イオン測定器とは
イオン測定器とは、様々なイオンを測定する機器の総称です。
一般的にイオンカウンタが空気中のイオンを測定する装置を指すのに対し、イオン測定器は鉱物専用のイオン測定器や、水溶液中のイオン濃度を測定する装置など、専門的な装置が含まれます。
しかし、専門分野を除く一般的な解釈としては、イオンカウンタとイオン測定器はほぼ同義です。そのため、本記事では鉱物専用及び水溶液中のイオン濃度を測定する装置について記載します。
イオン測定器の使用用途
イオン測定器は、放射性物質を含む鉱物の周囲のイオン濃度の測定に用いられます。このような場合に使用されるのが、鉱石専用型のイオン測定器です。鉱物専用型の測定器は空気の流れ等の影響を受けず、測定ごとのバラツキも少ないため安定した測定ができます。鉱物のイオン測定の用途は研究、新しい建築素材などを検討、鉱物ブレスレットなどの作成などです。
鉱物以外では、水溶液中のイオン濃度にイオン測定器が用いられます。例えば、排水設備から排出される不純物濃度の管理や、商品開発 (Ag+など) において、イオンを含む材料を使用する際の測定器として利用されています。
イオン測定器の原理
鉱物専用型は、鉱物から放出される放射線を検出し、イオン量に換算します。測定器の下に測定物を置いてから数十秒の測定時間を取り、その間検出されたイオンの数の平均値を表示するタイプが市販されています。測定原理から、放射線が出ていない鉱物に対しては測定できません。
水溶液中のイオン濃度の測定の原理は、1975年に発表された高速イオン交換クロマトグラフィーが起源です。比較的歴史の浅い分野ですが、わずか数十年の間に多種多様な検出方法が開発されてきました。現在、市販品で最も一般的な装置として小型化可能な吸光光度法を用いたものがあります。
吸光光度 (UV) 測定器には3種類あり、試料のイオンのUV吸収の有無で使い分けます。
1. 直接UV法
直接UV法は溶離液にUV吸収のない、あるいは吸収の小さいものを用い、UV吸収を持つ試料イオンを測定します。
2. 間接UV法
間接UV法はUV吸収を持つ溶離液を用い、UV吸収を持たない試料イオンを分析する場合に用いられます。
3. ポストカラム反応一吸光光度法
ポストカラム反応一吸光光度法は試料イオンを分離した後に反応試薬と混合し、UV吸収を持つ化合物に変えてから検出します。
直接UV法、及び間接UV法は比較的手軽に利用できますが、ポストカラム反応一吸光光度法は試料を別に準備するという手間がかかるため、一般向けではありません。
イオン測定器のその他情報
1. イオン測定器の測定範囲
イオン測定器によるイオン濃度の測定可能範囲は、基本的に10の-1乗mol/Lから10の-7乗mol/Lの範囲です。ただし、イオン電極の種類や構造によって測定範囲は異なるため、測定をする際には標準液による基準を設けたうえで試料を測定する必要があります。
2. イオン測定に対する外部ファクターの影響
イオン測定を行う際には、以下5つの外部ファクターが測定に影響を及ぼします。
pH (potential of hydrogen) ファクター
イオン電極の種類や構造によっては、イオン応答部分の成分がサンプルpHの影響を受け、イオン電極が溶解もしくは電極電位が変化する場合があります。さらに、pHの影響によりイオン電極の感度が低下したり、検量線が平行移動するケースもあります。
そのため、イオン測定ができるサンプルpHレンジには限りがあると考えるべきです。イオン測定が可能なサンプルpHレンジは、一般的に対象イオン濃度が低くなるにつれて狭くなります。
温度ファクター
イオン電極により測定される電位勾配は、サンプル自体の液温の影響を受けて変化が生じます。そのため、基準となる標準液の液温とサンプルの液温は等しくしなければなりません。基準液とサンプルの液温が異なる場合は、測定結果に影響を及ぼします。
攪拌ファクター
サンプル液の攪拌状態は、測定結果の電極電位、応答速度等に対して影響を及ぼします。そのため、測定自体に悪影響を及ぼさない程度の一定の速度で攪拌し測定しなければなりません。
光ファクター
イオン電極の中には、光の影響により電位が変化し測定結果に影響のある電極があります。そのため、光による影響を受けるイオン電極で測定を行う際は、遮光ビーカーを用いて遮光しなければなりません。
共存イオンファクター
イオン電極はイオン選択性に富んでおりますが、全てのイオンから影響を受けないイオン電極は存在しません。そのため、イオン電極に対する共存イオンの影響を考慮し、その影響を少しでも回避するような方策を実施すべきです。
参考文献
https://kikakurui.com/b9/B9929-2006-01.html
https://www.n-ion.com/product/counter/eb-17/#11
https://www.jstage.jst.go.jp/article/jswe1978/11/2/11_2_79/_pdf