JP4333542B2

JP4333542B2 - Ｉｃｐ発光分析装置

Info

Publication number: JP4333542B2
Application number: JP2004288846A
Authority: JP
Inventors: 雄一郎池田
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2004-09-30
Filing date: 2004-09-30
Publication date: 2009-09-16
Anticipated expiration: 2024-09-30
Also published as: JP2006105616A

Description

本発明は、ＩＣＰ（高周波誘導結合プラズマ）発光分析に関する。

ＩＣＰ発光分析装置においては、液体試料はネブライザーで霧化され試料エアロゾルとなり、アルゴンガスと共にプラズマトーチに導入される。プラズマトーチの先端部外周を誘導コイルが囲繞しており、この誘導コイルに供給される高周波電流によって、プラズマトーチ先端にアルゴンプラズマ炎が生成される。試料エアロゾル中の試料原子は、このプラズマ炎を通過する時に加熱・励起されて、原子種固有の波長の発光を呈する。この発光を分光分析することにより、試料中の元素の定性・定量測定が行われる。

従来用いられているプラズマトーチおよびスプレーチェンバーとネブライザーの一構成例を図５に示す。図５において、プラズマトーチＡは同軸円筒状の三重構造になっており、内芯には試料エアロゾルを含むキャリアガス（アルゴンガス）を通すキャリアガス管５が位置し、その周囲をプラズマ用のアルゴンガスを流すためのプラズマガス管４が、さらに最外周を冷却用のアルゴンガスを流すためのクーラントガス管３が取り囲む構造になっている。そして、クーラントガス管３の端部外側に高周波誘導電流を流すコイル２が２〜３ターン巻きつけられている。（特許文献１参照）

キャリアガス管５に試料エアロゾルを供給するためのスプレーチェンバー８には、図５のようにネブライザー７が気密に挿着されており、ネブライザー７を通じてキャリアガスが供給される。ネブライザー７は細管によって試料９に繋がっており、キャリアガスがネブライザー７先端より噴出する際に生じる負圧によって、霧吹きの原理で試料９が吸い上げられ、微細な霧となってスプレーチェンバー８内に噴出する。スプレーチェンバー８の下部にはレベラー１４が設けられており、霧化された試料９の中の粗い霧滴はレベラー１４を通じて外部に排出される。レベラー１４は同時に、その中に滞留する排出液によってキャリアガスの流出を封止し、さらに、排出液の液面のレベルを一定に保持することにより、液面の変動に起因する測定信号の揺らぎを防止する。

測定時には、コイル２に高周波電流が供給されて、プラズマトーチＡの先端部に高温のプラズマ炎１が形成される。試料９は、スプレーチェンバー８内でエアロゾル化し、キャリアガスと混合されてプラズマトーチＡのキャリアガス管５を通過し、最後にプラズマ炎１の中心に送り込まれる。エアロゾル中の試料原子は、プラズマ炎１内で加熱・励起され、発光する。この発光は、プラズマ炎１の側方におかれた分光器（図５には示されていない）の入口スリット上に、レンズあるいはミラーを用いた集光光学系によって集光される。

上記のような、発光をプラズマ炎１の側方から観測する方法の他に、発光をプラズマ炎１の中心軸方向から観測する方法が最近広く採用されている。この場合には、図６に示すような２種類の配置が一般的である。図６の（ｂ）の例では、プラズマトーチＡは垂直に置かれ、プラズマ炎１の上方に設けられたミラー２２を介して、プラズマ炎１の軸方向の発光が集光レンズ１７により分光器に集光される。一方、図６の（ａ）の例では、プラズマトーチＡは水平に配置され、プラズマ炎１の軸方向の発光が集光レンズ１７により直接分光器に集光される。また、同一装置で、プラズマ炎の側方観察と軸方観察を、複数のミラーによって切り替える方法も使用されている。（特許文献２参照）
特開２００１−２７２３４９公報特開２００３−３４４２９２公報

