原子吸光分光法

フレーム原子吸光分光装置
原子吸光分光法用の溶液を調製する科学者の姿が、AASのフレームアトマイザーカバードアのガラス窓に映っている。

原子吸光分光法AAS)は、与えられたサンプル中の金属の濃度を決定するための元素分析法である。 [ 1 ]

原子吸光分析(AAS)の原理は、試料中の金属を炎にさらすと気化することに基づいています。基底状態にある金属はそれぞれ異なる波長で光を吸収(励起)します。この特性により、各金属元素はそれぞれに対応する独自の吸収スペクトルを持ちます。試料中の元素が特定の波長で吸収する光の総量は、その元素の原子密度に比例します。この関係を定量化することで、試料中の特定の金属の濃度を測定できます。[ 2 ]

歴史

現代の原子吸光分析法(AAS)は、1950年代にオーストラリアメルボルンにある連邦科学産業研究機構化学物理部門のアラン・ウォルシュ卿率いるオーストラリアの化学者チームによって主に開発されました。[ 3 ] [ 4 ]

アラン・ウォルシュは、1955年にSpectrachemica Acta誌に掲載された「原子吸光スペクトルの化学分析への応用」という論文で初めて原子吸光分析法(AAS)について説明しました。この論文でウォルシュは、当時は利用できなかった、信頼性の高い化学標準を生成できる絶対的な方法を提供する新しい技術を確立することの重要性を強調しています。彼は、発光分光法の代わりに吸光分光法を使用することで正確な結果が得られると主張しています。[ 5 ] 1960年にジェームズ・W・ロビンソンは、AASの主な利点は、実験空間に存在する他の元素などの環境要因の影響を受けないことだと強調しました。AAS以前は、金属イオンの濃度を決定するために炎光光度法が一般的に使用されていました。炎光光度法は、空気中に存在する元素、炎の温度、溶媒などの要素に敏感であるため、さまざまな結果をもたらすことができました。原子吸光分析法は、炎光光度法における励起状態原子の大部分と比較して、基底状態にある原子の大部分の物理的特性と相互作用に依存するため、これらの問題をほぼ完全に回避します。このような比較は、当時の革新的な技術としての原子吸光分析法の有用性を浮き彫りにしています。[ 6 ]

2000年代初頭、科学者たちは高分解能線状連続原子吸光法(HS LC AAS)に注目しました。HS LC AASは、原子吸光法の発明によって従来の限界を克服できたため、この分野において革命的とみなされました。こうした限界には、正確なバックグラウンド測定と補正といった問題が含まれます。この頃、HS LC AAS用の最初の市販機器も登場しました。[ 7 ]

計装

原子吸光分光計のブロック図[ 2 ]

原子吸光分光計は、放射線源、アトマイザー、集光レンズ、モノクロメーター検出器、増幅器、信号処理装置、そして最後に試料など、多くの部品で構成されています。しかし、この装置で最も重要な部分は放射線源とアトマイザーです。

放射線源

分光計の放射線源は、試料中の原子を励起するものです。放射線源は連続光源と線光源の2種類の出力を提供します。連続光源は幅広い波長範囲の電磁放射を放射できます。線光源は特定の波長の電磁放射を放射します。[ 8 ]

ホローカソードランプ(HCL)

ホローカソードランプ

ホローカソードランプ(HCL)は、原子吸光分析(AAS)でよく用いられる放射線源です。HCLは低圧の不活性ガスで満たされています。内部には、試料を封入する中空のカップ(陰極)があります。陽極はタングステン線です。陽極と陰極の間に高電圧を印加すると、ガスはイオン化し始めます。ガスイオンは陰極に向かって加速し、金属と衝突して材料から原子を放出します。これらの金属イオンは励起され、特定の波長の放射線を放出します。これにより、元素の同定が可能になります。[ 2 ]

多くの場合、陰極が主に対象元素を含む化合物で構成される単元素ランプが使用されます。これらの単元素ランプは、元素特有の特定の安定した輝線を高精度に提供します。[ 2 ]多元素ランプは、陰極として対象元素を含む化合物の組み合わせで利用可能ですが、精度は劣ります。多元素ランプは単元素ランプよりもわずかに感度が低いため、スペクトル干渉を避けるために組み合わせを慎重に選択する必要があります。原子吸光分光計は、ホローカソードランプの位置を1~2個しか備えていない場合がありますが、自動化された多元素分光計では、8~12個のランプ位置が利用できる場合があります。通常、異なる元素ごとに別々の単元素ランプが使用されます。[ 2 ]

