JP2020201144A - 尿素濃度測定方法および尿素濃度測定装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】電気化学的測定による尿素濃度測定方法および尿素濃度測定装置を提供する。【解決手段】表面にニッケル酸化物からなる膜が形成された作用電極と、対極とを、尿素を含む被検査液に接触させた状態で、作用電極と対極との間に所定の電圧を印加してニッケル酸化物を触媒として尿素を電気分解し、尿素の電気分解により流れる電流の値を測定し、測定した前記電流の値に基づいて尿素濃度を定量する。【選択図】図２
Description
本発明は、尿素濃度測定方法および尿素濃度測定装置に関する。
従来より、例えば人工透析医療において、透析廃液中の尿素濃度を測定する方法として、ウレアーゼ等の酵素による加水分解反応を用いて尿素濃度を測定する方法（酵素分解法）や、次亜ハロゲン酸塩等の酸化剤を用いた化学発光分析による尿素濃度を測定する方法（化学発光法）等が知られている（例えば特許文献１，２参照）。近年、透析廃液中の尿素濃度をリアルタイムで（ｉｎ−ｓｉｔｕで）測定することが要求されているが、上述の方法では、酵素や酸化剤と尿素との反応に時間がかかるため尿素濃度をリアルタイムに測定できない。また、上述の方法では、尿素濃度が透析廃液のｐＨや温度等に依存するため正確な濃度が測定できない、尿素濃度の測定手順が煩雑である、等の問題もある。尿素濃度をリアルタイムで測定するために、電気化学センサを用いて尿素濃度を測定することが考えられる。しかしながら、尿素は電気化学的活性に乏しいことから、尿素濃度を電気化学的に測定することは難しい。
本発明の目的は、電気化学的測定による尿素濃度測定方法および尿素濃度測定装置を提供することにある。
本発明の一態様によれば、
表面にニッケル酸化物からなる膜が形成された作用電極と、対極とを、尿素を含む被検査液に接触させた状態で、前記作用電極と前記対極との間に所定の電圧を印加して前記ニッケル酸化物を触媒として作用させることで尿素を電気分解し、尿素の電気分解により流れる電流の値を測定し、測定した前記電流の値に基づいて尿素濃度を定量する技術が提供される。
表面にニッケル酸化物からなる膜が形成された作用電極と、対極とを、尿素を含む被検査液に接触させた状態で、前記作用電極と前記対極との間に所定の電圧を印加して前記ニッケル酸化物を触媒として作用させることで尿素を電気分解し、尿素の電気分解により流れる電流の値を測定し、測定した前記電流の値に基づいて尿素濃度を定量する技術が提供される。
本発明によれば、電気化学的測定により尿素濃度を測定することが可能となる。
＜本発明の一実施形態＞
以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
（１）透析システムの構成
図１に示すように、本実施形態にかかる透析システム１は、血液透析装置１０と、透析液供給装置２０と、透析廃液回収装置３０と、尿素濃度測定装置４０と、を備えている。
図１に示すように、本実施形態にかかる透析システム１は、血液透析装置１０と、透析液供給装置２０と、透析廃液回収装置３０と、尿素濃度測定装置４０と、を備えている。
血液透析装置１０は、血液浄化器としてのダイアライザ１１を有している。ダイアライザ１１には、血液導入口１１ａ、血液排出口（浄化血液排出口）１１ｂ、透析液導入口１１ｃ、透析廃液排出口１１ｄが形成されている。ダイアライザ１１内の血液導入口１１ａと血液排出口１１ｂとの間には、血液導入口１１ａから導入された血液が血液排出口１１ｂまで流れる血液流路が設けられている。血液流路上には、血液浄化膜が設けられている。また、ダイアライザ１１内の透析液導入口１１ｃと透析廃液排出口１１ｄとの間には、透析液導入口１１ｃから導入された透析液が透析廃液排出口１１ｄまで流れる透析液流路が形成されている。ダイアライザ１１としては、公知の種々のものを用いることができる。
血液導入口１１ａには、透析患者Ａに接続された動脈側血液路１２が接続されており、血液排出口１１ｂには、透析患者Ａに接続された静脈側血液路１３が接続されている。また、透析液導入口１１ｃには、透析液導入路（透析液導入配管）１４の下流端が接続されており、透析廃液排出口１１ｄには、透析廃液排出路（透析廃液排出配管）１５の上流端が接続されている。また、透析液導入路１４および透析廃液排出路１５は、それぞれ透析液計量チャンバを備えた計量装置１６に接続されており、透析液導入路１４を介して所定量の透析液をダイアライザ１１に供給するとともに、透析廃液排出路１５を介して所定量の廃液を排出させる。この際、計量装置１６で計量してダイアライザ１１への供給量よりも排出量を多くすることで血液から徐水を行う。
主に、ダイアライザ１１、透析液導入路１４、透析液排出路１５、計量装置１６、不図示の血液ポンプおよびクランプ等により、血液透析装置１０が構成される。動脈側血液路１２および静脈側血液路１３を血液透析装置１０に含めて考えてもよい。
透析液導入路１４の上流端には、透析液供給装置２０が接続されている。透析液供給装置２０は、透析患者Ａの体調等に応じて調製された透析液を、透析液導入路１４を介してダイアライザ１１へ供給するように構成されている。
透析廃液排出路１５の下流端には、ダイアライザ１１から排出された透析廃液を回収するように構成された透析廃液回収装置３０が接続されている。
また、透析廃液排出口１１ｄと透析廃液回収装置３０との間の透析廃液排出路１５には、尿素濃度測定装置４０が接続されている。尿素濃度測定装置４０については後述する。
