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200305R
イオンクロマトグラフ
Q & A その 5
イオンクロマトグラフィーにおける検出器について
【はじめに】 イオンクロマトグラフィーでは、イオンが電気伝導度を有 する性質を利用して、電気伝導度検出器を用います。しか し、電気伝導度検出器はイオンに対する選択性が低いた め、測定目的イオンだけを検出することはできないといっ た欠点があり、またイオンによっては十分な測定感度を得 られない場合があります。このようなことから、定量精度の 高い測定をおこなうためには、測定目的成分と試料マトリ ックスに応じて検出器または検出法を使い分けることが必 要となります。 この技術資料では、イオンクロマトグラフィーで一般的に 用いられる電気伝導度検出器、紫外/可視 (UV/VIS) 吸 光光度検出器、電気化学検出器の特性と選択基準につ いて説明します。 【電気伝導度検出器】 1. 検出原理 電気伝導度検出器は、交流電圧が2 つの印加された電 極間を通過した溶液の電気抵抗を計測します。電気伝導 度とは抵抗 （Ω） の逆数 （1/Ω） で表し、電気の流れや すさを示します。イオン化している成分は、電気伝導度検 出器の電極間を通過する際に電子の移動に関与し、電気 を流れやすくします。すなわち、これが電気伝導度を有す るということです。 電気伝導度は温度の影響を受けやすく、1℃の変化で も電気伝導度が数%変化することが知られています。この ため、市販の電気伝導度検出器は、セルを一定温度に保 つか、セル内での溶離液の温度を計測して補正します。 電気伝導度の単位にはμS/cm （マイクロシーメンス・パ ー・センチメートル） またはμS (マイクロシーメンス) が使 われます。 2. 特性 電気伝導度検出器はイオン成分を感度良く検出するこ とができます。すなわち電気伝導度検出器は、イオンを選 択的に検出できます（イオンでない成分をほとんど検出し ない）が、イオン自体の選択性 （異なるイオン同士を区別 する能力） が乏しいため、測定目的イオン以外のイオンも 検出してしまいます。このため、電気伝導度検出器で検出 する際は、各成分をあらかじめ十分に分離しておくことが 必要です。このような特性により、電気伝導度検出器は、 試料中にどのようなイオンが含まれているかを調べるとき (スクリーニング) に有効です。 イオンの電気伝導度は、濃度と温度を条件に一定の値 を示します (表 1)。溶液の電気伝導度とは、溶存する陰イ オン、陽イオンそれぞれの当量電気伝導度を合計した値 （総電気伝導度） です。したがって、同じイオン成分であ っても共存している対イオンによって電気伝導度の値は変 化します。例えば、1 mmol/L の Cl－は対イオンがNa+で ある場合に約126μS の電気伝導度を示しますが、対イオ ンがH+である場合は426μS という高い値を示します。 表 1 当量電気伝導度一覧 総電気伝導度 ＝ Σ（λ+） ＋ Σ（λ-） （単位：μS／ミリ当量 25℃） 陽イオン λ+ 陰イオン λ -H+ Li+ Na+ K+ NH4+ Mg2+ Ca2+ 350 39 50 74 73 53 60 OＨ -F -Cl -Br -NO 3-PO 43-SO 42-198 55 76 78 71 80 80 イオンクロマトグラフィーでは、溶離液に酸またはアルカ リ溶液を用います。これらの溶液はイオン成分を含んでい るため、溶離液は電気伝導度を有しています。溶離液の 電気伝導度を下げるために用いられるのが、サプレッサで す。（サプレッサの原理は、技術資料PG008-0027 をご参 照ください。） ノンサプレッサ法は、低電気伝導度の有機 酸を溶離液として用いることにより、サプレッサを使用しな い手法です。TR017YS-0092
【紫外可視吸光光度検出器 (UV/VIS 検出器) 】 1. 検出原理 ある波長の光軸上に、光を吸収する分子が存在すると その光エネルギーは分子 に吸収されて弱 くなります。 UV/VIS 検出器は、この原理を利用して検出をおこないま す。一般に紫外部の光源として重水素放電管、可視部の 光源としてタングステンランプが用いられています。波長の 変更にはフィルタや回折格子を用います。 2.UV/VIS 検出器の特長 UV/VIS 検出器では、紫外部または可視部に吸収を持 つ成分しか直接検出できません。図 1 に無機陰イオン 7 成分の電気伝導度検出と紫外吸光検出したときのクロマト グラムを示します。図1 からも明らかなように、一般無機陰 イオン7 成分のうち、紫外部 215nm 付近で吸収を持つ成 分は亜硝酸イオンと臭化物イオンと硝酸イオンの3 成分で す。 － 0 5 10 15 20
