2024.3.31

2

技術開発研究所報No.

掲載内容
市販のヒ素試験紙の光学読み取りによる微量ヒ素の定量分析
高田愛・家永陽二郎・和田信一郎

技術開発研究所 発行

アステック技術開発研究所報第 2 号 (2024)

市販のヒ素試験紙の光学読み取りによる微量ヒ素の定量分析
高田愛 1・家永陽二郎 1・和田信一郎 11 株式会社アステック

技術開発研究所（兵庫県姫路市実法寺 105）

グートツァイト法を利用してヒ素を定量するための市販の試験紙をフラットベッドスキャナで読み取り，画像解析ソフトを利用して色を RGB 値として数値化することによりヒ素の定量を行った．発色した試験紙は余剰の水をろ紙で除去した後暗所で温風乾燥することにより約 1 週間は色が安定した．ヒ素濃度 0～0.025 mg/L の間ではヒ素濃度と B 値の間に直線関係があった．また 0.01～0.1 mg/L の間ではヒ素濃度の対数値と B 値の間に直線関係があった．ヒ素濃度 0.1～0.5 mg/L の間では B 値の変化は小さかったが，ヒ素濃度の対数値と R 値の間に直線関係がみられた．さらにヒ素濃度が 0.01～0.5 mg/L の範囲では，濃度の対数値は R 値，G 値，B 値を変数とする回帰式でもよく近似できた．これらの関係を用いてヒ素含有水のヒ素濃度を定量し，公定法による値と比較した．

Key words:

1.

arsenic, test kit, soil pollution, water pollution

まえがき

されている．

ヒ素は動物の必須元素でもあるが，その必要量は最近は，ヒ素と結合する化合物で表面修飾した金ごくわずかである．この必要量を超えて摂取すると，や銀のナノ粒子がヒ素の存在下で凝集する現象を利

多量摂取の場合には消化管の急性障害による死亡，用した目視検出法が報告されている 4,5,6,7)．金や銀の微量の長期摂取の場合には皮膚がんやボーエン病なナノ粒子が表面プラズモン共鳴により示す可視部の1)

どを引きおこす ．そのため，世界保健機構(WHO)

吸収スペクトルが，凝集の程度に応じて変化するこは飲料水のヒ素に関する水質基準を 0.01 mg/L と定とを利用することにより目視により微量のヒ素を検めている．日本においても水道水質基準は 0.01 mg/L出することができる．この方法は，目視による検出と定められており，一律排水基準は 0.1 mg/L と定めも可能であるし，分光光度計を用いると定量も可能られている．また土壌汚染対策法における溶出量基である．可搬型の分光光度計を用いるなら，野外で準も 0.01 mg/L と定められている．の利用も可能である．ただ，凝集反応を利用してい水質基準前後の濃度で水に溶存するヒ素は，ICPるため，共存元素の干渉は無視できず，検液の塩濃発光分光分析，ICP 質量分析，水素化物発生原子吸度が高い場合にはそれによる誤差を生ずることもあ

光分析，電気加熱原子吸光分析などによって定量する（和田,未発表）．

ることができ，定量操作は確立されている．しかし，検液の塩濃度や共存元素の影響を受けずに溶存ヒこれらの装置は比較的大型かつ高価であり利用でき素を検出する方法としては，試験紙を用いたグートる環境は制限される．ヒ素汚染水の野外調査，仮設ツァイト法は非常に優れている．この方法で水中ののヒ素汚染水処理施設の運転管理などにおいては安ヒ素を定量するにはあらかじめ色見本を作成してお価な可搬型装置や薬品と簡単な器具を用いた定量法

き，着色した試験紙や溶液の色を見本色と比較する．

が必要である．

この方法で，検液のヒ素濃度が基準を超過している

水に溶存するヒ素はヒ酸または亜ヒ酸として存在かどうかは比較的容易に判断できる．しかし，濃度することが多い．この形態のヒ素は強力な還元剤をの数値化は難しい．この欠点は，試験紙の発色をス作用させるとアルシン（AsH3）として揮散する．ア

キャナやスマートフォンなどで読み取り，画像処理

ルシンは臭化水銀と反応して黄褐色の臭化ヒ素水銀することにより克服できる 8)．この研究では，市販を生成する．この呈色反応を利用することにより検の試験紙と試験キットを利用し，試験紙の発色程度水中の共存元素の妨害を受けずに微量のヒ素を目視を数値化することによって環境基準程度の濃度のヒ検出することができる（グートツァイト法）．この原素を定量分析するための方法を検討した．

理を利用したガラス製測定器具

2)や臭化水銀を含侵させた試験紙キット 3)などがすでに市販されて利用-1-アステック技術開発研究所報2.

