JP2011180045A - プラズマ発生手段、プラズマ発生装置及び元素分析方法 - Google Patents

Abstract

【課題】狭小部に電界を集中させてプラズマを発生させる際に、狭小部や電極に発生する気泡を速やかに除去することのできるプラズマ発生手段、プラズマ発生装置及び元素分析方法を提供すること。
【解決手段】プラズマ発生装置１０では第１の連通部１４ａ、第１の膨出部１７ａ、狭小部１６、第２の連通部１４ｂ、第２の膨出部１７ｂからなる流路１３が発光部本体１２内に形成されている。狭小部１６の断面積は前後の第１及び第２の膨出部１７ａ，１７ｂよりも著しく小さい。第１及び第２の連通部１４ａ，１４ｂには可撓性チューブ１８が接続されておりシリンジポンプ装置２１により導電性溶液は上流（第１の連通部１４ａ側）から流路１３内に流れ込んでいる。パルス電圧の印加に伴って狭小部１６及び第１及び第２の電極２０Ａ，２０Ｂに発生する気泡は下流側に導電性溶液とともに排出されることとなり、次回の印加の際の邪魔になることがない。
【選択図】図１

Description

本発明は溶液中に含まれている元素を分析するために元素固有のプラズマ光を発光させるプラズマ発生手段、プラズマ発生装置及びプラズマ発生手段を使用した元素分析方法に関するものである。

溶液中に含まれている元素を分析するために、従来から分光分析装置が用いられている。分光分析装置は放射されたプラズマ光を分光器によって分光して元素特有のスペクト線に分け、その有無と強度を受光素子で検出し、光の強度を測定する事により試料に含まれる目的元素の定性あるいは定量分析を行うものである。光分析装置では目的元素のスペクトルを分光器によって分光するようになっている。従来の光分析装置の一例を特許文献１〜３として挙げる。
分光分析装置は計測の前提としてプラズマ発生装置が必要である。プラズマ発生装置の機能としてはプラズマ光を取りこんでその分光特性を検出することから、強度があって発光時間の長い安定したプラズマ光が必要となる。例えば上記特許文献２に示すようなアルゴンの保持ガスを使用してプラズマの維持を図るタイプもあるが、その場合にはガスボンベが必要であり、装置が大型化して利便性に欠けていた。そのため、現状において特許文献４に開示されるプラズマ発生装置が提案されている。特許文献４に開示されたプラズマ発生装置は溶液中に電極を挿入し、電極間の通路を極端に狭い狭小部として構成することで、狭小部に電界を集中させて高熱化することで気泡を発生させ、その気泡中にプラズマを発生させるというものである。このような方式でのプラズマ発生装置は不純物の混入が少なく、簡易なシステムで安定的なプラズマ光を得ることができる。この方式のプラズマ発生装置においては、好適でばらつきのない安定した強度のプラズマ光を得るためには、液を移送させつつ、連続的な通電ではなく、パルス化して印加することが好ましい。

特開平２−３１１３９号公報 特開平７−２８６９６０号公報 特開平２−２８５４４号公報 特許第３９３２３６８号公報

しかしながら、特許文献４のようなプラズマ発生装置では一回のパルス放電で生成した気泡がすぐには消失せず狭小部に滞留するため、この気泡が次のパルス放電の際のプラズマの発光強度に影響を与えたり、インピーダンス値に影響を与えてしまう可能性があった。また、気泡は電解によって電極周囲にも発生し、この電極に発生した気泡もインピーダンス値に影響を与えてしまう可能性があった。そのため、これら気泡の影響で発光強度が不安定となり測定値のばらつきが生じるという問題があった。
本発明は、上記課題を解消するためになされたものであり、その目的は、狭小部に電界を集中させてプラズマを発生させる際に、狭小部や電極に発生する気泡を速やかに除去することのできるプラズマ発生手段、プラズマ発生装置及び元素分析方法を提供することである。

