Vo
.11 6 .
(19 7 9 )
│ 研 究 論 文 1
0 0 5 RI X 線および α 線励起後光 X 線分析法による
カ ル シ ウ ム ー ハ イ ド ロ オ キ シ ア パ タ イ ト の Ca/P
分子比の定量に関する研究
一試料および照射に関する 2 , 3 の実験条件の検討ー
水 本 良 彦 * 岩 田 志 郎 * *
Studies on the Determination of Ca/P Molar Ratio in Calcium‑Hydro 玄 yapatiteby RI X‑Ray and Alpha
E 玄 citedX‑Ray Fluorescence Spectrometries
‑Investigations of Some Experimental Conditions on the Samples and Irradiation
ーBy Yoshihiko MIZUMOTO* and Shiro IWATA**
( R e c e i v e d S e p t e m b e r 2 9 . 1 9 7 9 )
To d e t e r m i n e Ca/P m o l a r r a t i o i n c a l c i u m ‑ h y d r o x y a p a t i t e ( H A p ) b y RI X‑ray a n d a l p h a e x c i t e d X ‑ r a y f l u o r e s c e n c e s p e c t r o m e t r i e s . f u n d a m e n t a l f a c t o r s s u c h a s s a m p l e m a t r i x e s . s a m p l e t h i c k n e s s e s . e n e r g y o f a l p h a p a r t i
c1e beam a n d b a c k i n g m a t e r i a l s w e r e s e l e c t e d o n t h e b a s i s o f e x p e r i m e n t a l r e s u l t s f r o m t h e X ‑ r a y a n a l y s e s . T h i c k HAp s a m p l e s o f p o w d e r s h a p e d o n p e l l e t . l i q u i d d i s s o l v e d i n n i t r i c a c i d s o l u t i o n a n d g l a s s m e l t e d w i t h l i t h i u m t e t r a b o r a t e . a n d t h i n p o w ‑ d e r y s a m p l e p r e p a r e d b y e l e c t r o d e p o s i t i o n m e t h o d w e r e u s e d i n t h i s e x p e r i m e n t s . E a c h s a m p l e was e x c i t e d b y X ‑ r a y s o f a 5 5 F e r a d i o a c t i v e s o u r c e o r a l p h a p a r t i c l e beam a c c e l e r a t e d w i t h Van d e G r a a f f t y p e a c c e l e r a t o r . a n d X ‑ r a y s p e c t r a w e r e m e a s u r e d b y a S i (
Li)d e t e c t o r . Ca/P K X‑
r a y p e a k a r e a r a t i o s o n t h e s p e c t r a o f s a m p l e s w e r e c a l c u l a t e d . a n d w e r e c o m p a r e d i n d e t a
i1w i t h o n e a n o t h e r .
The r e s u l t s o b t a i n e d w e r e a s f o l l o w s .
( 1 ) The e n e r g y o f a l p h a p a r t i
c1e beam f o r a l p h a e x c i t e d X ‑ r a y f l u o r e s c e n c e a n a l y s i s was s e
・l e c t e d r a n g e o f 1 t o 2 Me V .
( 2 ) The d i l u t i o n s o f n i t r i c a c i d s o l u t i o n a n d l i t h i u m t e t r a b o r a t e i n s a m p l e s f o r RI X ‑ r a y e x ‑ c i t e d X ‑ r a y f
1u o r e s c e n c e a n a l y s i s w e r e d e t e r m i n e d t o b e 6 a n d 5 i n d i l u e n t t o HAp w e i g h t r a t i o . r e s p e c t i v e l y .
