【コラム】溶存酸素測定―これまでになく簡便に
2020/04/14
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飲料水を数時間そのままにしておくと、なぜ味が抜けてしまうかご存知ですか?あるいは、オレンジジュースのボトルを長時間開けたままにしておくと、なぜ色が変化し、少し暗くなるのでしょうか?
こうした変化の背後にある主要な要因の一つが、飲料中の酸素量です。
本記事では、酸素が液体に溶解した際にもたらす影響(良い面と悪い面の両方)、そして溶存酸素(DO)含有量に影響を与えるパラメータ、さらにはDO濃度を正確に評価する方法について、いくつかの情報をご紹介したいと思います。
なぜDO濃度は重要なのですか?
pHや電気伝導度と並んで、溶存酸素は最も重要な水質指標の一つです。酸素は、その分圧に応じて(ヘンリーの法則)地表水に溶解しますが、通気プロセス(例:風、急流)によっても溶解します。さらに、酸素は植物や植物プランクトンによる光合成の副産物としても水中に取り込まれます。溶存酸素は、魚類や酸素を呼吸する他のあらゆる水生生物の生存にとって不可欠です。
DO含有量は、水中に細菌や藻類が過剰に混入すると低下することがあります。細菌は死んだ藻類や他の有機物質を餌として摂取し、酸素を消費して二酸化炭素を生成します。すべてのDOが細菌によって消費されてしまうことは、富栄養化と呼ばれます。水中のDO含有量が5 mg/L未満まで低下すると、水生生物はストレスにさらされ、さらに濃度が低くなると、多くの水生生物が死滅する可能性があります。溶存酸素は、直接測定技術により、地表水中でその場で直接評価することができます。
地表水中の溶存酸素測定について詳しくは、下記アプリケーションノートをご覧ください:
飲料水やオレンジジュースの例に話を戻しましょう:
水は、ある程度の量の酸素が溶解している時にのみ、私たちにとって美味しく感じられます。グラスや水のボトルを放置しておくと、DOは大気と平衡に達する過程で放出され、さらに周囲の温度まで温まることで、さらに多くの酸素が放出されます。これが、水の味が時間とともに抜けていく理由です。
お使いの水道水中の溶存酸素をどのように決定できるかについての概要をお求めでしたら、下記アプリケーションノートをご覧ください:
オレンジジュースの場合は、これとは逆の状況が見られます。オレンジジュース(や他の果物・野菜ジュース)は、DOをほぼ含まない状態に保たれています。その理由は、酸化剤としての酸素が、飲料全体の品質、味、栄養価、そして色に悪影響を及ぼすためです。オレンジジュースを開けたまま大気にさらしておく時間が長いほど、ある程度までジュースに酸素が溶け込みます。さらに、このDOはジュースの他の成分と反応し始めます。例えば、DOは存在するビタミンC(アスコルビン酸、抗酸化物質)を脱水アスコルビン酸へと酸化させます。急速な褐変を防ぎ、ジュースの風味と品質を保つため、密閉されたボトルで保管してください。
果汁中の溶存酸素の決定について、さらに詳しく知りたいですか?下記アプリケーションノートをご覧ください:
溶存酸素濃度に影響を与えるものは何ですか?