上記目的を達成するために請求項１の発明では、絶縁性材料で形成した流路に同流路の断面積よりも著しく小さな断面積の狭小部を形成し、同狭小部を挟んだ前後をそれぞれ第１及び第２の流路とし、同第１及び第２の流路内にそれぞれ第１及び第２の電極を配置するとともに、前記第１及び第２の流路並びに狭小部に導電性溶液を満たし、前記電極間に電流を流して前記狭小部に集中的に電界を印加させることによって生ずる気泡中にプラズマを発生させるとともに、前記第１の流路から第２の流路方向に向って導電性溶液を流動させることで前記狭小部に留まる気泡を前記狭小部から排出するようにしたことをその要旨とする。
また、請求項２に記載の発明では請求項１に記載の発明の構成に加え、前記導電性溶液を流動させることで前記第１及び第２の電極の周囲に発生した気泡を取り除くようにしたことをその要旨とする。
また、請求項３に記載の発明では請求項１又は２に記載の発明では、前記電極に対して所定のオン時間と所定のオフ時間の繰り返しによって周期的にパルス電圧を印加し、少なくとも流動する導電性溶液が前記狭小部を通過する時間よりも長いオフ時間に設定することをその要旨とする。
また、請求項４に記載の発明では請求項２又は３に記載の発明の構成に加え、少なくとも導電性溶液が前記狭小部の位置から前記第２の電極位置を通過する時間よりも長いオフ時間とすることをその要旨とする。
また、請求項５に記載の発明では請求項２〜４のいずれかに記載の発明の構成に加え、少なくとも導電性溶液が前記第１の電極位置から前記第２の電極位置を通過する時間よりも、長いオフ時間とすることをその要旨とする。
また、請求項６に記載の発明では、前記パルス電圧の所定のオフ時間に対する導電性溶液を流動させる流量を下記式に基づいて設定することをその要旨とする。

また、請求項７に記載の発明では、請求項１〜６のいずれかに記載の発明の構成に加え、前記第１及び第２の電極を上方から下垂させ、その先端部位を前記狭小部の外方であって前記狭小部の上下幅内に進出させて配置することをその要旨とする。

また、請求項８に記載の発明では請求項１〜７のいずれかのプラズマ発生手段であって、前記狭小部で発生したプラズマを分光して分析することをその要旨とする。
また、請求項９に記載の発明では、導電性溶液中に電流を流すことでプラズマを発生させるプラズマ発生装置であって、第１の流路と、第２の流路と、前記第１及び第２の流路間を連通する前記第１及び第２の流路の断面積よりも著しく小さな断面積の狭小部とをそれぞれ絶縁性材料で形成し、前記狭小部には集中的に電界が印加されるように前記第１の流路と前記第２の流路にはそれぞれ電極を配設するとともに、前記第１の流路の上流位置には導電性溶液の貯留槽を配設し、送出手段によって同貯留槽から前記第１の流路に対して所定の流量で導電性溶液を導入するとともに、前記第２の流路の下流位置に形成した排出口から導電性溶液を排出するようにし、、前記狭小部に留まる気泡を前記狭小部から排出するようにしたことをその要旨とする。
また、請求項１０に記載の発明では、請求項９に記載の発明の構成に加え、前記電極に対して所定のオン時間と所定のオフ時間の繰り返し周期のパルス電圧を印加する電源装置を併設し、オフ時間を前記送出手段によって送出される導電性溶液が前記狭小部を通過する時間よりも長い時間となるように設定したことをその要旨とする。
また、請求項１１に記載の発明では、請求項９又は１０に記載の発明の構成に加え、前記第１及び第２の電極を上方から下垂させ、その先端部位を前記狭小部の外方であって前記狭小部の上下幅内に進出させて配置することをその要旨とする。

上記のような構成とすれば、狭小部に気泡が発生しても、導電性溶液が狭小部を流れて狭小部に留まる気泡を排出させるため、すでに発光の終了した気泡が狭小部における次回の発光の邪魔となることがなく、発光強度の安定化に寄与することとなる。
より具体的な構成として、送出手段によって貯留槽から導電性溶液を第１の流路に対して導入し、第２の流路の下流位置に形成した排出口から排出することで流れを作り出すことが想定される。特にこのような構成とすれば、一旦使用した導電性溶液は排出口から排出され、再利用されないため導電性溶液の濃度が常に一定に保たれ測定値の安定化に貢献する。
また、プラズマ発生手段は更に狭小部で発生したプラズマを分光して分析することで元素分析装置と利用することができる。

