JPH0266431A

JPH0266431A - 電気化学的光学特性測定用セル

Info

Publication number: JPH0266431A
Application number: JP63218051A
Authority: JP
Inventors: Takashi Tanaka; 俊田中; Masuo Aizawa; 相澤　益男; Yoshito Ikariyama; 碇山　義人
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 1988-08-31
Filing date: 1988-08-31
Publication date: 1990-03-06

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〈産業上の利用分野〉本発明は、電気化学的光学特性測定用セル、特に、溶液
系での電気化学的発光等を連続測定することが可能な電
気化学的光学特性測定用セルに関する。

〈従来の技術〉近年、電気化学的発光等の電気化学的光学特性の測定が
、種々の分野で行われている。　例えば抗原・抗体反応
の定量的測定において、抗原に予めルミノール、ピレン
等の電気化学的発光をするような物質を固定し、この抗
体と抗原とを反応させ、抗体との反応後に抗原に固定さ
れた電気化学的発光物質の発光が抑制されることを利用
して、このときの電気化学的発光量を測定することによ
り抗体の定量を行なうことに用いられる（ＢｉＯＣＨＥ
ＭＩＣＡＬ　ＡＮＤ　ＢＩＯＰＨＹＳＩＣＡＬＲＥＳＥ
ＡＲＣＨＣ０ＭＭ、ＵＮＩＣＡＴＩＯＮ　Ｖｏｌ、１２
ｇ、　Ｎｏ、　２．１９８５Ａｐｒｉｌ　３０，１９８
５　　ｒＥＬＥＣＴＲＯＣＨＥＭＩＣＡＬ　ＬＬＩＭＩ
ＮＥ−３ＣＥＮＣＥ−ＢＡＳＥＤ　　ＨＯＭＯＧＥＮＥ
ＯＵＳ　ＩＭＭＵＮＯＡＳＳＡＹＪＹｏｓｈｉｈｉｔｏ
　Ｉｋａｒｉｙａｍａ、Ｈｉｄｅｙｕｋｉ　Ｋｕｎｏｈ
　ａｎｄＭａｓｕｏ　Ａｉｚａｗａ　）。

従来、このような溶液系においてルミノール等の電気化
学的発光を検出するには、電極を溶液中に浸し、印加し
た電圧によって生じた電気化学的発光を溶液の容器の外
側に設置した光検出装置により測定している。

しかし、このように電極と光検出装置が独立であると、
測定値の再現性の点から作用電極と対電極との位置関係
を一定にする必要がある他、電極、光検出装置および容
器の位置関係を一定にしなければならず、操作上煩雑で
あったり装置が複雑化・大型化する等の問題がある。

また、電極の構造上、被検溶液が大量に必要であり、微
量試料の測定が困難である。

さらに、電極から光検出装置までの距離が必然的に長く
なるため、電気化学的発光の検出感度が低下する。

このような問題を解決するため、本発明者等は、先に、
第３図に示すような電気化学的光学特性検出用電極を提
案している（特願昭６２−５１８０３号）この電極は、光透過性の作用電極２と対電極３と光ファ
イバ４とを一体的に有し、作用電極２が光ファイバ４の
光入射面に一体的に形成されているものである。

この電極は、検出感度が高く、測定値に再現性があり、
しかも取り扱いが容易で小型なものである。

〈発明が解決しようとする課題〉しかし、この電極は、いわゆるバッチ式の測定に適用さ
れるものであり、被検溶液の連続的な測定ができない。

また、この電極では、電気化学的発光光は作用電極２を
透過して光ファイバ４に入射するものであり、作用電極
２は導電性を維持する必要があるため、光透過性を十分
にとることができない。

さらに、作用電極近傍で生じる発光光のうち、光ファイ
バと反対側に放射されてしまうものの比率が高い。

本発明の目的は、溶液系での電気化学的発光等の電気化
学的光学特性の連続測定を行なうことができ、しかも、
検出感度が高く、測定値に再現性があり、取り扱いが容
易で小型の電気化学的光学特性測定用セルを提供するこ
とにある。

