(57)【要約】  溶液の電気化学測定に用いられる電気回路であって、電圧発生回路と、出力（ＯＵＴ）、非反転入力（＋ＩＮ）、反転入力（−ＩＮ）を有するオペアンプであって、出力（ＯＵＴ）が、溶液と接触する対極（ＣＥ）に接続されるように構成され、反転入力（−ＩＮ）が、溶液と接触する参照極（ＲＥ）に接続されるように構成され、非反転入力（＋ＩＮ）が、電圧発生回路に接続された、オペアンプと、出力（ＯＵＴ）と反転入力（−ＩＮ）との間に接続され、１μＦ以上の容量を有するコンデンサと、溶液と接触する作用極（ＷＥ）と接続されるように構成された電流測定回路と、を備える電気回路を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶液の電気化学測定に用いられる電気回路であって、
電圧発生回路と、
出力（ＯＵＴ）、非反転入力（＋ＩＮ）、反転入力（−ＩＮ）を有するオペアンプであって、
前記出力（ＯＵＴ）が、前記溶液と接触する対極（ＣＥ）に接続されるように構成され、
前記反転入力（−ＩＮ）が、前記溶液と接触する参照極（ＲＥ）に接続されるように構成され、
前記非反転入力（＋ＩＮ）が、前記電圧発生回路に接続された、
オペアンプと、
前記出力（ＯＵＴ）と前記非反転入力（＋ＩＮ）との間に接続され、１μＦ以上の容量を有するコンデンサと、
前記溶液と接触する作用極（ＷＥ）と接続されるように構成された電流測定回路と、
を備える電気回路。
【請求項２】
前記コンデンサの容量は１０μＦ以上である、請求項１に記載の電気回路。
【請求項３】
前記コンデンサの容量は１００μＦ以上である、請求項２に記載の電気回路。
【請求項４】
前記コンデンサの容量は、測定中の対極の界面の等価回路の静電容量より大きい、請求項１から３のいずれか一項に記載の電気回路。
【請求項５】
溶液の電気化学測定に用いられる電気回路であって、
電圧発生回路と、
前記溶液と接触する作用極（ＷＥ）と接続されるように構成された電流測定回路と、
出力（ＯＵＴ）、非反転入力（＋ＩＮ）、反転入力（−ＩＮ）を有するオペアンプであって、
前記出力（ＯＵＴ）が、前記溶液と接触する対極（ＣＥ）に接続されるように構成され、
前記反転入力（−ＩＮ）が、前記溶液と接触する参照極（ＲＥ）に接続されるように構成され、
前記非反転入力（＋ＩＮ）が、前記電圧発生回路に接続された、
オペアンプと、
１μＦ以上の容量を有するコンデンサと、
第一入力端と第二入力端と出力端を有するスイッチ回路と、
入力端と出力端とを有するバッファ回路と、
を備え、
前記コンデンサは、一端で前記オペアンプの出力（ＯＵＴ）に接続され、他端で前記スイッチ回路の出力端に接続され、
前記スイッチ回路は、第一入力端で前記バッファ回路の出力端に接続され、第二入力端で前記オペアンプの反転入力（−ＩＮ）との間に接続され、
前記バッファ回路は、入力端で前記オペアンプの反転入力（−ＩＮ）との間に接続された、
電気回路。
【請求項６】
溶液の電気化学測定装置であって、
前記溶液と接触するように構成された対極（ＣＥ）と、
前記溶液と接触するように構成された参照極（ＲＥ）と、
前記溶液と接触するように構成された作用極と（ＷＥ）と、
電圧発生回路と、
出力（ＯＵＴ）、非反転入力（＋ＩＮ）、反転入力（−ＩＮ）を有するオペアンプであって、
前記出力（ＯＵＴ）で前記対極（ＣＥ）に接続され、
前記非反転入力（＋ＩＮ）で前記参照極（ＲＥ）に接続され、
前記反転入力（−ＩＮ）で前記電圧発生回路に接続された
オペアンプと、
前記オペアンプの出力（ＯＵＴ）と前記反転入力（−ＩＮ）との間に接続され、１μＦ以上の容量を有するコンデンサと、
前記作用極（ＷＥ）と接続された電流測定回路と、
を備える電気化学測定装置。
【請求項７】
前記溶液は測定対象物質を含み、
少なくとも前記作用極の前記溶液と接触する表面に設けられ、前記測定対象物質と特異的に反応する分子認識膜を更に備える、
請求項６に記載の電気化学測定装置。
【請求項８】
溶液の電気化学測定装置であって、
前記溶液と接触するように構成された対極（ＣＥ）と、
前記溶液と接触するように構成された参照極（ＲＥ）と、
前記溶液と接触するように構成された作用極と（ＷＥ）と、
電圧発生回路と、
前記作用極（ＷＥ）と接続された電流測定回路と、
出力（ＯＵＴ）、非反転入力（＋ＩＮ）、反転入力（−ＩＮ）を有するオペアンプであって、
前記出力（ＯＵＴ）が前記対極（ＣＥ）に接続され、
前記反転入力（−ＩＮ）が前記参照極（ＲＥ）に接続され、
前記非反転入力（＋ＩＮ）が前記電圧発生回路に接続された
オペアンプと、
１μＦ以上の容量を有するコンデンサと、
第一入力端と第二入力端と出力端を有するスイッチ回路と、
入力端と出力端とを有するバッファ回路と
を備え、
前記コンデンサは、一端で前記オペアンプの出力（ＯＵＴ）と前記対極（ＣＥ）とに接続され、他端で前記スイッチ回路の出力端に接続され、
前記スイッチ回路は、第一入力端で前記バッファ回路の出力端に接続され、第二入力端で前記オペアンプの反転入力（−ＩＮ）と前記参照極（ＲＥ）とに接続され、
前記バッファ回路は、入力端で前記オペアンプの反転入力（−ＩＮ）と前記参照極（ＲＥ）とに接続された、
電気化学測定装置。
【請求項９】
前記溶液は測定対象物質を含み、
少なくとも前記作用極の前記溶液と接触する表面に設けられ、前記測定対象物質と特異的に反応する分子認識膜を更に備える、
請求項８に記載の電気化学測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、電気化学測定用電気回路および測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気化学分野では、溶液中の化学物質や生体物質が電極表面又はその近傍で起こる化学反応または生化学反応により、溶液中に流れる電流を測定することで、化学物質や生体物質を検出又は定量する。このような測定には、例えば三電極法等の手法が広く用いられている。【０００３】
三電極法は、容器内に対極、参照極および作用極を設置し、対極と作用極の間に所定の電位差を持たせ、対極から作用極に流れる電流を測定する方法である。一般的に、金属や金属酸化物などの物質が電解液に入ると、その物質と電解液の間に界面電位と呼ばれる電位差が生じる。この電位差を考慮した上で、対極と作用極の間に電圧を印加すると、対極から電流が流れ、対極と溶液の間の電位差が変化し得る。この電位差の変化により、所望の電圧が溶液に対して正確に加わらない場合がある。三電極法では、これを回避するために、参照極での電位を測定し、その電位が所望の値に定まるように、対極に印加する電圧を制御することができる。また、参照極で測定された電位を、対極を制御する回路に帰還（フィードバック）するフィードバック回路が存在する。
【発明の概要】
【０００４】
本開示の一実施形態では、溶液の電気化学測定に用いられる電気回路は、電圧発生回路と、出力（ＯＵＴ）、非反転入力（＋ＩＮ）、反転入力（−ＩＮ）を有するオペアンプであって、出力（ＯＵＴ）が、溶液と接触する第一電極に接続されるように構成され、反転入力（−ＩＮ）が、溶液と接触する第二電極に接続されるように構成され、非反転入力（＋ＩＮ）が、電圧発生回路に接続されたオペアンプと、出力（ＯＵＴ）と反転入力（−ＩＮ）との間に接続されたコンデンサと、を備える。
【０００５】