また、導電性溶液を流動させる際には狭小部内の気泡と同時に第１及び第２の電極の周囲に発生した気泡を取り除くようにすることが好ましい。電解によって第１及び第２の電極の周囲に発生した気泡を取り除くことで、気泡が電極に接触していることによるインピーダンスの上昇を防止し、安定した電力を電極に供給することで発光強度の安定化に寄与することができるからである。
尚、導電性溶液を流動させて第１及び第２の電極の周囲に発生した気泡を取り除く場合には、完全にすべての気泡を完全に取り除くことを念頭においているわけではない。流速や気泡の大きさに応じて気泡の除去状況は異なるものであり、少なくとも気泡が除去されている状態ではインピーダンスが低下して発光効率の向上が認められるからである。

また、上記構成においてはプラズマ発生用の電流として電極に対して所定のオン時間と所定のオフ時間の繰り返しによって周期的にパルス電圧を印加し、主要な気泡はオンの時間に狭小部で発生する。従って、少なくとも流動する導電性溶液が狭小部を通過するのに要する時間よりも長いオフ時間を設定することがより好ましい。これは気泡が、狭小部に残留すると、プラズマの発光が著しく影響を受けるためである。
更に、より好ましくは導電性溶液が狭小部から前記第２の電極位置を通過する時間よりも長いオフ時間とすることがより好ましい。
これは、狭小部で発生した気泡が、第２の電極と第1の電極の間にあると、少なからず電流を遮り、プラズマの発光に影響するためである。
更に、より好ましくは導電性溶液が第１の電極位置から前記第２の電極位置を通過する時間よりも長いオフ時間とすることがより好ましい。
これは気泡の電極に与える影響を更に排除するためであって、電圧オンの時に第1の電極を離れた気泡が、第２の電極位置よりも下流に流れてから次のパルス電圧がオンするようにしたものである。
ここにオフ時間に対応する単位時間当たりの流量を設定する場合には、上記数式を使用して流量が最適な条件になるようにすることが好ましい。流量が少なすぎればもっと多くすることで発光強度やばらつきを改善することができるものの、多すぎるとすでに発光強度が飽和状態にあるにも関わらず無駄に多くの流量を与えることとなり、エネルギー効率が悪化するからである。

また、構造的に第１及び第２の電極の先端部位が狭小部の開口部にそれぞれ面した位置に配置されることが好ましい。このような配置位置とすることで、もっとも気泡が付着しやすい電極の先端部位と狭小部とが一直性上に並ぶこととなり、導電性溶液が流動して気泡が押し流される際の気泡の排出がスムーズとなるからである。

上記各請求項に記載の発明によれば、狭小部に電界を集中させてプラズマを発生させる際に、狭小部に滞留する気泡を速やかに除去することのでき、測定のばらつきがなく安定した再現性のよい発光強度のプラズマ光を得ることができる。

本発明における実施の形態のプラズマ発生装置の概略の構成を説明する模式図。 実施の形態における凹部の形状の平面図。 本発明のプラズマ発生装置を用いた分光分析装置のイメージ図。

本発明の実施の形態として例えば図１に示すような構成のプラズマ発生装置１０を示す。尚、図１は模式的に表したもので各部の寸法は必ずしも正確なものではない。プラズマ発生装置１０は石英ガラス製の２枚の正方形形状のチップ１１ａ，１１ｂを張り合わせて構成された発光部本体１２を備えている。チップ１１ａ，１１ｂを張り合わせた状態で発光部本体１２内部には流路１３が形成される。流路１３は上側チップ１１ａにおいて上下に連通するように形成された円筒状の第１及び第２の連通部１４ａ，１４ｂと、下側のチップ１１ｂの上面側に形成された凹部１５との組み合わせによって構成されている。図２に示すように、凹部１５は中央がくびれた砂時計形状の平面形状をなしており、中央のくびれ部分が狭小部１６とされている。狭小部１６を挟んだ前後の第１及び第２の膨出部１７ａ，１７ｂに第１及び第２の連通部１４ａ，１４ｂはそれぞれ接続されることとなる。狭小部１６はその前後の第１及び第２の膨出部１７ａ，１７ｂの断面積よりも著しく小さく構成されており、本実施の形態においては凹部１５の深さは１００μｍ、くびれ部分の幅は８０μｍ、長さは１ｍｍ、第１及び第２の膨出部１７ａ，１７ｂの幅は３ｍｍに設計されているが、この寸法は適宜変更可能である。

