JP4641242B2

JP4641242B2 - 試料分析前処理方法、試料分析前処理用ｐＨ指示薬及び試料分析前処理用キット

Info

Publication number: JP4641242B2
Application number: JP2005289656A
Authority: JP
Inventors: 秀之坂元; 和子山本; 明米谷; 俊浩白崎; 哲義小野; 嘉則井上
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2005-10-03
Filing date: 2005-10-03
Publication date: 2011-03-02
Anticipated expiration: 2025-10-03
Also published as: JP2007101287A

Description

本発明は試料分析前処理方法、試料分析前処理用ｐＨ指示薬及び試料分析前処理用キットに関する。

本発明の応用例としては、例えば、試料の前処理を行う際、指示薬を用い目視あるいは操作が容易な装置により試料のコンディションを認識することにより、簡便に試料を最適状態にするまでの時間を短縮する。また、前処理途中で指示薬を回収し、前処理後に得られる試料へ指示薬が残留することを抑制し、測定結果の信頼性を確保するものである。ここで指示薬とは酸塩基指示薬であり、水溶液のｐＨのある範囲に変色範囲を持つ物質で、その範囲内ではｐＨに対応して異なる呈色を示し、ｐＨの測定及び中和滴定の終点判定に利用されるものである。

河川水、湖沼水、土壌等の微量金属を固相抽出法で前処理するときの例を説明する。この例では操作として、試料のｐＨを５．５に調整し（コンディショニング）、固相抽出カラムに試料を流し、目的成分を得る（前処理）過程に分けられる。

前処理において、初めに試料採取を行い、ｐＨを測定する。ｐＨが目的の５．５である場合は、試料を再度採取し、前処理用試料とする。尚、再度試料を取得する理由はｐＨ測定時にｐＨ電極が試料に接触するため、汚染が起こり、最終的な分析値に誤差が生じる可能性があるので、これを防ぐためである。

ｐＨが５．５でなかった場合は、再度試料を取得し、測定したｐＨから推測し、ｐＨ調整のために硝酸あるいはアンモニアなどの試薬を添加し、ｐＨを測定する。ｐＨが５．５とならなかった場合は、再度これらの作業を繰り返し、ｐＨが５．５となるまで調整を続ける。ｐＨが５．５となれば、試料を再度採取し、ｐＨ調整時に添加した試薬の最適量を添加し、前処理用試料とする。

従来法の場合、最適ｐＨとなるまで試料を採取し試薬添加量を調査するため、試料量が少ないものでは充分な検討を行うことができない場合がある。また、間接的にｐＨ調整を行い、実際に前処理に使用する試料では汚染などの原因からｐＨ確認はできない為、再現性よく試薬を添加できなかったことに気づかなかった場合、前処理の失敗につながる。

このような不安要因を抱えた状態の試料を固相抽出カラムに通液し、目的成分をカラムに捕捉させ、溶出液により捕捉された目的成分を溶出させ、試料溶液を採取し、分析装置で目的成分の分析を行う。

特許文献１においては、被検水、ｐＨ指示薬及び酸とを混合し、アルカリ度を比色測定することが開示されているが、被検水中の金属イオンを吸着し、前処理することは開示していない。

特開２００４−２６４１３９号公報

試料の前処理を行う場合、試料のコンディションを整える操作が発生する。コンディション調整を行うには試料の一部を採取し、試薬を添加するなどの操作を行い、最適なコンディションになり得るか否かを確認することを行う。この場合、最適なコンディションとなるまでトライアンドエラーを繰り返す。

しかし、最適な状態であることを確認する為の方法が複雑な操作を必要とする装置により行う方法の場合、最適化までに非常に多くの時間を費やす。また、試料量が少量である場合これらのトライアンドエラーを充分に行うことができず、充分な最適化を行うことができない場合もある。

