JP2004037409A

JP2004037409A - 光吸収スペクトル分析用セル、及びそれを用いるシラノール基濃度の測定方法

Info

Publication number: JP2004037409A
Application number: JP2002198309A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Kimata; 木全　良典
Original assignee: Toagosei Co Ltd
Current assignee: Toagosei Co Ltd
Priority date: 2002-07-08
Filing date: 2002-07-08
Publication date: 2004-02-05

Abstract

【課題】破損等により外部に漏出すると危険な試料液に使用する光吸収スペクトル分析用セルを提供する。
【解決手段】一対の光透過性セル窓５、６で構成する光路を備える密閉外部セル２と、前記外部セル２内に配設してなり一対の光透過性セル窓３、４で構成する光路を有すると共にその光路を外部セルの前記光路と一致させた密閉内部セル１と、前記外部セル２を貫通して前記内部セル１に連通する試料液の流入管８及び流出管７とからなることを特徴とする光吸収スペクトル分析用セル。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は吸光光度法に用いる光吸収スペクトル分析用セルに関する。このセルは、特にハロゲン化ケイ素化合物の赤外吸収スペクトル分析に適する。
【０００２】
【従来の技術】
四塩化ケイ素に代表されるハロゲン化ケイ素化合物は、水に対する反応性が高く、空気中に含まれるわずかな水蒸気に接触する事により加水分解して塩化水素ガスを発生する。このようなケイ素化合物中に含まれるシラノール基を定量分析する方法として赤外線吸光光度法が知られている。
【０００３】
この方法において、０．１ｐｐｍ以下の微量シラノール基を測定する場合、一般的な赤外分析で用いられる光路長０．０１〜０．１ｍｍのセルと比較して極端に光路の長いセルを用いる方法が提案されている（特開平９−３１８５２５公報）。この分析方法においては、両端にフッ化カルシウム製の窓を取り付けて赤外光の光路を構成した、全長が５０〜１５０ｍｍのＳＵＳ製筒状セルに、ハロゲン化ケイ素を満たして赤外吸収スペクトル測定を行っている。
【０００４】
しかし、ハロゲン化ケイ素試料は空気中の水分と接触して有害かつ腐食性の塩化水素ガスを大量に発生すると共に、シラノール基を生成する。従って、この測定方法による場合は、セルおよび赤外分光装置を不活性ガス雰囲気で置換したグローブボックス、またはドラフトチャンバー内に設置する必要がある。しかし、このような設備を用いることは測定設備が大掛りになり、製造現場でルーチン的に品質管理手段として用いる実用分析には適していない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者らは、ハロゲン化ケイ素化合物中のシラノール基濃度を赤外吸収スペクトル法で測定する方法において、ハロゲン化ケイ素化合物の外部漏出を回避し、安全性を確保する方法につき、種々検討した。その結果、試料の流出用と流入用の配管をそれぞれ上下に接続したセル（以下、内部セルと称する）、および前記内部セル自身を密封入するためのセル（以下、外部セルと称する）から構成される赤外吸収スペクトル分析用セルに想到した。このセルは試料を充填する内部セルと、これを保護するための外部セルから成る二重セル構造を有するものである。
【０００６】
本発明者らは、更に、このセルが赤外光以外の全ての波長の光吸収スペクトル分析に利用できることに想到し、本発明を完成するに至った。
【０００７】
従って、本発明の目的とするところは、上記問題を解決した光吸収スペクトル分析用セルを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決する本発明は、以下に記載するものである。
【０００９】
