JP2010197207A

JP2010197207A - 発光分光分析方法及び発光分光分析装置

Info

Publication number: JP2010197207A
Application number: JP2009042220A
Authority: JP
Inventors: Osamu Taniguchi; 理谷口
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2009-02-25
Filing date: 2009-02-25
Publication date: 2010-09-09

Abstract

【課題】有機溶媒中に元素を含有する試料において、元素を高感度で分析することができる発光分光分析方法を提供する。
【解決手段】発光分光分析用プラズマトーチ１０を用いてプラズマ炎２２を形成して、試料３１をプラズマ炎２２に導入することにより、元素を分析する発光分光分析方法であって、試料ガス管１１の内周面で囲まれた空間には、霧滴化された試料３１をキャリアガスとともに流通させ、試料ガス管１１の外周面と補助ガス管１４の内周面との間には、酸素を含有するガスを流通させ、補助ガス管１４の外周面とプラズマ用ガス管１２の内周面との間には、プラズマ用ガスを流通させ、プラズマ用ガス管１２の外周面とクーラントガス管１３の内周面との間には、冷却用ガスを流通させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光分光分析用プラズマトーチを用いてプラズマ炎を形成して、有機溶媒と元素とを含有する試料をプラズマ炎に導入することにより、元素を分析する発光分光分析方法及び発光分光分析装置に関する。

ＩＣＰ発光分光分析装置では、試料をプラズマ炎に導入して励起発光させ、その発光光を回折格子（分光器）で波長分散させて光検出器で検出することにより、発光スペクトルを取得する。そして、発光スペクトルに現れているスペクトル線（輝線スペクトル）の波長の種類から試料中に含有されている元素の定性分析（同定）を行い、さらにその輝線スペクトルの強度からその元素の定量分析を行っている（例えば、特許文献１参照）。
このようなＩＣＰ発光分光分析装置では、プラズマ炎を形成するために、発光分光分析用プラズマトーチが用いられている。

図３は、従来のＩＣＰ発光分光分析装置の一例を示す概略構成図である。なお、発光分光分析用プラズマトーチの構成は断面図で示す。
ＩＣＰ発光分光分析装置１００は、プラズマ炎２２を形成するための発光分光分析用プラズマトーチ１８と、ネプライザ３２とスプレーチェンバ３３とキャリアガス供給部３４とを有する試料ガス供給部３０と、プラズマ用ガス供給部４１と、冷却用ガス供給部４２と、発光光を検出する測光部４３と、ＩＣＰ発光分光分析装置１００全体を制御する制御部１５０とを備える。

発光分光分析用プラズマトーチ１８は、円筒形状の試料ガス管１１と、試料ガス管１１の外周面を空間を空けて覆う円筒形状のプラズマ用ガス管１２と、プラズマ用ガス管１２の外周面を空間を空けて覆う円筒形状のクーラントガス管１３と、クーラントガス管１３の外周面の先端部分に２〜３ターン巻き付けられた高周波誘導コイル２１とを備える。なお、試料ガス管１１の中心軸とプラズマ用ガス管１２の中心軸とクーラントガス管１３の中心軸とは、同一となり、かつ、上下方向となっている。

プラズマ用ガス供給部４１は、試料ガス管１１の外周面とプラズマ用ガス管１２の内周面との間に、アルゴンガス（プラズマ用ガス）を比較的低速で上方向に流通させる。これにより、試料ガス管１１の外周面とプラズマ用ガス管１２の内周面との間に形成された流路の上端部からアルゴンガスが噴出され、噴出されたアルゴンガスが高周波誘導コイル２１が形成する高周波電磁界により加速された電子によって電離されることで、アルゴン陽イオンと電子とを生成する。生じた電子が更にアルゴンに衝突し、電離を増殖させ安定なプラズマ炎２２が上端部に形成される。
冷却用ガス供給部４２は、プラズマ用ガス管１２の外周面とクーラントガス管１３の内周面との間に、アルゴンガス（冷却用ガス）を比較的高速で上方向に流通させる。これにより、プラズマ用ガス管１２の外周面とクーラントガス管１３の内周面との間に形成された流路の上端部よりクーラントガスが噴出され、噴出されたクーラントガスが上端部に形成されているプラズマ炎２２の外側を上方向に流れる。