コンディショニングを行う際、状態を識別する為の試薬を添加する場合もあるが、方法によってはその試薬が前処理終了後の試料にも残留し、測定結果に影響を与えることもあり、その方法を採ることができないことも多々ある。本発明は、ｐＨ指示薬を用いて、目視あるいは装置で試料のｐＨ状態を知り、次いで測定に影響を与える指示薬を前処理の段階で除去することを目的とする。

本発明は、分析対象物質を含む試料液とｐＨ指示薬とを接触して、その呈色に基づいて必要な試料液のｐＨ調整を行い、次いで試料中に含まれる目的の分析対象物質及び前記指示薬を捕捉する吸着剤に前記試料液を接触して、前記吸着剤に前記分析対象物質及び指示薬を捕捉する工程を含むことを特徴とする試料分析前処理方法を提供するものである。

また、本発明は、呈色ｐＨ域が互いに異なるが，互いに近接する２種以上の指示薬であって、それらが試料液中で共存して目的のｐＨ域において特徴的な呈色を示すことができることを特徴とする試料分析前処理用指示薬を提供するものである。

更に本発明は、目的のｐＨ域において特徴的な呈色を示す分析用指示薬と、金属イオン及び指示薬を捕捉し得るポリマーを保持した容器とを備えることを特徴とする試料分析前処理用キットを提供するものである。

本発明によれば、試料中の目的の金属又は金属イオンを簡単なコンディショニング方法で吸着・捕捉し、かつ目的の金属又は金属イオンの分析に障害となる物質を簡単に分離する方法、試薬及び分析キットを提供することができる。

以下、本発明の好ましい実施形態について簡単に説明する。本発明において、前記指示薬が、呈色ｐＨ域が互いに異なる２種以上の指示薬を含み、それらが試料液中で共存して目的のｐＨ域において特徴的な呈色を示すものであることが好ましい。また、前記分析対象物は金属イオンであることが好ましい。

前記指示薬は呈色ｐＨ域が異なるが、呈色域が近接する２種以上であり、それらが試料液中で共存して、目的のｐＨ域において特徴的な呈色を示すことが好ましい。前記吸着剤はベンゼン環及びカチオン交換基を含むことが好ましい。

前記吸着剤のカチオン交換基と金属イオンは錯体を形成することが好ましい。前記指示薬はベンゼン環を含み、前記吸着剤はベンゼン環を含むポリマーであることが好ましい。

指示薬の呈色による試料液のｐＨの判定を目視により行うことができる。指示薬の呈色による試料液のｐＨの判定を分光光度計等により行うことができる。

本発明においては、種々のｐＨ指示薬のｐＨ測定範囲を知り、目的のｐＨ値を持つ指示薬を選択することにより、コンディショニングを実施することができる。ｐＨ指示薬のｐＨ測定範囲の例が表１に示されている。

表１に示したｐＨ指示薬及びｐＨ測定範囲は、アドバンテック（ＡＤＶＡＮＴＥＣ）社のカタログに記載されたものである。

本発明の特に好ましい実施形態としては、分析対象金属イオンを含む試料液と呈色ｐＨ域の異なる２種以上のｐＨ指示薬とを接触して、その呈色に基づいて必要な試料液のｐＨ調整を行う方法がある。複数の指示薬を組み合わせて用いることにより、目的のｐＨ値の呈色を的確に判定することができる。更に、試料中に含まれる目的の分析対象金属イオン及び前記指示薬を捕捉する吸着剤に前記試料液を接触して、前記吸着剤に前記分析対象金属イオン及び指示薬を捕捉し、不要な物質（もしあれば）を流出する工程、及び前記分析対象金属イオン及び指示薬を捕捉した吸着剤を前記金属イオンの溶離液に接触し、前記分析対象金属イオンを溶離し、前記指示薬を前記吸着剤に捕捉する工程を含む試料分析前処理方法である。

