ICP発光分光分析装置 (ICP-OES) の基礎



1.はじめに

 ICP 発光分光分析装置 (Inductivity coupled plasma optical emission spectrometer ; ICP-OES) は、6000 ~ 10000K のアルゴンプラズマを発光光源として使用し、霧状にした溶液サンプルをプラズマに導入することで元素固有のスペクトルを発光させ、これらのスペクトル (光の波長) から元素の存在を明らかに (定性) し、光の発光強度から元素の濃度を求める (定量) 。また、高性能な回折格子 (グレーティング) を用いることにより、光源から得られたスペクトルを高分解能に分離することで、およそ75種類の元素を迅速に測定することができる。
 ICP 発光分光分析装置には、大別するとシーケンシャルタイプとマルチタイプの2種類がある。シーケンシャルタイプは、逐次的に回折格子を駆動 (回転) することにより、分光された特定のスペクトルのみを検出器へ導く方式で、一般的に分解能が高く、感度が良いが、測定スピードはマルチタイプと比較するとやや劣る。
 一方、マルチタイプは、固定されたプリズムや回折格子により分光された測定対象範囲の波長域のスペクトルを同時に検出することができるので、測定スピードが速く、繰り返し測定の再現性が良い。測定元素が多い場合やクロマトグラフィなどのように測定元素の時間的変化を追跡する時などに有効である。




2.ICP 発光分光分析装置の構成と役割

 ICP 発光分光分析装置は、主に試料導入部、発光部 (プラズマ励起源) 、分光測光部 (分光部+検出器) 、信号処理部 (装置制御・演算部) から構成されている。装置構成の概要を 図1 に示した。

2.1.試料導入部

 試料導入部は、溶液サンプルを負圧吸引 (自然吸引) またはペリスタリスティックポンプを使用して送液し、ネブライザー (霧吹き) によりチャンバ内へ噴霧される。噴霧された微細な霧状のサンプルはチャンバ内で粒径選別され、その一部がトーチ内部を通過してプラズマへ導かれ、それ以外はドレインとして排出される。噴霧される霧の状態は、常に一定で細かいことが望ましく、各種アプリケーションによって最適なネブライザー、チャンバが開発されている。
 一般的に環境試料のようにマトリックス成分をあまり含まないサンプルに対しては、内径の小さな同軸型ネブライザーとシングルパスのサイクロニックスプレーチャンバの組み合わせが使用される。食品分析、材料分析、金属分析など高濃度のマトリックス成分がサンプル中に共存するような場合には、内径の大きな同軸型ネブライザーやクロスフロー型ネブライザーを使用することで、安定したサンプル導入をおこなうことができる。一方で内径が大きくなると噴霧される液滴が大きくなることがあるため、このような場合には、パスの長いスコットチャンバやダブルパスのサイクロニックスプレーチャンバと組み合わせることでプラズマへのサンプル導入量を意図的に制限して使用することもある。
ネブライザー、チャンバには、ガラス製と樹脂製とがあり、一般的にはガラス製が多く用いられるが、フッ化水素酸を含むサンプル溶液などでは、ガラスを浸食してしまうため樹脂製が用いられる。
 その他のサンプル導入系としては、還元剤をサンプル溶液に添加して水素化物あるいは金属蒸気を生成させ、チャンバ内で気体と液体の分離をし、プラズマ内にガス成分のみを直接導入する水素化物発生法や還元気化法がある。これは、ヒ素、セレン、アンチモン、ビスマス、水銀などの元素に使用でき 5 ~ 10 倍程度感度を上げることができる。さらにサンプル溶液を圧電変換素子により微細なエアロゾルを発生させ、加熱冷却機構で脱溶媒と濃縮を順次行うことで高い試料導入効率により感度向上できる超音波ネブライザーがある。こちらも元素により5~10倍程度感度を上げることができる。

2.2.発光部 (プラズマ励起源)



2.2.1.プラズマの生成
 プラズマとは、プラスの原子と電子 (マイナス) がバラバラの状態で狭い空間に同じ密度で存在している状態 (電荷が 0) のことを言う。ICP発光分光分析装置は、三重管構造の石英製トーチの外側にあるコイルに高周波を誘導し発生させた電磁場に電子を印加することにより、電子がアルゴンに衝突して、アルゴンがイオン化することでプラズマを形成している。