〔１〕　一対の光透過性セル窓で構成する光路を備える密閉外部セルと、前記外部セル内に配設してなり一対の光透過性セル窓で構成する光路を有すると共にその光路を外部セルの前記光路と一致させた密閉内部セルと、前記外部セルを貫通して前記内部セルに連通する試料液の流入管及び流出管とからなることを特徴とする光吸収スペクトル分析用セル。
【００１０】
〔２〕　外部セルの光路長が内部セルの光路長の１．５〜２．５倍で、外部セルのセル窓面積が内部セルのセル窓面積の２．５〜５．０倍である〔１〕に記載の光吸収スペクトル分析用セル。
【００１１】
〔３〕　外部セルが、内部セル収納用中空部を有する外部セル主体と前記外部セル主体に着脱自在に取付けた蓋部とからなり、前記流入管と流出管とが前記蓋部を貫通して外部セル内に挿入されている〔１〕に記載の光吸収スペクトル分析用セル。
【００１２】
〔４〕　前記〔１〕１乃至〔３〕のいずれかに記載の光吸収スペクトル分析用セルを使用して、赤外分光装置による吸光光度法で、ハロゲン化ケイ素化合物中のシラノール基の濃度を測定することを特徴とするシラノール基濃度の測定方法。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の光吸収スペクトル分析用セルについて図面を参照して詳細に説明するが、当該図面は本発明のセルの特徴を開示することが目的であって、これにより形状、大きさ、及びその他の制約を受けるものではない。
【００１４】
以下、赤外吸収スペクトル分析用セルを例にして本発明を詳細に説明する。
【００１５】
図１は、本発明の赤外吸収スペクトル分析用セルの一例を示す縦断面図である。図１中、１は液密に構成された内部セル、２は液密に構成された外部セルを示す。内部セル１、外部セル２の形状は特に制限がないが、内部中空の円筒状または角筒状が好ましい。特に、内部セル１の形状は耐圧性向上の観点から通常は円筒形状が選択される。内部セル１、外部セル２のそれぞれは窓３、４および５、６を備えており、これらの窓により赤外光を通すための光路が構成されている。また、内部セル１の光路と、外部セル２の光路とは一致している。
【００１６】
窓以外の、セル１、２を構成する材料は、ハロゲン化ケイ素化合物および塩化水素等に耐食性を示す材料であれば特に制限はないが、ハステロイやステンレスが好ましい。
【００１７】
赤外光透過用の窓３、４、５、６の材質はハロゲン化ケイ素化合物および塩化水素によって浸食されず、更にシラノールを検出する波数域４０００〜３０００ｃｍ−^１の赤外光を透過させる材料であればよい。例えば、ＫＢｒ、ＫＣｌ、ＮａＣｌ、ＣａＦ_２、Ｇｅ、Ｓｉ、ＺｎＳｅ、石英が利用できる。これらの中でも硬度が高く破損が起き難く、赤外光の透過損失が少ないＧｅ、Ｓｉ、ＺｎＳｅ、石英が好適である。
【００１８】
円筒状の外部セル２であれば、底部に窓６を形成した内部中空で、上端が解放された円筒状の外部セル本体２ａと、窓５を設けた蓋部２ｂとで構成されることが好ましい。
【００１９】
外部セルの本体２ａと蓋部２ｂとの接合部１２、１３はフランジ構造になっており、本体２ａに蓋部２ｂを着脱自在に取付け、又は取外しができるようにすると共に、フランジ部分にシリコーンゴム等からなるガスケット１１を挟んで少なくとも４〜８箇所をボルト締めする事により外部セル２を完全に密閉している。
【００２０】
内部セル１には、試料液を排出する流出管７、及び試料液を供給する流入管８の一端が内部セル１の上下に接続され、これにより内部セル１内部と、流出管７及び流入管８内部とは連通している。図１に示すように、試料液を排出する流出管７は内部セル１の上部と、また試料液の流入管８は内部セルの底部とそれぞれ連結されていることが好ましい。このように配管することにより、試料液を内部セル１内に流入させる際、セル内に気泡が含まれ難い。
【００２１】
前記流出管７と流入管８の他端側は、前記外部セル２の蓋部２ｂを貫通して外部セル２外に引出されている。前記流出管７と流入管８とが蓋部２ｂを貫通する貫通部９、１０は、例えば、ねじ込み接続、溶接固定、接着剤によるシールなどの方法により液密に封止される。なお、これらの流出管７、流入管８の他端近傍にはバルブ１４、１５が介装されている。
【００２２】
