JPH03181850A - 電気分析方法 - Google Patents

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、電気分析方法に係り、特に電圧、電流または
電気量の変化をもとに被定量物質を絶対定量することが
できる電気分析方法に関するものである。

〔従来の技術〕

電気化学分析は、最近いわゆるバイオセンサや液体クロ
マトグラフ検出器などにおいて、その利用分野が拡大さ
れており、この方法を用いた検出器としては、試料液中
に検出部である電極を浸漬させるもの、検出極内に試料
液を強制的に流動させるもの、電解液に直接試料を投入
するもの等がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、電気分析において電解液を検出極中で流
動させたり、干渉成分が十分にマスキングされていない
ときは、バックグランドレベルが高くなったり、Ｓ／Ｎ
比が低下する傾向にあり、上記の分析方法では十分な検
出感度や精度が得られない場合もあった。

最近では電気化学分析に対する期待が大きく、分析時間
の短縮化および分析精度の高度化が強く要求されるよう
になり、上記従来技術では充分に対応できなくなってき
ている。

本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、応答時
間が短く、高精度で、しかも操作性に優れた電気分析方
法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明者らは、上記従来技術の欠点の改良を試みて鋭意
研究を重ねた結果、電気分析用検出器の検出極に透過膜
をあてることにより、流体の連続分析では検出極内に試
料の流れによる乱れを作らず、またサンプルを投与する
形の分析においてはフィルター効果により妨害成分を除
去するという効果も生じるので、検出器のバックグラン
ドレベルが低下し、またＳ／Ｎ比が向上し、高感度、高
精度の分析が迅速にできることを見出し、本発明に到達
した。

すなわち本発明は、導電性多孔体からなる検出極を有す
る検出極室と、対極を有する対極室とがイオン透過性の
隔膜を介して隣接する電解槽内の前記検出極室の多孔体
に電解液を含浸させ、これに透過膜を通過させた一定量
の試料を供給して電解し、検出極における電圧、電流ま
たは電気量のうち少なくとも１つ以上を測定することに
より、試料中の被定量物質を絶対定量することを特徴と
する。

電気分析において、被定量物質を電解したときの電気的
な変化量、すなわち電圧、電流または電気量の変化は、
電解された物質の量に関係するので、電解時の電気的な
変化量を計測することにより、前記被定量物質を定量す
ることができる。

本発明に用いる電気分析用検出器は、イオン透過性の隔
膜としてイオン交換膜、微多孔膜等を用いる。バックグ
ランドレベルを低下させ、安定した定量を行うためには
、イオン交換膜である方が好ましいが、検出器の電気抵
抗を大幅に低下させる必要があるときなどは、単なる多
孔性の隔膜が好ましい。

また検出極材としては、表面に炭素よりも重い元素がＥ
ＳＣＡ　（光電子分光分析法〉で測定される表面元素数
比が１．５％以上存在する、炭素質もしくはグラファイ
ト質のカーボン繊維の集合体、または多孔状カーボンを
用いることが好ましい。

前記電極表面に共存させる元素は、周期律表の■族、■
族、■族元素などの元素が酸化物や炭化物などとして前
記検出極表面に導入される。これにより、試料の分散性
が向上するとともに、電解反応における検出極と被電解
物質との電子移動反応も速やかに行なわれる。

検出器の検出極においては、通常、集電用の金属網から
リード線が取出されるが、比較的小電流しか流れない分
析においては、検出極をそのまま延長してセルの外部に
出して集電するか、またはカーボン繊維を並べたものを
集電用クロスおよびリード線とすることもできる。

検出極室に供給する試料を透過させる透過膜は、特定成
分透過膜であり、被定量物質により使い分けられる。被
定量物質が血液などの液体サンプルの場合、透過膜とし
て例えば多孔性フィルタ膜、除蛋白機能付フィルタ膜、
浸透膜などが、またガス試料および一部の液体試料の場
合、例えば半透膜、イオン交換膜、セルロース濾過膜、
合成樹脂膜などが用いられる。

本発明に用いられる電気分析用検出器において、透過膜
を介して検出極に隣接する一定容量の試料室を設ける場
合は、該試料室に試料の流入口および流出口を設けるこ
とも好ましい、これにより、試料を連続供給して該試料
中の被定量物質を連続分析するこ、とができ、または連
続供給を一時停止し、静止状態で校正のための絶対定量
を行うことができる。

本電気分析用検出器において、前記透過膜とこれに対面
する試料室の壁面との間隔（以下、試料室の高さという
ことがある）は、３ｆｉ以内、好ましくは２闘とする。

間隔が３ｆｉよりも広くなると検出感度が低くなり、校
正安定性が悪くなる場合が多い。

第１表は、断面積が５０φの円形からなる検出器の試料
室の高さを変化させて水道水中の残留塩素およびガス中
のオゾンを定量したときの検出器の検出感度、および校
正安定性を示すものである。