2.2.2.プラズマの構造
 ICP プラズマの最大の特徴と言えば、プラズマがドーナツ構造をしていることである。このことは、プラズマの中心部分の温度が低く、周りが 6000 ~ 10000K の温度であることから容易に理解できる。つまり、プラズマの電流密度は高周波コイルに近い位置ほど高くなる。これは、高周波の表皮効果と呼ばれている。
 ICP プラズマのドーナツ構造は、サンプルを導入するのに適した構造で、比較的温度の低い部分よりサンプルが導入される。これにより、サンプルの外方向への拡散がほとんどなく、効率よく原子化された粒子が高温部で励起発光するため、原子密度の高い測定が可能となる。 (図 2 参照) また、ドーナツ構造は、プラズマ内部で発光した光が周りの冷たい原子によって吸収を受けると言う自己吸収現象が起こりにくくなる。そのため、ICP 発光分光分析装置は検量線のダイナミックレンジが 106 ~ 108 と広く、ppb ~ % オーダーまでの濃度範囲で精度よく分析することができる。
プラズマを生成しているアルゴンガスは、大きく分けて 3 種類あり、それぞれが三重管の石英トーチの各層から供給される。次にそれぞれのガスの役割について整理する。
  1. プラズマガス
    三重管の石英トーチの最も外側を流れるガスで、石英管を冷却する目的があり、クーラントガス (冷却ガス) とも言われる。ガス流量は、10 ~ 20 L/min と速く、コイル上 30 mm 程度の高さまでアルゴンガスのカーテンで覆われるためにプラズマの中心部が空気から遮断されている。
  2. 補助ガス
    三重管の石英トーチの中間を流れるガスで、プラズマをトーチ上部より浮かせる働きがあり、中間ガスと呼ばれることもある。通常は 0.1 ~ 2 L/min と少量のガスで使用する。高塩濃度のサンプルや有機溶媒を使用する場合には、トーチ内管上部に塩や煤 (炭素) が析出して、目詰まりを起こしプラズマが消灯することもあるため、補助ガスをやや多めに流す方が良い。
  3. キャリアガス
    三重管の石英トーチの最も内側 (中心) を流れるガスで、ネブライザーにより噴霧されたエアロゾルをプラズマ内へ導くためのガスである。キャリアガス流量 (圧力) は、プラズマの安定性に寄与し、装置感度、繰り返し再現性などの分析精度に大きな影響を与えるため、一般的にマスフローコントローラーにより流量制御されることが多く、各元素、波長により最適な流量に設定することが望ましい。

2.2.3.プラズマの励起機構とその特性
 ネブライザーにより噴霧されたエアロゾルがプラズマ内に導入されると、プラズマ内部の熱伝導、滞留、熱放射 (熱輻射) によって、サンプルは脱溶媒、解離、原子化、或いはイオン化される。これらの原子またはイオンはアルゴンプラズマからエネルギーを得て、基底状態から励起状態へと励起される。励起状態は高いエネルギー準位の不安定な状態のために、瞬時にスペクトル発光として余分なエネルギーを放出し基底状態へと遷移する。ICP発光分光分析では、このスペクトルの発光線を検出することで、定性、定量分析をおこなっている。

 アルゴンプラズマを光源とする ICP では、多くの元素において中性原子線よりもイオン線の発光強度が大きい。原子密度に対するイオン密度、電子密度の割合は、プラズマの絶対温度が高ければ大きく、元素のイオン化エネルギーが小さいほど大きくなる。アルゴンプラズマにおけるアルゴンの励起エネルギーは、11.5eV 程度であるが、その励起エネルギーよりも小さいエネルギーを持つ原子では、そのほとんどが励起される。また、同じようにアルゴンの励起エネルギーよりも小さいイオン化エネルギーを持つ原子は、そのほとんどがイオン化される。特にイオン化エネルギーの小さいアルカリ金属元素の場合、ICP 中では 99.9% 以上がイオン化している。
 このように ICP で発光される原子線とイオン線のスペクトル強度は、アルゴンプラズマにおけるアルゴンの励起エネルギーとプラズマに入った元素の励起エネルギーおよびイオン化エネルギーとの関係から、イオン化平衡が保たれ、原子線とイオン線の相対強度は光源の絶対温度と電子密度に依存している。
 プラズマ内の温度分布はラディアル (水平) 、アキシャル (垂直) 方向に広範囲な温度分布をもつ。その結果、異なる励起エネルギーを持つ原子線、イオン線とでは、プラズマ内での最適なスペクトル発光位置が異なってくる。つまりは、測定波長によりプラズマの最適な観測位置が異なると言うことになる。
 プラズマの観測方法としては、ラディアル測光とアキシャル測光の2通りがある。ラディアル測光では、プラズマを横方向から観測し高温部分のみを観測する。そのため、自己吸収による検量線の曲がりが少ない。一方アキシャル測光では、プラズマを上部から観察する方式で、光を取り込むパスの長さが広いため、原子密度が増え感度の向上が期待できる。しかし、プラズマの低温部から高温部を観測することになるため、低温部 (観測位置付近) で自己吸収現象が起きることがある。共存マトリックスが少なく ppb ~ ppm オーダーでの測定をする場合には、アキシャル測光が優位であり、共存マトリックスの多いサンプルを測定する場合には、ラディアル測光が優位と言える。近年では、1 台の装置でアキシャルとラディアルの観測方法を切り替えて測定できる装置も市販されている。

