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Fourier Transform Infrared Spectroscopy

原子吸光分析 AASの原理

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原子吸光分析 AASの原理

原子吸光分析とは

原子吸光分析(AAS:atomic absorption spectrometry)とは、
サンプル中の微量「無機」元素の濃度を測定するための分析法のこと。

一般的には金属元素の定量分析などに利用されます。

しかし、AASは定量元素ごとに別の光源が必要だったり、有機成分の分析ができなかったりと、デメリットもあります。


原子吸光分析装置の構成

光源部:ホロカソードランプ(HCL)

偏光部

試料導入部:ネブライザー(霧吹き)

試料原子化部:フレーム、電気加熱

分光部(波長選択部)

測光部
検出器&増幅器
光電子増倍管(フォトマルチプライヤー)

表示記録部


原子吸光分析の原理

原子吸光分析は、光が原子蒸気層を通過する際、基底状態の遊離原子が特定波長の光を吸収することを原理としています。

この現象を利用して試料中の元素の濃度を測定します。

たとえば炎(フレーム)などを用いて金属塩などの試料を基底状態の遊離原子(中性原子)に解離させます。

そしてホロカソードランプなどで特定波長の光を通過させて、外殻電子の励起にもとづく元素特有の波長の光吸収を測定します。

そのためAASでは基底状態の原子の密度が高いほど、良好な測定結果が得られます

AASの原子化法の種類

化学炎によるフレーム方式
化学炎を用いないフレームレスの電気加熱方式
などがあります。

バックグラウンド

フレーム式も電気加熱式も、試料中の元素を全部原子化することはできずに分子状態と共存します。

たとえばET-AASの炭素管に導入された分析対象元素のうち、原子化するのは1割程度で、9割ほどは分子状態のまま蒸発します。

そのため、その分子による光の吸収とか光散乱が発生します。

また、有機物やアルカリ金属などの塩類の分子による光吸収が起こり、これらは見かけの吸光度を増大させてしまいます。


アルカリ金属の塩
アルカリ土類金属の塩


原子吸光の光源の種類

1.中空陰極ランプ(ホロカソードランプ)

(Hollow Cathode Lamp:HCL)
分光用光源・バックグラウンド補正用光源
非共鳴近接線方式

ホロカソードランプはAASの光源。

ホロカソードランプの構造

ランプから放出される光の波長は陰極の材料によって決まる。

ランプの陰極はこれから分析しようとする金属元素と同じ金属でできている。

その金属元素を材料に含む中空管を陰極とし、低圧のネオンやアルゴンなどの希ガスが封入してある。

グロー放電によりその金属が励起され、元素特有の波長の光を発する。


ホロカソードランプの仕組み

・両極間に電圧をかけ放電させる
・封入してある低圧のネオンやアルゴンなどの希ガスがイオン化
・イオンが電極に衝突
・陰極材料の蒸気が飛び出す(基底状態)
・この蒸気に封入ガスの原子、電子、イオンが衝突し、励起状態になる
・励起状態の原子蒸気は、元素特有の波長の光を放出して基底状態に戻る


HCLから発せられる光の種類

ホロカソードランプから発せられる光には以下のものが含まれている。

1.共鳴発光線(分析線)
2.ランプに封入してある希ガス(Ar、Ne)由来の光
3.中性線
4.イオン線

通常、1の共鳴発光線以外は分光器で分離される。

ただし、近接した光(近接線)を分離できないこともあり、測定結果に影響することもある。

1.共鳴発光線

共鳴発光線とは、AASで利用される光(分析線)。

基底状態の金属原子によって吸収される波長の光。

吸収される波長の光が複数ある金属の場合は、
最も強く吸収される波長の光がAASに利用される。
(測定感度が一番高いため)

4.イオン線

イオン線はイオン化原子由来の光。

フレーム式AASでイオン化干渉の原因となる。

フレーム式AASで試料を必要以上に高温にした場合、遊離原子の一部がイオン化する。

イオン化が起きると基底状態の遊離原子が相対的に減るので、吸光度が低下する。


自己吸収

光がランプ内部に存在する低温の原子蒸気層に吸収され、ランプの外に放射される光の量が減ること。

自己反転

自己吸収が起きた時の発光スペクトルのこと。
中央が凹んだ形になる。


単元素ランプと複合ランプ

ホロカソードランプの多くは単一元素用。
特に高感度の測定を行う場合は単一元素用のランプを使用する。

単一元素用ランプを使っている時に分析対象元素を変えるときは、ランプを交換しなければならない。

当然、検量線も新たに作る必要がある。

複合ランプ

複合ランプはランプ交換しなくても良いように、2種類から4種類の元素をスパッターしてあり、複数の元素を測定できる。

ただし、複合ランプはノイズが高めに出ることがある。

高感度の測定を行う場合は単元素ランプがベター。


ランプの取扱注意点

HCLは汚れに弱い

素手でホロカソードランプを触らないこと。

皮脂などでランプが汚れると、ランプから放射される光が吸収され、光源の強度が変化する可能性がある。

HCLは環境変化に弱い

必要な時以外はランプ室のフタを閉める。

ホロカソードランプは温度変化に弱いので、エアコンの風が装置に直に当たらないようにする。

ランプ寿命

ランプ寿命=ランプ電流×ランプ点灯時間

ランプ電流が大きいとき

ノイズ減少
測定感度 低下

ランプ電流が小さいとき

ノイズ増加
測定感度 上昇

ランプの安定時間

HCLはランプを点けた後、ランプ安定時間として10分くらい待つ必要がある。


2.重水素ランプ・タングステンランプ

バックグラウンド補正用光源
連続スペクトル光源方式

バックグラウンドの吸収スペクトルは幅が広いため、分析線、補正線とも減光される。

HCLの分析線の吸収により原子吸光とバックグラウンド吸収の総和が測定でき、重水素ランプの補正線の吸収によりバックグラウンド吸収のみ測定できる。

そのため、それらを計算することによりバックグラウンド吸収を消去できる。