ネプライザ３２は、試料３１を分析しないときには、アルゴンガス（キャリアガス）のみをスプレーチェンバ３３内に吹き込む。これにより、試料ガス管１１の内周面で囲まれた空間には、アルゴンガスが上方向に流通する。そして、試料ガス管１１の上端部からアルゴンガスが上方向に吹き抜けることにより、上方から視ると中心部に低温のトンネル空洞部が形成されたプラズマ炎２２が形成される。
一方、試料３１を分析するときには、ネプライザ３２は、試料３１を霧吹きの原理によって吸い上げて霧滴化することにより、霧滴化された試料３１をアルゴンガスとともにスプレーチェンバ３３内に吹き込む。これにより、試料ガス管１１の内周面で囲まれた空間には、試料３１とアルゴンガスとが上方向に流通する。そして、試料３１は、アルゴンガスに乗せられて試料ガス管１１の先端部から噴出させられることにより、プラズマ炎２２のトンネル空洞部に導入される。その結果、試料３１中に含まれる化合物は、プラズマ炎２２と接することで、原子化されたりイオン化されたりして励起発光することになる。

測光部４３は、ハウジング４３ａと、発光分光分析用プラズマトーチ１８の中心軸の上方向に出射される発光光をハウジング４３ａ内部に導入する集光レンズ４３ｂと、発光光を波長分散させる回折格子４３ｃと、発光スペクトルを検出する光検出器４３ｄとを有する。
制御部１５０は、光検出器４３ｄで検出された発光スペクトルに基づいて、輝線スペクトルの波長の種類から試料３１中に含有される元素の定性分析を行い、さらにその輝線スペクトルの強度からその元素の定量分析を行う。

特開平１１−１０１７４８号公報

しかしながら、有機溶媒（例えば、キシレン（Ｃ_８Ｈ_１０）等）中に元素（例えば、Ｎａ，Ｋ，Ａｌ等）を含有する試料３１をプラズマ炎２２に導入することにより、元素を分析する際には、有機溶媒から発生する炭素（Ｃ）も、プラズマ炎２２と接することで、原子化されたりイオン化されたりして励起発光して、その結果、光検出器４３ｄで検出された発光スペクトルに炭素（Ｃ）からの発光光が含まれるので、元素を高感度で分析することができなかった。
特に、アルカリ元素（例えば、Ｎａ、Ｋ等）を分析する際には、輝線スペクトルとしてイオンの数を示すイオン線を選択することができずに、中性原子の数を示す中性原子線を選択することになる。よって、有機溶媒中にアルカリ元素を含有する試料３１をプラズマ炎２２に導入することにより、アルカリ元素を分析する際には、上述したように発光スペクトルに炭素（Ｃ）からの発光光が含まれる上に、中性原子線のみしか選択することができないので、アルカリ元素を高感度で分析することができなかった。

ここで、図４（ａ）は、キシレン（Ｃ_８Ｈ_１０）中に１ｐｐｍのＮａを含有する試料３１とキシレン（Ｃ_８Ｈ_１０）のみの試料３１とを分析したときに得られた発光スペクトルの一例を示すデータである。また、図４（ｂ）は、キシレン（Ｃ_８Ｈ_１０）中に１ｐｐｍのＫを含有する試料３１とキシレン（Ｃ_８Ｈ_１０）のみの試料３１とを分析したときに得られた発光スペクトルの一例を示すデータである。
図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、Ｎａに対応する輝線スペクトルやＫに対応する輝線スペクトルが非常に小さいものとなっている。つまり、アルカリ元素（例えば、Ｎａ、Ｋ等）を高感度で分析することができなかった。