本開示のある実施形態は、溶液の電気化学測定に用いられる電気回路である。この電気回路は、電圧発生回路と、出力（ＯＵＴ）、非反転入力（＋ＩＮ）、反転入力（−ＩＮ）を有するオペアンプであって、出力（ＯＵＴ）が、溶液と接触する対極（ＣＥ）に接続されるように構成され、反転入力（−ＩＮ）が、溶液と接触する参照極（ＲＥ）に接続されるように構成され、非反転入力（＋ＩＮ）が、電圧発生回路に接続されたオペアンプと、出力（ＯＵＴ）と反転入力（−ＩＮ）との間に接続されたコンデンサと、溶液と接触する作用極（ＷＥ）と接続されるように構成された電流測定回路と、を備える。
【０００６】
本開示のある実施形態は、溶液の電気化学測定に用いられる電気回路である。この電気回路は、出力（ＯＵＴ）、非反転入力（＋ＩＮ）、反転入力（−ＩＮ）を有するオペアンプであって、出力（ＯＵＴ）が、溶液と接触する対極（ＣＥ）に接続されるように構成され、反転入力（−ＩＮ）が、溶液と接触する参照極（ＲＥ）に接続されるように構成され、非反転入力（＋ＩＮ）が、電圧発生回路に接続されるように構成されたオペアンプと、出力（ＯＵＴ）と反転入力（−ＩＮ）との間に接続されたコンデンサと、溶液と接触する作用極（ＷＥ）と電流測定回路とを接続するように構成された配線と、を備える。電圧発生回路は、オペアンプの非反転入力（＋ＩＮ）に接続されてもよい。電流測定回路は、作用極（ＷＥ）と接続されるように構成された配線と接続されてもよい。
【０００７】
本開示の別の実施形態は、溶液の電気化学測定装置である。この電気化学測定装置は、溶液と接触するように構成された対極（ＣＥ）と、溶液と接触するように構成された参照極（ＲＥ）と、溶液と接触するように構成された作用極（ＷＥ）と、電圧発生回路と、出力（ＯＵＴ）、非反転入力（＋ＩＮ）、反転入力（−ＩＮ）を有するオペアンプであって、出力（ＯＵＴ）で対極（ＣＥ）に接続され、反転入力（−ＩＮ）で参照極（ＲＥ）に接続され、非反転入力（＋ＩＮ）で電圧発生回路に接続されたオペアンプと、オペアンプの出力（ＯＵＴ）と反転入力（−ＩＮ）との間に接続されたコンデンサと、作用極（ＷＥ）と接続された電流測定回路と、を備える。
【０００８】
本開示により、潜在的に又は一例として、ノイズが測定に与える影響を低減し、溶液中の電気化学測定において、化学反応および生化学反応により発生する微小電流の測定精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第一の実施形態に係る測定装置の構成の一例を示す回路ブロック図である。
【図２】ノイズ対策を行わずに測定した電流の一例を示す波形図である。
【図３】外部ノイズに対する対策のみを行って測定した電流の一例を示す波形図である。
【図４】第一の実施形態に係るノイズ対策を行って測定した電流の一例を示す波形図である。
【図５】外部ノイズに対する対策のみを行って測定した電流の一例を示す波形図である。
【図６】第一の実施形態に係るノイズ対策を行って測定した電流の一例を示す波形図である。
【図７】第二の実施形態に係る測定装置の構成の一例を示す回路ブロック図である。
【図８】電流測定回路を構成する典型的な回路の一例である。
【図９】フィードバック回路がノイズを増幅するメカニズムを説明するための回路ブロック図である。
【図１０】電気等価回路の変換を説明する回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
一般的に、電気的測定を行う測定系はノイズの影響を受ける。ノイズ源としては、例えば、商用電源、スイッチング電源、クロック、外部機器、静電気および通信電波などが挙げられる。これらのノイズの発生源は特定できている。これらは、以下に述べる電極やフィードバックループなどのように測定系に内在するものではなく、その外部に存在するものである。したがって、本開示ではこれらを総称して「外部ノイズ」と呼ぶ。
【００１１】
外部ノイズの発生源は比較的特定が容易である。したがって、ノイズの発生源から測定部に伝わる伝搬経路を絶てば、その影響を低減することが可能である。例えば、測定系をシールドで覆えば、外部機器から伝播するノイズ、静電気および通信電波による影響を大幅に低減することができる。また、測定機器の内部に入ってくる、商用電源、スイッチング電源、クロックなどに起因するノイズの影響は、測定機器のグランドを適切に配置することで低減することができる。あるいはまた、静電気と商用電源を除き、これらのノイズは、周波数が高いので、ローパスフィルター（ＬＰＦ）などにより低減することができる。また、商用電源の周波数は、国や地域で定められており、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚと決まっている。したがって、その周期に合わせた平均処理をする（例えば、０．１秒間のデータを平均すると、５０Ｈｚ／６０Ｈｚの信号はゼロになる）ことで、そのノイズをさらに低減させることができる。静電気は、周波数が定まっていないが、通常、シールドを適切に施すことで対策を十分に行うことができる。
【００１２】
一方、外部ノイズ以外に、測定装置内には、熱雑音、ショットノイズ、フリッカノイズ（１／ｆノイズ）等のノイズも存在する。これらのノイズは、物理現象として、測定装置内のデバイスや電気又は電子素子の内部に存在するため、シールドやグランドの適正配置では低減できない。また、これらのノイズは、低周波に亘るため、平均処理での低減が困難なこともある。特に、フリッカーノイズ（１／ｆノイズ）は、低周波においてノイズ電力が高くなるため、平均処理で低減することが困難である。
【００１３】
電気化学測定においては、化学反応または生化学反応によって作用電極に流れる電流を測定する。測定対象物質が低濃度である場合、流れる電流は微小である。このような場合に、ノイズが大きいと、測定対象物質の定量はおろか、検出すらできない場合がある。定量ができたとしても、定量された値が極めて不正確になることがある。
【００１４】
電気化学的な測定をする溶液は、生体から採取された液体でもよい。溶液は、生体から採取された液体そのものでもよく、人体から採取された液体でもよい。生体から採取された液体に対して精製、希釈、他の液体との混合その他の処置が行われた液体又は生体由来の液体でもよい。電気化学的な測定をする溶液は、体液であってもよい。体液は、細胞内液（ＩＣＦ）であってもよく、細胞外液（ＥＣＦ）であってもよい。体液は、リンパ液であってもよく、組織間液、細胞間液、間質液組などの組織液であってもよく、体腔液、漿膜腔液、胸水、腹水、心嚢液、脳脊髄液（髄液）、関節液（滑液）、眼房水（房水）であってもよい。体液は、唾液、胃液、胆汁、膵液、腸液などの消化液であってもよく、汗、涙、鼻水、尿、精液、膣液、羊水、乳汁であってもよい。溶液は、測定対象物質を含む、リン酸緩衝生理食塩水（ＰＢＳ）やＮ−トリス（ヒドロキシメチル）メチル−２−アミノエタンスルホン酸緩衝液（ＴＥＳ）などの生理緩衝液であってもよい。
【００１５】
溶液は、測定対象物質を含んでいてもよい。例えば、溶液は涙であって、測定対象物質は涙に含まれるグリコアルブミンであってもよい。あるいは、測定対象物は、血液又は血清中のグルコース、アルブミン、グリコアルブミン、尿酸、グリコヘモグロビン、間質液中のグルコース、涙のグルコース、アルブミン、尿のアルブミン、グルコースなどであってもよい。溶液は測定対象物質が含まれていれば特に限定されるものではない。
