JP2004327243A

JP2004327243A - Ｉｃｐ質量分析装置及び質量分析方法

Info

Publication number: JP2004327243A
Application number: JP2003120487A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Oishi; 昌弘大石; Keiichi Fukuda; 啓一福田
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2003-04-24
Filing date: 2003-04-24
Publication date: 2004-11-18

Abstract

【課題】プラズマへの大気の流入を抑止し、高精度で分析できるＩＣＰ質量分析装置及び質量分析方法を提供する。
【解決手段】ＩＣＰ質量分析装置３は、試料９をイオン化するプラズマＰを発生させるプラズマトーチ２１と、このプラズマトーチ２１の先端部近傍に位置するイオン導入部２３を有する質量分析部２４とを備え、プラズマトーチ２１と質量分析部２４のイオン導入部２３との間のプラズマ発生領域を囲うガスパージ用のケーシング３６が設けられている。このケーシング３６は、外気と遮断されガスパージ可能な空間３７を形成しており、試料９中の測定対象元素と質量数が異なるガスによってパージされる。これにより、ケーシング３６内に大気が入り込むことがなく、プラズマＰへの大気の流入を抑止することができる。従って、大気による影響を受けることがなくなるため、高感度で分析することができる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザーアブレーション装置等から導入される試料中の測定対象元素の質量分析を行うＩＣＰ質量分析装置及び質量分析方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ＩＣＰ質量分析装置を用いて質量分析を行う場合は、まず、レーザーアブレーション装置等によって気化や霧化などされた試料を、キャリアガスで搬送してプラズマトーチ内に導入する。次いで、導入された試料をプラズマトーチで発生させたプラズマによって励起させる。これにより生成したイオンをプラズマトーチに並設された質量分析部内に導入し、試料中における測定対象元素の質量分析を行う。
【０００３】
このようなＩＣＰ質量分析装置としては、特許文献１に記載のものが知られている。この文献には、質量分析部に備えられたイオン導入部に、プラズマトーチの先端部を近接させたＩＣＰ質量分析装置が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平６−１８４１９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１を始めとする上記のような従来のＩＣＰ質量分析装置では、一般にプラズマが発生する領域は大気中におかれている。従って、測定対象元素が質量分析部内に導入される際に、大気中に含まれる窒素、酸素、炭素等の成分も一緒に質量分析部内に導入されてしまう。これにより、測定対象元素が、窒素、酸素、炭素等である場合や、窒素、酸素、炭素等の化合物と同じ質量数である場合に、大気中の窒素、酸素、炭素等やそれらの化合物がバックグラウンドとなるため、測定対象元素についての感度の低下を招き、分析精度が低下してしまう。
【０００６】
また、大気がプラズマに流入することにより、プラズマトーチに供給されるガスの成分と大気中の酸素とが反応し、測定対象元素と質量数が同じ酸化物が生成される虞がある。この場合も、酸化物がバックグラウンドとなり、測定対象元素の分析精度が低下してしまう。
【０００７】
本発明の目的は、プラズマへの大気の流入を抑止し、高精度で分析できるＩＣＰ質量分析装置及び質量分析方法を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明のＩＣＰ質量分析装置は、試料中の測定対象元素の質量分析を行うＩＣＰ質量分析装置であって、試料をイオン化するプラズマを発生させるプラズマトーチと、プラズマにより生成されたイオン化試料が入るイオン導入部を有し、このイオン導入部を介して内部に導入されたイオン化試料における測定対象元素の質量分析を行う質量分析部とを備え、プラズマトーチとイオン導入部との間のプラズマ発生領域を囲うガスパージ用のケーシングが設けられていることを特徴とするものである。
