JP2018504592A

JP2018504592A - レーザ誘起ブレークダウン分光器の試料室

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Publication number: JP2018504592A
Application number: JP2017534642A
Authority: JP
Inventors: ペイドンワン; ハオウェンリ; ロンスン; マイケルブッシュ
Original assignee: サーモサイエンティフィックポータブルアナリティカルインスツルメンツインコーポレイテッド
Priority date: 2014-12-31
Filing date: 2015-12-04
Publication date: 2018-02-15
Anticipated expiration: 2035-12-04
Also published as: CA2969683C; WO2016109115A2; US9719857B2; CN107110769B; JP6676055B2; US20160187201A1; AU2015374523B2; AU2015374523A1; EP3241015A2; CA2969683A1; CN107110769A; WO2016109115A3

Abstract

レーザ誘起ブレークダウン分光器（ＬＩＢＳ）の試料室のための方法及び装置。装置は、試料室と、試料室の第１のポートに接続される励起光学アセンブリに接続されたレーザ光源と、試料室上の第２のポートに接続されている分光器に接続されたコリメータアセンブリと、第１のポート上に位置する第１のレンズ管及び第２のポート上に位置する第２のレンズ管であって、レーザ光源からのレーザパルスが標的試料の表面をアブレーションしプラズマを発生する際に発射される粒子から、励起光学アセンブリに接続された第１のポートを保護する第１のレンズ管及びコリメータアセンブリに接続された第２のポートを保護する第２のレンズ管と、を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、一般的には分光器に関し、より詳しくはレーザ誘起ブレークダウン分光器（ＬＩＢＳ）の試料室に関する。

一般に、レーザ誘起ブレークダウン分光器（ＬＩＢＳ）は、確実に集束されたレーザビームと材料試料との間の相互作用の結果、原子及びイオンが主にそれらの励起状態で形成される照射分光器技術である。物質と高密度光子との間の相互作用は、プラズマプルームを発生し、それは時間とともに展開し、最終的には熱力学平衡を得ることができる。

ＬＩＢＳの重要な特徴の１つは、従来の分光分析技術とは異なり、それがいかなる試料調製も必要としないことである。固体、液体、ゲル、ガス、プラズマ及び生物材料の形態の試料は、ほぼ同等の容易さで研究することができる。ＬＩＢＳは、試料の中のすべての化学元素の検出処理、リアルタイム応答、及び標的に対する密着または隔離分析の能力により、主要な分析技術へと急速に発展してきた。

以下、本発明のいくつかの態様の基本的な理解を実現するために、技術革新の簡略化された概要を提示する。この概要は、本発明の広範な概観ではない。それは、本発明の重要なまたは厳密な要素を特定することも、本発明の範囲を輪郭づけることも意図されていない。その唯一の目的は、後述するより詳細な記載に対する先導として、簡単な形態で本発明のいくつかの概念を提示することである。

本発明は、レーザ誘起ブレークダウン分光器（ＬＩＢＳ）の試料室のための方法及び装置を提供する。

一般に、一態様において、本発明は、装置であって、試料室と、励起光学アセンブリに接続されたレーザ光源であって、当該励起光学アセンブリが、当該試料室上の第１のポートに接続されている、レーザ光源と、分光器に接続されたコリメータアセンブリであって、当該試料室上の第２のポートに接続されている、当該コリメータアセンブリと、当該第１のポート上に位置する第１のレンズ管及び当該第２のポート上に位置する第２のレンズ管であって、当該レーザ光源からのレーザパルスが標的試料の表面をアブレーションしプラズマを発生する際に発射される粒子から、当該励起光学アセンブリに接続された当該第１のポートを保護する当該第１のレンズ管、及び当該コリメータアセンブリに接続された当該第２のポートを保護する当該第２のレンズ管と、を含む、装置を特徴とする。

別の態様において、本発明は、装置であって、試料室と、励起光学アセンブリに接続されたレーザ光源であって、当該励起光学アセンブリが、当該試料室上の第１のポートに接続されている、レーザ光源と、分光器に接続されたコリメータアセンブリであって、当該試料室上の第２のポートに接続されている、当該コリメータアセンブリと、当該第１のポートと当該標的試料との間に位置する仕切りであって、当該レーザ光源からのレーザパルスが標的試料の表面をアブレーションしプラズマを発生する際に発射される粒子から、当該励起光学アセンブリに接続された当該第１のポート及び当該コリメータアセンブリに接続された当該第２のポートを保護する、当該仕切りと、を含む、装置を特徴とする。

