原子吸光分光光度計の基礎

原子吸光分光光度計の基礎

1.はじめに

原子吸光分析法は、1955年にオーストラリアの Dr.A.Walsh によって創始された。主に溶液試料中の無機元素の濃度を測定する方法であり、鉄鋼、非鉄金属、材料、めっき液、石油化学、環境、食品、生体、地球科学など幅広い分野で使用されている。特に、環境分析においては、河川水、排水、土壌、底質および産業廃棄物などに含まれる有害金属元素の分析法として認識され、基準値管理のための定量分析法としてその地位を確立している。溶液試料中の元素分析法には、他にも ICP 発光分光分析法や ICP 質量分析法などがあるが、これらの分析法と比較して、装置がコンパクトで操作が簡単、価格が安い、ランニングコストがかからないなどの特長がある。また、JIS K 0102 (工場排水試験法) をはじめとし、公定分析法として多くの試験法に取り入れられているのも大きな特長である。ここでは、原子吸光分析法の原理、構成、特長、分析時の問題点、注意点などについて概要を述べる。

2.原子吸光分光光度計の原理、構成および役割

原子吸光分析法の基礎は、熱エネルギーを加えることにより原子化された原子は光を吸収することに基づく。吸収される光の波長は元素に固有であり、光源 (ホローカソードランプ) から励起された光をあてると、特定の元素のみが特定の波長の光を吸収する。また、吸収される光の量は原子化された原子の濃度に比例する。実測される量は、吸収される光の量 (吸光度) で、入射光 (I0) と透過光 (It) の比の対数をとりマイナスをつけたものである。これが濃度に比例する。この性質を利用し、濃度既知の標準液の吸光度を測定し、作成した検量線を用いて未知試料の濃度を求める。

図1原子吸光分析法では、原子化された状態をたくさん作ること (原子密度の高い状態) が重要であり、感度に影響する。そのため原子がイオン化することは望ましくない。原子化のために用いられるエネルギーには、フレーム (炎) と電気加熱炉 (黒鉛炉が主流) があり 2300 ~ 3000℃ の温度が得られる。アルカリ金属元素のようにイオン化エネルギーが比較的小さい元素は高感度であるが、一方、沸点が高い難解離元素は、低い温度では原子化しないため感度は悪くなる。

原子吸光分光光度計は、光源、原子化部 (励起源)、分光測光部 (分光器+検出器) から構成されている。原子吸光分光光度計の概要を図 1 に示した。

2.1.光源

図2光源にはホローカソードランプが使用される。ホローカソードランプは特定の波長の輝線を発する光源で、測定元素の数だけランプを準備する必要がある。一つのランプから数元素の波長を発することができる複合ランプもある。ホローカソードランプの概要を図2に示す。ランプ内にはNe(ネオン)またはAr(アルゴン)などの不活性ガスが封入されており、電流を流すことによりこれらの不活性ガスがイオン化 (Ne+、Ar+) され、カソード(中空陰極)をスパッタする(ガスイオンを衝突させてカソード表面から金属原子を飛び出させること)。カソードは、測定に使用する金属または合金で作られておりスパッタされることにより発光し元素固有の波長の光を放出する。

2.2.原子化部

原子化部は二つの種類があり、フレーム (炎) を使用するフレーム原子吸光分光光度計と黒鉛炉 (ファーネス) を使用する電気加熱原子吸光分光光度計に分かれる。それぞれの装置の詳細については後述する。

2.3.分光測光部

原子吸光分光光度計に使用される光学系には、測光方式としてシングルビーム方式とダブルビーム方式がある。シングルビーム方式は、1本の光束で測定を行うが、ダブルビーム方式は、光束をハーフミラーなどによって分割し、サンプルビームの他にレファレンスビームを使用する方法で、光源や検出器などの点灯直後のドリフトや不安定さに起因する変動を除去することができる。 分光器では、光源から放出された複数のスペクトル (波長) を回折格子により近接線を分離して測定に必要な波長だけを選択することができる。図 3 に示したのは、ツェルニ・ターナ形と呼ばれる配置の分光器で、回折格子の刻線数、焦点距離、スリット幅などによりその性能が異なる。検出器には、一般的に光電子増倍管 (フォトマルチプライヤー) が使用される。この検出器は、紫外 ~ 可視光域 (190nm ~ 800nm) にわたる光を感度良く検出することができる。

