JP2014190958A - Ｉｃｐ発光分光分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光ファイバーを利用して原子発光線を分光器内に導き光学特性の優れたＩＣＰ発光分光分析装置を提供する。
【解決手段】ＩＣＰ分析装置１は、誘導結合プラズマ装置１０と、光ファイバー２０と、分光器３０と、取り付け部材４０と、光出射穴４１と、からなる。光ファイバー２０は、誘導結合プラズマ１８と分光器３０との間に配置され、分光器３０とは取り付け部材４０により連結される。原子発光線は、光ファイバー２０を介して光出射穴４１を通過して分光器３０内に入射する。取り付け部材４０は分光器３０に取り付けられ、キャップ４５が光ファイバー２０の露出した光透過部２１を挿入固定し、光透過部２１の端面２３とキャップ４５に設けられた光出射穴４１が隣接する。
【選択図】図１

Description

本発明は、溶液試料に含まれる元素（例えば微量不純物元素）の分析を行うＩＣＰ（高周波誘導結合プラズマ）発光分光分析装置に関する。

ＩＣＰ発光分光分析での溶液試料は、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）で原子化あるいはイオン化され、その際、発光する原子発光線（スペクトル線）を分光分析して微量不純物の定量分析・定性分析を行うことが知られている。原子発光線はレンズやミラー等で集光した後、入射スリットを介して分光器内に入射する。誘導結合プラズマと分光器の間に遮蔽物があると複数のミラーを使用することになり、高価で複雑の構成配置となる。そこで、光ファイバーを利用して原子発光線を分光器に導くことが知られている（特許文献１及び特許文献２）。

図８（ａ）に示される特許文献１は、ＩＣＰ発光分光分析に利用されるローランド円からなる分光器Ｒに関する。プラズマ光源Ｌからの光は、複数の光ファイバーＦ１、Ｆ２、Ｆ３によって集光素子ｆ１、ｆ２、ｆ３に導かれ、光入口スリットＳ１、Ｓ２、Ｓ３上に集光され、分光器Ｒ内の凹面回折格子Ｇにより、一つの光出口スリットＳｏに導かれる。光出口スリットＳｏを一つにして分光器Ｒを小型に作ることが可能であることが開示されている。

図８（ｂ）に示される特許文献２は、発光分光分析装置の分析光を分光器１０１内に導く光ファイバー１０２に関する。光ファイバー１０２の一端は、プラズマトーチからなる発光部１０３からの光を受光するために発光部１０３と対応した位置に配置され、集光レンズ１０４の焦点位置にある。光ファイバー１０２の他端は分光器１０１の内部にスリット状に配置され、スリット１０５と対応している。発光部１０３の光をその中心軸に沿った方向に集光し、光ファイバー１０２でその光をスリット状に絞って分光器１０１内部に入射させ、試料の発光を多く含む中心軸部分の発光を有効に利用し、高感度の分光分析を可能とさせたことが開示されている。

特開昭６３−４７６２２号公報 特開平１０−１４２１５６号公報

特許文献１及び特許文献２には、誘導結合プラズマから分光器へ原子発光線を導くために光ファイバーとスリットを利用することは開示されている。しかしながら、実際の製品化においては、分光器との具体的接続や、スリットと凹面鏡との光学的関係を考慮する必要があるが、特許文献１〜２には、具体的に示されていない。

本発明は、上記事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、光ファイバーを利用して原子発光線を分光器内に導き光学特性の優れたＩＣＰ発光分光分析装置を提供することにある。

本発明のＩＣＰ発光分光分析装置は、分析対象の元素を誘導結合プラズマにより原子化またはイオン化し、原子発光線を得る誘導結合プラズマ装置と、前記原子発光線を取り入れた後、分光して検出する分光器と、前記誘導結合プラズマ装置と前記分光器とを接続する光ファイバーと、を備えるＩＣＰ発光分光分析装置であって、前記光ファイバーから原子発光線を前記分光器に向けて出射する光出射穴を前記光ファイバーの端面に隣接して設けている。

