(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基台上に形成された作用電極，対極のみを備えた酸度測定用電極であって、前記作用電極が酸化還元反応を起こさない不活性導電性材料から構成されるとともに、前記対極は導電性材料から構成され、前記作用電極の表面にはプレプロトンアタック物質が固定化されたプロトンアタック層が露出して形成されていることを特徴とする酸度測定用電極。
【請求項２】
前記作用電極，前記対極がそれぞれ薄膜状に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の酸度測定用電極。
【請求項３】
前記基台が基板であることを特徴とする請求項１または２に記載の酸度測定用電極。
【請求項４】
前記プレプロトンアタック物質がキノン化合物またはアゾ化合物であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の酸度測定用電極。
【請求項５】
前記作用電極の表面に前記プロトンアタック層の一部を露出させて周囲を絶縁材料によってモールドしたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の酸度測定用電極。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の酸度測定用電極と、前記酸度測定用電極に酸含有の被測定試料を滴下した際に前記作用電極と前記対極間に電圧を印加する電源と、前記作用電極と前記対極間の電位を所定の電位に制御する制御部と、前記作用電極と前記対極間に流れる電流を検知する検知部と、前記検知部によって検知された電流値を酸度に変換する演算部と、を備えていることを特徴とする酸度測定装置。
【請求項７】
前記被測定試料がジュースであることを特徴とする請求項６に記載の酸度測定装置。
【請求項８】
前記被測定試料がアルコール飲料であることを特徴とする請求項６に記載の酸度測定装置。
【請求項９】
前記被測定試料が食料油またはエンジンオイルであることを特徴とする請求項６に記載の酸度測定装置。
【請求項１０】
前記被測定試料が血清であることを特徴とする請求項６に記載の酸度測定装置。
【請求項１１】
プレプロトンアタック物質を固定化したプロトンアタック層が表面に露出して形成された作用電極、及び対極上に酸含有の被測定試料を滴下した後、前記作用電極と前記対極間に電圧を印加し、前記作用電極と前記対極間の電位を所定の電位に保持するとき、前記作用電極と前記対極間に流れる電流値を測定して酸度を算出することを特徴とする酸度測定方法。
【請求項１２】
前記プレプロトンアタック物質がキノン化合物またはアゾ化合物であることを特徴とする請求項１１に記載の酸度測定方法。
【請求項１３】
前記被測定試料を滴下して一部がヒドロ化したプレプロトンアタック物質を前記作用電極と前記対極間の電位を酸化電位としてプレプロトンアタック物質に戻し、次いで前記作用電極と前記対極間の電位を所定の還元電位に保持することを特徴とする請求項１１に記載の酸度測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、食品等に含まれる有機酸等を溶媒に希釈することなく直接測定することのできる酸度測定用電極及びそれを使用して酸度を測定する酸度測定装置並びにその測定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
各種の食品において、その製造工程上でそれぞれの酸度を測定することが行われているが、その測定方法には様々なものがある。従来の酸測定方法の一例を上げると、基準油脂分析法，日本農林規格，ＪＩＳ，日本薬局方油脂試験法，衛生試験法飲食物試験法，上水試験方法などで定められた方法等があるが、いずれもその測定の基本はフェノールフタレインを指示薬とした中和滴定法である。そこで、この中和滴定方法を説明するため、上水試験方法と基準油脂分析法で規定されている中和滴定法を以下説明する。
【０００３】
上水試験方法での酸度は、試料１リットル中に含まれている炭酸カルシウムに酸を換算したときのｍｇ数として定義される。具体的には試験水１００ｍＬを採り、フェノールフタレイン指示薬を約０．２ｍＬ前記試験水に加え、０．０２モル／Ｌの水酸化ナトリウム溶液を加え、密栓して軽く揺り動かし、紅色が消えたならば、さらに微紅色が消えずに残るまで滴定を続けたときを中和の終点としその水酸化ナトリウムのｍＬ数ａを求める。そのときの酸度θ（炭酸カルシウム換算ｍｇ／Ｌ）は（数１）に従って計算されるものである。
【０００４】
【数１】
0004461540.tif 000002
【０００５】
次に基準油脂分析法で規定されている中和滴定法を説明する。基準油脂分析法での酸価の定義は、試料１ｇ中に含まれている遊離脂肪酸を中和するに要する水酸化カリウムのｍｇ数をいう。液体試料の場合、試料をその推定酸価（例えば酸価１以下は２０ｇを採取、酸価１を越えて４以下は１０ｇを採取、酸価が４を越えて１５以下は２．５ｇを採取）に応じて採取して三角フラスコに正しく計り取る。これに中性溶剤１００ｍＬを加え、試料が完全に溶けるまで充分に振る。但し、ここでいう中性溶剤とはエチルエーテル、エタノール１：１の混合溶剤１００ｍＬにフエノールフタレイン指示薬約０．３ｍＬを加え、使用直前に１／１０規定（Ｎ）水酸化カリウム−エタノール溶液で中和したものである。
【０００６】
固体試料の場合は水浴上で加温溶融したのち溶剤を加えて溶解する。これを、１／１０規定（Ｎ）水酸化カリウム−エタノール標準液で滴定し、指示薬の色変化が３０秒続いたときを中和の終点と定める。そしてこのときの水酸化カリウムのｍｇ数を計算するものである。
【０００７】