透析システム１が備える各装置（各部材）は、コンピュータとして構成された制御部１２１に接続されている。制御部１２１には、表示部、入出力装置等が接続されている。制御部１２１には、プログラムが読み出し可能に格納されており、制御部１２１上でプログラムを読み出して実行することによって、後述する透析手順、透析条件、尿素濃度測定手順等が制御される。
（２）尿素濃度測定装置の構成
以下、上述の尿素濃度測定装置４０について、図１および図２を参照しながら詳細に説明する。尿素濃度測定装置４０は、三電極方式による電気化学的測定を行って尿素（Ｕｒｅａ）を検出するように構成されている。
以下、上述の尿素濃度測定装置４０について、図１および図２を参照しながら詳細に説明する。尿素濃度測定装置４０は、三電極方式による電気化学的測定を行って尿素（Ｕｒｅａ）を検出するように構成されている。
上述のように、尿素濃度測定装置４０は、透析廃液排出口１１ｄと透析廃液回収装置３０との間の透析廃液排出路１５に接続されている。尿素濃度測定装置４０は、被検査液を収容する容器４１を有している。容器４１には、被検査液導入口４１ａと、塩基性溶液導入口４１ｂと、検査廃液排出口４１ｃと、が設けられている。
被検査液導入口４１ａには、被検査液導入路４２の下流端が接続され、被検査液導入路４２の上流端は透析廃液排出路１５に接続されている。被検査液導入路４２には、開閉弁であるバルブＶ１が設けられている。被検査液導入路４２からは、被検査液としての透析廃液がバルブＶ１を介して容器４１内へ供給される。
塩基性溶液導入口４１ｂには、塩基性溶液導入路４３の下流端が接続され、塩基性溶液導入路４３の上流端には、塩基性溶液供給装置４４が接続されている。塩基性溶液導入路４３には、バルブＶ２が設けられている。塩基性溶液供給装置４４からは、塩基性溶液が、塩基性溶液導入路４３、バルブＶ２を介して容器４１内へ供給される。塩基性溶液としては、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）溶液や、水酸化カリウム（ＫＯＨ）溶液等の強アルカリ水溶液を用いることができる。
検査廃液排出口４１ｃは、容器４１の側壁下方に設けられている。検査廃液排出口４１ｃには、検査廃液排出路４５の上流端が接続され、検査廃液排出路４５の下流端には、検査廃液を回収するように構成された検査廃液回収装置４６が接続されている。検査廃液排出路４５には、バルブＶ３が設けられている。検査廃液排出路４５からは、検査廃液である透析廃液（被検査液）と塩基性溶液とを含む溶液５４が、バルブＶ３を介して検査廃液回収装置４６へ導入されて回収される。
容器４１内には、作用電極５１、対極５２、および参照電極５３が、透析廃液と塩基性溶液とを含む溶液５４に接触する（浸漬する）ように配置されている。
作用電極５１として、図２に示すように、表面にニッケル酸化物（Ｎｉ酸化物）からなる膜（被膜）５１Ａ（例えば水酸化ニッケル（Ｎｉ（ＯＨ）２）膜、以下、ニッケル酸化膜（Ｎｉ酸化膜５１Ａ）とも称する）が形成された電極を用いる。具体的には、作用電極５１として、電極基体５１Ｂの表面上にＮｉ酸化膜５１Ａが形成された電極を用いる。電極基体５１Ｂはニッケル（Ｎｉ）を含む材料（例えばニッケル合金）等を用いて形成することができる。
Ｎｉ（ＯＨ）２は絶縁体であるが、強塩基性条件下において、電極反応によって電極に電子が奪われて強制的に酸化されるとオキシ水酸化ニッケル（ＮｉＯＯＨ）になる、すなわち、作用電極５１（Ｎｉ酸化膜５１Ａ）の表面上にＮｉＯＯＨが析出する。オキシ水酸化ニッケルは、光が当たらない場所でも有機物（例えば尿素）を電気分解（酸化分解、物質変化）し、再びＮｉ（ＯＨ）２に戻る（還元される）性質がある。還元されたＮｉ（ＯＨ）２は電極反応によって直ちに酸化されてＮｉＯＯＨになる。このように、表面にＮｉ酸化膜５１Ａが形成された作用電極５１を用いることで、後述するように作用電極５１と対極５２との間に電圧を印加した際にニッケル酸化物（金属酸化物）が触媒として作用し、作用電極５１の表面で尿素を電気分解させることができる。
表面にＮｉ酸化膜５１Ａが形成された作用電極５１は、例えば以下のような手順で得ることができる。まず、例えばＮｉ合金で形成された電極基体５１Ｂを用意する。そして、電極基体５１Ｂと対極５２とを塩基性溶液中に浸漬させ、電極基体５１Ｂと対極５２との間に所定の電圧領域（例えば−１．０〜＋０．５５Ｖ程度）でサイクリック掃引する。この掃引動作は複数回行うことが好ましい。これにより、電極基体５１Ｂの表面がＮｉ酸化膜（Ｎｉ（ＯＨ）２膜）に安定に形成されて、表面にＮｉ酸化膜５１Ａが覆われた作用電極５１が得られる。
作用電極５１の強度（耐久性）を高める観点から、電極基体５１Ｂは、チタン（Ｔｉ）を含むニッケル合金（Ｎｉ−Ｔｉ合金）で形成されていることが好ましい。この場合、電極基体５１Ｂ中のＴｉの含有量（Ｎｉの含有量に対するＴｉの含有量）は例えば４５ｗｔ％以上５０ｗｔ％以下であることが好ましい。Ｔｉ含有量をこの範囲内とすることで、高い耐久性を有する作用電極５１を得つつ、電極基体５１Ｂの表面にＮｉ酸化膜５１Ａを確実に形成することができる。
また、Ｎｉ−Ｔｉ合金からなる電極基体５１Ｂを用いた場合、その表面に形成されるＮｉ酸化膜５１Ａの結晶構造が、Ｎｉのみからなる材料で形成された電極基体を用いた場合に比べて安定である。この点からも、電極基体５１ＢはＮｉ−Ｔｉ合金で形成されていることが好ましい。