【００１６】
電気化学測定法は、電気分解の際の電流測定法でもよい。電気分解を用いる測定法では、電位を一定に維持した時の電流値を測定するアンペロメトリーでもよく、電位を変動させたときの電流量の変動を測定する（ボルタンメトリー）であってもよい。電気化学測定法は、三電極法であってもよい。
【００１７】
電圧発生回路（電圧発生器、電圧発生部）は、電源を含んでいてもよく、その外部に設けられた電源からの電圧を所望の電圧に変換する構成でもよい。電源電圧を分割する回路を含んで構成されてもよく、所望の電圧を発生することのできる集積回路（ＩＣ）を含んで構成されてもよい。電圧発生回路は、ローパスフィルタ回路とバッファ回路とを有して構成されてもよい。
【００１８】
本開示において、「接続」は、特段の説明がない限り、電気的な接続を意味する。「接続」は、直接的な接続、すなわち接続される素子等が間に他の電気又は電子素子等を実質的に介さない接続であってもよく、本願に開示に含まれる発明又は実施形態が機能する限り、間接的な接続、すなわち接続される素子等の間に他の電気又は電子素子等を介した接続であってもよい。例えば、オペアンプの出力（ＯＵＴ）と対極（ＣＥ）とは、直接接続でもよく、あるいは、接続ミスをして回路内の電子素子を壊さないように、オペアンプの出力（ＯＵＴ）と対極（ＣＥ）の間に直列に例えば１００Ω（オーム）の抵抗を接続してもよい。また例えば、オペアンプの出力を直接対極に接続しなくてもよい。ある実施形態では、後段にさらに増幅回路や減衰回路を入れて接続してもよい。別の実施形態では、オペアンプを複数段使って接続してもよい。ある実施形態では、保護用の抵抗を直列に入れて接続を形成してもよい。
【００１９】
ある実施形態では、コンデンサは、出力（ＯＵＴ）と反転入力（−ＩＮ）との間に接続される。コンデンサは、一端で出力（ＯＵＴ）に接続され、他端で反転入力（−ＩＮ）に接続されてもよい。
【００２０】
ある実施形態では、コンデンサは、１μＦ以上の容量を有していてもよい。別の実施形態では、コンデンサは、１μＦより大きい容量を有していてもよい。コンデンサの容量は、２μＦ、３μＦ、４μＦ、５μＦ、６μＦ、７μＦ、８μＦ、９μＦ又は１０μＦ以上でも良く、それらのいずれかの値より大きい値でもよい。コンデンサの容量は、１０μＦ、２０μＦ、３０μＦ、４０μＦ、５０μＦ、６０μＦ、７０μＦ、８０μＦ、９０μＦ又は１００μＦ以上でもよく、それらのいずれかの値より大きい値でもよい。
【００２１】
ある実施形態では、コンデンサの容量は、測定中の対極の界面の等価回路の静電容量より大きくてもよい。ある実施形態ではコンデンサは、ノイズ低減用コンデンサであってもよい。電極の溶液との接触面積は、１００平方ミリメートル以下であってもよい。電極界面の静電容量は通常１０μＦ程度以下であってもよい。電気二重層の厚さは、薄いもので１ｎｍ程度であってもよく、これより大きくてもよい。一例として、電極界面の静電容量は、Ｃ＝εＳ／Ｄ＝７０μＦ（水の比誘電率ε＝８０として）であってもよい。あるいは、別の例では、数μＦ程度であってもよい。これらに合わせて、コンデンサの容量は、１０μＦであれば十分にノイズを低減することができる。さらにコンデンサの容量は、１００μＦであれば、さらにノイズを低減することができる。例えば、電極面積がさらに小さければ、コンデンサの容量は０．１μＦであってもよい。
【００２２】
本開示ではコンデンサの容量に、理論上上限はないが、実際上は上限を設けても良い。コンデンサの容量は、１００ｍＦ（ミリファラッド）、１０ｍＦ、１ｍＦ、５００μＦ、４００μＦ、３００μＦ、２００μＦ、１００μＦ以下でもよく、それらのいずれかの値より小さい値でもよい。コンデンサの容量は、３５０μＦであってもよく、３３０μＦであってもよい。
【００２３】
コンデンサは、セラミックコンデンサでもよい。コンデンサは２つ以上のコンデンサを組み合わせて構成してもよい。例えば、２つの電解コンデンサを逆向きに直列接続してもよい。コンデンサは、極性があってもよいし、なくてもよい。無極性のコンデンサは、これに加わる電圧が正負の間で変動する可能性の場合に有用である。
【００２４】
対極、参照極、作用極を電極と呼んでもよく、それぞれ対電極、参照電極、作用電極とよんでもよい。作用極は、少なくとも溶液と接触する表面が、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）などの金属で形成されていてもよく、カーボンナノチューブ、グラフェン、ダイヤモンドなどを含む炭素電極でもよく、酸化タンタルなどの金属酸化物でもよく、導電性ポリマーであってもよい。対極は、少なくとも溶液と接触する表面が、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）などの金属で形成されてもよく、炭素電極や導電性ポリマーなどで形成されてもよい。参照極は、少なくとも溶液と接触する表面が、銀塩化銀（Ａｇ／ＡｇＣｌ）、飽和ＫＣｌ塩橋、水銀（Ｈｇ）、塩化水銀（ＨｇＣｌ）、標準水素電極などで形成されていてもよい。これらの材料は、一例であって、本開示における電極の素材を特定するものではない。
【００２５】
電流測定回路は、電流電圧変換回路を有していてもよい。ある実施形態では、電流測定回路は、電流電圧変換回路と電圧測定回路とが直列に接続されて構成されてもよい。ある実施形態では、電圧測定回路はＡ／Ｄ変換器であってもよい。
【００２６】
一般に、電気回路において、複数の回路素子又は配線が接続される点を節点又はノード（ｎｏｄｅ）と呼び黒丸の点で表されることが多い。しかし、本開示では、上記節点又はノードと、明示的に示す電気電子回路又は素子を除き、回路機能上実質的に同電位として扱うことができる配線部などの箇所とを合わせてノードと呼ぶ。
【００２７】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全ての図において、同一部には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【００２８】
＜第一の実施形態＞
＜測定装置の構成＞
図１は、本開示のある実施形態（第一の実施形態）に係る測定装置の構成を示す回路ブロック図である。測定装置１は、溶液の電気化学測定をする装置である。測定装置１は、溶液中の測定対象の物質を検出し定量することもできる。図１に示す測定装置１は、電気回路１０、溶液を収容する容器９０、容器９０に配置され測定時には溶液９５と接触する対極９１、参照極９２、作用極９３を備えている。電気回路１０は、電圧発生回路（電圧発生部、電圧発生器）２０、オペアンプ３０、コンデンサ４０、電流測定回路（電流測定部、電流測定器）５０を備えている。電圧発生回路２０、オペアンプ３０、コンデンサ４０、電流測定回路５０は、その一部又はすべてが基板（図示せず）上に形成されている。ある実施形態では、基板は、紙フェノール、ガラスエポキシなどの素材の基板であってもよい。
【００２９】
電圧発生回路２０の出力は、オペアンプ３０の非反転入力（＋ＩＮ）に接続され、基準電圧Ｖｒｅｆを供給する。電圧発生回路２０は、測定装置１の接地電位に対して安定した電位差Ｖｒｅｆを持つ出力信号を供給する。
