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自作 で き る 簡 易 比 色 計 の 感 度 及 び 精度 向 上 に 関 す る 工 夫

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(1)

The Chemical Society of Japan

NII-Electronic Library Service

The  Chemioal  Sooiety  of  Japan

論 1 遜 謹 審 1 繼縫馨 1 ll 羃 峯 舞 1 靉鼎 讙錣妻飜 1

自作 で き る 簡 易 比 色 計 感 度 及 び 精度 向 上 に 関 す る 工 夫

長 谷 川 浩

高  橋 真

牧 輝  弥

    一・

        (2005 年 4 月

7

日受理)

1

 

 初 等 中 等 教に お け る化学 実 験に お

分 光 光 度 計 類すと し イ プ簡 易色 計作 成さ れ

1

4

簡 易色 計溶 液を数 値 化 する 測あ り

色 分 析手 法れ ば化 学 成 分 定 量 分 析 を行 うが で き る

化学 実 験課 題 授 業に お例 とし て 水 溶液中ま れ る リイ オン の分 析 空気中の 二酸化 窒 素定 量 等課 題 実 験 がれ まで にも 報 告さ れて い S

・  

4

  簡 易色 計で は

源 に 発 光 ダ イ オ

光 部硫 化

CdS

素 子 が 採 用 さ れ

発 光ダ イ オ

強 くほ ぼ単 色 光の で

トや回 折 格 子 を用 な く も光 吸 収測 定た 光束る こ と がで き 化 学 機 器

が 製 作 販 売 す 簡 易色 計数 万 円 程

生 徒 自身フ ィ

や 水 道 用 塩管 等 を利 用 し千 円 程 度自作 も

両 者性 能 を比 較 する と方 が 感 度 や 精 度 で優 場 合

し か し な が ら

育 効 果教 材

の普を 考 える と 自作 す簡 易 比 色 計性 能 を専 度計る こ と きれ ば

簡 易 比 色 計 教 材と して の活 用 範 囲 が 大 き く拡 がと考 え られ る

徒 が 自作 す簡 易 比 色 計の感 度 と精 度 を向上 さ

つ い 報 告 す

2

1 材 料

2

 実 験

以 下材 料を ホ

ム セ

や 電 子部 品 店

百 円

プ で入 し た

 カ セ

収 納 箱 (

80 × 120 × 65mm 程 度大 き さ) ク リ

1/4 W 炭素皮 膜 抵 抗 (

100

Ω)

発 光 ダ イ オ

赤 (Kingbright

L934SCG )

緑 (

Kingbright

 L934SRCG )

青 (日 亜化 学NSPB

500S ))

硫 化カ ド素 子 (浜 松

P201D−5R

ポ リレ ン

Karte11

1937

The

 

improvement

 

in

 sesitiVity and accuracy of seLimade sirnple colerimeter

Hiroshi

 

HASEGAWA

 沢 大 学 大 学 院 自然 科 学研 究科  助 教 授  1専士 (理 学 〕

Makoto

 

TAKAHASHI

沢大 学大学学 研 究科 博 士 前 期 課 程2年

Teruya

 

MAKI

金 沢 大 学 大 学 院 自然 科 学究 科 助 予 博

1

農 学 ,

Kazumasa

 

UEDA

 沢大 学 大 学 院 自然 科 学 研 究 科   教 授   理 学 博 lt

[連 絡 先 ]

920 − 1192

金 沢 勤務先 )

、 ,

,6V

乾電 池

3電 池4個 )

デ ジ タ

テ ス

A

&D 社

DMM  AD

5527

ル ミ

厚 紙

ド線

 2

2  簡 易 比 色 計製 作

 回 開 発 し た 簡 易 比 色 計設 計 図 を 図 t示 す

容 器 て利 用 する カ セ トケ

収 納 箱 か仕 切 り板 を取 り外 し

仕LJJり板同 じ大 き さ厚 紙

2

枚 を作 成 した 厚 紙 製

の 仕 切 り板に アル ミ を貼 り

中 央 部の 下 か

2cm

の箇 所発 光ダ イ オ

硫化カ ド ミ ウ子 をは め 込 む

た めの穴 (直径 約 5mm )開 け

図 1の 中央 ラ ス ク セ ル穴 (13mm  X 13 mm )を 開 け四角厚 紙作 成 内 部ル ミホ イ を貼 り付 け た セ ル台 と容 器タ は そ れ ぞ れ ダ