上述の尿素の電気分解は、作用電極５１と対極５２との間に＋０．５５Ｖ程度の電圧を印加した際に最も大きくなる。しかしながら、透析廃液中には、尿素以外の種々の成分が含まれている。透析廃液中に含まれる成分のうち、グルコース（Ｇｌｃ）、尿酸（ＵＡ）、アスコルビン酸（ＡＡ）は、作用電極５１と対極５２との間に電圧を印加した際に作用電極５１（Ｎｉ酸化膜５１Ａ）上で電気化学的酸化反応が起こる。この酸化反応は＋０．５５Ｖ程度の電圧を印加した際に最も大きくなる。このため、少なくともグルコース、尿酸、アスコルビン酸を作用電極５１（Ｎｉ酸化膜５１Ａ）上から除外しなければ、尿素濃度を正確に検出することができない。
上述のグルコース、尿酸、アスコルビン酸は、強塩基性の溶液の中で水素イオンが解離すると負に帯電したイオン（アニオン）になる（アニオン体を形成する）一方、尿素は電荷をもたないためイオンにはならない。このことから、負に帯電したイオン交換膜（すなわち陽イオン交換膜）５５が作用電極５１（Ｎｉ酸化膜５１Ａ）上に設けられている（修飾されている）ことが好ましい。これにより、尿素は陽イオン交換膜５５を透過してＮｉ酸化膜５１Ａ上に到達するが、アニオン体となったグルコース、尿酸およびアスコルビン酸は陽イオン交換膜５５を透過することができずＮｉ酸化膜５１Ａ上に到達しにくくなる。その結果、作用電極５１と対極５２との間に＋０．５５Ｖの電圧を印加した際、Ｎｉ酸化膜５１Ａ上でのグルコース、尿酸、アスコルビン酸の酸化反応の発生を抑制させ、Ｎｉ酸化膜５１Ａ上で尿素の電気分解のみを生じさせることができる。すなわち、作用電極５１と対極５２との間に＋０．５５Ｖの電圧を印加した際、グルコース、尿酸、アスコルビン酸に由来する電流応答を抑制し、尿素に由来する電流応答のみを観測することができる。
陽イオン交換膜５５は、塩基性溶液に不溶であって、塩基性条件（強塩基性条件）下に少なくとも４〜５時間曝されても劣化しない材料で形成されていることが好ましい。陽イオン交換膜５５は、膜付けし易く、厚さが薄いイオン交換膜を容易に形成することができることから、例えばナフィオン（登録商標）を用いて形成することが好ましい。陽イオン交換膜５５は、ナフィオン（登録商標）とアルコール（例えばプロパノール）とを混合した混合液を、Ｎｉ酸化膜５１Ａ上に塗布し、大気中で所定時間（例えば３０分以上）自然乾燥させることで形成できる。
陽イオン交換膜５５は、例えば、尿素、グルコース、尿酸、アスコルビン酸のうち、尿素のみを透過（通過）させ得る厚さであって、尿素をＮｉ酸化膜５１Ａ上に到達させ得る厚さであることが好ましい。陽イオン交換膜５５の厚さが薄すぎると、グルコース、尿酸、アスコルビン酸等も透過させてしまう場合がある。また、陽イオン交換膜５５の厚さが厚すぎると、尿素がＮｉ酸化膜５１Ａ上まで到達しにくくなり、正確な尿素濃度を測定できない場合がある。陽イオン交換膜５５の厚さは例えば０．５μｍ以上１．０μｍ以下とすることができる。
対極５２としては、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）等の金属で形成された電極やカーボン電極等を用いることができる。参照電極５３としては例えば銀／塩化銀（Ａｇ／ＡｇＣｌ）電極を用いることができる。参照電極５３として、カーボン電極やステンレス製のチューブ等を用いることもできる。
作用電極５１、対極５２、参照電極５３等は、制御部１２１が備えるポテンショスタット１２１Ａ（図１参照）に接続されている。ポテンショスタット１２１Ａは、作用電極５１と対極５２との間に電圧を印加し、後述の触媒電流を測定し、さらには参照電極５３の電位を基準として作用電極５１の電位を一定に維持するように構成されている。すなわち、ポテンショスタット１２１Ａは、電圧印加手段、電流値測定手段、電位調整手段として機能する。制御部１２１上で実行されるプログラムによって、ポテンショスタット１２１Ａの電圧印加手順、電流値測定手順、電位調整手順等が制御される。
（３）尿素濃度測定方法
上述の尿素濃度測定装置４０を用い、透析システム１において、電気化学的測定を行って被検査液中の尿素濃度を測定する方法について説明する。以下の説明において、尿素濃度測定装置４０を含む透析システム１を構成する各部材の動作は制御部１２１により制御される。
上述の尿素濃度測定装置４０を用い、透析システム１において、電気化学的測定を行って被検査液中の尿素濃度を測定する方法について説明する。以下の説明において、尿素濃度測定装置４０を含む透析システム１を構成する各部材の動作は制御部１２１により制御される。
透析が開始されると、透析患者Ａから脱血されて動脈側血液路１２を流れた血液が、血液導入口１１ａを介して、ダイアライザ１１内の血液流路に導入される。血液流路内に導入された血液は、血液流路内を通過し、血液排出口１１ｂおよび静脈側血液路１３を介して、透析患者Ａに戻される。また、透析液供給装置２０から、透析液が、透析液導入路１４および透析液導入口１１ｃを介して、ダイアライザ１１内の透析液流路に導入される。透析液流路内に導入された透析液は、透析液流路内を通過し、透析廃液排出口１１ｄおよび透析廃液排出路１５を介して、透析廃液回収装置３０に回収される。
血液流路内に導入された血液が血液流路に設けられた血液浄化膜を通過する際、血液が血液浄化膜を介して透析液流路内を流れる透析液と接触し、血液中の老廃物や余分な水分等が透析液内に透過される。これにより、透析患者Ａから脱血した血液が浄化され、浄化血液が透析患者Ａに戻される。本実施形態では、透析患者Ａの血液を浄化しつつ、透析廃液排出口１１ｄから排出された透析液（透析廃液）が透析廃液排出路１５を流れる際に尿素濃度測定装置４０を用いて透析廃液の尿素の濃度を測定する。
