化学形態別元素分析用環境標準物質の課題と展望

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化学形態別元素分析用環境標準物質の課題と展望

成川知弘*

（平成16年11月2日受理）

A survey on speciation reference materials

Tomohiro NARUKAWA

1. 序論

環境分野において分析対象となる物質には，金属元素を含む無機化合物，有機金属化合物および有機化合物など種類が多い．これらの分析対象物は，単純系で存在することは稀であり，多くの場合は複雑な系から成り立っている．また，環境分析における測定対象試料は，水系試料などの液体，ガスまたはガス状物質，岩石や土壌などの固体物質，生物生体物質など多岐にわたる．さらに，

分析対象元素が組成を主に構成する主成分(～％)からわずかに存在する微量成分(ppt～ppm)と対象濃度範囲も広い．この様な複雑かつ対象が広い環境試料に対して，正確かつ信頼性が高い元素分析法の確立は環境汚染管理やリスク評価に重要である．

環境分野では，分析対象が1つの元素であっても，その状態，組成成分および濃度により定量において複雑な干渉を受ける可能性があるため，取り扱いは単純でない．

例えば，対象物が岩石，底質，土壌などの固体試料では，

定量に先立って，通常は試料の溶液化や目的成分の分離，

抽出または濃縮などの前処理が必要となる場合が多い．

そのため，前処理操作段階における技術力が結果に大きく影響し，定量結果や信頼性などの評価に著しい影響を及ぼす場合もある．よって，信頼性の高い分析を行うには，分析対象となる物質と類似した系を取り扱うことで，

分析法のバリデーションや分析操作の精度，正確さを管理および議論する必要がある．すなわち，環境分析分野で用いられる試料に類似した系の成分濃度を認証した環境分析用組成標準物質が重要となる．

一方，近年における技術進歩は，分析装置などの性能を飛躍的に向上させ，ppbレベルの微量元素を正確に定量可能となった．さらに，分析から得られた知見より微量元素と

人体への関わりが明らかにされつつあり，人体への必須性や毒性が解明されはじめた．そのため，近年では環境汚染管理と，人体への悪影響を避けるためにも多種多様な分析対象物質に対し，年々正確な低濃度の分析法が必要とされている．また，環境中における元素は，酸化数や構造などが異なる幾つかの化学形態で存在しており，さらに，その化学形態によって人体に対する毒性が異なるため，全量分析と伴に化学形態別分析も必要性が増している．

この様な現状において，元素やその化学形態に関わる環境汚染や環境モニタリングなどの国際的な相互評価や監視の必要性が高まり，国際的な技術の共通化が求められている．そのため，分析技術と評価のための環境標準物質の果たす役割が大きくなりつつある．

しかし，環境分野と言う広い分析対象物を考えた場合，

組成標準物質の整備は未だ十分でない．また，最近になって元素の化学形態とその毒性が問題視され，監視などが早急に求められ始めたものもある．環境汚染問題や元素の毒性に対する知見が増え，微量元素のモニタリングが必要とされる昨今，化学形態別分析用環境組成標準物質の存在意義は益々増加すると考えられる．

そこで，本研究では，微量元素分析用環境組成標準物質の種類や調製方法についての現状を調べた．環境組成標準物質には，主に金属元素を中心とした元素分析用と PCB同属体や塩素系農薬類などを目的とした有機系に大別されるが，本研究では，主に金属元素を取り扱う．

本内容における“1．序論”では，環境標準物質と環境分析の概略について述べる．“2．背景と意義”では，元素の化学形態と化学形態別分析の必要性および現在規制対象とされている化学形態について述べる．“3．微量元素分析法”では，全量および化学形態別分析において現在有用とされている微量元素の分析方法について述べる．“4．値付け方法と標準液”では，環境標準物質の開発における値付け方法および値付けの際に用いられる標準液の現状

技術資料

* 計測標準研究部門無機分析科

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について述べる．“5．標準物質の種類”では，国内外の主要機関から現在頒布されている環境標準物質について述

べる．“6．環境組成標準物質の調製法”では，現在頒布さ

れている幾つかの環境標準物質を例に挙げ，その調製方法および値付けに用いられた分析法などについて述べる．

“7．化学形態別用標準物質の現状”では，現在頒布されている環境標準物質の内，化学形態別の認証をもつ標準物質について述べる．“8．今後の展望”では，今後において必要性が求められると予想される化学形態別分析用環境標準物質を例に挙げ，その開発を目指す過程で，現状の開発法の妥当性と問題点を考え，対応策などを議論する．

“9．結論”では，本研究内容をまとめる．

2. 背景と意義

2.1 化学形態別分析の必要性

自然界における元素は，幾つかの化学形態で存在する可能性があり，また，化学形態によって毒性が異なる．

金属元素を目的とした場合，その化学形態別とは，構造や官能基の種類や数などが異なる有機金属化合物同士，

酸化数が異なるもの同士，さらに配位子が異なる錯体化合物同士などが挙げられる．これらの化学形態は自然循環において変化し，化学形態とその毒性が問われるものには，ヒ素，クロム，スズ，水銀などある．

最近，世間的にも毒性が問題視されたヒ素は，天然では主にヒ素鉄鉱，鶏冠石として産出され，岩石，底質，

環境水などの自然界では主に無機化合物である As(III)(ヒ素3価)やAs(V)(ヒ素5価)として存在する．しかし，環境水中に溶出された無機ヒ素化合物は，海藻類，