Retention Time (min) 0 0.1 0.2 0.3 A U NO2 － Br－ NO3 － 0 5 10 15 20
Retention Time (min) 0 2 4 6 8 10 μS/ cm Br－ F－ NO2 － PO43 －SO4 2－ NO3 － Cl－ A)電気伝導度検出 B)UV 検出 (215 nm) 測定条件
カラム IC-Pac A25G, A25S 溶離液 4 mmol/L Na2CO3 溶離液流量 1.0 mL/min サプレッサ ASRS-ULTRA 恒温槽温度 40℃ 試料導入量 25 μL 検出器 電気伝導度検出器 UV/VIS 検出器 (測定波長 215nm) 図1 無機陰イオン 7 成分の電気伝導度および UV/VIS 検出器による検出 電気伝導度検出では十分な感度が得られない場合や、 電気伝導度検出では選択性に乏しく他のイオンと十分 な分離ができない場合、測定目的イオンが紫外部また は可視部に吸収を持つのであればUV/VIS 検出器で検 出するとよいでしょう。表2 に波長 215 nm の紫外部 に吸収を持つイオン成分と、その成分の紫外吸光検出 時の感度および電気伝導度検出時の感度の比較を示し ます。表2 では「紫外吸光度/電気伝導度」の数値が大 きいほど、電気伝導度検出器よりも紫外吸光検出器を 用いた場合の感度が高いことを示しています。 表2 紫外吸光と電気伝導度検出時の感度の比較 イオン*1 電気伝導度 (μS) 紫外吸光度*2 (mAU) 紫外吸光度 / 電気伝導度*3 AsO43- 1.065 0.159 0.07 Br- 4.749 17.711 1.70 BrO3- 3.687 12.478 1.54 ClO2- 7.277 14.511 0.91 ClO3- 5.323 0.103 0.01 CrO42- 0.715 9.165 5.83 I- 1.078 23.107 9.75 IO3- 3.050 28.970 4.32 MoO42- 0.608 12.289 9.19 N3- 1.395 10.356 3.38 NO2- 8.234 145.611 8.04 NO3- 4.971 109.282 9.99 S2O32- 2.087 13.630 2.97 SCN- 1.030 12.841 5.67 SeO32- 1.619 11.868 3.33 SeO42- 2.791 0.582 0.09 SO32- 0.934 0.507 0.25 WO42- 0.480 2.565 2.43 安息香酸 0.268 12.684 21.53 イソ吉草酸 0.234 0.293 0.57 イソ酪酸 0.403 0.608 0.69 ギ酸 7.113 1.365 0.09 吉草酸 0.154 0.326 0.96 クエン酸 0.352 0.318 0.41 グリコール酸 4.315 1.093 0.12 グルコン酸 1.687 0.787 0.21 コハク酸 0.695 0.927 0.61 酢酸 1.112 0.653 0.27 酒石酸 1.598 1.465 0.42 シュウ酸 2.662 5.552 0.95 乳酸 3.050 1.237 0.18 o-フタル酸 0.545 29.054 24.25 フマル酸 1.003 43.284 19.62 マレイン酸 1.362 83.637 27.91 マロン酸 1.708 0.693 0.18 酪酸 0.424 0.443 0.47 L-リンゴ酸 1.285 0.786 0.28 ＊1：各イオン濃度 10mg/L ＊2：紫外吸光度:測定波長 215nm ＊3：ノイズを 1 としたときの応答値の比 溶離液として紫外部または可視部に吸収を持つ成分を 用いた場合、紫外部または可視部に吸収を持たない成分 がセルを通過するとき吸収を妨害し、負のピークとして検 出されます。この方法を間接吸光光度法といい、おもにノ ンサプレッサタイプのイオンクロマトグラフで使用されてい ます。
