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誘導結合プラズマ発光分光分析装置(ICP-AES)の原理・特徴

(ICP-AES:Inductively Coupled Plasma−Atomic Emission Spectrometry)

 
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 誘導結合プラズマ発光分光分析装置(ICP-AES)では、石英ガラス製の放電管(トーチ)に巻きつけた誘導コイルに高周波電流を流すことで誘導電場を発生し、そこにアルゴンガスを導入してプラズマ状態とする。ネブライザなどで霧状にした溶液試料(通常は水溶液)をアルゴンプラズマ中に導入すると、溶液中に存在していた金属元素、半金属元素は、6000〜7000℃の熱で原子化されるとともに励起される。その後、基底状態に戻るときに各元素固有の波長の光を放出する。この発光線を検出することより、波長から定性分析を、発光強度から定量分析を行なうことができる。


ICP-MS模式図


 特徴としては、多元素同時分析、逐次分析が可能であり、検量線の直線範囲が広いことがあげられる。すなわち、ダイナミックレンジが非常に広く、主成分から極微量成分まで分析を行うことができる。また、化学的干渉やイオン化干渉が少なく、高マトリックス試料の分析も可能である。したがって、他の多くの分析法ではマトリクス組成の違いによる影響を受けるのに対して、ICP-AESではその影響がないことから多成分系の分析に適していると言える。

 加えて、原子吸光法と同程度に高感度(検出下限は大半の元素に対して10ppb以下)であり、原子吸光法で困難なZr、Ta、希土類、P、Bなども検出でき、安定性も高いという特徴を持つ。なお、As, Sb, Se, Bi, Pb等の水溶液中での還元反応によって水素化物を生成する元素については、原子吸光分析法と同様に、試料溶液を直接導入するよりも、水素化物発生法を用いた方が高感度となるので、非常に微量濃度の測定時には水素化物発生法を用いる方法が採用されることがある。

 ICP-AESはその特徴から、無機成分の定性、定量分析、特に、極微量成分の分析には欠くことのできない分析法の一つであると言える。そのため、半導体から一般工業材料、環境分析に至るまで幅広く利用されている。例えば、排水・河川水などの環境試料分析をはじめ生体試料分析や材料分析・飲料の品質管理、基板表面の微量金属汚染の分析、薄膜組成の分析など多岐にわたっている。また、近年注目されているWEEE/RoHSなどの欧州の重金属規制に対応するための分析法としても使用されている。

 現在発売されているほとんどのICP-AESでは、プラズマトーチに対する測光方向によって二つの測定モードが搭載されている。また、装置によっては両方向を同時に設定できるものもある。メーカーによって呼称は異なるが、下図に示すように、プラズマ炎の軸上で測光する同軸(axial、アキシャル)モードと、これと垂直方向で測光する放射光(radial、ラジアル)モードがある。



 両者はそれぞれが特徴を持っており、目的に応じて使い分ける必要がある。同軸モードの最も大きな特徴は放射光モードに比べて高感度な測定が可能である点が挙げられる。一般には、数倍から10倍以上の感度の向上が期待できる。ただし、高濃度成分は苦手としており、マトリクスなどの高濃度成分が共存する場合には、その妨害によって上手く測定できないことがある。光軸と測定軸とのズレの影響を受けやすいので、軸調整がシビアになることがある。ただし、これについては最近の装置では自動化されていることも多いので、それほど大きな問題にはならなくなってきている

 これに対して、放射光モードは感度こそ同軸モードに比べて劣るが、測定可能濃度範囲が広く、高濃度マトリクスが共存する場合でも測定が可能である。また、当然ながら同軸モードに比べて光軸と測定軸の調整は容易である。さらに、アルカリ金属などイオン化干渉の影響を受けやすいものの測定にも適している。

 また、一部の元素では試料前処理によって高感度測定が可能になることがある。最も代表的なものが、水素化物発生法などの名称で呼ばれるものである。対象元素としては、As、Se、SbやGa、Sn、Bi、Te、Pbなどが上げられる。これらの元素は、還元処理を行うことで常温で気体の水素化物を発生することから、試料導入効率が上がり、感度向上が期待できる。一般的な手順としては、塩酸性酸溶液中で水素化ホウ素ナトリウムを使って還元処理を行い、気液分離を行って装置に導入する。


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 ただし、化学反応過程が含まれることから前処理の反応条件や干渉元素の発生などの注意が必要である。例えば、試料の分解が不十分な場合には水素化物の発生効率が低下して、十分な感度向上が得られないことがあり、また、分解に使用した硝酸が残っていると妨害となる。また、AsやSeなどは予備還元を行う必要があるが、その条件によっても影響を受ける。


 ICP-AESはICP-MSと比較されることが多いが、ICP-AESの強みは他成分による妨害が少ないこと、マトリクスの影響が少ないことがあげられる。ICP-MSにおいては、質量数が同じになる組み合わせが複数存在することが数多くあることから、同一質量数で重なり合った成分は分離することができない。例えば、Pに対しては14N16OH、 15N16O、62Ni2+ などが、Feについては40Ar16Oなどがそれぞれ妨害成分としてあげられる。また、全く異なるマトリクス材料中の微量成分の比較も日常的に行われるものであるが、このような場合もマトリクス効果のないICPーAESでは問題なく分析が行える。

 また、分類上は溶液分析法であることから、固体試料に比べて所望濃度の標準試料が作りやすいことから容易に検量線を作成することができ、その精度も高めることができる。

 ただしその反面、試料を液化する必要があるため、液化できない試料は測定できない場合がある。また、前処理に手間がかかることがあり、溶液の粘性などによる物理的影響を受けやすい点に注意しなければならない。また、非常に高感度であることから、汚染の影響を受けやすく、使用する器具類や環境など、測定時のみならず前処理の段階においても細心の注意が必要である。

 前処理の方法には様々なものがあり、例えば、乾式灰化分解法、湿式分解法、高圧分解法、マイクロウェーブ分解法、溶出法などがあげられる。実際の分析では、目的元素の種類やマトリクス材料の種類などによってこれらを使い分けることになる。

 また、液体や固体を液化、溶液化した試料だけでなく、気体中含有成分についても、液捕集法(たとえば、JIS K0103など)等を用いることによって分析を行うことが可能である。具体的には、大気中の硫黄などの気体成分や浮遊成分などの評価に用いられている。



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