イオン選択性電極の基本– パート2（標準添加法と直接測定法）
2022/05/02
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このシリーズの第2部では、イオン選択性電極（ISE）を用いたポテンシオメトリックイオン測定の異なる方法に焦点を当てます。最も一般的な方法は標準添加法と直接測定法です。
過去に、これら2つの測定方法のうちどちらがサンプルに最も適しているかについて疑問を抱いたことがあるかもしれません。この質問に答えるのをより簡単にするために、このブログ記事ではそれぞれの測定原理を紹介し、それらの利点と欠点を比較します。さらに、再現性を確保するための便利なチェックリストが2つ提供されます。
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このシリーズの第1部でイオン測定の基本原理について知りたい場合は、そちらをご覧ください。
標準添加法
標準添加法では、興味のあるイオンの標準溶液の定量の容積が、既知のサンプル溶液の容量に段階的に加えられます。各標準溶液の添加後、溶液の電位が測定されます。初期の電位と各添加後の電位の差から、元のサンプル溶液のイオン濃度を計算することができます。
典型的な標準添加曲線の図示例を図1に示します。ここでは、追加された容積増加に依存する測定された電位差から、サンプルの初期濃度が計算されます。最初の測定点（赤色）はサンプル溶液の測定された電位に対応し、その後の測定点（緑色）は各標準溶液の添加後の測定された電位に対応します。
伝統的に、標準添加過程では標準溶液の固定された容積が加えられます。この選択は、時間を節約するためにしばしば、定められた成分濃度を持つ製品の品質管理で使用されます。近代の装置では、固定された電位差を使用し、標準溶液の可変容積が差を達成するまで加えられます。これは、成分濃度が変動するか一定でない製品に有用です。表1では、これら二つの異なるタイプの標準添加法を比較しています。
表1. 固定された容積または固定された電位差による標準溶液の添加
| 手順 | 定量添加法 | 定電位差法 |
|---|---|---|
| 1 | ビーカーにサンプルを添加 | |
| 2 | Add ISA/TISAB. | |
| 3 | 一定量の標準溶液をビュレットまたはピペットを使用して加える | ビュレットを使用して定義された電位差が得られるまで標準溶液を加える |
| 4 | 添加後に電位を測定します。 | |
表2によると、標準添加を最も正確に行うためには、サンプル濃度（csmpl）の関数として、異なるビュレット容積（Vburet）に対して標準濃度（cstd）を選択する必要があります。したがって、サンプルの希釈（例えば、TISABでの希釈）を考慮する必要があります。
表2. 選択したビュレット容積に依存する推奨される標準濃度とサンプル濃度の比率
| Vburet in mL | cstd : csmpl |
|---|---|
| 5 | 40 : 1 |
| 10 | 20 : 1 |
| 20 | 10 : 1 |
| 50 | 5 : 1 |
標準添加には固定された電位差を使用することを推奨します。これは誤差が少なく、より信頼性の高い結果を提供します。近代的なメトロームの装置（例えばOMNIS滴定器）では、これらの添加方法を自動的に行うことができます。たった一つのキーを押すだけで、標準溶液の添加が滴定器またはイオンメーターから自動的に制御されます。結果の評価も同様に、装置自体によって繰り返し計算されます。
これは非常に簡単ですね。このソリューションにより、人為的なエラーが減少し、より重要な実験室の作業に時間を節約できます。
チェックリスト: 標準添加法
実験室で働く全ての方にとって再現性のある結果を得ることは重要です。最適な結果を得るために、以下のチェックリストをご用意しました。以下の質問に全て「YES」で答えることができますか？
| Yes / No | 測定前： |
|---|---|
| ( ) | サンプル溶液に新鮮なISE/TISABが添加されています。 |
| ( ) | 添加回数は少なくとも4回です。 |
| ( ) | 添加される容積はサンプル容積の25%を超えていません。したがって、希釈誤差のリスクはありません。 |
| ( ) | 定義された電位差は、各添加ごとに少なくとも12 mVです。 |
| ( ) | 標準溶液とサンプル溶液の間に温度差がありません。 |
| Yes / No | 測定中 / 測定後 |
|---|---|
| ( ) | 標準添加した総容積は、ビュレット容積の10%から90%の範囲内にあります。 |
| ( ) | 標準液を添加する際に溶液を撹拌しています。 |
| ( ) | チューブに空気の泡がなく、投薬ユニットが密閉されています。 |
| ( ) | 各添加の間に安定した電位を測定しています。 |
| ( ) | 得られた傾きが許容範囲内です。 |
直接測定法