尿素濃度測定装置４０を用いた尿素濃度測定方法では、
表面にＮｉ酸化物からなる膜（Ｎｉ酸化膜５１Ａ）が形成された作用電極５１と、対極５２と、を、尿素を含む被検査液に接触させた状態で、作用電極５１と対極５２との間に電圧を印加してＮｉ酸化物を触媒として作用させることで尿素を電気分解するステップ（ステップ１）と、
尿素の電気分解によって流れる電流値を測定するステップ（ステップ２）と、
測定した電流値に基づいて尿素濃度を定量するステップ（ステップ３）と、を実施する。
表面にＮｉ酸化物からなる膜（Ｎｉ酸化膜５１Ａ）が形成された作用電極５１と、対極５２と、を、尿素を含む被検査液に接触させた状態で、作用電極５１と対極５２との間に電圧を印加してＮｉ酸化物を触媒として作用させることで尿素を電気分解するステップ（ステップ１）と、
尿素の電気分解によって流れる電流値を測定するステップ（ステップ２）と、
測定した電流値に基づいて尿素濃度を定量するステップ（ステップ３）と、を実施する。
（ステップ１）
バルブＶ１を開き、被検査液としての透析廃液を被検査液導入路４２から容器４１内へ供給する。所定量（例えば５ｃｃ）の透析廃液を容器４１内に供給したらバルブＶ１を閉じる。また、バルブＶ２を開き、塩基性溶液としてのＫＯＨ溶液を塩基性溶液導入路４３から容器４１内へ供給する。所定量のＫＯＨ溶液を容器４１内へ供給したらバルブＶ２を閉じる。これにより、容器４１内で、透析廃液とＫＯＨ溶液とが混合されて溶液５４が作製される。容器４１内にＫＯＨ溶液を供給することで、透析廃液中のグルコース、尿酸、アスコルビン酸等は水素イオンが解離してアニオン体を形成する。一方、透析廃液中の尿素は、電荷を有さないことからイオン化することなく溶液５４中に存在する。
バルブＶ１を開き、被検査液としての透析廃液を被検査液導入路４２から容器４１内へ供給する。所定量（例えば５ｃｃ）の透析廃液を容器４１内に供給したらバルブＶ１を閉じる。また、バルブＶ２を開き、塩基性溶液としてのＫＯＨ溶液を塩基性溶液導入路４３から容器４１内へ供給する。所定量のＫＯＨ溶液を容器４１内へ供給したらバルブＶ２を閉じる。これにより、容器４１内で、透析廃液とＫＯＨ溶液とが混合されて溶液５４が作製される。容器４１内にＫＯＨ溶液を供給することで、透析廃液中のグルコース、尿酸、アスコルビン酸等は水素イオンが解離してアニオン体を形成する。一方、透析廃液中の尿素は、電荷を有さないことからイオン化することなく溶液５４中に存在する。
続いて、ポテンショスタット１２１Ａによって作用電極５１と対極５２との間に所定の電圧領域（例えば−１．０〜＋０．６Ｖ、好ましくは０〜＋０．６Ｖ、より好ましくは０〜＋０．５５Ｖ）で掃引しながら電圧を印加する。これにより、Ｎｉ酸化膜５１Ａに含まれるＮｉ酸化物が触媒として作用して、系中（溶液５４中）で尿素がＮｉ酸化膜５１Ａの表面上で電気分解（酸化分解）される（物質変化する）。
（ステップ２）
尿素が電気分解されることにより、作用電極５１と対極５２との間に見かけ上電流（酸化電流、以下、この電流を触媒電流とも称する）が流れる。この触媒電流の値（触媒電流の量）をポテンショスタット１２１Ａにより測定する。本ステップでは、作用電極５１と対極５２との間に例えば＋０．５５Ｖの電圧を印加した際の触媒電流の値を測定する。
尿素が電気分解されることにより、作用電極５１と対極５２との間に見かけ上電流（酸化電流、以下、この電流を触媒電流とも称する）が流れる。この触媒電流の値（触媒電流の量）をポテンショスタット１２１Ａにより測定する。本ステップでは、作用電極５１と対極５２との間に例えば＋０．５５Ｖの電圧を印加した際の触媒電流の値を測定する。
（ステップ３）
ステップ２で測定した触媒電流の値に基づいて、制御部１２１により透析廃液中の尿素濃度を算出する（定量する）。上述の触媒電流の値は、電気分解した尿素の濃度と相関関係にあることを本願発明者等は確認済みである。したがって、測定した触媒電流の値に基づいて溶液５４中の尿素濃度を定量することができる。
ステップ２で測定した触媒電流の値に基づいて、制御部１２１により透析廃液中の尿素濃度を算出する（定量する）。上述の触媒電流の値は、電気分解した尿素の濃度と相関関係にあることを本願発明者等は確認済みである。したがって、測定した触媒電流の値に基づいて溶液５４中の尿素濃度を定量することができる。
制御部１２１は、定量した尿素濃度を記録したり、制御部１２１に接続された表示部に表示したり、定量した尿素濃度に基づいて血液透析装置１０や透析液供給装置２０等の透析システム１を制御し、血液流量や透析液流量等を調整したりする。
（繰り返しステップ）
ステップ２が終了したら、ステップ３を行いつつ、上述と同様の手順でバルブＶ１の開閉動作を行い、透析廃液を容器４１内に再度供給する。本ステップでは、バルブＶ２の開閉動作は行わず、溶液５４中に被検査液（透析廃液）を累加する。溶液５４中に所定量の被検査液を累加したら、ステップ２，３を再度行う。この繰り返しステップは、少なくとも所定の透析時間が終了するまでの間連続的に行う。
ステップ２が終了したら、ステップ３を行いつつ、上述と同様の手順でバルブＶ１の開閉動作を行い、透析廃液を容器４１内に再度供給する。本ステップでは、バルブＶ２の開閉動作は行わず、溶液５４中に被検査液（透析廃液）を累加する。溶液５４中に所定量の被検査液を累加したら、ステップ２，３を再度行う。この繰り返しステップは、少なくとも所定の透析時間が終了するまでの間連続的に行う。