試料と実験方法

2.1.

第 2 号 (2024)

して検量線を作成し，この検量線を用いて検液の B値または R 値から濃度を計算した．

試験紙と試験キット

試験紙および試験キットとしては，Merck 社製の読取りや検量線作成のための最適条件を求めるた

エムクァントヒ素テスト紙（As MQuant 117927），おめ，上述の基本操作に従って，スキャナの安定性，よびそれに対応した反応容器と還元剤などの試薬を試験紙の乾燥の有無，乾燥後の放置時間の影響につ用いた．検水 60 mL を専用容器に取り，硫化物を除いて検討した．そのために行った実験手順の詳細は去するため，添付の過マンガン酸カリウム溶液 2 滴

次節において結果とともに述べる．

を加えて混合した．さらに過剰の過マンガン酸イオンを除去するため，添付の試薬を添加して混合した．

2.3.

実汚染水への適用

次 いで ， ヒ 酸 およ び 亜 ヒ 酸 を還 元 し て アル シ ン

この研究の方法を用いてくつかのヒ素含有水のヒ（AsH3）にするための金属粉末試薬を添付のスプー

素濃度の定量を行い，公定法による濃度と比較した．

ンで添加した．ただちに，専用容器の蓋上部から試3.

験紙を挿入して所定時間反応させた．
検水にヒ素が含まれる場合，揮散したアルシンは結果と考察

3.1.

読取り値の安定性

試験紙に含まれる臭化水銀と反応し，ヒ化水素臭化

まず，読取りに使用したスキャナの安定性につい水銀およびヒ化臭化水銀を生成し，試験紙は褐変して検討した．ヒ素濃度 0 mg/L，0.01 mg/L および 0.1た．

mg/L の標準液を用いて試験紙を発色させ，水で洗浄後にろ紙で余分な水分を除去したのち前述の方法に2.2.

従って B 値を読み取った．結果を表 1 に示す．

試験紙の読取りと定量の基本操作

反応後の試験紙を専用容器から取り出し，先端を水で洗浄後，ろ紙にあてて余分な水分を除去し，デ

表 1．スキャナの立ち上げ後の時間と読取り値の関係．

ジタルカラー複合機（RICOH MP C4503）のスキャン立ち上げ後機能を利用して 600 dpi の JPEG 画像として保存し時間/hた．スキャンするときには，図 1 に示すように試験

標準液ヒ素濃度/(mg/L)
00.01

0.1

01.000

0.996

0.617

紙を黒色の台紙に挟んで原稿台に設置した．原稿の41.000

0.996

0.617

種別はフルカラーの印画紙写真とした．

121.000

0.9960.619

どの濃度においても，装置の立ち上げ直後に測定した場合でも，立ち上げ後 4 時間ないし 12 時間経過後に測定した場合でも読みとり値にはほとんど変化がなかった．なお，通常Ｂ値などは 0 から 255 まで の整 数 値 と して 表 示 さ れ るが ， 使 用 した 版 のGIMP ではこれを 255 で除した小数値として表示されることになっていたので，表 1 だけでなく，この報告ではこの小数値を用いている．
図 1．黒色台紙に挟んだ試験紙．

次に，発色させた試験紙の色の安定性について検討した．ヒ素濃度 0.01 mg/L および 0.1 mg/L の標準

画像の数値化のためには，GNU GPL の下で配布液を用いて試験紙を発色させ水で洗浄し，ろ紙を用されている画像編集ソフトウェア GIMP を用いた．

いて過剰の水分を除去した後に読取りを行った．ま保存した画像を GIMP から開き，ツールボックスかた，同じ試験紙をデシケータ中に入れ，室温で 20～ら矩形選択を選び，試験紙の呈色部分のほぼ全体を79 時間静置し，所定時間経過後に再読取りを行った．

