JP4667380B2 - 金属指示薬 - Google Patents

Description

本発明は、アゾ染料を含有する銅イオンの金属指示薬に関する。

近年、工場、事業場等から排出される産業廃棄物の増大が社会問題として顕在化してきている。その産業廃棄物の中でも、特に、廃液は排出量が大きいことから環境へ与える影響が大きい。廃液中の重金属濃度は、環境問題への意識が高まる中、徐々にその排出基準値が厳しくなってきている。そのような実状において、廃液の安全性を検査するため、廃液に含まれる重金属濃度を簡便に、且つ感度良く測定する方法が望まれている。

廃液中の重金属のうち、銅は、鉱山排水、工場排水、給水装置等に使用する銅管、真ちゅう器具等からの溶出、更には農薬の混入や生物抑制処理に使用する硫酸銅、塩化銅に起因し、銅を高濃度に含む水を長期にわたり飲用すると、皮膚や毛髪が緑色に変化する等の症状が現れることが知られている。

廃液中の重金属を測定する一般的な方法としては、目的元素ごとに金属指示薬を用い、その吸光度を測定する方法が知られている。また、各目的元素に対する金属指示薬も知られている。

一方、アゾ化合物にアミノ基、水酸基、スルホン酸基等の置換基を持つものは、染料として古くから使用されている。また、アゾ染料には、金属イオンと錯体を形成し、その色彩を変化させるものも知られており、その性質を利用した金属指示薬が多数知られている。
銅イオンの金属指示薬として一般的に使用されているアゾ化合物としては、２−（５−ブロモ−２−ピリジルアゾ）−５−［Ｎ−（ｎ−プロピル）−Ｎ−（３−スルホプロピル）アミノ］フェノール・二ナトリウム塩・二水和物（商品名：５Ｂｒ・ＰＡＰＳ：同仁化学研究所社製）、２−［１−（２−ヒドロキシ−５−スルホフェニル）−３−フェニル−５−ホルムアザノ］安息香酸・ナトリウム塩（商品名：Ｚｉｎｃｏｎ：同仁化学研究所社製）、１−（２−ピリジルアゾ）−２−ナフトール（商品名：ＰＡＮ：同仁化学研究所社製）、そのＣｕ−ＥＤＴＡとの混合試薬（商品名：Ｃｕ−ＰＡＮ：同仁化学研究所社製）、２−（５−ブロモ−２−ピリジルアゾ）−５−［Ｎ−（ｎ−プロピル）−Ｎ−（３−スルホプロピル）アミノ］アニリン・ナトリウム塩（商品名：５Ｂｒ・ＰＳＡＡ：同仁化学研究所社製）、４−（２−ピリジルアゾ）レゾルシノール（商品名：ＰＡＲ：同仁化学研究所社製）等が知られている（特許文献１）。
特許文献１：特開２０００−３３８０９６号公報

しかしながら、これらの銅イオンの金属指示薬は、一般に、廃液等重金属濃度の幅が広いものに対しては濃度測定範囲が狭い。また、廃液等に多くの妨害金属イオンが存在する場合には、銅イオン濃度の測定の適用範囲が制限され、例えば、妨害金属イオンをキレート、マスキングする等の操作が必要であった。

従って、本発明の目的は、妨害金属イオンが少なく、濃度範囲の広い新規な銅イオンの金属指示薬を提供することにある。

本発明者らは、検討の結果、アゾ染料として一般的に知られている式（１）で表される化合物が、濃度範囲が広く、妨害金属イオンが少ない銅イオンの金属指示薬として有用であることを見出し、本発明を完成した。

すなわち、本発明は、式（１）：

［式中、Ｒ^１、Ｒ^２、Ｒ^３、Ｒ^４、Ｒ^５及びＲ^６は、各々独立に水素原子又はアルカリ金属原子を示す。］
で表される化合物を含有する銅イオンの金属指示薬を提供するものである。

また、本発明は、上記金属指示薬を用いる銅イオン濃度の測定方法を提供するものである。

本発明の金属指示薬は、濃度範囲が広く、かつ妨害金属イオンが少なく、廃液等に含まれる銅イオン濃度の測定に有用である。

図１は、ＲＲ１２０水溶液を用いた銅イオン濃度の測定結果を示す図である。 図２は、金属指示紙を用いた銅イオン濃度の測定結果を示す図である。 図３は、銅イオン濃度の測定に与える共存金属イオンの影響を示す図である。