〈課題を解決するための手段〉上記目的は、下記の本発明により達成される。

（１）被検溶液に電圧を印加して被検溶液の電気化学的
光学特性を測定するためのセルであって、セル内部に作用電極および対電極を有し、セル壁にセル
外部と連通ずる溶液流入口および溶液排出口を有するこ
とを特徴とする電気化学的光学特性測定用セル。

（２）上記（１）に記載の電気化学的光学特性測定用セ
ルにおいて、セル壁にセル外部と連通ずるガス排気口を有することを
特徴とする電気化学的光学特性測定用セル。

（３）上記（１）または（２）に記載の電気化学的光学
特性測定用セルにおいて、セル内部空間を介して作用電極と対向するセル壁が、光
透過性であることを特徴とする電気化学的光学特性測定
用セル。

以下、本発明の具体的構成を詳細に説明する。

本発明は、下記（１）〜（３）である。

第１図に、本発明の電気化学的光学特性測定用セルの好
適実施例を示す。

第１図に示される電気化学的光学特性測定用セル（以下
、セルと略称する）１は、セル壁４の内部空間に作用電
極２と対電極３とを有する。

セル壁４は、一対のセル壁４１．４２を対向一体化して
形成される。　図示例では、セル壁４２に凹部な設け、
このセル壁４２を平板状のセル壁４１と接合することに
より、前記凹部なセル内部空間としている。　このよう
な構成とすることにより、セル１の構成部材数を抑える
ことができる。

作用電極２および対電極３は、セル内部空間に満たされ
る電気化学的発光物質を含有する被検溶液に電圧を印加
し、電気化学的発光を行なわせるものである。

この電気化学的発光光をセル１外部の光検出手段に導（
ために、セル壁４のうち少なくとも光検出手段と接続さ
れる部分のセル壁が、発光光に対し透過性を有する材質
で形成されている必要がある。

また、電気化学的発光は、作用電極２の近傍で生じるた
め、光透過性のセル壁面は、第１図に示すセル壁４１の
ように、セル内部空間を介して作用電極２と対向する位
置に形成されることが好ましい。　図示例では、セル壁
４１の全面が光透過性材質で形成されているが、Ｓ／Ｎ
比を向上させるため、光検出手段に発光光を送り出す部
分以外のセル壁面は、光遮断性の材質で形成されるか、
光遮断性の被覆が施されていることが好ましい。

このような構成とすることにより、光透過性のセル壁面
に直接到達する発光光に加え、作用電極２表面で反射し
た発光光も光透過性のセル壁面に到達し、セル外部の光
検出手段に導かれることになり、測定感度が向上する。

な３、この場合、作用電極２と光透過性のセル壁４１と
の間での発光を確保し検出感度を上げるため、作用電極
２とセル壁４１との距離は、好ましくは５００Å以上と
する。　また、セル容積の小型化を図り、被検溶液中に
おける発光の吸収・散乱を低減させるため、この距離は
１ｍｍ以下であることが好ましい。

その他、セル壁４の材質には特に制限はないが、被検溶
液により侵されない材質であることが好ましい。

作用電極２と対電極３との位置関係に特に制限はないが
、製造工程が簡素化されること、被検溶液の流れがスム
ーズになること等から、作用電極２と対電極３とは、作
用電極と光検出手段とを結ぶ方向に対し直角方向に並置
されることが好ましい。　また、画電極の距離は、好ま
しくは１０ｍｍ以下、より好ましくは２〜５ｍｍ程度で
ある。

作用電極２の形状に特に制限はないが、上記した理由に
より、光反射率の高い形状、例えば、平面状、凹面状等
であることが好ましい。

また、同様な理由により、作用電極２の光透過性セル壁
面と対向する表面は、鏡面処理が施されていることが好
ましい。

作用電極２の材質には特に制限はなく、白金、金、銅等
の電気化学的に不活性な金属など種々の導電性物質を用
いることができるが、発光光を作用電極２表面で反射さ
せるような構成とする場合、用いる電気化学的発光物質
の発光波長に対し、高い反射率を有する材質を用いるこ
とが好ましい。　このような材質としては、例えば、電
気化学的発光物質がルミノールである場合は白金であり
、ホタルルシフェリンである場合、金である。