前記指示薬が、呈色ｐＨ域が互いに異なるが，互いに近接する２種以上の指示薬を含み、それらが試料液中で共存して目的のｐＨ域において特徴的な呈色を示すことができることが好ましい。前記指示薬はベンゼン環を含み、前記吸着剤はベンゼン環及びカチオン交換基を含むポリマーであることが好ましい。このような組み合わせによれば、吸着剤に吸着・捕捉された金属イオンを溶離液により溶出する際に、化学的に類似の指示薬と吸着剤との親和性により、指示薬を確実に捕捉することができ、金属イオンのみを確実に溶出することができる。前記分析対象物は重金属イオンであり、前記吸着剤のカチオン交換基と金属イオンは錯体を形成することが好ましい。指示薬の呈色によるｐＨの判定を目視又は分光光度計などにより行うことができる。

本発明は、前記分析用指示薬が、呈色ｐＨ域が互いに異なるが，互いに近接し、目的のｐＨ域において特徴的な呈色を示すことができる２種以上の指示薬からなる試料分析前処理用キットが提供される。

前処理において試料を最適なコンディションとするために、本発明では最適コンディションとなることを識別することのできる指示薬を添加し、試料のコンディションの最適化を短時間にかつ容易に判断することができる。

試料中に指示薬が残留する場合、測定時に分析結果に妨害を与える可能性があるため、試料の前処理の段階で同時に指示薬を回収あるいは除去できるユニットあるいは機能を組み込む。この方法により測定の際、指示薬を使用して分析結果に影響を与える可能性がある場合でも、前処理段階で除去するため、分析値の信頼性を確保することができる。

本発明では前処理用指示薬については試料のコンディションを識別できる能力に優れた指示薬を自由に選択することができ、最適な状態を目視でも確認することができるようになる為、コンディショニングの時間短縮となる。

さらに試料が少ない場合、従来法ではトライアンドエラーでコンディションを調整する試薬を添加するため、トライアンドエラーの回数だけ試料が必要になるので、時間がかかり、最適コンディションを見つけるのが容易でなく、煩雑な手数が必要で、コンディショニングに失敗する場合もある。しかし、本発明では実際に前処理に使用する試料でコンディションの状態を識別できる為、試薬添加の際のエラーを無くすことができる。また、目的成分を分離することができ、指示薬を確実に捕捉でき、指示薬を捕捉試料から分離することにより、前処理終了後の試料には指示薬が残留しない為、分析値の信頼性を確保することができる。

本発明を説明するに当たり一例として河川水中の微量金属を固相抽出法で前処理するときの例を示す。

試料の前処理を行う場合、試料のコンディションを調整し前処理を行う。通常はコンディションを確認する操作に非常に手間を取る。また、目的成分が金属元素の場合、様々な操作（例えば、ｐＨ測定器によるｐＨ測定）を行うことにより汚染が起こると考えられる為、試料の一部を数回に分けて採取し、試薬を添加し、最適条件を決定する。この条件に基づいて試料を再度採取し、決定した試薬量を添加し最適コンディションとする。本発明では試料のコンディションを目視などの簡便な方法で確認することにより、コンディショニングの操作を簡略化でき、前処理の過程でコンディション確認の為の指示薬を排除する為、分析の信頼性に影響は出ない。特に前処理を行う試料自身のコンディションを確認する為、コンディショニング不十分による前処理の失敗を防ぐことができる。

本発明は前処理のためのコンディショニングの操作を簡略化させ、更に前処理過程でコンディショニング用の指示薬を除去できる為、分析に際し、指示薬による妨害を抑制することができる。また、前処理に使用する試料自身のコンディションを簡単、短時間に確認することができる為、コンディショニングでの人為的なエラーを予防することができる。