以下余白 第 表 ところで、単に所要時間が長くなるだけで系の安定した
ばらつきの小さい分析の場合は、試料室の高さを４　ｍ
ｍ以上にしてもさしつかえない。この場合、次に述べる
方法によって、分析所要時間の短縮を図ることができる
。

すなわち、検出極を流れる電流と電気量とのプロットの
外挿または検出極電流の対数と時間のプロットの外挿に
よって、試料中の目的成分を絶対定量することができる
。この方法はｉ　（電流〉Ｑ（電気りプロットまたはｊ
！ｏｇｉ−ｔ（時間）プロットといわれる方法であり、
時間に対して指数関数的に電流が減少する場合には、こ
のプロットは直線になる。そしてバックグランド電流の
レベルまで電流が低下した所まで外挿したときの電気ｆ
ｌ（ｊ！ｏｇｉ−ｔプロットのときも電流の時間積分Ｑ
＝ｉｅｄｔによりＱを求める、ここでｉ：初期電流、α
：係数）をもって目的成分の絶対定量を行うことができ
る。この外挿法を本発明の方法に通用すれば、電解終了
まで１５〜２０分も要する場合でも、２〜３分の分析時
間で済ませることもできる。このように、試料室内の試
料交換、数分の電解を繰り返し間歇的に絶対定量をして
ゆくことも可能である。

本検出器の試料室の形状としては、例えば円筒体、立方
体もしくは直方体、またはこれらを複合させた形状があ
げられるが、特に限定されない。

上記した電気分析用検出器を用いた本発明の電気分析方
法は、検出極に電解液を含浸させた状態、すなわち電解
液が静止している状態で、特定物質の透過膜を通過させ
た試料を電解して絶対定置を行なう。透過膜を通過させ
た試料を電解することにより、目的成分である特定物質
だけが定置され、分析妨害物質の影響を避けることがで
きる。また、電解液を非流動状態としたことにより、バ
ックグランドが極めて小さく、かつ安定し、分析感度お
よび分析精度が向上する。

本発明に用いられる電解液としては、各種のｐＨ緩衝液
などがあげられるが、これに例えばヨウ化カリウム等に
代表される酸化還元メディエータ（モリブデン酸イオン
などの金属酸化物イオン、フェリシアンイオン／フェロ
シアンイオン、アミノカルボン酸鉄などの錯化合物〉、
酔素などを溶解または分散させたものも使用できる。

本発明の電気分析方法において試料が液体の場合は、定
量ピペットなどを用いて、一定量の試料を透過膜上に滴
下することにより投与することもできる。このとき検出
器の試料室は必要としない。

液体試料または気体試料で試料中の目的成分を連続分析
する必要がある場合には、試料の流入口および流出口を
備えた試料室を有する電気分析用検出器が用いられる。

この場合試料は、検出器の試料室に設けられた流入口か
ら所定の流量で連続的に導入され、該試料中の被定量成
分が透過膜をｉ３遇して連続的に検出極に達し、例えば
ポルタンメトリーまたはアンペロメトリーにより測定さ
れる。測定後の試料は、試料室の試料出口から所定の流
量で流出する。すなわち、本分析方法によれば試料が試
料室内を流動している間に、試料中の目的成分の一部ま
たは全部が透過膜を通して検出器に導入され、連続的に
定量される。この場合、連続分析中に一時的に試料の流
れを止め、これに基づく電流、電気量または電圧の変化
を測定し、被定置物質の濃度を求めることによって連続
供給時の測定値を校正することができる。

本発明の電気分析方法において、被定量物質を絶対定量
する場合は、試料を前記試料室内に一時的に保持し、そ
の間の電気量または電流変化を測定することにより行な
われる。この場合、試料供給ポンプは停止され、前記試
料室の入口および出口は、例えば弁、バルブ等の手段で
閉じられる等の処置がとられる。弁の代わりにキャピラ
リを用いてもよい。この絶対定量法によれば、前記試料
室中の被定量物質を完全に反応させなくても、電流−電
気量曲線やｌｏｇ　（電流）−時間曲線が得られれば、
その外挿値により絶対定量することができるのは前述し
た通りである。

本発明の電気分析方法において、試料液中の被定量物質
が検出極と直接電子移動反応を起こさない場合は、電解
液中に前述したようなヨウ素／ヨウ素イオンなどの酸化
還元メディエータ、酵素等の補助物質を共存させること
が好ましい。これらの補助物質は、被定量物質を電極反
応活性物質に変換することができるもので、酸化還元メ
ディエータとしては、ハロゲンイオン／ハロゲン系、ハ
イドロキノン類／キノン類系（例えばナフトキノンスル
ホン酸等）、多価金属イオン等が、また酵素としては、
例えばグルコースのように被定量物質と反応して過酸化
水素を発生させるものや酸素などを消費するもの、その
他、直接または酸化還元メディエータを介して、酸素等
の検出極に対する活物質を生成させるものがある。

