(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水試料の化学的酸素要求量を決定する方法であって、次の工程：
（ａ）光活性のある作用電極及び対電極を有し且つ支持電解質溶液を含有する光電気化学セルに一定の電位バイアスを施用する工程；
（ｂ）該作用電極を光源で照らして、該作用電極にて該支持電解質溶液からもたらされるバックグラウンド光電流を記録する工程；
（ｃ）分析すべき水試料を該光電気化学セルに添加する工程；
（ｄ）該作用電極を光源で照らして、該試料によりもたらされる全光電流を記録する工程；
（ｅ）枯渇的又は非枯渇的である使用される分解条件のタイプにしたがって、該水試料の化学的酸素要求量を決定する工程
を含む方法。
【請求項２】
光活性のある作用電極がナノ粒子からなる半導性電極である、請求項１記載の方法。
【請求項３】
作用電極が不活性な電導性基板上にコートされた二酸化チタンナノ粒子層である、請求項２記載の方法。
【請求項４】
作用電極及び対電極に加えて参照電極も使用される、請求項１記載の方法。
【請求項５】
化学的酸素要求量を、水試料中に存在するすべての有機物を酸化する枯渇的分解条件下で決定する、請求項１記載の方法。
【請求項６】
化学的酸素要求量を、水試料中に存在する有機物を部分的に酸化する非枯渇的分解条件下で決定する、請求項１記載の方法。
【請求項７】
バックグラウンド光電流を試料によりもたらされる全光電流から控除して、該試料中の有機材料の酸化による光電流を得る、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
試料を支持電解質溶液により希釈する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
バッチ様式、フロー・ストップ様式及び連続フロー様式を含む異なる操作様式を用いる静止又はフローセルにより枯渇的分解条件下で電荷又は電流を測定することにより、化学的酸素要求量を決定する、請求項１記載の方法。
【請求項１０】
バッチ様式、フロー・ストップ様式及び連続フロー様式を含む異なる操作様式を用いる静止又はフローセルにより非枯渇的分解条件下で電荷又は電流を測定することにより、化学的酸素要求量を決定する、請求項１記載の方法。
【請求項１１】
水試料の酸素要求量を決定するための光電気化学アッセイ装置であって、
（ａ）分析すべき試料保持するための測定セル、
（ｂ）前記セルに配置された光活性のある作用電極及び対電極、
（ｃ）該光活性のある作用電極を照らすように適合された光源、
（ｄ）該作用電極の照度、施用する電位バイアス及び光電流記録を制御する制御手段、
（ｃ）該作用電極にて光電流／電荷を測定する光電流／電荷測定手段、
（ｆ）該光電流／電荷測定手段による測定値から酸素要求量の大きさを導く分析手段
からなる装置。
【請求項１２】
測定セルがフロースルーセルである、請求項１１記載の装置。
【請求項１３】
参照電極が測定セル中に含まれている、請求項１１又は１２記載の装置。
【請求項１４】
光活性のある作用電極がナノ粒子からなる半導性電極である、請求項１１〜１３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１５】
作用電極が不活性な電導性基板上にコートされた二酸化チタンナノ粒子層である、請求項１１〜１４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１６】
バックグラウンド光電流を測定するため及び試料を希釈するために使用される支持電解質用の貯蔵器も含む、請求項１１〜１５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１７】
試料の供給／注入系及び支持電解質の供給／注入系も含む、請求項１６記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【発明の開示】
【０００１】
発明の分野
本発明は、光電気化学セルを用いて水の酸素要求量を決定するための新規な方法に関する。特に、本発明は、二酸化チタンナノ粒子半導性電極を用いて水試料の化学的酸素要求量を決定する新規な光電気化学的方法に関する。
【０００２】
発明の背景
殆どすべての家庭及び産業排水排出物は有機化合物を含有しており、この有機化合物は、排出物が放出される水路において有害な酸素の枯渇（又は要求）を引き起こす可能性がある。こうした要求は、主として、有機材料を食物源として利用する天然起源の微生物による、有機化合物の酸化性生分解のためである。
【０００３】
水中の酸素要求量などの総合的な特性を決定する標準的な分析方法論は、生化学的酸素要求量（ＢＯＤ）及び化学的酸素要求量（ＣＯＤ）である。ＢＯＤは、有機材料を酸化して酸素要求量を見積もるための従属栄養微生物の使用を包含する。ＣＯＤは、有機材料を酸化するために、重クロム酸塩又は過マンガン酸塩などの強い酸化剤を使用する。ＢＯＤ分析は５日間にわたって実施され、酸素要求量は滴定により又は酸素プローブを用いて決定される。ＣＯＤは重クロム酸塩又は過マンガン酸塩の消耗を滴定又は分光測光により測定する。
【０００４】
酸素要求量を見積もるために一般に広く使用されているにもかかわらず、ＢＯＤ及びＣＯＤ方法論のいずれにも深刻な技術的限界が存在する。いずれの方法も時間がかかり、また非常に費用もかかり、水関連産業及び地方自治体は毎年世界中で１０億ドルを超えるお金を使っている。ＢＯＤアッセイに関する他の問題としては、線形で作用する範囲が限定されていること；手順が複雑で時間がかかること；正確性と再現性が疑わしいこと（標準的な方法は、反復されたＢＯＤ５分析について±１５％の相対標準偏差を許容する。）が挙げられる。より重要なことは、試料溶液中の汚染物と使用する微生物シードの性質とに依存して、結果が問題としている水域に特異的なものとなる傾向があることから、ＢＯＤ結果の解釈が困難であることである。加えて、汚染物は従属栄養微生物に対して抑制効果や毒性効果を及ぼすため、ＢＯＤ方法論は、重度に汚染された多くの水域について酸素要求量を評価するためには使用することはできない。
【０００５】
ＣＯＤ法はＢＯＤ法より迅速で変動が少ないので、重度に汚染された水域中の有機汚染物の酸素要求量を評価するためには好ましい。しかし、このことにもかかわらず、ＣＯＤ法は、時間がかかり、試料を還流するのに２〜４時間を必要とする、また、費用がかかり（例えば、Ａｇ２ＳＯ４）、腐食性があり（例えば、濃Ｈ２ＳＯ４）、高度に毒性がある（Ｈｇ（ＩＩ）及びＣｒ（ＶＩ））試薬を使用する、などの幾つかの欠点を有している。毒性のある試薬の使用は特に環境上の懸念があり、日本ではＣｒ（ＶＩ）法は廃止になっている。
【０００６】
酸化チタン（ＩＶ）（ＴｉＯ２）は、有機化合物の光酸化において広範囲に使用されてきた。ＴｉＯ２は非光腐食性、非毒性であり、費用がかからず、高度に触媒作用を示すナノ粒子形態で比較的容易に合成され、有機化合物の光酸化分解において高度に効率的である。
【０００７】
Fox M. A. and Tien, T, Anal. Chem,(60 1988) 2278-2282は、高圧液体クロマトグラフィーにおける使用について、アノードに形成されたＴｉＯ２電極を使用することにより光電気化学検出器の開発を研究した。この光電気化学検出器は、アルコールなどの酸化可能な有機物に対して感度が高いと報告されている。Foxらにより開発された電極系は、系の光触媒効率が低く、水及び有機物の酸化から発生する個々の電流を区別できないため使用するのが困難であった。
