JP4909234B2

JP4909234B2 - 電解による被測定物質の検出方法

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Publication number: JP4909234B2
Application number: JP2007273841A
Authority: JP
Inventors: 和雄内倉; 謙介本多; 郁雄桜田
Original assignee: 有限会社コメット
Priority date: 2007-10-22
Filing date: 2007-10-22
Publication date: 2012-04-04
Anticipated expiration: 2027-10-22
Also published as: JP2009103503A

Description

本発明は水溶液の流路に設けられた電解装置により電解を行なって水溶液中の被測定物質成分を検出する方法において、ダイヤモンド電極を使用した特定の構成の電解装置を使用することにより、微量の各種有機化合物等を検出する方法に関するものである。

種々の有機化合物などを含有する溶液中の成分を検出する方法の一つとして溶液の電解電流を測定する方法がある。このような電気化学的な検出に使用する電極としては炭素系材料、金属、金属酸化物、半導体などが知られており、特にグラッシーカーボンなどの炭素質の電極は広く使用されている。

さらに特開平１１−８３７９９号公報（特許文献１）に示されるように、電解装置の作用電極としてダイヤモンド電極が注目されるようになった。特許文献１においてはダイヤモンド電極としてシリコン単結晶の基板上にプラズマ励起ＣＶＤによりダイヤモンド薄膜を形成したものを使用している。なお導電性を付与するために微量の硼素を混入させている。そしてこのようなダイヤモンドによる検出極（引用文献１では作用電極をこのように称している）と対極および参照極とを電解槽中の並べて保持し、電極間に電圧を印加して電解電流を測定している。

特許文献１においては、被測定物質により電解が開始する電圧が相違することを利用して複数の成分が混在してしている溶液においてそれぞれの成分の濃度を求めることができるとしている。たとえばダイヤモンド電極上でグルコースの酸化は＋２．２Ｖで開始し、アスコルビン酸の酸化は＋０．７Ｖで開始する。したがってたとえば＋１．５Ｖと＋２．５Ｖで電解を行なってその時の応答電流を求めれば、＋１．５Ｖでの応答電流はアスコルビン酸のみ、＋２．５Ｖの応答電流はアスコルビン酸とグルコースの合計に対応するので、それぞれの濃度を求めることができる。電流としては、グルコース濃度が５ｍＭのとき、＋２．５Ｖにおいて０．５ｍＡ／ｃｍ²といった値が示されている。

引用文献１では上記の例のように５ｍＭといった濃度の溶液で電解槽を満たすので、被測定物質の全体量はかなり多くなる。それでも濃度を低くしても測定可能であれば被測定物質が小量で済むが、検出される電流値も低くなって外乱の影響のため測定が困難になる。引用文献１には電解装置として電解槽に電極を挿入するものの他に、参照極、検出極および対極が間に電気絶縁層を挟んで１列に配置されたものが示されている。これにより被測定物質を含んだ電解液が各電極の１面で接触した状態で測定が行なわれるとしているので、前記の電解槽の場合よりも電解液の量が減らせる可能性はあるが、実際に測定した例は示されていない。

一方、特開２００１−５０９２４号公報（特許文献２）には、試料溶液を連続的に導入して電解を行なった後に排出する一般にフローセルと称する電解装置において、ダイヤモンド電極を適用した装置が示されている。引用文献２においては、電解装置を示す図面においては四角形の中に対極、作用電極、参照電極をそれぞれ示す３本の線が平行に並んでいるだけで、その構造に関する詳細な説明はないが、そのようなフローセルに緩衝液を連続的に流した状態で試料溶液を間欠的に注入して電解電流を測定するフローインジェクション分析が示されている。