しかし、以上説明した中和滴定法のほかに、これとはまったく異種の酸度を測定する方法として、電気化学的すなわちボルタンメトリーで酸度を測定する方法がある。この電気化学的に酸度を測定する方法は、特開平５−２６４５０３号公報で開示されているが、遊離脂肪酸とナフトキノン誘導体が共存する測定電解液を電位規制法によるボルタンメトリーによって測定するものである。ナフトキノン誘導体を還元する還元前置波の電流値の大きさが、蟻酸のような低級脂肪酸からオレイン酸やリノール酸のような高級脂肪酸まで全ての脂肪酸について、いずれも遊離脂肪酸の濃度に比例し、各脂肪酸の電流値を重ね合わせた値が脂肪酸の総濃度に対応することを利用している。すなわち、ナフトキノン誘導体における還元前置波の電流値の大きさを測ることにより酸濃度を測定するものである。この方法で測定したデータを図４の実線で示す。図４はボルタンメトリーによる酸度測定における電流−電位の関係を示すグラフ、図５はボルタンメトリーによる酸度測定における酸度−電流の関係を示すグラフで、これらは従来のナフトキノン誘導体が共存する測定電解液のボルタンメトリーによって酸度測定を行ったものである。図４において、横軸は比較電極に銀−塩化銀、作用電極にφ３のグラッシーカーボンを用いたときの、比較電極に対する作用電極の電位、縦軸はこのとき流れる電流値を示す。但し、電流値は作用電極の表面積の大きさや酸の濃度といった条件によって変わるものである。これに対して横軸の電圧値は酸の濃度によって若干の変動はあるものの表面積等による条件の影響は無視できる程度のものである。図４のＡが酸濃度に比例した還元前置波を示すプレピークであり、Ｂがナフトキノン誘導体の本ピークを示すものである。
【０００８】
このように比較的簡単な操作で測定が可能になる電気化学的測定方法であるが、測定電解液として、支持電解液とナフトキノン誘導体が溶解した有機混合溶媒に、遊離脂肪酸含有の被測定試料を微少量混合して作製するため、液の秤量ばらつきが測定精度に大きく効いてくるという問題を抱えていた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したように、中和滴定法を用いた従来の酸度測定装置は、測定者がフェノールフタレイン指示薬による色変化を判断して滴定の終点とするから、測定者によってその終点がまちまちとなって、酸度が測定者によって変化する可能性があった。
【００１０】
中でも基準油脂分析法における脂肪酸の中和滴定法の場合、中性溶剤としてエーテルとエタノールの混合溶液を用いており、エーテルの沸点が３４．６℃と引火しやすいため取り扱いも難しい。しかも、試料の色が濃い、例えば揚げ物を大量に揚げた油や、ジュース、ワイン等、素材そのものに色が着色している場合には、滴定終点付近におけるフェノールフタレインの色の変化を的確に把握できず、終点を読み間違えて測定値がバラつくという問題があった。そして、試料の量も数１０ｇ、中性溶剤が１００ｍＬ必要であり１回の測定に大量の試料が必要となり、測定数が増加すると大量の試料が必要となることが負担になるという問題もあった。
【００１１】
また特開平５−２６４５０３号公報で開示された電気化学的酸度測定装置は、測定試薬としてキノンとアルコールなどの有機溶媒と塩化ナトリウムなどの支持電解質を含んだ共存電解液が必要であり、さらには前記共存電解液と測定試料を所定の体積比率で混合する必要があるため、その混合ばらつきが測定精度に影響するため、装置使用上、使い勝手が悪いという問題を有していた。
【００１２】
従って、中和滴定法による測定と同様に電気化学的方法による酸度測定装置も依然として信頼性ある酸度の測定ができないものであった。また、電気化学的方法で酸度を測定する場合、測定前の電極の状態によって電極の電位が安定しないため、測定電流値が安定せず測定精度に影響していた。さらに、ボルタンメトリーするために電位を掃引しなければならず、このためには比較電極も必要であるため、装置全体のコスト高を招くものであった。このように原理的には優れた技術であっても、事実上の測定装置とするには難しい問題を抱えたものであった。
【００１３】
ただ、電気化学的方法による酸度測定装置の中でも、血糖値センサーに代表されるバイオセンサーは直接測定試料を垂らして測定できるものであって、溶媒の希釈や測定前の電極状態の悪影響がなく上記の共存電解液は不要で使い勝手はよいが、特開昭５８−９９７４６号公報にも示されているように、電極上に担持された酵素が測定試料と触媒反応中に出る電子を媒体化合物により直接電極に移動させるために、媒体化合物例えばフェロセンを有機溶媒に溶解し、それを電極表面に付着し、その後酵素のりん酸緩衝溶液を付着して作製することが必要である。このため、電極で測定している物質は試料内に直接含有されているものではなく、酵素反応後に発生した物質を測定している。従って、測定物質は間接的なもので、測定値の換算の際に誤差が発生する恐れがあった。
【００１４】
そこで本発明は従来のこのような問題を解決するもので、測定試料を希釈する必要がなく、試料に直接含まれている物質を測定することが可能であり、コンパクトで、簡単に操作でき、安価で短時間に、精度の高い酸度を測定することができる酸度測定用電極及びそれを使用して酸度を測定する酸度測定装置を提供することを目的とする。
【００１５】
また本発明は、測定溶媒がなく希釈しないために精度の高い酸度を測定することができる酸度測定方法を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明の酸度測定用電極は、基台上に形成された作用電極，対極のみを備えた酸度測定用電極であって、前記作用電極が酸化還元反応を起こさない不活性導電性材料から構成されるとともに、前記対極は導電性材料から構成され、前記作用電極の表面にはプレプロトンアタック物質が固定化されたプロトンアタック層が露出して形成されていることを特徴とする。
【００１７】
この構成により、被測定試料を希釈する必要がなく含有されている酸を直接測定することのできる安価な酸度測定用電極を提供することができる。
