JP7122739B2 - 定量分析方法 - Google Patents
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一方、毛髪は、身体中のミネラルを取り込み、保持している。このため、毛髪のミネラル濃度を調べることにより、ミネラルの過不足を調べることができる。
ICP発光・質量分析法、原子吸光法などを用いて毛髪中のミネラル濃度を調べる方法が知られている。しかし、これらの方法では、多量の毛髪を必要とする。また、毛髪を酸溶液に溶解させる必要があり、分析に多くの時間と労力を必要とする。
また、蛍光X線分析法を用いて毛髪に含まれるミネラルの濃度を測定する方法が知られている(例えば、特許文献1参照)。蛍光X線分析法を用いると、分析に必要な毛髪の必要量を抑えることができること、手間のかかる前処理を省略することができることなどの利点を有する。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、毛髪又は動物毛に含まれる分析対象元素の濃度を簡便に定量分析することができる定量分析方法を提供する。
強度比=(第1ネットX線強度-第2ネットX線強度)/(第1バックグラウンド強度-第2バックグラウンド強度)・・・(1)、ここで、第1バックグラウンド強度は分析対象元素由来の蛍光X線のピークのエネルギー範囲における前記分析対象元素由来の蛍光X線以外の原因により第1XRFスペクトルに加わった強度であり、第2バックグラウンド強度は前記エネルギー範囲における前記分析対象元素由来の蛍光X線以外の原因により第2XRFスペクトルに加わった強度であり、第1ネットX線強度は、前記エネルギー範囲における第1XRFスペクトルの測定X線強度から第1バックグラウンド強度を差し引いたピーク強度であり、第2ネットX線強度は、前記エネルギー範囲における第2XRFスペクトルの測定X線強度から第2バックグラウンド強度を差し引いたピーク強度である。
本発明の定量分析方法は式(1)を用いて強度比を算出するステップを含む。式(1)の分子の式では、第1ネットX線強度から第2ネットX線強度を引き第3ネットX線強度を算出する(第1ネットX線強度-第2ネットX線強度=第3ネットX線強度)。第1ネットX線強度は、分析試料に含まれる分析対象元素で発生した蛍光X線の量と、蛍光X線分析装置の構成部材に含まれる分析対象元素で発生した蛍光X線の量との合計を表すと考えられ、第2ネットX線強度は、蛍光X線分析装置の構成部材に含まれる分析対象元素で発生した蛍光X線の量を表すと考えられる。このため、第3ネットX線強度は、分析試料に含まれる分析対象元素で発生した蛍光X線の量を表すと考えられる。第3ネットX線強度は、分析試料の量が増えると大きくなる。
式(1)の分母の式では、第1バックグラウンド強度から第2バックグラウンド強度を引き第3バックグラウンド強度を算出する(第1バックグラウンド強度-第2バックグラウンド強度=第3バックグラウンド強度)。第1バックグラウンド強度は、分析試料に含まれる元素による散乱線の量と、蛍光X線分析装置の構成部材に含まれる元素による散乱線の量との合計を表すと考えられ、第2バックグラウンド強度は、蛍光X線分析装置の構成部材に含まれる元素による散乱線の量との合計を表すと考えられる。このため、第3バックグラウンド強度は、分析試料に含まれる元素による散乱線の量を表すと考えられる。第3バックグラウンド強度は、分析試料の量が増えると大きくなる。
さらに、式(1)では、第3ネットX線強度を、第3バックグラウンド強度で割り強度比を算出する。第3ネットX線強度及び第3バックグラウンド強度は共に分析試料の量が増えると大きくなるため、この割り算により分析試料の量(例えば毛髪の太さ)の変動を補正することができる。従って、算出される強度比は、分析試料に含まれる分析対象元素の濃度に対応した値になると考えられる。