たとえば設定電位を１．２７５Ｖ（ｖｓ．Ａｇ／ＡｇＣｌ）として、０．１Ｍの燐酸塩緩衝液を流速１ｍｌ／ｍｉｎで流しつつ、１μＭないし１００μＭの範囲の各濃度のヒスタミンを含有する溶液を２０μｌずつ注入して電解電流を測定している。その結果、注入する度にピーク電流が確認されており、１００μＭの場合には４３７．０９６ｎＡとなっている。そしてこれより濃度が低い溶液においては濃度に比例した低い電流が得られているので、これにより正確な濃度測定が可能であるとしている。
特開平１１−８３７９９号公報特開２００１−５０９２４号公報

引用文献２に示されているフローインジェクション分析のようなフローセルによる電解は、液体クロマトグラフィーと組み合わせれば混合溶液において各成分の分離定量が可能である。しかもダイヤモンド電極は電位窓が広くかなり高い電圧でも水の電解が発生しないので、広い範囲の化合物において電解電流の検出ができる。しかしながら引用文献２の分析方法においては、試料の濃度が１００μＭでも検出される電流のピーク値は０．４μＡといった程度である。引用文献２の説明によれば一般にフローセルを用いた分析では脈動が分析に多大な影響を与えるところ、導電性ダイヤモンド電極においてはバックグラウンド電流が極めて小さいので脈動の影響が極めて少なく、正確な分析が可能であるとしている。しかしながら血液中の微量成分の測定といった測定対象物質の濃度が極く低い場合が多い医学的な検査試料などでは電解電流が微弱になり、引用文献２の測定方法では感度が不十分である。本発明は上記のような問題からダイヤモンド電極を使用した電解装置を使用して分析する場合において、微量の物質を感度良く検出する方法を提供することを目的とする。

本発明は前記課題を解決するものであって、試料溶液の流路に設けられた電解装置により電解を行なって試料溶液中の被測定物質成分を検出する方法において、電解装置は導電体の電極板の少なくとも片面に導電性のダイヤモンド皮膜が形成された作用電極と、作用電極のダイヤモンド皮膜を有する面と０．０５ないし１．０ｍｍの間隔をもって対向する導電体からなる対極と、先端が作用電極と０．０５ないし１．０ｍｍの間隔をもって対向する参照電極とを有し、作用電極のダイヤモンド皮膜を有する面のうち、対極および参照電極と対向して試料溶液の流路になっている個所の幅は１．５ｍｍ以上４．０ｍｍ以下となっているものであって、作用電極と対極および参照電極との間に前記試料溶液を流しつつ作用電極と対極との間に電圧を印加して被測定物質の濃度１μＭあたり０．１μＡ以上の電解電流を発生させ、電解電流を測定することにより被測定物質の濃度を測定することを特徴とする電解による被測定物質の検出方法である。ここにおいて電解電流が分子の原子間の結合の切断によるものであることも特徴とする。

本発明の電解による被測定物質の検出方法によれば、電解装置に電位窓の大きな導電性のダイヤモンドを作用電極として使用することにより、電解電圧が高いため水の電気分解が発生して炭素質の電極では検出できない物質の検出が可能となる。さらに作用電極と対極の間隔および作用電極と参照電極の間隔をそれぞれ０．０５ないし１．０ｍｍと極めて狭くすることにより、極く微量の成分でも十分測定可能な電解電流を得ることができる。

本発明は水溶液の流路に設けられた電解装置により電解を行なって水溶液中の被測定物質成分を検出するものであって、緩衝液などの電解液を流した状態で電解装置の上流において試料溶液を入れるフローインジェクション分析や、液体クロマトグラフから流出する溶離液を電解装置に導入するポストカラム分析などとして適用される。本発明に使用する電解装置は導電性ダイヤモンドを作用電極として使用するものであって、これと対極、参照電極との配置を特別な構成にすることによって微量の成分で大きな電解電流の発生を可能にしている。

