電気化学検出器の特長とアプリケーション例 - Thermo Fisher Scientific

TR018YS-0105
200206
200706
電気化学検出器の特長とアプリケーション例
【はじめに】
1
視吸光光度検出器、電気化学検出器、蛍光検出器などの検
出器が用いられます。最も多く使用されている電気伝導度検
出器はイオン成分を高感度に検出することができる反面、選
Voltage(V)
イオンクロマトグラフィーでは、電気伝導度検出器、紫外/可
0.5
0
-0.5
択性が乏しく測定目的イオン以外のイオンも検出することがあ
-1
0
ります。一方、電気化学検出器は電極表面で酸化または還元
10
20
30
Time (sec)
する成分だけを検出することができる比較的選択性の高い検
出器です。おもにシアンや糖質、アミノ酸の検出器として用い
図 1 サイクリックボルタンメトリの電圧印加例
られています。
この技術資料では、電気化学検出器の検出原理を解説す
E1
るとともに、アプリケーション例を紹介します。
【検出原理】
E2
化あるいは還元反応の結果生じる電流もしくは電位を検
出します。酸化反応が起こると、電気的に活性化された分
子から電気化学検出器セルの作用電極へ電子が移動しま
す。これに対して還元反応の場合は、作用電極から電子が
酸化電流(A)
電気化学検出器は、作用電極表面での分析目的分子の酸
E3
0
放出されます。多くの成分はこのような酸化、還元反応を
起こさず、電気化学検出器で検出されないため、酸化ある
いは還元されやすい成分を選択的に、また高感度に検出す
ることができます。
-0.5
0
0.5
作用電極と参照電極の電位差(V)
図 2 金電極におけるグルコースのボルタングラム
【モード】
ダイオネクス製電気化学検出器は、電極に印加する電流
図 2 において、点線は 100 mmol/L 水酸化ナトリウムのバッ
シーケンスが異なる 4 種類のモードを装備しています。これら
クグランドスキャンです。-0.8 V から印加電圧を徐々に上昇さ
は、ボルタンメトリモード、D.C.アンペロメトリモード、パルスドア
せると、電流値はおよそ 0.25 V で上がり始めます。これは金
ンペロメトリモード、インテグレーテッドアンペロメトリモードです。
電極表面での酸化が 0.25 V で始まることを表しています。0.6
それぞれのモードの特長を以下に述べます。
V まで電圧を上げてから電圧を下げると、電極表面の金の酸
A) ボルタンメトリモード
化物が金に還元され 0.1 V 付近で、スキャンが反転して負の
ピークとなります。溶液中にグルコースを加える（実線）と、およ
ボルタンメトリモードは、他のモードにおける最適印加電流
そ 0.26 V で酸化物のピークが現れます。電圧をかけ続けると
値を決める際に使用するモードです。セルに溶離液と試料を
金の酸化がすすみ、グルコースの酸化電流は下がります。酸
導入した状態で、図 1 のような時間に対して 2 段階に変化する
化電流が下がるのは、酸化物の量が多いためと、金電極が酸
電圧を印加します。その結果をボルタングラムとして表します。
化されることでグルコースの酸化を妨害しているためです。ス
図 2 に 100 mmol/L 水酸化ナトリウム溶液中のグルコース
キャンを逆転させると、金電極の酸化物が還元された時点で
のボルタングラムを示します。
負から正に反転します。このことは、酸化被膜のない金電極表
面でのグルコースの酸化が、金の酸化物によって阻害される
ということを示しています。もし D.C.アンペロメトリモードで検出
をおこなうのであれば、グルコースの酸化電流が一番高く、バ
ックグランド電流が一番低い 0.2 V の印加電圧を選択すべき
1
電極の酸化
する酸化被膜の影響で急速に感度が低下します。そこでまず
0.1 V での酸化電流を測定した後、0.6 V まで印加電圧を上
げ、それから-0.6 V に下げるような設定を繰り返して、電極表
面の酸化物を取り除き、感度を維持します。（通常は 0.2 V よ
Voltage (V)
です。しかし一定電圧を印加しつづけると、電極表面に生成
0.5
0
積分時間
りもバックグランド電流が低い 0.1 V を初期電圧として使用しま
す。）初期電圧は金の酸化に必要な電圧以下に設定すること
電極の還元
-0.5
0
が重要になります。
0.2
0.4
0.6
Time(sec)
0.8
1
図 4 パルスドアンペロメトリの電位波形例 1
B) D.C.アンペロメトリモード
このモードは電極に一定電圧を印加するモードで、シアン
のような比較的酸化物のできにくい成分を測定する場合に用
糖質分析には、図 5 に示す 4 電位を印加すると電極の消耗