本発明は試料を前処理する過程において、試料のコンディションを判断することが容易な指示薬を使用し、目視などによりコンディションを判断するなど操作を簡便にすることができる。また、前処理の過程で指示薬を除去することにより、分析への影響も無くすことができる。また、前処理を行う試料自身のコンディションを確認し、前処理に使用できるため、試料量の少ない場合でも、トライアンドエラーを繰り返すことなく適切なコンディショニングを行うことができる。その結果、前処理段階での人為的なエラーを予防することができ、分析値の信頼性も向上する。

図１に本発明における前処理前までの試料コンディショニングのフローを示す。はじめに試料を採取し（Ｓ１）、ｐＨ５．５付近で色の変化を起こすｐＨ指示薬（メチルレッド）を添加する（Ｓ２）。尚、この場合のｐＨ指示薬の選択条件としてベンゼン環を含む構造など、吸着剤であるポリマーに吸着し易いものを使用する。

低ｐＨ領域におけるメチルレッドの化学構造は、（式１）に示すとおりであり、高ｐＨ値における化学構造は（式２）に示すとおりであり、そのｐＨ測範囲は５．４−７．０である。一方、吸着剤であるポリマーとして、カチオン交換基を付与したスチレンージビニルベンゼン共重合体などのスチレン系樹脂が適している。

次に目視確認（Ｓ３）を行い、試料溶液の色からｐＨ５．５と判断できる場合はそれを前処理用試料として使用する（Ｓ５）。試料溶液の色がｐＨ５．５の色でない場合は、硝酸、アンモニアなどの試薬を添加し（Ｓ４）、再度目視確認を行い（Ｓ３）、試料溶液がｐＨ５．５の色となるまで続ける。

試料溶液の色からｐＨ５．５と判断できる場合はそれを前処理用試料として使用する（Ｓ５）。この方法での利点は試料採取は一度で良く、少量の試料でも適用可能であること、更には実際に前処理を行う試料のコンディションを実際に確認できることである。しかし、試料中にｐＨ指示薬（メチルレッドなど）が残る為、前処理終了時にはｐＨ指示薬を試料から除去する必要がある。

メチルレッドなどｐＨ指示薬はベンゼン環などを含む有機成分であることが多い。このような物質はスチレン系樹脂などの疎水性の高い物質に吸着され易い。本発明ではこのような特性を用いて前処理段階で、目的成分を吸着剤から溶離して指示薬から分離し、前処理終了時の溶液には指示薬が残留しないようにできる。

図１のフローでｐＨ調整を行った試料についてスチレン系樹脂に金属を補足できる官能基を持たせたカラムで、目的成分となる金属元素は官能基で、ｐＨ指示薬は樹脂自身で捕捉させ、溶離液にて目的成分の金属元素だけを溶離させた時の方法を図２（ａ）〜（ｃ）で示す。

図２（ａ）は図１のフローでコンディショニングを行った前処理用の試料を、試料容器１から金属を捕捉する官能基を持ったスチレン系樹脂の吸着樹脂が充填されたカラム２に通液する図である。カラム２の下には前処理で除去された夾雑成分例えばカルシウムやナトリウムなどを受ける廃液槽３を設ける。

図２（ｂ）は前処理用の試料をカラム２に通液した図である。ｐＨ指示薬は有機物であるため、カラム２に充填されたスチレン系樹脂に吸着され、吸着樹脂の上層に吸着層８として残る。目的成分も同様に樹脂に捕捉される機構を持っているため樹脂中に残り、廃液槽３には狭雑成分が流出する。

図２（ｃ）は目的成分（金属元素）を溶出させ前処理を行った試料を採取する図である。金属の場合、溶離液容器６内の溶離液として硝酸などの酸溶液を使用する場合が多い。カラム２に酸溶液を通液するが、酸溶液ではスチレン系樹脂に吸着したｐＨ指示薬を溶出させる能力が無い為、結果として目的成分の金属だけが溶出し、ｐＨ指示薬と目的成分として金属イオンを分離させることができる。溶離液は溶離液容器７に貯えられる。