前記ＩＣＰ発光分光分析装置であって、前記光ファイバーの端部において露出し、前記端面を含む光透過部を覆うキャップと、前記キャップを覆うとともに、前記分光器に取り付けられる取り付け部材と、をさらに備え、前記露出した光透過部に隣接するように、前記光出射穴が前記キャップに設けられることが好ましい。

前記ＩＣＰ発光分光分析装置であって、前記光ファイバーの端部において露出し、前記端面を含む光透過部を覆うとともに、前記分光器に取り付けられる取り付け部材をさらに備え、前記露出した光透過部に隣接するように、前記光出射穴が前記取り付け部材に設けられることが好ましい。

前記ＩＣＰ発光分光分析装置であって、前記光出射穴が拡がり形状を呈することが好ましい。

前記ＩＣＰ発光分光分析装置であって、前記光出射穴と前記光ファイバーの端面の距離がゼロであることが好ましい。

本発明によれば、光ファイバーを使用することにより、分光器と誘導結合プラズマとの配置の自由度が拡大する。また光出射穴と端面とを隣接することにより、凹面鏡の反射有効口径に十分な光量の原子発光線の照射領域が確保され、安定した分析感度が得られる。更に、取り付け部材を備えることにより、光ファイバーの光透過部の中心軸と光出射穴の中心軸との合わせが容易となり、細かい調整を不要とする光学的に安定した位置決めが可能となる。そして、凹面鏡に当たる照射領域の変位を少なくすることが可能となり、高感度で光学特性の優れたＩＣＰ発光分光分析装置を提供できる。

本発明に係るＩＣＰ発光分光分析装置の一例を示す概念図。 本発明に係る取り付け部材の前提となる取り付け部材の一例の断面図。 端面と光出射穴及び凹面鏡との関係を示す模式図、（ａ）端面と光出射穴との距離関係、（ｂ）光ファイバーの中心軸と光出射穴の中心軸とのずれ関係。 取り付け部材の第１の実施形態の一例、（ａ）分解図、（ｂ）組み付け断面図。 取り付け部材の第２の実施形態の一例で組み付け断面図。 取り付け部材の第３の実施形態の一例で組み付け断面図。 本発明に係る端面と光出射穴及び凹面鏡との関係を示す模式図、（ａ）端面と光出射穴との距離関係、（ｂ）光ファイバーの中心軸と光出射穴の中心軸とのずれ関係。 従来技術を示す概念図、（ａ）特許文献１、（ｂ）特許文献２。

以下、本発明に係るＩＣＰ発光分光分析装置の好適な実施形態を、図１〜図７に基づいて詳述する。

図１は、本発明に係るＩＣＰ発光分光分析装置の一例を示す概念図である。

ＩＣＰ発光分光分析装置１は、誘導結合プラズマ装置１０と、光ファイバー２０と、分光器３０と、取り付け部材４０と、光出射穴４１と、から概略構成されている。誘導結合プラズマ装置１０は、スプレーチャンバ１１と、ネブライザ１２と、プラズマトーチ１３と、高周波コイル１４と、ガス制御部１５と、高周波電源１６とから概略構成されている。光ファイバー２０は、後述する誘導結合プラズマ１８と分光器３０との間に配置され、分光器３０とは取り付け部材４０により連結される。分光器３０は、入射窓３１と、凹面鏡３２と、回折格子３３と、検出器３４と、を備えている。

ガス制御部１５でコントロールされたアルゴンガスがプラズマトーチ１３に導かれる。そして、高周波コイル１４に高周波電源１６から高周波電流を流すことにより、アルゴンガスはプラズマトーチ１３の上方で誘導結合プラズマ１８（以下、プラズマと述べる）を生成する。一方、ネブライザ１２内に供給されたキャリアガス（アルゴンガス）は、スプレーチャンバ１１内にネブライザ１２の先端から噴出され、キャリアガスの負圧吸引によって試料容器１７の溶液試料１７ａが吸い上げられ、ネブライザ１２の先端から試料が噴射される。噴射された溶液試料１７ａは、スプレーチャンバ１１内で粒子の均一化と気流の安定化が図られ、ガス制御部１５でコントロールされプラズマトーチ１３に導かれる。そして、プラズマ１８中で溶液試料１７ａの試料分子（又は原子）が加熱・励起されて発光する。

