(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水溶液中に陰イオンとして存在し得るセレン化合物及び水溶液中に陰イオンとして存在し得るヒ素化合物の少なくとも一方を対象物質として含む試料液を濃縮する方法であって、
アニオン性交換基を有するイオン排除カラムで構成された濃縮カラムに前記試料液を通液して前記濃縮カラム内で前記試料液中の前記対象物質を濃縮する段階と、
硝酸と硫酸塩とを含む水溶液である溶離液を前記濃縮カラムに通液して、前記対象物質が濃縮された液を得る段階と、
を有する方法。
【請求項２】
前記溶離液のｐＨが１以上５以下である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記硫酸塩が、アルカリ金属の硫酸塩、アルカリ土類金属の硫酸塩、及び硫酸アンモニウムからなる群から選ばれた１以上の化合物である、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記溶離液における前記硫酸塩の濃度が、０．００２ｍｍｏｌ／Ｌ以上１００ｍｍｏｌ／Ｌである、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記濃縮カラムにおける前記試料液の流れ方向に対し、前記溶離液の流れ方向が逆方向である、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記濃縮カラムは、強酸性カチオン交換樹脂を固定相として含む、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
水溶液中に陰イオンとして存在し得るセレン化合物及び水溶液中に陰イオンとして存在し得るヒ素化合物の少なくとも一方を対象物質として含む試料液中の前記対象物質を価数別に分析する方法であって、
請求項１乃至６に記載の方法により得た前記対象物質が濃縮された液を、アニオン性交換基を有するイオン排除カラムで構成された分離カラムに注入し、前記溶離液を前記分離カラムに流しながら前記試料液中の対象物質を価数別に分離する段階と、
前記分離カラムから流出する液を誘導結合プラズマ質量分析装置に導入して前記対象物質を定量する段階と、
を有する方法。
【請求項８】
前記試料液はセレンとヒ素を同時に含み、前記試料液を前記濃縮カラムに導入して前記濃縮カラム内でセレン化合物とヒ素化合物とを同時に濃縮し、
前記濃縮カラム内の濃縮されたセレン化合物及びヒ素化合物を前記分離カラムに注入して前記試料液中に含まれるヒ素化合物をセレン化合物と同時に価数別に分離し、
前記誘導結合プラズマ質量分析装置においてセレンとヒ素とを同時に定量する、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記分離カラムは、強酸性カチオン交換樹脂を固定相として含む、請求項７または８に記載の方法。
【請求項１０】
水溶液中に陰イオンとして存在し得るセレン化合物及び水溶液中に陰イオンとして存在し得るヒ素化合物の少なくとも一方を対象物質として含む試料液中の前記対象物質を濃縮する装置であって、
アニオン性交換基を有するイオン排除カラムで構成された濃縮カラムと、
試料導入段階と試料排出段階との間で切り替え可能であって、前記試料導入段階において前記試料液を前記濃縮カラム内に導入して該濃縮カラム内で前記試料液中の前記対象物質を濃縮させ、前記試料排出段階において溶離液を前記濃縮カラムに通液させて前記対象物質が濃縮された液を前記濃縮カラムの外部に流出させるインジェクタと、
を有する装置。
【請求項１１】
前記濃縮カラムは、強酸性カチオン交換樹脂を固定相として含む、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
水溶液中に陰イオンとして存在し得るセレン化合物及び水溶液中に陰イオンとして存在し得るヒ素化合物の少なくとも一方を対象物質として、試料液中の前記対象物質を価数別に定量する装置であって、
溶離液を送液するポンプと、
アニオン性交換基を有するイオン排除カラムで構成された濃縮カラムと、
アニオン性交換基を有するイオン排除カラムで構成された分離カラムと、
ロードモードとインジェクトモードとの２つのモードの間で切り替え可能であって、前記ロードモードにおいて前記ポンプからの前記溶離液を前記分離カラムに送るとともに試料液を前記濃縮カラム内に導入して該濃縮カラム内で前記試料液中の前記対象物質を濃縮させ、前記インジェクトモードにおいて前記ポンプからの前記溶離液を前記濃縮カラムを介して前記分離カラムに送るインジェクタと、
前記分離カラムの出口に接続する誘導結合プラズマ質量分析装置と、
を有し、前記誘導結合プラズマ質量分析装置において前記対象物質に対応する原子イオンをカウントする装置。
【請求項１３】
前記濃縮カラム及び前記分離カラムは、強酸性カチオン交換樹脂を固定相として含む、請求項１２に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶液中のセレン（Ｓｅ）及び／またはヒ素（Ａｓ）を分析などのために濃縮する方法と、この方法によってセレン及び／またはヒ素を濃縮して高感度の定量する分析する方法と、これらの方法のための装置とに関する。
【背景技術】
【０００２】