別の態様において、本発明は、装置であって、試料室と、励起光学アセンブリに接続されたレーザ光源であって、当該励起光学アセンブリが、当該試料室上の第１のポートに接続されている、レーザ光源と、分光器に接続された光パイプの出力端と、当該試料室に接続された当該光パイプの収集端と、当該第１のポートと当該標的試料との間に位置する仕切りであって、当該レーザ光源からのレーザパルスが標的試料の表面をアブレーションしプラズマを発生する際に発射される粒子から、当該励起光学アセンブリに接続された当該第１のポートを保護する、当該仕切りと、を含む、装置を特徴とする。

別の態様において、本発明は、装置であって、試料室と、励起光学アセンブリに接続されたレーザ光源であって、当該励起光学アセンブリが、当該試料室上の第１のポートに接続されている、レーザ光源と、分光器に接続されたコリメータアセンブリであって、当該試料室上の第２のポートに接続されている、当該コリメータアセンブリと、当該第１または第２のポート上に位置するレンズ管であって、当該レーザ光源からのレーザパルスが標的試料の表面をアブレーションし、かつプラズマを発生する際に発射される粒子から、当該励起光学アセンブリに接続された当該第１のポートまたは当該コリメータアセンブリに接続された当該第２のポートを保護する、当該レンズ管と、を含む、装置を特徴とする。

本発明は、下記の利点のうちの１つ以上を含むことができる。

ある装置は、レーザ誘起ブレークダウン分光器（ＬＩＢＳ）システムにおいて破損及び／または汚染から光学アセンブリ及び／またはコリメータアセンブリを保護する１つ以上のレンズ管が中にある試料室を含む。

ある装置は、レーザ誘起ブレークダウン分光器（ＬＩＢＳ）システムにおいて破損及び／もしくは汚染から光学アセンブリならびに／またはコリメータアセンブリを保護するように適切に固定された透明な材料（例えば、水晶、ガラスまたはプラスチック）が中にある試料室を含む。

これらのならびに他の特徴及び利点は、下記の詳細な説明を読み、関連する図面を概観することにより明らかとなろう。上記の一般的な説明及び下記の詳細な説明は両方とも、単なる例示にすぎず、特許請求されるような態様を制限しないことを理解されたい。

本明細書に組み込まれかつ本明細書の一部を構成する、添付の図面は、本発明の実施形態を図解し、上記に提供された本発明の一般的な説明、及び下記に提供される実施形態の詳細な説明とともに、本発明の原理を説明するのに役立つ。

本発明による例示の装置の第１の実施形態のブロック図である。本発明による例示の装置の第２の実施形態のブロック図である。本発明による例示の装置の第３の実施形態のブロック図である。本発明による例示の装置の第４の実施形態のブロック図である。

これから、図面を参照して主題の技術革新を説明するが、そこでは同じ参照番号は全体を通して同じ要素を示すように使用される。下記の記載では、説明の目的について、本発明の徹底的な理解を実現するために、多くの特定の細部が説明される。しかしながら、本発明はこれらの特定の細部がなくても実施できることは明らかであり得る。他の例では、本発明の説明を容易にするために、周知の構造及びデバイスがブロック図の形態において示される。

本明細書で使用されるとき、「または」という用語は、排他的な「または」ではなく、包括的な「または」を意味するものである。すなわち、特に明記されない限り、または文脈から明らかでない限り、「ＸはＡまたはＢを使用する」は、すべての自然な包括的置換を意味するものである。すなわち、「ＸはＡを使用する」、「ＸはＢを使用する」、または「ＸはＡ及びＢの両方を使用する」場合、「ＸはＡまたはＢを使用する」はすべての前出の例の条件を満たす。さらに、本明細書及び添付の図面において使用される冠詞「ａ」及び「ａｎ」は、単数形を示すものと特に明記されない限りまたは文脈から明らかでない限り、「１つ以上」を意味すると一般的に解釈されるべきである。