作用電極２の形成法としては、スパッタ法、蒸着法、塗
布法等が挙げられるが、その他、例えば、導電性塗料を
印刷等によって塗布しして形成してもよく、金属薄板を
用いてもよい。

作用電極２の寸法に特に制限はなく、セル１の内容積、
印加電圧強度、対電極３の面積等の種々の条件により、
適当に決定すればよい。

対電極３の面積は、作用電極２の面積の２倍以上、より
好ましくは３〜１０倍とすることが好ましい。　これに
より印加電位の制御が容易となる。

対電極３の形状に特に制限はないが、微量試料の測定を
行なうためには、セル内容積を小さくする必要があり、
しかも上記したように対電極３の面積を比較的太き（と
ることが好ましい。　また、セル内での被検溶液の流れ
を妨げない形状であることが好ましい。

このような形状としては、平板状、ディスク状等の他、
第１図に示すような屏風状のような体積あたりの表面積
が大きい形状であることが好ましく、また、表面積を増
大させるために、穿孔等の加工が施されていてもよい。

対電極３の材質・形成法に特に制限はな（、作用電極２
の材質として挙げたような材質・形成悔から適当に選択
すればよい。

作用電極２および対電極３は、それぞれリード線２１お
よびリード線３１と接続される。

なお、本発明では、上記の作用電極および対電極に加え
、セル１内に参照電極を設けてもよい。

本発明のセル１は、セル壁４にセル外部と連通ずる溶液
流入口４２１および溶液排出口４２２を有する。

被検溶液は、溶液流入管５２１を経て溶液流入口４２１
からセル内に流入し、溶液排出口４２２から溶液排出管
５２２を経てセル外に排出される。　このため、本発明
のセル１は、後述するインジェクタ等と組み合わせて、
多数の被検溶液の連続測定、あるいは被検溶液の経時変
化の測定を行なうことができる。

本発明において、セルは、セル壁にガス排気口を有する
ことが好ましい。　このガス排気口は、電気化学的反応
に伴なって作用電極表面に発生するガス、具体的には、
例えばルミノールおよびルシフェリンを発光物質として
用いた場合に発生する水素ガス、窒素ガス等をセル外部
に排気する機能を有する。

ガス排気口４３は、ガスの排気が容易となることから、
第１図に示すように、セル１頂部のセル壁に設けられる
ことが好ましい。

〈イ乍用〉第１図に示すセル１は、電気化学的発光測定装置等の電
気化学的光学特性測定装置と組み合わせて使用される。

本発明のセル１を用いた電気化学的発光測定装置の一構
成例を、第２図に示す。

セルｌは、その作用電極２および対電極３が、例えばフ
ァンクションジェネレータ１２１およびポテンシオスタ
ット１２２から構成されるパルス電圧発生装置に、リー
ド線２１および３１により接続される。

また、光透過性を有するセル壁４１は、フォトマルチプ
ライヤ、光ダイオード等の光検出部１２３の受光窓に接
続される。

セル１内部空間には、図示しないインジェクタにより電
気化学的発光物質を含有する被検溶液が溶液流入管５２
１を経て溶液流入口４２１から充填される。　インジェ
クタは、所定量の被検溶液およびセル洗浄液を交互にセ
ル１内に供給する手段であり、公知のシリンジロード型
サンプルインジェクタ等を用いればよい。

電圧発生装置により作用電極２および対電極３の間にス
テップ状のパルス電圧が印加されると、被検溶液に含有
される電気化学的発光物質が発光し、この発光光は光検
出部１２３に入射し、光電変換が行なわれる。　変換さ
れた電気信号は、例えば、プリアンプ１２４、パルスカ
ウンタ１２５を経て、オシログラフ、レコーダ等の信号
出力器１２６に送られる。　信号出力器１２６には、パ
ルス電圧発生装置から上記のステップ状のパルス電圧が
送られ、作用電極２および対電極３に印加した電圧に対
する電気化学的発光が測定できる。