なお、繰り返しステップは、ステップ２の終了後所定期間が経過したら、バルブＶ１の開閉動作を行い、被検査液を溶液５４中に累加するようにしてもよい。また、繰り返しステップでのバルブＶ１の開閉動作は、ステップ３と同時並行で行わなくてもよい。
（検査廃液の回収）
所定の透析時間が終了したら、バルブＶ３を開けて検査廃液としての容器４１内の溶液５４を、検査廃液排出路４５から検査廃液回収装置４６に導入して回収する。
所定の透析時間が終了したら、バルブＶ３を開けて検査廃液としての容器４１内の溶液５４を、検査廃液排出路４５から検査廃液回収装置４６に導入して回収する。
（４）本実施形態により得られる効果
本実施形態によれば、以下に示す１つまたは複数の効果が得られる。
本実施形態によれば、以下に示す１つまたは複数の効果が得られる。
（ａ）作用電極５１として表面にＮｉ酸化膜５１Ａが形成された電極を用いることで、系中でＮｉ酸化物が触媒として作用し、Ｎｉ酸化膜５１Ａの表面で尿素が電気分解する。これにより、尿毒素の一つである尿素を電気化学的に検出することができる。その結果、本実施形態にかかる尿素濃度測定装置４０によれば、酵素分解法や化学発光法により尿素濃度を測定する場合よりも、尿素濃度測定速度が格段に速くなる。
（ｂ）また、本実施形態にかかる尿素濃度測定装置４０によれば、尿素濃度の測定速度が速いことから、尿素濃度の連続的な測定（リアルタイム測定、ｉｎ−ｓｉｔｕ測定）が可能となる。これにより、例えば、透析廃液中の尿素濃度をリアルタイムで測定し、尿素濃度の測定結果に応じて透析条件（透析時間、血液流量、透析液流量等）をフィードバック制御しながら透析治療を行うことができる。その結果、透析治療時の透析効率を高めることが可能となる。また、透析時間の終了を正確に知ることもできる。
（ｃ）作用電極５１（Ｎｉ酸化膜５１Ａ）上に陽イオン交換膜５５が設けられていることで、作用電極５１と対極５２との間に例えば＋０．５５Ｖの電圧を印加した際に、Ｎｉ酸化膜５１Ａの表面上での尿素の電気分解により流れた電流のみを検出することができる。その結果、尿素濃度を正確に検出することができる。
（ｄ）電極基体５１ＢがＮｉ−Ｔｉ合金で形成されていることで、作用電極５１の強度（作用電極５１の耐久性）を高めることができる。これにより、作用電極５１を、塩基性溶液中に少なくとも４〜５時間（少なくとも１回の透析の間）浸漬しても、作用電極５１の損傷を回避できる。その結果、少なくとも１回の透析の間、尿素濃度を連続的に確実に測定し続けることができる。
（ｅ）電極基体５１ＢがＮｉ−Ｔｉ合金で形成されていることで、電極基体がＮｉのみからなる材料で形成されている場合よりも安定した結晶構造を有するＮｉ酸化膜５１Ａが、電極基体５１Ｂの表面に形成されることとなる。これにより、作用電極５１を、尿素濃度を長時間にわたって電気化学的にセンシングする装置（電気化学センサ）に好適に用いることができる。例えば、本実施形態にかかる尿素濃度測定装置４０は少なくとも４時間以上、好ましくは６時間以上の長時間透析に好適に用いることができ、この場合であっても、作用電極５１を取り換えることなく、透析廃液中の尿素濃度をリアルタイムで測定することができる。
（ｆ）本実施形態にかかる尿素濃度測定装置４０では、透析開始から透析終了まで、溶液５４を排出することなく（溶液５４を入れ替えることなく）、塩基性溶液中に透析廃液を累加して尿素濃度を測定している。これにより、尿素濃度の連続的に測定することができる。
（ｇ）本実施形態にかかる尿素濃度測定装置４０では、作用電極５１と対極５２との間に例えば＋０．５５Ｖの電圧を印加しておけば、作用電極５１の表面はＮｉＯＯＨの状態（Ｎｉ（ＯＨ）２が酸化された状態）を維持することとなり、リフレッシュ操作が不要である。その結果、尿素濃度を連続して測定した場合であっても、正確に測定することができる。
（ｈ）透析廃液を用いて尿素濃度を測定することから、尿素濃度測定のために採血する必要がなく、透析患者Ａに対する身体的負担を軽減することができる。
（５）変形例
本実施形態は上述の態様に限定されず、例えば以下のように変形することもできる。
本実施形態は上述の態様に限定されず、例えば以下のように変形することもできる。
（変形例１）
上述の実施形態では、検査廃液を検査廃液回収装置４６で回収する場合について説明したが、これに限定されない。例えば、検査廃液排出路４５の下流端を、被検査液導入路４２との接続点よりも下流側の透析廃液排出路１５に接続し、検査廃液を透析廃液回収装置３０で回収するようにしてもよい。
上述の実施形態では、検査廃液を検査廃液回収装置４６で回収する場合について説明したが、これに限定されない。例えば、検査廃液排出路４５の下流端を、被検査液導入路４２との接続点よりも下流側の透析廃液排出路１５に接続し、検査廃液を透析廃液回収装置３０で回収するようにしてもよい。
（変形例２）
上述の実施形態では、電極基体５１ＢがＮｉ合金またはＮｉ−Ｔｉ合金で形成されている場合について説明したが、これに限定されない。例えば、電極基体５１Ｂとして、Ｔｉからなる芯材の周囲にＮｉを被覆して作製したものを用いることもできる。本変形例においても、電極基体５１Ｂの表面にＮｉ酸化膜５１Ａを形成することができ、上述の尿素の電気分解を生じさせることができる。その結果、電気化学的測定による尿素の濃度を測定することができる。しかしながら、入手容易性の観点から、Ｎｉ合金やＮｉ−Ｔｉ合金を用いて形成された電極基体５１Ｂを用いる方が好ましい。
