JP3800621B2

JP3800621B2 - Ｉｃｐ分析装置

Info

Publication number: JP3800621B2
Application number: JP2002009358A
Authority: JP
Inventors: 智之平野
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2002-01-18
Filing date: 2002-01-18
Publication date: 2006-07-26
Anticipated expiration: 2022-01-18
Also published as: JP2003215042A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波プラズマを用いたＩＣＰ発光分析装置やＩＣＰ質量分析装置などのＩＣＰ分析装置に係わり、特に、分析用の溶液試料を霧化する試料霧化部の噴霧室の温度制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】
３００ＭＨｚ以下の周波数において、コイルに高周波電流を流し、高周波磁界の電磁誘導によって発生する電界に、試料ガスを導入するとプラズマ放電が発生し、放電と電気回路の結合は誘導型となり、このプラズマ放電は一般にＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ‐ＣｏｕｐｌｅｄＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙＰｌａｓｍａ：高周波誘導結合プラズマ）と呼ばれている。
ＩＣＰ発光分析装置（高周波プラズマ発光分析装置）は、そのプラズマ放電の発光を分光器で分光し試料に含まれる元素の分析を行うものである。また、ＩＣＰ質量分析装置は、そのプラズマ放電によって発生したイオンを分析室の電場や磁場に導き質量数によって選別し、試料に含まれる元素の分析を行うものである。
【０００３】
図２に、従来のＩＣＰ発光分析装置（以下、ＩＣＰ分析装置という）のブロックダイアグラムを示す。ＩＣＰ分析装置は、溶液の試料２が、アルゴンガス供給装置１のアルゴンガス流量制御部１ａで流量制御（０．６〜１ｌ／ｍｉｎ程度）されたキャリアガス（アルゴンガス）と共にネブライザ４ｃに導入され、試料霧化部１２の噴霧室１２ａ内に噴霧される。
試料霧化部１２は、噴霧室１２ａとその外周に噴霧室水冷部１２ｂを備えた２重構造を有し、一般に、水冷チャンバなどと呼ばれて、冷却水が冷却水送水装置１１から入口１２ｆを介して外側の噴霧室水冷部１２ｂに給水され、噴霧室１２ａが冷却水温度に冷却され、噴霧室１２ａの温度変化を抑えている。その冷却水は出口１２ｇから出て冷却水送水装置１１に戻り、所定の温度に制御されて循環する。そして、噴霧室１２ａでのドレインはドレインパイプ４ｄに貯められる。そして、試料霧化部１２は上方のプラズマトーチ７と接続部１２ｅで接続されている。
【０００４】
プラズマトーチ７は、石英管７ａ、７ｂ、７ｃの同心三重構造をしており、外側よりクーラントガス、補助ガス、試料を含むキャリアガスが流される。
クーラントガスは、アルゴンガスが用いられ、外径２０ｍｍ程度の石英管７ｃの下部に設けられた入口７ｅから、アルゴンガス供給装置１のアルゴンガス流量制御部１ａで流量制御（外径２０ｍｍ程度の場合は１４ｌ／ｍｉｎ程度）されて供給される（Ａ）。クーラントガスは、プラズマトーチ７の放電部分の周囲の冷却を行うと共に、プラズマを形成するガスである。