( 3 ) The t h i c k n e s s o f p o w d e r y s a m p l e f o r RI X ‑ r a y e x c i t e d X ‑ r a y f l u o r e s c e n c e a n a l y s i s was d e t e r m i n e d t o b e 0 . 5 g/cm
2,t o b e 0 . 8 g/cm
2f o r l i q u i d s a m p l e a n d t o b e 0 . 7 g/cm
2f o r g l a s s y s a m p l e . The t h i c k n e s s o f t h i n p o w d e r y s a m p l e f o r a l p h a e x c i t e d X ‑ r a y f l u o r s c e n c e a n a l y s i s was d e t e r m i n e d t o b e a b o u t
50μg/cm2•*理工学部原子炉工学科 料京都大学原子炉実験所
‑ 31
ー
近畿大学原子力研究所年報 (4) Aquadag and Alonalpha materials were selected as the backing materials for alpha excited
X‑ray fluorescence analysis of a very thin powdery HAp sample.
区
EYWORDS
Ca/P molar ratio. calcium‑hydroxyapatite. RI X‑ray and alpha excited X‑ray f1uorescence spec trometries, sample matrix, sample thickness. ener
宮
yof alpha partic1e beam. backing materials.1 . 緒 言
カルシウムーハイドロオキシアバタイト(Cal0(PO.)6 (OH)2.以下HApと略す)のCa/P分子比の定量は,
HApの同定上不可欠であり, とれまでエレクトロン
・プローベ・マイクロアナライザ ヘ 252Cf中性子源、2)
を用いた定量法が報告されている。著者らは,アルミ ニウムを含むアパタイトの生成に関する研究3)の一環 として,合成した HApのCajP分子比を RIX線 および α線励起鐙光
X
線分析法により定量し, その 結果の一部はすでに報告したぺ 乙の実験では,試料 のマトリックスの影響を軽減させるため,硝酸およ びホウ酸リチウム希釈剤で作製した液体およびガラス 試料と,ペレット状に成形された粉体試料に対して,それぞれ検量線を作成して定量した。乙の実験で正確 なCa/P分子比を得るためには,希釈剤の量,試料の 厚さ, α線励起盤光
X
線分析におけるα線ビームのエ ネルギーおよびパッキング材等について,予備実験か ら検討しておく必要があった。木報は,乙れらの基礎 的な実験条件の確立を目的としたものである。l l . 実 験
1. 試 料
HApは,藤野5)によって報告された湿式法で合成 された。生成した HApは,蒸留水および70箔エチノレ アルコーJレ中で超音波洗浄を行った後, 1l
0
oC
で乾燥 して各実験に用いた。このように準備された HApを 用いて,粉体,液体およびガラス状の厚さ又は希釈量 の異なる HAp試料を作製した。粉体試料は,合成し た HApを乳鉢とボーノレミノレで300メッシュ以上の粒 度に混合と粉砕を行った後,油圧器の15kg/cm2圧力 で種々の厚さのペレット状に成形した。 α線励起盤光 X線分析用の極めて薄い粉体試料は,HAp粉末をエ チノレアノレコール中で銅板上に電着ωして作製された。液体試料は, 一定量のHAp粉末を希釈量の異なる
7N硝酸溶液で溶解して作製された。最後にガラス状 試料は,以下のようにホウ酸リチウム融剤で融解して 作製した1)。すなわち,一定量の HApと希釈量の異 なるホウ酸リチウムを高純度のカーボン・ノレツポ中に 取り, 10500Cの電気炉中で約30分間よく撹持しなが ら融解した。 融解物は,砂浴中のステンレス皿に移 し,自然冷却後,直径10mmのペレット状に成形され た。各試料の表面は,エメリー紙,カーボンランダム (非12∞),ダイヤモンド・ペースト(1μm粒度)で順 次研摩された。粉体およびガラス状試料は,絶縁体で あるため,とれらの表面には,真空蒸着装置中でカー ボンが蒸着された。
α線励起鐙光
X
