JP6866211B2 - 尿素の定量方法及び分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、水中の尿素を定量する方法及び分析装置に関する。

水中の微量の尿素を精度よく定量することに対する要求がある。例えば、純水製造システムによって原水から純水を製造する場合、純水製造システムを構成するイオン交換装置や紫外線酸化装置では原水中の尿素を除去することが困難であるため、予め尿素を除去した原水を純水製造システムに供給する必要がある。尿素の除去方法として、次亜臭素酸を生成する薬剤を原水に加えて次亜臭素酸により尿素を選択的に酸化する方法が知られているが、次亜臭素酸を生成する薬剤も純水製造システムに対する負荷となるので、薬剤投入量は少なければ少ない方がよい。したがって、原水中の尿素濃度を定量して尿素処理の必要性を判断し、処理が必要な場合は適切な薬剤を投入することが望まれている。さらに、純水製造システムから得られた純水中の尿素濃度を測定することについて要求もある。

尿素の定量法としては、ジアセチルモノオキシムを用いた比色法に基づく定量法（例えば、衛生試験法（非特許文献１）に記載された方法など）が知られている。ジアセチルモノオキシムを用いる比色法では、反応を促進するなどの目的で他の試薬（例えば、アンチピリン＋硫酸溶液、塩酸セミカルバジド水溶液、塩化マンガン＋硝酸カリウムの水溶液、リン酸二水素ナトリウム＋硫酸溶液など）を併用することができる。アンチピリンを併用する場合には、ジアセチルモノオキシムを酢酸溶液に溶解させてジアセチルモノオキシム酢酸溶液を調製し、アンチピリン（１，５−ジメチル−２−フェニル−３−ピラゾロン）を例えば硫酸に溶解させてアンチピリン含有試薬液を調製し、試料水に対してジアセチルモノオキシム酢酸溶液とアンリピリン含有試薬液とを順次混合し、波長４６０ｎｍ付近での吸光度を測定し、標準液との対照によって定量を行う。

ジアセチルモノオキシムを用いた比色法による尿素の定量方法は、例えばプール水や公衆浴場水における尿素の定量を目指して意図されたものであるので、純水製造プロセスに供給される原水などにおける尿素の定量を行うには感度が悪い。そこで特許文献１は、ジアセチルモノオキシムを用いる比色法に基づきながらフローインジェクション分析（ＦＩＡ）を適用して吸光度を測定することにより、ｐｐｂ以下から数ｐｐｍの濃度範囲で連続的にオンラインで尿素を定量する方法を開示している。

特開２０００−３３８０９９号公報

日本薬学会編、衛生試験法・注解１９９０．４．１．２．３（１３）１（１９９０年版第４刷付追補（１９９５）、ｐ１０２８）、１９９５年

特許文献１に記載された方法は、オンラインで連続的に微量の尿素の定量を行うことができる方法であるが、時間の経過とともに尿素濃度が安定して測定できなくなる、という課題がある。

本発明の目的は、長期にわたって安定してオンラインでの尿素の連続的な定量を行うことができる方法及び分析装置を提供することにある。

本発明者らは、ジアセチルモノオキシムを用いる比色法によってオンラインで連続的に微量の尿素の定量を行うときに、反応に用いる試薬、特に調製後のアンチピリン含有試薬液を冷蔵保存することによって、長期間にわたり安定して尿素濃度を定量できることを見出し、本発明を完成させた。

したがって本発明の方法は、ジアセチルモノオキシムを用いる比色法によって試料水中の尿素を定量する方法において、反応に使用するために調製された試薬を冷蔵し、冷蔵された試薬を用いて尿素を定量することを特徴とする。

また本発明の分析装置は、ジアセチルモノオキシムを用いる比色法によって試料水中の尿素を連続的に定量する分析装置であって、反応に使用するために調製された試薬を貯蔵する貯槽と、貯槽を冷却する冷却手段と、を備える。