本発明の金属指示薬において、式（１）の化合物は、試料中の銅イオンと特異的に錯体を形成する。式（１）中のＲ^１、Ｒ^２、Ｒ^３、Ｒ^４、Ｒ^５及びＲ^６としては、これらのうち少なくとも一つがアルカリ金属原子であることが好ましく、より好ましくはリチウム、ナトリウム又はカリウム、特にナトリウムが好ましい。式（１）の化合物のうち、四ナトリウム塩（Ｒ^１＝Ｒ^４＝Ｈ、Ｒ^２＝Ｒ^３＝Ｒ^５＝Ｒ^６＝Ｎａ）は、商品名「Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｒｅｄ１２０（ＲＲ１２０）」として知られ、シグマアルドリッチ社より入手できる。

本発明の金属指示薬は、式（１）で表される化合物を緩衝液等に直接溶解して使用することができる。式（１）で表される化合物の濃度としては、０．１〜１０００μｍｏｌ／Ｌであり、１０〜２００μｍｏｌ／Ｌが好ましい。低濃度（０〜３０μｍｏｌ／Ｌ）の銅イオンを測定する場合には３０μｍｏｌ／Ｌが特に好ましく、高濃度（２０〜２００μｍｏｌ／Ｌ）の銅イオンを測定する場合には２００μｍｏｌ／Ｌが特に好ましい。

また、本発明の金属指示薬は、式（１）で表される化合物を、透明又は不透明のセルロース素材の紙状物に化学結合（染色）させて金属指示紙とし、緩衝液等を含む銅イオン水溶液に浸漬して使用することもできる。

上記金属指示紙は、例えば、透明又は不透明セルロース素材の紙状物を染料溶液に室温又は加温下に浸漬することにより容易に作製することができる。透明セルロース素材の紙状物としては、例えば、セロハン、セルロースゲル等が挙げられ、不透明セルロース素材の紙状物としては、例えば、ろ紙、木綿生地、不織布等が挙げられる。紙状物としては、透明セルロース素材のものが好ましく、特にセロハンが好ましい。紙状物を染色するときの式（１）で表わされる化合物溶液（以下、染料溶液と記載することもある）の濃度としては、０．０１〜５０質量％であり、特に０．０１〜１０質量％が好ましい。浸漬の温度としては、２５〜９０℃が好ましく、特に５０〜８５℃が好ましい。

上記染料で染色された紙状物の染色の程度は、光透過率又は光反射率で表わすことができるが、透明セルロース素材の紙状物を原料とした場合には、例えば、５９５ｎｍの波長の光透過率（（透過光強度／入射光強度）×１００％）が１〜９８％であり、１０〜８０％であることが好ましい。また、不透明セルロース素材の紙状物を原料とした場合には、例えば、５４３ｎｍの波長の光反射率（（反射光強度／入射光強度）×１００％）が１〜９８％であり、１０〜８０％であることが好ましい。

緩衝液としては、特に制限されないが、リン酸、フタル酸、クエン酸、トリス、マレイン酸、コハク酸、シュウ酸、酒石酸、酢酸、ホウ酸、グッドの緩衝液等が挙げられる。緩衝液の濃度も特に制限はないが、０．００１〜２００ｍｍｏｌ／Ｌが好ましく、特に０．１〜１００ｍｍｏｌ／Ｌが好ましい。また、本発明の金属指示薬のｐＨは上記緩衝液によって調整することができるが、通常、ｐＨ２〜８であり、好ましくはｐＨ３〜７、より好ましくはｐＨ５〜６、特にｐＨ５．５付近が好ましい。

本発明の金属指示薬には、本発明の効果を損なわない範囲で、通常、試料中の重金属イオン濃度の測定において使用される任意成分を加えることができる。このような任意成分としては、界面活性剤、キレート剤、マスキング剤等が挙げられる。界面活性剤としては、陽イオン性界面活性剤、陰イオン性界面活性剤、非イオン性界面活性剤等が挙げられる。キレート剤又はマスキング剤としては、ポリエチレンイミン、クエン酸、エチレンジアミン四酢酸（ＥＤＴＡ）、エチレングリコール四酢酸（ＥＧＴＡ）等が挙げられる。