【００１８】
また、上記課題を解決するために本発明の酸度測定装置は、前記酸度測定用電極に酸含有の被測定試料を滴下した際に前記作用電極と前記対極間に電圧を印加する電源と、前記作用電極と前記対極間の電位を所定の電位に制御する制御部と、前記作用電極と前記対極間に流れる電流を検知する検知部と、前記検知部によって検知された電流値を酸度に変換する演算部と、を備えていることを特徴とする。
【００１９】
この構成により、被測定試料中の酸を高い精度で直接測定することが可能であるとともに、短時間に、安価、コンパクトで操作の容易な酸度測定装置を提供することができる。
【００２０】
さらに、上記課題を解決するために本発明の酸度測定方法は、プレプロトンアタック物質を固定化したプロトンアタック層が表面に露出して形成された作用電極、及び対極上に酸含有の被測定試料を滴下した後、前記作用電極と前記対極間に電圧を印加し、前記作用電極と前記対極間の電位を所定の電位に保持するとき、前記作用電極と前記対極間に流れる電流値を測定して酸度を算出することを特徴とする。
【００２１】
この構成により、測定するための溶媒が不要で試料の希釈が不要なために精度の高い酸度を測定することができる酸度測定方法を提供することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載された発明は、基台上に形成された作用電極，対極のみを備えた酸度測定用電極であって、前記作用電極が酸化還元反応を起こさない不活性導電性材料から構成されるとともに、前記対極は導電性材料から構成され、前記作用電極の表面にはプレプロトンアタック物質が固定化されたプロトンアタック層が露出して形成されていることを特徴とする酸度測定用電極であるから、プロトンアタック物質を混入した測定溶媒を作って酸度測定用電極を浸漬せずとも、被測定試料をそのまま酸度測定用電極に滴下するだけで酸から解離した水素及び非解離の水素をクロノアンペロメトリーにより直接測定することができる。
【００２３】
このプロトンアタック物質というのは、酸より解離したプロトン（Ｈ+）と結合する作用をもつにとどまらず、酸から非解離状態のプロトンを攻撃して引き抜く作用をもつ物質のことである。しかし、プロトンアタック物質は自然電位におかれたときにはそのような作用を起こさない。すなわち、この自然電位におかれた状態のものをプレプロトンアタック物質という。このプレプロトンアタック物質に自然電位よりマイナス側の電圧を印加すると、プレプロトンアタック物質が活性状態（ラジカル）でアニオン化し、プロトンアタック物質となるのである。従って、プロトンアタック層は、電極未使用時には安定したプレプロトンアタック物質を固定したものであるが、被測定試料を滴下し電圧を印加すると活性状態でアニオン化しプロトンアタック物質化すると、被測定試料中の酸が印加電圧で分極して酸のプロトン部分がδ＋となるため、プロトンアタック物質が酸のプロトンを引き抜くことが可能になるものである。
【００２４】
請求項２に記載された発明は、前記作用電極，前記対極がそれぞれ薄膜状に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の酸度測定用電極であるから、各電極を平面化して薄く、酸度測定用電極をコンパクトにすることができる。
【００２５】
請求項３に記載された発明は、前記基台が基板であることを特徴とする請求項１または２に記載の酸度測定用電極であるから、酸度測定用電極全体をコンパクトに形成することができる。
【００２６】
請求項４に記載された発明は、前記プレプロトンアタック物質がキノン化合物またはアゾ化合物であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の酸度測定用電極であるから、またキノン化合物やアゾ化合物が化学的に安定した物質であることから、電極の長期保存が可能になる。さらに、キノン化合物またはアゾ化合物は光によって分解のエネルギーを与えられても、固定化により分解に必要な活性化エネルギーが光エネルギーよりも高くなるため、光安定性が向上し光分解を起こすことがなく安定した測定をすることができる。
【００２７】
ここで、キノン化合物としては、ｐ−ベンゾキノン，ｏ−ベンゾキノン，ジフェノキノン，ナフトキノン，アントラキノン，ベンゼンアゾヒドロキノン等が用いられる。また、アゾ化合物としては、アゾベンゼン，アゾフェノール，ベンゼンアゾメタン，ベンゼンアゾエタン，アゾナフタリン，アゾトルエン，アゾ安息香酸，アゾアニリン，アゾアニソールメチルアゾベンゼン，１−ベンゼンアゾナフタリン，ベンゼンアゾナフトール，オキシアゾベンゼン，２，４−ジオキシアゾベンゼン等が用いられる。
【００２８】
請求項５に記載された発明は、前記作用電極の表面に前記プロトンアタック層の一部を露出させて周囲を絶縁材料によってモールドしたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の酸度測定用電極であるから、測定対象物質（酸）の電極に対する拡散が安定するため、酸度を安定して測定することができるし、表面に露出させる電極の面積を容易に調整することができる。
【００２９】
請求項６に記載された発明は、請求項１〜５のいずれかに記載の酸度測定用電極と、前記酸度測定用電極に酸含有の被測定試料を滴下した際に前記作用電極と前記対極間に電圧を印加する電源と、前記作用電極と前記対極間の電位を所定の電位に制御する制御部と、前記作用電極と前記対極間に流れる電流を検知する検知部と、前記検知部によって検知された電流値を酸度に変換する演算部と、を備えていることを特徴とする酸度測定装置であるから、表面に直接プロトンアタック層が露出して形成された電極を使用していることから、被測定試料を溶媒に希釈せずに直接クロノアンペロメトリー測定をすることができ、また、測定時間を短縮することができ、被測定試料に含有される酸の還元電流を測定するだけで容易に酸度を測定することができる。