2.3.分光測光部

 発光分光分析において最も重要なのが分光器である。分光器の役割は、発光部から放射された光の束を、回折現象を利用して線スペクトルに分け、特定のスペクトル線のみを選別して検出器に導くことにある。発光分光分析では、元素によっては 1 元素当たり数百~数千本ものスペクトル線があるといわれる多くの元素の中から、1 本のスペクトル線を分離する能力 (分解能) が重要である。そのため分光器の性能が ICP 発光分光分析装置の性能を決定すると言っても過言ではない。 (図3 参照)

2.3.1.分光器



 シーケンシャルタイプの装置では、一般的に低波長 (120 nm 程度 ~) から長波長 (~ 800 nm 程度) までの波長範囲を 1 つ或いは 2 つのモノクロメーターを用いて測定する。分光器の光学配置には幾つかの型が存在するが、一般的にはツェルニ・ターナー型の分光器が使用されている。プラズマ内で発光した光は、光学レンズで集光した後、入射スリット (入口側スリット) を通り分光器内部に取り込まれる。スリットを通過した光は一定の幅に広がり、対面に位置する凹面ミラーによって平行光束となり回折格子へと導かれる。回折格子表面は一見鏡のように見えるが、1 mm の間に数千本もの細かい溝が精度よく刻まれており、それにより光が分光される (波長毎に分けられる) 。分光された光は、次の凹面鏡で集光され、出射スリットを通り検出器で受光される。回折格子はステッピングモーターまたはサインバー方式により波長走査を制御され、特定の波長の光のみを検出器へと導く機構となっている。
 マルチタイプの装置では、一般的に低波長 (160 nm 程度 ~) から長波長 (~ 800 nm 程度) までの波長範囲を 1 つの分光器で同時に測定する。分光器の光学配置は主にエシェル型とパッシェンルンゲ型が採用されている。エシェル型は、回折格子とプリズムを使って光を分散する方式で、回折格子によって光を縦方向に分散させた後、プリズムにより異なった次数の光を水平方向に分散させ面検出器で二次元像として測定する。ICP 発光分光分析に必要な波長域を完全同時に測定することが可能で、装置が小型化できる特長がある。回折格子の刻線数は数十本と非常に少なく、特定の波長範囲毎に異なる次数の光を使用して測定する。低波長側に高次数、長波長側に低次数を用いる。そのため波長により分解能が異なる。一般的に低波長側が高分解能、長波長側が低分解能になる。また、パッシェンルンゲ型は、スリット、回折格子、検出器がローランド円上に固定されており、凹面回折格子で回折された光は波長順に円周上に焦点を結ぶ構造となる。そのため測定したい波長により、検出器をたくさん配置する必要があり装置がやや大きくなるが、一次光を中心とした測定になるため分解能は一定である。

2.3.2 検出器
 分光器内で回折格子により分光されたスペクトル線は、検出器へと導かれる。検出器には、光電子増倍管あるいは半導体検出器が利用される。一般的にシーケンシャルタイプには光電子増倍管が、マルチタイプには半導体検出器が使用される。光電子増倍管は、光電効果により、光を電気信号に変換して増幅することで高感度に検出する。そのため半導体検出器よりも感度は良いとされる。半導体検出器は、分光された光束パターンを2次元像としてリアルタイムに検出することができ、多波長のスペクトルを同時に読み取ることができる。半導体素子に光を当てると、短い波長の光は p 型層で吸収され、内部に正孔と電子を生じさせ、発生した電子はn型層へ移動していく。長い波長の光は n 型層で吸収され、正孔と電子を生じさせ、正孔は p 型層へ移動していく。p 型層はプラスに帯電し、n 型層はマイナスに帯電する。この電荷を読みだして、光の強弱を検出する。
 一般的にシーケンシャルタイプには光電子増倍管が、マルチタイプには半導体検出器が使用される。 (図4 参照)



