. is there. However, when this method is used, the fixing force is inferior compared with the case of mercaptoization.
[0053]
The physical surface fixing method shown in FIG. 3C is a method in which the granular material of the pre-proton attack material 20 is mixed in the insulating adhesive 21 and is uniformly stretched and applied to the surface of the working electrode 11 to 30 μm or less. . As a method of applying to the electrode surface, a method of applying a coating solution having a certain degree of viscosity by spin coating, screen printing or the like is preferable.
[0054]
The chemical surface immobilization method shown in FIG. 3 (d) is obtained by dissolving 1 to 3% by weight of Nafyon (manufactured by DuPont), polyhydroxyethyl methacrylate, etc., which are porous polymers, in an organic solvent such as ethanol. In this method, 20 to 50% of a pre-proton attack substance 20, in this case, 10 to 30 mM of a quinone compound dissolved in an organic solvent is mixed in an amount of 20 to 50% and uniformly stretched to the surface of the working electrode 11 to 30 μm or less. As a method of applying to the electrode surface, when the application area is about 100 square mm, a method of applying 0.06 mL of the application liquid using a microsyringe and performing spin coating is preferable. When the surface of the working electrode is polished close to the mirror surface, it may be dried after the coating liquid is dropped and naturally spreads thinly and uniformly. At this time, if the dripping amount of the coating liquid and the surface roughness of the working electrode are controlled, a stable working electrode 11 can be produced.
[0055]
The proton attack layer 19 is formed by the fixing method as described above, and a part of the proton attack layer 19 is exposed with an insulating resin 14 as shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b). If a part of the proton attack layer 19 is exposed and covered with the cover 18 as shown in FIG. 2C, the electrode area can be easily controlled, and the diffusion of the sample to be measured with respect to the electrode is stabilized and the measurement accuracy is improved. .
[0056]
By the way, in the working electrode 11 of the first embodiment, a preproton attack material such as a quinone compound or an azo compound is fixed in an exposed state to form the proton attack layer 19, so that the preproton that easily causes photodecomposition is formed. The attack material is stabilized, enabling stable measurement with high accuracy. In other words, even if the preproton attack material is given the energy of decomposition by light, since the activation potential required for decomposition becomes higher than the light energy by immobilization, photolysis hardly occurs and stable measurement is possible. Because it becomes possible.
[0057]
The operation of the acidity measuring apparatus using the acidity measuring electrode in Embodiment 1 described above will be described below.
[0058]
First, the acidity measuring method of the acidity measuring apparatus of the present invention will be described. FIG. 4 is a current-potential relationship diagram of acidity measurement by voltammetry of a measurement electrolyte solution in which a conventional naphthoquinone derivative coexists. In the figure, the horizontal axis represents the potential of the working electrode 11 with respect to the reference electrode 12, and the vertical axis represents the reduction current value flowing through the counter electrode 13. Moreover, the part shown by A is a peak by the density | concentration of an acid, and the part shown by B is a peak by the density | concentration of a quinone. However, the reduction current value varies depending on conditions such as the surface area of the working electrode 11, the acid concentration, and the potential sweep rate. The potential at which the peak on the horizontal axis appears varies slightly depending on the acid concentration, but the influence of this condition is negligible. FIG. 5 is a graph showing the relationship between the reduction current value and the acidity. In the figure, the horizontal axis represents the reduction current value of the counter electrode 13, and the vertical axis represents the acidity of the sample to be measured. FIG. 5 shows that the acidity of the sample to be measured can be calculated by measuring the reduction current value because the reduction current value and the acidity of the sample to be measured maintain a certain relationship.
[0059]
Next, the control circuit of the acidity measuring apparatus in the present embodiment will be described.