貝類，魚類などの海産生物の生物体内へ取り込まれた場合，生物体内でメチル化(CH₃-)され，有機ヒ素化合物(ジメチルアルシン酸，テトラメチルアルソニウムイオン，

アルセノベタイン，アルセノコリン，ヒ素糖類など)へと化学形態変化を起こす．そのため，海藻類ではヒ素糖類，

魚類では構造内に4つのメチル基を有するアルセノベタインとして殆どが存在する．そして，海産生物を諸外国よりも多く摂取する生活様式を持つ日本人は，ヒ素化合物を多く摂取していると言える．しかし，魚類に多く含まれ，有機ヒ素化合物の一つであるアルセノベタインなどは，人体に対する毒性は殆どなく，体内に摂取された場合にも速やかに排出される．これに対し，一部報道でも話題になり，人体に対して最も毒性が高いものは As(III)であり，その毒性はアルセノベタインと比較して 1000倍以上程度異なる．

クロムは，地殻存在量が100ppm程度であり，主要鉱石

はクロム鉄鋼(FeCr₂O₄)である．クロムはステンレス鋼，

メッキ工業に使用されるなど，工業的用途も広い．天然では無機化合物のCr(III)(クロム3価)として存在する．稀に土壌などから無機化合物のCr(VI)(クロム6価)が検出される場合もあるが，これは人為的汚染が原因とされる．

また，Cr(III)とCr(VI)は同じ無機化合物であっても，人体に対する作用は全く異なり，Cr(III)は人体における必須元素であるのに対して，Cr(VI)は発ガン性物質である．

一方，スズでは，無機化合物の毒性は低く，人体に対して問題となるのは有機スズ化合物であり，内分泌撹乱物質(環境ホルモン)にも指定されている．有機スズ化合物(ブチルスズ化合物，フェニルスズ化合物など)は，プラスティックの安定剤や船底などの防汚塗料などに利用されているが，廃棄物の埋め立てや塗料から溶出した有機スズ化合物が，海洋に生息する貝類などの生態系に大きな影響を及ぼすことが明らかとなった．

また，過去に我が国において公害問題を引き起こし，

毒性が問題視された元素も多い．

熊本県水俣市で起きた水俣病の原因となった元素は水銀(Hg)であり，その原因となった化学形態はメチル水銀である．メチル水銀がある一定濃度以上人体に取り込まれた場合，初期段階における感覚障害から様々な悪影響を及ぼす．そのため，水銀の規制濃度を定める必要性があるが，胎児や妊婦は水銀の悪影響に弱く，また，遺伝的な影響を避けるためにも，成人に対する規制よりも何倍も低いレベルでの規制と監視が必要とされている. また，特定な化学形態に依存はしていないが，富山県婦中町で起こった公害のイタイイタイ病では，カドミウム (Cd)の慢性中毒によって腎臓障害を生じ，次いで骨軟化症をきたして骨折や身体が小さくなってしまうことによる内臓の圧迫などの悪影響を生じた．

さらに，三重県四日市地域では，二酸化硫黄(SO₂)やばいじんによって引き越される喘息が深刻な問題となった．

この様な歴史的なことからも，現在までに様々な法律，

法令により，環境中の物質は規制，監視されている．

従って，環境汚染対策およびリスク評価を判断するためには，多種多様な元素に対して，規制値よりもさらに低濃度を正確かつ高精度に定量する分析法の確立とモニタリングが重要である．

しかしながら，多種多様な組成成分からなる環境試料では，その複雑系の中の微量元素を正確に定量することは容易ではない．すなわち，確立された一つの分析法が全ての環境試料に対して有効となる訳ではない．そのため，各環境試料では，対象元素，濃度，組成成分から干渉などを考慮した分析技術の確立が必要である．また，

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化学形態別元素分析用環境標準物質の課題と展望

各環境試料では同一元素であっても，その存在する化学形態が異なる可能性があり，さらに，分析法によっては，

化学形態によって分析における定量感度が異なるなど，

正確な定量および評価には十分な知識と検討が必要となる．この様な中で，分析技術の統一化とトレーサビリティを確保し，環境リスク評価などを行うには，各分析者が分析対象物となるものに最も組成成分が近いものを取り扱うことで，分析法の評価を行うことが必要である．

そのため，今後需要が増すであろう化学形態分析においては，化学形態別の認証値を示す環境標準物質の存在が重要かつ必要である.

2.2 化学形態と現状の規制

元素濃度は，その全量と伴に化学形態に対する知見や分析も重要である．事実，日本の水質基準では，クロムは毒性の強いCr(VI)(6価クロム)として0.05ppm以下と規制されている．また，水銀では，全量として0.0005ppm 以下と言う規制と同時に，アルキル水銀は検出されないこととされている．

一方，ヒ素では，最も毒性が強いのはAs(III)(3価ヒ素) であるが，現在の水質基準では，全量ヒ素として0.01ppm 以下と規制されている．Cr(VI)およびAs(III)のいずれも，

摂取した場合には人体にとって悪影響を及ぼすものであるが，Cr(VI)は化学形態で規制されるのに対し，ヒ素は全量で規制されている．この違いにおける一つの要因は，

汎用性の高い化学形態別分析法が確立されているか否かによると考えられる．

日本工業規格(JIS)におけるCr(VI)の分析法は，ジフェニルカルバジド法である.¹^）これはCr(VI)にジフェニルカルバジド溶液(1,5-ジフェニルカルボノヒドラジド)を加え，生成する赤紫の錯体の吸光度を測定する方法であり，

