JPWO2015122330A1 - イオンセンサ用触媒およびこれを用いたイオンセンサならびに定量法 - Google Patents
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Abstract
Description
一方、生体系において、リンはリン酸イオンやDNAやRNAをはじめとした様々なリン酸エステル体として存在する。リンの化合物は、生体系環境における重要な制御因子であり、生物のエネルギー代謝に不可欠なATPやDNAは、リン酸を分子の一部に含むヌクレオチドからできており、生物の現存量は環境中から得られるリン酸の量から大きく制約を受けている。さらに、血液中のリン濃度も重要であり、成人の血しょう無機PO4濃度の基準範囲は2.5〜4.5mg/dLとされ、これよりも低いと低リン酸血症と呼ばれ、筋力低下、呼吸不全、心不全、けいれんや昏睡を生じる場合があり、反対に高い場合には高リン酸血症と呼ばれ、慢性腎不全、副甲状腺機能低下症などによって生じる。
なお、前述のように、環境基準や排水基準で定められているのは「全リン」の濃度であり、オルトリン酸態リンに関する環境基準や排水基準はない。また、これらの方法では、オルトリン酸態リンは、試料水のpHを調整することでPO4 3−として存在しており、有機態リンおよびオルトリン酸態リン(無機態リン)はすべて、PO4 3−の形で測定される。したがって、環境中のオルトリン酸態リンについて、その存在形態ごとに濃度を求めることは行われていない状況であり、またこのように存在形態ごとに濃度を決定できる方法は開発されていない。
上記の全リンの濃度範囲は、リンのモル濃度(mmol/L)で表わすと、10−3mmol/L〜10mmol/Lの範囲となる。なお、環境基準は「健康を保護し及び生活環境を保全するうえで維持することが望ましい基準」であることから、排水基準よりも低い値に設定されている。上記のように、現在の全リンやリン酸イオンの定量には、試料水に化学処理を行い、すべてのリンをリン酸イオンの形態に変えたのち、リン酸イオンを着色・分光分析する方法か、リン酸イオンをイオンクロマトグラフィーで分離した後、リン酸イオンを含む溶液の電気伝導度を測定するか、または紫外吸収を測定する方法となっており、作業が煩雑で試料水の処理から最終的に濃度を求めるまで時間がかかっていた。また、これらの方法ではリンはすべてPO4 3−に変わるため、これ以外のオルトリン酸態リンの濃度については、個別に測定する手段がなかった。
(1)例えば、(非特許文献2)乃至(非特許文献4)に記載のような、複合酸化物を触媒として試料水のリン酸水素イオンの酸化電流密度を測定する場合、検出される酸化電流密度が小さく、定量できる濃度範囲が広い触媒については、二酸化イリジウムを触媒として用いた場合の1/1000程度の検出感度しかないという課題があった。
(2)また、濃度と酸化電流密度の間には比例関係がなく、これらの関係において直線で近似できる検量線が得られないという課題があった。
(3)一方、前述のように、二酸化イリジウムは測定できる濃度範囲が狭いという課題があった。
(4)また、これまで述べた従来の電気化学的にリン酸水素イオンを検出するいずれの方法も、検出感度がいまだ小さく、また幅広い範囲において、高い検出感度でかつ濃度と酸化電流密度が比例して、高濃度から低濃度まで精度よく濃度を決定できるような触媒がないという課題があった。
本発明のイオンセンサ用触媒は、水中のリン酸水素イオンを電気化学的に酸化する触媒であって、酸化ルテニウムと酸化タンタルの混合酸化物を含む構成を有している。
この構成により、
(1)酸化ルテニウムと酸化タンタルの混合酸化物は、水中でのリン酸水素イオンの電気化学的酸化に対して、リン酸水素イオンの幅広い濃度範囲において、選択的に高い触媒活性を示し、高い酸化電流密度を生じるという作用を有する。これによって、本発明のイオンセンサ用触媒は、他の触媒に比べてリン酸水素イオンを高い検出感度で検出し、その濃度を決定することができる。
(2)リン酸水素イオンの濃度と酸化電流密度に比例関係が成り立つことで、濃度範囲に関わらず精度よく濃度を決定することが可能で、かつ酸化電流が短時間で定常値に達して電流密度の決定までの時間が短く、したがってリン酸水素イオンを定量する時間が短時間であり、リン酸水素イオンの酸化に対して繰り返し安定して応答することができ、測定の安定性、再現性に優れるという作用を有する。