セレンは、半導体装置やガラス製品などの各種の製造工程、火力発電所での排煙脱硫工程、石油精製工程などにおいて、原料、副生成物あるいは除外対象物質として取り扱われている。現在、排水からセレン及びセレン化合物を除去する方法としては、沈殿法、イオン交換膜法、活性炭吸着法などが知られており、セレンを価数別に定量することが、排水中のセレンを適切に処理するために必要となっている。ここでいう価数とは、原子の酸化状態を示す数のことであり、水溶液中に存在し得るセレン化合物においては、一般に、＋４価のセレン［Ｓｅ（ＩＶ）；例えば亜セレン酸化合物］及び＋６価のセレン［Ｓｅ（ＶＩ）；例えばセレン酸化合物］が知られている。セレンは、ヒトにおける健康被害も懸念される元素であるから、上述したように排水のほかに、飲用水、河川水、海水、地下水などに含まれる微量のセレンを価数別に定量することが求められている。
【０００３】
セレンをその価数別ごとに定量する方法として、特許文献１には、強酸性アニオン交換樹脂を充填したイオン交換クロマトグラフィーにより、試料中の亜セレン酸イオン（ＳｅＯ32-）とセレン酸イオン（ＳｅＯ42-）とを分離し、硫酸を添加した後、誘導結合プラズマ質量分析（ＩＣＰ−ＭＳ；inductively-coupled plasma mass spectrometry）装置により、イオン交換クロマトグラフィ―での保持時間ごとすなわちセレンの価数ごとに、セレン原子をカウントする方法が示されている。特許文献１に記載されたものでは、イオン交換クロマトグラフィーにおける溶離液として、例えば、ｐＨ６．６に調整した１，３，５−ベンゼントリカルボン酸の０．０００１〜０．００３モル／Ｌ水溶液が用いられている。
【０００４】
またヒ素も各種の製造工程や排煙脱硫工程、石油精製工程などにおいて、原料、副生成物あるいは除外対象物質として取り扱われている。水溶液中に存在し得るヒ素化合物においては、一般に、＋３価のセレン［Ａｓ（ＩＩＩ）；例えば亜ヒ酸化合物］及び＋５価のヒ素［Ａｓ（Ｖ）；例えばヒ酸化合物］が知られている。特にヒ素は、よく知られているように高い毒性を示し、しかも、＋３価のヒ素（Ａｓ（ＩＩＩ）と＋５価のヒ素（Ａｓ（Ｖ））とを比較すると、＋３価のものの方がより高い毒性を示す。そのため、高い検出感度でヒ素を価数別に定量できることが求められている。また、排水や環境試料においてセレンとヒ素とが共存することが多いから、セレンとヒ素とを同時に価数別に高感度に測定できることは有益である。
【０００５】
ヒ素を価数別に定量する方法として、特許文献２には、Ａｓ（ＩＩＩ）及びＡｓ（Ｖ）を含有する溶液を、炭素数３以上のアルキル基を有する第４級塩を含む溶離剤を移動相として用いて逆相カラムに通液し、逆相カラムにおいてヒ素を価数別に分離させ、逆相カラムからの出口液を誘導結合プラズマ発光分光分析（ＩＣＰ−ＯＥＳ(otpical emissiotn spectrometry)）装置に導いて定量する方法が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−２６２３号公報
【特許文献２】特開２０１３−１８１７７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載された方法は、イオン交換によってＳｅ（ＩＶ）とＳｅ（ＶＩ）とを分離するので、高塩濃度の試料、例えば海水や排水への適用が難しく、また、検出感度も十分なのものとはいえない。検出感度の向上のために、試料液中のセレン化合物を濃縮することも考えられるが、一般的な濃縮手法では、アニオン固定相交換基がカチオン型であるものを用いることとなるため、試料水の塩濃度が高い場合にその試料水中の塩化物イオン等のアニオンが固定相に結合するなどして、セレン化合物の濃縮能力が低下する。またイオン交換型の濃縮では、濃縮後にセレン化合物をイオン交換カラム等から溶出させるために、上記の特許文献１において用いられるような有機炭素溶離液やリン酸などの高濃度塩溶液が溶出剤として必要である。このため、セレン化合物が濃縮された溶出液には、これらの溶出剤成分も含まれることとなり、溶出液を後段の液体クロマトグラフ装置やＩＣＰ−ＭＳ装置に導入するときに、クロマトグラフィーによる分離及びＩＣＰ−ＭＳ検出に悪影響を与え、またこれらの装置に対しても悪影響を与えることが懸念される。
【０００８】
同様に特許文献２に記載された方法も、検出感度の向上の余地がある。セレンとヒ素とは共存することが多いから、これらの同時分析も有効であるが、高感度に同時分析を行うための試料調整方法や分析方法も知られていない。
【０００９】
本発明の目的は、セレン及び／またはヒ素を含む試料液中のセレン化合物及びヒ素化合物の濃度を高め、試料液に対する処理を容易にすることができる濃縮方法及び装置を提供することにある。
【００１０】
本発明の別の目的は、本発明の濃縮方法によってセレン及び／またはヒ素を濃縮することによってこれらの物質を高感度に価数別に分析できる方法及び装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の濃縮方法は、セレン化合物及びヒ素化合物の少なくとも一方を対象物質として含む試料液中を濃縮する方法であって、アニオン性交換基を有するイオン排除カラムで構成された濃縮カラムに試料液を通液して濃縮カラム内で試料液中の対象物質を濃縮する段階と、硝酸と硫酸塩とを含む水溶液である溶離液を濃縮カラムに通液して、対象物質が濃縮された液を得る段階と、を有する。