定量範囲は2～50μgである．この反応は，Cr(VI)との特異的な反応であり，また，用いる測定機器が比較的安価な吸光光度計であるため，汎用性も高かった．現在では，

全量クロムを原子スペクトル分析法によって定量し，

Cr(VI)をジフェニルカルバジド法によって定量するなど

して，差分をCr(III)量とする様な化学形態別分析が用いられることがある．一方，JISにおけるヒ素の分析法は，

水素化物発生／原子スペクトル分析法である.²^）この方法は，ヒ素の高感度分析が可能であり，ヒ素の水素化物であるアルシン(AsH₃)の生成条件を変化させることで，

As(III)およびAs(V)の化学形態分析も可能である．しかし，

形態別分析では条件設定などに十分な考慮が必要となるため，現在の所では化学形態別分析法とはされていない．

しかし，近年において分析技術が進歩し，元素の化学形

態とその毒性に対する知見が増えたものも多い．また，機器普及率が増す昨今では，これまでに全量として規制対象であった元素についても，最近の分析技術を公定法に取り込み，新たに化学形態別の規制や監視項目などが設けられる可能性もある．そして，法律や法令で規制や監視項目となった場合には分析の必要性が増し，同時に，その際の分析法のバリデーションや分析操作の精度管理のための化学形態別認証を持つ環境標準物質が必要となる.

3. 微量元素分析法

3.1 全量分析法

環境中にppmレベル以下で存在する微量元素の定量では，原子スペクトル分析法であるフレーム原子吸光分析法(Flame Atomic Absorption Spectrometry，FL-AAS)，電気加熱式原子吸光分析法(Electrothermal Atomic Absorption Spectrometry，ETAAS)，誘導結合プラズマ（Inductivity Coupled Plasma，ICP）発光分光分析法(Atomic Emission Spectrometry，AES)，ICP質量分析法(Mass Spectrometry， ICP-MS)，また，中性子放射化分析(Neutron Activation Analysis，NAA)，蛍光X線分析法(X-ray Fluorescence，XRF) などが有用である．

原子スペクトル分析法における定量濃度範囲を図1に示す．フレーム原子吸光法は，アルカリ金属およびアルカリ土類金属などの主成分元素の定量には優れているが，

その他の微量元素では一般的に感度が悪く，環境試料への適用は十分でない．ICP-AESは多元素同時分析が可能であり，定量濃度範囲が広い特徴を有するが，液相濃度における元素の検出感度がICP-MSと比較して2～4桁程

度低い．ETAASはppbレベルの金属元素分析に優れ，分

析時の必要試料量が1 mL程度以下である特徴を有するが，装置の原理特性から単元素分析が主であるため，分析に長時間を要する．ICP-MSはppt～ppbレベルの元素を高感度かつ高精度に分析でき，また多元素同時分析できるため，現在では最も有用な検出器であるが，分析時に分子イオンの干渉を受ける可能性があり，分析条件の最適化には十分な知識を必要とする．

一方，NAAは元素分析の感度としてICP-MSと同等な高感度を有するが，放射化のための原子炉が必要であり，

汎用性が低い．XRFは固体試料を取り扱うことが可能であるが，他の分析法と比較して繰り返し精度が悪い．

環境試料は様々な濃度レベルの元素を多数含む複雑系であるため，干渉なしに分析することは困難である．そのため，一つの分析法だけでは，各分析装置における原理理論，性能において避けられない干渉を含む定量値を

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図1 分析法と定量濃度範囲

得る可能性を持つ．よって，原理理論の異なる複数の装置を用いることで，装置原理に依存する干渉を避け，統計的に真値の議論を行うのが良い．

一般的には，汎用性や装置の定量感度などから， ICP-MS，ICP-AES，ETAASなどの原子スペクトル分析法を主に組み合わせて定量を行う場合が多い．そして，この場合に取り扱える試料状態は，主に液体と一部の気体である．そのため，固体試料に関しては，分析に先立って試料の溶液化などの前処理が必要である．また，原子スペクトル分析法は，微量元素を高感度かつ高精度に分析可能であるが，これらの分析法を単独で行う場合，得られる結果は試料中に存在する目的元素の全量であり，

化学形態別の知見は殆ど得られない．

3.2 化学形態別分析法

クロマトグラフィーは同一溶液内に存在する化学種 (化学形態)を分離するのに優れた手法である．一定量の試料溶液を送液ポンプによって流される移動相(溶離液) と伴に分離カラムに導入し，その後，カラムの分離特性と化学種との間による挙動の違いを利用して，化学種を分離，逐次に化学形態別に溶出する方法である．クロマトグラフィーは，分離に用いる媒体によって，液体または気体(ガス)クロマトグラフィー(Liquid/Gas Chromatography) に大別される．クロマトグラフィーの検出器には，これまで主に分光光度計，伝導度計，質量分析計などが用いられた．しかし，環境中にppb～pptレベルで存在する微量金属元素の定量では，感度が不十分な場合や正確さに欠けることがある．そのため，現在では，化学種の分離にはクロマトグラフィーを用い，検出器にICP-MSまたは ICP-AESを用いる方法が多数利用される様になった．これにより，オンラインで微量元素の化学種の分離と検出が可能となり，高感度な化学形態別定量が可能となった．