[0060]
FIG. 6 is a control circuit diagram of the acidity measuring apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. In addition, the thing similar to what was demonstrated in FIG. 1, 2 (a)-(c) attaches | subjects the same code | symbol, and abbreviate | omits description. In the figure, 4 'is a start / stop switch which is turned on / off by a start / stop button 4 for starting measurement, 5' is a power switch which turns on / off the power of the acidity measuring apparatus 1 by a power button 5, and 23 is a microcomputer. A control unit of an internal circuit for voltammetry composed of, and the like, 24 is an oscillator that transmits a generated signal to the control unit 23, and 25 is a frequency dividing circuit that internally generates a clock based on a signal generated from the oscillator 24 , 26 is a timer means for counting the clock generated by the frequency dividing circuit 25, 27 is a D / A converter for converting a digital signal sent from the control unit 23 into an analog signal, and 28 is sent from the D / A converter 27. The operational amplifier 29 outputs the analog signal to be output to the RC integration circuit, and 29 uses the imaginary short output from the operational amplifier 28. Monitoring circuit for controlling the voltage applied to the counter electrode 13, 30 a resistor, 31 a differential amplifier for converting the current flowing through the counter electrode 13 into a voltage, and 32 for controlling the analog signal into a digital signal. An A / D converter 33 is re-inputted to 23, and 33 is an arithmetic unit for calculating the acidity of the sample to be measured, which is a microcomputer.
[0061]
First, when the power button 5 is pressed, the LCD 3 becomes operable. Next, when the measurement is started by pressing the start / stop button 4, the control unit 23 generates a clock inside the control unit 23 by the frequency dividing circuit 25 based on the signal generated by the oscillator 24, counts the clock, and counts the timer 26. Starts timing in 1 second increments. The control unit 23 sends a digital signal having a predetermined voltage to the D / A converter 27 in synchronism with the timing of the timer 26. The digital signal is converted into an analog signal by the D / A converter 27 and output to the operational amplifier 28.
[0062]
FIG. 7 is an output diagram from the operational amplifier of the acidity measuring device according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 8 is an output diagram from the integrating circuit of the acidity measuring device according to the first embodiment of the present invention. In the figure, the horizontal axis represents the time measured by the timer 26, and the vertical axis represents the voltage of the digital signal sent from the control unit 23. FIG. 7 shows that the voltage increases by 5, 10, 15... MV and 5 mV each time the time is measured every 1, 2, 3,. The signal output from the operational amplifier 28 is integrated by passing through the RC integration circuit, converted into an analog signal shown in FIG. 6, and then input to the monitoring circuit 29.
[0063]
The monitoring circuit 29 uses the imaginary short of the operational amplifier 28 to control the voltage applied to the counter electrode 13 on the output side according to the analog signal, and the voltage R of the reference electrode 12 on the negative input side has the same value as the analog signal. Like that. As a result, the potential difference between the reference electrode 12 and the working electrode 11 is in a range of a predetermined value +800 to −1000 mV. On the other hand, the current flowing through the counter electrode 13 is converted into a voltage when the voltage at both ends of the resistor 30 passes through the differential amplifier 31, converted from an analog signal to a digital signal via the A / D converter 32, and further controlled. Input to the unit 23.
[0064]
The control unit 23 detects a current value that gives a pre-peak shown in A of FIG. 4 by comparing a voltage swept at a predetermined sweep speed described later with an input current. Based on the pre-peak value of this current, the calculation unit 33 calculates the acidity of the sample to be measured, and displays the value on the LCD 3. In FIG. 4, the potential is a potential difference between the working electrode 11 and the reference electrode 12, and the reduction current is a current flowing through the counter electrode 13. FIG. 9 is a graph showing the relationship between the acidity and the reduction current value. In the figure, the horizontal axis represents the acidity of the sample to be measured, and the vertical axis represents the reduction current value flowing through the counter electrode 13. The current value giving the pre-peak value indicated by A in FIG. 4 and the acidity of the sample to be measured are in a proportional relationship as shown in FIG. Here, when the acidity of the sample to be measured is θ, the reduction current value at the pre-peak is I, and the proportionality constant is K1, the relationship between the acidity and the current value is expressed as (Equation 2).
[0065]
[Expression 2]

[0066]
(Equation 2) shows that the acidity θ can be measured by measuring the reduction current value I at the pre-peak.
[0067]
The pre-proton attack substance (quinone compound in the present embodiment) immobilized on the base 15 to form the proton attack layer 19 depends on the pH when a sample to be measured containing acid is dropped. Some hydrolyze. For example, when the pre-proton attack substance is quinone, hydroquinone hydroquinone and quinone are mixed in a certain ratio according to pH. Therefore, in order to return the hydrolyzed pre-proton attack substance to the pre-proton attack substance, after applying an oxidation potential between the working electrode 11 and the reference electrode 12 by the control unit 23, the pre-proton attack substance is pre-charged at a negative potential from the natural potential. It is preferable to perform voltammetry by radicalizing and sweeping the proton attack substance. As a result, the amount of the quinone compound or azo compound, which is a pre-proton attack substance, is increased, the reactivity of the proton attack substance can be increased, and the sensitivity can be improved.