3.ポストカラム誘導体化吸光光度法 測定目的成分と特異的に反応して吸光度を示す化合 物に変化するような試薬を分離後(ポストカラム)に添加し、 UV/VIS 検出器で測定する方法をポストカラム誘導体化 吸光光度法といいます。近年、微量成分の定量や高濃度 のマトリックスとの分離が必要な際に、選択的な検出法とし てポストカラム誘導体化吸光光度法が用いられています。 ポストカラム誘導体化吸光光度法が使用できるおもなアプ リケーションを表3 に、ポストカラム誘導体化をおこなうとき の配管例を図 2 に示します。またポストカラム誘導体化吸 光光度法を用いた分析例を図3、4、5 に示します。 表3 ポストカラム誘導体化吸光光度法を使用する おもなアプリケーション 測定成分 反応液 測定波長 遷移金属 PAR (ピリジル-アゾ-レゾルシノ ール) 520 Cr6+ DPC (ジピコリン酸) 520 希土類 PAR 520 SiO32－ Na2MoO4 410 縮合リン酸 Fe (NO3)2 330 F－ ランタン-アリザリンコンプレクソン 330 B アゾメチンH、酢酸アンモニウム 420 有機酸 BTB (ブチルチモールブルー) 450 CN,CNCl ピリジンカルボン酸-ピラゾロン 638 BrO3－, IO3－, ClO2－ KBr、 H2SO4 268 電気伝導 度検出 反応液 反応コイル 排液 UV/VIS 検出器 サプレッサ 電気伝導 度検出器 ポンプ 試料導入 バルブ カラム 溶離液 反応液送液ポンプ ポストカラム誘導体化 UV/VIS検出 電気伝導度 検出器セル UV/VISセル 図 2 ポストカラム誘導体化吸光光度法をおこなうときの配 管例 （電気伝導度検出との同時測定をおこなう場 合、アプリケーションによっては、反応液送液ポンプ および反応コイルが1 つでよい場合がある。） SCN CN 0 5 10 15 20
Retention Time (min)
0.8 m A U CNCl 測定条件 カラム IonPac ICE-AS1 溶離液 1 mmol/L H2SO4 溶離液流量 1.5 mL/min 反応液 ①0.1 % クロラミン T/ リン酸緩衝液 ②ピリジンカルボン酸-ピラゾロン混合 溶液 反応液流量 ①0.5 mL/min, ②0.5 mL/min 反応コイル ①0.4 mL (40℃), ②2 mL (100℃) 恒温槽温度 40℃ 試料導入量 100 μL 検出器 UV/VIS 検出器 (測定波長 638nm) ピーク 1. SCN 1 μg/L, 2. CN 1μg/L, 3. CNCl 1μg/L 図3 ポストカラム誘導体化法によるシアン､塩化シアンの 測定例 0.5 0.5 mA U SiO3－
Retention Time (min)
0 2 4 6
測定条件
カラム IonPac AG4A-SC, AS4A-SC 濃縮カラム IonPac AG4A-SC
溶離液 10 mmol/L H3BO3, 10 mmol/L
NaOH
溶離液流量 0.38 mL/min
反応液 20 mmol/L Na2MoO4, 0.2 mol/L
HNO3, 5 mmol/L SDS 反応液流量 0.15 mL/min 濃縮量 20 mL 検出器 UV/VIS 検出器 (測定波長 410nm) ピーク SiO3－ 0.05 μg/L 図 4 ポストカラム誘導体化吸光光度法によるケイ酸の 測定例
0 1.0 2.0 mAU IO3 － BrO3 － 0 5 10 15 20 0 50 100 μ S/c m F－ Cl－ NO3 － SO42－ 0 5 10 15 20
Retention time / min. A) UV/VIS検出
B) 電気伝導度検出
Retention time / min.
測定条件
カラム IonPac AG12A, AS12A
溶離液 2.7 mmol/L Na2CO3, 0.3 mmol/L NaHCO3 溶離液流量 1.0 mL/min 反応液 ①1.5 mol/L KBr, 1.0 mol/L H2SO4 ②1.2 mmol/L NaNO2 反応液流量 ①0.4 mL/min, ②0.2 mL/min 反応コイル 2 mL (40℃) 恒温槽温度 40℃ 試料導入量 100 μL 検出器 UV/VIS 検出器 (測定波長 268nm) ピーク 1. IO3－ 6.2 μg/L, 2. BrO3－ 4.2 μg/L 図 5 ポストカラム誘導体化法による水道水中のヨウ素 酸と臭素酸の測定例 【電気化学 (アンペロメトリ) 検出器】 1.検出原理 電気化学検出器は、作用電極表面での分子の酸化あ るいは還元反応の結果、生じる電流もしくは電位を測定す る検出器です。酸化反応が起こると、電気的に活性化され た分子から電気化学検出器の作用電極へ電子が移動し ます。これに対して還元反応の場合は、作用電極から電 子が放出されます。電気化学検出器には3 種類の電圧印 加方式があり、一定電位を作用電極に印加する方式を D.C.アンペロメトリ、3～4 種類の電位を繰り返して印加す る方式をパルスドアンペロメトリ、電位を徐々に変化させな がら印加する方式をインテグレ－テッドアンペロメトリといい ます。印加方式および作用電極は、測定目的成分の酸化 または還元のされやすさや、酸化物質が電極に付着しや すさによって決まります。 