JP2005201772A

JP2005201772A - 固体試料の直接気化分析方法およびその装置

Info

Publication number: JP2005201772A
Application number: JP2004008473A
Authority: JP
Inventors: Tomoharu Ishida; 智治石田; Tetsushi Jodai; 哲史城代
Original assignee: JFE Steel Corp; JFE Engineering Corp
Current assignee: JFE Steel Corp; JFE Engineering Corp
Priority date: 2004-01-15
Filing date: 2004-01-15
Publication date: 2005-07-28

Abstract

【課題】固体試料中の微量成分を迅速かつ高精度に分析する分析方法および装置を提供する。
【解決手段】レーザ光の照射により生成した微粒子を不活性ガスにより搬送して分析を行う直接気化分析方法において、不活性ガスにより搬送される微粒子の量を求め、分析装置により計測された分析値を前記微粒子の量を用いて補償する固体試料の直接気化分析方法。分析装置に微粒子を搬送する際、微粒子の通過する流路に光を投射し、光の減衰量を計測して微粒子の量を求めることもできる。
レーザ発振器と、光学系と、固体試料を収容するチャンバーと、不活性ガスを吹込むと共にレーザ光の照射により固体試料から生成した微粒子を搬送する搬送ガス配管系と、搬送中の微粒子の量を計測する微粒子量計測手段と、分析装置と、前記微粒子量を用いて分析値を補償する補償演算処理機と、を備えている固体試料の直接気化分析装置。
【選択図】図１

Description

この発明は、固体試料中の微量成分を迅速かつ高精度に分析する直接気化分析方法およびその装置に関する。

固体試料をレーザのエネルギで気化して生成した微粒子を不活性ガスで搬送し、分析装置に導入して分析するレーザ気化分析法は、固体試料の直接分析法として広く用いられている。特に近年は、選択蒸発の影響が少ないとされる短波長レーザを利用し、土壌中の微量成分を気化させて分析装置に導入することにより有害成分を検出すること、或いは微量に存在する元素の同位体比から年代を推定することへの利用が盛んに行われている。

また、特許文献１（特開2003-98085号公報）には、土壌中に含まれている鉛やカドミウムやクロム等のような重金属系有害物質を分析する分析方法（レーザ誘起発光分析法）およびその装置が提案されている。この技術は、土壌試料にレーザ光を照射し、照射に伴う当該試料からの発光強度を測定して、試料中の重金属系有害物質の量を求める土壌中の重金属系有害物質分析方法において、前記試料の少なくともレーザ光の照射表面を乾燥させるようにしたことを特徴としている。

特開2003-98085号公報

レーザ気化分析法においては、対象試料の組成やレーザ光の照射条件（焦点距離に対する試料位置の変動）等の理由により、微粒子の生成量の変動が不可避である。これは、定量分析や濃度分布の解明を行う上で好ましくなく、分析対象元素の検出強度の測定のみでは、微粒子全体の生成量の変動により正確な濃度を算出することができない。この点について、鉄鋼の分析など主成分が概ね均一な固体試料では、マトリクス元素である鉄量との比を採る内標準法により、微粒子生成量の変動の影響は補償される。

しかしながら、同じく固体試料の直接分析であっても、成分が不均一な試料ではこの方法が適用できない。特に、土壌などの固体試料では主成分の種類が多岐に渡る上、それらの存在比率が個々の粒子内においてさえも極めて多様であることから、上記の内標準法では適切な補償がなされないという問題がある。

特許文献１記載の技術についても、土壌の含水率による分析結果への影響は回避できても、上記のような分析値の変動は避けられないと考えられる。また、特許文献１には、試料自体の不均一や試料照射条件、その他上記問題点に関する事項は記載されていない。

本発明は、これらの問題点を解決し、固体試料中の微量成分を迅速かつ高精度に分析する分析方法およびその装置を提供することを目的とする。

前述の課題は次の発明により解決される。その発明は、
レーザ光の照射により固体試料の表面から微粒子を生成させ、生成した微粒子を不活性ガスにより分析装置に搬送して分析を行う固体試料の直接気化分析方法において、不活性ガスにより搬送される微粒子の量を求め、分析装置により計測された分析値を前記微粒子の量を用いて補償することを特徴とする固体試料の直接気化分析方法である。