クロマトグラフィーとICP-MSを組み合わせた際の装置概略を図2に示す．目的とする化学種の沸点が高い場合には，液体クロマトグラフィー(LC)とICP-MS/-AESを組み合わせたLC-ICP-MS/-AESが最も汎用性が高い．また，

有機金属化合物などで沸点が低く揮発性が高い化学種では，ガスクロマトグラフィー(GC)とICP-MSを組み合わせたGC-ICP-MSが有用である．

化学形態別分析におけるLCまたはGC-ICP-MSは，分析時に化学形態変化を避け，比較的短時間で複数の化学形態を分離，同時定量できるため，現在では最も有用な方法である．表1にクロマトグラフィーとICP-MSを結合させた手法による，近年の化学形態別定量法の報告例をまとめる．

ヒ素化合物^3)～8）［ヒ素(III)およびヒ素(V)，モノメチルアルソン酸(MMAA)，ジメチルアルシン酸(DMAA)，トリメチルアルソンオキサイド(TMAO)，テトラメチルアルソニウムイオン(TeMA)，アルセノベタイン(AB)，アルセノコリン(AsC)，ヒ素糖類など］については，初期の頃，イオン対逆相クロマトグラフィーが用いられた．これはODSカラムを固定相とし，イオン対試薬を含む移動相(溶離液)を用いて，ヒ素化合物を分離する．その後，陽または陰イオン対逆相クロマトグラフィーとサイズ排除クロマトグラフィーを併用することによって，15種類のヒ素化合物を分離した例もある．

イオン対逆相クロマトグラフィーは多種の化学形態の分離に優れ，イオン交換クロマトグラフィーと比較して分離能が高い特徴がある．しかし，共存物の干渉を受けやすく，

実試料への適用が難しいとされ，最近では主にイオン交換クロマトグラフィーが多く用いられ始めた．

図2 LC-ICP-MS装置概略

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表1 クロマトグラフィー／ICP-MSによる化学形態別分析法

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鉛化合物^{9)～11)，23)}［鉛(II)，テトラエチル鉛(TTEL)，トリメチル鉛(TML)，トリエチル鉛(TEL)］に関しては，疎水性が小さく，低メタノール濃度での利用が出来るC₈を固定相とした逆相クロマトグラフィーが有用とされている．

しかし，現在の環境中では鉛化合物の濃度が低く，

LC-ICP-MSを用いても感度が不十分である場合が多い．

水銀化合物12)～14)，24)［水銀（II），メチル水銀（MeHg），フェニル水銀(PhHg)，thimerosal］に関しては，主にイオン対逆相クロマトグラフィーおよび逆相クロマトグラフィーが検討されており，逆相クロマトグラフィーの方が水銀化合物の分離に優れている．ICP-MSを検出器としてオンライン分析を行う場合，移動相組成の有機溶媒量を多くする必要があるため，プラズマの安定性維持に注意および検討が必要となるが，感度および実試料に対する適用性など有用度が高い．

セレン化合物^15)，^16)，²⁵⁾［セレン（IV）およびセレン(VI)，トリメチルセレノニウムイオン(TMSe)，セレノシステイン(SeCys)，セレノメチオニン(SeMet)など］については，

オクタデシル基とアミノ基を等モルずつ化学結合させたシリカゲルを固定相とし，逆相とイオン交換性の両方の性質を有するカラムでセレン(IV，VI)，SeCysおよびSeMet を分離可能である．

スズ化合物17)～19)，26)～28)［トリブチルスズ(TBT)，ジブチルスズ(DBT)，モノブチルスズ(MBT)，トリフェニルスズ(TPhT)など］では，イオン交換やイオン対逆相クロマトグラフィーの分離において移動相のメタノール濃度を50～60%にしなければならため，感度の低下，多原子イオンの干渉，プラズマの安定性維持などが問題となる．

そのため，ODSカラムを固定相として，ミセル溶液を移動相とするミセル液体クロマトグラフィーなどが検討されている．しかし，有機スズ化合物については， GC-ICP-MSの方が，簡易かつ有用な手法である．

クロム^20)~22)［クロム(III)およびクロム(VI)］に関しては，

イオン交換クロマトグラフィーまたはイオン対逆相クロマトグラフィーが有用とされている．しかし，クロムの化学形態は，溶液のpH依存性，他の物質からの酸化還元反応が激しく，現時点では，化学形態の分離法よりも試料中の化学形態を確実に維持する保存方法の知見が少ないことが最も大きな問題である．

4. 値付け方法と標準液

4.1 一次標準測定法

標準物質の値付け，換言すれば，元素分析において最も有用かつ信頼性の高い分析法になりうるものは，安定

同位体希釈法(stable isotope dilution method，以下ID法と略記)である．ID法は化学的な操作が複雑な上，分析に時間を有する．しかし，この方法で得られる分析結果は，

正確かつ高精度(確度が高い)である．

元素の中には陽子数は同じであるが中性子数が異なる同位体を持つものが多い．すなわち，同一元素で質量数が異なるものが存在し，その同位体の存在比率は天然において元素固有である．一般的に良く知られているものには，質量数12の炭素(¹²C)および質量数13の炭素(¹³C)であり，天然では全量炭素の1.1%に¹³Cが含まれている．ID 法は，天然とは異なる同位体比組成を持ち，人工的に調製された濃縮同位体スパイク溶液(enriched isotope spike，以下スパイク溶液と略記)を試料に添加し，試料中における分析対象元素の同位体平衡前後の同位体組成比変化から存在度を求める方法である．その概念を図3に示す．