【０００８】
Brown, G. N., et al., Anal. Chem, 64 (1992) 427-434は、フローインジェクション分析及び液体クロマトグラフィーにおける検出器としての使用について、熱的に形成されたＴｉＯ２電極を使用することにより光電気化学検出器の使用を研究した。この検出器は、種々の有機分析物に対する応答において非選択的であることがわかった。Brownらは、温度、加熱の時間、酸化性雰囲気、チタンワイヤ電極のエッチング、ＴｉＯ２検出器上のドーピング量、及び溶媒によって検出器の応答が変動することを発見した。Foxらと同様に、この電極系は光触媒効率が低く、水及び有機物の酸化から発生する個々の電流を区別することができない。
【０００９】
Matthews R. W. ら, Analytica Chimica Acta 233 (1990) 171-179（オーストラリア特許597165の主題でもある）は、ＴｉＯ２光触媒酸化系を利用して、ＴｉＯ２をスラリー又は懸濁液中に入れ、試料内の有機材料を光酸化して二酸化炭素（ＣＯ２）を放出させることにより、水試料中の全炭素を決定した。放出されたＣＯ２を測定して、試料のＴＯＣ値を予測した。Matthewsは、全有機炭素は光触媒セルからパージされた二酸化炭素の全量から見積もることができることを発見した。また、Jiang D. ら, J. Photochem & Photobio A: Chemistry 144 (2001) 197-204は、メタノールの光酸化においてＴｉＯ２薄膜電極の光電気化学的挙動を研究した。Jiangは、電極の光電流応答は、施用される電位、光強度、メタノール濃度、及びｐＨにより大きな影響を受けることを発見した。メタノールの光酸化を通じてもたらされる光電流と試料中の濃度との間に線形の関係が存在することが発見された。しかしながら、メタノールの濃度はＴｉＯ２薄膜を横切る光電子の移動を増加させ、したがって、光発生された電荷の分離が律速段階となるから、光電流と濃度の間に線形関係が生まれる作用範囲は限定される。
【００１０】
Lee Kyong-Hoonら, Electroanalysis 12, No 16 (2000) 1334-1338は、光触媒による酸化分解条件下で、ミクロに製作したクラークタイプの酸素電極と試料溶液中に懸濁させたＴｉＯ２微粒子とを用いるＣＯＤの決定を研究した。−８００ｍＶ施用電位のもとで酸素電極から発生した電流を使用して、光酸化の前後での酸素濃度変化を示した。次いで、酸素濃度の変化を試料のＣＯＤ値と相関させた。
【００１１】
Kim, Yoon-Changら, Anal. Chem, 72 (2000) 3379-3382；Analytica Chimica Acta 432 (2001) 59-66及びAnal. Chem, 74 (2002) 3858-3864はすべて、二酸化チタン粒子における有機化合物の光触媒による酸化分解を用いるＣＯＤの決定に関する。Anal. Chem, 2000, Kimらは、可能性のあるＣＯＤセンサーとして酸素電極を組み合わせて、ＴｉＯ２微粒子を膜の表面上に吸収させたか又は閉じ込めた半透明のポリ（テトラフルオロエチレン）（ＰＴＦＥ）膜の使用を研究した。固定されたＴｉＯ２粒子は酸化試薬として機能するので、分析信号は作用酸素電極と参照酸素電極の間の酸素濃度測定値に基づいていた。
【００１２】
較正曲線は、分析物のＣＯＤを決定する前に亜硫酸ナトリウム（Ｎａ２ＳＯ３）を用いて確立された。この研究において、Kimらは薄膜センサーは良好な再現性を示さなかったと報告している。
【００１３】
Analytica Chimica Acta 432 (2001) 59-66, Kimらは、有機化合物の光触媒による酸化から溶存酸素を決定して分析物のＣＯＤ値を決定する際に、光化学カラム及びセンサーとしての酸素電極において二酸化チタン（ＴｉＯ２）ビーズの使用を研究した。
【００１４】
Anal. Chem, 74(2002) 3858-3864 Kimらは、有機化合物の光化学酸化と、その後の参照電極及び作用電極にて記録された電流の違いからＣＯＤ値を計算することにより酸素消費を決定する際に、石英チューブにおいて０．６ｍｍのＴｉＯ２ビーズを使用することを研究した。
【００１５】
上述のLeeら及びKimらにより記載された方法はすべて、ＴｉＯ２を酸化試薬として利用して、クロム酸塩などのＣＯＤにおいて使用される伝統的な試薬と置換して、二つの伝統的な酸素電極を介して分析信号を得ている。これらの方法には多くの不都合があり、これにより方法の実際上の適用は非常に困難となっている。
【００１６】
今日まで、従来技術のＣＯＤアッセイ方法論は、校正を必要とするそれらの分析法において直接的ではなく、しばしば感度が低く、正確性に乏しく、線形作用範囲が狭い、及び／又は操作が困難であるという問題に悩まされている。より重要なことには、これらの従来技術のＣＯＤ分析方法論は、酸化効率が低いために、マトリックスに依存している。本発明の目的は、これらの欠点を克服することである。
【００１７】
発明の要旨
この目的のために本発明は水試料の化学的酸素要求量を決定する方法であって、次の工程：
（ａ）光活性のある作用電極及び対電極を有し且つ支持電解質溶液を含有する光電気化学セルに一定の電位バイアスを施用する工程；
（ｂ）該作用電極を光源、好ましくはＵＶ光源で照らして、該作用電極にて該支持電解質溶液からもたらされるバックグラウンド光電流を記録する工程；
（ｃ）分析すべき水試料を該光電気化学セルに添加する工程；
（ｄ）該作用電極をＵＶ光源で照らして、もたらされる全光電流を記録する工程；
（ｅ）使用される分解（degradation）条件のタイプにしたがって該水試料の化学的酸素要求量を決定する工程
を含む方法を提供する。
【００１８】
作用電極は、有機化合物を光酸化することができる任意のナノ粒子半導性材料から形成されていればよい。ナノ粒子半導性電極は、二酸化チタン、五酸化ニオブ、チタン酸ストロンチウム、三酸化インジウム、チタン酸カルシウム、三酸化タングステン、チタン酸バリウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、五酸化タンタル、三酸化クロム又は三酸化イットリウムから選択されればよい。好ましくは、半導性電極は二酸化チタンである。より好ましくは、半導性電極は、導電性ガラスなどの不活性基板上に二酸化チタンのナノ粒子を塗布することにより形成される。
【００１９】
本発明は、ＴｉＯ２ナノ粒子半導性電極の光電気化学的特性を利用する従来技術において記載された方法がＣＯＤの直接的な決定を提供しているという洞察に基づいている。従来技術の方法において、その方法は、酸素の変化に全く同じように応答することを必要とする二つの酸素電極の正確性に依拠している。加えて、従来技術の方法は、方法の感度が不充分であるため低ＣＯＤ試料には使用することができない。低ＣＯＤ含量は、水が飲用用途及び洗浄用途に適合しているかを試験するために重要である。この手法を用いれば、ミリアンペアの電流の測定により、低ＣＯＤ範囲においてはるかに高い感度が与えられる。
【００２０】
水試料の化学的酸素要求量値を決定する方法は、水試料中に存在するすべての有機物を酸化する、枯渇的分解条件（exhaustive degradation condition）下で決定してもよい。枯渇的分解条件下では、化学的酸素要求量値は、次の工程：
ａ）バックグラウンド光電流及び全光電流（ｉｌ（１））の両方を積分してバックグラウンド電荷及び全電荷を与え、全電荷からバックグラウンド電荷を引いて、水試料について正味の電荷Ｑｎｅｔを決定する工程；及び