本発明において、反応に使用するために調製された試薬の冷蔵では、その試薬の調製後、試薬の温度を２０℃以下に維持することが好ましく、３℃以上２０℃以下に維持することがさらに好ましく、５℃以上１５℃以下に維持することがより好ましい。またこれらの試薬は、遮光保管することが好ましい。冷蔵温度が低過ぎる場合には試薬の凍結などの恐れがある。ジアセチルモノオキシムを用いる尿素の定量では、ジアセチルモノオキシムとともに、反応を促進するためなどの試薬を併用するが、この併用する試薬としては、アンチピリンを使用することが好ましい。アンチピリンを併用する場合には、ジアセチルモノオキシム酢酸溶液とアンチピリン含有試薬液とを使用するので、その場合には、本発明では、ジアセチルモノオキシム酢酸溶液とアンチピリン含有試薬液の一方、あるいは両方の試薬を冷蔵することになるが、特にアンチピリン含有試薬液を冷蔵保管することが好ましい。アンチピリン含有試薬液は、例えば、アンチピリンを硫酸に溶解させて得られる液である。

本発明の方法は、後述するように、例えば数日以上の期間にわたって尿素を連続的に定量するために適しており、特にＦＩＡ法を適用して吸光度の測定を行うことにより尿素を定量するのに適している。

本発明によれば、長期にわたって安定してオンラインでの尿素の連続的な定量を行うことが可能になる。

本発明の実施の一形態の分析装置の構成を示す図である。 実施例１における通水日数とピーク強度との関係を示すグラフである。

次に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施の一形態の分析装置の構成を示している。ここでは、純水製造に用いる原水、あるいは純水そのものに含まれる尿素の量をオンラインで定量する場合を例に挙げて本発明を説明する。しかしながら、尿素を含んで本発明が定量対象とする水は、これらに限られるものではない、また、ここでいう純水製造の原水には、純水を循環利用する際に、純水を使用したプロセスから回収された回収水も含まれる。

図１に示されるように、純水製造に用いる原水のライン２０が設けられており、このライン２０では、原水がポンプＰ０によって送水される。原水のライン２０から分岐する試料配管２１が設けられている。試料配管２１は、原水から分岐した試料水の配管であり、開閉弁２２、流量計ＦＩを備えている。試料配管２１の先端は、サンプリング弁１０（インジェクター、インジェクション弁ともいう）が設けられている。サンプリング弁１０を含めてサンプリング弁１０から下流の部分は、フローインジェクション分析（ＦＩＡ）装置としての構成を有して実際に尿素の定量に関わる部分となる。

サンプリング弁１０は、ＦＩＡ法において一般的に用いられる構成のものであり、六方弁１１とサンプルループ１２とを備えている。六方弁１１は、図示丸付き数字で示される６個のポートを備えている。試料配管２１はポート２に接続している。また、ポンプＰ１を介してキャリア水が供給される配管２３がポート６に接続し、ポンプＰ４を介して試料水を排水するための配管２５がポート３に接続している。ポート１とポート４との間には、所定容量の試料水を採取するためのサンプルループ１２が接続している。ポート５には、サンプリング弁１１の出口となる配管２４の一端が接続している。キャリア水は、尿素を実質含まない水である。