本発明の金属指示薬が使用できる試料としては、鉱山排水、工場排水等の銅イオンを含むものであれば特に制限されない。これらの試料は、そのまま測定に供することはもちろん、ろ過や透析処理の後に測定に供してもよく、また必要であれば、試料を濃縮、希釈等してもよい。本発明の金属指示薬によれば、試料中の銅イオン濃度が約１０００μｍｏｌ／Ｌ以下であれば特に問題なく測定できるが、０〜１００μｍｏｌ／Ｌが好ましく、より好ましくは０〜５０μｍｏｌ／Ｌ、特に０〜３０μｍｏｌ／Ｌが好ましい。

本発明の金属指示薬を用いる銅イオン濃度の測定は、吸光度法によるのが望ましい。銅イオンの吸着による染料の色の変化は、不透明セルロース素材の紙状物を使用する場合には、入射光の当該紙状物による反射率から求めることが好ましい。一方、透明セルロース素材の紙状物を使用する場合には、入射光の当該紙状物による吸収率から求めることが好ましい。

吸収波長としては、低濃度の銅イオンを測定する場合には、５２０〜５６０ｎｍであり、５３０〜５５０ｎｍが好ましく、特に５４３ｎｍが好ましい。高濃度の銅イオンを測定する場合には、５７０〜６２０ｎｍであり、５８０〜６１０ｎｍが好ましく、特に５９５ｎｍが好ましい。試料溶液の測定温度としては、通常、０〜１００℃であり、１５〜６０℃が好ましく、特に２５℃付近が好ましい。

以下に実施例を挙げて本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

実施例１
ＲＲ１２０（シグマアルドリッチ社製）をｐＨ５．５の１００ｍｍｏｌ／Ｌ酢酸緩衝液に１１０μｍｏｌ／Ｌになるように溶解した染料溶液を調製し、この染料溶液９９０μＬと種々の濃度（０、５、１０、１５、２０、３０μｍｏｌ／Ｌ）の銅イオンを含む試料１０μＬとを混合させた。銅イオンを含まない試料（水）１０μＬと混合させた場合の波長５９５ｎｍにおける吸光度（Ａ０）と銅イオンを含む試料と混合させた場合の波長５９５ｎｍにおける吸光度（Ａ１）をそれぞれ、ベックマン分光光度計ＤＵ６４０ を用いて測定し、試料中の銅イオン濃度（希釈を含めた最終濃度）に対する（ΔＡ＝Ａ１−Ａ０）を求めた。
結果を図１に示す。

実施例２
（１）金属指示紙の作製
０．０１質量％のＲＲ１２０（シグマアルドリッチ社製）水溶液に厚み０．１ｍｍのセロハン紙を浸漬し、６０℃で１０分間加熱した後、終濃度が７質量％になるようにＮａ_２ＳＯ_４・１０Ｈ_２Ｏを加え、８０℃に加熱して更に２０分間反応させた。次に、終濃度が１．５質量％になるようにＮａ_３ＰＯ_３を加え、８０℃で更に３０分間反応させて染料をセロハン紙に定着させた。未反応の染料を除去するため、念入りに水洗後、更に０．２質量％のＴｗｅｅｎ２０（シグマアルドリッチ社製）で煮沸し、念入りに水洗した。その後乾燥させてＲＲ１２０で染色したセロハン紙を得た。

（２）銅イオン濃度の測定
（１）で得られた金属指示紙を、ｐＨ５．５の１００ｍｍｏｌ／Ｌ酢酸緩衝液９９０μＬと種々の濃度（０、２５、５０μｍｏｌ／Ｌ）の銅イオンを含む試料溶液１０μＬとの混合溶液に浸漬し、２５℃で１０分間反応させた。セロハン紙の波長５９５ｎｍにおける吸光度（Ａ１）、及び銅イオンを含まない試料（水）１０μＬと酢酸緩衝液９９０μＬとを混合させた試料に浸漬し、２５℃で１０分間反応させた場合のセロハン紙の波長５９５ｎｍにおける吸光度（Ａ０）をそれぞれ測定した。
結果を図２に示す。縦軸に、試料中の銅イオン濃度（希釈を含めた最終濃度）に対する吸光度差（ΔＡ＝Ａ１−Ａ０）を示す。