また，ID法により目的元素を定量する場合の計算式は以下の通りとなる．

R＝ A

B ＝ A_N×X＋As×S B_N×X＋B_S×S X＝ A_S×S-R×Bs×S

R×B_N－A_N

一次標準測定法であるID法の利点としては,

① 同位体比を分析するだけで定量が可能である．

② 同位体平衡状態に達していれば定量結果が分析元素の回収率には依存しない．

③ 得られる精度が検量線法に比べて優れている．

などの利点が挙げられる．

しかし，一次標準測定法であるID法でも，その有利性を出すには，

① 天然の同位体組成とスパイク溶液の同位体組成が正確に決まっていること．

② 前処理をはじめとする化学的操作段階で同位体分別が起こらないこと．

③ 測定時に質量スペクトル干渉を受けないこと．

④ 質量分析計の質量差別効果が無いこと．

⑤ スパイク溶液添加量が適切であること．

⑥ 安定同位体が複数存在すること．

などの条件が必要となり，分析装置の検出器として質量分析装置に限られる．

また，ベリリウム(Be)，フッ素(F)，ナトリウム(Na)，アルミニウム(Al)，リン(P)，スカンジウム(Sc)，マンガン(Mn)，コバルト(Co)，ヒ素(As)，イットリウム(Y)，ニオブ(Nb)，ロジウム(Rh)，ヨウ素(I)，セシウム(Cs)，プラセオジム(Pr)，

テルビウム(Tb)，ホルミウム(Ho)，ツリウム™，金(Au)，

ビスマス(Bi)，トリウム(Th)は同位体が1つである．すなわ

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図3 同位体希釈方の概念

ち，天然に存在する可能性を持ち，測定の必要性がある場合でも，これら21元素に対してID法は適用出来ない．さらに，現実にはID法でスパイクする同位体化合物の純度を正確に決定することが困難な場合があるため，実際の適用には十分な知識と技術が必要となり，簡易ではない．

そのため，試料中の未知濃度を求めるためには，既知濃度の標準液を適宜希釈などした既知溶液によって作成した検量線から試料溶液中目的元素の未知濃度を求める検量線法，既知濃度標準液を試料に添加して得た検量線の傾きから試料中の未知濃度を算出する標準添加法なども用いられる場合が多い．検量線法は最も汎用性が高く，

一般的手法である．一方，標準添加法は，試料中のマトリックス効果を抑制した定量が可能であるが，検量線法と比較した場合，分析時間を要する欠点がある．

4.2 標準液

4.2.1 全量分析のための標準液

一次標準測定法である安定同位体希釈法(stable isotope dilution method，ID法)を行う上で必要となる濃縮同位体スパイク溶液(enriched isotope spike，スパイク溶液) は，Institute for Reference Materials and Measurements

(IRMM，Europe)などで調製および頒布されている．早く

は1980年代から開発がはじまり，現在でも多くの種類について調製が行われている．また，これらには，SI単位系に帰属する認証値および不確かさが記されている．

2004年現在でID用スパイク溶液としてIRMMに登録されているものは139種類あり，その内30種類が現在調製開発中である.²⁹⁾ 一例としてCertified Isotope reference material IRMM-012(クロム，Cr)のスパイク溶液の調製では，National Institute of Standards and Technology(NIST， U.S.A)より頒布されているNIST CRM 979高純度硝酸クロム(NIST SRM 979 high purity chromium nitrate［Cr (NO₃)₃9H₂0］)を1M塩酸溶液で溶解し，石英製アンプルに5 mL封入している．Cr量としては，2×10^-7 mol·g^-1である．この溶液におけるCrの同位体比を測定し，拡張不確かさ(k＝2)を含むCrの同位体比を認証している(表2)．一方，検量線法や標準添加法に利用される標準液は，

主に高純度の金属，塩(硝酸塩または塩化物が用いられる

表2 IRMM-012クロム同位体比の認証値

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ことが多い)や酸化物などの試薬を溶解して調製する溶液である．この場合，標準液は1000 mgL^-1(ppm，0.1％) 程度の高濃度で調製および販売されている．また，各標準液では，元素の特性によって液性は異なり，保存性を保つため数%～数Mの酸(主に硝酸または塩酸)の添加，水酸化ナトリウムまたは水酸化カリウム溶液の添加，また単に水のみで調製されるものがある．これらの溶液は化学分析用の標準液として，目的元素濃度が認証されているが，その存在化学形態や同位体比に関する知見はない．

そのため，比較的取り扱い易く，国立などの研究機関だけでなく，多くの企業からも調製や販売がなされている．

現在，国内においてJCSS金属標準液および非金属イオン標準液は約20種であり，関東化学株式会社や和光純薬工業をはじめ幾つかの企業が取り扱っている．これらの市販される標準液は，特定二次標準液を基準した滴定法により濃度の測定が行われ，計量法第144条第1項の規定に従った値付けの結果が記され認証書が添付される．すなわち，特定標準物質(国家計量標準)にトレーサブルである．一例として，JIS規格によるクロムおよびヒ素標準液での調製法を以下に記す．