補助ガスは、アルゴンガスが用いられ、石英管７ｂを保護すると同時に、上部で発生するプラズマをわずかに浮かせる目的で、下部に設けられた入口７ｄから、アルゴンガス供給装置１のアルゴンガス流量制御部１ａで流量制御（トーチ外径が２０ｍｍ程度では１．２ｌ／ｍｉｎ程度）されて供給される（Ｂ）。しかし、油、有機溶媒などの分析の場合は２ｌ／ｍｉｎ以上流すこともあるが、一般に水溶液試料の場合、補助ガスを流さないこともある。
キャリアガスは、噴霧室１２ａから送られた試料を含んだアルゴンガス（Ｃ）である。中心の石英管７ａの先端が細いノズルになっており、ここから霧化しプラズマの中央（Ｅ）に導入される。
【０００５】
プラズマトーチ７の上部位置に銅管製のコイル６が配置され、常に冷却水が流され、分析時に高周波電源５の電力が供給される。高周波電源５は高周波増幅部５ａの発振回路で発振した高周波を複数段のアンプで電力増幅し、電力検出部５ｂを介し、制御部５ｄによって整合部５ｃで、１次回路とコイル６の２次出力回路とのインピーダンスマッチングがとられ、損失を最小にして出力を最大にするように制御され、コイル６の内部にプラズマ（Ｄ）を生成する。
周波数は２７．１２ＭＨｚ、最大２ｋＷ程度のものが多く用いられる。また、補助ガスの入口７ｄ（又は、クーラントガスの入口７ｅ）にイグニッションコイル３の電極が設けられ、高電圧によりアルゴンガスの一部を電離させ、電離されたアルゴンガスがコイル６の近くに達すると、そこで発生している高周波磁界（Ｇ）のため、誘導電流が流れプラズマ（Ｄ）が発生する。ドーナツ状の中心温度は、約１０，０００°Ｋ、プラズマトーチ７の先端中心で６，０００〜８，０００°Ｋ程度になる。
【０００６】
霧になった試料は、プラズマトーチ７の中央（Ｅ）に導入され、まず、溶媒が蒸発し分子となり、さらに分解して励起原子、励起イオンの状態になり、（Ｆ）の部分でそれらが定常状態に戻るときに、余分なエネルギーを元素固有の波長を持つスペクトルとして放射する。
（Ｆ）で発光した光は分光器８に導入され、レンズ８ａによって回折格子８ｂに照射され、そこで分光されて、円弧上に配置された光電子増倍管８ｃに入力され、その各信号がデータ処理部９に送られてスペクトル処理され、表示部１０に表示される。ここでは、パッシェン・ルンゲのマウンティングの分光器について述べているが、他にチェルンタナのマウンティングのシーケンシャル型、同時多元素型ならばエシェルマウンティングもある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来のＩＣＰ分析装置は以上のように構成されているが、噴霧室１２ａの環境温度が変化し、また、噴霧された試料２に対し高周波誘導により噴霧室１２ａの温度が変化すると、プラズマの中心部（Ｅ）への試料２の導入量が変動し、その結果測定データがばらつくという問題がある。
有機試料のように揮発性の高い試料２は、噴霧室１２ａを冷却することにより脱溶媒され、プラズマの中心部（Ｅ）への試料２の導入が容易になり感度を上げることができる。しかし、試料霧化部１２（水冷チャンバ）の噴霧室水冷部１２ｂに給水する水を、冷却水送水装置１１から供給するためには、冷凍器のＯＮ／ＯＦＦの温度幅が大きいと逆にデータがドリフトするため、精度ある高価な装置を必要とし、また、水道水を使用する場合は、多量の水道水が必要になるという問題がある。