【００１２】
本発明の分析方法は、セレン化合物及びヒ素化合物の少なくとも一方を対象物質として含む試料液中の対象物質を価数別に分析する方法であって、本発明の濃縮方法により得た前記対象物質が濃縮された液を、アニオン性交換基を有するイオン排除カラムで構成された分離カラムに注入し、溶離液を分離カラムに流しながら試料液中の対象物質を価数別に分離する段階と、分離カラムから流出する液を誘導結合プラズマ質量分析装置に導入して対象物質を定量する段階と、を有する。
【００１３】
本発明の濃縮装置は、セレン化合物及びヒ素化合物の少なくとも一方を対象物質として含む試料液中の対象物質を濃縮する装置であって、アニオン性交換基を有するイオン排除カラムで構成された濃縮カラムと、試料導入段階と試料排出段階との間で切り替え可能であって、試料導入段階において試料液を濃縮カラム内に導入して濃縮カラム内で試料液中の対象物質を濃縮させ、試料排出段階において溶離液を濃縮カラムに通液させて対象物質が濃縮された液を濃縮カラムの外部に流出させるインジェクタと、を有する。
【００１４】
本発明の分析装置は、セレン化合物及びヒ素化合物の少なくとも一方を対象物質として、試料液中の対象物質を価数別に定量する装置であって、溶離液を送液するポンプと、アニオン性交換基を有するイオン排除カラムで構成された濃縮カラムと、アニオン性交換基を有するイオン排除カラムで構成された分離カラムと、ロードモードとインジェクトモードとの２つのモードの間で切り替え可能であって、ロードモードにおいてポンプからの溶離液を分離カラムに送るとともに試料液を濃縮カラム内に導入して濃縮カラム内で試料液中の対象物質を濃縮させ、インジェクトモードにおいてポンプからの溶離液を濃縮カラムを介して分離カラムに送るインジェクタと、分離カラムの出口に接続する誘導結合プラズマ質量分析装置と、を有し、誘導結合プラズマ質量分析装置において対象物質に対応する原子イオンをカウントする。
【発明の効果】
【００１５】
後述する実施例から明らかになるように、本発明によれば、試料液中に含まれる微量のセレン化合物及び／またはヒ素化合物を濃縮できる。これによって、例えば、試料液中の微量のセレン化合物やヒ素化合物の価数別の定量が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】イオン排除クロマトグラフィ―の原理を説明する図である。
【図２】本発明の実施の一形態のセレンの価数別定量方法を実施するための装置の構成の一例を示す図である。
【図３】インジェクタの動作を説明する図であって、（ａ）はインジェクトモードを示し、（ｂ）はロードモードを示している。
【図４】各参考例で用いた装置の構成を示す図である。
【図５】（ａ），（ｂ）は、参考例１の結果を示すグラフである。
【図６】（ａ），（ｂ）は、参考例２の結果を示すグラフである。
【図７】（ａ），（ｂ）は、参考例３の結果を示すグラフである。
【図８】参考例４の結果を示すグラフである。
【図９】参考例５の結果を示すグラフである。
【図１０】（ａ），（ｂ）は、参考例６の結果を示すグラフである。
【図１１】（ａ），（ｂ）は、実施例１の結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
次に、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。
【００１８】
本発明に基づくセレン及び／またはヒ素の濃縮方法及び分析方法では、イオン排除カラムを濃縮カラムあるいは分離カラムとして用いるイオン排除クロマトグラフィーを利用する。そこでまず、イオン排除クロマトグラフィーの原理を説明する。図１は、イオン排除クロマトグラフィーの原理を示している。
【００１９】
液体クロマトグラフィーでの固定相１１として例えばＨ型の強酸性カチオン交換樹脂を用いるとすると、固定相１１の表面には多数の細孔（ポア）１２が形成されるとともに、固定相１１の最表面は例えばスルホ基などの強酸性アニオン基１３で修飾されている。ここへ移動相である液体とともに、中性の化学種２１、弱酸性の化学種２２及び強酸性の化学種２３とが流れてくる場合を考える。すると、強酸性アニオン基１３が有する負電荷によって、移動相中のより大きな負電荷を有する化学種（ｐＫａが小さい化学種）ほど大きな静電気排除を受け、早く溶出することになる。また、負電荷の大きさにより、細孔１２内への浸透力が決まり、負電荷量が小さいほどすなわちｐＫａが大きいほど、細孔１２内への浸透力が大きくなる。これらの結果、中性の化学種２１の溶出時間は長くなり、ｐＫａの小さな化学種ほど、溶出時間が短くなる。イオン排除クロマトグラフィーでは、一般に、イオン交換作用による移動相から固定相への化学吸着の寄与は無視できる。結局、強酸性カチオン交換樹脂を用いるイオン排除クロマトグラフィ―では、一般に、ｐＫａが小さなアニオン（陰イオン）ほど早く溶出すると考えられる。
【００２０】
セレンの代表的な化合物であるセレン酸及び亜セレン酸の酸解離指数（ｐＫａ）は次に示す通りである。
【００２１】
ＨＳｅＯ4-  ⇔  Ｈ+ ＋ ＳｅＯ42-      ｐＫａ2＝１．６６
Ｈ2ＳｅＯ3  ⇔  Ｈ+ ＋ ＨＳｅＯ3-     ｐＫａ1＝２．７５
ＨＳｅＯ3-  ⇔  Ｈ+ ＋ ＳｅＯ32-      ｐＫａ2＝８．５０