この場合、印加するパルスは、用いる電気化学的発光物
質の発光磯構により種々のものであってよい。

例えばルミノール等では、まず所定の電圧をパルス状に
印加し、その後パルス状の逆電圧を印加することが好ま
しい。　最初の印加電圧としては、例えばルミノールで
は負電圧を作用電極２に印加する。　このとき、励起活
性種が形成される。　その後、最初の印加電圧と逆の電
圧の印加により生じた活性種が、この励起活性種と反応
して発光が生じる。

この場合、最初の印加電圧は例えばルミノールでは対電
極に対し絶対値で３ｖ以上、また次の印加電圧は絶対値
で１．２ｖ以上であることが好ましい。　またパルス巾
は最初の電圧が３〜２０ｓｅｃ程度、次の逆電圧が６〜
６０ｓｅｃ程度であることが好ましい。

そして、このステップ状パルス電圧印加を、例えば１５
〜９０ｓｅｃ程度の周期で（つかえずことにより、２回
目以降安定な発光がくりかえし発生する。

なお、ルミノールを用いた場合、被検溶液に予め過酸化
水素を１〜５ｍＭ程度添加することにより、対電極に対
し負側の電圧印加ステップが不要となり、正の一定電圧
を印加するだけでよくなるため、連続測定に好適である
。

あるいは、例えばアミノピレンでは、このようにステッ
プ状のパルス電圧印加を行わず、単に負電圧をパルス状
にくりかえし印加すればよい。

なお、このようなパルス状の電圧印加に限らず、印加電
圧を正から負へあるいは負から正へ走査してもよいが、
上記のようなパルス状の励起を行うときには、格段と大
きな発光効率を得ることができる。

なお、発光物質としては、ルミノール、ピレン、アント
ラセン、ルブレン、フルオレセインおよびこれらの誘導
体等を用いることができる。　また、本発明者等による
特願昭６２−３１２６７７号に記載されているホタルル
シフェリン系化合物も好適に用いることができる。

溶媒は、用いる発光物質に従い、水系、非水系のものを
適当に選択すればよい。

測定の終°た被検溶液は・インジ”フタ１よリセル１内
に導入される洗浄液によって、溶液排出口４２２から溶
液排出管５２２を経てセル外に排出される。

以上の過程を繰り返すことにより、被検溶液を連続的に
測定することができる。

本発明のセルは、特に抗原・抗体反応の検出に用いて有
効である。

この場合には、まず抗原に上記発光物質を固定して標識
化する。　抗原としては各種の蛋白質、ポリペプチド、
多糖体、脂質、核酸等、いずれも使用できる。

また発光物質の固定には、通常架橋剤を用いればよい。

この標識化した抗原に抗体を反応させる。

反応は、適当な緩衝液を含有する水溶液中で行う。

その後、通常この溶液をそのまま用い本発明のセルを用
いてその発光を測定することにより、抗体量を定量する
ことができる。

本発明のセルは被検溶液の連続測定が行なえるため、抗
原・抗体反応のような一般的に検体数の多い測定に対し
、特に高い効果を発揮する。

なお、本発明のセルにより検出する溶液系での電気化学
的光学特性としては、上記したような電気化学的発光の
他、光学スペクトル変化や透過率、反射率変化等の色変
化、蛍光変化等が挙げられる。

〈実施例〉以下、本発明の具体的実施例を挙げ、本発明をさらに詳
細に説明する。

［実施例１］第１図に示すようなセル１を作製した。

作用電極２は白金により形成し、厚さ５００μｍ、面積
４８ｍｍ２とした。　対電極３は、厚さ５００μｍ１面
積７２ｍｍ”の白金製薄板を屏風状に加工して形成し、
作用電極２の３ｍｍ下方に設けた。

光透過性を有するセル壁４１はスライドグラスで形成し
、厚さは１ｍｍとした。　その他のセル壁はアクリル樹
脂により形成した。　セル内容積は、３００ＬＬ℃とし
、セル壁４１内表面と作用電極２表面との距離は０．５
ｍｍとした。