図１に示されるように、例示のレーザ誘起ブレークダウン分光器（ＬＩＢＳ）システム１００の第１の実施形態は、ハウジング１１２を含む。ハウジング１１２は、励起光学アセンブリ１２０に接続されたレーザ光源１１５を含む。ハウジング１１２はまた、分光器１３０に接続されたコリメータアセンブリ１２５を含む。励起光学アセンブリ１２０及びコリメータアセンブリ１２５は、試料室１４０上のポート１３２、１３５上にそれぞれ位置する。試料室１４０は、標的試料１４５を含む。いくつかの実施形態では、ＬＩＢＳシステム１００は、Ｇｏｕｌｔｅｒらに付与され、かつ本出願の譲受人に譲渡された「ＨＡＮＤ−ＨＥＬＤ，ＳＥＬＦ−ＣＯＮＴＡＩＮＥＤＯＰＴＩＣＡＬＥＭＩＳＳＩＯＮＳＰＥＣＴＲＯＳＣＯＰＹ（ＯＥＳ）ＡＮＡＬＹＺＥＲ」と題される米国特許第８，３５５，１２６Ｂ２号に記載されているような手持型で自立型の分析器として構成され、その開示内容は、すべての目的のためにその全体が参照により本明細書に組み込まれる。しかしながら、組み込まれた参照の中の何かが本出願の中に記述された何かと食い違うところでは、本出願が優先する。

動作において、レーザ光源１１５から発射されたレーザパルス１４８は、励起光学アセンブリ１２０を通過し、励起光学アセンブリがレーザパルス１４８を標的試料１４５の表面上に集束させる。レーザパルス１４８は、標的試料１４５の表面上に高温のマイクロプラズマを発生する。原子、分子、及び微細な埃粒子を含む粒子は、標的試料１４５の表面からプラズマへとアブレーションされて、そこで粒子は細分化され励起される。この励起の後、標的試料１４５の元素組成に特徴的である光が放射され、コリメータアセンブリ１２５によって収集され、かつ分光器１３０内で分析される。

動作中に、標的試料１４５の表面からアブレーションされる粒子は、励起光学アセンブリ１２０のポート１３２及びコリメータアセンブリ１２５のポート１３５に到達できるので、ポート１３２及び１３５上に粒子が蓄積する。粒子蓄積の発生を許容するならば、標的試料１４５の表面をアブレーションするレーザ光源１１５及び標的試料１４５の元素組成に特徴的である光を受信するコリメータアセンブリ１２５の有効性が損なわれる。

粒子蓄積を制限または低減するために、励起光学アセンブリ１２０のポート１３２を覆って第１のレンズ管１５０が位置し、かつコリメータアセンブリ１２５のポート１３５を覆って第２のレンズ管１５５が位置する。実施形態では、第１のレンズ管１５０及び第２のレンズ管１５５は、図１に示されるように、ハニカムのように仕切られ及び／または組み立てられることができる。特定の実施形態では、第１のレンズ管１５０及び第２のレンズ管１５５は、図１に示されるように、試料室１４０の中に（例えば、部分的に中に）延びるか、または試料室１４０から離れて延びる（図示せず）。さらに他の実施形態では、第１のレンズ管１５０及び第２のレンズ管１５５は、洗浄または交換のために取り外し可能である。

動作中に、標的試料１４５の表面からアブレーションされた粒子は、レンズ管１５０及びレンズ管１５５によってそれぞれ提供される保護によって、励起光学アセンブリ１２０及びコリメータアセンブリ１２５を塞ぐこと及び／または破損することを防止される。

図２に示されるように、例示のレーザ誘起ブレークダウン分光器（ＬＩＢＳ）システム２００の第２の実施形態は、ハウジング１１２を含む。ハウジング１１２は、励起光学アセンブリ１２０に接続されたレーザ光源１１５を含む。ハウジング１１５はまた、分光器１３０に接続されたコリメータアセンブリ２２５を含む。励起光学アセンブリ１２０及びコリメータアセンブリ２２５は、試料室１４０上のポート１３２、１３５上にそれぞれ位置する。試料室１４０は、標的試料１４５を含む。