[0068]
Next, the operation | movement at the time of operation of the acidity measuring apparatus in this Embodiment is demonstrated. After dropping the sample to be measured onto the acidity measuring electrode 7 so that the working electrode 11, the reference electrode 12, and the counter electrode 13 are sufficiently immersed, the acidity measuring electrode 7 is fixed to the support 10. When the measurement is started by pressing the power button 6 and the start / stop button 4, the control unit 23 sweeps the potential of the working electrode 11 within a range of +800 to −1000 mV with respect to the potential of the reference electrode 12 at a sweep speed of 10 to 200 mV. Thus, a voltage is applied between the working electrode 11 and the counter electrode 13. As described above, when a predetermined potential difference is swept at a sweep speed of 10 to 200 mV, a stable voltammogram as shown in FIG. 4 can be obtained. By performing such sweeping, the peak of the acid reduction current appears around 0 mV. This potential, called a pre-peak, shifts to the negative side as the acid concentration increases. However, if the potential of the working electrode 11 is set in the range of +800 to -1000 mV even if there is a shift, it is almost any kind of potential. Concentration acid can also be measured.
[0069]
As described above, the acidity measuring device and the acidity measuring electrode in the present embodiment are configured, and thus have the following effects.
[0070]
(1) When measuring acidity by voltammetry, the proton attack layer of the working electrode, for example, mercaptoquinone, is polymerized and immobilized, so there is no need to separately mix a proton attack substance or a solvent into the sample to be measured. The acidity of the acid contained in the liquid to be measured can be directly measured.
[0071]
(2) Further, since the current value is measured while sweeping the potential between the working electrode and the reference electrode within a predetermined range, a stable voltammogram can be obtained, and highly accurate voltammetry measurement can be performed.
[0072]
(3) Further, the acidity measurement electrode molded with resin can easily adjust the exposed area of the proton attack layer of the working electrode, and each electrode is formed into a thin film on the substrate. Can have a very compact shape.
[0073]
(Embodiment 2)
The acidity measuring apparatus according to the second embodiment uses the chronoamperometry as the voltage application method and current value detection method of the acidity measuring apparatus described in the first embodiment.
[0074]
FIG. 10 is a control circuit diagram of the acidity measuring apparatus according to Embodiment 2 of the present invention. In addition, the thing similar to what was demonstrated in FIGS. 1-9 attaches | subjects the same code | symbol, and abbreviate | omits description.
[0075]
The operation of the acidity measuring apparatus of the present embodiment configured as described above will be described below.
[0076]
First, the acidity measuring method of the acidity measuring apparatus in the present embodiment will be described. When a voltage is applied between the working electrode 11 and the counter electrode 13 such that the potential shown in FIG. 4A is applied as a fixed potential between the working electrode 11 and the reference electrode 12, the working electrode 11 and the counter electrode 13 A reduction current flows between them. FIG. 11 is a graph showing the relationship between the reduction current value and time. In the figure, the horizontal axis represents the time after voltage application, and the vertical axis represents the reduction current value. Since the relationship shown in FIG. 11 varies depending on the acid concentration, there is a certain relationship between the data for a certain time after the voltage is applied and the sample to be measured. A measurement method based on a voltage application method and a current value detection method that observes a change in the amount of current with time when a certain voltage is continuously applied from a state where no voltage is applied is called chronoamperometry. FIG. 12 is a graph showing the relationship between the logarithm of the reduction current value and the acidity. In the figure, the horizontal axis represents the logarithm of the reduction current value, and the vertical axis represents the acidity of the sample to be measured. From FIG. 12, it can be seen that the acidity of the sample to be measured can be calculated by measuring the reduction current value by chronoamperometry since the logarithm of the reduction current value and the acidity of the sample to be measured maintain a certain relationship.