【００３０】
請求項７に記載された発明は、前記被測定試料がジュースであることを特徴とする請求項６に記載の酸度測定装置であるから、ジュースに含有される有機酸を好適に測定することができる。
【００３１】
請求項８に記載された発明は、前記被測定試料がアルコール飲料であることを特徴とする請求項６に記載の酸度測定装置であるから、アルコール飲料に含有される有機酸を好適に測定することができる。
【００３２】
請求項９に記載された発明は、前記被測定試料が食料油またはエンジンオイルであることを特徴とする請求項６に記載の酸度測定装置であるから、食用油またはエンジンオイルに含有される遊離脂肪酸を好適に測定することができる。
【００３３】
ここで、食用油またはエンジンオイルを測定する場合、予め食用油またはエンジンオイルを有機溶剤に溶解させた後に支持電解質である過塩素酸リチウムまたは塩化リチウム等を混入した試料溶液を作製し、該試料溶液中の遊離脂肪酸を測定することが好ましい。
【００３４】
請求項１０に記載された発明は、前記被測定試料が血清であることを特徴とする請求項６に記載の酸度測定装置であるから、血清中の脂肪酸を好適に測定することができる。
【００３５】
ここで、血清を測定する場合、血清中の脂質成分を酵素によって分解遊離した脂肪酸を測定することが好ましい。
【００３６】
請求項１１に記載された発明は、プレプロトンアタック物質を固定化したプロトンアタック層が表面に露出して形成された作用電極、及び対極上に酸含有の被測定試料を滴下した後、前記作用電極と前記対極間に電圧を印加し、前記作用電極と前記対極間の電位を所定の電位に保持するとき、前記作用電極と前記対極間に流れる電流値を測定して酸度を算出することを特徴とする酸度測定方法であるから、プロトンアタック層が露出して形成された作用電極を使用するため、被測定試料を溶媒に希釈せずに直接クロノアンペロメトリー測定をすることができ、また、測定時間を短縮することができる。
【００３７】
請求項１２に記載された発明は、前記プレプロトンアタック物質がキノン化合物またはアゾ化合物であることを特徴とする請求項１１に記載の酸度測定方法であるから、プレプロトンアタック物質の中でも安定した物質であり、長期保存を行っても変化が少なく精度の高い測定を行うことができる。
【００３８】
請求項１３に記載された発明は、前記被測定試料を滴下して一部がヒドロ化したプレプロトンアタック物質を前記作用電極と前記対極間の電位を酸化電位としてプレプロトンアタック物質に戻し、次いで前記作用電極と前記対極間の電位を所定の還元電位に保持することを特徴とする請求項１１に記載の酸度測定方法であるから、被測定試料の滴下によってヒドロ化したプレプロトンアタック物質を酸化電位によって元に戻した後に還元電位を与えて酸度を測定するため、感度が上がりクロノアンペロメトリー測定の精度が向上する。
【００３９】
以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００４０】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における酸度測定装置の斜視図であり、図２（ａ）は本発明の実施の形態１における第１の酸度測定用電極の斜視図、図２（ｂ）は本発明の実施の形態１における第２の酸度測定用電極の斜視図、図２（ｃ）は本発明の実施の形態１における第３の酸度測定用電極の斜視図である。図中、１は本実施の形態における酸度測定装置、２は酸度測定装置１の本体部、３は本体部２の上面に配設された測定酸度を表示する表示手段のＬＣＤ、４は本体部２の上面に形成され測定を開始するためのスタート・ストップボタン、５は本体部２の上面に形成され酸度測定装置１の電源を入切する電源ボタン、６は本体部２の上面に形成された酸度の測定データを呼び出すボタン、７は被測定試料の酸度を測定する酸度測定用電極、８は本体部２と酸度測定用電極７を連結するための本体部側コネクター、９は本体部側コネクター８と連結する電極側コネクター、１０は酸度測定用電極７を支えるプレート及びポールからなる支持部、１１は金、炭素もしくはグラッシーカーボンと呼ばれるガラス状炭素や、ＰＦＣと呼ばれるプラスチックフォームを１０００℃〜２０００℃で燒結した炭素等の不活性導電性材料（但し、不活性導電性材料でも白金は若干安定性に欠けるため、使用を避けたほうが適当である。）からなる表面に、後述するプロトンアタック層１９が形成された作用電極、１３は白金，黒鉛，金，必要であればステンレス、アルミニウム及びその合金等の、測定溶液液中でも腐食しないで化学的に安定な導電性材料からなる対極、１４は作用電極１１を固定させる絶縁材料の樹脂、１５は上記２電極が配設された基台、１６は上記２電極と本体部２とを電気的に接続するケーブル、１７は枠状に形成された被測定試料の流出を防止するガード、１８は作用電極１１，対極１３の露出部分以外を覆うカバーである。
【００４１】
ここで、酸度測定用電極７としては、図２（ａ）に示すような箱状に形成された対極１３の内部に作用電極１１を樹脂１４でモールドして配設した構成のほか、図２（ｂ）に示すような被測定試料の液だれを防止するカバー１７を備えた構成、あるいは図２（ｃ）に示すような基板状の基台１５にカーボンペースト等をスクリーン印刷，スパッター，ＣＶＤ等で薄膜状の電極を形成し、露出部分以外をカバー１８で覆った構成としてもよい。
【００４２】
ところで，本発明の特徴をなすプロトンアタック層について以下説明する。プロトンアタック層１９の形成方法としては、以下の４つの方法がある。
【００４３】
