フレーム原子吸光法とは何か？どんな利点があるのか？固体試料を直接測定できない理由は？

この記事で分かること

フレーム原子吸光法

　機器分析とは、化学反応を用いる古典的な化学分析に対し、物質が持つ物理的・化学的性質を精密な機器で測定し、その物質の成分や構造を分析する方法の総称です。

　高感度で迅速な分析が可能であり、微量な成分や複雑な混合物も精度高く分析できるため、現代の科学技術分野で広く利用されています。

　今回は、原子吸光分析のフレーム原子吸光法に関する記事となります。

分光分析とは何か

　分光分析は、光と物質の相互作用を測定する手法です。紫外可視分光光度法で濃度、赤外分光法で構造、原子吸光分析法で金属元素の定量、蛍光X線分析法で元素組成、核磁気共鳴分光法で分子構造の解析など、使用する光の種類や原理によって多岐にわたります。

フレーム原子吸光法とは何か

　フレーム原子吸光法（Flame Atomic Absorption Spectrometry: Flame AAS）は、原子吸光分析（AAS）の一種で、試料を炎（フレーム）の中で原子化する最も一般的な手法です。

原理と構成

　フレームAASでは、主に以下の手順で分析が行われます。

1. 試料の噴霧（ネブライザー）：液体試料を細かな霧（エアロゾル）にし、助燃ガス（空気や酸化剤）と燃料ガス（アセチレンなど）の混合気流に乗せてバーナーへ送ります。
2. 原子化：バーナーに導入された試料は、炎の熱（通常2,000〜3,000℃）によって溶媒が蒸発し、残った化合物が熱分解されます。これにより、目的元素が基底状態の遊離原子となります。
3. 吸光度の測定：遊離原子が存在する領域（光路）に、ホロカソードランプから目的元素に固有の光を照射し、原子による吸光度を測定します。

特徴

• 操作が簡単：装置の操作が比較的簡単で、連続的に試料を導入できるため、分析速度が速いです。
• 再現性が高い：安定したフレームを用いるため、測定の再現性（繰り返し測定したときのばらつきの少なさ）に優れています。
• 試料の前処理：基本的に液体試料が対象です。固体試料の場合は、溶解などの前処理が必要です。
• 感度：黒鉛炉法（GF-AAS）に比べると感度は劣りますが、ppm（parts per million）〜sub-ppm（1リットルあたり数ミリグラム〜数マイクログラム）程度の比較的高濃度の元素測定に適しています。
• ガスの種類：使用するガスの組み合わせによって、炎の温度が異なります。
  • 空気-アセチレン炎：約2,300℃。多くの元素の分析に使用されます。
  • 一酸化二窒素-アセチレン炎(N2O-アセチレン炎)：約2,900℃。高温のため、アルミニウム (Al) やチタン (Ti) などの難解離性元素の測定に使用されます。

干渉の種類

　フレームAASでは、炎の中で起こる現象が原因で、測定値に誤差を生じさせることがあります。

干渉の種類	説明
スペクトル干渉	共存元素が目的元素の分析線と同じ波長を吸収または放出すること。
化学干渉	目的元素が炎中で難解離性化合物を形成し、原子化が妨げられること。
イオン化干渉	炎の熱で目的元素がイオン化し、吸光度の測定に使われる遊離原子が減少すること。

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　フレーム原子吸光法は、迅速かつ安定して多くの元素を測定できる、実用性の高い分析手法です。

固体試料で使用できない理由は

　原子吸光分析（AAS）において、特にフレーム原子吸光法が固体試料をそのまま使用できない理由は、分析手法の根幹にある原子化のプロセスにあります。

固体試料がそのまま使えない理由

1. 均一な原子化が困難

　フレームAASは、均一な霧状（エアロゾル）になった液体試料を炎の中に連続的に導入し、安定した速度で原子化することを前提としています。

• 固体試料の場合：固体粒子は液体のように均一に噴霧することが難しく、仮に粉末を直接炎に入れたとしても、粒子の大きさや密度が不均一なため、原子化の効率が不安定になります。
• 結果：安定した原子蒸気を得られず、測定値がバラついたり、正確な定量が不可能になったりします。

2. 定量性・再現性の確保

定量分析では、試料導入量と原子化効率の安定性が不可欠です。

• 液体試料はポンプなどで一定量ずつ導入できますが、固体試料を炎に導入し、その投入量を正確にコントロールすることは極めて困難です。このため、定量性や再現性が確保できません。

3. 装置の構造上の制約

フレームAASで使われる噴霧器（ネブライザー）やバーナーは、液体試料を扱うように設計されています。

• 固体粒子が噴霧器のノズルやチューブを詰まらせる原因となり、装置の故障や分析の停止につながります。

固体試料を分析する方法

固体試料をAASで分析するためには、必ず前処理を行い、液体に変換する必要があります。

• 溶解：試料を酸やアルカリなどの適切な溶媒に完全に溶解させ、均一な溶液にする。
• 灰化・抽出：有機物が多い試料は、加熱して有機物を除去（灰化）した後、目的元素を抽出・溶解する。

または、特殊な原子化手法を用いることもあります。

• 固体試料導入型黒鉛炉AAS：固体試料をそのまま黒鉛炉内に導入し、電気加熱で原子化する技術も存在しますが、高度な技術と装置が必要で、一般的なフレームAASの範疇ではありません。

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　フレームAASは「液体を炎に入れる」という原理に基づいているため、固体試料の均一な原子化と安定的な導入が難しく、そのままでは使用できないのです。