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Ｘ線分析の進歩 第 45 集（2014）抜刷Advances in X-Ray Chemical Analysis, Japan, 45 (2014)
アグネ技術センターISSN 0911-7806
（公社）日本分析化学会Ｘ線分析研究懇談会 ©
ハンディーサイズ全反射蛍光 X 線分析装置によるひじき浸出水中の微量元素分析
劉 穎，今宿 晋，河合 潤
Trace Elemental Analysis of Leaching Solutions of Hijiki Seaweeds bya Portable Total Reflection X-Ray Fluorescence Spectrometer
Ying LIU, Susumu IMASHUKU and Jun KAWAI
Ｘ線分析の進歩 45 203
ハンディーサイズ全反射蛍光X線分析装置によるひじき浸出水中の微量元素分析
Adv. X-Ray. Chem. Anal., Japan 45, pp.203-209 (2014)
京都大学大学院工学研究科材料工学専攻 京都府京都市左京区吉田本町 〒606-8501
ハンディーサイズ全反射蛍光X線分析装置によるひじき浸出水中の微量元素分析
劉 穎，今宿 晋，河合 潤
Trace Elemental Analysis of Leaching Solutions of Hijiki Seaweeds bya Portable Total Reflection X-Ray Fluorescence Spectrometer
Ying LIU, Susumu IMASHUKU and Jun KAWAI
Department of Materials Science and Engineering, Kyoto UniversitySakyo-ku, Kyoto 606-8501, Japan
(Received 9 January 2014, Revised 14 January 2014, Accepted 28 January 2014)
A portable total reflection X-ray fluorescence spectrometer (TXRF) was used to analyzeleaching solutions of hijiki seaweeds. S, Cl, K, Ca, Ti, Fe, Ni, As and Br were detected in thesolutions. Arsenic quantification results were compared to those from ICP-AES. The TXRFquantification results of arsenic were not significantly different from those of ICP-AES, as two-wayanalysis of variance (ANOVA) method was applied to the significance test. This kind of small andhigh sensitive TXRF spectrometer can be used in food quality and environmental pollutioninvestigation.[Key words] Portable spectrometer, Total reflection X-ray fluorescence spectrometry, Hijiki,Nutrition elements, Arsenic
ハンディーサイズ全反射蛍光X線分析装置を用いて，ひじき浸出水を測定した．ひじき浸出水中に硫黄，塩素，カリウム，カルシウム，チタン，鉄，ニッケル，ヒ素，臭素が検出された．ヒ素定量分析結果は ICP-AES
と比較した．二元配置の分散分析を行ったところ，全反射蛍光X線分析および ICP-AES分析の定量結果に有意差はないことがわかった．このような高感度のハンディーサイズ全反射蛍光X線分析装置によって，食品や環境調査および子供がなめるものの毒性検査の目的で微量元素または有害元素（ヒ素）の測定が可能になることが期待される． ［キーワード］ハンディー装置，全反射蛍光X線分析，ひじき，栄養元素，ヒ素
1. はじめに
蛍光X線分析装置は据置型の大型装置から卓上型，ハンディー型と小型軽量化しつつある．
2000年代に入ると，40~50 Wの強制空冷式X線管をモノクロメータまたはローパスフィルターと組み合わせた卓上型全反射蛍光X線分析装置が開発され，これらの卓上型装置は数pgから数
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ハンディーサイズ全反射蛍光X線分析装置によるひじき浸出水中の微量元素分析
十pgの検出下限が達成された 1）．一方，2006年から国村ら 1）は低出力X線管（1~5 W）からのX線を単色化せずに用いるハンディーサイズ全反射蛍光X線分析装置開発を行い，pg量の検出下限を達成した．はじめ，国村ら1,2）は浜松ホトニクス製の 10 kV, 1 WのX線管を用いてハンディー全反射蛍光X線分析装置を製作し，1 ng