そこで、炭素（Ｃ）が励起発光しないように、試料ガス管１１の内周面で囲まれた空間に酸素（Ｏ_２）を試料３１とアルゴンガスとともに流通させることで、炭素（Ｃ）を二酸化炭素（ＣＯ_２）や一酸化炭素（ＣＯ）に変換する反応を起こすことが、特許文献１において行われている。
しかしながら、酸素（Ｏ_２）を試料３１とアルゴンガスとともにスプレーチェンバ３３内に吹き込むと、スプレーチェンバ３３内で反応が急激に起こるので、スプレーチェンバ３３が破損してしまうことがあった。
そこで、本発明は、有機溶媒中に元素を含有する試料において、元素を高感度で分析することができる発光分光分析方法及び発光分光分析装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた本発明の発光分光分析方法は、試料ガス管と、前記試料ガス管の外周面を空間を空けて覆う補助ガス管と、前記補助ガス管の外周面を空間を空けて覆うプラズマ用ガス管と、前記プラズマ用ガス管の外周面を空間を空けて覆うクーラントガス管と、前記クーラントガス管の外周面の先端部分に巻き付けられた高周波誘導コイルとを備える発光分光分析用プラズマトーチを用いてプラズマ炎を形成して、有機溶媒と元素とを含有する試料をプラズマ炎に導入することにより、元素を分析する発光分光分析方法であって、前記試料ガス管の内周面で囲まれた空間には、霧滴化された試料をキャリアガスとともに流通させ、前記試料ガス管の外周面と補助ガス管の内周面との間には、酸素を含有するガスを流通させ、前記補助ガス管の外周面とプラズマ用ガス管の内周面との間には、プラズマ用ガスを流通させ、前記プラズマ用ガス管の外周面とクーラントガス管の内周面との間には、冷却用ガスを流通させるようにしている。

本発明の発光分光分析方法によれば、試料ガス管の外周面と補助ガス管の内周面との間には、酸素（Ｏ_２）を流通させることにより、有機溶媒（Ｃ_ｎＨ_ｍ）中に元素を含有する試料を分析する際には、発光分光分析用プラズマトーチの上端部で、有機溶媒（Ｃ_ｎＨ_ｍ）から発生する炭素（Ｃ）を二酸化炭素（ＣＯ_２）や一酸化炭素（ＣＯ）に変換する反応を起こすことになる。よって、炭素（Ｃ）由来による分光干渉を低減させることができる。さらに、スプレーチェンバ３３内で反応が起こることもなく、安全に測定を行うことができる。

以上のように、本発明の発光分光分析方法によれば、有機溶媒中に元素を含有する試料において、アルカリ元素を高感度で分析することができる。

（他の課題を解決するための手段および効果）
また、上記の発明において、前記発光分光分析用プラズマトーチにおいて、前記試料ガス管の中心軸と補助ガス管の中心軸とプラズマ用ガス管の中心軸とクーラントガス管の中心軸とは、同一となり、軸方向に出射される発光光を検出するように測光部を配置するようにしてもよい。
本発明の発光分光分析方法によれば、有機溶媒中に元素を含有する試料において、元素をより高感度で分析することができる。

また、上記課題を解決するためになされた本発明の発光分光分析装置は、試料ガス管と、前記試料ガス管の外周面を空間を空けて覆う補助ガス管と、前記補助ガス管の外周面を空間を空けて覆うプラズマ用ガス管と、前記プラズマ用ガス管の外周面を空間を空けて覆うクーラントガス管と、前記クーラントガス管の外周面の先端部分に巻き付けられた高周波誘導コイルとを備える発光分光分析用プラズマトーチと、前記試料ガス管の内周面で囲まれた空間に、霧滴化された試料をキャリアガスとともに流通させる試料ガス供給部と、前記試料ガス管の外周面と補助ガス管の内周面との間に、酸素を含有するガスを流通させる補助ガス供給部と、前記補助ガス管の外周面とプラズマ用ガス管の内周面との間に、プラズマ用ガスを流通させるプラズマ用ガス供給部と、前記プラズマ用ガス管の外周面とクーラントガス管の内周面との間に、冷却用ガスを流通させる冷却用ガス供給部と、発光光を検出する測光部と、前記発光分光分析用プラズマトーチと試料ガス供給部と補助ガス供給部とプラズマ用ガス供給部と冷却用ガス供給部とを用いてプラズマ炎を形成して、有機溶媒と元素とを含有する試料をプラズマ炎に導入することにより、前記測光部で検出された発光光に基づいて、元素を分析する制御部とを備えるようにしている。