ヒ素の代表的な化合物であるヒ酸及び亜ヒ酸の酸解離指数（ｐＫａ）は次に示す通りである。
【００２２】
Ｈ3ＡｓＯ4  ⇔  Ｈ+ ＋ Ｈ2ＡｓＯ4-      ｐＫａ1＝２．３
Ｈ2ＡｓＯ3- ⇔  Ｈ+ ＋ＨＡｓＯ42-      ｐＫａ2＝６．８
ＨＡｓＯ42-  ⇔  Ｈ+ ＋ ＡｓＯ43-        ｐＫａ2＝１１．６
Ｈ3ＡｓＯ3  ⇔  Ｈ+ ＋ Ｈ2ＡｓＯ3-      ｐＫａ ＝９．２８
セレン酸、亜セレン酸、ヒ酸及び亜ヒ酸が上記のような酸解離指数を持つことを考えると、試料液中に共存することが多いと考えられる塩化物イオン、硫酸イオン、硝酸イオンなどの強酸性アニオンは、イオン排除カラムに試料液を通液したときにセレン酸、亜セレン酸、ヒ酸及び亜ヒ酸よりも早く流出するものと考えられる。したがって、イオン排除カラムの一端から試料液を通液するときにその通液条件を設定することにより、強酸性アニオンはイオン排除カラムの他端から流出するが、セレン酸、亜セレン酸、ヒ酸及び亜ヒ酸はイオン排除カラム中に残るようにすることができる。一方、試料液中のアルカリ金属イオンなどのカチオン（陽イオン）はイオン交換されてイオン排除カラム中の固定相に吸着する。吸着したカチオンは、ｐＨが極端に低い酸を通液しない限り、イオン排除カラムから脱離しない。その一方で、イオン排除カラムに残ったセレン酸、亜セレン酸、ヒ酸及び亜ヒ酸は、溶離液として弱い酸性液体を流すことでイオン排除カラムから流出させることができる。結局、強酸性アニオンや各種のカチオン類の影響を排して、イオン除去カラムにより、セレン化合物及び／またはヒ素化合物の濃縮を行うことができることになる。このとき、イオン排除カラムは、セレン化合物及び／またはヒ素化合物に対する濃縮カラムとして機能することになる。
【００２３】
特に本発明に基づく方法では、濃縮されたセレン化合物及び／またはヒ素化合物をイオン排除カラムである濃縮カラムから流出させるための弱酸性の溶離液として、希硝酸に低濃度硫酸塩を加えたものを使用する。その結果、濃縮カラムからの溶出液は、セレン化合物及びヒ素化合物の少なくとも一方である濃縮された対象物質のほかに希硝酸と低濃度硫酸塩のみを含むことととなるので、この溶出液を液体クロマトグラフ装置やＩＣＰ−ＭＳ装置に導入しても、これら装置への悪影響が生じにくい。すなわち、本発明に基づく濃縮方法は、ＩＣＰ−ＭＳ装置による高感度定量と組み合わせて用いることに適した方法であるといえる。
【００２４】
図２は、本発明の濃縮方法の応用例としてセレンの価数別の定量分析を行う装置の構成の一例を示している。溶離液タンク３１に貯えられている溶離液は、ポンプ３２によって圧送されてインジェクタ３３に供給されるようになっている。インジェクタ３３としては、高速液体クロマトグラフィーにおいて試料の注入のために通常用いられる六方弁型のものが用いられる。インジェクタ３３には、試料ポンプ３９を介して試料瓶３４からセレン化合物を供給されるようになっている。またインジェクタ３３には、イオン排除カラムで構成された濃縮カラム４０の両端が接続するともに、インジェクタ３３の出口には、いずれもイオン排除カラムであるガードカラム３６及び分離カラム３７がこの順で直列に接続している。後述するようにガードカラム３６は設けなくてもよいが、イオン排除カラムによりガードカラム３６を構成した場合には、ガードカラム３６も分離カラムとしての機能の一部を担うことになる。
【００２５】
インジェクタ３３は、ロードモードとインジェクトモードとの２つのモード（動作状態）を備えてロードモードとインジェクトモードとの間で高速に切り替えることが可能としたものである。ロードモードでは、インジェクタ３３は、ポンプ３２からの溶離液をガードカラム３６及び分離カラム３７に直接送るとともに、試料液を濃縮カラム４０に導入する。このとき、濃縮カラム４０には試料液だけが通液されるようにする。これにより、濃縮カラム４０内で、試料液中のセレン化合物が濃縮される。一方、インジェクトモードでは、インジェクタ３３は、ポンプ３２からの溶離液をまず濃縮カラム４０に通し、濃縮カラム４０から戻ってきた液をガードカラム３６を介して分離カラム３７に送る。これにより、濃縮カラム４０内で濃縮されていたセレン化合物が分離カラム３７に注入されることになる。
【００２６】
図３はこのようなインジェクタ３３の動作を説明する図であり、（ａ）はインジェクトモード、（ｂ）はロードモードを示している。インジェクタ３３は、図示１〜６で示すように６個のポートを有し、インジェクトモードでは、１⇔２、３⇔４、５⇔６のようにポート間が接続され、ロードモードでは、２⇔３、４⇔５、６⇔１のようにポート間が接続されるようになっている。そして、濃縮カラム４０の両端がそれぞれポート１とポート４に接続され、ポート２はガードカラム３６を経て分離カラム３７に接続し、ポート３にはポンプ３２から溶離液が供給され、ポート５は排出（ドレイン）のために用いられ、ポート６には試料液が供給されるようになっている。このようにインジェクタ３３に対して配管を接続することによって、ロードモードにおいて濃縮カラム４０内に試料液中のセレン化合物が濃縮され、インジェクトモードにおいて濃縮されたセレン化合物がガードカラム３６を介して分離カラム３７に注入されることになる。ロードモードとインジェクトモードでは、濃縮カラム４０内の液（試料液及び溶離液）の流れが逆になっている。