の検出下限を達成した．しかし，10 kV X線管を使用していたので，ヒ素，カドミウム，水銀，鉛のような有害元素の分析に用いることができなかった．そこで，国村ら 1,3,4）は 2008年からMoxtek製の 40~50 kVの小型X線管を用いたハンディー全反射蛍光X線分析装置を製作し，検出可能な元素の範囲を広げ，大型シンクロトロン放射光施設にあと 4桁まで迫る 10 pg の検出下限を得ることができた．このハンディー装置を使用することにより，尿 1），飲料水 5），ワイン 6），雨水 7），浸出水（玩具 8），金属材料 9），土壌 9）），微量カドミウムを含む水溶液 10）にppm
またはppb濃度含まれる元素を分析することができた． 高感度な本装置は，ひじきの微量元素分析に応用することができると考えられる．ひじきは，褐藻類ホンダワラ科ホンダワラ属の海藻の 1種である．日本朝鮮半島及び中国南部に分布する．ひじきはCa, K, Feなどを多く含んだ食材で，日本では伝統的な食材の1つである．ところが，ひじきは全ヒ素の約50%の高い無機ヒ素含有量を有するので，カナダ，イギリス，香港，ニュージーランドなどの食品安全関係当局は，ひじきを食べないようにと勧告している．乾燥ひじきは，ヒ素を数十 ppm含むので，ハンディー蛍光X線分析装置を用いて，ヒ素とその他数十ppm濃度含まれる元素を素速く検出できる．しかし，ハンディー蛍光 X線分析装置では，含有量が 10
ppm 未満の元素の分析は難しい．これらの元素を検出する一般的な方法は ICP-MS, ICP-AES，AASである．しかし，これらの方法は，酸に溶解する必要があるので，時間と手間がかかる．このほか，ハンディー蛍光X線分析の分析結果は人々の実際の摂取量を表すものではない．それは，乾燥ひじきを使うときは，一般に水戻ししてから調理するので，室温で全ヒ素の28-60%はひじきから流れ出る11,12）．洗浄/ソーキング処理は，ひじきのヒ素含有量を低減するのに効果的であるが，同時にその他の栄養元素も流れ出る．ひじき浸出水中の微量元素分析結果は，一方でひじきのヒ素と他の水溶性の元素を表し，他方で水戻し処理中失われた栄養元素を示す．その結果，栄養学のために参考とすることができる．したがってひじき浸出水中の分析は重要になる．本研究では，日本と韓国が生産した市販の4つのひじきの浸出水の微量元素をハンディーサイズ全反射蛍光X線分析装置によって測定した．この装置のヒ素定量分析の精確さを調査するために，ICP-AES分析のヒ素定量結果と比較した．この報告は実際の食品試料の微量元素の定性分析と有毒な元素のヒ素の定量分析における本装置の有効性を検討したものである．
2. 実 験
2.1 ハンディーサイズ全反射蛍光X線分析装置 本稿で用いたハンディーサイズ全反射蛍光X線分析装置の詳細は国村らの論文に既に報告しており 1,2），ここで概略を述べる．本装置は，全体で5 kgと軽量である．主にX線管，コリメータ，X
線検出器，試料台から構成されている．最大管電圧，管電流は，それぞれ 40 kV，100 µAのRh
ターゲットX線管“40 kV Magnum”（Moxtek）を用いた．X線導波路はX線管と試料間に配置
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ハンディーサイズ全反射蛍光X線分析装置によるひじき浸出水中の微量元素分析
Fig.1 Photos of dried (a) me-hijiki-1, (b) me-hijiki-2,(c) naga-hijiki-1 and (d) naga-hijiki-2.
し，入射X線サイズを高さ10 µm，幅10 mmに絞った．X線検出器は Si-PIN検出器（X-123, Amptek）を使用した（有效検出面積7 mm2）．シグマ光機平行平面石英ガラス基板（反射波面精度が λ/10，λ
= 632.8 nm）を試料台として，入射X線を全反射させた．ゴニオステージを用い試料台を傾けることにより，入射X線の視射角を調整した．
2.2 試料調製および測定日本で市販されている4種のひじき（原産国，ミネラル栄養成分，質量濃度，種類を Table 1 に，写真をFig.1に示す）を測定した．それぞれの乾
燥ひじきを0.5000 g秤量し，20 ml超純水（Wako
Pure Chemical Industries）と混合した．1時間または3時間浸した浸出液1 µlをピペットで取り，石英基板に滴下して乾燥した．各ひじきとも乾燥試料の四回の測定値を平均した．また，ブランク試料として超純水を滴下乾燥したものをひじき試料と同条件で測定した．ヒ素の定量性を調べるために，1000 ppm 原子吸光分析用標準溶液（Nacalai Tesque）を超純水で希釈し，それぞれ0,
0.5, 1, 5, 10 ppmのヒ素を含む標準試料を調製した．測定時間は600秒である．ヒ素の検量線を作成し，浸出液のヒ素濃度を算出した．全ての試料はX線管の管電圧 25 kV，管電流 100 µA，視射角 0.04°の条件で空気中で測定を行った．この装置のヒ素定量分析の精確さを調べるために，“SPS 3520 UV” ICP-AES（SII NanoTechnology）のヒ素定量分析結果と比較を行った．
3. 結果と考察
ひじき浸出液（1時間および3時間）を滴下乾燥した試料のぞれぞれの全反射蛍光X線スペクトルを Fig.2 に示す．また，各ひじき浸出液から検出された元素を Table 2 に示す．Fig.3 に示すのは，ブランク試料を測定したスペクトルである．ブランク試料のスペクトルでは，空気中に約0.9%含まれるAr が検出され，サンプルホルダーの石英基板のSiが検出された．Table 2
Table 1 Origin, mineral nutrition content (certified on the package), and category of the four hijiki seaweed samples.
