1. ラボ用分析機器
1. ラボ用分析機器
〈概説〉
機能を単純化，特定化することにより無人運転にお
ける信頼性を確保し，分析計を機器室から出して試
（１）ラボ用分析機器の特徴
料の側に置いたものである。ここに，ラボ用分析機
ラボ用，すなわち実験室用分析機器の特徴は，プ
器が，原理別分類となり，プロセス用，環境用の分
ロセス用分析計，あるいは環境用自動分析計のそれ
析計が分析対象成分別分類とならざるを得ない理由
と対比したときに明らかになる。
がある。自動化という観点からみると，ラボ用分析
機器の自動化の進歩は目覚ましいものがある。汎用
ラボ用
プロセス用／環境用
装置の多くは，自動サンプリングが可能で，しかも，
分析対象
不定
固定
自動で分析条件の設定の変更ができる機能を備えて
分析条件
不定
固定
おり，ロボットとの組み合わせにより，無人化によ
設置場所
実験室、機器室 試料を採取する場
る連続分析も可能となるなど，プロセス用のものと
所の近く
機能的には区別がつかない。同様なことは，臨床検
設置環境
室内
屋外又は室内
査用の生化学自動分析計にもいえる。分析対象を固
稼働時間
用時
24時間／日
定し，機能を特定化させた点ではプロセス的ではあ
試料の採取
装置とは全く別 装置に付属、自動
るが，しかし，特定化させた機能多数個複合させて
に行われる
連続的に行われる
いるため，分析時，オペレータが指示をインプット
マニュアル
自動，ただし単純
することと試料採取は別に行われ，多数の試料が装
なものに限られる
置へ集中してくる点はラボ用分析機器そのものであ
通常バッチ，マ 通常連続的，自動
る。ラボラトリーオートメーションでは，コンピュ
ニュアル
ータ機能に負うところが大きく，データの収集，統
分析操作−装
通常マニュアル 自動（条件固定）
計，画像，図形解析などの処埋が簡単にでき，数値
置の調整
試料ごとに行う
として容易にまとめられる。この点は，プロセス的
データ表示
1分析ごとに図形
試料の前処理
試料の導入
連続的、数値（ア
である。しかし，試料は各現場で採取され，ラボに
及び／又は数値 ナログ的表示も含
集中され，装置にマニュアル的に導入される点は変
む）
装置の保守
らない。このように，ラボ用分析機器とは，人間が
オペレターの常 常時無人，定期的
分析の過程に介在することによりフレキシブルに分
時監視下にあり 巡回による
析対象に対応するものである。
（２）電気化学分析装置
この表に示された機器の差は分析の目的の差に由
分子の酸化体，還元体，あるいはイオン（電荷に
来する。すなわちラボ用分析機器とは不特定な試料
より酸化体又は還元体となる）は水溶液中では電子
に対し，随時人間が介入して装置条件をフレキシブ
の授受にかかわる平衡状態にあると考えられる。
Ox ＋ ne = Red
ルに対応させ，多量の情報をもつ結果を表示させて
人間がその中から適宜必要な情報を読みとるもので
ここに溶液に侵されない電極を浸すと電位が観測
ある。装置は条件の良い室内に設置され，熟練した
される。従って，ここに酸化剤又は還元剤を添加す
技術者の管理下にあるから，その分析装置のもつ原
ると電位が変化する。pHメータはこの原理を応用し
理上の能力を最大限まで引き出すことができる。ま
たものである。この電位差を手がかりとして物質の
た複雑な原理のものでも用いられ，新しい原理のも
添加，中和，変換などを知ることができ，それまで
のでもいち早く導入できる。試料との関係でいえば
の諸変量から分析を行う方法が種々考えられる。
試料は外部で適宜採取されたものが，ラボに集中さ
電位差滴定がその代表例である。又系外から電極に
れてくる形となる。
電位を加え，電解を選択的に進行させる分析方法も
これに対し，プロセス用分析計や一部の環境用自
ある。例えばボルタメトリ，ポーラログラフィがそ
動分析計は，特定成分の量が時々変化するのをリア
の代表である。この他，イオンの導電性を利用する
ルタイムで把握するところに意味があるものであ
電解質の分析方法もある。このように電気化学的分
り，自動連続分析でなければならない。このため，
析装置は比較的小型単純なため広く普及している。
1
ラボ用分析機器
電気化学分析装置
光分析装置
クロマトグラフ
電磁気分析装置
1. ラボ用分析機器
（３）光分析装置
補助分析手段，又は簡易分析として用いられる。カ
紫外，可視，赤外、近赤外域の光を用いて分析を
ラムを用いるクロマトグラフの中で，移動相に気体
行う分析機器の総称で，物質の分子構造により特定
を使用するガスクロマトグラフ（GC），液体を使用す
の波長の吸収を測定するもの（吸光分析），物質を原
る高速液体クロマトグラフ（HPLC），超臨界流体を
子化させ，原子蒸気の吸収を測定するもの（原子吸
使用する超臨界流体クロマトグラフ（SFC）が広く
光分析），特定の波長を吸収した後，別波長の発光
普及している。GCは短時間に高分離を得ることがで
を測定するもの（蛍光，ラマン分光分析），高温励起
き，最近で分解能の大きいキャピラリカラムが使わ
により元素固有の発光を測定するもの（ICP，発光
れている。HPLCは充填剤に働く相互作用の違いに
分析）に大別される。吸光，原子吸光，蛍光，ラマ
より吸着，分配，イオン交換，分子ふるい等に分け
ン分析を行う装置は，光源，モノクロメータ，検出
ることができる。GCと異なり試料を気化させる必要
器から構成され，発光分析は光源に発光させる試料
が無いため，分子量の大きな化合物やアミノ酸，糖
を置く。比色計，濁度計，デンシトメータなどは特
なども直接分析することができ多分野で使用されて
定波長の選択にフィルタを用いる。旋光計は特定波
いる。SFCはGCとHPLCの中間的な性質を持ち，
長の光の，さらに偏光を用い，吸収でなく偏光面の
GCに適さない高沸点化合物の分析が可能である。向
回転を測定する。光分析装置はクロマトグラフと共
流分配は原理的にはクロマトグラフに入らないが，
に，
最も一般的に用いられるラボ用分析機器である。
ここに分類した。また最近普及が広まりつつある電
（４）電磁気分析装置
気泳動装置もここに分類した。
電磁気分析装置という名称は必ずしも妥当ではな
（６）分解・蒸留・分離・濃縮装置
いが最近の物理学の成果を応用し，分子や原子に関
蒸留及び遠心分離は「分析」
というより分析の一つ
する情報をもたらす「ソフィスティケーテッド」な
のプロセスであるとみなされるが，ラボには多く用
分析装置は，X線や電子線，イオンビームを用いた
いられるものである。また試料の前処理操作である
り，また磁場を利用するものが主体となっているの
濃縮操作を装置化したものも増えている。
でこのように分類命名した。取り扱う粒子ビームが
（７）熱分析・熱測定装置
短波長であり，大気雰囲気では吸収を受けること，
上述の（2）〜（6）
の分析機器が，成分の原子，分子
また大気成分が励起されて妨害を生じるなどの点か
ないしは化学性に関する情報を提供するものに対
ら，高真空の系内で試料を取り扱い，測定する例が
し，分子の集合体が加熱によって示す熱的な情報，
多い。一般に試料を非破壊的に取り扱うこと，微小
発熱，吸熱，体膨脹などを検出し，試料に関する種々
分析であることが特徴であり，分子あるいは結晶の
の情報を得るものである。セラミックスやプラスチ
立体構造，原子−原子の結合，固体表面のミクロ構
ックスなど，分析手段の乏しいものにも有力な情報
造，深さ方向のミクロ構造などの物理的，化学的に
を与える。
有用な情報を研究に与える。本来無機物の測定から
（８）その他のラボ用分析装置，他に分類されない
出発したものがほとんどであるが，質量分析装置は
ラボ用分析装置
ガスクロマトグラフや液体クロマトグラフと結合し
特定元素の分析装置のように特化された専用装置
て有機物分析装置として著しく普及し，マイクロア
とか，材料の物理特性の試験装置であっても分析室
ナライザや電子顕微鏡は生体分野へ応用を拡大して
でよく用いられるものをここに挙げてある。
成果を挙げており，X線回折装置によるDNAやタン
パク構造の決定は世界的に有名である，というよう
に有機化合物にも多く用いられている。物理学コン
ピュータテクノロジーの進展とともに，この分野は
益々利用価値が高まる。
（５）分離分析装置
固定相に接して移動相を流し，混合物を精密に分
離する方法で種類が多い。
平面を用いるものでは薄層
クロマトグラフ，ペーパークロマトグラフがあり，
2
1. ラボ用分析機器
1.1 電気化学分析装置
滴定装置
1.1.1
Titrator
〈原理〉
滴定装置には電位差滴定，分極滴定，電
法である。
流滴定及び導電率（電気伝導率）滴定などがある。
導電率滴定は滴定の当量点の前後で溶液の導電率変
電位差滴定は分析化学の容量分析として用いられる
化が大きい場合，導電率を測定し当量点を求める方
ものであるが，一般的なpH滴定装置の基本原理は，
法である。
たとえば塩酸溶液を既知濃度の水酸化ナトリウム溶
〈特徴〉
液で滴定したとすると，このときの水酸化ナトリウ
係なく終点を求め濃度を知ることができる。分極滴
ム溶液の添加量とpHとの関係は図1に示す滴定曲線
定は滴定時電極間に微小の電圧を加えたり，電流を
のようになる。
流して電極を分極させ，その電流，極電位の変化を
pHが急激に変化する点すなわちこの曲線の変曲点
測定し終点を求める方法で簡単な装置で鋭敏な当量
が当量点となる。図2に示す滴定装置においては，検
点検出ができる特長をもっている。電流滴定は指示
出部（この場合はpHメーターと考えてよい。）により
電極と参照電極との間に一定電圧をかけ，セルに流
pHの変化を検知しながら，自動ビュレットの滴加量
れる電流と滴定試薬の添加量から，滴定曲線の屈折
を当量点から離れている場合は増やし，当量点に近
点より当量点を求める方法で電流測定指示薬によ
い場合はへらすよう制御していき，滴加毎のpH変化
り，それ自身電気的ふるまいを示さない物質の定量
（dpH／dmr）を演算することにより，当量点を検
が可能である。導電率滴定は溶液が希薄な場合，適
電位差滴定は一般に溶液の着色などに関
出し，必要に応じた濃度計算を演算し，滴定結果，
当な指示薬がない場合，反応生成物の解離が比較的
滴定曲線をプリンタに印字し自動的に滴定を終了す
大きい場合に他の方法より有利である。
るようプログラムされている。また，予め設定した
〈用途〉
pHまでの滴定量を求める方法（設定終点検出）等
とし，沈澱，酸化還元，キレートなどの滴定に用い
滴定の制御や当量点の検出方法を測定する試料に応
られる。また，非水溶媒を用いた滴定（非水滴定）
じて設定することができるよう設計されている。さ
に用いられる場合も多い。最近では検出部，自動ビ
らに，検出部を変更することにより，分極滴定，導
ュレットを増設することにより，逆滴定などにおけ
電率滴定等を行うことができる。
る分注\滴定といった動作や，複数の滴定を行うこ
電位差滴定装置は酸・塩基滴定をはじめ
分極滴定は滴定のとき電極間に微小電圧を加えた
とができるような滴定装置が多い。さらに多検体自
り，電流を流しながら電極を分極させ，その電流，
動測定装置や，サンプリング装置等周辺機器との接
極電位の変化を測定することにより終点を求める方
続により滴定の自動化が進んでいる。
3
滴定装置
電位差滴定
分極滴定
電流滴定
1. ラボ用分析機器
1.1.2
ポーラログラフ
Polarograph
〈原理〉
ポーラログラフ法には直流ポーラログラ
水銀電極の成長の終り）の電解電流をサンプリング
フ法，サンプルド直流ポーラログラフ法，パルスポ
し，サンプリングされた2つの電流の差を，連続的
ーラログラフ法，微分パルスポーラログラフ法など
に加電圧に対して記録する方法である。したがって，
種々な方法がある。ここではこれら各種ポーラログ
得られるポーラログラムは図2のように頂点をもっ
ラフ法及び高感度分析法の基本となる直流ポーラロ
た階段状山形の波形となる。図2において析出電位
グラフ法及び高感度分析法として注目されている微
（半波電位）により定性を，階段の高さ又はピーク
分パルスポーラログラフ法について概説する。
直流ポーラログラフ法は電解分析法の1種で，試
の高さにより定量分析を行う。
〈特徴〉
ポーラログラフ法では多くの無機化合物
料である被電解物質（複極剤）を含んだ電解液に作
や有機化合物の定性，定量が可能である。また，酸
用電極，補助電極及び参照電極を入れて，作用電極
化還元電位の測定，電極反応の可逆度の測定なども
の電位（すなわち直流電圧）を，参照電極を基準と
可能である。特に微分パルスポーラログラフ法では
して変化させ，その際に電極間に流れる電流を記録
有機化合物や電極反応の不可逆な物質についても高
する方法である。直流ポーラログラフの原理を図1に
感度分析が可能である。
示す。イオンが析出する電位は異なっており，その
さらにアノーディックストリッピング法を採用す
電位を半波電位という（図2参照）。補助電極が非分極
れば微分パルスポーラログラフ法に比してさらに10
性であるため，得られる波形は作用電極に対する電
〜100倍の高感度分析が可能である。
流−電圧曲線となる。作用電極に滴下水銀電極を用
〈用途〉
いて得られる電流−電圧曲線は図2のAのようにな
イオンなどを検出定量することができるため多くの
る。
分野にわたって利用されている。例えば廃水・天然
微分パルスポーラログラフ法は容量性電流を除き
ポーラログラフ法により金属イオン，陰
水・海水・工場排水などの水質汚濁管理における特
感度を上げるために考案されたもので，直流ポーラ
定重金属の現場分析として利用されている。また，
ログラフにおける直流加電圧に一定周期ごとに一定
鉄鋼中・メッキ液中・食品中などの金属イオンを分
パルス電圧を重畳させる方法である。このパルス電
析することにも利用されている。なお，有機化合物
圧は水銀滴下の直前ごとに1パルスずつ加え，パル
の電極反応（特に酸化還元電位の測定）の研究にも，
ス電圧を加える直前とパルス電圧が終る直前（滴下
広く利用されている。
4
微分パルスポーラログラフ法
複極剤
半波電位
電流一電圧曲線
酸化還元電位
1. ラボ用分析機器
電解分析装置
1.1.3.1
Electrolytic analyzer
〈原理〉
図1に原理図を示す。図に示すように，
ョスタットとは，目的とする物質が電解生成される
電解質（例えばCuSO4）を含む溶液中に，2本の電極
電極（これを作用電極とよぶ）の電位を，電解中常
を入れ，その両極間に電解質が電解され得るだけの
に一定に保つことのできる装置であり，この方法に
十分な電圧を加えると，電解質は電解される。
よれば，作用電極で起る電極反応を目的物質の電解
例えば，希硫酸中の硫酸銅を電解する場合には，
のみに規制することができるので，種々な物質の共
陰極では金属銅が析出し，陽極では酸素ガスが発生
存下での目的物質の分離定量が可能である。
例えば，
する。このように，目的とする物質を，電解によっ
希硝酸溶液中に銅イオンとカドミウムイオンとが共
て，陽極あるいは陰極に分離・生成させて定量分析
存する場合，作用電極の電位を参照電極（例えば飽
に応用する方法を電解分析法という。
電解分析法は，大別して定電流電解法と定電位電
和かんこう（甘汞）電極）に対して，−0.4Vに保って
電解を行えば，溶夜中の銅イオンのみが陰極に析出
されてくる。
解法とに分けられる。
定電流電解法は，陰陽両極間に流れる電流密度を
一定に保って電解する方法であり，目的とする分析
電極への電解生成物は重量法あるいは別項で解説
される電量分析法などで定量する。
の電極反応が単一反応の場合か，あるいは複反応で
〈特徴〉
あっても，その分析結果に影響を及ぼさないような
液中金属イオンの分離のみならず，有機化合物の合
特定の分析の場合に有効である。定電流電解を行う
成，金属の腐食，防食の研究など電極反応を伴う分
には，ガルバノスタット（電流規制装置）あるいは
野において利用可能である。
定電流電解装置と呼ばれるものを利用するのが便利
〈用途〉
である。
分離後の錫・鉛の同時定量，ビスマス共存時の銅の
電解分析法の中でも定電位電解法は，溶
電解重量分析法への応用：銅合金中の銅
定電位電解法は，図1に示すような陰陽2つの電
分離定量など。妨害物質の除去又は微量成分の生
極のほかに，もう1つ参照電極と呼ばれる電極を溶
成：多量に存在する銅イオンと共存する微量成分の
液中に入れ，都合3本の電極を用いて電解分析を行
ポーラログラフ的分析の前処理法として利用でき
う方法である。このように3つの電極を用いて電解
る。電解中間生成物の合成：化学反応によっては合
分析を行うことのできる装置を，ポテンショスタッ
成することの困難な反応中間体のような物質を電極
ト（電位規制装置）あるいは定電位電解装置と呼ぶ。
反応によって作り出すことができる場合がある。
図2にポテンショスタットの一例を示す。ポテンシ
5
電解分析装置
ポテンショスタット
析出
電流密度
電解生成物
1. ラボ用分析機器
電量分析装置
1.1.3.2
Coulometric analyzer
〈原理〉
電気分解によって作用電極に析出した物
定量を行う方法である。このときの中間物質と被電
質の定量を行うには，通常，析出した物質の質量を
解物質の反応終点は，電位差法，比色法などによっ
測定するのが基本であるが，これに対し電量分析法
て知る。この後者の方法は別名，電量滴定法とも呼
では，目的物質を電解析出させるために必要な電気
ばれる。
定電位電量分析に用いられる装置は定電位電解装
量を測定して物質の定量を行う。したがって，通常
置とクーロメータで構成される。（図1）
の電解分析法で定量を行う場合は，必ず天びんを必
定電流電量分析法は，基本的には定電流電解装置，
要とするのに対して，電量分析法では，電量計（ク
反応終点検出装置，時計の組合せで行うが，時計で
ーロメータ）又は電流計と時計とを必要とする。
なくクーロメータを利用してもよい。
（図2）
電量分析法は，ファラディの法則に従って電解電
クーロメータとしては，電圧−周波数変換素子を
気量を測定することによって，電極で反応に関与す
る物質の定量を行うものである。ファラディの法則
採用して製作されているものが多い。
によれば，電解される物質の量はその電解で消費さ
〈特徴〉
れる電気量に比例し，この関係は，通常次式で示さ
ることである。すなわち，分析する試料成分の量に
れる。
応じて，電解電流値を広範囲にわたって選べるため，
W＝QM/nF
電量分析法の特徴は微量分析に適してい
微量成分には微小電流を用いることにより，その正
（1）
ここで，Wは，Qクーロンの電気量の消費によって生
確な定量分析が可能である。また，普通の滴定にお
成する分子量Mの物質の質量で，nは，その電極反応
いて必要とされる標準溶液の調製，その標定や保存
に関与する電子数である。Fはファラディ定数で，1F
といったことが不要である。
は96，485クーロン/モルである。
〈用途〉
水質測定におけるCOD計，臨床分析にお
電量分析法は，通常，定電位電量分析法と定電流
けるクロライドメータ，
カールフィッシャー水分計，
電量分析法とに大別される。前者は，一定電位のも
大気汚染測定におけるSO 2計，同じくH 2S計，Cl −，
とで電解電流がほとんど零になるまで電解を行い，
Br−，I−，SCN−イオン等を定量分析する等の用途が
その電解に要した電気量から溶夜中の被電解物質の
ある。
定量を行う方法で，後者は，一定電流のもとで目的
とする物質と定量的に反応する中間物質を電解発生
させ，その発生に要した電気量から，被電解物質の
6
定電位電量分析法
定電流電量分析法
電量滴定法
クーロメータ
ファラディの法則
1. ラボ用分析機器
1.1.4.1
pH計及びORP計
pH meter and ORP meter
〈原理〉 pHは水溶液の酸性，アルカリ性の度合を示
金属電極を示す。
す指標であり，水素イオンの活量の逆数の対数で定義
ORP計は酸化還元電位差を測定する計器である。測
されている。純水のpHは中性でほぼpH7であり，これ
定方法はpH測定とほぼ同様でガラス電極の代りに金
よりpH値が小さいときは酸性，大きいときはアルカリ
属電極（金，白金など）を用い，比較電極はpH測定用
性である。
と同じものを用いる。
pH値は金属の腐食に大きな関係があるほか，水棲動
酸化還元電位差とは，物質が他の物質と反応して電
植物の生活を左右し，また水中の沈澱物の溶解や生成，
子の授受（酸化還元反応）により発生する電位差であ
農作物や水産物の育成に関係する。
り，その進行状態は金属電極と比較電極間の電位差と
pHの測定方法には（1）指示薬法（2）アンチモン電極
して測定できる。
法
（3）
ガラス電極法がある。
指示薬法はリトマス試験紙
酸化と還元は同時反応で，酸化体と還元体の存在比に
で代表される方法で，簡単な方法として広く用いられ
比例した電位差を発生する。酸化還元電位を
ているが，pH測定の標準はガラス電極法である。ガラ
Oxidation−Reduction Potential，ORPという。
ス電極法は水素イオン活量に相当する電位を示すガラ
〈特徴〉 ガラス電極は被検液の水素イオン活量を直
ス電極とpHに無関係に常に一定の電位を示す比較電
接電気信号に変換できることから，指示薬法ではでき
極（参照電極）とから構成され，両電極間に発生した
なかった自動測定を可能としたほか，着色した被検液
電位差を電位差計で測定する方法である。このように
でも容易に測定が可能である。
して測定した電位差と、pHが既知の緩衝液を用いて
最近ではガラス電極，比較電極と温度補償電極を一
測定した電位差とを比較して，被検液のpHが求められ
体化した一本形電極が主流である。
る。pH既知の緩衝液は標準液とよばれ，JISには6種類
〈用途〉 pH計は広く一般に用いられており，分析化
が定められている。フタル酸塩標準液
（pH4．
01）
，中性
学の分野では中和滴定に，医学関係では，血液，尿な
リン酸塩標準液（pH6．
86）
，ホウ酸塩標準液（pH9．
18）
どの体液測定に，農業関係では土壌分析や果実の酸度
測定に用いられている。しょう油，味噌及び製薬など
が主として用いられている。
標準液により，正しく校正されたpH計は，ガラス電
の発酵分野では，発酵生産物の効率的な収量増大の条
極と比較電極を被検液に浸漬（せき）するだけで，自
件把握のためにpH測定は欠かせない項目の一つであ
動的に直接pHの読みとりができるようになっている。
る。この他にも環境関係として，上水，下水，工場排
図1にpH計の原理図を，図2にガラス電極，比較電極，
水，河川，海等の水質測定に活用されている。
7
pH計
ORP計
酸化還元電位差
ガラス電極
比較電極
金属電極
1. ラボ用分析機器
隔膜電極式酸素計
1.1.4.2
Electrode type oxgen meter
〈原理〉
水の中に溶存する酸素は，水中の生物及
いずれの方式においても，このように発生する電流
び微生物の呼吸作用にとって欠くことのできないも
は，溶液中のDO濃度に比例している。したがって隔
のである。隔膜電極式酸素計は，溶液中に溶存する酸
膜電極式酸素計は，
この発生電流を測定してDO濃度
素（Dissolved oxygen以下DOと称す）の酸素分圧を
を求めている。
定量的に測るものであり，DOはへンリーの法則
※
に従
〈特徴〉
JIS K 0l0l，JIS K 0l02には，DOの測定法
としてウインクラー法と隔膜電極法が記載されてい
い酸素分圧に比例する。
隔膜電極法はDO濃度を手軽に連続で測定できる
る。ウインクラー法は，酸素の酸化剤としての性質
方法で，酸素の還元による限界拡散電流を測定して
を利用したヨウ素滴定法であり，溶液中の妨害物質
DOの値を求めるものである。以下隔膜電極法のふ
（硫化物，亜硫酸イオン等の還元物質，残留塩素な
どの酸性物質）の影響を受け，実測値に誤差を含む
たつの方式について述べる。
隔膜形ガルバニ電池式：この方式は図1のように
ことになる。これに対し隔膜電極法は隔膜を使用す
構成され，酸素に対する透過性の高い隔膜（テフロ
るため，溶液中イオンの妨害をはじめ，色や濁度等
ン膜等）で，極と電解液とを溶液から隔離している。
に無関係な再現性の良い測定法である。
また電極式のため簡単な操作で手軽に連続で精度
電極の材料として対極に卑金属を，作用極に貴金属
を用い，電解液としてアルカリ水溶液を使用するの
の高いDO測定ができることが大きな特徴である。
が一般的である。
〈用途〉
DO計の用途としては，魚類養殖や水耕栽
隔膜形ガルバニ式では隔膜を透過した酸素が作用
培のためのDO測定，
ボイラの腐食監視のためのボイ
極で還元され，DO濃度に比例した還元電流を発生す
ラ水のDO測定，発酵管理のためのDO測定，下水廃
る。
水処理のためのばっ気槽のDO管理，水質基準管理の
隔膜形ポーラログラフ式：この方式は図2のよう
に構成され，作用極に貴金属，対極に銀，隔膜にテ
フロン系の膜，電解液に塩化カリウム水溶液が通常
用いられる。両極間に酸素の限界拡散電流を生じる
電圧が印加され，隔膜を透過した酸素が作用極で還
ためのばっ気槽のDO管理，
水質基準管理のための河
川水，井戸水のDO監視等多方面にわたっている。
※へンリーの法則；気体の液体に対する溶解度は溶
解度の小さい気体について気体の分圧に比例する。
元され，DO濃度に比例した還元電流が流れる。これ
が隔膜形ポーラログラフ式である。
8
溶存酸素計
溶存酸素
隔膜電極
DO
へンリーの法則
1. ラボ用分析機器
イオン電極式濃度測定装置
1.1.4.3
Ion selective electrode type concentration measuring instrument
〈原理〉
則の定義では，その値が小さい程影響が小さい。
イオン電極とは特定のイオンに感応して
電位差を発生する電極である。pH用ガラス電極は水
イオン電極を用いた測定方法は，直接電位差測定
素イオンに感応する電極として古くから知られてお
法（検量線法）が主として用いられているが，標準
り，イオン電極の一種である。
添加法やグランプロット法も利用されている。
〈特徴〉
イオン電極の感応膜は，ガラス膜，単結晶及び難
イオン電極の特徴はその測定範囲が，数
溶性金属塩加圧成形の固体膜，イオン交換液膜など
桁におよぶため，濃度がいちじるしく異なる被検液
が用いられている。イオン交換液膜は，高分子膜に
であっても容易に測定が可能であることと，電気化
内蔵保持された液体膜形の構造である。アンモニア
学的センサのため，イオン濃度を電気信号に変換し
電極や炭酸ガス電極は，ガラス電極とガス透過膜を
て出力を得ることができることである。イオン電極
組合わせた隔膜形である。図1にイオン電極の構造
は濃度分析の際，水蒸気蒸留などの複雑な手間のか
を示す。
かる前処理を必要としないで測定できる長所があ
イオン電極として，Na＋，F−，Cl−，Br−，I−，S2−，
CN−，Ag＋，Cu2＋，Cd2＋，SCN−，Pb2＋，NO3−，K＋，
2＋
＋
り，自動連続計測に有効である。
〈用途〉
イオン電極を利用した測定器は多種多様
にわたっているが，環境計測関連の河川水質自動監
Ca ，NH4 ，CO2など約20種類が市販されている。
イオン電極の測定範囲は電極によって異なるが，
視装置やシアン排液監視装置をはじめとして，土壌
1mol／Lから10−4mol／Lないし10−7mol／Lと広範な
の養分分析計（アンモニア態窒素，硝酸態窒素，塩
測定範囲を有している。
分），食品中の塩分濃度計，生産工程中の溶液管理か
イオン電極法はイオン電極と比較電極を被検液に
浸せきし，その間に発生する電位差を電位差計で測
ら，臨床検査における血中電解質自動分析計（Na＋，
K＋，Cl−）など広い分野で利用されている。
定する方法である。電位差計として，ミリボルト計
や専用のイオン濃度計が用いられている。
イオン電極の特性として注意すべきことは共存イ
オンの影響である。特定イオンに感応し電位差を発
生する電極も，同じような性質のイオンは区別でき
ない。その程度はイオン電極によって異なり，選択
係数として示されるが，JIS K 0122イオン電極法通
9
イオン電極
電位差測定
ガラス膜
固体膜
隔膜
液体膜
1. ラボ用分析機器
1.1.5.1
導電率計（電気伝導率計）
Electric conductivity meter
〈原理〉
溶液の導電率
（電気伝導率）は，溶液中の
電解質イオンに依存する電気の伝わり易さの度合い
2
を示すもので，断面積1cm ，距離1cmの対向する不
〈特徴〉導電率計は簡単かつ安価で連続測定が可能
であるという利点がある。
電極法は，電極のセル定数を選択することにより，
活性な金属電極間にある溶液の電気抵抗の逆数で規
10mS/mから10S/m程度までと測定範囲が広い。ま
定される。
た，測定対象に応じて，浸漬形・流通形等の各種電
溶液の導電率をk〔S/cm〕，液抵抗をR〔Ω〕，電極の形
極に応じた保持器が用意されている。
状で決まるセル定数K〔1/cm〕，とすると導電率kは
電磁誘導法は，原理上，検出器が被検液に直接触れ
K/Rで表わされる。SI単位では単位をS/mとして表
ないので，耐食性に優れている。また，一般的には
わす。
高電解質溶液の導電率の高い領域で使用される。
導電率の測定法としては，電極法，電磁誘導法があ
〈用途〉導電率計は，溶液の電解質成分を測定でき
る。
るので，純水から高電解質プロセス液の管理まで用
電極法は，溶液中に対向する金属電極（SUS・白金
途は広い。ボイラ給水，イオン交換水，上下水の水
等）を入れ，液抵抗を測定し導電率を求めるもので，
質管理，半導体プロセスの水質管理，河川水の水質
代表例として，交流電圧方式がある。図1にその構
監視，生産プロセスにおける濃度管理，水耕栽培・
成例を示す。電極間に交流電圧を印加し，電極間に
養殖漁業の水質管理等，
汎用性に富んだ計器である。
流れる電流から比抵抗を測定し，さらに溶液の温度
補償を行い25℃換算の導電率として指示および出力
させている。一般的には，2極式が使用されている。
電磁誘導法は，一般的には電磁濃度計とも言われ，
その構成例を図2に示す。2つのトランスTl・T2を絶
縁物でモールドまたはライニングした検出部を被検
液中に浸し，一次コイルClに交流電流を流すとC2に
は溶液の導電率に比例した誘導電流Ⅰが流れる。一
方C2を一次コイルとするトランスT2の二次コイルC3
には誘導電流Ⅰに比例した電圧Eが発生するため，
この電圧を測ることにより導電率を求めている。
10
導電率
電気伝導率
セル定数
電解質
電極法
電磁誘導
電気伝導度計
1. ラボ用分析機器
1.2 光分析装置
紫外・可視分光光度計
1.2.1.1
Ultraviolet and visible spectrophotometer
〈原理〉
目に見える波長
（400〜800nm）
の光を可視
これは吸光分析で定量する場合の基本式であり，こ
光線と呼び，それより短い波長の光を紫外線と呼ぶ。
こでC＝1 mol／r，
L＝10mmのときのKの値をモル吸光
可視，紫外領域の光が物質を通過するとき，光のエ
係数と呼びεで表す。Lを一定にした状態で既知濃度
ネルギーによって物質の電子状態に変化を起こし，
Cの試料を用いて吸光度Eを測定し，Kを求めてお
そのエネルギーの一部を失う。この現象を吸収と呼
けば，濃度未知の試料溶液について吸光度を測定す
び，光が失うエネルギーはその物質の電子状態に対
ることによって濃度を知ることができる。
応している。そこでどの波長の光によって変化が起
しかし一般的にはKを求めないで，セルの厚さを一
こっているかを調べるため，光の波長を連続的に変
定にして，いくつかの濃度既知の試料を用い，その
えながら試料に照射し，光が試料にはいる前と，試
各々の試料濃度と吸光度の関係より検量線を作成し
料から出た後の光の強度の比を透過パーセントで表
ておき，濃度未知の試料の吸光度を測定して検量線
し，吸収の強さ
（吸光度）に変換してから照射した光
から濃度を求めることが多い。
の波長との関係曲線を求めたものが吸収スペクトル
分光光度計の構成例を図2に示す。光源部，分光
である。
器，試料部，測光部，指示記録部より構成される。
可視紫外領域に現れる吸収スペクトルは，分子の
光源から出た光は，分光器で単色光に分けられ，試
電子状態に関する情報を与えてくれることになり，
料に照射される。試料を通過した光は検出器に到達
その化合物の構造を知る上での重要な手がかりを与
し，光の量が電気信号に変換される。これを増幅し，
えてくれる。また，試料が溶液の場合は吸収の強さ
表示記録部に吸光度または透過パーセントで表す。
（吸光度）は溶液の濃度に比例するので定量分析に使
光源には一般にD2ランプ（重水素放電管）
とW-I2ラ
用できる。いま，強さI0の単色光が濃度C，長さLの
ンプ（タングステンヨウ素ランプ）が用いられてい
液相を通過すると，図1に示すように光が吸収され
る。D2ランプは180−400nmの範囲の連続光源とし
て強さが減少する。その減少した光の強さをIとする
て使用され，
W-Ⅰ2ランプは320−3000nmの連続光源と
と，I/I0をパーセントで表したものを透過パーセント
して使用される。
通常の分光光度計の測定範囲は200
（％T），log I0/Iを吸光度（E）と呼ぶ。試料を入れたセ
−900nmで，W-Ⅰ2ランプとD 2ランプの切り替えは
ルを光が通過する長さ（L）及び，試料の濃度（C）と
340nm付近で行うが，記録式分光光度計ではほとん
の間に次の関係が成立つ。
どが自動的に行われる。
E＝log I0/I＝KCr
11
吸光度
単色光
スペクトル
分光光度計
1. ラボ用分析機器
分光器は光源から放射される連続光の中から分析
の影響をなくすようにする。また吸収を特に持たな
に必要な波長を選択するためのもので，回折格子や
い試料については，特定の試薬を加えて呈色させる
プリズムが用いられている。回折格子は光の回折
という前処理を行ってから，特定波長の光を吸収さ
を利用して，
連続光を分散するもので，通常多数の等
せて測定する。従って吸光光度法はほとんどの化合
間隔の平行な溝をガラスまたは金属表面に刻んであ
物について測定が可能である。また使用できる溶媒
り，入射角に対応した波長の単色光が得られる。
も水をはじめ，アルコール，へキサン等ほとんどの
試料室は一般的な液体試料測定用としてセルとこ
有機溶媒が使用できる。
れを保持するセルホルダからなっている。セルは通
試料は液体の他に固体や気体も測定対象となる。
常角型のものを用いるが，フローセル，電子冷熱式
〈用途〉
セルなどが目的に応じて使い分けられる。セルの材
てはスペクトル測定による試料の同定や，化合物の
質は石英とガラスが普通であるが，ポリスチレン樹
電子状態の研究，ほとんどの陽イオン，陰イオンの
脂やアクリル樹脂のものもある。この中で石英は紫
定量分析に用いられる。また工業用水試験法（JIS
外，可視いずれにも使用でき，他は可視領域でのみ
K 0l0l），工場排水試験法（JIS K 0l02），食品分析
用いられる。
法，衛生試験法，日本薬局方などの種々の公定法や
測光部の検出には光電管，光電子増倍管，フォト
ダイオード，光電池，光電導セルなどが使用される。
応用範囲は極めて広く，溶液試料につい
臨床検査に数多くの項目が測定対象として決められ
ている。
表示方式はアナログ方式とディジタル方式がある
また，特定の波長に固定し，その物質の経時変化，
が，最近はディジタル方式でCRT画面上に測光値や
温度による変化，劣化の過程の追跡にも利用される。
スペクトルが表示されるものが多くなっている。記
最近は装置のコンピュータ化が進み，得られたデ
録計も単なるアナログの信号を記録するものから
ータに対して様々な演算処理が行えるものが多い。
様々なタイプのプリンタ，XYプロッタに測光値や
濁りによるバックグラウンドの上昇を補正する二波長
スペクトルを印字できるようになってきている。
演算による定量を初めとして，スペクトルの微分処
分光光度計にはシングルビーム型とタブルビーム
理による吸収の裾に隠されたピークの確認，スムー
型がある。光源からの光の強度は波長によってかな
ジング処理によるノイズレベルの改善などが行え
りの差があるが，シングルビームの場合には，分光
る。
器から出た光がそのままセルを通り，検出器に入射
また，通常の透過法では強い散乱光のため測定が
する。この場合，波長によって入射光の強度が直接
困難な懸濁試料に対しては，積分球測定装置を使用
変化するので，測定波長毎にその都度，透過パーセ
する。
ントの100目盛合わせ（または吸光度の0合わせ）を
この積分球測定装置は，光を全く透過しないか部
行う必要がある。一方ダブルビームの場合には，分
分的にしか透過しない固体試料についても反射スペ
光器から出た光を対照光束と試料光束の二光束に分
クトルや透過スペクトルを測定することができる。
け，その二光束の強度を比率演算するため，光源か
固体試料の反射測定についてはこの他に鏡，蒸着
ら出た光の，波長による強度の違いや，ふらつきは
膜などの試料を測定するために正反射測定装置が使
除くことができる。従ってスペクトル測定用には一
用される。積分球測定装置が散乱光をまとめて検
般にダブルビーム型が使用されている。
出するのに対して正反射測定装置は正反射光だけ
〈特徴〉