六方弁１１においてポートＸとポートＹとが連通することを（Ｘ−Ｙ）と表すこととすると、六方弁１１は、（１−２）、（３−４）、（５−６）である第１の状態と、（２−３）、（４−５）、（６−１）である第２の状態とを切り替えられるようになっている。図１において、第１の状態でのポート間の接続関係は実線で示され、第２の状態でのポート間の接続は点線で示されている。第１の状態においてキャリア水は、配管２３→ポート６→ポート５→配管２４と流れてサンプリング弁１０から下流側に流出する。試料水は、試料配管２１→ポート２→ポート１→サンプルループ１２→ポート４→ポート３と流れて配管２５から排出される。この第１の状態から第２の状態に切り替わると、試料水は、試料配管２１→ポート２→ポート３と流れて配管２５から排出され、また、キャリア水は、配管２３→ポート６→ポート１→サンプルループ１２→ポート４→ポート５→配管２４と流れ、下流側へ流出する。このとき、第１の状態であったときに既に流入してサンプルループ１２内を満たしている試料水は、キャリア水に先立ってポート５から配管２４へと流れ込み、サンプリング弁１０の下流側へと流れる。配管２４に流れる試料水の体積は、サンプルループ１２によって規定される。したがって、第１の状態と第２の状態とを繰り返し切り替えることによって（例えば六方弁１１を図示矢印方向に回転することによって）、所定容量の試料水を繰り返して配管２４に送り込むことができる。第１の状態と第２の状態との切り替えは、後述する反応に必要な滞留時間、検出器３２で尿素が検出されるまでの時間を考慮して、所定の時間ごとに行うことができる。また、検出器３２に導入した試料水が検出器３２から排出されたことを検知して切り替えを行うこともできる。このように、第１の状態と第２の状態との切り替えを自動的に行うようにすることで、尿素を連続的に定量することができる。

この分析装置では、ジアセチルモノオキシムを用いる比色法による尿素の定量に対してＦＩＡ法を適用する。そのため、尿素の定量に用いる反応試薬として、ジアセチルモノオキシム酢酸溶液（以下、試薬Ａともいう）とアンチピリン含有試薬液（以下、試薬Ｂともいう）を使用する。これらの試薬は、それぞれ、冷蔵部４０内に設けられた貯槽４１，４２に貯えられる。試薬Ａは、ジアセチルモノオキシムを酢酸溶液に溶解させて調製されるが、本実施形態では、調製自体を貯槽４１で行う、あるいは、試薬Ａをその調製後、貯槽４１に貯えるようにする。同様に、試薬Ｂは、アンチピリンを例えば硫酸に溶解させて調製されるが、調製自体を貯槽４２で行う、あるいは、試薬Ｂをその調製後、貯槽４２に貯えるようにする。冷蔵部４０は、貯槽４１，４２を遮光するとともに、貯槽４１，４２を冷却し、これによって、貯槽４１，４２内の試薬Ａ、試薬Ｂの温度を２０℃以下、好ましくは３℃以上２０℃以下、より好ましくは５℃以上１５℃以下に維持する。なお、試薬Ａを貯える貯槽４１については、遮光保管できるもであれば、必ずしも冷蔵部４０内に配置する必要はない。また、試薬の冷蔵温度は、５℃未満であっても、試薬において結晶の析出が生じなければ差し支えない。なお、衛生試験法（非特許文献１）には、アンチピリンを硫酸に溶解させたアンチピリン硫酸溶液について、褐色瓶に保管すれば２〜３箇月は使用できることと、結晶が析出し室温に戻しても再溶解しないため冷蔵保管は適さないこととが記載されているが、本発明者らは、衛生試験法にしたがって調整されたアンチピリン硫酸溶液は３℃でも結晶化しないことを実験により確認した。

貯槽４１には配管２６の一端が接続し、配管２６の他端は混合部４３により配管２４に接続している。配管２６には、試薬Ａを所定の流量で配管２４に送り込むためのポンプＰ２が設けられている。同様に貯槽４２には配管２７の一端が接続し、配管２７の他端は混合部４４により配管２４に接続している。配管２７には、試薬Ｂを所定の流量で配管２４に送り込むためのポンプＰ３が設けられている。混合部４３，４４は、それぞれ、試薬Ａ、試薬Ｂを配管２４内の液体の流れに対して均一に混合する機能を有する。配管２４の他端は、反応恒温槽３０内に設けられた反応コイル３１の入口に接続している。反応コイル３１は、その内部においてアンチピリンの存在下での尿素とジアセチルモノオキシムとによる発色反応を起こさせるものであり、その長さと反応コイル３１の内部での流速とは、反応に必要な滞留時間に応じて適宜に選択される。反応恒温槽３０は、反応コイル３１を反応に適した温度まで昇温するものであって、例えば、５０℃以上１５０℃以下、好ましくは９０℃以上１２０℃以下の温度に反応コイル３１を加熱する。