この発明において更に、分析装置に微粒子を搬送する際、微粒子の通過する流路に光を投射し、光の減衰量を計測して微粒子の量を求めることを特徴とする固体試料の直接気化分析方法とすることもできる。

これらの発明は、レーザの各パルス毎、或いは単位時間あたりに発生した微粒子の全体量を、分析装置とは別の手段により測定することにより、生成量の変動の影響を補償することを特徴としている。このように、微粒子全体の生成量を測定することにより、対象とする元素について計測された分析値の全体に対する比率を求めることにより、正確な濃度を算出することができる。

上記発明の分析方法を実現することが可能な装置の発明は、レーザ発振器と、レーザ光を固体試料に投射する光学系と、固体試料を収容するチャンバーと、チャンバー内に不活性ガスを吹込むと共にレーザ光の照射により固体試料から生成した微粒子を搬送する搬送ガス配管系と、搬送中の微粒子の量を計測する微粒子量計測手段と、搬送された微粒子を分析する分析装置と、前記微粒子量を用いて分析値を補償する補償演算処理機と、を備えていることを特徴とする固体試料の直接気化分析装置である。

この発明において更に、微粒子量計測手段は、搬送ガス配管系の途中に設けられたセルと、このセル内を光が透過する位置に設置された光投射器及び光計測器と、微粒子による光の散乱から微粒子の量を求める微粒子量演算処理機とを有していることを特徴とする固体試料の直接気化分析装置とすることもできる。

本発明は、レーザ照射により固体試料から発生した微粒子を分析装置に搬送する際、その全体量を計測して求めている。その結果、土壌粒子のような主成分が多種多様である固体試料においても、定量分析や濃度分布の解明を行う上で必要とされる生成微粒子の全体量を得ることが可能であり、分析値に及ぼす微粒子生成量の変動の影響を補償することができる。

この発明による分析方法およびその装置の実施の形態について、図を用いて説明する。図１は、分析装置の概略構成図である。

図１に示すように、レーザ発振器1はレーザ光を連続的に発振し、レーザ発振器1からのレーザ光は反射ミラー2により方向を変えられ、集光レンズ3を通過した後、チャンバー4内の試料ステージ5上に設置された土壌等の固体試料6の表面に焦点を結ぶ。

チャンバー4内には、不活性ガス吹込み口7と微粒子搬出口8が設けられている。不活性ガス吹込み口7からは、アルゴンガスやヘリウムガスがチャンバー4内に吹き込まれ、レーザ光の照射により固体試料6の表面から生成した微粒子は、この不活性ガスにより搬送され、不活性ガスと共に微粒子搬出口8から搬出される。搬出された固体試料6の微粒子は、導管9により分析装置14に搬送される。この例では、分析装置14として、ＩＣＰ（高周波誘導結合プラズマ）質量分析器を設置している。

この発明は、微粒子の生成量を測定する手段を有することが大きな特徴である。この例では、導管9の一部にセル10を設け、セル10内を光が透過する位置に光投射器11及び光計測器12が設置されている。セル10の材料は特に問わないが、光が透過する窓の部分は石英やガラスを用いることが望ましい。その他、セル10を介してチャンバー4と分析装置14を接続する導管9については、フレキシビリティーの観点からタイゴン製やテフロン（登録商標）製のチューブを用いることができる。

光投射器11から投射された光は、セル10内を通過する活性ガスにより搬送される微粒子により散乱され、光計測器12にて計測される受光強度は低下する。この散乱による光の損失は、セル10内を通過する微粒子の量と相関があるので、光計測器12の受光強度は、演算処理機13により微粒子の量に換算される。