動作において、レーザ光源１１５から発射されたレーザパルス２４８は、励起光学アセンブリ１２０を通過し、励起光学アセンブリがレーザパルス２４８を標的試料１４５の表面上に集束させる。レーザパルス２４８は、標的試料１４５の表面上に高温のマイクロプラズマを発生する。粒子は、標的試料１４５の表面からプラズマへとアブレーションされて、そこで粒子は細分化され励起される。この励起の後、標的試料１４５の元素組成に特徴的である光が放射され、コリメータアセンブリ２２５によって収集され、かつ分光器１３０内で分析される。

動作中に、標的試料１４５の表面からアブレーションされる粒子は、励起光学アセンブリ１２０のポート１３２及びコリメータアセンブリ２２５のポート１３５に到達できるので、ポート１３２及び１３５上に粒子が蓄積する。粒子蓄積の発生を許容するならば、標的試料１４５の表面をアブレーションするレーザ光源１１５の有効性及び標的試料１４５の元素組成に特徴的である光を受信するコリメータアセンブリ１２５の能力が損なわれる。

粒子蓄積を防止するために、試料室１４０は、仕切り２６０を含む。仕切り２６０は、標的試料１４５及びポート１３２、１３５の間に位置する試料室１４０の横壁の中に固定される。実施形態では、仕切り２６０は、洗浄または交換のために取り外し可能である。仕切り２６０は、透明な材料（例えば、水晶、ガラスまたはプラスチック）、すなわち、対象となる波長において光学的に９０％を超える透過性の材料で組み立てることができる。

動作中に、標的試料１４５の表面からアブレーションされた粒子は、仕切り２６０にぶつかり、故にポート１３２、１３５を塞ぐことを防止される。さらに具体的には、埃及び粒子は、仕切り２６０上に堆積される。このことは、励起光学アセンブリ１２０及びコリメータアセンブリ１２５が粒子によって汚染されること及び／または破損されることにならないことを保証する。

図３に示されるように、例示のレーザ誘起ブレークダウン分光器（ＬＩＢＳ）システム３００の第３の実施形態は、ハウジング１１２を含む。ハウジング１１２は、励起光学アセンブリ１２０に接続されたレーザ光源１１５を含む。ハウジング１１２はまた、分光器３３０に接続された光パイプ３２２を含む。一般に、光パイプは、１つの場所から別の場所に光を伝送するのに使用される。光パイプ３２２は、収集端３２４及び出力端３２６を含む。光パイプ３２２は、図３に示されるように、粒子汚染を防止するための湾曲部を含む、後述されるような空洞管である。一実施形態では、光パイプ３２２は、空洞金属管である。

励起光学アセンブリ１２０は、試料室１４０上のポート１３２上に位置し、かつ、光パイプ３２２の収集端３２４は、試料室１４０に接続されている。一実施形態では、光パイプ３２２の収集端３２４は、試料室１４０に開放可能に接続されて洗浄の目的を果たす。試料室１４０は、標的試料１４５を含む。

動作において、レーザ光源１１５から発射されたレーザパルス２４８は、励起光学アセンブリ１２０を通過し、励起光学アセンブリがレーザパルス２４８を標的試料１４５の表面上に集束させる。レーザパルス２４８は、標的試料１４５の表面上に高温のマイクロプラズマを発生する。粒子は、標的試料１４５の表面からプラズマへとアブレーションされて、そこで粒子は細分化され励起される。この励起の後、標的試料１４５の元素組成に特徴的である光が放射され、光パイプ３２２によって収集され、レンズ３２７を通って通過され、かつ分光器３３０内で分析される。

動作中に、標的試料１４５の表面からアブレーションされた粒子は、励起光学アセンブリ１２０のポート１３２に到達できるので、ポート１３２上に粒子が蓄積する。粒子蓄積の発生を許容するならば、標的試料１４５の表面をアブレーションするレーザ光源１１５の有効性及び標的試料１４５の元素組成に特徴的である光を受信する光パイプ３２２の能力が損なわれる。

