(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
滴定液と被滴定液との流量比を変えるために、前記滴定液及び前記被滴定液の一方又は両方の流れの流量を時間とともに変化させる送液系と、
前記送液系を通過した前記滴定液と前記被滴定液とを混合する混合系と、
前記混合系によって混合された前記滴定液と前記被滴定液との混合液の液性変化を測定する検出系とを有する、
フロー分析システムであって、前記測定された液性変化から当量点を検出し、前記当量点に基づき被滴定液の濃度を決定するシステムにおいて、
前記混合系から前記検出系までの液が流れる時間に関連するタイムラグを考慮し、検出された当量点を補正して真の当量点を導出する、タイムラグ補正手段を更に有することを特徴とするフロー分析システム。
【請求項２】
前記送液系は、前記検出系からフィードバックされた前記液性変化の情報に基づき、前記滴定液及び前記被滴定液の一方又は両方の流れの流量を変化させる、請求項１記載のフロー分析システム。
【請求項３】
前記送液系は、直線的に又は滴定開始当初の時間あたりの流量変化量である第一の変化率よりも当量点付近での時間あたりの流量変化量である第二の変化率を小さくした形で、前記滴定液及び前記被滴定液の一方又は両方の流れの流量を時間とともに変化させる、請求項１又は２記載のフロー分析システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は，化学工業における工程管理や品質管理分析，医薬品，食品の分析，さらには環境分析や臨床分析に属する分野において迅速化，簡便化，省試薬化，省試料化，省力化を推進する方法を提供するものである。
【０００２】
【従来の技術】
滴定分析法は，精度の高い簡便な分析法として今日も化学工業における製造工程の管理分析や製品の品質管理分析をはじめ医薬品，食品の分析，環境分析，臨床分析など今もなお根強くかつ広く利用されている。しかし，通常の滴定分析法は一般に操作に１０〜数１０分の時間を要する方法であり，この点では自動滴定装置の発展，普及とともに測定時間の短縮と省力化が進んではいるものの，なお試料の分取操作など手動に頼る操作や非連続的な作業があり，迅速化や自動化が強く望まれている。また，滴定により排出される廃液量も通常は数１０ｍｌから数１００ｍｌと多くなり，その処理も場合によっては大きな問題である。
【０００３】
これらの問題を解決するために，操作の迅速化，簡便化を特徴とする流れ分析を滴定操作に利用する研究が試みられてきた。フローインジェクション分析法（ＦＩＡ）が発表された初期の頃は，滴定剤を含む試薬溶液の消費量が定量に用いられ，実際にはピーク幅が定量尺度として測定に用いられた［Ｊ．Ｒｕｚｉｃｋａ，Ｅ．Ｈ．Ｈａｎｓｅｎ，Ｈ．Ｍｏｓｂａｃｋ，Ａｎａｌ．Ｃｈｉｍ．Ａｃｔａ，９２，２３５（１９７７）．］。この方法ではピーク幅を測定に用いるために測定の迅速性，分析の非連続操作の点などで問題解決に至っていない。これに対してピーク高を定量尺度とするＦＩＡ−中和滴定法も考案された［Ｏ．Ａｓｔｒｏｍ，Ａｎａｌ．Ｃｈｉｍ．Ａｃｔａ，８８，１７（１９７７）．］。この場合，試薬溶液の流れには，加えられた試料の酸や塩基の量に対してｐＨが直線的に変化するように調製した溶液を用いている。この方法では分析処理速度は大幅に向上したが，酸−塩基滴定におけるガラス電極の電位変化をピーク高として検出するものに限られているため，それ以上応用範囲を広げるには限界があった。
【０００４】
