機器分析　機器分析とは何か？どのような種類があるのか？

この記事で分かること

機器分析

　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。

分析方法はどのように分類されるのか

　分析の種類は、目的や手法によってさまざまな分け方ができます。

1. 定性分析と定量分析

• 定性分析: 物質に何が含まれているかを調べる分析です。
  • 例: 試料に鉄が含まれているか、食塩が含まれているかなどを特定します。
• 定量分析: 物質にどのくらいの量が含まれているかを調べる分析です。
  • 例: 飲料水中の鉛の濃度が1 ppmである、血液中の糖分が100 mg/dLであるなど、量を数値で示します。

2. 破壊分析と非破壊分析

• 破壊分析: 試料を化学的に分解したり、物理的に変化させたりして分析する方法です。
  • 例: 試料を酸に溶かして成分を分析する、燃焼させて生じたガスを分析するなど。
• 非破壊分析: 試料に手を加えることなく、そのままの状態で分析する方法です。
  • 例: X線CTスキャン、蛍光X線分析など。文化財や美術品の調査、製品の品質検査などで重要です。

3. マクロ分析とミクロ分析

• マクロ分析: 比較的大きな試料（グラム単位）を用いて分析する方法です。
• ミクロ分析: ごく微量な試料（ミリグラム、マイクログラム単位）を用いて分析する方法です。現代の機器分析では、このミクロ分析が主流となっています。

4. 機器分析と古典的な化学分析

• 機器分析: 物理的な性質（光の吸収、電気伝導度、質量など）を精密な機器で測定して分析する方法です。感度が高く、迅速に分析できる点が特徴です。
  • 例: ガスクロマトグラフィー、原子吸光分析、質量分析など。
• 古典的な化学分析: 化学反応を利用して分析する方法です。
  • 例: 滴定（濃度がわかっている試薬を加えて反応させ、その量から濃度を求める方法）や沈殿法（特定の成分を沈殿させ、その質量を測る方法）などがあります。

　これらの分類は相互に排他的なものではなく、例えば「機器分析による定量分析」や「非破壊的な定性分析」のように、組み合わせて用いられることが多いです。

機器分析にはどのようなものがあるのか

　機器分析は、物質の物理的・化学的性質を測定する原理によって、主に以下の種類に分類されます。

1. 分光分析

　物質と光（電磁波）の相互作用を利用した分析法です。物質が特定の波長の光を吸収、発光、散乱する性質を測定します。

• 紫外可視分光光度法（UV-Vis）: 物質が紫外光や可視光を吸収する度合いを測定し、濃度を決定します。
• 赤外分光法（IR）: 物質が赤外線を吸収するパターンから分子の構造を推定します。
• 原子吸光分析法（AAS）: 原子が特定の光を吸収する性質を利用し、微量の金属元素を定量します。

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2. 分離分析

　混合物から個々の成分を分離し、その量を測定する方法です。

• ガスクロマトグラフィー（GC）: 気体として揮発する成分を分離・分析します。
• 高速液体クロマトグラフィー（HPLC）: 液体として溶ける成分を分離・分析します。
• 質量分析法（MS）: 試料をイオン化し、質量と電荷の比（m/z）を測定して成分の分子量を決定します。クロマトグラフィーと組み合わせて、GC-MSやLC-MSとして利用されることが多いです。