図6 に、電圧印加方式の違いを、図 7 に電気化学検出 器ED-50 のセルの模式図を示します。 印加電圧 (V) 時間 (sec.) D.C.アンペロメトリ パルスドアンペロメトリ インテグレーテッドアンペロメトリ 図6 電圧印加方式の違い ガスケット 作用電極 溶離液OUT セルボディ 参照電極 溶離液IN 固定用チョウネジ 基板 図7 電気化学検出器 ED-50 のセルの模式図 表4 電気化学検出器で測定できる成分 成分名 モード 作用電極 アルコール類 グリコール類 アルデヒド類 P. *1アンペロメトリ Pt アミン類*2 P. *1アンペロメトリ AU 糖質 I.P. *3アンペロメトリ P. *1アンペロメトリ AU フェノール カテコールアミン P. *1アンペロメトリ D.C. *5アンペロメトリ GC*4 亜硫酸イオン D.C. *5アンペロメトリ Pt シアン、硫黄 D.C. *5アンペロメトリ Ag ヨウ化物イオン D.C. *5アンペロメトリ Pt,Ag ＊１： パルスドアンペロメトリ ＊2： 1､2､3 級アミン ＊3： インテグレーテッドアンペロメトリ ＊4： グラッシカーボン ＊ 5： ダイレクトカレントアンペロメトリ
2.電気化学検出器の特長 多くの分子は酸化、還元反応を起こさず電気化学検出 器で検出されないため、酸化、還元物質を選択的に、また 高感度に測定することができます。非イオン性物質の検出 においても有用です。表4 に電気化学検出器で測定でき る成分を示します。また、図8 から 10 に代表的なアプリケ ーション例を示します。 0 5 10 15 20
Retention Time (min) 0 10 20 30 40 50 60 Fucose Galactosamin Glucosamine Galactose Glucose Mannose nC 測定条件
カラム CarboPac PA10 guard, PA10 溶離液 16 mmol/L NaOH 溶離液流量 1.0 mL/min 試料導入量 25 μL 検出器 電気化学検出器 (パルスドアンペロ メトリモード/Au 電極) ピーク 各成分とも2.5 μmol/L 図8 糖質の電気化学検出器による測定例
Retention Time (min)
0 2 4 6 8 10 0 35 nA グリセロール SO3 2-エタノール 測定条件 カラム IonPac ICE-AS1 溶離液 5 mmol/L H2SO4 溶離液流量 1.0 mL/min 試料導入量 50 μL 検出器 電気化学検出器 (D.C.アンペロメトリ モード/Pt 電極) 試料 白ワインを超純水で10 倍希釈 ピーク SO32－ 1.5 mg/L 図9 白ワイン中の亜硫酸イオンの電気化学検出器によ る測定例 -2 30 nC 0 2 4 6 8
Retention Time (min) Ｉ－
測定条件
カラム IonPac AG11, AS11 溶離液 50 mmol/L HNO3 溶離液流量 1.5 mL/min 試料導入量 50 μL 検出器 電気化学検出器 (パルスドアンペロ メトリモード/Ag 電極) 試料 除タンパクした牛乳 図10 牛乳中のヨウ化物イオンの電気化学検出器に よる測定例 【その他の機器による検出】 ここまで紹介した以外に、蛍光検出器や示差屈折率検 出器などもイオンクロマトグラフィーの検出器として用いる ことができます。 近年は、分離部としてイオンクロマトグラフ (IC) を、検 出部として質量分析計 （MS） や誘導結合プラズマ質量 分析計 （ICP-MS） を用いた例も数多く報告されていま す。図11 に IC で分離した亜セレン酸イオンとセレン酸イ オンをICP-MS で高感度に検出した例を示します。セレン 酸イオンおよび亜セレン酸イオンは、電気伝導度検出器 でも検出することができますが、低濃度の場合は検出が困 難です。また、硫酸イオンの濃度が高いとセレン酸イオン と分離ができない場合があります。ICP-MS を用いること で、高感度で選択性の高い検出が可能になります。
0 5 10 15 20 Time (min) -1 0 1 2 3 4 5 6 Cp s (x 1 0 2 ) SeO32- SeO 4 2-測定条件 カラム IonPacAG15,AS15 溶離液 32 mmol/L KOH 溶離液流量 1.2 mL/min 試料導入量 25 μL 検出 ICP-MS ピーク 各成分とも8.0 μmol/L 図11 IC/ICP-MS によるセレンの測定 【まとめ】 検出感度や選択性を高めるためには、試料前処理や分 離条件を最適化するだけでなく、分析目的成分に最適な 検出法を選択することも重要です。
