JP2009288068A - Analyzing method and analyzer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、試料にレーザ光を照射し、試料に含まれる元素を検出し定量する分析方法およびその装置に関する。 The present invention relates to an analysis method and an apparatus for irradiating a sample with laser light to detect and quantify elements contained in the sample.
一般に、試料に含まれる各種の元素を検出し定量する分析技術は、多くの分野で適用されている。例えば、電子機器のガラス表面に付着した物質や内部に混入した物質の元素を検出して定量化することは、機器の信頼性向上や性能向上のために重要になっている。また、食品の品質管理や廃棄物に含まれる元素を検出し定量することは、食品安全性や環境汚染防止のうえで大切である。 In general, analytical techniques for detecting and quantifying various elements contained in a sample are applied in many fields. For example, it is important to improve the reliability and performance of equipment by detecting and quantifying elements of substances attached to the glass surface of electronic equipment and substances mixed inside. In addition, quality control of food and detection and quantification of elements contained in waste are important for food safety and environmental pollution prevention.
この分析技術としては、蛍光X線分析や誘導結合プラズマ発光分析などがあるが、レーザ光を用いた新しい分析技術としてレーザ光ブレイクダウン(Laser Induced Breakdown:LIB)分光分析がある(例えば、特許文献1、2参照。)。 Examples of this analysis technique include fluorescent X-ray analysis and inductively coupled plasma emission analysis. As a new analysis technique using laser light, there is laser light breakdown (LIB) spectroscopic analysis (for example, patent literature). 1 and 2).
このレーザ光ブレイクダウン分光分析は、パルスレーザ光を試料に集光照射して生じるプラズマからの蛍光をスペクトル分光分析するもので、簡便で多種の元素分析に適用できるという特長がある。
従来のレーザ光ブレイクダウン分光分析においては、元素から発せられる蛍光を検出しているが、パルスレーザ光を透過するガラスや樹脂、あるいはパルスレーザ光を反射する鏡や金属では、レーザ光ブレイクダウンの発生に大きな変動が生じ、これにより生成される蛍光強度のばらつきが大きく、測定精度およびその再現性に問題がある。 In conventional laser light breakdown spectroscopy, fluorescence emitted from elements is detected. However, in glass or resin that transmits pulsed laser light, or in mirrors or metals that reflect pulsed laser light, laser light breakdown occurs. A large fluctuation occurs in the generation, and the variation of the generated fluorescence intensity is large, which causes a problem in measurement accuracy and reproducibility.
本発明は、このような点に鑑みなされたもので、レーザ光を透過するガラスや樹脂、あるいはレーザ光を反射する鏡や金属などの試料をレーザ光ブレイクダウン分光分析によって再現性よく安定して元素分析でき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。 The present invention has been made in view of the above points, and a sample such as glass or resin that transmits laser light, or a mirror or metal that reflects laser light can be stably reproduced with laser beam breakdown spectroscopy. An object of the present invention is to provide an analysis method and apparatus capable of elemental analysis.
本発明の分析方法は、試料の表面にレーザ光を吸収するレーザ光吸収層を設け、前記試料にレーザ光を集光照射し、前記試料が前記レーザ光を受けて生成するプラズマから放出される蛍光を検出し、検出された蛍光から前記試料の元素分析をするものである。 In the analysis method of the present invention, a laser light absorption layer that absorbs laser light is provided on the surface of a sample, the sample is focused and irradiated with laser light, and the sample is emitted from plasma generated by receiving the laser light. Fluorescence is detected, and elemental analysis of the sample is performed from the detected fluorescence.
また、本発明の分析装置は、表面にレーザ光を吸収するレーザ光吸収層を設けた試料と、レーザ光を発生するレーザ発振器と、前記レーザ光を前記試料に集光照射する光学系と、前記試料が前記レーザ光を受けて生成するプラズマから放出される蛍光を検出し、検出された蛍光から前記試料の元素分析をする分析手段とを具備しているものである。 Further, the analyzer of the present invention includes a sample provided with a laser light absorption layer for absorbing laser light on the surface, a laser oscillator for generating laser light, an optical system for condensing and irradiating the laser light on the sample, Analyzing means for detecting the fluorescence emitted from the plasma generated by the sample upon receiving the laser beam and performing elemental analysis of the sample from the detected fluorescence.