【００３０】
オペアンプ３０の出力（ＯＵＴ）は対極９１に接続され、反転入力（−ＩＮ）は参照極９２に接続されている。コンデンサ４０は、対極９１と参照極９２との間、又はオペアンプ３０の出力（ＯＵＴ）と反転入力（−ＩＮ）との間に接続されている。換言すれば、コンデンサ４０は、一端でオペアンプ３０の出力（ＯＵＴ）と対極９１とに接続され、他端でオペアンプ３０の反転入力（−ＩＮ）と参照極９２とに接続されている。
【００３１】
電流測定回路５０は、作用極９３に接続され、作用極９３からの電流の値を受けて電気回路１０外部に出力信号を出力する。
【００３２】
オペアンプ３０の出力（ＯＵＴ）とコンデンサ４０の間、あるいはオペアンプ３０の出力（ＯＵＴ）、コンデンサ４０、対極９１の間の実質的に等電位の配線部をノード（第一ノード）１１と呼ぶ。オペアンプ３０の反転入力（−ＩＮ）とコンデンサ４０の間、あるいはオペアンプ３０の反転入力（−ＩＮ）、コンデンサ４０、参照極９２の間の実質的に等電位の配線部をノード（第二ノード）１２と呼ぶ。作用極９３と電流測定回路との間の実質的に等電位の配線部をノード（第三ノード）１３と呼ぶ。
【００３３】
ある実施形態では、溶液９５を収容する容器９０、対極９１、参照極９２、作用極９３は、測定装置１から取り外すように構成されてもよい。溶液９５を収容する容器９０、対極９１、参照極９２、作用極９３は、測定ごと、使用頻度あるいは時間間隔に応じて、使い捨てされるように構成されてもよい。ある実施形態では、溶液を収容する容器９０、対極９１、参照極９２、作用極９３が測定装置１にはめ込まれて、対極９１、参照極９２、作用極９３がそれぞれ、第一ノード１１、第二ノード１２、第三ノード１３と電気接触を形成するように構成されていてもよい。別の実施形態では、溶液を収容する容器９０、対極９１、参照極９２、作用極９３は、測定装置１に一体的に形成又は製造されてもよい。
【００３４】
図１では、測定装置１は、シールド６０を備えている。シールド６０は、外部ノイズを低減することができる。図１では、シールド６０は、電気回路１０と、容器９０、対極９１、参照極９２、作用極９３を囲むように配置されているが、シールド６０の配置はこれに限らない。シールド６０は、第二ノード１２に沿ってあるいは囲むように配置されてもよい。
【００３５】
第一ノード１１〜第三ノード１３は、上記の基板に配置されてもよい。シールド６０は金属もしくは導電性の素材で作られていてもよい。シールド６０は測定装置１の接地電位につながれていてもよい。ある実施形態では、対極、参照極、作用極に接続されるノードの各々又はすべては、部分的に同軸ケーブル（図示せず）で形成されていてもよい。その同軸ケーブルの内部導体が各ノードの配線として各電極に接続され、外部導体がシールド６０に接続されていてもよい。ノードが物理的に長い場合に、ノードが拾う外部ノイズを低減することができる。ある実施形態では、同軸ケーブルは、取り外し可能なコネクタ（図示せず）を介して、電気回路と電極間とを接続するように構成されていてもよい。本開示では、測定装置１の第一ノード１１、第二ノード１２、第三ノード１３がどのような形で対極９１、参照極９２、作用極９３につながるかは限定されない。
【００３６】
ある実施形態では、オペアンプ３０の出力（ＯＵＴ）、オペアンプ３０の反転入力（−ＩＮ）、電流測定回路５０と接続されるように構成された配線は、それぞれ、電気化学測定の際に溶液と接触する対極９１（ＣＥ）、参照極９２（ＲＥ）、作用極９３（ＷＥ）と接続されるように構成されていてもよい。ある実施形態では、電気回路を含む部品と、対極（ＣＥ）、参照極（ＲＥ）、作用極（ＷＥ）を含む部品とが、機械的にはめ込みなどの形式で接触または合体することで、対極９１（ＣＥ）、参照極９２（ＲＥ）、作用極９３（ＷＥ）との各配線との電気的接触が形成されるように、測定装置１と電気回路路１０とが構成されてもよい。
【００３７】
ある実施形態では、溶液９５を収容する容器９０はカートリッジ式に測定装置１に対して取り外し可能に構成されてもよい。容器９０は、溶液９５やその他の液体を導入する導入口を有していてもよい。容器９０は、溶液９５やその他の液体を排出する排出口を有していてもよい。導入口と排出口は、それぞれ一つであっても複数であってもよく、また同一の孔として構成されてもよい。ある実施形態では、対極９１（ＣＥ）、参照極９２（ＲＥ）、作用極９３（ＷＥ）は、容器９０に対して固定されてもよく、容器９０に対して取り外し可能に固定可能であってもよい。ある実施形態では、容器９０は、溶液９５を測定中に実質的に流れない状態で収容するように構成されてもよい。別の実施形態では、容器９０は、流路として構成されてもよい。
【００３８】
図１に示す測定装置１は、筐体７０を備えている。ある実施形態では、筐体７０は、容器９０及び電気回路１０を収納しまたは支持するように構成されていてもよい。測定装置１は、デスクトップ型の装置であってもよく、ポータブル（携帯）型の装置であってもよい。
【００３９】
測定する際には、溶液９５が導入部又はインレット（図示せず）から容器９０に流入または導入される。
【００４０】
測定対象物質又は被測定物質は、予め溶液に含まれていてもよく、測定対象物質を含まない溶液を容器９０に導入した後に、異なるタイミングで溶液９５に混合させてもよい。測定対象物質と溶液とが混合されるタイミングはこれに限定されない。例えば、ある実施形態では、対極９１、参照極９２および作用極９３が溶液９５と接していない状態、つまり、乾燥した状態から、測定対象物質の溶解した溶液９５を容器９０に注ぎ込んでもよい。別の実施形態では、測定対象物質が含まれない溶液を容器９０に導入して、対極９１、参照極９２および作用極９３を浸した後に、測定対象物質が溶解した溶液と置き換えてもよい。さらに別の実施形態では、対極９１、参照極９２および作用極９３を測定対象物質が含まれない溶液に浸しておき、測定対象物質そのものを容器９０内の溶液に溶かし込んでもよい。さらに別の実施形態では、対極９１、参照極９２および作用極９３を測定対象物質が含まれない溶液に浸しておき、測定対象物質が混入した被測定サンプルを溶液に溶かし込んでもよい。
【００４１】
導入された溶液９５は、対極９１、参照極９２、作用極９３の表面の少なくとも一部と接触する。電圧発生器２０より電圧が提供されると、オペアンプ３０の出力から、第一ノード１１、対極９１、溶液９５、参照極９２、第二ノード１２を経て、再びオペアンプ３０の反転入力（−ＩＮ）に戻ってくるフィードバックループが形成される。このフィードバックループの働きで、参照極９２から第二ノード１２に伝わる電圧が基準電圧Ｖｒｅｆと等しくなるように対極９１の電圧が制御される。オペアンプ３０はフィードバック回路の１つの構成要素であるがが、別の実施形態では、同様の機能を有する他の回路部品を用いてもよい。
【００４２】
コンデンサ４０により、熱雑音、ショットノイズ、フリッカーノイズなどの装置の構成部品に内在するノイズ（以下、「物理ノイズ」という）の影響を低減することができる。
【００４３】