〔実施例〕

第１図は、本発明に用いる電気分析用検出器の一例を示
す断面図である。この電気分析用検出器は、隔ｌ！！！
　１と、該隔膜ｌを挟んで両側にそれぞれ設けられた、
検出極２を有する検出極室３および対極４を有する対極
室５と、前記検出極室３の試料投入面に設けられた透過
膜７と、該透過膜７を介して前記検出極室３に隣接する
試料室８と、該試料室８に設けられた試料の流入出用の
キャビラＵ　９および試料ポンプ１０とから主として構
成されている。なお、６は検出極２または対極４から取
出されたリード線である。

このような構成において、試料ポンプ１０によりキャピ
ラリ９を経て試料室８へ導入された試料中の被定量物質
は、透過膜７を通して検出極室３の検出極２に投与され
て電解され、このときの電圧、電流または電気量がリー
ド線６を経て取出されることにより定量される。一方、
被定量物質が除かれた前記試料は、入口と反対方向のキ
ャピラリ９を経て試料室８外へ排出される。

次に、本発明を具体的実施例によりさらに詳細に説明す
る。

実施例１ 透過膜７として、０．０２５　ｍｍ厚のアセチルセルロ
ース系＃ｌｊ！を、電解液としてコレステロールオキシ
ダーゼ（３βヒドロキシステロイドオキシダーゼ）およ
びフ五ロシアン化カリウム（０，３Ｍ）を含むｐＨ６ク
エン酸系緩衝液を、検出極として、１：１硝酸中で約１
５分間煮沸して表面酸化処理を行った、たて３０ｍｍ、
よこ２０＋ｍ、厚さ３關の炭素室カーボンフェルトを用
い、かつ第１図の電気分析用検出器の試料室部分を省い
た構成の検出器により血液中のコレステロールの定量を
した。

１０回の分析における定量結果はすべて１７０〜１８５
■／ｄＩの範囲に入る、極めて再現性のよいものであっ
た。また、１回の分析に要した時間は短く、それぞれ約
３０秒であった。なお、コレステロール測定キットによ
る分析値は１８０■／ｄ１であった。

本実施例によれば、透過膜としてアセチルセルロース系
の薄膜を用いたことにより、供試血液を直接透過膜７上
に投与しても、血清骨だけが検出極３へ移行して電解分
析されるので、従来法における遠心分離等による前処理
が不要となり、短時間で素早くコレステロールを定量す
ることができた。

比較例１ 透過膜７を使用せずに供試血液を直接検出極２に投与し
た以外は実施例１と同様に血液中のコレステロールの定
量を１０回行なった。１回目の定量時間は約２０秒と短
かかったが、回数を重ねるごとに長くなり、まもなく１
分を超えるようになった。また、定量値は大きくばらつ
き、その範囲は１７５〜２３０■／ｄ１であった。

実施例２ 電解液として、酵素であるウリカーゼと、酸化還元メデ
ィエータであるフェロシアン化カリウムを含むｐＨ緩衝
液を用いた以外は実施例１と同様にして尿中の尿酸の定
量を２０回連続で行なったところ、すべて６〜８■／ｄ
１の安定した分析値が得られた。なお、１回の分析時間
は４５〜５０秒であった。

比較例２ 透過膜７をなくした以外は実施例２と同様にして同様の
定量を行なったところ、定量値の範囲は４〜９　ｒｔｗ
　／　ｄｌとばらつき、安定した結果は得られなかった
。

実施例３ 電解液として、フェロシアン化カリウムを熔解したｐＨ
緩衝液を用いた以外は実施例１と同様にして還元性物質
である天然果汁（オレンジ〉中のアスコルビン酸を１０
回連続して電解したところ、すべて２．７１〜２．９２
ｍクーロンと安定した値が得られた。また、１回の分析
時間はいずれも６０秒以内であった。

比較例３ 透過膜７をなくした以外は実施例３と同様にして同様の
分析を行なったところ、電流ピークの形状は不規則にな
るとともに、バックグランドレベル（暗電流）の変動が
大きくなり、良好な結果はえられなかった。