 

3.原子吸光分光光度計の技術

3.1.フレーム原子吸光光度法

フレーム原子吸光分光光度計は、溶液試料中に含まれる mg/L (ppm) オーダーの元素を再現性良く、簡単な操作で分析できる装置である。図 3 に構成図、表 1 に各元素の検出下限を示す。

表 1

原子化のためのエネルギーとして、フレーム (化学炎) を使用する。通常、アセチレン (燃料ガス) と空気 (酸化ガス) の混合ガスを使用し、得られる温度は約 2300 ℃ である。アルカリ金属元素 (Li, Na, K, Rb, Cs) や遷移元素 (Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Zn, Cu など) の分析に使用される。また、難解離元素や酸化物の解離エネルギーが大きい元素 (Al, Si, Ca, Ba など) には、さらに高温 (約 2800 ℃) が得られるアセチレンと亜酸化窒素の混合ガスが使用される。フレームの状態は、燃料ガスが多い還元炎と完全燃焼炎及び酸化炎がある。Cr のように酸化物が解離しにくい元素はアセチレンガス流量を増やした還元炎が使用される。図3

試料はネブライザーと呼ばれる噴霧器により霧状にされ、ガスとともにフレームに導入される。試料の消費量は、5 ~ 7 mL / 分であるが、1 試料の測定に要する時間は 10 秒程度で非常に迅速な分析ができる。元素の感度、測定の再現性はネブライザーによって生成する霧の粒径、均一性に大きく左右される。より細かく均一な霧を生成することが重要である。

図 4 に試料中に含まれる元素の原子化までのプロセスを示す。ネブライザーにより噴霧された試料のうち、より細かい均一な試料のみがフレームに導入される。大きな液滴はドレイン (廃液) として排出される。フレームに導入されるに過程で脱溶媒が行われ元素は固体 (化合物) となる。化合物はフレーム中で分解され、元素は原子化され光を吸収する。分析上注意する点は、ここで生成した化合物形態、またはフレーム中で形成される化合物形態が分析結果に大きな影響を及ぼす場合があることである。

原子吸光分析法は、標準液を使用する相対分析法である。従って、標準液は未知試料の溶液組成に近いものを使用することが望ましい。しかし実際には、試料中の共存物質が未知である場合がほとんどであり溶液組成の似た標準液を調製することは難しい。通常、市販の原子吸光分析用標準液 (1000 mg/L) を純水または純水に酸を加えて希釈しただけの標準液を使用する場合が多く、試料中に含まれる共存物質の種類あるいは濃度によっては大きな干渉を受け測定誤差を生じる場合も少なくない。図4
フレーム原子吸光分析法で注意しなければならない干渉にはイオン化干渉と化学干渉がある。

1)イオン化干渉

試料中に大量 (1000 mg/L ~ 数%) のアルカリ金属元素が含まれている場合、目的元素の吸光度が上がり、正の誤差を与える。これは、イオン化エネルギーの低い、大量のアルカリ金属元素がフレーム中でイオン化し、目的元素のイオン化を抑制するためで、抑制された元素はイオン化状態から原子状態に戻り、原子密度が高くなる。その結果、吸光度が上がる。Li、Na、Kなどの元素を測定する場合、特に注意が必要である。イオン化干渉抑制剤としてはセシウム (Cs) などが使用される。標準液と試料に同じ濃度のCs (数1000 mg/L ~ 数%) を添加することにより干渉を抑制することができる。

2)化学干渉

目的元素が、試料中に共存する元素や分子と難解離化合物を生成することにより原子化が抑制される。例えば Ca を測定する場合、リン酸イオン (PO43- )が共存すると難解離性のリン酸カルシウム (Ca3 (PO4)2) を生成し原子化が抑制され負の誤差を与える。干渉に対しては、標準液と試料のマトリックスを合わせること、干渉抑制剤としてストロンチウム (Sr) やランタン (La) を加えること、標準添加法により測定することで対策が可能である。

