元素分析

元素分析（無機分析）の種類

無機分析の代表的な手法や分析装置の原理などを紹介します。

ICP質量分析法（ICP-MS：Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry）

誘導結合プラズマ質量分析とも呼ばれ、アルゴンのプラズマを使ってイオン化する質量分析法です。この方法では、ほとんどの元素を90%以上イオン化可能です。まず、試料溶液をエアロゾル（霧状）にし、プラズマに導入します。試料溶液中の元素は脱溶媒・気化・原子化の工程後イオン化され、サンプリングインターフェースを通って高真空の質量分析部中に引き込まれます。それをイオンレンズで集束し、質量分析計で分離して検出器で測定します。

ICP発光分光分析法 (ICP-AES：Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectroscopy)

高周波の誘導結合プラズマ（ICP）を光源とする発光分光分析法のことです。試料溶液をエアロゾルにし、高温アルゴンプラズマ中に導入して測定します。元素が基底状態に戻る際に放出する光を分光し、その波長から元素の定性を、強度から定量を行います。測定可能な元素の種類が多く、薄膜の金属元素を特定する組成分析にも用いられます。分析装置には、1つの元素を高い分解能で測定する「シーケンシャル型」や、複数のCCDで複数の元素を同時測定できる「マルチチャンネル型」があります。

原子吸光分析法（AAS：Atomic Absorption Spectrometry）

溶液化黒鉛炉またはフレーム内での噴霧で測定試料を加熱し、元素を原子化（原子蒸気化）します。そこに測定したい元素に合った波長の光を透過させると、基底状態の原子がその光を吸収して励起します。このときの測定元素の吸光度（光の吸収度）を基に元素濃度を測定します。なお、希酸水溶液を測定試料とするため、固体試料には適切な前処理が必要となります。また、試料の前処理や原子化にはさまざまな手法があります。

蛍光X線分析法（XRF：X-Ray Fluorescence Spectrometry）

X線（1次X線）を試料に照射したとき、励起される蛍光X線（2次X線）を検出して元素の定性・定量を測定する解析法です。試料がX線を受けると内殻電子が外殻に飛び出して空孔が生じます。その空孔を埋めようと電子が移動するエネルギー差で発生する元素固有の蛍光X線から元素を測定します。蛍光X線を分光結晶で分光して検出する「波長分散型蛍光X線（WDX）」や、半導体検出器で蛍光X線を検出する「エネルギー分散型蛍光X線（EDX）」があり、測定する元素によって使い分けられます。

レーザーアブレーションICP質量分析法（LA-ICP-MS：Laser Ablation Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry）

集光したレーザー光を固体試料の表面に照射し、蒸発させて微粒子化します。それをキャリアガスを使ってプラズマ内に導入し、分解・イオン化。そのイオンを質量分析計で測定することで、試料の局所的な部分の元素について調べることができます。

これらのほかにも、水溶液中の無機イオン・低分子有機酸・低分子アミン類の定性・定量を調べる「キャピラリー電気泳動法（CE：Capillary Electrophoresis）」や、水抽出した固体試料や溶液捕集した気体試料中の酸や塩基を測定する「イオンクロマトグラフィー（IC：Ion Chromatography）」などがあります。

LIBS解析による元素分析（無機分析）

ここまで紹介した各分析手法は、いずれも試料の前処理や検出器への導入、真空引きなどの手順に多くの時間や手間を要すことが大きな課題です。また、前処理やプロセスの難易度が高く分析者の熟練度が問われ、人員確保の問題につながります。以下では、工業材料などの無機分析における試料の前処理やプロセスの課題を解決し、無機分析を大幅に簡易化する「LIBS解析」の原理や特徴、種類、用途などについて説明します。

LIBS解析とは

LIBSとは、レーザー誘起ブレークダウン分光法（LIBS：Laser Induced Breakdown Spectroscopy）のことで、発光分析法を使った無機分析の手法の1つです。レンズや反射光学系での集束によって高いエネルギー密度を持った短パルスレーザーを試料表面に照射することで、わずかに削られた試料表面をプラズマ化してサンプリング・原子化・励起を行います。レーザーを照射した部分が基底状態に戻るとき、放出される光の波長と強度を分光器やCMOSなどの受光素子を用いて測定することで、そのデータから試料が含有する各元素の定性・定量分析を可能とします。

LIBS解析の特徴や用途、装置の種類

LIBS解析では、固体試料を試料溶液などにする前処理や蒸留・噴霧、真空引き、キャリアガスなどを使った検出器への導入といったプロセスが不要です。固体試料であればそのままの状態で無機分析を開始できるため、他の分析手法と比べて多くの手間や時間、高い熟練度を要すことなく元素分析が可能です。また、解析装置は小型化が可能であるため、屋外など特定の用途では携行できるハンドヘルドタイプのLIBS解析装置が用いられることもあります。また、インラインでの原材料の選別などに応用されるケースもあります。一般的には、研究開発や材料の受入検査、製造工程での品質管理、品質保証などを目的に、マイクロスコープとLIBS解析装置を併用して観察や解析、元素分析を行うことで、対象物の外観から状態、成分構成までを確認します。なお、マイクロスコープとLIBS解析装置が一体になったタイプであれば、観察・解析・元素分析をシームレスに実行できるため、作業効率が飛躍的に向上します。

高速なLIBS解析が可能なレーザ元素分析ヘッド EA-300シリーズをキーエンスのデジタルマイクロスコープ VHXシリーズに装着することで、観察光学系・レーザー光学系・分光光学系のトリプル光学系を実現。高解像度な観察と高精度な測定・解析に加え、LIBS解析による元素分析までを1台でシームレスに実行可能です。従来は、顕微鏡で観察した試料に前処理を施し、専門性の高い分析装置で元素分析する必要があり、多くの手間と時間、高い技能を要しました。一方、レーザ元素分析ヘッドを装着したVHXシリーズなら、拡大観察から2次元・3次元測定やコンタミカウントなどの自動解析、そして前処理不要のLIBS解析までを1台でリアルタイムかつ簡単な操作で実行できます。

レーザ元素分析ヘッド EA-300シリーズをデジタルマイクロスコープ VHXシリーズに装着することにより、レーザ対物レンズとマイクロスコープレンズがスライド移動することで同じ視野を共有できる「視野/フォーカス連動機構」を構築。これにより、元素分析時の位置合わせとピント調整が不要になりました。目的に最適なズームレンズを接続することで、低倍率から高倍率まで、あらゆる用途や対象物で効率的な分析作業が実現します。従来のように観察と解析装置が別の場合、観察箇所と元素分析として試料化する箇所を一致させることが困難でしたが、観察画面を見ながらクリック操作するだけで目的の位置での元素分析が可能なため、従来の位置ズレを解消することができます。

デジタルマイクロスコープ VHXシリーズでのLIBS解析を用いた元素分析を可能とするレーザ元素分析ヘッド EA-300シリーズは、内部データベースに数千種類の元素パターンを保有しています。AI（人工知能）はその膨大なデータベースを使って検出した元素はもちろん、その物質名までを瞬時にサジェストします。物質データは階層で構成され、総称から固有の名称、さらにはその説明まで表示し、簡単に確認できます。また、自社での分析結果を蓄積していくことで、過去に同様の異物が検出された履歴を検索することも可能です。これにより、専門知識を持たない人でも分析対象の物質を瞬時に判断することが可能です。