長期的に継続可能な安定炭素同位体比の絶対値を決定した標準ガス調製法の開発

• Project/Area Number: 22K05165
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 34020:Analytical chemistry-related
• Research Institution: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
• Principal Investigator: 下坂 琢哉 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 研究グループ長 (40295473)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 豊田 栄 東京工業大学, 物質理工学院, 准教授 (30313357) ; 山田 桂太 東京工業大学, 物質理工学院, 准教授 (70323780)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2024: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000); Fiscal Year 2023: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2022: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
• Keywords: 同位体比 / 標準ガス / SIトレーサブル / δ13C / メタン / 一次標準物質 / 安定同位体比

Outline of Research at the Start

炭素や酸素同位体比測定の基準（一次標準物質）は、炭酸塩等を主成分とする天然物を粉砕・均質化・小分けしたもので、NBS(現NIST)や国際原子力機関により50年以上供給されてきた。ただ、一次標準物質のロット更新のたびに同位体比の不確かさが大きくなる、長期間での安定性評価が困難である等の問題がある。これら問題解決のため、本研究課題では、質量測定に基づく高精度なガスの混合法と超高分解能である安定同位体比測定用質量分析計により、SIトレーサブルに13C/12C絶対値を決定した同位体比標準ガスがつくれることを実証する。また、本課題で開発する手法は他の安定同位体標準物質への展開も期待できる。

Outline of Annual Research Achievements

本研究課題では、参照試料を用いずにメタンの13Cと12Cの同位体比の絶対値を決定した標準ガスを開発することを目標としている。そのために、12Cを濃縮・純化した純12CH4の純度を、化学的な純度のみならず同位体純度についても決定する必要がある。そこで、市販されている純12CH4ガスと、13Cと12Cの同位体比は不明だがある一定値を持つ工業用の高純度メタンとを質量比混合法により正確な比率で混合・調製した標準ガスを数本調製する。そして、それぞれを測定した時の12CH4と13CH4の信号強度と、質量比混合法における標準ガス調製時の純12CH4ガスと工業用の高純度メタンの混合比率から、純12CH4ガスの同位体純度と調製した標準ガスの13Cと12Cの同位体比を決定することを考えている。
同位体純度を決定するための、純12CH4ガスや正確な比率で混合・調製した標準ガスの測定においては、測定装置に導入するガス量を一定にする必要がある。そのためには、試料ガスの温度と圧力を正確に測定する必要がある。そこで、温度計としては、白金測温抵抗体を使った高精度温度計（温度の確度：0.006 ℃、校正済み）を導入した。圧力は、微差圧計を用いて高精度に測定することを考えていたが、微差圧計の圧力耐性が高くなく、試料ガスを装置に導入するときの誤操作により容易に機械的に破壊されてしまうことが危惧された。そこで、予備実験時の圧力測定に用いるために、現有していた高精度絶対圧力計(精度0.25%、Full Scale：0.1 kPa～ 100 kPa)を測定装置に導入した。ガスを導入するための配管・バルブをセットアップした。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

産総研からの業務や他プロジェクト業務が増え、本研究課題に使える時間が限られたため。

Strategy for Future Research Activity

原料ガスの同位体純度を決定するための最適な条件を見出し、その条件に沿って適切な標準ガスを質量比混合法で調製して、本課題で提案した同位体比の絶対値を求める方法の検証を行う。測定結果から同位体比を求めるときに用いる計算手法については、極小値で収束してしまい最小値を得られない問題があることが分かったため、これを避ける手法を検討する。化学純度決定を行う。特に水分をできるだけ少ない試料量で決定する方法を検討する。実際に12CH4と工業用純CH4を原料として質量比混合法により同位体比が異なる複数の標準ガスを調製する。その標準ガスを用いて、実際に同位体比の絶対値を求めると共に、VPDBスケールと比較して、得られた同位体比絶対値の検証を行う。