2.3.3 真空紫外領域 (190 nm 以下) の波長の測定について
 真空紫外領域 (190 nm 以下) には、硫黄 (180 nm 付近) 、リン (180 nm 付近) 、アルミニウム (170 nm 付近) などの測定に有用なスペクトル線が複数あるため、多くの分析装置で 160 nm 付近からの測定が実現されている。しかし、この領域の波長は、大気中の酸素による光吸収の影響を顕著に受けるため、高感度な測定のためには、プラズマで発光した光を減光させることなく高効率で検出器へ導くことが重要となる。そのため、装置により真空ポンプを用いて分光器内から酸素を含む大気成分を除く方法や乾燥した窒素やアルゴンなどの不活性ガスで分光器内をパージする方法が用いられている。また、光学レンズやミラーによっても光が減衰するため、透過率の高い窓材や反射率の高いミラーが用いられる。




3.各種干渉について


 ICP 発光分光分析装置は、プラズマの温度が高いため、原子吸光光度計などの化学炎を使用する分析装置と比較するとかなり干渉の影響を受けにくい。しかし、装置性能の向上とともに、高マトリックス濃度のサンプルを導入するケースが多くなり、各種干渉による分析値への影響が生じる。以下に主な干渉について解説する。 (図5 参照)

3.1.物理干渉

 物理干渉は、サンプルの粘性、表面張力、密度などの物理的性質によりサンプルのプラズマへの導入効率が変化する現象を言う。物理干渉の影響度合いは、調製したサンプルに共存する酸そしてマトリックス成分の種類、濃度によって大きく異なる。一般的にはサンプル導入量が減少すると、それに伴い発光強度が低下する。
 物理干渉を軽減するには、検量線作成用の標準液とサンプルの液性が一致するように、酸の種類、濃度、共存するマトリックス成分濃度を一致させるマトリックスマッチング法が有効である。また、内標準物質を測定元素と同時にモニターすることで、物理干渉の影響を補正することもできる。これを内標準法という。この方法はマトリックスマッチング法と比較して容易ではあるものの、測定波長と分光特性が似ている補正元素 (波長) を選択する必要がある。詳細は後述する。


3.2.化学干渉

 化学干渉は、プラズマ中に入ったサンプルが脱溶媒から原子化までの過程で、難解離性化合物を形成することで、解離が困難となり、原子化効率が変化するために生じる干渉である。ICP 発光分光分析においてはプラズマの温度が高いために化学干渉の影響は小さい。


3.3.イオン化干渉

 イオン化干渉は、サンプル中にアルカリ金属などのイオン化されやすい金属が多く含まれたときに、プラズマ内の原子密度とイオン密度のバランス (イオン化平衡) が崩れる現象を言う。この影響を補正するためには、マトリックスマッチング法で分析を行うのが良い。内標準法では、測定波長の励起エネルギーに近い内標準元素を選択することで補正が可能となる。この場合、原子線での測定には原子線の内標準元素を、イオン線での測定の場合にはイオン線の内標準元素を選択すると良い。イオン化干渉は、プラズマの観測位置によっても影響の割合が異なる。電子密度の高い部分でその影響が小さくなる。




4.分光干渉

 分光干渉とは、共存成分の発光スペクトルと目的とするスペクトル線とが重なる現象をいう。これらの原因としては、以下に挙げられる。
(1) 他の元素の原子またはイオンのスペクトルによる発光線の重なり
(2) 分子発光スペクトル (分子バンド) による発光線の重なり
(3) バックグラウンドレベル (ベースライン) の変動
(4) 光学設計上の全ての発光スペクトルにおける迷光

 上述のような分光干渉を補正するには、以下の方法がある。

(A) 高分解能な分光器を使用する
(B) 分光干渉の影響が少ない分析線を選択する
(C) スリット幅を狭めることで分解能をあげる
(D) マトリックスマッチングをして測定する
(E) 分光干渉の影響を計算式により差し引く

 高濃度なマトリックス成分を含むサンプルを分析する場合には、必ずプロファイル測定をして、分光干渉の影響がない波長を選択し適切にバックグラウンド補正を行うのが良い。




5.測定方法

 定量値を求めるための測定方法には、検量線法、内標準法、標準添加法の3種類がある。以下にそれぞれの測定方法について解説する。

5.1.検量線法 (絶対検量線法)