を検出するのを特徴としている。
吸収スペクトルとその強度は原子団によ
って特徴を示し，化合物の定性，構造解析に有用な
情報を与えてくれる。また分光光度計は感度が高く，
測定結果の再現性もよく，操作も簡単なことから定
量分析によく使用される。試料自身に吸収がある場
合にはそのままその吸収極大波長を利用して定量が
行えるが，その試料と同じ波長の光を吸収する成分
が混じっている場合にはそのままでは正しい測定結
果が得られないので，前処理によってその妨害成分
12
1. ラボ用分析機器
赤外分光光度計（分散形）
1.2.1.2
Infrared spectrophotometer (Dispersion type)
〈原理〉
物質に赤外線を照射すると，ある波長の
た減光器をサーボモーターで駆動させる光学零位方
光が選択的に吸収を受ける。物質を透過した赤外線
式と，両光束の出力比を記録するレシオ記録方式
の強さを縦軸に，波長を横軸にとって記録すると，
（図1）がある。最近はデータ処理機能が付加された
赤外線吸収スペクトルが得られる。現在では横軸に
ため従来測定が困難であった微量成分の測定や定量
波長の逆数である波数をとるのが一般的である。こ
分析が容易になった。
の赤外線吸収スペクトルは，人間の指紋と同じよう
〈特徴〉
に，その物質固有のものであるので，その物質が何
り，化学結合を反映した情報が得られることを始め，
であるかを知るために非常に有効に利用することが
測定物質を変質させることが少なく，非破壊分析が
できる。また物質を形作っている各部の部分構造に
可能である。気体，液体，固体のいずれの試料にも
関する赤外線吸収はどの波数領域で起るかがあらか
適用できるため極めて応用範囲の広い分析機器の一
じめ知られているので，赤外線吸収スペクトルから
つである。
未知の物質の化学構造を知る上での情報を得ること
〈用途〉（1）高分子物質：ゴム，繊維，紙，プラスチ
物質の構造解析に極めて有効な手段であ
ック，接着剤，添加剤の分析。
ができる。また，吸光度と試料の間にはランバート・
ベールの法則が適用されるので，濃度既知の標準試
（2）
食品，化粧品：各種添加剤の分析など。
料によって作成した検量線を用いて定量分析を行う
（3）
半導体：シリコンウェハー中の酸素，窒素，水素
などの不純物の定量など。
ことができる。
赤外分光光度計には，光源からの光を各波数ごと
（4）
医薬品：医薬品の分析とその代謝産物の分析な
ど。
に分ける分散子を用いる方式のもの（分散形）と，光
の干渉を用いる方式のものがある。ここでは前者に
（5）
公害関係：大気汚染，水質汚濁物質の分析。
ついて説明する。分散形赤外分光光度計では光源か
（6）
工程管理：高分子共重合体の組成分析，石英シリ
らの赤外線は反射鏡で試料側及び参照側の2光束に
コン素材中の不純物の定量，
その他受け入れ検査
分けられる。この光束はセクタ鏡で交互に分光器に
など。
入り，回折格子で分光され出口スリットから出た光
が検出される。この回折格子を回転させると出口ス
リットを通過する光の波数が連続的に変化する。両
光束の出力が一定になるよう参照側光束に入れられ
13
赤外分光光度計
分散形分光光度計
回折格子
構造解析
1. ラボ用分析機器
1.2.1.3（1）
フーリエ変換赤外分光光度計
Fourier transform infrared spectrophotometer (FTIR)
〈概要〉
物質に赤外線を照射すると，ある波長の
きる。レーザ①からの光束は，干渉計に導かれ，レ
光が選択的に吸収をうける。物質を透過した赤外線
ーザ光による干渉縞から移動鏡の位置の検出を行う
の強さを縦軸に波数を横軸にとって記録すると赤外
一方，
BSの中心孔を通して赤外光束の光路をモニタし
吸収スペクトルが得られる。この赤外吸収スペクト
ている。
ルは人間の指紋と同じように，その物質固有のもの
〈特徴〉
であるから，その物質が何であるかを知るために非
かもスリットが不要なため光を有効に利用でき，明
常に有効に利用することができる。また，物質を構
るさ，感度，走査速度などの点で非常にすぐれてい
成している各部の部分構造に関する赤外線吸収は，
る。高速走査の利点を活かしたGCとの接続による分
どの波数領域で起るかがあらかじめ知られているの
離成分の同定，感度や明るさを生かした微小物質の
で，赤外線吸収スペクトルから未知物質の化学構造
検出，表面劣化状態や微量不純物の検出，試料を加
を知る上での情報を得ることができる。また，吸光
熱して得られる分子発光スペクトルの測定，赤外光
度と試料の間にはランバート・ベールの法則が適用
音響スペクトル測定などほとんどすべての物質の赤
されるので，濃度既知の標準試料によって作成した
外スペクトルの測定が可能である。測定されたスペ
検量線を用いて定量分析を行うことができる。
クトルはコンピュータ解析にかけることができる。
この方式では全波長を同時に測定し，し
FTIRの構成例を図1に示す。光源②から出た光は
蓄積された多数のスペクトルデータと未知試料とを
平行光束となりM6によってマイケルソン干渉計に
比較照合する検索法及び部分構造の推定を行う方法
入る。この光束はビームスピリッタ（BS）により半分
がある。
は反射されて固定鏡④に向い，半分は透過して移動
〈用途〉 （1）高分子物質：ゴム，
紙，
プラスチック，
鏡③にゆき，それぞれ反射され，合成されたのち試
繊維，布，接着剤などの分析，添加剤の検出
料を経て検知器⑥に集光する。BSと移動鏡，固定鏡
（2）公害関係：大気汚染，水質汚濁物質の分析
までの距離にd/2の差があると，
移動鏡で反射された
（3）食品，化粧品：添加剤の分析と劣化の究明
光波と固定鏡で反射された光波との間にdの光路差
（4）半導体物質：シリコン結晶中の酸素，窒素，水
を生じ，そのため合成波は打消し合ったり強め合っ
素，GaAs中の炭素など不純物の定量（5）医薬品：医
たりする。
こうして検知器からの出力はdの関数とな
薬品の分析とその代謝産物の分析など（6）表面：化
り，これが干渉曲線を与える。この信号をフーリエ
学吸着の解析研究など
（7）
工程，品質管理：高分子共
変換することにより赤外スペクトルを得ることがで
重合体の重合組成の定量など。
14
赤外分光光度計
フーリエ分光法
構造解析
マイケルソン干渉計 FTIR
1. ラボ用分析機器
1.2.1.3（2）
顕微測定用フーリエ変換赤外分光光度計
Fourier transform infrared microscope
〈概要〉
顕微赤外分光光度計は，通常の赤外分光
最近は顕微鏡による全反射（ATR）法や高感度反
光度計で測定不可能な微量，微小試料の赤外スペク
射（RAS）法も可能となっている。さらにオートX・
トル測定に用いられる。
空間分解能はおよそ10mm，
試
Yステージ付属装置を用いれば，X・Y方向への自動
料サイズは10mm程度まで絞ることができる。
走査が可能で，3次元スペクトルや等高線図を得る
〈原理〉装置はFTIRにオプションとして赤外顕微
こともできる。また顕微赤外と他の分析方法との組
鏡を取り付けるタイプと顕微赤外専用機に分けられ
み合せも行われている。
る。両者は基本的にそれほど変わらない。顕微赤外
〈用途〉
測定装置の構成を図1に示す。この装置は透過と反射
めて広い。主な測定目的は異物・付着物の分析，結
の両方が測定できる。透過測定の場合は，干渉計（1）
晶や繊維の赤外二色性の測定，積層構造の各層の分
からの光は透過/反射切替鏡を経て，カセグレイン鏡
析や共重合体フィルムの局所分析などにも使用され
（2）
で絞られて試料位置（3）に集光される。試料を透
顕微赤外分光法が応用される分野はきわ
る。
過した光は，もう一方のカセグレイン鏡（4）を経て，
応用分野
アパーチャ上に結像される。
さらにミラー（5）を通っ
1）高分子材料：フィルム，紙，ゴム中の異物，ポ
て検出器上に焦点を結ぶ。
反射測定の場合は，透過／
リマーフィルム・塗膜・強化プラスチックの積
反射切替鏡，ミラー
（6），カセグレイン鏡（4）を経て
層構造の各層，塗膜はじきの原因，光ファイバ
試料上に焦点を結ぶ。あとは透過測定の場合と同じ
ー・エナメル線被覆膜の深さ方向の分析
である。試料の観察は，赤外と同一光路に白色光を
入れ，三眼鏡筒
（7）より観察できる。試料像を観測
し，測定目的部分にアパーチャをかければ，その部
2）無機材料：シリコンウェハー中の不純物，ガリ
ウムヒ素上付着物
3）電気・電子材料：マイクロスイッチ付着物，CD／
分のみの赤外スペクトルが得られる。
FD表面付着物，プリント基板上付着物，レジス
〈特徴〉
ト膜／液晶の評価
1．微量（ng）
，微小（10×10mm）試料が測定可能
2．非破壊，非接触での測定も可能
3．測定部位を確認できる。
4）生体試料：細胞，生体組織，胆石／結石の組成
分析
5）鉱物：岩石，化石，いん石などの組成分析
4．サンプリングが比較的容易である。
5．固体及び液体が測定できる。
15
顕微赤外分光光度計
フーリエ分光法
顕微ATR
顕微RAS
1. ラボ用分析機器
近赤外分光光度計
1.2.1.4
Near infrared spectropotometer
〈原理〉
有機成分は，
（中間）赤外領域において，
その構造に由来する指紋領域といわれる特性吸収バ
分離して測定する方法であるともいえる。即ち，多
成分系の試料を近赤外分析法で定量分析する場合
ンドをもつことが知られている。近赤外領域（800
は，目的成分に特徴的な波長λ1の吸光値を知るだけ
〜2500nm）で生じる光の吸収の殆どは，赤外領域で
では不十分である。近赤外域では各成分の吸収がお
観測される分子の基準振動による吸収の倍音，また
互いに重なり合うので，他の成分の影響を考慮しな
は結合音によるものであり，主として水素を含む官
ければならない（図1）。そのためにλ 1以外の別の
能基（O−H，C−H，N−H，S−H）や，赤外域で高波
波長も加えた式（重回帰式）を用いて分析を行う。
数に吸収を与える官能基と関連がある。近赤外吸収
C＝b0＋b1A1＋b2A2＋……＋bnAn……（a）
は，
（1）赤外吸収に比べ微弱で，（2）多数の倍音や
ここでCは目的成分量，Al〜Anは波長l 1〜l nにおけ
結合音による吸収が重なり合い，複雑なスペクトル
る吸光値である。
（a）
式を解くために，まず，実際の
を示す。このことは，単にスペクトル解析の手段と
試料の母集団の中からいくつかの試料を選び
してみると欠点のようであるが，成分の定量分析と
してみると（以下
Teaching Set（標準試料） とする。次にこれらの
近赤外分析法という），これらの
試料を従来の分析法によって分析値を得ておく。最
欠点は，逆に大きな利点になる。まず吸光強度が弱
後に従来法による分析値と各試料の全スペクトル吸
いことは，稀釈せずに主要成分の分析ができるとい
光値の関係から重回帰分析の手法によって最も適当
うメリットに転換できる。また赤外域では吸光度が
な波長の組み合わせλ1〜λnを選択し，
それに対応す
高すぎてやっかいな水分のO−Hの吸収バンドは適
る定数b0及び係数bl〜bnを求める。このようにして
度に弱まるので，水分がある状態でも他の有機成分
検量線を作成し，未知試料によって従来分析値との
を定量することができ，むしろ水分そのものも測定
適合性を評価した後，はじめて実用的な定量分析の
対象成分として扱うことができる。前処理を必要と
検量線として使用することができる。またスペクト
しない，非破壊分析としての近赤外分析法の最大の
ルは，一つの成分だけでなく同時に他の成分の情報
特徴に繋がる。
も含んでいるので，別な波長の組み合わせで，別な
また近赤外分析法は，液クロ，ガスクロなどのよ
うに化学的，物理的に分離精製して目的成分を測定
検量線を作成すれば多成分の同時定量分析をするこ
とができる。
する方法でなく，たくさんの成分の示すスペクトル
このように近赤外分光光度計は単独にスペクトロ
信号の中から，目的の成分のスペクトルを数学的に
フォトメータとしての利用よりも，このようなアル
16
近赤外分光光度計
非破壊分析
重回帰分析
ケモメトリックス
多変量解析手法
1. ラボ用分析機器
ゴリズムと併せて利用することによって，非破壊成
る。（5）化学量のみならず物理量も測定できる。（7）
分分析計としての実用面でのメリットが非常に大き
同一のサンプルを反復分析できる。
（8）現場環境で分
い。分光学において脚光を浴びていなかったなかで，
析ができる。（9）0.1〜数10％オーダーの定量分析が
近赤外スペクトルの有効性が認め始められるように
できる。
なったのも，1970年代頃からパソコンが急速に発達
〈用途〉
したため，重回帰分析のようなアルゴリズムを駆使
の重要な担い手として役立つばかりでなく，現場環
してできるようになったのが大きく影響していると
境に分析室の機能を持ち込ませ，これまでの方法で
いわれている。実用面では，重回帰分析法が最も一
はなしえないほどの迅速さでプロセス管理が可能と
般的に利用されているが，最近では，PCR，PLS，
なってきており（AT LINE），更にオンライン，イ
PCA，判別分析，クラスター分析などの他の多変量
ンラインでの利用もされつつある。
近赤外分析法は，分析室の自動化（LA）
解析手法やケモメトリックスが積極的に利用される
近赤外分析法の利用されたのが農業，食品工業分
ようになり，定量分析のみならず，定性分析にも利
野から始まったこともあり，この分野での利用例が
用されはじめている。
最も多い。小麦，大豆，米，コーン，なたねなどの
一方，分光光度計として要求される性能としては，
穀類，さらに，牧草，タバコ，麦芽，果物，土壌な
近赤外スペクトルはモル吸光係数が非常に小さいの
どのサンプルでは，水分，蛋白，脂肪，油分，繊維分，
で，定量，定性分析に利用するには，吸光度の微小
糖分，ニコチンなどの成分分析に使われている。
な変化を観測できるような極めて高いS/N比のもの
菓子，パン，ハム，乳製品，コーヒ，茶，食用油，
が要求される。近赤外分析の実用機として，堅牢性
醤油，ワイン，酒などの食品試料では，水分，脂肪
と連続安定性が要求されるために，近赤外用に特別
分，糖分，蛋白分，カフェイン，アルコール，全窒
に専用機として開発され，30×10−6吸光度以下を目
素分，食塩，アミノ酸，沃素価，固形分などの成分
標とした低いノイズレベルの分光計が開発され利用
分析に使用されている。また製薬，洗剤
されている。その中で，分光計としてこれまでは，
油，香料，化粧品，染料，顔料，高分子樹脂，高分
干渉フィルター式，回折格子方式のものが主流であ
子繊維など各種化学工業分野では，サンプルの活性
るが（図2），FT−NIR，音響光学分光法などの最
物質，水分，アミノ酸，オクタン価，粘度，OH価，
新の分光技術も利用され実用化され始めている。
モノマー量，混紡率，粒子径などの成分，指標価，物
肥料，石
また，近赤外分光法では赤外域に比べ，セル長を
理特性値などの定量分析および原材料の確認試験な
大きくとることもでき，またセル材質に溶融石英を
どの定性分析に使用されている。また血液分析，無
利用できるから，多種多様な扱い易い試料セルの調
侵襲検査などの生体計測，生化学への利用など非常
製手段をとることができる。粉体，固体，ペースト
に広い分野で現在利用されており，また更に応用開
状，懸濁液．澄明液はもちろんシート状，完全非破
発が行われている。
壊分析などのあらゆる形態のサンプルに対応で
きるように各種の測定モードがとれるような試料セ
ル，カップ，アタプターが用意されている。粉体，
固体では拡散反射モード，ペースト，液体，シート
状試料の場合は透過反射，透過モードで測定するこ
とが多い（図3）。最近では，光ファイバーの利用も
進んでおり，サンプリングをしなくても済むリモー
ト測定技術として開発利用されており，オンライン
分析の有力な測定手法として注目されている。
〈特徴〉
（1）サンプルの前処理が簡単で迅速に定
量，定性分析ができる。
（2）非破壊で化学薬品を必要
としない。
（3）
多成分を同時に測定できる。
（4）
固体，
粉体，半固体，液体いずれの形態のサンプルも扱え
17
1. ラボ用分析機器
FT-IR複合装置
1.2.1.7
Combined Instruments with FT-IR
〈概要〉
フーリエ変換赤外分光光度計の高速走査
の強度変化を用いたもの（ケミグラム）がある。こ
とコンピュータの高性能化および記憶媒体の大容量
のシステムでは単一成分あるいはそれに近い状態で
化などにより，赤外分光光度計と他の機種との組合
IR測定が行えるため，気相の標準データ集からのス
せ分析が行われるようになった。
ペクトル検索をはじめIRの優れた同定能力を活か
赤外分光光度計に関連した複合装置には赤外分光
すことができる。
光度計の弱点である混合物の分析のためのクロマト
このシステムは，界面活性剤や香料などガスクロ
グラフとの組合せや，熱的情報を得る装置との組合
マトグラフが利用できる試料の分離・定性および定
せがある。ここでは代表的な例としてガスクロマト
量に活用されている。
グラフとの複合装置および示差走査熱量計との複合
2．DSC−FTIR（示差走査熱量計−フーリエ変換赤
装置について述べる。
外分光光度計）システムは，フーリエ変換赤外分光
〈原理と特徴および用途〉
光度計用顕微鏡の試料部に示差走査熱量計のホット
1．GC−FTIR（ガスクロマトグラフ−フーリエ変換
ステージを設置しステージ内にセットした試料を，
赤外分光光度計複合装置）システムは，ガスクロマ
設定した温度プログラムに従って昇温，降温させな
トグラフとフーリエ変換赤外分光光度計およびイン
がらDSCデータと同時にIRスペクトルを連続的に測
ターフェースから成る。ガスクロマトグラフからの
定する。測定データは温度，波数，吸光度の三次元
流出ガスを加熱したパイプを通して，フロースルー
で表示または転移点前後でのスペクトル表示を行い，
セルに導入しIR測定を行う。ガスクロマトグラフの
構造変化の知見を得る。
分離を維持し，かつ感度向上のためにフロースルー
この組合せ分析の特徴は熱的な情報とIRスペク
セルの形状ほかセル部には種々の工夫がされてい
トルの対応ができることで，高分子物質のガラス転
る。冷却した金属上にトラップする方法もある。ガ
移点や融解点での構造の変化や，液晶の転移におけ
スクロマトグラフに試料をインジェクション後，連
る構造変化，塗膜の加熱による硬化挙動の追跡など
続的にIR測定を行い，記憶媒体にデータを記録す
熱変化に伴う構造解析に有効な手段である。
る。データ処理機能にはクロマトグラムの表示や各
上記のほか，LC−FTIR（液体クロマトグラフとの組
ピークの同定機能などもある。IRデータを用いたク
合せ）やSFC−FTIR（超臨界流体クロマトグラフと
ロマトグラムは縦軸にインターフェログラムの変化
の組合せ）やTG−FTIR（熱重量測定装置との組合
を用いたものや特定の官能基に着目した特定波数で
せ）などが行われている。
18
フーリエ変換赤外分光光度計
GC−FTIR
ケミグラム
DSC−FTIR
組合せ分析
1. ラボ用分析機器
1.2.2.1
分光写真器
（Spectrograph)
〈原理〉
混り合った光を波長ごとに分け，1つの
ファスティ・エバート形光学系を示す。スリットSか
焦点面上に波長順に像を結ばせる装置を分光器とい
ら入った光は，平面回折格子Gの下を通り，大凹面鏡
い，その検出手段として写真乾板，あるいはフィル
Mに達する。この凹面鏡では光を平行にして回折格
ムを用いるのが分光写真器と呼ばれるものである。
子Gに入射させる。分散された光は各波長に対する
光をそれぞれの波長のスペクトル線に分けるために
平行光束になっている。これらの光束は凹面鏡の上
は，プリズムや回折格子が一般に用いられる。発生
部に当り，この鏡は，今度はカメラF上にスペクトル
源からの光は分光器の入口スリットを通り，次にプ
の焦点を結ぶカメラ鏡として作用する。したがって
リズム又は回折格子に入って光の分散が行われ次い
カメラに写真乾板又はフィルムを装填しておき，任
でスリットの像を観測面上すなわち写真乾板又はフ
意時間露出することによって，スペクトルを撮影
ィルム上に結ばせる。これを現像，定着して発生源
することができる。普通200〜500nmの範囲の光が対
の光のスペクトルを写真乾板上に得ることができ
象になる。
る。分光器に用いるプリズムは，紫外域も測定でき
〈特徴〉
るよう水晶プリズムが一般的である。また，回折格
することによって半永久的に，しかも広い波長範囲
子は反射形のもので．これには平面と凹面回折格子
にわたって記録することができる。また，明るさの
とがある。いずれもガラスにアルミニウムを蒸着し，
変化する光源からの光量を，露光時間だけ積算する
その表面に多数平行溝（1mm当たり600〜3600本）を
ことができ，そのスペクトルの波長から線スペクト
刻んだものであるが，一般にはレプリカ回折格子を
ルでは原子の，
帯スペクトルでは分子の定性分析を，
用い，最近は写真技術を応用したホログラフィック
またスペクトル線の黒化度から定量分析を行うこと
回折格子も用いられている。回折格子分光写真器で
ができる。
は，回折格子，スリットおよびカメラの相互の配置
〈用途〉
によって種々の光学配置法が考えられている。ロー
定性，定量分析に用いられ，発光法を選ぶことによ
ランド形，パッシェンルンゲ形，イーグル形，ワー
って気体の測定にも適用できる。特に，一回の測定
ズワース形，ツェルニターナ形，エバート形などが
によって多数元素のスペクトルが同時に得られるの
主な配置法で，前の4つのタイプは凹面回折格子を，
で，金属元素の定性分析の有力な手段となっている。
後の2つは平面回折格子を用いたものである。
また，発光スペクトルの測定だけでなく連続光源と
図1にファスティによって改良された，いわゆる
写真乾板やフィルムにスペクトルを撮影
鉄鋼，非鉄金属などすべての金属元素の
組み合わせ吸収スペクトルの測定にも利用される。
19
ファスティ・エバート形分光写真器
回折格子
スペクトログラフ
写真乾板
1. ラボ用分析機器
光電測光式発光分光分析装置
1.2.2.2
Photoelectric emission spectrophotometer
〈概要〉
発光分光分析法は，液体，固体などの試
温度は一般に低く，安定性があまりよくないが，感
料に外部エネルギーを与えることにより発光させ，
度が高いため定性に用いられ，また微量元素の定量
放射された光を分光器により元素特有のスペクトル
にも用いられる。直流アークを使った代表的な分析
線に分け，その有無と強度を測定することにより試
方法の一つは，担体蒸留法で，これはウラン中の微
料に含まれる元素の定性，定量を行う方法である。
量不純物の定量のために創案された方法である。ま
光電測光式の場合，同種の試料であれば数分の間に
たグロビュールアーク法では鈍銅中の不純物元素が
10元素であろうと20元素であろうと，濃度・含有量
〈原理及び特徴〉
精度よく分析できる。
（b）スパーク放電
で結果が得られる。
1000Vから数万Vに充電したコ
原子は原子核とそれを取り巻く
ンデンサーを分析間隙を通して放電されるものをス
電子から成っている．この原子に外部からエネルギ
パーク放電という。1000V前後の電圧の低いものを
ーを与えると，軌道電子は定常状態から，高いエネ
低圧スパーク，数千V以上の電圧のものを高圧スパ
ルギー準位に移るが，この電子は10−5〜10−8秒程度
ークといって区別している。放電の温度は1万度以
の短い時間のうちにより低いエネルギー準位の軌道
上になり，試料の蒸発はアークに比べて小さい。こ
に移る。このときのそのエネルギーの差が光として
のため電極の消耗が小さいので長時間安定に放電を
放出される。
この光を分光器に入れると分光されて，
続けることができ，金属試料の分析に適している。
元素特有の原子スペクトル線を観測することができ
金属工業における管理分析の光源のほとんどがこの
る。また物質中に含まれているある元素の量が変化
スパーク放電である。
すると，その物質が発光した場合の元素のスペクト
管理分析用の発光装置としては高速度発光装置が
ル線の強さも変化する。この強弱により定量を行う
よく用いられる。これは最近の迅速炉前分析におけ
ことができる。
る分析時間の短縮の要求から生まれた低電圧スパー
発光分光分析法は前述の通りある物質
ク放電の発光装置である。これまでのスパーク放電
に外部から何らかの形でエネルギーを与えてやらな
が電源の周波数に同期しての放電であったのに対
ければならないが，その供給源を一般に励起源と呼
し，内蔵の発振器からの発振周波数に同期して放電
ぶ。
させるもので，パルスの繰返し周波数を400〜800Hz
（1）励起源
試料と対極の間にアーク放電を行
ぐらいまで上げることができる。これにより分析時
い，試料にエネルギーを与える方法である。放電の
間を短縮することができ，現在最も速いもので約5
（a）アーク放電
20
スパーク放電
アーク放電
光電測光
発光分析
PDA測光法
1. ラボ用分析機器
秒程度の放電時間で1分析が終了する。
（2）分光器及び測光装置
発光分光分析に使用する
分光器は，多数の原子スペクトル線を分離しなけれ
ばならないので，できるだけ分解能の優れたものが
必要である。このため，吸光光度法や原子吸光法に
使われる分光器に比べて，一般に大形で高性能とな
り，したがって高価となる。光電測光式の発光分光
分析に最もよく用いられるのは凹面回折格子を用い
たパッシェンルンゲマウンティングである。このマ
ウンティングの特徴は構造が簡単で，しかも測定波
長領域が広く，光学系が固定されているため，分光
器の安定性が優れていること等である。
次に測光法であるが，一般に用いられている方法
は，光電子増倍管の出力電流を積分コンデンサーで
一定時間積分するもので光源の不安定性をこれによ
って平均化している。この積分電圧を各種の読取法
で読み取っているが，現在ではほとんどディジタル
値とし，コンピュータ処理により濃度変換や各種の
補正を行うのが普通である。
このような単純積分形の測光法に対しPDA
（Pulse Distribution Analysis） 測光法と呼ばれる
ものがある。これは主としてアルゴンガス雰囲気で
のスパーク放電を用いる金属試料の分析に対して開
発されたものである。一つずつのスパークパルスか
らの光の強さを個々に積分し測定した場合，その大
きさはかなりのばらつきを持っており，そのばらつ
き方も元素・試料によりかなりの違いがある。この
ばらついた値を統計的に処理し，最も真の含有量と
相関のある値を見出していこうとするのが，この方
法でつぎのような長所・可能性を持っている。
（a）介
在物を作りやすい元素について，再現性・精度が向
上する。（b）介在物的元素について形態別の分析値
が得られる。
〈用途〉
固体・粉末用発光分析装置は主として，
管理分析に用いられる。製鋼のプロセスやアルミニ
ウム冶金プロセスなど，精錬冶金工程のオンライン
分析に広く用いられ，最近は自動研磨機と接続し，
自動分析システム化がはかられている。
21
1. ラボ用分析機器
1.2.2.3
誘導結合プラズマ発光分光分析装置
Inductively coupled plasma atomic emission spectrometer
〈概要〉
アーク・スパーク放電は主として固体お
の直線範囲が５〜６桁にも及び，いわゆるダイナミ
よび粉末試料を直接励起して分析する場合に用いら
ックレンジが極めて広い。⑤同一条件で多くの元素
れているが，
液体試料の場合には，感度，精度とも十
を励起でき，主成分元素・副成分元素，微量成分元
分満足できるものでない。液体試料の場合，標準試
素までの多くを同時定量することが可能である等が
料の作成が容易なため，液体試料用発光光源の出現
優れている。
がまたれていた。そこへ登場したのがICP
ICP発光分光分析装置の分光器も当初は，固体用
（Inductively Coupled Plasma）というプラズマ光
発光分析装置と同様に，回折格子を用いたパッシェ
源である。非常にすぐれた特性を持った光源で，最
ンルンゲやエバートマウンティングが主であった。
近ますます応用分野が広がっている。
前者の分光器は構造が簡単で，光学系が固定されて
〈原理及び特徴〉 300MHz以下の周波数において，
おり、安定性が優れているためルーチン分析用とし
コイルに高周波電流を流し，高周波磁界の時間変化
ては最適である。ところが，ICP光源が安定であるた
により電磁誘導によって発生する電界によって放電
め自由度をもったモノクロメータが用いたタイプが
を行うと，この場合，放電と電気回路の結合は誘導
ふえている。もっともよく使われるのがエバートや
形となるので，この光源は誘導結合プラズマすなわ
ツエルニターナマウンティングなどで，エシェル
ちICPと呼ばれている。発生した高温アルゴンプラ
格子を用いたものもある。パルスモータ駆動により
ズマ中に液体試料を霧化して導入すると，熱エネル
高速シーケンシャル分析が可能になった。このシス
ギーにより励起され，光を発生する。この光を分光
テムでは，定量分析はもちろんのこと，定性分析も
器で元素特有のスペクトルに分け，そのスペクトル
可能なため，未知試料の分析にも対応できる。
の強さにより試料に含まれる元素の濃度を測定す
〈用途〉
溶液化できる試料であれば分析はほとん
る。発光分光分析の光源としてのICPは，①溶液試
ど可能である。
料を導入することができるため，固体試料に比べて
①環境
標準試料の作成が容易であり，また分析精度も向上
②金属
する。②多くの元素に対して検出限界が高く，極め
て高感度である。③プラズマの温度が高温であるこ
河川水，工場排水，産業廃棄物，酸性雨等
鉄鋼，銅，アルミニウム，亜鉛，貴金属
鉄鉱石，鋼鉄，メッキ液
③酸化物
と，ドーナツ状の穴に試料が入り，その滞留時間が
セラミックス，ガラス，セメント
岩石，陶土，アルミナ
比較的長いことから，従来のフレームにあるような
④石油・化学
試薬，有機化合物，潤滑油，触媒
化学的干渉が少ない。④自己吸収が少なく，検量線
⑤医学・食品
生体，血清，全血，ビール，魚類
⑥農業
22
ICPプラズマ光源
シーケンシャル形
土壌，肥料，植物
ダイナミックレンジ
1. ラボ用分析機器
1.2.3.1
炎光光度計及び原子吸光分析装置
1.2.3.2
Flame spectrophotometer and atomic absorption spectrophotometer
〈原理〉
金属の塩類を炎の中に入れると金属固有
吸収量は分光器を介して測定されるが，Cd：228．
8
の波長をもった光を発する現象は，炎色反応として
nmなど比較的紫外線領域を用いることが多いので，
古くから知られている。この金属原子固有の波長の
検出器としては光電子増倍管が用いられる。この方
発光量を測定するのが炎光分析法である。一方，原
法は他の分析法に比べ高い選択性と感度を有し，共
子の蒸気はその元素特有の波長の光を吸収する。
存元素の干渉も比較的少ないとされている。したが
炎の中に導入された金属の塩類は熱分解などを受
け原子状の蒸気となる。そこで金属固有の波長の光
の吸収量を測定するのが原子吸光分析法である。
って，広い分野で，微量金属の分析法として優れて
いる。
試料の原子化の手段として，炎を用いず黒鉛やW
図1に炎光光度計，原子吸光分析装置の構成例を示
の電気炉を用いる電気加熱炉原子吸光法もある。こ
す。
れは黒鉛やWの電気炉の電流を制御し，試料の乾
〈特徴〉
炎光光度計では通常液体試料を霧状にし
燥，灰化，原子化を段階的に行う方法である。原子
て炎の中に導入する。求める金属の発光量は，フィ
吸光の高感度な特性と相いまって，さらに微量分析
ルタや回折格子を用いた分光器で測定する。共存
の上で威力を発揮する方法である。
する目的元素以外の発光から目的波長の光だけを選
原子吸光法は比較的干渉の少ない方法とはいえ皆
び出すには，分光器を用いた測定が優れている。し
無ではなく，その微量化への要求が高まる程干渉へ
かし干渉フィルタを用いた場合は，光エネルギーを
の対処も複雑になってくる。たとえば，共存元素や
有効に利用できるので光電池などでも測定でき安価
溶液のバックグラウンド補正方法として，重水素ラ
な装置が構成できる。分析繰作も簡単なことから
ンプによる近傍紫外線を用いて補正する方法もその
Na，K，Liなどの分析に多く用いられている。
一例である。また，原子化部または光源部を磁場の
原子吸光分析装置においても通常，金属の原子化
中におくゼーマン効果を利用する方法などがある。
は試料を炎の中に導入して行う。この時，金属特有
〈用途〉
の波長の光を持つ光源として中空陰極放電管や無極
どのNa，K，Li
放電管が用いられる。したがって，目的元素ごとに
原子吸光分析法：化学，金属，半導体工業や食品，
別々の光源が必要なことになるが，波長が充分離れ
生体，土壌，水質，臨床検査などにおける，微量金
ている元素については，複数の元素を合わせて一個
属，不純物などのCd，Mg，Mn，Ni，Pb…など多
の光源にすることも可能である。
岐にわたる。
炎光分析法：血清，生体，食品，水質な
23
炎光分析法
原子吸光分析法
ゼーマン効果
電気加熱炉原子吸光法
1. ラボ用分析機器
1.2.4.1
蛍光光度分析装置（分光蛍光光度計）
Fluorophotometric analyzer
〈原理〉 物質に可視，紫外領域の光を照射すると，
示計に表示される。蛍光強度は励起光の明るさに比
物質の種類によっては，照射した光の波長とは違っ
例するため，光源としては中圧水銀灯やキセノンラ
たそれよりも長波長の光を放射することがある。そ
ンプなど，明るいものが用いられている。スペクト
のときの過程を図1に示す。この放射される光を蛍
ル測定用には，連続光源であるキセノンランプが適
光と呼び，蛍光の強度やスペクトルを測定して定量
している。試料を入れるセルには一般に石英セルが
及び，定性分析を行うのが蛍光光度法である。芳香
用いられる。測光方式（図3）には散乱光の影響を
族化合物などでは，光の吸収によって励起状態の
少なくするための，直角方向から測定する側面方式
種々の振動単位に遷移した電子は，最低振動準位か
と，試料が固体の時や，高濃度の時に表面から測定
ら光の放射を伴って基底状態の種々の振動準位へ遷
する表面方式がある。蛍光光度分析装置には，フィ
移する。これが蛍光で一般に吸収された光よりも低
ルタを用いるものとモノクロメータを用いるものと
エネルギー（長波長）である。また，励起三重項状
がある．
態から基底状態への遷移の場合をりん光と言う。一
〈特徴〉
−4
般にりん光は，その寿命が10 秒よりも長く，これに
蛍光光度法は，吸光法に比べて103倍以上
高感度である。更に蛍光物質だけが測定対象になる
−8
ため，前処理によって目的成分だけを蛍光物質に変
蛍光強度は蛍光物質の濃度に比例することから，
えることにより，選択性に優れた極微量の分析手段
対して蛍光寿命は一般に10 秒よりも短い。
定量分析に用いられる。スペクトルには蛍光波長を
として用いられる。装置はコンピュータの処理機能
一定にして，励起光（照射する光）の波長と蛍光強
が発達したために従来ではできなかった散乱光，ラ
度との関係を表す励起スペクトルと，一定の励起光
マン光の除去や微弱な信号の拡大検出がごく普通に
で生ずる蛍光の波長と強度の関係を表す蛍光スペク
できるようになってきている。
トルがある。励起スペクトルは一般に吸収スペクト
〈用途〉
ルと同じパターンを示している。図2に蛍光分光光
食品分析，アミノ酸分析などの生化学，臨床医学関
度計の構成例を示す。
係分野によく利用される。また染料，蛍光増白剤，
光源を出た光は励起波長選択部で単色光となり，
試料に照射される。試料から放射した蛍光は，蛍光
医薬品の分析，各種ビタミン，添加物の
導電膜などの材料分析，専用の付属品と試薬を用い
た細胞内カルシウムの測定など利用範囲は広い。
波長選択部で目的の波長だけが検出器に入る。ここ
で電気信号に変換され，蛍光強度に応じた出力が指
24
蛍光光度法
励起光
蛍光波長
蛍光強度
1. ラボ用分析機器
1.2.4.2
ラマン分光光度計
Raman spectrophtometer
〈原理〉
物質に特定の波長の光を当てるとその当
ンも比較的弱いので水溶液の測定を得意とする。第
てた光は散乱される。
（レイリー散乱光と呼ばれる）。
二に試料の非破壊測定があげられる。レーザ光で燃
また非常に弱いが，当てた光の波長と異なる光も散
えたり，分解したりしないものであれば特別に試料
乱されている。その弱い散乱光がラマン光（発見者
を処理することなしに，そのままの状態で測定でき
の名に因んで付けられた）と呼ばれるものである。
る。第三にごくわずかな試料で測定できる。原理的
ラマン光を強くするために励起光源としてレーザ光
にはその部分にだけ試料があればスペクトル測定は
を使う。このラマン散乱光は，その物質を構成する
可能である。液体ではキャピラリーに入れ数μrあ
分子の振動（伸びたり縮んだり，角度が変化したり
れば充分で，固体ではng程度でも可能である。最近
する）や回転に基づいてあるきまった波数だけ励起
はレーザビームを極力絞り（〜1mm），試料を顕微鏡
光からずれてあらわれる。その波数値をラマンシフ