従来のＩＣＰ発光分析装置におけるプラズマトーチＡおよびスプレーチェンバー８は、上記のように構成されているが、これには以下に述べる問題点がある。

前述のように、従来のプラズマトーチを使用するためには複数の光学素子を配置する必要があり、このため、測定前の光学系の微調整が不可欠となっている。特にプラズマ炎の最大発光点が集光光学系の焦点に正確に位置するように調節することが重要であり、通常は、測定者がプラズマトーチの位置の微調節を測定前に毎回行っている。このため複雑な位置微調節機構が必要となり、装置の製造コストを引き上げると共に、調整作業が煩雑になる欠点がある。また、複雑な光学系のため、測定光強度が分光器到達前に減殺される問題点もある。

また、噴出するプラズマ炎と周囲のアルゴンガス（パージガス）との間の大きな温度差と流速の差によって、プラズマ炎と周辺空気との境界およびその近傍は強い乱流状態となる。プラズマ炎の側方あるいはプラズマ炎の進行方向から発光を観測する従来のＩＣＰ発光分析装置では、被測定光が上記の乱流領域を通過する際に受ける擾乱のために、測定信号中に精度を低下させるノイズが混入する可能性がある。

さらに、従来のＩＣＰ発光分析装置では、プラズマトーチＡとスプレーチェンバー８およびレベラー１４がそれぞれ別個に設けられ、互いに適当な材質及び形状の配管系で接続されているが、これらの部分が装置上で大きな体積を占め、装置全体の小型化の障害となっている。また、スプレーチェンバー８からプラズマ炎１までのエアロゾルの流路行程が比較的長いために、プラズマトーチＡとスプレーチェンバー８の連結部あるいはプラズマトーチＡ内部でエアロゾルが再凝縮することがあり、再凝縮で生じた液滴がキャリアガスの流れを乱す、あるいは極端な場合、キャリアガスの流路を詰まらせる危険がある。特に図６の（ａ）のように、プラズマトーチＡを水平に配置した場合には、再凝縮で生じた液滴がレベラー１４から排出されることが困難であるため、上記の危険がさらに大きくなる。

本発明は、上記の様な問題点に鑑みてなされたもので、複雑な光学系を必要とせず、従って、複雑な調節機構と調節作業が不要であり、プラズマ炎周辺の乱流の影響を受けず、しかも、プラズマトーチとスプレーチェンバーを効率的に融合・一体化させたＩＣＰ発光分析装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明のＩＣＰ発光分析装置では、プラズマトーチを同軸多重管とし、この一方の端部にプラズマ炎を形成させ、前記多重管プラズマトーチの他端方向よりプラズマトーチの中心を介して、前記プラズマ炎の発光を観測できる光学系を設ける。これによって測定時に於ける上記プラズマトーチあるいは集光光学系の光学的相対位置の微調節作業を不要とすると共に、プラズマ炎の周辺四方側面と頂部方向を他の目的のために利用できるようにする。さらに、上記プラズマトーチの多重管を同軸多層の円錐管とし、その内部にスプレーチェンバーとレベラーを一体的に包設する。さらに、上記プラズマトーチの円錐面と平行に巻かれた、円錐状の高周波誘導電流コイルを備えていることを特徴とする。

本発明によって、測定前の光学系の微調整作業が不要となり、調節機構および光学素子の数を低減でき、装置コストの低減が可能となる。また、プラズマ炎をプラズマトーチの底部方向より観察することにより、プラズマ炎周辺のアルゴンガス（パージガス）の乱れによるノイズを軽減できる。また、スプレーチェンバーとレベラーをプラズマトーチと一体化することにより、装置の小形化が可能となる。また、ネブライザー７先端からプラズマ炎１までの距離が短くなり、エアロゾルの水滴化が軽減される。さらに、コイルを円錐形に形成することにより、高感度化が期待できる。さらに、プラズマ炎の周囲を開放することにより、例えば、ＩＣＰ発光分析装置と、ＩＣＰ質量分析装置とでプラズマ炎を共有し、両者の同時分析が可能となる。

本発明のＩＣＰ発光分析装置についての最良の形態は、プラズマトーチを同軸多重管とし、この一方の端部にプラズマ炎を形成させ、前記多重管プラズマトーチの他端方向よりプラズマトーチの中心を介して、前記プラズマ炎の発光を観測できる光学系を設ける。さらに、上記プラズマトーチの多重管を同軸多層の円錐管とし、その内部にスプレーチェンバーとレベラーを一体的に包設し、上記プラズマトーチの円錐面と平行に巻かれた、円錐状の高周波誘導電流コイルを備え、装置全体が小型、コンパクトになっているものである。

