原子発光分光法

原子発光分光法( AES ) は、炎、プラズマ、アーク、またはスパークから特定の波長で放出される光の強度を使用してサンプル内の元素の量を決定する化学分析方法です。発光スペクトル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元素の原子数に比例します。サンプルはさまざまな方法で励起できます。

原子発光分光法では、電磁放射と物理的な原子や分子との相互作用を測定することができます。この相互作用は、原子エネルギーレベル間のエネルギーの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が放出されます。各元素は原子配列が異なるため、独自のスペクトル線を持ちます。そのため、この方法は物質の構成を識別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、化学のツールとして原子発光分光法を確立した最初の人物でした。^[1]

元素が炎で燃やされると、その原子は基底電子状態から励起電子状態に移行します。励起状態の原子が基底状態に戻ると、光を発します。ボルツマン式は、温度と励起状態の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}高エネルギー準位と低エネルギー準位の原子数、g _upperとg _{lower は}高エネルギー準位と低エネルギー準位の縮退、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す。この光の波長はモノクロメータで分散させて測定することができ、光の強度を利用して存在する励起状態電子の数を決定することができます。^[2]原子発光分光法では、励起状態の原子から放出される放射線は、原子がすでに励起された後に特に測定されます。

原子発光分光法では、原子を励起して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。スペクトル線の幅から、原子の運動温度と電子密度に関する情報が得られます。スペクトル線の異なる強度を調べることは、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っているため、主に分子の混合物の組成を決定するために使用されます。^[3]

物質のサンプル (分析対象物) は、ガス、噴霧溶液として炎に持ち込まれるか、通常はプラチナ製の小さなワイヤ ループを使用して炎に直接挿入されます。炎の熱によって溶媒が蒸発し、分子内結合が破壊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が励起電子状態に励起され、基底電子状態に戻るときに発光します。各元素は固有の波長で発光し、そ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。

炎による放出測定の頻繁な応用は、医薬品分析におけるアルカリ金属の規制である。^[4]

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、多元素機能、低い化学干渉、安定した再現性のある信号です。欠点は、スペクトル干渉 (多くの輝線)、コストと運用費用、およびサンプルが通常液体溶液でなければならないことです。誘導結合プラズマ (ICP) の放射源は、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、交流電流が流れるワイヤ コイルです。この電流によってコイル内に磁場が誘導され、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が結合されます。プラズマは、電荷によって磁場と相互作用できる荷電粒子 (陽イオンと電子) の集まりです。原子放射に使用されるプラズマは、アルゴン ガスの流れ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の抵抗加熱によって生じます。プラズマは炎よりもはるかに高い温度で作動するため、より優れた原子化と励起状態の数の増加が実現します。現在、ICP-AES におけるサンプル マトリックスの主流は液体サンプルです。酸性化された水または水溶液に分解された固体です。液体サンプルは蠕動ポンプによってネブライザーとサンプル チャンバーに送り込まれます。次にサンプル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 チャンバーの側面で凝縮し、ドレインから除去されますが、より微細な水滴はアルゴンの流れとともに移動し、プラズマに入ります。プラズマ放出により、固体サンプルを直接分析できます。これらの手順には、電熱蒸発、レーザーおよびスパーク アブレーション、グロー放電蒸発の組み込みが含まれます。

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で粉砕され、導電性になります。従来のアーク分光法では、固体サンプルは分析中に粉砕され、破壊されるのが一般的でした。電気アークまたはスパークをサンプルに通して高温に加熱し、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発します。過去には、スパークまたはアーク条件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。定性的および定量的な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。

• 原子吸光分光法
• 原子分光法
• 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

• 「原子発光分光法チュートリアル」。2006 年 5 月 1 日にオリジナルからアーカイブされました。
• ウィキメディア・コモンズの原子発光分光法に関連するメディア