下で観察しながら試料の微小部分を測定できる装置
トという。したがって励起波長を変えると，当然ラ
やマッピングシステムも開発されている。第四に偏
マンスペクトルも並行移動する。ラマンスペクトル
光測定が挙げられる。レーザ光が直線偏光している
がもたらす情報は赤外線吸収スペクトルと非常に類
ため，偏光解消度の測定，結晶や高分子の配向を調
似して，その分子に特有であるため物質の同定がで
べるのに利用される。次に低波数の測定は赤外分光
きる。またラマン強度はレーザ光の強度，分子数（濃
法では特別な装置が必要だがラマン分光法では1台
度）に比例するため定量も可能である。測定方法は
の装置で極低波数まで測定できる。無機物や結晶の
蛍光測定と類似している。レーザ光をレンズで絞り
格子振動の測定に有利である。
（数十mm），試料に照射し，散乱したラマン光を集
〈用途〉主な用途としては分子の構造決定と未知物
光レンズで集め，
分光器に導入する。
ラマン光は弱く，
質の同定である。生体高分子の二次構造の決定，新
レイリー散乱光と分離する必要上分光器は通常二つ
物質の構造解析には以前からよく使われている。半
以上を使用し，分光された光は光電子増倍管または
導体やカーボン・ダイヤモンド膜の評価についても
マルチチャンネル検出器で検出する。
最近急速にその利用が広がっている。レーザ光を絞
〈特徴〉
レーザラマン分光法の特徴は赤外分光法
ったマイクロアナリシスへの応用，共鳴ラマン効果
とよく対比される。まず第一に水溶液の測定が容易
を使った時間分解測定，電極上で起こっている反応
におこなえる。セルはレーザ光を通すものであれば
を見る電位変調ラマンなどがある。
何でもよく（ガラス，プラスチックなど）水のラマ
25
レーザラマン分光法
レイリー散乱光
マルチマッピング
ラマン散乱光
1. ラボ用分析機器
旋光分散計
1.2.5.1
Spectropolarimeter
〈概要〉
光学活性分子の立体構造を解析する手段
器の出力信号には直流成分DCにわずかの交流成分
の一つとして旋光分散（ORD）及び円二色性（CD）が
ACが含まれており，CDの大きさはAC/DCに比例す
ある。ORDは旋光度の波長変化であり，CDは左右円
る。CDの大ききは左右円偏光の差吸光度∆Aでも表
偏光の不等吸収現象である（図１）。光学活性物質は
されるが，通常，楕円率で表される。楕円率とは，
吸収波長領域においてCDの出現とORDの異常分散
直線偏光を光学活性物質の吸収波長で通過させると
を示すが，この二つの現象をコットン効果という
（図
楕円偏光になるが，
その楕円の短軸長軸の正接角θを
３）。ORDとCDとは理論的にも結ばれており，原理
もって定義され，∆ Aが小さいとh＝33×∆ Aが成り
的に両者は光学活性分子の立体構造に関して同一の
立つ。CD測定でのフルスケールはh表示で±1〜±
情報を与える。現在市販されている装置のほとんど
1,000mdeg（1mdeg＝10−3deg＝3×10−5∆ A）である。
がコットン効果の測定や解析が容易なCD専用測定
〈用途〉 測定対象はすべての光学活性物質である。
装置である。一方，ORDはCDが現れない波長領域で
有機化合物では分子中の発色団周辺の原子や原子団
も旋光度を示すので，その欠点を補う。
の立体配置がORD・CDに敏感に反映するので，立体
〈原理・特徴〉
図２にORD・CD測定装置（旋光分
構造を知る手がかりとなる（相対〜絶対配置，立体
散計）の光学系の概略を示す。光源にはキセノンラ
配座解析）。蛋白質や核酸など生体高分子の高次構造
ンプ（450W）が用いられ，分光器には通常低迷光
と生物活性などと開運した研究にも応用されてい
（〜10 −5）で偏光特性の小さい石英プリズムダブル
る。基礎医学の分野では異常ヘモグロビンの分子構
モノクロメータが採用され波長領域170−1000nmを
造，また，DNAの左巻き二垂らせん構造に関連した
カバーする。ORDの測光は対称角振動方式光学零位
応用例がある。一方，金属錯体では立体配置や立体
法（旋光計の項参照）によるが，位相変調方式も採
配位，配位子間の隣接効果などの解析に用いられて
用されている。
いる。この他，光学活性物質の固定，定性・定量分
以下CDの測光について述べる。分光器から出た光
は偏光子で直線偏光にされ
円偏光変調器（ピエゾ
析，光学活性医薬品の品質管理や高速反応のモニタ
など広範な分野で利用されている。
エラスティックモデュレータなど）で左右円偏光が
一方，磁場により誘起される磁気円二色性は原理
交互に作られて試料を通過する。このとき．試料で
的にすべての物質に通用可能で，電子状態の詳細な
円偏光の不等吸収が起こると変調の位相に対応して
解析に用いられている。
透過光に強弱の波が生じて検出器に到達する。検出
26
旋光分散計
ORD
CD
光学活性
コットン効果
1. ラボ用分析機器
旋光計
1.2.5.2
Polarimeter
〈概要〉
生体の構成物質の多くは直線偏光の偏光
ものが多い。標準光源としてナトリウム灯（Na−D
面を回転させる性質（旋光性）を持っており，この
線，589.3nm）が用いられているが，この他，水銀灯
ような物質は光学活性物質（旋光性物質）と総称さ
やタングステン灯なども用いられる。偏光子と検光
れている。旋光性には図1に示すのように，検出器
子にはポラロイドまたはグラントムソンプリズムが
側から見て偏光面が右廻りの場合には右旋性（＋），
用いられ．両者は消光位に配置される。変調器には
左廻りの場合には左旋性（−）の２通りがある。旋光
ファラデーセルなどが用いられ，光の偏光面を偏光
計はこの偏光面の回転の方向（＋，−）と角度（旋光
子の軸方位に対して左右対称に振動させる。試料に
度）とを測定する装置である。
旋光性があると検出器からの出力信号に変調周波数
旋光性物質はその分子の立体配置が互いに一対の
に等しい交流成分が含まれているので，これを増幅
対掌体の関係にある光学異性体であることが知られ
しサーボモータを駆動し，ギア系を通じて検光子を
ている。光学異性体のおのおのは（R）・（S）命名法で
回転させ，信号が消失したところでバランスする。
表示され，両者はその旋光度が等しく，その回転方
検光子の画転角が試料の旋光度であって，カウンタ
向が逆の関係（鏡像）にあるので，旋光計により容
に表示される。この測光方式は対称角振動方式光学
易に識別される。天然の物質の多くは一方の光学異
零位法と呼称される。
性体のみ存在するために旋光性を示すが，これに対
〈用途〉
して，通常の化学合成法で得られる化合物は（R）体
ある。
［a］＝a/c・rで与えられ，aは旋光度（deg），
と（S）体との等量混合物（ラセミ体）であって旋光
Cは濃度（g／mr），rはセル長（dm）を示す。特に，
比旋光度［a］の測定が主な用途の一つで
性を示さない。味・香り・殺菌殺虫効果・薬効など
ナトリウムD線による比旋光度［a］
Dは物理定数とし
の生理活性，また，催奇性などはどちらか一方の光
て光学活性物質の同定や純度検定などに用いられ
学異性体で発現される場合が多く，合成光学活性物
る。比旋光度の測定対象としては糖類，アミノ酸，
質の
（R）
・
（S）
識別とその定量も旋光計の重要な役割
医薬品類，香料，麻薬などの他，多くの生理活性物
の一つとなっている。
質が挙げられるが，これらの中にはJISや日本薬局方
〈原理・特徴〉
図２にディジタル旋光計の作動原
などに記載されているものも多い。この他，
（R）
・
（S）
理を示す。ディジタル旋光計は旋光度を自動的に計
識別，
光学純度の決定や濃度の決定にも用いられる。
測し，結果をカウンタに表示する装置であって，最
特殊な用途としては旋光度の時間変化（変旋光）の
大角度範囲±10°〜±90°，最小検出角度0.001°の
モニタなどがある。
27
旋光計
旋光性
比旋光度
光学活性物質
光学異性体
1. ラボ用分析機器
光電光度計及び比色計
1.2.6.1
Photoelectric photometer and colorimeter
〈原理〉
光電光度計とは，
試料溶液を適切な化学反
光電変換素子は，入射した光をその光量に比例し
応で発色させたのち，ランベルト・ベールの法則を
た電気信号に変換するもので，
光電管，
光電子増倍管，
利用して，目的成分の定量分析を行う吸光光度分析
光電池，光伝導セル，ホトダイオードなどがある。
装置のうち，波長選択部にフィルタを使用したもの
指示部は光電素子からの電気信号を目視できるよ
をいう。したがって分光光度計とは波長選択部に相
うにする部分である。光電池の出力が大きいときに
違があるだけで，本質的な原理と構成とについては
は直接アナログ形のメータを作動させることもある
同じであるといってよい。
が，増幅器を介してデジタル表示とすることも多い。
構成は図1に示したとおり，電源装置，光源ラン
〈特徴〉
光電光度計は，測定波長を連続的に変化
プ，絞り，フィルタ，試料セル，光電変換素子及び
させることはできないが，工程管理等でひんぱんに
指示部から成る。
同一成分の溶液の分析を行う工程には手軽で便利で
電源装置は，商用電源を降圧整流し，安定な直流
ある。
を出す部分である。光源ランプの輝度は電圧の僅か
〈用途〉
な変動でも大きな影響を受けるので，各種半導体を
スの中間物や製品，食品，生化学などの分野での定
利用して十分吟味して製作される。
量分析に用いられる。
光源ランプはふつう白熱灯で，タングステンラン
光電光度計は，用水・排水，化学プロセ
色の濃淡を測定する簡易な器具は一般に比色計と
呼ばれ，これにはネスラー管やデュボスクの比色計
プやハロゲンランプが使用されている。
絞りは，蒸留水（純水あるいは溶媒）を測定した
など古くから使われて来たが，現在では視覚が光電
とき，吸光度ゼロ（あるいは透過パーセント100）に
変換による方法にとって代わられている。この簡易
指示計の指針を合わせるためのもので，光学くさび
法には，標準列（フィルタや着色溶液を試験管に封
などを使用して，試料セルに入る光量を増減させる。
入したもの）と試料とを比較する方法のガードース
フィルタは，試料に効果的な波長の光を選択する
ケールやハーゼンナンバなどがあり，油脂・塗料工
ので，色ガラスフィルタ，干渉フィルタ，又はこれ
業や用水・排水測定用に使われている。
試料に発色剤を加えて，標準色板と比較する専用
らを組み合わせたものを用いる。
試料セルは，測定用に調製した試料液を入れるガ
ラス又は石英製の容器で，角形，試験管形や流通形
比色測定器も製造されており，残留塩素，pH，鉄な
どを，現場において容易に測定できる。
など，各種の形状のものが使用される。
28
光電光度計
ランベルト・ベールの法則
吸光光度分析
1. ラボ用分析機器
1.2.6.2
光度滴定装置
Photometric titrator
〈原理〉
光度滴定装置は，広く一般に行われてい
る肉眼で滴定終点の変色を判断する手分析を自動化
則に従って直線性が良いが，自動滴定の場合，再現
性が良いので透過率の記録で差し支えない。
したものである。図１に示すように，光源からの光
光度滴定法は，指示薬を用いないか用いるかによ
は，波長選択部で適当な波長の単色光とされ，滴定
って直接滴定と間接滴定（指示薬滴定）とに分ける
槽の被滴定溶液を透過して受光部にて透過光量が検
ことができる。前者は，被滴定溶液，標準溶液滴加
出される。一方標準溶液は，ピストン式の自動ビュ
量，反応生成物のいずれかが呈色している場合であ
ーレットから連続又は断続的に滴加され，滴定反応
り，後者は，いずれにも呈色がないため適当な指示
が進行される。レコーダにて，標準溶液滴加量に応
薬を加えて，その呈色を利用する場合である。測定
じた透過光量の変化を自動記録し，得られた曲線の
波長は，呈色の最大吸収波長または終点前後の透過
解析から当量点の決定が行われる。したがって，測
光量の差が最大となる波長が選ばれる。
定原理は，吸光光度法と自動滴定を組み合わせた光
〈特徴〉
度滴定法ということになる。実際の装置も，光電光
に，肉眼では滴定終点の判定が困難な場合や，電極
度計や分光光度計に滴定部を付加したものと，自動
を使用する電位差滴定，導電率滴定など他の滴定法
滴定装置に光度測定を付加したものがあるが，後者
では，測定が困難な場合に使用され，正確さ，感度
の方が，標準溶液滴加量と透過光量の記録が連動し
などの点で優れており，データとして記録が残り，
ているという点で使い易い。
装置の留意点としては，
また，個人誤差が少ないなどの特徴を有している。
通常の光電光度計などと同様で，光源，記録の安定
〈用途〉
性が要求されるが，滴定の場合，透過光量（透過率
ガン酸カリウムによる酸化還元滴定（鉄鋼・金属分
または吸光度）の絶対値は問題とならず，終点の変
析，その他），EDTAによるキレート滴定（水の硬度
色がキャッチできればよいので，滴定槽は，溶液が
測定，セメントの分析，合金の分析，その他）など
多量に入り，かくはん効率の良いビーカを用いる
応用されている例は非常に多く，濁度滴定，有機成
のが一般的である。図2に滴定の記録例を示す。終
分の非水滴定なども行われている。
通常の容量分析に広く採用できるが，特
微弱な酸，アルカリの中和滴定，過マン
点において透過率は屈曲するので，終点の前と後の
ほぼ直線に近似された外挿線の交点を求めて終点と
し，その時点での標準溶液滴加量から目的成分の濃
度を算出する。吸光度で記録した方が，ベールの法
29
光度滴定
自動滴定
滴定終点
1. ラボ用分析機器
濁度計
1.2.9.1
Turbidimeter
〈概要〉
試料に合った装置を求めることが必要である。
液体中に浮遊粒子がある場合，又は液体
公定法に合わせるときは，濁度標準液にカオリン
内部に密度の不均衡を生じている場合，入射した光
は直進せず，吸収のほか散乱，屈折を繰り返して肉
を用い
度（カオリン） の単位，またホルマジン
眼に入る。液体中にこのような光現象を見るとき，
を用い
度（ホルマジン） の単位として表す。（工
濁った液体といい。その程度を「濁度」と称し，こ
業用水試験法JIS K 0l0l参照）
。
れを光量的に測定する装置を濁度計と呼ぶ。
〈原理及び特徴〉
図１のTは透過光濁度計，
（D）は
散乱光濁度計，図2は積分球濁度計の各光学系の例
ただし，濁度の測定が特定物質の絶対量の決定と
を示す。
はならぬことが多く，また条件と装置とにより，計
図３は，一見透過光式に似ているが，測光条件が
測結果がかなり異なることがある。
積分球式に全く一致する装置である。本装置は（A）
試料の扱い方として考えねばならぬことは，
（1）試
料槽内で粒子が沈降または浮上すること。
（2）液体自
の通り光学系は10mmφの平行光束を作っている。光
身が光の吸光度又は色調を変えること。
（3）粒子自体
電池はこの光軸上を，一定距離M点よりN点まで移
の入射光に対する吸光度に変化が生じることである。
行する。いま，光散乱を与えない透明液を置くとき，
これらの条件はほとんどの場合，物理的条件で大
M点，N点における光量m，nは変わらずnl/ml＝1で
きく変化するため，試料の希釈・濃縮はできるだけ避
ある。光散乱のある濁った試料液においてはn 2/m 2
けることが望ましい。
＜1で濁度に比例した指数を得る。ここにM点では積
濁りの存在状態はまことに複雑多岐で，測定範囲
分球の全入射光に相当し，N点では全入射光より全
も透明に近い低濁度液から，1mmの液層でも向こ
散乱光を差し引いた光量で，あらかじめmを100％に
う側の見えない高濁度液までと幅が広いため，装置
合わせれば，n％が直ちに濁度又は比例した指数と
も種々のタイプがある。
して得られるという特徴がある。
濁度計の光学計の構成は，主として光源と受光器
m及びnの測定時とも，同一の光電池であり，同一
との位置関係で，透過光濁度法，散乱光濁度法，さ
の試料ならば，考えられる変動係数が常に消去され，
らに積分球濁度法等と区分できる。いずれの場合も
濁度にかかわる条件のみ計測され，MN間の距離を
測光基準面での光散乱度に相当する光量を検知する
適宜選定して任意の測定範囲が得られる。
〈用途〉
もので，理論の相違はほとんどない。
機種の選定には，あくまでも使いやすく，対象の
上下水道・工業用水の管理，化学・食品・
医用と分野は広い。
30
濁度計
濁度
光散乱
濁度標準液
透過光濁度計
散乱光濁度計
積分球濁度計
1. ラボ用分析機器
光散乱光度計
1.2.9.2
Light scattering photometer
〈概要〉
光散乱光度計は，試料セルにより，静止
（3）式の（dn/dc）は示差屈折計によって求めること
セルタイプとフローセルタイプに分類される。
ができる。
また，散乱光の検出位置により，低角度光散乱法や
本機器で，R hを求め，縦軸にK・c/R hを，横軸に濃
マルチ光散乱法，全角度光散乱法がある。
度をとったグラフを引くことにより，縦軸の交点に
更に，低角度光散乱光法には，低角度レーザ光散乱
より分子量，グラフの傾きにより第2ビリアル係数
法の他に，粒子のブラウン運動により起こるドップ
を求めることができる。
ラーシフトを利用した動的光散乱法や，表面電荷を
光散乱の測定では，バックグラウンドを減少させ，
持つ粒子を電気泳動により移動させて起こるドップ
質のよい信号を得るためには，使用する溶媒や，使
ラーシフトを利用した電気泳動光散乱法等があり，
用する試料セルが非常に重要である。装置に付属す
理論的にも解明されている。
る試料セルについては，それぞれに工夫がなされて
ここでは，特に低角度レーザ光散乱法について述べ
いる。
る。
光源は一般に，He−NeやArイオンレーザが使用さ
〈原理〉
微粒子懸濁試料において，入射光は，サ
れている。
ンプル内の散乱体分子に当たり，あらゆる方向に散
〈特徴〉
乱する。入射強度I0の光が，媒質に入り，入射方向に
れ，合成高分子，生体高分子，無機コロイド，超微
対しhの角度をなし，距離rにある受光面に，I hの強
粒子等の静的あるいは動的な状態の情報を提供する。
さの光を散乱したとき，散乱強度はRθは，次の式で
〈用途〉
表される。
合成高分子，生体高分子の平均分子量の測定
R h＝（r2/Vo（1＋cos2h））（I h/I0）
（1）
単独又はGPCやLCの検出器として利用さ
GPCとの併用により，分子量分布の測定
この式は，h→ 0で，希薄溶液においては，次のよう
第２ビリアル係数の測定
に表される。
拡散係数の測定
K・c/R h＝1/Mw＋2A2・c
（2）
慣性自乗半径の測定
K＝2p2n02（dn/dc）2/Nl04
（3）
ゼータ電位の測定
ここで，cは濃度，Mwは分子量，A2は第2ビリアル
2
電気移動度分布の測定
係数，n0 は溶媒の屈折率，
（dn/dc）は溶液の示差屈折
生体成分の純度測定
率，Nはアボガドロ数，l 0は入射光の波長を示す。
濁度の測定
31
光散乱光度計
低角度光散乱法
マルチ光散乱法
全角度光散乱法
1. ラボ用分析機器
色彩測定器
1.2.9.3
Color analyzer
〈原理〉
光（発光体からの光，物体における反射
（0−45），3）試料に対してあらゆる角度から均等に
光や透過光など）が肉眼に入射すると，その刺激が
光を照射して試料面の法線に対して0°の方向で受光
大脳の視覚中枢に伝達され，色などとして認知され
する方法（D−0またはd−0），4）試料面の法線に対し
る。この色は，XYZ表色系を用いる場合は，三刺激
て0°の角度で光を照射してあらゆる方向に反射し
値X，Y，Zにより定量的に表すことができ，照明光
た光を集めて受光する方法（0−Dまたは0−d）が規定
源のスペクトル密度と試料の分光反射率（または分
されている。
光透過率）とXYZ表色系のスペクトル三刺激値の三
〈特徴〉
者から計算される。これらのうち照明光源としては，
装置は一般に大きく高価になるが，測定精度，安定
A，C，D65光源などが，標準光源としてJIS Z 8720
性の面で優れており，研究開発からルーチン分析ま
に規定されており，これにスペクトル三刺激値を乗
で幅広く対応できる。分光方式には，回折格子方式
じたいわゆる重価係数がJIS Z 8722に規定されて
や干渉フィルタ方式などがあり，検出器には光電子
いる。したがって，物体の光学的特性さえ測定すれ
増倍管やフォトダイオード，フォトダイオードアレ
ば，測色計算により，物体の三刺激値X，Y，Zが求
イなどが用いられる。
分光測色方式は，分光器が必要なため，
刺激値直読方式は，装置が簡単で，小さく安価で
まり，色を定量的に表すことができる。
物体色の測定方法は，大別して，分光測光器を用
あり，測定結果が迅速に得られるため，ルーチン分
いて，分光反射率または分光透過率を測定し，三刺
析に用いられる。しかしながら，人間の肉眼と同じ
激値X，Y，Zを求める分光測色方法と，光電色彩計
分光感度をもつ受光器を作ることが甚だ困難で，高
を用い，光源，光学フィルタおよび受光器を組み合
い測定精度を得ることが難しく，器差が大きくなり
せ，その総合感度特性がルータ条件を満足する三種
易い。
の受光器により三刺激値X，Y，Zを求める刺激値
〈用途〉
直読方式とがある。
量的表示及び比較（色差），白色度及び黄色度の評価，
また，JIS Z 8722には，物体色測定の測定方法が
規定されており，反射測定の場合には，1）試料面の
色彩測定の工業的用途としては，色の定
色の質の評価，調色工程における色材の配合処方の
計算などがあげられる。
法線に対して45°の角度で光を照射して0°の方向
で受光する方法（45−0），2）試料面の法線に対して
0°の角度で光を照射して45°の方向で受光する方法
32
カラーアナライザ
ルータ条件
分光測色方式
色彩測定
スペクトル三刺激値
1. ラボ用分析機器
1.2.9.4
屈折計
Refractometer
〈原理〉 屈折率（Refractive Index）の値は，沸点，
検出素子により屈折率差が検出される。
分子量，比重などの値と共に，物質が持っている固
偏光形示差屈折計は，参照側セルおよぴ試料側セル
有の基本的物性量の一つである。
を通り，ミラーで反射され再び両セルを通る。この
屈折率は，
「入射角i の正弦と屈折角r の正弦の比は
一定」というSnellの法則により求まる。（図１）
時，
両セル内の液体の屈折率差に応じて偏光が生じ，
この偏光の大きさを屈折率差として検出する。光源
から出た光は，レンズ，スリット等により平行光束
n＝（sin i ）/（sin r ）
n：屈折率
となり，セルの参照側・試料側を通過するときに屈折
i ：入射角
し，
ミラーで反射して再びセルの試料側・参照側を通
r ：屈折角
過する。セルを出た光は，ヌルグラスを通過し，検
液体の屈折率を測定する方法としては，
出素子により屈折率差が検出される。
（1）
「屈折率の絶対値」を測定するもの
〈特徴〉
（2）
「参照側の液体と試料側の試料を含む液体との
らゆる試料に対して応答する汎用性の高い検出器で
示差屈折計は，適切な溶媒を選べば，あ
間の屈折率の差」を測定するもの
あり，試料を変質させないで測定することが可能で
の二つのタイプに分けられる。
ある。
（1）のタイプのアッベ屈折計等は，光の臨界角の屈
折現象を利用して屈折率の値を測定している。
溶質濃度と屈折率は，比例した応答を示すので濃
度測定が可能である。
（2）のタイプの示差屈折計には，二つの異なる原
偏光形示差屈折計はFresnel形示差屈折計に比べ
理・方式に基づくものがある。一つはFresnel形示差
て屈折計の直線性範囲が広く，しかも偏光形示差屈
屈折計（図２），もう一つは偏光（Deflection）形示差
折計の方が高感度が得られることから，偏光形示差
屈折計（図３）である。
屈折計の方が広く用いられている。
Fresnel形示差屈折計は，ガラスと液体の境界面に
〈用途〉
絶対値を測定するタイプは，物質の屈折
おける光の反射角及び二相の屈折率差によって変化
率の測定や簡易形濃度測定器，糖度計等に利用され
するというFresnelの反射の法則に基づいている。光
ている。一方，示差屈折計では，高速液体クロマト
源から出た光は，レンズ，フィルタ，スリット等
グラフ用の検出器や濃度管理，光散乱光度計の
により2本の平行光束にされ，セルプリズムの境界
dn /dc解析へと幅広い利用用途に使用されている。
面を通り，ここで反射され，レンズにより集光し，
33
屈折率
Snellの法則 Fresnel形示差屈折計
偏光形示差屈折計
1. ラボ用分析機器
1.2.9.5
デンシトメータ
Densitometer
〈原理〉
ここでは主として現像された写真感光材
反射濃度測定の条件は，照明光束が試料面の法線に
料（例えば，ネガや印画紙）の黒度を測定するデンシ
対して45°の方向から入射する場合は法線方向に反
トメータについて述べる。
射する光束を用い，照明光束は標準の光Aの相対分
写真用デンシトメータは，写真濃度の測定方法（JIS
光エネルギー分布を持ち，受光器の分光特性は標準
K 7605）に規定されている写真濃度の定義，及び濃
比視感度を持つこと，と決められている。
度の測定条件に基づいて作られている。
濃度は次の式によって定めている。
薄層クロマトグラフ用や電気泳動用も光源や受光
器の分光特性の条件以外は同じ原理で作られてい
る。分光特性が異なるのは試料の処理方法の違いに
濃度＝log10（F 0 /F）
ここで，Fは濃度測定のために試料の被測定部に
よって，測光する光の波長が変わるためである。
入射された光束（以下，照明光束という）の中，被測
〈特徴〉
定部を透過して受光器に入る光束（以下，透過光束と
セルロース膜などの試料を損傷することなく，定量
いう），F0は同一測定装置で試料を取り外したとき
や同定の解析データが短時間に得られる。
の透過光束である。濃度測定の条件として，照明光
〈用途〉
束は被測定部分内を一様に照明する。照明光束が試
写真感度（ASA100とかDIN100の数値）測定や製
料に垂直に入射する場合には，透過光束として試料
版フィルムの濃度管理，
放射線の分布測定に用いる。
を透過して半空間に散乱される全光束を用いる。光
微小面積の写真濃度が測れるマイクロデンシトメー
源は色温度3000K°のタングステン電球，受光器は標
タは電子顕微鏡写真像や発光分光分析写真像の解析
準比視感度を有すること，と定められている
に用いられている。電気泳動試料のセルロースアセ
撮影した写真や展開した薄層プレート，
写真用は感光材料（フィルムや印画紙）の
上記の規定が透過濃度であるのに対して，写真印
テー卜膜用では一度に20あるいは100検体の試料を
画紙の反射濃度はJIS K 7612，4. 4に定められてい
セットし，血清中のタンパタ成分の濃度パターンを
る。反射濃度は次の式によって表わされる。
描くと同時に，成分比やAG比を計算し，プリントア
ウトする装置もある。
DR＝−1og10（φr/φrs）
ここで，DRは反射濃度，φrは反射濃度測定のため
に試料の被測定部分に入射した光束
（以下，照明光束
という），φrsは試料の代わりに完全拡散反射面を置
いたときの反射光束である。
34
写真濃度
デンシトメータ
透過濃度
反射濃度
感光材料
1. ラボ用分析機器
1.2.9.9
表面プラズモン共鳴測定装置
Surface Plasmon Resonance Analyzer(SPR)
〈原理〉
（２）
金属薄膜から1000nm以内の微小領域に高密度
原理図に示すように，
金や銀等の金属薄膜をコーテ
ィングした端面を持つプリズムに光を入射すると
の反応物を作ることによって，
有機分子のppbレ
ベルの分析が可能になる。
表面プラズモン共鳴（SPR）現象により反射光が減光
（３）
機能性膜と測定対象物質の結合定数を求めるこ
して観察される。またSPR現象を起こす入射光角度
とができ，さらに薄膜表面の面情報を知ること
は，試料の屈折率によって決まるので，SPR現象を起
こす入射光角度変化を測定することにより試料の屈
折率を求めることができる。
したがって，金属膜の上
に機能性膜を固定化することにより，機能性膜と相
ができる。
（４）
金属膜を電極にすることにより，電気化学的情
報を得ることができる。
〈用途〉
互作用を有する物質の固有の信号を選択的に取り出
（１）機能性膜と物質との相互作用の研究
すことができる。近年においては，この原理を用い
（２）材料表面ナノケミストリーの研究
た専用機の開発も行われている。
（３）電気化学SPRの研究
〈構成〉
（４）オプチカル化学センサーの開発
装置は，光源部，送液部，センサー部，セル部，受
光部およびデータ処理部から構成される。機能性膜
（５）環境，生化学，薬品，医療計測
（６）分離分析用検出器
と測定物質との選択的な相互作用によって誘起され
る屈折率変化は，SPR現象として検出器で検出する。
この光信号は，コンピュータにより高度解析され，モ
ニターのディスプレイ上に物質の屈折率に対応した
入射光角度変化としてリアルタイムに表示される。
この入射光の角度変化を観測することにより，特定
の機能性膜と無機分子と有機分子，有機分子等との
相互作用をリアルタイムに測定でき，生体物質の分
析に用いることができる。
〈特徴〉
（１）mrオーダーの微量試料で非破壊で分析できる。
35
表面プラズモン共鳴測定
工バネッセント波
相互作用
1. ラボ用分析機器
1.3 電磁気分析装置
1.3.1.1（1）
X線回折装置
X-ray diffractometer(XD)
〈原理〉
物質は原子分子で構成されている。とこ
ろでこれらの原子や分子は物質内で規則正しく並ん
で存在しているものと全く不規則にごちゃごちゃに
存在しているもの，及びその中間的な状態で存在す
す。この両者の相異から結晶性物質と非晶質物質を
容易に区別することができる。
ここでしばらく結晶性物質のX線回折に限って話
を進める。
るものなどいろいろある。規則正しく並んでいるも
原子や分子が3次元的に規則正しく並ぶというこ
のを普通結晶性物質，不規則なものを非晶質物質と
とは，物質空間内でそれら構成原子の組によって構
呼ぶ。
成される単位模様を形成していることを意味する。
結晶性物質は，原子分子の規則正しい配列が，物
この単位模様の等価な位置に格子点を定めると3
質全体に連なっているいわゆる単結晶と細かな結晶
次元格子が得られる。これを点格子と呼ぶ。この格
片がランダムな方向を向いて集まっている多結晶体
子の3方向の格子点間を結ぶ三つのベクトルa，b，c
（これにはブロック状のものと粉末状があるがX線
をその格子の基本ベクトルといい，それぞれの長さ
回折ではいずれも粉末試料とみなしてよい）に分け
a0，b0，c0とお互いの角度a，b，cを格子定数と呼ぶ。
ることができる。
点格子の点の並びはさまざまな方向に平面を作っ
いずれにしてもこれらの物質の原子や分子は1〜
ていることがわかる。これは格子面（1attice plane）
3Å位の距錐をおいて隣り合っている。このような物
又は網状の平面になっていることからしばしば網平
質に原子間距離と同程度の波長をもつ単色Ⅹ線を入
面（net plane）と呼ばれることがある。
射すると各原子は散乱体となってX線を散乱する。
さてX線回折ではX線の散乱をこの格子面による
その各原子の配置と散乱角から生ずる波の行路差
反射としてとらえると理解しやすい。いま結晶内の
によって互いに強め合ったり弱め合ったりする。
ある方向の格子面に丁度鏡による光の反射と同じよ
いま各散乱角に対して散乱強度を記録すると，そ
うな関係でX線が入射したとする。入射方向とこの
の物質の原子や分子の配列特有の散乱曲線が得られ
面 と の な す 角 h と 面 に 垂 直 な 方 向 の 面 間 隔 d（ d
る。
−spacingと呼ぶ），及び入射X線の波長λとの間に次
このような散乱強度曲線
（散乱スペクトル）
には結
晶性物質と非晶質物質では顕著な相異がある。即ち
前者では図１（a）のような鋭い線スペクトルを示し
後者ではゆるやかな波がた図１（b）の散乱曲線を示
の条件が満たされた時強い鋭い反射（回折）が起こ
る。
2dsinh＝l
（1）
この関係をブラッグ条件と呼ぶ。
36
X線回折法
構造解析
回折図形
定性分析
ICDD
格子定数
1. ラボ用分析機器
粉末試料に，スリットで細くしぼられた波長lのX
搭載したシステムが一般的である。
線を入射すると（1）の条件を満たす結晶微粒子は必
X線回折装置の以上の構成のうち測定目的の異なる
ず存在するから入射方向から2hの角度位置にX線検
４種がある。
1．広角ゴニオメータ
出器（カウンタ）
を置けば回折線をとらえることがで
このゴニオメータは回折角2hが0度から百数十
きる。図1（a）は横軸を2h値，縦軸を回折強度として
得られた回折図形である。各反射面（格子面）の回
度までの一般の回折線を測定記録できるもの。
２．小角散乱ゴニオメータ
折強度はその面上に並んだ原子密度（厳密には電子
密度）
の2乗に比例して強くなる。従って回折線の現
これは通常2h＜10°以内の小角領域に散乱回折す
われる2h角とその強度の組は物質ごとに異なった値
る回折図形を記録するもので，粘土，高分子，生体
を示す。
物質などの長周期構造及び特に数度以内に散乱され
純度の高い標準物質についての標準回折図形は無
機物約54,525種，有機物質21,824種が整理されて，
るコロイドに代表される粒子状構造の物質の粒径測
定などに利用される。
ICDD
（International Centre for Diffraction Data）
と
３．微小領域測定ゴニオメータ
して発売されている。これは年々無機物約1500種，
試料の微小領域（数十〜数千mm2）の回折図形を記
有機物質約500種ずつ増加し，古いデータは整理さ
録するもの。
れ て い る 。 ま た S e t 4 8 か ら は I C S D（ Inorganic
４．４軸ゴニオメータ
Structure Data）より無機物質が約40,000種追加さ
これは単結晶など，方位が任意に分布していない
れ，従って無機物質は，90,000種が登録されている。
物質の回折線を測定記録するためにゴニオメータの
ICSDは無機化合物の結晶構造データベースであり、
回転軸を4つ設け，結晶を必要なあらゆる方向に向
毎年約1400種のデータが追加される。未知試料の同
けて測定するもので分子構造解析に利用される。
定分析は，未知試料の回折図形を測定し，dと回折
〈特徴〉
線の強度Ⅰの組を標準データのそれと比較する方法で
めに何回でも測定できる。
行われる。この同定作業には計算機の利用が盛んに
が少ない。
なっている。
つの装置で幅広い応用が可能である。即ち固体，液
また，ある化合物の含有量は，それに対応する回
1．サンプルの調整が容易で非破壊のた
２．測定結果に個人差
３．測定は大気中で行える。
４．一
体，無機物，有機物，低分子，高分子，結晶性物質，
折線積分強度（回折線の山の面積）を測定すること
非晶質，バラクリスタルなど中間結晶質，結晶多形
によって得られる。
の問題や集合組織といった多様なカテゴリでの対応
一方，もし結晶に欠陥や乱れなどが存在すると，
が単一装置でできる。
回 折 線 の 形 が 変 化 す る 。こ の 形 の 解 析（ P r o f i l e
〈用途〉1．元素分析でなく化合物の定性分析。例
analysis）
を行うことにより，欠陥の性質や欠陥の密
えば，
Calcite，
Aragonite，
Rutile，
Anataseやα−Fe2O3，
c−Fe2O3，Fe3O4といった鉱物の区別。
度を明らかにすることができる。
結晶子が0.1mm以下に小さくなると回折線の幅が
２．粘土鉱物の解析
３．金属，半導体分野での
広がって来る。結晶子の大きさDと結晶子の大きさ
酸化物，窒化物の検出や表面処理状態の結晶学的変
による回折線の拡がりbとの間には式（2）のような
化の測定
Scherrerの関係式がある。
分析
D＝
kl
bcosh
４．セメント工業におけるクリンカ成分
５．鉄鋼関係でのスラッグの分析，金属材料
の集合組織その他の結晶学的研究
（2）
６．触媒関係の
結晶性や，結晶化度，結晶粒径測定など
これにより結晶子の大ききの測定が可能である。
X線回折装置のブロック図を図2に示す．X線管
７．高分
子関係の長周期構造，分子運動，結晶化度，集合組
織
８．化学，薬品関係の分子構造の決定や結晶化
と高圧発生部からなるX線発生装置，回折角を測定
度の測定，結晶多形の判定と定量分析
するゴニオメータ，X線強度を計数する計数装置，角
土木関係の材料強度の研究
度と強度を同期させて記録する制御および記録装置
害分析
９．建築，
10．犯罪捜査
11．公
からなる。最近では，制御やデータ処理の中枢とし
てパーソナルコンピュータやワークステーションを
37
ブラッグ条件
ゴニオメータ
1. ラボ用分析機器
1.3.1.1（2）
X線反射率測定装置
X-ray reflectivity analysis
〈原理〉 X線が物質に入射する際，
通常の光と同様
その表面で反射および屈折が生じる。このとき，X線
の入射角と屈折角の間には図1に示された反射・屈
折の法則が成り立つ。ところで，X線の物質内での屈
折率nは１よりほんのわずかだけ小さくn＝１−d
−ibと書けることが知られている。ただし，dは物質
内の電子密度に比例する量であり，CuKa線（波長1.