(3)従来技術における複合酸化物や二酸化イリジウムに比べて、本発明のイオンセンサ用触媒は高い検出感度を有し、定量可能な濃度範囲も二酸化イリジウムに比べて非常に広いことなどから、高精度で信頼性に優れるという作用を有する。
(4)ルテニウムはイリジウムに比べて1/10程度の価格であり、タンタルはルテニウムの1/10程度の価格であることから、従来技術に対して、より安価な材料で、高い触媒活性と検出感度、および幅広い濃度範囲におけるリン酸水素イオンの定量を可能にすることができ、省資源性、実用性、測定の安定性に優れるという作用を有する。
(5)本発明の触媒は、リン酸二水素イオンや塩化物イオンのような他の陰イオンや陽イオンの酸化を生じないことから、リン酸水素イオンのみを選択的に検出して、その濃度を決定することができ、測定の確実性、信頼性に優れるという作用を有する。
導電性基体および導電部には、導電性を持つ種々の材料、例えば、金属、合金、種々の炭素材料(導電性ダイヤモンド、グラフェン、フラーレンなどを含む)、導電性プラスチック、導電性酸化物などの化合物、銀などを含む金属ペーストなどが利用可能であるが、これらに限定されるものではない。絶縁性基体には、アルミナなどの種々の絶縁性の酸化物、炭化物、窒化物や、ダイヤモンド、DLC(ダイヤモンドライクカーボン)、シリコン、プラスチックや樹脂などの有機材料などが利用可能であるが、これらに限定されるものではない。
これらの導電部、導電性基体、絶縁性基体は、板状、網状、棒状、シート状、管状、線状、らせん状、多孔板状、多孔質状、真球状、かご状、粒子を結合させた三次元多孔体等の種々の形状をとることができる。また、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ、またはこれらを規則的に配置したカーボンファイバーアレイ、カーボンナノチューブアレイなども導電部、導電性基体として利用可能である。さらに、本発明の触媒または本発明の触媒を表面に担持した触媒担体を、上記のような種々の形状の導電部、または導電性基体上に担持、または混合して、本発明の触媒の単位質量あたりの表面積が増加するように工夫するなどしてもよい。
ここで、例として、熱分解法によって本発明の触媒を、導電性基体の一例であるチタン板上に形成する方法について述べる。例えば、無機化合物、有機化合物、イオン、錯体などの様々な形態でよいが、ルテニウムおよびタンタルを溶解した前駆体溶液をチタン板上に塗布し、これを200〜600℃で熱分解すると、チタン板上に酸化ルテニウムと酸化タンタルからなる混合酸化物が形成される。
例えば、三塩化ルテニウム水和物と五塩化タンタルを溶解したブタノール溶液を前駆体溶液として、これをチタン板上に塗布して熱分解する。このとき、ルテニウムとタンタルの好適なモル比の範囲は熱分解温度等によって適宜、選択することができる。ただし、ルテニウムとタンタルの総量に対するルテニウムの割合が1%よりも小さくなるにつれ、本発明の触媒自体の導電性が低下し易くなって、検出される酸化電流が小さくなる傾向があり、ルテニウムとタンタルの総量に対するタンタルの割合が1%よりも小さくなるにつれ、ルテニウム酸化物をタンタル酸化物と混合することにより発揮されるリン酸水素イオンに対する高い触媒活性が失われ易くなる傾向があり、いずれも好ましくない。
上記に述べた熱分解法の例は、ブタノール溶媒の使用、ルテニウムとタンタルのモル比やこれに関連した熱分解温度の範囲に限定されたものではなく、上記の条件はあくまでその一例であり、本発明の触媒を得る方法は、上記に示した以外のあらゆる方法において、酸化ルテニウムと酸化タンタルの混合酸化物が得られるものであればよい。
この構成により、さらに以下の作用が得られる。
(1)混合酸化物におけるルテニウムとタンタルのモル比が30:70〜80:20であることにより、リン酸水素イオンに対して、特に高い触媒活性が幅広い濃度範囲で得られるという作用を有する。