作 成 の部品 を カ セ トケ

収 納に セ

プ で 固し た

 

炭素皮膜抵 抗ミ ノク リ

電 池ホ ル ダ

ー,

a

(b)

1 簡 易 比 色

a) 設計 (b) 完成

458 化 学 と教 育  538 2005 年 〉

N工 工

Eleotronio  Library  

(2)

The Chemical Society of Japan

NII-Electronic Library Service

The  Chemioal  Sooiety  of  Japan

      論    文

))))))

硫 化カ ド ミ ウ素子 とミノク リプ をそぞ れ

付 け

発 光ダ イ オ

ド と と も にに は め

要 箇 所 を

固定し た  2

3  簡易色計に お け る比 色 分 析原 理

 簡 易比 色で は

発光ダ イ オ

ドか ら光 を試 料 水

セ ルに通 し

硫 化カ ド ミ ウ ム素子抵抗 値と し て (図

2

濃 度C の溶 液 L(cm試 料 強 度光 が 入 射 し光 強 度∫で く場 合

,Lambert−

Beer 則 よ り

 109

lo1 ε

CL        

1

の 関係 式 が 得 られε 定 数 ) 発 光ダ イ オ

Io

ま た

硫 化素 子 抵 抗 値

R

Ωと 明 る さ ∬の 関

 

γ

=−

logR

109

       

2

で あた だ し

γ硫 化カ ド子 や環 境 条件依 存定 数

一 . 一

O

7 

 O

9)

  式 (

1

2

定 数 を まめ る

 log

 

R =

aC

b       

3

) が 得 られa

,b

定数)

抵 抗値

R

と き

式 (3)次 式近 似 する こ と が で き る

 

R = a ’ C

b,

       (4)

簡 易 比色 計を 用 色 分 析

十 分希 薄 な 溶 液

溶 質濃 度抵抗値係 を示 す

 

2. 4

 亜 硝 酸 イ オン の比 色 分 析 (ナフ チ

    

 硝 酸イ オ溶 液

,110

4

時 間乾 燥 させ た 亜 硝 酸ナ ト リウ ム蒸留水希 釈し て調 製

 試料 10mL に 5

8 × 10

2M

ァ ニ ルミ ド

10

塩 酸 水 溶 液1mL 合 し 室 温 15分 間 放 置 し

3. 8x10 −

nM

ア ミ溶 液 1mL

20

分 間 放 置 した

 簡 易色 計で は

,8

分 目程 度 ま試 料 を入 れた プ ラ

ク セ ルを 装置 内に セ ト し

緑 色 発 光 ダ イオ

ドを用

め た状態抗 値 を

測 定

o

   胛

  

 

 

  抵ρ

∫    z

ダ イ

 

靭 鞠

 

 

韻 爨

 鰯

 

 

轡峠

 

 

 

嚇 CdS

       困

      プラ ス チク セ ル

2 簡 易 比色 計に お吸 収原 理

3

 結 果 及 び考 察

 3

1  簡 易 比 色 計改 良点

 簡 易比 色で は

光 源 か ら受 光 部 ま光 軸変 動 が あ

受 光 部到 達 する 光 量 が 大 き く 変

検 出 す抵 抗 値 が 大 き く変 動 す 従 来簡 易色計

光 軸 を安 定め に

装 置容 器 や 電 子 部 品取 り付け を頑 強 に

夫 が な され

専 門 機 関 る 分光光度 計 と同 様

光 源 と試 料セ ル の

に ス トを取 り付 け入射 光を絞

ズ で集 光

と に り感 度精 度上 さ せ るみ が告 さ れ て

(図3 (

a

))