【００２７】
上述したインジェクトモードは、濃縮カラムに対して溶離液を通液して、セレン化合物及び／またはヒ素化合物を濃縮カラム４０の外部に流出させる段階でもあるので、濃縮カラム４０におけるセレン化合物及び／またはヒ素化合物の濃縮という観点からすれば、インジェクトモードはインジェクタ３３における試料排出段階であるともいえる。一方、ロードモードは、試料液を濃縮カラム４０内に導入して濃縮カラム４０内で試料液中のセレン化合物及び／またはヒ素化合物を濃縮させる段階であるから、インジェクタ３３における試料導入段階であるといえる。
【００２８】
分離カラム３７の出口が誘導結合プラズマ質量分析（ＩＣＰ−ＭＳ）装置３８の試料入口に接続している。ここでは、ＩＣＰ−ＭＳ装置３８は、イオン排除カラムである分離カラム３７を用いたイオン排除クロマトグラフィーでのセレン元素の検出器として用いられている。
【００２９】
このような装置を用いてセレンの価数別の定量を行う場合には、硝酸と硫酸塩とを含む水溶液を溶離液として使用し、インジェクタ３３をロードモードとして、ポンプ３２及びインジェクタ３３を介してこの溶離液を連続的にガードカラム３６及び分離カラム３７に通液しつつ、インジェクタ３３を介して濃縮カラム４０内に試料液を導入する。次に、インジェクタ３３をインジェクトモードに切り替えて、溶離液のガードカラム３６及び分離カラム３７への通液状態を維持したまま、濃縮カラム４０内の液がガードカラム３６に注入されるようにする。これにより、濃縮カラム４０内に導入されてセレン化合物及び／またはヒ素化合物が濃縮された試料液がガードカラム３６、引き続いて分離カラム３７に注入されることになる。このとき、上述したイオン排除クロマトグラフィーの原理によって、分離カラム３７の出口からは、セレン酸が亜セレン酸に先行して流出することになり、試料液中のセレン化合物を価数別に分離されることになる。そして分離カラム３７の出口からの液をＩＣＰ−ＭＳ装置３８に導き、ＩＣＰ−ＭＳ装置の質量分析部においてセレンの原子イオン（例えば78Ｓｅ+）を検出してカウントする。インジェクタ３３において試料液を注入した時点（ロードモードからインジェクトモードに切り替えた時点）からの経過時間に応じてＩＣＰ−ＭＳ装置でのカウント値を集計し、クロマトグラムを得ることにより、試料液中のセレンの価数別の定量が行われたことになる。
【００３０】
ロードモードでは濃縮カラム４０内でセレン化合物の濃縮が行われるが、濃縮カラム４０の固定相として例えばＨ形強酸性カチオン交換樹脂を用いた場合、試料液中に含まれるアルカリ金属イオンなどのカチオンはイオン交換されて濃縮カラム４０に残留することになる。このようなカチオンは、本実施形態で用いるような溶離液では脱離することなく濃縮カラム４０に残存しつつけることになる。また上述したように、塩化物イオンや硫酸イオンなどの強酸性アニオンは、セレン化合物やヒ素化合物よりも溶出速度が速いので、濃縮カラム４０からインジェクタ３３のポート５を介して外部に排出されてしまい、濃縮カラム４０内には残らない。したがって本実施形態の方法によれば、分離カラム３７やＩＣＰ−ＭＳ装置３８などがアルカリ金属イオンや強酸性アニオンなどの妨害成分の影響を受けることなく、セレンの価数別の定量を行うことが可能になり、高塩濃度の試料液について精度よく分析を行えることとなる。その一方で、濃縮カラム４０内にアルカリ金属イオンなどが留まり続けることは好ましいことではないから、インジェクトモードに切り替え濃縮されたセレン化合物が分離カラム３７に注入された後、インジェクタ３３を再びロードモードに切り替え、試料液の代わりに洗浄用の液、例えば濃い酸を濃縮カラム４０に流して、濃縮カラム４０内に残存している物質を溶出させることが好ましい。洗浄用の液は、図３に示した例では、ポート５から排出されることになる。
【００３１】
本発明において用いられる分離カラム３７及び濃縮カラム４０として用いられるイオン排除カラムの例としては、
（１）島津製作所製のＳｈｉｍ−ｐａｃｋ（登録商標）  ＳＣＲシリーズ（例えば、ＳＣＲ−１０２Ｈ：長さ３００ｍｍ、内径８ｍｍ、粒子径７μｍ、固定相がスルホ基）、
（２）Ｓｈｏｄｅｘ社製のＳＨ１０１１及びＳＨ１８２１、（例えば、ＳＵＧＡＲ  ＳＨ１０１１：サイズ８ｍｍ×３００ｍｍ、粒径６μｍ、官能基スルホ基）、
（３）Ｓｈｏｄｅｘ社製のＫＣ−８１１（例えば、ＲＳｐａｋ  ＫＣ−８１１：サイズ８ｍｍ×３００ｍｍ、粒径６μｍ、官能基スルホ基）、
（４）東ソー社製のＴＳＫｇｅｌ（登録商標）  ＯＡｐａｋ−Ａ及びＯＡｐａｋ−Ｐ（例えば、ＴＳＫｇｅｌ（登録商標）  ＯＡｐａｋ−Ａ：粒子径５μｍ、官能基カルボキシメチル基、基材ポリマー（メタクリレート系））、
（５）東ソー社製のＴＳＫｇｅｌ（登録商標）  ＳＣＸ（粒子径５μｍ、官能基スルホ基、基材ポリマー（スチレン系））、
（６）Ｔｒａｎｓｇｅｎｏｍｉｃ社製のＩＣＳｅｐシリーズ（例えば、ＩＣＳｅｐ  ＩＯＮ−３００：耐圧７ＭＰａ、粒子径７μｍ、官能基スルホ基、対イオンＨ+、架橋率６％）、
（７）サーモフィッシャー社製のＤｉｏｎｅｘ  ＩｏｎＰａｃイオン排除カラムシリーズ（例えば、Ｄｉｏｎｅｘ  ＩｏｎＰａｃ  ＩＣＥ−ＡＳ１：サイズ９×２５０ｍｍ、あるいはＤｉｏｎｅｘ  ＩｏｎＰａｃ  ＩＣＥ−ＡＳ６：サイズ９×２５０ｍｍ、官能基スルホ基及びカルボキシ基）