実施形態に係るＩＣＰ発光分光分析装置の一例を示す概略構成図である。発光スペクトルの一例を示すデータである。従来のＩＣＰ発光分光分析装置の一例を示す概略構成図である。発光スペクトルの一例を示すデータである。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は、以下に説明するような実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の態様が含まれることはいうまでもない。

図１は、実施形態に係るＩＣＰ発光分光分析装置の一例を示す概略構成図である。なお、発光分光分析用プラズマトーチの構成は断面図で示す。また、ＩＣＰ発光分光分析装置１００と同様のものについては、同じ符号を付している。
ＩＣＰ発光分光分析装置１は、プラズマ炎２２を形成するための発光分光分析用プラズマトーチ１０と、ネプライザ３２とスプレーチェンバ３３とキャリアガス供給部３４とを有する試料ガス供給部３０と、補助ガス供給部４０と、プラズマ用ガス供給部４１と、冷却用ガス供給部４２と、発光光を検出する測光部４３と、ＩＣＰ発光分光分析装置１全体を制御する制御部５０とを備える。

発光分光分析用プラズマトーチ１０は、円筒形状の試料ガス管１１と、試料ガス管１１の外周面を空間を空けて覆う円筒形状の補助ガス管１４と、補助ガス管１４の外周面を空間を空けて覆う円筒形状のプラズマ用ガス管１２と、プラズマ用ガス管１２の外周面を空間を空けて覆う円筒形状のクーラントガス管１３と、クーラントガス管１３の外周面の先端部分に２〜３ターン巻き付けられた高周波誘導コイル２１とを備える。なお、試料ガス管１１の中心軸と補助ガス管１４の中心軸とプラズマ用ガス管１２の中心軸とクーラントガス管１３の中心軸とは、同一となり、かつ、上下方向となっている。なお、図１に示す発光分光分析用プラズマトーチは、特開２００１−２７２３４９号公報を参考にすることができる。

補助ガス供給部４０は、試料ガス管１１の外周面と補助ガス管１４の内周面との間に、例えば、３０体積％の酸素（Ｏ_２）と７０体積％のアルゴン（不活性ガス）とを含有するガスを上方向に流通させる。そして、試料ガス管１１の外周面と補助ガス管１４の内周面との間に形成された流路の上端部より酸素（Ｏ_２）とアルゴンとが噴出される。これにより、有機溶媒（例えば、キシレン（Ｃ_８Ｈ_１０）等）中にアルカリ元素（例えば、Ｎａ、Ｋ等）を含有する試料３１を分析する際には、発光分光分析用プラズマトーチ１０の上端部で、有機溶媒（Ｃ_ｎＨ_ｍ）から発生する炭素（Ｃ）を二酸化炭素（ＣＯ_２）や一酸化炭素（ＣＯ）に変換する反応を起こす。よって、炭素（Ｃ）由来による分光干渉を低減させることができる。

ここで、図２（ａ）は、キシレン（Ｃ_８Ｈ_１０）中に１ｐｐｍのＮａを含有する試料３１とキシレン（Ｃ_８Ｈ_１０）のみの試料３１とを分析したときに得られた発光スペクトルの一例を示すデータである。また、図２（ｂ）は、キシレン（Ｃ_８Ｈ_１０）中に１ｐｐｍのＫを含有する試料３１とキシレン（Ｃ_８Ｈ_１０）のみの試料３１とを分析したときに得られた発光スペクトルの一例を示すデータである。
図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、Ｎａに対応する輝線スペクトルやＫに対応する輝線スペクトルが非常に大きいものとなっている。つまり、アルカリ元素（例えば、Ｎａ、Ｋ等）を高感度で分析することができる。
以上のように、本発明のＩＣＰ発光分光分析装置１によれば、有機溶媒（例えば、キシレン（Ｃ_８Ｈ_１０）等）中にアルカリ元素（例えば、Ｎａ、Ｋ等）を含有する試料３１において、アルカリ元素を高感度で分析することができる。