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、試料霧化部の噴霧室の冷却を簡素にし温度の変動を少なくして、経済的でデータ変動の少ないＩＣＰ分析装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明のＩＣＰ分析装置は、溶液試料をキャリアガスと共に噴霧室に噴霧して霧化するネブライザと、前記噴霧室を空冷する噴霧室空冷部と、中央部から前記ネブライザにより霧化された試料及びキャリアガス、中間パイプから補助ガス、外側パイプからクーラントガスが導入される三重パイプ構造のプラズマトーチと、前記ネブライザにキャリアガス、前記プラズマトーチに前記補助ガス及び前記クーラントガスを供給するガス供給装置と、前記プラズマトーチの先端部に設けられ、高周波電源に接続されたコイルとを備え、前記コイルに高周波電流を流してプラズマ形成し、前記霧化された試料を励起・発光させるＩＣＰ分析装置において、前記クーラントガスは前記噴霧室空冷部を経て前記プラズマトーチの外側パイプに供給されることを特徴とする。
【００１０】
あるいは、前記補助ガスは前記噴霧室空冷部を経て前記プラズマトーチの中間パイプに供給されることを特徴とする。
【００１１】
あるいは、前記キャリアガスは前記噴霧室空冷部を経て前記ネブライザに供給されることを特徴とする。
【００１２】
あるいは、さらに、前記霧化された試料の発光を分光する分光器と前記分光器をパージするパージガス供給装置を備え、前記パージガスが前記噴霧室空冷部を経て前記分光器に供給されることを特徴とする。
【００１３】
そして、前記ＩＣＰ分析装置を質量分析装置のイオン源としすることも可能である。
【００１４】
本発明のＩＣＰ分析装置は上記のように構成されており、試料霧化部の噴霧室の外周の噴霧室空冷部に、温度変動がない装置に使用されるガス（例えば、クーラントガス、補助ガス、キャリアガス、分光器をパージするガス、アルゴンガスなど）を導入し、噴霧室の温度変動を抑制し、その送出されたガスをプラズマトーチの外側パイプに導入して冷却する。
噴霧室の冷却に従来のような水冷方式を用いず、温度変動がない装置に使用されるガスで冷却するので、経済的に噴霧室の温度の変動を押え、試料のプラズマの中心への流量を一定にし、出力データの変動をなくすることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明のＩＣＰ分析装置の一実施例を、図１を参照しながら説明する。図１は本発明のＩＣＰ分析装置のブロックダイアグラムを示す図である。
本ＩＣＰ分析装置は、キャリアガス、補助ガス、クーラントガスを流量制御して供給するアルゴンガス流量制御部１ａを有したアルゴンガス供給装置１と、そして、試料２をキャリアガスと共に送り込むネブライザ４ｃと、ネブライザ４ｃの先端から溶液の試料２が噴霧される噴霧室４ａと、入口４ｆ、出口４ｇを有しクーラントガスで噴霧室４ａを冷却する噴霧室空冷部４ｂと、噴霧室４ａで霧化したドレインを貯めるドレインパイプ４ｄと、プラズマトーチ７との接続部４ｅを有した試料霧化部４と、そして、噴霧室４ａから試料ガスを導入する石英管７ａと入口７ｄにイグニッションコイル３の電極を有しそこから補助ガスを導入する石英管７ｂと入口７ｅからクーラントガスを導入する石英管７ｃとを有した３重構造のプラズマトーチ７と、その上部に設けられ高周波電流が流されるコイル６と、制御部５ｄによって高周波増幅部５ａで高周波が発振増幅され電力検出部５ｂを介して整合部５ｃで整合がとられコイル６に高周波電流を流す高周波電源５と、プラズマＦの発光をレンズ８ａで回折格子８ｂに集光させ分光させて光電子増倍管８ｃに入力させる分光器８と、分光器８からの信号をスペクトル処理するデータ処理部９と、そのデータを表示する表示部１０とから構成される。
【００１６】