本発明の方法においては、被測定物質を検出する電解装置の作用電極として上記のようにダイヤモンド電極を使用することにより従来より高い電圧を印加して電解することが可能である。すなわち従来の電解装置において作用電極として一般に使用されているグラッシーカーボンなどの炭素質の電極はアノードとしての電位が対標準水素電極（以下「対ＮＨＥ」と称する）１．２Ｖを超えると水の電気分解が発生し、成分中の物質による電解電流の測定が困難になる。一方、本発明で使用する電解装置は約２．５Ｖ（Ａｇ／ＡｇＣｌ基準電極に対して）まで水の電気分解が発生しない。したがって本発明の被測定物質の検出方法では電解電圧が高かったため従来は検出できなかった物質の検出が可能となる。

図１および図２は本発明に使用する電解装置を示す図であって、図１は軸方向に平行な断面図、図２は図１におけるＡ−Ａ´矢視断面図である。これらの図において１１は作用電極であって（図２では位置関係を２点鎖線で示している）、薄い板状の電導性の基板の少なくとも表側の面、すなわち図２において少なくとも左側の面に導電性のダイヤモンド皮膜が形成されている。また１２は弗素樹脂など耐薬品性の電気絶縁体からなるスペーサであって、図２に見るように一つの細長い穴１２１が開いている。また１３はチタンなどの耐蝕性を有する導電体のブロックからなる対極であって、スペーサ１２を挟んで作用電極１１のダイヤモンドが形成された面と対向している。

上記の作用電極１１は導電性の薄板、たとえば厚さが０．７ｍｍ程度の導電性のシリコンの単結晶板を基板として数μｍの大きさの微細なダイヤモンドの結晶からなる３０μｍ程度の厚さの皮膜を形成することによって作成される。ダイヤモンド皮膜の形成はアセトンなどの炭素源を含有する水素ガス中でプラズマＣＶＤにより行なえる。なおダイヤモンドに導電性を付与するために酸化硼素などを前記炭素源に溶解することにより硼素をドープする。

前記スペーサ１２の穴１２１によって形成される一つの空間１４にそれぞれ開口して、溶出液の導入口１５および排出口１６ならびに参照電極３０があるが、これらはいずれも対極１３のブロックに設けられている。すなわち溶出液の導入口１５および排出口１６は対極１３のブロックに穴をあけることによって形成され、溶出液の導入、排出のための流体継手１７、１８が対極のブロックにねじ込まれている。また参照電極３０も対極のブロックにねじ込んで取り付けられている。なお１９は対極１３への通電端子である。

参照電極３０はＡｇ−ＡｇＣｌ系の例を示しているが、弗素樹脂のような耐薬品性の容器３０１の中に飽和ＫＣｌ溶液をゼラチンによりゲル状にしたものが電解液３０２として充填されている。さらにこの中に表面をＡｇＣｌにしたＡｇ線が電極材３０３として挿入されている。また３０４は参照電極の電解液３０２と被測定液体である溶出液とを隔てる多孔質セラミックスなどのフィルターである。

また作用電極１１の電極板の裏面、すなわち対極１３と対向する面の反対側には作用電極への通電板２０が設けられ、作用電極１１に接触している。２１は作用電極１１への通電端子である。また２２は耐薬品性の電気絶縁体からなる与圧カバーであって、図示しない複数の止めねじによって前記の対極１３のブロックと結合されており、Ｏリング２３、２４でシールすることにより電解装置の内部を与圧状態に保持する。また前記の通電板２０の一部にＯリング２６を設けてその内側に試料溶液が入らないようにし、液体を介さず直接に通電板を電極板の裏面に電気的接触させる。また２７は対極１３の金属ブロック全体を覆うプラスチック製の絶縁カバーである。