一方，ピーク高を検出に用いる方法を発展させて，各種緩衝液と適切に選択した指示薬を試薬溶液に含むＦＩＡ滴定法も報告され，ｐＨ緩衝液−中和滴定法，金属イオン濃度緩衝液−キレート滴定法，酸化還元系電位緩衝液−酸化還元滴定法に利用された［Ｔ．Ｉｍａｔｏ，Ｎ．Ｉｓｈｉｂａｓｈｉ，Ａｎａｌ．Ｓｃｉ，１，４８１（１９８５）．など］。この方法では試料と緩衝液との反応によって生じる緩衝液の液性変化を利用したところに特徴があり，安定したＦＩＡシグナルと精度の高い測定値が得られるようになったが，分析対象物質によっては同じ酸−塩基滴定においても酢酸やアンモニアのような弱酸，弱塩基と，塩酸，硫酸，水酸化ナトリウムのような強酸，強塩基とでは試薬溶液の流れに用いる緩衝液の種類や濃度，また指示薬の種類のちがいにより試料に応じてその都度検量線を作成する必要がある。また，その検量線の傾きが試料及び用いる反応系により異なるため，混合試料の場合，正確に定量することが困難であるという問題がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
そこで，本発明者らは上記問題点を解決すべく滴定操作の迅速化，省力化，簡便化を念頭に鋭意研究を重ねた結果，本発明を見出し，完成するに至った。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は，連続流れを利用する滴定分析の分野において，滴定液および被滴定液（試料溶液）の流れを混合して反応させるとき，一方または両方の流れの流量を自由に変化させることにより，それら二液の流量比を変え，生じた液性変化を下流に配した検出器で測定して，当量点を求め，試料中の目的成分の濃度を求めるフロー滴定法に関するものである。すなわち，連続して流れている滴定剤溶液または被滴定剤溶液の流量を正確に変化させていくことを基本原理としている。このことはすなわち，一般に行なわれているバッチ式滴定操作法における滴定剤の添加量そのものを，流れの中で自動的かつ連続的に変化させていることになる。したがって通常の滴定法と同様に滴定曲線を描くことができ，その変曲点を読み取って滴定の当量点とするものである。本発明の分析法は，定量的に反応した，すなわち完全に反応した点を終点として求めることができるので絶対定量法であるということができる。これは従来の滴定法と同じ原理である。従来の滴定法では例えば被滴定液と滴定液が１：１で反応する場合，▲１▼式の関係が成り立つ。
Ｍ１（ｍｏｌｄｍ−３）×Ｖ１（ｍｌ）＝Ｍ２（ｍｏｌｄｍ−３）×Ｖ２（ｍｌ）      ▲１▼
このときＭ１は被滴定液の濃度，Ｍ２は滴定液の濃度，Ｖ１は被滴定液の体積，Ｖ２は加えた滴定液の体積を表す。すなわち被滴定液の濃度Ｍ１は▲２▼式で示す式により求めることができる。
Ｍ１＝Ｍ２×Ｖ２／Ｖ１      ▲２▼
一方，本発明のフロー滴定分析法の場合，▲３▼式の関係が成り立つ。
Ｍ１（ｍｏｌｄｍ−３）×Ｆ１（ｍｌｍｉｎ−１）＝Ｍ２（ｍｏｌｄｍ−３）×Ｆ２（ｍｌｍｉｎ−１）  ▲３▼
Ｍ１及びＭ２は前述のとおり，Ｆ１は当量点における被滴定液のポンプ送液流量，Ｆ２は当量点における滴定液のポンプ送液流量を表す。この場合の被滴定液の濃度Ｍ１は▲４▼式示すように両液の流量比を求めることにより計算することが可能である。
Ｍ１＝Ｍ２×Ｆ２／Ｆ１      ▲４▼
【０００７】
本発明のフロー滴定分析法のためのシステム流路図を図１に示す。被滴定液１と滴定液２を各々流量可変型のポンプ３で送液する。両液は混合器４で瞬時に定量的に反応し，検出器５に導かれ，液性の変化を連続的に測定する。実際の定量操作は，双方のポンプの流量比を変化させていき，当量点を求め，そのときの流量比より被滴定液の濃度を決めるものであり，本発明は，必要とする流量範囲において，流量精度の極めて高いポンプを用いることが不可欠であり，本発明者らはこの性能を有するポンプを開発し，利用することによりはじめて本発明を実施することができた。
【０００８】
一方で，ポンプの流量精度の性能を高めるばかりでなく，試料と滴定剤との反応−検出系が液性変化の情報を正確かつ瞬時に捉えることも重要な課題である。したがって本発明では，送液系の微少な流量変化を瞬時にフロー反応系に反映させ，液性変化として検出器で測定するための微少容量を持つ高性能混合器を開発するに至り，流量精度の極めて高く微少量精密送液を可能にする高性能ポンプと合わせてその性能を発揮することで本発明を実施することができた。
