JP2002318193A - ネブライザ及び高周波誘導結合プラズマ発光分析装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ＩＣＰ発光分析装置などに好適に用いられるネ
ブライザであって、粒径が１０μｍ以下の均一な霧を安
定に作成することができるネブライザを提供する。 【解決手段】試料溶液１１がポンプ等により給送される
試料供給管１６の先端部に、その外周に沿って環状の圧
電振動体３を取り付け、先端部開口をふさぐようにメッ
シュ部材２を押さえカバー４によって取り付ける。メッ
シュ部材２には、径が０．１〜１０μｍ程度の微小孔、
を例えばレーザービーム加工、集束イオンビーム加工に
よって、多数形成しておく。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、発光分光分析装置
あるいは原子吸光分光装置などの分析機器において試料
溶液を霧化するネブライザと、このネブライザを用いた
高周波誘導結合プラズマ発光分析装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】発光分光分析装置あるいは吸光分光分析
装置などの分析機器では、液体試料を分析する場合に
は、試料溶液を霧化した後に分析室に導入することが一
般的である。試料溶液の霧化には、ネブライザが使用さ
れる。

【０００３】例えば、高周波誘導結合プラズマ発光分析
装置（Inductively coupled plasmaatomic emission sp
ectrometer：以下、ＩＣＰ発光分析装置と記載）では、
高周波電源からの高周波電力を導波管で導いてトーチ部
に誘導結合させてプラズマを発生させ、このプラズマ中
に試料を導入して発生する光を分光して分析するが、プ
ラズマトーチに試料を導入する手段としてネブライザを
使用する。すなわち、ＩＣＰ発光分析装置においては、
生成したプラズマ中にトーチの中心管を通してキャリア
ガス（例えばアルゴン（Ａｒ））とともに試料溶液ミス
トを導入する。このとき試料溶液は、ネブライザによ
り、スプレーチャンバー中に噴霧され、粒径の小さいミ
ストのみがチャンバー中で選別されてプラズマ中に達す
る。

【０００４】現在、ネブライザとして一般的に使用され
ているものは、いわゆる霧吹きの原理を応用したもので
ある。霧吹きの原理によるネブライザを使用したＩＣＰ
発光分析装置の場合、噴霧過程においては、ネブライザ
による試料吸上げ量は０．５〜２ｍｌ／分、また吸上げ
られた試料溶液中のほぼ１〜３％がプラズマ中に達す
る。結局、吸上げられた試料のほとんどはドレインとし
て捨てられることになる。

【０００５】ＩＣＰ発光分析における分析感度向上のた
めには、試料の導入効率をよくすることが必要であり、
そのためには粒径の小さいミストを多量に作る必要があ
る。試料の粒子を小さくすれば、キャリアガスで輸送さ
れるエアロゾルの量が多くなり、かつ、溶媒の蒸発の過
程の時間も短くてすみ、原子の数が増加して分析感度を
向上させることができる。このようにネブライザは、Ｉ
ＣＰ発光分析装置などの分析感度を支配する非常に重要
な部分と考えられている。

【０００６】近年、ＩＣＰ発光分析装置において、試料
導入効率をよくするために、超音波ネブライザを用いる
ことが検討されている。この超音波ネブライザは、試料
溶液をペリスタルティックポンプで試料室に送入すると
ともに、高周波で超音波振動板を振動させることによ
り、振動板と接触した溶液を微細な霧滴として、大量の
霧をキャリアガスとともにプラズマ中に導入しようとす
るものである。このタイプの超音波ネブライザでは粒径
数μｍの霧滴が得られる。通常の（霧吹きの原理を利用
した）ネブライザの場合には粒径が約５０μｍであるの
で、超音波ネブライザによれば、粒径が格段に小さい霧
滴が得られ、その結果、試料の導入効率が改善されて、
ＩＣＰ発光分析装置に適用した場合の感度（検出限界）
もよくなっている。

