JP2005031020A - 液体導入プラズマトーチ - Google Patents

Abstract

【課題】液体を直接プラズマ中に導入し、極めて少ない液体でも、高い分析能力を得ること。
【解決手段】プラズマ４を生じさせる液体導入プラズマトーチにおいて、プラズマ発生室２を形成するプラズマトーチ本体１と、噴霧口３６からプラズマ発生室２内に液体を噴霧する噴霧装置３とを備え、噴霧口３６の位置を調整可能とする、液体導入プラズマトーチ。
【選択図】図１

Description

本発明は、試料などの液体を直接導入することができる液体導入プラズマトーチに関するものである。

従来の分析用プラズマトーチは、三重又は二重管構造をした石英ガラス製である。主にアルゴンやヘリウムを毎分１０〜２０リットル程度流し、外部から高周波もしくはマイクロ波電力を印加してプラズマを生成していた。このように従来のプラズマトーチはプラズマ生成のみを行うように設計されており、導入液体は、例えばあらかじめネブライザによりスプレーチャンバ中に霧化したのち、プラズマトーチに輸送していた。

解決しようとする問題点は、従来の液体導入効率は高くとも、１０％程度であった。このため、試料の多くはプラズマ中に導入されず、導入効率が良くなかった。また、試料を霧化してからプラズマに導入されるまでの経路に試料が付着し、試料導入終了後にも信号が検出されるメモリー効果が生じていた。

本発明は、プラズマを生じさせる液体導入プラズマトーチにおいて、プラズマ発生室を形成するプラズマトーチ本体と、噴霧口からプラズマ発生室内に液体を噴霧する噴霧装置とを備え、噴霧口の位置を調整可能とする、液体導入プラズマトーチにある。

本発明は、つぎのような効果を得ることができる。
＜１＞本発明は、液体を直接プラズマ中に導入することができる。
＜２＞又は、本発明は、極めて少ない液体でも、高い分析能力を持つことができる。
＜３＞又は、本発明は、噴霧口の位置を調整可能とすることにより、容易に測定データを調整することができる。
＜４＞又は、本発明は、噴霧装置が目詰まりなどを生じた場合に容易に取り替えることができる。
＜５＞又は、本発明は、小型化でき、機器の取り扱いが容易になる。
＜６＞又は、本発明は、試料など液体の付着によるメモリ効果を低減できる。

＜１＞液体導入プラズマトーチ
液体導入プラズマトーチは、プラズマ４を発生するプラズマ発生室２内に試料などの液体を導入できるプラズマトーチである。液体導入プラズマトーチは、試料の分析用のほかに、液体混合物などの液体をプラズマ中に導入して、金属などの物質の表面改質やプラズマプロセッシングなどに使用できる。液体導入プラズマトーチは、例えば図１〜図２に示すように、プラズマ発生室２内を有するプラズマトーチ本体１と、液体をプラズマ発生室２に導入する噴霧装置３を備えている。液体導入プラズマトーチは、液体を直接プラズマ４中に噴霧することができる。この構成により、液体をプラズマ発生室２内に１００％の効率で導入することができる。そのため、極めて少ない液体でも、高い分析能力を得ることができる。また、液体導入プラズマトーチを小型化でき、取り扱いが容易になる。また、液体の噴霧位置３の噴霧口３６の位置を調整することにより、測定条件を容易に調整することができる。また、従来のようにスプレーチャンバや脱触媒システムを必要とすることがなく、また、以前に使用した液体が付着することによって生じるメモリ効果を低減できる。

＜２＞プラズマトーチ本体
プラズマトーチ本体１は、プラズマ４を発生するプラズマ発生室２と、プラズマ発生室２にヘリウムやアルゴンなどのプラズマガスを導入するガス通路形成部材１２を備えている。プラズマ発生室２でプラズマ４を発生する手段は、外部から高周波もしくはマイクロ波を印加するなど種々の方法が知られており、図示していない。プラズマ発生室２は、例えば図１に示すように、筒体１１とガス通路形成部材１２で囲まれた空間であり、プラズマガスなどのガスが排出される開口部２１を有している。ガス通路形成部材１２の端面は、プラズマ発生室２の開口部２１に対向しており、プラズマ発生室奥の端壁の面を形成している。プラズマガスは、プラズマガス注入口１５から注入され、筒体１１とガス通路形成部材１２との間のプラズマガス通路１４を通過してプラズマ発生室２に移送される。