【０００９】
本発明のフロー滴定法では，あらかじめ当量点がほぼ確定しているような試料の測定では，当量点付近における流量比のみ精密に変化させればよく，１試料当たり数秒から数１０秒程度の分析時間で滴定を終了することができ，迅速化が容易に達成できる。さらに，検出器における液性変化の情報を連続してフィードバックして，送液系すなわちポンプの流量を自動的に最適化することにより，分析時間の短縮が可能となった。さらに当量点付近の流量比をより微少量単位で変化させ，例えば１μｌｍｉｎ−１以下で変化させることで滴定操作は正確性を大きく高めることができた。このことにより目的とした省力化，省試薬，省試料化の他，正確性を高めるなどフロー滴定法の優位性をますます向上させることに成功した。
【００１０】
本発明によるフロー滴定法には，前述の説明のとおり，いくつかの方法があることは言うまでもない。図２に本発明により可能なフロー滴定操作の実例を示す。被滴定液の流量を一定にしておき，滴定液の流量を直線的に変化させて当量点を求める，シングルリニアーグラジエント法に対し，滴定開始当初は変化量を大きくし，当量点付近で流量変化率をより細かく変化させるシングル変速型グラジエント法では，より正確に当量点を読み取ることができる。一方，滴定液だけでなく，被滴定液の流量も変化させることにより，迅速に当量点を求めることができる。それがダブルリニアグラジエント法であり，シングル法に比べ大幅に測定時間の短縮ができる。さらに，滴定開始当初は変化量を大きくし，当量点付近で流量変化率をより細かく変化させた方法がダブル変速型グラジエント法である。本発明では，検出器における液性変化の情報を連続的に送液系にフィードバックすることによりポンプを制御し，流量変化を調節できるようにシステムが構築されているため，最適な方法を選択し，迅速かつ正確な滴定を可能にするものであり，本発明の最大の特徴となっている。
【００１１】
また，試料液と滴定液の混合による液性変化を測定するための検出系および検出器にはガラス電極などをもちいる電位測定法や試薬溶液に添加した指示薬の色調変化を測定する吸光光度法のほか，蛍光光度法，濁度法など流通型セルやセンサーを備えた検出器であればすべて本発明のフロー滴定分析法に利用できるため，その応用範囲は極めて広く，これまでの滴定分析法を大きく超越するものである。
【００１２】
【実施例１】
滴定曲線：図１のフローシステムを組んで，フタル酸カリウム溶液を水酸化ナトリウム溶液を滴定剤としてのフロー滴定分析を行った。一方のポンプより被滴定液（試料溶液）として０．００２Ｍフタル酸カリウム溶液を送液し，もう一方のポンプにより０．０１Ｍ水酸化ナトリウム溶液を送液した。このとき，被滴定溶液中に指示薬としてフェノールフタレインを添加しておく。このフェノールフタレインの塩基型の発色を検出器の６５４ｎｍでの吸光度を測定することにより滴定曲線を描く。図３にこのときの滴定曲線とその曲線の変曲点を示す。フロー滴定操作としては図２に示したシングル変速型グラジエント法とダブル変速型グラジエント法により行った。このとき得られる滴定曲線は，通常のバッチ式滴定法による曲線とよく一致していることから，原理的にも本発明が絶対定量法のひとつである滴定分析法に合致していることが明白である。シングル変速型グラジエント法における変曲点検出までにかかった時間は，約２２０秒と通常のバッチ式滴定法に比べ，非常に迅速な方法であることがわかる。さらに，ダブル変速型グラジエント法では，検出までの時間が７５秒とさらに，測定時間の短縮が促進されていることがわかる。
【００１３】
【実施例２】
