2018 No.1（通巻247号）
ISSN 0285-2446

分析技術● 究極のHPLC用C18カラムの開発を目指して

内田 丈晴 03

現代ニーズに対応したカールフィッシャー水分測定法● ～作業環境と地球環境への配慮
・定量下限を低減した微量水分分析～

北中 宏司

08

トリプル四重極ICP-MSを用いた39K、40Caの0.1pptレベル分析における干渉除去機構の解析

溝渕 勝男

15

●

トピックス

山田 憲幸

光るナノカーボン：化学修飾による
カーボンナノチューブの近赤外蛍光特性の制御

URL http://www.kanto.co.jp

髙階 明子

前田 優 21

KANTO CHEMICAL CO., INC.

新年を迎えて代表取締役社長

あけましておめでとうございます。

野澤 学

ところで、今年の干支は“戊戌”(つちのえいぬ)であ「THE CHEMICAL TIMES」
をご愛読の皆様におかれ

ります。
「 戊」
は
「茂」
に通じ、植物の成長が絶頂期にあましては、つつがなく良い新年を迎えられたこととお慶るという意味です。また、
「 戌」
は
「滅」
（めつ、ほろぶ）のび申し上げます。

意味で、草木が枯れる状態を表しているとされています。
“一方が枯れて、一方が生い茂る”ということから、

昨年10月に衆議院議員総選挙が行われ、自公合わ

2018年は大いなる変化の年ということになります。

せて定数の三分の二を超える議席を獲得しました。メ

当社の大きな変化として、昨年12月よりリニューアル

ディアの「森友、加計問題」の追求はありましたが、野党した弊社ホームページに、電子版試薬総合カタログを分裂により無党派層の票が分散し、北朝鮮等の外交政アップすることに致します。最近はカタログでの試薬策や安全保障の面でも変化を避けたいという国民の調査をパソコンで行っているお客様が多くなりました

意識が働いた結果ではないかと思われます。また、日ので、従来の紙媒体の発行を取りやめ、利便性を優先

経平均株価は16日連続の連騰で記録を更新し、世のしパソコンやタブレット端末、スマートフォン等で利用中の景気はまだら模様ではありますが確実に動いて出来る形態に致します。これにより掲載する情報量はいると感じております。これからの東京オリンピックや飛躍的に増加し、日本語、英語OKのクイックレスポン

IoT、AIなどの成長産業がさらに景気の後押しとなってス検索が可能になり、合わせて弊社の製品検索ツール

くれることを期待しております。

のCica-webを通じて製品規格、試験成績書、在庫量、

さて、科学業界は目覚ましく発展しておりますが、

SDS、法規制の情報も入手可能になります。今後もさ2017年版の科学技術白書によれば、研究価値が高い

らに使い易さを向上させて参りますので、忌憚ないごとされる被引用件数の多い論文に関して日本は10位

意見を頂ければ幸いです。

まで下がりました。2002年～2004年には米英独に次最後に、本誌は1950年の創刊以来、今号で247号

ぐ4位だった事からすれば、これは憂慮すべき事態に思となりました。読者の皆様に“最新の話題”を“より興味います。天然資源の少ないわが国の成長の源泉がどのある内容”
で“より判り易く”提供するよう引き続き取こにあるかを考えれば、未来に目を向けた研究への投り組んで参りますので、皆様

資すなわちアカデミアや若手研究者への支援など産のご指導、ご鞭撻を何卒宜

官学連携の活性化をもっと拡大すべきと思います。当

しくお願い申し上げます。

社においては、昨年5月に山梨大学の生命環境学部内

この一年が皆様にとっに「甲府インキュベーションセンター」
を開設しました。

て光輝に満ちた幸多い

本格的なクリーンルームを備えたサテライトラボであ年でありますように祈り、
ここでは当社の研究スタッフが常駐して再生医療

念しております。

への応用が期待されているヒトiPS細胞を用いたオリジナルの細胞培養培地の研究開発を開始しました。大
学の知的財産の実用化を通し、企業からさまざまな支
援も提供出来ればと思います。

特集

分析技術

究極のHPLC用C18カラムの開発を目指して
Aiming for the development of the ultimate C18 column for HPLC

一般財団法人化学物質評価研究機構 東京事業所 クロマト技術部技術課長

内田 丈晴

Takeharu Uchida (Section chief)
Chromatography Department, CERI Tokyo, Chemicals Evaluation and Research Institute,Japan (CERI)

キ ーワード01

L-column3、シリカ系耐アルカリ性Ｃ18カラム、メタルフリーカラム

はじめに

ングは、
トルエンなどの液相中でシリル化剤を反応させる方法がよく知られていたが、このようなエンドキャッピングでは反応効率が低く、
シラノール基が残存するという問題があった。そこ
で、CERIでは全く新しい画期的なエンドキャッピング法である

現在、高速液体クロマトグラフィー（HPLC）
で最もよく用いられている分離モードは、試料と固定相との間に働く疎水性相互作用の原理を用いた逆相分配クロマトグラフィーであり、充塡

高温気相エンドキャッピング法を開発し、1990年に高温気相エ

ンドキャッピングを施したL-column ODS を開発した。この高温気相エンドキャッピング法は、高温液相中でシリル化する方剤としてオクタデシルシリル（ODS）
化シリカゲルを充塡したシ法に比べて反応効率が優れているため、より多くのシラノール

リカ系逆相C18カラムが汎用的に用いられている。また、それ基を不活性化することができる1, 2）。
また、
2007年に高温気相エンドキャッピングの反応効率を更らの充塡剤の基材には、一般的にシリカゲルを用いたものが多い。その理由として、シリカゲルは機械的強度が高い、分離効率が高い、様々な修飾基を化学修飾することができ汎用性が高
い、比較的安価であるなどが挙げられる。
しかしながら、基材シに向上させた高度エンドキャッピング法を開発し、それを施した

L-column2 ODS を開発した（図1）。

金属不純物を多く含んだ基材シリカも残存シラノール基とリカは耐アルカリ性が低いため、使用できる移動相のpH範囲

同様、二次的相互作用が働き分離に悪影響を及ぼすことが知が限られるという欠点を抱えている。

られており、特に分析対象物質が配位性化合物の場合、
ピーク

シリカ系逆相C18カラムは、本来疎水性相互作用のみによるのテーリング及び保持時間の遅延、最悪の場合ピークが全く比較的単純な保持機構による分離であるが、残存シラノール基検出されないこともある。そのため、金属不純物を含まない基や基材シリカ中の金属不純物による二次的相互作用が働き分材シリカを用いることも重要である3）。また、エンドキャッピン

離に悪影響を及ぼすことが広く知られている。
これらの二次的相互作用以外にも、液体クロマトグラフィー/

グの表面被覆が高密度であるほど、吸着性が少なくなるといわれている。

タンデム質量分析法 (LC/MS/MS)において、
ク
ロマトグラフィー管などの金属材料と相互作用し分離に悪影響を及ぼす場合もある。
ここでは、これらの欠点を克服すべく今まで開発に取り組んできた内容について簡単に紹介する。

02

エンドキャッピング

分析対象物質が塩基性物質の場合、残存シラ

図1

シリカ系逆相C18（ODS）
カラムの分離機構（イメージ）

ノール基に吸着し易く、ピークのテーリング及び保持時間の遅延の原因となる。そのため、一般的にトリメチルシ
リル化による残存シラノール基を不活性化するエンドキャッピ
ングが施される。1980年代後半までは一般的にエンドキャッピ
3THE CHEMICAL TIMES

特 集

03

様々なアプローチで改善を目指している。ただし、残存シラノー

メタルフリーカラム

ル基についてはエンドキャッピングの反応率をいかに上げるかという比較的シンプルな方法論での対処が可能であったが、化分 析 技 術学的耐久性については、充塡剤のほとんどを占める基材自体の液体クロマトグラフィー/タンデム質量分析法 (LC/MS/MS)による生体試料の微量分析が広く行われている。
しかし、一部

侵食を防ぐ必要があるため、この課題は非常に複雑で解決困難なテーマであるといえる。

の化合物、特にペプチドや低分子のリン酸化合物の分析では、

しかし、CERIでは独自に開発した化学的耐久性の非常に高配管やバルブなどの金属材料と相互作用し、それらのピークがいPCSシリカ（Perfect Chemical Stable Sillica）と耐久型高

大きくテーリングする。一般的に、カラムは充塡剤とステンレス度エンドキャッピングにより、これらの難題の克服に成功した
L-column3 を2017年9月より供給を開始した。L-column3

製のクロマトグラフィー管、
フリットと呼ばれるフィルターなどから構成されているが、これらとも相互作用し、ピークがテーリン
グする原因となっている。そこで、試料との相互作用が起こりにとpH 12まで使用可能な他社製カラムとの耐アルカリ性を評価するため、
これらのカラムに対してトリエチルアミン（pH

くいガラスライニングステンレス管とポリマー系のフリットを組

12.2）
及びリン酸緩衝液（pH 11.5）による通液劣化試験を行っみ合わせたメタルフリーカラムを2014年に開発した4）。

た。その結果を図3に示す。
トリエチルアミンの通液において、

このカラムは金属配位性化合物のLC/MS/MS分析においBrand D及びBrand Eは200時間前後で理論段数の著しい低て、ピーク形状や感度の改善、キャリーオーバーの低減、定量範下が認められた。一方、250時間以上安定していたBrand B及（図2）。
囲の拡大 、不確かさの低減 など有効性が確認されたびBrand Cも、
リン酸緩衝液の通液では150時間以内に著しい

また、
メタボロミクスやリピドミクスなどの分野でも使用されつ低下が認められた。これはカラムがアルカリ性移動相の種類に

5）

6）

つある。

2
1

いずれのアルカリ性移動相の通液条件においても安定していることから、非常に耐アルカリ性が高いことがわかる。つまり、
理論段数（ナフタレン）の維持率（％）

ステンレスカラム

L-column3 はも大きく影響を受けるということを示している。

メタルフリーカラム

1充塡剤
カラムサイズ
溶離液

0

100

通液時間
（h）

200

250

L-column3

L-column3

通液劣化試験条件
Brand A50
移動相
54 mMトリエチルアミン（pH12.2）/メタノール（90/10）Brand B

Brand C
0.2 mL/min、：50℃
50
Brand カラム温度
D
Brand E
ナフタレン測定条件
Brand A
Brand B （40/60）
0移動相
水/アセトニトリル
0
Brand C 100
流速0.2
mL/min、
カラム温度
：40℃
通液時間
（h）
0
0
100

流速

（左）
ステンレスカラム、（右）
メタルフリーカラム

L-column3

200

250

200

通液時間
（h）

100

図2 カラム材質の違いによるリン酸化ペプチドの分析結果

04

0

100
充塡剤
C18 5 μm
カラムサイズ 100
2.0 or 2.1×150 mm

理論段数（ナフタレン）
の維持率
（％）

流速
カラム温度
試料
試料濃度
注入量
検出

L-column2 ODS, 3 μm
メタルフリーカラム2.0 mm I.D. or ステンレスカラム2.1
mm I.D., 150 mm L.
A：0.1% ギ酸; B：アセトニトリル A/B：95/5-50/50 (0-10min)
0.2 mL/min
40℃
リン酸化ペプチド（1：NVPL-pY-K、2：HLADL-pS-K）
500 fmol/μL
3 μL
ESI-MS/MS(+)

Brand A
Brand B
Brand C
Brand D
Brand E

50

理論段理
数
（
タナ
レフ
ンタ
）
の
率
（
論ナ
段フ
数
（
レ維
ン持
）
の
維％
持）
率
（％）

分析条件

L-column3

100

2

L-column3

50

0Brand A
Brand B
Brand C

0

100

200

通液時間
（h）

HPLC分析においてカラムは常に移動相に晒され続ける。このことはシリカ系逆相C18カラムなどの充塡剤表面が常に加水分解のリスクに晒されているということを意味する。シリカ系
逆相C18カラムは、
シリカゲル表面をアルキル基で高密度に修飾しているため、中性移動相での耐久性は十分に維持される。
しかし、アルカリ性移動相となると基材シリカは簡単に侵食されはじめ、やがてカラム先端に隙間が生じカラム性能は著しく低下する。シリカ系カラムにおけるアルカリ性の耐久性の向上について、残存シラノール基の問題と同様に各カラムメーカーも
4充塡剤
カラムサイズ

C18 5 μm
2.0 or 2.1×150 mm

通液劣化試験条件
移動相
流 速

10 mMリン酸緩衝液（pH11.5）/メタノール（90/10）0.2 mL/min、カラム温度：40℃

ナフタレン測定条件
移動相
流 速水/アセトニトリル（40/60）0.2 mL/min、カラム温度：40℃

図3 アルカリ性移動相の通液劣化試験
上）54 mMトリエチルアミン（pH12.2）/メタノール（90/10）下）
10 mMリン酸緩衝液（pH11.5）/メタノール（90/10）THE CHEMICAL TIMES
9.5である。pH 2の移動相では構造中のピペリジノ基のほとんどが解離し、
カルボキシル基は解離が抑えられた状態となり、しており、塩基性物質、配位性化合物及び酸性物質の全てに対られた状態で、カルボキシル基がほとんど解離している。また、してシャープなピークを示す。図4に、塩基性物質である抗うpH 7の移動相では、構造中のピペリジノ基及びカルボキシル

L-column3 は極限まで残存シラノール基を不活性化
また、pH 11の移動相では逆に構造中のピペリジノ基は解離が抑え基の両方がほとんど解離しているため、保持時間が最も小さく

L-column3 と同等の耐アルカリ性をピークが得られた。一方、

L-column3 を用いれば、なる。このような両性物質に対しても、

L-column3 は多岐の物質にわたりオールラウンド果であった。

目的に応じた分析条件を選択することができる。

示したBrand Aは、吸着性に関してはL-column3 より劣る結分 析 技 術L-column3 は左右対称なシャープなつ剤の分析結果を示す。

特 集

L-column3 は非常に幅広いpH領域（pH 1～pH 12）でメソッ

ド設計が可能なカラムといえる。

広範囲な移動相条件から移動相のpHに制約されることなく、に最高レベルの低吸着性を発揮するカラムといえる。
12a) pH11

3

T.f.(3) =1.69

Brand A

T.f.(3) =3.76

Brand BT.f.(3) =1.60

Brand C

T.f.(3) =1.29

L-column2

T.f. (3 ) =1.30

L-column30510Time (min)

分析条件
充塡剤
カラムサイズ
移動相
流 速
試 料
注入量

15

b) pH720c) pH2

C18 5 μm
4.6×150 mm
アセトニトリル/25 mMリン酸緩衝液（pH7）（35/65）
1 mL/min、
カラム温度：40℃
1. パロキセチン
2. シタロプラム
3. フルオキセチン
1 μL