直接測定法を行う場合、イオン選択性電極は測定されるイオンの標準溶液でキャリブレーションされます。これは、イオン測定自体の前に行われ、pHガラス電極のキャリブレーションと類似しています。キャリブレーションは複数の測定シリーズに使用することができます。
pHのキャリブレーションに関する詳細情報は、前回の記事をご覧ください。
直接測定法でイオン測定を行う際には、以下の三つのポイントを考慮する必要があります：
- キャリブレーション標準溶液
一般に、標準溶液はサンプル溶液と同じイオン背景を持つ必要があります。したがって、キャリブレーション標準は、測定されるイオンの特定の濃度と、後の測定自体で使用される脱イオン水からISA/TISABへの同じ比率で構成されるべきです。サンプルが高いイオン背景を持つ場合、標準溶液にこれを模倣するために高純度の塩化ナトリウムを添加することが推奨されます。例えば、フッ化物をフッ素化された食塩で測定する場合、標準溶液に高純度の塩化ナトリウムを加えることが推奨されます。 - キャリブレーション標準溶液の濃度範囲
サンプル中の予想されるイオン濃度は、標準溶液の濃度範囲の中間あたりにあるべきです（図2）。したがって、キャリブレーション基準の濃度は、サンプル中の測定されるイオンの予想濃度をカバーするように選択する必要があります。 - キャリブレーション標準試薬の順番
キャリオーバーの影響を減らすために、標準溶液は最低濃度から最高濃度までの順で測定するべきです。
チェックリスト：直接測定法
実験室で働く全ての方にとって再現性のある結果を得ることは重要です。最適な結果を得るために、以下のチェックリストをご用意しました。以下の質問に全て「YES」となるようにしましょう！
| Yes / No | 測定前 |
|---|---|
| ( ) | 全ての標準溶液と測定溶液に新鮮なISA/TISABを同じ量使用しています。 |
| ( ) | 標準溶液とサンプル測定のために、ISA/TISABとサンプル/標準溶液＋水の比率を同じにしています。 |
| ( ) | キャリブレーション範囲はサンプルの濃度範囲を十分にカバーしています。 |
| ( ) | サンプルとキャリブレーション標準は同一の条件で測定されています。 |
| ( ) | キャリブレーション標準では、マトリックスの組成をできるだけ模倣しています。 |
| Yes / No | 測定中 / 測定後 |
|---|---|
| ( ) | 測定間に電極を適切にコンディショニングしました。 |
| ( ) | 標準溶液を正しい順序で測定しました。 |
| ( ) | キャリブレーションの傾きが許容範囲内です。 |
表3. 標準添加法と直接測定法の長所と短所
| 標準添加法 | 直接測定法 | |
|---|---|---|
| 長所 |
|
|
短所 |
|
|
まとめ
手順の選択は、サンプルのマトリックス、分析するサンプルの数、およびサンプルの濃度範囲によって異なります。
直接測定法が適している場合：
- 高い自動化をが必要な場合
- 単純な組成の既知のサンプルを持っている場合
標準添加法が推奨される場合：
- 測定を時々しか行う必要がない場合
- サンプル組成が未知の場合
お役立ち情報
Overcoming difficulties in ion measurement: Tips for standard addition and direct measurement
Ion measurement can be conducted in several different ways, e.g., ion chromatography (IC), inductively coupled plasma optical emission spectrometry (ICP-OES), or atom absorption spectroscopy (AAS). Each of these are well-established, widely used methods in analytical laboratories. However, the initial costs are relatively high. In contrast, ion measurement by the use of an ion-selective electrode (ISE) is a promising alternative to these costly techniques. This White Paper explains the challenges which may be encountered when applying standard addition or direct measurement, and how to overcome them in order for analysts to gain more confidence with this type of analysis.