Mineral Nutrition Content (mg / 10 g) Sample Origin
Na Ca Fe Mg Category
me-hijiki-1 Japan 14 14 0.57 6.3
me-hijiki-2 South Korea
13 ― ― ― me-hijiki comes from the leaf and bud of hijiki seaweed.
naga-hijiki-1 Japan 10 15 0.15 ―
naga-hijiki-2 Japan 14 14 0.55 6.0 naga-hijiki comes from the stem of hijiki seaweed.
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ハンディーサイズ全反射蛍光X線分析装置によるひじき浸出水中の微量元素分析
Fig.2 TXRF spectra of the leaching solutions of me-hijiki-1(A and B), me-hijiki-2 (C and D), naga-hijiki-1(E andF), and naga-hijiki-2 (G and H) after 1-hour (A, C, E, G) and 3-hour (B, D, F, H) soaking in ultrapure water.
14
14
Inte
nsi
ty o
f 600 s
(lo
g s
cale
)
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ハンディーサイズ全反射蛍光X線分析装置によるひじき浸出水中の微量元素分析
に示すように，すべてのひじき浸出液に塩素，カリウム，カルシウム，鉄，ヒ素，臭素が検出された．また，me-hijiki-1においては硫黄，me-
hijiki-2においては硫黄，チタン，ニッケル，naga-hijiki-1においてはニッケル，naga-hijiki-2
おいては硫黄とニッケルも検出された．既存の報告 13-16）から乾燥ひじきに硫黄，塩素，カリウム，カルシウム，鉄，ヒ素，臭素，ニッケルの存在がわかっている．チタンは，韓国で生産されたひじきだけで検出された．芽ひじきと長ひじき浸出液の元素組成の違いはなかった．ひ
じきに含まれるミネラル栄養成分はパッケージに表示されている（Table 1）．パッケージに記載した認証元素であるナトリウムおよびマグネシウムは検出されなかった．これは下記の理由に起因すると考えられる：（1）検出器の 2 keV未満のエネルギーのX線は検出感度が悪くなること．（2）ナトリウムおよびマグネシウムの水中の溶解性はカルシウムおよび鉄よりも小さいこと 17）．（3）ClおよびArのKαのエスケープピークの影響．実験では認証元素以外のミネラル栄養元素のカリウム，硫黄，塩素も検出された．パッケージに記載された以外の栄養元素の存在もわかった． Fig.2 (A), (C), (E), (G) は4つのひじきの1時間浸出液を滴下乾燥した試料の全反射蛍光X線スペクトルである．3時間の場合は Fig.2 (B), (D),
(F), (H) に示す．各ひじきの 1時間と 3時間浸出液のスペクトルの比較からわかるように，ひじきの浸漬時間の増加に伴い，栄養元素カリウム
Sample Detected elements me-hijiki-1 S, Cl, K, Ca, Fe, As, Br
me-hijiki-2 S, Cl, K, Ca, Ti, Fe, Ni, As, Br
naga-hijiki-1 Cl, K, Ca, Fe, Ni, As, Br
naga-hijiki-2 S, Cl, K, Ca, Fe, Ni, As, Br
Fig.3 TXRF spectra of the blank samples of ultrapure water after 1-hour (dotted line) and 3-hour (solid line) soaking.
Table 2 Detected elements in the leaching solution ofeach hijiki seaweed sample.
