JP2005172755A

JP2005172755A - ヒ素測定法

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Publication number: JP2005172755A
Application number: JP2003416575A
Authority: JP
Inventors: Emiko Kaneko; 恵美子金子; Keisuke Morita; 啓介森田; Junichi Isoe; 準一磯江
Original assignee: Tohoku Techno Arch Co Ltd
Current assignee: Tohoku Techno Arch Co Ltd
Priority date: 2003-12-15
Filing date: 2003-12-15
Publication date: 2005-06-30

Abstract

【課題】環境水中存在するヒ素は健康被害の大きな原因となることから、その簡便、安価なフィールド分析にも適した測定法の開発は急務である。
【解決手段】検体を含有する試料溶液に強酸性下でモリブデン酸イオン及び酸化剤を加えてヒ素(V)と反応させた後、カチオン性色素エチルバイオレット溶液を加え、安定な青色のイオン会合体を形成させると、フリーのエチルバイオレットだけがプロトン付加の進行に伴って無色のカルビノール構造体に変化することから、バックグラウンドの影響を受けることなく、水中のppbレベルの微量のヒ素であっても目視または簡便な装置を用いて検出を行うことが可能となる。
【選択図】なし

Description

本発明は、水性液中にある環境汚染有害物質の検知・測定法に関する。より具体的には、本発明は環境水中に存在する微量のヒ素の測定法に関する。特には、本発明はフィールド分析法として利用可能な微量のヒ素の簡易分析法、そのための試薬セット並びにヒ素の簡易分析技術に関する。

ヒ素は飲料水などの有害汚染物質として特に注目を集めると共に優先的にその検出・測定を図るものとされている物質である。高濃度にヒ素を含有している飲料水を摂取している人々の間では健康上での危険性が非常に問題となるということが見出されてより、井戸水など飲料水を含めて環境にある水の中に含まれるヒ素を分析し、それが存在するか否か、さらには存在するヒ素の量（濃度）はどの程度のものであるかを測定・検知することが大きな課題となっている。また、対象が非常に広範にわたり且つ種々様々なものであることから、安価且つ簡易に測定でき、さらに現場での測定（フィールド分析）ができることや誰でもが行えるような技術の開発が緊急の課題とされている。

現在、環境試料中のヒ素濃度の測定は、主として吸光光度法、原子吸光法、ICP法などの機器分析法により行われている。しかし、汚染状況を現地で迅速に把握するためには、これらの機器分析法を適用することは実際上不可能である。フィールド分析法として利用可能な従来の簡易分析法としては、1879年にG.
Gutzeitにより開発されたグッツアイト法(Gutzeit test)がある（非特許文献１）。この方法は、溶存状態のヒ素を還元剤によって還元して反応性の高い水素化物（アルシン;
AsH₃) としてガス化（還元気化）し、次いで臭化水銀含浸紙と反応させ、生ずる褐色の呈色を標準色と比較して目視定量する手法である。しかし、本法はその操作が煩雑であるため測定実施者の熟練を必要とし、また還元気化によって発生するアルシンは極めて毒性が高く衛生上非常に問題であるだけでなく、さらにその測定には水銀を大量にしみ込ませた試験紙を用いる点で、二次汚染など多くの問題を抱えている。

もう一つの代表的な方法であるモリブデン青法は、試料にモリブデン酸を添加してヘテロポリ酸を形成させ（モリブデンイエロー）、次にそれを還元したときの青色の発色（モリブデンブルー）を比色定量するものであるが、感度が低く選択性に欠けるため、微量ヒ素測定への適用は事実上困難である。

http://bicn.com/acic/resources/infobank/dch98-12conf/paper2-3.htm

近年、ヒ素に汚染された地下水などの長期的な摂取による健康被害が大きな社会問題となっている。特にバングラデシュ、インドの西ベンガル地方では、世界保健機関(WHO)の環境基準(0.01
ppm)を遥かに越えるppmレベルのヒ素を含む井戸水が数多く存在し、ヒ素に汚染された地下水の飲用によって数千万人規模の人々が苦しんでいる現状にある。バングラデシュにおけるだけでも井戸の数は800万本ともいわれ、そのすべてを測定するためには莫大な費用と時間が見込まれる。安価な除ヒ素剤が開発されているものの、除去装置の導入に際しては事前の調査と日常的なモニタリングが不可欠であり、フィールド分析に対応可能な測定法の開発が早急に求められている。また、農用地の土壌、鉱山廃坑に由来する河川水及び底質のヒ素汚染、及び温泉水中のヒ素濃度モニタリングに関しても高いニーズがある。かくして、簡便でありながら、ppb
レベルで水中に存在する微量のヒ素を測定するための安価な技術の開発が求められている。