54Å）
に対して10−5〜10−6のオーダーの値を持つ。ま
た虚数部bはX線の吸収係数に比例し，通常dより1
桁以上小さい。このように屈折率が1より小さい場
合，入射角が非常に小さくなってくると屈折波が物
質内に進入できなくなって，全反射が起こるように
なる。全反射を起こす境界の入射角度を臨界角h Cと
呼び，X線が真空中（屈折率＝1）から物質内に入射
するときには，hC＝ 12
2d で表される。臨界角の値は例
えば，Si表面にCuKa線を入射した場合，h C＝0.23°程
度，Ni表面では0.42°
，Auの場合0.55°
ほどになる。
X線の入射が臨界角以下におけるX線反射率は，
ほぼ1に近い値を持つが，臨界角を越えると急激に
減少する。表面が理想的に平坦でない場合，h 1≫h C
において反射率はR〜h −4にしたがって減少するが，
表面がX線の波長オーダーでみて平坦でない場合に
はそれより早い減衰カーブをえがく。したがって，X
線反射率の入射角依存性を正確に測定することによ
り，ラフネスのオーダーを知ることができる。
X線反射率がさらに有用な情報を与えるのは，基
板上に薄膜が形成されている場合である。その場合
には，図2に示すように薄膜表面で反射したX線と
薄膜・基板境界において反射したX線が干渉するこ
とにより，反射率曲線に振動が現れる。特にその周期
は薄膜の膜厚に対応しており膜厚が厚いほど短い周
期で振動する。また，振動の振幅は膜の密度や表面界
面のラフネスの情報をあたえる。
先に述べたように，X線の臨界角は1°以下のきわ
めて低角であるので，X線反射率を測定するために
は，非常に平行性の良い入射X線が必要である。実際
の測定では，図2で示されているように臨界角を越
えると反射率が急激に減少することから，膜厚やラ
フネスを精度良く評価するためには，5桁程度のダ
イナミックレンジにわたる正確な測定が必要とな
る。７桁程度のダイナミックレンジのデータが得ら
れれば，さらに薄い10Å程度の薄膜の評価も可能で
ある。
〈特徴〉 非破壊で，
しかも大気中において測定が可
能である。また，専用の装置の利用により簡単に薄膜
の評価に利用できるようになった。X線の反射・屈折
の理論に基づけば，薄膜の膜厚，
表面や界面のラフネ
ス，膜の密度等をパラメータとした反射部の理論計
算が可能である。反射率の測定値とこれらのモデル
計算を比較することにより，膜厚，表面や界面のラフ
ネス，膜の密度等薄膜の重要なパラメータを知るこ
とができる。
また，実験データに合うようこれらのパ
ラメータを最小２乗法でフィットするプログラムも
製作されている。１層だけでなく何層も積層した多
層膜についても，
同様にして，それぞれの積層膜に関
するパラメータを知ることができる。
〈用途〉 主に次のような用途に使われている。
（１）磁性薄膜，表面酸化膜の評価，膜厚管理など。
（２）半導体薄膜，
非晶質薄膜，
有機薄膜などにおける
膜厚，界面粗さ等の評価。
（３）複雑な構成の多層膜における各層膜厚，相互拡
散等の評価。
38
X線反射率
全反射
薄膜
非破壊分析
1. ラボ用分析機器
1.3.1.2（1）
波長分散方式蛍光X線分析装置
Wavelength Dispensive X-ray fluorescence spectrometer
（WDSXRF）
〈原理〉
X線を物質に照射すると，
一部のX線は吸
分析深さが約0. 1mm以下であることから応用分
収され，一部は透過する。物質に吸収されたX線エネ
野が広い，などその他多くの特徴をもっている。
ルギは2次効果のX線やb線，あるいは熱などに変換
〈用途〉
される。2次X線の一種である蛍光X線は入射1次X
査（逐次）形と多元素同時形があり，多品種少数向け
線の照射によって物質内の原子がその深い電子軌道
で分析時間が数分から数10分許容される場合に走査
図に示した通り蛍光X線分析装置には走
から電子を放出
（光電効果）
して高エネルギー準位に
（逐次）形が用いられ，少品種多試料でありまた分析
励起され，ふたたび安定準位にもどるときに発生す
時間が秒を争われる場合に多元素同時分析形が用い
る。蛍光X線の波長と元素の関係はMoseleyによっ
られる。
2
電子・磁性・鉄鋼・非鉄・窯業・セメント・機械・
て導かれ，1/l＝C（Z−r）で表わされる。
ここでl：蛍光X線の波長，Z：原子番号，C，r：
食品・薬品・果樹・塗料・化粧品から犯罪捜査・公
害分析と非常に利用分野が広い。
定数である。
一方X線分光の条件はBraggによって次式が与え
鉄鋼に例をみると鉄鉱石の分析，材料の分析，ス
られた。2dsinθ＝nl，ここでd：分光結晶の面間隔，
ラグの分析，炉前分析，製品分析，メッキの厚み測
h：X線の分光結晶への入射角，l：入射X線の波長，
定など生産現場にかかわる品質管理分析には欠かせ
n＝回折次数（整数で1，2…）。
ないものとなっている。このうち炉前分析に焦点を
これらの関係から試料より発生した蛍光X線の波
合せてみると炉に入れる材料は成分値の判明してい
長を解析することで試料を構成している元素を知る
るものを利用していることになるが，熔けている状
ことができ（定性分析）
，また試料より発生する蛍光
態が必らずしも希望の成分とはなっていないことが
X線の濃度は各元素の含有量に依存することから，
多い。このため熔けている炉中から試料を採取して
その強度を測定することによって含有元素の量を知
分析を行い1分以内に，
その分析結果を現場に指令し
ることができる。（定量分析）
炉への投入量を変更・管理する。このことにより，
〈特徴〉
熱量の節減を図り，希望する良い製品を作ることを
BからUまでの元素を定性分析または定
助けている。
量分析することができる。
ppbオーダから100％近くまでと定量範囲が広い。
分析面が約30φと広いため代表値が得られる。
非破壊分析であるため試料の消耗がほとんどない。
39
走査
（逐次）
形蛍光X線
多元素同時形蛍光X線
非破壊分析
光電効果
1. ラボ用分析機器
1.3.1.2（2）
エネルギー分散形蛍光X線分析装置
Energy Dispersive X-ray Fluorescence Spectrometer （EDXRF）
試料室
入射側ｺﾘﾒｰﾀ
試料
受光側ｺﾘﾒｰﾀ
シャッタ
X線
X線管球
液体窒素
容器
検出器
CCDカメラ
図１. EDXRF
〈原理〉
X線を試料に照射したとき試料から発生する蛍光X
線を検出・分光して元素分析を行う装置を蛍光X線分
析装置と呼びます。蛍光X線は試料を構成する元素
固有の波長（エネルギー）を持つので簡単に定性分析
ができ、各スペクトルの強さから組成分析ができま
す。高価で大形の波長分散形（WDSXRF）と低価格
でコンパクトなエネルギー分散形（EDXRF）の２種
類があります。最近ではパソコンが付属し、装置コ
ントロールから定性・定量分析まで自動化されてい
ます。
EDXRFではX線管球が小容量で、空冷が可能であ
り、固有X線の分光は半導体検出器で検出しマルチ
チャンネル波高分析器で純電気的に分光されるため、
大きな分光部が不用です。したがって装置が簡単で
小型にできています。試料としては固体、粉末と液
体が対象で、非破壊分析です。10ｃｍを越える大き
な試料から髪の毛一本程度の小さな試料まで分析で
き、表面が凸凹の試料とか不定形試料にも柔軟に対
応できます。分析元素範囲は6C（あるいは12Na）か
ら92Uまでで、軽（原子番号の小さい）元素ほど感度
が低下する傾向があります。感度としては26Feや
28Niなど感度の高い元素でｐｐｍレベルから100％
の広い領域が分析できます。分析領域はｍｍ領域が
標準ですが、ＣＣＤカメラを用い、測定部を観察し
ながら最小10ｎｍφ程度の微小領域が分析できる装
置もあります。分析深さは金属試料で1ｎｍ程度、高
分子や有機物などではｍｍに達します。特殊な応用
光学系の一例
として、薄膜試料の膜厚と組成を一緒に分析するこ
ともできます。定量分析は主にFP（ファンダメンタ
ル・パラメータ）定量法が主に用いられます。これ
は、物理定数と装置定数を用いる理論計算定量法で
標準試料を用いないで済むために、種々の試料に柔
軟に対応でき、EDXRFの簡単分析を支えています。
一方、半導体検出器を使用していますので、計数率
と分解能に限界があります。
波長分散方式（ＷＤＳ）に比べると極微量成分の検
出能力は劣り、ピークの重なりで分析できない元素
も生じやすいので注意が必要です。
〈特徴〉
1）装置の構造が簡単で小型、低価格である。
2）ＦＰ定量法で定量分析に標準試料を必要としな
い。
3）試料に対する自由度が広い。
・大きな試料から微小試料まで測定可能
・凸凹や不定形試料の測定可能
4）非破壊分析である。
〈用途〉
1）素材や製品の管理分析：鉄鋼、金属、ガラス、セ
ラミクス、化学製品、高分子、食品
2）鑑定：貴金属、宝石、出土品、犯罪捜査
3）環境：岩石・鉱物・土壌、焼却灰、オイル、飲料
水、メッキ液
4）メッキ厚：電気・電子・半導体部品
5）異物検査：食品、化粧品、包装材
6）種々の分析の前分析
40
エネルギー分散型
固有X線 半導体検出器
マルチチャンネル波高分析器 CCDカメラ FP法
1. ラボ用分析機器
1.3.1.2（3）
全反射蛍光X線分析装置（TXRF）
Total reflection X-Ray Flourescence spectrometer
（TXRF）
〈原理〉
蛍光X線分析では，
X線を試料に照射した
試料台は高精度の角度調整機構を備えている。
時発生する蛍光X線の波長（エネルギー）を解析する
〈特徴〉
ことで，試料を構成する元素の種類を測定する
（定性
および定量分析を行うことができる。還移金属元素
分析）ことや，蛍光X線の強度が試料中の元素の量に
の検出限界は1×109atoms/cm2程度が得られ，全反
依存することを利用して含有元素の存在量を知る
射条件下でのX線の侵入深さ（分析深さ）は，50〜
°程度である。
100A
（定量分析）ことが可能である。全反射蛍光X線分析
Na〜Uまでの元素の表面元素 定性分析
はこの原理を応用しているが，試料を照射するX線
〈用途〉
を試料表面に超低角度で入射させることで特に表面
染検査に用いられ，1×1010atoms/cm2（Si表面元素
の感度を高めた分析方法である。
密度10 14〜15atoms/cm 2に対して）の還移金属元素に
X線は通常物質を透過（又は侵入）するが，試料表面
よる汚染分析やLSI製造装置からのウェーハ汚染分
にX線をある一定の角度以下で入射するとX線は表
析に用いられる。
面で反射（全反射）し試料内部への透過は殆ど無い。
この角度は臨界角度（hＣ）と呼ばれ，主にX線の波長
属などの環境分析や付着物などの微量試料分析に用
と物質の密度によって決まる。
臨界角
（hＣ（
）deg．
）
＝0.9396 12222233
密度q
（g/cm3）
×l
（nm）
半導体用として，
Siウェーハの表面金属汚
点滴した，河川水や海水中の（サブngオーダー）
金
いられる。
この場合には，入射X線の散乱によるバックグラ
ウンドが小さく，
一方表面の元素は効率良く励起され
るため，P/B比の良い測定が可能になる。
蛍光X線強度はX線入射角度に存在するが，分析元
素の存在状態（表面付着パーティクルか面内に分散
状態か）にも影響きれる。（図２）
測定スペクトルのバックグラウンドを低くするた
めに励起X線を単色化して用いた方が検出感度が向
上する。X線の検出は，表面の微量分析元素の蛍光X
線を効率よく検出するために半導体検出器が用いら
れ，0. 1度程度の低い入射角度を一定に保つために，
41
全反射蛍光X線分析法
X線分析
微量分析
表面金属汚染検査
Siウェーハ
1. ラボ用分析機器
1.3.1.3
RI蛍光X線分析装置
RI X-ray fluorescence spectrometer
〈原理〉
放射性同位元素
（RI）
から発生する放射線
なおこれらの分析は分析室に設置されている一般
を試料に照射した場合，試料中の元素に固有な特性
的に波長分散型いわゆる蛍光X線分析装置よりはか
X線を発生する。その特性X線のエネルギーと強度
なり精度的には劣る面も持っているが，放射性同位
を測定することにより試料の組成を知ることができ
元素 244Cmを用いた銅・亜鉛鉱石の例をとると下記
る。エネルギー分析という観点から一般的には妨害
の分析精度が得られている。
X線をフィルターで取り除き，目的の分析線だけを
銅の含有率0．2wt％においては±0．03wt％，相対
取り出す方式が採用されている。また測定対象元素
精度15％，同じく20wt％においては±0．4wt％で相
の特性X線エネルギーにより照射する放射性同位元
対精度2％が得られている。
同じように亜鉛の分析を
素の種類も使い分けられているのが通常である。ま
みてみると，0．1wt％の含有率に対して±0．04wt％
たこれら範囲はK−X線とL−X線域にも分けられる。
で相対精度40％が得られ，更に鉛の分析に例をみる
これらの関係を表−1に示した。
と，0．2wt％の含有率に対して±0．04wt％と相対精
〈特徴〉
度20％が得られている。
分析の目的に応じて多種類の放射性同位
元素を準備することにより多目的に利用される。非
以上述べた如く高い分析精度の要求に対しては前
常に小形かつ軽量であることから現場への持ち運び
ページに述べられているもっと出力の大きい蛍光X
が容易である。X線分析分野で特に面倒な波高分析
線分析装置の導入が望ましいが，単に判別をする程
装置は最初から複数元素まで調整されているので現
度であれば十分採用が可能である。
場での調整をする必要がないものもある。分析精度
の向上は（1）波高分析器方式，
（ 2）フィルター方式，
（3）波高分析器とフィルター併用方式の3種でカバー
している。
〈用途〉
銅・亜鉛鉱石中の銅・亜鉛・鉛の分析に，
りん青銅では銅と錫の分析に，低合金銅ではクロム
とニッケルに，特殊鋼ではモリブデンの分析に，亜
鉛メッキでは亜鉛の分析に，ゴム中の金属としては
亜鉛の分析に，セメントでは鉄の分析に，スラグで
は鉄と亜鉛の分析にそれぞれ用いられている。
42
Rl蛍光X線法
放射性同位元素
小型・軽量
波高分析方式
フィルタ方式
1. ラボ用分析機器
1.3.1.4
X線吸収分析装置（XAFS）
X-ray absorption spectrometer（XAFS）
〈原理〉 X線は，
物資を通過する際に弾性および非
弾性散乱や電子を励起するこによって進路が曲げら
れたり，エネルギーが変換されたりすることにより
失われる。
（吸収）。このようにしてX線が吸収される
割合は元素固有の量で，質量吸収係数と呼ばれてい
る。この吸収係数を入射するX線のエネルギーを変
えて測定すると，エネルギーの増加とともに減少し
ていくが，ある特定のエネルギーにおいて吸収係数
が急激に増加する点が存在する。これは，入射X線の
エネルギーが殻電子の結合エネルギーを越え，光電
子放出が起こり始めたためで，どの殻の電子が放出
されたかによって，K吸収端，L吸収端等と呼ばれ
る。
ところで，この吸収端の高エネルギー測1keV程
度の領域で吸収係数を詳しく測定すると，図１に示
すような微細な振動構造がみられる。これが，X−ray
absorption fine structure（XAFS）と呼ばれ，吸
収原子の電子状態や周辺の局部構造に関する情報を
含んでいる。この振動構造は，X線によって光電子が
起動される確率が，原子から出ていこうとする光電
子波と周囲の原子に散乱され再び戻ってきた光電子
粒の干渉によって変化するために生じる。また吸収
端のごく近傍では，吸収原子の電子状態によって吸
収端エネルギーが微細に変化したり，特徴的なピー
クが現れたりすることがある。したがって，
このよう
な現象を利用し，吸収原子の周囲の局所構造や電子
状態を解析することができる。
XAFSの理論的な解析も進歩し，測定データから
配位数や原子間距離などの構造情報を得ることがで
きるようになってきた。また，それに基づいた解析プ
ログラムも多数入手できるようになってきた。
XAFS測定の基本は，入射X線のエネルギーを変
化させながら，試料のX線吸収率を精密に測定する
ことである。したがって，強い白色X線の得られるシ
ンクロトロンの利用によって急速に進歩・普及し，
様々の物質の構造解析に利用されるようになってき
た。また，図２に示すような強力X線源と集光型光学
系を組み合わせた装置を用いることにより，実験室
レベルでも十分な精度でXAFS測定をすることが可
能になってきた。測定は，入射X線強度をモニターし
ながら，試料を透過してくるX線量を測る方法と試
料から発生する蛍光Ⅹ線強度を測る方法がある。一
般には前者が用いられるが，特に低濃度の元素の測
定には後者が用いられる。
〈特徴・用途〉 結晶・非晶質・液体等試料の状態に
かかわらず測定が可能である。
また，多くの元素を含
む複雑な系においても，
特定元素に注目し，その周囲
の配位数・原子間距離などの構造情報を知ることが
できる。さらに，
注目する元素が微量であっても構造
解析が可能な点も，XAFSの重要な特徴である。これ
らの特徴を生かし，例えば，次のような用途に用いら
れている。
（１）
X線回折等で解析困難な非晶質・液体中に含ま
れる特定元素周囲の局所構造解析。
（２）
触媒などの固体表面上の原子・分子の構造およ
ぴ反応過程の解析。
（３）
生体物質や錯体など溶液内の分子の構造・状態
に関する情報を得る。
（４）
吸着物や不純物の原子・分子の種類や結合位置，
結合状態の決定による環境汚染物質の分析。
43
X線吸収分析
構造解析
質量吸収係数
吸収原子
XAFS
1. ラボ用分析機器
電子線マイクロアナライザ
（EPMA）
（電子プローブＸ線マイクロアナライザ）
1.3.1.5
Electron probe micro analyzer（EPMA）
〈概要〉
電子線マイクロアナライザ（Electron
きる。また，走査コイルにより電子線を試料上で走
Probe Micro Analyzer；EPMA）とは，物質がどの
査することにより，走査像を走査顕微鏡（SEM）と同
ような元素から構成されているかを調べるのに，電
様に得ることができる。
子線を物質の表面に照射し
（図1参照），そこから発生
試料上の目的とする任意の分析場所に電子線を照
する特性X線を検出する方法を用いている装置であ
射するため，試料は水平動，上下動，回転動などの
る。
（＊1990年頃までは，X線マイクロアナライザ：
試料移動機構を備えた試料ステージに装着される。
XMA：とも呼んでいた。）今日のEPMAは，物質の
分析場所は，照射系内（または試料室内）
に組み込
微小領域から広領域を非破壊で観察・元素分析（組成
まれた光学顕微鏡で試料表面を観察して決めたり，
元素の同定・濃度分析）
・画像処理
（元素分布状態の
後述の走査像
（反射電子像，二次電子像）を観察して
カラー表示等）が行える。
決める。
〈原理〉
走査像は電子線を走査コイルにより試料上で走査
（1）
装置の原理的構成
し，そのとき発生する反射電子や二次電子等の強弱
大別して図2のように，電子線の照射系
（電子光学
を電気信号として検出しブラウン管上に表示するも
系），試料ステージ，X線分光器，真空排気系，コン
のである。これらの量子は，電子線を試料上に走査
ピュータシステム系（装置の制御とデータ処理）
に分
すると，試料の構成物質，幾何学的形状，その他物
けられる。
理的性質によって量子の発生率が変化し，例えば反
（2）
電子光学系と観察
射電子の強度
（反射電子検出器の電気信号）を用いる
電子線を発生させ，試料に照射する部分は照射系
と平均原子番号に依存した組成像が得られる。二次
あるいは電子光学系（EOS）と呼ばれ約10 −3〜10 −4
電子の強度（二次電子検出器の電気信号）を用いると
Pa程度の真空に保たれている。電子線は，フィラ
幾何学的形状を示す試料像が，また，特性X線強度を
メント，ウェネルト，陽極よりなる電子銃から放
用いると1個のⅩ線量子が1個の輝点として現わせる
出され，一般的に1〜40kVの電圧で加速される。この
ので，試料上の元素濃度の高い部分が輝点の密集し
電子線は，集束レンズ，対物レンズの電磁レンズに
より細く絞られ試料に照射される。試料上での電子
線 の 直 径 は ， 4 n m 〜 1 0 0 m m （ 1 n m ＝ 1 0 −6m m ，
1mm＝10 −3mm）程度に，分析目的に応じて設定で
たX線像として得られる。
（3）
X線分光系
X線の検出・分光は試料室に取り付けられたX線
分光器によって行われる。電子線が照射された試料
44
電子線マイクロアナライザ
EPMA
XMA 特性X線
MoseIeyの法則
1. ラボ用分析機器
表面から発生するX線には，試料を構成する元素に
タも，パーソナルコンピュータ，ワークステーショ
固有の波長を持つ特性X線とバックグラウンドとな
ン等多岐にわたっている。面分析等のデータ量が大
る連続X線がある。特性X線の波長λは，原子番号Zと
きい場合は大形のコンピュータが使用される。
次式のMoseleyの法則で結びつけられている。
1
＝C
（Z−r)2
C，r：定数
l
波長λをX線分光器で測定すれば原子番号Zを知る
コンピュータシステムの発展，充実により，複雑
な補正計算が瞬時に行え，データもカラーディスプ
レイ上に表示され，昼夜連続自動測定も可能となっ
ている。
ことができ，従って試料を構成している元素が判る。
〈特徴〉
またX線の波長lとエネルギーEとは，E≒12．4/lの
子線を照射し特性X線を検出して元素同定を行う非
関係があるので，エネルギーEの値より元素を知る
破壊分析装置である。
非破壊分析：EPMAは前述したように電
微小領域から広領域分析まで：細く絞った電子線
こともできる。
X線分光器には，特性X線の波長を分光結晶の回
折を利用して検出する波長分散形X線分光器
（WDS：Wavelength
Dispersive
Spectrometer）
によるmmの微小領域の分析から試料ステージの走
査による10cm程度の広領域の分析が可能。
多様性：特性X線以外に反射電子の原子番号依存
と，半導体検出器で直接X線のエネルギーを検出す
性を利用した組成像，二次電子による形態観察，発
るエネルギー分散形X線検出器（EDS：Energy
光を利用したカソードルミネッセンス分析，半導体
Dispersive Spectrometer）とがある。
素子の接合部に発生する内部起電力の観察等，電子
WDSではBraggの法則と呼ばれる条件
nl＝2d sinh
d；分光結晶の面間隔，
線照射により発生する量子情報のことごとくを，そ
れぞれ分析に利用できる多様性のある装置です。
θ；X線の結晶への入射角，n；結晶での回折次数を
複合構成：装置的に見ると，電子光学，精密，真
満足する波長のX線だけが分光結晶でより分けら
空，光学，分光，放射線計測，映像，コンピュータ
れ，ガス電離形のX線検出器（比例計数管）で検出さ
などの工学技術を総合して作られている。
れ，X線量子1個に対し1個の電気信号パルスを発生
〈用途〉
する。これにより目的とする特性X線の波長を知る
ンでの検査・品質管理としての分析，エネルギー，
ことができる。
環境などでの検査に広く使用されている。
とりわけ，
基礎研究用の分析のみならず，生産ライ
EDSでは半導体検出器に入射したX線は，そのエ
金属固溶体の相・変態・粒界・析出物・介在物，地
ネルギーに比例した数の電子一正孔対を半導体内に
質鉱物の岩石・鉱石・隕石，セラミックス，セメン
作り，電気信号を発生させる。この電気信号を多重
ト，ガラス，化学の触媒，塗料，プラスチック，ゴ
波高分析器で識別することにより，X線のエネルギ
ム，高分子材料，石油，生物の歯・骨・組織，半導
ーを知り試料の構成元素を同定することができる。
体材料，集積回路，電気部品など広い分野の非破壊
以上のように検出された特性X線の信号は，試料
元素分析，観察等に応用されている。
の濃度を調べるためX線測定計でX線の強度の計数
を行い，その結果を表示器に表示したり，プリンタ
に出力したり，各種の補正計算や画像処理のためコ
ンピュータに転送したりする。
（4）
コンピュータシステム系
前述の基本的な原理構成で作られているEPMA
も現在では，ほとんどがコンピュータ化されている。
電子線を発生させ試料に照射する電子光学系の電磁
レンズ系，試料ステージの駆動系，X線分光器の駆動
系，X線測定系等のハードウェア系の制御，定性分
析，定量分析の各種物理的補正計算，面分析等での
各種画像処理等のソフトウェア（分析プログラム）
の
利用が盛んに行われている。使用されるコンピュー
45
1. ラボ用分析機器
X線応力測定装置
1.3.1.6
X-ray stress analyzer
〈原理〉
セラミックスや金属材料は無数の微小
線図という。2h wxとSin2yにはリニアな関係があり，
（2hyX）
∂
となるので，（１）式か
∂ sin2y）
（
結晶から成りたっているが，このような多結晶集合
回帰直線の勾配が
体材料に応力が加わると材料のもつ弾性限界内では
ら応力値rxがもとめられる。
応力の大ききに比例して結晶の原子間距離（格子面
測定法としてはここで述べた測定方向面*と走査面**
間隔）が伸びたり縮んだりする。そこで格子面間隔
が一致している並傾法と測定方向面*と走査面**が
を測定し，そのひずみから試料表面に存在する応力
直交している側傾法の２種類がある。
を算出するのが，X線応力測定装置である。
＊測定方向面＝応力測定方向と試料面法線により作
X線はよく知られているように結晶格子面で回折
し，そのときの格子面間隔dとBragg角h，回折次数
られている面。
＊＊走査面＝入射X線と検出器を含む面。
〈特徴〉
nとの間にはBraggの法則がある。
nl＝2dsinh
（１）材料のひずみを非破壊でそのまま
の状態で直接測定できる。
波長λが一定の場合，dの変化をhの変化として測定
（２）X線の試料への浸入深さは数μm前後である
することで求められる。いま，試料が等方性多結晶
ので試料表面薄層の応力測定ができる。よって表面
体で平面応力状態にある場合図1に示すように，０点
層近傍で急激な応力分布をもつ試料でも，逐次表面
において試料表面に沿った応力の測定方向（X軸）と
層を電解研磨すれば応力分布が求められる。
試料法線方向
（Z軸）を含む面内で，Z軸と角度yなる
＊＊＊
（３）局部の残留応力を求めることができる
（1mm2）
傾きをなすOP方向のひずみをEyx，これに対応する
（４）複数の相からなる試料でも，ある特定相の応
X線回折角を2hyxとすると，X方向の応力rxは（1）式
力を求めることができる。
より表わされる
−E ∂（Eyx） −E
∂（2hyX）
・
＝
…（1）
σx＝
・coth0・
2
∂（sin2y）
1＋n ∂（sin y） 2（1＋n）
れの事故防止，事故解析。重電，造船，各種高圧タ
〈用途〉
化学プラント，原子力配管の応力腐食割
ンク，橋梁などの溶接構造物の残留応力の把握。自
動車，重機部品の熱処理効果の検査，加工機材や歯
ただし，E：縦弾性係数，n：ポアッソン比，
2hyx：OP方向に垂直な特定結晶格子面よる特
車等機械部品の強度評価，セラミックス−金属接合
性X線の回折角，2h0：材料が無ひずみ状態の
体，セラミックスコーティング材，機械部品，電子
ときの回折角
部品等の材料強度評価など。
X線入射角y0を変えて数点のyについて回折角2hyx
2
2
を測定し，Sin yに対してプロットした図を2h−Sin y
＊＊＊近年の装置では〜100mm 2の微小領域の残留
応力が測定できるものがある。
46
X線応力測定
残留応力
非破壊分析
平面応力
1. ラボ用分析機器
1.3.2.1（1）
四重極形質量分析装置
1.3.2.1（2）
Quadrupole Mass Spectrometer（QMS）
〈原理〉
質量分析法はイオン源に導入された試料
m/z：質量/電荷数
を電子衝撃法等でイオン化したのち，分析部に送り
r0：ロッドの内接円の半径cm
込み，電場や磁場条件の下でイオンの走行・挙動が
V：高周波電圧（振幅：peak to peak 値）
それぞれの質量/電荷数（m/z）に依存して一義的に
決まることを利用している。
基本的な性能は分解能と測定可能な質量範囲であ
り，装置の分解能は，r0の加工精度，直流電圧と高周
四重極形質量分析装置は磁場を用いず電場による
波電圧の安定度，及び分析部内でのイオンの振動回
作用のみを利用して質量分析を行う。イオンの加速
数を支配する周波数 f の2乗に依存する。また質量範
電圧は10V前後で磁場タイプの3〜10kVに比較して
囲（マスレンジ）はVで決定され，特に四重極質量分
極めて低い電圧の下で高感度の分析が行えること
析装置では質量範囲の大小で性能を表すのが一般的
と，分析部の構造が簡単であることから，小形でか
となっている。
（1）式からもわかるように質量/電荷
つ操作性に優れ，微量ガス分析や混合物分析法とし
数は高周波電圧Vに１対１で対応するため，低質量
てGC/MSに採用されている。また大気圧下でのイ
から高質量までの全マスレンジにおいてスペクトル
オン化を適用し易く，大気圧イオン化質量分析計と
幅が一定であり，質量校正が容易であることも優れ
して最近用いられている。
た特徴のひとつである。
分析部は図１及び図２に示したような，
4本の金属
〈特徴〉
ロッドを相対峙
（じ）させ，かつ直角双曲線の電場を
（1）小形かつコンパクトである。
形成するように配置している。相対する2組の電極に
（2）加速イオン源電圧が10V前後と低いことから
は，それぞれU＋Vcos ztと−U−Vcos zt， （z＝
2pf）の直流電圧（U）と高周波電圧
（Vcos zt）とを重畳
操作性に優れ，特に大気圧イオン化法を接続し
させて印加している。高周波の周波数 f（通常1〜
（3）電界作用のみで質量分析が行えるため，高速
数MHz）を決定すれば検出器に検出される質量数は
スキャン，高速スイッチング測定が行える。
UとVの値で決まり，U/V＝const．の下でVの値を直
たLC/MS等の応用分野で利用されている。
（4）低価格である。
線的に掃引すれば（1）式に従ってマススペクトルが
〈用途〉
得られる。
性，定量分析及び構造解析など。
m/z＝
1
V
・
14.438 r02・f 2
残留ガス分析，石油，香料，医薬品の定
（1）
47
四重極形MS
四重極
質量分析
1. ラボ用分析機器
1.3.2.1（1）
ガスクロマトグラフ質量分析装置（GC/MS)
Gas chromatograph mass spectrometer system
〈概要〉
ガスクロマトグラフ質量分析装置（GC/
極があり，対角線状の2本のポールには同一の電圧
MS）は有機化合物の定性，定量を目的とした分析装
を，他の2本のポールには極性の異なる同一電圧を
置 で ガ ス ク ロ マ ト グ ラ フ（ G C ）と 質 量 分 析 装 置
かける。この極性を高速に切替えると，ポール内を
（MS）を結合した複合装置である。分析試料には多
通過するイオンはポールにかけた電圧に比例し，質
くの成分が存在するがGCはこれらの成分を分離す
量数毎に分離される。
るが，定性は困難である。一方，MSは混合成分の
（2） 磁場形MSの原理
図３に磁場形MSの原理図
分離は困難であるが，分離された成分の定性は容易
を示す。磁場内のイオンは磁場により，異なるイオ
である。つまりGC/MSはGCで多成分系の試料を
ン軌道を描き，質量数による分離ができる。最近こ
成分ごとに分離し，MSでそれらを定性する機能を
のタイプは磁場の他に電場を設けた二重収束形MS
もつ。定量にはGC/MSの選択イオン検出法（SIM）が
が一般的である。
（3） 各種MSの特徴
用いられる。
〈原理及び構造〉
四重極形MSは小形でしかも
GC/MSは図1に示すように①
操作が容易である。二重収束形MSは四重極形MSに
GC部，②GCとMSを接続する部分，③MS部の３部
比べ，大形で操作も複雑である。しかし，質量数の
門から構成されている。つまり，GC部で多成分の試
測定において，四重極形MSは整数マス測定となる
料を分離し，MS部でそれらを定性する。通常GC部
が，二重収束形MSはミリマス測定が可能である。ま
が加圧，MS部が減圧状態で作動するため，②のセパ
た定量に用いるSIMの設定においても，四重極形
レータによりキャリヤガスを除去する必要がある。
MSは整数マスであるが，二重収束形MSはミリマス
しかし，GCのカラムにキャピラリカラムを用いた場
の設定が可能である。
合，このセパレータがない装置もある。MSにおいて
〈用途〉
試料分子はイオン源に入り，イオンとなる。このイ
量が可能である。測定範囲は化合物にもよるが，ppm
オンは質量毎に分離され，検出される。イオン化の
以下の微量測定が可能である。河川水等に含まれて
方法には電子衝撃法
（EI法）
，化学イオン化法
（CI法）
いる農薬の分析や水道水中のVOCの分析ではppb又
がある。GC/MSに用いられるMSには四重極形（カ
はpptの測定ができる。また，ダイオキシン分析には
ドラポール型）MS，磁場形MSがある。
二重収束形GC/MSを用い，ppb以下の分析を行う。
（1） 四重極形MSの原理
GC/MSは有機化合物の分散及び定性，定
図２に四重極形MSの原
理図を示す。四重極形MSには4本のポール状の電
48
GC／MS
ガスマス
四重極形MS
磁場形MS
質量分析
1. ラボ用分析機器
1.3.2.1（2）
液体クロマトグラフ質量分析装置（LC/MS）
1.3.2.2（2）
Liquid chromatograph mass spectrometer system
〈概要〉
複雑な混合系の分離手段として各種クロ
るものとして注目されている。
マトグラフィーが広く用いられている。一方質量分
LC/MSの特長としては，
析計は，化合物の高感度且つ定性情報を与える分析
１）熱不安定，不揮発性の物質を化学修飾なしに分
手法として認知されている。この二種類の装置の特
析可能。
徴を活かしたシステムとして，ガスクロマトグラフ/
２）成分毎の定性が同時に行える。
質量分析計（GC/MS）が普及してきた。MSは真空中
３）特定イオンのモニターにより多チャンネル検出
で動作するため，大気圧下で動作するGCとの直結に
関しては，そのインタフェース部に多くの工夫が行
器として使用可能。
４）バイオ，医薬，環境，化学工業など応用範囲が
広い。
われた。
クロマトグラフィーの手段としてはGC以外に液
等が挙げられる。
体クロマトグラフィー（LC），超臨界クロマトグラフ
このような特徴をもつLC/MSのインタフェースと
ィー（SFC）などがありその分離能の多様性からLC
して必要とされる条件としては，
が多く用いられるようになってきている。このため
１．LC溶離液の除去
GC/MS同様LCに関してもMSとのシステム化によ
２．広範囲の化合物の安定なイオン化手法
る分離，定性が同時にできる装置の実現が要望され
３．LC分離条件の遵守（バッファ，流量等）
てきた。しかし，LCの場合はGCと異なり溶液を扱う
４．溶液組成の変化への対応（グラジェント）
ためMSとの直結には更に多くの困難を克服する必
等が特にLC側からの要求としてあげられる。
要が有り多数の手法が提案されてきた。現在はこれ
これらの要求を満たす方法として，いくつかの原理
らの手法のうちいくつかが実用に耐えるものとして
に基づくインタフェースが発想されている。それぞ
応用されるに至っている。
れの方式は一長一短があり，測定目的によって選
〈原理及び特徴〉
GCでは前処理なしでは不可能で
択又は組み合わせて用いることが行われている。現
あった熱不安定，不揮発性の化合物の分離分析がLC
在実用化されている各種の方式について以下に述べ
を用いれば可能なため，今やLCは分離手段の，メイ
る。
ン手法となっている。LCも他のクロマト手法と同様
Ａ）サーモスプレイ（Thermospray；TSP）
定性情報が少ないため，豊富な構造情報を与える
LC溶離液をMSと垂直に配置した低真空室に電解
MSとの結合は分析の精度の向上と効率化を実現す
質と共に噴霧し，溶質分子をイオン化した状態で
49
LC/MS
GC/MS サーモスプレイ
連続フローFAB
大気圧化学イオン化
エレクトロスプレイイオン化
1. ラボ用分析機器
高真空に保たれたMS部に取り込み分析を行う。
分析に特異な能力を発揮する。
この方式は，1mL/minの溶液流量を直接導入で
溶離液流量はmL/minと少なく，LCとの直接接続
き，また高極性の試料をイオン化するのに適して
が難しいことから，キャピラリの外側にガスを流
いるため急速に普及した。しかし，真空中への噴
して強制噴霧し，流量を200mL/min程度まで増や
霧のためメンテナンスの頻度が高く，イオン化の
す工夫が行われ，LCとの直接接続による分析が可
最適条件の許容範囲が狭いという欠点も指摘され
能となった。
ている。
以上の各種インタフェースは，それぞれに特徴
FAB/
を持ち，分析可能な試料の性質も異なるため，分離
FRIT−FAB）LC溶離液にグリセロールなどのマ
に用いられるLC手法や溶離液の性質により選択使
トリックスを混入させ，MS部FABイオン源部に2
用するのが望ましい。すなわちLC/MSは単一の方法
〜5mL/minの流量で導入する。FABによるイオ
をいうのではなく，上記数種の手法のコンビネーシ
ン化のため高極性の化合物に通した方法である。
ョンによるシステムの総称である。
Ｂ）連続フローFAB（Continuous
flow
流量の制限に対応のため1/200程度のスプリット
を行い，通常のHPLCに接続する工夫が施されて
いる。
Ｃ）パーティクルビーム（Particle
beam；PB）
LC溶離液を噴霧し，GC/MS用Heセパレータに類
似のモーメンタムセパレータにより溶媒部分を取
り除き溶質を濃縮してEIイオン源に導いてイオ
ン化する手法である。GC/MSと同様のイオン化
法であり，測定対象試料も無極性又は低極性の物
となる。マススペクトルもライブラリとして市販
されているものと同質であるため，検索が行える
ことが特徴となる。
Ｄ）大気圧化学イオン化（Atomospheric
chemical
ionization；APCI）
LC溶離液を大気圧下で噴霧し，溶媒を気化させた
後コロナ放電でイオン化する。このイオンと溶質
分子とのイオン分子反応を行う。大気圧下で生成
したイオンを差動排気を通してMS部に導入す
る。
測定対象試料は低極性から高極性まで広範囲にわ
たる。導入できる流量は1mL/minと通常のLCに
対応できる。大気圧下でイオン化するため，真空
系への負担が少なく耐久力がある。
Ｅ）エレクトロスプレイイオン化（Electrospray
ionization；ESI）
LC溶離液を高電圧を印加したキャピラリーに導
き，先端より多くの電荷をもった微小液滴を噴霧
させる。大気圧下で溶媒を蒸発させ，溶質イオン
は直接気化する。イオン化した後MS部に導かれ
分析される。この手法はイオン性の試料のイオン
化に好適である。特に多くの電荷を同時に持つ多
価イオンを生成するため蛋白質のような高分子の
50
1. ラボ用分析機器
1.3.2.1（3）
ICP-MS
Inductively coupled plasma mass spectrometer（ICP-MS）
〈概要〉 ICP−MSは，
その応用として，
原子吸光法，
リングコーン，
スキマコーンの二種類）
を通って真空
ICP−AES等と同じカテゴリーに属する溶液中の無
チャンバに導入される。真空システムは常に大気圧
機元素分析用の装置である。1980年代になって実用
のプラズマを吸引しているので，差動排気をしてい
化され，急速に進歩してきた。検出限界が非常に低
る。イオンの衝突が無視できる真空領域になるとイ
く，ppt或いはサブpptレベルの分析が可能である。
オンレンズを用いてイオンを収束し，さらに質量分
〈原理及び特徴〉
析計で分離測定する。元素分析なので通常250amu或
ICP−MS
（誘導結合プラズマ−質
量分析装置）という名前に表される通り，イオンソー
いは300amu以下の質量範囲が測定される。
ス（イオン源）としてのICP部と，そこで生成したイ
（３）特徴は，
オンを分離測定する質量分析部から構成される。イ
（a）高感度
オンソースを図1に，
ICP−MSの構成例を図2に示す。
（b）同時多元素分析
（１）イオンソースはICP−AES（誘導結合プラズ
（c）定性が容易
マ発光分光分析装置）の光源と原理的に同じであり，
（d）同位体分析が可能
この光源がイオン源としても優れていることを利用
（e）サンプル処理能力が高い
している。すなわち，一般に溶液サンプルは，ネブ
である。
ライザで霧化されスプレーチャンバを通った後，ト
〈用途〉
ーチと呼ばれる石英管の中に保持されているアルゴ
応用分析が多い。一方日本においては地質，環境分
ンプラズマ（27MHz或いは40MHzの高周波でワー
野以外にも極微量分析の要求の高い，半導体関連産
クコイルにより2kW位までの電力で発生させる。）
業において多く使われている。
その他の産業分野
（新
中に導入され加熱分解，イオン化される。ふっ素等
材料開発等）でも研究用から品質管理用まで不純物
一部のイオン化ポテンシャルの高い元素を除いてほ
分析での応用範囲は広い。
とんどの元素が十分イオン化される。
（２）質量分析部は大部分の装置で四重極質量分
析計を用いているが，二重収束タイプの磁場型質量
世界的にみると地質関係，環境分野での
また，生体，医用での分析，同位体希釈法を用い
た精密分析或いは原子力産業分野での極微量分析に
も用いられる。
分析計を用いたものもある。
大気圧下のプラズマ中でイオン化したサンプルは，
インタフェースと呼ばれるオリフィス（通常サンプ
51
lCP質量分析計（ICP-MS）ICP-AES
同位体希釈法
1. ラボ用分析機器
1.3.2.2（1）
二重収束形質量分析装置
1.3.2.2（2）
Double-focusing mass spectrometer（MS）
〈概要〉
質量分析装置は，試料分子の質量測定，
作用は，イオンの質量の精密な識別のため重要であ
構造解析，微量定量測定等に広く利用されており，
り，同一分解能での感度，イオンの質量数決定の精