4.2.1.1 標準物質－標準液－クロム(JIS K 0024)^30）

この規格は，化学分析の標準として用いるクロム標準液を規定する．クロム標準液の濃度決定には，国が純度を確定した標準金属亜鉛を用いた亜鉛基準標準液を用いる．クロム一次標準液は，JIS K 8005に規定する二クロム酸カリウムを用いて，亜鉛基準標準液を基準として濃度を確定する．クロム二次標準液は，JIS K 8005に規定する二クロム酸カリウムを用いて調製し，クロム一次標準液を用いてその濃度を確定したものとする．

実験に用いる試薬類では，ニクロム酸カリウムはJIS K 8517に規定する．硝酸はJIS K 9901に規定する．水はJIS K 0557の3に規定する品質のもので，不純物として含まれるクロムは，波長357.7 nmで電気加熱式原子吸光分析を行ったときの測定値が，B/A＝1/4を満足することとなる．

ここで，Aは水10 mLにクロム二次標準液(5 mg Cr L^-1) 20 μLを加えた液の測定値であり，Bは水の測定値である．L(+)-アスコルビン酸溶液JIS K 9502に規定するものを5g採り，水100 mLに溶解したものを使用する．10 mmolL^-1 EDTA2Na溶液はJIS K 8107に規定するものを3.72g採り，

水で全量を1000 mLとしたもの，アンモニア水はJIS K 8085に規定する濃度28.0～30.0%のものを10 mL採り，水 100 mLを加えたもの，キシレノールオレンジ溶液はJIS K 9563に規定するものを0.1 g採り，水100 mLに溶かしたもの，硝酸ビスマス溶液(10mmolL^-1)はJIS K 8566に規定す

る5水和物を4.85 g採り，硝酸(1+1)25 mLに溶かした後，

水で全量を1000 mLとしたものを用いる．

調整方法としては，ニクロム酸カリウムを適当な濃度の硝酸に溶かし，最終の硝酸濃度を0.01～0.02 molL^-1とする．試験条件では，JIS K 0050に規定する方法によって校正された体積計を用いて，温度条件またはクロム二次標準液とクロム標準液とを同じにする．

装置には，光度滴定法によって滴定したときに，530 nm 付近の色の変化を終点として検出できる自動滴定装置およびJIS Z 8802に規定する形式II以上の性能を持つpH計を用いる．

クロム標準液(Cr 1000)の濃度決定は以下のように行う．

クロム標準液(Cr 1000)5 mLを全量ピペットを用いて 300 mLコニカルビーカーに採る．硝酸(1+20)5 mLおよび L(+)-アスコルビン酸溶液5 mLを加えてかき混ぜ，水50 mL を加える．10 mmolL^-1 EDTA2Na溶液20 mLを全量ピペットを用いて加える．アンモニア水(1+10)を加えてpH値を 3.5±0.1に調節する．時計皿でふたをして加熱し，30分間煮沸する．約25℃まで冷却し，水を加えて約150 mLとする．キシレノールオレンジ溶液を約0.4 mL加え，自動滴定装置を用いて10 mmolL^-1硝酸ビスマス溶液で滴定して終点を求める．

次にクロム二次標準液(1000 mgCrL^-1)5 mLを全量ピペットを用いて300 mLコニカルビーカーに採り，同一な操作および空試験を行う．各試験の3回の平均値と平均値の差が±0.5%であることを確認する．その結果を基に，

以下，計算によってクロム標準液(Cr 1000)の濃度決定を行う．

c＝c₀×（b₂- t₂）/（b₁- t₁）

ここで，cはクロム標準液(Cr 1000)の濃度(mgCrL^-1)，c₀ はクロム二次標準液(1000 mgCrL^-1)の濃度(mgCrL^-1)，b₁ はクロム二次標準液(1000 mgCrL^-1)の空試験の滴定に要した10 mmolL^-1硝酸ビスマス溶液の量の平均(mL)，b₂はクロム標準液(Cr 1000)の空試験の滴定に要した10 mmolL^-1 硝酸ビスマス溶液の量の平均(mL)，t₁はクロム二次標準液(1000 mgCrL^-1)の滴定に要した10 mmolL^-1硝酸ビスマス溶液の量の平均(mL)，t₂はクロム標準液(Cr 1000)の滴定に要した10 mmolL^-1硝酸ビスマス溶液の量の平均(mL) である．

また，容器は，クロム標準液の品質に影響を及ぼさない気密容器とし，ほうケイ酸ガラス，ポリエチレンなどの材質のものを使用する．さらに，容易に消えない方法で，内容物の名称および種類，濃度(20℃)，成分，保証期間，ロット番号，製造業者またはその略号，検定機関名，取り扱い上の注意などの事項を示すこととされている．

(9)

4.2.1.2 標準物質－標準液－ヒ素(JIS K 0026)³¹⁾ この規格は，化学分析の標準として用いるヒ素標準液を規定する．ヒ素標準液の濃度決定には，国が純度を確定した標準ヨウ素を用いたヨウ素基準標準液を用いる．

ヒ素一次標準液は，純度99.98%以上の酸化ヒ素(III)を用いて国または国の監督指導の下にある公的検査機関が調製方法に従って調製し，ヨウ素基準標準液を基準にして濃度を確定する．ヒ素二次標準液は純度99.98%以上の酸