【０００９】
このようなＩＣＰ質量分析装置では、プラズマトーチとイオン導入部との間のプラズマ発生領域を囲うケーシングを設け、このケーシング内を試料中の測定対象元素と質量数が異なるガスなどによってパージし、その状態でプラズマを発生させる。これにより、プラズマ発生領域は、パージガス雰囲気中におかれ、大気からは遮断された状態となるため、プラズマへの大気の流入を抑止し高精度で分析することができる。
【００１０】
この場合、ケーシングには、ケーシング内にパージガスを注入するための流入口及びケーシング外にパージガスを排出するための流出口の少なくとも一方が設けられていることが好ましい。このように、パージガスを注入するための流入口を設けることにより、キャリアガス等のプラズマトーチ内に供給されるガスのみによってケーシング内をパージする場合に対し、ケーシングの容積に応じてガスの供給量を調整することができる。従って、ケーシング内を安定してパージすることができる。また、ケーシングに流出口を設け、ケーシング内のパージガスをケーシング外へ排出可能とすることにより、ケーシング内の気圧の極度な上昇を防ぎ、安定してパージさせることができる。
【００１１】
本発明は、試料をイオン化するプラズマを発生させるプラズマトーチと、プラズマにより生成されたイオン化試料が入るイオン導入部を有し、このイオン導入部を介して内部に導入されたイオン化試料における測定対象元素の質量分析を行う質量分析部とを備えたＩＣＰ質量分析装置における質量分析方法であって、プラズマトーチとイオン導入部との間のプラズマ発生領域を囲うガスパージ用のケーシングを設け、イオン導入部へのイオン導入時において、測定対象元素と質量数が異なるガスによってケーシング内をパージすることを特徴とするものである。
【００１２】
このような質量分析方法では、ＩＣＰ質量分析装置に、プラズマトーチとイオン導入部との間のプラズマ発生領域を囲うケーシングを設け、このケーシング内を試料中の測定対象元素と質量数が異なるガスよってパージし、その状態でプラズマを発生させる。これにより、プラズマ発生領域は、パージガス雰囲気中におかれ、大気からは遮断された状態となるため、プラズマへの大気の流入を抑止し高精度で分析することができる。
【００１３】
この場合、ケーシング内をパージするガスは、プラズマトーチ内に供給されるガスと同じガスであってもよい。プラズマトーチ内に供給されるガスとしては、例えばＡｒ等のキャリアガスがあるが、これと同じガスによってケーシング内をパージすることにより、ケーシング内をパージするガスとプラズマトーチ内に供給されるガスとの反応によりバックグランドが発生するという事態を防ぐことができる。
【００１４】
また、ケーシング内をパージするガスは、不活性ガスであってもよい。ケーシング内をパージするガスとして、希ガスや窒素などの反応性の乏しい不活性ガスを用いることにより、プラズマトーチ内に供給されるガスとの反応を抑止し、バックグラウンドの発生を防ぐことができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。尚、同一要素には同一符号を用いるものとし、重複する説明は省略する。
【００１６】
図１は、本実施形態に係るＩＣＰ質量分析装置が適用されたレーザーアブレーション−ＩＣＰ質量分析装置（以下、ＬＡ−ＩＣＰ−ＭＳ装置という）１を示す概略図である。同図において、ＬＡ−ＩＣＰ−ＭＳ装置１は、分析対象の試料にレーザ光を照射しレーザーアブレーションを行うレーザーアブレーション装置（以下、ＬＡ装置という）２と、このＬＡ装置２から導入された試料をプラズマでイオン化して質量分析を行うＩＣＰ質量分析装置３とを備えている。
【００１７】
ＬＡ装置２は、試料チャンバ４、レーザーユニット５、ＣＣＤカメラ６を主として備えている。試料チャンバ４内には、上面で試料ホルダ７を保持した保持台８が備えられており、その保持された試料ホルダ７には、分析対象の試料９が配置されている。
【００１８】
このようなＬＡ装置２において、レーザーユニット５から所定の波長で出射されたレーザ光は、まず、ミラー１０，１１で反射され、波長変換素子１２へ入射する。波長変換素子１２で波長を半減されたレーザ光は、波長変換素子１３で更に波長を半減される。そして、ミラー１４，１５，１６で反射された後、レンズ１７を通り、最後にビームスプリッタ１８で反射されて試料チャンバ４内の試料ホルダ７の試料９へと向かうようになっている。