その原理の違いにより，磁場分散形，四重極形，飛
度にも影響する。磁場のみを分析場として持つ装置
行時間形，イオンサイクロトロン共鳴形などに分け
では，イオンが持つ加速エネルギーのばらつきが，
られる。ここでは，もっとも一般的である磁場形に
収差としてあらわれるため，高分解能は得難い。エ
ついて説明する。
ネルギーによる収差には，電場が収束作用を持つた
〈原理及び特徴〉
磁場分散形質量分析装置は高真
め，磁場および電場を組み合わせることで，高分解
空（10−4〜10−5Pa）に保たれたハウジングに，イオン
能を得ることができる。また，ソフトなイオン化法
源．分析場（磁場，電場），検出器などを配置した装
であるFD（Field
置である。試料は，気化した状態で高電位
（1〜8kV）
Ion
を持つイオン化室に導入される。試料分子は加速さ
ンがエネルギー幅を持つことがさけられないような
れた熱電子（20〜70eV）による衝撃を受け，電子を放
新しいイオン化法を使用する場合は，二重収束形が
出してイオンとなる。生成イオンはイオン化室に設
有利である。
Desorption），SIMS（Secondary
Mass Spectrometry）等のように，生成イオ
けられた出射口より，電位によるエネルギーを与え
このように磁場を用いた質量分析装置では，その
られて分析場に向けて出射される。出射された高速
構成により，磁場のみのものを単収束形，電場，磁
イオンは分析磁場に入ると磁界及び速度に垂直な方
場双方を持つものを二重収束形と呼び，区別してい
向に力を受けて円運動を行う。円運動の半径r，イオ
る。
ンの質量と電荷の比（質量数：m/z），イオン源電位
（V），磁場強度
（H）
の間には次の関係式が成り立つ。
（m/z）＝kr2H2/V2
上述の如く，質量分析装置では磁場強度により異
なった質量数のイオンを収束させる。磁場強度を連
続的に掃引し，横軸に質量数，縦軸にイオン量とし
従って軌道半径一定のイオンを検出し，加速電位を
たバーグラフで表わしたものが質量スペクトルであ
一定とすれば磁場強度Hをスケールとしてm/zを測
る。試料分子は，イオン化されてそのままの質量で
定することができる。一方イオンは出射の際にある
イオンとなるのみならず，イオン化の際の余剰のエ
開き角を持って出射されるが，扇形磁場はイオンに
ネルギーによって分子内の結合が切れて開裂する。
対して光におけるレンズと同様の作用を持ち，出射
開裂によって生成するイオンは，開裂の位置を示唆
されたイオンを1点に収束させ，像を結ぶ。この収束
し，分子構造に関する情報を与える。また天然に存
52
質量分析
構造解析
微量定量測定
ニ重収束形
1. ラボ用分析機器
在する同位体元素の存在比もそのイオン強度の比と
してあらわれる。これら分子のイオン，開裂イオン，
同位体イオンの作るスペクトルのパターンは，試料
によって異なり，定性分析の重要なデータとなると
から分子量を把握し，そのスペクトルのパターン
により，試料を同定するのに用いられる。
（未知試料の同定，合成化合物の検討等）
（2） 多成分系の試料の分離をガスクロマトグラフ
ともに，その構造に関する多くの情報を含んでいる。
で行い，各成分の混合比を定量すると共に，質量ス
また，微量イオンの測定技術により，質量分析装置
ペクトルから成分の定性分析をするのに用いられ
は10−12g程度の試料をも測定できる感度特性を持ち，
る。
定量測定においても大きな威力を発揮する。
このようにいくつかの優れた特性を持つ質量分析
装置も混合物の分析では，結果が複雑となり解析が
むずかしい。一方，混合物の分離，定量測定に広く利
用されているガスクロマトグラフは，その定性能力
が必ずしも充分ではない。これら2つの装置は，気体
試料を扱うという共通点と，おのおのの弱点を補い
（石油類，香料，その他，多成分系試料の分析）
（3） 高分解能測定により，試料分子の組成式を求め
るために用いられる。
（天然物の組成決定，合成化合物の確認等）
（4） 試料に特徴的なイオンを選択して高感度測定
を行い，微量成分を定量するために用いられる。
（公害物質の濃度測定，薬品代謝物の測定等）
合う特徴を持っている。大気圧以上の圧力で使用す
るガスクロマトグラフと，真空が不可欠な質量分析
装置はキャリアーガスを選択的に取り除き，試料を
濃縮するインターフェイス
（ジェットセパレータ）
の
考案により結合が可能となった。さらにフューズド
シリカキャピラリーカラムの開発により，カラムと
質量分析計の直接接続も実現された。その結果，混合
物試料を直接ガスクロマトグラフに注入し，質量分
析装置を検出器として高感度でクロマトグラムを検
出すると共に，分離された各成分の質量スペクトル
を測定することにより，定性，定量測定が同時に行え
るようになった。また，試料の質量スペクトル中の，
試料に由来する特定のイオンに注目したクロマトグ
ラムの測定では，その選択性も手伝って，10−12g以下
の定量測定が可能である。
更に，液体クロマトグラフ
との直結技術も進歩し，各種HPLCモードでの分離
成分の質量分析計による分析も可能となり，応用範
囲は更に広がっている。
他方，コンピュータの利用技術の進歩は，
質量分析
装置においても，その膨大なデータの迅速な処理を
可能にした。このデータ処理装置は，質量スペクト
ル・クロマトグラム等の作図，リスト出力のほかに，
特定イオンによるクロマトグラムのトレース，高分
解能装置による精密質量の測定値から，試料の構成
元素の可能な組合せを計算し，組成式を出力する精
密質量数測定，既測定データベースから試料スペー
クトルと類似のスペクトルを選択して同定を行う
データ検索等を可能とした。
〈用途〉
（1） 測定されるイオンのうち，
質量数の最大のもの
53
1. ラボ用分析機器
1.3.2.2（1）
タンデム質量分析計（MS/MS）
1.3.2.2（2）
Tandem Mass spectrometer system（MS/MS）
〈原理〉
MS/MSは質量分析計（MS）が2台直列に
で，試料の状態・イオン化法の違いにかかわらず目
結合され，2台のMSを結ぶ中間のフィールド・フリ
的質量数由来のフラグメントイオン，即ち物質同定
ー領域に衝突活性化室（コリジョン・セル，C．C．）を
に必要な分析情報を得ることが出来る。
持つ装置である。1台目のMSで分析目的の質量数
但し，イオンが中性分子や原子とC．C．内で衝突する
を選択し，C．
C．に導き，中性分子または原子と衝突
場合，イオンが持っているエネルギーによって衝突
させ，この選択したイオンから生ずるプロダクトイ
状態が高エネルギー衝撃（KeV）および低エネルギ
オンを2台目のMSで検出を行う
（図1）。
ー衝撃（〜eV）と区別され，それぞれ与えるスペクト
タイプの異なるMSを組み合わせることによって
ルが異なってくる。
数多くのMS/MS方式が考えられるが，主として（a）
〈用途〉
二重収束質量分析計を2台結合した4−セクター・タン
のMSをガスクロマトグラフ（GC）や液体クロマト
概念的には表1に示されるごとく，第1段
デムMS/MS（図2），
（ b）二重収束質量分析計の後に
グラフ（LC）と同様に分離手段，第2段のMSを分析手
四重極マスフィルタあるいは四重極マスフィルタの
段と考えることが出来る複合装置である。従って，
後に時間飛行型質量分析計を結合した，ハイブリッ
MS単体，GC/MS，LC/MS等の持つ能力を更に機能
ト型MS/MS（c）四重極マスフィルタを３個結合し
拡張した装置と考えてよい。生理活性成分，医薬品，
た，トリプルステージ四重極MS/MS等の方式が一
環境汚染物質等複雑なマトリックス中に微量に存在
般に使用されている。また最近では，
（ d）イオント
する目的化合物を，妨害成分（ケミカルノイズ）
を除
ラップ質量分析計もMS/MSとして利用されてい
去し選択的に検出しその構造解析や定量を行うこと
る。
が出来る。
〈特徴〉 得られるマススペクトルは電子衝撃
（EI）
タンパク質・ペプチド等のアミノ酸配列決定にも大
法を用いた場合，多数のフラグメントイオンを与え，
きな役割を果たすことができ，pmolレベルの試料
試料の構造解析に威力を発揮するが，混合物の分析
量で解析可能である。LC/MS/MS法であれば酵素消
には不適である。一方，高速原子衝撃法（FAB）等の
化した混合ペプチドであってもそのまま構造解析を
ソフトなイオン化法では（M＋H）＋イオンなどの分
行うことが可能となる。
子イオン情報は得られても，構造情報を示すフラグ
メントイオンが少ない。
MS/MS法は特定のイオンが第1MSで選択されるの
54
MS/MS
フラグメントイオン
混合物分析
タンデムMS
電子衝撃法
高速原子衝撃法
1. ラボ用分析機器
二次イオン質量分析装置
1.3.2.3
Secondary ion mass spectrometer（SIMS）
〈概要〉
二次イオン質量分析法（Secondary Ion
されている。セクタ形には，写像方式と走査方式の
Mass Spectrometry，SIMS）
は，一般固体材料の微
２種類がある。主な相異点は，前者では二次イオン
量分析を目的として開発された。SIMSは，イオンビ
像（元素像）を投射レンズ系により形成させているの
ーム照射によるスパッタ現象を利用しており，破壊
に対して，後者では走査方式による結像方式を採用
分析であるが，材料構成原子を直接イオンとして検
していることにある。信号表示系は，逐次取り込ん
出することから，他の類似装置に比較して信号が明
だデータをCPU処理し，解析しやすい形にして表示
確で，感度が高いという特徴がある。主な分析モー
する役目をもつ。
ドと得られる情報を表1に示す。
〈特徴および主な用途〉
〈原理及び装置〉
SIMSは，全元素に対し
高エネルギー（数KeV〜20KeV
て，表面層からμm以上の深さ方向濃度プロファイル
のイオンビームを固体表面に照射すると，スパッタ
が高感度で測定できるという他の類似分析法にない
現象により試料構成原子が中性原子またはイオンと
特徴がある（表１参照）。
して放出される。SIMSは，このようにして二次的に
応用分野としては固体材料一般が対象となり，主な
放出されるイオンすなわち二次イオンを質量分析計
用途は次の通りである。
にかけて質量・電荷の比（m/z）に分けて，試料表面の
１）各種固体材料の極微量不純物の分析
元素分析および化合物分析を行う方法である。
２）各種デバイスなどの表面および界面評価
３）微量元素の深さ方向濃度プロファイル測定
図1に示すように，SIMS装置は，大別して，一次
イオン照射系，二次イオン質量分析系および信号表
４）表面汚染物質の固定
示系より構成されている。一次イオン照射系は，主
５）ミクロ領域における析出物，介在物評価
にイオン源，集束レンズおよびビーム偏向器から構
６）同位体測定
＋
成されている。イオン源としては，主としてCs 用と
〈今後の課題〉 今後の課題として次の点があげら
ガス成分イオン特にO2＋用の２種類が採用され，そ
れる。
れぞれ陰性元素および陽性元素の分析に利用されて
Ⅰ）標準試料を利用しない絶対定量分析法
いる。集束レンズは，細束ビームの形成に，ビーム
Ⅱ）スパッタ中性粒子のイオン化による高感度化
偏向器は，ビーム走査用として利用される。
Ⅲ）有機物および生体試料に対する分析ソフト技術
二次イオン分析系としては，セクタ形二重収束質
の開発
量分析計およぴ四重極形質量分析計の２種類が採用
55
SIMS 微量分析
イオンビーム
破壊分析
質量分析
1. ラボ用分析機器
飛行時間形質量分析装置
1.3.2.4
Time of Flight Mass Spectrometer（TOF-MS）
〈原理〉 飛行時間形質量分析装置（TOF-MS）は，
ン化法として用いることが多い。マトリックスは，
レ
イオン源で発生した試料分子イオンが検出器まで到
ーザ光を吸収して熱に変換する薬品で，これを試料
達する時間によって質量を測定する装置である。
と混合してサンプルプレートに塗り，レーザ光を極
サンプルプレート上で瞬間的にイオン化された試
短時間照射するとマトリックスが急速に加熱されて
料分子は，グリッドとの間に印加された電圧Vによ
試料とともに気化（昇華）する。このとき，中性のま
って加速され飛びだした後，グリッドと検出器の間
ま脱離した試料分子も同度に気化されたマトリック
の無電界（ドリフト）
空間を一定速度で飛行し検出器
スイオンやプロトンカチオン等が付加することによ
に到達する。このときの飛行速度，電圧，質量，電荷
り全体としてイオンとなる。このイオン化は数〜数
には，式１の関係がなりたつ。したがって，
飛行速度
十数nsecで行われる。MALDI法によるイオン化は
は式２で，飛行時間は式3で求められる。
穏和で試料分子の分解がほとんど起こらないため，
高分子の質量測定に適している。
1
mn2＝zV―――― 式１
2
〈特徴〉
TOF−MSは，質量分解能では磁場型に劣
2zV
―――― 式２
m
るが，原理的に測定質量範囲に上限がなく，
分子量数
m
L
t＝ n ＝L・
― 式３
2zV
ことができる。一般的に装置がコンパクトで，
操作や
n＝
!#
万〜十数万のタンパク質のような高分子を測定する
!#
保守も簡単であり測定時間も短く多数の試料を容易
V：電圧 n：飛行時間 m：質量敷
z：電荷 t：飛行時間 L：飛行距離
に処理することが可能である。発生したイオンのほ
式３から，電荷が一定の場合，飛行時間は質量が小
とんどが検出器に到達するため感度も高く微量分析
さい分子ほど短く，質量が大きいと長いことがわか
に適している。
また，ゲルバーミエーションクロマト
る。実際には，電荷1のイオンが大部分であるが，電
グラフなど高分子の分子量を測定する他の方法と比
荷2．3などの多荷イオンも少量ながら発生し，電荷１
べて質量精度が格段に高い。
に対し，質量数1／2，1／3などの位置に検出される。
〈用途〉
高分子の質量を高感度で精度良く測定で
TOF-MSでは，正確な質量を測定するため瞬間的
きるため，タンパク質など生体高分子の測定によく
にソフトなイオン化を行う必要がある。
このため，マ
用いられる。
また，ポリマーの分子量および分子量分
トリックス支援レーザイオン化（MALDI:Matrix
布の測定にも用いられる。
Assisted
Laser
Desorption Ionization）法をイオ
56
TOF-MS
MALDI法
レーザイオン化
質量分析
1. ラボ用分析機器
核磁気共鳴装置
1.3.3.1
Nuclear magnetic resonance spectrometer（NMR）
〈原理，概要〉
核の磁気モーメントを持っている
フトは約10ppmの範囲にある。化学シフトで広がっ
原子（lH，13C，31P，19Fなど）を静磁場の中に入れる
ているスペクトルを観測するためには磁場もしくは
と磁気モーメントは磁場の作用により歳差運動をす
共鳴周波数を掃引する。
る（図2）。この運動の周期と同じ周波数の電磁波を
（２）スピン-スピン結合定数
静磁場と垂直方向から加えると，磁気モーメントの
分子内の結合電子を通した隣接核間の相互作用に
運動は電磁波のエネルギーを吸収して振幅が変化す
より信号が分裂する現象であり，結合電子の性質に
る。これが核磁気共鳴である。従って共鳴条件は z 0
依存する。従ってその大きさと分裂の形は微細な構
＝ c H 0となる。ここに， z 0は共鳴周波数，H 0は外部
造情報を含んでいる。
静磁場，c は核種によって決まっている比例定数（磁
（３）緩和時間
気回転比）である。この関係式から明らかなように共
磁気モーメントを持つ分子の集合体を磁場の中に
鳴周波数は原子核の種類と静磁場の強さによって決
入れると平衡状態に達する迄に一定の時間を要す
まっている。例えば水素原子の場合，
2．
35T
（テスラ）
る。その時定数が緩和時間であり，分子運動の情報
の磁場で100MHz，4．7Tの磁場で200MHzで共鳴す
を含んでいる。
る。このように核磁気の共鳴周波数はラジオ波領域
〈特徴〉
であるため，コイルを通して試料に共鳴周波数が加
を得ることができる。信号強度がスピンの数に比例
えられる。
するため信号強度比により定量値を知ることができ
核磁気共鳴スペクトルから得られる情報は化学シ
フト，スピン-スピン結合定数，緩和時間である。
非破壊のまま分子の構造情報や物質情報
る。
〈用途〉
（1）薬物，天然物などの有機化合物な
どの構造解析
（１）化学シフト
化学シフトは核のまわりの電子による磁気しゃへ
いのために生じる共鳴周波数の微小な変化である。
従って化学結合の違いによって変化する。化学シフ
（2）有機合成実験における生成物の確認
（3）合成高分子などの微細構造（立体規則性や共
重合体の重合組成や結合状態）
などの確認
ト値は基準物質の信号からの差として表わされる。
（4）高分子化合物の物性研究
すなわち基準信号の共鳴周波数をz1，観測信号の共
（5）水分含有食品などの含水量の測定
鳴周波数を z2とすると化学シフトは（ z2−z1）/ z1×
（6）混合物の物質の定量
6
10（ppm）
で表わされる。水素核
（プロトン）
の化学シ
（7）血液や尿中の成分分析による病理診断
57
核磁気共鳴
NMR
化学シフト
スピン-スピン結合定数
緩和時間
1. ラボ用分析機器
1.3.3.2
フーリエ変換核磁気共鳴装置
Fourier transform nuclear magnetic resonance spectrometer（FT-NMR）
〈概要〉
FT-NMRは共鳴周波数にパルスを使用し
ン移動の実験などが種々行われるようになってきて
たことにより，観察時間の短縮，積算によるS/Nの
いる。特に，二次元NMRの出現は分子構造の解析を
向上を実現した。そのため観測対象核が広がり，
容易にし，複雑な高分子化合物などの構造解析が行
13
われるようになってきた。
C，31P，29Siなどが容易に測定されるようになった。
磁場も 1 Hの共鳴周波数で400MHz，500MHz，
またパルスを使用することから時間的制御が容易
に行えるようになったことにより，種々のパルスの
600MHz，800MHzと順次大きくなり，益々複雑な
組合せによる測定法が開発され種々の応用が発展し
化合物が扱えるようになっている。従って二次元
てきている。特に多次元NMRは情報の分離を可能
NMRは三次元NMR，四次元NMRへと次元を上げ
にし，複雑な分子の構造解析をも可能にしてきてい
てさらにスペクトルの分離能を上げてきている。
る。
〈原理〉
また測定法としても多次元NMRの他に固体の高
核磁気モーメントを持つ物質を磁場の中
分解能やNMRイメージの方法が開発され，応用面
に入れると磁気モーメントの緩和として磁化Moが
も多様化してきている。
生じる（図1-a）。それに強い共鳴周波数をパルス状
〈用途〉
に加えると磁化はxy平面に倒れる。パルスの直後か
ら磁化は磁場方向を軸（Z軸）とした歳差運動をしな
（1）1H，13Cの一次元，二次元NMRによる有機化
合物や高分子化合物の構造解析
がら減衰してゆく（自由減衰信号FID）。このFIDを
（2）1H，13C
増幅し，検波して可聴周波数にしたものをコンピュ
（3）多次元NMRによる蛋白質の高次構造の解析
ータに取り込む（図２）。コンピュータに取り込まれ
（4）固体高分解能NMRを用いた高分子化合物や
たFIDはフーリェ変換されて通常のNMRスペクト
不溶性化合物の組成解析や物性研究
（5）1H
ルとされたのちプロッタに打出される。
FT-NMRにおいては一定の周波数領域のFIDを同
時に観測するため，一回の測定時間が数秒以内であ
ることから，くり返し測定による積算によってS/N
向上が容易に計られる。従って13Cのように感度の悪
NMRによる合成物の確認
NMRによる尿や血液中の対射物の確認
による病理診断
（6）31P
NMRによる生体内のATPの測定による
生体組織や病態研究
（7）イメージよにる生体組織の観察による病理診
断
い核の観測が容易に行えるようになった。
またパルスの組合せによる緩和時間の測定やスピ
（8）イメージによる固体内部の組織観察
58
FTNMR
NMR
核磁気共鳴
核磁気
構造解析
1. ラボ用分析機器
電子スピン共鳴装置（常磁性共鳴装置）
1.3.3.3
Electron spin resonance spectrometer（ESR）
〈概要〉
ESRの対象となる物質には必ず，原子
ESRの特徴は次のとおりである。
の同一軌道上に反対スピンを持つ相手電子をもたな
（1）
試料を非破壊で，繰返し分析できる。
い不対電子が存在しなければならず，それらは一般
（2）
絶対感度が高い。7×109（SPINS/10−4T）
に化学反応性が高く，特異なものと連想するが，酸
（3）
試料が結晶，粉末，液体，気体いずれの状態でも
素分子や多くの重金属錯体のように，自然界に広く
分布しているものも少なくない。これらの中には触
媒などの活性種として興味ある物質も多い。
（図1）
〈原理及び特徴〉
共鳴吸収の概念的な原理は
測定できる。
（4）
光照射，温度可変，試料の混合下でラジカルの測
定をリアルタイムに行える。
〈用途〉
ESRのスペクトルは不対電子の吸収位
NMRと同一であり，NMRが原子核スピンを対象と
置を示すg値，その数を示す吸収信号強度，吸収した
するのに対し，ESRは電子スピンが測定の対象とな
エネルギーを放出する現象（緩和）を示す吸収信号の
る。不対電子を静磁場（H 0）中に置くとそのスピン
線幅，不対電子と近傍の核スピンとの相互作用によ
エネルギーはH0の強さに応じたEaとEbの二つのエ
る吸収スペクトルの超微細構造，等から次のことが
ネルギー状態となる。
わかる。
（1）
不対電子の有無，及び定量。
ここで，
（2）
不対電子周辺の環境，構造。
Ea−Eb＝gbH0＝h n
に相当する電磁波を外部から与えると低いレベル
（3）
反応速度，反応機構。
（Eb）の電子は高いレベル（Ea）遷移する。ここで，g
注目されている応用に，生体内の活性酸素が引き起
は物質によって定まる分離定数，bはボーア磁子，h
こすさまざまな悪影響，又それを防御する拡酸化機
はプランクの定数である。
能等の研究が盛んに行われている。
これ等は事実上定数であるから，電磁波の振動数
また，マイクロ波素子の発達やコンピューターの
（ n ）は静磁場（H 0）に比例する。この条件が満たさ
著しい性能向上に伴って，フーリエ変換ESR（FT−
れたとき，外部から与えた電磁波が吸収され，その
ESR）や，ESRイメージ（ERI）の装置も開発され，一
変化を電気信号として観測できるのである。
（図２）
層ESRの応用範囲が広がりつつある。
通常ESRに使用する照射電磁波はマイクロ波領域
（9．5ギガヘルツ）であり，静磁場の強度は約0．33T
（テスラ）である。（1テスラ＝10 4ガウス）
59
電子スピン共鳴
ESR
不対電子
磁気共鳴
1. ラボ用分析機器
1.3.4.1（1）
オージェ電子分光装置
Auger electron spectrometer（AES）
〈概要〉
オージェ電子分光装置は，電子や光子を
ジェ電子E k のエネルギーは元素固有の運動エネル
物質に照射したときオージェ効果によって極表面か
ギーを有しそのスペクトルを測定すると，もとの物
ら放出されるオージェ電子のスペクトルを測定する
質の元素分析や電子のエネルギー帯の構造がわか
ことにより固体表面に存在する元素を分析する装置
る。スペクトルの測定には，円筒鏡形アナライザま
である。特に細く絞った電子線を励起源として用い
たは静電同心半球形アナライザが用いられている。
微小領域の分析や試料表面を二次元走査して情報を
オージェ電子のエネルギーはおおよそ10eV〜1KeV
得る機能を有するものを走査オージェ電子顕微鏡
程度でありこの電子が固体内で動ける距離はせいぜ
SAM（Scanning Auger electron Microscope）と呼
い数nmである。従って極めて表面付近にある原子か
ぶ。
ら出てきたオージェ電子だけが検出されるのでオー
〈原理及び特徴〉電子線で固体表面を照射したとき
ジェ電子分光装置が表面分析装置といわれる理由で
元素に固有のオージェ電子が発生する過程は特性X
ある。表面の分析は，特に試料は超高真空状態で扱
線の発生とよく似ており，例えば原子の内殻K準位
われなければならないが，試料表面に最初から付着
にある電子が照射電子線により殻外へ弾き出されK
していた汚れを取り除くためイオン銃でイオンエッ
殻に空席が生ずると，この空席を上のL準位の外殻
チングをし，清浄面を出し分析する方法がとられて
電子が埋めて安定化するときに，余剰エネルギーを
いるが更にエッチングで試料を掘り進めながら分析
放出する。その一つは特性X線の発生であり，もう一
測定を行うことにより，深さ方向の元素分布分析が
つはL準位の電子がK準位に遷移すると同時にL準
よく行われている。走査オージェ電子顕微鏡は二次
位のもう一つの電子が原子外へ放出される過程であ
電子検出器を備え，走査電子顕微鏡SEMの機能を有
る。この過程をKLLオージェ遷移，放出された電子
しているので，超高真空SEMとしての形態観察と微
をKLLオージェ電子と呼ぶ。このほかにLMM，
小領域のオージェ電子二次元マッピング（オージェ
MNN等の遷移がある。オージェ電子の運動エネル
像）のイメージ情報が得られる。
ギーをEkとすると，L準位ELからエネルギーをもら
〈用途〉
ってとび出したオージエ電子はKLL遷移では，Ek＋
表面層の状態につき，汚染分析，表面検査（酸化膜，
ELがL−K準位間のエネルギー差EK−ELに等しいか
吸着ガス腐食物質等の元素，状態分析），表面層の物
ら近似的に，Ek＝EK−2ELとなる。EK，ELは元素
質移動，深さ方向元素濃度分布，合金の表面組成，
特有のものであるからある物質から放出されたオー
薄膜，結晶粒界の分析に広く利用される。
半導体，金属，化学等，各分野の物質極
60
オージェ電子分光
AES
SAM 円筒鏡形アナライザ
静電半球形アナライザ
1. ラボ用分析機器
1.3.4.1（2）
光電子分光装置
X-ray photoelectron spectrometer（XPS，ESCA）
〈概要〉
ESCA（Electron Spectroscopy for Che-
されない。従ってESCAは，物質の表面の状態分析
mical Analysis）とも，XPS（X−ray Photoelectron
に有用な表面分析法といえる。通常は数mm2のマク
Spectroscopy）とも呼ばれる電子分光法を利用した
ロな表面の平均的な測定が行われるが，微小領域
化学分析で，代表的な表面分析法の一つである。X
（50mmw〜200mmw）の測定は照射X線源の集光や，
線を物質に照射した時に放出される光電子の運動エ
信号検出面積の限定，又アナライザ前段の静電入射
ネルギーを測定し，表面を構成する原子や分子，そ
レンズの作用により可能になった。ESCAのエネル
の化学結合状態に関する情報を得ることが出来る。
ギーアナライザは，電子状態の情報をより高分解能
〈原理および特徴〉
で測定するために静電半球型が多く使用され
ESCAでは，
一定のエネルギー
−8
分光
を持つMgやAlの軟X線を超高真空中（＜10 Pa）に
された光電子の検出にはより高い感度を得るために
置かれた試料表面に照射した時，光電効果によって
マルチチャンネルディテクタ計測が採用されてい
放出される光電子をエネルギーアナライザでその運
る。イオンエッチィング法との組合せにより，深さ
動エネルギーを測定する。物質に固有な電子の結合
方向の組成分布や界面の結合状態に関するスペクト
エネルギー準位を調べることにより，物質表面の原
ルの情報も得られる。
子の結合状態と電荷の分布など電子の状態について
〈用途〉
情報を得ることができる。
ブとして用いているので，電子やイオンを使う方法
照射するX線の固有エネルギー値をhν，軌道電子
対象は非常に広く，
ESCAはX線をプロー
と比較して試料の損傷やチャージングが少ないた
の結合エネルギーをEb，この電子が物質の表面より
め，金属，半導体をはじめポリマー，セラミックス，
放出された時の運動エネルギーをEkとしたときの
触媒等，粒体や絶縁物，有機物等の産業用製品開発，
関係は
新素材開発，さらに生産技術，品質管理等に利用さ
Ek＝hn−Eb
で表される。hnは一定の値で
あり，照射X線として通常，自然幅の狭いMgKa
れている。又学術的な利用では半導体のバンド構造，
（1254eV），A1Ka
（1487eV）等の軟X線が用いられ，
原子内の電子構造研究があり，スペクトルの種類形
Ekをエネルギーアナライザで測定することにより
状の解析から分子軌道やエネルギー準位の研究，結
Ebが求められる。この場合物質内部で発生した光電
合エネルギー測定による固体表面に関する元素の拡
子のエネルギーは，せいぜい1500eV以下なので光電
散，気体の吸着，定性定量分析，ケミカルシフトの
子が物質表面まで進む間に消滅する確率が非常に大
測定による化合物の決定，構成元素の化学的結合状
きく，極表面の数nm程度から発生したものしか観測
態に関する研究に利用される。
61
光電子分光法
ESCA
XPS
光電効果
エネルギーアナライザ
1. ラボ用分析機器
1.3.4.2
電子線回折装置
Electron diffraction camera
〈原理〉
電子線回折装置は，それに用いられる電
る。図1（b）は電子線が透過できる薄膜試料の場合を
子線のエネルギーにより，低速電子回折（LEED）装
示しているが，バルク試料の表面構造を調べる反射
置と高速電子線回折（HEED）装置とに分類される。
高速電子線回折（RHEED）の場合も同じである。
電子線は荷電粒子であるとともに波の性質を持って
また，数百eV以下のエネルギーをもつ電子線を用
おり，物質内に入ると物質を構成する原子によって
いたLEED装置では固体表面の2次元的な原子配列
散乱され，原子を中心とした球面波ができる。もし
を決めることができる。LEED装置，RHEED装置と
物質が三次元的に規則正しい原子配列をした結晶で
も表面の研究を行うため試料を超高真空状態に置か
あると，それぞれの原子から拡がった球面波の間に
なければならず，多くの場合，電子線回折専用装置
位相関係が保たれ，互いに干渉し合って一方向にの
になっている。一方，HEED装置は専用装置として
み波が進むようになる。これがブラッグ反射で，図
は存在せず，電子顕微鏡像と電子線回折像との視野
1（a）に示すように原子網平面であたかも鏡面反射
対応性の要求から，電子顕微鏡の中にその機能が組
しているような関係をもち，反射波同士同位相で進
h
行する。このような関係は図から行路差2d sin（d：
み込まれている。図2に代表的な電子線回折法であ
原子網平面の間隔，h：入射角＝ブラッグ角）が波長
鏡像の光線図とともに示す。
る制限視野回折法（SA DIFF）の光線図を電子顕微
（l）
の整数倍nlに等しいときに保たれ，
ブラッグの式
〈特徴〉 X線回折法と比較して，試料は極微量あれ
としてよく知られた2dsinh＝nlが成立する。この
ばよく，薄膜，微結晶などからの情報，また，表面
ブラッグの式が電子線回折の基本であり，数十
層の情報も得られる。さらに，最近では，ナノメー
KeV以上のエネルギーをもつ電子線を用いた
タ領域からの電子線回折像を視野対応した状態で得
HEEDの場合には，
ブラッグ角θは非常に小さいので
られるようになっている。
（sinh≒h），n＝1としたときの条件式は，d・2h＝lと
〈用途〉 金属，半導体，無機物，有機物など広く
なる。図1（b）において，透過斑点を0，回折斑点（また
材料化学分野で使用されている。特に，最近では，
は環上の一点）をH，結晶からフィルムまでの距離
超微粒子，ニューセラミックスなど新素材の開発に
（カメラ長）をLとすると，OとHの距離rは，r＝L・2h
となり，rd＝Llが成立する。この式において，dが既
おける評価に多く利用されている。
知の標準試料でrを実測してLl を求めておけば，同
一条件の実験で未知の試料のdを求めることができ
62
電子線回折法 RHEED
LEED
制限視野回折法
1. ラボ用分析機器
透過電子顕微鏡
1.3.4.3
Transmission electron microscope（TEM）
〈原理及び概要〉
光学顕微鏡の光線の代わりに光
線と類似した性質をもつ電子線と，ガラスレンズの
代わりに電磁レンズを用いた顕微鏡で結像の基本原
⑤真空排気系
⑥電源・制御系
電子線源系は電子線を発生させる電子銃と加速機
能を持つ。タングステン・ヘアピン形，LaB6形，フ
理は同じである。
電子線は光線と比較すると，物質との相互作用が
ィールド・エミッション形等の電子線源を装備した
著しく大きいため，試料は非常に薄く，真空中に置
電子銃で発生した電子線を1段あるいは多段の加速
かれる。像の明暗コントラストを得るために，電子
管で加速する。
線が試料を透過する時に生じる散乱吸収，回折，位
電磁レンズ系は電子線を検鏡する試料上に集束さ
相の3つのコントラスト発生原理を目的に応じて利
せるための2段以上の集束レンズと試料を透過した
用する。
電子線を拡大結像させるための4段以上の結像レン
結像の原理を図1に示す。一定の波長を持つ電子
ズから構成される。回転対称な電界あるいは磁界を
線を試料に照射すると，
試料で散乱された電子線は対
利用したレンズであり，光軸合わせ用偏向器，非点
物レンズの後焦点面に回折（フラウンホーファー回
収差補正器等の組合せで使用する。TEM誕生の初期
折）図形を形成する。すなわち，試料から一定の方向
には電界レンズが使われていた。その後，エネルギ
に散乱された電子線が後焦点面で一点に集まること
ーフィルタのような特別な場合を除き，短い焦点距
になる。この後焦点面から2次波が対物レンズの像面
離を得やすいという理由で磁界レンズが広く用いら
上に試料の拡大像を作る。この像は後段の複数の中
れ，大幅に性能が向上した。
間，投影レンズで蛍光板に拡大結像される。中間レ
試料支持系は試料をナノメートル（nm）オーダの
ンズの焦点距離を変えることにより，顕微鏡像と回
精度で移動，傾斜，回転を行わせるステージ・ゴニ
折図形の切り換えが可能である。電子線を利用する
オメータ機構と加熱，冷却，引っ張り等の機能を持
ため複雑な装置となっているが，次に示す6つの基本
った各種試料ホルダで構成される。
要素から構成される。
観察・記録・検出系として，拡大結像された像を
①電子線源系
観察するための蛍光板と電子を直接写真フィルムに
②電磁レンズ系
記録する手法が一般的である。最近では輝尽性蛍光
③試料支持系
体のイメージングプレートに記録したり，蛍光材や
④観察・記録・検出系
YAG結晶で電子を光に変換し，撮像管やCCDを用い
63
電子顕微鏡
電顕
分析電顕 TEM
1. ラボ用分析機器
たカメラ（TV CAMERAまたはCCD CAMERA）で
医学・生物分野では，微生物，細胞等の生体組織
試料の動的観察を行い，ビデオテープ，光ディスク
の研究に応用されおり，材料科学分野では，粒界，
等の記録媒体に保存され，外部CPU（EXTERNAL
界面，析出物，格子欠陥，相転移等の研究に応用さ
CPU）
による画像処理・画像解析を容易にしている。
れている。特に，試料が微量で良いことから，生体
その他の検出系として，電子と試料の相互作用で発
高分子の研究に有効であり，ライフサイエンスの分
生した特性X線，反射電子（BE），二次電子（SE），走
野及び新素材，新機能素子の開発にともなう評価に
査透過電子（STE），エネルギー損失電子等を捕らえ
とっては不可欠な装置である。
る各種の分光器，検出器がある。図2に各種信号の基
本構成を示す。
真空排気系は電子線の通路を10 −5Pa以下の真空
に保つため，各種の排気ポンプで構成される。主ポ
ンプとして，油拡散ポンプ，ターボ分子ポンプ，ス
パッタイオンポンプ，クライオポンプ等があり，補
助ポンプとして，油回転ポンプが代表的である。各
種ポンプは必要な真空度に応じて選択され，
真空計，
弁，排気管の組合せで使用される。
電源・制御系は上記の各要素を動作させるために，
高い安定度を持つ電源と容易に操作可能なCPU制
御系から構成される。
分解能（d）は電子線の波長（λ）と対物レンズの球面
収差係数
（Cs）
から決定され，
次式で定義される。d＝
0．65・Csl/4・l 3/4すなわち波長が短い程，高い分解能
が得られる。一方，波長と加速電圧（V）の関係は，l
≒A・V−1/2（A：定数）で表されるので加速電圧を高
くすれば波長は短くなり，高い分解能が得られる。
汎用形の100kVから3MVまでの最高加速電圧を持
つ各種のTEMがある。
〈特徴〉 分解能が300kV−TEMでも0．18nm以下と
非常に高いため，物質の分子・原子レベルの微細構
造を観察でき，電子回折図形を利用して物質の結晶
構造を解析できる。また照射電子線によって試料内
で励起された特性X線をエネルギー分散形X線分光
器（EDS）でナノメートル領域の元素分析を行い，
電子エネルギー損失分光器（EELS）で試料を透過し
た電子線のエネルギー分析から元素分析や結合状態
分析を行うことができる。このような複合機能をも
ったTEMは分析電子顕微鏡（AEM）と呼ばれ，広く
利用されている。
〈用途〉
TEMを効果的に使用するために，薄い試
料を作製するための技術が重要である。生体試料や
高分子重合物は，ミクロトームと呼ばれる装置で超
薄切片にする。金属，半導体，セラミックス等の材
料は蒸着，電解研磨，イオンエッチング等の技術を
用いて薄膜にする。
64
1. ラボ用分析機器
1.3.4.4
走査電子顕微鏡
Scanning electron microscope（SEM）
〈原理〉走査電子顕微鏡（SEM）の原理は10 −3Pa以
子プローブの走査面積を小さくするに従って拡大さ
上の真空中に置いた試料表面を1〜100nm程度に細
れる。この画像を写真カメラで撮影するか，ビデオ
く絞った電子線でX−Yの二次元方向に走査を行い，
プリンタで記録する。信号量の少ない場合，画像積
試料表面から発生する二次電子，反射電子，透過電
算処理を行ってブラウン管画面像のS/Nの改善を図
子，
カソードルミネッセンス
（可視光，赤外線）
，
X線，
ることができる。電子プローブを走査せずに試料上
内部起電力などの信号を検出して陰極線管（ブラウ
の一点に固定して得られるX線を用いて照射点の元
ン管）画面上に拡大像表示あるいは記録計に記録し
素分析ができる。上記の熱電子銃の代わりにフィー
て試料の形態，微細構造の観察や組成元素の分布，
ルドエミッション（FE）電子銃を装備したFE−SEM
定性，定量の分析を行う装置である。
は1．5nm以下の高分解能で高画質が得られるため形
金属などの導体，IC，酸化物などの半導体，高
態観察に広く利用されている。
分子材料やセラミックスなどの絶縁物の固体，粉体，
〈特徴〉
薄膜が試料となる。
主に二次電子が試料の形態観察，
像の焦点深度が二桁以上深く，かつ二桁以上高い分
反射電子やX線が組成分析に使用される。
解能
（イン・レンズ形のFE−SEMでは最高0．
6nm）
が得
SEMは光学顕微鏡に比べて，得られる画
SEMの原理構成例を図1に示す。電子線は電子銃
られる。
主に使われる二次電子像は光学顕微鏡よりも
部のウェネルト円筒内の陰極
（フィラメント）
を加熱
高倍率
（×1000以上）
で，
しかも立体感のある像となる
して発生した電子が陽極で加速される。通常，0．5
ので，像の解釈は見たままで判断できる。
二次電子検
〜30kVに加速された電子線は集束レンズと対物レ
出器と反射電子やX線の検出器を装備して，同時に
ンズの電磁レンズ作用で最終的に3〜100nm径まで
多種類の情報を得ることができる。
また，特別に作ら
細かく絞られ，試料表面に照射される。この細かく
れた一対または二対の二次電子検出器，あるいは反
絞られた電子線を電子プローブと呼ぶ。電子プロー
射電子検出器で得た信号をコンピュータ処理して試
ブは走査コイルによって試料表面上のXとYの二次
料の深さ方向も含む三次元情報を得ることができる。
元方向に（通常のテレビジョンと同様に）予め設定さ
〈用途〉
れた面積を走査される。電子プローブの走査と同期
ス，セメント，ガラス，プラスチック，ゴム，石油，
したブラウン管画面上に試料から発生した信号をそ
塗料，医生物，半導体IC，集積回路，電子部品など
れぞれの信号に適応した検出器で検出，増幅して輝
の形態観察
度変調されて像表示される。ブラウン管画面像は電
分析に反射電子像やX線像が応用されている。
金属，鉄鋼，鉱物，無機物，セラミック
あるいは品質管理に二次電子像，元素
65
走査電子顕微鏡
二次電子
反射電子
SEM
電子プローブ
形態観察
1. ラボ用分析機器
1.3.4.5（1）
走査プローブ顕微鏡
Scanning Probe Microscope（SPM）
〈概要〉
走査プローブ顕微鏡（Scanning Probe
表面の三次元形状を測定する顕微鏡である。原子間
Microscope；SPM）は，1982年にIBM・Zürich 研究
力の検出には，先端に探針が付いているカンチレバ
所のG．Binning，H．Roherにより発明（1986年のノー
ーと呼ばれる微細な板バネの変形を利用する。
ベル物理学賞授賞）された走査型トンネル顕微鏡
〈用途〉
（Scanning Tunneling Microscope：STM）が原型で
SPMは，多様な環境で微小三次元形状や
色々な物理量の分布が，観察できる特徴を備えてい
ある。微少な探針（プローブ）を試料表面に走査し，
るため，様々な試料に広く応用されている。
試料表面の微細な構造を観ることができる。ＳＴＭ
（１）金属，半導体，有機物質などの表面形状観察。
は試料と探針間に流れる電流（トンネル電流）を検
出して表面構造を観る。ＳＴＭの発明の後に，試
料・探針間に働く原子間力を検出して表面形状を観
る原子間力顕微鏡が発明された
（ＡＦＭ）
。その後さ
（SEM等で観察できない数nm程度の微細凹
凸）
（２）Siウエハ，光学部品，薄膜などの，精密加工
表面の粗さ測定，断面形状計測。
らに試料探針間の様々な相互作用（摩擦力，電位，