含む 135×135 ピクセルの部分を選択した．ヒストグ

結果を図 2 に示す．

ラムのチャンネルから B（青）または R（赤）を選

試験紙の B 値は発色直後から約 24 時間までの間択し，選択部分の値の平均の値を記録した．

は徐々に増加した．しかし，24 時間から 79 時間ま以上の操作を，標準液を用いて発色させた試験紙での間の変化は非常に小さかった．最初の読取り時および検液を用いて発色させた試験紙に対して行っには試験紙は湿潤状態であったが，デシケータ中にた．標準液の濃度と平均 B 値または R 値をプロット保管したこともあり 24 時間後には乾燥していた．発-2-アステック技術開発研究所報第 2 号 (2024)

色直後と乾燥後の値との差は，試験紙内で生成した

なお，この図および以下の同様の図においては，ヒ化臭化水銀の量や性質の変化によるというより試横軸（ヒ素濃度）は対数表示とした．線形表示では

験紙の水分含量の変化にともなう光の反射や吸収特0.005 mg/L のプロットと 0.01 mg/L のプロットが識性の変化によるのではないかと考えられる．

別しづらいからである．
どの濃度においても温風乾燥により B 値が増加する傾向がみられた．増加割合は濃度が高いほど顕著であった．この結果は，デシケータ中で室温乾燥した場合の傾向（図 2）と基本的には同様であった．ただし，ヒ素濃度が 0.1 mg/L の場合，デシケータ中で24 時間室温乾燥した場合の B 値の増加が約 0.2 であったのに対し，温風乾燥した場合の変化は 0.02 程度であった（図 3）．
次に，温風乾燥した試験紙の安定性について試験した．ヒ素濃度 0.005 mg/L～0.5 mg/L の標準液を用いて試験紙を発色させた後に水で洗浄し，ろ紙で過図 2．読取り値に対する静置時間の影響．

剰の水分を除去した後食器乾燥機中で 30 分間温風乾燥した．その後デシケータ中に保管し，一定時間この実験の結果から，発色直後に定量したい場合ごとに読取りを行った．もう 1 組の試験紙を用いてには，検液と同時に標準液を用いた発色操作も行っ同様の操作によって発色および乾燥を行った後，遮て同じ条件で読み取った両者の結果を比較する必要光したデシケータ中に保管し，こちらも一定時間ごがあると考えられる．発色した試験紙は少なくともとに読取りを行った．結果は図 4 に示す．上図が遮79 時間は安定であるので，乾燥後に測定する場合に光することなく保管した場合，下図が遮光して保管は事前（例えば前日）に標準液を用いて発色させてした場合の結果である．

乾燥後に読み取った標準液のデータを用いて検量線を作成しても良いと考えられる．
以上の結果から，乾燥させた試験紙の色はかなり長期間安定であることがわかった．ただ，室温で読読取り値が安定するまでの乾燥には，その時点での湿度や温度にもよるが少なくとも 24 時間程度を要する（図 2）．そこで，温風による乾燥の効果を調べた．ヒ素濃度 0.005 mg/L～0.5 mg/L の標準液を用いて発色させた試験紙をろ紙による水分除去の後でいったん読取り，食器乾燥機中で 30 分間温風乾燥を行った後再読取りを行った．結果は図 3 に示す．

図 4．温風乾燥した試験紙の保管時の安定性に対する遮光
図 3．食器乾燥機による温風乾燥前後の B 値．の効果．上：遮光なし，下：遮光して保管．

-3-

アステック技術開発研究所報

温風乾燥後遮光なしで保管した試験紙の B 値は 1

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えることから，定量分析のためには毎回検量線を作日後には明らかに上昇し，6 日後にはさらに上昇し成することが好ましいと考えられる．

た．一方，遮光条件で保管したものは，7 日後までは読みとり値の変化は小さかった．しかし，それを超えると B 値は上昇し，13 日後には明らかに増加し，20 日後にはさらに増加した．製品の取扱説明書によれば，発色後の試験紙を水で洗浄すれば色は変化しないと記載されているが，これは永遠に変化しないという意味ではなく，少なくとも数日間程度は変化しないという意味であると解するべきであろう．
発色させて乾燥した試験紙の色が非常に長期間安定なのであれば，標準液を用いて発色させた試験紙を乾燥させて遮光環境で保管しておき，検液で発色させた試験紙と並べてスキャンし，両者の比較によ

図 5．異なる日に作成した検量線．

り定量することが可能である．この方法は，同一のスキャナが利用できない場合や，スキャナの代わりヒ素濃度 0 mg/L から 0.5 mg/L の全範囲では，ヒにスマートフォンを利用するような場合には有用で素濃度と B 値の関係は直線的ではなかった．またヒあると考えられる．しかしこの研究における実験結素濃度が 0.1 mg/L 以上の場合，特に 0.25 mg/L 以上