[0077]
Next, the acidity measuring method of the acidity measuring apparatus in the present embodiment will be described. First, when the power button 5 is pressed, the LCD 3 becomes operable. Next, when the start / stop button 4 is pressed to start measurement, the control unit 23 generates a clock inside the control unit 23 by the frequency dividing circuit 25 based on a signal generated by the oscillator 24, counts the clock, and counts the timer 26. Starts timing in 1 second increments. The control unit 23 sends a digital signal having a predetermined voltage to the D / A converter 27 in synchronism with the timing of the timer 26. The digital signal is converted into an analog signal by the D / A converter 27 and output to the operational amplifier 28.
[0078]
FIG. 13 is an output diagram from the operational amplifier of the acidity measuring apparatus according to the present embodiment. In the figure, the horizontal axis represents the time measured by the timer 26, and the vertical axis represents the voltage of the digital signal sent from the control unit 23. FIG. 13 shows that the output from the operational amplifier 28 is applied with a negative voltage after a positive voltage is applied for a certain period of time. At this time, since the positive voltage oxidizes the reactive group of the compound immobilized on the surface of the working electrode 11, it is possible to suppress variations in measured values by keeping the surface of the working electrode 11 in a constant state. . A signal output from the operational amplifier 28 is input to the monitoring circuit 29.
[0079]
The monitoring circuit 29 uses the imaginary short of the operational amplifier 28 to control the voltage applied to the counter electrode 13 on the output side according to the analog signal, and the voltage R of the reference electrode 12 on the negative input side has the same value as the analog signal. Like that. As a result, the potential difference between the reference electrode 12 and the working electrode 11 is in a range of a predetermined value +800 to −1000 mV. On the other hand, the current flowing through the counter electrode 13 is converted into a voltage when the voltage across the resistor 30 passes through the differential amplifier 31, converted from an analog signal to a digital signal via the A / D converter 32, and further controlled. Input to the unit 23. The control unit 23 detects a current value at each point by comparing a predetermined voltage with the input current. Based on the current value at this fixed time, the calculation unit 33 calculates the acidity of the sample to be measured, and displays the value on the LCD 3.
[0080]
Here, when the acidity of the sample to be measured is θ, the reduction current value is I, and the proportionality constant is K2, the relationship between the acidity and the current value is expressed as (Equation 3).
[0081]
[Equation 3]

[0082]
(Equation 3) shows that the acidity θ can be measured by taking the logarithm of the measured value of the reduction current value I.
[0083]
The pre-proton attack substance immobilized on the base 15 to form the proton attack layer 19 is partially hydrolyzed according to the pH when a sample to be measured containing acid is dropped. Therefore, in order to return the hydrolyzed pre-proton attack substance to the pre-proton attack substance, the controller 23 applies an oxidation potential between the working electrode 11 and the reference electrode 12 and then reduces the reduction potential to a negative side from the natural potential. It is preferable to hold and reduce the preproton attack substance by radicalization.
[0084]
Next, the operation | movement at the time of operation of the acidity measuring apparatus in this Embodiment is demonstrated. After dropping the sample to be measured onto the acidity measuring electrode 7 so that the working electrode 11, the reference electrode 12, and the counter electrode 13 are sufficiently immersed, the acidity measuring electrode 7 is fixed to the support 10. When the measurement is started by pressing the power button 5 and the start / stop button 4, the control unit 23 and the counter electrode 11 are counter electrodes so that the potential between the working electrode 11 and the reference electrode 12 becomes an oxidation potential of +300 to +1000 mV. Between the working electrode 11 and the counter electrode 13 so that the potential between the working electrode 11 and the reference electrode 12 becomes a reduction potential of 0 to −300 mV after a voltage is applied between the working electrode 11 and the reference electrode 12. When a current flowing between the working electrode 11 and the counter electrode 13 when a voltage is applied to is measured, a response diagram as shown in FIG. 11 is obtained. At this time, since the current flows from the moment when the reduction potential is applied, it is considered that the variation in the time lag during the measurement affects the measurement value. Therefore, the reduction current value is measured for a predetermined time after the reduction potential is applied. It is preferable to measure after elapse of time. As a specific example, when the sample to be measured is wine using the working electrode 11 having an area of about 3 square mm, the time after 1 to 10 seconds is preferable.
