52nd International Chemistry Olympiad, Istanbul, TURKEY

Preparatory problems: PRACTICAL問題 17. ルチンの電気化学的分析
フラボノイドと呼ばれる天然化合物群は複数のフェノール性ヒドロキシ基を持ち、様々な果物や野菜に含まれている。フラボノイドは抗酸化作用や抗発がん作用を持つことから、我々の日常生活でも広く利用されている。ルチンはフラボノイドに属する化合物であり、フラボノール（訳注: フラボノイドのうち、特定の骨格を有するものの総称）の一種であるケルセチンと、二糖であるルチノースで構成されている。
OHO

OH

HOO
O

HOOH

O
O
HOO
OH

OHOH

OH

ルチンの化学構造
ルチンはヒトに対する毒性が極めて低い。また、ルチンは反応性の高いフリーラジカルに電子を与え、安定で無害な化学種に変換する作用を持つことが知られている。ビタミン P とはルチンの別名であるが、この P は permiability（浸透性）に由来する。
ルチンは電気化学的に活性であり、その電気化学的挙動について、様々な手法により詳細に調べられてきた。
サイクリックボルタンメトリー（CV）は便利な電気化学測定手法の一種である。サンプルは電解質溶液に溶解させた形で測定に供する。この溶液に 3 種類の電極（作用電極、カウンター電極、参照電極）を浸し、電気化学セルを構成する。参照電極の電位を一定とし、作用電極の電位を掃引する（連続的に変化させる）。作用電極において電気化学反応が起こり、カウンター電極ではその逆反応が進行する。したがって、作用電極とカウンター電極との間に電流が生じる。参照電極は作用電極の電圧を設定値に保つために必要である。以上の方法を用いてポテンショダイナミッ
ク測定を行う。すなわち、ある 2 つの電位（訳注: V 1 および V 2 とする。ここでV 1 >V 2 ）を定めておき、参照電極に対する作用電極の電位を時間とともに（訳注: V 1→V 2 →V 1 と）掃引する。これにより、作用電極の電位と電極間に生じた電流との関1

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Preparatory problems: PRACTICAL係を示した曲線（ボルタモグラム）が得られる。ボルタモグラムの解釈にあたっては、ピーク電位とピーク電流という 2 種類の値が重要となる。ピーク電位とピーク電流は、ボルタモグラムが極値をとるときの x 軸と y 軸の値（訳注: x 軸は参照電極に対する作用電極のポテンシャル、y 軸は作用電極とカウンター電極との間に生じた電流）にそれぞれ相当する。
作用電極としてガラス状炭素電極、参照電極として飽和カロメル電極（SCE）、カウンター電極として Pt ワイヤーをそれぞれ用い、25 °C においてルチンの CV 測定を行った。電位は 0.00 V から 0.80 V までの間で、100 mV/s の速度で掃引した。濃度 1.0 ×10−4 mol/dm3のルチン溶液に対し、複数の異なる pH において CV を測定した。各 pHにおける CV の結果から求めた、アノードピーク電位（Ep a ）、カソードピーク電位（Ep c ）、アノードピーク電流（Ip a ）、カソードピーク電流（Ip c ）の値を以下の表に示す。
訳注:
各値の定義は次の通りである。
Ep c : V 1 →V 2 の掃引において、電流の絶対値が極大となる電位
Ip c : そのときの電流
Ep a : V 2 →V 1 の掃引において、電流の絶対値が極大となる電位
Ip a : そのときの電流
ここで、電流の符号はカウンター電極から作用電極へと流れる向きを正とする。
表. 1.0×10−4 mol/ dm3ルチン溶液におけるCV結果のpH依存性pH
1.52.03.0
4.0
5.06.0Ep a /mV
643609544499441372

Ep c /mV614578514470
410344

Ip a /µA0.1050.118
0.116
0.1040.0930.099

Ip c /µA–0.104–0.119–0.117–0.104–0.092–0.10017.1. 電気化学セルを構成する 3 つの電極のうち、測定対象化学種の酸化または還元が 起 こ る の は ____________________ で あ る 。 な ぜ な ら ば 、 こ の 電 極 の 電 位 は_____________________ に対して決められているからである。
上の空欄に当てはまるものとして適切な選択肢はどれか。
a) 作用電極 / 参照電極b) カウンター電極 / 作用電極2