【０００７】超音波ネブライザについては、ＩＣＰ発光
分析装置用のものが、例えば、特許第３０８４８８５号
明細書（特開平５−２３２０２４号公報）、特許第２７
３９５３３号明細書（特開平４−２６６５１号公報）な
どに多数提案されている。また、特開平７−８０３６９
号、特開平７−２５６１７０号、特開平８−８４７７４
号、特開平８−１９６９６５号の各公報等には、ＩＣＰ
発光分析装置用としてではなく医療用器具として、メッ
シュ部材を用いた超音波ネブライザが提案されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ようなＩＣＰ発光分析装置用超音波ネブライザは、大量
の霧をプラズマ中に導入するため、ＩＣＰ発光分析装置
において、インピーダンスの不整合と溶媒によるプラズ
マエネルギーの大量消費が起こり、そのままではプラズ
マは消えてしまうこととなる。そのため、超音波ネブラ
イザとプラズマ発生領域との間に脱溶媒装置を接続して
用いる必要が生じる。脱溶媒装置は、試料エアロゾルか
ら溶媒を取り除き、溶媒を含まない試料エアロゾルをプ
ラズマトーチに送り込むようするものであるが、装置を
長時間運転した場合や室温が低い場合などには、試料エ
アロゾルに含まれる溶媒が液滴としてとどまって完全に
除去しきれないことがある。さらに、脱溶媒装置での試
料エアロゾルの微細粒子化が不十分である場合には、粒
径にばらつきのある試料エアロゾルがそのままプラズマ
トーチに導入されることにもなり、発光強度にばらつき
が生じて安定した測光信号が得られなくなる。超音波ネ
ブライザは、このように測定精度を低下させ、霧の発生
を不安定にさせるという難点がある。また、時には大き
なメモリー効果の原因にもなっている。

【０００９】また、医療用器具としてのメッシュ部材を
用いた超音波ネブライザについては、薬液の吸入器とし
て提供されているため、霧の均一性や量、粒径の微小化
等の観点からは、問題があった。

【００１０】本発明は、上記問題に鑑みて発明されたも
のであり、その目的は、粒径が１０μｍ以下の均一な霧
を安定に作成することができるネブライザと、このよう
なネブライザを備えた高周波誘導結合プラズマ発光分析
装置とを提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、例えばレーザーやイオンビームを用いて多
数の微小孔を有するメッシュ部材を作製し、そこに圧電
振動体を固定し駆動することを特徴とする。このような
構成を採用することにより、ポンプにより吸上げられた
試料溶液の霧化を促進し、均一化することが可能にな
る。

【００１２】具体的なネブライザの構成としては、例え
ば、試料溶液が給送される試料供給管と、試料供給管の
先端開口をふさぐように配置され、多数の微小孔を有す
るメッシュ部材と、試料供給管の先端部外周に配置さ
れ、少なくともメッシュ部材を振動させる圧電振動体
と、を有する。

【００１３】本発明において、微小孔の径は、０．１〜
１０μｍとすることが好ましい。また、メッシュ部材
は、ガラス、セラミック及びプラスチックのいずれかに
より形成されるようにすることが好ましい。

【００１４】本発明の高周波誘導結合プラズマ（ＩＣ
Ｐ）発光分析装置は、本発明のネブライザと、ネブライ
ザによって霧化された試料溶液が導入される高周波誘導
結合プラズマを発生させるプラズマ発生手段と、高周波
誘導結合プラズマからの発光を測光する測光手段と、を
有する。

【００１５】ＩＣＰ発光分析において分析感度向上の上
で重要なことは、試料の粒径を小さくかつ均一にするこ
とである。ＩＣＰ発光分析においては、試料エアロゾル
がプラズマの中心部に導入され、上方に移動してプラズ
マのトンネルを通過するに至るまで、エアロゾルはプラ
ズマの周辺から加熱され、まず溶媒が蒸発し、試料が乾
固してさらに解離して気化し原子の状態となる。この原
子はさらにイオン化されることがある。同時に励起原子
を生じ、さらに励起イオンを作ることになる。