し か し 従 来仕 組み で

授 業

の 中簡 易色 計安価短 時間 で自作 す場 合

試 料 対 し光 軸確 実固定す程 度に は 限

測 定複 数 回使 用続 ける と

じ 日 に続けて 測定す

場 合 で さえ も微 妙セ ル電 子 部 品向 き

結 果

抵 抗 値 きが大 き くな

 そこ で

光 源か ら受光部 た る光 路上 に 内 部 に アル ミホ イを付 け鏡 面に し た取 り付け と に

受 光 部到 達 す光 量 を安 定 こ とで き る簡 易色 計 を設 計た (図3(

b

))形 状

ル の横 幅わ せ た直方体 (断 面積 1

4cm ×

1cm

る と適 当 こ の

発 光 ダ イ オ

ド か ら ほ と

内 部反 射さ れ試 料 溶 液 を 通 過 し

受光 部硫 化カ ド ミ ウ素 子到 達 す 筒 内受 光 部 側

で は

が ほ ぼ

分 布 す

試 料セ ル電 子 部 品

の角 度 や 位 置多少ずれ て 安 定し た測 定 を行 う とが 可

 3

2  試 料 量影 響

 簡 易 比 色 計光 軸前 項 良 を 加 え た 効 果 を検 証 する た め に 水 溶 液 中硝 酸イ オン の比 色 分を 試 み

a) 従 来 装 置

櫚 ξ 膕

         

郵 1

ll

       レ ン

(b) 本置 に お け る 改良点

漁     瀞

部 を鏡

麟   欺

靆 韓

3  簡 易 比 色 計お け る 光 軸の ]

化 学 と教 育

53

巻 8 号 〔2005 年 ) 459

N工 工

Eleotronio  Library  

(3)

The Chemical Society of Japan

NII-Electronic Library Service

The  Chemioal  Sooiety  of  Japan

      論    文

硝 酸イ オン の色 反応に は

レ ン の方 法

塩 酸 酸 性

亜 硝 酸イ オ

ス ル ドと反 応し てアゾ 化 合 物 変 換さ れ

れ に ナ ア ミ

プ リグ 反 応 に よ り ジ物 (赤が 生成 す

  図4 本 装 置

プ ラスチ セ ル試 料 量 測 定 値与 え影 響 を検 討 した 結 果 を示 す

簡易比 色

4

a

で は改 良 前

4

b

で は光 軸上 に設 置 た 改 良 後の装 置 を

試 料 溶 液10μM 硝 酸 イ オを ナ レ ンア ミ ン法呈 色赤 色 溶 液 使 用し た

 本 研 究簡 易 比 色 計 改良前

改 良 後装 置 と も 発 光ダ イ オ

ドか ら光 束

プ ラスチ セ ル試料溶液

1.

4mL か ら2

4 mL 入 れ試 料 表 面さ を通 過 す テ ス

検 出 さ れ た 抵 抗 値

料 量 1

0mL まで は発 光ダ イ オ

束 が 試 料

溶 液を 全 く通 過

4 (

a

(b)に おそ れ ぞ れ 407及510Ω で ほ ぼ

一・

た が

試 料

1.

4mL か ら2

4 mL か け大 き く増 加 試 料 量

1、 6

mL 及2

2 mL お け抵 抗 値

一・

時 的 な 減 少

料溶 液表 面お け気 液 界 面が 反し た結 果 考 え られ る

 比 色使 用 セ ル に試 料 溶 液 を十 分 に 入 れ

測 定 値試 料 量影 響生 じ な よ うに し て測定 行 う 本 装 置

試 料 量2

, 6rnL

十 分試 料量 に相 当す 改 良 前装 置

セ ル試 料 溶 液 を十 分 に 入 れ 場 合 も試 料 量増 加 抵抗値 増 加 し

試 料 量

2. 6mL

か ら4

OmL に 5程 度 増 加

(図

4

a

))

発 光ダ イ オ

ドか ら

部 が

ダ イ オ

ドやセ ル表 面乱 反 射散 乱 り指 向性

失 うと が原 因

4(

a

に お け る 測で は実 際 に 目視に よ 発 光ダ イ オ

ドか ら

一 . ・

が 迷

て セ ル のや 側経 由て硫 化カ ド素 子 に 到 達

光 吸 収測 定干 渉 す様 子 が 観 測 さ れ

 