筒体１１は、例えば円筒とし、円筒の一端を開口部２１とし、円筒の他端から内部にガス通路形成部材１２を配置する。円筒の軸方向の長さは、分析の内容により適宜決められるが、例えば２５ｍｍ〜２００ｍｍの小型から３９０ｍｍ程度まで利用し、円筒の内径（直径）は、例えば５ｍｍ〜３０ｍｍの小型から３００ｍｍ程度まで利用する。プラズマ発生室２の軸方向の長さは、例えば１０ｍｍ〜１８０ｍｍの小型から３７０ｍｍ程度まで利用する。このプラズマ発生室２の軸方向の長さは、開口部２１からプラズマ発生室奥の端壁の面までの距離である。プラズマトーチ本体の長さ（円筒の軸方向の長さ＋噴霧装置の円筒からの突出部の長さ）は、例えば３５ｍｍ〜２１０ｍｍの小型から４００ｍｍ程度まで利用する。ガス通路形成部材の軸方向の長さは、例えば１５ｍｍ〜１００ｍｍとする。ガス通路形成部材の外径（直径）は、プラズマ発生室側端部で大きく、反対側端部で小さいものでも、又は、全体に同一径でもよい。同一径の場合、その外径（直径）は、例えば筒体１１の内径（直径）より０．５ｍｍ〜１０ｍｍ小さいものを使用する。

＜３＞噴霧装置
噴霧装置３は、液体をプラズマ発生室２に噴霧する装置である。噴霧装置３は、例えば図１〜図２に示すように、管状の噴霧装置本体３１と、噴霧装置本体３１の先端部にプラズマ発生室に液体を送り出す噴霧口３６を備えている。噴霧装置本体３１は、液体を注入する液体注入口３３とプラズマ室２に液体を移送する液体通路管３２、及び、噴霧ガスを注入する噴霧ガス注入口３５とプラズマ発生室２に移送する噴霧ガス通路管３４を備えている。噴霧装置本体３１は、噴霧ガス通路管３４の外管と、外管内に配置された液体通路管３２の内管よりなる。

噴霧装置３は、プラズマトーチ本体１のガス通路形成部材１２により保持される。噴霧装置３は、ガス通路形成部材１２の貫通孔内に移動可能に保持される。噴霧装置３とガス通路形成部材１２間を機密にするために、噴霧装置本体３１の周囲にＯリング３７を配置する。噴霧装置の噴霧口３６は、プラズマ発生室２の内部に押し出されたり、逆に、ガス通路形成部材１２の貫通孔内に入り込むように移動することができる。噴霧装置３は、小型化ができ、噴霧装置本体３１の軸方向の長さは、例えば、２０ｍｍ〜１５０ｍｍとし、外径（直径）は、例えば、３ｍｍ〜１５ｍｍの小型から２９９ｍｍ程度まで利用する。この噴霧装置本体３１の軸方向の長さは、噴霧口３６から噴霧ガス注入口３５までの距離である。このように噴霧装置３を小型化でき、取り扱いが容易になるとともに、噴霧装置３の表面に付着する液体の量を最小限に抑えることができる。

＜１＞実施例
本発明の液体導入プラズマトーチを用いて、ナトリウム由来のスペクトル（５８９ｎｍ）の発光強度及び発光強度安定性の影響を調査した。本発明は、噴霧口３６の位置を調整できることになり、噴霧ガスの流量と液体導入量の調整の他にパラメータが増え、よりバリエーションに富んだ最適な分析条件を探し出せることが可能になった。従来、分析最適条件は、噴霧ガスの流量と、液体導入量にのみ依存していたため、分析目的及び資料の状態に合わせた細かい最適条件の調整が難しかった。実験に使用した、液体導入プラズマトーチのプラズマトーチ本体の長さは６５ｍｍ（トーチ全体では８５ｍｍ）であり、プラズマ発生室の長さは５５ｍｍであり、内径（直径）は１６ｍｍであり、ガス通路形成部材の長さは２０ｍｍであり、噴霧装置本体の長さは４０ｍｍ（噴霧装置全体では６５ｍｍ）であり、外径（直径）は７ｍｍである。