上記のように電解装置の内部は与圧状態になっているが、作用電極１１の電極板のダイヤモンドが形成されていない裏面および端面や、通電板２０の表面での水の電気分解による影響を少なくするためである。すなわち作用電極の電極板の面で液をシールするのは加圧力による電極板の破損の問題から困難であるので、本発明における電解装置は作用電極１１の電極板の裏面や端面も試料溶液との接触を許容する構造にしている。このため作用電極の裏面や端面、通電板の表面などで水の電気分解によって気体が発生する。しかし電解装置の内部を加圧すれば発生した気体の膜を安定に維持し、装置を起動させて時間が経過したときにこれらの個所で電気分解を安定に停止状態にできる。したがって分析中に時々水の電解電流が流れて測定値に対する外乱となるのを防止できる。加圧力としては効果の点と装置のシールの問題から、１．０ｋｇ／ｃｍ² 以上１５．０ｋｇ／ｃｍ² 以下（ゲージ圧）が適当である。

さらに本発明の電解装置においては、作用電極と対極との間隔を０．０５ないし１．０ｍｍとする。この間隔はスペーサ１２の厚さによって規制されるのでこれの厚さを調節すれば良い。またさらに作用電極と対極との間隔だけでなく、参照電極と対極との間隔もを０．０５ないし１．０ｍｍとする。先に述べたように参照電極は対極のブロックにねじ込んで取付けられているので、このときの参照電極の取付け位置と前記の作用電極と対極との間隔とによって、参照電極と対極との間隔が所定の値に維持される。参照電極の先端部を対極の電極面の位置と同じにすれば対極と参照電極の両方とも作用電極と同じ間隔になるが、通常はこのような状態で良い。

このように作用電極１１および参照電極３０と対極１３の電極面とを狭い間隙をもって対向させることにより微量の成分で極めて大きな電解電流を得ることができる。すなわち作用電極と対極との間隔、参照電極と対極との間隔のいずれかが上記より大きくても電解電流は観測されるが、引用文献２に示されているように濃度が１００μＭの試料で検出される電流は０．４μＡといった程度である。ところが本発明における電解装置においては同じ成分量で１００倍以上の電解電流が得られる。したがって本発明における電解装置では、引用文献２の方法よりもはるかに微量の試料でも検出可能な電流が得られる。種々の有機化合物における実験結果を総合すると、本発明においては溶液中の被測定物質の濃度１μＭ（１ｐｍｏｌ／μｌ）あたり０．１μＡ以上の電解電流が得られる。したがって１μＭ程度の濃度があれば電解電流を測定することにより被測定物質の濃度を測定することができる。

上記作用電極および参照電極と対極との間隔は０．０５ｍｍより小さいと作用電極や参照電極と対極とが接触するおそれがあり、一方、１．０ｍｍより大きいと微量成分の検出感度が低下することがある。この点でさらに好ましいのは０．５ｍｍ以下である。またこのとき作用電極のダイヤモンド皮膜を有する面のうち、対極および参照電極と対向して水溶液の流路になっている個所の幅Ｗ（図２）は１．５ｍｍ以上４．０ｍｍ以下であることが好ましい。すなわち前記のように作用電極などと対極との間隔を狭くしていくと電解電流値のばらつきが大きくなる現象が見られたので、透明なプラスチックで模型を作成して流れの状況を調べた。その結果、作用電極と対極間の流路の幅が広いと流れが筋状に枝分かれし、それが動くことによって電解電流値が変動することが判明した。そこで流路の幅を４．０ｍｍ以下にすることによって流れの幅方向の変動を防止したのである。一方、流路の幅を１．５ｍｍより小さくしても上記の効果は増加せず、電解電流が減少するだけなので１．５ｍｍ以上が好ましい。

引用文献２に示されているような微弱な電解電流は電子の離脱、すなわちイオン化によるものと考えられる。これに対し本発明における電解装置では微量の成分で極めて大きな電解電流が得られる理由は、分子構造の変化、特に分子の原子間の結合の切断によることが判明した。このことは単なる酸化反応ではないということであって、たとえば通常の化学反応においては、エタノールＣ₂Ｈ₅ＯＨを酸化するとアセトアルデヒドＣＨ₃ＣＨＯ、さらに酢酸ＣＨ₃ＣＯＯＨになり、最終的に二酸化炭素と水になる。ところが本発明の電解装置においては、エタノールの場合はヒドロキシル基の離脱が生じていることが判明している。