【００１９】
レーザーユニット５は、例えば、波長１０６４ｎｍのＮｄ−ＹＡＧレーザを搭載している。そして、例えば、波長１０６４ｎｍのレーザ光を波長変換素子１２で波長５３２ｎｍ（２次高調波）に変換し、その後、波長変換素子１３で波長５３２ｎｍから波長２６６ｎｍ（３次高調波）に変換する。このように、短波長とすることにより、レーザ光が高エネルギとなるため、より多くの物質に対し、アブレーションを行うことができる。
【００２０】
一方、ＣＣＤカメラ６は、ビームスプリッタ１８を介して試料チャンバ４内の試料ホルダ７に配置された試料９を観察できるようになっている。このＣＣＤカメラ６を用いて、例えば、試料９表面におけるレーザ光の照射位置等を観察する。
【００２１】
また、試料チャンバ４には、アルゴンガス等のキャリアガスを試料チャンバ４内に導入する導入管１９と、試料チャンバ４外に導出する導出管２０とが接続されている。これら導入管１９及び導出管２０としては、例えばタイゴンチューブなどが用いられる。
【００２２】
一端が試料チャンバ４に接続された導出管２０は、他端がＩＣＰ質量分析装置３におけるプラズマトーチ（詳細は後述する）２１の後端部に接続されている。そして、導入管１９によって試料チャンバ４内へ導入されたキャリアガスは、レーザ光の照射によって霧化された試料９と共に、導出管２０を通ってＩＣＰ質量分析装置３へと向かうようになっている。
【００２３】
次に、ＩＣＰ質量分析装置３について図１，２を参照して説明する。図２は、図１に示す領域ＩＩの概略断面図である。
【００２４】
ＩＣＰ質量分析装置３は、導入管２２からキャリアガスと共に導入された試料９をイオン化するプラズマＰを発生させるプラズマトーチ２１と、このプラズマトーチ２１の先端部近傍に位置するイオン導入部２３を有する質量分析部２４とを備えている。
【００２５】
プラズマトーチ２１は、図２に示すように、３重管構造となっており、導入管２２に接続された管２５からキャリアガスが導入され、管２６からプラズマＰ形成用のプラズマガスが導入され、管２７からプラズマトーチ２１壁面を冷却するためのクーラントガスが導入されるようになっている。キャリアガス、プラズマガス及びクーラントガスとしては、例えば、アルゴンガスなどを用いる。
【００２６】
また、プラズマトーチ２１内には、キャリアガス、プラズマガス及びクーラントガスを合わせ、全体として約１５〜２０リットル／分の流量のガスが供給される。それぞれのガス導入量の一形態としては、キャリアガスが約１リットル／分、プラズマガスが約１リットル／分、クーラントガスが約１６リットル／分である。
【００２７】
そして、プラズマトーチ２１には、図示しない高周波電源に接続された高周波コイル２８が先端側に備えられており、この高周波コイル２８に印加電圧が加えられることにより、プラズマトーチ２１の先端側の内部にプラズマＰが形成される。
【００２８】
質量分析部２４のイオン導入部２３は、プラズマトーチ２１の先端に対向する導入孔２９を有している。そして、このイオン導入部２３の導入孔２９を介して、プラズマＰからの光やイオンを筐体３０内に導入する。なお、導入孔２９の直径は、例えば１ｍｍ程度である。
【００２９】
筐体３０内は、真空ポンプ３１，３２によって、イオン導入部２３側（図１の左側）が低真空室、その奥（図１の右側）が高真空室というように、真空度が異なる２つの部屋に分かれている。そして、質量分析部２４は、筐体３０内において、プラズマＰからの光とイオンとをイオンレンズ３３で分離してイオンのみを通過させ、質量多重極部３４で特定のイオンのみを取り出して検出器３５で検出するようになっている。
【００３０】
また、ＩＣＰ質量分析装置３には、プラズマトーチ２１とイオン導入部２３との間のプラズマ発生領域を囲うガスパージ用のケーシング３６が設けられている。このケーシング３６は、プラズマトーチ２１とイオン導入部２３とに支持されており、大気と遮断されガスパージ可能な空間３７を形成している。
【００３１】