図１のようなフィードバック回路において、物理ノイズは、電圧発生回路２０の構成部品やオペアンプ３０に内在している。電圧発生回路２０の構成部品に内在する物理ノイズは、電圧ノイズとして基準電圧信号に重畳され、オペアンプ３０の非反転入力端子（＋ＩＮ）に入力される。オペアンプ３０に内在する物理ノイズは、反転入力（―ＩＮ）と非反転入力（＋ＩＮ）の両方に存在するが、等価的にはその和がオペアンプ３０の非反転入力（＋ＩＮ）に集中して存在するとして計算することができる。このオペアンプ３０のノイズは、基準電圧信号に重畳される。これらから、さまざまな場所に存在する物理ノイズは基準電圧Ｖｒｅｆに重畳してオペアンプ３０の非反転入力（＋ＩＮ）に集約した１つのノイズと考えることができる。これを以下「集約された物理ノイズ」と表現する。
【００４４】
ここで、電極と溶液の界面の物性と電気的な性質について簡単に説明する。電極と溶液の界面は、複雑な現象で取り巻かれている。界面に交流電圧を印加すると、それに応じた電流が流れるので、その比により界面のインピーダンスが定義できる。本開示ではそれを界面インピーダンスと称する。界面インピーダンスを構成するものは、酸化還元反応と電気二重層である。酸化還元反応は溶液と電極の間での電子の授受を発生させ、これにより直流電流が流れる。電気二重層は、界面に集まるイオンにより形成され、電子の授受は発生させない。しかし、電極の電位が変化すると溶液中のイオン濃度分布の変化が起こりそれに応じて電極の電子の状態が変化し、これが交流電流として検出される。よって、電気的には、酸化還元反応を抵抗、電気二重層をコンデンサとして表現することができる。したがって、界面インピーダンスは近似的にこれらの並列回路として表現できる。その他、界面においては、拡散律速によって支配されるワールブルグインピーダンスなどの複雑な要素が存在する。しかし、これらは本開示に大きく影響を及ぼす要素ではないので、説明を省略する。対極９１、参照極９２、作用極９３は、それぞれが界面インピーダンスをもち、それぞれ、抵抗と静電容量の並列回路として近似的に表現することができる。
【００４５】
集約された物理ノイズはフィードバックループによって増幅される。そのメカニズムを以下に説明する。オペアンプ出力から反転入力までのフィードバック量は、対極９１と溶液９５との界面インピーダンスＺｃと、作用極９３と溶液９５との界面インピーダンスＺｗとのインピーンダンス分割Ｚｗ／（Ｚｃ＋Ｚｗ）で決まる。
【００４６】
実際には、参照極９２と溶液９５との界面の等価回路のインピーダンスＺｒを経由する経路が存在する。しかし、その先にあるオペアンプ３０の反転入力（―ＩＮ）の入力インピーダンスが充分に大きいので、参照極９２でのインピーダンスＺｒは、フィードバック経路におけるインピーダンス分割に影響を及ぼさないと考えて良い。また、一般的なオペアンプの入力インピーダンスは現実的に得られるＺｃやＺｗの値に比べ充分に大きい。また、電流測定回路５０の入力インピーダンスは充分に小さいと考えて良い。これも、電流計は入力インピーダンスが低いことが要件となるためである。例えば、図８に示す電流測定回路５０において、電流電圧変換回路５１は入力部で仮想接地となっており、入力インピーダンスはゼロとみなしてよい。
【００４７】
オペアンプ３０、対極９１と作用極９３の等価インピーダンスＺｃ、Ｚｗおよび仮想接地となる電流測定回路５０の入力だけをモデル化した図９を見ると、このフィードバック回路の配置は、典型的な非反転増幅器を構成している。したがって、オペアンプ３０の非反転入力（＋ＩＮ）に集約された物理ノイズは、（Ｚｃ＋Ｚｗ）／Ｚｗ倍に増幅されてオペアンプ３０の出力に現れ、そのまま、第一ノード１１を経て対極９１に現れると考えることができる。
【００４８】
三電極法などの電気化学測定では、溶液に含まれる微小量の物質による化学反応または生化学反応による電流を測定する。より多くの電流を得るために、作用極の溶液との接触面積を大きくすることが有効である。一般的には、作用極の面積は対極の面積に比べて大きい。接触面積が大きいと、界面のインピーダンスが小さくなり、静電容量が大きくなる。
【００４９】
以下具体的に計算により考察する。例えば、実施例で実測したところ、作用極の面積は対極の面積の約２．５倍あり、対極、参照極および作用極の界面の等価回路は、それぞれ３５ＭΩ／／２．８μＦ、２ＭΩ／／１．４μＦ、１４ＭΩ／／７μＦであった。ここで、「／／」はその左右の素子が並列接続されていることを表す。
【００５０】
化学反応のスピードを考慮すると、測定に必要な時間は０．１秒程度から１分程度であり、周波数では、おおよそ０．０１Ｈｚ（ヘルツ）から１０Ｈｚの範囲となる。その周波数帯では、界面の等価回路においては静電容量が支配的であるので、インピーダンスは実質的に静電容量の逆数に比例する。オペアンプ３０の反転入力（―ＩＮ）の入力インピーダンスは十分に大きいとすると、コンデンサ４０がない場合はＺｒが無視できて、フィードバックループ内ノイズの増幅率は、（Ｚｃ＋Ｚｗ）／Ｚｗと表現できる。
【００５１】
上記の場合、対極９１のインピーダンスＺｃと作用極９３のインピーダンスＺｗの比率は、Ｚｃ／Ｚｗ≒（１／Ｃｃ）／（１／Ｃｗ）＝Ｃｗ／Ｃｃ＝７μＦ／２．８μＦ＝２．５と計算される。したがって、コンデンサ４０がない場合のフィードバックループ内ノイズの増幅率は、（Ｚｃ＋Ｚｗ）／Ｚｗ＝（１＋２．５）／１＝３．５である。
【００５２】
一方、本開示では、コンデンサ４０は、オペアンプ３０の出力である第一ノード１１とオペアンプ３０の反転入力（―ＩＮ）である第二ノード１２につながるように接続されている。コンデンサ４０は、フィードバックループの内部において、オペアンプ３０の出力（ＯＵＴ）である第一ノード１１から対極９１、溶液９５および参照極９２を経由してオペアンプ３０の反転入力（―ＩＮ）である第二ノード１２に帰還する経路に並列に配置されている。したがって、コンデンサ４０がないときと比べ、フィードバックループの帰還量が大きくなる。これにより、第一ノード１１を経由して対極９１に現れるノイズ電力が小さくなり、微小電流の測定精度を向上させることが可能となる。
【００５３】
フィードバックループの帰還量が大きくなると、ノイズの増幅率が小さくなることは、次のように考えても理解できる。まず、Ｚｃ、Ｚｒ及びコンデンサ４０のインピーダンスＺｎの接続をπ型接続と捉え（図１０Ａ）、これをＴ型接続（図１０Ｂ）に変換することができる。より具体的には、図１０Ｃに示すＺｃ、Ｚｒ、Ｚｎのπ型接続は、図１０Ｄに示すＺ１、Ｚ２、Ｚ３のＴ型接続に変換することができる。このとき、Ｚ１＝（Ｚｃ×Ｚｎ）／（Ｚｒ＋Ｚｎ＋Ｚｃ）、Ｚ２＝（Ｚｒ×Ｚｃ）／（Ｚｒ＋Ｚｎ＋Ｚｃ）、Ｚ３＝（Ｚｎ×Ｚｒ）／（Ｚｒ＋Ｚｎ＋Ｚｃ）と表現することができる。図１０Ｂに示すＴ型接続のＺ１、Ｚ２、Ｚ３も同様に表現することができる。そうすると、オペアンプ３０を配置し、オペアンプ３０の入力インピーダンスが十分大きいとすると、Ｚ３は無視できるので、フィードバックループの帰還量を（Ｚ２＋Ｚｗ）／（Ｚ１＋Ｚ２＋Ｚｗ）と、ノイズの増幅率を（Ｚ１＋Ｚ２＋Ｚｗ）／（Ｚ２＋Ｚｗ）と表現できる。ここで、コンデンサ４０のインピーダンスＺｎが対極９１でのインピーダンスＺｃに比べて十分小さい場合は、Ｚ２＞＞Ｚ１となるので、ノイズの増幅率は（Ｚ１＋Ｚ２＋Ｚｗ）／（Ｚ２＋Ｚｗ）≒（Ｚ２＋Ｚｗ）／（Ｚ２＋Ｚｗ）＝１となる。あるいは、フィードバックループが構成する非反転増幅器の増幅率が小さくなることで、オペアンプ３０の非反転入力（＋ＩＮ）に存在する集約された物理ノイズの増幅率が小さくなると理解してもよい。
【００５４】