上述の実施形態では、電極基体５１ＢがＮｉ合金またはＮｉ−Ｔｉ合金で形成されている場合について説明したが、これに限定されない。例えば、電極基体５１Ｂとして、Ｔｉからなる芯材の周囲にＮｉを被覆して作製したものを用いることもできる。本変形例においても、電極基体５１Ｂの表面にＮｉ酸化膜５１Ａを形成することができ、上述の尿素の電気分解を生じさせることができる。その結果、電気化学的測定による尿素の濃度を測定することができる。しかしながら、入手容易性の観点から、Ｎｉ合金やＮｉ−Ｔｉ合金を用いて形成された電極基体５１Ｂを用いる方が好ましい。
（変形例３）
上述の実施形態では、繰り返しステップにおいて、溶液５４中に透析廃液を累加して尿素濃度の測定を行う場合について説明したが、これに限定されない。例えば、ステップ２が終了する毎、又はステップ２を所定回数行った後にバルブＶ３を開けて容器４１内の溶液５４を排出した後、再度バルブＶ１，Ｖ２を開けて溶液５４を再度作製するようにしてもよい。これにより、尿素濃度をより正確に測定することが可能となる。
上述の実施形態では、繰り返しステップにおいて、溶液５４中に透析廃液を累加して尿素濃度の測定を行う場合について説明したが、これに限定されない。例えば、ステップ２が終了する毎、又はステップ２を所定回数行った後にバルブＶ３を開けて容器４１内の溶液５４を排出した後、再度バルブＶ１，Ｖ２を開けて溶液５４を再度作製するようにしてもよい。これにより、尿素濃度をより正確に測定することが可能となる。
（変形例４）
また例えば、被検査液導入路４２、塩基性溶液導入路４３には、複数のバルブが設けられていてもよい。これにより、容器４１内に供給される被検査液、塩基性溶液の量を緻密に制御することが容易となる。
また例えば、被検査液導入路４２、塩基性溶液導入路４３には、複数のバルブが設けられていてもよい。これにより、容器４１内に供給される被検査液、塩基性溶液の量を緻密に制御することが容易となる。
＜他の実施形態＞
以上、本発明の実施形態を具体的に説明した。但し、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
以上、本発明の実施形態を具体的に説明した。但し、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
上述の実施形態では、三電極方式による電気化学的測定により尿素を検出する場合について説明したが、これに限定されない。例えば、参照電極５３を設けることなく、作用電極５１と対極５２とを用いた二電極方式による電気化学的測定により尿素を検出してもよい。
また、上述の実施形態では、尿素濃度測定装置４０が透析システム１に設けられる場合について説明したが、これに限定されない。排尿、血液等の液状体液に含まれる尿素濃度を測定する場合に用いてもよい。
以下、上述の実施形態の効果を裏付ける実験結果について説明する。
実施例の尿素濃度測定装置では、Ｎｉ−Ｔｉ合金で形成された電極基体を用い、対極としてＰｔ電極を用い、参照電極としてＡｇ／ＡｇＣｌ電極を用い、塩基性溶液として濃度が０．１Ｍ（０．１ｍｏｌ／ｌ）であるＫＯＨ溶液を用いた。また実施例では、電極基体と対極とを塩基性溶液に浸漬させて、所定の電圧領域（−１．０〜＋０．６Ｖ）で掃引速度を１００ｍＶ／ｓとして５００回掃引し、電極基体上にＮｉ酸化膜（Ｎｉ（ＯＨ）２酸化被膜）を形成して作用電極を形成した。また実施例では、ナフィオン（登録商標）とプロパノールとをナフィオン（登録商標）の濃度が０．５％となるように混合した混合液を作用電極上に塗布した後、大気中で３０分自然乾燥させ、作用電極上に陽イオン交換膜を形成した。
比較例の尿素濃度測定装置では、Ｎｉ−Ｔｉ合金で形成された電極基体を用い、実施例と同様の条件で電極基体上にＮｉ酸化膜を形成して作用電極を形成した。なお、比較例では、作用電極上に陽イオン交換膜を形成していない。他の条件は、実施例における条件と同様とした。
得られた作用電極（Ｎｉ（ＯＨ）２酸化被膜が形成された電極）の尿素に対する電気化学触媒反応機構を確認する実験を行った。具体的には、実施例の尿素濃度測定装置を用い、上述の電極（作用電極）と対極と参照電極とを０．１ＭのＫＯＨ溶液中に１０ｍＭの尿素を添加した溶液中に浸漬させ、０Ｖ〜＋０．６Ｖの電圧領域で掃引速度を５０ｍＶ／ｓとして１回ないしは２回の掃引を行い、応答電流値を測定するサイクリックボルタンメトリー測定を行った。図３に、その測定結果を示す。図３の横軸は印加電圧（Ｖ）を示し、縦軸は電流値（μＡ）を示す。図３中の実線は、Ｎｉ酸化物を触媒として尿素が電気分解することで作用電極と対極との間を流れた電流（触媒電流）の測定波形であり、点線は尿素を含まない場合のバックグランド（ＢＫＧ）レベルの波形である。図３から、印加電圧が＋０．５５Ｖであるときに電流変化が最も大きくなることが分かる。これは、触媒電流と呼ばれ、印加電圧が＋０．５５ＶであるときにＮｉ酸化膜上での尿素の電気分解が最も大きくなることを示している。また、ＢＫＧと比較することで、この触媒電流は、尿素濃度が高くなると大きくなることが分かる。また、本願発明者等は、ＫＯＨ溶液中の尿素濃度が１０ｍＭ以外の濃度である場合であっても、印加電圧が＋０．５５Ｖであるときに電流変化が最も大きくなることも確認している。また、この実験から、Ｎｉ酸化膜に含まれるＮｉ酸化物が触媒として作用して、ＫＯＨ溶液と尿素とを混合した溶液中で尿素がＮｉ酸化膜の表面上で電気分解（酸化分解）されることが確認できる。