内部セル１に接続された流出管７、流入管８は内部セル１の固定具を兼ねており、これらにより内部セル１は外部セル２の蓋部２ｂに固定されている。
【００２３】
測定対象試料液による赤外光の吸収は内部セル１の窓３、４の距離で規定されるセル長が実質的な光路長となる。光路長は、測定対象とするハロゲン化ケイ素化合物中のシラノール濃度に応じて適宜決定すれば良いが、あまり光路長を大にすると必然的にこれを密封入する外部セル２を大きくする必要があり、セル全体のサイズが大型化する。しかし、あまり大型化すると、市販されている汎用の赤外分光装置内へセルを設置できない場合が起きる。このため、内部セル１の光路長は、例えば５〜５０ｍｍが好適である。
【００２４】
内部セルに具備される赤外光透過用の窓３、４の形状は製作の容易性から円形にすることが好ましい。その大きさは、光源から照射された赤外光を能率良く受光し、かつ試料を透過した赤外光を余すとことなく検出器へ導くため、直径５〜２０ｍｍにすることが好ましい。
【００２５】
外部セル２は、内部に内部セル１を密封入し、これを赤外分光装置の光軸上に固定する機能と、内部セル１から試料の漏出が起きた場合にこれを外部セル２内に留め置く機能を持つ。かかる機能を発現するため、外部セル２は本体２ａ、赤外光透過用の窓５を設けた蓋部２ｂ、および脚１７、１８から構成される。外部セル２の本体２ａの全長は内部セルが完全に収納されるに足る長さであればよく、特に制限はない。
【００２６】
赤外分光装置の光源から出た赤外光は、その光学系の中で集光されたり絞られたりして、最後のアパーチャーグリルを見かけの光源とする赤外ビームとなり試料セルに照射される。かかる赤外ビームは平行光線ではなく、通常、試料セルのの中央で焦点を結ぶように設計されており、試料セルの中央で焦点を結んだ後は、焦点位置を中心とする点対称な方向に進み、検出系に到達することになる。
【００２７】
即ち、上記のように試料の中央で焦点を結ぶような赤外ビームは、光源寄りでは大きな光束であるが、試料セル寄りでは集光されて光密度が大きい光束となる。かかる赤外ビームが試料に照射されるとき、試料への照射光量を必要十分に確保するためには、光の焦点になる試料セルの中央とセル窓までの距離が長い場合には、セル窓を広くして受光量を十分に確保する必要がある。前述のように、試料を透過した光は入射の対称的に進むために、出口側セル窓もまた入射側セル窓と同じ広さにする必要がある。
【００２８】
本発明においては、外部セル２を使用するために、光が焦点を結ぶ内部セル１の中央から赤外光の入射量を決定する外部セル２の窓までの距離は、内部セル１のみを使用する場合と比較して必然的に長くなる。その距離が長くなる分、外部セル２の窓を広くする必要ある。具体的には、外部セルの光路長、即ちセル窓５と６との距離は、内部セル１の光路長の１．５〜２．５倍が好ましく、外部セル窓　５、６の面積は、内部セル窓　３、４の２．５〜５．０が好ましい。
【００２９】
外部セルに具備される赤外光透過用の窓５、６の材料は内部セル窓３、４と同じ材料でも良く、また異なっていても良い。
【００３０】
上記セルを用いて、赤外吸収スペクトル分析を行う際には、先ずこのセルを赤外分光装置のセル室に搭載し、流入管８から試料液を内部セル１内に送る。試料液はセル１の下方からセル１内供給されるので、セル１内に気泡が残存し、スペクトル分析を不安定にすることが避けられる。この状態で定法に従って赤外吸収スペクトルを測定する。測定後、次の測定試料液を流入管８から送込み、セル１内の前の測定試料液を流出管７から排出させることにより、次々と試料液の測定を行うことができる。
【００３１】
上記セルにおいては仮に内部セル１の窓の破損等の理由で試料液が内部セル１外に漏出しても、試料液は外部セル２内に封じ込められて作業環境中に漏洩しないので、安全である。内部セル１および流出管７、流入管８は外部セル２の中に完全に密封されているが、外部セル２は本体２ａ、および窓５を設けた密閉蓋部２ｂによって構成され、これらは着脱自在である。このため、セル１、２は互いに分離することができ、例えば窓３、４が劣化し、または破損した場合のこれらの交換などを容易なものとし、その結果メンテナンスが容易になる。
【００３２】