アルゴンガス供給部１は、アルゴン（または窒素）ガスをアルゴンガス流量制御部１ａによって、クーラントガスを噴霧室空冷部４ｂに流量１４ｌ／ｍｉｎで供給し、また、キャリアガスを溶液の試料２と共にネブライザ４ｃから噴霧室４ａに流量１ｌ／ｍｉｎで供給し、また、補助ガスをイグニッションコイル３の電極を有する入口７ｄから石英管７ｂに流量１．２ｌ／ｍｉｎで供給するものである。
試料霧化部４は、噴霧室４ａの外周に噴霧室空冷部４ｂを設けた２重構造のチャンバで、噴霧室４ａはキャリアガスと共に溶液の試料２が先端から噴霧されるネブライザ４ｃを備え、入口４ｆと出口４ｇを備えた外側の噴霧室空冷部４ｂに温度変化が少ないクーラントガスが流され、噴霧室４ｂの温度変化が抑制される。噴霧室４ａで露化したドレインは下部に設けられたドレインパイプ４ｄに貯められる。そして、噴霧室４ａで霧化した試料２は、上部に設けられたプラズマトーチ７との接続部４ｅから、上部に流量１ｌ／ｍｉｎでキャリアガスと共に送り込まれる。
【００１７】
プラズマトーチ７は、下部の試料霧化部４と接続部４ｅで接続され、３重の石英管からなる同心構造のトーチである。中央の石英管７ａから試料２を含んだキャリアガス（アルゴンガス）が流量１ｌ／ｍｉｎで送り込まれ（Ｃ）、中間の石英管７ｂから補助ガス（アルゴンガス）が流量１．２ｌ／ｍｉｎで、イグニッションコイル３の電極を有する下部で高電圧によりアルゴンガスの一部が電離され、入口７ｄから送り込まれ（Ｂ）、外側の石英管７ｃから噴霧室空冷部４ｂを経由したクーラントガス（アルゴンガス）が流量１４ｌ／ｍｉｎで、下部の入口７ｅから送り込まれる（Ａ）。
石英管７ａの先端は細くノズル状に形成され、石英管７ｂの先端部は少し広がった形状をし、石英管７ｃは、石英管７ｂ、７ａの先端より上方に伸びた位置に形成されている。そして、石英管７ａの上部側面に、高周波電流を流すコイル６が配置され、試料ガスがプラズマとなる。
石英管７ｃに流されるクーラントガスは、プラズマトーチ７の放電部分の周囲の冷却を行うと共にプラズマ（Ｄ）を形成する。
石英管７ｂに流される補助ガスは、石英管７ｂを保護すると同時に、上部で発生するプラズマをわずかに浮かせると同時に、イグニッションコイル３の電極の高電圧で一部電離されたアルゴンガスがコイル６の近くに達し、そこで発生している高周波磁界（Ｇ）によって、誘導電流が流れプラズマ（Ｄ）を発生する。
石英管７ａに流される試料を含んだキャリアガスは、霧になった試料をプラズマトーチ７の中央（Ｅ）に導入し、まず、溶媒が蒸発し分子となり、さらに分解して励起原子、励起イオンの状態になり、（Ｆ）の部分でそれらが定常状態に戻るときに、余分なエネルギーを元素固有の波長を持つスペクトルとして放射する。
【００１８】
高周波電源部５は、制御部５ｄと発振回路を含む高周波増幅部５ａと電力検出部５ｂと整合部５ｃとから構成される。高周波増幅部５ａは、複数の高周波増幅回路をカスケードに接続し、段階的に電力増幅が行われ、ｋＷオーダの大きな電力を出力する。電力検出部５ｂは、進行波電力と反射波電力を検出して、その信号を制御部５ｄに送信し、整合部５ｃは、内部の第一回路側の出力インピーダンスと第二回路側（コイル６側）の入力インピーダンスとの整合をとり、損失を最小にして出力を最大にして、コイル６に高周波電流を流す。
分光器８は、プラズマＦで発光した光がレンズ８ａで回折格子８ｂに集光され分光されて、その分光された光は円弧上に配置された光電子増倍管８ｃに入力され、電気信号に変換されて出力される。
データ処理部９は、光電子増倍管８ｃから出力された信号が各波長のスペクトルに展開されて、試料２に含まれる元素の同定が行われ、分析データが作成されて、表示部１０でそのデータが表示される。
【００１９】