本発明によれば、レーザ光を透過するガラスや樹脂、あるいはレーザ光を反射する鏡や金属などの試料をレーザ光ブレイクダウン分光分析によって再現性よく安定して元素分析できる。 According to the present invention, it is possible to perform elemental analysis stably with high reproducibility by laser beam breakdown spectroscopy analysis on a sample such as glass or resin that transmits laser light, or a mirror or metal that reflects laser light.
以下、本発明の一実施の形態を、図面を参照して説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1に示すように、分析装置(元素分析装置)11は、元素分析する試料12に対しレーザ光ブレイクダウン用のレーザ光としてのパルスレーザ光Lを照射し、この試料12がプラズマ化して発生する蛍光Fを集光し、この蛍光Fの波長および強度から試料12に含有する元素およびその含有量を定量する。
As shown in FIG. 1, an analysis device (element analysis device) 11 irradiates a
分析装置11は、主要な構成として、試料12を配置する移動機構14、パルスレーザ光Lを発生するレーザ発振器15、このパルスレーザ光Lを試料12に集光照射するとともに試料12がパルスレーザ光Lを受けて生成するプラズマPから放出される蛍光Fを取り出す光学系16、この取り出される蛍光Fを検出し、検出された蛍光Fから試料12の元素分析をする分析手段17を備えている。
The analysis apparatus 11 includes, as main components, a moving mechanism 14 for arranging the
移動機構14は、試料12を上面に保持してレーザ光照射位置を移動させるステージ19を備えている。このステージ19は、例えばXYステージや回転ステージが用いられ、ステージコントローラ20によって制御される。
The moving mechanism 14 includes a
レーザ発振器15は、例えばYAG(Yttrium Aluminium Garnet)レーザ光を発振するYAGレーザ発振器が用いられている。このレーザ発振器15にはレーザ電源22が接続され、タイミングコントローラ23からパルスレーザ光Lを発振するタイミングを規定するレーザ制御信号がレーザ電源22に入力されることにより、このレーザ電源22によってレーザ発振器15からパルスレーザ光Lを発振させる。
As the
また、光学系16は、筒状の光学系本体25を備え、この光学系本体25の側部に、レーザ発振器15から発振したパルスレーザ光Lを伝送してくるレーザ伝送用光ファイバ26が接続されているとともに、取り出した蛍光Fを分析手段17に伝送する蛍光伝送用光ファイバ27が接続されている。
The
光学系本体25には、光学系本体25の側部からレーザ伝送用光ファイバ26によって伝送されてくるパルスレーザ光Lを光学系本体25の先端側へ向けて反射させるとともに光学系本体25の先端側から取り込まれる可視光を透過させてパルスレーザ光Lと可視光とを分離するダイクロイックミラー28、光学系本体25の先端側へ向かうパルスレーザ光Lを透過させるとともに光学系本体25の先端側から取り込まれる蛍光Fを光学系本体25の側部の蛍光伝送用光ファイバ27へ向けて反射させてパルスレーザ光Lと蛍光Fとを分離するダイクロイックミラー29、光学系本体25の先端に配置されてパルスレーザ光Lを試料12に集光照射させるとともに蛍光Fを取り込むレーザ集光レンズ30、およびダイクロイックミラー29で反射する蛍光Fを集光して蛍光伝送用光ファイバ27に導入する蛍光集光レンズ31が設置されている。
The
光学系本体25の基端には、ダイクロイックミラー28を通過した可視光が入射し、試料12の表面の状態やレーザ光ブレイクダウンの発生状況を撮影するカメラ32が配設されている。
Visible light that has passed through the
また、分析手段17は、蛍光伝送用光ファイバ27で伝送される蛍光Fを分光する分光器34、この分光器34で分光された蛍光Fを電気信号に変換する蛍光検出器35、およびこの蛍光検出器35で電気信号に変換された蛍光Fの波長および強度を収録するとともにこの蛍光Fの波長および強度から元素分析して試料12に含有する元素およびその含有量を定量するデータ収録計算機36を備えている。
The analyzing means 17 includes a
蛍光検出器35およびデータ収録計算機36は、タイミングコントローラ23から上述したレーザ制御信号の出力のタイミングに一定の遅れをもったタイミングで蛍光検出のタイミングを規定する検出制御信号が入力され、所定の時間帯で生成される蛍光Fのみを測定する。
The
データ収録計算機36は、ステージコントローラ20を通じてステージ19を制御し、光学系16に対して試料12を移動させることにより、試料12のレーザ光照射位置を移動させる。そして、データ収録計算機36は、試料12のレーザ光照射位置を移動させて測定した測定結果から試料12の表面における元素の分布を求める。
The
次に、図2には試料12を示す。
Next, a