上述したＩＣＰ発光分光分析装置１で、有機溶媒（例えば、キシレン（Ｃ_８Ｈ_１０）等）中にアルカリ元素（例えば、Ｎａ、Ｋ等）を含有する試料３１を分析するようにしたが、有機溶媒（例えば、キシレン（Ｃ_８Ｈ_１０）等）中に元素（例えば、Ａｌ等）を含有する試料３１を分析するようにしてもよい。
また、上述したＩＣＰ発光分光分析装置１で、試料ガス管１１の外周面と補助ガス管１４の内周面との間に、３０体積％の酸素（Ｏ_２）と７０体積％のアルゴン（不活性ガス）とを含有するガスを流通させるようにしたが、１０体積％から１００体積％の範囲で酸素（Ｏ_２）を含有するガスを適宜選択し、流通させるようにしてもよい。

本発明は、発光分光分析用プラズマトーチを用いてプラズマ炎を形成して、有機溶媒と元素とを含有する試料をプラズマ炎に導入することにより、元素を分析する発光分光分析方法等に利用することができる。

１、１００発光分光分析装置
１０、１８発光分光分析用プラズマトーチ
１１試料ガス管
１２プラズマ用ガス管
１３クーラントガス管
１４補助ガス管
２１高周波誘導コイル
２２プラズマ炎
３１試料

Claims

試料ガス管と、
前記試料ガス管の外周面を空間を空けて覆う補助ガス管と、
前記補助ガス管の外周面を空間を空けて覆うプラズマ用ガス管と、
前記プラズマ用ガス管の外周面を空間を空けて覆うクーラントガス管と、
前記クーラントガス管の外周面の先端部分に巻き付けられた高周波誘導コイルとを備える発光分光分析用プラズマトーチを用いてプラズマ炎を形成して、有機溶媒と元素とを含有する試料をプラズマ炎に導入することにより、元素を分析する発光分光分析方法であって、
前記試料ガス管の内周面で囲まれた空間には、霧滴化された試料をキャリアガスとともに流通させ、
前記試料ガス管の外周面と補助ガス管の内周面との間には、酸素を含有するガスを流通させ、
前記補助ガス管の外周面とプラズマ用ガス管の内周面との間には、プラズマ用ガスを流通させ、
前記プラズマ用ガス管の外周面とクーラントガス管の内周面との間には、冷却用ガスを流通させることを特徴とする発光分光分析方法。
前記発光分光分析用プラズマトーチにおいて、前記試料ガス管の中心軸と補助ガス管の中心軸とプラズマ用ガス管の中心軸とクーラントガス管の中心軸とは、同一となり、
軸方向に出射される発光光を検出するように測光部を配置することを特徴とする請求項１に記載の発光分光分析方法。
試料ガス管と、前記試料ガス管の外周面を空間を空けて覆う補助ガス管と、前記補助ガス管の外周面を空間を空けて覆うプラズマ用ガス管と、前記プラズマ用ガス管の外周面を空間を空けて覆うクーラントガス管と、前記クーラントガス管の外周面の先端部分に巻き付けられた高周波誘導コイルとを備える発光分光分析用プラズマトーチと、
前記試料ガス管の内周面で囲まれた空間に、霧滴化された試料をキャリアガスとともに流通させる試料ガス供給部と、
前記試料ガス管の外周面と補助ガス管の内周面との間に、酸素を含有するガスを流通させる補助ガス供給部と、
前記補助ガス管の外周面とプラズマ用ガス管の内周面との間に、プラズマ用ガスを流通させるプラズマ用ガス供給部と、
前記プラズマ用ガス管の外周面とクーラントガス管の内周面との間に、冷却用ガスを流通させる冷却用ガス供給部と、
発光光を検出する測光部と、
前記発光分光分析用プラズマトーチと試料ガス供給部と補助ガス供給部とプラズマ用ガス供給部と冷却用ガス供給部とを用いてプラズマ炎を形成して、有機溶媒と元素とを含有する試料をプラズマ炎に導入することにより、前記測光部で検出された発光光に基づいて、元素を分析する制御部とを備えることを特徴とする発光分光分析装置。