反応コイル３１の出口には、発色反応で生じた発色の吸光度を測定するための検出器３２が設けられている。検出器３２によって、例えば、波長４６０ｎｍ付近での吸光度のピーク強度あるいはピーク面積を求める。キャリア水が流れているときの吸光度をベースラインとし、尿素濃度が既知の標準液に対する吸光度から検量線を求めることにより、試料水に対する吸光度から試料水での尿素の濃度を求めることができる。検出器３２の出口には、ポンプＰ１からサンプリング弁１０、配管２４及び反応コイル３１を経て検出器３２に至る管路に対して背圧を与える背圧コイル３３が設けられている。検出器３２の出口と背圧コイル３３の入口との間の位置に対し、圧力計ＰＩが接続している。背圧コイル３３の出口から、このＦＩＡ装置の排液が流出する。

本実施形態の分析装置では、ＦＩＡ法を利用し、ジアセチルモノオキシムを用いる比色法によって試料水中の尿素をオンラインで測定することができる。このとき、反応に用いる試薬Ａ（ジアセチルモノオキシム酢酸溶液）及び試薬Ｂ（アンチピリン含有試薬液）として、特に試薬Ｂについて、それらの試薬の調製後、２０℃以下に維持されたものを使用することができる。その結果、後述する実施例から明らかになるように、長期にわたって安定して尿素の連続的な定量を行うことが可能になる。

以上の説明では、ジアセチルモノオキシムを用いる比色法により尿素を定量する方法においてジアセチルモノオキシムと併用される試薬としてアンチピリン含有試薬液を用いる場合を説明したが、本発明では、併用される試薬はアンチピリン含有試薬液に限定されるものではない。

次に、本発明の効果を示すために発明者らが行った実験の結果を説明する。

（実施例１）
図１に示す装置を組み立てた。ただし、ライン２０から流量計ＦＩに至る部分は設けないで、尿素濃度を６０ｐｐｂに調製した標準液を試料水としてサンプリング弁１０に連続供給できるようにした。そしてこの標準液に関して尿素濃度の連続モニタリングを行った。ここでは、標準液について連続的に測定を行ったときに、検出器３２における吸光度の検出ピークの測定値として得られる尿素濃度がどのように変化するかを調べた。本実施例では、ジアセチルモノオキシム２ｇを１０％酢酸１００ｍＬに溶解させて試薬Ａ（ジアセチルモノオキシム酢酸溶液）を調製し、アンチピリン０．２ｇをとり、９ｍｏｌ／Ｌの硫酸に溶かし、全量を１００ｍＬとして試薬Ｂ（アンチピリン含有試薬液）を調製し、調製後直ちにそれらの試薬をそれぞれ貯槽４１，４２に貯え、貯槽４１，４２から各試薬を配管２４に向けて連続的に供給するようにした。連続測定の最初に各試薬を貯槽４１，４２に注入した後は、連続測定中には試薬を補充しないようにした。また、試薬Ａの貯槽４１については常温に維持した。試薬Ｂについては、その調製後の保管温度を１０℃とした場合と２５℃とした場合の２通りについて実験を行った。尿素濃度の変化は、波長４６０ｎｍでの吸光度のピーク強度で確認した。結果を図２に示す。図２では、試薬Ａ及び試薬Ｂを調製してそれぞれ貯槽４１，４２に貯えた直後に６０ｐｐｂの尿素標準液を測定した際のピーク強度を１００％として、同じ標準液を測定したときの測定値が日時の経過とともにどのように変化したかを示している。

図２に示すように、アンチピリン含有試薬液（試薬Ｂ）を２５℃に維持した場合には、徐々にピーク強度が低下し、連続測定のための１０日間の運転の間にピーク強度が７２％まで低下した。すなわち、尿素の定量を安定して行えなくなっていた。これに対しアンチピリン含有試薬液を冷蔵保管して１０℃に維持した場合には、１０日間の連続運転の後にもピーク強度が低下せず、長期にわたって安定して尿素の連続定量を行えることが分かった。

