【コラム】伝導度測定の向上
2020/04/06
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伝導度測定を実施して、誤った結果を得たことはありませんか?これにはいくつかの理由が考えられます。本記事では、こうした問題の一部をどのように克服できるかをご紹介したいと思います。
それ自体としては、伝導度測定は比較的簡単に実施できます。伝導度セルと適切な測定装置を用意し、伝導度セルをサンプル溶液に挿入して表示された値を読み取るだけです。しかしながら、適切なセンサーの選択、伝導度の温度依存性、あるいは結果を狂わせるCO2の取り込みなど、いくつかの課題があります。
本記事の残りの部分では、以下のトピックを取り上げます(クリックにより各トピックへ移動できます):
多くの測定セル―どれを使うべきか?
伝導度測定における最初かつ最も重要な問いは:どのセンサーがお使いの用途に最も適しているか、ということです。測定範囲は伝導度セルのセル定数に依存するため、この選択にはいくつかの考慮事項が必要です:
- サンプルの予想される伝導度はどれくらいか?
- サンプル間で伝導度の範囲が広いか?
- 測定に利用できるサンプルの量はどれくらいか?
市場には、さまざまな種類の伝導度測定セルが存在します。2電極式セルには、より小さな幾何学的構造で構築でき、低伝導度において高い精度を発揮するという利点があります。一方、他の種類の測定セルは、分極の影響を受けず、より広い直線範囲を持ち、汚染に対する感度も低くなっています。
図1は、異なるセル定数を持つセンサーの幅広い応用範囲を示しています。
一般的な原則として:低いセル定数を持つセンサーは低伝導度サンプルに使用され、高いセル定数を持つセンサーは高伝導度サンプルに使用すべきです。
詳しくは、Electrode Finderで「conductivity measurement」を選択してご確認ください。
セル定数の決定
各伝導度セルには固有の伝導度セル定数があるため、定期的に決定する必要があります。公称セル定数は、白金接点の面積と2つの表面間の距離に依存します。
K:セル定数(cm⁻¹)
Aeff:電極の有効面積(cm²)
delectrodes:電極間の距離(cm)
しかしながら、どのようなセンサーも完璧ではなく、実効セル定数は理想的なセル定数とは正確には一致しません。したがって、実効セル定数は、適切な標準物質を測定することにより実験的に決定されます。測定された伝導度は、理論値と比較されます:
K:セル定数(cm⁻¹)
ϒtheor.:参照温度における標準物質の理論的伝導度(S/cm)
Gmeas:測定された伝導値(S)
使用期間の増加に伴い、測定セルの特性は変化する可能性があります。特性の変化は、そのセル定数も変化することを意味します。したがって、時折標準物質を用いてセル定数を確認し、必要に応じてセル定数の再決定を行うことが必要です。
伝導度の温度依存性
文献において、伝導度が通常20℃または25℃を基準として言及されているのはなぜだろうか、と疑問に思われたことはありませんか?その理由は、伝導度自体が温度に非常に依存しており、異なる温度によって変化するためです。異なる温度で測定された伝導度値を比較することは難しく、その偏差は約2%/℃です。したがって、恒温容器内で測定するか、温度補正係数を使用するようにしてください。
そもそも、温度補正係数とは何でしょうか?
温度補正係数とは、ある温度における測定値を、規定された参照温度における値に補正するための補正係数です。この係数自体はサンプルマトリックスに依存し、サンプルごとに異なります。
例えば、24℃で10 mS/cmという値を測定した場合、装置は2%/℃の線形補正を用いて、参照温度25℃における値10.2 mS/cmへと補正します。この線形温度補正機能は非常に一般的であり、ほとんどの装置に搭載されています。
しかしながら、温度補正係数はすべてのサンプルにおいて線形であるとは限りません。線形温度補正では十分な精度が得られない場合、温度補正関数を記録する機能を使用することもできます。そこでは、サンプルの伝導度を異なる温度で測定し、その後測定点を通る多項式関数をフィッティングします。今後の温度補正には、この多項式関数が使用され、より正確な結果が得られます。
それでは……伝導度標準物質についてはどうでしょうか?
どの標準物質を選ぶべきか?
pH校正とは対照的に、伝導度セルは1点校正のみを必要とします。この目的のため、お使いのサンプルと同じ範囲の伝導度値を持ち、外部からの影響に対して不活性な、適切な標準物質を選択する必要があります。
一例として、脱イオン水のサンプルを考えてみましょう。これは予想される伝導度が約1 µS/cmです。伝導度セルをこれよりはるかに高い伝導度(約12.88 mS/cm)の標準物質で校正すると、測定されるサンプル値に大きな誤差が生じます。
ほとんどの伝導度セルは、両方の範囲に適しているわけではありません。このような低い伝導度(1 µS/cm)については、100 µS/cmの伝導度標準物質を使用する方が良いでしょう。より低い伝導度の標準物質も入手可能ですが、適切な取り扱いはより困難になります。このような低い伝導度では、CO2の影響がより大きくなります。
最後になりましたが:撹拌すべきか、すべきでないか?
これは議論の分かれる問題です。撹拌には利点と欠点の両方があるためです。撹拌はサンプル溶液を均質にすることを可能にしますが、周囲の大気からの二酸化炭素の取り込みも増加させる可能性があります。
いずれにせよ、撹拌するかしないかは重要ではありませんが、セル定数の決定とサンプルの伝導度の決定において、毎回同じ手順が適用されていることを確認してください。個人的には、わずかに撹拌することを推奨します。そうすることで安定した値により速く到達でき、二酸化炭素取り込みの影響もほぼ無視できるものになるためです。
まとめ
伝導度測定を実施すること自体は比較的容易ですが、分析を始める前に、温度依存性、適切な伝導度測定セルの選択、そして校正用標準物質の選択といった、いくつかの重要な点を十分に検討すべきです。そうでなければ、誤った結果が得られる可能性があります。