線分析用のパッキング材としては,(l)HApの主成分であるリン, カルシウム等の不純物 を合まないこと, (2)電導体であるとと, (3)接着力があ り,しかも HAp粉末を均一の厚さに貼布できるとと 等の条件を満す材質が要求される。乙のために主とし て市販の接着材,接着テープ,塗料等から適当なもの を約30種類選び実験に用いた。
2. X線分析
前報.)の CajP分子比は,各試料に対して測定さ れたX線スペクトノレの CajP
K
X線ピーク面積比か ら定量された。本報では,厚さ,希釈量等の異なる前 記の試料に対して次の各X
線分析装置で測定されたX
線スペクトJ
レから CajPK X線ピーク面積比を求 め,とれらの相互の比較から,試料の厚さ,希釈量等 の実験条件が検討された。(1) RI X線励起蛍光X線分析
各試料は,アクリル樹脂製のリングに接着されたマ イラー膜上に置かれ,環状の 55Fe(約
4
mCi)の5.9 および6 . 5
keVのX
線でマイラー膜を遇して励起され た。 マイラー膜の厚さは, 液体試料に対しては2 4
μm,その他の試料では 12μmであった。 X線スペク ノレは, Si(Li)検出器 (Canbera,30mm2 x 3mmLi厚) と波高分析器 (NuclearData, ND‑100)で測定され た。試料表面から Si(Li)検出器までの距離は.大気中内ノ臼
つ
d1. α線ビームのエネルギー
との実験では.0.5gjcm2厚のペレット状の粉体試料 を用い,1‑2.5MeVのα線ビームに対して同ーの試 料位置でのX線スベクトルを測定し,カルシウムとリ
ンの K X線ピーク面積と両者のピーク面積比を求め た。ねられた結果をFig.1とFig.2に示す。各ピーク 面積を計算するためのパックグランドのライン (BG) は, Fig.1に示した直線に定めた。またリンのKX線 ピークは.0.06keVのエネノレギー差でカノレシウムKα X線の Si(Li)検出器中で生じたエスケープ・ピーク と重なり,スペクトノレ上での両者の分離は不可能であ った。本報ではエスケープ・ピーク面積の寄与は,カ ルシウムのKαX線の相対エスケープ・ピーク強度7) から見杭られたっ
リンとカ
l
レシウムのピーク面積は, α線ビームの エネjレギーが向くなるに従って増加し, 2.5MeVでの カルシウムのピーク面積は, 1MeVでのそれの69倍 であり, リンのピーク面積のそれは約56倍であった。一方CajPピーク面積比は,同様の傾向を示したが,
約2MeVまでの変化は比較的ゆるやかであった。これ らの傾向は, α 線ビームのエネルギーが高くなるに 従ってリンとカルシウムの
X
線発生断面積8)が増大す ることと, リンとカノレシウムX
線の試料中での減衰割 合の相異によるものと考えられる。以上の結果から,照射α線ビームとしては, ピーク面積の統計誤差から 考えれば高エネノレギーのビームが望まれる。しかしエ
結果および考察
m .
約 1cmであった。 測定時間は,ピーク面積の統計誤 差を考えて, リンの K X線のピーク面積が5000カ ウント以上になるように調節され,その時間は約1000 秒であった。最後にこの測定系のエネノレギ一分解能 は 55Fe線源の 5.9keVKαX線ピークの半値巾で 約200eVであった。
(2) α線励起後光X線分析
各試料は,真空度が約10‑6Torrのチェンパー中の 試料台(グラファイト盤〉に取り付けられ, Van de Graaff加速器で加速されたα線ビームで励起された。
X線スペクトルは, Si(Li)検出器(堀場製作所, 10.5 mm2x3mmLi厚)と波高分析器で測定された。試料 表面から検出器までの距離は,マイラ一眼(6,μm厚)の チェンパー窓(直径 5mm)を境にして大気中約1mm, 真空中 2cmであった。照射時でのビーム強度は100
‑300nAであり,ビーム・スポットは試料面上で直径 2mmであった。各試料の測定時間は, 前記の分析と 同様にリンのピーク面積が5000カウント以上になるよ うに調節され,このための α 線ビームの照射量 (BI) は, 100‑200μCであった。最後にとの測定系のエネ
ノレギ一分解能は.55Fe線源の5.9keVKαX線ピーク の半値巾で 170eVであった。
Vo 16. 979)
一。‑E=2.5MeV
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3.0 100Channel number
X‑ray spectra of thick powdery HAp sample induced by alpha particle beam of 1.0 and 2.5 MeV. The sample thic‑ kness was 0.5 gjcm2, and BI 100μC.