このように分子の原子間の結合が一部分において切断することが他の化合物でも認められた。たとえばアミノ基（−ＮＨ₂）、カルボキシル基（−ＣＯＯＨ）、チオール基（−ＳＨ）の切断や、エステル結合、エーテル結合の切断が発生する。またこれら官能基だけでなく、鎖状に結合した原子間においても結合の切断が生ずることが判明した。たとえばエタン、ブタン、プロパンなどの他、ベンゼン、ナフタレンなどの環状結合の有機化合物のおいても分子の結合の切断が発生する。さらにポリ塩化ビフェニールやクロルベンゼンなどの有機ハロゲン化合物においても分子の結合の切断が発生することが確認された。また分子の原子間の結合の切断は必ずしも１個所ではでなく、複雑な化合物においては同時に複数個所で切断が生ずることもある。これらの分子の原子間の結合の切断に伴って発生する電解電流はそれぞれの分子において濃度と比例関係があるので、電流の測定により溶液の成分濃度の測定ができる。

上記のような分子の原子間の結合の切断に伴う大きな電解電流が、なぜ作用電極および参照電極と対極とを０．０５ないし１．０ｍｍといった狭い間隙をもって対向させた場合にのみ発生するのかは不明である。ただ、現象からみて間隔を狭くすることによる大きな電位傾度とこれによる電気的二重層の構造の変化が関与していることが推定される。しかし参照電極自体は電流が流れないものであり、なぜその先端を作用電極と狭い間隔をもって対向させる必要があるかについては推測できない。

（実施例１）
図１および図２に示した電解装置により電解を行なって試料溶液中の被測定物質成分の検出を行なった。電解装置はスペーサ１１の厚みが異なるものを使用することにより作用電極１１と対極１３との間隔を０．２ｍｍ、０．５ｍｍ、１．０ｍｍ、２．０ｍｍと変えた。また参照電極３０の先端位置をいずれの場合も対極の電極面と同じにしたので、参照電極と対極との間隔も作用電極と対極との間隔と同じになる。なお作用電極の面上の流路の幅はいずれの場合も２．５ｍｍである。また電解装置の作用電極印加電圧は２．２Ｖ（Ａｇ／ＡｇＣｌ基準電極に対して、以下同様）に設定したが、電源を投入して定常状態に達した後は水の電解は発生しなかった。

上記電解装置に１００ｍＭ−ＫＨ₂ ＰＯ₄ 溶液の緩衝液を０．５ｍｌ／ｍｉｎの速度で供給している状態で、エタノールが１ｐｍｏｌ／μｌ（濃度１μＭ）の濃度のサンプルを２０μｌ電解装置の手前の流路に注入したところ、作用電極と対極との間隔が０．２ｍｍ、０．５ｍｍ、１．０ｍｍの場合にはそれぞれ２．４μＡ、２．０μＡ、１．７μＡの電解電流のピークが検出された。しかし２．０ｍｍの場合にはわずかな電解電流が認められたもののバックグラウンド電流のため電解電流値は測定が困難であった。

さらに作用電極と対極との間隔が０．５ｍｍの場合において、エタノールの濃度を上記の１ｐｍｏｌ／μｌの他に１０ｐｍｏｌ／μｌ、１００ｐｍｏｌ／μｌ、１ｎｍｏｌ／μｌと変えた試料を注入したところ、濃度にほぼ比例した電解電流が得られた。なお注入されたサンプル溶液は流れの進行の前後端位置では緩衝液と混合して稀釈されるが、流れの進行の中心位置では注入された濃度のままで電解装置に達すると考えられる。