温度
温度は、DO濃度に大きな影響を与えます。温度が高いほど、液相に溶解する酸素は少なくなります。なぜでしょうか?もう少し視覚的にご説明します:
溶液の温度が上昇すると、その中のイオンや分子はエネルギーの増加により動き、振動するようになります。これにより粒子同士の衝突がますます増加し、その結果、それらを結びつけていた結合の一部が切れます。より多くの粒子が振動するほど、より多くの衝突が起こり、さらに多くの結合が切れます。これはつまり、液体中に酸素分子を留めていた結合も切れ、酸素が溶液から放出されることを意味します。これにより、DO含有量は減少します。温度が低下すると、その逆が起こります:粒子の運動が減少し、したがってDO濃度は増加します。
圧力
ここでの「圧力」とは、大気圧を指しています。もしかすると、山の頂上や、高高度を飛行する飛行機の中で、水筒から水を飲んだことがあるかもしれません。地上に戻った時(あるいはハイキングの起点に戻った時)、もう一度ボトルを確認すると、少しへこんでいたり、再び開ける際に吸い込むような音がしたことにお気づきになったかもしれません。これは大気圧の違いによるものであり、大気圧は標高に反比例します。
大気圧が低下すると、酸素の分圧も低下します。したがって、より高い標高では、圧力が酸素をその場に留めておかないため、液体に溶解する酸素は少なくなります。標高が高くなるほど、酸素は液体から拡散して出ていきます。より低い標高に行くと、大気圧が上昇するにつれて、DO濃度は増加します。
塩分濃度
塩分濃度もまた、液体中に存在する溶存酸素の量に関わる要因です。
ここでも、溶液中に存在するイオンや分子について考えてみましょう。水中に溶解した塩が存在すると、これらの帯電したイオンは水分子に非常に強く引き寄せられます。溶存酸素は電荷を持たないため、何にも引き寄せられません。塩分濃度が高いほど、より多くのイオンが存在することになります。この粒子密度の増加は、水との相互作用がさほど強くない酸素を、溶液から追い出すよう作用します。
DO濃度をどのように評価できますか?
液体中の溶存酸素含有量を決定するには、直接測定または滴定という2つの方法があります。それぞれの方法の長所と短所については、下記のホワイトペーパーにまとめておりますので、ぜひご覧ください。
しかしながら、本記事では光学センサーを用いた直接測定のみを取り上げます。なぜでしょうか?それは、面倒なサンプリングやサンプル前処理を必要とせず、オンラインまたはその場でDO含有量を測定でき、装置もほぼメンテナンスフリーだからです―その使いやすさに、きっと驚かれることでしょう!
メトローム製のDO測定用光学センサー、O2-Lumitrodeは、市場で最も高速なこの種のセンサーです。液体中のDO含有量を30秒未満で測定します!この動作原理は、発光消光に基づいています。
その仕組みをご説明しましょう:センサーキャップには、赤色光によって励起される発光体が組み込まれた膜が含まれています。酸素が存在しない場合、発光体は発光を通じて基底状態に戻ります。
酸素が存在し、これらの分子が励起状態の発光体と衝突すると、エネルギーが酸素分子に移動するため、発光体は発光を伴わずに基底状態に戻ります。発光体の励起状態の寿命を(位相差を用いて)評価することにより、DO含有量を決定することが可能です。
O2-Lumitrodeはさほどメンテナンスを必要とせず、100%空気飽和での定期的な1点校正で十分です。時折、100%および0%空気飽和での2点校正を実施することを推奨します。
当社の913 pH/DO Meterまたは914 pH/DO/Conductometerには、O2-Lumitrodeを装備することができます。これらはいずれも複合装置であり、これはつまり、溶存酸素とあわせてpHおよび/または電気伝導度も測定できることを意味します。
先述の通り、温度、圧力、塩分濃度は、液体中の溶存酸素含有量に影響を与えます。したがって、O2-Lumitrodeには温度センサーと圧力センサーが搭載されており、最も信頼性の高い結果を得るために自動温度・圧力補正を適用することができます。塩水溶液または海水中のDOを測定する場合、DOと並行して電気伝導度を測定し、自動塩分補正機能をオンにすることができます。
O2-キャップは、発光体の反応性が低下していくため、時折交換する必要があります。この現象は、光退色と呼ばれています。しかしながら、センサーは能動的な性能モニタリング機能により、それが必要な時期をお知らせします。低品質な装置による不正確なDO測定を、もう二度と心配する必要はありません。
まとめると、用途やマトリックスによって、幅広い範囲の溶存酸素が見出される可能性があります。DO含有量を迅速かつ正確に決定することは、極めて重要です。モバイル装置を備えた光学センサーを使用すれば、その場でDO含有量を評価することが非常に容易になります。最も信頼性の高いデータを得るためには、これらの物理的パラメータが結果に与える影響を最小限に抑えるため、温度と圧力(そして最終的には塩分濃度も)を並行して測定してください。
