|
1. はじめに
ICP発光分光分析法（高周波誘導結合プラズマ発光分光分析法、ICP-OES/ICP-AES）が普及し始めて約25年が経過し、現在においては無機分析の最も汎用的手法の一つとして幅広く利用されている。その特長は、原子吸光分光法と比較されるケースが多い。原子吸光分光法の空気-アセチレン炎は励起温度が2000〜3000Kであるのに対してアルゴンICPの励起温度が5000〜7000Kと高温で多くの元素を効率よく励起する。また、不活性ガス（アルゴン）を用いると酸化物や窒化物が生成し難いことなどが知られている。
2．ICP発光分光分析法の原理
ICP（高周波誘導結合プラズマ）は英文のInductively Coupled Plasmaの頭文字をとったものであり、発光分光分析法の一つの手法である。分析試料にプラズマのエネルギーを外部から与えると含有されている成分元素（原子）が励起される。その励起された原子が低いエネルギー準位に戻るときに発光線が（スペクトル線）放出され、光子の波長に相当する発光線を測定する方法である。発光線の位置から成分元素の種類を判定し、その強度から各元素の含有量を求める。プラズマの生成にはまず、アルゴンガスを流しトーチ管の先端部においたワークコイルには高周波電流を流す。高周波電流によりトーチ管内に生成される電磁場によりアルゴンガスを電離しプラズマが生成される。このプラズマは高い電子密度と高温（10000K）を持ちこのエネルギーにより試料を励起発光させる。溶液試料は霧化された状態でトーチ管の中央の細管よりプラズマ内に導入される。
3.ICPの分析化学的特長
ICP発光分光分析法は同様の目的で使用される原子吸光法と比較して以下に示す特長を持つ。
- 多元素同時分析、逐次分析が可能
- 検量線の直線範囲が広い
- 化学干渉、イオン化干渉が少なく高マトリックス試料の分析が可能
- 高感度である（検出下限は大半の元素に対して10ppb以下）
- 測定可能元素が多い、原子吸光法で困難なZr、Ta、希土、P、Bなども容易に分析できる
- 安定性がよい
これらの特長の大半は光源としているプラズマの構造、特性により生じている。
5.装置
1) シーケンシャル型
発光分光分析の装置は、光源部、分光部、検出部、データ処理部などから構成される。分光部、検出部の違いにより、いくつかの形式のものがある。最も代表的なものを図1に示す。
図1 シーケンシャル型ICP発光分光分析装置
2) 多元素同時分析型（マルチチャンネル型）
分光部にはエッシェルクロス型のものを使用し,検出部にはCCD等の半導体検出器を使用したものが代表的である。エッシェルクロス分光器はプリズムとエッシェル回折格子を組み合わせることにより測定可能な波長域の光を検出器上に二次元に分散させる分光器でこれとCCD検出器と組み合わせることにより任意の波長の多元素測定を行える。この装置の特長は何と言っても高速測定にあり、通常1~2分程度の測定で測定可能な72元素全てについての知見を得ることができる。
図2 多元素同時分析型ICP発光分光分析装置
6. 応用例
3) 鉄鋼分析
ICP発光分光分析の主要な応用分野のひとつが素材分析である。ここに示すのは鉄鋼試料の分析を行った一例である。
- 装置: シーケンシャル型ICP発光分光分析装置SPS3000型
- 試料: JSS鉄鋼標準試料150番台（強靭鋼）0.5gを塩酸―硝酸の混酸に溶解し100mLとしたものを用いた。
- 標準液: 純鉄（99.99%）0.5gを溶解し100mLとしたものをブランクとし、これに測定元素8元素の標準液を添加したものとで検量線を作成した（マトリックス合わせ法）
- 分析条件: このような高マトリックスの試料ではマトリックス元素（この場合は鉄）などによるスペクトルの重なりが発生することがあるためスペクトルプロファイルを確認し、もっとも最適な分析波長を選択し測定を行う。
- 分析結果: 測定した3件の試料についての結果と標準試料としての認証値を表に示す。非常に良好な一致を示していることがわかる。
2) バストネサイトの分析
バストネサイトはランタニド希土類の鉱石である。希土類は原子吸光法で分析する場合には光源ランプが入手しにくいことや、希土類が酸化物を生成しやすく原子化が行いにくいなど問題点が多いが、ICP発光分光分析ではこれらの問題はほとんどないため、ICP発光分光分析が多用される分野のひとつである。希土類を分析する場合の大きな問題点は希土類の発光線の数が多いため分析波長に対する近接線の干渉がおきやすい点である。
- 分析条件: バストネサイト 0.5gをフッ化水素酸、硝酸、過酸化水素水で処理し溶解し100mLとした。
- 測定結果: 希土類以外の元素と希土類の分析結果を表に示す。含有量30%の酸化セリウムから含有量0.11%の酸化ユーロピウムまで定量できている。
表2 バストネサイト分析結果
3) 毛髪分析
人の毛髪は、健康の履歴がある程度残されていると思われること、体内に入った重金属類のひとつの排泄器官となっているのではないかなどの点で注目されているが、使用できる量が少ないこと、多元素に関する知見が要求されることなど分析を行う上での問題も多い。多元素同時分析型の装置を使用することにより、少量の試料で有益な知見を得ることが可能となる。
- 装置: 多元素同時型ICP発光分光分析装置 Vista-PRO
- 試料: 毛髪を洗浄後 0.5g秤量しこれをテフロン加圧容器中で硝酸により分解しこれを10mLとしたものを用いた。
スペクトルプロファイル、分析結果の一部を示す。
素分析結果
7.まとめ
ICP発光分光分析法は現在、汎用の分析手法としては高く評価されており、国内での稼働台数は2000台を超えている。 環境測定の手法としても原子吸光法、ICP質量分析法と並んで重要な地位を占めており、今後さらに利用が拡大すると推定される手法である。
| 