＜２＞データ測定
表１のような測定条件により測定した。試料としてナトリウム５００μｇ／ｌ硝酸溶液を導入し、噴霧口３６の位置、噴霧ガスの流量、プラズマガスをそれぞれ変更し、プラズマから放出されるナトリウム由来のスペクトル（５８９ｎｍ）の発光強度及び発光強度の安定性に与える影響を調査した。なお、発光強度の安定性は、発光強度を３０ミリ秒の積分時間を持つロックインアンプで増幅し、２ミリ秒の積分時間を持つ測定を１０，０００回、計２０秒間測定し、それらのデータの標準偏差（ＳＤ）をもって安定性とした。従来の液体導入法との比較のために、スプレーチャンバ及び同軸型ネブライザを用いて、発光強度と発光強度の安定性を測定した。

噴霧ガスの流量を０．３（ｌ／ｍｉｎ）、０．５（ｌ／ｍｉｎ）、０．７（ｌ／ｍｉｎ）と変化させた時の、ナトリウム由来のスペクトルの発光強度の安定性と発光強度の測定データを、各々図３、図４、図５に示す。図３〜図５の（Ａ）は発光強度の安定性のグラフを示し、図３〜図５の（Ｂ）は発光強度のグラフを示している。また、図３〜図５の（Ａ）は、横軸が噴霧口の位置を示し、縦軸が発光強度の安定性（標準偏差σの単位：ＲＳＤ）を示している。図３〜図５の（Ｂ）は、横軸が噴霧口の位置を示し、縦軸が発光強度を示している。図３〜図５において、液体噴霧量が０．０３（ｌ／ｍｉｎ）のグラフ（黒丸）と０．０６（ｌ／ｍｉｎ）のグラフ（白丸）を示している。横軸の噴霧口３６の位置は、図２の目盛り（ｍｍ）の値を示している。負の値は、噴霧口３６がプラズマ発生室２内にあり、端壁面１３からの距離を示しており、正の値は、噴霧口３６が端壁面１３の孔内に入り込み、端壁面１３からの距離を示している。

図３（Ａ）（噴霧ガスの流量：０．３（ｌ／ｍｉｎ））において、液体噴霧量が０．０３（ｌ／ｍｉｎ）のグラフ（黒丸）の場合、発光強度の安定性は、噴霧口の位置にあまり影響を受けないが、液体噴霧量が０．０６（ｌ／ｍｉｎ）のグラフ（白丸）の場合、噴霧口の位置がプラズマ発生室内の端壁面から２ｍｍの範囲で発光強度の安定性が高いことを示している。図３（Ｂ）において、発光強度は、液体噴霧量が０．０３（ｌ／ｍｉｎ）のグラフ（黒丸）の場合、発光強度は、小さいが、液体噴霧量が０．０６（ｌ／ｍｉｎ）のグラフ（白丸）の場合、噴霧口の位置がプラズマ発生室内の端壁面から２ｍｍの個所で発光強度が大きいことを示している。

図４（Ａ）（噴霧ガスの流量：０．５（ｌ／ｍｉｎ））において、液体噴霧量が０．０３（ｌ／ｍｉｎ）のグラフ（黒丸）の場合、図３（Ａ）とあまり違いがないが、液体噴霧量が０．０６（ｌ／ｍｉｎ）のグラフ（白丸）の場合、図３（Ａ）に比して弱くなり、噴霧口の位置の影響が少ないことを示している。図４（Ｂ）において、発光強度は、液体噴霧量が０．０３（ｌ／ｍｉｎ）でも０．０６（ｌ／ｍｉｎ）でも、図（Ｂ）のグラフとあまり違いが見られない。