無電極放電ランプ

無電極放電ランプ(EDL)は、原子吸光分析(AAS)で使用されるもう一つの放射線源です。EDLは、目的の試料が揮発性金属(例:ヒ素)または感度の低い金属(例:アンチモン)を含む場合、塩酸の代わりに頻繁に使用されます。少量の金属試料を、低圧不活性ガス(通常はアルゴン)で満たされた真空石英管に封入します。封入された管は、マイクロ波放電キャビティに配置され、ガスがプラズマ状態に変換されます。プラズマ状態のガスは金属原子を励起します。励起された金属イオンは波長を放出し、それが検出され、スペクトルとして整理されます。[ 2 ]

EDL には別個の電源が必要であり、安定するまでに長い時間が必要になる場合があります。

重水素ランプ

線源原子吸光分析では、バックグラウンド補正のために重水素塩酸塩、水素塩酸塩、重水素放電ランプが使用されます。[ 9 ]これらのランプから放出される放射強度は波長が長くなるにつれて大幅に減少するため、190~約320 nmの波長範囲でのみ使用できます。

連続放射源としてのキセノンランプ

連続光源

原子吸光分析(AAS)に連続光源を使用する場合は、高解像度モノクロメータを使用する必要があります。このランプは、一般的な塩酸(HCL)の強度よりも少なくとも1桁高い強度の光を放射します。波長範囲は190 nmから900 nmです。連続光源として、ホットスポットモードで動作する特殊な高圧キセノンショートアークランプが開発されました。

ソースタイプ AAS

AAS は、線源放出または連続源放出のいずれかを使用して実行できます。

ラインソース原子吸光分析

線源原子吸光分析 (LS AAS) では、原子吸光測定に必要な高い分解能は、放射源の狭い線放射によって得られます。モノクロメータは、ランプから放射される他の放射から分析線を分離する必要があります。これは通常、0.2 ~ 2 nm のバンドパス、つまり中分解能モノクロメータで実現できます。LS AAS を元素特異的にするもう 1 つの機能は、Alan Walsh によって既に提唱されているように、一次放射の変調と、同じ変調周波数に調整された選択増幅器の使用です。この方法により、たとえばアトマイザーから放射される (変調されていない) 放射をすべて排除することができ、これは LS AAS にとって不可欠です。LS AAS では、通常、リトロウ設計または (より優れた) ツェルニー ターナー設計の単純なモノクロメータが使用されます。光電子増倍管は LS AAS で最も頻繁に使用される検出器ですが、信号対雑音比が優れているため、半導体検出器が好まれる場合もあります。

連続光源原子吸光分析

原子吸光分析に連続放射源を使用する場合、高解像度のモノクロメータが必要です。感度の低下や検量線の直線性の低下を避けるため、分解能は原子吸収線の半値幅(約2pm)と同等かそれ以上でなければなりません。これらの分光計は、プリズム前置モノクロメータとエシェル格子モノクロメータを備えたコンパクトなダブルモノクロメータを用いて高解像度を実現しています。検出器には、200ピクセルの線形電荷結合素子(CCD)アレイが用いられます。2つ目のモノクロメータには出射スリットがないため、分析線の両側のスペクトル環境を高解像度で観察できます。通常、原子吸光を測定するのには3~5ピクセルしか使用されないため、残りのピクセルは補正に利用できます。これらの補正の1つは、波長に依存しないランプフリッカーノイズに対するもので、非常に低いノイズレベルでの測定を実現します。もう1つの補正はバックグラウンド吸収に対するもので、これについては後述します。

アトマイザー

原子吸光分析(AAS)における原子化を可能にするのはアトマイザーです。原子化とは、分子を個々の原子に分離するプロセスです。具体的には、AASにおけるアトマイザーは、試料を高温の炎に導くことで自由原子を生成することで、このプロセスを実行します。[ 2 ]

炎噴霧器

原子吸光分析(AAS)において最も古く、最も一般的に使用されているアトマイザーは炎であり、主に約2300℃の空気-アセチレン(C 2 H 2 )炎と、約2700℃の亜酸化窒素(N 2 O)[ 4 ] -アセチレン炎が用いられる。後者の炎はより還元的な環境を提供し、酸素との親和性が高い分析対象物に適している。

プロパンガスで作動する炎噴霧器を使用する実験室用炎光度計

液体または溶解したサンプルは、通常、フレームアトマイザーで使用されます。サンプル溶液は、空気圧式分析ネブライザーによって吸引され、エアロゾルに変換されます。エアロゾルはスプレーチャンバーに導入され、そこでフレームガスと混合され、最も微細な液滴(< 10 μm)のみがフレームに入るように調整されます。この調整により干渉は低減されますが、フレームに到達する溶液は約5%にしかなりません。