本発明は、地下水中の高濃度ヒ素をはじめとして、環境汚染などで世界各地で深刻な問題とされ且つフィールド分析法の開発が早急に求められているヒ素分析を、簡便且つ高感度に検出することを可能にする技術を提供する。
本発明者等は、簡便で且つ安価でありながら、フィールド分析を可能とする水中などに存在する微量のヒ素の分析・定量法を開発すべく鋭意研究を進めた結果、カチオン性色素であるエチルバイオレット(Ethyl
Violet)が、強酸性の条件下モリブドヒ酸イオンと安定な青色のイオン会合体を形成することを見出し，さらには過剰の色素はプロトン付加反応により徐々に無色のカルビノール構造に変化してブランク色も抑制できることを見出し、高感度な水中微量ヒ素検出・定量法を完成せしめた。

検体を含有する試料溶液に強酸性下でモリブデン酸イオン及び酸化剤を加えてヒ素(V)と反応させた後、カチオン性色素エチルバイオレット溶液を加え、安定な青色のイオン会合体を形成させると、フリーのエチルバイオレットだけがプロトン付加の進行に伴って無色のカルビノール構造体に変化することから、バックグラウンドの影響を受けることなく、水中のppbレベルの微量のヒ素であっても目視または簡便な装置を用いて検出を行うことが可能となることを見出した。

本発明は、以下のものを包含する。
〔１〕検体を含有する試料溶液に強酸性下でモリブデン酸イオン及び酸化剤を加えてヒ素(V)と反応させた後、カチオン性色素エチルバイオレット溶液を加え、青色イオン会合体を形成せしめ、得られた溶液の色を該青色イオン会合体を指標として比色することで溶液中のヒ素を測定することを特徴とするヒ素測定方法。
〔２〕比色を目視測定で行うか、あるいは612 nmにおける吸光度を測定することによって行うことを特徴とする上記〔１〕記載の方法。
〔３〕標準試料と比色して定量することを特徴とする上記〔１〕又は〔２〕記載の方法。
〔４〕塩酸、硫酸又は硝酸を使用して強酸性条件を達成することを特徴とする上記〔１〕〜〔３〕のいずれか一に記載の方法。
〔５〕酸化剤が、ヨウ素酸カリウム又は過酸化水素であることを特徴とする上記〔１〕〜〔４〕のいずれか一に記載の方法。
〔６〕モリブデン酸イオン源が、モリブデン酸アンモニウムであることを特徴とする上記〔１〕〜〔５〕のいずれか一に記載の方法。
〔７〕試料溶液が、水性溶液であることを特徴とする上記〔１〕〜〔６〕のいずれか一に記載の方法。
〔８〕検体を含有する試料溶液中のヒ素を測定するための試薬であって、試料溶液を強酸性にすることのできる強酸、モリブデン酸イオン源、カチオン性色素エチルバイオレット、及びヒ素を５価の化学形態にするに十分な量の酸化剤を含有することを特徴とするヒ素測定試薬又は試薬セット。

本発明の手法では、特殊な技術や高価な測定機器を必要とすることなく、ppb レベルで水中に存在する微量のヒ素を定量することを可能にし、簡便且つコストパフォーマンスに優れており、フィールド分析への応用が可能である。
本発明のその他の目的、特徴、優秀性及びその有する観点は、以下の記載より当業者にとっては明白であろう。しかしながら、以下の記載及び具体的な実施例等の記載を含めた本件明細書の記載は本発明の好ましい態様を示すものであり、説明のためにのみ示されているものであることを理解されたい。本明細書に開示した本発明の意図及び範囲内で、種々の変化及び／又は改変（あるいは修飾）をなすことは、以下の記載及び本明細書のその他の部分からの知識により、当業者には容易に明らかであろう。本明細書で引用されている全ての特許文献及び参考文献は、説明の目的で引用されているもので、それらは本明細書の一部としてその内容はここに含めて解釈されるべきものである。