また、実施例および比較例の尿素濃度測定装置を用い、上述の電極（作用電極）と対極と参照電極とを０．１ＭのＫＯＨ溶液中に４００μＭの尿素、４００μＭグルコース、４００μＭ尿酸、４００μＭアスコルビン酸を添加した溶液中に浸漬させ、印加電圧（検出電位）を０．５５Ｖとした。このときの尿素（Ｕｒｅａ）、グルコース（Ｇｌｃ）、尿酸（ＵＡ）、アスコルビン酸（ＡＡ）のそれぞれの電流値（応答電流）を、ポテンショスタットを用いてアンペロメトリー測定により測定した。図４（ａ）に実施例の尿素濃度測定装置を用いた場合の結果を示し、図４（ｂ）に比較例の尿素濃度測定装置を用いた場合の結果を示す。図４（ａ）および図４（ｂ）の横軸は検出成分を示し、縦軸は電流値（μＡ）をそれぞれ示している。図４（ａ）および図４（ｂ）から、実施例では、比較例よりも、尿素を選択的に検出できていることが分かる。これは、作用電極上に陽イオン交換膜を設けることで、検出電位を＋０．５５Ｖとした際、グルコース、尿酸、アスコルビン酸を除外でき、Ｎｉ酸化膜上で尿素の電気分解のみを生じさせ、尿素の電気分解により流れる電流のみを検出できることを示している。
また、上述のサイクリックボルタンメトリー測定において、Ｎｉ酸化膜の尿素に対する電気化学触媒反応を確認する実験を行った。具体的には、実施例の尿素濃度測定装置について、０．５５Ｖの電圧を印加し続けて作用電極を活性化させた状態で、尿素およびグルコースを塩基性溶液に累加した際の尿素の電気分解により発生する電流値（応答電流）変化およびグルコースの酸化還元反応により発生する電流値変化を定電位アンペロメトリー測定によりそれぞれ観察した。この実験では、塩基性溶液として濃度が０．１ＭのＫＯＨ溶液を用い、ＫＯＨ溶液中に１００μＭの尿素および１００μＭのグルコースを同じタイミングで２０μＬずつ累加しながら、ポテンショスタットにより尿素およびグルコースに由来する電流値をそれぞれ連続的に測定している。図５にその測定結果を示す。図５の横軸は時間（秒）を示し、縦軸は電流値（μＡ）をそれぞれ示している。図５から、尿素およびグルコースを累加した後間もなく、ＫＯＨ溶液中の尿素濃度が増加すると尿素の電気分解により発生する電流の値（触媒電流由来の電流値）は大きくなるが、ＫＯＨ溶液中のグルコース濃度が増加してもグルコースの酸化還元反応により発生する電流値は殆ど変化しないことが分かる。このことから、ＫＯＨ溶液中に透析廃液を累加した場合であっても、透析廃液中の尿素のみを選択に検出し、尿素濃度を正確に測定できることが分かる。また、この実験から、作用電極と対極との間に０．５５Ｖの電圧を印加しておけば、作用電極の表面はＮｉＯＯＨの状態（Ｎｉ（ＯＨ）２が酸化された状態）を維持していることが確認できる。その結果、リフレッシュ操作を特に行うことなく、尿素濃度を連続的に測定できることも確認できる。
＜本発明の好ましい態様＞
以下、本発明の好ましい態様について付記する。
以下、本発明の好ましい態様について付記する。
（付記１）
本発明の一態様によれば、
表面にニッケル酸化物からなる膜が形成された作用電極と、対極とを、尿素を含む被検査液に接触させた状態で、前記作用電極と前記対極との間に所定の電圧を印加して前記ニッケル酸化物を触媒として作用させることで尿素を電気分解し、尿素の電気分解により流れる電流の値を測定し、測定した前記電流の値に基づいて尿素濃度を定量する尿素濃度測定方法が提供される。
本発明の一態様によれば、
表面にニッケル酸化物からなる膜が形成された作用電極と、対極とを、尿素を含む被検査液に接触させた状態で、前記作用電極と前記対極との間に所定の電圧を印加して前記ニッケル酸化物を触媒として作用させることで尿素を電気分解し、尿素の電気分解により流れる電流の値を測定し、測定した前記電流の値に基づいて尿素濃度を定量する尿素濃度測定方法が提供される。
（付記２）
付記１の方法であって、好ましくは、
前記ニッケル酸化物からなる膜上には負に帯電したイオン交換膜が設けられている。
付記１の方法であって、好ましくは、
前記ニッケル酸化物からなる膜上には負に帯電したイオン交換膜が設けられている。
（付記３）
付記１または２の方法であって、好ましくは、
前記イオン交換膜は、ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ（登録商標））を用いて形成されている。
付記１または２の方法であって、好ましくは、
前記イオン交換膜は、ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ（登録商標））を用いて形成されている。
（付記４）
付記１〜３のいずれかの方法であって、好ましくは、
前記陽イオン交換膜の厚さは０．５μｍ以上１．０μｍ以下である。
付記１〜３のいずれかの方法であって、好ましくは、
前記陽イオン交換膜の厚さは０．５μｍ以上１．０μｍ以下である。
（付記５）
付記１〜４のいずれかの方法であって、好ましくは、
前記作用電極として、チタン（Ｔｉ）を含むニッケル合金で形成された電極基体の表面にニッケル酸化物からなる膜が形成された電極を用いる。
付記１〜４のいずれかの方法であって、好ましくは、
前記作用電極として、チタン（Ｔｉ）を含むニッケル合金で形成された電極基体の表面にニッケル酸化物からなる膜が形成された電極を用いる。
（付記６）
付記１〜５のいずれかの方法であって、好ましくは、
前記作用電極として、チタン（Ｔｉ）を含むニッケル合金で形成された電極基体の表面に、ニッケルのみからなる材料で形成された電極基体の表面に形成されたニッケル酸化物からなる膜の結晶構造よりも安定した結晶構造を有するニッケル酸化物からなる膜が形成された電極を用いる。
付記１〜５のいずれかの方法であって、好ましくは、