図4

低吸着性
（塩基性物質）

CH3
H3C

O

COOH

F

F

05

N

2. イブプロフェン

OH
H3C

CH3

HO

F

L-column3 で広がるアプリケーション

OH

CH3

O
N

O

CH3

NH2

7. フルボキサミン

5. フェキソフェナジン

分析条件

L-column3 は非常に幅広いpH領域（pH 1～12）
でメソッド

カラム
移動相

L-column3 C18 5 μm, 2.1×150 mm
A: アセトニトリル; B:25 mM リン酸緩衝液（pH2,7,11）

能を十分に発揮することができる。それは、イオン性化合物の流速
試料

A/B: 20/80-70/30 (0-20 min)
0.3 mL/min、カラム温度：40℃
1. ケトプロフェン（酸性）設計が可能なことから、イオン性化合物の分析に対してその性解離状態が移動相のpHによって変化し、保持が大きく変化する

2. イブプロフェン（酸性）
3. インドメタシン（酸性）からである。そのため、移動相のpH変化が分離改善に大きく寄4. イソブチルパラベン（弱酸性）

L-column3 を用いてイオン性化合物を分析し与する。図5に、

5. フェキソフェナジン（両性）たものを示す。移動相のpHを2、7、11に変更することで、
イオ
ン性化合物の保持時間を変化させることができる。

酸性物質であるイブプロフェンのpKa は4.5であることから、

pH 2の移動相では解離が抑えられた状態となるので、保持時間は最も長くなる。一方、pH 7及びpH 11の移動相ではほとん
ど解離しているので、保持時間は短くなる。
塩基性物質では、酸性物質と逆の傾向となる。塩基性物質であるフルボキサミンのpKa は9.2であることから、pH 2及びpH

6. トリプロリジン（アルカリ性）
注入量

7. フルボキサミン（アルカリ性）1 μL

図5 L-column3 を用いた移動相のpHによるイオン性化合物の分離パターン変化

現在、医薬品の開発において原薬中の不純物に関するガイ
ドラインが発行されており、新規医薬品の申請時に、不純物や医薬品の保存中に生成する分解生成物等についての分析法、7の移動相ではほとんど解離しているので保持時間が短くな

構造決定及び安全性評価をしたものを添付する必要がある。

るが、pH 11の移動相では解離が抑えられた状態になることか

図6に、塩基性医薬品であるホモクロルシクリジンの分解生成

ら、保持時間が最も長くなる。この挙動は他の塩基性物質及び物を分析した例を示す。それぞれのクロマトグラムを比較する

酸性物質でも同様の傾向が見られた。

と、pH 11の移動相が一番多くピークを検出することができ

一方、両性物質であるフェキソフェナジンのpKa は4.3及びた。また、移動相のpHによりピーク数が異なることから、pHを
5

THE CHEMICAL TIMES

特 集
分 析 技 術高くすることで今までは分離することができなかった不純物のら購入したものを用いた。その結果を図8に示す。上側のクロピークを分離する可能性が示唆され、pH 11でも分析可能なマトグラムが移動相にアンモニア水を使用して分析したもの、れた。また、移動相のpHが高くなるほど負荷量によるピーク形を使用した公定法で分析したものである。これらを比較すると、

L-column3 が、医薬品の不純物分析に有効であることが示さ下側のクロマトグラムが移動相にギ酸アンモニウム及びギ酸状の変化が小さくなり、pH 11の移動相では高負荷量の試料

アンモニア水を使用することで、公定法と比較して三成分ともを注入してもシャープなピークとして検出することができた。

感度を向上し、OAとDTX-2間の分離も改善することができた。

このことから、塩基性物質を大量に負荷させる分取精製においこのことから、
アルカリ性移動相を用いたオカダ酸群の分析に
L-column3 が有効であることが確認された。

L-column3 が有効であることが示された。
て、

1a) 検討法（アルカリ性移動相）

1

3

1：OA
2：DTX-2

1

3：DTX-112c) pH1151b) pH744a) pH245

017.5Time (min)

分析条件

35

カラム
移動相

L-column3 C18 5 μm, 2.1×150 mm
A: アセトニトリル; B:25 mM リン酸緩衝液（pH2,7,11）

流 速
試 料
注入量

A/B: 5/95-75/25-75/25 (0-30-40 min)
0.2 mL/min、カラム温度：40℃
10 g/L ホモクロルシクリジンの分解生成物
5 μL

図6

OH

No.
1
2
3

H

O

O

O

10

3

b) 公定法

1
2

O
OR1

H

0

OH

H

O

R1
-H
-H
-H

分析条件

O
OH

R2
-CH3
-H
-CH3

R3

R3
-H
-H
-CH3

R4

R4
-H
-CH3
-H

ディノフィシストキシン-1：関東化学株式会社製（製品番号49915-06、CAS.
No 81720-10-7）
ディノフィシストキシン-2：関東化学株式会社製（製品番号49915-07、CAS.
No 139933-46-3）

図7

10

O

O

化学物質
オカダ酸
（OA）
ディノフィシストキシン-2（DTX-2）
ディノフィシストキシン-1（DTX-1）

5Time (min)R2オカダ酸：関東化学株式会社製（製品番号49915-09、CAS.No 78111-17-8）

オカダ酸群の化学構造

次に、L-column3を用いて下痢性貝毒であるオカダ酸群を分析した例を紹介する。オカダ酸（OA）や異性体であるディノ
フィシストキシン（DTX）は、構造中にカルボキシル基を有する
毒素である
（図7）
。公定法では、移動相にギ酸アンモニウムやギ酸を加えて酸性にすることで、カルボキシル基の解離が抑制された状態で分析をしている。
しかし、
マトリックス効果により感度が不安定であるという問題がある。
最近では、LC/MS/MS分析にアルカリ性移動相を用いている例も報告されている7）。これは、移動相をアルカリ性にすることでカルボキシル基が解離状態となるため、イオン化効率が改善されて感度を向上することができるからである。我々も、移動相にアンモニア水を用いたアルカリ性移動相でオカダ酸群を分析した。分析に用いたオカダ酸群は、関東化学株式会社か6

5Time (min)ホモクロルシクリジンの分解生成物の分析

O
H

0

カラム
溶離液

L-column3 C18 3 μm, 2.1×150 mm   a) A：5 mM アンモニア水（pH10.5）; B：アセトニトリル/5 mM
アンモニア水（pH10.5）（95/5）b) A：2 mM ギ酸アンモニウム及び50 mM ギ酸; B：アセトニトリ
ル/2 mM ギ酸アンモニウム及び50 mM ギ酸（95/5）

流速
試料濃度

A/B：60/40-60/40-100/0-100/0 (0-2.5-7.5-12.5 min)
0.2 mL/min、カラム温度：40℃
380 μg/L（ OA）、840 μg/L（ DTX-2）、850 μg/L（ DTX-1）、注検出

入量：5 μL
ESI-MS/MS(-)

図8

L-column3 を用いたオカダ酸群の分析

a）
検討法、b）
公定法

THE CHEMICAL TIMES
参考文献

特 集

06

おわりに

1) Y. Sudo, J. Chromatogr. A 737(2), 139-147 (1996).
2) Y. Sudo, J. Chromatogr. A 757(1-2), 21-28 (1997).
3) Y. Sudo, T. Wada, J. Chromatogr. A 813(2), 239-246 (1998).

について紹介してきた。いずれのカラムも様々な試行錯誤の中で開発できたものである。
しかし、その中でも耐アルカリ性カラムの開発は、基材シリカ自体が持つ化学的特徴に関わることであるため、最もハードルの高いものであった。そのような中、近年の耐アルカリ性カラムの登場は、先に紹介したように今後の

4) H. Sakamaki, T. Uchida, L. W. Lim, T. Takeuchi, J. Chromatogr. A 1381,
125–131 (2015).

分 析 技 術

本稿では、これまでCERIで開発したシリカ系逆相C18カラム

5) H. Sakamaki, T. Uchida, L. W. Lim, T. Takeuchi, Anal. Sci. 31(2), 91–97(2015).
6) S. Shibayama, H. Sakamaki, T. Yamazaki, A. Takatsu, J. Chromatogr. A
1406, 210–214 (2015).
7) A. Gerssen, P. P. J. Mulder, M. A. McElhinney, J. de Boer, J. Chromatogr.
A 1216(9), 1421-1430 (2009).

HPLC分析、LC/MS/MS分析等において広がりを持たせることができる重要なツールの一つとして期待できる。
しかしながら、
シリカ系逆相C18カラムが登場して以来、耐アルカリ性が低いということが周知の事実として広く認知されていたため、アルカリ性移動相を使用したアプリケーションデータは酸性及び中性移動相と比べて遥かに少ないのが実情であり今後の課題で
ある。

7

特集

分析技術

現代ニーズに対応した
カールフィッシャー水分測定法～作業環境と地球環境への配慮・定量下限を低減した微量水分分析～

Recent Demands on Karl Fischer Titration〜Environment-Friendly Measurement Method / Lower Detection Limit for Trace Water Analysis〜

平沼産業株式会社 設計部 研究室 主任

北中 宏司

平沼産業株式会社 設計部 研究室 博士(理学)髙階 明子

Koji Kitanaka (Chief Laboratory staff)
Design Dept., Hiranuma Sangyo Co., Ltd.

Akiko Takashina (Ph.D., Laboratory staff)
Design Dept., Hiranuma Sangyo Co., Ltd.

キ ーワード01

カールフィッシャー、微量水分、環境負荷低減、作業環境改善

はじめに

カールフィッシャー法は、1935年にドイツの化学者KarlFischerが発表したカールフィッシャー (以下KFと略記) 試薬を用いた水分測定方法である1)。KF試薬はよう素・二酸化硫黄・塩
基・アルコールを主成分として含み、KF試薬中のよう素分子と水分子とが当量で反応する化学反応を利用している(反応式1)2)。この化学反応を利用することによって高精度な水分測定が可能となる。
H2O ＋ I2 ＋ SO2 ＋ 3RN ＋ CH3OH → 2RN・HI ＋ RN・HSO4CH3(反応式1)(RN: 塩基)

よう素を含んでいるKF試薬を用いて滴定することで試料の水分量を求める容量滴定法と(図1-a)、
よう化物イオンを含む発生液より電解によってよう素を生成し、要した電気量から水分量を換算する電量滴定法とがある(図1-b)3)。検出範囲として

図1 KF水分測定装置の概念図a) 容量滴定法  b) 電量滴定法

は10 μg～数十mg、水分量としてはおおよそ10 ppm～100%という広範囲の水分測定が可能である。
KF水分測定法は、固体、粉体、液体さらに気体と広い範囲の試料が測定できるため、石油化学業界、医薬品業界から食品

02

クロロホルムを使用しない
石油製品、油脂類製品の水分測定

業界と、様々な分野で広く活用されている。国内外の公定法(日本工業規格 (JIS)、日本薬局方、欧州薬局方、米国薬局方、
ASTMなど) でも採用されている水分測定方法である。
近年、作業環境や地球環境を考慮した分析手法および定量下限を低減した微量分析は、KF水分測定においても重要なニーズとなっている。ここでは、KF水分測定における各ニーズに対応した事例について紹介する。

2-1．石油製品、油脂類製品用のKF試薬

KF反応においては酸が生成するため、中和剤として塩基 (アミン)が含まれている。KF試薬が開発された当初は、
塩基成分と
しかし、
ピリジン特有の異臭
してピリジンが用いられていた1)。
および毒性は、KF滴定法の多くのユーザーにとって煩わしさの原因であった。
ピリジンを含まないKF試薬の研究が行われる過程で、KF反応はpH 5〜7で迅速かつ化学量論的に進行することが見出さ

8

THE CHEMICAL TIMES

ピリジンと構造や性質が類似いることが判明した 。最終的に、5)しており、かつ無臭でより適度な塩基性を示すイミダゾールが油類試料の測定結果 (n = 3)
試料

溶媒

食用油

溶媒S：1-ヘキサノールH
1：2が主流となっている。
しかし、試料に応じた測定を行うために、ピリジンを含まなく

溶媒O

とも他の劇物を含むKF試薬は現在も存在する。例えば、石油製品、油脂類製品を測定する場合は、溶解度を向上させるためにクロロホルムを含む水分測定用溶媒やKF試薬 (油類水分測
定溶媒O、
アクアライトRO等) がある。
しかし、
クロロホルムは
PRTR法や劇物、特別指定化学物質に指定されている。近年、作業環境や地球環境を考慮し、クロロホルムの使用を避けたいと

マヨネーズ

溶媒S：1-ヘキサノールH
1：2

溶媒O

いうニーズが増加している。そこで、
クロロホルムを使用しない

統計計算結果Avg.

309.8 ppm

SD

2.9 ppm

RSD

0.94

Avg.

298.5 ppm

分 析 技 術用いられるようになった2)。近年ではピリジンを含まないKF試薬

表1 1-ヘキサノールドライHおよび油類水分測定溶媒Oを用いた

特 集

れ4)、
ピリジンはpHを変動させないためのbufferとして働いて%SD

0.3 ppm

RSD

0.10

%

Avg.

20.13

%

SD

0.13

%

RSD

0.65

%

Avg.