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ハンディーサイズ全反射蛍光X線分析装置によるひじき浸出水中の微量元素分析
と鉄の溶出量が増加する．KのKα線の面積強度（counts/600 s）はそれぞれ15125から20582（me-
hijiki-1），13399から 15107（me-hijiki-2），3124
から3392（naga-hijiki-1），15672から16741（naga-
hijiki-2）へと増加し，Feの Kα線の面積強度（counts/600 s）はそれぞれ119から213（me-hijiki-
1），704から1984（me-hijiki-2），236から252（naga-
hijiki-1），135から 139（naga-hijiki-2）へと増加した．2つの芽ひじきから3時間溶出したカリウムは 1時間で得られた値と比較して，それぞれ36%および 13%に増加し，長ひじきは 9%および7%に増加した．鉄の場合は ,芽ひじきは 78%
および182%に増加し，長ひじきは7%および3%
に増加した．従って，カリウムと鉄については長ひじきより，芽ひじきから溶出したほうが浸漬時間の影響を強く受けていた． TXRFおよび ICP-AESによる，ひじき浸出液のヒ素定量分析結果をTable 3に示す．これらの2つの分析方法の定量結果に差があるかどうか二元配置の分散分析を行った．Table 4の分散分析
表に示すように，TXRFおよび ICP-AES の定量結果に有意差はなく（FA = 0.024327 < F0.05 (1, 3)
= 10.13），4つのひじき浸出液のヒ素濃度に有意差がある（FB = 68.440804 > F0.05 (3, 3) = 9.28）ことがわかった．芽ひじきから溶出したヒ素濃度は，長ひじきより高い．国村らは以前最大管電圧，管電流がそれぞれ 50 kV, 200 µAのタングステンターゲット X線管“50 kV Magnum”（Moxtek）を用いたハンディー全反射蛍光X線分析装置を使用して，実際の試料として尿中のヒ素を分析した報告がある 1）．尿乾燥残渣は X線管の管電圧 25 kV，管電流 200 µAで測定し，試料中の 1 ngのヒ素を検出することができた．本装置によって，X線管の出力を文献1）で用いた出力の 1/2にしても ngオーダーのヒ素を検出で
Method me-hijiki- 1 me-hijiki-
2 naga-hijiki-
1 naga-hijiki-
2 TXRF 2.32 2.20 0.97 1.19
ICP-AES 2.42 1.95 1.01 1.25
Table 3 Concentrations (ppm) of arsenic from TXRFand ICP-AES analysis in the leaching solutions after 1-hour soaking in the ultrapure water.
Source Sum of Squares
Degree of Freedom Mean Square F P-value F crit
Method (Factor A) 0.0003 1 0.0003 0.0243 0.8860 10.13
Hijiki Sample (Factor B) 2.638 3 0.879 68.441 0.003 9.28
Error 0.039 3 0.013
Total 2.6764 7
Table 4 Two-way analysis of variance (ANOVA) table.
Fig.4 Calibration curve of arsenic.
Ｘ線分析の進歩 45 209
ハンディーサイズ全反射蛍光X線分析装置によるひじき浸出水中の微量元素分析
きた．Fig.4のヒ素検量線から，式（1）を用いて210 ppbのヒ素検出下限値を算出した．
LLD 3Caσ= × （1）
CLLDは検出下限値（ppm），σはブランク試料の 6回測定の標準偏差．aは検量線の傾きである．
4. おわりに
ハンディーサイズ全反射蛍光X線分析装置を用いて 4種の市販ひじきの浸出液を測定分析した．本装置を用いて，ひじきのパッケージに表示されている栄養元素（カルシウム，鉄），パッケージには記載されていない元素（カリウム，硫黄，塩素），有毒元素（ヒ素，臭素）を同時検出できた． ppmオーダーのヒ素の分析結果は ICP-
AESと比較して有意差はなかった．全反射蛍光X線分析で希薄溶液の乾燥痕のように試料が少量である場合は試料の厚さが十分に薄くなるので，試料自体による蛍光X線の吸収の影響は無視できる．したがって，内標準元素を試料に添加することで複数元素を同時に定量することができる．但し，ICP-AESの定量分析は標準液による検量線が必要であり，試料の複数元素を同時に定量することができない．小型軽量な本装置を ICP-AESの代わりとして，微量元素またはヒ素のような有害元素による食品の品質や環境汚染調査および子供がなめるおもちゃのなどに本装置は有効であると考えられる．
謝 辞 日本語の校正を助けていただいた京都大学工学研究科材料工学専攻の大平健悟さんに感謝します．
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