改 良 後装 置

光 軸 上筒 を設 置 す

装 置 内お け迷 光 をほ ぼな くすで き

4(

b

で は

2. 6mL

か ら4

0 mL に か けて安 定し た抵 抗 値が 得 ら れ た (745

3 ± 0

8Ω (n

8

平 均 値± 試 料 標 準 偏 差 ))

改 良 後装 置で は セ ル巾れ る試 料 量に より生 じ誤 差は ほ ぼ解 消さ れ たと考られ る

 

3. 3

  検 量 線比 較

 簡 易 比 色 計改 良効果を 亜硝 酸イ オン の検 量 線比 較 結果図 5に示 す テ ス タ

抵 抗 値

改 良 後

の方約 18% 減 少 こ の こ と は硫 化 ド ミ ウ素子到 達 光 量増 加し たと をし て 改 良 後装 置 抵 抗 値下 す る現 象図4 に おい て も 同 様現 れ

光 軸 設 置に より発 光 ダ イ オ

ドか ら 受光 部達 す効 率 が 向 ヒす とが 確 認きた

 

5

お け る

改 良

改 良と も に

O

10

μ

M

好 な直 線性 をし た

こ の濃 度 範 囲

は 呈程 度 が 十 分 希 薄あ り

抵 抗 値は 亜硝 酸 濃 度

の増 加と と直 線 的増 加た と考 えら れ る

し か し な が ら

じ 呈程 度 発 光ダ イ オ

セ ル

, CdS

素 子配 置性 能 て は

直 線 と な囲 が狭 く

場 合 が あ

2

3で た よ

抵 抗 値 対 数 を 縦 軸 に プ 直 線 性検 量 線を 得 る と がき た

900

700

500

300

a

0 1

         

2

         

3

    試 料 量 /

mh

4

1000

800

60D

400

a

o

       

5

亜 硝 酸 イ オン の濃 度 /μ

M

10

goo

700

500

300

( b )

       

O

         

l

         

2

         3       

4

      試 料 量 /

mh

図4 簡 易色 計に お け る 試 料試 料 量 と 抵 抗関   係

a良 前 (b) 改 良後

900

7eo

500

300

( b

     

0

             

5

              

10

        亜 硝 酸 イ オ濃 度 /μ

M

5 易 比計 で 測 定 した 亜 硝 酸 イ オの検a)改良前   (b)改 良後

460 と 教 育 

53

8

2005 年 〉

N工 工

Eleotronio  Library  

(4)

The Chemical Society of Japan

NII-Electronic Library Service

The  Chemioal  Sooiety  of  Japan

      論    文

))

 な お

対 数使 用高 校 生学 力可 能 る が

中 学生 以 下易 度 と考 え られ 生 徒理 解 しやさ を考慮する と

抵 抗濃 度直 線 性 を示 す 濃 度 ま 試 料 溶 液希 釈 する こ と を推 奨し た

小 西 ら は

抗 値

濃 度が 正比 例 す濃 度 領 域利 用 すれ ば

中 学 校 授業簡易色 計に よ る化 学 成 分定 量 が 導 入可 能 こ と を報 告し て

ま た 生 徒簡 易 比 色 計仕 組 を把 握 する た め に は

光 吸 収理 で

Lambert−Beer

則 を 理解 す必 要

2

3 に数 式展 開校 生 で も や や 難る と 予さ れこ で

授 業 実 践で は

に 装仕 組を説 明す

映 像実 演発 光ダ イ オ

ドか ら 溶 液

比 例 し弱 くなを 示し た 光 吸 収現象を 現 実観 察 すに よ

説 明 時 間小 学 校 高 学 年

装置仕 組を直 感 的把 握を確 認 し  3

4  再 現 性出 感 度

  チ レ ンア ミ ン法 の標 準操 作 に 従

良 前後簡 易 比 色 計 を用い て空 試 験 を繰 り返し た

の抵 抗値表 1に 示

改 良 後装 置

空 試 験 値7 回繰 り返測定に お

409. 7

±

0. 5

Ω(平 均 値 試 料 標 準 偏 差 )