50 O
Fig.l
‑ 33
ー
ネノレギーが高くなると,エネノレギーの僅かな変化に対 して
Ca/P
ピーク面積比が大きく変動することから,HAp
のCa/P
ピーク面積比の定量には1 ‑ ‑2 MeV
の α 線ビームが適していると考えられる。2. 希釈剤量
7N硝酸溶液およびホウ酸リチウムの希釈量の異 なる液体およびガラス状試料に対して,
RI X
線 励 起X
線スペクトJ
レを測定し,Ca/P
ピーク面積比を求め た。ガラス試料については, α線励起X線スペクトノレ も測定され前者の結果と比較された。なお試料の厚さ は, 後で述べる実験結果から, 液体試料では 0.8g/cm
九ガラス試料では0 . 7 g / c m
2 とした。各試料の600 ー「
7N
nitric acid 411!dsaTle)ト
n u n U
内u h u j t τ η 4
︒ 一 言
﹄ 帽 む
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¥ 同 ハ )
Lithium tetraborate (Glassy sample)
企 土
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ーザ骨寸す寸
Y ーo
2 4 6 8 10 12 Diluent!HAp weight ratioF i g . 3 R e l a t i o n between Ca/P
KX‑ray peak a r e a r a t i o and diluent/HAp weight r a ‑ t i o f o r l i q u i d and g l a s s y HAp samples o b t a i n e d from I S I S F e X‑ray e x c i t e d X‑ray
f1u o r e s c e n c e a n a l y s i s .
︒ニ吋﹄
1 .
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2 4 6 8 10 12 Lithium tetraborate to HAp weight ratioF i g .
4R e l a t i o n between Ca/P
KX‑ray peak a r e a r a t i o and l i t h i u m t e t r a b o r a t e t o HAp weight r a t i o f o r g l a s s y HAp s a ‑ mple o b t a i n e d from a l p h a e x c i t e d X‑
ray
f1u o r e s c e n c e a n a l y s i s .
近畿大学原子力研究所年報 希釈剤と
HAp
の重量比(D/H
重量比と略す)とCa/P
ピーク面積比の関係、を
F i g . 3
およびF i g .4 I
乙示す。F i g . 3
のRIX
線励起鐙光X
線 分 析 か ら 得 ら れ たCa/P
ピーク面積比は, 両試料ともにD/H
重量比が 大きくなるに従って誤差範囲内であるが増大する傾向 を示した。しかし,同一ガラス試料のF i g .4
に示し たα線励起蛍光X
線 分 析 のCa/P
ピーク面積比は,D/H
重量比の変化に対してほぼ一定値を示した。両 図の傾向の述いは次のように考えられる。RI X
線励 起蛍光X
線分析では,入射X
線の試料中での飛程がα 線に比べて極めて長いため,入射X
線および蛍光X
線 のマトリックス効果によりCa/P
ピーク面積比が僅か に増加する傾向を示したのに対し, α線励起蛍光X線 分析では, α 線の飛程が極めて短かいため, 乙の効 果が量的に無視できCa/P
ピーク面積比が一定値を示したものと考えられる。
以上の結果から,
RI
X線励起X線分折、法で高精度 のCa/P
分子比を得るためには,D/H
重量比の大き な試料の作製が望まれる。しかし,D/H
比を大きく するとリンとカルシウムの含有量がみかけ上減少する ため, X線強度が弱くなり,測定誤差が大きくなって 好ましくない。ことでは,液体およびガラス状試料のD/H
重量比を,それぞれ6
,5
の小さい側に定めた。3. 試料の厚さ
種々の厚さの液体試料
(D/H=6)
,ガラス状試料(D/H=5)
およびペレット状の粉体試料のRIX
線励 起X
線スペクトルと, 電着試料の α線励起X
線スペク600 T 1
nu nu a a τ
D Z
帽﹄帽由・阿国MA司自且
,十け1-î-+一-~一
ー
ト凸U
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円4
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1 X M
向
Glassy sample
みず←骨一←
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̲0‑0‑0
一一‑0‑ 一一一一ローー
Powdery sample。
0.51 .