図３（ａ）〜（ｄ）は作用電極１１上に形成されたプロトンアタック層のモデル図である。図３（ａ）はプロトンアタック層の物理的吸着方法を示すモデル図、図３（ｂ）プロトンアタック層の化学的表面結合を示すモデル図、図３（ｃ）プロトンアタック層の物理的表面固定方法を示すモデル図、図３（ｄ）プロトンアタック層の化学的表面固定方法を示すモデル図である。図中、１９はプロトンアタック層、２０はプロトンアタック層１９を形成するために表面に露出して固定化され、ラジカル化したとき脱プロトン作用を奏するキノン化合物，アゾ化合物等に代表されるプレプロトンアタック物質、２１はエポキシ樹脂，ウレタン樹脂等を主成分とする接着剤、２２は多孔質高分子からなる高分子膜である。プレプロトンアタック物質２０は、被測定試料の滴下があり電圧を印加すると活性状態でアニオン化し、プロトンアタック物質となる。このプロトンアタック物質は、酸より解離したプロトン（Ｈ+）と結合する作用をもつにとどまらず、酸から非解離状態のプロトンを攻撃して引き抜く作用をもつが、自然電位下ではそのような作用を起さない。この自然電位の状態のものがプレプロトンアタック物質である。キノン化合物としては、ｐ−ベンゾキノン，ｏ−ベンゾキノン，ジフェノキノン，ナフトキノン，アントラキノン，ベンゼンアゾヒドロキノン等が用いられる。また、アゾ化合物としては、アゾベンゼン，アゾフェノール，ベンゼンアゾメタン，ベンゼンアゾエタン，アゾナフタリン，アゾトルエン，アゾ安息香酸，アゾアニリン，アゾアニソールメチルアゾベンゼン，１−ベンゼンアゾナフタリン，ベンゼンアゾナフトール，オキシアゾベンゼン，２，４−ジオキシアゾベンゼン等が用いられる。このうち、ｐ−ベンゾキノン，ｏ−ベンゾキノンが後述するように光安定性と溶存酸素の影響を絶つことができる点で有力であり、とくに3,5−ジ−ｔｅｒｔ−ブチル−1，2−ベンゾキノンと2,6-ジメチル−1，4−ベンゾキノンはこの点で優れている。
【００４４】
図３（ａ）に示される物理的吸着方法は、エタノール等の有機溶媒にプレプロトンアタック物質２０、例えばキノン化合物を５〜３０ｍＭ溶解させた共存溶液を、作用電極１１の表面に３０μｍ以下に均一に引き伸ばして塗りつけたあと、有機溶媒を乾燥させて固定する方法である。
【００４５】
図３（ｂ）に示される化学的表面結合方法は、プレプロトンアタック物質２０をヒドロ化もしくは硫黄によってメルカプト化した後、支持電解質を含有した有機溶媒に溶解させ共存電解液とし作用電極１１，対極１３を浸漬させ、作用電極１１と対極１３間に０．５〜２．０Ｖの酸化電圧がかかるように印加して固定するか、もしくは、作用電極１１と対極１３間に０．５〜２．０Ｖの酸化電圧と−０．５〜−２．０Ｖの還元電圧を交互にかかるように印加して固定する方法である。
【００４６】
以下、この固定化方法を具体例を挙げて説明する。この固定化にあたっては酸度測定用電極７のように作用電極１１と対極１３のみではなく、作用電極１１と対極１３のほかに参照電極が必要である。ｐＨ６．８６の標準りん酸緩衝液２００ｍＬにメルカプトヒドロキノン１０ｍＭを溶解した溶液中に作用電極１１と対極１３と参照電極を浸漬し、参照電極に対して作用電極１１の電位が０．５〜１Ｖとなるように掃引速度１００ｍＶ／ｓで１００回掃引すると、作用電極１１の表面にメルカプトキノンのポリマーが固定化されてプロトンアタック層１９が形成される。このほか、単純に参照電極に対して作用電極１１の電位が１Ｖとなるように印加しても、固定化量は少ないがキノンを固定化することができる。
【００４７】
なお、硫黄を使用せずに作用電極１１，対極１３を共存電解液に浸漬し、０．５〜２．０Ｖの酸化電圧を印加してもプロトンアタック層１９の形成が可能である。但し、この方法を用いた場合、メルカプト化した場合と比較して固定力が劣る。
【００４８】
図３（ｃ）に示される物理的表面固定方法は、絶縁性の接着剤２１にプレプロトンアタック物質２０の粒状物を混入し、作用電極１１表面に３０μｍ以下に均一に引き伸ばして塗り付ける方法である。電極表面に塗り付ける方法としては、ある程度の粘度を持たせた塗布液をスピンコート，スクリーン印刷等で塗り付ける方法が好ましい。
【００４９】
図３（ｄ）に示される化学的表面固定方法は、多孔質高分子であるナフィヨン（デュポン社製），ポリヒドロキシエチルメタクリレート等をエタノール等の有機溶媒に１〜３重量％溶解した後、エタノール等の有機溶媒にプレプロトンアタック物質２０、ここではキノン化合物を１０〜３０ｍＭ溶解させた溶液を２０〜５０％混入して、作用電極１１表面に３０μｍ以下に均一に引き伸ばして塗り付ける方法である。電極表面に塗り付ける方法としては、塗布面積が１００平方ｍｍ程度の場合、マイクロシリンジを用いて塗布液を０．０６ｍＬ滴下し、スピンコートを行う方法が好ましい。作用電極表面を鏡面近くまで研磨している場合、塗布液を滴下して自然に薄く均一に広がるのを待って乾燥させても良い。その際に塗布液の滴下量と作用電極の表面粗さを管理しておけば、安定した作用電極１１を作製できる。
【００５０】
以上説明したような固定化方法でプロトンアタック層１９を形成し、図２（ａ），（ｂ）のように絶縁性の樹脂１４でプロトンアタック層１９の一部を露出させてモールドするか、または図２（ｃ）のようにカバー１８でプロトンアタック層１９の一部を露出させて覆うと、電極面積のコントロールが容易になるとともに電極に対する被測定試料の拡散が安定し、測定精度が向上する。
【００５１】
ところで、本実施の形態１の作用電極１１は、キノン化合物やアゾ化合物等のプレプロトンアタック物質が露出状態で固定化されてプロトンアタック層を形成しているので、光分解を起こし易いプレプロトンアタック物質が安定化し、精度の高い安定した測定をすることを可能にする。すなわち、プレプロトンアタック物質が光によって分解のエネルギーを与えられたとしても、固定化したことによって分解に必要な活性化ポテンシャルが光エネルギーより高くなるために光分解がほとんど起こらず、安定した測定が可能になるからである。
【００５２】
以上説明した本実施の形態１における酸度測定用電極を使用した酸度測定装置について、以下その動作を説明する。