を抑えシグナル､ノイズ比が改善します。
います。D.C.アンペロメトリモードでは、印加電位を増加させる
1
と、ピーク高さも増加します。図 3 には試料としてセロトニンを
図からセロトニンに対する最適電位は 0.7 V であることがわか
ります。測定分子の酸化もしくは還元によって生じる電流は、
多くのファクターに依存しています。中でも最も重要なものは
Voltage (V)
用いたときの印加電圧とピーク面積値の関係を示します。この
0
積分時間
-1
測定目的分子の濃度で、他に温度や作用電極の表面積、作
-2
用電極表面を流れる溶媒の粘度などがあります。
0
0.1
Peak Area
1500
0.2
0.3
Time(sec)
0.4
0.5
図 5 パルスドアンペロメトリの電位波形例 2
パルスドアンペロメトリモードでは、電圧を一定時間印加した
1000
後の数百ミリ秒間だけ積分をおこないます。これは、酸化およ
び還元電位を印加することによって起こるバックグランド電位
500
の変動が、ノイズの原因となることを防ぐためです。
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
作用電極と参照電極の電位差(V)
1
図 3 印加電圧とピーク面積値の関係（試料:セロトニン）
D. インテグレーテッドアンペロメトリモード
パルスドアンペロメトリモードの応用で、インテグレーテッド
アンペロメトリモードがあります。このモードの電位波形を図 6
に示します。
C) パルスドアンペロメトリモード
パルスドアンペロメトリモードは、積分電圧、クリーニング（酸
0.8
し印加するモードです。電圧を変化することによって、電極表
面に生成した酸化物を除去することができ、検出感度を一定
に維持できます。図 4 にパルスドアンペロメトリモードにおける
印加電圧例を示します。
パルスドアンペロメトリモードは、糖質だけでなくアルコール
類やアルデヒド、アミン、硫黄などの官能基を持つ成分の検出
モードとして確立されています。これらの成分は金や白金電極
Voltage (V)
化）電圧、還元電圧の 3 つの電圧をわずかな時間の間に繰返
0.4
0
-0.4
積分時間
-0.8
0
0.2
0.4
0.6
0.8
Time (sec)
上で酸化されて、その酸化物が電極表面に蓄積し、次の酸化
還元反応を妨害します。酸化物の蓄積を防ぐために正と負の
図 6 インテグレーテッドアンペロメトリモードの電位波形
高い電圧を電極に交互に印加して、電極表面を安定で活性
化した状態に保ちます。
このモードは、電極の酸化によって起こるバックグランド電
圧の影響を最小限にできるため、金属電極表面で金属の酸
化物によって酸化が促進されるようなアミンやスルホン酸基を
持つ成分の検出に有効です。また、pH 変化の影響を受けに
くいという特長もあるため、pH 変化を伴うようなグラジエント分
析の際にも、ベースラインの変動を抑制することができます。
図 7 にボルタングラムによるインテグレーテッドアンペロメトリ
A
B
1
2
1
Voltage (V)
モードとパルスドアンペロメトリモードの比較を示します。パル
スドアンペロメトリではパルスと遅延時間を除く一定な電圧が
測定されるのに対して、インテグレーテッドアンペロメトリモード
2
では酸化電圧および還元電圧の両方が印加されている間も
0.5
0
-0.5
1
0
荷はほぼゼロとなります。
0
6 12
Time (min)
図8
パルスドアン
ペロメトリー
酸化電流(A)
0.5
1
Time (sec)
インテグレーテッド
アンペロメトリー
0
6 12
Time (min)
積分時間を変えたときのクロマトグラムの違い
【電気化学検出器の検出対象成分】
分析対象成分
アルコール類、アルデヒド類
1,2,3 級アミン類
1,2,3 級アミン類
糖質
カテコールアミン
フェノール
シアン､硫黄
ヨウ素
亜硫酸、亜ヒ酸
硫化物、チオール、メルカプタン
0
-0.5
B
-1
測定がおこなわれます。測定目的成分がなければ、正味の電
-1.0
A
0
0.5
1.0
作用電極と参照電極の電位差(V)
図 7 インテグレーテッドアンペロメトリ（実線）と
パルスドアンペロメトリ（点線）の比較
試料；ロイシン、電極；金、溶媒；100mmol/L 水酸化ナトリウム
インテグレーテッドアンペロメトリの利点は、酸化や還元の際
に生じる電荷を測定しないため、ベースラインノイズを最小限
にできる点です。図 8 に積分時間の違いによるクロマトグラム
の差を示します。酸化物が生成されている間に生じる電流だ
検出方法
PA
PA
IntePA
IntePA
PA
D.C.