01 」 . ー
5」 ー. . . . . . . . . . . .
2. .
..
0Sample thickness (g/ cm')
F i g .
5R e l a t i o n between Ca/P K X‑ray peak a r e a r a t i o and t h i c k n e s s o f powdery
,l i q u i d and g l a s s y HAp samples o b t a i ‑ ned from I S I S F e X‑ray e x c i t e d X‑ray
f1u o ‑ r e s c e n c e a n a l y s i s .
‑ 34
ー
150
Alonalpha Aquaclag
<:! 凶
50
HAp
100 Channel number
F i g .
7Comparison o f X‑ray s p e c t r a o f b a c k i
・ng m a t e r i a l s and HAp i n d u c e d by
1.6 Me V a l p h a p a r t i
c1e beam. The t h i c k n e s s o f HAp sample was 10μg/cm
2,and BI 200μC.
1 .
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1 .
0』 司
」話
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0.8 a~
1 . 2
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﹄山内田明言ロ
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0.1 0.2 Sample thickness (mg/ cm')
V o l . 1 6 . 9 7 9 )
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0.7』 国
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a 0.6〉、
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0.5凶 凶
仏 0.4
、 ¥ 帽
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J 0 . 3
0
F i g . 6 R e l a t i o n between Ca/P K X ‑ r a y peak a r e a r a t i o and t h i c k n e s s o f powdery e l e c t r o d e p o s i t i o n HAp sample o b t a i
圃ned from a l p h a e x c i t e d X‑ray f l u o r e s ‑ c e n c e a n a l y s i s .
一 一 一 、
50Alonalpha 2000
。
トノレが測定された。後者の試料は, 1.
6MeV
のα線 ビームで励起された。各試料のスペクトノレから. C a / P
ピーク面積比が計算され,F i g . 5
およびF i g .6
I乙示 す結果が得られた。両図の各試料のCa/P
ピーク面積 比は,誤差範囲内でほぼ一定値を示したが,RI X線励 起蛍光X線分析の薄い試料で僅かに小さくなる傾向を 示した。乙れは,リンK X
線のHAp
中での飛程がカ ルシウムのそれに比べて短かいために生じたものと考 えられる。以上の結果と
HAp
量に制限がある場合を考えて,RI X線励起蛍光X線分析用の粉体, 液体およびガラ ス状試料の厚さは,それぞれ約
0 . 5 g / c m
久 約0 . 8 g / cm
2および0 . 7 g / c m
2と薄い側に定められた。また α 線励起蛍光X
線分析の粉体試料の厚さは,およそ50jLg/cm
2と定められた。 Aquadag.~+ c ) 2 > 2 > 2 > 2 > 2 >
: L
I¥Measured spot .φ=2mm30mm ‑ I
Target
R e l a t i ve peak a r e a s o f Ca and P K X‑
r a y s o b t a i n e d from X‑ray s p e c t r a o f HAp measured a t s i x s p o t s on t h e Alonalpha and Aguadag backing mat e r i a l s .