分析試料は、毛髪又は動物毛である。従って、本発明の定量分析方法により、毛髪又は動物毛に含まれる分析対象元素の濃度を簡便に定量分析することができる。
強度比=(第1ネットX線強度-第2ネットX線強度)/(第1バックグラウンド強度-第2バックグラウンド強度)・・・(1)、ここで、第1バックグラウンド強度は分析対象元素由来の蛍光X線のピークのエネルギー範囲における前記分析対象元素由来の蛍光X線以外の原因により第1XRFスペクトルに加わった強度であり、第2バックグラウンド強度は前記エネルギー範囲における前記分析対象元素由来の蛍光X線以外の原因により第2XRFスペクトルに加わった強度であり、第1ネットX線強度は、前記エネルギー範囲における第1XRFスペクトルの測定X線強度から第1バックグラウンド強度を差し引いたピーク強度であり、第2ネットX線強度は、前記エネルギー範囲における第2XRFスペクトルの測定X線強度から第2バックグラウンド強度を差し引いたピーク強度である。
蛍光X線分析装置10は、X線を発生させるX線管5と、分析試料2を分析視野にセットするための試料ホルダー3と、蛍光X線を検出するための検出器6とを備える。検出器6は半導体検出器である。
分析試料2は、毛髪又は動物毛である。また、分析対象元素は、例えば、カルシウム、カリウム、マグネシウム、硫黄、鉄、亜鉛又は銅である。
蛍光X線は元素固有の波長(エネルギー)を有するため、XRFスペクトルではそのエネルギー範囲における強度ピークとして表れる。散乱線は主に波長が連続的に分布したX線であるため、XRFスペクトルではバックグラウンド強度として表れる。
バックグラウンド強度は分析対象元素由来の蛍光X線のピークのエネルギー範囲における分析対象元素由来の蛍光X線以外の原因によりXRFスペクトルに加わった強度である。蛍光X線以外の原因は主に散乱線である。また、バックグラウンド強度は、前記エネルギー範囲における積分強度である。検出器6の検出強度がカウント数で表される場合、図2の斜線で示したバックグラウンド強度の範囲のカウント数を合算することにより積分強度を算出することができる。また、検出器6の検出強度が任意強度で表される場合、図2の斜線で示したバックグラウンド強度の範囲の面積を積分強度とすることができる。
バックグラウンド強度は、主に散乱線の量を表すため、一次X線を散乱する物質が多いほど大きくなる。つまり、バックグラウンド強度は、分析試料2の量が増えると増加する。
検出器6の検出強度がカウント数で表される場合、図2の斜線で示したネットX線強度の範囲のカウント数を合算することにより積分強度を算出することができる。また、検出強度が任意強度で表される場合、図2の斜線で示したネットX線強度の範囲の面積を積分強度とすることができる。
ネットX線強度は、分析対象元素からの蛍光X線の量を表すと考えられるため、蛍光X線を発生させる分析対象元素が多いほど大きくなる。つまり、ネットX線強度は、分析試料2の量が増えると増加する。例えば、分析試料2が毛髪である場合、同じ長さ・同じ組成の毛髪でも、毛髪の太さの違いによって得られるネットX線強度が異なる。
第1XRFスペクトルは、分析試料2に含まれる元素で発生した蛍光X線の量、分析試料2に含まれる元素による散乱線の量、蛍光X線分析装置10の構成部材に含まれる元素で発生した蛍光X線の量、蛍光X線分析装置10の構成部材に含まれる元素による散乱線の量の合計を表すと考えられる。
第1XRFスペクトルから分析対象元素のピークの第1ネットX線強度と、そのエネルギー範囲における第1バックグラウンド強度とを算出する。また、分析対象元素が複数ある場合、各分析対象元素について算出する。分析対象元素のピークは、Kα線のピークを用いることができる。