上記説明においては、前述のように赤外吸収スペクトル分析用セルとして説明したが、これに限られず、紫外、可視吸収スペクトル分析用セルとしても同様にして用いることができる。この場合は、セルの窓材としてそれぞれ使用する光の透過性が高いものを用いることは当然であり、これらの材料は公知のものが使用できる。
【００３３】
【実施例】
以下に実施例に基づいて本発明を具体的に説明する。
【００３４】
実施例１
図１に記載した基本構造を有するセルであって、下記仕様の内部セルおよび外部セルからなるセルを用いた。
【００３５】
１　内部セル
本体材質：ハステロイ、サイズ：４０ｍｍφ×４０ｍｍ（外寸）、窓材：ＺｎＳｅ（有効受光径１５ｍｍφ）　光路長：２ｃｍ、　流入管及び流出管：ＳＵＳ３０４製１／４インチ管
２　外部セル
本体材質：ＳＵＳ３０４、　サイズ：９０ｍｍφＸ９０ｍｍ（外寸）、窓材：ＫＢｒ（有効受光径３０ｍｍφ）
このセルをニコレー社製Ｍａｇｎａ７５０型フーリェ変換赤外分光分析装置に取り付けた。試料として市販の四塩化ケイ素試薬用いて、以下の条件で赤外吸収スペクトルを測定した。また、バックグラウンドスペクトルはこのセル内部に乾燥窒素ガスを満たして測定した。
【００３６】
検出器：ＤＴＧＳ、ビームスプリッタ：ＫＢｒ、分解能：４ｃｍ^−１、測定域：４０００〜３０００ｃｍ^−１、積算回数：３２回
図２に、測定した四塩化ケイ素試薬の赤外吸収スペクトルを示す。シラノール基に帰属される−ＯＨ伸縮振動特性吸収ピークが３６５０ｃｍ^−１に観測された。
【００３７】
その吸光度実測値は０．０３５であり、既知濃度のトリメチルシラノール標準試料と比較することにより、シラノール基の濃度は０．１１ｍｍｏｌ／Ｌと定量された。
【００３８】
【発明の効果】
本発明の光吸収スペクトル分析用セルは、密閉した二重構造であるので、内部セルが破損した場合であっても測定試料液がセル外部に直接漏れ出ることがない。このため、外部に漏れ出た場合に危険性の高い試料液や、揮発性の高い試料液を安全且つ正確に測定できる。また、外部セルは蓋部を本体に着脱自在に取付けているため、蓋部と本体とを簡単に分離できる。このため、蓋部に取付けてある内部セルを外部セルから簡単に分離できる。従って、内部セルの破損、汚染等が発生した場合に、簡単に修復できる。
【００３９】
さらに、本発明セルを赤外吸収スペクトル分析用セルとして使用してハロゲン化ケイ素化合物中のシラノール基濃度を赤外吸収スペクトル法で測定する場合は、セルの窓材破損によるハロゲン化ケイ素化合物の外部漏洩を回避し、安全性を確保した、実用性の高い品質管理の用途に適する赤外分析が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明光吸収スペクトル分析用セルの一例を示す縦断面図である。
【図２】本発明のセルを用いて測定した四塩化ケイ素試薬の赤外吸収スペクトルである。
【符号の説明】
１　　内部セル
２　　外部セル
２ａ　　　　外部セル本体
２ｂ　　　　蓋部
３、４、５、６　　窓
７　　　　流出管
８　　　　流入管
９、１０　　　　貫通部
１１　　ガスケット
１２、１３　　接合部
１４、１５　　　　バルブ
１７、１８　　　　脚

Claims

一対の光透過性セル窓で構成する光路を備える密閉外部セルと、前記外部セル内に配設してなり一対の光透過性セル窓で構成する光路を有すると共にその光路を外部セルの前記光路と一致させた密閉内部セルと、前記外部セルを貫通して前記内部セルに連通する試料液の流入管及び流出管とからなることを特徴とする光吸収スペクトル分析用セル。
外部セルの光路長が内部セルの光路長の１．５〜２．５倍で、外部セルのセル窓面積が内部セルのセル窓面積の２．５〜５．０倍である請求項１に記載の光吸収スペクトル分析用セル。
外部セルが、内部セル収納用中空部を有する外部セル主体と前記外部セル主体に着脱自在に取付けた蓋部とからなり、前記流入管と流出管とが前記蓋部を貫通して外部セル内に挿入されている請求項１に記載の光吸収スペクトル分析用セル。
請求項１乃至３のいずれかに記載の光吸収スペクトル分析用セルを使用して、赤外分光装置による吸光光度法で、ハロゲン化ケイ素化合物中のシラノール基の濃度を測定することを特徴とするシラノール基濃度の測定方法。