Fig.8
ークも小さく量的に無視できた。参考までに,図中に 示した約
5 0
jLg!cm
2厚のHAp
電着試料のスペクトJ
レ円 ︒
4. パッキング材
前記のパッキング材に対して α線励起X線スベクト ノレが測定された。各パッキング材は,グラファイト板 上に貼布(1
mm
厚)され, 1.6MeV
のα
線ビーム で励起された。α
線ビームの照射量は2 0 0 μ C
であっ た。なおパッキング材のうち絶縁体のものは,表面上 にカーボンが蒸着された。各パッキング材の α 線励起X線スペクトルの解析 結果と前に述べた3点の総合的な評価から,アクアダ ックおよびアロンアルファ・パッキング材が選ばれ た。すなわち,
( 1 ) F i g . 7
に示した両パッキング材の スペクトルではHAp
の分析で問題となるリンとカ ルジウムのピークがなく,しかも他の不純物元素のピ近畿大学原子力研究所年報 と比較すると, HApのカルシウム・ピーク位置に相 回の実験結果と HAp量に制限がある場合を考え 等するアロンアノレファの計数値は HApのそれの約 て,粉体試料では約0.5g/cm2,液体試料では約0.8 1000分の lであり,またリン・ピーク位置でのそれは g/cm2およびガラス状試料ではが
J
O. 7g/cm2に定め 約180介の1であった。 (2)電導性について,アクアダ られた。また α線励起蛍光X線分析用の薄い粉末ッグは電導体であるため問題はないが,アロンア
l
レフ 試料では,約 50.μg/cm2に定められた。ァは絶縁性の接着剤であるためカーボン等の蒸着・が必 (4) アロンアルファおよびアクアダックは,極めて法 要であった。 (3)両パッキング材上の HAp粉末の分布 いHAp粉末試料の α線励起X線分析に適したパッ 状態については,次の実験結果から検討された。すな キング材であった。
わち,両パッキング材の乾燥直前に HAp粉末を貼布 本論文の一部は,第21回放射化学討論会(昭和52年 して作製した極めて薄い粉体試料(約 10/Lg/cmり に 10月6日,於辰口)において発表した。
対して,直径2mmの α 線ビームでFig.8t乙示した 本実験は,京都大学原子炉実験所で行った。その 試料 (15x30mm)上の6点の α線励J包X線スペクト 際,御便宜を図って下さいました同実験所のホットラ ノレを測定し,各スペクトノレ上のリンとカjレシウムのピ ボ設備部JlI
J
の方々に心から!:s,剥の;宮、を表わします。ーク面積と両者の面積比を求めた。得られた結果を RI X線励起蛍光X線分析装置の使用にあたり御世話 Fig.8 I乙示す。アロンアノレファ上に貼布した HAp試 になった東村武信教授ならびに葉科哲男氏に感訓しま 料の6点のリンとカノレシウムのピーク面積は,約10労 す。
以内で一致した。またアクアダックのそれは約155ぢで Van de Graaff加速器および計測装置の使用にあ あった。なお両者のCa/Pピーク面積比は, 3%以内 たり御指導を!日わった京都大学工学部の向坂正勝教授 で一致した。とのように両パッキング材上には HAp をはじめクツレープの方々に感謝します。
粉末を比較的均一な厚さに貼布できることがわかっ
た。 参 考 文 献
I V . 結
百RI X線およびα線励起蛍光X線分析法lとよりHAp のCa/P分子比を定量するための希釈斉IJ量,試料の厚 さ等の基礎的な実験条件について検討し,次の結果を 得た。
(1) α線励起盤、光
X
線分析法により HApのCa/P分 子比を正確に測定するためには, 1‑‑2MeVのα線ビ ームが適している。(本報の実験では, 1.6MeVのα 線ビームを用いた。)(2) 液体およびガラス試料の希釈剤と HApの重量比 は,液体試料の 7N硝酸溶液希釈剤に対して6に.
ガラス状試料のホウ酸リチウムに対して5に定めら れた勺
( 3 )
RIX
線励起蛍光X
線分析用の試料の厚さは,今1) 二ノ宮節夫:日整会誌, 44, 67 (970)
2) MAZIERE, B., COMAR, D., KUNTZ, D.: J. Radio‑ anal. Chem., 37, 357 (1977)
3) IWATA, S., MrzuMoTo, Y., NOMURA, K.: Ann.
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4) 岩田志郎,水本良彦,笹島和久:第21回放射化学 討論会要旨集, 2CO ,l 196 (1977)
5) Fu
日
NO,0 . :
Bul .lChem. Soc. Japan, 48, 5, 1455 (1975)6) 水本良彦,岩田志郎本誌(1979)
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