コンデンサ４０の容量Ｃｎが対極９１の界面の静電容量Ｃｃより大きいと、帰還量が大きくなる。例えば、上述の対極９１と作用極９３の静電容量Ｃｃ、Ｃｗをそのまま用い、コンデンサ４０の容量Ｃｎを１００μＦとすると、ほとんどの帰還はコンデンサ４０を通して行われるため、帰還量はほぼ１となり、ノイズは増幅されない。すなわち、コンデンサ４０がない場合に比べて、３．５倍のノイズ低減につながる。
【００５５】
周波数が比較的高い外部雑音によるノイズは、シールドやグランドでの対策に合わせて、平均処理で低減することができる。しかし、周波数が比較的低いノイズは、平均処理などの手法で低減することは期待できない。例えば、物理ノイズは、部品に内在するため、シールドやグランドで低減することができない。さらに、周波数が低い物理ノイズを平均処理で低減しようとすると、本来の信号も低減されうる。物理ノイズの中でも、周波数に反比例して大きくなるフリッカーノイズは、低周波数における支配的なノイズである。電気化学反応の時定数の近傍にあるフリッカーノイズは、従来の方法では、除去することが非常に難しい。
【００５６】
これに対して、コンデンサ４０を有する電気回路とそのフィードバック回路は、例えば０．０１Ｈｚから１０Ｈｚ程度の周波数範囲で、そのノイズ低減の効果を顕著に高めることができる。あるいは、コンデンサ４０を有する電気回路とそのフィードバック回路は、例えば０．０１Ｈｚから１０Ｈｚ程度の周波数を有するノイズの帰還量を増大させることができるので、フィードバック回路におけるノイズの増幅が抑えられる。電気化学測定において、化学反応は、０．１秒から１分程度、もしくはそれ以上かかることもある。したがって、本開示のコンデンサ４０を含む電気回路は、電気化学測定の精度を向上させることができる。
【００５７】
図８に示すように、電流測定回路５０は、電流電圧変換回路５１を備えていてもよい。ある実施形態では、電流電圧変換回路５１は、オペアンプと抵抗を用いて構成してもよい。このとき、オペアンプの反転入力は、仮想接地となる。第三ノード１３の入力インピーダンスは低く、ゼロとみなすことができる。測定装置１は、電流電圧変換回路５０の内部（図８）あるいはその外側にアナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換回路５２を有していてもよい。図８に示す電流測定回路５０では、作用極９３からの電流信号は、電流電圧変換回路５１により電流−電圧変換され、Ａ／Ｄ変換器５２でデジタルデータに変換され、電気回路１０外部にデジタル信号として出力される。
【００５８】
対極９１は、作用極９３との間に所定の電圧差を持つ電極である。電圧差は、測定に使う電極の種類や、測定対象物質に応じて定めてもよい。ある実施形態では、電極や電極表面に分子認識膜を設ける場合、当該分子認識膜に過度の負荷がかからない範囲でなるべく高い電圧を印加してもよい。対極９１と溶液９５との電位差は流れる電流量に応じて変化する。したがって、溶液９５の電位を所定の値に保つために、参照極９２により溶液の電位を測定し、フィードバック回路により対極９１の電位が制御される。
【００５９】
ある実施形態では、作用極９３の表面上に、測定対象物質に特異的に反応する分子認識膜が設けられている（図示せず）。分子認識膜は、高分子膜を含んでいてもよい。高分子膜は、測定対象物質に応じて、例えば、抗原、抗体、酵素等の生体分子、自己組織化単分子膜（ＳＡＭ：Ｓｅｌｆ−Ａｓｓｅｍｂｌｅｄ  Ｍｏｎｏｌａｙｅｒ）、分子鋳型ポリマー（ＭＩＰ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｉｍｐｒｉｎｔｅｄ  Ｐｏｌｙｍｅｒ）等の高分子膜であってもよい。対極９１からの電圧が印加された環境において、分子認識膜が測定対象物質と反応を起こすと、電流が発生する。例えば、測定対象物質が分子認識膜において分解されると、酸化還元などの電子の授受により電流が発生すると考えられる。測定対象物質が分子認識膜において結合されると、表面電荷が変化することにより電流が発生すると考えられる。分子認識膜での測定対象物質の何らかの変化が作用極を通して電気信号として検出されると考えられる。以上のメカニズムは、例示でありまた推定であり、本開示を限定するものではなく、他のメカニズムもあり得る。
【００６０】
シールド６０は、例えば金属を含む電気伝導性を有する材料で構成される。ある実施形態では、シールド６０は、機器外部から進入するノイズを遮断することができる。ある実施形態では、シールドをグランド電位と同一にすることで、商用電源ノイズやスイッチングノイズなど、内部回路で発生するノイズを低減することもができる。
【００６１】
測定時、電圧発生回路２０は、基準電圧Ｖｒｅｆを生成し、これをオペアンプ３０へ供給する。オペアンプ３０は、参照極９２が基準電圧Ｖｒｅｆとなるよう出力電圧の制御を行う。作用極９３では、化学反応が行われる。
【００６２】
＜実施例１＞
ここで、本開示に含まれる一つの実施例について説明する。対極９１として、面積約４平方ミリメートルの白金電極を用いた。作用極９３として、約１０平方ミリメートルの白金電極を用い、この表面にグリコアルブミンを測定するためのフルクトシルアミノ酸オキシダーゼ（ＦＡＯＤ）酵素膜を形成した。参照極９２として、約２平方ミリメートルの白金電極を用い、その表面に銀塩化銀を配置した。
【００６３】
対極９１と作用極９３の間に４５０ｍＶの電圧を印加した状態において、３つの電極を、グッド緩衝剤である３００ｍＭのＮ−［トリス（ヒドロキシメチル）−メチル］−２−アミノエタンスルホン酸 （ＴＥＳ）溶液に浸した状態で測定した。その際のノイズ波形を図２、図３、図４に示す。図２は、本開示に係るノイズ対策を施さずに測定したノイズ波形を示す。図３は、シールドや適切なグランド配置などを行うことで、外部ノイズを低減する対策を施した場合のノイズ波形を示す。図４は、本開示に係るコンデンサ４０として１０μＦのコンデンサを配置したときのノイズ波形を示す。
【００６４】
図２に示すように、ノイズ対策が施されていない場合では、０．７ｎＡ（ナノアンペア）ｐ−ｐ（ピークｔоピーク）程度のノイズが観測された。図３に示すように、外部ノイズを低減する対策を施した場合では、０．１２ｎＡｐ−ｐ程度のノイズが観測された。外部ノイズの影響がほぼなくなり、観測されるノイズは物理ノイズが支配的となった。しかし、フィードバックループでの増幅効果が見られた。図４に示すように、ノイズ低減用コンデンサを含む電気回路を用いた場合は、０．０４ｎＡｐ−ｐ程度までノイズが低減した。ノイズの増幅効果が低減したことが確認された。
【００６５】
次に、本開示に含まれる他の実施例について説明する。
【００６６】
＜実施例２＞
本実施例では、グリコアルブミンを含まないＴＥＳを容器９０に導入して、対極９１、参照極９２および作用極９３を浸した後に、１ｍｇ/ｍＬのグリコアルブミンを溶解したＴＥＳに置換（交換）した。この溶液に対して、実施例１と同じ条件で測定した電流波形を図５、図６に示す。図５は、シールドや適切なグランド配置などを行うことで、外部ノイズを低減する対策を施した場合の電流波形の一例を示す。図６は、コンデンサ４０として１０μＦのコンデンサを配置したときの電流波形を示す。
【００６７】