ｂ）式（Ｉ）；
【式１】
【００２１】
0004557966.tif 000002
【００２２】
式中、Ｑｎｅｔ＝正味の電荷
Ｆ＝ファラデー定数
Ｖ＝試料体積
を利用して化学的酸素要求量値を決定する工程
にしたがって得ることができる。
【００２３】
水試料の化学的酸素要求量値を決定する方法は、その水試料中に存在する有機物を部分的に酸化する、非枯渇的分解条件下で決定すればよい。非枯渇的酸化条件では、すべての光電流を拡散制御条件下で測定し、酸素要求量値を決定する方法は、更に次の工程；
既知の有機濃度又は化学的酸素要求量値を有する標準溶液を、分析すべき水試料を含有する光電気化学セルに添加する工程；
作用電極をＵＶ光源で照らし、標準溶液の部分的酸化分解からもたらされる限定光電流（ｉｌ（２））を記録する工程；及び
ａ）次式
【式２】
【００２４】
0004557966.tif 000003
【００２５】
にしたがって、所定の照射時間での試料の限定光電流（ｉｌ（１））から限定バックグラウンド光電流（ｉbackground）を引くことにより、水試料について電流を計算し、
ｂ）次式
【式３】
【００２６】
0004557966.tif 000004
【００２７】
にしたがって、所定の照射時間での試料及び標準の限定光電流（ｉｌ（２））からバックグラウンド光電流（ｉbackground）を引くことにより、標準溶液について限定光電流を計算し
ｃ）次の計算シーケンス：
【式４】
【００２８】
0004557966.tif 000005
【００２９】
Ｋ＝ｎＦＡＫは所与の実験条件についての定数である
ｎ＝光電気化学分解の間に移動する電子の数
Ｆ＝ファラデー定数
Ａ＝有効電極面積
ｋ＝物質移動係数；及び
【式５】
【００３０】
0004557966.tif 000006
【００３１】
にしたがって、試料溶液の化学的酸素要求量値を決定することにより、化学的酸素要求量値を決定する工程、を含んでもよい。
枯渇的及び非枯渇的分解条件の両方についての方法工程は、すべての必要な水試料を分析するために必要なだけ複数回繰り返してもよい。
【００３２】
電極に施用される電位バイアスは、好ましくは、−０．１Ｖ〜＋０．５Ｖである。より好ましくは、電位差はおよそ＋０．１５Ｖ〜＋０．３５Ｖである。
支持電解質は、バックグラウンド光電流を決定するため、及び試験すべき水試料を希釈するために使用される。バックグラウンド光電流の決定により水の酸化が測定され、これを試料測定値から引けば、試料中の有機材料の酸化による光電流が与えられる。この測定は、試料測定値に対する別の測定として行ってもよく、又は枯渇的分解を行う場合、酸化を完了した後の最終定常電流がバックグラウンド光電流の測定値である。支持電解質は、硝酸ナトリウム、過塩素酸ナトリウム、又は、実験条件下で電気化学的及び光電気化学的に安定であり且つ使用される範囲においてＵＶ光を吸収しない任意の他の電解質から選択すればよい。試料を希釈すれば、試験時間を比較的短い時間間隔に保持しつつ方法に広い線形範囲を持たせることができる。
【００３３】
水試料は、好ましくは、１〜１００ｍＷｃｍ−２の光強度を有する光源により照らす。より好ましくは、光源の周波数は、およそ６〜９．５ｍＷｃｍ−２である。
別の側面において、本発明は、
ａ）分析すべき試料保持するための測定セル、
ｂ）前記セルに配置された光活性のある作用電極及び対電極、
ｃ）該光活性のある作用電極を照らすように適合された光源、好ましくは、ＵＶ光源、
ｄ）該作用電極の照度、施用する電位及び信号測定を制御する制御手段、
ｅ）該作用電極及び対電極にて光電流を測定する電流測定手段、
ｆ）該光電流測定手段による測定値から酸素要求量の大きさを導く分析手段
からなる水試料の酸素要求量を決定するための光電気化学アッセイ装置を提供する。
【００３４】
参照電極を同様に測定セル中に配置することが好ましく、作用電極はナノ粒子半導性電極、好ましくは二酸化チタンである。
他の態様において、測定セルは、異なるセル形状及び体積をもつ静止セル、又は、異なるセル形状及び体積をもち且つ流速を測定感度を最適化するように調節したフロースルーセルであってもよい。
【００３５】
図面の簡単な説明
本発明の理解を助けるため、以下の図面を参照しながら好ましい態様を説明する：
図１は、本発明の化学的酸素要求量法において使用するための分析信号発生器の概略図である；
図２は、光電気化学検出系の概略的な装置である；
図３は、本発明の光電気化学バッチ（静止）セルの概略図である；
図４は、本発明にしたがった薄層光電気化学フローセルの概略断面図である；
図５は、本発明にしたがった薄層光電気化学フローセルの概略図である；
図６は、自動ＣＯＤ光電気化学検出系における試料及び支持電解質注入用のＦＩＡマニホールドである；
図７は、支持電解質、試料及び標準溶液の非枯渇的分解、光電流／時間プロフィールの図である；
図８は、４０μＭのフタル酸水素カリウム及び０．１Ｍ ＮａＮＯ３を含有する溶液の光電流応答である。光強度：９．１ｍＷｃｍ−２；施用電位バイアス：＋０．２０ＶｖｓＡｇ／ＡｇＣｌ；
図９は、一定の範囲の有機化合物についてのｉｌ−Ｃ曲線である；１＝ｐ−クロロフェノール；２＝フタル酸水素カリウム；３＝メタノール；４＝ｄ−グルコース；５＝マロン酸；６＝コハク酸；７＝グルタル酸；及び８＝グリシン；光強度：９．１ｍＷｃｍ−２；施用電位バイアス：＋０．２０ＶｖｓＡｇ／ＡｇＣｌ；
図１０は、（ａ）０．１０Ｍ ＮａＮＯ３及び（ｂ）フタル酸水素カリウム及び０．１Ｍ ＮａＮＯ３を含有する溶液の光電流応答である。光強度：９．１ｍＷｃｍ−２；施用電位バイアス：＋０．２０ＶｖｓＡｇ／ＡｇＣｌ；
図１１は、一定の範囲の有機化合物についてのＱ−Ｃ曲線である；１＝ｐ−クロロフェノール；２＝フタル酸水素カリウム；３＝メタノール；４＝ｄ−グルコース；５＝マロン酸；６＝コハク酸；７＝グルタル酸；及び８＝グリシン；光強度：９．１ｍＷｃｍ−２；施用電位バイアス：＋０．２０ＶｖｓＡｇ／ＡｇＣｌ；
図１２は、実験ＣＯＤ値及び標準ＣＯＤ値の間の校正を示す。（ａ）ＣＯＤ標準試験溶液（ＫＨＰ）；（ｂ）図８において使用した等モル濃度のすべての化合物を含有する合成ＣＯＤ試料；
図１３は、実試料の検出におけるＰＥＣＯＤ及び慣用的なＣＯＤ法（二クロム酸塩）の比較である；
図１４は、ピーク高さ対濃度を示す合成例の光電気化学検出である；
図１５は、合成試料についてのＣＯＤ値の光電気化学検出である：（ａ）有機化合物のピーク高さ及び濃度（μｍ）の定量的関係；（ｂ）ピーク高さ及び理論的ＣＯＤの定量的関係；（ｃ）合成ＣＯＤ試験試料についてのＰＥＣＯＤ及び理論的ＣＯＤの校正；
図１６は、ＰＥＣＯＤ及び慣用的なＣＯＤ法（二クロム酸塩）の間のピアソン校正である。
【００３６】
本発明の具体的な説明
本発明の好ましいアッセイ法は、ＴｉＯ２ナノ粒子薄膜電極の効率の高い光化学的特性を利用して、酸素要求量、特にＣＯＤなどの総有機特性を決定するための新規な、迅速で、コスト効果の高いアッセイを開発する。
【００３７】
この態様は、ＴｉＯ２薄膜電極を利用して水試料の化学的酸素要求量を決定する方法に向けられる。当業者であれば、本発明の骨子を逸脱することなく、本発明において他のナノ粒子半導性薄膜電極を利用してもよいことは理解するだろう。
【００３８】
本発明のアッセイ法により、光触媒による有機材料の酸化分解の間のＴｉＯ２ナノ粒子薄膜電極での電子移動を容易に定量化することができる。このアプローチにより、従来の酸素要求量手法に関する現在の問題の多くが克服される。