ケーシング３６は、プラズマトーチ２１を覆うように設けられており、ケーシング３６内でプラズマトーチ２１が、イオン導入部２３に近づく或いは遠ざかる方向に移動可能に取り付けられている。これにより、プラズマトーチ２１とイオン導入部２３との距離を変化させることができるため、プラズマの発生位置を調整でき、容易に測定感度を調整することができる。また、ケーシング３６には、内部にパージガスを注入するための流入口３８及び外部にパージガスを排出するための流出口３９が設けられている。流入口３８は、例えばガスタンク等のガス供給源（図示せず）に接続される。なお、ケーシング３６は、プラズマが高温であることから、石英等の無機物で形成するのが望ましい。
【００３２】
以上のようなＩＣＰ質量分析装置３では、プラズマトーチ２１でプラズマＰを発生させ、イオン導入部２３にイオンが導入される際、流入口３８からパージガスを注入してケーシング３６内をパージする。その後、ケーシング３６内が飽和状態になると、パージガスは流出口３９から排出される。
【００３３】
ケーシング３６内をパージするパージガスとしては、試料中の測定対象元素と質量数が異なるガスを使用する。これにより、ケーシング３６内に大気が入り込むことがなく、プラズマＰへの大気の流入を抑止することができる。従って、大気による影響を受けることがなくなるため、分析精度を向上させることができる。
【００３４】
また、ケーシング３６内をパージするパージガスとしては、例えば、キャリアガスなどのプラズマトーチ２１内に供給されるガスと同じガス、またはヘリウム、窒素等の不活性ガスなどを使用してもよい。プラズマトーチ２１内に供給するガスとしては、例えばアルゴンガスがある。
【００３５】
このように、パージガスとしてプラズマトーチ２１内に供給されるガスを用いることにより、ケーシング３６内をパージするガスとプラズマトーチ２１内に供給されるガスとの反応によりバックグランドが発生するという事態を防ぐことができる。また、不活性ガスを用いることにより、プラズマトーチ２１内に供給されるガスとの反応を抑止し、バックグラウンドの発生を防ぐことができる。
【００３６】
例えば、ケーシング３６内をヘリウムガス、窒素ガスおよびアルゴンガスのいずれかのガスでパージした場合、ケーシング３６内が大気と遮断されるため、大気に起因する質量数（ｍ／ｚ）が１６である酸素を測定することができる。また、ケーシング３６内には、大気に起因するＯ_２（ｍ／ｚ＝３２）、ＣＯ（ｍ／ｚ＝２８）が存在しないため、微量の硫黄、ケイ素を測定する場合、それらと質量数が同じであるＳ（ｍ／ｚ＝３２）、Ｓｉ（ｍ／ｚ＝２８）の測定が実用的なレベルで可能となる。更に、大気と遮断されることにより、大気中の酸素との酸化を防ぐことができるため、例えば、アルゴンの酸化物であるＡｒＯ（ｍ／ｚ＝５６）の生成が抑止される。このため、微量の鉄を測定する場合、ＡｒＯと質量数が同じであるＦｅ（ｍ／ｚ＝５６）の測定が可能となる。従って、微量の鉄の測定に関して、従来では、Ｆｅについて天然同位体比で２％程度しか存在しない質量数５７で測定していたが、約９０％存在する質量数５６での測定が可能となるため、測定感度が良好となり、分析精度が向上する。
【００３７】
また、ケーシング３６内を例えばヘリウムガスまたはアルゴンガスでパージすることにより、窒素（ｍ／ｚ＝１４）の測定が可能となる。更に、このときケーシング３６内にはＮ_２（ｍ／ｚ＝２８）も存在しないため、Ｎ_２と質量数が同じであるＳｉ（ｍ／ｚ＝２８）の微量な測定も可能となる。
【００３８】
そして、ヘリウムガス、窒素ガス、アルゴンガスなどでケーシング３６内をパージすることにより、Ｃ（ｍ／ｚ＝１２）のバックグラウンドが減少するため、試料中のＣの測定が可能となる。
【００３９】
ケーシング３６内は、クーラントガス等のプラズマトーチ２１内に供給されるガスのみでもパージ可能であるが、流入口３８を設け、パージ用のガスをケーシング３６内に供給するようにすることで、ケーシング３６の容積に応じてガスの供給量を調整することが可能となる。このため、ケーシング３６内を安定してパージすることができる。また、ケーシング３６内をパージするガスは、イオン導入部２３の導入孔２９からイオン化された試料と共に排出可能であるが、ケーシング３６に流出口３９を設け、パージガスを適度に排出可能とすることにより、ケーシング３６内の気圧の極度な上昇を防ぐことができる。
【００４０】