実際に行った結果を表２に示す。カラムに試料を通液した場合、ｐＨ指示薬は樹脂の上層に吸着された。樹脂に捕捉された金属元素の溶離を行う為の硝酸を通液したが、ｐＨ指示薬は有機物であるため、これにより溶出することはなかった。しかし、捕捉されていた金属は溶出する為、溶出液により目的成分の金属元素が溶離し、濃度を測定した結果を理論値との割合として百分率で表した（回収率）結果は、ほぼ１００±１０％となり良好な結果であった。またカラムにはｐＨ指示薬が残り、前処理過程で分離を行うことができた。

本発明を使用することで、試料のコンディショニングの状態を知る為の指示薬を自由に選択することができる。また、試料も一度の採取で目視など簡便な作業で状態を判断することができるため、コンディショニング時間の短縮にもつながる。さらに実際に前処理を行う試料の状態を知ることができるため、コンディショニングによるミスを防ぐことができる。また、前処理段階でこれらの指示薬を目的試料から排除することができる為、測定時に指示薬の妨害を受けることはない。

本発明の実施形態によれば、試料の前処理を行う際に、試料のコンディショニングの状態を知る為の指示薬を自由に選択することができる。また、試料も一度の採取で目視など簡便な作業で状態を判断することができるため、コンディショニング時間の短縮にもつながる。

さらに実際に前処理を行う試料の状態を知ることができるため、コンディショニングによるミスを防ぐことができる。また、前処理段階でこれらの指示薬を排除することができる為、測定時に指示薬の妨害を受けることもなく、分析値の信頼性も向上する。

本発明においては、ｐＨ測定範囲の異なる複数のｐＨ指示薬を適宜組み合わせて、ｐＨ指示薬の呈色域を絞り込み、より精度の高いコンディショニングを行うことができる。例えば、メチルレッドのｐＨ測定範囲は５．４−７．０であるが、メチルレッドのみを用いると、赤色（低ｐＨ域）と黄色（高ｐＨ域）の変色の判断が困難な場合があり得る。そこで、低ｐＨ域では黄色を、高ｐＨ域では青色を示し、かつｐＨ５．５近辺に変色域を持つブロムクレゾールグリーン（式３）、（式４）とを組み合わせることにより、ｐＨ値の変化をより正確に判定することができる。ブロムクレゾールグリーンは低ｐＨ域では（式３）に示す構造を有し、高ｐＨ域では（式４）に示す構造を有する。部ロムクレゾールグリーンの呈色域は、ｐＨ４．０―５．６である。

上記メチルレッドとブロムクレゾールグリーンとを組み合わせて用いることにより、より狭い範囲での特徴的な呈色域を持つことになり、コンディショニングを正確に行うことができる。

本発明は、河川、湖沼等の水質分析、特に金属又は金属イオンの分析や土壌等の金属又は金属イオンの分析に適用される。特に含有量が微量な重金属又は重金属イオンの分析に有効である。

本発明の前処理のためのコンディショニングの方法のフロー図。は試料のコンディショニング方法を示す概略図で、（ａ）は試料通液前、（ｂ）は試料通液後、及び（ｃ）は目的成分溶出後の状態を示す。