この試料12は、例えば、パルスレーザ光Lが透過するガラスや樹脂、あるいはパルスレーザ光Lが反射する鏡や金属などであり、この試料12の表面にレーザ光吸収層41が形成されている。このレーザ光吸収層41は、レーザ光吸収材料としての金メッキ材料のメッキ処理、レーザ光吸収材料としてのカーボン材料の塗装処理、およびレーザ光吸収材料としてのテープの接着処理などで形成されている。
The
そして、試料12の分析方法について説明する。
Then, a method for analyzing the
表面にレーザ光吸収層41を形成した試料12をステージ19にセットする。
The
レーザ発振器15で発振したパルスレーザ光Lを光学系本体25のレーザ集光レンズ30によって試料12の表面に集光照射する。
The pulse laser beam L oscillated by the
試料12の表面にパルスレーザ光Lを照射すると、試料12の表面に存在する元素が瞬間的に気化し、その一部がプラズマ化する。いま、パルスレーザ光Lとして例えばパルスエネルギーを数十mJ程度でパルス幅数nsのYAGレーザ光とすると、その出力はパルス的に1MWの出力となる。このようなパルスレーザ光Lを試料12の表面に集光照射すると、いわゆるブレイクダウンが発生し、試料12の表面に存在する元素が電離されてプラズマPが発生する。
When the surface of the
このプラズマPから蛍光Fが放出され、この蛍光Fを、レーザ集光レンズ30から光学系本体25内に取り込み、ダイクロイックミラー29で反射させるとともに蛍光集光レンズ31により蛍光伝送用光ファイバ27に導入し、分光器34に伝送する。
Fluorescence F is emitted from the plasma P. The fluorescence F is taken into the optical system
分光器34で蛍光Fを分光し、この分光器34で分光された蛍光Fを蛍光検出器35で電気信号に変換する。そして、データ収録計算機36により、電気信号に変換された蛍光Fの波長および強度を収録するとともに、この蛍光Fの波長および強度から元素分析して試料12に含有する元素およびその含有量を定量する。
The
なお、データ収録計算機36では、ブレイクダウン用のパルスレーザ光Lにより発生したプラズマPの発光強度ないしは特定元素の発光ライン強度により、試料12の元素の含有率を補正する。これは、パルスレーザ光Lにより試料12がプラズマPを生成する際のプラズマPの大きさや温度特性は、試料12の表面の微細な凹凸などによって影響されるためである。
In the
一般に、パルスレーザ光Lが透過するガラスや樹脂を測定する場合、図3の比較例に示すように、試料12の表面からパルスレーザ光Lを照射しても、このパルスレーザ光Lが透過するため、安定した測定を困難にしている。また、パルスレーザ光Lを反射する鏡や金属を測定する場合、図4の比較例に示すように、試料12の表面からパルスレーザ光Lを照射しても、このパルスレーザ光Lが反射するため、安定した測定を困難にしている。
In general, when measuring glass or resin through which the pulse laser beam L is transmitted, the pulse laser beam L is transmitted even when the pulse laser beam L is irradiated from the surface of the
これらの試料12を安定して測定するためには、試料12の表面での安定したパルスレーザ光Lの吸収およびプラズマの生成が有効である。
In order to stably measure these
図5には、表面にカーボンが付着しているガラス製の試料12について測定を行った測定結果を示す。ガラスの主成分であるシリコンSiの蛍光強度が測定されている箇所は、付着物であるカーボンCが存在している箇所のみであり、カーボンCが付着していない箇所はパルスレーザ光Lが透過して、主成分のシリコンSiの蛍光が得られていないため、カーボンCの濃淡によるレーザ光吸収量の多い箇所が蛍光強度が高くなっている。そのため、パルスレーザ光Lの透過した箇所とカーボンCが付着してパルスレーザ光Lを吸収した箇所の測定結果に大きな変動が生じるため、カーボンCの付着が少ないと測定が困難であった。
In FIG. 5, the measurement result which measured about the glass-made
したがって、図2に示すように、試料12の表面にレーザ光吸収層41を形成することにより、試料12の表面での安定したパルスレーザ光Lの吸収およびプラズマの生成が可能となり、試料12の元素を安定して測定でき、レーザ光ブレイクダウン分光分析によって再現性よく安定して元素分析できる。
Therefore, as shown in FIG. 2, by forming the laser light absorption layer 41 on the surface of the
このとき、パルスレーザ光Lの照射によりレーザ光吸収層41の元素が検出される場合があっても、このレーザ光吸収層41の組成元素は明確であるため、レーザ光吸収層41の元素と他の物質の元素との区別が可能である。 At this time, even if the element of the laser light absorption layer 41 may be detected by irradiation with the pulsed laser light L, the composition element of the laser light absorption layer 41 is clear. It is possible to distinguish it from elements of other substances.