従来のＩＣＰ分析装置は、溶液の試料２をキャリアガスと共にネブライザ４ｃで噴霧する噴霧室１２ａが、図２に示すように冷却水送水装置１１からの冷却水を噴霧室水冷部１２ｂに送り、水冷によって温度抑制されていたが、本ＩＣＰ分析装置は、クーラントガスを噴霧室空冷部４ｂに導入して噴霧室４ａの温度変化を抑制しており、さらに、噴霧室空冷部４ｂから出た冷却に使用したクーラントガスを、プラズマトーチ７の外周の石英管７ｃに導入し、プラズマ周辺部の冷却と、プラズマ発生のガスとして用いられる。そのため冷却水送水装置１１が不要になり、従来のクーラントガスを利用することで経済的に運用できる。
クーラントガスは、通常、アルゴンガスが用いられ、アルゴンガス供給装置１で保管され温度的に安定しており、一般的に室温よりも低温であるため、噴霧室４ａの温度変化を抑制するのに最適である。
【００２０】
上記の実施例では、試料霧化部４の噴霧室空冷部４ｂに導入される温度変動がない装置に使用されるガスとして、クーラントガスを用いて説明したが、噴霧室冷却部４ｂに導入されるガスとして、補助ガスまたはキャリアガスを用いた場合のガスの流れについて説明する。
補助ガスまたはキャリアガスが、アルゴンガス供給装置１のアルゴンガス流量制御部１ａから噴霧室空冷部４ｂに供給され、噴霧室４ａの温度変動を抑制した後、出口４ｇから排出され、補助ガスを用いた場合は、その排出されたガスが石英管７ｂの入口７ｄに導入され、イグニッションコイル３の電極の高圧によってイオン化され、プラズマトーチ７の上方に送られる。キャリアガスを用いた場合は、出口４ｇから排出されたガスがネブライザ４ｃに送られ、溶液の試料２と共に噴霧室４ａに送られ、霧化されて上方のプラズマトーチ７の石英管７ａに送られ、プラズマＦとなる。
【００２１】
また、真空紫外用分光器では、光路を窒素ガスまたはアルゴンガスでパージすることがあり、噴霧室冷却に導入されるガスとして、このパージガスを用いる場合は、同様に、パージガスがアルゴンガス供給装置１のアルゴンガス流量制御部１ａから噴霧室空冷部４ｂに供給され、噴霧室４ａの温度変動を抑制した後、出口４ｇから排出され、分光器に送り込まれる。
【００２２】
また、噴霧室冷却に導入されるガスとして、アルゴンガス流量制御部１ａに流すアルゴンガスを用いる場合は、アルゴンガスが噴霧室空冷部４ｂに供給され、噴霧室４ａの温度変動を抑制し出口４ｇから排出された後、ガス供給元であるアルゴンガス供給装置１に戻し、再び温度制御して再利用できるようにする。
【００２３】
【発明の効果】
本発明のＩＣＰ分析装置は上記のように構成されており、溶液試料を霧化する噴霧室の外側に、一般的に室温より低温で温度が比較的安定しているアルゴン（または窒素）ガスを導入して噴霧室を冷却し、温度変動を抑制しているので、従来のような水冷方式を用いずに、現状のユティリティの範囲で、簡単な配管変更により、水冷チャンバをガス冷チャンバにすることができる。したがって、経済的に噴霧室の温度変動を押えることができ、試料のプラズマの中心への流量を一定にし、出力データの変動をなくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＩＣＰ分析装置の一実施例を示す図である。
【図２】従来のＩＣＰ分析装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１…アルゴンガス供給装置
１ａ…アルゴンガス流量制御部
２…試料
３…イグニッションコイル
４、１２…試料霧化部
４ａ、１２ａ…噴霧室
４ｂ…噴霧室空冷部
４ｃ…ネブライザ
４ｄ…ドレインパイプ
４ｅ…接続部
４ｆ、１２ｆ…入口
４ｇ、１２ｇ…出口
５…高周波電源