【００５３】
まず、本発明の酸度測定装置の酸度測定方法を説明する。図４はボルタンメトリーによる酸度測定における電流−電位の関係を示すグラフである。図中、横軸は参照電極に対する作用電極の電位を、縦軸は対極に流れる還元電流値を表す。また、電位Ａで形成されたピークは酸の濃度によるプレピークであり、電位Ｂに示される部分はキノンの濃度による本ピークである。但し、還元電流値は作用電極１１の表面積の大きさや酸の濃度、電位の掃引速度といった条件によって変わるものである。しかし、横軸のプレピークの現れる電位Ａは酸の濃度によって若干変動はあるものの、これらの条件が電位Ａへ与える影響は無視できる程度のものである。図５はプレピークを示す電位における還元電流値と酸度の関係を示すグラフである。図中、横軸は対極１３の還元電流値を、縦軸は被測定試料の酸度を表す。図５より、プレピークを示す電位における還元電流値と被測定試料の酸度は一定の関係を保つため、還元電流値を測定することによって被測定試料の酸度を算出できることがわかる。
【００５４】
そこで、以下クロノアンペロメトリーによって還元電流値を測定し酸度を算出する方法を説明する。図６（ａ）は本発明の一実施の形態における酸度測定装置のクロノアンペロメトリーによる酸度測定の還元電流−時間の関係を示すグラフ、図６（ｂ）は本発明の一実施の形態における酸度測定装置のクロノアンペロメトリーによる酸度測定の印加電位−時間の関係を示すグラフである。このクロノアンペロメトリーは、図４に示した電位Ａを作用電極１１と対極１３間に欠けるためにパルス状定電圧を印加し、作用電極１１と対極１３間に流れる還元電流を測定するものである。パルス状定電圧に代えてステップ状定電圧であってもよい。理由は後述する。以下、図６（ａ）（ｂ）に従って、電極表面で生じる電解反応について説明する。
【００５５】
（Ａ段階）  ステップ▲１▼（▲２▼）から▲３▼の間
図６（ａ）、（ｂ）に示すように、ステップ▲１▼から▲２▼、▲２▼から▲３▼にかけて＋３００〜＋１０００ｍＶの電位をかける。これは一部ヒドロ化したプレプロトンアタック物質、本実施の形態１ではヒドロキノン化合物を酸化することでもとのプレプロトンアタック物質、本実施の形態１ではキノン化合物に戻すものである。▲１▼から▲３▼への時間は酸化に十分な時間があればよい。このプラスの印加電圧によりヒドロ化したものがなくなり、その後測定する還元電流値が正確に測定できることになる。
【００５６】
（Ｂ段階）  ステップ▲３▼から▲４▼の間
クロノアンペロメトリーのために、本実施の形態１では▲３▼のステップ開始と同時にキノン化合物を還元する電位Ａ（例えば、−３００ｍＶ）のパルス状定電圧を印加する。この段階で作用電極１１表面上に電気二重層が形成される。印加開始から１００μｓｅｃの時間内に、作用電極１１近傍の被測定液に含まれるイオンが動いて電荷分布を形成し、電気二重層を形成する。ステップ▲３▼から▲４▼の間に流れる還元電流はこのときのイオンの移動によるものである。作用電極１１上にはプレプロトンアタック物質が固定化されていて被測定液中に接液し、マイナスの電位が印加されるため、プレプロトンアタック物質は測定液中でラジカル化し、プロトンアタック物質となって周囲の酸からプロトンを脱離させ、自らは、プロトンを取り込んでカチオン化する。カチオン化したプロトンアタック物質は正電荷を帯びており、マイナスの電位が印加された作用電極１１に上で電気二重層を形成する。なお、本実施の形態１においてはプレプロトンアタック物質はキノン化合物であり、ヒドロラジカル化することでヒドロキノンラジカルとなっている。
【００５７】
（Ｃ段階）  ステップ▲４▼から▲４▼’の間
この段階に、プロトンを取り込みカチオン化したプロトンアタック物質は、電子の移動により還元され、電子を受け取りヒドロ化する。キノン化合物の場合ヒドロキノンとなる。この還元反応は、作用電極１１上の電気二重層内のラジカル化したプロトンアタック物質がヒドロ化することで急激に電子移動が行われ、還元電流は急に減衰する。この電流をファラデー電流という。ファラデー電流は５００μｓｅｃ程度で減衰する。
【００５８】
（Ｄ段階）  ステップ▲４▼’から▲５▼の間
この段階は電位印加開始から５００μｓｅｃ以降の電流値の減衰であり、Ｂ段階で費消されたプロトンアタック物質の表面濃度を補うため、被測定液中のイオンや物質の拡散、対流、泳動によってバルク層から補給物質が作用電極１１上に輸送される。測定試料である酸は電圧が印加されると、プロトン部が分極によりδ＋となる。従って、このδ＋によって酸も作用電極１１に輸送され、プロトンの供給でヒドロ化したプロトンアタック物質の補給が行われる。このとき流れる還元電流は、物質輸送による補給速度と、作用電極１１上のファラデー電流による電子移動（費消速度）とのバランスで決まる。この物質輸送に伴う電流は時間ｔの−１／２乗に比例して減衰する。
【００５９】
（Ｅ段階）  ステップ▲５▼から▲６▼の間
この段階はパルス状定電位の印加を終了して、自然電位に戻す段階である。
【００６０】
以上説明した（Ａ段階）（Ｂ段階）（Ｃ段階）（Ｄ段階）（Ｅ段階）を図で示すと、図６（ａ）のような関係となるが、酸の濃度を明確に示すのはＣ段階の還元電流である。プロトンアタック物質は、プロトン部がδ＋に分極した酸からプロトンを奪ってカチオン化する。このプロトンの量は酸の濃度に比例する。このカチオン化したプロトンアタック物質を還元してヒドロ化する還元電流は、プロトンの量すなわち酸の濃度に一義的な関係を有する。これがＣ段階の還元電流であり、ステップ▲３▼から▲４▼の電流値Ｉは、（数２）と図７に示すように、ｌｏｇ（Ｉ）が酸の酸度θと比例関係を有し、ｌｏｇ（Ｉ）からの換算により酸度θを算出することができる。図７は本発明の実施の形態１における還元電流値の対数と酸度の関係を示すグラフである。パルス状定電圧でなくステップ状定電圧でもよいという理由は（Ｄ段階）に両者の違いが現われるだけだからである。
