こんにちは、trans(トランス)です。
今回は、原子吸光分析法によってミネラルウォーター中に存在するナトリウムとカルシウムを定量する実験について解説いたします。
まず、原子吸光分析の章では、原子吸光分析の原理や、原子吸光光度計の構造、ICP発光分析法との比較などを解説いたします。
次に、実験操作の章では、実験器具の洗浄や試薬調製などについて解説いたします。
最後に、データ分析の章では、有効数字や最小自乗法などに解説いたします。
実験の予習をやらなければいけないけど時間が無いという学生に向けて、予習の手間が省けるように、この記事を書いています。スマホを見ながら電車で予習することもできます。実験項目は某大学の実験テキストを参考にしています。
レベル的には、大学の学部生レベルを想定していますが、高校生も化学の発展的なことに興味があれば、読んでみてください。
それでは行きましょう！
1、原子吸光分析
まず、原子吸光分析法の原理について説明いたします。
原子は、高温に加熱し、蒸気化させて光を照射すると、ある波長の光を吸収する性質があります。
各元素の量子化（簡単な数値で表すこと）されたエネルギー準位は異なるため、光の吸収スペクトルは各元素により、固有の幅の狭い特定の値を示します。
このような現象を、原子吸光現象といい、この原理を用いて原子吸光分析は行われます。
各元素の光の吸収スペクトルの幅は狭いため、照射する光には目的元素に対する固有の中空陰極ランプ（目的元素のみに反応する、特定の光波長のみを持つランプ）を用います。
原子吸光における光源の強さをI0，吸収後の強さをI，吸光度をA，吸光係数をa，I0の光の長さをb，中性原子蒸気の濃度をcとすると以下のような式が成り立ちます。これを、ランベルト ‐ ベールの法則といいます。
A ＝ log(I0／I) ＝ abc
aは元素に固有の比例定数であり、bはI0により決まるため原子吸光分析においては一定であるということができます。
つまり、吸光度は目的元素の濃度cにのみ依存されるので、この関係を用いて目的元素の濃度測定を行なうことができます。
今回の実験では、ナトリウムとカルシウムの標準溶液から濃度と吸光度の検量線を作成して、ミネラルウォーターの同定を行っています。
しかし、ランベルト – ベールの法則が成り立つのは濃度の薄い溶液であるため、測定濃度に注意しなければいけません。
また、物理干渉，分光干渉，化学干渉，イオン化干渉，バックグラウンド吸収干渉および発光干渉などの干渉にも注意しなければいけません。
このあたりについて興味のある方は、自分でもう少し調べてみてください。
次に、原子吸光光度計の構造について説明いたします。
原子吸光光度計は、光源部，試料原子化部，分光部，検出部，記録部，コンピューター制御部で構成されています。
光源部での光源は、先ほど説明したように、目的元素に対する固有の中空陰極ランプ（ホローカソードランプ）を今回の実験では用いています。
試料原子化部での、原子を蒸気化させる方法においては、フレーム法，黒鉛炉法，金属炉法，プラズマフレーム法，陰極スパッタ―法，高周波誘導加熱炉法，スパーク法，水素化物発生法，加熱気化法などがあります。
今回の実験では、フレーム原子化法が使用されているので、こちらについて説明いたします。
フレーム原子化法とは加熱により蒸気化させる方法のことです。ここで用いられる加熱用バーナーは、全噴霧式バーナーと予混合式バーナーの2種類に分類されます。以下の図は、予混合式バーナーを用いた原子吸光分析装置の模式図です。
次に、原子吸光分析法で定義される「感度」と「検出限界」について説明いたします。
感度とは、2つの異なった濃度を区別する能力と定義されていて、検量線の傾きで決まります。
また、検出限界とは、ブランク信号の標準偏差の3倍（3σ）に相当する分析元素の濃度であると定義されています。
この章の最後に、ICP発光分析法と比較して原子吸光分析法が優れている点について説明いたします。
原子吸光分析法がICP発光分析法よりも優れているところは、目的元素に対する発光源を用いるため、選択性が高いということです。
つまり、分光干渉が少ないため、原子吸光分析法のほうが感度が良いことが優れている点であるといえます。
ICP発光分析法については、この記事が評判であれば書こうと思います。
2、実験操作
まず、今回の実験で使用する器具の洗浄方法について説明いたします。
今回の実験では、ナトリウムとカルシウムの濃度を求めます。つまり、器具をナトリウムやカルシウムが含まれる水道水で洗ってしまうと実験値を狂わせてしまう恐れがあります。よって、今回の実験で使う器具の洗浄方法としては、純水で洗い流すことによる洗浄のみが良いと言えます。
次に、本実験での試薬調製について解説いたします。
「そんなのいる？」と思うかもしれませんが、ppmオーダーの計算を含みますので、念のため、説明させていただきます。
まず、ppmとは、100万分のいくら存在しているかということを表す単位のことです。すなわち、1 ppmを濃度に直すと0.0001 %になります。この関係性を使って計算をしていきます。
例えば、1000 ppmのナトリウム溶液250 mLを塩化ナトリウム（NaCl）から調製する場合、ナトリウム濃度を1000×0.0001=0.1 %にする必要があります。