（３）電子顕微鏡で観察が難しい，絶縁試料（高分
近接場光，磁気力，等）を検出して表面構造を観る，
子・有機薄膜・セラミック等）の観察。
FFM，SMM，SNOAM，MFM，…が開発された。
（４）大気中，培養液中の生体試料観察。
これらを総称して走査型プローブ顕微鏡
（ＳＰＭ）と
（５）ICパターン・光ディスク・マイクロマシンな
どの微細三次元形状観察。
いう。
AFMは，
その中でも最も普及しているSPMであり，
（６）ディスク，ヘッドなどの磁気力の分布の観察。
AFMを基盤とした上述のような新しいタイプの
（７）潤滑剤，複合材料などの摩擦分布の観察。
SPMが数多く研究・開発され実用化されてきてい
（８）ゴムや高分子などの粘弾性分布の観察。
る。SPMは，大気中，溶液中，真空中等の様々な環
（９）合金等の表面電位分布の観察。
境で，導電性・絶縁性を問わず試料表面構造を観察
（10）光の波長以下の微少領域の光学特性観察。
できる。
〈AFMの原理〉
AFMは，試料・探針間に働く原子間力（引力または
斥力）を検出し，これが一定になるように両者の距
離を制御しながら試料表面を走査することにより，
66
走査型プローブ顕微鏡
トンネル顕微鏡
原子間力顕微鏡
AFM
SPM
STM
1. ラボ用分析機器
1.3.4.5（2）
集束イオンビーム
Focused Ion Beam（FIB）
〈概要〉
集束イオンビーム（Focused Ion Beam，
FIB）装置は1985年頃から，半導体デバイス開発のツ
る二次電子や二次イオンを検出し，画像化し試料表
面像を得るものである。
ールとしてプロセスモニター
（断面加工，観察）
，配
マスクレスエッチング機能は，加工したい部分の
線変更，金属配線の結晶粒観察やフォトマスクの修
みにFIBを走査することによって，局所エッチング
正等を目的する装置が開発され，現在その応用分野
加工を行うものである。最近は反応性のガスを試料
は，TEM（透過電顕）の試料作製やマイクロマシニ
表面に供給しながらＦＩＢ照射によりエッチングを
ング等に広がっている。
行うガスアシストエッチングが製品化されている。
〈原理〉
通常のエッチングに比べて数〜数10倍のエッチング
FIB装置の構成は図１．に示す様に，イオ
ン源，イオン光学系，二次荷電粒子検出器，ガス銃，
速度が得られる。
ステージ，真空排気系，
コンピュータシステム等から
マスクレスデポジション機能は，膜付けの原料と
構成される。半導体デバイスの加工を対象とした
なるガスを試料表面に吹き付けながら，FIBを走査
FIB装置では，加工のスループットが重要となるた
して照射し，
局所的に膜の形成を行うもので，原料ガ
め，比較的質量数の大きなイオン種をスパッタリン
スにより，金属膜や絶縁膜の形成が可能である。
グ効率の良いエネルギーまで加速して使用すること
〈特徴〉
が望ましく，通常Gaの液体金属イオン源を用い，加
材質によるコントラストが強い。イオンビームスパ
速電圧20〜30kVで加速し静電式レンズで試料表面
ッタリングによる加工なので，
材質に左右されず，
加
へフォーカスさせる。液体金属イオン源は高輝度で
工時の熱・歪の発生は少ない。加工状況のモニタが可
ソースサイズが小さいことからFIBを得るのに適し
能なので正確・精密加工ができる。
ている。最近では、最大ビーム電流は20nA以上、
〈用途〉
2
最大ビーム電流密度20A/cm 以上、像分解能は5nm
SIMは走査電子顕微鏡（SEM）に比べて
（１）
半導体デバイス等の配線変更，
断面加工・断面構
造観察・金属配線の結晶粒観察
以下が得られている。
FIBには（１）走査イオン顕微鏡（Scanning Ion
Microscope：SIM）機能，
（２）マスクレスエッチング
機能，（３）マスクレスデポジション機能の3つの基
（２）フォトマスク修正
（３）
透過電子顕微鏡（TEM）や走査電子顕微鏡
（SEM）などの試料作製
（４）マイクロマシニング
本機能がある。
SIMはイオン照射によって試料表面から放出され
67
集束イオンビーム法
走査イオン顕微鏡
マスクレスエッチング機能
マスクレスデポジション機能
1. ラボ用分析機器
磁化率測定装置
1.3.9.1
Magnetic susceptibility measuring instrument
〈概要〉
差を求めると，この差電流は試料中の鉄等の含有率
本装置は，鉄鉱石，焼結鉱の中に含まれる純鉄，2価
に比例する。
の鉄等の含有率を磁化率の測定により求める装置で
図２に装置の構成例を示す。
ある。ただし磁化率測定のみでは正確な値は出せな
試料をセットし，試料質量，試料に加わる力Fを測定
いので，塩基度補正を行って含有率を求めている。
する天びん部，試料に勾配磁場を与える電磁石部，
天びん部を制御する天秤制御回路部，電磁石のコイ
〈原理及び特徴〉
ルに流す電流を発生する電磁石電源部，自動測定の
強磁性体を含む試料を不均一磁場に置いたとき，試
ために各部のシーケンスをコントロールするシーケ
料に働く力（F）は，
ンスコントローラ，各部からの測定データをコンピ
ュータへ送出するためのインタフェース部，最後
F＝rM・dH/dX……（１）
ただし
r：強磁性体の磁化率
の含有率をプリントアウトするコンピュータから成
M：強磁性体の質量
る。特徴としては試料を手でセットし，スタートボ
dH/dX：磁場勾配
タンを二度押すだけで，後は自動測定が行われる。
で与えられる。今外部より試料に加える磁場勾配
また試料質量測定用の天びんも兼用しているので，
dH/dXが一定であれば，単位質量当りの力F/Mは，
専用の質量測定用天びんは不要で試料質量測定精度
を上げるため，電磁石に残留磁気消去回路を付加し
F/M＝r・dH/dX……（２）
の関係が成立し，F/Mはσに比例する。このことから
ている。
試料に加わる力F/Mを測定し，化学分析の結果との
〈用途〉
相関関係を知っていれば，試料の強磁性体の含有量
を求めることができる。
鉄鉱石，焼結鉱等の中に含まれるFe，FeOの含有
量を迅速，簡便に定量測定できるので原料の受入検
図１に動作原理図を示す。天びんビームの傾きを
査（工業分析）に威力を発揮する。
光電検出して，天びんビームが元の状態に戻って平
衡するようフィードバックコイルに電流を流すと傾
きと電流とは比例関係となる。この天びんビームに
試料を乗せたまま電磁石の電流を流したときと，流
さないときのフィードバックコイルに流れる電流の
68
磁化率
強磁性体
磁場勾配
電磁石
1. ラボ用分析機器
1.3.9.2
内部摩擦測定装置
Inner friction measuring instrument
〈原理〉
まず駆動コイルに電流を流すと慣性体に取りつけら
内部摩擦とは，ある物体に蓄えられた振動エネル
れた永久磁石とコイルの電流の作用により慣性体は
ギーが熱エネルギーとして散逸する現象をいう。例
ある角度回転する。これにより試料はねじられる。
えば鐘を突くと
（鐘を突くことは，
衝撃のエネルギー
コイルの電流を止めると，試料のバネによりもとの
を振動エネルギーとして鐘に蓄えたことになる。）こ
位置に復帰しようとする。このとき慣性体の慣性モ
の鐘の振動を音として聞くことができるが，この音
ーメントにより自由減衰振動を起こす。この自由減
は時間と共に小さくなる。音が小さくなるのは振動
衰振動の周波数及び減衰量を測定して内部摩擦（１
エネルギーが音として空気中に放出されるだけでな
サイクルあたりに内部で消費されるエネルギーの比
く，鐘の内部で熱エネルギーとなって散逸するから
∆W/Wで表示する）を算出する。振動の検出には光
でもある。
（内部摩擦は金属関係者の使う言葉で，非
学的に行うものと，電磁的に行うものがある。
金属関係者は動的粘弾性という言葉を使う。
）内部摩
〈特徴〉
擦の程度（音の小さくなる割合）
は，温度と振動の周
物質の物理的性質を非破壊的に測定することがで
波数により変わる。ある物質に振動を与えて，振動
きる。しかし内部摩擦の測定は運動を測定すること
振幅が小さくなる割合を，温度あるいは局波数を変
になるので外来の振動の影響を受けやすいため，設
化させて測定していくと，ある温度，あるいは周波
置場所には十分な配慮をする必要がある。
数で小さくなる割合が最大となる。これは振動を加
〈用途〉
えられた物質の固有の性質により一義的に決まる。
（１）不純物原子の種類，量の測定，特に鉄鋼メー
周波数帯域及び温度範囲により各種の内部摩擦測定
カでは冷延鋼板に固溶されている炭素，窒素
方式がある。図1はその1例で逆吊りねじり振動法と
の量を日常的に測定している。
呼ばれるものである。この方式での周波数帯域は
（２）結晶の格子欠陥の量及び転位エネルギーの測
10−2〜101Hz程度で，温度範囲は−150℃〜800℃程度
定
（３）プラスチックの動的ヤング率，剛性率の測定
である。
図1について説明する。慣性体が滑車を通してワ
イヤーで吊されている。この慣性体と固定台の間に
（４）プラスチックの軟化点の測定
（５）接着剤の硬化温度，あるいは時間の測定
試料を装着する。滑車を通してワイヤーで吊すのは
試料に引張応力，圧縮応力を加えないためである。
69
内部摩擦
振動エネルギー
粘弾性
摩擦測定
非破壊測定
1. ラボ用分析機器
1.4
1.4.1.1
分離分析装置
ガスクロマトグラフ
Gas chromatograph（GC）
〈原理〉
ある媒体に固定された固定相に接するよ
器（FTD）が挙げられる。
う移動相を流して成分分離を行う手法をクロマトグ
TCDはキャリヤーガスと試料成分との熱伝導度の
ラフィーと呼ぶが，移動相に気体を用いるものをガ
差を利用するもので，フィラメントに流れる電流の変
スクロマトグラフィーと言い，このために用いる装
化を測定する。キャリヤーガス以外の成分の検出が可
置がガスクロマトグラフである。分離は主に分析対
能である。FIDは水素炎中で有機化合物の炭素がイオ
象成分の蒸気圧及びそれの固定相に対する親和性で
ン化するのを利用して高感度の有機物検出を行う。
決まる。固定相には吸着剤又は使用温度で液状の溶
ECDは放射線又は放電によりキャリヤーガスをイオ
媒（液相）が用いられる。前者はそのまま粒状とした
ン化させ，この時生成する電子と親電子性物質との
ものを径2〜6mm，長さ数mの管に充填し，後者はこ
親和性を利用する。有機ハロゲン化物などの選択的
れを不活性な多孔質担体粒
（通常珪藻土）
に含浸した
高感度検出を行う。FPDは還元性水素炎中で分子内
ものを上記の管に充填する。これを充填（パックド）
硫黄や燐が炎光するのを利用して含硫黄，含燐化合
カラムと言い，管材は硬質ガラス又はステンレス鋼
物の選択的検出を行う。FTDは加熱されたアルカリ
を用いる。一方径0．5mm以下，長さ数十mの細い管
塩の雰囲気中での燐や窒素のイオン化を利用して含
の壁面に直接液相を保持させたものを毛細管（キャ
燐，含窒素化合物の選択的検出を行うものである。
ピラリー）カラムと言い，管材は石英又はステンレ
これらの各要素から成る装置の構成例を図2に示す。
ス鋼が用いられる。毛細管カラムは分離が良い上に，
〈特徴〉
石英を材質とするものは内面が不活性であること，
きな気体を移動相に用いるため，一般に高速液体ク
更に液相を化学的に結合できるなどの利点がある。
ロマトグラフに比べて分離能に優れ，迅速分析が可
このため定性，定量への精度が向上し，多成分分離
能である。また検出器の種類も多く感度も高いため，
や微量成分の分析に使われ出している。毛細管カラ
試料の蒸気圧も極微小でよく，有機高分子試料は熱
ムへの試料導入法は，濃度に応じてスプリット法，
分解法で，固体や液体中の揮発性成分はヘッドスペ
スプリットレス法などがある。毛細管カラムを使用
ース法で試料導入される。
した時の典型的な試料注入口の構造を図1に示す。
〈用途〉
代表的な検出器として熱伝導度検出器（TCD），
水素炎イオン化検出器（FID），電子捕獲検出器
（ECD），炎光光度検出器（FPD），熱イオン化検出
液体に比べ粘性が小さく，拡散係数の大
大部分の無機物及び熱により容易に変性
する有機物を除く物質に適用できる。品質管理から
各種分野の研究まで極めて広く応用される。自動化
されてプロセス用，環境監視用にも用いられる。
70
ガスクロマトグラフ
クロマトグラフィー
パックドカラム
キャピラリーカラム
1. ラボ用分析機器
高速液体クロマトグラフ
1.4.2.1
High performance liquid chromatograph（HPLC）
〈原理〉
固定相および移動相と呼ばれる相接する
また重視される。特別な分析用として1mr/minから
二つの相が形成する平衡の場において，種の化合物
の 極 微 量 の 送 液 可 能 な ポ ン プ や ，分 取 用 と し て
を，
その両相との相互作用
（吸着，分配，イオン交換，
10mr/min以上の送液が可能なものも用いられてい
分子サイズ等）の差によって分離定量する手法をク
る。検出器として最もよく使用されるのは，化合物
ロマトグラフィーといい，この中で移動相として液
の紫外線吸収強度を測定する紫外線検出器で，8〜
体を用いるものを液体クロマトグラフィーと呼ぶ。
20mr程度のフローセルが装着されている。屈折率の
そして，これを自動的に行わせしめる装置が液体ク
変化を測定する示差屈折率計検出器や蛍光光度計検
ロマトグラフであり，なかでも，移動相を高圧で送
出器，電気化学検出器，電気伝導度検出器などもし
り，分離時間を短縮したものを高速液体クロマトグ
ばしば用いられる。特別な場合を除き，ng〜mgの
ラフ（HPLC）と呼んでいる。装置の構成例を図１に
化合物が定量できる。
試料を含有した数mr〜 数百mrの溶液を試料注入
示す。
カラムは通常，内径1〜6mm，長さ5〜30cmのス
テンレススチール管で，直径3〜10mmの微小な充て
ん剤（固定相）が緻密に充てんされている。クロマト
器を用いてカラムに導入する。最近では試料注入を
自動的に行うオートサンプラーも多用されている。
多成分を短時間で分離するために，分析中に移動
管材質として，
ガラスやプラスチックが用いられる。
相組成を変化させるグラジェント溶出装置がよく用
高分離を得るために，これらのカラムを複数直列に
いられているが，組成の変化をマイクロコンピュー
接続したり，また，分取用として内径数十mmのカ
タで制御する装置が一般的である。
ラムが使用されることがある。
〈特徴〉
カラムは，カラムオーブン中に格納され，一定温度
な化合物を容易に測定できる。
定量性に優れており，
に保たれる。
また，分離した化合物を容易に分取できるなど，他
送液ポンプは装置の中枢となるもので，図２に示
揮発性が不十分な化合物，熱的に不安定
の分離法にはみられない特徴をもっている。
すような往復動形小プランジャポンプが最も多く用
〈用途〉
いられており，安定で定量的な送液を行うために，
び種々の高分子化合物を対象成分にした一斉分析と
プランジャの駆動法に様々な工夫がなされている。
して医学，生化学，薬学，高分子化学，天然物化学
通常，0.01〜9.9mr/minの送液流量範囲と，400kg/
分野をはじめ，食品や環境測定分野など，広い範囲
cm2程度の吐出圧力が要求され，経済性や保守性も
の分野で応用されている。
イオン性化合物，変化しやすい天然物及
71
高速液体クロマトグラフィー
紫外線検出器
充てん剤
示差屈折率検出器
電気化学検出器
1. ラボ用分析機器
アミノ酸分析装置
1.4.2.2
Amino acid analyzer
〈概要〉
アミノ酸の自動分析装置は，1958年頃に
開発され，その後，種々改良され今日に至っている。
特に，微細で均一なイオン交換樹脂やオートサン
リンは440nmに吸収がある）また，ニンヒドリン試薬
以外にOPA（O−phthalaldehyde）試薬を用い蛍光検
出を行なうこともできる。
プラの開発，また送液技術の向上やコンピュータ技
〈特徴〉
術の導入によって分析時間の大幅短縮や装置の操作
く，検体の連続分析が全自動でできることを最大の
性の向上とデータ処理の簡素化を可能にした。アミ
特徴としている。装置は図1に示すが，分析部本体，
ノ酸自動分析機の開発技術は，その後高速液体クロ
データ処理部から構成されている。本体は，
（1）
溶離
マトグラフィーを生み分離分析装置の普及に貢献し
液や試薬の変性を防ぐ保冷機能（2）溶離液中に溶存
た。
するガスを脱気させる機能（3）ベースラインのシフ
〈原理〉
アミノ酸分析装置はデータの再現性が高
アミノ酸は，アミノ基とカルボキシル基
トの原因となるアンモニアを除去する除去カラム機
をもつ両性物質である。溶液中のアミノ酸は，pHに
能などを備えており，市販の試薬キット，オートサ
より陽イオンとなったり，
陰イオンとなったりする。
ンプラ，データ処理器と組合せることによって，連
イオン交換法による複数のアミノ酸分離はこの特性
続分析に適した機能を有している。
〈用途〉
を利用している。
アミノ酸分析装置は天然のタンパク質を
即ち，カラムクロマトグラフィーでは，陽イオン
構成する約20種類のアミノ酸を分析し，主にタンパ
交換樹脂を充填したカラムに，予め，pHを酸性側に
ク質一次構造を決定する補助手段として生化学分野
調製した溶離液を流し，試料を注入するとアミノ酸
では用いられている。一方，医学分野では血液や尿
は陽イオンとなっているためイオン交換樹脂に吸着
中の遊離アミノ酸を分析することにより先天性代謝
される。溶離液のpHを酸性側からアルカリ側に段階
異常症のスクリーニングとして活用され，病院など
的に変えると等電点の小さい順，即ち酸性，中性，
の医務機器として用いられるようになってきた。こ
塩基性アミノ酸の順にイオン交換樹脂から解離溶出
の他，食飼料の研究開発や製品管理に広く使用され
する。解離溶出したアミノ酸はニンヒドリン試薬と
ている。
混合，加熱反応することによって呈色物質を生成す
る。
これ等を可視吸光度検出器で検出する。
（一般のア
ミノ酸は570nmに，プロリンやハイドロオキシプロ
72
アミノ酸分析計
イオン交換樹脂
ニンヒドリン試薬
OPA試薬
アンモニア除去カラム
1. ラボ用分析機器
カラムクロマトグラフ
1.4.2.3
Column chromatograph
〈原理〉
固定相を充てんした管
（カラム）
に移動相
低い）溶媒（C）を連続的に流すと，吸着力（あるいは
を流し，これによって移動相溶解している目的を分
溶解度）の比較的弱い成分（X）は早くカラム中を移
離する方法を広義の意味でカラムクロマトグラフィ
動して（X）と（Y）が分離される。
ーと称し，用いる移動相が気体の場合をガスクロマ
（2）先端分析法
トグラフィー，液体の場合を液体クロマトグラフィ
上から混合溶出溶液（X＋Y）をそのまま流し続ける
ーと呼ぶ。しかし，ここでいうカラムクロマトグラフ
方法で，
（Y）がカラムの下端に現われるまで（X）が純
ィーは狭義の意味のもの，つまり，液体クロマトグラ
粋になって流出していく。この方法は最初に溶出し
フィーに属し，直立したガラス管にシリカゲルやア
てくる成分しか純粋で得られないが，吸着力の強い
ルミナ粒子，あるいは有機高分子ゲルやイオン交換
微量成分を大量成分から分離する場合に有効である。
樹脂を充てんし，移動相となる液体を主に重力ポテ
ンシャルによって流すものを指す。カラムクロマト
（3）置換分析法
試料成分（X＋Y）より固定相に対する吸着性が強い
グラフィーでは試料中の各成分は移動相に溶けた状
溶媒，または置換剤（D）を流す。試料は固定相から洗
態で充てんカラムを通り，分離されたのち，カラム出
い流されて移動し，試料中の最も吸着力の弱い成分
口から順次溶出してくるので溶出液を何らかの方法
（X）が最も早く移動し，
（Y）は遅れる。溶出分析法の
で直接モニターして溶出成分を測定したり，また，溶
ように成分と成分の間に溶媒
（置換液）が現われるこ
出液をフラクションとして採取し，その中に含まれ
とはないので分離分析には不適であるが，混合物か
る成分を吸光光度法などで測定することが可能であ
ら一成分を濃縮するには有効である。クロマト管の
る。一般的に，カラムクロマトグラフィーでは一体型
例を図2に示す。
となった装置よりは，クロマト管，送液ポンプ，フラ
〈特徴〉
クションコレクタ，紫外吸光光度計，伝導度計などの
きさなどの差によって大まかな成分群に分ける簡単
各種モニターを組合せて構成したものが用いられる。
な方法であり，装置が簡単，分離が迅速という特徴
カラムクロマトグラフィーにおける分離法は，図
がある。フラクションコレクタによる成分群の分取
吸着性の大小，溶解度，極性，分子の大
には好適である。
1のように3つに大別される。
〈用途〉
（1）溶出分析法
成分群としての定性，定量のほか，分析
混合成分（X＋Y）をカラム上端から加え，これらよ
の前処理としての用途が多い。生化学，臨床化学，
り固定相に対する吸着力の弱い（あるいは溶解度の
天然物化学の分野に多く用いられる。
73
力ラムクロマトグラフ
カラムクロマトグラフィー
1. ラボ用分析機器
1.4.2.4
イオンクロマトグラフ
Ion chromatograph（IC）
〈原理〉 イオンクロマトグラフィーは，イオン類，
する。このため，両者間の差が大きい溶離液を選択
特に微量無機陰イオン類やアルカリ金属，アルカリ
する。サプレスト式では，分離の後に反対イオンを
土類金属，アンモニウムイオンなどの分析に，極め
変換し，バックグラウンドを引き下げる。例えば，
て有効な分離分析方法である。
溶離液には希薄な電解質溶液を用い，分離カラム
陰イオンの測定においては，
Na2CO3/NaHCO3やNaOH
などの希薄な電解質溶液を用いるが，これ自体の電
には低交換容量
（0．
01〜0．
1meq/g）
のイオン交換樹脂
気伝導率が高いために高感度の測定が困難である。
（粒子径：5〜10mm）を充填したものを用いる。試
そこで，分離カラムを通過後，サプレッサのイオン
料溶液は試料注入器から注入され，分離カラムで選
交換を利用し，Na＋をH＋に変換し，溶離液自体を低
択係数（イオン交換能）の差にもとづき分離される。
電気伝導率の溶液（H2CO3，H2O等）に変換させる。そ
イオンの検出には，汎用性，高感度，有速応答性，
の結果，
バックグラウンドの電気伝導率は低くなり，
広い直線性などの点で電気伝導度検出器を用いるこ
S/N比は改善される。
とが多い。
イオンクロマトグラフィーにおける検出下限濃度
一般に，溶離液に電解質溶液，検出器に電気伝導
としては，数ppb〜数十ppbである。検出器では，電
度検出器を使用した場合，溶離液自身の持つ電気伝
気伝導検出器のみではなく，測定試料によっては吸
導率が大きいため，測定対象イオンによる電気伝導
光光度検出器や電気化学検出器を用いる方が有効な
率の微小変化を信号として検出することが極めて困
場合もある。
難となる。そこで，
①低電気伝導率の溶離液
（有機酸
〈特徴〉
（1）迅速，かつ高感度の測定ができる。
系緩衝液など）を用いる，②溶離液の電気伝導率を引
（2）少量の試料で複数のイオンを同時に測定できる。
き下げるバックグラウンド減少装置
（サプレッサ）を
（3）共存物質の干渉が少なく，前処理も簡単である。
用いるなどの方法により，高感度，高安定の測定を
（4）濃縮測定が簡単に応用できる。（5）自動化が容易
可能にしている。この方法の違いにより，
前者をノン
である。
サプレスト式，後者をサプレスト式と分類している。
〈用途〉
河川水，雨水，湖沼水などの環境水，発
図１にサプレスト式，図２にノンサプレスト式の
電用冷却水，半導体製造用水，メッキ液などのプラ
構成例を示す。ノンサプレスト式の場合は，直接目
ント維持管理，電子材料，輸液などの製品管理，そ
的イオンを測定することになるため，溶離液イオン
の他元素分析，土壌，肥料，食品分析など広い分野
と目的イオンの電気伝導率の差に応じた信号を測定
で応用できる。
74
イオンクロマトグラフィー，サプレッサ，サプレスト式，ノンサプレスト式，イオン交換，イオンクロマトグラフ
1. ラボ用分析機器
分取液体クロマトグラフ
1.4.2.9
Preparative liquid chromatograph
〈原理〉
液体クロマトグラフィーの利用目的は混
（3）検出器
分取クロマトグラフィーでは通常，
合物の分離分析，分離精製であるが，このうち後者
溶出成分の濃度が高いため高感度検出器は不要で，
を目的として行うものを分取クロマトグラフィーと
高流量に耐えるセル構造，高濃度域までの広いダイ
いい，それを装置化したものが分取クロマトグラフ
ナミックレンジが要求される。紫外線分光光度計が
である。分取クロマトグラフィーはカラムの内径，
多用されるが，光路長を短くした（1mm以下）セル
充てん剤粒径によって図1に示すように分類される。
を装着して用いる。
これらのうちカラム内径５cm以上のものを使用す
（4）リサイクルシステム
構造が似かよった成分
る工業用大規模分取では中低圧液体クロマトグラフ
群の分離分取では，図2に示すようにカラムから溶
ィーが主に使用されるが，それ以下のカラム内径で
出した溶出液をカラムに再度導入し，分触効果を上
は，高速，高分離の特徴をもつ高速液体クロマトグ
げてから分取を行う。
ラフィーを用いた装置が主流であり，微量分取から
（5）フラクションコレクタ
時間分取型，計量分
大量分取にまで適用されている。吸着，分配，イオ
取型に加え，現在ではクロマトグラムの変化に対応
ン交換，サイズ排除等の分離モードがそのまま適用
し，ピークを自動認識して微量から大量まで，精密
でき，大量分取のためには分離分取操作を多くの場
な分取を行うものも市販されている。
合自動化し，何回も繰返して行う。装置としては高
（6）全自動制御機能
試料の純度，移動相の組成，
速液体クロマトグラフィーの設備機能の大型化の他
カラム性能の変化で分離度や溶出時間が変動したり，
に，生産を効率的，経済的に行うための機能がいく
または，リサイクルを行う必要が生じるので，分離
つか備えられる。
条件，分取条件を逐次修正可能にする全自動制御機
（1）送液ポンプ
微量から大量までの高分離分取
能をもつ装置が主流となっている。
に対応するため，0．1〜150mr/min程度の広い流量
〈特徴〉
範囲と高圧送液能力が要求される。また，1回の分
的とする成分を高純度に精製することができ，
また，
離分取に要する時間を短縮するため，試料によって
精製することによって高付加価値のでる製品を大量
はグラジェント操作を行う場合もある。
に生産することに適している。
（2）試料注入方式
バルブ切換えによるループ注
〈用途〉
IR，NMR，MSなどによる構造解析を目
バイオテクノロジー分野における製品開
入方式とリザーバ切換えバルブを用いてポンプによ
発をはじめ，医学，天然物化学，薬学など広い範囲
り直接流路内に導入するポンプ注入方式がある。
の分野で利用されている。
75
分取液体クロマトグラフ法
分取
カラム
フラクションコレクタ
リサイクルシステム
1. ラボ用分析機器
1.4.2.9
サイズ排除クロマトグラフ
Size exclusion chromatograph（SEC）
〈原理〉 溶離液に溶解した試料をカラムに導入し，
種平均分子量，及び分子量分布を計算する。分子量
分子サイズの大きいものから溶出して，分離し定量
計算の手順を図２に示す。分子量既知の標準試料を
する手法をサイズ排除クロマトグラフィー（SEC）と
測定し検量線を作成する（a）。試料を測定しクロマ
いい，主に高分子物質の分子量，分子量分布の測定，
トグラムを得る（b）。
（ a）と（b）から標準試料に対す
オリゴマーの分離に用いられる。他の高速液体クロ
る相対分子量及び分子量分布を求める。
マトグラフィーと異なり，試料分子と充てん剤との
ポンプ，試料導入装置，カラム槽，検出器が一体
間にイオン的，疎水的相互作用がない条件下で行う
となったSEC専用装置は操作性が良く，安定性も高
点に特徴がある。図１に装置構成例を示す。SECは
いため，再現性良く精度の高い測定が可能である。
ゲル浸透クロマトグラフィー
（GPC）とも呼ばれる。
また，近年示差屈折率検出器の他に光散乱検出器，
装置は，脱気装置，ポンプ，試料導入装置，カラ
ム，カラム槽，検出器，データ処理装置から構成さ
粘度検出器を接続して高分子物質の絶対分子量の測
定も行われている。
れる。ポンプはプランジャー型が最も多く用いられ
〈特徴〉 （１）高分子物質の各種平均分子量（重量
ており流量精度の高いものが必要である。試料導入
平均分子量，数平均分子量，Z平均分子量等）及び
装置はループ方式が一般的でありループは20〜
分子量分布が同時に測定できる。
500mrの固定ループが用いられる。自動試料導入装
（２）
測定可能な分子量範囲が広い（数百〜数千万）。
置（オートサンプラ）
を使用すれば多くの試料を連続
（３）測定条件がある程度限定されるため自動化が
で注入する際に非常に有効である。検出器には汎用
容易である。
性のある示差屈折率検出器が最もよく使われる。次
〈用途〉
いで吸光光度検出器が使われる。示差屈折率検出器
分子量分布測定あるいはオリゴマーの分離に用いら
は分子量測定に必須であり，吸光光度検出器はパタ
れる。化学工業製品，医薬品，食品等の品質管理や
ーン分析などに用いられる。カラムは，それぞれポ
研究開発，または生化学分野での研究に重用されて
アサイズの異なるゲルが充てんされたものを複数本
いる。
合成高分子，及び天然高分子の分子量，
連結して用いる。ゲルはポリマー系とシリカ系に大
別され対象物質及び溶媒により選択する必要があ
る。
データ処理装置はクロマトグラムを表示させ，各
76
サイズ排除クロマトグラフィー
（SEC）高分子物質 分子量分布測定 ゲルパーミエーション
（GPC）分子サイズ
1. ラボ用分析機器
1.4.3.1
薄層クロマトグラフ
Thin layer chromatograph（TLC）
〈原理〉
クロマトグラフィーは，固定相と移動相
きない場合は，そのスポット成分に反応する呈色試
に対する親和力の差により，種々の成分を分離する
薬を噴霧して発色させる。また，スポット成分が蛍
方法である。この相互作用は，吸着・分配・イオン交
光を発する場合は，水銀ランプなどの光を照射する
換などを初めとする各種の物理化学的原理に基づい
ことで確認できる。紫外線を吸収する成分の場合は
ており，それらの原理は，その性質を有する吸着剤
蛍光剤入りの薄層プレートを用いれば，紫外線を照
を用いることによって，利用されている。薄層クロ
射することにより確認できる。
マトグラフィーとは，ガラスなどの材質の板の上に，
分離された成分を定量する方法には，目的成分の
微粒子状の吸着剤を均一な厚さに塗布した薄層プレ
保持された吸着剤部分をかき取り溶媒に抽出してそ
ートを固定相として用い，移動相である各種の溶媒
の吸光度や蛍光強度を測定する方法や，放射性同位
の毛細管現象による浸透を利用して，試料中の各成
体を用いてラベル化しその放射線量を測定する方
分を展開分離する方法である。吸着剤としては，シ
法，薄層板に直接光を照射してその吸光度や蛍光強
リカゲル，アルミナ，セルロースなどが主として用
度を測定する方法，ガスクロマトグラフ用検出器と
いられるが，分離を改善するために別の吸着剤を混
して利用されている水素炎イオン化検出器を用いて
ぜた混合吸着剤が用いられることもある。展開溶媒
測定する方法などがある。その中でも，薄層板に直
としては，水，酸やアルカリの溶液，有機溶剤など
接光を照射して測定する方法は，試料を変化させず
が用いられているが，通常はそれらを混合して使用
に測定できるため，最も一般的である。
している。これらの吸着剤と溶媒の組み合わせによ
〈特徴〉
って，試料中の種々の成分の分離が実現される。
るため，同一条件で展開された標準物質との比較が
複数の試料を同一の薄層板上に展開でき
簡単にでき，また多検体を短時間に測定できる。薄
試料は，薄層プレート上にマイクロシリンジや定
容量のキャピラリー等を用いて滴下し，乾燥させた
層板も安価であり，その取り扱いも容易である。
後，展開槽内で，一端から移動相である溶媒を浸透
〈用途〉
させて展開する。一種類の展開条件では分離が不十
チック，色素，無機化合物などの様々な試料に含ま
分な場合，異なった展開溶媒を用いて直角方向に展
れる成分の測定に適用される。
医薬品，農薬，食品，生体試料，プラス
開操作を行う二次元展開が利用されることもある。
展開後，溶媒を十分に乾燥させた後，各スポットの
Rf値を測定して定性を行う。スポットが目で確認で
77
薄層クロマトグラフ
毛細管現象
TLC
クロマトグラフィー
薄層プレート
1. ラボ用分析機器
高速薄層クロマトグラフ
1.4.3.2
High performance thin layer chromatograph（HPTLC）
〈原理〉
HPTLC（高速薄層クロマトグラフィー）
定方式は，光束の大きさを分離後のスポットの直径
は，前項で述べたTLC（薄層クロマトグラフィー）
に合わせ直線的に走査するリニアスキャン（図１の
と原理は全く同じ分析法である。その原理について
（a））と，微小光束によリスポットを細分化してジグ
は，前項を参照されたい。クロマトグラフィーでは
ザグ状に走査するジグザグスキャン（図1の（b））が
吸着剤の粒径を初めとする物性が最も重要である。
あり，特にジグザグスキャンの場合はスポットの形
HPTLCでは，吸着剤の粒径を小さく均一にするこ
状による影響を受けにくく，各スポットの近傍での
とにより，少ない試料量，少ない溶媒量でかつ短時
バックグラウンド補正も可能である。また，プレー
間に高精度の分離が得られ，再現性の良い測定がで
トの不均一さによる影響を補正するために，二波長
きる。
測光法なども利用されている。測光は通常拡散反射
TLCに利用される吸着剤は，粒子サイズが10
測定であるため，高濃度になると測定された吸光度
〜40mmという広い分布をもつものであるが，市販の
が濃度に比例しなくなるため，クベルカ・ムンク変
プレコーティッドプレートでは5〜20mm程度の吸着
換などで補正を行うニアライザを内蔵した機器があ
剤が使われ，自家製のプレートより良い分離性能を
る（図２）。なお，中には，二次元展開された試料を
有する。更に5mm程度の非常に狭い粒度分布をもつ
測定するための機能をもった機器もある。
（図３）
吸着剤が使われているのがHPTLC用のプレートで
〈特徴〉複数の試料を同一の薄層板上に展開でき，
ある。
同じ条件で展開された標準物質との比較が簡単にで
HPTLCでは，サンプルチャージ量は，従来のTLC
きる。また多検体を短時間に測定でき，薄層板の取
に比べ約1/10以下の0．1〜1．0mrである。また，展開
り扱いも容易である。更に，分離性能や定量性が向
距離は3〜6cmで，従来のTLCでは５cm以上
上しており，微量の分析が可能である。
（10cm以上展開することが多い）必要であることに
〈用途〉薄層クロマトグラフィーと同じく，医薬品，
比べれば，溶媒のしみこみ速度が遅くなるものの，
農薬，食品，生体試料，プラスチック，色素，無機
実際に必要な展開時間は1/3〜1/10程度に短縮され
化合物などの様々な試料に含まれる成分の測定に適
る。TLCと同様に，一次元展開だけでは目的成分の
用される。また，より短時間で分析できるため，薬
分離が不十分な場合には，二次元展開が利用される
品などのルーチン分析にも使用される。
こともある。
測定は，前項のTLCと同様の手法で行われる。測
78
高速薄層クロマトグラフ TLC
薄層クロマトグラフ ジグザグスキャン リニアスキャン クベルカ・ムンク曲線
1. ラボ用分析機器
超臨界流体クロマトグラフ
1.4.4.1
Supercritical fluid chromatograph（SFC）
〈原理〉
固定相と移動相とに対する試料分析の相
加圧ポンプとしては，40MPa程度まで加圧可能な
互作用により，各成分に分離を行うクロマトグラフ
シリンジポンプ（キャピラリーSFC）や往復動ポンプ
ィーのうち，移動相として超臨界流体を用いるもの
（充填カラムSFC）が用いられる。液化炭酸など液化
を超臨界流体クロマトグラフィー（SFC）と呼び，そ
ガスを送液するために特に往復動ポンプでは，ヘッ
の装置を超臨界流体クロマトグラフという。
ド冷却装置を必要とする。
超臨界流体は，高圧，高密度の流体で，気体と液
カラム加熱装置は不可欠で空気浴式のカラムオー
体の中間の物性を持つ。拡散係数は，液体と気体の
ブンが使用される。温度プログラムは，昇温だけで
中間程度（D＝10−3cm2s−l），粘度は気体とほとんど
なく，降温プログラムも用いられる。温度範囲は充
同じで（g＝10 g・cm ・s ），密度は（q＝0．3〜1）液
填カラムSFCでは，室温〜100℃，キャピラリーカラ
体に近い。GCでは試料は移動相とはほとんど相互作
ムSFCでは，室温〜300℃が一般的である。
−4
−1
−1
用はなく，保持を支配するのは，固定相との相互作
圧力制御には，キャピラリーカラムSFCでは，一
用である。これに対してSFCでは，試料は移動相に
定の流れ抵抗を持つ抵抗管（10mm以下の内径の溶融
溶解するので，HPLCと同様，移動相，固定相の双方
石英管や，多孔質セラミック）
が用いられ，ポンプが
に対する相互作用により保持が支配される。保持を
移動相流量を変えて圧力を一定に保つ。充填カラム
制御する移動相に関するパラメータは，温度，圧力，
SFCでは，自動圧力制御装置が用いられ，ポンプは，
組成比，流速である。
一定流量で移動相を送り，圧力制御装置が流れ抵抗
流体としては，主として二酸化炭素が用いられる。
液体状態で臨界圧力（CO2：7.38MPa）以上に加圧後，
を変えて圧力を一定に保つ。
試料注入には，充填カラムSFCでは，HPLCと同様
臨界温度（CO2：31．3℃）以上に加熱することによ
の注入バルブが用いられ，数〜数10mrの試料が注入
り超臨界状態が得られる。
される。キャピラリーカラムSFCでは，注入量が数
10nrと非常に少ないので，通常は，注入バルブを用
SFC装置には，キャピラリーカラムを用いるもの
と充填カラムを用いるものの二種類がある。図１，
いた時間スプリット法が取られる。
充填カラムは，通常のHPLCで用いられるものと
2にこれらの典型的構成図を示す。それぞれ，キャ
ピラリーGCとHPLC装置に良く似た構成であるが，
同様，粒径3〜10mmのシリカゲル，あるいはシリカ
流体の加圧ポンプ，超臨界状態に保つための温度，
ゲル担体にアルキル基，フェニル基，シアノ基，ア
圧力制御装置がSFCには欠かせない。
ミノ基等を化学結合したものを耐圧ステンレス管
79
SFC
超臨界流体クロマトグラフィー
モディファイア
降温プログラム
超臨界状態
1. ラボ用分析機器
（内径1〜6mm）に充填したものである。キャピラリ
GCのプログラム，
LCの勾配溶出と同様の効果が得ら
ーカラムは，内径50mmの溶融石英管の内面に固定相
れる。
SFCにおいては，
主体となる流体
（多くは液化ガ
（ポリシロキサン等）
を薄く
（0．
2mm程度）
コーティン
ス）
に少量の有機溶媒を加えて用いることがある。こ
グしたものが用いられる。
の溶媒をモディファイアと呼ぶ。モディフ
検出器は，キャピラリーカラムSFCでは，主とし
ァイアの役割は：1）
固定相の活性点に吸着してその
てFID検出器が用いられる。この場合，カラムの終端
活性を弱める，2）
移動相の溶媒強度を高めるという
に接続された（終端そのものが抵抗管になっている
二つの役割がある。シリカゲル等を固定相とした吸
場合もある）抵抗管がFID検出器の水素炎の直前ま
着モードでは，試料成分の分子とモディファイア分
で入り込み，試料成分のすべてが検出器に入るよう
子の固定相への吸着が競合するので，溶出挙動は，
に工夫されている。FIDの特長は，ほとんどの有機物
その度合により決まる。モディファイアとアルコー
に対して応答する汎用検出が可能ということにある
ルなどの極性溶媒を用い固定相の活性を弱める。加
が，反面この性質のために，溶媒強度を増すために
える量は，通常数％から多くて10％程度である。
モディファイアと呼ばれる少量の有機溶媒を添加で
ODSカラム等を用いる分配モードでは，モディファ
きない。充填カラムSFCでは，耐圧セルを備えたUV
イアの添加は，移動相の溶媒強度を強める（試料成分
検出器が用いられることが多い。この場合には，圧
の移動相への溶解度を高め，溶質の分配を移動相側
力制御装置の前に置かれる。UV検出器では，UV吸
へずらす）効果がある。加えるモディファイアの量
収を持つ物質しか検出できないが，二酸化炭素のみ
は，数10％に及ぶことがあるが，この場合には，混
を移動相にした場合，190nmでの検出も可能である
合流体が気液の二相系ではなく超臨界状態を保つよ
のでHPLCでのUV検出よりは，汎用性が高い。ま
う温度，圧力に注意する必要がある。吸着，分配い
た，一般にモディファイアを加えた場合でも検出が
ずれのモードでも，モディファイアの添加量を増加
可能である。
させることにより，保持時間は減少する。添加量を
〈特徴〉 SFCにおける保持挙動は，LC，GCとは，
時間的に増すことにより，LCにおける勾配溶出と同
大分異なる。一定圧力下での保持挙動は，次のよう
様の効果があるが，前述の温度，圧力を変化させる
になる。SFCの場合には，移動相の密度が高い程，
方法に比べ，カラムの再平衡に要する時間が大きく
溶解度が増加する。一定圧力下では，温度が低い程
なりよりLC的操作に近づく。
密度が高くなるので，温度が低いほど保持時間が短
モディファイアの添加は，充填カラムSFCにおい
くなる。したがって，一般的には，温度を上げるこ
て良く行われる。これは，充填カラムがキャピラリ
とにより，保持時間を伸ばし，分離を改善すること
ーカラムより吸着性が強く，同一条件の移動相を用
が可能である。このことは，GCやLCにおけるクロマ
いた場合には，溶出が困難であることによる。
トグラフィーの常識に反することなので注意を要す
〈用途〉GCでは，分析ができない熱的に不安定な物
る。ただし，さらに温度を上げると，試料成分が揮
質，不揮発性物質で比較的分子量の小さい物質の分
発性であれば，蒸気圧の寄与が加わり，再び保持時
析に適している。オリゴマー，油脂成分の高分離な