19.96

%

SD

0.07

%

RSD

0.35

%

試薬として1-ヘキサノールドライHおよびアクアライトGRO-Aを提案する。これらの試薬は、クロロホルムの代替溶媒として、
1-ヘキサノールを使用している。1-ヘキサノールは消防法 危
険物第4類引火性液体に指定されているが、PRTR法や劇物、特別指定化学物質には該当しない。KF試薬の主溶媒かつ反応物質であるメタノールと混和する溶媒の内、1-ヘキサノールはSP

値がクロロホルムと近く (1-ヘキサノール: δd = 15.9 MPa1/2、

2-3. 電量滴定法における油類の測定例

電量滴定法においては、発生液中で電解によってよう化物イ

オンよりよう素を生成する。KF電量滴定装置の電解セルは、大きく分けて、発生液と対極液を使用する二室に分かれている二室電解セルと、対極液が必要ない一室電解セルがある (図2)。

δp = 5.8 MPa1/2、
δh = 12.5 MPa1/2、
クロロホルム: δd = 17.8

δp = 3.1 MPa1/2、
δh = 5.7 MPa1/2)6), 7)、油脂類試料のMPa1/2、溶解に適している。

容量滴定法、電量滴定法において、これらのクロロホルムを使用しない試薬を用いて石油製品、油脂類製品の溶解性を確認し、実際に測定した事例を紹介する。
2-2．容量滴定法における油類の測定例

容量滴定法においては、滴定溶媒に試料を添加し、試料より抽出された水分をKF試薬によって滴定する。石油製品、油脂類試料の測定では滴定液に一般用の滴定液 (アクアライトKF1、

図2 KF電量滴定装置における二室電解セルと一室電解セルの概念図

KF3、KF5) を用い、滴定溶媒には試料溶解性の高い溶媒を選択する。
1-ヘキサノールドライHは試料溶解性に合わせてメタノー
ルと任意の割合で混合して使用する。メタノールは最低25 %[v/v]以上含むようにして測定を行う。
溶解性が悪いと水分抽出が不十分となり繰り返し測定においてばらつきが見られる場合がある。そのため、一般水分測定
溶媒S (メタノール)と1-ヘキサノールドライHの割合を1:2 [v/v]として滴定溶媒を調製し、食用油およびマヨネーズを添加することで溶解性を確認した。その結果、両試料とも溶解性は良好であった。次に、装置本体に平沼産業製の自動水分測定装置
AQV-2200Aを用い、滴定溶媒を上記と同様に一般水分測定
溶媒S (メタノール)と1-ヘキサノールドライHの割合を1:2 [v/v]として調製し、食用油およびマヨネーズの繰り返し測定を行った。比較として、
クロロホルムを含む油類水分測定溶媒Oを用いて同様に食用油およびマヨネーズの測定を行った (表1)。
n = 3の繰り返し測定において、油類水分測定溶媒Oを用いた
場合は食用油およびマヨネーズの測定でRSDはそれぞれ0.10%、0.35 %であった。この結果に対し、1-ヘキサノールドライH

通常、試料をKF試薬に直接添加する場合、繰り返し精度良く測定を行うには、容量滴定法と同様に試料が発生液に良く溶解することが重要となる。
電量滴定法における石油製品、油脂類測定用の発生液として、クロロホルムを含まないアクアライトGRO-Aがある。実試料として灯油および食用油をGRO-Aに添加して溶解性を確認したところ、良好な溶解性を示した。次に、装置本体は平沼産業
製微量水分測定装置AQ-2200A、電解セルには二室電解セル
および一室電解セルを用い、発生液にはアクアライトGRO-A、対極液にはアクアライトCNを使用し、灯油および食用油を測定した。比較のために、
クロロホルムを含むアクアライトROを用いて同様に灯油および食用油の測定を行った (表2)。
n = 3の繰り返し測定において、アクアライトROを用いた場
合、RSDは0.37〜4.22 %であった。この結果に対し、アクアラ
イトGRO-Aを用いた場合RSDは0.67〜1.75 %であり、アクア
ライトROと同様に良好な結果が得られた。また、電解セル間の比較においても、測定値はほぼ同様の値が得られた。

を用いた場合、RSDはそれぞれ0.94 %, 0.65 %と油類水分測
定溶媒Oを用いた場合とほぼ同様であり、良好な結果が得られた。

9

THE CHEMICAL TIMES

特 集

表2 アクアライトGRO-AおよびROを用いた油類試料の測定結果 (n = 3)
試料

発生液

灯油

GRO-A

分 析 技 術

RO

食用油

GRO-A

RO

03

電解セル
二室電解セルAvg.

L

一室電解セル44.8 ppm

Avg.

45.8 ppm

SD0.7 ppm

SD0.8 ppm

RSD

1.56

%

RSD

1.75

Avg.

47.4 ppm

Avg.

46.5 ppm%

SD

2.0 ppm

SD0.8 ppm

RSD

4.22

%

RSD

1.72

Avg.

297.2 ppm

Avg.

297.9 ppm

SD

2.1 ppm

SD2.0 ppm

%

RSD

0.71

%

RSD

0.67

Avg.

295.5 ppm

Avg.

295.6 ppm

SD

2.2 ppm

SD

1.1 ppm

RSD

0.74

RSD

0.37

%

温

%

解

%

劇物を使用しない蒸留間接KF法

図3 蒸留間接KF法の概念図

ずに蒸留間接KF法により測定を行う。潤滑油用水分気化装置

3-1．蒸留間接KF法

酸化防止剤、極圧添加剤、防腐剤といった添加剤が含まれたような油類試料の場合、直接KF試薬に試料を添加するとKF反応を妨害する場合がある。これは、KF反応に関わる物質と添加剤とが反応してしまうことに由来する。そのため、添加剤が含まれた液体試料を測定する場合、直接電解セルに試料を添加せEV-2000Lでは、共沸蒸留の原理を用いた蒸留間接KF法を用いて水分測定を行う (図3)8),9)。蒸留法ではまず、蒸留溶媒を入れた気化室に窒素ガスを通気しながら加熱し、無水状態にしておく。その後、試料を加えて蒸留された水分を電解セルに導入
して、KF滴定により測定する方法である。水の沸点 (100°C)に近い沸点を持つ蒸留溶媒を用いることにより、高温で加熱する

表3 水標準品および実試料の測定結果 (n = 3)
サンプル

蒸留溶媒

加熱温度(°
C)

水標準品
1.0

トルエン

120

n-オクタン

石油系
工業溶剤

トルエン

n-オクタン

食用油

トルエン

n-オクタン

リチウム
グリース

トルエン

n-オクタン

石油系
軟膏

トルエン

n-オクタン

10

130

120

130

120

130

120

130

120

130

統計計算結果サンプル

蒸留溶媒

加熱温度(°
C)

潤滑油A

トルエン

120

統計計算結果Avg.

999.5 ppm

SD

3.1 ppm

SD

2.6 ppm

RSD

0.31 %

RSD

1.52 %

Avg.

988.6 ppm

Avg.

166.9 ppm

SD

1.5 ppm

SD

2.3 ppm

RSD

0.15 %

RSD

1.38 %

Avg.

37.1 ppm

Avg.

47.9 ppm

SD

1.2 ppm

SD

1.5 ppm

RSD

3.23 %

RSD

3.13 %

Avg.

35.1 ppm

Avg.

50.0 ppm

SD

1.0 ppm

SD

4.2 ppm

RSD

2.85 %

RSD

8.40 %

Avg.

349.0 ppm

Avg.

121.6 ppm

SD

1.7 ppm

SD

3.0 ppm

RSD

0.49 %

RSD

2.47 %

Avg.

351.8 ppm

Avg.

122.2 ppm

SD

2.0 ppm

SD0.5 ppm

RSD

0.57 %

RSD

0.41 %

Avg.

205.3 ppm

Avg.

1691.8 ppm

SD

10.5 ppm

SD

7.1 ppm

RSD

3.46 %

Avg.

220.3 ppm

n-オクタン

潤滑油B

トルエン

n-オクタン

潤滑油C

トルエン

n-オクタン

接着剤
主剤

トルエン

n-オクタン

130

120

130

120

130

120

130

Avg.

170.5 ppm

RSD

0.62 %

Avg.

1650.0 ppm

SD

10.2 ppm

SD

3.9 ppm

RSD

4.63 %

RSD

0.24 %

Avg.

23.4 ppm

Avg.

8047.9 ppm

SD

3.4 ppm

接着剤
硬化剤

トルエン

120

SD

44.4 ppm

RSD

0.55 %

RSD

14.53 %

Avg.

21.9 ppm

Avg.

8117.8 ppm

SD

1.4 ppm

SD29.9 ppm

RSD

6.39 %

RSD

0.37 %

n-オクタン

130

THE CHEMICAL TIMES

電極におけるよう素の生成量とバックグラウンド水分をつり合温度とすると水分の留出も速まり、高温加熱が必要なベースオ

わせておく(ブランク消去の操作)。この状態で電解液に試料をイル等を用いた場合よりも迅速な測定が可能となる。蒸発した

加えると、試料由来の水分によってよう素が消費され指示電極

蒸留溶媒によって気化室から電解セルまでの配管を洗浄する

信号が変化する。電解生成したよう素によってKF反応が進行し効果も得られる。

て水を消費し、指示電極信号が元の値に戻った時点が測定の終3-2. 劇物に該当しない蒸留溶媒から求めることができる。

通常、蒸留溶媒には水と沸点が近く油類をよく溶解するトル

微量水分の測定に併せて、指示電極の高感度化を行った事例

エン・キシレン等が用いられている。
しかし、これらは劇物に指と、試料の吸湿を抑えたサンプリング方法を以下に紹介する。

了点となる。水分量は終点到達までに要した電解電流の電気量分 析 技 術指示電極信号が終点付近で一定の値を保持するように、電解特 集必要が無くなるため、妨害成分の留出を抑えた水分測定が可能となる。さらに、蒸留溶媒の沸点よりも5〜10 °C程度高い加熱

定されており、その毒性や法規制により、最近では使用を忌避されている。そこで、劇物蒸留溶媒の代替品としてn -オクタン

n -オクタンは沸点125.6 °Cを提案する。

10)、粘性率は0.5151

トルエン (沸点110.6 °C 10)、粘性率cP (25 °C)であり11)、0.5600 cP (25 °C) 12))と類似した物性を示し、蒸留溶媒として

n -オクタンはSP値もトルエンに近い値を持適している。さらに、

δp = 0.0 MPa 、
δh = 0.0
つ (n -オクタン: δd = 15.5 MPa 、
1/2

1/2

トルエン: δd = 18.0 MPa1/2、
δp = 1.4 MPa1/2、δh =MPa1/2、
2.0 MPa )
1/2

6),7)

。これらのことから、
n -オクタンはトルエンと同様に油類をよく溶解し、かつ妨害成分の留出を抑えて迅速な測定が可能である。
平沼産業製の微量水分測定装置AQ-2200Aおよび潤滑油

用水分気化装置EV-2000Lを使用し、蒸留溶媒にn -オクタンおよびトルエンを用い、水標準品および油類試料を測定した (表n -オクタンの場合は3)。加熱温度はトルエンの場合は120 °
C、

130 °
Cとした。

リチウムグリースを蒸留溶媒に添加した際は、トルエンにはよく溶解したのに対してn -オクタンでは白く濁り、溶解性がトルエ

4-3.指示電極電流の直線性の確認

指示電極は白金線の対で構成され、反応場である電解セル

中のKF試薬に浸漬された状態で使用される。この白金対に対して一定の交流電圧を印加し、流れた電流を信号として記録して測定の制御に用いる。KF水分測定では、終点到達前は水が残存しており余剰のよう素が存在しないため、白金対の間に電流が流れにくい。一方で終点に到達して小過剰のよう素が存在すると、電極表面で(反応式2)の反応が起こり、電流が流れやすくなる。
I2 + 2e- → 2I- (反応式2)

この反応は可逆的であり、指示電極のサイズ、印加電圧、攪拌速度が一定の状態かつよう素イオン濃度過剰の電解液中における指示電極電流は、よう素の拡散によって律速された拡散電流である。すなわち、
よう素濃度に比例して指示電極電流は増大する。終点近傍の電解液中でよう素を電解生成しながら指ンよりも低いものと考えられた。
しかし、両溶媒における測定結示電極電流をプロットした（図4）。電解量が水換算で0 ～ 300

果を比較するとほぼ同様の結果が得られた。その他の試料につµgの範囲において良好な直線性が得られていることがわかる。

いては、溶解性および測定結果は両溶媒においてほぼ同等で

n -オクタンはトルエンの代替品として使あった。このことから、用可能と判断できる。

04

高感度水分測定方法

4-1.概要ファインケミカルや電気電子材料分野において、近年ではこれらの技術発達に伴い不純物としての水分をより低濃度で管理したい、といったニーズが市場に見受けられる。具体的には、有機合成原料や電池材料などが挙げられる。従来のKF水分測定
装置の定量下限は電量滴定法で水分10 µgである。数 ppmの試料を測定する場合、水分検出量が定量下限値以上得られるよ
うに試料添加量を多くして測定すれば、およそ5 ppm まで測定可能である。
しかし、さらに低濃度の1 ppm前後の水分量を繰り返し精度よく測定したい場合、従来のKF電量滴定法では、

図4 指示電極電流とよう素電解量の直線性

装置の測定範囲から外れてしまうことがある。このような低濃度水分測定における問題を解決する、
液体試料向けに定量下限
値を2 µgまで低減した新しい水分測定装置について述べる。

KF電量滴定法においては終点付近で電解電流をパルス状に断続し、終点電位をわずかに通り過ぎた点で測定を終了とする。終点に対して過剰のよう素は測定終了後に補正される。指4-2.原理測定の基本原理は公知のKF電量滴定法である。すなわち、示電極電流がよう素濃度に対して直線性を持つことは、線形補間による正確な補正のために重要な性質である。
11

THE CHEMICAL TIMES

特 集

4-4.指示電極電流の高感度化の検討

により、試料が外気により吸湿することを抑制しつつ、計量およ水1 µgに相当するよう素を電解したときの指示電極電流のび電解セルへの導入が可能となる。

変化量をシグナル[S]、待機状態の指示電極電流の標準偏差を分 析 技 術

ノイズ[N]として、指示電極電流のS/N比を定義する。指示電極
電流が同水準において、指示電極の白金線1本あたりの表面積
図5)。
を9.3〜110 mm2に変化させてS/N比を比較した (表4、
電極名TPT 1は従来のKF電量滴定装置で用いられている表面
積の指示電極であり、末尾の数字が増えるごとに指示電極表面
積は大きくなる。従来比で約5倍の表面積の電極において、S/
N比は従来の10倍の値に改善した。
表4 指示電極の表面積とS/N比

図6 サンプリング装置の流路図

検出電極

表面積 (mm2)

S/N比

表面積 (従来比)

TPT 1(従来品)

9.3

0.4

1

TPT 2

25

3.0

2

また、試料の保存容器から切替バルブまでの流路における試

TPT 3

34

3.1

3

TPT 4

54

5.6

5

料の吸湿にも注意を払う必要がある。試料の保存容器は、
シリ

TPT 5

80

10.0

8

TPT 6

110

17.6

10

ンジセプタムを備えており注射針を挿入して内容物を吸引できるものであるか、または耐圧容器であり内容物を乾燥不活性ガスで押し出すことができるものであることが望ましい。これらの容器の試料として関東化学製の有機合成用脱水溶媒を導入するための配管を作成した事例を図7、8に示す。