実施例４ 第１図に示す検出器の試料室８内の試料の流路を第２図
に示すような蛇行流路とした検出器により、透過膜７と
してポリ塩化ビニリデンａｌｌｌ！を、電解液としてヨ
ウ化カリウムを含む３Ｎ−酢酸水溶液をそれぞれ用いて
水道水中の残留塩素の連続定量を行なった。試料室８内
の試料の流れを一時的に停止して１分間電流値の減少を
観察し、ｉ　−０曲線（ｉ：電流、Ｑ：電気量）を作威
し、外挿法により試料室８内の一定量の試料中の被定量
物質量を求め、これと前記連続分析中の定置値をもとに
して検出器の校正を行なった。このようにして求めた残
留塩素の濃度は０．７５〜０．９０　ｐｐ　ｍと安定し
ていた。並行して、オルトトリジン法で求めた定量値と
の差は５〜８％と小さく、信頼性の高いものであった。

検出器の設置方向は、水平または垂直のどの方向でもよ
く、設置方向によって分析値が変化することはなかった
。また本実施例において、検出器を保温して恒温に保つ
ことにより、分析の信頼性をさらに向上させることがで
きた。

実施例５ 透過膜７としてフン素樹脂薄膜を、電解液としてヨウ化
カリウムを含むｐＨ７のリン酸ナトリウム系水溶液を用
いた以外は、実施例４と同様の条件でガス中のオゾンを
連続分析した。分析結果は０、１　ｐ　ｐ　ｍからｌＱ
Ｑｐｐｍの範囲で９５％以上の再現性を示した。中性ヨ
ウ化カリウムで吸収し、滴定法によって求めた定量結果
との差は１０％以内であった。

本実施例によれば、センサとして流体中の目的成分を監
視することができる。

実施例６ 検出極の目付量を従来の４００．ｇｍ−２から６２Ｑ　
ｇ　ｍ−２に変更し、検出極の含浸液としてＩＭ−ＫＣ
Ｉ！、ＩＭ−ＫＨ２ＰＯ４水溶液を用いた外は実施例４
および５と同様にしてアルゴンガスで脱気した純水中の
溶存酸素を測定した。アルゴンガスによる脱気時間をそ
れぞれ３０分、４５分および６０分であり、各検水を約
５ｍｊ！／ｍｉｎで検出器に送液し、試料室内が十分に
新しい検水で置換されたと考えられる時間（２分〉で送
液を停止し、その直後より減少して行ゆく電流を観察し
た。

３分間の観察によって得たｉ−Ｑプロットの外挿値より
溶存酸素をもとめたところ、脱気３０分後の溶存酸素は
１６ｐｐｂ、脱気４５分後の溶存酸素は９ｐｐｂ、脱気
６０分後の溶存酸素は５ｐｐｂであった。平行して行っ
たジチゾン法（比色法）による定量では、脱気３０分後
、４５分後および６０分後の溶存酸素は、それぞれ約２
０ｐｐｂ、約ＩＱｐｐｂおよび１０ｐｐｂ以下であった
。

〔発明の効果〕

本発明によれば、気体試料または液体試料中の被定量物
質を短時間で、かつ精度よく定量することができる。ま
た、本発明に用いる電気分析用検出器は、例えば臨床検
査用の高感度センサとして用いることも可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に用いる電気分析用検出器の一例を示
す説明図、第２図は、本発明に用いる電気分析用検出器
の試料室内の試料の流路を模式的に示す図である。 １・・・隔膜、２・・・検出極、４・・・対極、７・・
・透過膜、８・・・試料室、９・・・キャピラリ。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）導電性多孔体からなる検出極を有する検出極室と
   、対極を有する対極室とがイオン透過性の隔膜を介して
   隣接する電解槽内の前記検出極室の多孔体に電解液を含
   浸させ、これに透過膜を通過させた一定量の試料を供給
   して電解し、検出極における電圧、電流または電気量の
   うち少なくとも１つ以上を測定することにより、試料中
   の被定量物質を絶対定量することを特徴とする電気分析
   方法。
2. （２）前記電解槽として、検出極を有する検出極室と、
   対局を有する対局室とが隔膜を介して隣接し、かつ前記
   検出極室の試料供給面に透過膜を挟んで前記検出極室と
   反対側に設けられた、試料を保持する試料室を有する電
   気分析用検出器を用いることを特徴とする請求項（１）
   記載の電気分析方法。
3. （３）前記検出極室の試料供給面に設けられた透過膜を
   通して検出極室に試料を連続供給し、該試料中の被定量
   物質を連続分析するとともに、連続分析中の任意の時点
   で前記試料の供給を停止してこれに基づく電流、電気量
   または電圧の変化を測定し、被定量物質の濃度を求める
   ことによって連続供給時の測定値を校正することを特徴
   とする請求項（１）または（２）記載の電気分析方法。
4. （４）電解液として、試料中の被定量成分を電極反応活
   性物質に変換するメディエータを含む電解液を用いるこ
   とを特徴とする請求項（１）ないし（３）のいずれか記
   載の電気分析方法。