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3. 電気化学分析

物質の電気的な性質（電位、電流など）を利用して分析します。

• pH測定: 水溶液中の水素イオン濃度を測定します。
• ボルタンメトリー: 電極に加える電圧を変えながら流れる電流を測定し、酸化還元反応を分析します。

これらの分析法は、食品、環境、医療、材料科学など幅広い分野で利用されています。

機器分析が重要である理由は何か

　機器分析が重要である理由は、主に「高感度・高精度」「迅速性」「客観性」「情報量の多さ」の4つに集約されます。

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高感度・高精度

　古典的な化学分析では検出が難しかった微量な物質でも、機器分析ならば高感度に検出できます。また、測定の精度が高いため、非常に小さな組成の違いも正確に把握できます。

　これは、環境汚染物質のモニタリング、食品中の微量な添加物の検出、医薬品の品質管理など、厳密な分析が求められる分野で不可欠です。

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迅速性と自動化

　多くの機器分析は、数分から数十分といった短い時間で結果を得ることができます。また、自動化されたシステムも多く、大量のサンプルを連続して分析することが可能です。

　これにより、製造ラインにおける品質管理や、医療現場での診断など、迅速な判断が求められる場面で大きな役割を果たします。

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客観性と信頼性

　機器分析は、人間の経験や勘に頼ることなく、物質の物理的・化学的性質を数値データとして客観的に測定します。

　これにより、誰が分析しても同じ結果が得られる再現性と信頼性の高いデータを提供できます。これは、科学研究の進歩や、法的証拠として分析結果が求められる分野で特に重要です。

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多様な情報の獲得

　機器分析を用いることで、単なる「何が含まれているか（定性）」や「どのくらい含まれているか（定量）」だけでなく、分子の構造、立体配置、結合状態など、より詳細な情報を得ることができます。

　これにより、未知の物質の特定や、新しい材料の開発など、科学技術のブレークスルーに不可欠な役割を担っています。

分光分析にはどのようなものがあるのか

　分光分析とは、物質に電磁波（光）を照射し、その相互作用（吸収、発光、散乱など）を測定することで、物質の成分や構造を調べる分析手法です。使用する電磁波の波長域によって、さまざまな種類に分けられます。

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1. 紫外可視分光光度法 (UV-Vis)

　物質が紫外線や可視光線を吸収する性質を利用します。溶液中の物質濃度を定量する際に最も広く使われる手法で、ランベルト・ベールの法則に基づいています。

• 原理: 物質の電子が、紫外・可視光のエネルギーを吸収して励起状態へ遷移します。
• 用途: 水質分析、食品の色素や添加物の定量、生化学分野でのDNA・タンパク質の濃度測定など。

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2. 赤外分光法 (IR)

　物質が赤外線を吸収する性質を利用します。特に有機化合物の構造解析に非常に有効です。

• 原理: 分子を構成する原子間の結合が、赤外線のエネルギーを吸収して振動運動（伸縮や屈曲）します。特定の結合（例: O-H、C=O）は固有の波長で吸収するため、そのパターンから官能基を特定できます。
• 用途: 有機化合物の同定、高分子材料の組成分析、異物分析など。

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3. 原子吸光分析法 (AAS)

　試料を高温で原子化し、その原子が特定の波長の光を吸収する現象を利用して、微量な金属元素を定量します。

• 原理: 原子化した試料に目的の元素が発する光を当てると、基底状態の原子が光を吸収し、吸光度から濃度を求めます。
• 用途: 環境水中の重金属分析、土壌や食品中のミネラル分析など。

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4. 蛍光X線分析法 (XRF)

　試料にX線を照射し、発生する蛍光X線のエネルギーや強度を測定して、元素の種類と量を調べます。

• 原理: 物質にX線を照射すると、内殻電子が弾き出され、外殻電子が空孔を埋める際に元素固有のエネルギーを持つ蛍光X線が発生します。
• 用途: 合金やセラミックスの組成分析、土壌の元素分析、文化財の非破壊分析など。

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5. 核磁気共鳴分光法 (NMR)

　原子核が強い磁場中にあるとき、特定の周波数の電磁波を吸収・放出する現象（核磁気共鳴）を利用し、分子の三次元構造を詳細に解析します。

用途: 有機化合物の構造決定、医薬品の品質管理、MRI（磁気共鳴画像法）にも応用されています。

原理: 特定の原子核（主に水素原子のプロトンや炭素13）は、化学的な環境によって共鳴周波数がわずかに異なるため、その違いから分子内の原子のつながりや立体構造を推定できます。