つまり、250 mL中に0.25 gのナトリウムが存在すれば、1000 ppm（0.1 %）になります。塩化ナトリウム 58.4 g/molに23.0 g/molのナトリウムが含まれているので、以下のように求めることができます。
58.4：23.0＝x：0.25
x ≒ 0.63
よって、0.63 gの塩化ナトリウムを純水で全量250 mLになるように調製することで、1000 ppmのナトリウム溶液250 mLを得ることができます。
ちなみに同様の方法で計算すると、1000 ppmのカルシウム溶液250 mLを炭酸カルシウム（CaCO₃）から調製する場合、0.62 gの炭酸カルシウムが必要であることが分かります。
この章の最後に希釈倍率の計算（濃度調製）について解説いたします。
以外と考えてしまう人が多いのではないかと思いますので、簡単に理解することができる換算式を授けます。
標準溶液の濃度をＡ ppm，調製したい濃度をＢ ppm，調製後に得たい容積をＣ mLとすると、以下の式が成り立ちます。
標準溶液から分取する量（ｍL）＝（Ｂ/Ａ）× C
例えば、1000 ppmの標準溶液から10 ppmの溶液を500 mL調製したい場合は、「(10÷1000)×500＝5」より、標準溶液から5 mL分取し、残りを蒸留水にて全量が500 mLになるようにメスアップすることで得ることができます。
鋭い人は気付いたかもしれませんが、上記の式の（Ｂ/A）は希釈倍率の逆数を意味します。したがって、濃度不明の溶液であっても、希釈倍率と調製後に得たい容積が分かれば計算することができます。
例えば、濃度不明の未知試料を5倍希釈した溶液を50 mL得たい場合は、「(1÷5)×50＝10」より、未知試料から10 mL分取し、残りを蒸留水にて全量が50 mLになるようにメスアップすることで得ることができます。
3、データ分析
まずは加減算，乗除算を行う時の有効数字について解説いたします。
長期的な項目ではありますが、データ分析において、重要な項目ですので、解説いたします。
①加減算
小数点以下の桁数が最も小さい数の桁に合わせます。
例えば、以下のように小数点以下第1位と第2位を計算した場合の計算結果は、小数点以下第1位に合わせます。
(例)
1.5－0.23＝1.27
≒1.3
②乗除算
全ての桁数が最も小さい数に合わせます。ただし、0から始まる場合、0以外の数字が初めて出てきたところから桁数を数え始めます。
例えば、以下のような2桁と３桁を計算した場合は、最終の計算結果を２桁に合わせます。
(例)
0.51×1.23＝0.6273
≒0.63
次に、最小二乗法について説明いたします。
最小二乗法とは、測定点の直線のずれの二乗の合計和が最小となるような傾きと、切片を定めることであります。
今回は検量線を作成しますが、その際に最小二乗法を用いることで、バラつきの最も小さい直線を作成することができます。
直線の式を、「ｙ＝ａｘ＋ｂ」とすると以下の式で傾きと切片が求まります。
a＝Σ(xi－Ｘ)(yi－Ｙ)／Σ(xi－Ｘ)2
b=Ｙ－aＸ
xi：ある与えられたxの値、Ｘ：すべてのxiの値の平均値
yi：ある与えられたyの値、Ｙ：すべてのyiの値の平均値
本実験では、Excelを用いて検量線を作成しているので、Excelでの最小二乗法が良くまとまった別の方が書かれた記事のリンクを以下に載せておきます。
最小二乗法にて作成した検量線y=ax（x軸を濃度，y軸を吸光度とする）を利用して、得られた未知試料の吸光度を検量線の傾きaで割ることで、濃度を算出することができます。ただし、ランベルト－ベールの法則は濃度が薄い溶液に限定されますので、検量線の範囲を越える吸光度となった場合は、さらに希釈して再度測定を行う必要があります。
最後に、「精度」と「正確さ」について説明いたします。
「精度」とは、同じ量を繰返し測定した場合の一致の程度（バラつきの程度）と定義されます。つまり、精度は結果の再現性のことであるということができます。精度は、標準偏差，変動係数，測定値の範囲，平均値近傍の信頼限界などの数学的処理により表すことができます。
一方、「正確さ」とは、測定値と真値がどの程度一致しているかということであり、絶対的な真値はほとんど知ることができません。したがって、現実的には正確さは、測定値と真値といわれる値との間の一致の程度と定義されます。
鋭い人は分かったかもしれませんが、必ずしも「精度」が「正確さ」を表しているわけではないということです。
4、～まとめ～
いかがでしたか？
今回は、原子吸光分析法によってミネラルウォーター中に存在するナトリウムとカルシウムを定量する実験実験を、原子吸光分析，実験操作，データ分析という3つのキーワードから説明しました。どの章も重要なのでしっかりと抑えておきましょう。
また、参考文献は以下の通りになります。
１、太田清久，金子 聡「原子吸光分析」共立出版、2011年
最後になりますが、参考文献以外はコピペ厳禁です。バレます。気を付けてください。自分で理解してまとめてください。
また、完全に情報を網羅しきれていないと思いますので、質問等ありましたら、下のコメント欄にコメントお願いします。
今回の記事は以上になります。最後まで読んでいただき、ありがとうございました。