ここで、ルテニウムの割合が30%よりも小さくなるにつれ、混合酸化物の導電性が低くなり、リン酸水素イオンに対する酸化電流密度が小さくなる傾向があり、ルテニウムの割合が80%よりも大きくなるにつれ、酸化タンタルとの混合による効果が得られにくくなり、リン酸水素イオンに対する酸化電流密度が小さくなる傾向があり、いずれも好ましくない。
この構成により、さらに以下の作用が得られる。
(1)混合酸化物が非晶質の酸化ルテニウムを含むことにより、酸化ルテニウムが全て結晶質である場合に比べて、触媒の反応表面積が増加し、これによって同じ濃度のリン酸水素イオンに対する酸化電流密度が増加することによって、検出感度が大きくなるとともに、定量できる濃度範囲がより広くなるという作用を有する。
ここで、すでに記したように、このような結晶構造の違いは、X線回折法で得られる酸化ルテニウムの回折線の強度から相対的に判断することが可能で、非晶質の酸化ルテニウムを含む混合酸化物では、酸化ルテニウムに対する回折線の強度は低下する。混合酸化物に含まれる酸化ルテニウムがすべて非晶質または混合酸化物が非晶質の酸化ルテニウムと酸化タンタルからなる場合には、酸化ルテニウムに対する回折線は消失する。
この構成により、
(1)酸化ルテニウムと酸化タンタルの混合酸化物を含むイオンセンサ用触媒を検知極に用いて、リン酸水素イオンを酸化する際に流れる電流からリン酸水素イオンの濃度を決定することによって、高い検出感度で、かつ幅広い濃度範囲に対して、リン酸水素イオンを選択的に、かつ精度よく短時間で定量することが可能になるという作用を有する。
(2)本発明のイオンセンサの作動には大型の装置や大電力は不要であり、イオンセンサを携帯可能な大きさまで小型化することが可能で、省エネルギー性、コンパクト性、実用性に優れるという作用を有する。
(3)本発明のイオンセンサに必要なイオンセンサ用触媒やその他の部品は安価に作製することが可能で省資源性、量産性に優れ、リン酸水素イオン濃度の測定に対して、安定性や再現性に優れた定量が可能となるという作用を有する。
(4)本発明のイオンセンサは、検知極上でリン酸二水素イオンや塩化物イオンのような他の陰イオンや陽イオンの酸化を生じないことから、リン酸水素イオンのみを選択的に検出し、その濃度を決定することができ、測定の確実性、信頼性に優れるという作用を有する。
この構成により、さらに以下の作用が得られる。
(1)リン酸水素イオンだけでなく、リン酸水素イオンを含む試料水のpH及び/または温度を同時に測定することができる。
(2)これによって、pHや温度といった試料水の特性値をリン酸水素イオン濃度とともに同時に得ることができる。
(3)さらに、定量されたリン酸水素イオンの濃度に対して、pHや温度が通常値とは異なることによって生じる可能性がある検出異常などの問題の発生の有無を知ることができる。
この構成により、
(1)酸化ルテニウムと酸化タンタルの混合酸化物を含むイオンセンサ用触媒を用いて、リン酸水素イオンを酸化する際に流れる電流から選択的にリン酸水素イオンの濃度を決定できることで、リン酸水素イオンまたは全リンの濃度を、高い検出感度で、かつ幅広い濃度範囲に対して、かつ精度よく短時間で定量することが可能になるという作用を有する。(2)本発明の定量法に用いるイオンセンサは作動に大型の装置や電力が不要であることから、携帯可能な大きさまで小型化することが可能であり、その場で使用する場合或いは測定時に移動が必要な場合など様々な状況の中で定量することが可能となり、汎用性、取扱い性、機能性、量産性に優れるという作用を有する。
(3)本発明の定量法に用いるイオンセンサに必要なイオンセンサ用触媒やその他の部品は安価であり、従来技術のような特定の溶媒や試薬を用いる必要がなく、低コストで安定性や再現性に優れた定量が可能となり、省資源性、実用性に優れるという作用を有する。
(4)本発明の定量法では、検知極上でリン酸二水素イオンや塩化物イオンのような他の陰イオンや陽イオンの酸化を生じないことから、リン酸水素イオンのみを選択的に検出して、その濃度を決定することができ、測定の確実性、信頼性に優れるという作用を有する。
本発明の定量法によれば、試料水の前処理を行うか、行わないかの違いのみで、リン酸水素イオン又は全リンの濃度を決定することが可能となる。
この構成により、さらに以下の作用が得られる。