スプレーチャンバーの上部にはバーナーヘッドがあり、横方向に長く(通常5~10cm)、深さはわずか数mmの炎を発生させます。放射線ビームは長軸を通過し、炎ガスの流量を調整することで自由原子の濃度を最大限に高めることができます。バーナーの高さも調整可能で、放射線ビームが炎中の原子雲密度が最も高い領域を通過するように調整することで、最高の感度が得られます。

炎のプロセスには次のものが含まれます。

  • 脱溶媒(乾燥)では、溶媒が蒸発し、乾燥したサンプルナノ粒子が残る。
  • 蒸発、固体粒子が気体分子に変換される
  • 分子が自由原子に解離する原子化、および
  • イオン化(分析対象原子のイオン化ポテンシャルと炎のエネルギーに応じて)原子が部分的に気体イオンに変換される可能性がある。

これらの各段階では、校正標準液と試料中の分析対象物質の相転移の程度が異なる場合、干渉のリスクが生じます。イオン化は、測定に利用可能な原子数、すなわち感度を減少させるため、通常は望ましくありません。

フレーム原子吸光法では、サンプルを吸引しながら定常信号を生成します。この手法は通常、mg/Lレベルの測定に用いられますが、一部の元素では数μg/Lレベルまで拡張可能です。

電熱式アトマイザー

GFAAメソッド開発
グラファイトチューブ

グラファイトチューブアトマイザーを使用した電熱原子吸光法(ET AAS)は、 1950年代後半からロシアのサンクトペテルブルク工科大学のボリス・V・リヴォフによって開発され、 [ 10 ]ドイツのドルトムントにある分光化学応用分光研究所(ISAS)のハンス・マスマンによって並行して研究されました。[ 11 ]

長年にわたり様々なグラファイトチューブの設計が使用されてきましたが、典型的な寸法は長さ20~25 mm、内径5~6 mmです。この技術では、液体/溶解物、固体、気体サンプルを直接分析できます。測定された体積(通常10~50 μL)または秤量された質量(通常約1 mg)の固体サンプルをグラファイトチューブに導入し、温度プログラムにかけます。これは通常、乾燥(溶媒を蒸発させる)、熱分解(マトリックス成分の大部分を除去する)、原子化(分析対象元素を気相に放出する)、洗浄(グラファイトチューブ内に残った残留物を高温で除去する)の段階で構成されます。[ 12 ]

グラファイトチューブは、低電圧高電流電源を用いて抵抗加熱される。各段階の温度は非常に精密に制御可能であり、各段階間の温度勾配によって試料成分の分離が容易になる。チューブは横方向または縦方向に加熱することができ、前者の方がより均一な温度分布が得られる。ボリス・リヴォフの研究に基づき、ウォルター・スラヴィンが提案した、いわゆる安定化温度プラットフォーム炉(STPF)は、ET AASを実質的に干渉のないものにしている。[ 13 ]このコンセプトの主要な構成要素は、グラファイトチューブ(リヴォフ・プラットフォーム)に挿入されたグラファイトプラットフォームから試料を原子化することであり、これによりアトマイザー内のガス相が安定温度に達するまで原子化を遅らせる。化学修飾子を用いて分析対象物質を熱分解温度に安定化させ、マトリックス成分の大部分を除去するのに十分な温度にすること。そして、ピーク高さの吸光度ではなく、過渡吸収信号の吸光度を時間積分して定量を行うことである。

ET AASでは、過渡信号が生成され、その面積はグラファイトチューブに導入された分析対象物質の質量(濃度ではありません)に正比例します。この技術の利点は、固体、液体、気体など、あらゆる種類のサンプルを直接分析できることです。感度はフレームAASよりも2~3桁高く、低μg L −1範囲(典型的なサンプル量20 μLの場合)およびng g −1範囲(典型的なサンプル量1 mgの場合)での測定が可能です。干渉に対する自由度が非常に高いため、ET AASは複雑なマトリックス中の微量元素の測定に利用できる最も堅牢な技術と言えるでしょう。

特殊な霧化技術

炎と電熱気化器が最も一般的な霧化技術ですが、特殊な用途には他のいくつかの方法も利用可能です。[ 14 ] [ 15 ]