（実施例２）
実施例１と同様に試薬Ｂ（アンチピリン含有試薬液）を調製後、５℃、１０℃、１５℃、２０℃及び２５℃でそれぞれ１０日間保管した。そして、この保管の後に試薬Ｂを図１の装置に供給した。試薬Ｂを装置に供給したのち直ちにこの装置を用いて尿素濃度６０ｐｐｂの標準液を測定し、そのピーク強度を求めた。その際、試薬Ｂの調製直後に標準液を測定したときのピーク強度を１００％とした。試薬Ａ（ジアセチルモノオキシム酢酸溶液）については実施例１と同様に調製したのち、常温で保管したものを使用した。結果を表１に示す。

表１に示されるように、保管温度が５℃の場合と１０℃の場合にはピーク強度の低下はほとんど見られず、１５℃で保管した場合には、約１割程度のピーク強度の低下が見られた。２０℃で保管した場合には約２割のピーク強度の低下であったが、２５℃では３割近くピーク強度が低下した。これらから、微量の尿素濃度を連続的に測定するためには、反応に用いる試薬（ジアセチルモノオキシム酢酸溶液及びアンチピリン含有試薬液）のうち少なくともアンチピリン含有試薬液を冷蔵保存すべきであること、その場合、アンチピリン含有試薬液の温度を２０℃以下に維持することが好ましく、３℃以上２０℃以下に維持することがさらに好ましく、５℃以上１５℃以下に維持することがより好ましいことが分かった。

（実施例３）
実施例２の試薬Ａ（ジアセチルモノオキシム酢酸溶液）を実施例２の試薬Ｂ（アンチピリン含有試薬液）と同様の保管温度にて保管したことを除いて、実施例２と同様の試験を行った。

試薬Ａと試薬Ｂの両方を冷蔵して測定を行った場合、試薬Ｂのみを冷蔵して測定を行った結果（表１）と同様の結果が得られた。

１０ サンプリング弁
１１ サンプルループ
３１ 反応コイル
３２ 検出器
３３ 背圧コイル
４０ 冷蔵部
４１，４２ 貯槽
４３，４４ 混合部

Claims (6)

1. ジアセチルモノオキシムを用いアンチピリン含有試薬液を併用する比色法によって試料水中の尿素を定量する方法において、
   反応に使用するために調製された試薬のうち少なくとも前記アンチピリン含有試薬液を調製後、５℃以上１５℃以下の温度に維持されるように冷蔵し、
   冷蔵された試薬を用いて尿素を定量することを特徴とする方法。
2. 前記冷蔵された試薬を用いて尿素を連続的に定量する、請求項１に記載の方法。
3. フローインジェクション分析法を適用して吸光度から尿素を定量する、請求項２に記載の方法。
4. 前記試料水が純水製造に用いられる水または純水である、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
5. ジアセチルモノオキシムを用いアンチピリン含有試薬液を併用する比色法によって試料水中の尿素を連続的に定量する分析装置であって、
   反応に使用するために調製された試薬を貯蔵する貯槽と、
   少なくとも前記アンチピリン含有試薬液を貯蔵する前記貯槽を５℃以上１５℃以下の温度に維持するように冷却する冷却手段と、
   を備える、分析装置。
6. キャリア水と試料水とが連続的に供給されて前記キャリア水を連続的に排出し、切り替え動作によって一定量の前記試料水を前記キャリア水に置き換えて排出するサンプリング弁と、
   前記サンプリング弁の下流に設けられて前記サンプリングから排出される水に前記貯槽から前記試薬が混合される混合部と、
   前記混合部の下流に設けられて前記試料水と前記試薬とが反応する反応コイルと、
   前記反応コイルの出口に設けられた検出器と、
   をさらに有する請求項５に記載の分析装置。

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