【００６１】
【数２】
0004461540.tif 000003
【００６２】
ところで、還元電流Ｉは還元電位を印加した瞬間から流れるから、測定開始のタイミングのばらつきでタイムラグが生じ測定値に影響が出る。そこで、還元電流値の測定は還元電位を印加してある程度の時間が経過した時点、例えば１〜１０μｓｅｃ後に測定するのが望ましい。
【００６３】
次に、本実施の形態における酸度測定装置の制御回路について説明する。
【００６４】
図８は本発明の実施の形態１における酸度測定装置の制御回路図である。なお、図１，２（ａ）〜（ｃ）で説明したものと同様のものは、同一の符号を付して説明を省略する。図中、４’は測定を開始するためのスタート・ストップボタン４により入切するスタート・ストップスイッチ、５’は酸度測定装置の電源を電源ボタン５により入切する電源ＯＮ−ＯＦＦスイッチ、２３はマイクロコンピューター等から構成されるクロノアンペロメトリーするための内部回路の制御部、２４は発振子、２５は発振子２４より発生する信号を基に内部でクロックを作る分周回路、２６は分周回路２５の作るクロックをカウントして計時を行うタイマ手段、２７は制御部２３より送られるデジタル信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａコンバーター、２８はＤ／Ａコンバーター２７より送られるアナログ信号をＲＣ積分回路を経てオペアンプのイマジナリーショートにより対極１３に印加される電圧を制御するモニタリング回路、２９は抵抗器、３０は対極１３に流れた電流を電圧に変換する差動アンプ、３１はアナログ信号をデジタル信号に変換して制御部２３に再入力するＡ／Ｄコンバーター、３２はマイクロコンピューター等から構成される被測定試料の酸度を算出する演算部である。
【００６５】
まず、電源ボタン５（図１）を押すとＬＣＤ３が動作可能となる。次にスタート・ストップボタン４（図１）を押して測定開始すると、制御部２３は発振子２４で発生する信号を基に分周回路２５によってクロックを作り、そのクロックをカウントしてタイマ手段２６が１０6分の１秒単位で計時を開始する。タイマ手段２６の計時に同期して制御部２３はＤ／Ａコンバーター２７へ所定の電圧のデジタル信号を送る。デジタル信号はＤ／Ａコンバーター２７によって図６（ｂ）に示すようなパルス状のアナログ信号に変換され、モニタリング回路２８を経て対極１３に出力される。図６（ｂ）に示すように、▲１▼のタイミングでプラス側の電位を所定時間印加した後、▲４▼のタイミングでマイナス側の電位を印加する。最初にプラス側の電位を印加するのは、一部ヒドロ化したプレプロトン物質、本実施の形態１ではヒドロキノン化合物を酸化することで、もとのプレプロトンアタック物質、本実施の形態１ではキノン化合物に戻すための処理であり、これについては既に説明したとおりである。
【００６６】
モニタリング回路２８では、モニタリング回路２８を構成するオペアンプのイマジナリショートを利用して、出力側の対極１３に印加される電圧をアナログ信号に従って制御し、マイナス入力側の対極１３の電圧がアナログ信号と同じ値になるようにする。これにより、対極１３の電位は制御部２３により制御され、作用電極１１は所定のプラス電位を印加されているから、対極１３と作用電極１１の電位差は所定の値＋８００〜−１０００ｍＶの範囲に制御される。一方、対極１３に流れる電流は、抵抗器２９の両端の電圧が差動アンプ３０を通ることにより電圧へ変換され、Ａ／Ｄコンバーター３１を介してアナログ信号からデジタル信号へ変換されて、さらに制御部２３へ入力される。
【００６７】
制御部２３は、この電圧から＋８００〜−１０００ｍＶの酸の還元電位における還元電流を換算する。測定開始タイミングによるばらつきを抑えるため、１〜１０μｓｅｃ程度の一定時間後に測定した電流値を基に演算部３２で酸度を計算し、その値をＬＣＤ３で表示する。
【００６８】
本実施の形態１の酸度測定用電極は、果物のジュースにはクエン酸やリンゴ酸や酒石酸等の有機酸が含まれているため、これらのプレピークを与える電位を作用電極と対極間に印加することにより、極めて簡単、好適に酸度を測定することができる。また、アルコール飲料も味に決定的な差を生じる有機酸を含んでいるので、この還元電位を印加することで酸度を測定することができる。さらに、コーヒーにはクロロゲン酸等の有機酸が含まれており、この酸度を測定することで、産地の違いや感で判断していたコーヒーの酸味が正確に測定できる。
【００６９】
同様に、食料油やエンジンオイルも劣化によって遊離脂肪酸が生成されるから、この遊離脂肪酸を測定することで酸度が分かり、劣化の程度を知ることができる。食用油やエンジンオイルを測定する場合、予め食用油またはエンジンオイルを有機溶剤に溶解させた後に支持電解質である過塩素酸リチウムまたは塩化リチウム等を混入して試料溶液を作製し、この試料溶液を本実施の形態１の酸度測定用電極に滴下して測定するのが好ましい。また、被測定試料が血清であっても、血清中の脂質成分を予め酵素によって分解遊離した脂肪酸を測定することにより、血清中の脂肪酸を好適に測定することができる。酵素を溶剤に溶解させた試料溶液を本実施の形態１の酸度測定用電極に滴下して測定すれば、従来の技術のように間接的に脂質成分を測定するのでなく、直接これを測定できる。
【００７０】
以上のように、本実施の形態における酸度測定装置及び酸度測定用電極は構成されているので、以下のような作用を有する。
【００７１】
（１）作用電極のプロトンアタック層、例えばメルカプトキノンがポリマー化して固定化されているので、被測定試料にプロトンアタック物質や溶媒等を別個に混合する必要がなく、電解液中に被測定試料を混入して用意する必要がなく、簡単迅速に直接被測定液中に含有された酸の酸度を測定することができる。