(1)リン酸水素イオンを含む溶液を検知極の周辺で流動または検知極へ送液することによって対流および拡散が促進され、同じ濃度のリン酸水素イオンに対して、これらを行わない場合に比べて酸化電流密度が増加し、したがってさらに検出感度が向上するという作用を有する。
(2)また、検知極での酸化反応が促進されることによって、安定した電流が観察されるまでの時間が短縮され、測定に必要な時間がさらに短くなるという作用を有する。
この構成により、さらに以下の作用が得られる。
(1)リン酸水素イオンを含む溶液を検知極周辺で流動させる場合や、検知極に対して水平方向に送液する場合に比べて、対流および拡散がより促進され、同じ濃度のリン酸水素イオンに対して酸化電流密度が増加し、したがってさらに検出感度が向上するという作用を有する。
1)一般に知られた簡単な方法でリン酸水素イオンを検出するための触媒を合成することが可能であり、かつイオンセンサの用途、使用頻度、使用環境などに合わせた形状、寸法を有するイオンセンサ用検知極およびこれを用いたイオンセンサを提供できるという効果を有する。
2)また、携帯または持ち運び可能な程度の大きさのイオンセンサが可能となることから、環境分析などにおいて試料水を実験室に持ち帰る必要がなく、現場での即時測定やモニタリングが可能になるという効果を有する。
3)また、本発明によれば、従来に比べて、低濃度のリン酸水素イオンまたは全リンや、排出基準を上回るような高濃度の全リンを、短時間で正確に決定できるようになるという効果を有する。
4)また、同じイオンセンサによって、リン酸水素イオンと全リンの両方の濃度を簡単に測定できるという効果を有する。
5)また、従来に比べてリン酸水素イオンに対する感度が高く、また幅広い濃度範囲でも定量の精度が高いことから、測定者のイオンセンサの使用に関する熟練度によらず、様々な状況や目的において、リン酸水素イオンまたは全リンの濃度を正確に測定することができるという効果を有する。
6)また、短時間でリン酸水素イオンの濃度を決定することができることから、環境または生体内のリン酸水素イオンおよび全リンの測定にかかる時間が短縮され、種々の分析業務、医療業務などの中で測定者の負担を軽減し、測定の効率化を図ることができるという効果を有する。
7)また、本発明によれば、少量の試料水で定量が可能で、かつリン酸水素イオンを処理するための特別な試薬や溶媒を必要としないことから、リン酸水素イオンの定量において、環境負荷の原因となる廃液や排水を低減できるという効果を有する。
図1は本発明のイオンセンサ用触媒を用いたイオンセンサを示す模式図である。
図1中、1は本発明のイオンセンサ用触媒を用いたイオンセンサ、2はアルミナなどの種々の絶縁性の酸化物、炭化物、窒化物や、ダイヤモンド、DLC(ダイヤモンドライクカーボン)、シリコンなどで形成された絶縁性基体、3は絶縁性基体2上に導電性を持つ金属、合金、種々の炭素材料(導電性ダイヤモンド、グラフェン、フラーレンなどを含む)、導電性プラスチック、導電性酸化物などの化合物、銀などを含む金属ペーストなどで線状に形成された3箇所の導電部、4は中央の導電部3の一端部に酸化ルテニウムと酸化タンタルの混合酸化物を含むイオンセンサ用触媒を形成して作製された検知極、5は他の1つの導電部3の一端部に白金、銀、その他の金属、導電性酸化物をはじめとする導電性化合物、導電性プラスチックなど電気化学センサやその他の電極材料として用いられている様々な材料、さらには本発明の触媒などを用いて形成された対極、6は他のもう1つの導電部3の一端部に銀−塩化銀電極、水銀−酸化水銀電極などを用いて形成された参照極、7は検知極4と対極5と参照極6で構成された検知部である。
イオンセンサ1は参照極6に対して検知極4に所定の電位を印加し、検知極4で生じた酸化電流を測定して、演算処理などを介して、最終的にリン酸水素イオン濃度を算出し、算出の結果を表示する制御部8を備えている。
検知極4は、リン酸水素イオンを酸化し、生じた酸化電流を導電部3を通して制御部8へ流す。
制御部8によって、参照極6に対して検知極4でリン酸水素イオンの酸化反応が生じるのに適した電位が印加される。
検知極4と対極5と参照極6を配置した構成の場合、印加する電位の波形は、一定の電位であっても、経時的に変化する電位波形であってもよい。このような電位波形としては、例えば矩形の電位パルスや、段階的に電位を変化させるような波形でもよい。いずれの場合においても、リン酸水素イオンの酸化電流は、その値が最も高くなるような電位を印加した状態で測定されることが望ましい。