また、試料12の表面の所定範囲での物質の付着を分析するような場合には、ステージ19によって試料12を移動させ、試料12の表面のレーザ光照射位置を逐次または連続的に変更しながら測定することにより、試料12の表面における元素の分布を測定できる。
In addition, when analyzing the adhesion of a substance within a predetermined range of the surface of the
なお、蛍光計測には分光器34を用いるのが一般的であるが、特定元素のみの計測でよければ、干渉フィルタを設置した光電子増倍管での計測も可能である。また、試料12中の検出すべき元素の含有率については標準試料と並行した測定により、当該波長の強度比で分析を行うことも可能である。
The
また、レーザ発振器15については、YAGレーザ光に限らず、レーザ光ブレイクダウンが可能なパルスレーザ光Lあればエキシマレーザ光などのレーザ光も適用可能である。
The
11 分析装置
12 試料
15 レーザ発振器
16 光学系
17 分析手段
41 レーザ光吸収層
F 蛍光
L レーザ光としてのパルスレーザ光
P プラズマ
11 Analyzer
12 samples
15 Laser oscillator
16 optics
17 Analytical tools
41 Laser light absorption layer F Fluorescence L Pulse laser light as laser light P Plasma
Claims (4)
前記試料にレーザ光を集光照射し、
前記試料が前記レーザ光を受けて生成するプラズマから放出される蛍光を検出し、検出された蛍光から前記試料の元素分析をする
ことを特徴とする分析方法。 A laser light absorption layer that absorbs laser light is provided on the surface of the sample,
The sample is focused and irradiated with laser light,
An analysis method comprising: detecting fluorescence emitted from plasma generated by the sample upon receiving the laser beam; and performing elemental analysis of the sample from the detected fluorescence.
ことを特徴とする請求項1記載の分析方法。 The analysis method according to claim 1, wherein the laser light absorption layer is provided on the surface of the sample by any one of a plating process, a coating process, and an adhesion process of the laser light absorbing material.
レーザ光を発生するレーザ発振器と、
前記レーザ光を前記試料に集光照射する光学系と、
前記試料が前記レーザ光を受けて生成するプラズマから放出される蛍光を検出し、検出された蛍光から前記試料の元素分析をする分析手段と
を具備していることを特徴とする分析装置。 A sample provided with a laser light absorption layer for absorbing laser light on the surface;
A laser oscillator for generating laser light;
An optical system for condensing and irradiating the sample with the laser beam;
An analysis apparatus comprising: an analysis unit that detects fluorescence emitted from plasma generated by the sample receiving the laser beam, and performs elemental analysis of the sample from the detected fluorescence.
ことを特徴とする請求項3記載の分析装置。 4. The analyzer according to claim 3, wherein the laser light absorbing layer is provided on the surface of the sample by any one of a plating process, a coating process, and an adhesion process of the laser light absorbing material.
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