第2XRFスペクトルは、蛍光X線分析装置10の構成部材に含まれる元素で発生した蛍光X線の量、蛍光X線分析装置10の構成部材に含まれる元素による散乱線の量の合計を表すと考えられる。
第2XRFスペクトルから分析対象元素のピークの第2ネットX線強度と、そのエネルギー範囲における第2バックグラウンド強度とを算出する。また、分析対象元素が複数ある場合、各分析対象元素について算出する。分析対象元素のピークは、Kα線のピークを用いることができる。
強度比=(第1ネットX線強度-第2ネットX線強度)/(第1バックグラウンド強度-第2バックグラウンド強度)・・・(1)
式(1)の分子の式では、第1ネットX線強度から第2ネットX線強度を引き第3ネットX線強度を算出する(第1ネットX線強度-第2ネットX線強度=第3ネットX線強度)。第1ネットX線強度は、分析試料2に含まれる分析対象元素で発生した蛍光X線の量と、蛍光X線分析装置10の構成部材に含まれる分析対象元素で発生した蛍光X線の量との合計を表すと考えられ、第2ネットX線強度は、蛍光X線分析装置10の構成部材に含まれる分析対象元素で発生した蛍光X線の量を表すと考えられる。このため、第3ネットX線強度は、分析試料2に含まれる分析対象元素で発生した蛍光X線の量を表すと考えられる。第3ネットX線強度は、分析試料2の量が増えると大きくなる。
ブランク試料の第2XRFスペクトルに分析対象元素のピークが表れていない場合、第2ネットX線強度はゼロとする。
分析対象元素が複数ある場合、分析対象元素ごとに濃度を算出することができる。例えば、分析試料2が毛髪で、分析対象元素がS,Ca,Fe,Znである場合、毛髪中のこれらの元素の濃度を算出することができる。
また、第1XRFスペクトルを測定した後の分析試料についてICP発光分析を行い元素濃度を測定して検量線を作成してもよい。
検量線は、強度比と濃度との関係を示す式とすることができる。
卓上型蛍光X線分析装置を用いて、太さの異なる毛髪を分析試料としてXRF分析を行った。試料には、同じ人の太さの異なる7本の毛髪(直径が65μm~95μm)を用いた。
この実験では、円筒状の試料ホルダー(プラスチック製)の開口に毛髪1本をピンと張り直線状の毛髪が分析視野に入るように毛髪(分析試料)を試料ホルダーにテープで固定した。そして、それぞれの太さの異なる毛髪についてXRF分析をしてXRFスペクトルを得た。毛髪を直線状に張ることにより、分析視野に入る毛髪の長さが同じになり、毛髪の太さにより分析視野中の毛髪の体積が変化する。なお、ポリプロピレンフィルムは用いていない。
X線管のターゲットにはロジウム(Rh)を用い、X線管の管電圧は50kVとし、管電流は1.0mAとした。また、NDフィルターを用い、コリメータ径を9mmとした。また、大気雰囲気下で600秒間分析を行った。
図3からわかるように、毛髪の太さが太くなるほどバックグラウンド強度は増加することがわかった。一次X線が毛髪に入射すると、一次X線が毛髪中に含有される元素により散乱され散乱線が放出される。毛髪の太さが太くなるほど毛髪中に含有される元素の量も多くなるため、散乱線が増加すると考えられる。この散乱線の増加に伴い、バックグラウンド強度が増加したと考えられる。従って、分析試料の体積とバックグラウンド強度との間には相関関係があることがわかった。
質量を変化させた分析試料1~6についてXRF分析を行った。分析試料には、国立環境研究所製の頭髪標準試料(NIES CRM No. 13頭髪)を用いた。標準試料における硫黄(S)の濃度は5000ppmであり、カルシウム(Ca)の濃度は746ppmであり、鉄(Fe)の濃度は127ppmであり、亜鉛(Zn)の濃度は157ppmである。標準試料は粉末試料(粒径100μm以下)であり、図1に示したように、円筒状の試料ホルダーの下にポリプロピレンフィルム(厚さ:4μm)の配置し、このフィルム上に5.32mg、11.7mg、24.8mg、34.5mg、48.7mg又は53.8mgの分析試料をおいてそれぞれXRF分析を行った。また、フィルム上に分析試料を置かないでブランク試料としてXRF分析を行った。