 検量線法は X 軸に濃度、Y 軸に発光強度をとり、段階的に調製された既知濃度の検量線作成用溶液で検量線を作成し、サンプルを測定した時に得られる発光強度から濃度を算出する一般的な定量分析手法である。 (図6 参照) 検量線法は、検量線作成用溶液とサンプルとが適正にマトリックスマッチングされていることが理想である。両者のマトリックス成分及び濃度が大きく異なると各種干渉の影響により正確な定量ができない場合がある。一般的にサンプルを希釈することでマトリックス影響は小さくできるが、測定対象元素の濃度も希釈されるため注意が必要である。

5.2.内標準法

 内標準法とは、X 軸に測定元素の濃度、Y 軸に測定元素と内標準元素の発光強度比をとり、検量線を作成し、サンプルを測定した時の測定元素と内標準元素との発光強度比から濃度を算出する手法である。 (図7 参照) 内標準法は、物理干渉を補正するのに適した分析方法である。しかし、内標準元素の選択を誤ると定量値が大きく異なる可能性があるので注意が必要である。以下に内標準元素を選択する際のポイントを挙げる。
  1. 発光強度が大きい
  2. 分光干渉がない
  3. サンプル中に含まれない
  4. 測定元素と分光特性が似ている
 分光特性が似ているというのは、可能な限り線種を揃えることで、つまり原子線を測定する際には原子線の内標準元素を選択し、イオン線を測定する際にはイオン線の内標準元素を選択することである。さらに測定元素と内標準元素の励起エネルギーの差が小さいことを意味する。内標準元素を適切に選択することで、イオン化干渉の補正もある程度は可能となる。

5.3.標準添加法 

 標準添加法は、サンプルを一定量ずつ分取して、これに濃度既知の標準溶液を段階的に添加し、X 軸に添加した標準溶液の濃度、Y 軸に発光強度をとり、検量線を作成する。この時のバックグラウンド等価濃度 (BEC) が分取して調製したサンプル中の目的元素濃度となり、希釈倍率を換算することでサンプル中の濃度を算出する。 (図8 参照) この方法は、サンプル中の共存マトリックス組成、及びその影響がわからない場合などに有効な手法である。また、この方法は物理干渉、イオン化干渉の影響を補正できる点で優れている。以下に標準添加法で分析する際のポイントを挙げる。
  1. バックグラウンド補正が正確 (発光強度として0) に行われている
  2. 検量線に添加する元素の濃度レベルは、サンプルの測定元素濃度に対して同レベル
    (標準添加により発光強度が 2 ~ 3倍になる濃度) にて調製する
標準添加法では、バックグラウンド補正が適正に処理されていないと測定値にプラス或いはマイナスの誤差を与えるので注意が必要である。

6.検出下限 (検出限界) と定量下限

 検出下限 (limit of detection; LOD) とは、検出できる最小量 (値) のことであり、定量下限 (limit of quantitation; LOQ)とは、ある分析方法で分析種の定量が可能な最小量または最小濃度と定義されている。前者は装置からの電気信号として検出し得る最低量であり、後者は分析値として定量し得る最低量をそれぞれ意味している。それぞれの算出方法は JIS K 0116-2014 発光分光分析通則により式 (1)、式 (2) として定義されている。装置検出下限 (ILOD;instrument limit of detection) は、検量線ブランク溶液を連続 10 回測定してときに得られる信号の標準偏差の 3 倍を与える濃度で、装置が検出できる下限濃度値を意味する。方法定量下限 (MLOQ;method limit of quantification) は、空試験溶液 (操作ブランク) を連続10回測定してときに得られる信号の標準偏差の 14.1 (√2×10) 倍を与える濃度で、一連の分析操作において定量できる下限濃度値を意味する。

方法定量下限を算出する式 (2) で 14.1 (√2×10) の値が使用されている意味は以下の通りである。原子スペクトル分析では、サンプルとブランクとを個別に測定した上で、両者を差し引いて正味の濃度を求める場合が多い。そうすると、それぞれの測定における標準偏差 σ の二乗和が正味濃度の標準偏差の二乗になるので、両者の標準偏差を同程度と考えれば、ブランクの標準偏差の2 倍の平方根、すなわち √2σ が正味濃度の標準偏差になる。従って √2 ×10σ  で 14.1σ となるわけである。