グロー放電霧化

グロー放電装置 (GD) は、サンプルの導入と原子化を同時に行うことができる多用途の光源です。グロー放電は、1 ~ 10 torrの低圧アルゴンガス雰囲気中で発生します。この雰囲気中には、2 組の電極があり、 250 ~ 1000 V の直流電圧を印加してアルゴンガスを正に帯電したイオンと電子に分解します。これらのイオンは、電界の影響を受けて、サンプルを含む陰極表面に向かって加速され、サンプルに衝突して、スパッタリングによって中性サンプル原子を放出します。この放電によって生成される原子蒸気は、イオン、基底状態の原子、および励起原子の一部で構成されています。励起原子が基底状態に戻ると、低強度のグローが放出されるため、この技術の名前が付けられています。

グロー放電アトマイザーの試料は、電気伝導体であることが必須条件です。そのため、アトマイザーは金属などの導電性試料の分析に最もよく使用されます。しかし、適切な改造を施すことで、液体試料や非導電性材料を導体(例えばグラファイト)と混合することで分析することも可能です。

水素化物原子化

水素化物生成技術では、特定の元素の特殊な溶液を使用します。この技術は、ヒ素、アンチモン、セレン、ビスマス、鉛を含むサンプルを気相でアトマイザーに導入する手段を提供します。これらの元素を用いると、水素化物アトマイゼーションによって他の方法と比較して検出限界が10~100倍向上します。水素化物生成は、サンプルの酸性水溶液を1%水素化ホウ素ナトリウム水溶液に加えることによって行われます。これらの溶液はすべてガラス容器に入れられています。反応によって生成された揮発性の水素化物は、不活性ガスによってアトマイゼーションチャンバーに送り込まれ、そこで分解されます。このプロセスによって分析対象物質がアトマイズされた状態になり、吸光分光法または発光分光法で測定できます。

冷蒸気噴霧

冷蒸気原子化法は、水銀が常温で高い蒸気圧を持つ唯一の金属元素であるため、その測定に限定された方法である。[ 16 ]このため、サンプル中の有機水銀化合物とそれらの環境中への分布を測定する上で重要である。この方法では、まず硝酸と硫酸で水銀を酸化してHg 2+に変換し、続いて塩化スズ(II)でHg 2+を還元する。次に、不活性ガス流を反応混合物に泡立てることで、水銀をロングパス吸収管に送り込む。濃度は、このガスの 253.7 nm での吸光度を測定することで測定する。この技術の検出限界は ppb の範囲であり、優れた水銀検出方法となっている。

バックグラウンド吸収とバックグラウンド補正

原子吸収線は(原子輝線に比べて)数が比較的少なく、幅も狭い(数 pm)ため、スペクトルの重なりは稀です。つまり、ある元素の吸収線が別の元素の吸収線と重なる例はごくわずかしか知られていません。これに対し、分子吸収ははるかに広いため、分子吸収帯の一部が原子線と重なる可能性が高くなります。このような吸収は、サンプル中の共存元素の未解離分子や炎ガスによって引き起こされる可能性があります。顕著な微細構造を示す二原子分子のスペクトルと、そのような微細構造を示さないより大きな(通常は三原子)分子のスペクトルを区別する必要があります。特に ET AAS におけるバックグラウンド吸収のもう 1 つの発生源は、熱分解段階でマトリックスを十分に除去できなかった場合に、原子化段階で生成された粒子における一次放射線の散乱です。

分子吸収と放射線散乱といったこれらの現象は、人為的に高い吸収を引き起こし、サンプル中の分析対象物質の濃度または質量を不適切に高く(誤って)計算してしまう可能性があります。バックグラウンド吸収を補正する手法はいくつかありますが、LS AASとHR-CS AASでは大きく異なります。

LS AASにおけるバックグラウンド補正技術

LS AAS では、バックグラウンド吸収は機器技術を使用してのみ補正でき、それらはすべて 2 つの連続した測定に基づいています: [ 17 ]まず、全吸収 (原子とバックグラウンド)、次にバックグラウンド吸収のみ。2 つの測定値の差が正味の原子吸光度となります。このため、および分光計で追加デバイスを使用するため、バックグラウンド補正された信号の信号対雑音比は、補正されていない信号に比べて常に大幅に劣ります。また、LS AAS では、2 つの原子線が直接重なる (まれなケース) ことを補正する方法がないことも指摘しておく必要があります。基本的に、LS AAS のバックグラウンド補正には 3 つの技術が使用されます。

重水素バックグラウンド補正

これは最も古く、現在でも最も広く使用されている手法であり、特にフレーム原子吸光分析(AAS)でよく用いられます。この手法では、ブロードな発光を示す別の光源(重水素ランプ)を用いて、分光計の出口スリットの全幅にわたるバックグラウンド吸収を測定します。別のランプを使用するため、構造化されたバックグラウンドを補正できず、この手法の精度は最も低くなります。また、重水素ランプの発光強度が非常に弱くなるため、約320 nmを超える波長では使用できません。重水素塩酸塩(HCL)は、アークランプよりも好ましい手法です。これは、ランプ像と分析対象物質のHCL像の適合性が高いためです。