ポート１３２上の粒子蓄積を防止するために、試料室１４０は、仕切り２６０を含む。仕切り２６０は、試料室２４０の横壁の中に固定され、かつ標的試料１４５及びポート１３２の間に位置する。実施形態では、仕切り２６０は、洗浄または交換のために取り外し可能である。仕切り２６０は、透明な材料（例えば、水晶、ガラスまたはプラスチック）で組み立てることができる。

動作中に、標的試料１４５の表面からアブレーションされた粒子は、仕切り２６０にぶつかり、故にポート１３２を塞ぐことを防止される。さらに具体的には、埃及び粒子は、仕切り２６０上に堆積される。このことは、励起光学アセンブリ１２０が粒子によって汚染されること及び／または破損されることにならないことを保証する。

代替の実施形態において、図４に示されかつ図１を参照して説明されるように、図３における仕切り２６０は、例示のレーザ誘起ブレークダウン分光器（ＬＩＢＳ）システム４００において取り除くことができ、レンズ管１５０がポート１３２を覆って位置するか、またはレンズ管１５５がポート１３５を覆って位置する。そのような構造では、動作中に、標的試料１４５の表面からアブレーションされる粒子は、レンズ管１５０により提供される保護によって、励起光学アセンブリ１２０を塞ぐこと及び／もしくは破損すること、またはレンズ管１５５により提供される保護によってコリメータアセンブリ１２５を破損することを防止される。特定の実施形態では、レンズ管１５０またはレンズ管１５５は、図１に示されるように、試料室１４０の中に（例えば、部分的に中に）延びるか、または試料室１４０から離れて延びる（図示せず）。一実施形態では、図４に示されるように、光パイプ３２２の収集端３２４は、試料室１４０に接続される。

「開示の要約書」が３７Ｃ．Ｆ．Ｒ．Ｓｅｃｔｉｏｎ１．７２（ｂ）に準拠するように提供されて、読者が技術的開示の本質を即座に把握することができる要約書を必要とすることが強調されている。要約書は、それが特許請求の範囲もしくは意味を解釈するためまたは制限するために用いられるものではないとの理解をもって提出される。なお、上記した「発明を実施するための形態」の中で、開示を簡略化する目的のために、様々な特徴が単一の実施形態において総合してグループ化されていることが分かり得る。この開示方法は、特許請求に係る実施形態が各請求項において明示的に列挙された特徴よりも多くの特徴を要求する意図を反映することとして解釈してはならない。むしろ、下記の特許請求の範囲が反映するように、発明の主題は単一の開示された実施形態のすべての特徴よりも少ない。したがって、下記の特許請求の範囲は、独立した実施形態として自立している各請求項によって、「発明を実施するための形態」の中に組み込まれている。添付された特許請求の範囲において、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」及び「ｉｎｗｈｉｃｈ」という用語は、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」及び「ｗｈｅｒｅｉｎ」の各々の用語に相当する平易な英語としてそれぞれ使用される。さらに、「第１」、「第２」、「第３」等々はラベルにすぎず、それらの趣旨について数値的要件を課するものではない。

本発明は例示の実施形態の記載によって説明されてきたが、また、この実施形態はかなりの細部において記載されてきたが、出願人の意図は添付された特許請求の範囲をそのような細部に限定すること、すなわちいかなる方法であっても制限することではない。追加の利点及び修正が、当業者には容易に明らかとなろう。その境界態様における発明は、それ故に特定の細部、代表的な装置及び方法、ならびに示されたかつ記載された実施例に限定するものではない。したがって、出願人の一般的な発明の概念の趣旨または範囲から逸脱することなく、そのような細部から逸脱がなされてもよい。