ヒ素を含有する検体を酸化剤で処理する。検体中のヒ素はすべてが５価のヒ素になる。そして該５価のヒ素を含有する溶液を強酸性下にモリブデン酸化合物、例えばモリブデン酸アンモニウムなどを加え、さらにカチオン性色素、例えばエチルバイオレットを反応させると、５価のヒ素とモリブデン酸とエチルバイオレットからなる安定な青色のイオン会合体が形成される。ヒ素イオンと反応していない過剰の色素は混合液中にあるプロトンにより無色化し、前記青色を指標にヒ素の検知・測定を可能とする。特に定量測定も簡易に実施できる。
検体を含む試料溶液に、ヨウ素酸塩、例えばヨウ素酸カリウムなどを加え、それに強酸、例えば、塩酸などを添加した後、モリブデン酸化合物、例えばモリブデン酸アンモニウムなどを加え、こうして得られた混合物中にエチルバイオレット溶液を加えると、安定な青色のイオン会合体を形成する。一方、過剰の色素はプロトン付加の進行に伴って無色のカルビノール構造体に変化し、したがってブランク色を抑制できることとなり、均一溶液中で該イオン会合体を直接目視により検出・測定できる。

ヒ素はいくつかの酸化状態で存在していることが見出されている。代表的には、ヒ素は水性液中で＋５の酸化状態(As⁵⁺; ５価のヒ素) や＋３の酸化状態(As³⁺;
３価のヒ素) で存在している。ヒ素はメチル化ヒ素化合物などの有機態ヒ素化合物としても存在していることも認められている。一般的な天然水の場合、殆どが無機形態で存在している。
３価のヒ素化合物の例としては，ハロゲン化物（例えば、AsCl₃, AsCl₂ ⁺, AsF₃など)
が挙げられる。該ハロゲン化物は容易に加水分解せしめられて亜ヒ酸(H₃AsO₃)あるいはその亜ヒ酸に関連した形態のもの（例えば、HAsO₂ ^2-など)
になる。その酸化形態のものはAs₂O₃である。水性液中での３価のヒ素化合物は、たいていはH₃AsO₃のイオン化されている形態で存在している。本発明細書では、まとめてそれらを「３価のヒ素」と称している。
As^IIIは濃硝酸で酸化されて５価のヒ素であるヒ酸(H₃AsO₄・1/2H₂Oとして単離することが可能)
を生ずる。相当するハロゲン化物としては、例えば、AsCl₅, AsCl₄ ⁺などが知られている。水性液中での５価のヒ素化合物は、たいていはH₃AsO₄のイオン化されている形態で存在している。本発明細書では、まとめてそれらを「５価のヒ素」と称している。

本明細書中、「酸化剤」としては水性液中にいろいろな酸化状態で存在しているヒ素を＋５の酸化状態(ヒ素(V))にすることにできるものであり、本エチルバイオレット・モリブデン酸イオン・ヒ素(V)
のイオン会合体の形成並びに安定性に関してヒ素測定に実質的な悪影響を及ぼさないものであるかぎり限定されない。酸化剤は当該分野で容易に入手できるものから選ばれてよく、さらに安価なものが好ましい。また酸化剤は安全の面の考慮が払われてそれを選択することが好ましい。酸化剤としては、ヨウ素酸塩、例えばヨウ素酸カリウム(KIO₃)、ヨウ素酸ナトリウム(NaIO₃)、ヨウ素酸カルシウム、ヨウ素酸亜鉛、ヨウ素酸水溶液など、次亜塩素酸塩、例えば次亜塩素酸ナトリウム、次亜塩素酸カリウムなど、塩素酸塩、例えば塩素酸ナトリウム、塩素酸カリウム、塩素酸アンモニウム、塩素酸バリウム、塩素酸カルシウムなど、過ヨウ素酸塩、例えば過ヨウ素酸カリウム、過ヨウ素酸ナトリウムなど、過塩素酸塩、例えば過塩素酸ナトリウム、過塩素酸カリウム、過塩素酸アンモニウムなど、臭素酸塩、例えば臭素酸ナトリウム、臭素酸カリウム、臭素酸マグネシウムなど、硝酸塩、例えば硝酸ナトリウム、硝酸カリウム、硝酸アンモニウムなど、過酸化水素、例えば過酸化水素水など、ペルオキシ硫酸及びその塩、例えば、ペルオキシ硫酸ナトリウムなどが挙げられるが、ヨウ素酸カリウムを好適に使用できる。酸化剤は水溶液として使用するのが好ましい。