などが挙げられる。特に、強酸性カチオン交換樹脂を固定相として有するものを用いることが好ましく、強酸性カチオン交換樹脂はイオン形が水素（Ｈ）形であることが好ましい。図２に示したものでは、分離カラム３７の前段にガードカラム３６が設けられているが、必ずしもガードカラムを設ける必要はない。上記に例示した各イオン排除カラム製品を分離カラム３７として用いる場合には、当該イオン排除カラム製品に適合したガードカラムが指定されていることが多いから、そのように指定されたカラムをガードカラム３６として用いればよい。一般には、ガードカラム３６と分離カラム３７とは相互に同種類の固定相が充填される。
【００３２】
濃縮カラム４０としては分離カラム３７と同じイオン排除カラムを使用することができる。しかしながら、濃縮カラム４０は、セレン化合物の価数別の分離を目的とするものではなく、例えば試料液中に存在するカチオンなどの妨害イオン等の影響を除去しセレン化合物を濃縮することを目的とするものであるので、分離カラム３７よりもカラム長を短くすることができる。そこで濃縮カラム４０としては、イオン排除カラムである限り、上述した分離カラム３６と同種のカラムを用いることができる。
【００３３】
次に、本発明において用いる溶離液について説明する。本発明においては、溶離液として、硝酸と硫酸塩とを含む水溶液を使用する。溶離液のｐＨは１以上５以下とすることが好ましい。ｐＨが５を超えると、イオン排除カラムである分離カラムにおけるＳｅ（ＩＶ）とＳｅ（ＶＩ）との分離が悪くなる傾向を示す。ｐＨが１未満であると、その強い酸性により、分離カラムやＩＣＰ−ＭＳ装置、さらには溶離液を送液するポンプへの悪影響が懸念される。溶離液に含まれる硫酸塩としては、例えば、アルカリ金属の硫酸塩、アルカリ土類金属の硫酸塩、及び硫酸アンモニウムからなる群から選ばれた１以上の化合物を用いることが好ましい。ここでいうアルカリ金属とはＬｉ，Ｎａ，Ｋ，Ｒｂ，Ｃｓの各元素を指し、アルカリ土類金属とはＢｅ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａの各元素を指す。具体的には、硫酸塩として、例えば、硫酸ナトリウム、硫酸カルシウム、硫酸アンモニウムなどを用いることができる。溶離液中の硫酸塩の濃度は、０．００２ｍｍｏｌ／Ｌ以上１００ｍｍｏｌ／Ｌ以下とすることが好ましい。もっとも、硫酸塩の濃度を一定値以上に高めてもセレンの価数分離性能の向上は頭打ちとなり、むしろ、クロマトグラムにおける価数別の各ピークが拡がる傾向となり、測定感度も低下する傾向となり、ＩＣＰ−ＭＳの導入部における詰まりの発生のおそれも生ずるから、硫酸塩の濃度は例えば、１ｍｍｏｌ／Ｌ以下といった低濃度の領域に設定する方がより好ましい。
【００３４】
さらにここで述べるような方法によれば、セレンと同時にヒ素（Ａｓ）を価数別に定量することができる。セレンとヒ素とを含む試料液を対象として、試料液中のセレンとヒ素とを同時に価数別に定量する場合には、上記と同様のガードカラム３６、分離カラム３７及び溶離液を使用し、試料液をガードカラム３６に導入し、分離カラム３７の出口からの液をＩＣＰ−ＭＳ装置３８に導き、ＩＣＰ−ＭＳ装置の質量分析部においてセレンの原子イオン（例えば78Ｓｅ+）及びヒ素の原子イオン（一般に75Ａｓ+）を検出してカウントする。そしてインジェクタ３３において試料液を導入した時点からの経過時間に応じてＩＣＰ−ＭＳ装置でのカウント値をセレンとヒ素とに分けて集計し、クロマトグラムを得ることにより、試料液中のセレン及びヒ素のそれぞれの価数別の定量が行われたことになる。
【実施例】
【００３５】
次に、実施例及び参考例により本発明をさらに詳しく説明する。
【００３６】
まず、イオン排除カラムである分離カラムとＩＣＰ−ＭＳとを組み合わせ、溶離液として硝酸と硫酸塩とを含む水溶液を用いることにより、試料液中のセレンを価数別に定量できることについて行った実験結果を参考例として説明する。図４は、参考例で用いた装置の構成を示している。この装置は、図２に示す装置と比べ、試料瓶３４及び試料ポンプ３９が設けられず、マイクロシリンジなどによって試料液がインジェクタに供給されるようになっている点と、濃縮カラム４０の代わりにサンプルループ３５が設けられている点で相違する。サンプルループ３５は、所定量の試料液を採取してガードカラム３６及び分離カラム３７に注入するためのものである。
【００３７】
図４に示す装置を用いたセレンの価数別の定量では、硝酸と硫酸塩とを含む水溶液を溶離液として使用し、まず、インジェクタ３３をロードモードとして、ポンプ３２及びインジェクタ３３を介してこの溶離液を連続的にガードカラム３６及び分離カラム３７に通液しつつ、インジェクタ３３を介してサンプルループ３５内に試料液を導入した。次に、インジェクタ３３をインジェクトモードに切り替えて、溶離液がサンプルループ３５を経由するようにし、これによって溶離液のガードカラム３６及び分離カラム３７への通液状態を維持したままサンプルループ３５内の試料液がガードカラム３６に注入されるようにした。その結果、サンプルループ３５内に一定量採取された試料液がガードカラム３６、引き続いて分離カラム３７に注入されることになる。そして分離カラム３７の出口からの液をＩＣＰ−ＭＳ装置３８に導き、後述するようにクロマトグラムを得て、定量を行った。各参考例では、サンプルループ３５として５０μＬのものを使用し、１回の動作で注入される試料液の量が５０μＬとなるようにした。