果によれば，色の変化が無視できる保管期間は 1 週の場合には B 値の変化が小さく，この検量線を用い間程度と考えられ，安定性には限度があった．ロッ

た定量は難しいと考えられた．

トの異なる試験紙間の発色の違いもありうることもヒ素濃度が 0.1 mg/L 以下の場合には，ヒ素濃度の考慮するなら，標準液で発色させた試験紙を長期間，変化に伴う B 値の変化は定量に十分なほどの大きさ繰り返し利用することは避けた方が良いと考えられであった．ヒ素濃度が 0 mg/L から 0.025 mg/L の範る．

囲では B 値とヒ素濃度の関係はほぼ直線的であった

常に同一のスキャナを用いることができる場合でので，検量線の直線近似によって定量が可能と考えも，保管した（標準液で発色させた）試験紙を 1 週られた．一方，0 mg/L から 0.1 mg/L の間では直線近間を超えて再利用するよりも，その試験紙の過去の似は難しいと考えられた．

読取り結果を参照する方が合理的と考えられる．い図 6 には濃度軸を対数表示にした検量線を示す．

うまでもないが最善の方法は，測定のたびに標準溶どの日に作成したものでも，濃度範囲が 0.01 mg/L か液を用いて発色させた試験紙の読取り結果と比較す

ら 0.1 mg/L の範囲では直線であった．したがってこることであろう．の濃度範囲では，濃度軸を対数表示にした検量線の直線近似，つまり

3.2.

検量線

B 値 = a×log(ヒ素濃度) + b

図 5 には，同一の標準液を用いて別の日に作成し(1)た検量線を重ねて表示した．いずれも前述のとおり，という形の式を当てはめることにより定量が可能で発色させた後に水で洗浄し，ろ紙を用いて過剰の水ある．

分を除去した後食器乾燥機中で 30 分間温風乾燥後に読取りを行ったものである．また，使用した試験紙は同一ロットのものであった．
ヒ素濃度が 0.005 mg/L，0.01 mg/L，0.025 mg/L，0.05 mg/L，0.01 mg/L，0.25 mg/L，0.5 mg/L に対する測定 B 値の変動係数はそれぞれ，0.00209，0.01151，0.01717，0.02475，0.06670，0.02546，0.03278 であった．ヒ素濃度が 0.005 mg/L から 0.1 mg/L までは系統的に変動係数が大きくなり，それより高濃度ではまた小さくなった．変動の理由は明らかではないが，
図 6．濃度軸を対数とした検量線．

ヒ素濃度が 0.1 mg/L の場合の変動係数が 0.05 を超-4-

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度範囲に適用できる検量線式を求めることができる
図 5 に示すように，ヒ素濃度が 0.1 mg/L を超えることを意味している．

場合には B 値の変化は定量に利用するには不十分なほど小さく B 値を定量に利用することは不適当と考えられる．一方，この濃度範囲では R 値の変化が大きく，G 値の変化がそれに次いだ（図 7）．図 7 に示
すように，ヒ素濃度の対数値と R 値の間の関係式はヒ素濃度 0.1 mg/L と 0.5 mg/L の範囲ではほぼ直線的であった．したがって，この濃度領域の R 値のデータに式(1)を当てはめることによりヒ素濃度の定量が可能と考えられる．

図 8．(2)式を用いて計算したヒ素濃度の対数値と実際のヒ素濃度の対数値との関係．

結局，検量線はヒ素濃度に応じて次のような要領で作成することが適当と考えられる．
ヒ素濃度 0 mg/L～0.025 mg/L の範囲では，ヒ素1)濃度と B 値の間の直線関係を利用する．
ヒ素濃度 0.01 mg/L～0.1 mg/L の間ではヒ素濃2)度の対数値と B 値の間の直線関係を利用する．
図 7．ヒ素濃度と R，G，B 値の関係．

ヒ素濃度 0.1 mg/L～0.5 mg/L では，ヒ素濃度の3)対数値と R 値との間の直線関係を利用する．
以上述べたのは，ヒ素濃度あるいはその対数値とヒ素濃度 0 mg/L～0.5 mg/L を対象とし，ヒ素濃4)R 値，G 値，または B 値のいずれかとの関係を利用

