ICP発光分析の分光器　どのような仕組みなのか？シーケンシャル型とマルチチャンネル型の特徴は？

この記事で分かること

ICP発光分析の分光器

　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ICP発光分析の分光器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。

分光器とは何か

　分光器とは、一言で言えば「混ざり合った光を波長（色）ごとにバラバラに分ける装置」です。

　ICP発光分析においては、プラズマから出た複雑な光の中から、特定の元素が出す「固有の光」だけを見つけ出すための、いわば「超高性能なプリズム」の役割を果たします。

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1. 分光器の仕組み

　光を分けるために、主に「回折格子（グレーティング）」という、鏡の表面に1mmあたり数百〜数千本の細かい溝を刻んだ部品を使います。

1. 入射: 試料から出た光がスリット（細い隙間）を通って分光器に入ります。
2. 分散: 回折格子に当たった光は、その波長（色）によって反射する角度が変わるため、虹のように広がります。
3. 選別: 目的の元素が出す特定の波長の光だけを、検出器へと導きます。

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2. 測り方のタイプ：2つの分光方式

　ICP装置には、光の分け方によって大きく2つのタイプがあります。

方式	仕組み	メリット
シーケンシャル型	1つの回折格子を回転させ、1つずつ波長を選ぶ	分解能が高い。似た色の光が混じりやすい元素も正確に測れる。
マルチチャンネル型	固定された素子で、全波長を同時にキャッチする	スピードが速い。数十元素を一瞬で同時に測定できる。

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シーケンシャル型とは何か

　シーケンシャル型とは、測定したい元素の光（波長）「一つずつ順番に」選択して測定する方式です。

　分光器の中にある回折格子（グレーティング）をモーターで細かく回転させ虹のように広がった光のうち、目的の波長（色）だけがちょうど出口の隙間（スリット）に重なるよう角度を調整します。針の穴を通すような精密さで、狙った光だけを検出器に導きます。

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シーケンシャル型の主な特徴

• 高い分解能: 必要な波長に合わせて細かく調整できるため、隣り合う邪魔な光を避けて、特定の元素だけを正確に測る能力に長けています。
• 柔軟性: 測定条件を元素ごとに最適化（スリット幅の変更など）できるため、特殊なサンプルにも対応しやすいです。
• 時間はかかる: 元素が増えるほど、カチカチと切り替える待ち時間が発生するため、多元素分析では「マルチ型（同時分析型）」にスピードで劣ります。

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マルチチャンネル型とは何か

　マルチチャンネル型（マルチ型）とは、多数の元素から放出される複数の光を、すべて同時に検出・測定する方式です。

　光をあらかじめ縦横に大きく広げ、巨大な虹の地図のような状態にします。出口のスリットの代わりに、広範囲をカバーする半導体センサー（CCDなど）を置きます。センサー上の「この座標に届いた光は鉄」「あっちの座標は銅」というように、光が届く場所によって元素を判別します。

　分光器で虹状に分かれた光の全範囲を、広範囲をカバーできる半導体センサー（CCDやCIDなど）で一度に捉えているため、圧倒的なスピードを実現しています。

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マルチチャンネル型の主な特徴

• 圧倒的なスピード: 全波長を同時にキャッチするため、測定する元素が何種類あっても数分以内で完了します。
• 試料の節約: 短時間で測定が終わるため、消費する試料の量やガス代を大幅に抑えることができます。
• 全データの保存: 測定時にすべての波長データを取り込むため、後から「実はあの元素も入っていたか確認したい」となった場合でも、再測定なしで解析できる機種が多いです。

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シーケンシャル型の精度が必要な応用例は

　シーケンシャル型が「どうしても必要」とされるのは、以下のような主に「複雑な光の重なり（分光干渉）を極限まで排除し、正確さを追求したい」という用途です。

1. 希土類（レアアース）や遷移金属の分析

　レアアースやタングステン、鉄などは、放出する光（スペックトル線）の数が数千本と非常に多く、隣り合う元素の光と重なりやすいです。

• 理由: シーケンシャル型は分光器の「焦点距離」が長く、光をより細かく分ける力（分解能）に優れているため、密集した光の中から目的の波長だけをピンポイントで抽出できます。

2. 未知の不純物が含まれる特殊試料

　組成が一定でない研究開発用の新素材や、廃液などの分析です。

• 理由: 予期せぬ元素が干渉してきても、回折格子の角度を微調整して「干渉を避けた別の波長」をその場で探して測定できる柔軟性があります。

3. 法規制に関わる高精度な証明分析

　「0.01ppmの差が合否を分ける」ような、非常に厳しい精度が求められる場合です。

• 理由: マルチ型よりもスリット幅などの設定を元素ごとに最適化できるため、バックグラウンド補正の精度を高め、より信頼性の高い数値を出せます。

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