【００３８】
以下、各実施例及び各参考例において共通の条件を以下に説明する。
【００３９】
各実施例及び各参考例において、Ｓｅ（ＩＶ）、Ｓｅ（ＶＩ）、Ａｓ（ＩＩＩ）及びＡｓ（Ｖ）を含む試料液を使用する。これらの試料液は、Ｓｅ（ＩＶ）として関東化学社製の亜セレン酸（Ｈ2ＳｅＯ3）、Ｓｅ（ＶＩ）として関東化学社製のセレン酸（Ｈ2ＳｅＯ4）、Ａｓ（ＩＩＩ）として関東化学社製のヒ素標準液、Ａｓ（Ｖ）としてＳＰＥＸ社製のＳＰＥＣ−Ａｓ５を使用し、所定の濃度となるようにこれらを混合して超純水により希釈して調製した。溶離液の一成分として用いる硝酸としては、比重が１．４２であるもの（関東化学社製高純度試薬Ｕｌｔｒａｐｕｒ−１００）を用いた。溶離液は、硝酸と添加する硫酸塩とを超純水で希釈して調製した。
【００４０】
分離カラム３７には島津製作所製のＳＣＲ−１０２Ｈを用いた。これは、硬質のスチレン−ジビニルベンゼン共重合体を基体としたＨ形強酸性カチオン交換樹脂を充填した内径８ｍｍ、長さ３０ｃｍのカラムであって官能基をスルホ基とするものである。ガードカラム３６には、分離カラム３７と同様の固定相を有する島津製作所社製のＳＣＲ１０２Ｈ（内径６ｍｍ、長さ５ｃｍ）を用いた。
【００４１】
ＩＣＰ−ＭＳ装置としてはＡｇｉｌｅｎｔ社製７５００ｃｅを用い、これを高周波出力１５５０Ｗ、キャリアガス流量０．７５Ｌ／分、メイクアップガス流量０．３Ｌ／分、及び水素（Ｈ2）ガス流量３ｍＬ／分の条件で運転した。セレンの検出には78Ｓｅ+イオンを用い、ヒ素の検出には75Ａｓ+イオンを用い、質量分析部での検出イオンの切り替えを高速に繰り返すことによって、セレンとヒ素とを同時に検出するようにした。
【００４２】
ポンプ３２による溶離液の流量は１．５ｍＬ／分とした。
【００４３】
［参考例１］
試料液として、セレン原子換算でＳｅ（ＩＶ）を５０μｇ／Ｌ、Ｓｅ（ＶＩ）を５０μｇ／Ｌ含み、ヒ素原子換算でＡｓ（ＩＩＩ）を５０μｇ／Ｌ、Ａｓ（Ｖ）を５０μｇ／Ｌ含むものを使用し、溶離液中に含ませる硫酸塩として硫酸ナトリウム（Ｎａ2ＳＯ4）を使用し、溶離液中の硫酸ナトリウム濃度を変化させ、変化させた硫酸ナトリウム濃度ごとにセレン及びヒ素についてのクロマトグラムを得た。溶離液中の硝酸濃度は１０ｍｍｏｌ／Ｌで一定とした。結果を図５に示す。なお図５に示す範囲で溶離液中の硫酸ナトリウム濃度を変化させても、溶離液のｐＨは２．１で一定であった。
【００４４】
図５（ａ）に示すように、セレンに関しては、硫酸ナトリウムを溶離液に全く添加しない場合には、セレンのピークがほとんど認められなかった。硫酸ナトリウムを０．００３５ｍｍｏｌ／Ｌ以上含む溶離液では、Ｓｅ（ＩＶ）及びＳｅ（ＶＩ）が分離し、これらを別々に定量することが可能であった。硫酸ナトリウム濃度が高いほど、Ｓｅ（ＩＶ）及びＳｅ（ＶＩ）が大きくなり、かつピークが先鋭なものとなった。これらから、セレンの価数別の定量には、希硝酸を主体とする溶離液に対し、硫酸塩を加えることが有効であることが分かった。
【００４５】
一方、図５（ｂ）に示すように、ヒ素については、硫酸ナトリウムの量によらずにＡｓ（ＩＩＩ）とＡｓ（Ｖ）とが良好に分離した。ピークの先鋭さの点では、硫酸ナトリウムを添加した方が良好な結果が得られた。ヒ素に関しては、価数別の分離に関し、硫酸塩の添加を添加した方がよいと考えられる。
【００４６】
［参考例２］
参考例１と同じ組成の試料液を使用し、溶離液中に含ませる硫酸塩として硫酸ナトリウムを使用し、溶離液中の硫酸ナトリウム濃度は０．７ｍｍｏｌ／Ｌに固定し、硝酸濃度を変化させることによって溶離液のｐＨを変化させ、ｐＨごとにセレン及びヒ素についてのクロマトグラムを得た。結果を図６に示す。
【００４７】
図６（ａ）に示すように、セレンに関しては、ｐＨが２に近いほど、クロマトグラム上でＳｅ（ＶＩ）のピークとＳｅ（ＩＶ）のピークが大きく分かれた。これは、セレン酸のｐＫａ2が１．６６であるのに対し、亜セレン酸のｐＫａ1が２．７５であって、このｐＫａの差がイオン排除効果の差に大きく寄与している結果であると考えられる。この結果から、溶離液のｐＨは５以下とすることが好ましいことが分かった。
【００４８】
図６（ｂ）に示すように、ヒ素に関しては、ｐＨにあまり依存せずに、クロマトグラム上でＡｓ（ＩＩＩ）のピークとＡｓ（Ｖ）のピークが大きく分かれた。
【００４９】
［参考例３］
参考例１と同じ組成の試料液を使用し、溶離液に加える硫酸塩の種類を異ならせたときにセレン及びヒ素のクロマトグラフがどのように異なるかを調べた。硫酸塩としては、硫酸ナトリウム、硫酸アンモニウム（(ＮＨ4)2ＳＯ4）、硫酸カルシウム（ＣａＳＯ4）を使用した。また、比較例として、硫酸塩の代わりに塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）を溶離液に添加した場合も調べた。溶離液における硝酸濃度は１０ｍｍｏｌ／Ｌで一定とし、また、硫酸塩の濃度も硫酸イオン（ＳＯ42-）に換算して０．５ｍｍｏｌ／Ｌで統一した。塩化ナトリウムを加える場合には、その濃度を０．５ｍｍｏｌ／Ｌとした。結果を図７に示す。
【００５０】