このセルを第２図に示す構成の電気化学的発光測定装置
に組込んだ。　被検溶液にはルミノール水溶液を用いた
。

セル１の作用電極２に第４ａ図に示すステップ状のパル
ス電圧を印加し、溶液中のルミノール濃度と最大発光量
との関係を測定した。　最大発光量は、１０回のパルス
によるものの平均を測定し、標準曲線を作製した。　な
お、第４図に示す電圧は、対電極に対するものである。

結果を第５ａ図に示す。

［比較例１］下記のようにして第３図に示す光ファイバを用いた電極
を作製し、実施例１と同じ被検溶液に浸漬して同様な測
定を行なった。

直径２．５ｍｍ、長さ１２ｃｍのポリメチルメタクリレ
ート樹脂系光ファイバの端面を平滑に研磨し、一方の端
面に白金をスパッタによ一リ２００人厚に形成し、作用
電極２とした。　なお、対電極３は、作用電極２形成時
にマスキングすることにより光ファイバ４の作用電極２
形成面から２ｍｍ上方の外周側面に幅３ｍｍの帯状に、
作用電極２と同時に形成した。

結果を第５ａ図に併記する。

［実施例２］実施例１の被検溶液に過酸化水素２ｍＭを添加し、実施
例１と同様な測定を行なった。　なお、印加電圧は、第
４ｂ図に示すパルス電圧とした。

結果を第５ｂ図に示す。

［比較例２］実施例２で用いた被検溶液を、比較例１で使用した光フ
アイバ電極により測定した。

結果を第５ｂ図に併記する。

第５ａ図および第５ｂ図に示される結果から、本発明の
セルは検出感度がきわめて高いことが明らかである。

なお、実施例１では、電圧の印加により水素ガスが発生
したが、実施例２では水素ガスの発生はみられなかった
。

〈発明の効果〉本発明の電気化学的光学特性測定用セルは、セル内に作
用電極および対電極を有し、セル壁にセル外部と連通ず
る溶液流入口および溶液排出口を有する。　このため、
溶液系での電気化学的発光等の電気化学的光学特性の連
続測定を行なうことができ、しかも、被検溶液が微量で
あっても正確かつ再現性のある測定が行なえる。　また
、取り扱いが容易で小型化できる。

さらに、作用電極から光検出装置までの距離を短く構成
できるため、電気化学的発光の検出感度が低下する。　
また、発光を作用電極表面で反射させるよう構成すれば
、検出感度はさらに向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の電気化学的光学特性測定用セルの好
適実施例を示す斜視図である。第２図は、第１図に示す電気化学的光学特性測定用セル
を使用した電気化学的発光測定装置の構成例を示す図で
ある。第３図は、従来の電気化学的光学特性検出用電極の１例
を示す斜視図である。第４ａ図および第４ｂ図は、作用電極に印加する電圧を
示すグラフである。第５ａ図および第５ｂ図は、ルミノール濃度と最大発光
量との関係を表わすグラフである。符号の説明１・・・電気化学的光学特性測定用セル、２・・・作用
電極、２１・・・リード線、３・・・対電極、３１・・・リード線、４．４１．４２・・・セル壁、４２１・・・溶液流入口、４２２・・・溶液排出口、４３・・・ガス排気口、５２１・・・溶液流入管、５２２・・・溶液排出管ＦＩＧ、２ＦＩＧ、１ＦＩＧ、３ＦＩＧ、４ａ時団ＦＩＧ、４ｂ時万Ｆ　ｔ　Ｇ、５ａルミノール５裟度（モル／ｌ）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）被検溶液に電圧を印加して被検溶液の電気化学的
光学特性を測定するためのセルであって、セル内部に作用電極および対電極を有し、セル壁にセル
外部と連通する溶液流入口および溶液排出口を有するこ
とを特徴とする電気化学的光学特性測定用セル。
（２）請求項１に記載の電気化学的光学特性測定用セル
において、セル壁にセル外部と連通するガス排気口を有することを
特徴とする電気化学的光学特性測定用セル。
（３）請求項１または２に記載の電気化学的光学特性測
定用セルにおいて、セル内部空間を介して作用電極と対向するセル壁が、光
透過性であることを特徴とする電気化学的光学特性測定
用セル。