図３は、本実施形態に係るＩＣＰ質量分析装置におけるケーシングの他の形態を示す図である。図３に示すケーシング４０は、導入管２６，２７を覆わずにプラズマトーチ２１の一部を覆うように取り付けられている点が図２に示すケーシング３６と異なっている。ケーシング４０は、一方がイオン導入部２３に接着され、他方がプラズマトーチの側面に取り付けられており、大気と遮断された空間３７を形成している。
【００４１】
また、ケーシング４０は、プラズマトーチ２１の側面に例えばＯリングを介して取り付けられており、空間３７がシールされると共にプラズマトーチ２１がイオン導入部２３に対して近づく或いは遠ざかる方向に移動可能となっている。このため、プラズマトーチ２１は、イオン導入部２３に対して相対的に移動可能となり、プラズマトーチ２１とイオン導入部２３との距離を変化させることができる。これにより、プラズマの発生位置を変化させて測定感度を調整することができる。
【００４２】
また、ケーシングの形状は、図２，図３に示す形状に限られない。例えば、図４に示すケーシング５０のように、角部を無くして断面円弧状に丸く加工してもよい。これにより、パージガスがケーシング５０内によく行き渡るようになり、空間３７内を容易にパージすることができる。
【００４３】
以上、本発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、ケーシング３６，４０，５０に流入口３８、流出口３９の双方を設けているが、流入口３８、流出口３９のいずれか一方のみであってもよいし、流入口３８、流出口３９の双方とも設けない形態であってもよい。流入口３８を設けない場合は、プラズマトーチ２１内に供給されるガスによってケーシング内をパージし、流出口３９を設けない場合は、ケーシング内をパージするガスをイオン導入部２３の導入孔２９からイオン化された試料９と共に排出する。
【００４４】
【発明の効果】
プラズマトーチとイオン導入部との間のプラズマ発生領域を囲うガスパージ用のケーシングを設けたことにより、プラズマへの大気の流入を抑止し、高精度で分析できるＩＣＰ質量分析装置及び質量分析方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態に係るＩＣＰ質量分析装置が適用されたＬＡ−ＩＣＰ−ＭＳ装置を示す概略図である。
【図２】図１に示す領域ＩＩの概略断面図である。
【図３】実施形態に係るＩＣＰ質量分析装置におけるケーシングの他の形態を示す図である。
【図４】図３に示すケーシングの他の形態を示す図である。
【符号の説明】
１…レーザーアブレーション−ＩＣＰ質量分析装置、２…レーザーアブレーション装置、３…ＩＣＰ質量分析装置、９…試料、２１…プラズマトーチ、２３…イオン導入部、２４… 質量分析部、３６…ケーシング、３８…流入口、３９…流出口、４０…ケーシング、５０…ケーシング、Ｐ…プラズマ。

Claims

試料中の測定対象元素の質量分析を行うＩＣＰ質量分析装置であって、
試料をイオン化するプラズマを発生させるプラズマトーチと、
前記プラズマにより生成されたイオン化試料が入るイオン導入部を有し、当該イオン導入部を介して内部に導入された前記イオン化試料における測定対象元素の質量分析を行う質量分析部とを備え、
前記プラズマトーチと前記イオン導入部との間のプラズマ発生領域を囲うガスパージ用のケーシングが設けられていることを特徴とするＩＣＰ質量分析装置。
前記ケーシングには、前記ケーシング内にパージガスを注入するための流入口及び前記ケーシング外にパージガスを排出するための流出口の少なくとも一方が設けられていることを特徴とする請求項１記載のＩＣＰ質量分析装置。
試料をイオン化するプラズマを発生させるプラズマトーチと、前記プラズマにより生成されたイオン化試料が入るイオン導入部を有し、当該イオン導入部を介して内部に導入された前記イオン化試料における測定対象元素の質量分析を行う質量分析部とを備えたＩＣＰ質量分析装置における質量分析方法であって、
前記プラズマトーチと前記イオン導入部との間のプラズマ発生領域を囲うガスパージ用のケーシングを設け、
前記イオン導入部へのイオン導入時において、前記測定対象元素と質量数が異なるガスによって前記ケーシング内をパージすることを特徴とする質量分析方法。
前記ケーシング内をパージするガスは、前記プラズマトーチ内に供給されるガスと同じガスであることを特徴する請求項３記載の質量分析方法。
前記ケーシング内をパージするガスは、不活性ガスであることを特徴とする請求項３記載の質量分析方法。