図７（ａ）から分かるように、セレンに関しては、溶離液中の硫酸塩の硫酸イオンとしての体積モル濃度が同じであれば、硫酸塩の種類によらず、Ｓｅ（ＩＶ）とＳｅ（ＶＩ）とを良好に分離して定量することができた。これに対し、塩化ナトリウムを用いた場合にはセレンのピーク自体を認めることができなかった。このことは、セレンの価数別の定量には、種類を問わずに硫酸塩を加えることが好ましいことを示している。また、塩化ナトリウムを用いた場合にセレンのピークが認められないことは、同じ溶離液を用いて濃縮カラム４０中のセレン化合物を流出させることができないことも意味しており、本発明の濃縮方法において溶離液には硫酸塩を加えることが好ましいことを示している。
【００５１】
図７（ｂ）から分かるように、ヒ素に関しては、硫酸塩の種類によらずにＡｓ（ＩＩＩ）とＡｓ（Ｖ）とを良好に分離して定量できるほか、溶離液中に硫酸塩を含まずに塩化ナトリウムを含む場合であっても、Ａｓ（ＩＩＩ）とＡｓ（Ｖ）とを分離できる。
【００５２】
［参考例４］
参考例１と同じ組成の試料液を使用し、溶離液に加える硫酸塩を硫酸アンモニウムとし、その濃度を０．７ｍｍｏｌ／Ｌ及び７０ｍｍｏｌ／Ｌとして、セレンについてのこれらの濃度でのクロマトグラフを得た。溶離液での硝酸濃度は１０ｍｍｏｌ／Ｌとした。結果を図８に示す。図８から分かるように、硫酸塩濃度が極端に高い場合には、Ｓｅ（ＩＶ）とＳｅ（ＶＩ）の各ピークが拡がって両者が相互に重なり合うようになる。ピークの重なりが大きいと分離しての定量が難しくなるから、溶離液中の硫酸塩の濃度は１ｍｍｏｌ／Ｌ以下程度にすることが望ましいことが分かる。
【００５３】
［参考例５］
参考例１での溶離液中の硫酸ナトリウム濃度を０．７ｍｍｏｌ／Ｌとした場合に得たセレンのクロマトグラムとヒ素のクロマトグラムとを重ねて表示したものを図９に示す。同時にセレンとヒ素とのそれぞれについて価数別の定量を行えることが分かる。
【００５４】
［参考例６］
セレン化合物及びヒ素化合物の濃度が異なる試料液を用意し、セレン及びヒ素の両方について同時に価数別の定量を行い、検量線を得た。同時に繰返し精度も求めた。溶離液としては、硝酸１０ｍｍｏｌ／Ｌ及び硫酸ナトリウム０．７ｍｍｏｌ／Ｌを含むものを用いた。セレンについての検量線を図１０（ａ）に、ヒ素についての検量線を図１０（ｂ）に示す。繰返し精度を示す変動係数（ＣＶ）は、Ｓｅ（ＩＶ）に対し４．３％、Ｓｅ（ＶＩ）に対し４．６％、Ａｓ（ＩＩＩ）に対し３．５％、Ａｓ（Ｖ）に対し０．８％であった。その結果、図４に示す装置での測定下限、すなわちイオン排除カラムである分離カラムによる分離の前に同じくイオン排除カラムである濃縮カラムでの濃縮を行わない場合の測定下限は、Ｓｅ（ＩＶ）に対し５μｇ／Ｌ、Ｓｅ（ＶＩ）に対し５μｇ／Ｌ、Ａｓ（ＩＩＩ）に対し１μｇ／Ｌ、Ａｓ（Ｖ）に対し１μｇ／Ｌであると見積もられる。またこの方法による再現性がよいことが確かめられた。
【００５５】
［実施例１］
図２に示す構成の装置を組み立てた。濃縮カラム４０としては、分離カラム３７と同様の固定相を有する島津製作所社製のＳＣＲ１０２Ｈ（内径６ｍｍ、長さ５ｃｍ）を用いた。この濃縮カラム４０は、分離カラム３６と同一の仕様のものである。試料液として、Ｓｅ（ＩＶ）、Ｓｅ（ＶＩ）、Ａｓ（ＩＩＩ）及びＡｓ（Ｖ）をそれぞれ０．５ｐｐｂずつ含むものを使用した。インジェクタ３３をロードモードとしたときには、試料ポンプ３９により、１．５ｍＬ／分の通液量で試料液を濃縮カラム４０に導入した。その後、インジェクタ３３をインジェクトモードとし、濃縮カラム４０内の濃縮されたセレン化合物及びヒ素化合物をガードカラム３６及び分離カラム３７に注入し、ＩＣＰ−ＭＳ装置３８によってセレンとヒ素の同時カウントを行い、セレンとヒ素の両方についてそれぞれクロマトグラムを得た。ロード時間、すなわちインジェクタ３３をロードモードとして試料液を濃縮カラム４０に通液している時間を１分、２分、５分と変化させ、ロード時間の違いによるクロマトグラムの差を調べた。結果を図１１に示す。図１１（ａ）はセレンについてのクロマトグラムであり、図１１（ｂ）はヒ素についてのクロマトグラムである。なお、１９０秒から２００秒の間あたりにみられるピークは、インジェクタ３３をロードモードからインジェクトモードに切り替えたことに起因するノイズであるとみられる。
【００５６】
図１１に示すように、ロード時間、すなわち濃縮カラム４０での濃縮時間を長くすることによって、特にＳｅ（ＶＩ）、Ｓｅ（ＩＶ）及びＡｓ（Ｖ）についてはピークが高くなった。イオン排除カラムである濃縮カラム４０に通液することによる濃縮によって感度が向上することが分かった。このことは、イオン排除カラムを用いることにより、試料液中のセレン化合物及び／またはヒ素化合物を濃縮できることを意味している。
【００５７】
参考例１〜６は、溶離液として硝酸と硫酸塩とを含む水溶液を用いるイオン排除クロマトグラフィーにより、セレン化合物を価数別に分離することができ、またセレン化合物とヒ素化合物とを同時に価数別に分離できることを示している。実施例１で示すような濃縮カラムでの濃縮は、溶離液として硝酸と硫酸塩とを含む水溶液を用いるイオン排除クロマトグラフィーでの前処理に相当するものであり、参考例１〜６及び実施例１から、本発明の方法によれば試料中のセレン化合物及びヒ素化合物を価数別に高感度で定量できることが分かる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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