卜分 な 再 現 性し た

。S

/N を3 とた場

表1 お け る 空 試 験 値出 限界

出 限界 値

0. 04

μ

M

改 良 前装 置 同様

の測 定 場 合

空 試 験 値

509. 4

±

1, 9

Ω

検 出 限界 値0

16μM である こ と か ら

した 工に より感 度精 度 4倍 向上 し たな る

 表2 水 溶 液 中に おな成 分を 比 色測定し た検 出 限界値を 分光 度 計得 られ た示 す 簡 易 比 色 計に お出 限界値目 とも専研 究 分 光 光 度 計比 較 し遜 色感度し た

  水 溶 液 中お け成 分比 色 分 析

目的成 分を 可視 領色 を有 す化 合 物変 換 す化 学 反 応知 識が 必

あ る

論 文は 亜 硝イ オ実 験 操 作割 愛 す

表 2の成 分 を 含 め て 数優 れ た 比色 分析 法開 発 これ ら分析 方 法詳 細 て は実践 的 教 本総 説多 くあの で参 照 さ れ 5 ま た

学 校 化 学 薬 品扱 う難 し場 合 は

市 販試 薬

ク テ ス ((株)共 立化 学 研 究 所 等 ))を 利 用 し て成 分付 けれ ば

試 薬 調 整手間 を省 く と も き る

改 良 後

4

  ま  と  め

測 定 良 前

1

目       507Ω

2

目       

508

3

回 目         508

4

回 目       

509

5

回 目       

512

6

目        

51

7

回 目     

511

410

Ω

4094104

04

0409410

平 均 値 試 料 標

509 ,

4

 

1 . 90

409 . 7

 

0 . 49

 本 論 文

安 価 簡 便自作で き る色 計 度 と精 度 を 向

L

せ る 工記 述し た

従 来仕組み で は 光 源や 試 料ル の

変 化伴 う光 軸装 置 内

が 大 き な 測差 をき起 た が

光 軸新 し改 良 を加 えと に よ測定誤差 をデ ジ

精 度り も小くす と が で き た

  簡 易 比 色 計 を用た 成 分 分 析手 法

化 学 分 野

物 理

地 学 実 験

実 習利 用

課 題 を 定 性ら定 量 的 理 解 発 展 さ有 用

ま た

由 研簡 易色 計製 作改 良行 う と も簡 単

制 作 過 程 を 通 し て識 が製 品結 び く 「もの づ く り」 を体 験

本 研究に お

け る化 学教 育

る こを願

検 出限 界 値

0

16(μM

0 . 04

μ

M

a )S/N

3

算 出し た

2 比 色 分析法に お出 限界値al

比 較

測 定 成 分  簡 易色 計b

分 光

光 度 計c1 比 色 法

硝 酸イ オ μM) 0

. 04Q . 02

フ チ ル チ レ ン

イ オμ

M

α

20 . 05

Ca2 +

イ オ

μ

M

) 2 o

9MTB

ロ ロ ィ ル aμ

9

D0 . 20 . 1

タ ノ

抽 出

吸光 法

a

S

N

3

算 出し た

 bl 1装 置使 用 c ) 日 立

U

− 2000

1cm

セ ル使

謝 辞

 本 研 究

科研費特 定領 域 研 究 「新 世紀 型 理 数科 系 教 育

の展 開 研 究 」 (課 題 番 号 15020225)助 成 研る こ 付 記

こ の感 謝 意 を 表 し ま す

参 考 文 献

1

) 永 川 

化 学教 育

37

325

1989

2

 清 水

良和男

化学と教 育

39566

1991 )

3

小 四吉 治 郎

水 ヒ善 博

川 嶋 宗 継

滋 賀 大 学 教実 践

紀要

1

 

45

 (

1993

4

) 紺 野 

阪 と科学教育

大 阪教 育

ー, 9

23 1995 )

5

 え ば

分 析 (

4

版 )

日本 分 析 化 学 会 北 海道 支 部 編 (

2001

全 全

化 学 と教 育  53 巻 8 号 2DO5 年 ) 461

N工 工

Eleotronio  Library  

参照

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