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Preparatory problems: PRACTICALc) 参照電極 / 作用電極d) 作用電極 / カウンター電極
17.2. pHが増大すると、アノードピーク電位、カソードピーク電位とも負方向に変化する。これは、ルチンの電気化学反応に ______________ が関与するためである。
上の空欄に当てはまるものとして適切な選択肢はどれか。
a) Na+b) K+c) H+d) I–
17.3. ルチンの電気化学的酸化反応は_________________ であるといえる。なぜならば、Ip a /Ip c の値が1に近く、ΔEpの値がほぼ0.0592/n Vに等しいためである（訳注: nは反応に関与する電子数）。
上の空欄に当てはまるものとして適切な選択肢はどれか。
a) 不可逆的b) 可逆的c) 準可逆的d) 触媒的

17.4. 各 CV 測定に要する時間を求めよ。

17.5. 2個のH+が関与するルチンの電気化学反応について、移動する電子の数を求めよ。
17.6. ルチンの電気化学的酸化還元反応の反応機構を提案せよ。
17.7. SCEにおける反応は𝐻𝐻𝐻𝐻2 𝐶𝐶𝐶𝐶2 (𝑠𝑠) + 2𝑒𝑒 − → 2𝐻𝐻𝐻𝐻(𝑙𝑙) + 2𝐶𝐶𝐶𝐶 − と書ける。SCEには飽和KCl溶液が用いられており、これは水1.0 Lに342 gのKClを溶解したものである。飽和KCl溶液の代わりに1.0 M KCl溶液を用いた場合、SCEの電位はどのように変化するか（低下するか、それとも上昇するか）。

3

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Preparatory problems: PRACTICAL

以下の手順により、ビタミンP錠剤に含まれるルチンの量を求めることを試みた。
i) 500 mg のビタミン P 錠剤を脱イオン水に溶解し、pH を 2.0 に調整して、メスフラスコで体積を 500 mL に合わせた。この溶液から 10 mL を採取し、3 電極セル（訳注:冒頭で説明された、CV 測定用の電気化学セル）に入れた。CV 測定を行ったところ、アノードピーク電流（Ip a ）の値は 2.26 µA であった。
ii) ルチンを含まない pH2.0 の溶液を調製した。同様にこの溶液を 3 電極セルに入れ、CV を 3 回測定した。電極は測定のたびに脱イオン水で洗浄した。3 回の測定で、Ip a の値として 0.16、0.11、0.18 µA が得られた。
iii) 濃度 1.0、5.0、10.0、20.0、30.0、50.0 mM のルチン標準溶液を調製した。それぞれに対して CV 測定を行い、Ip a の値を得た。結果を下表に示す。
表. ルチン標準溶液の濃度とIp a との関係
ルチン濃度/mM
1.05.010.0
20.030.050.0

Ip a/ µA
1.116.4312.6224.73
36.2058.55なお、本実験における CV は全て同じ作用電極を使用して得られたものである。
17.8. ルチンの定量に用いる検量線を描け。
17.9. 検量線を表す式を書け。
17.10. 測定対象としたビタミン P 錠剤中のルチン量を計算し、wt %で答えよ。
17.11. 信 号雑 音比 （ S/N） が 3.0 の とき 、 本手 法 の感 度 お よ び検出 限 界（ limit ofdetection; LOD）を求めよ。なお、LODは下式で定義される。
𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿 =𝑘𝑘×𝑠𝑠𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏
𝑚𝑚

訳注: 𝑘𝑘は S/N である。𝑚𝑚は感度を表す。感度とは検量線の傾きであり、測定対象の濃度変化に対して信号（ここでは Ip a ）がどの程度鋭敏に応答するかを表す。𝑠𝑠𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏
は雑音（ノイズ）の大きさを表し、測定対象の濃度が 0 のときの信号（ブランク信452nd International Chemistry Olympiad, Istanbul, TURKEY

Preparatory problems: PRACTICAL号）の強さの標準偏差として求められる。標準偏差（ここでは標本標準偏差をいう）は測定値のばらつきの程度の指標となるものであり、下式で定義される。

𝑠𝑠: 標本標準偏差
𝑁𝑁: サンプル数𝑥𝑥𝑖𝑖 : （𝑖𝑖番目の）測定値
𝑥𝑥̅ : 測定値の平均Σ 𝑁𝑁 (𝑥𝑥𝑖𝑖 − 𝑥𝑥̅ )2
𝑠𝑠 = � 𝑖𝑖=1
𝑁𝑁 − 15