このようにして求められた微粒子の量を用いれば、分析装置14にて測定された分析値の変動を補償することができる。また、分析装置14にて検出された値（絶対検出量）から、その元素の濃度や試料内の分布などの相対値（全体量に対する相対量）を算出することができる。本発明では、分析装置14に搬送される微粒子の量をモニタすることにより、土壌等の成分が不均一な試料においても、生成微粒子量の変動を補償した正確な相対量を得ることが可能となる。

上記の目的から鑑みると本発明の好ましい形態は次のようになる。まず、セル10を設置する位置としては、導管9等の搬送系におけるロスを考慮すると、可能な限り分析装置14の近くに設置することが望ましい。また、微粒子の生成量が少ない場合や搬送ガスの流速が速い場合は、搬送ガスに対する微粒子量が少なく（希薄に）なるので検出感度が低下する。その場合は、セル10の長さを長くすることでこれを補うことができる。

光学系については、光投射器11から光計測器12に至る光のビーム（経路）はセル10の全段面を覆っていることが望ましい。一方、セル10外を通過した光は微粒子の散乱とは無関係であり、バックグラウンドとなるため、S/B（シグナル／バックグラウンド）比を低下させる。従って、光計測器12の受光部は可能な限りセル10外の光を遮蔽する構造とすることが好ましい。また、光計測器12の受光部に比べセル10の断面積が大きい場合は、レンズ等で集光させることにより、セル10内の広い断面を通過した光を利用することができる。

セル10の前後での光の授受の観点からは、光投射器11としては、ビームの整形が容易なレーザを用いることが好ましい。出力としては、光計測器12の受光部に一般的なホトマルやフォトディテクタ等を用いる場合は、光強度で数10μW〜数mWの出力を持つレーザであれば、市販の安価なレーザで十分である。レーザの波長としては、短波長の方が、散乱による光の減衰が大きく検出感度が高くなるので、最近では安価に入手可能な青色半導体レーザ等を用いれば更に好ましい。

本発明により組成が不均一な固体試料の直接気化分析が可能となり、試料の調整や前処理を必要としない直接気化分析技術の適用範囲が大幅に拡大される。その結果、様々な分野で行なわれている固体試料の分析時間が大幅に短縮されるなど、多くの工業上有用な効果がもたらされる。

直接気化分析装置の実施例の概要を示す概略図。

符号の説明

1 レーザ発振器
2 反射ミラー
3 集光レンズ
4 チャンバー
5 試料ステージ
6 固体試料
7 不活性ガス吹込み口
8 微粒子搬出口
9 導管
10 セル
11 光投射器
12 光計測器
13 演算処理機
14 分析装置

Claims

レーザ光の照射により固体試料の表面から微粒子を生成させ、生成した微粒子を不活性ガスにより分析装置に搬送して分析を行う固体試料の直接気化分析方法において、不活性ガスにより搬送される微粒子の量を求め、分析装置により計測された分析値を前記微粒子の量を用いて補償することを特徴とする固体試料の直接気化分析方法。
分析装置に微粒子を搬送する際、微粒子の通過する流路に光を投射し、光の減衰量を計測して微粒子の量を求めることを特徴とする請求項１記載の固体試料の直接気化分析方法。
固体試料が土壌から採取した試料であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の固体試料の直接気化分析方法。
レーザ発振器と、レーザ光を固体試料に投射する光学系と、固体試料を収容するチャンバーと、チャンバー内に不活性ガスを吹込むと共にレーザ光の照射により固体試料から生成した微粒子を搬送する搬送ガス配管系と、搬送中の微粒子の量を計測する微粒子量計測手段と、搬送された微粒子を分析する分析装置と、前記微粒子量を用いて分析値を補償する補償演算処理機と、を備えていることを特徴とする固体試料の直接気化分析装置。
微粒子量計測手段は、搬送ガス配管系の途中に設けられたセルと、このセル内を光が透過する位置に設置された光投射器及び光計測器と、微粒子による光の散乱から微粒子の量を求める微粒子量演算処理機とを有していることを特徴とする請求項４記載の固体試料の直接気化分析装置。