前記作用電極として、チタン（Ｔｉ）を含むニッケル合金で形成された電極基体の表面に、ニッケルのみからなる材料で形成された電極基体の表面に形成されたニッケル酸化物からなる膜の結晶構造よりも安定した結晶構造を有するニッケル酸化物からなる膜が形成された電極を用いる。
（付記７）
付記１〜６のいずれかの方法であって、好ましくは、
前記被検査液は透析廃液を含む。
付記１〜６のいずれかの方法であって、好ましくは、
前記被検査液は透析廃液を含む。
（付記８）
本発明の他の態様によれば、
尿素を含む被検査液を収容する容器と、
前記被検査液と接触するように前記容器内に配置され、表面にニッケル酸化物からなる膜が形成された作用電極と、
前記被検査液と接触するように前記容器内に配置された対極と、
前記作用電極と前記対極との間に電圧を印加する電圧印加手段と、
前記電圧印加手段により電圧を印加することで、前記ニッケル酸化物を触媒として尿素を電気分解し、尿素の電気分解により流れる電流の値を測定する電流値測定手段と、
前記電流値測定手段により測定した前記電流の値に基づいて前記被検査液中の尿素濃度を定量する尿素濃度定量手段と、を備える尿素濃度測定装置が提供される。
本発明の他の態様によれば、
尿素を含む被検査液を収容する容器と、
前記被検査液と接触するように前記容器内に配置され、表面にニッケル酸化物からなる膜が形成された作用電極と、
前記被検査液と接触するように前記容器内に配置された対極と、
前記作用電極と前記対極との間に電圧を印加する電圧印加手段と、
前記電圧印加手段により電圧を印加することで、前記ニッケル酸化物を触媒として尿素を電気分解し、尿素の電気分解により流れる電流の値を測定する電流値測定手段と、
前記電流値測定手段により測定した前記電流の値に基づいて前記被検査液中の尿素濃度を定量する尿素濃度定量手段と、を備える尿素濃度測定装置が提供される。
１ 透析システム
４０ 尿素濃度測定装置
５１ 作用電極
５２ 対極
５１Ａ ニッケル酸化物からなる膜
４０ 尿素濃度測定装置
５１ 作用電極
５２ 対極
５１Ａ ニッケル酸化物からなる膜
Claims (5)
- 表面にニッケル酸化物からなる膜が形成された作用電極と、対極とを、尿素を含む被検査液に接触させた状態で、前記作用電極と前記対極との間に所定の電圧を印加して前記ニッケル酸化物を触媒として尿素を電気分解し、尿素の電気分解により流れる電流の値を測定し、測定した前記電流の値に基づいて尿素濃度を定量する尿素濃度測定方法。
- 前記ニッケル酸化物からなる膜上には負に帯電したイオン交換膜が設けられている請求項１に記載の尿素濃度測定方法。
- 前記作用電極として、チタンを含むニッケル合金で形成された電極基体の表面にニッケル酸化物からなる膜が形成された電極を用いる請求項１または２に記載の尿素濃度測定方法。
- 前記被検査液は透析廃液を含む請求項１〜３のいずれか１項に記載の尿素濃度測定方法。
- 尿素を含む被検査液を収容する容器と、
前記被検査液と接触するように前記容器内に配置され、表面にニッケル酸化物からなる膜が形成された作用電極と、
前記被検査液と接触するように前記容器内に配置された対極と、
前記作用電極と前記対極との間に電圧を印加する電圧印加手段と、
前記電圧印加手段により電圧を印加することで、前記ニッケル酸化物を触媒として尿素を電気分解し、尿素の電気分解により流れる電流の値を測定する電流値測定手段と、
前記電流値測定手段により測定した前記電流の値に基づいて前記被検査液中の尿素濃度を定量する尿素濃度定量手段と、を備える尿素濃度測定装置。
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| JP2019108553A JP2020201144A (ja) | 2019-06-11 | 2019-06-11 | 尿素濃度測定方法および尿素濃度測定装置 |
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|---|---|
| JP2020201144A true JP2020201144A (ja) | 2020-12-17 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113552150A (zh) * | 2021-07-20 | 2021-10-26 | 中南大学 | 一种用于尿素检测及电解氧化的镍基催化剂 |
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| JP2008502921A (ja) * | 2004-06-09 | 2008-01-31 | インストゥルメンテーション ラボラトリー カンパニー | 電気化学尿素センサおよびその製造方法 |
| US20090095636A1 (en) * | 2007-10-15 | 2009-04-16 | Ohio University | Electrolytic Cells and Methods for the Production of Ammonia and Hydrogen |
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-
2019
- 2019-06-11 JP JP2019108553A patent/JP2020201144A/ja active Pending
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