間が短くなり，GC的溶出挙動を示す用になる。この
どは，その好例である。また，一般に固定相の試料
様な温度領域では，温度による密度変化と蒸気圧の
溶質にたいする選択性がLCにおけるより高くなるの
変化が保持に対して反対に作用するので，選択性を
で光学分割にも適している。充填カラムによる分取
上げることが可能である。また，この様な温度領域
は，LCより高速での処理が可能で，分画後の溶媒
から，臨界温度付近まで，温度を経時的に降下させ
除去が容易となる。これらは，今後期待される応用
ること（降温プログラム）により，GCにおける昇温プ
分野である。
ログラム，LCにおける勾配溶出と同様の効果を得る
ことができる。
一定温度においては，圧力を高めることにより，
密度が高まり，移動相の試料成分に対する溶解度が
増加し，保持時間が短くなる。したがって，一定温
度下では，圧力を時間とともに増加することにより，
80
1. ラボ用分析機器
ゲル電気泳動装置
1.4.5.1
Gel Electrophoresis apparatus
〈概要〉
現在バイオテクノロジーの分野でゲル電
〈使用方法〉
最もよく利用されるゲル電気泳動法
気泳動法という生体高分子物質（タンパク質・核酸な
について以下に記す。
ど）の分離分析方法が利用されている。
本法では支持
１．ポリアクリルアミド電気泳動法
体にはアガロースやポリアクリルアミドなどの分子
ゲルの網目構造が細かく，低分子量の粒子の分離に
篩いの働きのある物質を用いて主にタンパク質や核
適した電気泳動法。垂直型の電気泳動槽を用いて主
酸をその分子量の違いにより分離できる。
にタンパク質の分離に使用する。PAGEと略す場合
ゲル電気泳動を行う装置はゲルを設置する泳動槽
もある。タンパク質をSDSで処理するとタンパク質
と，直流電流を安定的に供給する電源装置から構成
は変性し，これを電気泳動すると分子量ごとに分離
される。泳動槽には槽の両端に陽極と陰極の電極が
できる。これをSDS−PAGEと呼ぶ。電気泳動後，ゲ
あり，その間にゲルを設置する。
電流は電極間をゲル
ルを泳動槽から取り出し，タンパク質染色を行うこ
を通って流れ，水に溶解したタンパク質や核酸など
とで，透明であったゲルに分離されたタンパク質が
の分子は分子篩い効果のあるゲルの中を移動するこ
バンド状に現れる。（図２）
とになる。分子は支持体の網目構造を引っかかりな
2．アガロースゲル電気泳動法
がらかいくぐるので，分子の移動速度は分子量の小
泳動する分子としては大きい核酸を分離する方法。
さいものが速く，大きいものが遅くなる。この移動速
水平型またはサブマリン方式と呼ばれ，アガロース
度の違いにより分子量ごとの分離が行える。このよ
ゲルを水平に置き，バッファー中に沈めて泳動する。
うな電気泳動を行うための装置をゲル電気泳動装置
泳動後，ゲルを取り出し，
核酸は蛍光染色剤を用いて
と呼ぶ。
染色する。染色後，
ゲルに紫外線を照射するとゲル中
〈特徴〉
の核酸から蛍光が発しバンドとしてみることが可能
（１）電源装置と泳動槽で構成される（図１）
となる。
（２）ゲルの設置方法に垂直型と水平型がある。
〈用途〉
（３）電極間（陽極と陰極の間）にゲルを装置する。
（１）タンパク質や核酸の純度検定。
（４）
ゲルはアガロースまたはポリアクリルアミドゲ
（２）上記試料の定量のための電気泳動。
（３）上記試料の分子量の確定のための電気泳動。
ルが用いられる。
（５）
泳動後，分離されたタンパク質や核酸は染色に
より可視化されパンド状に確認できる。
（図２）
（４）
核酸の電気泳動像のパターンより遺伝子診断や
個体識別の指標とするための電気泳動。
81
ポリアクリルアミド
アガロース
ゲル電気泳動
SDS−PAGE
1. ラボ用分析機器
1.4.5.2
キャピラリー電気泳動装置
Capillary Electrophoresis System
〈原理〉
一般に，
内径10〜200mm程度の細管を分離
成分の一部はミセルに取り込まれミセルと同じ速度
場とする電気泳動装置をキャピラリー電気泳動装置
で移動する。一方ミセルに取り込まれず水相中に存
と呼ぶ。この細管には通常フューズドシリカ管が使
在する分子は電気浸透流により液全体と同じ速度で
用される。キャピラリー内に電解質溶液を満たし，両
移動する。電荷を持たない中性物質も分離できる点
端に高電圧（数キロ〜数十キロボルト）をかけ，試料
が大きな特徴である。
（５）キャピラリー電気クロマ
成分を分離する。キャピラリーと電解液を入れるリ
トグラフィー（CEC）：電場の中で行なうキャピラリ
ザーバー，高圧電源装置，オンライン検出器から構成
ークロマトグラフィーのことである。試料成分と固
されている。その分離原理は幾つかの種類がある。
定相との相互作用に電気泳動による分離効果の作用
（１）キャピラリーゾーン電気泳動
（CZE）
：最も一般
が加わり，イオン性物質は高分離能が期待できる。
的なもので，試料の成分イオンはそれぞれの電荷と
〈特徴〉
サイズに応じた静電的力をうける。電気浸透流と電
リー内で電気泳動を行うため発生したジュール熱が
気泳動の作用で溶質成分を相互分離する。
（２）キャ
容易に放散し，高分離能を示す。
またキャピラリー管
ピラリー等電点電気泳動（CIEF）：種々の電離度を
をそのまま紫外・可視光検出器や蛍光検出器のフロ
もつ多数の両性電解質溶液を内面処理したキャピラ
ーセルとして使用できるため，HPLC同様定量的検
リーに充填し，陽極，塩基性溶液を陰極として電圧を
従来のゲル電気泳動に比して，キャピラ
出が可能である。
印加すると，それぞれの両性電解質は等電点の位置
（１）高速分離：ほとんどの試料で，3〜30分で分離
まで移動した後停止する。
この際，
両性成分を含む試
可能。
（２）分離能：107理論段/m以上（ゲル充填キャ
料を両性電解質溶液に加えておけば，試料成分はpH
ピラリー）
（３）質量感度：〜zeptomoleレベル（レー
勾配上の等電点の位置で濃縮される。
（３）キャピラ
ザー誘導蛍光検出器）
（４）
試料量：〜nlレベル。
（５）
リーゲル電気泳動（CGE）：ポリアクリルアミドなど
自動化：自動試料注入／自動バッファー交換／分
のゲルを充填したキャピラリー中で行われる電気泳
取／データ解析。
動である。分子ふるい効果を利用して核酸やタンパ
〈用途〉
ク質などを分離することが可能である。理論段数が
臨床化学の分野で使用されている。今後の応用開発
100万段にも達する超高性能分析法である。
（４）キャ
により，さらに多くの分野でルーティン分析機器と
ピラリー動電クロマトグラフィー（CEKC）：イオン
して用途が拡大されることと考えられる。
工業化学，薬品，食品，環境，生化学及び
性界面活性剤を添加してミセルを形成させる，試料
82
CZE
CIEF
CGE
CEKC
CEC 電気浸透流
等電点
1. ラボ用分析機器
ペーパークロマトグラフ
1.4.9.1
Paper chromatograph
〈原理〉
ペーパークロマトグラフィーは，固定相
20cm程度であるが，下降法では展開は速く展開距離
の保持体としてろ紙を用いるもので，ろ紙分配クロ
も40cm程度である。ろ紙をたんざく状に切って用い
マトグラフィー，ろ紙吸着クロマトグラフィー，イ
る一次元展開の他，正方形のろ紙を用いて一次元目
オン交換紙クロマトグラフィーに分類される。一般
の展開後溶媒の条件を変えて直角の方向に展開させ
には，固定相となる液体を保持させたろ紙を使用し，
る二次元展開も利用される。展開した各成分の確認
固定相液体とは自由に溶け合わない液体を移動相と
は，展開後ろ紙を乾燥させ，必要に応じて発色操作
する分配クロマトグラフィーが用いられる。通常，
による観察や紫外線照射による観察，蛍光による観
移動相よりも極性の高い水や水溶液などの液体を固
察などを行う。紫外線や蛍光の吸収，反射スペクト
定相とする順相分配クロマトグラフィーが用いられ
ルを観察し，精度良く定量を行うためのデンシトメ
るが，移動相よりも極性の低い液体を固定相とする
ータも開発されている。定性には，
逆相分配クロマトグラフィーが用いられることもあ
る。順相ろ紙分配クロマトグラフィーでは，ろ紙を
（
Rf値 Rf＝
溶質の移動距離
原点と溶媒先端の距離
）
そのまま使用し，ろ紙に試料水溶液を滴下して，水
を測定して各成分を判定する。
とは由由に混合しない有機溶剤をろ紙の一端から浸
〈特徴〉
透させると，ろ紙に保持されている水と有機溶剤と
軽に測定できる。また，ろ紙を曲げたり適当な大き
の間の分配係数の相違により成分が分離される。逆
さに切ることもでき便利である。ろ紙の種類や展開
相ろ紙分配クロマトグラフィー，ろ紙吸着クロマト
距離，試料量，展開方法などの条件が一定であれば，
グラフィー，イオン交換紙クロマトグラフィーなど
Rf値の再現性も良く定量分析も可能である。有機物，
ではアセチル化ろ紙，アルミナ処理ろ紙
無機物を問わず測定の対象となる。
カルボキ
展開槽以外に特に必要な器具はなく，手
シル化ろ紙など適当な前処理を施したろ紙や特殊な
〈用途〉
イオン交換紙が使用される。
マトグラフィーと同様に，医薬品，食品，生体試料，
展開方法
（図1参照）
には，
ろ紙の上端を保持具で支え
て下端を展開液槽に浸せきして展開液を上方に向かっ
薄層クロマトグラフィーや高速薄層クロ
色素，無機化合物などの様々な試料に含まれる成分
の簡易測定に最適である。
て展開させる上昇法と，
高所に置いた展開液槽中の展
開液にろ紙の上端を浸して展開液を下方に展開させる
下降法などがあり，上昇法は展開が遅く展開距離は
83
ペーパークロマトグラフ
ろ紙吸着クロマトグラフィー
順相分配クロマトグラフィー Rf値
1. ラボ用分析機器
向流分配クロマトグラフ
1.4.9.2
Counter current chromatograph
〈原理〉
移動相と固定相がともに液体でしかもお
返すと，振とう管の巧妙な構造により多段抽出が自
互は溶解度が非常に小さく，かつ比重に差があると
動的に行われる。この場合，二液がお互いに逆方向
する。いま固定相を細い管にみたして固定しておき，
に移動するので固定相が存在しないため，クロマト
固定相より比重の小さな移動相を管の下から導入す
グラフィーの定義には合致しない。この装置を連続
ると，移動相は液滴となって上方へ移動して行く，
向流分別抽出装置という。
この間に液々平衡が行われ，はじめに移動相中に含
〈特徴〉
まれていた混合成分は分離される。これが液滴向流
配における固定相の担体を用いないため，担体や担
クロマトグラフィーである
（図１）
。固定相より比重
体中の不純物の作用を受けないという利点がある。
の大きな移動相は上から導入する。
活性をもつ成分や粒子の分離に有効である。
次に，中心部に孔のあいた円板で仕切られた多数
〈用途〉
向流分配クロマトグラフィーは，液々分
アミノ酸，ペプチド，ヌクレオチド，り
の室をもつ管（ロキュラー管）を水平より25°
傾け，
ん脂質，アミン類などの生理活性物質や抗生物質な
固定相を入れておく。このロキュラー管を回転させ
どの分離精製，あるいは分子量決定のための当量決
ながら移動相を流す（図２）。移動相の比重と流す方
定など，生化学分野の用途が広い。
向の関係は液滴向流と同様である。この場合管の回
転によって各室内の攪拌が行われるので，液々法よ
り分配効率は高くなる。これを多段向流クロマトグ
ラフィー，あるいは回転ロキュラー向流クロマトグ
ラフィーという。
図３は，あらかじめ固定相をみたしたコイル管に
移動相を送り，コイルを回転させると1ターンのコ
イルごとに，絶えず底部と上部が入れかわるので両
相の混合がよく行われ，また，移動相は前へ進んで
行く。この方法によりさらに分離能は向上する。
一方，主管と副管の組合せより成るガラス製振と
う管を多数直列につないだものを用い，試料溶液，
及び抽出液を送りながら振とう，静止，傾瀉をくり
84
向流分配クロマトグラフ
液滴向流法
多段向流法
回転コイル法
連続向流分別抽出装置
1. ラボ用分析機器
1.5 分解・蒸留・分離・濃縮装置
精密蒸留水製造装置
1.5.2.1
Precision distillation water apparatus
〈概要〉
分析に使用する水は高度に精製された水
蒸留水は，溶解・非溶解・有機・無機物質を問わ
が要求される。蒸留水は古くから使用されている高
ず多種の成分が除去された水であり，一定の範囲内
純度な水で，現在でも「分析のバックグラウンド・
で水質は極めて安定している。
試薬の調製・器具洗浄」に広く使用されている。
実験室レベルでの水の精製法は蒸留の他に「イオ
ン交換・逆浸透・ろ過・電気浸透」があるが，それ
ぞれに一長一短のため，何種類かの方法を組合わせ
しかし，蒸留法では水の沸点に極めて近い成分の
分離は困難で，連続原水給水方式では水より低沸点
の成分が蒸留水に混入する。
また，蒸留水は蒸留時の雰囲気や原水水質，保存
方法にも影響を受ける。電気伝導率で水中の導電性
るのが一般的である。
蒸留水はJIS K 0l0l（工業用水試験方法）で規定さ
物質の混入度合いを表すが，空気中の二酸化炭素は
れている。
蒸留水に溶け，
イオン化し電気伝導率を増加させる。
〈原理及び特徴〉 図1は各種蒸留水の製造フローで
浮遊粉塵も凝集時に蒸留水に吸着される。
保存では，
ある。①の水質は原水により変動し，器具洗浄等に
外気あるいは容器からの成分の混入や細菌の繁殖な
使用される。②は原水による水質への影響が少なく，
どに注意を要す。
試薬の調製・一般分析試験等に使用される。③は2
〈用途〉
回蒸留法と呼ばれ，高純度の蒸留水が得られ培養用
具洗浄の他に，無菌的に精製されるため生物学的な
水・微量分析試験等に使用される。④・⑤は蒸留後
試験にも使用される。
にイオン交換を加えた精製水であり，微量分析試験
分析のバックグラウンド・試薬調製・器
ASTM（米国材料試験協会）Dl193-77項では，超純
水と言われるTYPE-1の原水に蒸留水を使用する事
等に使用される。
図２は代表的な装置の構成例である。活性炭で
が指示されている。
原水の有機物質・残留塩素を低減し，イオン交換樹
蒸留水は，使用目的により要求される水質も異な
脂でイオンを除去した後，蒸留を行ない水質を向上
り，一般的には「電気伝導率・有機物質・生菌数・
させている。
微粒子・発熱性物質」等の水質項目を考慮しなけれ
ボイラは蒸発面積が広く突沸が低減されている。冷
ばならない。
却器との間には，不揮発成分が混入するのを防ぐ，
飛沫同伴防止器が設けられている。また，操作性・
安全性も考慮されている。
85
蒸留
蒸留水
精製水
超純水
1. ラボ用分析機器
遠心分離装置
1.5.3.1
Centrifuge
〈原理〉
子供達が砂場で水遊びをして置き忘れた
離用，分析用のどちらにも使用できる分離分析用超
バケツの水は，上の方は透明になっていて，底の方
遠心機も市販されている。普及台数からいって，現
には砂が沈殿している。こんな場を経験したことが
在では遠心機といえば分離を目的とした装置を指す
あると思う。これは最初，水と混ざっていた砂の粒
場合が多い。
遠心機は，最も簡易なものでは，試料容器
（チュー
子が，地球の重力で沈殿した結果である。もう一度
この水と砂をかき混ぜ，静かにしておくと，大きな
ブ）
を収納するロータ，駆動モータ，回転速度制御系，
砂は早く沈み，細かい砂ほど沈みにくいことが判る。
タイマから構成される卓上形がある。
溶液中の微細な粒子は，液の分子の衝突によって
高級な超遠心機では次の機構を装備している。
常に運動していて，地球の重力では沈降しない。も
（１）ロータ温度制御系，設定範囲0〜40℃±1℃
っと大きな重力を人工的に作るには，容器ごと回転
（２）速度制御系，1,000〜120,000min−1±1％
させ，粒子（溶質）を沈降させればよい。このような
（３）真空系，到達真空度，0．133Pa
装置が遠心分離装置（遠心機）である。回転速度が高
（４）過速度防止安全系
く，大きな重力を発生できるものを，一般には超遠
心機とよんでいる。
ロータはアルミ合金やチタン合金製で60万gの遠
心力を発生できる。ロータ室はロータの空気摩擦を
超遠心機の創始者であるスヴェードベリは，その
遠心理論で，沈降係数は，
「単位遠心力あたりの沈降
低減するために高真空にされる。また，ロータ破裂
事故でも安全なように，
三重の防御壁を備えている。
速度」と定義した。通常はこの係数は非常に小さな
駆動モータは，従来，歯車式シリースモータがほ
ものになるため，10−13秒の沈降係数を1S（スヴェー
とんどであったが，最近ではコンピュータ制御のダ
ドベリ）とする実用単位を用いる。また，一定条件の
イレクト駆動高周波モータ方式が主流となりつつある。
もとでは沈降係数，拡散係数，分子量との関係式が
〈特徴〉
熱力学的に導びかれていて，半世紀以上経た現在，
方法である。密度差や沈降速度の違いがないと分離
広く認められている。
できない。
遠心機には，沈降係数，分子量，浮上密度など物
理論体系が確立されている物理的な分離
〈用途〉 病院検査室での血液分離，ワクチン製造，
理定数を測定するための分析用超遠心機と，試料の
生物学分野での細胞，細胞内微細構造，癌細胞など
濃縮，精製を目的とした分離用遠心機とがあるが，
の分離，遺伝子工学，ホルモン，酵素等の研究，合
最近では，付属部品を簡単にとり替えることで，分
成高分子化学，変ったところではウランガスの濃縮。
86
遠心分離
超遠心分離
沈降係数
1. ラボ用分析機器
純水製造装置（逆浸透式）
1.5.3.3
Water pure refinery
〈概要〉
収率が大きくとれ，1本のモジュールで供給水量の
RO（Reverse Osmosis：逆浸透）とは，水
50％までの透過水量を得ることができる。
は浸透するが水の中に溶解したイオンや分子は透過
一般的な装置の構造と水のフローを図３に示す。
しない性質を有する半透膜を用いて，水溶液にその
溶液の浸透圧以上の圧力をかけて水のみを浸透さ
原水はプレフィルタを経て，一度原水タンクに溜め
せ，溶質成分を加圧側に残すことによって，水のみ
られ，高圧ポンプにより，モジュール内に送り込ま
を得る分子サイズレベルでの超精密ろ過である。
れ連続的に透過水と濃縮水が得られる。濃縮水はド
〈原理及び特徴〉
レーンとして排出され，さらにモジュールから透過
図1に浸透，図2に逆浸透の原理
した水は，イオン交換樹脂及びファイナルフィル
を示す。
A
タを経て，高純水タンクに採取される。
浸透（図１）
〈用途〉
１．半透膜で仕切った容器の一方に真水，他方に
連続的にしかも同時に精製と濃縮ができ
るので，多種多様の分野に適用ができる。
食塩水を入れる。
２．食塩水を薄めようとして真水が半透膜を通し
て食塩水側に移動する。
３．食塩水側の水位が上昇し，一定のところで上
昇が止まり平衡となる。
４．この現象を浸透といい，液面の高さの差が，
その時の食塩水の浸透圧と等しくなる。
B
逆浸透（図２）
１．食塩水側に図1で示した浸透圧以上の圧力を
かける。
２．浸透は逆に，食塩水側から水だけが半透膜を
通して真水側に移動する。
３．この現象を逆浸透という。
この半透膜のモジュールは，中空繊維を用いてい
るので，膜充填密度が大きく，小さい容積のモジュ
ールでも大きい透過水量が得られる。また，水の回
87
逆浸透
浸透圧
高純水
透過水
濃縮水
1. ラボ用分析機器
1.6 熱分析・熱測定装置
熱重量測定装置
1.6.1.1
Thermogravimeter（TG）
〈概要〉
ができるものもある。
熱重量測定（ＴＧ）は試料の温度を一定の
試料周辺の雰囲気は空気の他，各種不活性ガス等
プログラムに従って変化させながら，その試料の質
量を温度の関数として測定する方法と定義される。
をフローする事や真空にすることにより制御でき
装置としてはＤＴＡとの複合型に構成されたものも
る。
多く普及している。
〈特徴〉
〈原理〉
等の現象を簡便に定量的に測定できる。温度範囲と
図１にＴＧの装置構成を示す。ＴＧは，
熱重量測定装置は，試料の熱分解や脱水
試料重量の計測を行う天秤系と加熱炉とから構成さ
しては，室温〜1500℃程度まで測定可能である。
れる。天秤系は，天秤ビームを駆動するためのコイ
〈用途〉
ル，マグネットからなる駆動コイルと天秤ビームの
性評価に用いられる。具体的には様々な条件下での
傾き検出器とから構成される。天秤ビームに設置さ
物質の熱分解温度，分解量の定量，付着水や結晶水
れた試料の重量変化による天秤ビームの傾きを検出
の定量，脱水温度等を測定し，耐熱性の評価に用い
し，駆動コイルにフィードバックを行い天秤ビーム
る。ゴム材料やコピー用トナーでは成分分析やカー
を定位置に戻す。フィードバックに要する駆動コイ
ボンブラックの定量にも用いられる。その他，食品，
ル電流を重量変化として検出する。試料温度は試料
薬品の含水量，乾燥条件の決定，熱安定性評価，金
皿近傍に配置された熱電対等で検出する。
属の酸化反応測定，窯業における焼成温度の評価等
無機，有機，高分子等様々な材料の耐熱
広い分野で利用される。またＴＧ曲線から反応速度
ＴＧの検出部の装置構成としては，天秤系と加熱
論的解析も良く行われる。
炉の位置関係により，図２に示したような３種類の
構成がある。持ち上げ型，吊り下げ型の縦型の構成
は，比較的大きな容量の試料まで計測しやすい利点
があるが，対流や浮力の影響を受けやすい。一方水
平型は対流や浮力の影響を受けにくく，試料周辺の
雰囲気制御のためのガスフローも行いやすい利点が
あるが，加熱炉内でのビームの伸びに対する補正を
考慮する必要がある。またサンプル，リファレンス
の２つの天秤機構を用い差動型に構成して，対流，
浮力，ビーム伸び等の影響を打ち消し，高感度測定
88
熱分析装置
熱重量測定
TG
熱分解測定
熱安定性評価
1. ラボ用分析機器
1.6.1.2
示差熱分析装置
Differential thermal analyzer（DTA）
〈概要〉
め∆Ｔは大きくなり，融解が終了すると急速にまた
示差熱分析（ＤＴＡ）
は試料と基準物質の
温度を一定のプログラムに従って変化させながら，
元の温度上昇曲線にもどり，∆Ｔも元に戻る。この
その試料と基準物質との温度差を温度の関数として
とき∆Ｔの信号は
（ｂ）に示した様に，ピークを示す。
測定する方法と定義される。温度変化に伴い，試料
これにより，∆Ｔの信号（ＤＴＡ信号）から試料の
が転移や反応を起こした場合，基準物質との温度差
転移温度や反応温度等を検出できる。（ｂ）に示し
が変化するため，これを検知する。
たように，試料での吸熱に伴う温度差をマイナス方
〈原理〉
向にとり，発熱に伴う温度差をプラス方向にとる。
図１にＤＴＡの装置構成を示す。試料と
基準物質を加熱炉内の対称位置に設置し，加熱炉を
〈特徴〉
温度プログラムに従って変化させ試料と基準物質の
化を追跡する有効な手段である。ＤＴＡ信号からは
温度を変化させる。この時，図１の様に熱電対を示
試料の転移温度，反応温度，及び転移や反応が吸熱
差型に配置し試料と基準物質の温度差を検出する。
現象か発熱現象かの情報が得られる。具体的には融
また試料側の熱電対で試料温度を検出する。図２に
解，ガラス転移，結晶化，気化，昇華，結晶転移等
測定原理を示す。
（ａ）は時間に対する加熱炉，基準
の相転移，脱水，分解，酸化，硬化等の反応現象を
物質，及び試料の温度の変化を表す。
（ｂ）は示差熱
捉える事ができる。またこれらの現象を試料の種類
電対で検出する温度差（∆Ｔ）の時間に対する変化を
を問わず少量
（数ｍｇ〜数十ｍｇ）で，特殊な前処理
表す。∆Ｔの信号がＤＴＡ信号と呼ばれる。基準物
を行う事無く広い測定温度範囲（−150℃〜1500℃）
示差熱分析は温度に対する試料の物性変
で測定する事が可能である。但し示差走査熱量測定
質としては，測定温度範囲で変化の無い物質（通常
（ＤＳＣ）
と異なりピーク面積からの熱量定量性は無
はaアルミナ等）が用いられる。
加熱炉の昇温が始まると，基準物質，試料ともそ
い。
れぞれの熱容量により，少し遅れながら昇温を開始
〈用途〉
し，やがて加熱炉の温度に追従して昇温する。∆Ｔ
や状態図の作成等の研究分野に用いられる。特に高
は，昇温開始後定常状態になるまでは変化し，定常
温まで測定可能なため，粘土鉱物の同定，セラミッ
後は試料と基準物質の熱容量の差に対応したほぼ一
クの燒結過程の解析，耐熱材料の熱劣化評価，ガラ
定の量となる。この定常状態の信号をベースライン
スの特性温度測定等にも使用される。
融点測定による物質の同定等の品質管理
という。温度が上がり，例えば試料に融解がおこる
と，
（ａ）に示したように試料の温度上昇が止まるた
89
熱分析装置
示差熱分析
DTA 融点測定
1. ラボ用分析機器
示差走査熱量計
1.6.1.3
Differential scanning calorimeter（DSC）
＜概要＞
示差走査熱量分析（ＤＳＣ）は試料と
御されたヒートシンクを持ち，試料，基準物質と，
基準物質の温度を一定のプログラムに従って変化さ
ヒートシンクの間に熱抵抗体を設け，この熱抵抗体
せながら，その試料と基準物質へ流入する熱流差を
の定まった場所で温度差を検知する。熱流のフィー
温度の関数として測定する方法と定義される。示差
ドバックは熱抵抗体を介してヒートシンクとの熱交
熱分析（ＤＴＡ）と同様，試料の転移や反応を温度
換で行われる。ヒートシンク−試料間，及びヒート
の関数として捕らえる。
シンク−基準物質間に流れる熱流差は検知している
＜原理＞
ＤＳＣ検出系においては，試料と基準
温度差に比例する。この温度差を温度−電圧変換素
物質の熱の出入りの差を温度差として計測し，この
子（熱電対等）で検知することにより，ＤＳＣ信号
温度差に対応した熱流をフィードバックさせる機構
として出力する。
を持っている。このフィードバック熱流の熱流差を
一般的な傾向として，入力補償型ＤＳＣでは熱流
電気的信号に変換しＤＳＣ信号として取り出す。こ
束型ＤＳＣのような熱容量のあるヒートシンクを持
の点がＤＴＡと異なる点である。ＤＳＣには検出系
たず，マイクロヒーターにて試料部周辺のみを昇降
の熱流フィードバックの方式により，入力補償型
温するため早い昇降温に適しているといわれるのに
ＤＳＣと，熱流束型ＤＳＣの２種類の測定方法があ
対して，熱流束型ＤＳＣではヒートシンクにより試
る。
料部周辺全体が温度制御されるため，ベースライン
の安定性が良いとされる。
（１）入力補償型ＤＳＣ
図１に示した様に，試料側，基準物質側それぞれ
＜特徴＞
ＤＴＡで得られる情報はすべてＤＳＣ
のホルダーに温度センサーとマイクロヒーターを設
でも得られる。さらにＤＳＣはＤＴＡより分解能が
置し，試料側，基準物質側の平均温度に基づき，マ
良く高感度で，熱量定量性がある。
イクロヒーターにて加熱し昇温する。
同時に試料側，
＜用途＞
高分子材料をはじめ様々な材料の温度
基準物質側の温度差に対応しそれぞれヒーター電力
に対する物性評価に用いられる。具体的には融解，
を供給し，熱流フィードバックを行う。試料，基準
ガラス転移，結晶化といった転移，反応，熱履歴の
物質それぞれに供給したヒーター電力の差を熱流差
検討，比熱容量の測定等が可能である。物質中の水
（ＤＳＣ）として出力する。
の挙動（不凍水，束縛水，自由水）の解析やタンパ
（２）熱流束型ＤＳＣ
ク質の変性等生化学分野への応用も可能である。
図２に示した様に，熱流束型ＤＳＣでは，温度制
90
示差走査熱量計
熱分析装置，DSC
熱量測定
融点測定
1. ラボ用分析機器
1.6.1.4
熱機械的分析装置
Thermomechanical analyzer（TMA）
〈概要〉
熱機械的分析は，試料の温度を一定のプ
ログラムに従って変化させながら，圧縮，引張り，
曲げ，ねじりなどの非振動的荷重を加えてその物質
試料の熱膨張や，転移による形状変化を計測するた
めのプローブでもっとも良く用いられる。
（ｂ）針入プローブ：
圧縮プローブの先端に針
の変形を温度の関数として測定する方法と定義され
状の細い突起を設け，局部的に大きな荷重をかけ，
る。最近は振動的荷重をかけたり，変形量を制御し
試料の軟化点を測定するためのプローブである。
ながら応力を測定する手法等，温度，応力，歪の関
（ｃ）引っ張りプローブ：
フィルム状，ファイ
係を見るため様々な拡張機能を持たせた装置も多
バー状の試料に用いられ，引っ張り荷重をかけ試料
い。
の熱膨張や熱収縮等を測定するためのプローブであ
〈原理〉
図１に代表的なＴＭＡ装置の構成例を示
す。加熱炉内に試料を設置し，位置検出部と荷重発
生部に接続されているプローブを試料にあてる。試
る。
（ｄ）曲げプローブ：
試料に曲げ荷重をかけ曲
げ変形量を測定するためのプローブである。
プローブの材質としては，石英ガラス，アルミナ，
料近傍には温度計測用の熱電対が配置される。荷重
発生部（磁石とコイル，分銅等）
からプローブを介し
金属等が用いられ，温度範囲や用途によって使い分
て試料に荷重をあたえながら，加熱炉にて試料温度
けられる。
を変化させる。温度変化に対応して試料の熱膨張や
〈特徴〉
軟化等，試料の変形がおこると，変形に伴う変位量
ガラス転移，軟化温度，熱収縮等を簡便に測定可能
がプローブの位置変化量として，位置検出部で計測
である。また温度範囲は−150℃〜1500℃の領域で
される。位置検出のセンサーとしては差動トランス
測定できる。
物質の膨張率を高精度で計測できる他，
（Linear Variable Differential Transformer :
〈用途〉 材料の膨張率測定としては高分子，金属，
LVDT）が用いられる。さらに機能拡張された装置
無機等様々な分野で利用される。高分子分野ではガ
では，応力･歪プログラムにより変位と力の関係を
ラス転移，軟化点，熱履歴の検討，応力−歪曲線の
制御し，試料の温度，歪，応力の関係を得る事がで
作成，弾性率測定等に利用される。ガラス，セラミ
きるようになっている。
ック分野では，ひずみ点，徐冷点測定や燒結過程の
ＴＭＡで用いられるプローブには，試料への荷重
検討，収縮率の測定等に利用される。
のかけ方に対応していくつかの種類がある。
（ａ）膨張・圧縮プローブ：
圧縮荷重をかけ，
91
熱分析装置
熱機械的分析法 TMA
膨張率測定
転移温度
1. ラボ用分析機器
熱量計
1.6.2.1
Calorimeter
〈概要〉
熱量計は，固体・液体試料の燃焼熱を測定
（g）
Ｗ：内槽水量
するためのものである。
〈原理及び特徴〉
Ｔd：内槽温度上昇（℃）
測定者の操作熟練度に関係なく
熱量標定用安息香酸（6320cal/g）を用いてあらか
一定の精度を得られるために，ここでは自動化した
じめ装置を校正すれば，Tdを測定することによって
熱量計について述べる。試料を高圧酸素を封入した
Qを求めることができる。
ボンブの中で完全燃焼させ，このとき発生する熱を
この装置では，得られた測定値は熱量単位でディ
一定量の水に伝えて，燃焼前後の水温上昇を測定す
ジタル表示され，また，内・外槽への水の導入・排水，
ることにより物質の燃焼熱が得られる。
温度調節や試料の点火，測定値のプリントアウトな
図1は，自動ボンブ熱量計の原理図である。
室温と
ど，ボンブの設定以外はすべて自動化されている。
同じ温度に調節された一定量の水が入った内槽（1）
〈用途〉
には，ボンブ（4）が設置されている。ボンブには，試
熱量測定方法）及び計量法に定める自動ボンブ熱量
料及び酸素約3．0×103kPaが封入されている。内槽
計で，1000〜7500calの測定範囲を有している。従
は，空気層を介して外槽
（2）で囲まれている。内槽温
来，石炭や原油・重油などのような燃料の発熱量測定
度が安定した時点で，試料が点火され，内槽水の温
用として用いられてきたが，近年，用途が拡大し，
度が上昇する。内槽温度に追従して，外槽に湯槽
（3）
食品や牧畜用飼料・牧草，
養殖魚のえさなどの燃焼熱
からの湯あるいは冷却水を注入することによって外
の測定に，また，ごみ燃焼時の熱量管理のためのご
槽温度が制御される。内・外槽の温度が等しければ，
み焼却時の燃焼熱や，薬品・火薬ほか危険物の燃焼
内槽からの熱リークがないため，このような温度調
熱の測定など広い分野で使用されている。
JIS M 8814（石炭類及びコークス類の発
節を，断熱制御と呼んでいる。断熱制御の下では，
燃焼によって発生した熱は，すべて内槽の温度上昇
に寄与するので，次式のように，燃焼熱は内槽温度
上昇に比例する。
Q＝C（W＋w）
×Td
ここで，Ｑ：燃焼熱
（cal）
Ｃ：水の比熱容量（cal/g・℃）
Ｗ：装置の水当量（g）
92
自動ボンブ熱量計
燃焼熱
比熱容量
1. ラボ用分析機器
比熱測定装置（断熱形）
1.6.2.2
Specific heat measuring instrument（Adiabatic type）
〈原理〉
一般に，
断熱状態で試料に熱量Qを加える
と，試料の温度は∆Tだけ上昇する。この際，試料の
れている。
比熱測定の精度は断熱条件をいかに満たしている
かどうかで決まり，その精度が高いほど試料周りの
比熱Cpは
構造は複雑となる。近年エレクトロニクスの発展に
Q
m∆T
で表される。ここにmは試料の質量である。
Cp＝
伴って装置が自動化され，精度の高いものが得られ，
操作も容易になっている。
断熱形比熱測定装置では，熱量Qは試料に挿入さ
〈特徴〉
断熱形比熱測定装置では定常的な状態に
れた加熱ヒータにより電力量として供給される。供
おける比熱が測定できる。非常に狭い温度範囲で生
給熱量Qに対応した温度上昇幅∆Tは熱電対などの
じる異常比熱を捕らえることはできないが，ある程
温度センサで測定される。
度の温度範囲にわたる熱異常は捕らえることができ
図１に示すように試料周囲にはヒータ線で覆った断
る。比熱測定から物質の最も基本的な物理量である
熱筒があり，試料と断熱筒の温度差は常に零になる
エントロピー・エンタルピー・ギブスの自由エネルギ
よう，断熱筒の温度を温度差調節計により調節する。
ーの値などが決定できる。
全体は鉄あるいは石英，ガラス製の容器に収められ
〈用途〉
真空装置に接続される。
測定は重要なものとなっており，熱エネルギーを保
近年省エネルギー的見地から物質の比熱
試料は固体・粉末・液体があり，固体の場合は所定
存するための蓄熱材の研究が活発である。化学工業
の大きさに加工し，粉末または液体の場合には金属
の分野では未知の化学反応の可能性とその収量を推
（銅・金・白金など）セルの中に充てんして試料とす
定するのにきわめて重要なデータを提供する。また
る。とくに熱伝導の悪い試料の場合はセルの中に熱
原子炉材料やロケット材料，金属材料，熔融塩の研
伝導のよい金属箔などを挿入して速く試料全体が均
究とも結びついてその重要性を増している。
一の温度になるよう工夫する。
比熱を高温領域まで連続測定すれば種々の原因に
断熱筒は金属
（銅・ニッケルなど）あるいは磁器で
できている。断熱筒の加熱はヒータ線を直接巻き付
基づく物質の相変化，ガラス状態の研究，その他包
接化合物中の分子運動などの研究に応用できる。
けたもの，あるいは間接的なものがあり，その形状
は球状または円筒状で，いずれの場合も断熱筒の温
度が均一な分布となるようヒータの巻き方が考慮さ
93
比熱測定装置
比熱
断熱形
自由エネルギー
温度測定
1. ラボ用分析機器
温度滴定装置
1.6.2.3
Thermometric titrator
〈原理〉
温度滴定は化学反応に伴う微小温度変化
は自動温度滴定装置の構成例である。
を測定して当量点の検出を行う滴定法である。化学
〈特徴〉 温度滴定装置には次のような特徴がある。
反応におけるエンタルピー変化を検出する方法で，
①非水溶媒の直接滴定が可能である。
他の方法では当量点検出が難しい反応でも，明瞭に
②弱酸及び弱塩基の高精度滴定が可能である。
当量点を検出できる場合がある。
③検出部は長寿命で保守が簡単である。
断熱した滴定槽に試料溶液を一定量とり，一定速
度で滴定試薬を徐々に加えると，試料溶液と滴定試
薬の反応によって溶液温度が変化し，当量点に達す
ると温度変化がなくなる。発熱反応の場合は温度は
④滴定対象物質が違っても同一の検出部が使用可能
である。
⑤滴定対象物質の着色などの影響を受けない。
図２は水酸化ナトリウムでほう酸を滴定した場合
上昇し，吸熱反応の場合は下降して一定値になる。
の滴定曲線を示したものである。電位差（pH）滴定で
実際の場合は希釈熱などの影響により，当量点到達
は検出の難しい当量点が，温度滴定の対照法，示差
後も，わずかな温度変化があるのが普通である。
法のいずれでも容易に検出できることが分かる。
温度変化の検出法には，溶液の温度変化を1個の
〈用途〉
温度滴定装置は，①ソーダ工業，②パル
温度検出素子を用いて検出する方法
（対照法）と，時
プ工業，③金属精錬工業，④表面処理加工工業分野
定数の異なる2個の温度検出素子を用いて検出する
など，高濃度の溶液を滴定する必要がある分野での
方法（示差法）
とがある。温度変化が微小な時は，示
工程管理に有効に利用されている。
差法を用いると当量点の検出が容易である。
滴定槽に滴定試薬をとり，一定量の試料溶液を添
加した時の温度変化を測定すると，試料溶液濃度と
温度変化が比例する領域がある。あらかじめ検量線
を求めておけば，この方法を利用して定量分析に利
用することもできる。
試料溶液に滴定試薬を一定速度で加える方法の場
合，滴定試薬量をx軸に，温度変化をy軸にプロット
した滴定曲線の変曲点が当量点である。当量点は内
蔵されたCPUなどにより自動的に求められる。図1
94
温度滴定装置
エンタルピ一変化
1. ラボ用分析機器
1.6.2.4
熱伝導率計
Thermal conductivity meter
〈原理〉 熱は，通常，温度の高い方から低い方へ
移動する。厚さd［m］の均質な板状材料があって，
料片の間に加熱線と熱電対をはさんで，密着させて
測定する。この加熱線と熱電対をはさんだ試料を低
高温面の温度をT H［℃］，低温面の温度をT L［℃］
温槽に入れて測定することにより−100℃〜室温，高
とし，この板状材料を通過する熱流量をQ［W/m2］
とすると，この板状材料の熱伝導率l［W/m・K］は
温槽に入れて測定することにより室温〜1500℃にお
ける熱伝導率の測定ができる。
式（1）で与えられる．（W：ワット，m：メートル，
K：ケルビン）
更に，簡便に熱線法で測定する方法として，熱伝
導率が既知で，断熱性が良く，弾力性のある基材の
l＝Q・d/（TH−TL）……（1）
表面に加熱線と熱電対を配置したプローブを試料の
熱伝導率の測定方法は種々あるが，大別すると定
常法と非定常法の二種になる。定常法は上記した板
平面部分に密着させて，試料の熱伝導率が測定でき
る。この場合の熱伝導率の算出は，式（2）のR/4pを含
状材料を通過する熱流量と表面の温度差が一定にな
るようにして，
式（1）に従って熱伝導率を算出する方
め，熱伝導率既知の基材を用いるために生ずる定数
K及びHを導入して，式
（3）
が与えられる。
法である。非定常法は熱が材料中を伝導して行く過
程で，温度の上昇を測定して熱伝導率を算出する方
法で，フラッシュ法や熱線法などがある。ここでは
2．303 log
（t2/t1）
−H ……
（3）
l＝K・I2・
T2−T1
図3にプローブの一例を示すが，この場合には，
迅速性と簡便さの面から一般に広く用いられてい
る熱線法（Hot wire method）
について説明する。
熱伝導率値が既知で安定な石英，シリコンゴム，そ
の他３〜４種類のリファレンス・プレートを用いて，
熱線法は，無限に大きな物体中に無限に細い加熱
個々のプローブを検定し，各々のK及びHの値を求
線を直線状に埋め込み，加熱線に一定電力を供給し
ていると，物体中の任意の点の温度は図1に示すよう
めておく必要がある。
〈特徴〉 測定が迅速であり，通常の熱線法では２
に時間経過に従って上昇する。この時の時間t1と，t2
における温度を各々Tl，T2［℃］とすると，加熱線
〜３分間で，プローブ法では，１分間で，試料が置
かれている温度での熱伝導率値を直読できる測定装
に流した電流値 I［A］と加熱線の電気抵抗R
［Ω/m］
から，熱伝導率l［W/m・K］は式
（2）
で与えられる。
置が市販されている。
〈用途〉 耐火材，断熱材，保温保冷材，建材，機
R 2．303 log
（t2/t1）
……
（2）
l＝I2・ ・
4p
T2−T1
この測定法は，図2に示すように同質の２個の試
能材などとして用いられるセラミックス，プラスチ
ックス，コンクリート，石，ゴム，織物，紙など。
95
熱伝導率計
熱線法
細線加熱法
プロ一ブ式
熱伝導率測定
1. ラボ用分析機器
1.6.2.5
サーモグラフ
Thermograph
〈概要〉
サーモグラフは，対象物表面から自然に
測定ができるために対象物に影響を与えず観測でき
放射されている赤外線をとらえて温度変換し，二次
る。（３）短時間測定が可能なために，動いている対
元の温度パターンを表示する装置である。
象物でも観測できる。
〈原理〉
〈用途〉
赤外線放射は物体の温度に相当する分子
電子部品や工業製品の評価・検査，設備の
や原子の運動によって起こる現象であり，その量は
点検や保守，医学的応用など広い分野で活用されて
その物体の温度と放射率に依存している。したがっ
いるが主な分野における応用を以下に示す。
て，特定の波長域での放射赤外線のパワーを測定し
１）電気・電子関係
て放射率補正すれば対象物体の温度を知ることがで
・電子部品，プリント基板の信頼性評価や熱設計
きる。これが赤外線を利用した温度測定の原理であ
・半導体製造工程の熱管理
る。図１にカメラ部，図２にコントローラの構成例
・IC，トランジスタ，ダイオードなど微小物体の検
を示す。ここで，対象物から放射された赤外線は集
査及び評価
光レンズにより集光されて赤外線検出器の受光素子
・冷凍冷蔵庫，エアコン，クーラの商品化テスト
上に焦点を結ぶ。これに水平方向および垂直方向の
２）自動車・機械関係
光学的走査機構を加えることにより二次元的な温度
・エンジン，マフラーなどの熱的解析
パターンが形成される。集光系の途中にはチョッパ
・ラジエータ，デフロスターの熱設計
ーミラーがあり，基準温度源からの赤外線と対象物
・精密機械の精度向上
からの赤外線を走査鏡の1周期ごとに切替えて赤外
３）建築関係