本発明では強酸性条件は強酸を溶液に添加することで達成できる。該強酸としては、当該分野で知られたものからそれを選択して使用できるが、好ましくは容易に入手できるものから選ばれてよく、さらに安価なものが好ましい。また強酸は安全の面の考慮が払われてそれを選択することが好ましく,
希釈水溶液の形態で使用することができる。該強酸としては、本エチルバイオレット・モリブデン酸イオン・ヒ素(V) のイオン会合体の形成並びに安定性に関してヒ素測定に実質的な悪影響を及ぼさないものであるかぎり限定されないし、また未反応のエチルバイオレットに対しプロトン付加を進行せしめて無色のカルビノール構造のエチルバイオレットにする作用を有するものを使用できる。該強酸としては、例えば、塩酸、硫酸、硝酸などが挙げられるが、塩酸、特には希塩酸水溶液を好適に使用できる。

本発明ではモリブデン酸イオンは、モリブデン酸またはモリブデン酸塩化合物を含有する溶液を添加することで供給でき、モリブデン酸塩化合物としてはモリブデン酸アンモニウム、モリブデン酸ナトリウム、モリブデン酸カリウム、モリブデン酸リチウムなどが挙げられ、モリブデン酸アンモニウムの水溶液を好適に使用できる。
検体としては、ヒ素を含有している疑いのあるものであればそのすべてを対象として包含され、例えば、井戸水、地下水、河川水、小川あるいは溝の水、湖沼の水、土壌などヒ素を含有している疑いのあるものから抽出されたりした水溶液などが挙げられる。
試料は本発明のヒ素測定法を適用するにあたり、前処理を施すことも可能である。該前処理としては，妨害物質を除くことが挙げられ、例えば、イオン交換樹脂などにより処理したりすることが挙げられる。例えば、リン酸イオンを豊富に含むような試料水などでは、アニオンイオン交換樹脂で試料を前処理することが好ましい。
本発明のヒ素測定法では、共存するヒ素以外の様々なイオンによる妨害を防いだり、あるいは悪影響を低くする目的で，キレート化剤、マスキング剤などを添加することもこの鵜である。こうしたキレート化剤やマスキング剤としては、当該分野で知られたものからそれを選択して使用できるが、好ましくは容易に入手できるものから選ばれてよく、さらに安価なものが好ましい。さらに、所要の測定に実質的な悪影響を及ぼさないものであるかぎり限定されない。
検体を含む試料溶液に、ヨウ素酸塩、例えばヨウ素酸カリウムなどを加え、それに強酸、例えば、塩酸などを添加した後、モリブデン酸化合物、例えばモリブデン酸アンモニウムなどを加え、こうして得られた混合物中にエチルバイオレット溶液を加えると、安定な青色のイオン会合体を形成する。一方、過剰の色素はプロトン付加の進行に伴って無色のカルビノール構造体に変化し、したがってブランク色を抑制できることとなり、均一溶液中で該イオン会合体を直接目視により検出・測定できる。
本発明の測定方法を個々の試験試料などに適用するにあたっては、特別の条件、操作等の設定は必要とされない。それぞれの方法における通常の条件、操作法に当業者の通常の技術的配慮を加えて、本発明の当該対象物質あるいはそれと実質的に同等な物質に関連した測定系を構築すればよい。
これらの一般的な技術手段の詳細については、当該分析分野で知られた、総説、成書などを参照することができる。