図7 セプタム付ガラス瓶からの配管図

図5 指示電極の表面積とS/N比4-5.サンプリング方法

測定対象となる試料は水分量が数 ppmの液体試料である

ことから、試料のハンドリングによって容易に外気中の水分を吸湿してしまうことが懸念される。よって、試料を保存容器から測定部の電解セルまで密閉された環境下で取り扱いつつ、既知量の試料を計量して電解セルに導入する必要がある。
この課題に対しては、図6に示すような6方切替バルブと固定の容量をもつ計量管の組み合わせにより解決できる。計量管を経由する循環流路は、切替バルブの操作によって、電解セルの循環と試料の導入を切り替えることができる。試料導入と測定
動作は次のように行われる。測定前のブランク消去時は計量管12に電解液を循環させ、電解セルおよび計量管全体を無水状態

図8 耐圧容器からの配管図で安定化させておく。次にバルブを切り替えて計量管に試料液シリンジセプタムを備えたガラス瓶の場合、内容物は注射体を満たす。再度バルブを切り替えて、計量管に満たされた試針を通してポンプにより吸引され、6方バルブの試料INポート

料を電解液の循環により電解セルに導入して測定を行う。これから計量管に導入される (図7)。その際、ガラス瓶から試料をTHE CHEMICAL TIMES

特 集

吸引することにより内部が陰圧となり、徐々に外気を取り込んで内容物が吸湿してしまう可能性がある。その対策として、試料の吸引と同時に乾燥窒素ガスを瓶内に供給するとよい。さら分 析 技 術に、余剰の窒素ガスにより内圧が上がりすぎないよう、圧力逃がし用の安全弁を取り付けておくことも必要である。
試料保存容器が耐圧容器の場合、試料の供給システムがすでに不活性ガスで試料を導入できるため、供給ラインを6方バルブの試料INポートに接続するのみでよい (図8)。
4-6.実試料の測定と定量下限の評価

本測定法の評価のため、水分量1 ppm付近であることが予想される脱水溶媒の水分を測定した。測定試料は関東化学製の脱水溶媒であり、耐圧容器入りのトルエンおよびシリンジセ
プタム瓶入りのメチルシクロヘキサンの2種類である。同一の試料に対して計量管を容量の異なるものに交換し、試料量の水準を変えて測定を行った(表5、6)。
表5 トルエンの水分測定結果 (n = 8)
試料量(g)

検出量(µg)

水分量(ppm)

1.069

1.73

1.62

1.069

1.82

1.70

1.069

1.73

1.61

1.868

2.93

1.57

1.868

2.95

1.58

2.826

4.42

1.56

2.826

4.56

1.61

2.826

4.49

1.59

Avg.

1.60

SD

0.04

RSD

2.50

図9 トルエンの水分測定における試料量と検出量の直線性

表6 メチルシクロヘキサンの水分測定結果(n = 9)
試料量(g)

検出量(µg)

水分量(ppm)

0.948

0.47

0.49

0.948

0.73

0.77

0.948

0.59

0.62

1.657

1.00

0.60

1.657

0.90

0.54

1.657

1.10

0.67

2.506

1.37

0.55

2.506

1.32

0.53

2.506

1.23

0.49

図10 メチルシクロヘキサンの水分測定における試料量と検出量の直線性

メチルシクロヘキサンの測定において、3水準の試料量
0.9482 g、1.6572 g、2.5062 gに対する水分検出量はおよ

Avg.

0.58

SD

0.09

そ0.6 µg、1.0 µg、1.3 µgであり、試料量毎の水分量のRSDは

RSD

15.5

それぞれ 22.2 %、11.7 %、5.8 %となった。この結果より水分
検出量 約1.3 µg以上においてはRSD 10 %以下の繰り返し精

試料量に対して検出水分量をプロットし直線性を確認した結果を図9、10に示す。試料量は計量管の容量と試料の密度から質
トルエンの測定においてはn=8量に換算したものを用いた13)。
の繰り返し測定で水分量1.6 ppm (RSD 2.50 %)、試料量と検出量の直線性は相関係数0.9990と良好であった。メチルシ
クロヘキサンの測定ではn=9の繰り返し測定で水分量0.58

度が得られることが期待される。定量下限の定義として、上水試験方法2001では要求される再現性を満たす最低の測定値と記載されている14)。この値にさらに余裕度を考慮し、本水分測定装置の定量下限値は2 µgと評価される。計量管体積は1～10 mLで調整可能であることから、1 ppm水準の測定にも十分対応できると考えられる。

ppmと低い値が得られ、RSDは15.5 %、直線性は相関係数で0.9518であった。
13

THE CHEMICAL TIMES

特 集

05

参考文献

終わりに

分 析 技 術

本稿ではKF法による水分測定における近年のニーズに沿った提案として、作業環境の改善と環境負荷の低減、および従来測定が困難であった低水分試料の測定方法について解説した。
KF法は提唱されてから82年を経るが、現在においても幅広い分野で用いられている。KF法における作業環境や環境負荷の改善、および低水分測定の実現は今後ますます重要になると考
えられる。
謝辞

本研究の一部は“平成２５年度中小企業・小規模事業者ものづくり・商業・サービス革新事業に係る補助金”の助成を受けたものである。本研究にあたり測定試料を提供して戴くとともに有益なご助言を戴いた関東化学株式会社 草加工場 試薬生産
技術部の皆様、および産業技術総合研究所 計量標準総合セン
ター 物質計測標準研究部門の皆様に心から感謝いたします。

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11) J. A. Riddick, W. B. Bunger, T. K. Sakano, in Organic Solvents Physical
Properties and Methods of Purification, 4th Edition , (John Wiley andSons, New York, 1986), p. 116.
12) in CRC Handbook of Chemistry and Physics, 95th Edition , W. M.
Haynes, D. R. Lide, T. J. Bruno, Eds. (CRC Press, New York, 20142015), p. 6-234.
13) A.S.T.M. Special Technical Pub., No. 109A, Physical Constants ofHydrocarbons C 1 to C 10 , (A.S.T.M., Pennsylvania, 1963).
14) 上水試験方法 I. 総説編, (日本水道協会, 東京, 2011), p. 75.

特集

分析技術

トリプル四重極ICP-MSを用いた39K、40Caの0.1pptレベル分析における干渉除去機構の解析
Investigation of interference reduction mechanism for 39K and 40Ca
analysis at 0.1ppt level using triple quadrupole ICP-MS
アジレント・テクノロジー（株） ICP-MSアプリケーションGr

溝渕 勝男

アジレント・テクノロジー・インターナショナル（株） ICP-MS技術部

山田 憲幸

Katsuo Mizobuchi (Senior Application Chemist)
Agilent Technologies Japan Ltd. ICP-MS application Gr

Noriyuki Yamada (Senior Researcher)
Agilent Technologies International Japan Ltd. ICP-MS R&D Gr

キ ーワード01

トリプル四重極ICP-MS、スペクトル干渉除去、Cool plasma、半導体金属分析

つあり、従来のICP-MS 注１）では一部困難なアプリケーション事

はじめに例が存在している。これらを克服する手段として、Agilent社は2012年にトリプル四重極ICP-MS注2)を製品化し、今まで困難であったスペクトル干渉をさらに低減することが可能になった3)。

ICP-MS(Inductively-coupled plasma mass

また、従来の四重極マスフィルタを１器搭載するICP-MS

spectrometer)は汎用の元素分析装置の中では、最も検出下（Single Quad -MS (シングル四重極MS)）
では、
セル内で起

限が低く、多元素同時分析もできることから、現在、半導体製

こる反応機構の詳細については不明な点が多く、Black Boxで造プロセスにおける金属汚染管理に広く用いられている。分

あったが、トリプル四重極ICP-MSのMS/MS法を用いることに析の対象となるサンプルはSiウェハの表面の回収液や超純水、より、
セル内の反応機構のかなりの部分が解明できる様になっ過酸化水素水、各種酸（硝酸など）、各種アルカリ溶液（アンモ

た。このことは学術的な進歩への貢献はもちろんであるが、ニア水など）、
フォトレジスト、各種有機溶媒（イソプロピルアル

pptレベルの品質管理が要求される半導体アプリケーションにコールなど）、現像液など無機系から有機系に至るまで、多くのおいて、得られた結果が実際のサンプル中の金属汚染なのか

電子工業用薬品が分析対象となっている。ICP-MSでは試料中スペクトル干渉なのか切り分けもしやすくなった点もトリプルの種々の分析対象元素をプラズマ（ICP）
中で原子化・イオン化

四重極ICP-MSの大きな長所といえる。

し、得られた各元素イオンを四重極などの質量分析器で質量別

本報では、多くの半導体アプリケーションのユーザから要求に選別してその個数をカウントする。これにより試料中の元素があった、従来のシングル四重極ICP-MSによるCool plasma

濃度を測る。
しかし、同じ質量数（厳密には質量電荷比）を持つにおいて、わずかにスペクトル干渉を生じていた超純水中の異種イオン（干渉イオンという）が存在すると計測対象元素イ39

オンと重ね合わせて計測され、検出下限を制限する。ICP-MS

リプル四重極ICP-MSのMS/MS法を用いることにより、
これら

Fe への

の干渉をほぼ完全に除去することが可能になり、さらにはセルAr16O+ 干渉)、同重体イオン干渉(ex. 40Ca+への 40Ar+ 干渉)、内での反応機構も明らかになったので、トリプル四重極ICP-MS

で検出下限を低減するには、多原子イオン干渉(ex.

56

+

40

２価イオン干渉(ex.

24

Mg への
+

48

Ti 干渉)などのスペクトル
2+

K,40Ca分析における改善例について紹介する。具体的には、
トの原理および機構を含めて解説する。

干渉をいかに低減できるかが極めて重要になる。Agilent社ではこれらの干渉除去の手法として、1992年にシールドトーチ
Cool plasma 法1)、2001年に四重極マスフィルタの前段にオこクタポールリアクションセル2)を搭載したICP-MSを製品化し、れらの技術を駆使することにより、大部分のスペクトル干渉は除去することが可能になった。それによって、半導体産業のアプ
リケーション分野にICP-MSは大きく飛躍し、現在、多くの種類のサンプルにおいて、ほとんどの元素でsingle pptレベルの定

注１） 四重極マスフィルタを１器搭載するICP-MS
注２） Agilent 8800 (2012-2016), Agilent 8900
（2016-）
では図２に示す様に四重極マスフィルタ
（Q1）
-八重極
（オクタポールリアクションセル)-四重
極マスフィルタ（Q2）の構成を採用している。Agilent社では、
この様にセル前段の四重極マスフィルタをQ1,セル後段のマスフィルタをQ2と呼んでいる。
したがって、四重極は２個しかないが、IUPACの用語定義4）によると四重極の間にあるマルチポールセル（四重極、八重極など）を含めてトリプル四重極としているため、
トリプル四重極ICP-MSという用語が使われている。また、ICP-QQQと略される。

量分析が可能になってきている。
しかしながら、半導体産業から要求されるICP-MSへの検出下限への要求は年々厳しさを増してきて、最近では、検出下限はsub pptレベルが要求されつ
15

THE CHEMICAL TIMES

特 集

02

Background Equivalent
Concentration（BEC）

できたとしても、
これらのイオン以外のセル入射イオンとセル
ガスとの反応で生じるセル内副生成物イオンが新たな干渉を生じる可能性がある。例えば、Agilent社のシングル四重極

分 析 技 術MS(Agilent 7500,7700,7900）
ではOptionのセルガスとし
I C P - M S のスペクトル 干 渉 の 程 度を示す指 標としては、てNH3(→NH3(10%)/He混合ガスとして使用)を導入すること

Background Equivalent Concentration（バックグランド相セル内で多が可能であるが、
セル入射イオンとNH3の反応で、当濃度、以下BECと略）が広く用いられている
（→図１）
。

これにより
くの種類のNH 3起因のクラスタイオンが生成され、干渉を受ける元素も多く、実際の分析においてシングル四重極MSを使用した場合、NH3ガスを使用できるアプリケーションは限定的である。特に金属管理濃度が低いレベルを要求される半導体アプリケーションではなおさらである。これに対して、
ICP-QQQのMS/MSモードでは、Q1（セル前段の四重極）はイ
オン通過条件を測定元素イオンの質量数に設定するので、測定
元素イオンおよびこれと同じm/z をもつ干渉イオンのみがQ1を通過することができ、それ以外の不要なイオンは全て排除される。例えば図2では、MS/MS法で75Asを測定する場合について示している。
図1 検量線(ex.40Ca)とBackground Equivalent Concentration(BEC)

例えば、40 Caを測定する際には、四重極に印加する直流と交流の電圧をm/z =40のイオンが通過できる条件に設定する。今、blankサンプルにおいて検出器に到達する信号が１秒あたり100個だった場合、blankカウント値(y切片)は
b=100cps(cps: counts per second)となる。また、感度（検量線の傾きa）がa=50cps/pptとするとBECは検量線を外挿したX軸との切片と原点の距離になるので、BEC=b/
a=100(cps)/50(cps/ppt)=2pptとなる。次にBECの数値
解釈について説明する。blank100cps(=BEC2ppt)の内訳は以下の①＋②＋③＋④の合計になる。①サンプル中に含まれる
Ca、②装置のMemoryとしてのCa（例えば、サンプルチューブ
やサンプリングコーンからのCaの溶出など）、③スペクトル干、④装置のランダムバックグランド（Photonノイ渉（ 40Arなど）

図2 セル入射イオンの違い(Single Quad-MS vs MS/MS)

Q1を測定元素である75As +が通過できる条件(m/z =75のズなど）
。実際の分析で求めたいものは①であるが、この内訳

質量電荷比をもつイオンのみが通過)に設定するので、プラズの割合は、
この検量線だけからは判別することができない。
しマ中でイオン化した多種多様なイオン(1H+,12C+,14N+,16O+,40A

たがって、
この場合、blank中に含まれるCaの濃度(①)はBEC

セルには測定r+,35Cl+,59Co+など)のほとんどがQ1で排除され、値(2ppt)以下という表現になる。また同時にスペクトル干渉を元素の 75As +を含むm/z =75の質量電荷比をもつイオンのみ

示す濃度 (③)もBEC値(2ppt)以下になるので、この場合Ar干(40Ar35Cl+,59Co16O+など)が入射する。例えばセルガスに酸素を

渉は2ppt以下であることが言える。すなわち、BECを算出すれ使用した場合、As+は酸素と反応してAsO+を生成するのでQ2

ば、そのときの測定条件におけるスペクトル干渉の最大値がわかるので、ICP-MSのスぺクトル干渉の程度を評価する数値指標としてBECは広く用いられている。

これを計測する。このとき、Co+
をAsO +のm/z =91に設定し、のセル入射がQ1によって阻止されるためCo+と酸素の反応に+
m/z＝91）の生成が防止され、かつ、干渉イオンのよるCoO2（