【００７２】
（２）また、樹脂でモールドされた酸度測定用電極は、作用電極のプロトンアタック層の露出面積を容易に調整可能であり、また、基板上に各電極を薄膜状に形成した酸度測定用電極は、極めてコンパクトな形状とすることができる。作用電極と対極だけであるから、製造も容易で、測定装置を安価、簡単化することができる。
【００７４】
【発明の効果】
以上のように、本発明の酸度測定用電極によれば、以下のような有利な効果が得られる。
【００７５】
請求項１に記載された発明によれば、プレプロトンアタック物質を混入した測定溶媒を作って酸度測定用電極を浸漬せずとも、被測定試料をそのまま酸度測定用電極に滴下するだけで酸から解離した水素及び非解離の水素をクロノアンペロメトリーにより直接測定することができる。
【００７６】
請求項２に記載された発明によれば、各電極を平面化して薄く、酸度測定用電極をコンパクトにすることができる。
【００７７】
請求項３に記載された発明によれば、酸度測定用電極全体をコンパクトに形成することができる。
【００７８】
請求項４に記載された発明によれば、電極の長期保存が可能になる。さらに、キノン化合物またはアゾ化合物は光によって分解のエネルギーを与えられても、固定化により分解に必要な活性化エネルギーが光エネルギーよりも高くなるため、光安定性が向上し光分解を起こすことがなく安定した測定をすることができる。
【００７９】
請求項５に記載された発明によれば、測定対象物質（酸）の電極に対する拡散が安定するため、酸度を安定して測定することができるし、表面に露出させる電極の面積を容易に調整することができる。
【００８０】
また、本発明の酸度測定用装置によれば、以下のような有利な効果が得られる。
【００８１】
請求項６に記載された発明によれば、溶媒に希釈せずに直接クロノアンペロメトリー測定をすることができ、また、測定時間を短縮することができ、被測定試料に含有される酸の還元電流を測定するだけで容易に酸度を測定することができる。
【００８２】
請求項７に記載された発明によれば、ジュースに含有される有機酸を好適に測定することができる。
【００８３】
請求項８に記載された発明によれば、アルコール飲料に含有される有機酸を好適に測定することができる。
【００８４】
請求項９に記載された発明によれば、食用油またはエンジンオイルに含有される遊離脂肪酸を好適に測定することができる。
【００８５】
請求項１０に記載された発明によれば、血清中の脂肪酸を好適に測定することができる。
【００８６】
さらに、本発明の酸度測定用方法によれば、以下のような有利な効果が得られる。
【００８７】
請求項１１に記載された発明によれば、プロトンアタック層が露出して形成された作用電極を使用するため、被測定試料を溶媒に希釈せずに直接クロノアンペロメトリー測定をすることができ、また、測定時間を短縮することができる。
【００８８】
請求項１２に記載された発明によれば、プレプロトンアタック物質の中でも安定した物質であり、長期保存を行っても変化が少なく精度の高い測定を行うことができる。
【００８９】
請求項１３に記載された発明によれば、被測定試料の滴下によってヒドロ化したプレプロトンアタック物質を酸化電位によって元に戻した後に還元電位を与えて酸度を測定するため、感度が上がりクロノアンペロメトリー測定の精度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における酸度測定装置の斜視図
【図２】（ａ）本発明の実施の形態１における第１の酸度測定用電極の斜視図
（ｂ）本発明の実施の形態１における第２の酸度測定用電極の斜視図
（ｃ）本発明の実施の形態１における第３の酸度測定用電極の斜視図
【図３】（ａ）プロトンアタック層の物理的吸着方法を示すモデル図
（ｂ）プロトンアタック層の化学的表面結合を示すモデル図
（ｃ）プロトンアタック層の物理的表面固定方法を示すモデル図
（ｄ）プロトンアタック層の化学的表面固定方法を示すモデル図
【図４】ボルタンメトリーによる酸度測定における電流−電位の関係を示すグラフ
【図５】ボルタンメトリーによる酸度測定における酸度−電流の関係を示すグラフ
【図６】（ａ）本発明の一実施の形態における酸度測定装置のクロノアンペロメトリーによる酸度測定の還元電流−時間の関係を示すグラフ
（ｂ）本発明の一実施の形態における酸度測定装置のクロノアンペロメトリーによる酸度測定の印加電位−時間の関係を示すグラフ
【図７】本発明の実施の形態１における還元電流値の対数と酸度の関係を示すグラフ
【図８】本発明の実施の形態１における酸度測定装置の制御回路図
【符号の説明】
１  酸度測定装置
２  本体部
３  ＬＣＤ
４  スタート・ストップボタン
４’  スタート・ストップスイッチ
５  電源ボタン
５’  電源ＯＮ−ＯＦＦスイッチ
６  ボタン
７  酸度測定用電極
８  本体部側コネクター
９  電極部側コネクター
１０  支持部
１１  作用電極
１３  対極
１４  樹脂
１５  基台
１６  ケーブル
１７  ガード
１８  カバー
１９  プロトンアタック層
２０  プレプロトンアタック物質
２１  接着剤
２２  高分子膜
２３  制御部
２４  発振子
２５  分周回路
２６  タイマ手段
２７  Ｄ／Ａコンバーター
２８  モニタリング回路
２９  抵抗器
３０  差動アンプ
３１  Ａ／Ｄコンバーター
３２  演算部
【図１】
0004461540.tif 000004
【図２】
0004461540.tif 000005
【図３】
0004461540.tif 000006
【図４】
0004461540.tif 000007
【図５】
0004461540.tif 000008
【図６】
0004461540.tif 000009
【図７】
0004461540.tif 000010
【図８】
0004461540.tif 000011