【００３９】
ＣＯＤ決定に関する光触媒による酸化アプローチは、ＴｉＯ２ナノ粒子を光触媒として利用して、伝統的な酸化剤、例えば、二クロム酸塩及びかマンガン酸塩を置換する。エネルギーがバンド・ギャップエネルギーと等しいか又はそれより大きい光量子によりＴｉＯ２を照射すると、電子が価電子帯から伝導帯へ促進されることになる（図１を参照のこと）。これにより、電子（ｅ−）が伝導帯へと促進され、価電子帯には正の光正孔（ｈ＋）が残される。光正孔は、そのバンド・ギャップ電位が高い（アナターゼについて＋３．２Ｖ）ために、最も強力な酸化剤のうちのひとつである。光触媒作用は、光正孔の酸化力が強いために有機化合物の化学両論的な無機質化を導くことができる。
【００４０】
数学的誘導
本発明にしたがった水試料の化学的酸素要求量を決定する方法は、有機化合物の光電気化学酸化分解から生ずる光電気化学電流（又は電荷）を分析信号として利用する。
【００４１】
ＴｉＯ２での光触媒による分解効率は、光電子及び正孔の再結合の度合いに依存する。伝統的なＴｉＯ２光触媒作用系では、これはいかに迅速に光電子及び正孔が吸収された種により消費されるかに依拠する。
【００４２】
ＴｉＯ２ナノ粒子薄膜電極は、三つの電極からなる光電気化学セルにおいて作用電極として使用する。作用電極に適する電位バイアスを施用することにより、光電子は、吸収されたＯ２へではなく作用電極へとより好都合に移動することになる。光電子は、続いて、外部回路中、そして対電極へと通過せしめられ、そこで酸素（又は他の種）の還元が起こる。光電子（又は電荷）をモニターして、有機化合物の酸化の直接的な測定値を与える。実際には、アッセイにより外部回路を通る光電子を分流させて酸化分解の程度を定量化する。
【００４３】
電気化学電位を印可することによる酸化−還元の半反応（以下の式１及び２）の分離により、光電子及び正孔の再結合が阻止される。結果として、分解効率が高められる。加えて、対電極での還元速度は決して全体の分解プロセスの律速段階にはならないから、有機材料の分解速度はＯ２濃度に依存しないことを発見した。このようにして、有機材料の光酸化における律速段階である酸素還元の従来技術の問題が克服される。
【式６】
【００４４】
0004557966.tif 000007
【００４５】
分析信号の定量化
これまでに説明した光電気化学系は、２つの異なる分解モデル−枯渇的及び非枯渇的分解について使用することができる。
【００４６】
枯渇的分解に関しては、試料中の有機分析物の１００％が消費される；非枯渇的分解に関しては、利用可能な分析物のうちごく少量が消費され、バルク溶液中のその濃度は本質的には変化しない。枯渇的分解は、分析物のすべてを電気分解し、ファラデーの法則を使用して、通過させた電荷を測定することにより濃度を定量化するバルク電気分解の類似法である；非枯渇的分解は、分析信号（すなわち電流）が電極表面への物質移動の速度に依存する電流滴定方法の類似法である。しかしながら、我々の場合において、もたらされる電荷／電流は、光電気化学方法の結果である。
【００４７】
枯渇的分解モデルを使用する場合、電荷（Ｑ）は分解時間の範囲内での光電流を積分することにより測定することができる。分析原理は、ファラデーの法則を用いて確立することができる：
【式７】
【００４８】
0004557966.tif 000008
【００４９】
式中、Ｎ＝試料中の分析物のモル数、
ｎ＝光−電気化学分解の間に移動した電子の数、
Ｆ＝ファラデー定数、
Ｖ＝試料体積；及び
Ｃ＝分析物の濃度
ＴｉＯ２は有機化合物を炭素の完全に酸化させた形態（すなわちＣＯ２）まで酸化することから、所与の化合物についてのｎ値は一定となる。したがって、式３を使用して分析物濃度を定量化することができる。
【００５０】
特に、分析的に有用な光電流（又は電荷）は、任意の光−電気化学的に分解可能な種から得ることができる。提案するＴｉＯ２系は、殆どすべての有機種又は低レドックス状態の無機種（例えば、Ｆｅ２＋、Ｃｌ−、ＮＨ４＋、ＮＯ２−）を酸化することができる。この点において、提案した系は、ＴｉＯ２電極にて光電気化学的に酸化することができる任意の化合物を検出可能な“普遍的な”検出器として使用することができる。適する分離系（例えば、ＨＰＬＣ）と組み合わせて、個々の分析物の濃度を決定することができる。
【００５１】
一般的な水質問題及び汚染制御に関して、有機物の全体の混合物の効果及び定量化（ＣＯＤ分析又はＢＯＤ分析などにおける）は、多くの場合、単一種の分析よりも重要である。提案した光電気化学系は、混合物のうちで光−電気化学的分解可能な個々の化合物から測定された電荷を合計することにより、そのような全体の特性を決定することができる（式４）。
【式８】
【００５２】
0004557966.tif 000009
【００５３】
測定した電荷、Ｑは、簡単には、試料中のすべての化合物の酸化からもたらされる電子移動の総量である。Ｏ２による酸化は、
【式９】
【００５４】
0004557966.tif 000010
【００５５】
（式中、ひとつの酸素分子は４つの電子と等価である）で表すことができるとすれば、測定したＱ値は、等価Ｏ２濃度（又は酸素要求量）値へと簡単に変換することができる：
【式１０】
【００５６】
0004557966.tif 000011
【００５７】
したがって、枯渇的分解について、試料の等価ＣＯＤ値は、
【式１１】
【００５８】
0004557966.tif 000012
【００５９】
と表すことができる。
非枯渇的分解の場合において、光電流及び分析物濃度の定量的関係は、定常状態物質移動の周知の半実験的な処理［A. J. Bard and L. R. Faulkner, Electrochemical Methods-Fundamental and Applications. John Wiley & Sona, Inc. New York. 2001］を用いて展開することができる。強制対流の条件下では、電極に対する物質移動の速度（ｄＮ／ｄｔ）は電極表面での濃度勾配に正比例する。
【式１２】
【００６０】
0004557966.tif 000013
【００６１】
式中、Ｃｂ＝バルク溶液中の分析物の濃度；
Ｃｓ＝電極表面での分析物の濃度；
ｋ＝物質移動係数［A. J. Bard and L. R. Faulkner, Electrochemical Methods-Fundamental and Applications. John Wiley & Sona, Inc. New York. 2001］であり、Ｄ／σに等しい（式中、Ｄ＝拡散係数及びσ＝停滞層の厚さ）
充分な光強度及び適切な電位バイアスを使用し、そして全体のプロセスを物質移動、Ｃｓ（ｘ−０）＜＜Ｃｂにより制御すれば、その結果、「Ｃｂ−Ｃｓ（＝０）」＝Ｃｂとなる。物質移動の最大速度（ｄＮ／ｄｔ）が達成され、全体の反応速度は：
【式１３】
【００６２】
0004557966.tif 000014
【００６３】
に等しい。
再び、光化学酸化のあとに分析物が完全に酸化されると仮定すれば、光電気化学分解の間に移動する電子の数（ｎ）は所与の分析物について一定である。したがって、限定光電流（ｉｌ）を使用して、反応の速度を表すことができる：
【式１４】
【００６４】
0004557966.tif 000015
【００６５】
式中、Ａ＝有効電極面積
現在の発明者らによる式１０の開発は、限定光電流及び分析物濃度の間の定量的関係の定義に至り、分析の原理とみなすことができる。
【００６６】