3.2.電気加熱原子吸光分析法

電気加熱原子吸光分光光度計は、溶液試料中に含まれる µg/L (ppb) オーダーの元素を感度良く分析できる装置である。 一回の測定に使用する試料量も数十 µL と非常に少ない。直径 5 ~ 6mm、長さ 25 mm 程度の円筒形の黒鉛炉に数 µL ~ 数十 µL の試料を注入し、これに大電流を流して黒鉛炉を高温に加熱することで炉内の目的元素を原子化する。黒鉛炉の狭い空間に原子が高密度で得られるため感度が良く、フレーム法の 100倍 ~ 1000倍の感度が得られる。表 2 に電気加熱原子吸光分光光度計の 20 μL 注入時の 1 % 吸収感度を示す。1 % 吸収感度とは、吸光度 0.0044 が得られるときの濃度でほぼ定量下限と考えてよい。

表 2

原子化部には、黒鉛炉の酸化防止および水分、マトリックス蒸気の排気のためにアルゴンガスが使用される。黒鉛炉は、表面をパイロコーティングしたものが一般に使用される。酸化防止、チューブ内での試料の広がりやチューブ表面への試料の浸み込みが少ないなどの特長がある。試料中の元素を原子化するには黒鉛炉の温度を段階的に変化させる (昇温条件)。大きく 3 つの段階に分けることができる。

1)乾燥

溶媒を蒸発させる。使用溶媒の沸点を目安に設定する。水であれば、80 ℃ くらいから 120 ℃ まで徐々に昇温し溶媒を蒸発させる。決して突沸させてはいけない。

2)灰化

共存物質 (マトリックス) の除去を行う。マトリックスとなる元素や化合物の沸点を目安に設定する。目的元素は除去せずにマトリックスのみを除去する。

3)原子化

目的元素を原子化する。1 秒以内に 2000 ~ 3000 ℃ までに一気に昇温し元素を原子化する。図 5 に昇温プログラムの一例を示す。

図 5

3.3.バックグラウンド補正

フレーム原子吸光分析法でも低波長域 (~ 350 nm) ではバックグラウンド補正を行うのが一般的であるが、電気加熱原子吸光分析法では、共存マトリックスによる光の散乱などでバックグラウンド吸収が大きく現れるためどの波長域でも補正を行う必要がある。バックグラウンドの原因には、分子吸収、未分解粒子による吸収、散乱などが考えられ、その補正にはいくつかの方法が取られる。

1)重水素ランプによる補正

重水素ランプから発する連続光を使用して補正する。フレーム原子吸光分析法では、もっとも一般的に使用される補正方法である。補正範囲は、190 ~ 420 nm であるが長波長になるに従い光量は減少し補正はホローカソードランプとの光量調整が必要になる。Na、K、Li などのように長波長に吸収をもつ元素の補正はできないが、長波長域でのバックグラウンドの影響は小さく、特にフレーム原子吸光分析法ではほとんど無視できる。

2)ゼーマン (Zeeman) 補正

原子化された原子に磁場をかけるとスペクトルが分裂する効果 (ゼーマン効果) を利用して補正を行う。直流ゼーマン補正と交流ゼーマン補正がある。ゼーマン補正は、190 ~ 800 nm の波長範囲で補正が可能であり、Na、K、Li の補正も可能である。電気加熱原子吸光分析法では長波長域でもバックグラウンドの影響を無視することはできない。

3)Smith-Hieftje 補正

ホローカソードランプから発せられる光は、非常にシャープな線幅を持った輝線スペクトルであり、これによって原子の吸収が測定される。ランプに高電流を流すと、自己吸収によりスペクトルはブロードになりバックグラウンドの測定が可能になる (自己反転法)。