図５（Ａ）（噴霧ガスの流量：０．７（ｌ／ｍｉｎ））において、発光強度の安定性は、図３と図４のグラフとかなり違いがあり、噴霧口がプラズマ発生室にいある方が、安定性が高いことを示している。図５（Ｂ）において、発光強度は、液体噴霧量が０．０３（ｌ／ｍｉｎ）と０．０６（ｌ／ｍｉｎ）において、グラフの変化が類似し、液体噴霧量が多いほど、発光強度が大きいことを示している。

＜３＞結果と結論
噴霧口の位置は、噴霧ガスの流量と液体導入量と共に、発光強度とその安定性に極めて大きい影響を与えることが明らかになった。そこで、噴霧口の位置を調整することにより、最適な測定データを得ることができる。

液体導入プラズマトーチの説明図 液体導入プラズマトーチの一部拡大図 噴霧ガス流量０．３(l/min)の発光強度の安定性（Ａ）と発光強度（Ｂ）のグラフ 噴霧ガス流量０．５(l/min)の発光強度の安定性（Ａ）と発光強度（Ｂ）のグラフ 噴霧ガス流量０．７(l/min)の発光強度の安定性（Ａ）と発光強度（Ｂ）のグラフ

符号の説明

１・・・プラズマトーチ本体
１１・・筒体
１２・・ガス通路形成部材
１３・・端壁面
１４・・プラズマガス通路
１５・・プラズマガス注入口
２・・・プラズマ発生室
２１・・開口部
３・・・噴霧装置
３１・・噴霧装置本体
３２・・液体通路管
３３・・液体注入口
３４・・噴霧ガス通路管
３５・・噴霧ガス注入口
３６・・噴霧口
４・・・プラズマ
４１・・噴霧された液体

Claims (5)

1. プラズマを生じさせる液体導入プラズマトーチにおいて、
   プラズマ発生室を形成するプラズマトーチ本体と、
   噴霧口からプラズマ発生室内に液体を噴霧する噴霧装置とを備え、
   噴霧口の位置を調整可能とすることを特徴とする、液体導入プラズマトーチ。
   
2. 請求項１に記載の液体導入プラズマトーチにおいて、
   プラズマ発生室の開口部に対向する端壁に孔を有し、
   噴霧装置を端壁の孔内で位置調整可能とすることを特徴とする、液体導入プラズマトーチ。
   
3. 請求項１に記載の液体導入プラズマトーチにおいて、
   噴霧装置は、管状の噴霧装置本体を備え、噴霧装置本体内に液体が通過する液体通路と、噴霧ガスが通過する噴霧ガス通路とを有し、
   噴霧装置本体は、プラズマトーチ本体に対して摺動可能であることを特徴とする、液体導入プラズマトーチ。
   
4. プラズマを生じさせる液体導入プラズマトーチにおいて、
   プラズマ発生室を形成するプラズマトーチ本体と、
   噴霧口からプラズマ発生室内に液体を噴霧する小型の噴霧装置と、
   噴霧装置を形成する管状の噴霧装置本体とを備え、
   プラズマトーチ本体は、３５ｍｍ〜２１０ｍｍの軸方向の長さとし、
   プラズマ発生室は、１０ｍｍ〜１８０ｍｍの軸方向の長さとし、
   噴霧装置本体は、２０ｍｍ〜１５０ｍｍの軸方向の長さとすることを特徴とする、液体導入プラズマトーチ。
   
5. プラズマを生じさせる液体導入プラズマトーチにおいて、
   プラズマ発生室を形成するプラズマトーチ本体と、
   噴霧口からプラズマ発生室内に液体を噴霧する噴霧装置と、
   噴霧装置を形成する管状の噴霧装置本体とを備え、
   噴霧装置本体は、プラズマトーチ本体の長さとプラズマ発生室の奥行きの深さの範囲に入る程度の長さとすることを特徴とする、液体導入プラズマトーチ。

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