原子発光分光法

誘導結合プラズマ原子発光分析計

原子発光分光法（AES ）は、炎、プラズマ、アーク、または火花から特定の波長で放出される光の強度を用いて、試料中の元素の量を測定する化学分析法です。発光スペクトル中の原子スペクトル線の波長は元素の種類を示し、放出される光の強度はその元素を構成する原子の数に比例します。試料は様々な方法で励起することができます。

原子発光分光法は、電磁放射線と物理的な原子・分子との相互作用を測定することを可能にします。この相互作用は、原子のエネルギー準位間のエネルギー変化を表す電磁波の形で測定されます。元素が炎で燃焼すると、スペクトル線の形で記録できる電磁放射線が放出されます。元素ごとに原子配列が異なるため、それぞれ固有のスペクトル線を持つため、この方法は物質の構成を特定するための重要なツールです。ロバート・ブンゼンとグスタフ・キルヒホフは、化学におけるツールとして原子発光分光法を初めて確立しました。^{[ 1 ]}

元素が炎の中で燃焼すると、その原子は基底電子状態から励起電子状態へと遷移します。励起状態の原子  が基底状態に戻る際に、光を発します。ボルツマンの式は、温度と励起状態にある原子の数を関連付けるために使用されます。温度が高いほど、励起原子の数が多いことを示します。この関係は次のように表されます。

${\displaystyle {\frac {n_{upper}}{n_{lower}}}={\frac {g_{upper}}{g_{lower}}}e^{-(\varepsilon _{upper}-\varepsilon _{lower})}/k_{B}T}$

ここで、n _upperとn _{lower は}それぞれ高エネルギー準位と低エネルギー準位にある原子の数、g _upperとg _lowerは高エネルギー準位と低エネルギー準位における縮退度、ε _upperとε _lowerは高エネルギー準位と低エネルギー準位のエネルギーである。この光の波長はモノクロメーターで分光・測定することができ、その光の強度から励起状態にある電子の数を測定することができる。^{[ 2 ]}原子発光分光法では、励起状態にある原子から放出される放射線は、原子が励起された後に測定される。

原子発光分光法を用いることで、原子を励起することで生成されるスペクトル線を解釈することで、多くの情報を得ることができます。スペクトル線の幅は、原子の運動温度と電子密度に関する情報を提供します。スペクトル線の強度の違いを観察することは、混合物や物質の化学組成を決定するのに役立ちます。原子発光分光法は、各元素が独自のスペクトルを持つため、主に分子混合物の組成を決定するために使用されます。^{[ 3 ]}

炎

炎光度計でカルシウムイオンを評価する際の炎

物質サンプル（分析対象物）は、ガス、噴霧溶液、または通常は白金などの細いワイヤーの輪を用いて炎に直接挿入されます。炎の熱によって溶媒が蒸発し、分子内結合が切断されて自由原子が生成されます。また、熱エネルギーによって原子は励起電子状態へと励起され、その後、基底電子状態に戻る際に発光します。各元素は固有の波長で発光し、この発光は格子またはプリズムによって分散され、分光計で検出されます。

炎の中で光を発するナトリウム原子イオンは、588.9950 ナノメートルと 589.5924 ナノメートルの波長で非常に明るい黄色の発光を示します。

炎を用いた発光測定の頻繁な応用例としては、医薬品分析におけるアルカリ金属の規制が挙げられる。^{[ 4 ]}

誘導結合プラズマ

誘導結合プラズマ原子放出源

誘導結合プラズマ原子発光分光法（ICP-AES）は、誘導結合プラズマを使用して、特定の元素に特有の波長で電磁放射を放出する励起原子とイオンを生成します。^{[ 5 ] [ 6 ]}