化ヒ素(III)を用いて国または国の監督指導の下にある公

的検査機関が調製方法に従って調製し，ヒ素一次標準液を基準にして濃度を確定する．実験に用いる試薬類では，

酸化ヒ素(III) JIS K 8044に規定する三酸化二ヒ素，塩酸は JIS K 9902に規定するもの，水はJIS K 0557の3に規定する品質のもので，不純物として含まれるヒ素は，波長193.7 nm で水素化合物発生原子吸光分析を行ったときの測定値が，

B/A＝1/8を満足することとする．ここで，Aは水15 mLに塩酸5 mLを加えた後，ヒ素二次標準液(10mg As L^-1)40 μL を加えた液の測定値であり，Bは水15 mLに塩酸5 mLを加えた液の測定値である．水酸化ナトリウム溶液はJIS K 9906に規定するものを用いる．炭酸水素ナトリウム溶液はJIS K 8622に規定するものを10 g採り，水100 mLに溶かしたもの，ヨウ化カリウム溶液はJIS K 8913に規定するものを40 g採り，水に溶かして100 mLとする．塩酸(1+5) は規定のものを10 mL採り，水50 mLを加える．5 mmolL^-1 ヨウ素溶液 JIS K 8920に規定するものを13 g採り，ヨウ化カリウム溶液100 mLに溶かした後，塩酸(1+5)1 mLおよび水を加えて全量を1000 mLとし，この100 mLを採り，

水を加えて全量を1000 mLとする．

調整方法としては，ヒ素標準液は，酸化ヒ素(III)を水酸化ナトリウム(5%)に溶かした後，水および適当な濃度の塩酸を加えて，pH計を用いてpH値3～6とする．

試験条件では，JIS K 0050に規定する方法によって校正された体積計を用いて，温度条件またはヒ素二次標準液とヒ素標準液とを同じにする．装置には，最小目盛1 mV の高入力抵抗(>1012Ω)の電位差自動滴定装置に指示電極として白金電極および参照電極として銀－塩化銀電極を付けたものを使用する．

ヒ素標準液(As 1000)の濃度決定は以下のように行う．

ヒ素標準液(As 1000)10 mLを全量ピペットを用いて

300 mLコニカルビーカーに採る．炭酸水素ナトリウム溶

液30 mLおよび水70 mLを加えてかき混ぜ，電位差自動滴

定装置を用いて5 mmolL^-1ヨウ素溶液で滴定して終点を求める．次にヒ素二次標準液(1000 mg As L^-1)10 mLを全量ピペットを用いて300 mLコニカルビーカーに採り，同一な操作および空試験を行う．各試験の3回の平均値と

平均値の差が±0.5％であることを確認する．以下，計算によってヒ素標準液(As 1000)の濃度決定を行う．

c＝c₀×t₂/t₁

ここで，cはヒ素標準液(As 1000)の濃度(mgAsL^-1)，c₀はヒ素二次標準液(1000 mgAsL^-1)の濃度(mgAsL^-1)，t₁はヒ素二次標準液(1000 mgAsL^-1)の空試験の滴定に要した5 mmolL^-1 ヨウ素溶液の量の平均(mL)，t₂はヒ素標準液(As 1000)の滴定に要した5 mmolL^-1ヨウ素溶液の量の平均(mL)である．

また，容器は，クロム標準液の品質に影響を及ぼさない気密容器とし，ほうけい酸ガラス，ポリエチレンなどの材質のものを使用する．さらに，容易に消えない方法で，内容物の名称および種類，濃度(20℃)，成分，保証期間，ロット番号，製造業者またはその略号，検定機関名，取り扱い上の注意などの事項を示すこととされている．

4.2.2 化学形態別分析用標準液

化学形態別定量を目的とした標準液で認証されているものには，NISTのSRM 2108 Cr(III)およびSRM 2109 Cr(VI)標準液，IRMMのBCR CRM 544クロム標準液(乾燥粉末処理)，BCR CRM 626アルセノベタイン溶液だけである．

また，認証標準物質ではないが，SPEX社^32）(U.S.A)では，

Pb(II)(2-5%HNO₃酸性)，Hg(II)(2-5%HNO₃酸性)，As(III) (2-5%HCl酸性)，As(V)(2-5%HNO₃酸性)，Cr(III)(2-5%HNO₃ 酸性)，Cr(VI)(H₂O，酸：無添加)，Cu(II)(2-5%HNO₃酸性)， Cd(II)(2-5%HNO₃酸性)，Se(IV)(2-5%HNO₃酸性)，Se(VI) (H₂O，酸：無添加)を化学分析用標準液として作製および販売している．

認証標準物質を頒布するNISTおよびIRMMでは，調製方法が開示され，標準液には認証書が添付される．NIST SRM 2108 Cr(III)標準液では，高純度金属Crを1(v/v)%塩酸によって溶解後，不純物となるCr(VI)をジフェニルカバジド吸光光度法(540 nm)で測定し，Cr(III)の濃度を定めている．測定は常に元溶液から100 ppmに希釈して行われている．また，温度依存性を考慮し，保存温度は22± 1℃が推奨され，化学形態に対する濃度変化が認められた場合には直ちに知らせる旨が認証書に記載されている．

NIST SRM 2109 Cr(VI)標準液では，重クロム酸カリウムを水に溶解し，不純物となるCr(III)をイオン交換クロマトグラフィーで測定し，Cr(VI)濃度を認証している．この様に，同一元素であって，その化学形態の安定性を考慮し，保存時の液性が異なる．そのため，Cr(III)および Cr(VI)が同時に存在し，その濃度を認証するものではな