５ａ…高周波増幅部
５ｂ…電力検出部
５ｃ…整合部
５ｄ…制御部
６…コイル
７…プラズナトーチ
７ａ…石英管
７ｂ…石英管
７ｃ…石英管
７ｄ…入口
７ｅ…入口
８…分光器
８ａ…レンズ
８ｂ…回折格子
８ｃ…光電子増倍管
９…データ処理部
１０…表示部
１１…冷却水送水装置
１２ｂ…噴霧室水冷部

Claims

溶液試料をキャリアガスと共に噴霧室に噴霧して霧化するネブライザと、
前記噴霧室を空冷する噴霧室空冷部と、
中央部から前記ネブライザにより霧化された試料及びキャリアガス、中間パイプから補助ガス、外側パイプからクーラントガスが導入される三重パイプ構造のプラズマトーチと、
前記ネブライザにキャリアガス、前記プラズマトーチに前記補助ガス及び前記クーラントガスを供給するガス供給装置と、
前記プラズマトーチの先端部に設けられ、高周波電源に接続されたコイルとを備え、
前記コイルに高周波電流を流してプラズマ形成し、前記霧化された試料を励起・発光させるＩＣＰ分析装置において、
前記クーラントガスは前記噴霧室空冷部を経て前記プラズマトーチの外側パイプに供給されることを特徴とするＩＣＰ分析装置。
溶液試料をキャリアガスと共に噴霧室に噴霧して霧化するネブライザと、
前記噴霧室を空冷する噴霧室空冷部と、
中央部から前記ネブライザにより霧化された試料及びキャリアガス、中間パイプから補助ガス、外側パイプからクーラントガスが導入される三重パイプ構造のプラズマトーチと、
前記ネブライザにキャリアガス、前記プラズマトーチに前記補助ガス及び前記クーラントガスを供給するガス供給装置と、
前記プラズマトーチの先端部に設けられ、高周波電源に接続されたコイルとを備え、
前記コイルに高周波電流を流してプラズマ形成し、前記霧化された試料を励起・発光させるＩＣＰ分析装置において、
前記補助ガスは前記噴霧室空冷部を経て前記プラズマトーチの中間パイプに供給されることを特徴とするＩＣＰ分析装置。
溶液試料をキャリアガスと共に噴霧室に噴霧して霧化するネブライザと、
前記噴霧室を空冷する噴霧室空冷部と、
中央部から前記ネブライザにより霧化された試料及びキャリアガス、中間パイプから補助ガス、外側パイプからクーラントガスが導入される三重パイプ構造のプラズマトーチと、
前記ネブライザにキャリアガス、前記プラズマトーチに前記補助ガス及び前記クーラントガスを供給するガス供給装置と、
前記プラズマトーチの先端部に設けられ、高周波電源に接続されたコイルとを備え、
前記コイルに高周波電流を流してプラズマ形成し、前記霧化された試料を励起・発光させるＩＣＰ分析装置において、
前記キャリアガスは前記噴霧室空冷部を経て前記ネブライザに供給されることを特徴とするＩＣＰ分析装置。
溶液試料をキャリアガスと共に噴霧室に噴霧して霧化するネブライザと、
前記噴霧室を空冷する噴霧室空冷部と、
中央部から前記ネブライザにより霧化された試料及びキャリアガス、中間パイプから補助ガス、外側パイプからクーラントガスが導入される三重パイプ構造のプラズマトーチと、
前記ネブライザにキャリアガス、前記プラズマトーチに前記補助ガス及び前記クーラントガスを供給するガス供給装置と、
前記プラズマトーチの先端部に設けられ、高周波電源に接続されたコイルとを備え、
前記コイルに高周波電流を流してプラズマ形成し、前記霧化された試料を励起・発光させるＩＣＰ分析装置において、
さらに、前記霧化された試料の発光を分光する分光器と、前記分光器をパージするパージガス供給装置とを備え、
前記パージガスを前記噴霧室空冷部を経て分光器に供給されることを特徴とするＩＣＰ分析装置。
請求項１〜４いずれか１項に記載のＩＣＰ分析装置をイオン源とするＩＣＰ質量分析装置。