以下に実施例を掲げ、本発明を具体的に説明するが、この実施例は単に本発明の説明のため、その具体的な態様の参考のために提供されているものである。これらの例示は本発明の特定の具体的な態様を説明するためのものであるが、本願で開示する発明の範囲を限定したり、あるいは制限することを表すものではない。本発明では、本明細書の思想に基づく様々な実施形態が可能であることは理解されるべきである。
全ての実施例は、他に詳細に記載するもの以外は、標準的な技術を用いて実施したもの、又は実施することのできるものであり、これは当業者にとり周知で慣用的なものである。

検体である亜ヒ酸(III)及びヒ酸(V)などを含有する試料溶液に4×10^-2 mol/dm³の濃度のヨウ素酸カリウム液を150
μl（最終濃度: 1.2×10^-3 mol/dm³) 混和し、その後6.85 mol/dm³の濃度の塩酸を250
μl（最終濃度: 0.343 mol/dm³)混和し、次に3.15 ×10^-2 mol/dm³の濃度のモリブデン酸アンモニウムを254
μl（最終濃度: 1.6×10^-3 mol/dm³) 混和した。最後に1.3×10^-4
mol/dm³の濃度のエチルバイオレットを166 μl（最終濃度: 3.8×10^-5 mol/dm³)
添加して全量を5 mlとした。30分間静置後、目視で比色して定量した。612 nmにおける吸光度を測定することによっても定量した。
標準的な操作を図１に示す。

エチルバイオレットの特性を調べた結果を図２、３及び４に示す。図２には、エチルバイオレット水溶液の吸収スペクトル特性を示し、図３及び４にはエチルバイオレットの吸収スペクトルがそのプロトン付加により変化する様子を示す。プロトン付加により吸収が消失していくことが観察されている。図２では2.6×10^-7
mol/dm³の濃度のエチルバイオレット水溶液で測定し、図３ではエチルバイオレットの濃度は4.34×10^-6
mol/dm³で塩酸の濃度は0.343 mol/dm³の水溶液で測定したものである。
エチルバイオレットの化学種について図５に示す。青紫色を示すキノイド型の構造体からプロトン付加に伴って黄色あるいは青色の化学種のもの、さらには無色のカルビノール型の構造体のものとなる。

試薬濃度として最適な範囲を選択するために各試薬の添加量に応じた挙動を調べた結果を図６〜８に示す。ヒ素濃度 100 ppbと比較した値を示す。図６では、[KIO₃]_T:
0.002 mol/dm³, [Molybdate]_T: 1.6×10^-3 mol/dm³,
[EV]: 3.8×10^-5 mol/dm³の条件下に塩酸の添加量を変えてその吸収に及ぼす影響を調べた。図７では、[KIO₃]_T:
0.002 mol/dm³, [HCl]: 0.34 mol/dm³, [EV]: 3.8×10^-5
mol/dm³の条件下にモリブデン酸アンモニウムの添加量を変えてその吸収に及ぼす影響を調べた。図８では、[KIO₃]_T:
0.002 mol/dm³, [HCl]: 0.34 mol/dm³, [Molybdate]_T:
1.6×10^-3 mol/dm³の条件下にエチルバイオレット(EV)の添加量を変えてその吸収に及ぼす影響を調べた。
以上の結果、典型的なヒ素分析条件としては、塩酸 0.34 mol/dm³,モリブデン酸アンモニウム 1.6×10^-3
mol/dm³, エチルバイオレット 3.8×10^-5 mol/dm³が選択される。

本ヒ素測定方法のヒ素濃度依存性について調べた結果を図９〜１１に示す。測定条件は、[KIO₃]_T: 0.002
mol/dm³, [HCl]: 0.34 mol/dm³, [Molybdate]_T:
1.6×10^-3 mol/dm³, [EV]: 3.8×10^-5 mol/dm³の条件下に行った。図９は吸光度測定の結果を示し、図１０は目視した場合の色調を示す。図１０におけるブランクでは無色の色調で、ヒ素濃度が高くなるに従い（右側になるに従い）青色が濃くなる。図１１には本ヒ素測定方法での612
nmにおける吸収とヒ素濃度との関係が示されている。本ヒ素測定方法を実施した結果、現在のところ得られたその目視定量並びに吸光光度法でのヒ素検出限界をまとめたものを表１に示す。