試料水中に存在する共存イオンが、検知極4上でのリン酸水素イオンの継続的な酸化を阻害するような作用を有する場合に、例えば、参照極6に対する検知極4の電位を試料水中での自然電位(浸漬電位とも呼ぶ)よりも低い値とし、一時的に検知極4でリン酸水素イオンの酸化が起こらないようにして、このような阻害作用を防止するような電位波形を印加してもよい。
尚、検知部7は検知極4と対極5からなる構成としてもよい。この場合、制御部8によって、検知極4でリン酸水素イオンの酸化反応が生じるのに適した電圧が、検知極4と対極5の間に印加される。
(1)酸化ルテニウムと酸化タンタルの混合酸化物を含むイオンセンサ用触媒を検知極に用いて、リン酸水素イオンを酸化する際に流れる電流からリン酸水素イオンの濃度を決定することによって、高い検出感度で、かつ幅広い濃度範囲に対して、リン酸水素イオンを選択的に、かつ精度よく短時間で定量することが可能になるという作用を有する。
(2)本発明のイオンセンサの作動には大型の装置や電力は不要であり、イオンセンサを携帯可能な大きさまで小型化することが可能で、省エネルギー性、コンパクト性、実用性に優れるという作用を有する。
(3)本発明のイオンセンサに必要なイオンセンサ用触媒やその他の部品は安価に作製することが可能で省資源性、量産性に優れ、水中でのリン酸水素イオンの電気化学的酸化に対して、リン酸水素イオンの幅広い濃度範囲において、選択的に高い触媒活性を示し、高い酸化電流密度を生じるため、濃度範囲に関わらず精度よく濃度を決定することができ、リン酸水素イオン濃度の測定に対して、安定性や再現性に優れた定量が可能となるという作用を有する。
(4)本発明のイオンセンサは、検知極上でリン酸二水素イオンや塩化物イオンのような他の陰イオンや陽イオンの酸化を生じないことから、リン酸水素イオンのみを選択的に検出し、その濃度を決定することができ、測定の確実性、信頼性に優れるという作用を有する。
(実施例1)
市販のチタン板(長さ5cm、幅1cm、厚さ1mm)を10%のシュウ酸溶液中に90℃で60分間浸漬してエッチング処理を行った後、水洗し、乾燥した。次に、6vol%の濃塩酸を含むブタノール(n−C4H9OH)溶液に、ルテニウムとタンタルのモル比が80:20で、ルテニウムとタンタルの合計が金属換算で70g/Lとなるように三塩化ルテニウム三水和物(RuCl3・3H2O)と五塩化タンタル(TaCl5)を溶解して塗布液を調製した。この塗布液を上記乾燥後のチタン板に塗布し、120℃で10分間乾燥し、次いで500℃に保持した電気炉内で20分間熱分解した。この塗布、乾燥、熱分解を計7回繰り返し行い、導電性基体であるチタン板上に実施例1の触媒を形成して検知極を作製した。
市販の塩化カリウム(KCl)試薬を蒸留水に溶解し、KClの濃度を0.05mmol/Lとした溶液を調製し、これにリン酸水素二ナトリウム(Na2HPO4)試薬を蒸留水に溶解して所定の濃度としたリン酸水素二ナトリウム溶液を所定量添加することによって、種々のリン酸水素イオンの濃度の試料水を調製した。なお、この試料水のpHは上記のリン酸水素イオンの濃度範囲において、pH=8〜9であった。前述の検知極をポリテトラフルオロエチレン製ホルダーに埋設し、ビーカーに入れた試料水に接触する電極面積を1cm2に規制した状態で、白金板を対極として、ともに試料水中で所定の距離をおいて配置した。また、試料水とは別の容器に塩化カリウム飽和水溶液を入れ、これに市販の銀−塩化銀電極を参照極として浸漬した。この塩化カリウム飽和水溶液と試料水を塩橋とルギン管を用いて接続し、3電極式の電気化学測定セルを作製した。なお、測定中は試料水をスターラーで撹拌した。