【００１６】エアロゾルを輸送するキャリアガスの移動
速度は、典型的には毎秒３〜５ｍであるため、ここで述
べた溶媒蒸発から励起イオンの生成までの過程は、ミリ
秒オーダーの短時間に行なわれることになる。したがっ
て、試料の粒子を小さくすれば、キャリアガスで輸送さ
れるエアロゾルの量が多くなるとともに、溶媒の蒸発の
過程の時間も短くてすみ、プラズマに導入される原子の
数が増加して感度が向上すると考えられる。このため、
本発明の構成のネブライザを用いれば、メッシュ部材の
多数の微小孔から粒径の小さな均一なエアロゾルが送り
出され、粒径にばらつきのない試料エアロゾルがそのま
まプラズマトーチに導入されることにもなり、発光強度
にばらつきのない安定した測光信号が得られる。また吸
上げられた試料のほとんどがドレインとして捨てられる
こともなく、試料の導入効率を向上し、分析感度を向上
させることができる。

【００１７】また、本発明のネブライザでは、霧の量は
微細孔の数により制限される。したがって、大量の霧を
プラズマ中に導入することによる、インピーダンスの不
整合と溶媒によるプラズマエネルギーの大量消費により
プラズマが消えてしまうことがなくなる。その結果、プ
ラズマトーチに溶媒を含ませないために試料エアロゾル
から溶媒を取り除くための脱溶媒装置を用いる必要がな
くなる。

【００１８】

【発明の実施の形態】次に、本発明の好ましい実施の形
態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明
の実施の一形態のネブライザを説明する図であって、
（ａ）はこのネブライザを含むスプレーチャンバーの構
成を示す図であり、（ｂ）はネブライザ部分の断面図で
あり、（ｃ）はネブライザ部分の上面図である。

【００１９】試料溶液１１がポンプ等により給送される
試料供給管１６の先端部には、その外周に沿って環状の
圧電振動体３が取り付けられているとともに、先端部開
口をふさぐようにメッシュ部材２が、後述する押さえカ
バー４によって取り付けられている。

【００２０】メッシュ部材２には、試料溶液１１が通過
できる程度の微小孔が多数設けられている。微小孔の形
状は、この孔を通過した液体が放出されるときの霧の粒
径が１０μｍ以下になる限り、制限されるものでない。
しかしながら、隣接する孔との間隔を一定にして孔を一
様に散在させるためには、一般的に、円形が最適であ
る。微小孔の径は、０．１〜１０μｍ、特に０．５〜５
μｍが好ましい。孔間のピッチは、円形状孔においては
上記孔径にもよるが、１０〜１００μｍ、特に１０〜５
０μｍ程度が好ましい。微小孔の数は、メッシュ部材２
の面積に依存し、その面積は適宜変えることができる。
微小孔の個数は、必要とする霧の量に応じて定められる
ようにしてもよい。メッシュ部材２の厚さは、あまり厚
いと圧電振動体３により振動させるのが難しくなるの
で、１０〜５００μｍ程度、特に５０〜３００μｍ程度
が好ましい。メッシュ部材２の材質は、使用する液体に
対する耐侵食性を考慮して、セラミック、ガラス、プラ
スチック等を用いる。

【００２１】メッシュ部材２は、図１に示すように押さ
えカバー４により固定され、取り外し可能であり、適宜
交換可能である。押さえカバー４の材質はセラミックや
ガラス、プラスチック等からなる。

【００２２】このようなネブライザ１は、メッシュ部材
２側がスプレーチャンバー１３内に配置するように、ス
プレーチャンバー１３に取り付けられている。さらに、
スプレーチャンバー１３には、ネブライザ１により発生
した霧をプラズマトーチなどに輸送するためにアルゴン
ガス１２などのキャリアガスが供給され、また、ドレイ
ン９が取り付けられている。

【００２３】このようなネブライザ１では、不図示のポ
ンプにより試料溶液１１が試料供給管１６の先端部すな
わち圧電振動体３及びメッシュ部材２の位置にまで給送
される。ここで、圧電振動体３に所定の周波数の交流電
圧を印加して振動させると、試料溶液１１は、振動によ
りメッシュ部材２の上方に押し出される。このとき、試
料溶液１１は、微小孔を通過するために微粒子となり、
スプレーチャンバー１３内に霧となって放出されること
になる。また、圧電振動体３が振動することにより、メ
ッシュ部材２の目詰まりを防ぐことが可能である。