次に、本ヒ素測定方法において共存するヒ素以外のイオンの及ぼす影響につき調査した結果を表２にまとめて示す。測定条件は上記と同様にして行い、それぞれのイオンを100
μg/dm³のヒ素含有水溶液に添加したもので測定した。SiO^2-ではマスキング剤としてフッ化ナトリウムを1.33×10^-6
mol/dm³添加し、PO^3-ではアニオン交換樹脂による前処理を行った後測定した。共存イオンの種類に関係なく、必要に応じてマスキング剤を添加したり、イオン交換樹脂などによる前処理を加えるなどして、本ヒ素測定方法を行うことにより定量可能であることが確かめられた。

環境中の水を試料として使用して、本ヒ素測定方法を行った結果を表３に示す。測定条件は上記と同様にして行い、検体として使用した水道水並びに地下水のすべてにおいてはヒ素が検出されないものであったので、それにそれぞれの濃度となるようにヒ素を添加したもので試験を行った。その結果天然の水試料においても本ヒ素測定方法で定量可能であると判断された。

上記ヒ素測定法は、簡単な操作及び安価な試薬の使用で、微量のヒ素の定量測定を可能としており、目視で定量が可能なこととあいまって、迅速かつ簡便である一方で、高い感度のヒ素の測定ができることから、環境中のヒ素濃度をモニタリングするフィールド分析法としてそれを用いることができる。さらに、本発明の方法及び試薬は、有害な水銀化合物を扱うものでなく、さらに非常に有害なアルシンを生成することもない安全性の高い技術であるという利点もある。

本発明は、高感度でありながら、簡便且つ安価なヒ素検出法を提供し、さらにその方法は定量測定も可能であり、現在多くの国々（発展途上国を含めた国々）で緊急課題となっている飲料水中のヒ素のテスト法として、また鉱山廃坑に由来する河川水中の汚染のモニタリングなどのために有用である。
本発明は、前述の説明及び実施例に特に記載した以外も、実行できることは明らかである。上述の教示に鑑みて、本発明の多くの改変及び変形が可能であり、従ってそれらも本件添付の請求の範囲の範囲内のものである。

本発明のヒ素測定方法の標準的な操作工程を示す。エチルバイオレットの特性（エチルバイオレット水溶液の吸収スペクトル特性）を示す。エチルバイオレットの特性（プロトン付加に伴うエチルバイオレット水溶液の吸収スペクトルの変化）を示す。エチルバイオレットの特性（プロトン付加に伴うエチルバイオレット水溶液の吸収スペクトルの変化）を示す。エチルバイオレットの化学種を示す。試薬濃度の最適化を示す。塩酸の添加量を変えた場合である。試薬濃度の最適化を示す。モリブデン酸イオンの添加量を変えた場合である。試薬濃度の最適化を示す。エチルバイオレットの添加量を変えた場合である。本発明のヒ素測定方法での吸光度測定の結果を示す。本発明のヒ素測定方法での目視判定での色調を示す。本発明のヒ素測定方法での612 nmにおける吸収とヒ素濃度との関係を示す。

Claims

検体を含有する試料溶液に強酸性下でモリブデン酸イオン及び酸化剤を加えてヒ素(V)と反応させた後、カチオン性色素エチルバイオレット溶液を加え、青色イオン会合体を形成せしめ、得られた溶液の色を該青色イオン会合体を指標として比色することで溶液中のヒ素を測定することを特徴とするヒ素測定方法。
比色を目視測定で行うか、あるいは612 nmにおける吸光度を測定することによって行うことを特徴とする請求項１記載の方法。
標準試料と比色して定量することを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
塩酸、硫酸及び硝酸からなる群から選択された強酸を使用して強酸性条件を達成することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一に記載の方法。
酸化剤が、ヨウ素酸カリウム又は過酸化水素であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一に記載の方法。
モリブデン酸イオン源が、モリブデン酸アンモニウムであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一に記載の方法。
検体を含有する試料溶液中のヒ素を測定するための試薬であって、試料溶液を強酸性にすることのできる強酸、モリブデン酸イオン源、カチオン性色素エチルバイオレット、及びヒ素を５価の化学形態にするに十分な量の酸化剤を含有することを特徴とするヒ素測定試薬又は試薬セット。