この分析原理は、個々の分析物の濃度を決定する（そして、“普遍的な”検出系として機能する）ため、又は（ＣＯＤなどの特性を検出するため）有機物の混合物を合計するために再び適用することができる。上述の式１０により、分析物濃度の一般的に決定することができるが、これは、従来技術の方法論におけるひとつ又はそれより多い不都合に対処する際に助けとなるＣＯＤの決定に対して、式（１０）からの発見を適用することである。以下により詳細に説明する様式でナノ粒子ＴｉＯ２半導性電極を利用する光電気化学セルにおいて測定した限定光電流から、標準的な分析手法及び数学的手法を使用して試料のＣＯＤを計算してもよい。
【００６７】
ＣＯＤを決定する方法
ＴｉＯ２電極の形成
Ａ）ＴｉＯ２コロイドの合成
Ａ１）チタンブトキシド１２．５ｍｌ及びイソプロピルアルコール４ｍｌの混合物を、０．１Ｍ硝酸溶液１５０ｍｌに室温で激しく撹拌しながら滴下した。加水分解後、スラリーを８０℃まで加熱し８時間撹拌して、解膠を達成した。次いで、コロイドをろ過して、解膠していない凝集を除去した。より良好なナノ粒子の結晶化度のために、コロイドを２００℃のオートクレーブ中で１２時間熱水により処理した。オートクレーブの間に、沈殿が起こり、粒子を音波処理により再分散した。粒子サイズは透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）により特徴付けると８〜１０ｎｍである。水を使用して最終固体濃度を約６％（重量）に調節し、カーボワックス２０Ｍ（メルク）をＴｉＯ２重量の１〜５０％の割合でこのコロイドに添加した。このようにして得られたコロイドを、ナノ多孔性薄膜電極を調整するために使用した。
【００６８】
Ａ２）イソプロパノール（Aldrich，ＡＲグレード）１６．０ｍ３及びチタンブロキシド（Aldrich，ＡＲグレード）５０．０ｃｍ３を１５０ｃｍ３滴下漏斗中に正確に測定した。得られる溶液を、コニカルフラスコ中の超純粋脱イオン水（１８．２ＭΩｃｍ）６００ｃｍ３へと激しく撹拌しながら１５分かけて添加した。添加を完了したあと、７０％硝酸（ＡＲグレード）４．０ｃｍ３をとして溶液中にペプタイザーとして添加した。この溶液を熱水浴中に浸漬し、８０℃まで加熱し、連続して１０時間撹拌した。白色のコロイド状溶液およそ４００ｃｍ３が残存し、使用のために暗色ガラス容器中に貯蔵した。この手順にしたがって合成したＴｉＯ２のサイズは８〜１０ｎｍであった。
【００６９】
上述の調製したコロイド状ＴｉＯ２をオートクレーブ反応器（Parr bomb）中に入れ、２００℃で１２時間オートクレーブし、その後ロータリーエバポレータで８％（ｗ／ｗ）まで濃縮し、白色の半粘性コロイド状溶液を得た。カーボワックス６，０００の４０％ＴｉＯ２重量当量（例えば、８％コロイド状溶液５０．０ｃｍ３中１．６ｇ）をこの溶液に添加し、およそ２０分間撹拌した。
【００７０】
Ｂ）ＩＴＯガラス上へのＴｉＯ２薄膜の固定化
Ｂ１）ＩＴＯ（スズドープ酸化インジウム）導電性ガラススライドを、ＴｉＯ２粒子の固定化のための基板として使用した。清浄な表面を得るため、洗浄剤、水、及びエタノールで順番に洗浄することにより、ＩＴＯガラススライドを前処理した。前処理のあと、ＩＴＯスライドを上述のＡ１からのコロイド状溶液でディップコートした。次いで、コートしたスライドを０．５時間〜３０時間、５００℃〜８００℃の空気中でマッフル炉中で焼成した。Ｘ線回折及び走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により特徴付けられる薄膜上のＴｉＯ２の粒子サイズは、１０ｎｍ〜１００ｎｍであり、ルチル／アナターゼ相比は０．１〜５０％である。
【００７１】
Ｂ２）ＴｉＯ２薄膜をクリーンルーム環境中で調製して、埃粒子からのコンタミネーションを最小限にした。上述のＡ２からのＴｉＯ２コロイド状コーティング溶液を激しく撹拌し、ディップコーティング処理の前に２０分間の超音波処理に供して、ばらつきのない再生可能な均質混合物を得た。ＩＴＯスライド（導電性ガラス）を電極基板として使用し、洗浄剤、水、アセトン、及び水により順番に洗浄し、することにより前処理し、最後に純粋な窒素により乾燥させた。前処理のあと、ディップコーティング装置を用いて引き上げ速度０．５〜１．５ｃｍ／分で、ＩＴＯスライドをＴｉＯ２コロイド状コーティング溶液によりディップコーティングした。次いで、コートした電極を空気中で３０分間、４５０℃のマッフル炉中で焼成した。厚さ１μｍ、アナターゼ結晶構造をもつナノ多孔性ＴｉＯ２薄膜を得た。ディップコーティングの間の引き上げ速度を制御することにより、異なる厚さをもつ薄膜を調製することができた。
【００７２】
Ｃ）光電気化学系の一般的な構成
図２は、光電気化学検出系の装置構成の概略を示す。焦点レンズを備えた１５０Ｗキセノンアークランプ光源（ＨＦ−２００Ｗ−９５，Beijin Optical Instruments）を用いて照射を行った。
【００７３】
試料溶液が赤外線により加熱するのを避けるため、電極表面の照射の前に光ビームをＵＶ−バンド通過フィルター（ＵＧ５，Avotronics Pty, Limited）に通過させた。光シャッターを使用して、照射のＯＮ及びＯＦＦを制御した。
【００７４】
一般的には、光電気化学実験は、照射のための石英窓をもつ三つの電極からなる電気化学セルにおいて行った。ＴｉＯ２薄膜電極を約０．６５ｃｍ２の電極ホルダに取り付け、照射及び光電気化学反応のため溶液に暴露すべく未シールのままにした。飽和したＡｇ／ＡｇＣｌ電極及びプラチナメッシュをそれぞれ参照電極及び対電極として使用した。定常状態光電流測定において電位バイアスを施用するために、ボルタモグラフ（ＣＶ−２７，ＢＡＳ）を使用した。Maclab４００インターフェース（ＡＤインスツルメント）に結合したマッキントッシュコンピュータ（７２２０／２００）を用いて電位及び電流信号を記録した。
【００７５】
Ｄ）測定手順：
Ｄ１）枯渇的分解条件
工程１：系を構成したら（図２〜６を参照のこと）、支持電解質溶液を光電気化学セル（薄層セル）を通過させてポンプ注入した。Ａｇ／ＡｇＣｌ参照電極に対して＋０．２０Ｖのバイアス電位を施用した。安定なベースラインが得られたら、ポンプを停止した。次いで、光シャッターのスイッチを入れて、ＵＶ光を電極に到達させた。光触媒反応が起こり、バックグラウンド電流−時間プロフィールを測定することができる（図１０の曲線（ａ）を参照のこと）。バックグラウンド電流（ｉBackground）は、水の光触媒酸化からもたらされた。ｉBackgroundを時間に関して積分し、バックグラウンド電荷、ＱBackgroundを得ることができる。
【００７６】
工程２：ＱBackgroundの測定後、光シャッターのスイッチを切り、適切な濃度の試料溶液２００μｍを光電気化学セルに注入した（注入する試料体積はセルの体積に依存し、試料中の有機物の濃度が高すぎる場合は、注入する前に適度に希釈することが必要であることを銘記すべきである）。試料注入を終えたら、ポンプを停止して光シャッターのスイッチを入れた。電流−時間プロフィールを測定した（図１０の曲線（ｂ）を参照のこと）。ここで得られた電流は、水及び有機物の酸化からもたらされる全光電流（ｉTotal）である。上述と同様に、ｉTotalを時間に関して積分することにより、全電荷、ＱTotalが得られる。
【００７７】
工程３：バックグラウンド電荷、ＱBackgroundは所与の実験条件について一定であり、全電荷、ＱTotalは試料の濃度により変動することから、有機物の酸化からもたらされる正味の電荷、Ｑnetは、バックグラウンド電荷を全電荷から引くことにより得ることができる。すなわち：