【００２４】次に、このような微小孔をメッシュ部材２
に形成するための加工方法について説明する。

【００２５】微小孔の加工には、その大きさや形成精度
などの関係から、切削工具を用いる機械的な加工方法を
採用することが困難なので、レーザーやイオンビームを
照射する方法が用いられる。

【００２６】まず、レーザーで微小孔を形成する方法で
は、発振器から出たレーザービームの全量を、レンズで
集光して加工直径まで絞り、メッシュ部材を加工する。
レーザーエネルギーは適宜変更可能である。

【００２７】次に、集束イオンビーム（以下、ＦＩＢ(f
ocused ion beam)と略記する）を用いて微小孔を形成す
る方法について述べる。ＦＩＢによる加工装置は、例え
ば、特開昭５９−１６８６５２号公報に示されているよ
うに、液体金属イオン源から引き出し電極によりイオン
ビームを引き出し、そのイオンビームをアパーチャー及
び静電レンズにより集束イオンビームにし、その集束イ
オンビームを偏向電極により試料表面の所定領域を照射
するように偏向走査させる装置である。このように走査
された集束イオンビームの試料表面への繰り返し照射に
より、メッシュ部材の所定領域はイオンビームによりス
パッタされて除去される。

【００２８】次に、本発明のネブライザを用いた分析装
置について説明する。ここでは、一例として、ＩＣＰ発
光分析装置を説明する。図２は、本実施の形態のネブラ
イザを用いたＩＣＰ発光分析装置の構成を示す図であ
る。

【００２９】ネブライザ１には、ポンプ１０を介して試
料溶液１１が供給されている。また、ネブライザ１の圧
電振動体を駆動するために、圧電振動体駆動電源１４が
設けられている。

【００３０】ネブライザ１が取り付けられたスプレーチ
ャンバー１３には、キャリアガスとしてアルゴンガス１
２が供給されており、ネブライザ１によって霧化された
試料溶液１１は、アルゴンガス１２によってスプレーチ
ャンバー１３からプラズマトーチ７へと搬送される。こ
こには、マイクロ波などの高周波電力を発生するＲＦ
（高周波）電源５が設けられており、このＲＦ電源５か
らの高周波電力により、プラズマトーチ７に供給された
アルゴンガス１２がプラズマ１７を形成し、プラズマ１
７中で試料が発光する。この発光を分光計６が分光して
各波長ごとの発光強度を計測する。分光計６はマイクロ
プロセッサ８によって制御されており、このマイクロプ
ロセッサ８は操作用パーソナルコンピュータ１５に接続
している。ＩＣＰ発光分析装置全体の動作の制御や分析
結果の表示は、この操作用パーソナルコンピュータ１５
を介して行なえるようになっている。

【００３１】

【実施例】次に、実施例により、本発明をさらに詳しく
説明する。ここでは、本発明によるネブライザを用いた
ＩＣＰ発光分析装置における分析感度を求めることによ
り、本発明を説明する。

【００３２】（実施例１）厚さ３００μｍの石英ガラス
をメッシュ部材として用い、これに、レーザー加工によ
り径１０μｍの微小孔を作成した。孔と孔の間は２０μ
ｍとした。このメッシュ部材を取り付けたネブライザを
用いて、ＩＣＰ発光分析により、定量下限値を求めた結
果を以下に示す。測定方法は、ブランクとして純水を用
い、Ａｇ（分析線３２８．０６８ｎｍ）とＰｂ（分析線
２２０．３５３ｎｍ）の２元素について各々１０回測定
し、そのカウント数の変動の標準偏差の１０倍に相当す
る元素濃度を定量下限とした。

【００３３】

【表１】

【００３４】（実施例２）厚さ２００μｍのセラミック
板をメッシュ部材として用い、これにＦＩＢにより径
０．５μｍの微小孔を作成した。孔と孔の間は２μｍと
した。このメッシュ部材を取り付けたネブライザを用い
て、実施例１と同様にＩＣＰ発光分析により、定量下限
値を求めた結果を以下に示す。測定方法は、実施例１と
同様にブランクとして純水を用いＡｇ（分析線３２８．
０６８ｎｍ）とＰｂ（分析線２２０．３５３ｎｍ）の２
元素について各々１０回測定し、そのカウント数の変動
の標準偏差の１０倍に相当する元素濃度を定量下限とし
た。