D.C.
D.C.
D.C.
IntePA
作用電極
Pt
Au
Au
Au
GC
Pt
Ag
Pt
Pt
Au
・PA：パルスドアンペロメトリ
・IntePA：インテグレーテッドパルスドアンペロメトリ
・D.C.：D.C.アンペロメトリ
・ Pt：白金電極
・ Au：金電極
・ GC：グラッシーカーボン電極
・ Ag：銀電極
【アプリケーション例】
A. 尿中のカテコールアミン
けを測定すると、ベースラインシフトは大きくなります（図 8-A）。
また、成分の応答値よりも電極の酸化抑制の影響が大きいた
め、ピークはマイナス方向に検出されます。正と負の電位を印
加している間に積分をおこなうと、ベースラインシフトもなくなり、
正の方向にピーク検出できます（図 8-B）。
カラム
Zorbax C-18
溶離液
クエン酸/酢酸/メタノール/オクタンスルホン酸
/EDTA
溶離液流量
1.0 mL/min
検出器モード
D.C.アンペロメトリ
作用電極
グラッシーカーボン（印加電圧 0.65 V）
試料導入量
20 µL
ピーク (µg/L)
1. ノルエピネフリン
2. エピネフリン
3. DHBA
4. ドーパミン
B. シアン化物イオン
100
D. ヒドラジン
10
80
8
CN− 1 mg/L
ヒドラジン 0.1 mg/L
6
nA
nC
60
4
40
2
20
0
0
0
2
4
6
8
10 12
Time (min)
カラム
IonPac AG15､AS15
溶離液
38 mmol/L NaOH
溶離液流量
1.0 mL/min
検出モード
D.C.アンペロメトリ
作用電極
銀電極 （印加電圧 0.0 V）
試料導入量
25 µL
14
16
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Time (min)
カラム
IonPac CG3､CS3
溶離液
30 mmol/L HCl
6 mmol/L ジアミノプロピオン酸･一塩酸塩
溶離液流量
1.0 mL/min
検出モード
パルスドアンペロメトリ
作用電極
白金電極 （印加電圧 0.5 V）
試料導入量
50 µL
E. ヨウ化物イオン
4
C. 硫化物イオン
4
-2 0
S− 10 mg/L
3
3
nC
µA
2
2
1
I− 50 µg/L
1
0
-1
0
0
1
2
3
4
5
6
7
Time (min)
8
9
10
0
2
Time (min)
IonPac AG11､AS11
カラム
IonPac AG16, AS16
カラム
溶離液
50 mmol/L NaOH
溶離液
50 mmol/L HNO3
溶離液流量
1.0 mL/min
溶離液流量
1.5 mL/min
検出モード
D.C.アンペロメトリ
検出モード
パルスドアンペロメトリ
作用電極
銀電極 （印加電圧 0.0 V）
作用電極
銀電極 （印加電圧 0.05 V）
25 µL
試料導入量
50 µL
試料導入量
4
H. 単糖と糖アルコール
0.3
F. シスチン､システイン
1.2
1.0
3
L-CYSTEINE
10 mg/L
0.6
L-CYSTINE
10 mg/L
0.4
5
6
µC
µC
2
0.2
0.8
1
4
7
0.1
8
0.2
0
0
-0.2
0
5
10
15
20
Time (min)
25
0
30
5
10
15 20 25
Time (min)
30
35
40
CarboPac MA1 Guard､MA1
カラム
OmniPac PAX 100 Guard､PAX 100
カラム
溶離液
0.1 mol/L HClO4､0.15 mol/L NaClO4
溶離液
0.48 mol/L NaOH
溶離液流量
1.0 mL/min
溶離液流量
0.4 mL/min