したがって、Asの無干渉測
ArCl+やCoO+は酸素と反応しない。

03

定が可能となる。すなわちMS/MS法を用いると、セル内で起ICP-MSとICP-QQQの違いるので、シングル四重極MSの場合に懸念されるセル内副生成物イオン干渉をほとんど回避できるという大きな利点がある。

従来のICP-MS（ シングル四重極MS）とICP-QQQ(MS/をかなり
ICP-QQQでは反応性の高いセルガス（NH3、O2など）MS)の違いを図２に示す。シングル四重極MSはセル前段にの自由度をもって使える為、今まで困難であったスペクトル干

四重極がないのに対して、ICP-QQQ(MS/MS)では四重極

渉が除去（BEC低減）できる事例が増えてきた。次項では、ICP-（Q1）が設置されている。両者の違いはセル入射イオンのQQQを用いた超純水中の39K,40CaのBEC低減例について紹違いにある。 シングル四重極MSの場合は、プラズマ中でイ介する。

オン化したイオン種が全てセルに入射する。ここで、セルガスに反応性の高いガスを用いた場合、測定元素イオンと干渉イオンの反応ガスとの反応性の違いにより、干渉イオンは除去
16

こる反応はm/z =75のイオンが関与するもののみに限定されTHE CHEMICAL TIMES
定して、Q1をm/z =２～41までscanした。この実験の目的は、セル内で40Caに干渉するm/z =40のイオンが生成する場合、その原因となる元イオン（セル入射イオン）の質量数を同定す4-1 Cool plasma法

質量数、Y軸はQ2バイアス（-5Vから-30Vまでの5V間隔）、Z軸はじめにCool plasma法について説明する。通常のICPは

1kW以上の高周波電力により生成した高温のArプラズマではm/z =40のイオン強度を示している。Q2バイアスを変化さ

m/z =40のイオンが、セル内で生成したものかプラせたのは、あるが、高周波電力を600W程度まで減じ、ICP中に流すAr

ズマ由来のイオンなのかを判別するのに役立つからである。す

ガス流量を高める（スプレチャンバから添加するメークアップ

なわち、Q2バイアスを高く設定する（例えば、-5V）と、
セル内生

ガス(Ar)を増加してエアロゾルのプラズマ中の滞在時間を短

成イオンの強度は大きく減ずるが、プラズマ由来のイオンは、くする）
ことで“冷えた”プラズマをつくることができる。これ

セルにガスを導入しない限りあまり変化しない。

を用いた測定手法をCool plasma法という。Cool plasma
では、プラズマの主たるイオン種はNO である。すなわちHot+

plasmaがArプラズマであるのに対して、Cool plasmaはNOプラズマということができる(N原子やO原子はICP周辺
から巻き込まれた空気や試料液の構成原子に由来する)。NO

このQ2バイアスをパラメータにしたPrecursor ion scanの結果から次の２つの実験事実が認められる。
①Q1(m/z =40)→Q2(m/z =40)のピーク解析

このピーク強度はQ2バイアスの依存性がほとんどなく、ほのIonization Energy（以下I.E.と略）は9.26eVであるので、

ぼ一定値を示していて、プラズマ側から到達する40Ar+と推測さそれよりも6.5eV高い15.76eVのI.E.を持つArはほとんど、れた。プラズマ条件はCool plasmaであるので、前述したとおCool plasma中でイオン化することができないが、測定元素

りプラズマ中ではArはほとんどイオン化されない。
しかしなが

のCa
（I.E.=6.11eV）はイオン化できるので、ICP-MSのCool

らプラズマは高周波の誘導電界による表皮効果によりドーナツ

plasmaでは、超純水中のCaのBECは数pptまで低下する。こ構造をしている。すなわち、サンプルのエアロゾルが通過するの様にCool plasmaではAr起因干渉がほぼ抑制できるメリッ

プラズマの中心部分よりも外周部の方が誘導電界は大きくな

トがあるが、
もうひとつ重要なのは、Hot plasmaの場合、プラるため、中心部よりも外周部の方が温度は高い。
したがってプズマの熱でインターフェイス部（サンプリングコーン、スキマ

ラズマの外周部はCool plasmaの場合でもAr+はわずかながコーン）の温度が上昇するため、これらの表面に残存している

らイオン化していると考えられる。このプラズマ外周部に局在元素が蒸発してさらにイオン化することによりBECが上昇する

化するAr +が拡散で、サンプリングコーンの穴から真空系に導傾向にあるのに対して、Cool plasmaでは温度が低いために入されていると考えられた。実際、この現象は、Cool plasma

これらの溶出によるBEC上昇を回避できるという利点がある。

のチューニング時にトーチの水平・垂直位置が中心からずれる

したがって、現在、Cool plasmaはMatrixのない超純水 や 高 純 度 過 酸 化 水 素 水 などサ ンプ ル の 主 に 軽 元 素 側（Li,Na,Mg,Al,K,Ca,Cr,Mn,Fe,Ni,Cuなど）の分析に広く用
いられ、
サンプル中の金属汚染がなければこれらの元素において、 K, Ca 以外の元素についてはBEC<1pptは比較的に容39

40

分 析 技 術ることである。図３は３次元で示しているが、X軸はQ1のscan

特 集

04

ICP-QQQにおける超純水中の40CaのBEC低減

m/z =40(40Ar+), m/z=80（40Ar40Ar+）の強度が増大するとと、いう実験事実からも裏づけられる。

②Q1(m/z =30) →Q2(m/z =40)のピーク解析

セ
このピークは、Q1の設定質量数がm/z =30 であるので、易に再現する。
しかしながら、39K,40CaのBECは数ppt程度にとル入射イオンはNO+である。NO+の強度は大きく、108cps相

どまり、すなわち両元素ともに数pptレベルのスペクトル干渉

当のNO+がセルに入射している。また、本実験ではセルガスはが存在していると推測される。

導入していないが、プラズマ側から大量の中性Arが真空系に導入されるので、セル内は真空領域といえども残留中性Arが4-2 40Caへの干渉は何か？また、どこで生成されているのか？

少し存在する。図３をよく見ると興味深いのは、Q1(m/z =40)

7500,7700,7900など)におけるCool plasma法ではチュー

z =30)のピーク強度はQ2バイアスを-5Vから-30Vに低下す前 項 で 述 べ たとおり、シン グ ル 四 重 極 M S ( A g i l e n t

ニング条件をいろいろ駆使しても超純水中の40CaのBECは数のピークはQ2バイアスに依存しないのに対して、Q1(m/るにしたがって、35cps(-5V)→77cps(-10V)→155cps(-

pptが限界であった。この干渉イオンが何か？を考えたとき、質

15V)→397cps(-20V)→639cps(-25V)→720cps(-30V)と量数40での測定なので、おそらく Ar であろうということは推増加している。このピークは、衝突確率は低いが、NO+とセル内測される。
しかし、 Ar だとした場合、 Ar はプラズマ側から来

残留中性Arの衝突により、生成するAr+と考えられた。すなわち

るのか？あるいはチューニングの検討で、Qポールバイアス(印

または
（１
（１ａ）
で表されるNO+によるAr原子の直接イオン化、

40

40

+

+

40

+

加電圧)を低下する（例えば-5V→-15V）とm/z =40のblank強度が桁で上昇するという実験事実からセルの中でも40Ar+を生成しているかもしれないという疑問は持っていたが、残念ながらシングル四重極MSではこの疑問を解明する実験手段がな
かった。これに対して、ICP-QQQのMS/MS法を用いると、この疑問に対する答えが明快になってきたので紹介する。図３はトリプル四重極Agilent 8800を用いて、Cool plasma
（セルガス
導入なし）
の超純水のQ2(m/z =40)のPrecursor ion scanの結果 5)である。すなわちQ2のイオン通過条件をm/z =40と固ｂ）で表わされるNO+とArの電荷交換反応が部分的に生じていると考えられた。
NO+＋Ar→NO+ +Ar+＋e- ΔrH =+15.7eV
ΔrH =+6.5eV  NO+＋Ar→NO +Ar+

（１ａ）
（１ｂ）

しかしながらこれらの反応の生成エンタルピー変化(反応（（１ａ）
では、Arのエンタルピー)ΔrH は、いずれも正の値をとりI.E.に等しく、（１ｂ）
ではNO(9.26eV)とAr(15.76eV)のI.E.の差となる）、自発的には起こらない 注３）。この吸熱反応に必要な17

THE CHEMICAL TIMES

特 集

吸熱量ΔrH は、衝突前のNO +の運動エネルギー（厳密には、後述する衝突エネルギー）から与えられる。すなわち、衝突エネル

まだセル内→Q2(m/z =40)の信号強度のみの考察だけでは、で生成されたm/z =40のイオンが40Ar+であると断定まではし分 析 技 術

ギーがΔrH より大きく、かつ、中性Arの内部エネルギーとしてにくく、質量数40になる多原子イオンであるという可能性も否たる反応と推測された。
したがって、以後の考察において、NO+

してArを導入して、セル内のArの数密度が増えれば、（１b）
式とArの衝突によりAr +が生成する反応式については（１ｂ）の仮が起きていると仮定した場合、40Ar+の生成量は促進し、同時に説に対する検討を行った。衝突エネルギーはNO +の運動エネ

36

ルギーに比例し（(2)式）、
したがってセルバイアスにより決定さArの同位体比を確認することが可能になり、これがArの天然安れる。図３ではセルバイアスは-20Vで一定にしているので、（１

定同位体比に合致すれば、
セル内で
（１b）
の反応が起こり、
セルｂ）の反応がセル内で起こったと仮定した場合、セル内で生成内生成物イオンは40Ar+であるとほぼ断定できると考えられる。

変換される必要があり、（１ｂ）の方がΔrH は小さいのでこれが主しかするAr+の総量はQ2バイアスによらず、一定と考えられる。
（セ
し、検出器に到達できるAr+の量はEnergy discrimination
ルバイアスとQ2バイアスの電圧差）に依存するので、Q2バイ

定できない。そこで、以下の検証実験を実施した。セルガスと

Ar +, 38Ar +も増加するはずである。信号強度が大きくなれば、

表1 Ar天然同位体存在比との比較(1) Q1(m/z =30)→Q2(m/z =36,38,40)の強度

アスの低下にともない、検出器に到達するAr+が増加している

Q1(m/z )→Q2(m/z )

天然同位体存在割合(%)

測定強度 (cps)30→360.337( Ar)

107.8

30→38

0.063(38Ar)

20.4

30→40

99.60(40Ar)

33076と考えられた。通常、ICP-MS（シングル四重極MS）でのCoolplasmaのチューニングでQポールバイアスは-5V程度で使用しているが、その理由は今回の実験結果で明らかになった。なお、Qポールバイアスをさらに増加した方（例えば0V）
が、Ar+の検出器への導入をより回避できるが、Caの感度低下が著しくなるために、両者のバランスを考慮して、シングル四重極MSでの・ Ar(0.15mL/min)をセルガスとして導入
・ Cell bias(-20V),Q2 bias(-40V)(2) Ar天然同位体存在比の比率との比較
天然同位体存在比(A)

実験値(1)の比率(B)

B/A

36

Ar/ Ar295.6

306.8(=33076/107.8)

0.963

Ar/38Ar

1581

1621(=33076/20.4)

0.975

Ar/38Ar

5.35

5.28(=107.8/20.4)

1.013

Cool plasmaのQポールバイアスは、通常-5V付近で使用してセル入射いる。Q2バイアスが-5VのときAr は35cpsなので、+（１ｂ）
式に寄与するNO のしたNO の強度を10 cpsとすると+

8+

現在半導体アプリケーション
割合は10 とごくわずかであるが、
-7

36

40
40
36

で要求されつつある40CaのBECを0.1pptのレベルまで低減させるためには、
このわずかな確率で起きるAr+生成の反応も無視できないのである。

表 1は、セルにA rを0 . 1 5 m l / m i n 導 入したときの C o o lplasma におけるQ1(m/z =30) →Q2(m/z =36)、Q1(m/z =30) →Q2(m/z =38)、Q1(m/z =30) →Q2(m/z =40)の 結 果 を 示 す が 、そ れ ぞ れ の 強 度 は 1 0 8 c p s 、2 0 c p s 、
33076cpsであった。これらのカウントの比をArの天然同位体比の比率と比較すると、40Ar/36Ar(0.963), 40Ar/38Ar(0.975),36

Ar/38Ar(1.013)となり、ほぼAr天然同位体比と合致した7)８）。

したがって、（１b）
式がセル内で起きていることという仮説の妥当性が得られたと考えている。
4-4 NO +＋Ar→NO+Ar + はほんとうに起きているのか？

（検証実験②）

図３ではセルバイアスを-20Vに固定して、Q2バイアス依存

い吸熱反応であるので、（１ｂ）式の反応は、衝突エネルギーが

注3） 熱力学的平衡論による反応が自発的に進行するかしないかの判定はΔG（=ΔH -TΔS ）が用いられるが、気体反応で体積変化のない反応はΔS≒0とΔG≒ΔH となる6)。
近似できるので、る。これが確認できると（１ｂ）
式の仮説の妥当性がさらに増す

4-3 NO ＋Ar→NO+Ar はほんとうに起きているのか？

Emax は（２）
式であらわされる2)。
ネルギーに変換される最大値）

Precursor ion scan(Q2(m/z =40))+

大きい（セルバイアスが低い）ほど、反応が進行すると推測され+（検証実験①）

前項にて、セル内で（１b）の反応が起きているという仮説を提唱したが、その検証実験を行った。図３の実験では、得られた+ので、さらなる検証実験を行った。セル入射イオンNO（質量数30）とセル内の中性Ar（質量数40）との衝突エネルギー
（内部エ
Emax＝
（40/
（30+40））Ei（２）Ei はArと衝突する際のNO+の運動エネルギーである（Ei =セ信号強度がかなり低い(<1000cps)ため、これが40Ar +による

2)
。図4はCool plasma（超純水導
ルバイアスの絶対値+2V）とものか否かを他のAr同位体（ Ar(0.337%), Ar(0.063%)）入）において、NO+とArの衝突により生成するProduct ion強3638の強度比較からは確認できていない。プラズマ由来のセル内
中性Arは密度が極めて低く、たとえ（１b）式の反応が起こったとしてもAr +の強度は40Ar +以外の同位体を測定するには不十分であると考えられた。
したがって、図3に示したQ1(m/z =30)