本発明の一実施形態を、図１、図２、および図３に従って説明する。
図１は、本発明に係るプラズマトーチを分光器に取り付けたときの外観図であり、図２はプラズマトーチの中心軸を含む縦断面を示す図であり、さらに図３はプラズマトーチの円筒形基台部をプラズマトーチの軸芯に垂直な面で切断した断面を示す図である。これらの図において、プラズマトーチＡは、外観上は、円筒形の基台部Ｄと、それに連続する円錐部分で構成されている。円筒形の基台部Ｄには、プラズマトーチＡにガスを供給する３箇所のガス供給口（クーラントガス入口１１、プラズマガス入口１２、パージガス入口１３）が設けられており、図では省略されているが、それぞれフレキシブルな管でＩＣＰ発光分析装置のガス流量制御装置に接続される。また、後述するように、プラズマトーチＡにはスプレーチェンバー８が内設されており、この中に被測定試料を霧化して供給するためのネブライザー７が着脱自在に挿着されている。ネブライザー７のキャリアガス供給口２４と試料導入口２３もまた、フレキシブルな管によってそれぞれガス流量制御部と試料容器に接続される。また、図１のＬはレベラーで、基台部Ｄに一体的に付設されている。このレベラーＬからの排出液は、適当な管によって廃液槽へ導出される。プラズマトーチＡは、固定具２０によって分光器Ｂに定着されている。ただし、固定具２０の形状および個数は本実施例に限定されるものではない。また、プラズマトーチＡの円錐部の頂点近傍にはコイル２が配設されている。ＩＣＰ発光分析装置の電源からコイル２に高周波誘導電流が供給され、プラズマトーチＡに所定の流量のアルゴンガスが供給されると、プラズマトーチＡの円錐端の前方に高温のプラズマ炎１が発生する。

プラズマトーチＡは、図２に示すように４層の同軸円錐管で構成されている。第一層（最外層）のクーラントガス管３内部にはクーラントガスが、クーラントガス入口１１を通じて供給される。第二層のプラズマガス管４内部にはプラズマガスが、プラズマガス入口１２を通じて供給される。第三層のキャリアガス管５と第４層のパージガス管６の間隙には、スプレーチェンバー８の空腔を介してネブライザー７から試料のエアロゾルを含むキャリアガスが供給される。第四層（最内層）のパージガス管６内部にはパージガスが、パージガス入口１３を通じて供給される。

プラズマトーチＡは、パージガスの外部漏洩あるいは外部空気の侵入を防止するためのＯリング２１と共に、固定具２０によって分光器Ｂに固着される。また、コイル２がプラズマトーチＡの円錐部先端近傍に位置するよう固定されている。本実施例に於いては、コイル２はプラズマトーチＡの円錐面に平行な円錐形に形成されている。プラズマ炎１は図２に示すような位置に形成される。プラズマトーチＡが固定具２０によって分光器Ｂに固着されたとき、プラズマトーチＡの中心軸が分光器Ｂの集光光学系の光軸に一致し、さらに、プラズマ炎１の最大発光点が分光器Ｂの集光光学系の焦点に合致するように、プラズマトーチＡ、および分光器Ｂと固定具２０があらかじめ設計・加工されている。本実施例では、集光光学系として集光レンズ１７が使用されており、上記集光レンズ１７の焦点１８が、プラズマ炎１の最大発光位置に合致する。

前述のように、本発明のプラズマトーチＡにはスプレーチェンバー８が内設されている。図２に示すように、スプレーチェンバー８は、キャリアガス管５とパージガス管６の間隙が円錐底部で拡張した、比較的広い空間で形成されており、この内部にネブライザー７がその先端部を挿入されている。以下に図３によってその内部構造を詳説する。図３は、図２におけるＳ−Ｓ′断面を、円錐底部より頂部に向かって視た図である。スプレーチェンバー８は、プラズマトーチＡの外壁とパージガス管６に挟まれた概略円環状の空腔で、その上部にはネブライザー７が気密に挿着されている。ネブライザー７の中心部細管の一端（試料導入口２３）には、試料容器から繋がるフレキシブルな細管（図３では省略）が接続され、これより試料が供給される。ネブライザー７に開設された側管（キャリアガス供給口２４）には、ガス流量制御部よりキャリアガスが供給される。一方、スプレーチェンバー８から、パージガス管６とキャリアガス管５の間隙に向けて開孔１５が開設されており、図２で示すようにスプレーチェンバー８の空腔は、開孔１５を通してパージガス管６とキャリアガス管５の間隙を経由してプラズマ炎１に繋がる。