タイムラグの補正：本発明のフロー滴定法では，混合器から検出器までの時間分（タイムラグ）が遅れて応答に現れ，この時間分が当量点の検出にも遅れとして現れる。従ってこの時間分を補正することで真の当量点を求めることができる。ダブル変速型グラジエント法で，検出器のわずかな応答変化をポンプにフィードバックして自動的に流量変化率を小さくする系において，当量点を過ぎて少し時間が経過すると両方のポンプ流量を一定に制御するものとする。このとき，ポンプの設定が一定流量に切り替わっても，実際に得られる滴定曲線ではタイムラグが生じている。これを補正することは本発明においては容易である。すなわち，一定流量となるように設定した時間と実際に滴定曲線が一定になる時間との差がこのタイムラグに相当し，これを差し引くことにより，真の当量点を求めることができる。このタイムラグは，実験的に常に補正することができることから，本発明のフロー滴定法は補正型絶対定量法であるということができる。
【００１４】
【実施例３】
検量線：本発明は，本質的に絶対定量法であるといえるが，簡便な方法として検量線法を利用することもできる。滴定溶液として水酸化ナトリウムを用いていくつかの酸を本発明のフロー滴定分析法により定量する際の検量線を図４に示す。酸濃度と流量比には良好な直線関係があることが分かる。このことも本発明の特徴である弱酸，強酸によらず，同一の検量線を使うことができるという事実を証明するものである。塩酸，酢酸及び酸溶液の標準となるフタル酸水素カリウムは一塩基酸としてすべて同一の検量線となる。また，二塩基酸である硫酸及び三塩基酸であるリン酸では検量線の傾きが２倍，３倍となることが分かる。
【００１５】
【発明の効果】
以上説明したように，本発明のフロー滴定分析法は，従来の滴定法と同様に被滴定液と滴定液が定量的に反応した点，すなわち完全に反応した点を滴定の終点として求めることができるため絶対定量法ということができ，その原理の信頼性を何ら損なうことなく次に述べる多くの効果を見出すことができる。▲１▼極めて高い流量分解能を持つポンプを開発し，滴定液と被滴定液の流量比を精密に制御すること，及び効果的な混合を可能とする微少容量混合器を用いることにより非常に精度の高い滴定分析が可能となった。▲２▼検出器における液性変化の情報を連続的にポンプにフィードバックして最適化を行い，滴定時間の大幅な短縮と，流量比の精密制御により高精度な滴定を可能とした。さらにあらかじめ当量点がほぼ確定しているような試料の定量では，当量点付近の流量比のみ精密に変化させればよく１試料当たり数秒から数１０秒の時間で滴定を終了することができ，迅速化，省力化，省試薬，省試料化を達成できた。▲３▼検出器としては，流通型のフローセル又はセンサーを備えたものであれば本発明のフロー滴定分析法にすべて利用できることからその応用範囲を極めて拡大させることができた。滴定分析法は今日でもさまざまな現場において絶対定量法のひとつとして通常の酸−塩基滴定から先端科学分野である原子力発電所におけるホウ素の定量まで幅広く利用されている。したがって本発明は，化学工業における工程管理や品質管理分析，医薬品，食品の分析，さらには環境分析や臨床分析に属する分野において迅速化，簡便化，省試薬化，省試料化，省力化を推進するばかりでなく定量精度をも大幅に向上させることのできる方法である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるフロー滴定分析法のためのシステム流路図である。
【図２】本発明によるフロー滴定操作の実例である。
【図３】本発明によるフロー滴定曲線である。
【図４】本発明によるフロー滴定分析法のための検量線である。
【符号の説明】
１  被滴定液
２  滴定液
３  送液ポンプ
４  混合器
５  検出器
６  パーソナルコンピュータ
７  排液
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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