18

性について検討したが、（１ｂ）
式のΔrH (+6,5eV)はかなり大き

図3 Cool plasma(セルガスなし)における超純水の（Emax）を示したものである7,8)。
度の衝突エネルギー依存性

THE CHEMICAL TIMES

はあるが、セル内でNO +とArの衝突により、Ar +が生成する反応が起きていることは、ほぼ断定されたと考えている。

前項までの実験結果より、ICP-MSのCool plasmaでプラズ

マ温度を十分に下げてもm/z =40にはわずかながらAr +干渉が存在し、その起源は以下の２つがあることが分かった。

分 析 技 術4-5 40CaのBECを低減する方法

特 集ている。いずれにせよ、Cool plasmaにおいて、ごくわずかで①セル内でNO+とArの衝突により生成される40Ar+②プラズマの外周部からの拡散で導入される40Ar+
次にこれらを除 去する方 法について考える。①は、M S /MS法により解決される。これは40Ca測定時にQ1(m/z =40)

→Q2(m/z =40)と設定することにより、Cool plasma中に大図4 14N+,16O+,40Ar+ vs  Emax (Cell bias依存性)
Ar 0.05(mL/min)セルガス導入､ED=-20V

セ ル ガ ス の A r 流 量 は 0 . 0 5 m L / m i n 、E n e r g y
Discriminationは-20V（例えば、
セルバイアスが-20VのときのQ2バイアスは-40V）である。これは、セルで生成しているセルと考えられる40Ar+をできる限り感度よく計測するためで、バイアスを変更するたびに、セルとQ2の間に挿入されているシングル
量に存在するNO+がQ1により全て排除されるので、四重極MSのときにセルで生じている（１b）式の反応を完全に排除することができる。また、②についてはMS/MSにしても40

Ar+はQ1を通過するので、このプラズマから導入された40Ar+を除去するためにはAr +を除去する反応性ガスの導入が必要である。具体的にはH 2またはNH 3を必要とする。これらの組み合わせにより、超純水中の40CaのBECは従来法に比べて２桁のBEC低減が可能になり、BEC値として0.04ppt(40ppq)が得ら

m/z =40( 40Ar +)の強度が最大になる
偏向レンズを調整して、れている11)。

が6.5eVより小さいときは、（１ｂ）の反応の割合は極めて小さい

入していないが、
シングル四重極MSでもCool plasma にセEmax
様に調整した。
（１ｂ）の反応のΔrH は+6.5eVであるが、が、Emax の増加とともに反応は（ex.Emax =4eV→680cps）

Emax＝30eVのときは106cpsと3桁程度増加し顕著に進行し、ている。また同時にセル入射イオンのNO および、Arとの衝突+によるNO+の解離によって生成していると考えられる14N+、16O+も同時に計測した。NO+はEmax =4eVでは107cps程度であシングル四重極MSでのCool plasmaは通常、
セルガスは導ルガスとして微量の水素ガスを導入する方法は可能であるが、
まH2を添加するとBECは多少低減するが、感度低下が大きく、た感度を上げるためにはQポールバイアスを低下させたいが、
前述の通りセル内生成のAr +の検出器への導入も増加するた
め、40Caの高い感度と低いBECの両立が難しかった。これに対Emax の上昇とともに強度は低下している。それに対し
るが、

（１b）
式
してMS/MS法では、NO+がセルに入射されないので、（３）（４）
式であらわさる。NO +の解離反応式とΔrH ９）は以下のスを下げても問題がない（例えば-15V）
ので、高い感度と低いて、14N+、16O+はEmax の増加とともに40Ar+と同様に増加していれる。

NO+→N+＋O
NO+→O+＋Nの反応が生じない。
したがって、感度を上げるためにQ2バイア
BECが両立できる点で、MS/MS法とCool plasma法を併用しΔrH＝+11.81eV
ΔrH＝+10.9eVて微量のセルガス(H2 or NH3)を導入する方法は、実用上の大

（３）
（４）

きな利点である。

（１b）
（３）
（４）
共に吸熱反応で、Ar+､N+､O+ のそれぞれの信号強度は衝突エネルギーがΔrH を超えると強度は急増している

ΔrH 以下でもそれぞれの吸熱反応は一部、進行している。こが、

れは、
セル入射イオンのNO+の運動エネルギーも一律ではなく分布しているため、（２）式の計算で仮定したEi より高い運動エネ

ルギーを持つNO も存在していると考えられた。さらに１回の+衝突により蓄積される内部エネルギーがΔrH を超えなくても、複数回の衝突により、蓄積された内部エネルギーがΔrH を超えるケースが存在すると思われる。また、プラズマ中で生成されたNO+がすべて基底状態にあるとは限らず、励起状態のNO +（基底状態よりも解離エネルギーの低いNO ）がArと衝突すれ+ば、より低い衝突エネルギーで
（１b）
（３）
（４）
の反応が起こる10)。
以上の結果からセル内で（１b）式の反応が起きていることは、
ほ
ぼ間違いないと考えられた。厳密には、（１a）の反応も一部起きている可能性も否定はできないが、前述の通り、
（１ｂ）
の方が反
応に必要なエネルギーは小さいので（１b）が主たる反応と考え

05

MS/MSにおける超純水中の39
KのBEC低減

Cool plasmaにおける39Kには38ArH+と水のクラスタイオン
H3O(H2O)+の２種類の多原子イオン干渉が存在する12,13)。Cool
plasmaでも少し温度が高いと38ArH+が支配的で、プラズマ温度の低下とともに38ArH +は低下するが、逆にH 3O(H 2O)＋が増加する。残念ながら両干渉イオンを回避できるプラズマ温度が微妙に異なるため、ICP-MSのCool plasmaでは、これらの干渉を同時に完全除去することはできなかった。このため、Coolplasma法のみでは超純水中の39KのBECは数ppt程度である。
この２種類の干渉を共に除去できる反応ガスはNH3である。今、H3O(H2O)＋の除去機構について考察する。16O原子を2つ含む（質
質量数37のH3O(H2O)+が存在比率として一番大きいので
量数39の243倍）、H3O(H2O) +とNH3の反応機構を調べるた
19

THE CHEMICAL TIMES

特 集

めにQ1(m/z =37)のProduct ion scanを実施した14,15)。これは、Q1をm/z =37に固定してH3O(H2O) +をセルに導入し、Q2の面が多かったが、MS/MS法では、Product ion scanやPrecursor ion scanなどの機能を用いることによりセル内で分 析 技 術をm/z=2～38までscanして（Product ion scan）
どのようなの反応機構が解明しやすくなった。反応機構がわかるとチュー

イオンがセル内で生成するか、どのような反応がセル内で起こニングを最適化する上でのヒントも得られるのでさらなるBEC

るかを調べる手法である。図５に結果を示す。

低減も期待できる。
③実際のICP-MSの分析において、異常値が出たときに、サン
プル中の金属汚染なのかスペクトル干渉なのかの切り分けに悩まされることも多いが、MS/MS法ではこれらの切り分けが比較的やりやすくなったと言える。特に1pptレベルの品質管理が要求されつつある半導体アプリケーションの品質管理をする
上でもMS/MS法の役割が大きいと思われる。
本報では、超純水中の39K,40Caに焦点を絞って紹介させていただいたが、それ以外にもトリプル四重極ICP-MSを用いて、従図5 Cool plasma(セルガスなし）による超純水の来のICP-MSでは困難であった多くのアプリケーション事例がProduct ion scan(Q1(m/z =37))

セルにガスを入れていない場合は、Q2(m/z =37)に大きなある。興味ある方はAgilentのホームページ18)等を参照いただ
ければ、幸いである。

ピークが認められるが、これは、セルに入射したH 3O(H 2O) +がセル内をそのまま通過するためである。またQ2(m/z =19)にわずかなピークが認められるが、これはセル入射イオンのH 3O(H 2O) +がセル内の残留ガスとの衝突誘起解離により生成したH3O+と考えられた。これに対して、NH3を導入するとm/2) N. Yamada, J. Takahachi, K. Sakata, J Anal At Spectrom 17(10), 12131222 (2002).

れた。これは、（５）式のプロトン移動反応が起こっているためと

3) N. Yamada, T. Kuwabara, H. Yamada, T. Kondo, 2012 WinterConference on Plasma Spectrochemistry Abstract (Arizona, 2012-19/14) WS106.

m/z= 18にピークが認めら
z =37のピークは完全に消失して、考えられた14-16)。

4) K. K. Murray, R. K. Boyd, M. N. Eberlin, G. J. Langley, L. Li, Y. Naito,
Pure Appli. Chem. 85(7), 1515-1609 (2013).

+
H3O
（H2O）
＋NH3→NH4+＋２H2O （５）またもう一つの干渉のArHについても（６）式のプロトン移動
反応で除去できる。
ArH++NH3→NH4++Ar

5) 溝渕勝男, 山田憲幸, 行成雅一, 日本分析化学会第73回分析化学討論
会講演予稿集（函館, 2013-5-18/19）p.41(C1019).
6) J. W. Olesik, D. R. Jones, J Anal At Spectrom 21(2), 141-159 (2006).
7) 溝渕勝男, 山田憲幸, 行成雅一, 日本分析化学会第62年会講演予稿集（大阪, 2013-9-10/12,）p.222(L3006).
8) K. Mizobuchi, N. Yamada, M. Yukinari, 2014 Winter Conference on
Plasma Spectrochemistry Abstract (Florida, 2014-1-6/11) WP10.

（６）さらに、NH3はAr+も除去できるので、従来のCool plasma
法で数pptレベルの干渉を生じていた K , Ca に干渉す
39

+ 40

+

るH 3 O(H 2 O) + ,ArH + ,Ar + の３種類の干渉を全て除去が可能になり、トリプル四重極ICP-MSのMS/MS法を用いたCool
plasma+NH3モードで超純水中の39K,40CaのBECは0.1ppt以下まで低減が可能になった17)。両者のBECは汚染で律速されるケースがほとんどで、汚染がなければ、それぞれ0.03pptは得られている（Agilent8800,8900共に）。ちなみにH2はAr+, ArH+

9) Sharon G.Lias,John E. Bartmess,Joel F.Liebman,John L.Holmes,Rhoda
D . L e v i n , W. G a r y M a l l a r d ,J . P h y s . C h e m . R e f . D a t a , V o l 1 7 ,Supple.1,631-634(1988)
10) R. Marx, Y. M. Yang, G. Mauclaire, M. Heninger, S. Fenistein, J Chem
Phys , 95(4), 2259-2264 (1991).
11) Agilentアプリケーションノート(Agilent,2012Dec20,5991-1693JAJP),
トリプル四重極 ICP-MSを用いた、超純水中のカルシウムの超微量分析,
http://www.chem-agilent.com/appnote/pdf/low_5991-1693JAJP.pdf(参照2017-11-6).
12) 行成雅一, 溝渕勝男, 高橋純一, 日本分析化学会第57年会講演予稿集(福岡, 2008-9-10/12) (A1023).

除去には有効であるが、H3O(H2O)+の除去効果は小さい。

13) J. Takahashi, K. Mizobuchi, M. Yukinari, Third Asia-Pacific WinterConference on Plasma Spectrochemistry Abstract(Tsukuba, 2008-1117/21) O-10.

0614) 溝渕勝男, 山田憲幸, 行成雅一, 日本分析化学会第63年会講演予稿集(広島, 2014-9-17/19）p.101 (G2008).

おわりに

トリプル四重極ICP-MSのMS/MS法を用いた、超純水中の39

K、40 CaのBEC低減(0.1pptレベル)を例に、原理および干渉除去機構の詳細を紹介させていただいた。
トリプル四重極
ICP-MSは従来のICP-MS(シングル四重極MS)に比較して以下の利点がある。
①スペクトル干渉のさらなる除去（BECの低減）が可能になった。
②従来のICP-MSでは、セル内で起こるセル入射イオンとセルガスの衝突によって生じる様々な反応についてはBlack box
20

参考文献
1) K. Sakata, K. Kawabata, Spectrochim. Acta. Part B 49(10),1027-1038(1994).

15) K. Mizobuchi, N. Yamada, M. Yukinari, Sixth Asia-Pacific WinterConference on Plasma Spectrochemistry  Abstract (Xiamen, 2015-519/22) OL20.
16) V. G. Anicich, “An Index of the Literature for Bimolecular Gas Phase
Cation-Molecule Reaction Kinetics” (National Aeronautics and Space
Administration, Jet Propulsion Laboratory, California, 2003) p369.
17) Agilentアプリケーションノート(Agilent,2014Dec1,5991-5372JAJP),ト
リプル四重極 ICP-MS による超純水中のカリウムおよびその他の元素の超微量分析,
http://www.chem-agilent.com/appnote/pdf/low_5991-5372JAJP.pdf(参照2017-11-6).
18) Agilentホームページ
http://www.agilent.com/chem/icpms:jp (参照2017-11-6).

THE CHEMICAL TIMES

トピックス

光るナノカーボン：化学修飾による
カーボンナノチューブの近赤外蛍光特性の制御
Photoluminescent nanocarbon: Control of near-infrared photoluminescence propertiesof single-walled carbon nanotube by chemical functionalization.