【式１５】
【００７８】
0004557966.tif 000016
【００７９】
Ｆは定数であり、Ｖは既知の試料体積である。
次の試料を分析するためには工程２及び３を繰り返す。
【００８０】
Ｄ２）非枯渇的分解条件
系の構成は、通常のフロースルーセルを使用して薄層セルを置換したこと以外はこれまでに説明したのと同じであった（図２〜６を参照のこと）。標準的な添加法を用いることにより、又は他の校正手段により、測定を行うことができる。
【００８１】
工程１：支持電解質溶液を光電気化学セル（セル体積０．５〜２．５ｍｌの通常のフロースルーセル）を通過させてポンプ注入した。Ａｇ／ＡｇＣｌ参照電極に対して＋０．２０Ｖのバイアス電位を施用した。安定なベースラインが得られたら、ポンプを停止した。次いで、光シャッターのスイッチを入れて、ＵＶ光を電極に到達させた。光触媒反応が起こり、バックグラウンド電流−時間プロフィールを記録することができる（図７の曲線（ａ）を参照のこと）。バックグラウンド電流（ｉBackground）は、水の光触媒酸化からもたらされた。
【００８２】
工程２：ｉBackgroundの測定後、光シャッターのスイッチを切り、適切な濃度の試料溶液０．５ｍｌ〜２．５ｍｌを光電気化学セルに注入した（注入する試料体積はセルの体積に依存し、試料中の有機物の濃度が高すぎる場合は、注入する前に適度に希釈することが必要であることを銘記すべきである）。試料注入を終えたら、ポンプを停止して光シャッターのスイッチを入れた。電流−時間プロフィールを記録した（図７の曲線（ｂ）を参照のこと）。ここで得られた電流は、水及び有機物の酸化からもたらされる全光電流（ｉTotal）である。
【００８３】
工程３：ｉtotalの測定を終えたら、光シャターのスイッチを切り、適切な濃度の標準を含有する試料溶液０．５ｍｌ〜２．５ｍｌを光電気化学セルに注入した。試料注入を終えたら、ポンプを停止して光シャッターのスイッチを入れた。電流−時間プロフィールを記録した（図７の曲線（ｃ）を参照のこと）。ここで得られた電流は、もとの試料及び添加した標準の両方における水及び有機物の酸化からもたらされる光電流（ｉstandard）である。
【００８４】
工程４：上述の測定のあと、試料のＣＯＤを式（１０）にしたがって計算することができる。
【００８５】
各々の場合の限界電流（ｉｌbackground、ｉｌ（１）、ｉｌ（２））は、例えば４５ｓにて各々の曲線から定常電流値を測定することにより得ることができる（図５を参照のこと）。次いで、試料溶液（ｉｌ（１））について、及び標準を添加した試料溶液（ｉｌ（１））についての正味の限界光電流を計算することができる。
【００８６】
試料溶液についての正味の限界光電流（又は電流）：
【式１６】
【００８７】
0004557966.tif 000017
【００８８】
標準を添加した試料溶液についての正味の限界光電流（又は電流）：
【式１７】
【００８９】
0004557966.tif 000018
【００９０】
上述の式（１０）にしたがえば、次のとおりである。
【式１８】
【００９１】
0004557966.tif 000019
【００９２】
式中、Ｋ＝ｎＦＡＫは、所与の実験条件についての定数である。
試料溶液のＣＯＤ値は：
【式１９】
【００９３】
0004557966.tif 000020
【００９４】
次の試料を分析するためには工程２及び３を繰り返す。
これまでに示した必要な計算はパーソナルコンピュータの適切なプログラミングにより自動化してもよいことは当業者は理解するだろう。
【００９５】
本アッセイ方法論を利用する異なる光電気化学反応器設計（すなわち、オンライン薄層フローセル、及びバッチセル）に関して幾つかの操作様式が存在し、以下の実施例により実証する。
【００９６】
実施例１：光電流を用いたＣＯＤの定量化
図３に示すように、照射用石英窓をもち三つの電極からなる電気化学バッチセルにおいて光電気化学実験を行った。ＴｉＯ２薄膜電極を約０．６５ｃｍ２の電極ホルダに取り付け、照射及び光電気化学反応のため溶液に暴露すべく未シールのままにした。０．１Ｍ ＮａＮＯ３溶液を支持電解質として使用した。電極にて＋０．２０Ｖのバイアス電位を施用し、電流が定常状態に到達したら、異なる有機化合物濃度について限界光電流を得た。試料及びブランクである０．１Ｍ ＮａＮＯ３溶液の限界光電流の差を分析信号として採取した。これは拡散律速の範囲内で有機化合物の濃度に直接線形である。次いで、濃度をＣＯＤ値に変換したあと、分析信号及びＣＯＤ値の間の線形関係を得た。
【００９７】
実施例２：電荷を用いたＣＯＤの定量化
この場合において、実験は図４〜５に示すように薄層光電気化学セル中で行った。＋０．２０Ｖの電位バイアスを施用し、２Ｍ ＮａＮＯ３を支持電解質として使用した。まず、２Ｍ ＮａＮＯ３電解質溶液を薄層光電気化学セル中にシリンジで注入し、ブランク試料としてブランクの一過性光触媒作用を行った。光電流が定常状態に到達するまで、光電流−時間プロフィールを記録した。次いで、有機化合物及び２Ｍ ＮａＮＯ３を含有する試料を薄層セル中に注入し、試料の一過性光触媒作用を行った。光電流が定常状態に到達し、有機化合物が枯渇的に光電気分解されたことを示すまで、光電流−時間プロフィールを記録した。各々の試料注入の間にセルを支持電解質溶液で洗浄した。光電流−時間プロフィールを積分すると、光触媒作用による酸化電荷が与えられる。試料及びブランクの一過性光電気分解の間の電荷差を分析信号として採取した。これは、ＣＯＤ値に正比例している。次いで、ＣＯＤ値を決定した。
【００９８】
実施例３：電荷及びＦＩＡを用いたＣＯＤの定量化
薄層光電気化学セルの使用に加えて、フローインジェクション分析（ＦＩＡ）系をＣＯＤ決定に組み込んだ。ＦＩＡの組み合わせにより、自動ＣＯＤ決定が実現された。この場合において、試料の注入及びセル洗浄は図６（ａ）に示すようにＦＩＡ制御系により制御した。ポンプ１はブランク試料（Ｒ１）の注入及びセル洗浄を達成し、一方、ポンプ２は試料注入（Ｒ２）を行う。＋０．２０Ｖの電位バイアスを施用し、２Ｍ ＮａＮＯ３を支持電解質として使用した（ブランク試料）。まず、２Ｍ ＮａＮＯ３電解質溶液を薄層光電気化学セル中にポンプ１により注入し、ブランク試料としてブランクの一過性光触媒作用を行った。光電流が定常状態に到達するまで、光電流−時間プロフィールを記録した。有機化合物及び２Ｍ ＮａＮＯ３を含有する試料をポンプ２により薄層セル中に注入し、試料の一過性光触媒作用を行った。光電流が定常状態に到達し、有機化合物が枯渇的に光電気分解されたことを示すまで、光電流−時間プロフィールを記録した。各々の試料注入の間にセルをポンプ１により支持電解質溶液で洗浄した。光電流−時間プロフィールを積分すると、光触媒作用による酸化電荷が与えられる。試料及びブランクの一過性光電気分解の間の電荷差を分析信号として採取した。これは、ＣＯＤ値に正比例している。次いで、ＣＯＤ値を決定した。
【００９９】
実施例４：連続的フロー様式を用いたＣＯＤの定量化