第１及び第２の連通部１４ａ，１４ｂにはそれぞれ可撓性チューブ１８の基端側が接続されている。第１の連通部１４ａに接続された可撓性チューブ１８の先端側、つまり上流側には貯留槽及び送出手段としてのシリンジポンプ装置２１が配設されている。第２の連通部１４ｂに接続された可撓性チューブ１８の先端側、つまり下流側は廃液用のバケツ２２の上部位置に配置されている。
第１の電極２０Ａは可撓性チューブ１８の基端寄り側面から内部に挿入され、下垂されて第１の連通部１４ａ方向に延出されている。第２の電極２０Ａの先端は第１の膨出部１７ａ内に配置されている。第２の電極２０Ｂは可撓性チューブ１８の基端寄り側面から内部に挿入され、下垂されて第２の連通部１４ｂ方向に延出されている。第２の電極２０Ｂの先端は第２の膨出部１７ｂ内に配置されている。両電極２０Ａ，２０Ｂは棒状の白金電極とされている。両電極２０Ａ，２０Ｂを結ぶ直線は狭小部１６を通過する。
第１及び第２の電極２０Ａ，２０Ｂは電源装置としてのパルス電圧装置２３に接続されており、所定のパルス電圧が印加されるようになっている。

上記のような構成のプラズマ発生装置１０において、プラズマ発光動作をさせるものとする。まず、導電性溶液を流路１３及び可撓性チューブ１８内に充填し、シリンジポンプ装置２３を一定の押し出し速度となるように駆動を開始すると同時にパルス電圧装置２３からのパルス電圧の印加を開始する。そして、狭小部１６位置に発生するプラズマ光を例えば光ファイバー２５（図１参照）を用いて測光部３１に取り入れ、分光してスペクトルを得る。次いで、算出部３２において数値を算出し、モニターやプリンターのような出力装置によって算出結果を出力する。プラズマ発生装置１０、測光部３１及び算出部３２によって分光分析装置３３が構成される。
導電性溶液は測定データを得る間において常時流動して第１の連通部１４ａ、第１の膨出部１７ａ、狭小部１６、第２の膨出部１７ｂ、第２の連通部１４ｂの順に流れており、パルス電圧の印加に伴って狭小部１６及び第１及び第２の電極２０Ａ，２０Ｂ（特に凹部１５に進出している下端寄り）に発生する気泡が下流に排出されるようになっている。導電性溶液の流速は通過する流路１３の平均断面積を求め、流量を除することで平均流速として求めることができ、適宜流量を変更することで流速も変更できる。つまり、ある位置に存在する溶液がある位置に達するまでの時間は平均断面積が分かれば流量との関係で算出可能である。そのため、本実施の形態では前回の気泡が次の回のパルス電圧を印加するまでの時間内に下流に排出されるように流量を設定することが可能である。ここでは少なくとも狭小部１６に気泡が残っている場合や、第１の電極２０Ａから除かれた気泡が狭小部１６を通過している場合、更に第２の電極２０Ｂの近傍に流れてきた気泡が存在している場合に次の回のパルス電圧が印加されないようにパルス間隔を設定する。つまり、次の回のパルス電圧の印加までに、最低限狭小部１６内の気泡が排出されることが好ましく、更にそれが第２の電極２０Ｂよりも下流に移動していることが好ましく、更に、第１の電極２０Ａの周りの気泡が第２の電極２０Ｂよりも下流に移動していることが好ましい。
本実施の形態のプラズマ発生装置１０は以下のように変更して実施することも可能である。
・本実施の形態の第１及び第２の電極２０Ａ，２０Ｂは白金電極を使用したが、その他の材質、例えばカーボン電極を使用することも可能である。
・発光部本体１２の材質は上記以外の透明体でもよい。
・ポンプ装置としてシリンジポンプ装置２１以外の手段を使うことも可能である。
・シリンジポンプ装置２１を使用したため、貯留槽もシリンジポンプ装置２１は兼ねているが別体で導電性溶液用のタンクを用意することも可能である。
・プラズマ光を測光部３１に取り入れる場合には上記のような光ファイバー２５を用いずに、発光部本体１２を直接測光部３１の入光部位置に配置するようにしてもよい。
・凹部１５の形状や第１及び第２の連通部１４ａ，１４ｂの形状は適宜変更可能である。
・本実施の形態では実験装置的な簡略化した構成で説明するが、商業的に利用できる他の構成でプラズマ発生装置１０を構築することも可能である。