東京学芸大学教育学部自然科学系

准教授

前田 優

Yutaka Maeda (Associate professor)
Tokyo Gakugei University, Department of Chemistry

キ ーワード1

カーボンナノチューブ、近赤外蛍光、化学修飾

はじめに

2

カーボンナノチューブの構造と性質

グラフェンシートを筒状に丸めた構造の単層カーボ

カーボンナノチューブ（CNTs）
は、グラフェン
（グラ

ンナノチューブ（SWNTs）は、炭素の共有結合に起因す

ファイトの 一 層 ）を筒 状に丸めた構 造 の 一 次 元 炭 素る高い機械的強度と、拡張したπ電子系に由来する優れ物質群の総称である。この筒構造が一層のCNTsをた電気的性質や光学特性を併せ持つ、優れたナノ炭素

SWNTs、二層のCNTsを二層カーボンナノチューブ

材料群である。チューブ構造を構成する六員環骨格の（DWNTs）、多層のCNTsを多層カーボンナノチュー

配列によって金属的あるいは半導体的な性質を示すこブ（MWNTs）という。六員環格子の配列の異なる様々とから、様々な分野・用途での活用が期待されている。

な構造のSWNTsが合成されており、これらは展開図に

SWNTsは分散性が低く凝集しやすいために、分子間相相当するグラフェンのベクトルを用いたカイラルイン

互作用や化学修飾により溶解性を向上させる試みがな

デックス
（n,m）
により定義することができる。図１に示されている。化学修飾すると、付加反応に伴いπ電子系

すように、例えば始点(0,0)の炭素原子と(6,5)の炭素が損失していくことから、その特性を維持するためには原子が重なるように丸めて構成されるSWNTを(6,5)

化学修飾の度合いを制御することが重要である1)。

SWNTという。また、SWNTsの炭素原子の配列に注目

近赤外光は、光通信においては伝送損失の小さい光

して、カイラルインデックスが（n,0）のSWNTsをジグとして、バイオ・医療分野においては生体組織の透過性が高く自家蛍光や光毒性が低い光として注目されており、近赤外蛍光を発する半導体SWNTsを利用したバ
イオイメージング研究も進められている2)。近年、化学修飾した半導体SWNTsから、ストークスシフトの大きな近赤外発光が生じることが見出された3)。発光効率は
化学修飾率に依存し、適切な化学修飾率では未修飾の
SWNTsに対して発光効率が28倍にもなるという実験結果も報告され、化学修飾はSWNTsの近赤外発光を制御する鍵技術として期待されている4),5)。本稿では、化学修飾したSWNTの分析方法とSWNTsの化学修飾による近赤外発光特性の制御に関して、著者らの研究を中心に紹介する。

図1 SWNTsの部分構造とそれらのカイラルインデックス（上）。下図の(0,0)と(n,m)の炭素が重なるようにグラフェンを巻き上げた構造のものを(n,m)SWNTsと定義する。

21

ザグ型、n = mのSWNTsをアームチェア型、それ以外のを縦軸と横軸にとった半導体SWNTsの発光スペクトルの

SWNTsをカイラル型と分類する。カイラルインデックスの等高線図を示す。ストークスシフトが小さく吸収スペクトルnとmの差が0もしくは3の倍数のSWNTsは金属性、それ（E 11吸収）のエネルギーとほとんど変わらない発光（E 11発以外のものは半導体の特性を示す。この構造に基づく性質

光）が生じるために、SWNTsの発光スペクトルはE22のエネの多様性は、SWNTsの基礎・応用研究において大変魅力

ルギーで励起して観測する。従ってSWNTsのカイラルイン

的な特徴となっている。

と発光波長(E11)
デックスは発光スペクトルの励起波長（E22）の2つの因子を用いて帰属することができる。このことから
分散液中に含まれる半導体SWNTsの帰属やその存在量比の評価に、発光スペクトルは広く活用されている6)。より低い伝導帯をもつSWNTsと接すると発光は消光されるので、発光測定においてはSWNTを1本ずつ孤立させることが重要である。また、SWNTsの発光量子収率は1%程度と低く、濃度消光を避けるためにも界面活性剤を利用した高分散・高遠心分離処理によって希薄溶液として測定するのが一般的である7)。

SWNTsの化学修飾とその評価方法

3

SWNTsの化学修飾は、酸化反応で導入したカルボキシ基をアミド化やエステル化によって官能基変換する方法と側面π電子系に直接付加基を導入する方法に大別される
8),9)。カルボキシ基の導入は混酸や過酸化水素を用いた湿式

酸化や酸素存在下での熱処理（空気酸化）により行なわれ

図2 (a) 金属性SWNTs（ 上）と半導体SWNTs（ 下）の状態密度の模式図。

る。ここではSWNTsの炭素—炭素結合の開裂がおこるた（HiPco SWNTs）の発光スペクトル（等高線図）。

めSWNTsの長さが短くなることもある。SWNTsに導入さ(b) SWNTs混合物（HiPco SWNTs）の吸収スペクトル。(c) SWNTs混合物

れたカルボキシ基の官能基変換（エステル化やアミド化）は、図2aに示すように、SWNTsの電子状態密度にはファン

SWNTsのπ電子系を傷つけることなく行うことができるの

ホーブ特異点と呼ばれるスパイク状のバンドがあり、これで、溶解度の向上や自己組織化に適した有機基の導入、あるらのバンド間遷移に帰属される光吸収がおこる。CVD法

いは高分子材料との複合化に広く用いられている（式1）。

で合成された直径0.9〜1.3 nm程度の直径分布をもつ
SWNTs混合物（HiPco SWNTs；HiPco：ペンタカルボニ

式1ル鉄を触媒とし、一酸化炭素を高圧で熱分解するSWNTs
合成法）の光吸収を例示すると、1600〜900 nm、900〜
600 nm、600〜400 nmに複数の半導体SWNTsの第一22

遷移（E 11）、第二遷移（E 22）、および金属性SWNTsの第一

一方、SWNTsのπ電子系に付加基を直接導入する反に対応する特性吸収ピークが見られる
（図2b）
。
遷移
（E 11）

応は、
フラーレンの分子変換法などを参考として様々な活

これらの特性吸収の波長と理論計算で求めたエネルギー性種を用いて検討されている（式2）。SWNTsの直径が小準位の値との比較から、いずれのカイラルインデックスのさくなるとsp 2混成炭素の結合角歪みとπ結合のねじれ歪

SWNTsに基づく特性吸収であるか、推定することもできみが増大するので、一般に化学反応性が高くなると報告る。
しかし、カイラルインデックスの異なる他のSWNTsとされている。また、金属性SWNTsは半導体SWNTsに比E 11やE 22のエネルギーが同程度であると、それらの特性吸べて電子の授受がおこりやすく、化学反応性が高いと推収が重なって観測されるために、帰属や定量的な議論が困測される。実際に金属性SWNTsへの選択的付加反応とし難となる場合もある。光学遷移のエネルギーはSWNTsのて、ジアゾニウム塩との反応や硫黄化合物を用いた光酸

直径に反比例することから、吸収波長から直径を推定する

化反応などが開発されている10)。これらの選択的な化学反経験式も提案されている。図2cには、励起波長と発光波長応によって金属性SWNTsの溶解性を向上させて半導体

THE CHEMICAL TIMESSWNTsと分離した後、付加基を熱処理により脱離させて動である。RBMの振動エネルギーは直径に反比例し、RBM

高純度の半導体SWNTsと金属性SWNTsを得ることも検の波数と経験式からSWNTsの直径を推定することができ討されている。

る。各(n,m)SWNTsの共鳴エネルギーに対して直径ある

式2

R R

F

C

F2
R

R
N

いはRBMの波数をプロットした図は、SWNTsの同定に有効である（図3c）。図3bに示す反応前後のラマンスペクト

R

ルでは、反応試薬の立体障害が小さいほどD/G比が増大

RN

R

1) RLi or RMgBr

R

R

低い場合には、高波数側の細いSWNTsに帰属されるRBM

2) RBr or O2
RR

N 2+X-

RO
R N3

し、これに伴いRBMの強度も減少している。化学修飾率が

O O
Br
RO

強度が相対的に減少しており、立体障害の小さい反応試薬

OR
OO

を用いた場合やSWNTsの直径が小さい場合には化学修OR

飾率が高くなることが分かる。
SWNTs付加体の付加基導入量の評価には、熱重量分NR析が有効である。SWNTsは熱安定性が高く、嫌気下におSWNTsの化学修飾の評価について、二段階の還元的ける熱処理では付加基の脱離が進行しやすい。このこと。本反応では、化を利用して熱重量分析から付加基とSWNTsの重量比をアルキル化反応を例にして説明する

11),12)

学反応性の高いアルキルリチウムによりSWNTsをアルキ

推定することができる。図３に示すように、二段階還元的ル化させた後、ハロゲン化アルキルを作用させることで効

アルキル化反応によって嵩高さの異なるブチル基（t -ブチ

率よく二種類のアルキル基を導入することができる。未修

s -ブチル基（ sBu）、イソブチル基（ iBu）、n -ブチ
ル基（ tBu）、

飾のSWNTsは凝集して束状の構造をとりやすい性質が）を付加させた試料について熱重量分析を行い
ル基（ nBu）

あるが、反応中間体であるアルキル化SWNTs還元体はSWNTsと付加基の重量比率を求めると、ラマンスペクト

負電荷の静電反発によって孤立に分散しやすいので、化学

ルのD/Gと良い相関関係を示した。この相関関係を利用す反応が進行しやすい。また二段階目の反応はアルキル化

ると、式量の異なる二種類の付加基を有するSWNTs付加

SWNTs還元体とハロゲン化アルキルの電子移動により生体について、アルキルリチウムおよびブロモアルカン由来

じたラジカル種同士のカップリングであり、効率の良い反の2つの付加基の導入比率を算出することもできる12)。ブ応である。反応後のSWNTsの吸収スペクトルをみると特チルリチウムと第一級および第二級ブロモアルカンを用い性吸収が減少しているが、これは化学修飾によってπ電子た二段階還元的アルキル化反応では、アルキル鎖長の伸系が減少したことに起因する（図3a）。長波長側に観察され長に伴い化学修飾率は低下した。ブチル化SWNTsの場合る太いSWNTsの特性吸収の減少率には顕著な置換基効と比べてD/G比に対する付加基の重量減少率が低いこと

果が認められており、このことから直径が大きくなるにつれから、ブロモアルカン由来の付加基の導入比率が低下したて嵩高い付加基が導入されにくくなることがわかる。細いことが支持される。すなわち化学修飾率の低下は二段階目

SWNTsの高い反応性は、高い曲率に起因する大きな歪みのブロモアルカンの付加が抑制されることに基づくと考えエネルギーによるものである。なお、このような特性吸収られる。

の減少はSWNTsの酸化や還元でもみられるので、スペク
トルの変化が化学修飾に由来することを確かめるには、他の分析方法を組み合せることが重要である。
吸収スペクトルと同様にSWNTsの分析に広く用いられ4

化学反応によるSWNTsの近赤外蛍光の制御ているのがラマン分光法である13)。SWNTsのラマン分光
測定では共鳴ラマン効果がおこるために感度が高く、主に4-1 酸化反応による発光制御

3つのピークが注目される。
１つはグラファイト（Graphite）

超音波照射と超遠心分離によって調製したSWNTs分散と同様に1590 cm 付近に現れるsp 炭素格子の振動に液をオゾン存在下で光照射すると、本来のE 11発光よりも長帰属されるものでGバンドと呼ばれている。また、sp 2炭素が生じることが報告
波長域に新たな近赤外蛍光（E 11*発光）（Defect）
由来
格子に欠陥があると1300 cm-1付近に欠損された3)。酸化SWNTsの電子構造に関する理論計算が行のDバンドが生じる1)。化学修飾率が高くなるとGバンドにわれ、この結果に基づき酸化されて局所的に小さくなった

対するDバンドの比（D/G）
が大きくなるので、D/Gは化学

バンドギャップに励起子が捕捉されて効率の高いE 11*発光

修飾率の指標として用いられている。低波数域にはCNTsが生じたというモデルが提案された。化学修飾率が高くな

特有のラジアルブリージングモード（RBM）が観測される。

るにつれて、未修飾のSWNTs由来のE 11発光の減少とE 11*

RBMはCNTsが直径方向に広がったり縮んだりする伸縮振発光の増大が認められ、さらに化学修飾率が高くなってい

-1

2

23

図3 二段階還元的アルキル化したSWNTs付加体（HiPco SWNTs）の(a) 吸収スペクトルと(b) 514.5 nm励起で測定したラマンスペクト

ル。(c) 各(n,m)SWNTsのEnnエネルギーに対してRBMピークの波数をプロットした図（▲：半導体SWNTs, ◯：金属性SWNTs）。

くとE 11*発光の強度も低下していく。宮内、松田らは発光強状態で行うオゾン酸化とは異なり、反応中に発光測定をし度や蛍光寿命測定などを行い、酸化SWNTsのE 11 発光のて、化学修飾率を調節することはできない。そこで、アル量子収率が適切な化学修飾率において元のE 11発光の18キル化SWNTsの熱重量分析に着目し、熱処理により酸化倍にもなることを明らかにしている 。(6,5)SWNTsの場

SWNTsの酸素原子を部分的に脱離させることでその発合、E 11発光は976 nm、オゾン酸化により生じるE 11*発光は

光効率を制御できるか検討した。10時間の酸化反応により1120 nmに認められる。高い発光効率と大きなストークス

調製した酸化SWNTsを熱処理したところ、熱処理温度がシフトをもつ酸化SWNTsをバイオプローブとして利用す高くなるにつれて特性吸収とE 11発光強度が段階的に回復としると、生体透過性の高い近赤外光を励起光（E 11励起）した。E 11* 発光については、200 ℃で熱処理した場合に強て、量子収率の高いE 11*発光をプローブ光として用いるこ度が著しく増大し、また、400 ℃以上の熱処理では強度がとができるので、大きく検出感度が向上することが期待で大きく低下した。これらのことから、酸化SWNTsの熱処理きる。

によって脱離する付加基の量を制御することができ、適度*

4)

著 者らは 、ジ ス ルフィドを 用 い た 酸 素 存 在 下 にお け

な化学修飾率においてE 11 *発光強度を増大できることがるS W N T s の 光 酸 化 反 応を開 発して いる 1 0 ) 。反 応 後 のわかった。図4fに酸化(6,5)SWNTs（ 10時間, 200 ℃）のSWNTsの分析に加えて、ジスルフィド由来の生成物の同発光スペクトルの等高線図を示す。E 22励起とE 11励起にお定、過渡吸収スペクトルや低温でのESRによる中間体の検けるE 11*発光強度を比較すると、E 11励起のほうが良い発光

出実験などから、電子移動反応を経由して生じたジスルフィ効率であることがわかる。このことから、生体透過性の高い

ド由来の求核的な酸化活性種がSWNTsを酸化する反応

E 11光を励起光として用いることで励起効率が向上するこ機構であることが支持される。直径分布の広いSWNTsをと、かつE 22励起に比べて発光効率も良いことから、バイオ用いた反応では金属性SWNTsに帰属される特性吸収がイメージング材料としての性質が大きく向上したことが明著しく減少しており、推定した反応機構とも矛盾のない電らかとなった。
（ 図4e,f）。興味深いことに、化学修飾率が高子受容性に優れる金属性SWNTsへの高い化学反応性がい酸化SWNTs（ 酸化反応を36時間行ったSWNTs）
を熱認められている（図4a）。また、細いSWNTsの特性吸収の処理すると大きな重量減少が認められたが、ラマンスペク

減少が顕著であることから、直径選択性を伴う反応である

トル、吸収スペクトル、発光スペクトルはほとんど回復しな

ことがわかる。この高い選択性はラマンスペクトルからもかった。酸化グラフェンの熱処理において、酸化の度合い

支持される（図4b,c）。

が高くなると酸素原子の脱離に加えて一酸化炭素や二酸

この光誘起電子移動型の酸化反応も、半導体SWNTs

化炭素の脱離が競争することが報告されている。これと同の発光特性の制御に有効である 。(6,5)SWNTの含有量

様に、化学修飾率が高い酸化SWNTsにおいてもSWNTsの多いCoMoCAT SWNTs（ CoMoCAT：CoとMoを触を構成する炭素の脱離を伴う熱分解が進行し、発光特性の媒とするSWNTs合成法）の光酸化反応を行うと、特性吸制御ができなかったものと考えられる。

