複数の重金属の検出 3/5 - 矩形波ボルタンメトリーによる複数種の分析

複数の電極

分析プロセスが標準的な手順となり、ラボや携帯機器で広く使用されるようになると、時間効率が重要なコスト要因になります。測定時間が改善されるたびに、つまり測定時間が短縮されるたびに、プロセス自体のコストが下がることになる。複数の分析物を並行して分析することは、時間を節約する良い方法である。DNAチップやその他のラボオンチップデバイスのような多くのバイオセンシングデバイスでは、異なる生体認識エレメントが非常に小さな電極に固定化されており、各電極は1つの分析物を同定するために独自のプロセスを開始する。

この方法では、複数の分析対象物に対して1つのサンプルを適用するだけでよいが、複数の電極を測定できる装置が必要である。一つのポテンショスタットを異なる電極間で切り替えるマルチプレクサは、経済的なソリューションです。しかし、1つのポテンショスタットと1つの電極しか同時に測定できないケースが残る。これは、電極間に時間差があることを意味します。多くのプロトコルではこれは重要ではなく、そのような場合にはマルチプレクサが良いソリューションとなります。PalmSens は、各ポテンショスタットシリーズに マルチプレクサを提供しており、マルチプレクサを内蔵したポテンショスタットもあります。

並行測定用ソリューション

真にパラレルな測定が必要な場合、ポリポテンシオスタットは測定時間を短縮する良い選択です。ポリポテンショスタットは、1つの参照電極、1つの対極、複数の作用電極を持つポテンショスタットです。つまり、すべての電極が同じ溶液中になければならない。この装置の限界は、作用電極が互いに依存していることである。作用電極1には適用技術に関する制限はありませんが、他のすべての作用電極は、ユーザー定義の電位オフセットで作用電極1の電位に従わなければなりません。PalmSens は、PalmSens4 をバイポテンショスタット、つまり 2 つの作用電極付きとして提供しています。

最良のソリューションはマルチポテンショスタットです。これは、MultiPalmSens4（図 2.1 参照）や MultiEmStat3(+)などの 1 つのソフトウェアパッケージによって制御される、複数の独立したポテンショスタットを備えた 1 つの筐体です。独立したポテンショスタットを同じ電気化学セルで使用したり、参照電極や対極を共有したりしてはならない。

単一の電極を使って複数の分析物を検出できる技術が、生産、コスト、複雑さを考慮すると、これらのアレイシステムより優れていることは容易に想像できます。2つの形式電位の差が十分大きければ、1種の反応による電流の変化を個別に観察できる（図2.2参照）。線形掃引ボルタンメトリーを実施した場合、それぞれの化学種は、その形式電位が近くなるとすぐに反応を開始し、例えば酸化が起こります。電流は、ネルンストと コットレルの影響を組み合わせた、すでによく知られた挙動で反応する。不利な点は、よりアノード的な形式電位を持つ第2種の絶対電流が、第1種の拡散限界電流に依存することである。

複数の分析タスクを改善する方法は、曲線の微分を使用することです。拡散限界電流は一定であるべきであり、したがって差分0を提供する。両方のピークは互いに独立し、ピークの電位差がピークが重ならないように十分大きい限り、それらのピーク値は定量分析に使用することができる。しかし、それぞれのターニングポイントがピークをもたらすので、それぞれのピークは2つのピークをもたらすことになる。フォーマル・ポテンシャルにできるだけ近い単一のピークが、この問題に対する最も簡単な解決策であろう。これらの要件をすべて満たす2つの一般的な技術は、示差パルスボルタンメトリー（DPV）と方形波ボルタンメトリー（SWV）です。

方形波ボルタンメトリー

最終的な実験では DPV を使用しないため、この章では SWV に焦点を当てます。

SWV は線形電位掃引とパルスプロファイルを組み合わせたものです（図 2.3a 参照）。一般的に5～50mVの振幅で、電位はステップ状に上昇し、決められた時間後に振幅より_Estepだけ小さいステップバックを行う。その結果、前進と後退のステップを含む完全なサイクルの後、電位は前より_Estep高くなる。完全なサイクルは時間_tintervalを要し、その逆数は周波数である。前進と後退の各ステップにはtinterval_/2がかかる。電流は、各前進ステップ（_Iforward）と各後進ステップ（_Ireverse）の直前に測定される（図4.37 b参照）。_{Iforwardと Ireverseは}個別にプロットすることもできるが、通常はこれら2つの値の差∆Iを電位に対してプロットする。コットレル実験から、どのような電流応答が予想されるかを仮定することができる。

各シングルステップは、指数関数的にさえ急速に減衰する容量性電流を導きます。容量性電流の大部分は減衰しているが、ファラデー電流はまだ大きく残っているような方法で、周波数またはそれぞれ_間隔を調整する必要がある。周波数は通常、システムごとに経験的に評価される。図2.4は、SWVの電流応答のスキームを示している。

図 2.4 では、還元種 Red だけが溶液中にあり、SWV は酸化還元種の形式電位よりはるかに低い電位から始まると仮定している。周波数は、次のステップに進む前に容量電流が減少するように選択される。これは図2.4 bを見れば一目瞭然である。理想的なケースでは、容量性電流のみが測定電流に寄与する限り、_{Iforwardと Ireverseの}差は0である。周波数が高すぎると、ベースラインにオフセットが生じる可能性があります。

電位が高くなるにつれて、つまり電位が酸化還元種の形式電位に近づくにつれて、電流応答に対するファラデー電流の寄与は増加しますが、容量性電流は変わりません。ネルンスト方程式によれば、電流応答はフォーマル電位付近で最も強くなる。電位がフォーマル電位よりはるかに高くなると、レッドは永久に酸化されてオキソになる。各ステップの後、容量性電流は減少し、一定の拡散限界電流が記録され、再び_{Iforwardと Ireverseの} 差∆Iが0になる（図2.4b参照）。

SWV の最も一般的なプロットは、∆I 対 E のみをプロットするものです（図 2.4c 参照）。測定の2点間の差がプロットされるため、曲線は実際には線形掃引ボルタンモグラムの導関数であるが、明らかに非拡散制限系のものである。

なぜでしょうか？潜在的なステップバックにより、消費された化学種が再生され、枯渇が防止されます。この手法により、実質的に拡散制限のない系が作られる。SWVの形状を予測するために_cOx(x,t)と_cRed(x,t)の方程式を解くと、SWVのピーク_Epの電位は、次の式で形式電位E⁰'に関係することがわかる。

通常、振幅は小さく、_Epは^E0' に近くなります。しかし、SWV の解釈中に、E⁰'が物質の同定に使用される場合は、_Epと^E0' の差を考慮する必要があります。振幅のもう一つの影響は、振幅が大きくなるにつれてピーク電流が増加することである。振幅の変化は容量電流にも影響を与えるため、周波数を再評価する必要があります。理論的観察によって示されたもう一つの非常に重要な関係は、ピーク電流_∆Ipとバルク中の赤色濃度_c*Redの関係である：

図 2.2 の最初の問題をもう一度見てみると、SWV は、ピークを個別に扱えるほど形式電位が異なれば、 同じ溶液から複数の分析対象物を分析するのに適したツールであることがわかります（図 2.4d 参照）。SWVとパルス法の一般的な簡単な説明では、すべての重要な特性を網羅しているわけではありません。より詳細な説明は関連文献を参照されたい。