ネブライザー７先端より噴出するキャリアガスと共に、霧化された試料がスプレーチェンバー８内に噴出する。十分微細なエアロゾルがキャリアガスとスプレーチェンバー８内で混合されて、開孔１５を通じてプラズマ炎１に供給される。粗い霧滴およびスプレーチェンバー８内で再凝集した液滴は、図３に示すようにスプレーチェンバー８下部に集積し、レベラーＬを通して外部へ排出される。通気孔１０は、レベラーＬ内の液面上部空間を大気圧に保つために開設されており、排出液がレベラーＬからサイフォンの原理で急激に流出して液面レベルを急変させる現象を防止する。また、キャリアガス管５への液滴の流入が、キャリアガス流の不安定化、その結果としてプラズマ炎１の不安定化を惹起することを防止するため、開孔１５はキャリアガス管５とパージガス管６の間隙全域ではなく、図３に示すように、間隙の下部の、１８０゜より小さな角度θの範囲に限定されている。

以上のように構成されている本発明に係るＩＣＰ発光分析装置を用いて分析を行う場合には、ＩＣＰ発光分析装置のガス流量制御部によってそれぞれ最適流量に設定された四系統のアルゴンガス（クーラントガス、プラズマガス、キャリアガス、パージガス）がプラズマトーチＡに供給されると共に、ＩＣＰ発光分析装置電源部より高周波誘導電流がコイル２に供給され、プラズマ炎１が形成される。試料はキャリアガスの働きでネブライザー７を介してスプレーチェンバー８内に噴霧される。霧化した試料はスプレーチェンバー８内でキャリアガスと混合したエアロゾルとなり、キャリアガスによってプラズマ炎１の中心部に送給される。エアロゾル中の被測定元素はプラズマ炎１内でプラズマ炎１の熱によって励起され発光する。プラズマ炎１を発した光は、図２の矢印で示すように集光レンズ１７によって分光器入口スリット１９上に集光される。その後は、分光器ＢおよびＩＣＰ発光分析装置の測光部の働きによって分光分析が行われる。

上記分析操作において、プラズマトーチＡの形状および寸法が、分光器Ｂに固着された状態で、プラズマ炎１の最大発光点が集光光学系の光軸上にあり、また集光光学系の焦点１８がプラズマ炎１の最大発光点と合致していることが保証されているため、きわめて感度の高い分析が可能となり、さらに、分析前の煩雑な光学系およびプラズマトーチＡの位置の微調節が不要となる。また、複雑な微調節機構や余分なミラーやレンズなどの光学素子が不要となり、装置の製造コストの軽減が可能となると共に、光学素子による光量低下を最小限に抑えることができる。

本実施例において、コイル２は円錐形に形成されている。これによって、プラズマ炎１の外縁部への膨張が抑制され、その結果、発光強度分布が中心軸近傍に絞り込まれるため、測定感度が向上することが期待できる。

また、光が通るプラズマトーチＡの内芯部はパージガス管６に囲繞されており、パージガスが定常的に流れているため、光路中への空気の混入がない。一般の例に従い分光器Ｂ内を真空にすれば、光路全域に亘って酸素の吸収による光量損失の無い、高感度の分析が可能となる。さらに、プラズマ炎１の根底部から発光を採取し、層流に近い状態のガス空間を通して集光するため、従来技術で問題となるアルゴンガス（パージガス）の激しい乱流による測光信号へのノイズの混入が最小限に抑えられる。