ICP-AESの利点は、優れた検出限界と直線的なダイナミックレンジ、多元素分析能力、低い化学干渉、そして安定した再現性の高い信号です。欠点は、スペクトル干渉（多くの輝線）、コストと運用費用、そしてサンプルを通常液体溶液に溶解する必要があることです。誘導結合プラズマ（ICP）発光源は、誘導コイルとプラズマで構成されています。誘導コイルは、交流電流が流れる電線コイルです。この電流はコイル内に磁場を誘導し、コイル内の石英管に含まれるプラズマに大量のエネルギーを結合させます。プラズマは、荷電粒子（陽イオンと電子）の集合体であり、その電荷によって磁場と相互作用することができます。原子発光に使用されるプラズマは、アルゴンガス流をイオン化することによって形成されます。プラズマの高温は、荷電粒子がガス中を移動する際に抵抗加熱によって発生します。プラズマは炎よりもはるかに高い温度で動作するため、原子化が促進され、励起状態の数が増加します。現在、ICP-AESにおける試料マトリックスの主流は液体試料、すなわち酸性水、または水溶液に分解された固体です。液体試料は蠕動ポンプによってネブライザーと試料室に送り込まれます。次に、試料はネブライザーを通過し、液体粒子の微細なミストが生成されます。大きな水滴はスプレー室の側面に凝縮し、排出口から除去されます。一方、より微細な水滴はアルゴンの流れに乗ってプラズマに入ります。プラズマ発光を利用することで、固体試料を直接分析することが可能になります。これらの手法には、電熱蒸発、レーザーおよびスパークアブレーション、グロー放電蒸発などが組み込まれています。

火花とアーク

スパークまたはアーク原子発光分光法は、固体サンプル内の金属元素の分析に使用されます。非導電性材料の場合、サンプルはグラファイト粉末と一緒に粉砕されて導電性になります。従来のアーク分光法では、分析中に固体サンプルが粉砕されて破壊されることがよくありました。電気アークまたはスパークをサンプルに通過させ、高温に加熱してサンプル内の原子を励起します。励起された分析対象原子は、モノクロメータで分散させて検出できる特徴的な波長で光を放出します。過去には、スパークまたはアークの状態は通常十分に制御されておらず、サンプル内の元素の分析は定性的なものでした。ただし、放電が制御された最新のスパーク源は定量的であると考えることができます。定性および定量スパーク分析はどちらも、鋳造工場や金属鋳造施設での生産品質管理に広く使用されています。

参照

• 原子吸光分光法
• 原子分光法
• グロー放電発光分光法
• 誘導結合プラズマ原子発光分光法
• レーザー誘起ブレークダウン分光法

参考文献

1. Thakur, Surya N. (2020-01-01), Singh, Jagdish P.; Thakur, Surya N. (eds.), 「第2章 原子発光分光法」 ,レーザー誘起ブレークダウン分光法（第2版） , アムステルダム: Elsevier, pp.  23– 40, doi : 10.1016/b978-0-12-818829-3.00002-2 , ISBN 978-0-12-818829-3、 2024年11月13日閲覧
2. エンゲル, トーマス; ヘーレ, ウォーレン J.; アンガーホファー, アレックス (2019).量子化学と分光法: 物理化学(第4版). ニューヨーク: ピアソン. ISBN 978-0-13-480459-0。
3. Lajunen, Lauri H.; Perämäki, P.; Lajunen, Lauri HJ (2004).原子吸光発光分光分析法. 英国王立化学協会 (第2版). ケンブリッジ: 英国王立化学協会. ISBN 978-0-85404-624-9。
4. Stáhlavská A (1973年4月). 「薬物分析におけるスペクトル分析法の応用。1. 発光炎光度法によるアルカリ金属の定量」. Pharmazie (ドイツ語). 28 (4): 238–9 . PMID 4716605 . 
5. Stefánsson A, Gunnarsson I, Giroud N (2007). 「無試薬イオンクロマトグラフィーと誘導結合プラズマ発光分光法による天然水中の溶存無機炭素、有機炭素、および総炭素の直接測定のための新手法」​​Anal. Chim. Acta . 582 (1): 69– 74. doi : 10.1016/j.aca.2006.09.001 . PMID 17386476 . 
6. Mermet, JM (2005). 「ICP-原子発光分光法による研究は今でも可能で、必要で、有益か？」J. Anal. At. Spectrom . 20 : 11–16 . doi : 10.1039/b416511j .|url= http://www.rsc.org/publishing/journals/JA/article.asp?doi=b416511j%7Cformat=%7Caccessdate=2007-08-31

参考文献

• レイノルズ, RJ; トンプソン, KC (1978). 『原子吸光分光法、蛍光分光法、炎色発光分光法：実用的アプローチ』 ニューヨーク: Wiley. ISBN 0-470-26478-0。
• ユーデン、ピーター・C. (1992).原子発光分光法による元素特異的クロマトグラフィー検出. コロンバス、オハイオ州:アメリカ化学会. ISBN 0-8412-2174-X。

外部リンク

• 「原子発光分光法チュートリアル」 。2006年5月1日時点のオリジナルよりアーカイブ。
• ウィキメディア・コモンズの原子発光分光法に関するメディア