実施例1に記した触媒の形成方法の中で、塗布液中のルテニウムとタンタルのモル比を30:70としたことを除いて、他は実施例1と同じ方法で、実施例2の触媒を形成して検知極を作製した。この触媒を分析した結果、実施例1と同様にRuO2とTa2O5の混合物からなることが判った。すなわち、実施例2では、チタン板上に結晶質の酸化ルテニウムと非晶質の酸化タンタルからなる混合酸化物の触媒が形成されていた。この検知極を用いて実施例1と同様にサイクリックボルタメトリーを行った結果、実施例1とほぼ同じ電位にリン酸水素イオンの酸化電流のピークが見られ、その他には酸素発生電流以外に酸化電流、還元電流いずれも見られなかったことから、実施例2の触媒上でリン酸水素イオンが選択的に酸化されることが判った。また、実施例1と同様に、検知極を一定の電位に保持して、種々の濃度のリン酸水素イオンを溶解した試料水での酸化電流密度を測定した結果、検知極に電位を印加してから10〜20秒でほぼ一定の電流密度を示した。このようにして得られた酸化電流密度とリン酸水素イオンの濃度の関係を図4および図5に示した。実施例2の触媒を用いることで、低濃度から高濃度までの幅広い濃度範囲で比例関係が見られた。また、濃度と酸化電流密度の直線の傾きから求めた検出感度は182A・cm/molとなった。
市販のチタン板(長さ5cm、幅1cm、厚さ1mm)を10%のシュウ酸溶液中に90℃で60分間浸漬してエッチング処理を行った後、水洗し、乾燥した。次に、6vol%の濃塩酸を含むブタノール(n−C4H9OH)溶液に、金属換算で70g/Lとなるように塩化イリジウム酸六水和物(H2IrCl6・6H2O)を溶解して塗布液を調製した。この塗布液を上記乾燥後のチタン板に塗布し、120℃で10分間乾燥し、次いで470℃に保持した電気炉内で20分間熱分解した。この塗布、乾燥、熱分解を計7回繰り返し行い、導電性基体であるチタン板上に二酸化イリジウムを形成して検知極を作製した。なお、形成された二酸化イリジウムは、X線回折法により同定した。この検知極を用いて実施例1と同様にサイクリックボルタメトリーを行った結果、実施例1とほぼ同じ電位にリン酸水素イオンの酸化電流のピークが見られ、その他には酸素発生電流以外に酸化電流、還元電流いずれも見られなかったことから、比較例1の二酸化イリジウム触媒上でリン酸水素イオンが選択的に酸化されることが判った。また、実施例1と同様に、検知極を一定の電位に保持して、種々の濃度のリン酸水素イオンを溶解した試料水での酸化電流密度を測定した結果、検知極に電位を印加してから10〜20秒でほぼ一定の電流密度を示した。このようにして得られた酸化電流密度とリン酸水素イオンの濃度の関係から検出感度を算出した結果、実施例1の触媒を用いた場合の検出感度の0.30倍、実施例2の触媒を用いた場合の検出感度の0.36倍であった。
そして、上記の結果から、本発明の触媒を用いた場合、従来技術である二酸化イリジウムを用いた場合に比べて、同じ濃度範囲、同じ測定条件において、検出感度が2.8倍〜3.3倍に向上することがわかった。また、本発明の触媒で得られた検出感度を、(非特許文献4)に記載の値(2.5A・cm/mol〜85A・cm/mol)と比較すると、本発明の触媒を用いたほうが最大で83倍も検出感度が高くなることがわかった。
実施例1に記した触媒の形成方法の中で、チタン板の代わりにチタンディスク(直径4mm,厚み4mm)を用いたことを除いて、他は実施例1と同じ方法で実施例3の触媒を形成して検知極を作製した。この触媒を分析した結果、実施例1と同様に、結晶質のRuO2と非晶質のTa2O5の混合物であることがわかった。すなわち、実施例3では、チタンディスク上に実施例1と同様に結晶質の酸化ルテニウムと非晶質の酸化タンタルからなる混合酸化物の触媒が形成されていた。この検知極を用いて実施例1と同様にサイクリックボルタメトリーを行った結果、実施例1とほぼ同じ電位にリン酸水素イオンの酸化電流のピークが見られ、その他には酸素発生電流以外に酸化電流、還元電流いずれも見られなかったことから、実施例3の触媒上でリン酸水素イオンが選択的に酸化されることが判った。また、実施例1と同様に、検知極を一定の電位に保持して、種々の濃度のリン酸水素イオンを溶解した試料水での酸化電流密度を測定したが、実施例1では測定中はビーカー内の試料水をスターラーで撹拌したのに対して、実施例3では回転円盤電極装置を用いて、検知極を回転させた状態で測定した。回転円盤電極装置を用いて検知極を回転させた以外は、実施例1と同じ電気化学測定セルの構成とした。これによって、実施例1では検知極と平行な方向に試料水が流動していたが、実施例3では検知極の回転によって検知極に垂直な方向から試料水が検知極に向かって送液された。