マイクロ波窒素プラズマ発光分光分析装置(MP-AES)の基礎



1.はじめに

 プラズマを用いた発光分光分析装置と云えば、 ICP-OES (Inductivity coupled plasma optical emission spectrometer) が化学分析分野で広く普及している。一般的に ICP に用いられるガスは高純度のアルゴンであり、その消費量は 10 ~ 20 L/min と多い。ガスの安定供給が難しい環境下では、必要な暖機時間の確保や最適な測定条件の設定ができずに装置性能を最大限に活かした測定が困難となることもある。そこで、近年注目を集めているのが、窒素プラズマを用いた発光分光分析装置 MP-AES (Microwave plasma atomic emission spectrometer) である。エアコンプレサーと窒素ジェネレーターの組み合わせにより、大気から窒素を安定供給することができるためボンベ交換が不要となる。さらに必要とされる窒素の純度は 99.5 % 以上と高純度品を必要としない。そのため、近年では 24時間連続測定が必要なオンライン、インラインでの活用にも幅を広げている。本稿では、MP-AES の概要と特徴について解説する。




2.MP-AES の構成と役割

 MP-AES 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、その一部がドーナツ構造のプラズマ内部に導入される。
 サンプル溶液は0.3 mL/min程度の割合でチャンバ内に噴霧され、その内のおおよそ1~5%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。
 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。

一般的にプラズマへの試料導入量を少なくしたいため、最近では Flow Blurring 噴霧技術を採用したネブライザーとダブルパスのサイクロニックスプレーチャンバとの組み合わせが用いられる。Flow Blurring 噴霧技術のネブライザーとして OneNeb ネブライザーが用いられるが、このネブライザーは一般的な同軸型のネブライザーと比較して、噴霧される霧が微細で粒径範囲が狭いため測定精度が良い特長がある。(図2 参照)

その他、試料導入部の詳細については、ICP発光分光分析装置の基礎で解説しているので、そちらを参照されたい。

 

2.2.発光部 (プラズマ励起源)



2.2.1.マイクロ波プラズマ
 マイクロ波とは一般的に周波数が 1 GHz 以上からミリ波 (300 GHz) までの電磁波に対して使用され、MP-OES では 2.45 GHz が用いられる。MP は導波管を用いて、マイクロ波のエネルギー集約点においてプラズマの放電及び維持を行う。マグネトロンで発振されたマイクロ波は導波管で他端に放出される。このとき、導波管の寸法を反射する波と重乗するように設定すると、エネルギーが集約される部位ができる。この部位に放電されるガスを導入するとプラズマが発生し維持される。このプラズマに試料溶液を導入することによって、試料中に含まれる元素の発光が得られる。(図3 参照)

2.2.2.プラズマの構造
 トーチの周りに集中した磁場により、その表皮効果から ICP と同様なドーナツ構造をとる。
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4 参照)  プラズマを生成している窒素ガスは、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。
プラズマを生成している窒素ガスは、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 20 L/min と速く、窒素ガスのカーテンで覆われるためにプラズマの中心部が外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 1.5 L/min と少量のガスで使用する。
  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。各元素、測定波長により最適な流量に設定することが望ましい。0.3 ~ 1.0 L/min の範囲で使用される。

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。MP-AES 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。

 窒素プラズマを光源とする MP では、多くの元素においてイオン線よりも原子線の発光強度が大きい。つまりイオン線が多く使用される ICP-OES とは異なる波長で測定されることが多い。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。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には、MP 中で 99 % 以上がイオン化している。 このように MP で発光される原子線とイオン線のスペクトル強度は、プラズマの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。
 プラズマの観測方法としてはアキシャル測光になる。プラズマの先端部は、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ため、先端部分を高速の空気流によりカットしている。

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。

2.3.1.分光器

 MP-AESには、シーケンシャルタイプ(1波長ごとに逐次測定する仕様)のツェルニ・ターナー型分光器が使用されている。プラズマ内で発光した光は、プレオプティクス(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鏡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、検出器で受光される。回折格子はステッピングモーター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。(図5 参照)

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。検出器には半導体検出器が利用されている。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るため、測定波長のピークはシグナルとバックグラウンドとが同時に検出されることになる。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。(図6 参照)

 

3.各種干渉について


 MP-AES 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7 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。MP-AES 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が、トータルマトリックス濃度として1%未満で測定することが望ましい。


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。この影響はサンプルを希釈することで小さくなるが、感度との兼ね合いによりそれが難しい場合には、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が、MP-AES では補正効果を合わせるのが難しいため、補正における妥当性評価が必要となる。先にも述べた通り MP-AES は原子線での測定が支配的となるため、特にイオン化率の高いアルカリ金属元素などを測定する場合には、総塩濃度 TDS (Total Dissolved Solids)を0.1%未満とすることが望ましい。また電子密度の高い部分で干渉の影響が小さくなることから、塩濃度の高いサンプルでは、ネブライザーガス流量を下げて測定するのが好ましい。




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8 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9 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10 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。



7.まとめ

 MP-AESは、適切に測定方法を選択することで様々なサンプルの元素分析に適用できる。その一方で最適な測定条件はサンプル毎に異なるため、分析者が個々に検討しなければならない。特に塩濃度の高いサンプルでは干渉影響を無視できないため、必要に応じて希釈、脱塩、マトリックスマッチングなどの試料調製を行うことが正確な定量値を得るためには必要となる。