バックグラウンド補正は、正確な定量を行うためにとても重要な項目であり、単純に補正を行えば問題がすべて解決するわけではない。吸光度が 1 以上もあるバックグラウンドを補正のみで完全に取り除くことは難しく、原子化前に、バックグラウンドの原因となるマトリックスを除去しておくことが重要になる。できるだけマトリックスを除去できる条件の設定が正しい分析値を得るためのポイントとなる。

3.4.マトリックス除去

マトリックスを除去するためには昇温条件の検討、マトリックスモディファイヤの選択、グラファイトチューブの選択などが有効である。

1)昇温条件の検討

マトリックス除去のためには灰化温度を上げる。バックグラウンドの信号をできるだけ小さくし、かつ目的元素による信号を最大にする条件を検討する。しかし、灰化温度を上げると、目的元素自体も蒸発、揮散し充分な吸光度が得られない場合も多い。いかにして目的元素を蒸発させないでマトリックスのみを排除するかが重要になる。このためにマトリックスモディファイヤ (化学修飾剤) が用いられる。

2)マトリックスモディファイヤ

マトリックスモディファイヤとしては、パラジウム (Pd)、ニッケル (Ni)、マグネシウム (Mg)、硝酸アンモニウム、リン酸等が使用される。測定対象元素は、As、Cd、Pb、Se、Sb、Tl など比較的沸点が低い元素に対して用いられる。試料 20 µL あたり 2 ~ 5 µL 程度のモディファイヤをオートサンプラにより黒鉛炉上で混合し昇温させる。モディファイヤには主に次のような働きがある。表 3

  1. 目的元素とモディファイヤで沸点の高い化合物を生成し、灰化温度を高くしても目的元素が揮散しない状態にする。灰化温度を高めることによりマトリックスの除去を促す。
  2. マトリックスとモディファイヤで、沸点の低い化合物を生成させる。高い灰化温度をかけなくてもマトリックスを除去できる。目的元素の揮散も防ぐことができる。

加えるモディファイヤに応じて昇温条件を設定することによりマトリックスの影響を緩和、除去することができる。パラジウム (Pd) を使用した場合、各元素の灰化温度を通常より 200 ℃ から 400 ℃ くらい上げることができる。表3に一般的に使用されるマトリックスモディファイヤの種類とおおよその濃度を、図 6 に水道水中の Pb (標準液を 2 ppb 添加) の測定において、モディファイヤを添加した場合としない場合とで比較したシグナルデータを示す。モディファイヤの添加なしではマトリックスの影響で低く抑えられていた Pb の信号がモディファイヤの添加ありでは改善されていることがわかる。

図 5

3)黒鉛炉の選択

マトリックスの種類によっては、プラットフォーム型の黒鉛炉が効果的な場合もある。炉内にグラファイトの板を挿入したもので、その上に試料を注入する。試料が黒鉛炉壁面と直接接触しないため、黒鉛炉を加熱した際、炉の温度が直接試料へ伝わるのではなく、炉からの輻射熱によって原子化される。試料への熱の伝わりを遅くすることで目的元素とマトリックスによる信号の出現時間をずらすことができる。

電気加熱原子吸光分析法は、マトリックスによる影響を受けやすい。昇温条件の検討、マトリックスモディファイヤの使用、黒鉛炉の選択などによりバックグラウンドを下げることが可能になる。しかし、試料によってはどの方法によっても低減できない場合もある。試料中のマトリックス濃度(ナトリウム塩、カルシウム塩、塩化物イオンなど)は希釈などにより1%以下に抑えることが望ましい。

4.まとめ

原子吸光分光光度計は比較的簡単な操作で分析できることが特長の装置であるが、試料によっては注意すべき点も少なくない。すべての分析装置に同じことが言えるが、干渉の問題に関する理解が大切である。分析値が正しいのか、信頼性の高い結果が得られているのかを確かめるためには分析方法の妥当性評価が重要となる。干渉の影響を受けているかどうかは1つの分析値を見ただけでは判断できない。標準添加法、添加回収試験などを併用して干渉の有無を確認して初めて信頼性の高い結果が得られる。