[0085]
As described above, since the acidity measuring apparatus according to the present embodiment is configured, the effects described in the first embodiment are achieved, and the potential between the working electrode and the reference electrode is maintained within a predetermined range. In order to measure the current value, the current value after a lapse of a predetermined time can be measured, so that stable and highly accurate measurement can be performed.
[0086]
【The invention's effect】
As described above, according to the acidity measuring electrode of the present invention, the following advantageous effects can be obtained.
[0087]
According to the first aspect of the present invention, it is possible to dissociate from the acid simply by dropping the sample to be measured on the acidity measurement electrode without making the measurement solvent mixed with the proton attack substance and immersing the acidity measurement electrode. Hydrogen and non-dissociated hydrogen can be measured directly.
[0088]
According to the second aspect of the present invention, each electrode can be planarized and thinned, and the acidity measuring electrode can be made compact.
[0089]
According to the invention described in claim 3, the entire acidity measuring electrode can be formed compactly by forming a substrate.
[0090]
In the invention described in claim 4, since the quinone compound or the azo compound is a chemically stable substance, the electrode can be stored for a long period of time. Furthermore, even if the quinone compound or azo compound is given the decomposition energy by light, the activation energy necessary for the decomposition becomes higher than the light energy by immobilization, so that the light stability is improved and the photolysis is caused. This makes it possible to perform stable measurements.
[0091]
According to the fifth aspect of the invention, since the acid diffusion to the electrode is stable, the acidity can be stably measured, and the area of the electrode exposed on the surface can be easily adjusted.
[0092]
According to the invention described in claim 6, since the electrode formed by exposing the proton attack layer directly on the surface is used, direct measurement of chronoamperometry can be performed without diluting the sample to be measured in the solvent. In addition, the measurement time can be shortened, and the acidity can be easily measured simply by measuring the reduction current of the acid contained in the sample to be measured.
[0093]
According to the invention described in claim 7, since the electrode formed by exposing the proton attack layer directly on the surface is used, it is possible to perform the voltammetric measurement directly without diluting the sample to be measured in the solvent. it can. Further, even if there are variations in the characteristics of the apparatus, it is possible to perform highly accurate measurement, and it is possible to easily measure the acidity simply by measuring the reduction current of the acid contained in the sample to be measured.
[0094]
According to the invention described in claim 8, since the reaction between the acid contained in the sample to be measured and the proton attack substance on the electrode surface is stabilized, the measurement can be performed with higher accuracy.
[0095]
According to the invention described in claim 9, the organic acid contained in the juice can be suitably measured.
[0096]
According to the invention described in claim 10, the organic acid contained in the alcoholic beverage can be suitably measured.
[0097]
According to invention of Claim 11, the free fatty acid contained in edible oil can be measured suitably.
[0098]
According to the invention described in claim 12, fatty acids in serum can be suitably measured.
[0099]
According to the thirteenth aspect of the present invention, since the working electrode formed by exposing the proton attack layer is used, chronoamperometry measurement is directly performed without diluting the sample to be measured in the solvent. Measurement time can be shortened.
[0100]
According to the invention described in claim 14 of the present invention, since the working electrode formed by exposing the proton attack layer is used, it is possible to directly measure voltammetry without diluting the sample to be measured in the solvent. .
[0101]
According to the invention described in claim 15 of the present invention, since the pre-proton attack substance is stable, it is possible to perform highly accurate measurement with little change even after long-term storage.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view of an acidity measuring apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 2 (a) is a perspective view of an acidity measurement electrode according to Embodiment 1 of the present invention.
(B), (c) Perspective view of an acidity measuring electrode which is another embodiment of FIG. 2 (a).
FIG. 3A is a model diagram showing a physical adsorption method of a proton attack layer.
(B) Model diagram showing chemical surface bonding of proton attack layer
(C) Model diagram showing physical surface fixation method of proton attack layer
(D) Model diagram showing chemical surface immobilization method of proton attack layer
FIG. 4 is a current-potential relationship diagram of acidity measurement by voltammetry of a measurement electrolyte in which a conventional naphthoquinone derivative coexists.
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the reduction current value and the acidity.