図１、２より明らかなように、銅イオン濃度に比例して吸光度差の増加が認められ、その関係は定量的であった。この結果から、本発明の金属指示薬を使用すると、感度よく銅イオン濃度を０〜５０μｍｏｌ／Ｌの広い濃度範囲で測定できることが分かった。

実施例３ 共存金属イオンの影響１
ＲＲ１２０（シグマアルドリッチ社製）をｐＨ５．５の１００ｍｍｏｌ／Ｌ酢酸緩衝液に３０μｍｏｌ／Ｌになるように溶解した染料溶液を調製した。この染料溶液９９０μＬに銅イオンのみ５μｍｏｌ／Ｌを含む水溶液１０μＬと混合させた場合の波長５４３ｎｍにおける吸光度（Ｂ０）と、染料溶液９９０μＬに銅イオン５μｍｏｌ／Ｌ及びカルシウムイオン、カドミウムイオン又はコバルトイオンを５〜２０μｍｏｌ／Ｌ含む試料１０μＬとを混合させた場合の波長５４３ｎｍにおける吸光度（Ｂ１）をそれぞれ測定し、共存金属イオンの影響を検討した。また、一般的な銅イオンの測定試薬である５Ｂｒ・ＰＳＡＡ（５０μｍｏｌ／Ｌ）、５Ｂｒ・ＰＡＰＳ（５０μｍｏｌ／Ｌ）及びＳｔｉｌｂａｚｏ（７０μｍｏｌ／Ｌ）についても、ＲＲ１２０と同様に共存金属イオンの影響を検討した。
結果を図３に示す。縦軸に測定誤差率：（│Ｂ０−Ｂ１│／Ｂ０）×１００（％）（│Ｂ０−Ｂ１│；Ｂ０−Ｂ１の絶対値）を示す。

５Ｂｒ・ＰＳＡＡ：２−（５−ブロモ−２−ピリジルアゾ）−５−（Ｎ−（ｎ−プロピル）−Ｎ−（３−スルホプロピル）アミノ）アニリン・ナトリウム塩（同仁化学研究所社製）
５Ｂｒ・ＰＡＰＳ：２−（５−ブロモ−２−ピリジルアゾ）−５−［Ｎ−（ｎ−プロピル）−Ｎ−（３−スルホプロピル）アミノ］フェノール・二ナトリウム塩・二水和物（同仁化学研究所社製）
Ｓｔｉｌｂａｚｏ（スチルブアゾ）：４，４’−ビス（３，４−ジヒドロキシフェニルアゾ）−２，２’−スチルベンジスルホン酸・二アンモニウム塩（同仁化学研究所社製）

実施例４ 共存金属イオンの影響２
共存金属イオンとしてニッケルイオン、鉛イオン又はナトリウムイオンを５μｍｏｌ／Ｌ含む試料を用いる以外は実施例３と同様にして、共存金属イオンの影響を検討した。
結果を表１に示す。数値は測定誤差率（％）を示す。

図３及び表１より、本発明の金属指示薬は、カルシウムイオン、カドミウムイオン、コバルトイオン、ニッケルイオン、鉛イオン、ナトリウムイオンの共存イオンの影響がいずれも少ないことが分かった。

Claims (5)

1. 式（１）：
   

   

   ［式中、Ｒ^１、Ｒ^２、Ｒ^３、Ｒ^４、Ｒ^５及びＲ^６は、各々独立に水素原子又はアルカリ金属原子を示す。］
   で表される化合物を含有する銅イオンの金属指示薬。
2. アルカリ金属原子がナトリウムである請求項１記載の金属指示薬。
3. 式（１）で表される化合物を０．１〜１０００μｍｏｌ／Ｌ含有するものである請求項１又は２記載の金属指示薬。
4. 請求項１又は２記載の金属指示薬を用いる銅イオン濃度の測定方法。
5. 金属指示薬が、式（１）で表される化合物を０．１〜１０００μｍｏｌ／Ｌ含有するものである請求項４記載の測定方法。

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