薄層光電気化学セルの使用に加えて、フローインジェクション分析（ＦＩＡ）系を連続的フロー操作様式によるＣＯＤ決定に組み込んだ。ＦＩＡの組み合わせにより、自動ＣＯＤ決定が実現された。この場合において、試料の注入及びセル洗浄は図６（ｂ）に示すようにＦＩＡ制御系により制御した。ブランク試料は、セルを通して連続的にポンプで送り、試料注入のために注入器を使用する。＋０．２０Ｖの電位バイアスを施用し、２Ｍ ＮａＮＯ３を支持電解質として使用した（ブランク試料）。ブランク試料の光触媒作用からの光電流を記録して、定常ベースラインを与えた。試料の光触媒作用を可能にするため、有機化合物を含有する試料を注入器を通じて注入した。光電流がベースラインに到達し、有機化合物が光電気分解されたことを示すまで、ピーク形状の光電流−時間プロフィールを記録することができる。次いで、次の試料を分析のために注入することができる。ピーク高さ及びピーク面積はいずれもＣＯＤ値に正比例していることから、試料のＣＯＤ値は、ピーク高さかピーク面積のいずれかを測定することにより（ピーク光電流を積分することにより）決定することができる。
【０１００】
典型的な実験結果
図８は、非枯渇的光電気化学分解方法から得られた典型的な光電流−時間曲線を示している。一定の施用電位のもとで、光のスイッチを切った場合、残留電流（暗電流）はおよそゼロであった。照射すると、電流は定常状態値まで減少する前に迅速に増加した。この定常状態電流（限定光電流）は二つの電流成分からなる。ひとつは、物質移動により制限された標的分析物の光電気化学酸化（分解）によるものであり、これは分析物の濃度に正比例する。もうひとつは、水の光電気化学酸化（分解）によるものであり、これは所与のｐＨ及び支持電解質濃度にて一定である。正味の限定光電流、ｉｌ（分析物の酸化から得られる）は、水の酸化による光電流を全光電流から引くことによりすぐに得ることができる。次いで、ｉｌは分析目的のために使用することができる（式１０）。
【０１０１】
一定の範囲の有機化合物から得られた予備的な結果は、式１０を調査したすべての化合物に対して適用可能であることを示している（図９を参照のこと。図９中、１＝ｐ−クロロフェノール；２＝フタル酸水素カリウム；３＝メタノール；４＝ｄ−グルコース；５＝マロン酸；６＝コハク酸；７＝グルタル酸；及び８＝グリシン）。予測されたように、ｉｌは有機化合物の濃度に正比例することが分かった。ｉｌ曲線の勾配（感度）は、物質移動係数（ｋ）及び光電気化学分解の間に移動した電子の数（ｎ）により決定される。
【０１０２】
枯渇的光電気化学分解法の光電流−時間プロフィールは、定常状態の光電流は有機化合物のすべてが消費されたときに達成されるだけであることを除いて、非枯渇的分解方法のものと同様であることが分かった。この場合において、定常状態の光電流は、純粋に水の酸化によるものであり、全電流から容易に引くことができる（図１０）。図１０は、フタル酸溶液中及びブランクである電解質溶液中における枯渇的光電気化学分解法の間に電極から得られた典型的な光電流−時間プロフィールを示している。光電流は時間とともに減少し、次いで、水の酸化によるものである定常状態に到達したことがわかる。ブランク電解質溶液から得られたブランク光電流は、純粋に水の酸化によるものであること、一方、フタル酸溶液において電極から得られた光電流はふたつの電流成分からなり、ひとつはフタル酸の光電気化学酸化によるものであり、もうひとつは水の酸化によるものであり、これはブランク光電流と同じであることは銘記すべきである。我々の実験結果は、ブランク光電流が所与の実験条件のセットについて本質的には一定であることを示した。所与の時間間隔に関して、両方の場合について通過する電荷は、光電流及びブランク光電流を積分することにより得ることができる。ふたつの場合の電荷の差は、フタル酸の光電気化学酸化による正味の電荷、Ｑであり、これは図１０において影付きの面積として示している。正味の電荷、Ｑは、図１０に記載したように分解時間内で正味の光電流を積分することにより測定した。式３により予測されるように、Ｑは濃度に正比例する（図１１を参照のこと）。この場合において、Ｑ−Ｃ曲線の勾配（感度）は移動した電子の数（ｎ）にのみ依存していた。（理論に適合した）図９及び１１の結果は、提案した系を個々の分析物について“普遍的な”検出系へと更に開発するという可能性を実証した。
【０１０３】
ＣＯＤなどの集合特性を決定することについて提案した系を適用する可能性を同様に試験した。我々は、既知のＣＯＤ値をもつＡＰＨＡ ＣＯＤ標準試験溶液（フタル酸水素カリウム（ＫＨＰ））及び合成による混合物を試験溶液として選択した。図１２は、実験的なＣＯＤ値（式７による）と標準的なＣＯＤ値との間の相関を示している。いずれの場合においてもふたつのＣＯＤ値にすぐれた一致性が得られた。
【０１０４】
実施例５
実排水試料
１４の異なる排水試料をオーストラリア、クイーンズランドの種々の産業から集めた。適切に希釈した後、すべての試料を我々の方法及び標準的なＣＯＤ法を用いるＣＯＤ分析に供した。すべての試料についてふたつの方法から得られたＣＯＤ値は相関していた。図１３に示してある。相関係数０．９７３及び勾配０．９９２が得られた。このことは、我々の方法は標準的なＣＯＤ法と同じＣＯＤ値を予測することを意味している。これは、我々の方法がＣＯＤ値を予測することにおいて標準的な方法と等価であることを実証している。
【０１０５】
実施例６
合成試料におけるＣＯＤの決定
まず、水溶液中のＣＯＤを決定するためのフローインジェクション（図４及び５）の使用を、純粋な有機化学物質、すなわち、グルコース、グルタミン酸、ＧＧＡ及びスクロースに関して調製した合成試料を用いて試験した。一回の測定に必要とされる時間は１〜２分であった。図１４は、μＭ及び理論的ＣＯＤ濃度それぞれに関して、種々の有機化合物の較正曲線を示している。図１４ａは、光電気化学検出器が、μＭ濃度である異なる有機化合物に対して異なる感度（較正曲線の勾配）を有していたことを示している。感度は、スクロース、ＧＧＡ、グルコース、及びグルタミン酸の順に減少した。このことは、枯渇的分解反応において有機化合物が異なる電子数（ｎ＝４ｙ−２ｊ＋ｍ−３ｋ−ｑ）に寄与することによる。１モルあたりに移動した電子の減少（すなわち、スクロース（ｎ＝４８）、ＧＧＡ（ｎ＝４２）、グルコース（ｎ＝２４）及びグルタミン酸（ｎ＝１８））により、これら有機化合物は１モルあたりより少ない電子を与え、それにより感度が低下する。このことは、図１４ａにおける感度の順序を説明している。移動した電子数（ｎ）に関して、有機化合物の濃度は、μＭからｐｐｍの理論的ＣＯＤ値へと変換した。同じ勾配により証明される同じ感度が、図１４ｂにおいて選択した有機化合物について得られた。このことは、光電気化学検出器が上述の化合物を同じ程度まで酸化した、すなわち、有機化合物が無差別に酸化されており、無機化が達成されたことを意味している。したがって、検出原理が有効とされた。これらは、図１４ｃに示すように、グルコーストレンドラインを標準較正曲線として用いて、ＰＥＣＯＤ値を理論的ＣＯＤ値に対してプロットすることにより示されている。最もよく適合したラインは、勾配が１．０２６８であり、Ｒ２が０．９９８４である。このことは、未知試料についてＣＯＤ値を決定するためにグルコースを較正標準として使用することの適合性を直接実証している。
【０１０６】
グルコースを試験分析物として使用する実験条件下で、６０ｐｐｍＣＯＤまでの線形範囲に関して０．５ｐｐｍＣＯＤの検出限界を達成できることが分かった。検出限界は、更に試料注入体積を増加させることにより拡大することができ、線形範囲は更に少量の注入体積とすることにより増大させることができる。
【０１０７】