なお、このような送液は検知極を回転させる方法以外にも、フローインジェクション法などで用いられるような装置で、静止した検知極に対して垂直な方向から試料水を検知極に向かって流すことによっても同様に行うことが可能である。このようにして得られた酸化電流密度とリン酸水素イオンの濃度の関係を図6および図7に示した。その結果、低濃度から高濃度までの幅広い濃度範囲で比例関係が見られた。また、濃度と酸化電流密度の直線の傾きから求めた検出感度は471A・cm/molとなった。すなわち、実施例3で試料水の供給方法を変えることによって同じ触媒を用いた場合にも、実施例1に比べて検出感度が2.2倍となった。
実施例1に記した触媒の形成方法の中で、チタン板の代わりにチタンディスク(直径4mm,厚み4mm)を用い、260℃に保持した電気炉内で20分間熱分解したことを除いて、他は実施例1と同じ方法で、実施例4の触媒を形成して検知極を作製した。この触媒を分析した結果、実施例1では結晶質のRuO2と非晶質のTa2O5の混合物であったが、実施例4では非晶質のRuO2と非晶質のTa2O5の混合物からなることが判った。すなわち、実施例4では、チタンディスク上に非晶質の酸化ルテニウムと非晶質の酸化タンタルからなる混合酸化物の触媒が形成されていた。この検知極を用いて実施例1と同様にサイクリックボルタメトリーを行った結果、実施例1とほぼ同じ電位にリン酸水素イオンの酸化電流のピークが見られ、その他には酸素発生電流以外に酸化電流、還元電流いずれも見られなかったことから、実施例4の触媒上でリン酸水素イオンが選択的に酸化されることが判った。また、実施例3と同様に、検知極を一定の電位に保持して、種々の濃度のリン酸水素イオンを溶解した試料水での酸化電流密度を測定した結果、検知極に電位を印加してから10〜20秒でほぼ一定の電流密度を示した。このようにして得られた酸化電流密度とリン酸水素イオンの濃度の関係を図8および図9に示した。その結果、低濃度から高濃度までの幅広い濃度範囲で比例関係が見られた。また、濃度と酸化電流密度の直線の傾きから求めた検出感度は624A・cm/molとなった。すなわち、実施例4では触媒の酸化ルテニウムが非晶質であることによって、触媒のルテニウムとタンタルの組成比が同じである実施例3に比べて、検出感度は1.3倍となった。また、実施例1と比較すると、酸化ルテニウムが非晶質となり、かつ送液方向を検知極に垂直とすることによって、検出感度は3倍となった。さらに、実施例4ではリニアスケール(図8)、両対数スケール(図9)のいずれでも直線となり、10−2mmol/Lから10mmol/Lの3桁におよぶ幅広い濃度範囲において、検出感度が変わらないことが判った。すなわち、実施例3と比較すると、触媒の酸化ルテニウムが非晶質となることで、検出感度が増加し、さらに定量できる濃度範囲が拡大して、いずれの濃度域においても高い検出感度でリン酸水素イオンを定量できることが示された。
実施例4に記した触媒の形成方法の中で、塗布液中のルテニウムとタンタルのモル比を50:50としたことを除いて、他は実施例4と同じ方法で、実施例5の触媒を形成して検知極を作製した。この触媒を分析した結果、実施例4と同じように、非晶質のRuO2と非晶質のTa2O5の混合物からなることが判った。すなわち、実施例5においても、チタンディスク上に非晶質の酸化ルテニウムと非晶質の酸化タンタルからなる混合酸化物の触媒が形成されていた。この検知極を用いて実施例1と同様にサイクリックボルタメトリーを行った結果、実施例1とほぼ同じ電位にリン酸水素イオンの酸化電流のピークが見られ、その他には酸素発生電流以外に酸化電流、還元電流いずれも見られなかったことから、実施例5の触媒上でリン酸水素イオンが選択的に酸化されることが判った。また、実施例4と同様に、検知極を一定の電位に保持して、種々の濃度のリン酸水素イオンを溶解した試料水での酸化電流密度を測定した結果、検知極に電位を印加してから10〜20秒でほぼ一定の電流密度を示した。このようにして得られた酸化電流密度とリン酸水素イオンの濃度の関係を図10および図11に示した。その結果、低濃度から高濃度までの幅広い濃度範囲で比例関係が見られた。また、濃度と酸化電流密度の直線の傾きから求めた検出感度は685A・cm/molとなり、実施例4の触媒よりもさらに高い感度が得られた。また、実施例1と比較すると、酸化ルテニウムが非晶質となり、かつ送液方向を検知極に垂直とすることによって、検出感度は3.3倍となった。さらに、実施例5ではリニアスケール(図10)、両対数スケール(図11)のいずれでも直線となり、4×10−2mmol/Lから10mmol/Lの3桁におよぶ幅広い濃度範囲において、検出感度が変わらないことが判った。すなわち、いずれの濃度域においても高い検出感度でリン酸水素イオンを定量できることが示された。