検出モード
インテグレーテッドパルスドアンペロメトリ
検出モード
インテグレーテッドパルスドアンペロメトリ
作用電極
金電極
作用電極
金電極
試料導入量
50 µL
試料導入量
25 µL
ピーク (各 100 µmol/L)
G. 単糖
40
nC
30
1
2
3 4
5
20
2. フコース
3. アラビトール
4. ソルビトール
5. マンニトール
6. マンノース
7. グルコース
8. ガラクトース
I. 多糖
120
6
10
1. キシリトール
100
0
80
5
10
15
Time(min)
20
CarboPac PA1 Guard､PA1
40
20
カラム
溶離液
16 mmol/L NaOH
溶離液流量
1.0 mL/min
検出モード
インテグレーテッドパルスドアンペロメトリ
作用電極
金電極
試料導入量
60
nC
0
0
0
10
20
30
Time (min)
40
CarboPac PA1 Guard､PA1
カラム
25 µL
ピーク (各 2.5 µmol/L)
溶離液
NaOH､酢酸ナトリウムグラジエント
1.0 mL/min
1. フコース
2. ガラクトサミン
溶離液流量
3. グルコサミン
4. ガラクトース
検出モード
インテグレーテッドパルスドアンペロメトリ
6. マンノース
作用電極
金電極
5. グルコース
試料導入量
25 µL
試料
アミロペクチン加水分解物
50
K. アミノ酸
J. アルコール類
7
400
Hys
6
6
5
300
4
Thr
3 5
2
1 4
3
Arg
7
2
11
8
Asp
Lys
200
Ser
nC
nC
9
12
Ala Gly
100
10
1
0
Cys-Cys
Phe
Pro
Tyr
Glu
Val
Met
Leu
Ile
Nle
0
0
5
10
15
20 25 30
Time (min)
35
0
40
5
10
15
20
Time (min)
25
30
35
IonPac ICE-AS1
カラム
溶離液
50 mmol/L HClO4
溶離液
NaOH/ 酢酸ナトリウム グラジエント
溶離液流量
0.8 mL/min
溶離液流量
0.25 mL/min
カラム
40
AminoPac PA10 Guard､PA10
検出モード
パルスドアンペロメトリ
検出モード
インテグレーテッドパルスドアンペロメトリ
作用電極
白金電極
作用電極
金電極
試料導入量
25 µL
試料導入量
25 µL
ピーク (各 20 µmol/L)
ピーク（µg/L）
1. ソルビトール
50
2. キシリトール
50
3. エリスリトール
50
4. グリセロール
20
5. エチレングリコール
20
6. メタノール
50
L. 亜ヒ酸
7. エタノール
50
8. 2-プロパノール
200
20
11. 1-ブタノール
200
10. 2-ブタノール
100
12. 3-メチル-1-プロパノール 300
2-
200
AsO2 : 2 mg/L
10
nA
9. 1-プロパノール
0
-10
0
カラム
2
4
6
8
Time (min)
10
12
14
IonPac ICE-AS1
溶離液
20 mmol/L HNO3
溶離液流量
1.0 mL/min
検出モード
D.C.アンペロメトリ
作用電極
白金電極 （印加電圧 0.2 V）
試料導入量
25 µL
電子署名者 : Jun Kato
DN: CN = Jun Kato, C = JP, L =
Yodogawa-ku Osaka-city, S =
Osaka, O = Nippon Dionex k.k.
理由 : この文書の承認者
場所 : 大阪市淀川区西中島6-3-14
日付 : 2007.08.25 12:35:43 +09'00'