FIG. 6 is a control circuit diagram of the acidity measuring apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 7 is an output diagram from the operational amplifier of the acidity measuring apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 8 is an output diagram from the integrating circuit of the acidity measuring device according to Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 9 is a graph showing the relationship between acidity and reduction current value.
FIG. 10 is a control circuit diagram of an acidity measuring apparatus according to Embodiment 2 of the present invention.
FIG. 11 is a graph showing the relationship between the reduction current value and time
FIG. 12 is a graph showing the relationship between the logarithm of the reduction current value and the acidity.
FIG. 13 is an output diagram from the operational amplifier of the acidity measuring apparatus according to the second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Acidity measuring device
2 Body
3 LCD
4 Start / Stop button
4 'start / stop switch
5 Power button
5 'Power switch
6 button
7 Acidity measurement electrode
8 Body side connector
9 Electrode side connector
10 Supporting part
11 Working electrode
12 Reference electrode
13 Counter electrode
14 resin
15 base
16 cable
17 Guard
18 Cover
19 Proton attack layer
20 Preproton attack materials
21 Adhesive
22 Polymer membrane
23 Control unit
24 Oscillator
25 divider circuit
26 Timer means
27 D / A Converter
28 operational amplifier
29 Monitoring circuit
30 resistors
31 Differential amplifier
32 A / D converter
33 Calculation unit

Claims (15)

An acidity measuring electrode provided with a working electrode, a counter electrode, and a reference electrode formed on a base, wherein the working electrode and the reference electrode are made of an inert conductive material that does not cause a redox reaction, The electrode for acidity measurement, wherein the counter electrode is made of a conductive material, and a proton attack layer on which a preproton attack substance is immobilized is exposed on the surface of the working electrode. The acid measuring electrode according to claim 1, wherein the working electrode, the counter electrode, and the reference electrode are each formed in a thin film shape. The acidity measuring electrode according to claim 1, wherein the base is a substrate. The acidity measurement electrode according to claim 1, wherein the pre-proton attack substance is a quinone compound or an azo compound. 5. The acidity measuring electrode according to claim 1, wherein a part of the proton attack layer is exposed on the surface of the working electrode and is molded with an insulating material. The acidity measurement electrode according to any one of claims 1 to 5, and a power source that applies a voltage between the working electrode and the counter electrode when an acid-containing sample to be measured is dropped onto the acidity measurement electrode; A control unit that controls the potential between the working electrode and the reference electrode to a predetermined potential, a detection unit that detects a current flowing between the working electrode and the counter electrode, and a current value detected by the detection unit is converted into acidity An acidity measuring device, comprising: The acidity measurement electrode according to any one of claims 1 to 5, and a power source that applies a voltage between the working electrode and the counter electrode when an acid-containing sample to be measured is dropped onto the acidity measurement electrode; A control unit that sweeps a potential between the working electrode and the reference electrode, a detection unit that detects a current flowing between the working electrode and the counter electrode, and a calculation unit that converts a current value detected by the detection unit into acidity; An acidity measuring apparatus comprising: The acidity measuring apparatus according to claim 7, wherein a sweep speed by the control unit is 10 to 100 mV / s. The acidity measuring device according to claim 6, wherein the sample to be measured is juice. The acidity measuring device according to claim 6, wherein the sample to be measured is an alcoholic beverage. The acidity measuring device according to claim 6, wherein the sample to be measured is food oil or engine oil. The acidity measuring apparatus according to claim 6, wherein the sample to be measured is serum. After dropping a sample to be measured containing acid on the working electrode, the counter electrode, and the reference electrode formed by exposing the proton attack layer with the pre-proton attack material immobilized on the surface, a voltage is applied between the working electrode and the counter electrode. And the acidity is calculated by measuring the current value flowing between the working electrode and the counter electrode when the potential between the working electrode and the reference electrode is maintained at a predetermined potential. . After dropping a sample to be measured containing acid on the working electrode, the counter electrode, and the reference electrode formed by exposing the proton attack layer with the pre-proton attack material immobilized on the surface, a voltage is applied between the working electrode and the counter electrode. And the acidity is calculated by measuring the value of the current flowing between the working electrode and the counter electrode when the potential is swept between the working electrode and the reference electrode. The acidity measurement method according to claim 13 or 14, wherein the pre-proton attack substance is a quinone compound or an azo compound.

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