【００３５】

【表２】

【００３６】表１の結果と表２の結果とを比較すると、
実施例２の方が、実施例１よりも分析下限が１／３〜１
／５小さくなっており、その分、分析感度が向上してい
た。

【００３７】（比較例）通常の同軸型（コンセントリッ
ク）ネブライザを用いて実施例と同様にＡｇとＰｂの定
量下限を求めた。その結果を以下に示す。

【００３８】

【表３】

【００３９】上述の各実施例の結果と比較すると、従来
のネブライザでは、分析下限が約１桁大きくなってお
り、その分、分析感度が悪くなっている。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のネブライ
ザによれば、メッシュ部材の多数の微小孔から粒径の小
さな均一なエアロゾルが送り出され、粒径にばらつきの
ない試料エアロゾルが得られるという効果が得られる。
したがって、吸上げられた試料のほとんどがドレインと
して捨てられることもなく、試料の導入効率を向上さ
せ、分析感度を向上させることができる。特に本発明の
ネブライザを用いたＩＣＰ発光分析装置では、粒径にば
らつきのない試料エアロゾルがそのままプラズマトーチ
に導入されるため、発光強度にばらつきのない安定した
測光信号が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明の実施の一形態のネブライザを
含むスプレーチャンバーの構成を示す図であり、（ｂ）
はネブライザ部分の断面図であり、（ｃ）はネブライザ
部分の上面図である。

【図２】本発明のネブライザを用いたＩＣＰ発光分析装
置の構成を示す図である。

【符号の説明】

１ ネブライザー ２ メッシュ部材 ３ 圧電振動体 ４ 押さえカバー ５ ＲＦ電源 ６ 分光計 ７ プラズマトーチ ８ マイクロプロセッサー ９ ドレイン １０ ポンプ １１ 試料溶液 １２ アルゴンガス １３ スプレーチャンバー １４ 圧電振動体駆動電源 １５ 操作用パーソナルコンピュータ １６ 試料供給管 １７ プラズマ

フロントページの続き Ｆターム(参考） 2G043 AA01 CA01 DA01 DA05 EA08 GA19 GB19 HA01 JA01 NA05 2G052 AD26 AD43 CA08 CA12 DA01 DA21 FD07 GA15 JA09 JA13 JA16 2G059 AA01 BB20 DD01 DD12 EE01 JJ01 JJ11 KK01 MM09 PP10

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料溶液を霧化するネブライザであっ
   て、多数の微小孔を有するメッシュ部材に圧電振動体を
   固定してなるネブライザ。
2. 【請求項２】 試料溶液を霧化するネブライザであっ
   て、前記試料溶液が給送される試料供給管と、前記試料
   供給管の先端開口をふさぐように配置され、多数の微小
   孔を有するメッシュ部材と、前記試料供給管の先端部外
   周に配置され、少なくとも前記メッシュ部材を振動させ
   る圧電振動体と、を有するネブライザ。
3. 【請求項３】 前記微小孔の径は、０．１〜１０μｍで
   ある、請求項１または２に記載のネブライザ。
4. 【請求項４】 前記メッシュ部材は、ガラス、セラミッ
   ク及びプラスチックのいずれかにより形成されている、
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載のネブライザ。
5. 【請求項５】 前記微小孔はレーザービームにより加工
   されたものである請求項１乃至４のいずれか１項に記載
   のネブライザ。
6. 【請求項６】 前記微小孔はイオンビームにより加工さ
   れたものである請求項１乃至４のいずれか１項に記載の
   ネブライザ。
7. 【請求項７】 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の
   ネブライザと、前記ネブライザによって霧化された試料
   溶液が導入される高周波誘導結合プラズマを発生させる
   プラズマ発生手段と、前記高周波誘導結合プラズマから
   の発光を測光する測光手段と、を有する高周波誘導結合
   プラズマ発光分析装置。