以下、上記実施の形態の装置を使用した本発明の実施例について説明する。尚、以下の実施例の条件は適宜変更することが可能である。
（実施例１）
下記のような条件で、元素が鉛である場合の発光強度とそのばらつき（ＣＶ）を評価した。ばらつき（ＣＶ）はパルス回数の標準偏差（σ）をまず求め、得られた標準偏差を発光強度で除することで求めた。評価結果は表１及び２に示す。
使用した導電性溶液：硝酸０．１Ｎ／Ｌ
パルス電圧値：１５００ボルト
パルス回数：２０００回
パルス周期条件：印加オン時間３ｍｓ、 印加オフ時間０．１ｓ
対象元素：鉛（Ｐｂ）
流量条件：５００μｌ／ｍｉｎ
尚、流速は流量を断面積で除したものであるため、導電性溶液が通過する部分の断面積で速度は一定ではない。そのため、ここでは単位時間当たりの流量を採用する。

（実施例２）
使用した導電性溶液、パルス電圧値、パルス回数、パルス周期条件、対象元素：鉛（Ｐｂ）については実施例１と同じ条件とし、流量条件：１０００μｌ／ｍｉｎとした。
（実施例３）
使用した導電性溶液、パルス電圧値、パルス回数、パルス周期条件、対象元素：鉛（Ｐｂ）については実施例１と同じ条件とし、流量条件：１２００μｌ／ｍｉｎとした。
（実施例４）
使用した導電性溶液、パルス電圧値、パルス回数、パルス周期条件、対象元素：鉛（Ｐｂ）については実施例１と同じ条件とし、流量条件：１５００μｌ／ｍｉｎとした。
（実施例５）
使用した導電性溶液、パルス電圧値、パルス回数、パルス周期条件、対象元素：鉛（Ｐｂ）については実施例１と同じ条件とし、流量条件：２０００μｌ／ｍｉｎとした。
＜結果＞
同じ電圧条件で、かつ同じパルス周期条件とすることで導電性溶液の流量を多くしていくと発光強度が増していくことから、気泡を多く排除することで発光効率が向上することがわかる。一方、ある流量までは発光強度が増すものの、この実施例では１５００〜２０００μｌ／ｍｉｎで発光強度のピークがあり、それ以上流量を多くしても発光強度は上がらないという知見が得られた。これは気泡が十分排除できているので発光効率の向上はすでに望めない状態であるといえる。発光強度に対するばらつき（ＣＶ）は、１５００μｌ／ｍｉｎまでは向上するが、２０００μｌ／ｍｉｎ付近で飽和状態に近づくことがわかる。

上記実施例１〜５の結果から、導電性溶液の流量を多くすることで発光強度が向上することが理解できるものの、流量を必要以上に多くしても発光効率には寄与せず無駄なエネルギーの消費となることがわかった。そのため、出願人は導電性溶液の流量についてのエネルギー効率を最適にする特性についてパルス周期条件との関係で検討した。
表３はパルス周期条件として印加オン時間３ｍｓにおける印加オフ時間と上記ばらつき（ＣＶ）との関係を示したグラフ（曲線）である。グラフは縦軸に流量をとり印加オフ時間を横軸にとったもので流量と印加オフ時間の関係が反比例となるグラフであり、その他の条件（印加電圧、印加時間、導電性溶液の種類、狭小部の形状等）によって固有の定数が与えられることとなる。また、一例としてＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ位置でのばらつき（ＣＶ）を表４に示す。曲線上が最適な流量と印加オフ時間の関係であり、それよりも下方域ではばらつき（ＣＶ）は悪くなり、上方域では飽和して流量に関係なく近似したばらつき（ＣＶ）となる。
このグラフから、印加オフ時間が長くなると流量が少なくとも十分な発光効率が得られることがわかる。つまり、流量が少なくとも次のパルス電圧の印加、つまりプラズマ発光動作までの時間に余裕があるため前回の気泡を排出することができるので、発光効率を維持することができると考えられる。
従って、単位時間あたりでのパルス回数を多くする場合にはパルス周期が短くなるため流量を多くするようにし、流量に関するエネルギー効率を上げる場合には流量を少なくしてパルス周期を長くするという場合に応じた対応によって発光効率を維持することができる。流量に関するエネルギー効率を考慮すると上記グラフの線上が最も好ましい。