図５、図６は、それぞれのグラフで、２８秒、３２秒の時点で溶液の交換を行った。溶液交換の際に、電流値が急激に増加した。（これらの図では、測定系の関係でグラフ下方向が電流の増加を意味する。）その後、８０秒付近になると、電流が安定した。このようなピーク電流は、電気二重層の形成や、溶液内でのイオンの濃度分布の変動など、所望の化学反応以外の要因により発生すると考えられる。このピーク電流により、測定すべき化学反応に対応する電流を測定することが困難になる。したがって、ピーク電流や電流の急激な変化がなくなった後、安定した電流を測定することが好ましい。
【００６８】
例えば１０μＬ程度の涙に含まれるグリコアルブミンの濃度は１ｍｇ/ｍＬ程度である。したがって、涙におけるグリコアルブミンの定量には、この程度の電流を正確に測定することが要求される。安定時の電流値は５から１０ｎＡ程度である。この値を１％単位の精度、すなわち０．０５ｎＡから０．１ｎＡ程度の精度で測定することが要求される。図５の測定では、電流値の１％の精度を確保するのはほぼ不可能である。一方、図６の測定では、ノイズの影響を１％以下に低減することが可能である。さらに、時間平均を用いてもよい。これによりさらに測定精度を上げることができる。
【００６９】
本実施例の場合のように、測定対象物質が含まれない溶液に、測定対象物質が追加されると、対極から作用極に流れる電流が変化し、それに応じて対極９１の電位が変化する。参照極９２の電位は一定なので、コンデンサ４０の両端に加わる電位差が変化する。この変化には電荷の注入が必要であるので、コンデンサ４０は測定途中に充電される必要がある。この際、コンデンサ４０に注入する電荷は、参照極９２から第二ノード１２を経由させるしかない。参照極９２から注入する電流は参照極９２の電気抵抗によって制限を受ける。すなわち、コンデンサ４０への電荷の注入時間は、参照極９２の電気抵抗とコンデンサ４０の静電容量とによって決定される。
【００７０】
例えば、本実施例のように、コンデンサ４０の容量が１０μＦで、参照極９２の電気抵抗が約２ＭΩである場合には、コンデンサ４０の充電の時定数は２０秒となる。したがって、この構成は、ノイズを抑えられる効果を奏しつつ、コンデンサ４０の充電の待ち時間が測定に大きな支障を与えることを回避又は低減することができる。言い換えれば、微小電流の測定精度の向上と、測定時間の抑制とを両立させることが可能となる。
【００７１】
別の実施形態では、コンデンサ４０の容量が１００μＦ以上であってもよい。コンデンサ４０のインピーダンスＺｎは、更に小さくなり、ノイズの帰還量をより一層向上させ、ノイズの増幅をより一層抑えることができる。これにより、微小電流の測定精度をより一層向上させることが可能となる。
【００７２】
＜第二の実施形態＞
次に、図７を用いて、本開示の別の実施形態（第二の実施形態）について説明する。以下、前述の実施形態と重複する箇所については、原則としてその説明を省略する。
【００７３】
図７は、第二の実施形態に係る測定装置の構成の一例を示す回路ブロック図である。図７に示す測定装置１０１は、電気回路１１０、溶液９５を収容する容器９０、対極９１、参照極９２、作用極９３、シールド６０、筐体７０を備えている。電気回路１１０は、電圧発生回路２０、オペアンプ３０、コンデンサ４０、スイッチ（スイッチ回路）１８０、バッファ回路１８１を備えている。ある実施形態では、電気回路１１０は、電圧発生回路２０、オペアンプ３０、コンデンサ４０、電流測定回路５０、コンデンサ充電用回路（図示せず）を備えていてもよい。コンデンサ充電回路によるコンデンサ４０を充電する時間が１秒、５秒、１０秒、３０秒、１分、２分、３分、４分、５分、１０分、１５分、３０分、６０分のいずれかの値以下又は未満であってもよい。
【００７４】
図７に示すコンデンサ４０は、第一ノード１１とスイッチ１８０との間に設けられている。すなわち、このコンデンサ４０は、一端でオペアンプの出力（ＯＵＴ）と第一ノード１１とに接続され、他端でスイッチ回路１８０の出力端１８０ｃに接続されている。
【００７５】
スイッチ１８０は、第１入力端１８０ａ、第２入力端１８０ｂ、及び出力端１８０ｃを備える回路ブロックである。スイッチ１８０は、制御部（図示せず）を有し、この制御部により２つの入力端の接続を切り替えることができる。第１入力端１８０ａは、バッファ回路１８１の出力端に接続されている。第２入力端１８０ｂは、オペアンプ３０の反転入力（−ＩＮ）と参照極９２とに接続され、すなわち第二ノード１２に接続されている。出力端１８０ｃはコンデンサ４０の一端に接続されている。スイッチ１８０は、入力端の接続を切り替えることで、コンデンサ４０の接続先を切り換えることができる。
【００７６】
バッファ回路１８１は、高インピーダンスで入力電圧を受け、低インピーダンスで入力電圧と同じ電圧を出力する回路である。図７に示すバッファ回路１８１は、出力端でスイッチ回路１８０の第１入力端１８０ａでと接続されている。入力端は、反転入力（−ＩＮ）と参照極９２とに接続されすなわち第二ノード１２に接続されている。バッファ回路１８１は、スイッチ１８０が第１入力端１８０ａで接続されているときに、参照極９２と第二ノード１２の電圧を高インピーダンスで受け、コンデンサ４０に低インピーダンスで充電することができる。バッファ回路１８１は、オペアンプを使ったボルテージフォロワーであってもよい。しかし、バッファ回路１８１は、これに限らず違う構成でもよい。
【００７７】
コンデンサ４０の容量は、対極９１の界面容量及び参照極９２の界面容量よりも大きい場合がある。この場合、コンデンサ４０の充電時間が、化学反応が安定になるまでの時間よりも長くなることがある。コンデンサ４０が化学反応の進行を遅らせることもある。コンデンサ４０が充電されている間は正しく電気化学測定を行うことはできない。したがって、コンデンサ４０が充電されている間は待ち時間となる。このため、コンデンサ４０がない場合に比べ測定時間を長く設定する必要があり、別の言い方をすれば、コンデンサ４０の充電の待ち時間を含めて測定時間を十分に長く設定する必要がある。例えば、コンデンサ４０の容量が１０μＦ、１００μＦで、参照極９２の界面での抵抗成分が２ＭΩ（メガオーム）である場合、単純なＣＲ積として計算される時定数は、それぞれ２０秒、２００秒である。これらの時定数は、化学反応および生化学反応に影響を与える可能性がある。
【００７８】
また、ノイズの増幅率の低減と、反応への影響の極小化や測定時間の短時間化とがトレードオフの関係になり得る。したがって、最適化された構成でも、ノイズ低減効果と測定時間との両方を少しずつ犠牲することがあり得る。さらに、使用する電極によっては、最適なノイズ低減用コンデンサの容量が異なる。例えば、測定対象物質、使用する電極、分子認識膜、測定時の溶液や溶液中の測定物質の濃度、測定したい濃度によって、使用すべき電極は異なることがあるので、ノイズ低減用コンデンサを取り替えることが必要になり得る。
【００７９】