X線管のターゲットにはロジウム(Rh)を用い、X線管の管電圧は50kVとした。管電流は0.1mA~1.0mAの範囲で測定試料ごとに最適化とした。また、NDフィルターを用い、コリメータ径を9mmとした。また、大気雰囲気下で60秒間分析を行った。
強度比=(分析試料のネットX線強度-ブランク試料のネットX線強度)/(分析試料のバックグラウンド強度-ブランク試料のバックグラウンド強度)・・・(2)
また、分析試料1~6の各元素の強度比について平均値、標準偏差、相対標準偏差を算出した。算出結果を表1に示す。
次に、表1に示した各元素についての分析試料1~6の強度比の平均値と、分析試料(標準試料)の各元素の濃度とを用いて検量線を作成した。作成した検量線を図5(a)~(d)に示す。
XRF分析により毛髪に含まれるミネラル元素の定量分析を行った。前頭部の毛髪1本(約2.5cm)を4つに切断した分析試料7を図1に示したようなポリプロピレンフィルム上に配置してXRF分析を5回繰り返し行った。また、同じ人の毛髪2本(約2.5cm)をそれぞれ4つに切断した分析試料8(計8本)を図1に示したようなポリプロピレンフィルム上に配置してXRF分析を5回繰り返し行った。また、フィルム上に分析試料を置かないでブランク試料としてXRF分析を行った。
X線管のターゲットにはロジウム(Rh)を用い、X線管の管電圧は50kVとし、管電流は1.0mAとした。また、NDフィルターを用い、コリメータ径を9mmとした。また、大気雰囲気下で600秒間分析を行った。
算出した鉄(Fe)の濃度にはバラツキがあることがわかった。これは、毛髪に含まれる鉄の濃度が低く、ブランク試料での鉄のピークのネットX線強度が大きいためと考えられる。
Claims (2)
- 蛍光X線分析装置を用いて分析試料に一次X線を照射することにより前記分析試料で発生する蛍光X線を含む二次X線を検出することにより得られる第1XRFスペクトルと、前記蛍光X線分析装置の試料をブランクとして一次X線を照射することにより得られる第2XRFスペクトルと、検量線とから前記分析試料に含まれる分析対象元素の濃度を算出する定量分析方法であって、
前記分析試料は、毛髪又は動物毛であり、
下記の式(1)を用いて強度比を算出するステップと、
前記検量線を用いて前記強度比から前記分析試料に含まれる分析対象元素の濃度を算出するステップとを含む定量分析方法。
強度比=(第1ネットX線強度-第2ネットX線強度)/(第1バックグラウンド強度-第2バックグラウンド強度)・・・(1)
ここで、第1バックグラウンド強度は分析対象元素由来の蛍光X線のピークのエネルギー範囲における前記分析対象元素由来の蛍光X線以外の原因により第1XRFスペクトルに加わった強度でありかつ前記エネルギー範囲における積分強度であり、
第2バックグラウンド強度は前記エネルギー範囲における前記分析対象元素由来の蛍光X線以外の原因により第2XRFスペクトルに加わった強度でありかつ前記エネルギー範囲における積分強度であり、
第1ネットX線強度は、前記エネルギー範囲における第1XRFスペクトルの測定X線強度から第1バックグラウンド強度を差し引いたピーク強度でありかつ前記エネルギー範囲における積分強度であり、
第2ネットX線強度は、前記エネルギー範囲における第2XRFスペクトルの測定X線強度から第2バックグラウンド強度を差し引いたピーク強度でありかつ前記エネルギー範囲における積分強度である。 - 前記分析対象元素は、カルシウム、カリウム、マグネシウム、硫黄、鉄、亜鉛又は銅である請求項1に記載の定量分析方法。
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