再現性及び安定性は、検出器の有用性に関して重要なパラメータである。１００μＭグルコースに対するセンサーの応答再現性を反復決定法（ｎ＝１２）を用いて検討し、ＲＡＤ％は０．８％であることがわかった。検出器は比較的安定である。電極が新品である場合に、活性のあるＴｉＯ２粒子の一部が電極表面に充分にしっかりと付着しておらず、キャリヤにより取り除かれたことにより、最初の２時間について有意なベースラインシフトが観察された。これらの非安定的な活性部位が取り除かれた後、ベースラインは殆ど一定となった。実際には、この文書中に報告したすべてのデータは、同じＴｉＯ２電極から得られたものである。この電極は、ｐＨ変化（２〜１０）、電位変化（−０．４〜＋０．８Ｖ）、流速変化、注入体積の変化、及び実試料の分析を経験したものであり、ほぼ千回の測定を終えているが、依然として比較的感度が高く安定である。電極を使用しない場合は、ミリＱ水を充填し、光の下で貯蔵する。ＴｉＯ２表面が自己清浄及び超親水性という長所を有することは周知である。電極の汚れは、有機化合物の吸収及び微生物の増殖により広く引き起こされるが、貯蔵後には観察されなかった。このことにより、数日後であっても、再びＣＯＤの検出を開始するために、使用した電極を再生して安定なベースラインを得るのにわずか約５分しか必要としない。
【０１０８】
実施例７
ＰＥＣＯＤ対ＣＯＤ
この実施例において試験した実試料のｐＨは５〜９であった。これは、光電気化学検出器のｐＨ独立領域である。標準較正曲線法を使用して、実試料中のＣＯＤ値を決定した。図１５は、グルコースを標準物質として用いたフローインジェクション応答の典型的な応答を示している。図に示すように、電荷（ピーク面積、図１５（ａ））及びピーク電流（ピーク高さ、図１５（ｂ））はいずれもグルコース濃度の増加に比例して増加した。したがって、較正曲線（図１５の挿入図）は、上述の検出からのデータを用いて構成した。同時に、標準的なＣＯＤ値を慣用的なＣＯＤ法（二クロム酸塩法）により決定した。図１６は、実験的なＣＯＤ値及び標準的なＣＯＤ値の間の相関を示している。フローインジェクション光電気化学ＣＯＤ法及び慣用的なＣＯＤ法から得られた値の間の関係の強さの指標として、根拠の確実なピアソン相関係数を使用した。これは図１６におけるデータについて私用した。ふたつの方法の間で高度に有意な相関（ｒ＝０．９９１、Ｐ＝０．０００、ｎ＝１３）が得られ、これはふたつの方法が非常によく一致していることを示している。より重要なことには、１．０８１９という相関楕円の長軸の勾配が得られた。この殆ど単一の勾配値は、両方の方法が正確に同じＣＯＤ値を測定していることを示唆している。信頼区間が９５％である場合、この勾配は１．０１６〜１．１７４であった。このことは、真の勾配はこれらふたつの値の間にあることを我々は９５％信頼できることを意味している。フローインジェクション光電気化学ＣＯＤ及び標準法の測定値に付随する分析誤差があること、及びこれらの誤差は両軸に関して分散する一因となることを考慮して、得られた強い相関と勾配は、化学的酸素要求量を決定するためのフローインジェクション光電気化学ＣＯＤ法の適合性について説得力のある支持を提供するものである。ふたつのＣＯＤ値の間のすぐれた一致は、提案した方法がＣＯＤを測定するのに適合していることを実証している。
【０１０９】
結論
本発明は、正確で、感度が高く、環境にやさしく、確かで、迅速で、自動化が容易なＣＯＤ分析法を提供する。この方法は、主として、光発生させた正孔の異常に高い酸化力により理論的なＣＯＤ値を測定する。ここで説明した方法は、直接的な方法であり、試料マトリックスから独立している。枯渇的分解条件下では、この方法は較正を必要としない絶対的な方法である。実験的には、慣用的な二クロム酸塩法（標準的方法）とよく相関している。電極は、光触媒活性の低下を示すことなく、非常に良好に長時間の安定性を有している。使用する分析原理の性質により、この方法は温度の変化に対して反応しないようになる。この方法は、Karubeの方法とは対照的に温度変化に対して良好な許容性を示す。実験の間、温度は制御せず、試料温度は１０〜４０℃であり、光電流及び電荷の変化は何ら観察されなかった。
【０１１０】
本発明の説明は三つの電極からなる光化学セルを利用するが、光電気化学セルは、作用電極（ＴｉＯ２）及び対電極を含み、その際、対電極は対電極及び参照電極の両方として適切に作用することができることは理解されるだろう。
【０１１１】
明細書全体にわたり、その目的は、本発明を任意のひとつの態様又は複数の特徴の特定の集まりに限定することなく、本発明の好ましい態様を説明することであった。
この明細書全体にわたり、文脈が別のことを要求しない限り、“含む（comprises）”という語、及び“含んでいる（comprise）”又は“含んでなる（comprising）”という語形変化は、述べられている完全体、又は、複数の完全体若しくは工程の群の包含を意味するが、任意の他の環全体又は複数の完全体の群の排除を意味しないことを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【０１１２】
【図１】図１は、本発明の化学的酸素要求量法において使用するための分析信号発生器の概略図である。
【図２】図２は、光電気化学検出系の概略的な装置である。
【図３】図３は、本発明の光電気化学バッチ（静止）セルの概略図である。
【図４】図４は、本発明にしたがった薄層光電気化学フローセルの概略断面図である。
【図５】図５は、本発明にしたがった薄層光電気化学フローセルの概略図である。
【図６】図６は、自動ＣＯＤ光電気化学検出系における試料及び支持電解質注入用のＦＩＡマニホールドである。
【図７】図７は、支持電解質、試料及び標準溶液の非枯渇的分解、光電流／時間プロフィールの図である。
【図８】図８は、４０μＭのフタル酸水素カリウム及び０．１Ｍ ＮａＮＯ３を含有する溶液の光電流応答である。光強度：９．１ｍＷｃｍ−２；施用電位バイアス：＋０．２０ＶｖｓＡｇ／ＡｇＣｌ。
【図９】図９は、一定の範囲の有機化合物についてのｉｌ−Ｃ曲線である。１＝ｐ−クロロフェノール；２＝フタル酸水素カリウム；３＝メタノール；４＝ｄ−グルコース；５＝マロン酸；６＝コハク酸；７＝グルタル酸；及び８＝グリシン；光強度：９．１ｍＷｃｍ−２；施用電位バイアス：＋０．２０ＶｖｓＡｇ／ＡｇＣｌ。
【図１０】図１０は、（ａ）０．１０Ｍ ＮａＮＯ３及び（ｂ）フタル酸水素カリウム及び０．１Ｍ ＮａＮＯ３を含有する溶液の光電流応答である。光強度：９．１ｍＷｃｍ−２；施用電位バイアス：＋０．２０ＶｖｓＡｇ／ＡｇＣｌ。
【図１１】図１１は、一定の範囲の有機化合物についてのＱ−Ｃ曲線である。１＝ｐ−クロロフェノール；２＝フタル酸水素カリウム；３＝メタノール；４＝ｄ−グルコース；５＝マロン酸；６＝コハク酸；７＝グルタル酸；及び８＝グリシン；光強度：９．１ｍＷｃｍ−２；施用電位バイアス：＋０．２０ＶｖｓＡｇ／ＡｇＣｌ。
【図１２】図１２は、実験ＣＯＤ値及び標準ＣＯＤ値の間の校正を示す。（ａ）ＣＯＤ標準試験溶液（ＫＨＰ）；（ｂ）図８において使用した等モル濃度のすべての化合物を含有する合成ＣＯＤ試料。
【図１３】図１３は、実試料の検出におけるＰＥＣＯＤ及び慣用的なＣＯＤ法（二クロム酸塩）の比較である。
【図１４】図１４は、ピーク高さ対濃度を示す合成例の光電気化学検出である。
【図１５】図１５は、合成試料についてのＣＯＤ値の光電気化学検出である。（ａ）有機化合物のピーク高さ及び濃度（μｍ）の定量的関係；（ｂ）ピーク高さ及び理論的ＣＯＤの定量的関係；（ｃ）合成ＣＯＤ試験試料についてのＰＥＣＯＤ及び理論的ＣＯＤの校正。
【図１６】図１６は、ＰＥＣＯＤ及び慣用的なＣＯＤ法（二クロム酸塩）の間のピアソン校正である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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