さらに、本発明に係るプラズマトーチＡは、その内部にスプレーチェンバー８およびレベラーＬを一体として包設している。これにより、装置全体の小形化が可能となる。また、スプレーチェンバー８からプラズマ炎１に至るまでのキャリアガスの流路行程が図６に示した従来技術における行程より短縮されているため、プラズマトーチＡ内でエアロゾルが冷却されて再凝縮する危険性が軽減されると共に、プラズマトーチＡ内でのキャリアガス流路の断面積が従来技術におけるより大きいため、再凝縮で生じた液滴が流路を詰まらせる危険性も、大幅に低減されている。また、スプレーチェンバー８からプラズマ炎１へ向けてキャリアガスを送出する開孔１５が、キャリアガス管５の全周に亘らず、下方の部分にのみ開設されている。これにより試料液滴が開孔１５からキャリアガス管５に流入することを最小限に防止できると共に、万一液滴が流入しても、キャリアガス管５あるいはパージガス管６の壁面が開孔１５の近傍ではスプレーチェンバー８の方向に降斜しているため、液滴がプラズマ炎１の方向に流出する危険が最小限に抑えられている。

本発明に係るプラズマトーチＡによって形成されるプラズマ炎１は、その周辺領域が開放されている。この特徴を有効に利用する一例が図４に示されている。この例においては、本発明に係るＩＣＰ発光分析装置Ｃのプラズマ炎１に、併置されたＩＣＰ質量分析装置Ｃのサンプリングコーン２２を対向させ、プラズマ炎１の先端よりサンプリングコーン２２を介して、プラズマ炎１によってイオン化された気体をＩＣＰ質量分析装置Ｃに採取し分析を行うものである。図４のように構成された装置では、同一装置で、ＩＣＰ発光分析とＩＣＰ質量分析の双方が実施可能となる。本発明における特徴は、上述したとおりであるが、上記ならびに図示例に限定されるものではなく、種々の変形例を含む。たとえば、光学系としては、レンズ系によらずミラー系あるいは光ファイバーを利用する光学系も含まれる。

本発明のＩＣＰ発光分析装置の外観図である。本発明のＩＣＰ発光分析装置の縦断面図である。スプレーチェンバーの断面図（図２のＳ−Ｓ′視図）である。ＩＣＰ発光分析装置とＩＣＰ質量分析装置の組合せによる同時測定の例を示す図である。従来技術におけるプラズマトーチとスプレーチェンバーを示す図である。従来技術におけるプラズマトーチとスプレーチェンバーの配置を示す図である。

符号の説明

Ａ…プラズマトーチ
Ｂ…分光器
Ｃ…ＩＣＰ質量分析装置
１…プラズマ炎
２…コイル
３…クーラントガス管
４…プラズマガス管
５…キャリアガス管
６…パージガス管
７…ネブライザー
８…スプレーチェンバー
９…試料
Ｄ…基台部
１０…通気孔
１１…クーラントガス入口
１２…プラズマガス入口
１３…パージガス入口
１４…レベラー
Ｌ…レベラー
１５…開孔
１７…集光レンズ
１８…焦点
１９…分光器入口スリット
２０…固定具
２１…Ｏリング
２２…サンプリングコーン
２３…試料導入口
２４…キャリアガス供給口

Claims

高周波磁界によってプラズマ炎を発生させ、スプレーチェンバー内でネブライザーによって霧化された試料エアロゾルを、プラズマトーチを介して前記プラズマ炎中に導入し、プラズマ炎の熱によって試料エアロゾル中の試料原子を励起発光させて分析を行うＩＣＰプラズマ発光分析装置において、前記プラズマトーチは同軸多層の円錐面により構成される多重管からなり、前記多重管の各々には、試料を霧化するネブライザ、プラズマガス、クーラントガスが供給され、円錐の最内側の空間にはパージガスが供給され、円錐の頂点側に形成されるプラズマ炎を前記円錐の内側の空間を介して円錐の底部側より観測する光学系を設けるとともに、キャリアガスを供給する管の円錐の底部側にはレベラーを設けたことを特徴とするＩＣＰ発光分析装置。
前記光学系は集光光学系で構成され、かつ、この集光光学系の焦点が前記プラズマ炎の最大発光点に設定されていることを特徴とする請求項１記載のＩＣＰ発光分析装置。
プラズマトーチの円錐面に平行な円錐形面上に高周波誘導電流コイルが配設されていることを特徴とする請求項１記載のＩＣＰ発光分析装置。