(10)

い．

BCR CRM 544では，Cr(III)およびCr(VI)が同時に含まれ，

かつ濃度認証された標準物質である．しかし，この場合には，形態の安定性を保つために，溶液を凍結乾燥し，粉末化したものである．そして，この粉末をHCO₃^-/H₂CO₃(pH6.4) 緩衝溶液20 mLに再溶解した場合のCr(III)およびCr(VI)の濃度を，約20機関の共同分析結果より，それぞれ26.8±1.0 μL^-1 および22.8±1.0 μL^-1で認証している．

BCR CRM 626アルセノベタインは，無機ヒ素化合物が

生物体内に取り込まれてメチル化された有機ヒ素化合物である．そのため，一般的な純物質の試薬などとして入手することが困難である．よって，アルセノベタイン標準液は，純金属や高純度試薬を溶解して調製するのは難しく，原料となるアルセノベタインの合成から必要となる．BCR CRM 626では，トリメチルアルシン［As(CH₃)₃］と臭化酢酸エチル(BrCH₃COOC₂H₅)からアルセノベタインを合成し，その合成物の純度を¹H核磁気共鳴分析 (NMR)，示差熱分析(TG-TDA)，蛍光X線回折(XRF)などにより測定した．その後，水溶性であるアルセノベタインを脱イオン水(超純水)に溶解し，アルセノベタイン標準液を調製した．濃度決定には高速液クロマトグラフィー-ICP発光分光分析法(HPLC-ICP-AES)，ICP-AESおよびキャピラリー電気泳動などを用いて値付けを行い，認証値を記した有機ヒ素化合物の標準物質として頒布している．

一方，認証標準物質ではないSPEX社製については，調製方法などの公示はされておらず，その詳細は明確でない．しかし，SPEX社製の標準液では，例えばAs(III)は，

酸化によるAs(V)への変化を防ぐために還元性である塩酸酸性溶液で保存される．また，As(V)は還元による

As(III)への変化を防ぐために酸化性酸である硝酸酸性溶

液で保存される．クロムではCr(III)は硝酸酸性であるの

に対し，Cr(VI)は水で溶解されるだけである．この様に，

その化学形態によって安定性条件が異なるため，標準液であっても同一溶液内で化学形態を安定に保存する条件は難しいことがわかる．そのため，化学形態別定量を目的とした標準液の種類は限られている．

5. 標準物質の種類

環境分野関連で国際的認証を示し，比較的多くの環境組成標準物質を作製および頒布している主要機関には，

国外のNational Institute of Standards and Technology(NIST，

U.S.A)³³⁾，National Research Council(NRC，Canada)³⁴⁾，Institute for Reference Materials and Measurements(IRMM，Europe)²⁹⁾，

国内の(社)日本分析化学会(JACS)³⁵⁾，国立環境研究所 (NIES)³⁶⁾および計量標準総合センター(NMIJ)³⁷⁾などが挙げられる．

NISTでは，これまでに牡蠣，小麦，米，トマト，ホーレン草，タラなどの環境標準物質を頒布している．また，

生物生体系でもある尿や血清，大気関連物質の石炭飛散灰なども環境組成標準物質の一部に属すると考えた場合，

金属元素分析用だけでもその数は約50種類に及ぶ．NRC では，海水，河川水，海底質，ツノザメやロブスターの筋肉組織などをはじめ，14種類が頒布されている．IRMM では，オリーブ，ミルク，牛の血液，スラッジ，底質，

マグロの肉組織など約65種類が開発，頒布されている．

また，JACSは，ダイオキシン類およびPCB同属体用の海域底質および河川底質，農薬成分分析用土壌，ダイオキシン類用フライアッシュおよび土壌などがあるが，金属元素に対して認証値が記された金属元素分析用としては，土壌のJSAC-0401（添加），JSAC-0411（無添加）と，河川水のJAC-0031（無添加），JAC-0032（添加），JSAC-0301-1（無添加）およびJSAC-0302（添加）だけである．NIESでは，

リョウブ，池底質，クロレラ，自動車排出粒子，玄米粉末など，11種類が現在頒布されている．NMIJでは，PCB同属体用および塩素系農薬類以外の元素分析用組成標準物質として海底質，湖底質，河川水などがある．

これまでに国内外の主要機関において開発，頒布されている環境標準物質は多岐に渡り，その種類も少なくない．しかし，金属元素分析用に着目した場合，全量に対する認証が大部分であり，化学形態別に関する情報は限られている．

6. 環境組成標準物質の調製法

前記したように，環境標準物質となる対象は様々である．また，その値付けでは，全量または化学形態別用など，その目的は異なる．しかしながら，一般的には環境，

生物生体試料に関わらず，天然からの原料採取，粉砕，

混合，乾燥，ふるい掛け，瓶詰めの作業，均質性試験および値付けによって開発される．

さらに，固体または粉末試料では，別途，乾燥重量試験が行われ，値付けの際の補正に用いられる．水系試料などの場合，粉砕，乾燥およびふるい掛けなどの一部の操作はないが，基本的には同様な手順に従って開発される．

ここでは，全量分析を目的とした微量元素分析用組成標準物質の一例として，水系環境標準物質，また，化学形態別の認証値を有するいくつかの環境標準物質につい