符号の説明

１…試料及び指示薬用容器、２…前処理用固相抽出カラム、３…廃液槽、５…吸着樹脂、５'…金属イオン溶出後の吸着樹脂、６…溶離液容器、７…溶離液容器。

Claims

分析対象物質を含む試料液とｐＨ指示薬とを接触して、その呈色に基づいて必要な試料液のｐＨ調整を行い、次いで試料中に含まれる目的の分析対象物質及び前記指示薬を捕捉する吸着剤に前記試料液を接触して、前記吸着剤に前記分析対象物質及び指示薬を捕捉する工程及び前記分析対象物質を前記吸着剤から溶離して前記指示薬を前記分析対象物質から除去する工程を含むことを特徴とする試料分析前処理方法。
前記指示薬が、呈色ｐＨ域が互いに異なる２種以上の指示薬を含み、それらが試料液中で共存して目的のｐＨ域において特徴的な呈色を示すものであることを特徴とする請求項１記載の試料分析前処理方法。
前記分析対象物は金属イオンであることを特徴とする請求項１記載の試料分析前処理方法。
前記指示薬は呈色ｐＨ域が異なるが、呈色域が近接する２種以上であり、それらが試料液中で共存して、目的のｐＨ域において特徴的な呈色を示すことを特徴とする請求項１記載の試料分析前処理方法。
前記吸着剤はベンゼン環及びカチオン交換基を含むスチレン―ジビニルベンゼン共重合体からなるポリマーであることを特徴とする請求項１記載の試料分析前処理方法。
前記分析対象物は重金属イオンであることを特徴とする請求項１記載の試料分析前処理方法。
前記吸着剤のカチオン交換基と金属イオンは錯体を形成することを特徴とする請求項５記載の試料分析前処理方法。
前記指示薬はベンゼン環を含み、前記吸着剤はベンゼン環及びカチオン交換基を含むスチレン―ジビニルベンゼン共重合体からなるポリマーであることを特徴とする請求項１記載の試料分析前処理方法。
指示薬の呈色による試料液のｐＨの判定を目視により行うことを特徴とする請求項１記載の試料分析前処理方法。
指示薬の呈色による試料液のｐＨの判定を光度計により行うことを特徴とする請求項１記載の試料分析前処理方法。
分析対象金属イオンを含む試料液と呈色ｐＨ域の異なる２種以上のｐＨ指示薬とを接触して、その呈色に基づいて必要な試料液のｐＨ調整を行い、次いで試料中に含まれる目的の分析対象金属イオン及び前記指示薬を捕捉する吸着剤に前記試料液を接触して、前記吸着剤に前記分析対象金属イオン及び指示薬を捕捉し、不要な物質を流出する工程、及び前記分析対象金属イオン及び指示薬を捕捉した吸着剤を前記金属イオンの溶離液に接触し、前記分析対象金属イオンを溶離し、前記吸着剤に捕捉された前記指示薬を前記分析対象金属イオンから除去する工程を含むことを特徴とする試料分析前処理方法。
前記指示薬が、呈色ｐＨ域が互いに異なるが，互いに近接する２種以上の指示薬を含み、それらが試料液中で共存して目的のｐＨ域において特徴的な呈色を示すことができることを特徴とする請求項１１記載の試料分析前処理方法。
前記指示薬はベンゼン環を含み、前記吸着剤はベンゼン環及びカチオン交換基を含むスチレン―ジビニルベンゼン共重合体からなるポリマーであることを特徴とする請求項１１記載の試料分析前処理方法。
前記分析対象金属は重金属イオンであることを特徴とする請求項１１記載の試料分析前処理方法。
前記吸着剤のカチオン交換基と金属イオンは錯体を形成することを特徴とする請求項１１記載の試料分析前処理方法。
指示薬の呈色によるｐＨの判定を目視により行うことを特徴とする請求項１１記載の試料分析前処理方法。
指示薬の呈色によるｐＨの判定を分光光度計により行うことを特徴とする請求項１１記載の試料分析前処理方法。
目的のｐＨ域において特徴的な呈色を示す分析用指示薬と、金属イオン及び指示薬を捕捉し得るポリマーとしてベンゼン環及びカチオン交換基を含むスチレン―ジビニルベンゼン共重合体を保持した吸着剤とを備えることを特徴とする試料分析前処理用キット。
前記分析用指示薬が、呈色ｐＨ域が互いに異なるが，互いに近接し、目的のｐＨ域において特徴的な呈色を示すことができる２種以上の指示薬からなる請求項１９記載の試料分析前処理用キット。