溶液試料１７ａの分析対象となる元素をプラズマ１８により原子化またはイオン化することで得られた原子発光線は、光ファイバー２０を介して光出射穴４１を通過して入射窓３１から分光器３０内に入射する。原子発光線は、分光器３０内の凹面鏡３２や回折格子３３により分光され、出口穴３５を通過して検出器３４で検出される。分光器３０で分光され検出された原子発光線は、コンピュータ５０等でデータ処理して解析され、原子発光線（スペクトル線）の波長から溶液試料１７ａに含まれる元素（例えば微量不純物元素）の定性分析と原子発光線（スペクトル線）の強度から元素の定量分析が行われる。

図２は、本発明に係る取り付け部材の前提となる取り付け部材の一例の断面図である。

取り付け部材４０は、光ファイバー２０を分光器３０の入射窓３１及び入射窓３１の近傍に配置される光出射穴４１に対して光学的に適切な位置に取り付けるための略円筒形状の例えば金属成形品である。取り付け部材４０には、コアとクラッドからなる光透過部２１と樹脂等の被覆部２２とを備える光ファイバー２０を挿入させる挿入部４０ａが設けられている。平板４２が光ファイバー２０の端面２３の略中心軸に対応して取り付け部材４０の前方に係合固定される係合部４３内に配置され、光出射穴４１が平板４２の略中央に設けられている。また、取り付け部材４０には、光ファイバー２０を取り付け部材４０に固定する光ファイバーコネクタ４８が係合固定される。係合部４３は、光出射穴４１を備える平板４２と共に分光器３０の入射窓３１に一体的に固定される。ただし、係合部４３は、取り付け部材４０に係合固定されていなくても良く、分光器３０の入射窓３１側に固定されていてもよい。また、係合部４３は、分光器３０に直接固定・取り付け可能な構造にしてもよく、入射窓３１を必ずしも設ける必要はない。

取り付け部材４０を備えることにより、光ファイバー２０の光透過部２１の中心軸と光出射穴４１の中心軸との合わせが容易となり、細かい調整を不要とする光学的に安定した位置決めが可能となる。また、取り扱いも容易で熟練者による調整が不要となり、部品交換もし易くなる。

ところで、上述の光出射穴４１と光ファイバー２０の端面２３との距離Ｄが離れていたり、光ファイバー２０の中心軸と光出射穴４１の中心軸とのずれＬが離れていたりすると、凹面鏡３２に当たる原子発光線の有効利用率が低下する可能性がある。図３を用いて詳述する。図３は、端面２３と光出射穴４１及び凹面鏡３２との関係を示す模式図である。

図３（ａ）は、端面２３と光出射穴４１との距離Ｄとの関係を示している。光ファイバー２０の端面２３から出射した原子発光線は、光出射穴４１で集光され、凹面鏡３２に一定の照射領域２５（図中斜線で示す円領域）で照射する。しかしながら、距離Ｄが大きいと照射領域２５は、凹面鏡３２の反射有効口径３２ａより小さくなる。尚、符号３２ｂは、凹面鏡３２の枠である。一方、図３（ｂ）に示すように、光ファイバー２０の中心軸と光出射穴４１の中心軸とのずれＬが大きいと、照射領域２５が凹面鏡３２の反射有効口径３２ａから外れてしまうこともある。

図３で述べた問題を生じさせないため、更に改良された取り付け部材の第１の実施形態〜第３の実施形態に関して、詳述する。

図４は、取り付け部材４０の第１の実施形態の一例で、（ａ）は分解図、（ｂ）は組み付け断面図である。第１の実施形態と同様の構成は名称及び符号を一致させ、説明を省略する。