実施例4に記した触媒の形成方法と同じ方法で、実施例6の触媒を形成して検知極を作製した。また、実施例4と同様に、検知極を一定の電位に保持して、種々の濃度のリン酸水素イオンを溶解した試料水での酸化電流密度を測定した。ただし、この測定の際には、電位を印加した状態であらかじめ5分間保持し、残余電流が十分に減衰した状態から、リン酸水素二ナトリウムを添加した。リン酸水素二ナトリウムを添加した後、20秒程度で酸化電流密度はほぼ一定の値となった。このようにして得られた酸化電流密度とリン酸水素イオンの濃度の関係を図12および図13に示した。その結果、低濃度から高濃度までの幅広い濃度範囲で比例関係が見られた。また、濃度と酸化電流密度の直線の傾きから求めた検出感度は562A・cm/molとなった。また、実施例6ではリニアスケール(図12)、両対数スケール(図13)のいずれでも直線となり、加えて10−3mmol/Lから10mmol/Lの4桁におよぶ幅広い濃度範囲において、検出感度が変わらないことが判った。すなわち、測定時における残余電流を十分に小さくしたことによって、実施例4に比べてさらに広い濃度範囲での定量が可能となり、同時にいずれの濃度域においても高い検出感度でリン酸水素イオンを定量できることが示された。
2 絶縁性基体
3 導電部
4 検知極
5 対極
6 参照極
7 検知部
8 制御部
Claims (11)
- 水中のリン酸水素イオンを電気化学的に酸化するイオンセンサ用触媒であって、酸化ルテニウムと酸化タンタルの混合酸化物を含むことを特徴とするイオンセンサ用触媒。
- 前記混合酸化物におけるルテニウムとタンタルのモル比が30:70〜80:20であることを特徴とする請求項1に記載のイオンセンサ用触媒。
- 前記混合酸化物が非晶質の酸化ルテニウムを含むことを特徴とする請求項1または2に記載のイオンセンサ用触媒。
- 水中のリン酸水素イオンを定量するためのイオンセンサであって、請求項1〜3のいずれか1項に記載のイオンセンサ用触媒を用いた検知極を備えたことを特徴とするイオンセンサ。
- 前記検知極によりリン酸水素イオンの酸化電流を検出する検出部と、前記検出部と電気的に接続され、前記検出部で検出した前記酸化電流から前記リン酸水素イオンの濃度を算出し、前記算出の結果を表示する制御部とを備えたことを特徴とする請求項4に記載のイオンセンサ。
- 前記検出部が、前記検知極および対極からなるか、または前記検知極、対極および参照極からなることを特徴とする請求項5に記載のイオンセンサ。
- 1つの絶縁性基体をさらに備え、前記検出部における前記検知極と前記対極、または前記検出部における前記検知極と前記対極と前記参照極とが、前記絶縁性基体上に形成されたことを特徴とする請求項6に記載のイオンセンサ。
- リン酸水素イオンを含む試料水のpH及び/または温度を測定する機能を備えたことを特徴とする請求項4〜7のいずれか1項に記載のイオンセンサ。
- 水中のリン酸水素イオン及び/または全リンの濃度を決定するための定量法であって、請求項1〜3のいずれか1項に記載のイオンセンサ用触媒を検知極に用いて、前記水中のリン酸水素イオンを酸化してその酸化電流を測定する電流測定工程と、前記電流測定工程で測定した酸化電流からリン酸水素イオンまたは全リンの濃度を決定する濃度決定工程と、を備えたことを特徴とする定量法。
- 前記電流測定工程において、リン酸水素イオンを含む溶液を前記検知極の周辺で流動または前記検知極に送液することを特徴とする請求項9に記載の定量法。
- 前記電流測定工程において、リン酸水素イオンを含む溶液を前記検知極に垂直方向から送液することを特徴とする請求項10に記載の定量法。
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