Claims

装置であって、
試料室と、
励起光学アセンブリに接続されたレーザ光源であって、前記励起光学アセンブリが、前記試料室の第１のポートに接続されている、レーザ光源と、
分光器に接続されたコリメータアセンブリであって、前記試料室の第２のポートに接続されている、コリメータアセンブリと、
前記第１のポートに位置する第１のレンズ管、及び前記第２のポートに位置する第２のレンズ管であって、前記レーザ光源からのレーザパルスが標的試料の表面をアブレーションしプラズマを発生する際に発射される粒子から、前記励起光学アセンブリに接続された前記第１のポートを保護する第１のレンズ管、及び前記コリメータアセンブリに接続された前記第２のポートを保護する第２のレンズ管と、を備える、装置。
前記標的試料は、前記試料室の中に位置する、請求項１に記載の装置。
前記分光器は、レーザ誘起ブレークダウン分光器である、請求項１に記載の装置。
前記第１のレンズ管及び前記第２のレンズ管は、透明な材料で構築されている、請求項１に記載の装置。
前記透明な材料は、ガラスである、請求項４に記載の装置。
前記透明な材料は、プラスチックである、請求項４に記載の装置。
前記透明な材料は、ハニカム状である、請求項４に記載の装置。
前記第１のレンズ管及び前記第２のレンズ管は、取り外し可能である、請求項１に記載の装置。
装置であって、
試料室と、
励起光学アセンブリに接続されたレーザ光源であって、前記励起光学アセンブリが、前記試料室の第１のポートに接続されている、レーザ光源と、
分光器に接続されたコリメータアセンブリであって、前記試料室の第２のポートに接続されている、コリメータアセンブリと、
前記第１のポートと標的試料との間に位置する仕切りであって、前記レーザ光源からのレーザパルスが標的試料の表面をアブレーションしプラズマを発生する際に発射される粒子から、前記励起光学アセンブリに接続された前記第１のポート及び前記コリメータアセンブリに接続された前記第２のポートを保護する、仕切りと、を備える、装置。
前記標的試料は、前記試料室の中に位置する、請求項９に記載の装置。
前記分光器は、レーザ誘起ブレークダウン分光器である、請求項９に記載の装置。
前記仕切りは、透明な材料で構築されている、請求項９に記載の装置。
前記透明な材料は、ガラスである、請求項１２に記載の装置。
前記透明な材料は、プラスチックである、請求項１２に記載の装置。
前記仕切りは、取り外し可能である、請求項９に記載の装置。
装置であって、
試料室と、
励起光学アセンブリに接続されたレーザ光源であって、前記励起光学アセンブリが、前記試料室の第１のポートに接続されている、レーザ光源と、
分光器に接続された光パイプの出力端と、
前記試料室に接続された前記光パイプの収集端と、
前記第１のポートと標的試料との間に位置する仕切りであって、前記レーザ光源からのレーザパルスが標的試料の表面をアブレーションしプラズマを発生する際に発射される粒子から、前記励起光学アセンブリに接続された前記第１のポートを保護する、仕切りと、を備える、装置。
前記標的試料は、前記試料室の中に位置する、請求項１６に記載の装置。
前記分光器は、レーザ誘起ブレークダウン分光器である、請求項１６に記載の装置。
前記仕切りは、透明な材料で構築されている、請求項１６に記載の装置。
前記透明な材料は、ガラスである、請求項１９に記載の装置。
前記透明な材料は、プラスチックである、請求項１９に記載の装置。
前記仕切りは、取り外し可能である、請求項１６に記載の装置。
前記光パイプは、前記試料室に開放可能に接続されている、請求項１６に記載の装置。
装置であって、
試料室と、
励起光学アセンブリに接続されたレーザ光源であって、前記励起光学アセンブリが、前記試料室の第１のポートに接続されている、レーザ光源と、
分光器に接続されたコリメータアセンブリであって、前記試料室の第２のポートに接続されている、コリメータアセンブリと、
前記第１ポート又は前記第２のポートに位置するレンズ管であって、前記レーザ光源からのレーザパルスが標的試料の表面をアブレーションしプラズマを発生する際に発射される粒子から、前記励起光学アセンブリに接続された前記第１のポートまたは前記コリメータアセンブリに接続された前記第２のポートを保護する、レンズ管と、を備える、装置。
分光器に接続された光パイプの出力端、及び前記試料室に接続された前記光パイプの収集端をさらに含む、請求項２４に記載の装置。
前記レンズ管は、透明な材料で構築されている、請求項２４に記載の装置。
前記透明な材料は、ガラスである、請求項２６に記載の装置。
前記透明な材料は、プラスチックである、請求項２６に記載の装置。
前記透明な材料は、ハニカム状である、請求項２６に記載の装置。
前記レンズ管は、取り外し可能である、請求項２４に記載の装置。