度の対数値を重回帰式(2)で近似する．

して検量線を作成する方法である．このやり方は単純ではあるが，ヒ素濃度 0.5 mg/L 以下の濃度領域で3.3.の定量には少なくとも 3 つの検量線を用いる必要がヒ素定量への適用

前述のヒ素定量法を，酸化水酸化鉄鉱物によるヒ素吸着実験の平衡溶液 3 種，および自然由来のヒ素あった．
そこで，できるだけ広い濃度領域を 1 つの検量線

汚染河川水，工場跡地のヒ素等を含む複合汚染地下で処理することを目的とし，R，G，B のすべてを用水（SS 含む）のヒ素濃度測定に応用した．同時に同いて検量線式を構築することを試みた．その結果ヒじ溶液のヒ素濃度を ICP-MS 法によって測定して比素濃度の対数値は次の式較した（表 2）
．なお，定量のための検量線は前述 1)，log(ヒ素濃度) ＝ a×R 値+ b×G 値+c×B 値+d2)，3)を組み合わせて作成した．

(2)という式でよく近似できることがわかった．ここで表 2．ヒ素含有水への適用結果．単位は mg/L．

a，b，c，d は定数である．図 6 でプロットしたデー

試料

本法

ICP-MSタの 1 つに(2)式を当てはめたところ，a = －2.09491，平衡溶液１0.019

0.018

ｂ= 1.3886，c = -2.6794，d = 1.14074 という値が得ら

平衡溶液２0.0880.098

れた．この式を用いて R，G，B の測定値からヒ素濃平衡溶液３0.6120.600

度の対数値を計算し，それを検量線作成に用いた標河川水0.0140.013

準溶液のヒ素濃度の対数値に対してプロットしたの地下水（SS 含む）

0.0920.112が図 8 である．
両者はよく一致している．このことは，R，G，B

表 2 に示すように，SS を含まないヒ素溶液の ICP-値のすべてを利用し，式(2)の形の式を当てはめるこ

MS 法による相対誤差は最大でも 10%であったが，とにより，ヒ素濃度 0.005 mg/L から 0.5 mg/L の前濃

SS を含むヒ素汚染地下水の ICP-MS 法による相対誤-5-

アステック技術開発研究所報差は 18%とやや大きい結果となった．公定法と本研究で提案する方法では、前処理（有機物分解など）の工程が異なる．そのため SS に含まれるヒ素の定量に関しては，分解の程度の差が測定結果に影響しているのではないかと考えられる．以上の結果より，この研究で提案する方法による定量法は，実験室における簡易定量法や水処理現場における工程管理のための定量法として活用できると考えられる．

4.

要約と結論
グートツァイト法に基づいた市販のヒ素試験紙をスキャナにより読取り，画像解析により得た R，G，B 値とヒ素濃度との相関関係に基づいてヒ素を定量するという方法を検討し，次の結果を得た．
1)

スキャナによる読取り結果は装置の立ち上げ直後から安定していた．

2)

試験紙の発色は，水で洗浄後，ろ紙による吸水後に暗所で温風乾燥しておけば 1 週間程度はほとんど変化しなかった．

3)

ヒ素濃度 0 mg/L～0.025 mg/L の場合には，B 値とヒ素濃度の間に直線関係があり，これを検量線として利用できる．

4)

ヒ素濃度 0.01mg/L～0.1 mg/L の場合にはヒ素濃度の対数値と B 値との間に直線関係があった．

5)

ヒ素濃度 0.1 mg/L～0.5 mg/L の場合には B 値はほとんど変化しなかったが，ヒ素濃度の対数値と R 値の間に直線関係があった．

6)

ヒ素濃度 0 mg/L～0.5 mg/L の全範においては，ヒ素濃度の対数値と R 値，G 値，B 値の線形回帰式も検量線として利用可能であった．

7)

この方法を SS を含まないヒ素含有水のヒ素濃度測定に利用したところ，相対誤差は最大でも10%程度であり，水処理現場における工程管理などのために利用可能である．

引用文献
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2) 柴田科学 (Feb. 20, 2023) ヒ素試験機グートツァイト
法.
https://www.sibata.co.jp/item/3853/.
3) MERCK (Feb. 20, 2023) エ ム ク ァ ン ト ヒ 素 テ ス ト .
https://www.merckmillipore.com/JP/ja/product/ArsenicTest,MDA_CHEM-117917.
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determination of arsenic (III) in aqueous solution. Results inPhysics 12, 2061-2605.
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https://www.naro.go.jp/publicity_report/publication/pamphl
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