線検出器に入射させている。これはドリフトをふせ
・外壁材の剥離検査，結露検査
いで温度を正確に測定するための校正機構である。
・住宅設備機器の商品化テスト
赤外線検出器からの電気信号はリニアライザーで温
・建材の基礎研究，断熱効果の研究
度に正比例する電圧信号に変換され，ディジタル変
４）鉄鋼・金属関係
換される。コントローラ部では画像処理され光学的
・熔鉱炉・熱風炉・転炉・トピッドカーなどの耐熱レ
走査に同期した信号が加わり，温度分布像が白黒像
ンガ消耗の判定
またはカラー像としてモニタに表示される。
・圧延工程における温度監視
〈特徴〉（１）面として温度分布を観測できるため，
・鋳型の温度監視と熱設計
特異点などの見落としがない。
（２）非接触で微小面
96
サーモグラフ
温度パターン
赤外線放射
温度分布
1. ラボ用分析機器
複合形熱分析装置
1.6.7
Combined thermal analyzer
〈概要〉
（３）TG/FT-IR（熱重量−フーリエ変換赤外吸光分
複合形熱分析装置としては，複数の熱分
析技法を組み合わせたもの（TG/DTA等）と，熱分析
光同時測定装置）
技 法 と 他 の 分 析 技 法 を 組 み 合 わ せ た も の（ T G /
TG内の試料から発生したガス成分を，キャリヤー
FT-IR等）がある。いずれの場合も同一試料に対し複
ガスによりFT-IR側に設定したガスセルに導入し，
ガ
数の分析結果が同時に得られるため，情報量が飛躍
ス成分のIRスペクトルをリアルタイムで測定でき
的に増える長所がある。
るよう構成された装置である。通常，発生ガスの導
〈原理及び特徴〉
組み合わせる個々の装置につい
入パイプおよぴガスセルは，発生ガスの凝縮を防ぐ
ては，該当する項を参照されたい。以下に代表的な
目的で保温きれる。TGでのガス発生に伴う重量変
化の検知と，FT-IR側での発生ガス検知には，タイム
複合形熱分析装置について紹介する。
ラグがあるため，
厳密には同時測定とは言えないが，
（１）TG/DTA
（熱重量−示差熱同時測定装置）
熱天秤の試料ホルダ部に示差熱電対を配置し，試料
タイムラグが10秒以内であれば，同時測定としても
の重量変化と同時に，試料の吸発熱を示差熱電対で
事実上間題はない。TGとFT-IRの複合化により，試
検知できるよう構成された装置である。複合形熱分
料の熱分解によって発生するガスの定量をTGで，
析装置の中では最も広く使用されている。同時測定
ガス成分の定性をFT-IRで同時に行う事ができる。
により，単に測定時間が半減するだけでなく，同一
発生ガスが混合ガスの場合，
完全な同定は難しいが，
試料の同一条件下におけるデータとして，TGと
官能基のIR吸収ピークからある程度の同定は可能
DTAを比較できる。これにより，重量変化に伴う現
である。さらに，適切に選択した特定の波数域のIR
象が吸発熱いずれの反応であるか，また逆にDTA曲
吸収の，時間
（温度）に対する変化をプロットしたも
線の変化が質量変化を伴うか否かの判別が可能とな
のは，発生ガス分析曲線としてみることができる。
る。
このプロットとTG曲線を比較することにより，熱分
解反応の解析に有用な情報を得ることが可能である。
（２）TG/DSC（熱重量−示差走査熱量同時測定装置）
（４）TG/MS
（熱重量−質量分析同時測定装置）
DTAより熱量の測定精度を高めたものとしての
DSCと，TGとを組み合わせた装置である。但し，
TG内の試料から発生したガス成分を，キャピラリ
TG/DTAより構造が複雑となり，単独装置に比べ性
チューブやガスセパレータ等のインターフェースを
能が限定されるため，必要に応じて使い分ける必要
用いてMSのイオン化室に導入し，発生ガス成分の
がある。
97
複合形熱分析装置
熱重量分析
示差熱分析
示差走査熱分析 TG曲線
1. ラボ用分析機器
MSスペクトルをリアルタイムで測定できるよう構
成された装置である。MSとしては小形で高速スキ
ャンが可能な四重極形質量分析装置が良く用いられ
る。TG／FT-IRと同様，発生ガスの定量をTGで，
ガス成分の定性をMSで同時に行うことができる。
発生ガスの質量スペクトルをリアルタイムで連続し
て検出できるため，比較的単純な熱分解反応や，発
生ガスの予測がついている場合に有力な手法であ
る。各質量数のイオン強度の，時間
（温度）に対する
変化をプロットしたものは，発生ガス分析曲線とし
てみることができ，TG曲線との比較により，熱分解
挙動の解析に有用な情報を得ることが可能である。
（５）TG/GC-MS（熱重量−GC-MS複合形測定装置）
TG内の試料から発生したガスをガスサンプラでサ
ンプリングし，そのガスをGC-MSで分析できるよう
構成された装置である。試料から発生したガスが混
合ガスであっても，GC-MSにより分離定性ができる
ため，混合ガスの定性能力が高い特徴がある。
（６）DSC/FT-IR（示差走査熱量−フーリエ変換赤外
吸収分光同時測定装置）
FT-IRの試料室にDSCセンサー部を設置し，DSCデ
ータとIRスペクトルを同時に測定できる様に構成
された装置である。FT-IRとしては顕微鏡付きの装
置を用いることが多い。試料の相転移等に伴う熱流
変化をDSCで，そのときのIRスペクトル変化を
FT-IRで同時に測定できる。
〈用途〉
ここに挙げた熱重量測定（TG）との複合
形熱分析装置は，プラスチックをはじめ各種材料の
熱分解挙動の解析によく用いられる。また石灰の燃
焼過程の解析，電子部品からの加熱時発生ガスの分
析，薬品の熱安定性の評価，セラミックスや粉末冶
金材料のバインダの熱分解挙動の解明等にも用いら
れる。特にTG/FT-IR，TG/MSは発生ガス分析とし
て用いることができ，より多くの情報がえられる。
98
1. ラボ用分析機器
1.7
1.7.1
専用測定装置
有機微量元素分析装置
Micro organic element analyzer
〈原理〉
試料をPregl−Dumas法に基づいて熱分解
ば高度な操作技術を必要とせず水素，炭素，窒素の
し，有機物を構成する主要元素である水素，炭素，
３成分が同時に15分以内で測定でき，能率的で個人
窒素を定量的に水，二酸化炭素，窒素に変換し，こ
誤差も少なく精度良く分析できる。
れらを熱伝導度法によって検出する。ヘリウムに適
自動サンプラーやデータ処理装置などを装備すれ
量の酸素を混合した気流中で，1〜3mgの有機物試料
ば，連続分析も可能である。
を加熱分解し，さらに酸化銅と接触させて水素を水
〈用途〉
に，炭素を二酸化炭素に変換し，硫黄・ハロゲンな
開発や品質管理分析として広範囲に使用されてい
どの妨害物質を吸収除去した後，還元銅と接触させ
る。
て窒素酸化物を窒素に変換すると共に，余分な酸素
（２）ナフサ，灯油，重油，石炭，コークスなどの
を除去する。還元炉を出たガス成分は，ヘリウム，
燃料の燃焼効率計算に元素分析が使用されており，
水，二酸化炭素，窒素の4成分である。
最近では石油代替エネルギー研究（石炭の液化研究）
検出方法には大きく分けて図１の自己積分方式と
（１）医薬品や化学工業製品などの研究
などにも重要な役割を担っている。
図2のガスクロマトグラフ方式がある。前者は還元
（３）土壌中の炭素，窒素の分析は農作物成育研究
炉を出た混合ガスを一定容積のピストンポンプに集
上非常に重要な分析項目である。また下水処理余剰
め均一混合した後，3個の熱伝導度セルと吸収管と
汚泥などの有機質固体廃棄物をコンポスト化して土
ディレイコイルを直列に接続した検出系にガスを送
壌還元（肥料化）する研究や，地質調査研究などに
り，各々の熱伝導度セルの熱伝導度差を測定して，
も使用されている。
水素，炭素，窒素の量に相当する信号を得るもので
（４）海水や陸水
（湖沼，河川水）
中の浮遊物質（プ
ある。後者は還元炉を出た混合ガスをカラムによっ
ランクトン）や底質（へドロなど）の有機物の分析
て分離し，熱伝導度検出器によって検出するもので
も行われ、赤潮などによる汚染や有機物のリサイク
ある。実際の分析は水素，炭素，窒素の含有率が既
ルを研究する上で重要になりつつある。
知の標準試料を分析し，検出感度を基にして未知試
（５）大気中の塵埃などの微粒子，自動車排気ガス，
料の含有率を決定する。
煙道排気ガス中の微粒子の有機物分析などの環境汚
〈特徴〉
染研究にも使用されている。
重量法や容量法に基づく分析方法は人為
操作が多く，高度な操作技術が要求され，しかも分
（６）特殊な分析法として燃焼炉の温度を変化させ
析に時間を要することが難点であった。本法によれ
無機物中の結晶水などの分析も可能である。
99
自己積分方式
ガスクロマトグラフ方式 Pregl-Dumas法
酸化銅
還元銅
1. ラボ用分析機器
水分測定装置
1.7.2
Water content measuring instrument
〈概要〉
水分は，固体，液体，気体物質のもって
容量法は，ファクタ既知のKF試薬を用い，ビュレ
いる含水質量の百分率で表されるが，液体試料や気
ットによって滴定を行い，滴定終点までに要したKF
体試料の場合には，試料容量に対する含水質量の百
試薬量から，試料中の水分を求める。
分率で表されることもある。また，気体の場合には
電量滴定法は，よう化物，二酸化硫黄を主成分と
するピリジン，メタノール混合液体に試料を加え，
湿分あるいは湿度とも呼ばれている。
水分の測定方法には，乾燥法，カールフィッシャ
電気分解により内部的によう素を発生させて試料中
ー法，赤外線吸収法，誘電率法などがあるが，これ
の水と反応させる方法で，この時，よう素1モルと
らのうち主としてカールフィッシャー法と乾燥法
水1モルが定量的に反応する。電気分解により発生
が，実験室で用いられており，赤外線吸収法と誘電
するよう素量は，ファラデーの法則により，加えた
率法は主としてプロセス用に使われている。
電気量に正比例するので，この電気量から試料中の
水分は存在状態により種々の分類があり，名称も
水分が求められる。
一定でないため，測定値の取扱いには注意が必要で
容量法によるカールフィッシャー水分計の構成例
ある。物質表面に機械的に付着している水分は付着
を図１に示す。滴定フラスコに，試料に適した溶剤
水分，自由水分あるいは湿分と呼ばれている。また
（脱水したもの）を入れておき，ピストンビュレッ
一定の条件のもとにおいて，物質に吸着されている
トを用いてKF試薬で滴定し，終点で止めると滴定フ
水分は吸着水分または平衡水分と呼ばれている。物
ラスコ内は無水の状態になっている。滴定終点は，
質自体に化学的に結合している水和水，結晶水など
溶液中に浸した2本の白金電極間に，微小の一定電
は化合水分又は結合水分と呼ばれている。
流を流して分極させておき，滴定が進んでKF試薬が
〈原理及び特徴〉
過剰となると消極し，急激に電流が流れるので，こ
（１）カールフィッシャー法の原理
の現象を利用して電気的に終点を検出している。
カールフィッシャー法による水分定量法は，よう
次に，秤量した試料を試料投入口から滴定フラス
素，二酸化硫黄，ピリジンを含むカールフィッシャ
コ内に入れ，攪拌しながらKF試薬で滴定し，終点に
ー試薬（以下KF試薬）が，メタノールの存在下で
なると，滴定試薬量とKF試薬のファクタ及び試料秤
水と特異的に反応することを利用して，物質中の水
量値で演算し，試料中の水分量をppmまたは％で表
分を定量するもので，この方法は滴定の進め方によ
示することができる。
KF試薬は，
試薬内部で自然に反応が進むのと，使
り，さらに容量法と電量滴定法に分けられる。
100
カールフィッシャー法
水分計
付着水分
吸着水分
結晶水分
1. ラボ用分析機器
用中に大気中の水分が混入するなどの原因で，ファ
加熱温度を高めると，より速く乾燥されより速く水
クタ（水当量）が徐々に低下するので，使用する前
分定量ができるが，試料によっては温度が高いと熱
にチェックを行う。図1の構成のものは，一定量の
分解が生じて正しい結果が得られないことがあるの
水を含んだメタノールを標準物質として，自動的に
で，標準法として，粒子の大きさ，容器形状，容器
KF試薬のファクタをチェックし，その値を用いて水
材質，加熱時間などを規定していることが多い。
分量を計算するものである。
加熱乾燥法では，割合に長い時間が必要なことと，
電量滴定法によるカールフィッシャー水分計の構
加熱したときの減量がすべて水とは限らないこと
成例を図２に示す。滴定試薬には，陽極試薬（よう
や，空気中の酸素で酸化されて重量変化の起こるこ
素発生液）と陰極試薬（対極液）の2種類を用いる。
ともあるので，注意が必要である。簡単なものは，
陽極試薬は，よう化物を電解酸化してよう素を発
上皿天秤と赤外線乾燥ランプを組み合わせ，上皿天
生させてKF試薬を作るものであり，対極試薬は還元
秤にのせた試料をランプで乾燥させるというものが
反応をうけもつ試薬である。
用いられている。最近は，操作を迅速にするため，
装置の滴定スタートスイッチをONにすると，滴
直示天秤や電子天秤を用いて，秤量所要時間を短く
定セル内の電極間に電解電流が流れてよう素が発生
したり，乾燥時間の短縮のため高周波誘導加熱方式
し，セル内が無水の状態となる。電解電流の大きさ
を使用しているものもある。
は，セル内の水分量に応じて自動的に制御され，終
（３）カールフィッシャー法の特徴
点近くなって水の量が少なくなるにつれて電解電流
容量法は，すべての測定の標準となる分析法であり，
も減少し，終点に達するようになっている。したが
ISO，JIS，ASTM，DINなどあらゆる公定の水分測
って，精度も上り，分析所要時間も短縮される。
定に用いられる。KF試薬を用いた正滴定及び逆滴定
次に秤量した試料を試料入口から滴定セル内に入
が可能なので，適用範囲が広い。脱水溶剤も各種の
れ，攪拌しながら滴定をスタートさせると，電流制
試料に適したものが市販されており，気体，液体，
御を行いながら終点まで電気分解を行い，終点にな
固体の試料の測定ができる。容量法では，数ppmか
ると，通じた電気量から水分量を換算し，試料秤量
ら100％H2Oまで測ることができる。
値で演算してppmまたは％で表示する。
電量滴定法の水分計は，マイクログラム単位の水
電量滴定法は，検出感度が非常に高く，従って，
ごく微量の水分が定量できる。測定範囲は数mg
が定量可能であり，標準物質を用意する必要がない
〜30mgH2Oである。
ので，使用に便利である。
（４）乾燥法水分計の特徴
最近ではピリジンを含まないKF試薬が開発され
手軽に固体試料の水分が定量できる。水分の非常に
測定時の不快感がなく操作性が良く，また反応が速
多いものでも容易に測定できる。測定範囲
やかに進むため迅速な測定ができるようになってい
100％H2O
る。
〈用途〉・有機酸，アルコール，アセタール，エー
また，電量滴定法において，前述した陽極試薬
（よう素発生液）と陰極試薬（対極液）の両方の役
割を持つKF試薬も開発されている。これにより，
電量滴定において，
１液で測定が可能となっている。
テル，炭化水素など有機化合物の品質管理
・無機塩水和物，酸無水物，塩基無水物など無機化
合物の水分量管理
・医薬品，肥料，農薬などの水分管理
カールフィッシャー法の化学反応式を次に示す。
・鉄鉱石の化合水定量
H2O＋I2＋SO2＋3RN＋CH3OH
・石炭，コークスの付着水定量
→2RN・HI＋RN・HSO4CH3
RN：塩基
数％〜
・砂糖，飴，菓子などの食品類の含水量測定
・紙，布類の水分測定
（２）乾燥法による水分計の原理
・プラスチック，ゴム類の含水量測定
固体試料を水の沸点以上の温度に加熱して一定時間
・気体湿度の精密測定
保ち，加熱前後の試料の減量を水分として求める方
法である。試料は加熱されると，最初の減量は小さ
いが，次第に大きくなり，最後は一定値に近づく。
101
1. ラボ用分析機器
密度・比重計
1.7.3
Density/specific gravity meter
〈原理〉
密度や比重を測定する方法には，浮きば
準物質（通常，乾燥空気と脱気水）を用いてセル定
かり比重計法，ピクノメータ法，ワードン比重瓶法，
数を求めた後，試料を測定セルに導入して振動周期
ハバード比重瓶法，固有振動法など種々の方法があ
を測定し，その温度における密度を求める。
るが，計測器として自動装置化できる一例は，固有
〈特徴〉
振動法を応用したものでる。
動周期，密度，比重のいずれでも表示可能である。
試料の測定は，約2〜3分で行われる。振
図１に示すような，細いU管の両端を固定した測
測定できる密度の範囲は，0〜3g/cm2で，恒温ブロッ
定セルに液体を満たして振動を与えると，試料セル
ク の 温 度 変 動 幅 が 0 ．0 1 ℃ 以 内 の 場 合 に は ± 1 ×
はその質量に比例した，その物質固有の振動周期で
10−5g/cm3の精度が得られる。
振動する。このときの固有振動数はその試料の密度
に比例し，両者の間には式（１）の関係が成り立つ。
f＝
1
・
2p
試料の量は，1．2mrからと少量でも測定できるも
のもある。装置によってはJIS K 2249原油及び石油
製品の密度試験方法にもとづく温度による密度換算
C
……… （１）
!
##
dV+M
値，ブリックス度やアルコール度等の表示で直読ま
ここに，f：固有振動数，C：弾性係数を含む定数，
たはプリントアウトできるもの等がある。
d：振動部分に入っている液体の密度，V：振動部分
〈用途〉
に入っている液体の体積，M：液体が入っている振
ASTM D1250などの試験方法による石油製品。
動部分の質量，である。
（２）JIS K 0061の測定方法による化学製品。（3）清
振動周期1／fをTとおけば，式（２）が成り立つ。
2
T3＝
涼飲料の原料及び製品。
（４）アルコール飲料の原料
及び製品。（５）ファインセラミックス原料粉末の顆
2
4p dV 4p M
+
………………… （２）
C
C
2
（１）JIS K 2249，ISO 91/1，IP-200，
粒化工程における粉末スラリー溶液の密度測定。
2
ここで，4p V/Cと4p M/Cは一定であるから各々を
（６）その他，あらゆる液体の密度又は比重の測定。
A及びBとすれば，式（３）として表わすことができ，
振動周期Tを測定することによって密度dを求める
ことができる。
T2＝Ad+B …………………………… （３）
図2に示すような，恒温ブロックに測定セルを埋
設して，温度を一定に保った状態で，密度既知の標
102
振動式密度計
比重計
ブリックス度計
アルコール度計
1. ラボ用分析機器
1.7.4（1）
粘度測定装置
Viscosity measuring instrument
〈概要〉
石油化学，高分子化学，食品工学，薬品
（２）
t＝gD
工学等において，工程の管理及びその他の要求から
ここで，g は比例定数であるが，粘度又は粘性係数
粘度測定に対する必要性が急速に増加している。し
という。（1），（2）式はニュートンの粘性法則といわ
かし粘度を測定しようとする場合各試料すなわち流
れている。
体を調べてみると，水，アルコールのようにニュー
トン流体（粘性力が速度こう配に比例する）系と，
高分子物質の溶液やコロイド溶液の非ニュートン流
体系があり，使用する粘度計によって，それぞれ違
った値が得られることも考えられる。ここでは粘度，
ニュートン秒毎平方メートルとポアズの関係は
（3）
式になり，ポアズの1/100をセンチポアズ（略記号
cP）という。
1N・s/m2＝10P
（３）
g
粘度 をその流体の密度qで割ったものを動粘度i
動粘度の単位及び簡単に操作ができるガラス製毛細
という。CGS単位としてストークスの1/100をセン
管式粘度計について説明する。
チストークス
（略記号cSt）という。
水の中に円柱を入れ静かに回転すると，円柱に接
動粘度測定で，毛細管式粘度計では，一定容量の
するところから水が同じ方向へ回転し始め，やがて
液体が同一条件下で粘度計の毛細管を流れる時間を
その周りの水も回転するようになる。
測定し，その流出時間tと粘度計の定数Cの積で表
このように流体（気体や液体）は，となりの部分の
される。
運動に引きづられる性質をもっている。この性質を
粘性という。図1に示すように流体が層状に流れて
（４）式はまた（５），（６）式でも表される。
いて，流れと直角方向に速度こう配dv/dy（ずり速度
動粘度（cSt）
＝
ともいう）があるとき，その速度の変化の方向（y軸
方向）に垂直な面において，その単位面積当りに作
（４）
n＝C×t
粘度（cP）
密度（g/cm3）
（５）
動粘度（cSt）
＝粘度計定数
（C）
×流出時間（s）
（6）
用する粘性力をt（ずり応力という）とすれば，ずり
応力tは速度こう配dv/dyに比例し，その関係は次
式で表される。
dv
t＝g
dy
あるいはdv/dy＝Dとおいて
（１）
103
粘度測定装置
毛細管式粘度計
ニュートン流体
非ニュートン流体
動粘度
1. ラボ用分析機器
〈原理及び特徴〉
ガラス製毛細管式粘度計は比較
りを校正しておかなければならない。これらの校正
的簡単な構造をしており，精度高く粘度が測定でき
には，校正用標準液を用いる。日本工業規格JIS
るので古くから現在まで広く用いられ，図２のよう
Z 8809粘度計校正用標準液に各種類の動粘度，粘度
に多くの人々により設計，改良製作されている。代
が規定されているので，最適な標準液を用いる。
表的なものに，オストワルド粘度計，キャノンフェ
洗浄：粘度計には毛細管を使用しているため，洗
ンスケ（改良オストワルド）粘度計，キャノンフェ
浄は特に注意して行わなければならない。試料の最
ンスケ・不透明液用（逆流形）粘度計，ウベローデ
適洗剤（例えば
粘度計がある。いずれも一定体積の試料が自然落下
波洗浄を2〜3回繰り返す。その後一度乾燥する。次
により毛細管を通して流れるのに要する時間を測定
にアセトンを入れ同様超音波で洗浄し，蒸留水又は
して粘度を求める。
純水で洗い流し，乾燥させる。乾燥器使用の場合は
この粘度計の特徴は
130℃以下で行う。
（１）試料密度を測定しないで直接動粘度が求められ
る。
（２）0．002〜20，000cStの広い範囲の粘度が測定でき
る。
ベンジン等）を管内に入れ，超音
その他の粘度計：短管式粘度計（レッドウッド粘
度計，セイボルト粘度計，エングラー粘度計）
，加圧
形細管粘度計，傾斜形細管粘度計，細管式連続粘度
計（定流量式，定圧式，ピストン式）
，回転粘度計，
（３）比較的精度よく測定できる。
落体粘度計，平行平板粘度計等があり，目的に応じ
（４）試料が少量でよい（約10〜15ml）
てその測定範囲，精度，ニュートン流体，非ニュー
などであり，図２で示した粘度計は日本工業規格
トン流体への適合，不透明液体に対する適合をよく
JIS Z 8803粘度測定方法に規定されている。
調べ，それぞれの長所を生かした粘度計を選別し，
測定方法はキャノンフェンスケ粘度計に例をとる
と，図３のように
（１）粘度計を逆さにし管Nを試料中に入れ，管Lよ
使用する。
〈用途〉
試料によって使い分ける。
（１）透明液体用 オストワルド粘度計，キャノンフ
ェンスケ粘度計
り吸引して試料を標線m2まで満す。
（２）粘度計をすばやく図2のように戻す。試料は落
（２）透明用
（３）粘度計を恒温糟に入れる。このとき，粘度計は
（３）少量試料用 キャノン・マニンクセミミクロ粘
度形（JIS K 2283）
垂直状態にし，試料が測定温度になるまで静止
させる。
（４）管Lより加圧又は管Nより吸引して試料の上方
液面がm1より約5mm上に来るようにする。
（５）試料を自然に流下させ，標線m1からm2までの間
の流出時間（0．1秒まで）を計る。
（６）以上の測定を繰り返し，２回の測定値が±２％
以内で一致したら，その平均値（秒）を動粘度を
計算式 i＝C×t（4）に代入して求める。
（７）粘度計定数（C）は，各粘度計ごとに，構成用標準
液で校正され，粘度計本体又は検査証に表示さ
れている。
試料の採り方としてオストワルド粘度計は標線
m2まで，キャノンフェンスケ不透明液用粘度計はm4
まで吸い上げ，ウベローデ粘度計は図２の状態で管
Ｌ寄り試料を入れ，m 3とm 4の中間になるように取
り入れる。
校正：粘度計はあらかじめ，粘度計定数又は目盛
104
キャノンフェンスケ不透明液体用
（逆流形）粘度計
下して試料球Gにたまる。
（４）精密測定用
オストワルド粘度計
（５）その他
ポリ酢酸ビニル試験方法用（JIS
K 6275），ポリビニルアルコール
試験方法用（JIS K 6726），原油
及び石油製品用（JIS K 2283 BS
/IP小形懸垂液面粘度計，アント
ラティツク粘度計他）
1. ラボ用分析機器
1.7.4（2）
粘弾性測定装置
Viscoelasticity-measurement instrument
〈概要〉
材料の粘性，弾性を調べる粘弾性測定に
また図２はレオメータの一種である溶融粘度測定
は様々な手法が提案されている。主に固体試料を対
装置の構成例である。試料をプレート（平板）とコ
象とする動的粘弾性測定装置（ＤＭＡ）と流体試料
ーン（円錐）で挟む。コーンを一定方向に定速回転
を対象とする回転式粘度測定装置（回転式レオメー
させ，プレートの同一方向に発生するトルク応力を
タ）が主要なものである。ＤＭＡやレオメータは，
測定することで定常粘度が求められる。
通常，試料を加熱・冷却するための機構を備え，所
〈特徴〉
望の温度条件下で粘弾性が測定される。
ら液体までの各種材料の粘弾性を知ることができ
ＤＭＡやレオメータを用いると，固体か
る。これは材料のマクロ的な機械特性を知ることで
〈原理〉
一般に粘弾性測定は，測定対象試料に力
もあり，材料の強度や耐熱性の評価に利用できる。
学的歪み（または応力）を加え，その時の試料の応
一方，高分子材料などでは分子構造が複雑であり，
力（または歪み）応答を時間の関数として検出する
粘弾性特性はミクロな分子構造的特徴を反映する。
測定である。試料特有の特性である粘弾性は応力と
したがって，高分子材料の粘弾性測定結果を分析す
歪みの関係から求められる（応力が歪みに比例する
ることで，分子量分布，架橋度などの分子構造的知
なら弾性，歪み速度に比例するなら粘性など）。
見を間接的に得ることもできる。
試料への歪みの加え方が，正弦波状である場合は，
〈用途〉
動的粘弾性測定と呼ばれる。また、試料の変形モー
（１）材料の機械的・力学的特性評価
ドとして，曲げ・ひっぱり・せん断及びねじりなど
（２）材料の耐熱性評価
がある。
（３）高分子材料の分子構造研究、レオロジー研究
図１は動的粘弾性測定装置の構成例である。応力
発生器からの正弦波応力がプローブを経由して試料
に伝えられると，試料は曲げ変形を生じる。この時，
（４）樹脂材料の成型条件、コーティング条件の最
適化
（５）複合材料の研究開発
与えられる歪みは，極めて小さく試料の構造破壊を
生じない量である。試料の変形歪みは，変位検出器
により計測される。コンピュータは、応力・歪み及
び両者の位相差から，動的粘弾性：貯蔵弾性率・損
失弾性率及び損失正接等を算出する。
105
動的粘弾性 粘弾性測定 ＤＭＡ 貯蔵弾性率 損失弾性率 応力 歪
1. ラボ用分析機器
表面積測定装置
（ガス流動法）
1.7.5
Surface area measuring instrument（Gas flow method）
〈原理〉
粉体粒子の表面に吸着占有面積の判った
で良く使用されている。
分子を液体窒素の温度で吸着させ，その量から試料
装置の構成は，混合ガス一般的には（N2＋Heバラ
の比表面積を求める方法である。最も良く利用され
ンス）・冷却トラップ・流量計・熱伝導度検出器・サ
るのが不活性気体の低温低湿物理吸着によるBET
ンプル管・脱気部・積分計より成り立っている。
法である。固体表面における気体の吸着量は温度と
測定にはN 2とHeの混合ガスを用いて，N 2は吸着
圧力によって変わるが，一定温度で吸着が平衡にあ
ガス，Heのキャリヤーガスで，連続的な流れの中で
るとき気体の蒸気圧Pと吸着量Vの関係は次のBET
試料の入ったセルを液体N 2で冷却すると試料にN 2
式で示される。
ガスが吸着し，ガス濃度が減少する。一定量のガス
P
C
C−1 S
＝
＋
×
V
（P0−P） Vm・C Vm・C Ps
P0は吸着気体の飽和蒸気圧，Vmは気体分子が固
を熱伝導度検出器を用いて測定する。次に吸着平衡
が吸着すると平衡状態になるが，この時のN2の減少
に達した試料の入ったセルから液体N2容器を外し，
定表面で単分子層を形成したときの吸着量，Cは吸
常温に戻すと吸着したN2ガスが試料から脱着する。
着熱などに関する定数である。この式はP/P0が0．05
この場合，一定の混合ガスは試料セル中の流れの中
〜0．35の範囲で成立するから，この間でPとVの関
でN2の濃度が増加します。吸着と同様に脱着したN2
係を測定するとVmが求まり，吸着分子が固定表面
ガスの量の増加を，熱伝導度検出器を用いて測定す
で占有する面積aが判っていれば次式から比表面積
る。従って既知量のピークを把握しておけば測定時
SWが計算できる。
に得られるピークとの面積の比によって測定した
SW＝a・Vm・NA
吸・脱着のN2ガスの量を求めることができる。
NAはアボガドロ数でVmはモル数を用いる。よく利
°2
用される窒素分子のaは液体窒素の温度下で16．2A
〈用途〉
である。N0が0．35程度で測定した値と原点を結ぶ直
などがあげられる。
石油化学における触媒はもとより，活性
炭・セラミック，吸着剤，医薬品，燃料，磁性粉体
線の勾配からVmを求めても数％以内の誤差範囲と
なる。これを一点法といい簡便法として用いられる。
〈特徴〉
BET法には，圧力法・容量法・重量法・
ガス流動法等があり，中でもガス流動法は取り扱い
が簡単でしかも精度良く迅速に測定出来るという点
106
表面積測定
BET法
熱伝導度検出器
比表面積
1. ラボ用分析機器
粒度分布測定装置
1.7.6
Particle size distribution measuring instrument
〈概要〉
各種の工業プロセスで取り扱う諸粉体，
って検出するものである。光透過法は無接触式の検
自然界に存在する粉体，粒子状物質などの特性の
出手段であり，遠心力を粒子にかけることが可能に
中で基礎的で重要なものは，粒度分布（各粒子径に
なり，短時間に測定できる。この装置の測定範囲は
対する粒子量の分布）測定であると言われている。
0．01〜500mm（ただし，粒子密度，媒液粘性係数など
粒度分布の測定方法も現在では数多くある。主なも
測定条件により変化する。）である。
のに（1）観察計数法（顕微鏡法）（2）ふるい分け法
〈光回折散乱法の原理および特徴〉
図３にレーザ
（3）沈降法（4）エレクトロセンシングゾーン（5）
動的
光による回折／散乱のモデル図を示す。測定対象と
光散乱法（6）光回折散乱法（7）FFF法（Field Flow
なる粒子にレーザ光（単色，平行ビーム）を照射す
Fractionation）などがある。以下に最も普及して
ると空間的に回折／散乱光の光強度分布パターンが
いる沈降法および光回折散乱法につき，その代表的
生ずる。この光強度分布パターンは粒子の大きさに
な装置を取り上げて紹介する。
依存して変化する。実際に測定対象となる粒子は単
〈沈降法の原理及び特徴〉
沈降法による粒度分布
一の粒子ではなく粒子群であり，大きさの異なる複
測定装置は重力や遠心力の場で媒体中を沈降する粒
数の粒子が混在している。粒子群から生ずる光強度
子の速度からストークスの法則を利用して，粒子径
分布パターンは，それぞれの粒子からの回折／散乱
を求めることができる。すなわち，時間tに関して媒
光の重ね合わせとなる。この重ね合わされた光強度
体中に含まれる粒子の沈降状態をモデル化すると図
分布パターンからFraunhofer回折理論または，Mie
1のように描ける。図からも明らかなように，
散乱理論を用いて理論的な計算によって測定対象粒
（１）一定深さHにおける粒子濃度のtによる変化
子群の中にある大きさの粒子がどのような割合で含
（２）一定時間Tにおける深さh方向の粒子濃度の変化
まれているかを求める。
のいずれかを測定すれば，粒度分布が得られる。こ
光回折散乱法は測定時間が短く，再現性に優れて
のような粒子濃度を求める方法に各種の手法がある
いる，操作が簡単であるなどの特徴をもっている。
が，以下にその代表例を述べる。
〈用途〉
重力，遠心沈降法と光透過法を組み合わせた粒度
（１）窯業原料，薬品，塗料，電子材料，
食品，合成樹脂，燃料など一般粉体の粒度分布測定
（２）上下水中の浮遊成分，土壌など粒度分布測定
分布測定装置（図２）
この装置は液相沈降法にもとづき，重力下および遠
心力下で粒子を沈降させ，沈降状態を光透過法によ
107
粒度分布
沈降法
光回折散乱法
顕微鏡法
ストークスの法則
1. ラボ用分析機器
1.9 その他のラボ用分析機器
電子分析天秤
1.9.1
Electronic analytical balance
〈原理〉
量物にかかる重力加速度に応じて自動的に増減さ
電子天秤と呼ばれる電子式の精密天秤はほとんど
れ，場所が変わればスパンが変ることになる。また，
が電磁式である。電磁式は，電磁力と荷重を釣り合
電磁力を発生させるマグネットは温度によりその強
わせて質量を測定するもので，高分解能・高精度・
さが多少変化するのでやはりスパンが多少変化す
高感度が必要な分析天秤や精密天秤に採用されてい
る。電子回路に工夫をして温度補償が行われている
る。図1に示すように，試料の重量を電磁力でつり
がそれにも限界があり，高分解能の電子天秤では，
合わせる復元力（電磁力）発生機構，つり合い状態
場所を変えたり，温度変化があったときは必ずスパ
を監視する変位検出機構，および制御機構から成り
ン校正が必要である。このため，分解能が数百万分
立っている。電磁力発生機構は図２に示すように，
の1と非常に高分解能であるため頻繁にスパン校正
磁石とフォースコイルの組合わせになっており，コ
をしなければならない0．1mg以下の電子分析天秤で
イルに電流を流すとフレミングの左手の法則による
は，温度変化があると天秤が自動的に感度校正を行
電磁力が発生するが，この力でバランスをとるのが
い，常に例えば±2ppm以内の感度変化（200gに対し
電磁式電子天秤である。すなわち，コイルに荷重W
て±0．4mg以内の変化）に抑えるという完全自動の
が加わった状態で，電流を微細に調節してちょうど
校正機能をもった電子天秤がある。さらに，超高分
つり合い状態になったとき，コイルに発生する力F
解能の分析用電子天秤だけでなく，分解能が数万分
と荷重Wが合致していることになるので，式（1）に
の１〜数十万の１の汎用電子天秤にも，簡単に校正
示すように荷重Wは電流Ⅰに変換される。
ができるよう校正分銅内蔵形の精密電子天秤があ
W＝F＝2prnBI ………………
（1）
る。これらは，従来の電子天秤にスパン校正用の分
ｒ：コイルの半径 ｎ：コイルの巻数
銅を内蔵し，室温変化があったり，測定場所を移動
Ｂ：磁束密度
したりした場合に必ず必要なスパン校正を，いつで
電流Ⅰはアナログ信号なのでこれをA/D変換器
も，どこでも，簡単なレバー操作で行えるようにし
でディジタル信号に変換し，マイクロコンピュータ
たもので，測定精度の向上の面で画期的な電子天秤
に接続しやすい信号の形にする。
である。
ところで，場所が変われば被計量物にかかる重力
が変わるが，バランスを取るための電磁力は重力加
速度に独立な力なのでつり合いに必要な電流は被計
108
電子天秤
分析天秤
風袋消去
自動感度校正
1. ラボ用分析機器
〈特徴〉
電磁式電子天秤は，零位法であるので高精度であ
る。また，分解能が高くいわゆるダイナミックレ
ンジが広く，測定時間も機械式に比べ大幅に短いの
が特徴である。さらに，ディジタル表示であるとと
もに，「風袋消去」や「自動感度校正」をはじめ各種
操作やレバー操作などで感度校正を行う。
２．電子天秤据付け場所の条件
ａ）多数の人が出入りし，気流を生ずる所は避ける。
（特に，最小表示1mg以下の天秤）
ｂ）できるだけ振動が少ない場所を選び，天秤台は
頑丈なものを選ぶ。
の便利な機能を持っており，プリンタでの自動記録
ｃ）最小表示1mg以下の天秤では，室温は20℃以上
やパソコンに接続してデータ処理が簡単にでき，ま
の温度で，その温度を一定に保つことが大切で
たLAシステムヘのシステムアップも可能である。
ある。低温になると測定者の体温の影響が現れ
ａ
電子微量天秤
るので要注意である。
（特に最小表示が0．1mg以
秤量数100mg〜数g程度，最小表示（d）1mgで微
下の天秤）
量質量の測定に用いられる。秤量の大きいものは，
分銅併用式となっている。精度は，繰り返しの標
準偏差が1〜2d程度，直線性は±2〜5d程度であ
る。
ｂ
電子分析天秤
ｄ）室内の湿度は相対湿度60％〜75％が望ましく低
すぎると，帯電現象を生じ誤差を生ずる。
（特に，
最小表示10mg以下の天秤）
ｅ）直射日光にさらされたり炉が近くにあるような
場所はさける。
秤量30g〜300g，最小表示0．1mg〜0．01mgで化
ｆ）エアコンなどの空気の流れに注意して，気流の
学分析や一般の精密計量用として使用される。精
ない位置を選ぶ。（特に最小表示10mg以下の天
度は，繰り返しの標準偏差が1〜1．5d程度，直線性
は±1〜5d程度である。
ｃ
汎用電子天秤・精密電子天秤
秤量数10g〜数kgまでのもので，最も多く使用
秤）
ｇ）誤差の原因には，振動による場合がある。対策
として次の順序で防振を考える。
（ａ）振動源を探して，それに防振装置をつける。
されており，最小表示と秤量の比が，２万分の１
（ｂ）天秤にゴム製の足台をつける。
〜数10万分の１ぐらいの幅のものがこの分類に入
（ｃ）天秤の据付け場所または向きを変える
る。シングルレンジ形とデュアルレンジ形，マルチ
（ｄ）天秤台の上に除振台をおいて使用する。
レンジ形のものがある。精度は，繰り返しの標準
（ｅ）天秤台そのものを除振効果のあるものにす
偏備差が0．5〜１d程度，直線性は±1〜３d程度で
る。除振台はそれぞれ固有振動数を持っている
ある。
ため，その場所の振動数・振動方向によっては
〈使用上の注意〉
共振して，かえって悪くなる場合もある。除振
１．スパン校正（感度校正）
台に手を触れると天秤が傾いたり，揺れたりす
場所を変えたり，温度変化があったときは必ずス
る恐れがあるので注意が必要である。
パン校正が必要である。スパン校正は，その天秤の
性能にあった精度の分銅を載せて，その分銅の値が
表示されるように半固定のボリュウムで合わす。最
近のものでは，校正モードに切替えて分銅を載せ，
キー操作により自動的に演算処理の係数を変更する
方式がほとんどである。
完全自動校正機能つき電子分析天秤では，電源ス
イッチがオンになったときや，温度変化があると天
秤が自動的に感度校正を行うものである。
できるだけ完全自動校正機能をオンにして使うよ
うにすべきである。
校正分銅内蔵形電子天秤では，室温変化があった
り，測定場所を移動したりした場合には必ず，キー
109
1. ラボ用分析機器
1.9.9
金属中元素分析装置
Analyzer for non-metal element in metal
〈原理〉
金属中元素分析装置は，金属材料中のガ
ている。測定範囲は，ガス分析で0〜2000ppm（水素
ス及び化学成分を測定する装置である。分類上，ガ
0〜100,0〜200ppm），化学分析においては0〜5％（炭
ス分析では酸素・窒素・水素を対象成分とし，一方
素），0〜1％（硫黄）が標準である。再現性に関して
化学分析では炭素・硫黄を対象成分としている。こ
は，通常，変動係数で1〜5％以内である。ガス分析
の種の装置においては，一般に金属試料を高温下で
装置には，通常，抽出温度の選択機能が付加されて
融解，燃焼させることにより対象成分をガス化させ，
いる。最近では，るつぼに加える電力を任意設定で
検出器へ搬送して定量する。図１に示すように，ガ
き，るつぼ温度を順次上げる機能（昇温）をもった
ス分析においては，ガス化の方式として黒鉛るつぼ
装置が実用化され，研究分野において利用されてい
に直接大電流を通じ，そのジュール熱を利用した不
る。一般に，分析所要時間は約２分（水素は約５分）
活性ガス中融解法を用いる。また，図２に示す化学
である。化学分析装置の場合には，迅速な燃焼検出
分析では，高周波燃焼法と赤外線吸収法の組合せが
方式を用いており，２成分同時測定で約１分である。
主に用いられる。その他の方式もあるが，分析時間
新形の高感度で，安定性に優れた赤外線分析計を搭
の短縮化，多元素同時分析の要求，乾式法の精度向
載したものが開発され，装置全体として精度・信頼
上により現在，図１，２の方式が主流である。
性が一層向上している。さらに，燃焼抽出条件の選
図１に示す融解炉において発生したガス成分は，
択機構，抽出ガスの吸着現象防止機構を備えた装置
共存する黒鉛，ダスト等を除去後，酸化銅などによ
も開発されている。最近では，
微量域炭素専用機
（管
り酸化され，分離管を通り検出器に導入される。赤
状電気抵抗炉＋赤外線検出器）にて加熱時間差によ
外線検出器を用いる場合には，分離管を要しない。
る表面付着炭素・内部炭素を測定する研究が進めら
化学分析の場合には，図２に示すように酸素気流
れている。
中で試料に高周波電力を加え，燃焼により発生する
〈用途〉
ガスをダストや水分などの妨害成分を除去後，赤外
迅速性・高精度を要求されている製鋼・製錬工程の
線検出器へ導入する。いずれの方式においても，検
生産・品質管理分析用として，あるいは温度可変機
出器出力の増幅・積算・演算等の処理により，対応
構を用いた形態別分析等の研究分析用として利用さ
する成分の金属中濃度を求めるようになっている。
れている。最近は新素材関連の分野における管理分
〈特徴〉
析，研究分析にその用途が広がりつつある。
ガス・化学分析装置のいずれも最高感度
鉄鋼・非鉄金属工業等の分野において，
0．1ppm（一部0．01ppm）を有するものが実用化され
110
金属中ガス分析
化学分析
新素材
石英燃焼管

外壁防水とアミパネルに関して

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