ICP発光分析とは何か？発光はなぜ、原子ごとに固有なのか？

この記事で分かること

ICP発光分析

　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、分光分析のひとつであるＩＣＰ発行分析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。

ICP発光分析とは何か

　ICP発光分析（Inductive Coupled Plasma Optical Emission Spectrometry）は、液体試料に含まれる金属などの元素の種類とその濃度を、超高温のプラズマを利用して特定する分析手法です。

　日本語では「誘導結合プラズマ発光分光分析」と呼ばれ、環境分析、材料開発、食品検査など、非常に幅広い分野で「何が、どれくらい入っているか」を調べるために使われています。

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1. 原理：なぜ元素がわかるのか？

　この分析の核となるのは、アルゴンガスをエネルギー源として発生させた約10,000℃のプラズマ（ICP）です。

1. 霧化: 液体試料を霧状にしてプラズマの中に吹き込みます。
2. 原子化・励起: 超高温のプラズマにより、試料中の元素は原子の状態になり、さらに高いエネルギー状態（励起状態）になります。
3. 発光: 励起された原子が元の安定した状態に戻る際、その元素固有の光（スペクトル線）を放出します。
4. 分光・測定: 放出された光をプリズムのような「分光器」で分け、光の強さを測定します。

ポイント：光の「色（波長）」で元素の種類がわかり、光の「強さ」で濃度がわかります。

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2. ICP発光分析の主な特徴

　他の分析手法（原子吸光法など）と比べて、以下のような優れた点があります。

特徴	内容
多元素同時分析	数十種類の元素を一度に、かつ短時間で測定できます。
広い測定範囲	低濃度（ppb：10億分の1）から高濃度（%オーダー）まで一気に測れます。
高感度・高精度	非常に微量な成分も正確に捉えることができます。
化学干渉が少ない	プラズマが超高温なため、試料の化学的な性質による誤差が出にくいです。

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3. 装置の構成

　装置は大きく分けて以下の4つのユニットで構成されています。

1. 試料導入部: 液体を霧状にするネブライザーなど。
2. 光源部（プラズマ部）: アルゴンガスをプラズマ化し、試料を燃やす場所。
3. 分光部: 発生した光を波長ごとに分ける場所。
4. 検出器: 分けられた光の強さを電気信号に変換する場所。

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4. 活用されている場面

• 環境: 河川水や土壌に含まれる有害金属（カドミウム、鉛など）の検査。
• 食品: ミネラル成分の測定や、異物混入の特定。
• 工業: 金属材料（ステンレスや金など）の純度検定や、めっき液の管理。
• 製薬: 医薬品の中に残留した触媒（パラジウムなど）の管理。

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基底状態に戻るときの発光はなぜ、原子ごとに固有なのか

　発光が元素ごとに固有なのは、原子内の「電子の階段（エネルギー準位）」の高さが、元素の種類によって厳密に決まっているためです。

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1. 電子の居場所は「階段」状

　原子の中の電子は、どこでも好きな場所にいられるわけではありません。決まったエネルギーの高さを持つ「階段（エネルギー準位）」にだけ存在できます。

2. 階段の「高さ」は原子核で決まる

　元素ごとに、中心にある原子核の「陽子の数」が異なります。

• 陽子の数が多いほど、電子を引き付ける力が強くなります。
• この引き付ける力の違いにより、「階段と階段の間の幅（エネルギー差）」が元素ごとに唯一無二の設計図のように決まります。

3. 光は「階段を降りた時の差額」

　プラズマで加熱された電子は、上の段に飛び上がります。その後、元の下の段（基底状態）に戻る際、余ったエネルギーを「光」として放出します。このとき放出される光のエネルギー（色・波長）は、階段の「段差」とぴったり一致します。

　E = hν = hc/λ

• E: エネルギー（段差の幅）
• λ: 光の波長（色）

　段差が元素ごとに違うため、出てくる光の色も、その元素にしか出せない「指紋」のような固有のものになるのです。

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原子吸光分析との違いは何か

　原子吸光分析（AAS）との大きな違いは、「光の測り方」と「一度に測れる元素の数」にあります。ICPは「自ら発光する光」を測り、原子吸光は「吸い込まれた光」を測ります。

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主な違いの比較表

項目	ICP発光分析 (ICP-OES)	原子吸光分析 (AAS)
原理	試料が放出する光を測る（発光）	試料が吸収する光を測る（吸光）
光源	アルゴンプラズマ（約10,000℃）	炎（約2,000〜3,000℃）や電気炉
分析数	数十元素を同時に測定可能	基本は1元素ずつ順番に測定
測定範囲	非常に広い（低濃度〜高濃度）	狭い（特定の濃度域に強い）
コスト	装置・ランニングコスト共に高め	比較的安価で導入しやすい

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1. 測定の仕組みの違い

• ICP発光分析: 超高温のプラズマで原子を無理やり「興奮状態」にし、そこから出てくる光を直接測ります。電球が光るのを外から見るようなイメージです。
• 原子吸光分析: 外部から特定の色の光を当て、途中に置いてある原子がその光をどれだけ「邪魔（吸収）」したかを測ります。影の濃さを測るようなイメージです。

2. 使い分けのポイント

• ICPが向いている時: 「排水の中にどんな金属が何種類入っているか一気に知りたい」という場合や、大量のサンプルを素早く処理したい時に適しています。
• 原子吸光が向いている時: 「この水の中に『鉛』がどれくらい入っているかだけを、安く正確に知りたい」という場合、特定の元素に特化した原子吸光が効率的です。

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