本実施形態においては、光出射穴４１を備えるキャップ４５が設けられている。取り付け部材４０には、キャップ４５および光ファイバー２０が挿入される開口部４０ｂと、開口部４０ｂに挿入された光ファイバー２０を支持する支持部４０ｄと、入射窓３１に取り付け部材４０を固定する装着部４０ｃと、光ファイバー２０から出射された光が通過する光通路４７とが設けられている。また、キャップ４５には、外方に向かって拡がる形状を呈する光出射穴４１と、光ファイバー２０の光透過部２１が挿入される嵌合部４５ａとが設けられている。光ファイバー２０の光透過部２１はその端部に於いて露出されており、キャップ４５の嵌合部４５ａに露出した光透過部２１と端面２３が覆われる。ロック部４４は光ファイバー２０を取り付け部材４０に固定する円筒状の部材であり、図示せぬネジ等を用いて、ロック部４４と、取り付け部材４０と、光ファイバー２０とが固定される。

光ファイバー２０の露出した光透過部２１にキャップ４５を被せ、キャップ４５を取り付け部材４０の開口部４０ｂに挿入させ、ロック部４４を取り付け部材４０に固定することにより、光ファイバー２０の端面２３と光出射穴４１とが隣接して配置できる（図４（ｂ）参照）。光出射穴４１をキャップ４５に設け、キャップ４５と開口部４０ｂとで露出した光透過部２１を支持するため、光透過部２１の軸ぶれが解消されると共に端面２３と光出射穴４１とが隣接配置が可能となり、光学的に損失の少ない取り付けが可能となる。

図５は、取り付け部材４０の第２の実施形態の一例で組み付け断面図である。第１の実施形態と同様の構成は名称及び符号を一致させ、説明を省略する。

取り付け部材４０には、外方に向かって拡がる形状を呈する光出射穴４１と光ファイバー２０を挿入支持する支持部４０ｄとが設けられている。光ファイバー２０の先端部を支持部４０ｄに挿入させ、ロック部４４で光ファイバー２０を取り付け部材４０に固定することにより、光透過部２１の端面２３を光出射穴４１に隣接配置させることができる。取り付け部材４０に直接光出射穴４１を設けることにより、位置決めの安定が図られ、光学的に損失の少ない取り付けが可能となる。

図６は、取り付け部材４０の第３の実施形態の一例で組み付け断面図である。第１及び第２の実施形態と同様の構成は名称及び符号を一致させ、説明を省略する。

光出射穴４１は薄板４６の略中央に設けられている。薄板４６は、支持部４０ｄの底部に配置される。光ファイバー２０の先端部を支持部４０ｄに挿入させ、ロック部４４で光ファイバー２０を取り付け部材４０に固定することにより、光透過部２１の端面２３を光出射穴４１に隣接配置させることができる。薄板４６と光ファイバー２０とを支持部４０ｄ内に挿入するだけで、光透過部２１の中心軸と光出射穴４１の中心軸とを一致させることができ、端面２３と光出射穴４１とが隣接配置が容易となる。

本実施形態においては、第１の実施形態と異なり、光出射穴４１は外側へ広がる形状を呈しておらず、光通路４７も外側へ広がる形状を呈していない。しかしながら、光通路４７の最外部（図６における左端）の径Ｋが、光が出射した時点での拡がり径より大きいことが必要となる。

第２及び第３の実施形態の光ファイバー２０の端部に於いて、光透過部２１は露出していても露出していなくても良い。露出には、ホットストリッパ等が利用できる。また、一般的に光ファイバーは三層構造（一次被覆層、緩衝層、二次被覆層）の保護層で被覆されているものが多く、二次被覆層あるいは緩衝層までを除去した形態で使用してもよい。少なくとも、一以上の保護層を除去した場合は、露出部を覆う保持部材（キャップ４５に類似した形状）を設けていても良い。