スミス・ヒーフチェ背景補正

この技術(発明者にちなんで名付けられた)は、高電流を流したときの HCL からの輝線の線幅拡大と自己反転に基づいています。全吸収は通常のランプ電流、すなわち狭い輝線で測定され、高電流パルスを印加した後のバックグラウンド吸収は、自己反転した輝線のプロファイルで測定されます。自己反転した輝線では、元の波長での発光は少ないですが、分析線の両側で強い発光があります。この技術の利点は、使用する放射源が 1 つだけであることです。欠点としては、高電流パルスによってランプの寿命が短くなること、および感度の大幅な低下を避けるのに十分な自己反転を示す比較的揮発性の高い元素にしか使用できないことが挙げられます。もう 1 つの問題は、バックグラウンドが全吸収と同じ波長で測定されないため、構造化されたバックグラウンドの補正には適さないことです。

ゼーマン効果背景補正

交流磁場をアトマイザー(黒鉛炉)に適用して、吸収線を3つの成分、つまり元の吸収線と同じ位置に残るπ成分と、それぞれより高い波長とより低い波長に移動する2つのσ成分に分割します。[ 18 ]全吸収は磁場なしで測定され、背景吸収は磁場をオンにして測定されます。この場合、π成分は、たとえば偏光子を使用して除去する必要があり、σ成分はランプの発光プロファイルと重ならないため、背景吸収のみが測定されます。この技術の利点は、全吸収と背景吸収が同じランプの同じ発光プロファイルで測定されるため、背景の原因となる分子も磁場の影響を受けない限り、微細構造を持つ背景を含むあらゆる種類の背景を正確に補正できることです。また、チョッパーを偏光子として使用すると、信号対雑音比が低下します。欠点は、吸収線を分割するために必要な強力な磁石を動作させるのに必要な分光計と電源の複雑さが増すことです。

HR-CS AASにおけるバックグラウンド補正技術

HR-CS AAS では、原子吸光測定に使用されない検出器ピクセルの情報を使用してソフトウェアで数学的にバックグラウンド補正が実行されます。そのため、LS AAS とは異なり、バックグラウンド補正に追加のコンポーネントは必要ありません。

補正ピクセルを使用した背景補正

HR-CS AAS では、補正ピクセルを使用してランプのちらつきノイズが除去されることはすでに説明しました。実際、補正対象として選択されたすべてのピクセルで同程度に観測される放射強度の増加または減少は、補正アルゴリズムによって除去されます。これには当然、放射散乱または分子吸収による測定強度の減少も含まれますが、これも同様に補正されます。総吸収およびバックグラウンド吸収の測定と後者の補正は厳密に同時であるため (LS AAS とは対照的)、ET AAS で観測されるようなバックグラウンド吸収の急激な変化でも問題は発生しません。さらに、バックグラウンド補正とランプノイズの除去に同じアルゴリズムが使用されるため、バックグラウンド補正された信号は補正されていない信号と比較してはるかに優れた信号対雑音比を示します。この点も LS AAS とは対照的です。

最小二乗アルゴリズムを用いた背景補正

上記の技術では、微細構造を持つバックグラウンドを補正することはできません。この場合、吸光度は補正ピクセルごとに異なるからです。この場合、HR-CS AAS は、バックグラウンドの原因となっている分子の補正スペクトルを測定し、それをコンピュータに保存する可能性を提供します。次に、これらのスペクトルは、サンプルスペクトルの強度に一致する係数で乗算され、最小二乗アルゴリズムを使用して、サンプルスペクトルからピクセルごと、スペクトルごとに減算されます。これは複雑に聞こえるかもしれませんが、まず第一に、AAS で使用されるアトマイザーの温度で存在できる二原子分子の数は比較的少なく、第二に、補正はコンピュータによって数秒以内に実行されます。実際には、同じアルゴリズムを使用して、2 つの原子吸収線の直接の重なりを補正することもできます。そのため、HR-CS AAS は、この種のスペクトル干渉を補正できる唯一の AAS 技術となっています。

アプリケーション

原子吸光分析法(AAS)は、様々な物質中の金属濃度を測定するために一般的に使用されています。[ 6 ]例えば、AASは、髪の毛や植物中の亜鉛、血清中のマグネシウム、ガソリン中の鉛、果物中の重金属の濃度を測定するために使用されています。[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]このような多様な用途により、AASは農業から医療まで幅広い分野で使用されています。[ 2 ]

参照

参考文献

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さらに読む

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