（実施例２）
実施例１で使用した電解装置において、参照電極についての条件を変更して電解を行ない試料溶液中の被測定物質成分の検出を行なった。ただし作用電極と対極との間隔は０．５ｍｍで一定にした。条件Ａとして、参照電極３０の対極１３に対する取付け位置を変更して、先端部を対極の電極面より１．５ｍｍ後退させた。したがって作用電極と対極との間隔が０．５ｍｍであると、参照電極と対極の間隔は２．０ｍｍとなる。また条件Ｂとして参照電極の先端部位置は対極の電極面と同じであるが参照電極への電気回路の接続を切り、代わりに電解装置への試料溶液の流入路に別の参照電極を設けてこれに電気回路を接続した。この場合、対極に取付けられた参照電極は単なる絶縁物の壁とみなし得る。

実施例１と同様に作用電極に２．２Ｖを印加し、電解装置に１００ｍＭ−ＫＨ₂ ＰＯ₄溶液の緩衝液を０．５ｍｌ／ｍｉｎの速度で供給している状態で、エタノールが１ｐｍｏｌ／μｌの濃度のサンプルを２０μｌ電解装置の手前の流路に注入した。しかしながら条件Ａ、条件Ｂのどちらの場合も、実施例１のときと同じ測定感度で検出可能な電解電流は検出されなかった。

（実施例３）
実施例１で使用した電解装置において、作用電極での流路の幅についての条件を変更して電解を行なった。すなわち作用電極のダイヤモンド皮膜を有する面のうち、対極および参照電極と対向して試料溶液の流路になっている個所の幅を、スペーサ１１の穴１２１の形状を変えて実施例１と同じ２．５ｍｍの他に３．５ｍｍ、５．０ｍｍと変えた。なお対極および参照電極と作用電極との間隔はすべて０．２ｍｍとした。

実施例１と同様に作用電極に２．２Ｖを印加し、電解装置に１００ｍＭ−ＫＨ₂ ＰＯ₄溶液の緩衝液を０．５ｍｌ／ｍｉｎの速度で供給している状態で、エタノールが１ｐｍｏｌ／μｌの濃度のサンプルを２０μｌ電解装置の手前の流路に注入した。これを流路の各条件について２０回繰り返したときの電解電流のピーク値の変動幅は、作用電極での流路の幅が２．５ｍｍでは２５ｎＡ、３．５ｍｍでは３１ｎＡで問題の無い値であった。これに対し５．０ｍｍでは２６０ｎＡであり、実施例１で述べたように電解電流のピーク値は２．４μＡであるので、これの１０％に達し分析誤差の原因となる。

本発明に使用する電解装置を示す軸方向に平行な断面図図１におけるＡ−Ａ´矢視断面図

符号の説明

１１作用電極
１２スペーサ
１２１穴
１３対極
１４空間
１５、１６溶出液の導入口および排出口
１７、１８流体継手
１９通電端子
２０通電板
２１通電端子
２２与圧カバー
２３、２４、２６Ｏリング
２７絶縁カバー
３０参照電極
３０１容器
３０２電解液
３０３電極材
３０４フィルター

Claims

試料溶液の流路に設けられた電解装置により電解を行なって試料溶液中の被測定物質成分を検出する方法において、電解装置は導電体の電極板の少なくとも片面に導電性のダイヤモンド皮膜が形成された作用電極と、作用電極のダイヤモンド皮膜を有する面と０．０５ないし１．０ｍｍの間隔をもって対向する導電体からなる対極と、先端が作用電極と０．０５ないし１．０ｍｍの間隔をもって対向する参照電極とを有し、作用電極のダイヤモンド皮膜を有する面のうち、対極および参照電極と対向して試料溶液の流路になっている個所の幅は１．５ｍｍ以上４．０ｍｍ以下となっているものであって、作用電極と対極および参照電極との間に前記試料溶液を流しつつ作用電極と対極との間に電圧を印加して被測定物質の濃度１μＭあたり０．１μＡ以上の電解電流を発生させ、電解電流を測定することにより被測定物質の濃度を測定することを特徴とする電解による被測定物質の検出方法。
電解電流が分子の原子間の結合の切断によるものであることを特徴とする請求項１に記載の電解による被測定物質の検出方法。