14)（図4d収およびE 11 発光の減少に伴い、E 11 発光が生じた*f）。本反応は有機溶媒中に懸濁させて行うので、大スケー
ルの反応ができる点で優位性がある。その一方で、高分散

24

4-2 アルキル化反応による発光制御
先に述べたように、筆者らはSWNTsの二段階の還元的THE CHEMICAL TIMES

図4 光酸化したSWNTs付加体（HiPco SWNTs）の (a) 吸収スペクトルと(b) 514.5 nmおよび(c) 633 nmで励起したラマンスペクトル。SWNTs（CoMoCAT SWNTs）の酸化反応前後の (d)吸収スペクトル（上）と発光スペクトル（下）。(e) SWNTs、酸化SWNTs(10時間)とその熱処理後の発光スペク
トル。(f) 酸化SWNTs（10時間, 200℃）の発光スペクトル（等高線図）。

アルキル化において、付加基の嵩高さによって化学修飾率離を試みたところ、図5bに示すように、熱処理温度に対応を制御できることを見出している。酸化SWNTsの化学修

して特性吸収とE 11発光およびE 11**発光強度の変化が観測

飾率が発光効率に大きく影響することに着目し、置換基効16)。すなわち、アルキル化反応および熱処理
された
（図5b）

果を利用した(6,5)SWNTsの化学修飾率および発光特性により、適切な化学修飾率とすることで、SWNTsの発光特の制御を試みた15)。種々のブチルリチウムとブロモブタン

性を著しく増大できることが明らかとなった。図5c に示すを作用させてアルキル化SWNTsを合成し、その化学修飾

発光の等高線図からは、E22励起よりもE11励起をしたほうが率と光学特性の評価を行った（図5）。Bu-SWNTs Li に対E 11**発光の強度が強いことがわかった。吸収スペクトルとしてtBuBrを反応させたtBu-SWNTs-tBuでは、特性吸収の励起スペクトルを重ねて比較したところ、両者の波形によ減少の程度が低く、付加基の立体障害によって化学修飾率

い相関関係が認められた。このことはE11励起した場合の高を抑制できたことが示された。一方、BuBrや BuBr、BuBr

い発光効率はE11の高い励起効率に基づくことを示しているを反応試薬として用いた場合には、特性吸収が大きく減少

（図5d）
。

t

s

-

i

+

n

した。これは直径が小さく歪みエネルギーが大きな(6,5)

化学修飾によって生じた近赤外発光波長に着目すると、

SWNTsの高い化学反応性を、付加基の立体障害では十先に示した酸素化やWangらによるジアゾニウム塩を用い分に抑制できなかったためと考えられる。tBu-SWNTs-tBu

たアリール化の場合には1120 nm付近にE 11*発光が生じの発光分析を行ったところ、1200 nmを超える新しい発光る5)。これに対して二段階還元的アルキル化により合成した

しかし、その発光強度が小さいこと、他の（E 11**）が生じた。

アルキル化SWNTsの場合には1200 nmを超える領域にブチル化SWNTsから発光が認められないことから、
これら

E 11**発光が生じ、ストークスシフト量に大きな差異が認めらのSWNTs付加体の化学修飾率が高すぎたことが示唆された。アリール化反応ではフェニルラジカルの生成・付加にれる。そこで、窒素気流下で熱処理することで付加基の脱よる反応機構が提唱されている。一方、二段階還元的アル25

キル化反応の場合には、R1-SWNTs—Li＋とR2Brの電子移動大きく影響すると推測した。このことを検証するために、環にによって生じるラジカルカップリング（R -SWNTs・とR ・）化付加に適したジブロモアルカンとその比較対象としてブより反応が進行すると考えられる。そこでR -SWNTs・のス

ロモアルカンをSWNTs還元体に対して作用させる実験を

1

2

1

ピン密度について理論計算を行うと、R 基の付加した炭素実施した。図6に示すように、1,2-ビス（ブロモメチル）ベン原子の近傍に局在化することが示された。このことから、速ゼンを作用させて得られた付加体（SWNTs-xylyl）
からは

度論的に有利なR 1基の付加位置の近傍にR 2基が付加する

選択的にE 11**発光が生じ、ベンジルブロミドを作用させたと推測される。二段階還元的アルキル化反応において、付付加体（SWNTs-Bn）
からはE11**発光とともにE11*発光が観加基の嵩高さが増大すると化学修飾率が低下する結果が測された19)。ジブロモアルカンを作用させると環化付加反得られているが、このこともR 基とR 基が互いにSWNTs

応が進行し、SWNTs上の近接する2つの炭素原子に付加

上の近接位置に付加することを支持している。

基が導入したと考えられる。一方ブロモアルカンを作用さ

1

1

2

C 60誘導体の場合、付加基の付加様式が1,2-付加、1,4-

せた場合、反応の初期段階においてはSWNTs還元体の付加、1,6-付加と異なる場合に、特徴的な吸収スペクトル

負電荷がSWNTs上に非局在化していることから、アルキや酸化還元電位を示すことが報告されている17),18)。これら

ル基は互いに近接して付加する駆動力をもっておらず、そのことからも、SWNTs上に導入されたアルキル基の位置のため、反応の初期において付加基同士が互いに離れた関係が、化学反応により生じる発光のストークスシフト量に位置で付加してE 11 * 発光を与えたものと思われる。E 11 ** 発とBu-SWNTs-Bu、(b) 熱処理したtBu-SWNTs- iBuの吸収スペクトルと発光スペクトル（E 22励起）。(c) SWNTsと
図5 (a) SWNTs（CoMoCAT SWNTs）
t

Bu-(6,5)SWNTs-iBuの発光スペクトル（等高線図）。(d) tBu-(6,5)SWNTs-iBuの吸収スペクトルと励起スペクトル。

図6 SWNTs（CoMoCAT SWNTs）、SWNTs-xylyl、SWNTs-Bnの (a) 吸収スペクトルと(b)発光スペクトル（E22励起）。

26

THE CHEMICAL TIMES

光も検出されたのは、反応が進行するにつれてSWNTs上参考文献に導入された付加基近傍に負電荷が局在化していき、反1) H. Hu, B. Zhao, M. A. Hamon, K. Kamaras, M. E. Itkis, R. C. Haddon,
J. Am. Chem. Soc. 125(48), 14893-14900 (2003).

応の経過とともに付加基の近傍で付加反応が進行しやすくなったためと推測される。これらの実験結果から、導入された付加基の位置関係を制御することで、近赤外発光のス
トークスシフト量を制御できることが支持された。Wangら
は、SWNTsへのアリール化を検討し、SWNTs上に導入し2) Z. Liu, S. Tabakman, K. Welsher, H. Dai, Nano Res 2(2), 85-120(2002).
3) S. Ghosh, S. M. Bachilo, R. A. Simonette, K. M. Beckingham, R. B.
Weisman, Science 330(6011), 1656-1659 (2010).
4) Y. Miyauchi, M. Iwamura, S. Mouri, T. Kawazoe, M. Ohtsu, K.
Matsuda, Nat Photonics 7, 715-719 (2013).

たベンゼン環上の電子求引基あるいは電子供与基の効果

5) Y. Piao, B. M. Meany, L. R. Powell, N. Valley, H. Kwon, G. C. Schatz,
Y. Wang, Nat Chem 5(10), 840-845 (2013).

によって、(6,5)SWNTsの場合では、E 11*発光波長を1110

6) S. M.Bachilo, M. S. Strano, C. Kittrell, R. H. Hauge, R. E. Smalley, R.
B. Weisman, Science 298(5602), 2361-2366 (2002).

nm〜 1148 nmの範囲で制御できることを報告している
5)。Wangらが付加基の電子的効果で発光波長制御したのに対し、単純なアルキル基によるSWNTsの骨格の制御によって大きく発光特性が制御できることは大変興味深い結果である。岡崎らは、SWNTsにフラーレンを挿入すること
で発光特性を制御できることを報告しており、SWNTs骨格を歪ませることでも電子特性を制御できることを提案している20)。

57) J. Crochet, M. Clemens, T. Hertel, J. Am. Chem. Soc. 129(26),8058-8059 (2007).
8) D. Tasis, N. Tagmatarchis, A. Bianco, M. Prato, Chem. Rev. 106(3),1105-1136 (2006).
9) N. Karousis, N. Tagmatarchis, D. Tasis, Chem. Rev. 110(9), 53665397 (2010).
10) Y. Maeda, J. Higo, Y. Amagai, J. Matsui, K. Ohkubo, Y. Yoshigoe, M.
Hashimoto, K. Eguchi, M. Yamada, T. Hasegawa, Y. Sako, J. Zhou, J.
Lu, T. Miyashita, S. Fukuzumi, T. Murakami, K. Tohji, S. Nagase, T.
Akasaka, J. Am. Chem. Soc. 135(16), 6356-6362 (2013).
11) Y. Maeda, T. Kato, T. Hasegawa, K. Kako, T. Akasaka, J. Lu, S.
Nagase, Org. Lett. 12(5), 12 , 996-999 (2010).

まとめ

以上本稿では、SWNTs付加体の化学修飾率の評価と化学修飾による近赤外発光の制御について概説した。従来SWNTsのπ電子由来の特性を損失すると考えられてきた化学修飾により、SWNTsの近赤外発光特性を効果的に制御できることは大変興味深い。今後、化学修飾による
SWNTsのより精密な近赤外発光特性の制御方法が進展し、また、例えば分子認識などの機能を化学修飾によって付与することによって、より実用性の高い近赤外発光材料が創製できると期待される。
ここに記載した研究成果は、科学研究費補助金による支援を受けたものであり、この場をお借りして共同研究者の皆様と研究室のメンバーに深く感謝致します。

12) Y. Maeda, K. Saito, N. Akamatsu, Y. Chiba, S. Ohno, Y. Okui, M.
Yamada, T. Hasegawa, M. Kako, T. Akasaka, J. Am. Chem. Soc.
134(43), 18101-18108 (2012).
13) A. M. Rao, E. Richter, S. Bandow, B. Chase, P. C. Eklund, K. A.
Williams, S. Fang, K. R. Subbaswamy, M. Menon, A. Thess, R. E.
Smalley, G. Dresselhaus, M. S. Dresselhaus, Science 275(5297),187-191 (1997).
14) Y. Maeda, E. Sone, A. Nishino, Y. Amagai, W. -W. Wang, M. Yamada,
M. Suzuki, J. Matsui, M. Mitsuishi, T. Okazaki, S. Nagase, Chem.
Eur. J. 22(43), 15373-15379 (2016).
15) Y. Maeda, Y. Takehana, M. Yamada, M. Suzuki, T. Murakami, Chem.
Commun. 51(70), 13462-13465 (2015).
16) Y. Maeda, Y. Takehana, J. -S. Dang, M. Suzuki, M. Yamada, S.
Nagase, Chem. Eur. J. 23(8), 1789-1794 (2017).
17) K. M. Kadish, X. Gao, E. V. Caemelbecke, T. Suenobu, S. Fukuzumi, J
Phys Chem A 104(17), 3878-3883 (2000).
18) T. Akasaka, T. Suzuki, Y. Maeda, M. Ara, T. Wakahara, K. Kobayashi,
S. Nagase, M. Kako, Y. Nakadaira, M. Fujitsuka, O. Ito, J. Org. Chem.
64(2), 566-569 (1999).
19) Y. Maeda, S. Minami, Y. Takehana, J. -S. Dang, S. Aota, K. Matsuda,
Y. Miyauchi, M. Yamada, M. Suzuki, R. -S. Zhao, X. Zhao, S. Nagase,
Nanoscale 8(38), 16916-16921 (2016).
20) S. Okubo, T. Okazaki, K. Hirase-Takai, K. Suenaga, S. Okada, S.
Bandow, S. Iijima, J. Am. Chem. Soc. 132(43), 15252-15258(2010).

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キ ーワード解 説
シリカ系耐アルカリ性C18カラム
シルカゲルなどの担体にオクタデシルシリル基（C18基）
を化学結合した充塡剤が詰められた逆相クロマトグラフィーで用いられるカラムを、一般的に「ODSカラム」
もしくは「C18カラム」といいます。機械的強度が高いなどの多くの利点から、担体にシリカゲルを用いることが多いですが、シリカゲルはアルカリ性移動相で容易に侵食されることから、通常は酸性から中性付近の移動相での使用に限られます。アルカ
リ性移動相で使用する場合は、樹脂系担体のC18カラムが主流でしたが、機械的強度が低いなどの欠点がありました。この度、開発された
L-column3は、独自に開発した特殊なシリカとエンドキャッピング技術により酸性領域はもちろんアルカリ性領域でも使用できる「シリカ系
耐アルカリ性C18カラム」
として、幅広いpH条件下で多くの有機物分析が可能となりました。

カールフィッシャー試薬
水の定量に用いられる試薬です。
ヨウ素、二酸化硫黄などを溶解した試薬で、水と反応するとヨウ素が二酸化硫黄によって還元されて変化することで水分を定量します。一般的にこの方法には電量滴定法と容量滴定法があり、試料や感度に応じて滴定法や様々な「カールフィッ
シャー試薬」
を選択して利用されています。これらは医薬品、食品、化学物質などの水分量を測定するために多くの分野で使用され、水分測
定には欠かせない手法となっています。

ICP-MS
高感度に多元素を同時分析する元素分析装置です。プラズマ（ICP）
をイオン源として使用し、発生したイオンを質量検出器
（MS）
で検出し
ます。ほとんど全ての元素を同時に測定でき、また、測定元素についてサブng/L（ppt）の濃度レベルが測定できます。一般的に、「ICP-MS」
は定性分析、定量分析として利用されることが多く、高感度分析を目的とした電子材料の分析や身近にある食品や水質の分析などの幅広い分野で利用されるようになり、年々、装置の高感度化が進んでいます。

分析用高純度試薬のリーディングカンパニー～ 多くの試験に貢献します～

各種標準品（ＣＲＭ）
ＪＣＳＳ (ｐＨ、金属、イオン、VOCs)
容量分析用標準物質（ＡＳＮＩ
ＴＥ）
容量分析用滴定液（ISO/IEC 17025）

各種機器分析用試薬・
抽出試薬

Primepure®、Ultrapur、HLC-SOL®
残留農薬試験用試薬、LC/MS用溶媒※無断転載および複製を禁じます。

〒103-0022 東京都中央区日本橋室町2丁目2番1号
室町東三井ビルディング
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平成 30 年 1 月発行