図７は、端面と光出射穴及び凹面鏡との関係を示す模式図である。

図７（ａ）は、端面２３と光出射穴４１との距離Ｄとの関係を示している。光ファイバー２０の端面２３から出射した原子発光線は、光出射穴４１で集光され、凹面鏡３２に一定の照射領域２５で照射する。距離Ｄが小さく端面２３と光出射穴４１とが隣接して配置されていると、照射領域２５は、凹面鏡３２の反射有効口径３２ａ（図中破線円参照）より大きくなり、分析するための満足できる光量が分光器３０内で得られる。また、図７（ｂ）に示すように、光ファイバー２０の中心軸と光出射穴４１の中心軸とのずれＬが生じても、照射領域２５が凹面鏡３２の反射有効口径３２ａから外れてしまうこともない。

即ち、取り付け部材４０を用いることにより、光透過部２１の中心軸と光出射穴４１の中心軸とを一致させることが容易となり、また端面２３と光出射穴４１とを隣接させることが組み付け上で可能となり、分光器３０内の凹面鏡３２の反射有効口径３２ａ以上の原子発光線の照射領域２５が確保され、分析に必要な光量が十分得られ、安定した分析感度ある優れたＩＣＰ発光分光分析装置が提供できる。

上述の隣接とは、光透過部２１の端面２３と光出射穴４１とが当接（距離がゼロ）した状態を含み、凹面鏡３２に照射される原子発光線の照射領域２５が、凹面鏡３２の反射有効口径３２ａ以上に確保できる距離Ｄの範囲である。

尚、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。その他、上述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数値、形態、数、配置箇所、等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。

本発明に係るＩＣＰ発光分光分析装置は、例えば、光ファイバーを利用して分光器に原子発光線を入射させる際に光出射穴を利用して凹面鏡に入射光を効率よく照射させる用途に適用可能である。

１：ＩＣＰ発光分光分析装置
１０：誘導結合プラズマ装置
１８：誘導結合プラズマ（プラズマ）
２０：光ファイバー
２１：光透過部
２３：端面
３０：分光器
３１：入射窓
３２：凹面鏡
３３：回折格子
３４：検出器
４０：取り付け部材
４１：光出射穴
４５：キャップ

Claims (5)

1. 分析対象の元素を誘導結合プラズマにより原子化またはイオン化し、原子発光線を得る誘導結合プラズマ装置と、
   前記原子発光線を取り入れた後、分光して検出する分光器と、
   前記誘導結合プラズマ装置と前記分光器とを接続する光ファイバーと、を備えるＩＣＰ発光分光分析装置であって、
   前記光ファイバーから原子発光線を前記分光器に向けて出射する光出射穴を前記光ファイバーの端面に隣接して設けた、ＩＣＰ発光分光分析装置。
2. 請求項１に記載のＩＣＰ発光分光分析装置であって、
   前記光ファイバーの端部において露出し、前記端面を含む光透過部を覆うキャップと、
   前記キャップを覆うとともに、前記分光器に取り付けられる取り付け部材と、をさらに備え、
   前記露出した光透過部に隣接するように、前記光出射穴が前記キャップに設けられる、ＩＣＰ発光分光分析装置。
3. 請求項１に記載のＩＣＰ発光分光分析装置であって、
   前記光ファイバーの端部において露出し、前記端面を含む光透過部を覆うとともに、前記分光器に取り付けられる取り付け部材をさらに備え、
   前記露出した光透過部に隣接するように、前記光出射穴が前記取り付け部材に設けられる、ＩＣＰ発光分光分析装置。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載のＩＣＰ発光分光分析装置であって、
   前記光出射穴が拡がり形状を呈する、ＩＣＰ発光分光分析装置。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載のＩＣＰ発光分光分析装置であって、
   前記光出射穴と前記光ファイバーの端面の距離がゼロである、ＩＣＰ発光分光分析装置。

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