誘導結合プラズマ原子発光分光法

誘導結合プラズマ原子発光分光法（ICP-AES）は、誘導結合プラズマ発光分光法（ICP-OES）とも呼ばれ、化学元素の検出に使用される分析技術です。誘導結合プラズマを使用して励起原子とイオンを発生させ、特定の元素に特徴的な波長で電磁放射を放出するタイプの発光分光法です。^[1]プラズマは、イオン化されたソースガス（多くの場合アルゴン）の高温源です。プラズマは、メガヘルツ周波数の電気コイルからの誘導結合によって維持されます。ソース温度は6000～10,000 Kの範囲です。さまざまな波長の光からの発光の強度は、サンプル内の元素の濃度に比例します。

ICP-AESは、ICPと光学分光計の2つの部分で構成されています。ICPトーチは、3つの同心石英ガラス管で構成されています。^[2]無線周波数（RF）ジェネレータの出力または「作業」コイルは、この石英トーチの一部を囲んでいます。プラズマを生成するために、通常はアルゴンガスが使用されます。

ICPには、プラズマ密度が低い容量性（E）モードとプラズマ密度が高い誘導性（H）モードと呼ばれる2つの動作モードがあり、EからHへの加熱モードの遷移は外部入力によって発生します。^[3]トーチはHモードで動作します。

トーチがオンになると、コイルに流れる高出力無線周波数信号によって、コイル内に強力な電磁場が生成されます。この RF 信号は、RF ジェネレータによって生成されます。これは、事実上、一般的な無線送信機が送信アンテナを駆動するのと同じ方法で「ワークコイル」を駆動する高出力無線送信機です。一般的な機器は、27 または 40 MHz で動作します。^[4]トーチを流れるアルゴンガスは、アルゴンの流れに短い放電アークを生成するテスラユニットによって点火され、イオン化プロセスが開始されます。プラズマが「点火」されると、テスラユニットはオフになります。

アルゴンガスは強力な電磁場の中でイオン化され、特定の回転対称パターンでRFコイルの磁場に向かって流れます。その後、中性アルゴン原子と荷電粒子の間で非弾性衝突が発生し、約7000Kの安定した高温プラズマが生成されます。^[5]

蠕動ポンプが水性または有機サンプルを分析用ネブライザーに送り込み、そこでサンプルは霧状になり、プラズマ炎内に直接導入されます。サンプルはすぐにプラズマ内の電子および荷電イオンと衝突し、それ自体が荷電イオンに分解されます。さまざまな分子がそれぞれの原子に分解され、その後電子を失い、プラズマ内で繰り返し再結合して、関係する元素の 特性波長で放射線を発します。

いくつかの設計では、せん断ガス（通常は窒素または乾燥した圧縮空気）を使用して、特定の場所でプラズマを「切断」します。次に、1 つまたは 2 つの転送レンズを使用して、放出された光を回折格子に焦点を合わせ、光分光計で成分波長に分離します。他の設計では、プラズマは、一定のアルゴンの流れが出てくるオリフィスで構成される光学インターフェイスに直接衝突し、プラズマを偏向させて冷却しながら、プラズマから放出された光を光学チャンバーに入射させます。さらに他の設計では、光ファイバーを使用して光の一部を別の光学チャンバーに伝送します。

光学チャンバー内で、光が異なる波長 (色) に分離した後、各元素ラインの特定の波長を「表示」できるように物理的に配置された光電子増倍管で光の強度が測定されます。または、より現代的なユニットでは、分離された色が電荷結合素子(CCD) などの半導体光検出器のアレイに当たります。これらの検出器アレイを使用するユニットでは、すべての波長 (システムの範囲内) の強度を同時に測定できるため、ユニットが感知するすべての元素を一度に分析できます。したがって、サンプルを非常に迅速に分析できます。

次に、各線の強度を、その元素の既知濃度について以前に測定した強度と比較し、その濃度を較正線に沿って補間することによって計算します（較正曲線を使用）。

さらに、通常、特別なソフトウェアによって、特定のサンプル マトリックス内の異なる要素の存在によって引き起こされる干渉が修正されます。

プラズマ発光を分光分析の光源として利用する最初の試みは、1956年にオイゲン・バダラウによって発表された。^[6] 1964年にオルブライト・アンド・ウィルソンに勤務していたスタンレー・グリーンフィールドが、初めて非実験分析にICPを使用した。^[6]最初の商用機は1975年にコントロン社によって製造された。^[6]

ICP-AESの応用例としては、ワイン中の金属^[7]、食品中のヒ素^[8]、タンパク質に結合した微量元素^[9]の測定が挙げられます。ICP -AES法は、飲料水や廃水中の金属汚染の検査に使用されます。^[10]

ICP-AES は、物質収支の構築のために、さまざまなストリームの品位に関するデータを提供するために、 鉱物処理で広く使用されています。

2008年、リバプール大学でこの技術が使用され、シェプトン・マレットで発見され、以前はイングランドにおけるキリスト教の最古の証拠の一つであると信じられていたカイ・ローの お守りが、19世紀のものであることが証明されました。^{[11] [ 12 ] [13] [14]}

ICP-AES は土壌中の微量元素の分析によく使用され、犯罪現場や被害者などで見つかった土壌サンプルの起源を突き止めるために法医学でよく使用されます。対照サンプルを 1 つ採取して金属組成を判定し、証拠サンプルを採取してその金属組成を判定することで、比較が可能になります。土壌の証拠は法廷で単独では通用しないかもしれませんが、他の証拠を確実に強化します。

また、この方法は、農業用土壌の栄養レベルを測定するための分析方法として急速に普及しつつあります。この情報は、作物の収穫量と品質を最大限に高めるために必要な肥料の量を計算するために使用されます。

ICP-AES は、エンジン オイルの分析に使用されます。使用済みエンジン オイルを分析すると、エンジンの動作について多くのことがわかります。エンジン内で摩耗した部品は、オイルに痕跡を残しますが、ICP-AES で検出できます。ICP-AES 分析は、部品が故障しているかどうかを判断するのに役立ちます。さらに、ICP-AES では、特定のオイル添加剤の残量も判断できるため、オイルの耐用年数がわかります。オイル分析は、エンジンの動作についてできるだけ多くのことを知りたいフリート マネージャーや自動車愛好家によってよく使用されます。ICP-AES は、モーター オイル (およびその他の潤滑油) の製造時にも、品質管理、製造および業界仕様への準拠のために使用されます。

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