１０…プラズマ発生装置、１３…流路、１６…狭小部、１４ａ…第１の流路の一部となる第１の連通部、１４ｂ…第２の流路の一部となる第２の連通部、１７ａ…第１の流路の一部となる第１の膨出部、１７ｂ…第２の流路の一部となる第２の膨出部、２０Ａ…第１の電極、２０Ｂ…第２の電極。

Claims (11)

1. 絶縁性材料で形成した流路に同流路の断面積よりも著しく小さな断面積の狭小部を形成し、同狭小部を挟んだ前後をそれぞれ第１及び第２の流路とし、同第１及び第２の流路内にそれぞれ第１及び第２の電極を配置するとともに、前記第１及び第２の流路並びに狭小部に導電性溶液を満たし、前記電極間に電流を流して前記狭小部に集中的に電界を印加させることによって生ずる気泡中にプラズマを発生させるとともに、前記第１の流路から第２の流路方向に向って導電性溶液を流動させることで前記狭小部に留まる気泡を前記狭小部から排出するようにしたことを特徴とするプラズマ発生手段。
2. 前記導電性溶液を流動させることで前記第１及び第２の電極の周囲に発生した気泡を取り除くようにしたことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ発生手段。
3. 前記電極に対して所定のオン時間と所定のオフ時間の繰り返しによって周期的にパルス電圧を印加し、少なくとも流動する導電性溶液が前記狭小部を通過する時間よりも長いオフ時間に設定することを特徴とする請求項２に記載のプラズマ発生手段。
4. 少なくとも導電性溶液が前記狭小部の位置から前記第２の電極位置を通過する時間よりも長いオフ時間とすることを特徴とする請求項２又は３に記載のプラズマ発生手段。
5. 少なくとも導電性溶液が前記第１の電極位置から前記第２の電極位置を通過する時間よりも、長いオフ時間とすることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載のプラズマ発生手段。
6. 前記パルス電圧の所定のオフ時間に対する導電性溶液を流動させる流量を下記式に基づいて設定することを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載のプラズマ発生手段。
   

   
7. 前記第１及び第２の電極を上方から下垂させ、その先端部位を前記狭小部の外方であって前記狭小部の上下幅内に進出させて配置することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のプラズマ発生手段。
8. 請求項１〜７のプラズマ発生手段であって、前記狭小部で発生したプラズマを分光して分析することを特徴とする元素分析方法。
9. 導電性溶液中に電流を流すことでプラズマを発生させるプラズマ発生装置であって、第１の流路と、第２の流路と、前記第１及び第２の流路間を連通する前記第１及び第２の流路の断面積よりも著しく小さな断面積の狭小部とをそれぞれ絶縁性材料で形成し、前記狭小部には集中的に電界が印加されるように前記第１の流路と前記第２の流路にはそれぞれ電極を配設するとともに、前記第１の流路の上流位置には導電性溶液の貯留槽を配設し、送出手段によって同貯留槽から前記第１の流路に対して所定の流量で導電性溶液を導入するとともに、前記第２の流路の下流位置に形成した排出口から導電性溶液を排出するようにし、前記狭小部に留まる気泡を前記狭小部から排出するようにしたことを特徴とするプラズマ発生装置。
10. 前記電極に対して所定のオン時間と所定のオフ時間の繰り返し周期の電圧を印加する電源装置を併設し、オフ時間を前記送出手段によって送出される導電性溶液が前記狭小部を通過する時間よりも長い時間となるように設定したことを特徴とする請求項９に記載のプラズマ発生装置。
11. 前記第１及び第２の電極を上方から下垂させ、その先端部位を前記狭小部の外方であって前記狭小部の上下幅内に進出させて配置することを特徴とする請求項９又は１０に記載のプラズマ発生装置。

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