これに対し、本実施形態のようなバッファ回路１８１とスイッチ１８０とを有する電気回路１１０により、潜在的に以下のような効果を奏する。すなわち、化学反応が安定になる前、すなわち、測定を開始する前の待ち時間において、制御部からの信号により、スイッチ１８０の出力端１８０ｃと入力端１８０aを接続する。これにより、スイッチ１８０は、コンデンサ４０とバッファ回路１８１の出力端とを接続する。したがって、化学反応が安定するまでは、バッファ１８１を有する電気回路の構成により、コンデンサ４０を所定の電圧まで急速に充電することができる。充電中、コンデンサ４０は、フィードバックループの構成要素にならないので、化学反応および生化学反応にもフィードバック回路の収束時間にも影響を与えない。ある実施形態では、バッファ回路１８１の出力インピーダンスは１Ω以下とすることができ、これによりコンデンサ４０の充電時間を１００μ秒（マイクロ秒）以下にすることができる。例えば、図５又は図６に示す実施例では、化学反応が１分程度で落ち着いた。このような場合には、充電時間を１秒から数秒程度にすれば測定には大きな問題とはならない。化学反応が５秒程度で落ち着く場合には、回路の時定数を１００ｍｓｅｃ（ミリ秒）にすることもできる。
【００８０】
化学反応が安定になると、制御部はスイッチ１８０を切り替えて、コンデンサ４０と第二ノード１２とを接続する。このとき、コンデンサ４０は、バッファ１８１により第二ノード１２の電圧と同一の電圧まで充電されている。したがって、スイッチ切り換えによるフィードバック回路を再収束する必要は生じず、測定時のノイズ低減を一つの効果として奏する。
【００８１】
本開示は以下の実施形態を非限定的に含む：
【００８２】
１．溶液の電気化学測定に用いられる電気回路であって、
電圧発生回路と、
出力（ＯＵＴ）、非反転入力（＋ＩＮ）、反転入力（−ＩＮ）を有するオペアンプであって、
前記出力（ＯＵＴ）が、前記溶液と接触する対極（ＣＥ）に接続されるように構成され、
前記反転入力（−ＩＮ）が、前記溶液と接触する参照極（ＲＥ）に接続されるように構成され、
前記非反転入力（＋ＩＮ）が、前記電圧発生回路に接続された、
オペアンプと、
前記出力（ＯＵＴ）と前記反転入力（−ＩＮ）との間に接続され、１μＦ以上の容量を有するコンデンサと、
前記溶液と接触する作用極（ＷＥ）と接続されるように構成された電流測定回路と、
を備える電気回路。
２．前記コンデンサの容量は１０μＦ以上である、実施形態１に記載の電気回路。
３．前記コンデンサの容量は１００μＦ以上である、実施形態２に記載の電気回路。
４．前記コンデンサの容量は、測定中の対極の界面の等価回路の静電容量より大きい、実施形態１から３のいずれか一実施形態に記載の電気回路。
５．溶液の電気化学測定に用いられる電気回路であって、
電圧発生回路と、
前記溶液と接触する作用極（ＷＥ）と接続されるように構成された電流測定回路と、
出力（ＯＵＴ）、非反転入力（＋ＩＮ）、反転入力（−ＩＮ）を有するオペアンプであって、
前記出力（ＯＵＴ）が、前記溶液と接触する対極（ＣＥ）に接続されるように構成され、
前記反転入力（−ＩＮ）が、前記溶液と接触する参照極（ＲＥ）に接続されるように構成され、
前記非反転入力（＋ＩＮ）が、前記電圧発生回路に接続された、
オペアンプと、
１μＦ以上の容量を有するコンデンサと、
第一入力端と第二入力端と出力端を有するスイッチ回路と、
入力端と出力端とを有するバッファ回路と、
を備え、
前記コンデンサは、一端で前記オペアンプの出力（ＯＵＴ）に接続され、他端で前記スイッチ回路の出力端に接続され、
前記スイッチ回路は、第一入力端で前記バッファ回路の出力端に接続され、第二入力端で前記オペアンプの反転入力（−ＩＮ）との間に接続され、
前記バッファ回路は、入力端で前記オペアンプの反転入力（−ＩＮ）との間に接続された、
電気回路。
６．溶液の電気化学測定装置であって、
前記溶液と接触するように構成された対極（ＣＥ）と、
前記溶液と接触するように構成された参照極（ＲＥ）と、
前記溶液と接触するように構成された作用極と（ＷＥ）と、
電圧発生回路と、
出力（ＯＵＴ）、非反転入力（＋ＩＮ）、反転入力（−ＩＮ）を有するオペアンプであって、
前記出力（ＯＵＴ）で前記対極（ＣＥ）に接続され、
前記反転入力（−ＩＮ）で前記参照極（ＲＥ）に接続され、
前記非反転入力（＋ＩＮ）で前記電圧発生回路に接続された
オペアンプと、
前記オペアンプの出力（ＯＵＴ）と前記反転入力（−ＩＮ）との間に接続され、１μＦ以上の容量を有するコンデンサと、
前記作用極（ＷＥ）と接続された電流測定回路と、
を備える電気化学測定装置。
７．前記溶液は測定対象物質を含み、
少なくとも前記作用極の前記溶液と接触する表面に設けられ、前記測定対象物質と特異的に反応する分子認識膜を更に備える、
実施形態６に記載の電気化学測定装置。
８．溶液の電気化学測定装置であって、
前記溶液と接触するように構成された対極（ＣＥ）と、
前記溶液と接触するように構成された参照極（ＲＥ）と、
前記溶液と接触するように構成された作用極と（ＷＥ）と、
電圧発生回路と、
前記作用極（ＷＥ）と接続された電流測定回路と、
出力（ＯＵＴ）、非反転入力（＋ＩＮ）、反転入力（−ＩＮ）を有するオペアンプであって、
前記出力（ＯＵＴ）が前記対極（ＣＥ）に接続され、
前記反転入力（−ＩＮ）が前記参照極（ＲＥ）に接続され、
前記非反転入力（＋ＩＮ）が前記電圧発生回路に接続された
オペアンプと、
１μＦ以上の容量を有するコンデンサと、
第一入力端と第二入力端と出力端を有するスイッチ回路と、
入力端と出力端とを有するバッファ回路と
を備え、
前記コンデンサは、一端で前記オペアンプの出力（ＯＵＴ）と前記対極（ＣＥ）とに接続され、他端で前記スイッチ回路の出力端に接続され、
前記スイッチ回路は、第一入力端で前記バッファ回路の出力端に接続され、第二入力端で前記オペアンプの反転入力（−ＩＮ）と前記参照極（ＲＥ）とに接続され、
前記バッファ回路は、入力端で前記オペアンプの反転入力（−ＩＮ）と前記参照極（ＲＥ）とに接続された、
電気化学測定装置。
９．前記溶液は測定対象物質を含み、
少なくとも前記作用極の前記溶液と接触する表面に設けられ、前記測定対象物質と特異的に反応する分子認識膜を更に備える、
実施形態８に記載の電気化学測定装置。
【００８３】
以上、本開示の幾つかの実施形態及び実施例について説明したが、これらの実施形態及び実施例は、本開示を例示的に説明するものである。例えば、上記各実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必要に応じて回路を追加してもよい。特許請求の範囲は、本開示の技術的思想から逸脱することのない範囲で、実施形態に対する多数の変形形態を包括するものである。したがって、本明細書に開示された実施形態及び実施例は、例示のために示されたものであり、本開示の範囲を限定するものと考えるべきではない。
【符号の説明】
【００８４】
１，１０１…測定装置
１０，１１０…電気回路
１１，１２，１３…ノード
２０…電圧発生回路
３０…フィードバック回路
４０…コンデンサ
５０…電流測定回路
５１…電流電圧変換回路
５２…アナログデジタル変換回路
６０…シールド
７０…筐体
９０…容器
９１…対極
９２…参照極
９３…作用極
９５…溶液
１８０…スイッチ
１８１…バッファ回路
【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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【国際調査報告】
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