JP4455227B2 - Method for measuring gas isotope abundance ratio and system therefor - Google Patents
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Description
本発明は、ガスの同位体存在比率を測定する方法及びそのためのシステムに関し、例えばメタンの同位体と質量数が近い不純物が含まれるメタンの同位体存在比率を、メタンの改質や一般的なガスクロマトグラフ装置にある六方弁や計量管といった器具を必要とせずに測定する方法及びそのためのシステムに関する。 The present invention relates to a method for measuring the isotope abundance ratio of a gas and a system therefor, for example, the isotope abundance ratio of methane containing impurities having a mass number close to that of methane isotope, The present invention relates to a method for measuring without requiring an instrument such as a six-way valve or a metering tube in a gas chromatograph apparatus, and a system therefor.
ガス中に存在する分子の質量数は質量分析計(以下、適宜“MS”という)を使用して測定することができる。また、MSで検出される各質量数の強度を標準ガスのそれと比較することによりガス中の組成を測定することができる。MSは、測定ガスを導入してイオン化させ、真空中で各質量に分離し、検出を行う装置である。MSには、大気圧で測定ガスを導入できるものもある。本明細書及び特許請求の範囲においては、特に断りがない限り、質量分析計とは試料導入圧力が大気圧である質量分析計とする。 The mass number of molecules present in the gas can be measured using a mass spectrometer (hereinafter referred to as “MS” as appropriate). Moreover, the composition in the gas can be measured by comparing the intensity of each mass number detected by MS with that of the standard gas. The MS is a device that introduces a measurement gas, ionizes it, separates it into each mass in a vacuum, and performs detection. Some MS can introduce measurement gas at atmospheric pressure. In the present specification and claims, unless otherwise specified, the mass spectrometer is a mass spectrometer whose sample introduction pressure is atmospheric pressure.
ところで、各種ガスのうち、例えばメタンについて、安定同位体である13CH4と12CH4の組成を測定するときは、MSにより検出される13CH4の質量数17(以下、適宜“Mass 17”という)の強度と12CH4がイオン化したもの(12CH3 -)の質量数15(以下、適宜“Mass 15”という)の強度との比と、組成が既知の標準ガスのMass 17の強度とMass 15の強度との比と、を比較する。
By the way, when measuring the composition of 13 CH 4 and 12 CH 4 , which are stable isotopes, of methane, for example, among various gases, the mass number of 13 CH 4 detected by MS (hereinafter referred to as “
ここで、そのようにメタンの同位体存在比率を測定する場合、すなわちメタン中の13CH4濃度の測定には、12CH4の質量数16の強度を用いることはできない。その理由は、13CH4がイオン化したもの(13CH3 -)の質量数と12CH4の質量数が共に16であるため、これらが重複し、測定に際して両者を判別できないからである。 Here, when measuring the methane isotope abundance ratio, that is, for measuring the 13 CH 4 concentration in methane, the intensity of 12 CH 4 having a mass number of 16 cannot be used. This is because the mass number of 13 CH 4 ionized ( 13 CH 3 − ) and the mass number of 12 CH 4 are both 16, and they overlap, and cannot be discriminated at the time of measurement.
加えて、同位体存在比率を測定しようとするガスの質量数に近い不純物が、測定ガスに含まれていた場合には、上記同位体存在比率の測定を精度よく行うことはできない。例えば、メタンの同位体比率を測定する場合に水が含まれていた場合、水の存在によって、MSによりH2Oの質量数18(以下、適宜“Mass 18”という)とH2Oがイオン化したOH-の質量数17が検出される。このため、OH-と13CH4が共に17で重複し、測定に際して両者を区別できないからである。 In addition, when the measurement gas contains impurities close to the mass number of the gas whose isotope abundance ratio is to be measured, it is impossible to measure the isotope abundance ratio with high accuracy. For example, when water is included when measuring the isotope ratio of methane, the mass number of H 2 O (hereinafter referred to as “Mass 18”) and H 2 O are ionized by MS due to the presence of water. A mass number of 17 OH − is detected. For this reason, both OH - and 13 CH 4 overlap with 17 and cannot be distinguished in measurement.
例えば、ミクロマス ユーケイ リミテド社“トレースガス カタログ”(Micromass UK Limited“TraceGas Catalog”)では、メタンの同位体分析にMSを使用しているが、上記事情からして、メタンを燃焼、改質して二酸化炭素にし、13CO2と12CO2の比率を測定している。また、特許第3416226号公報においても、メタンの同位体分析にMSを使用しているが、同じ事情から、メタンを燃焼、改質して一酸化炭素や二酸化炭素にして測定している。 For example, Micromass UK Limited “TraceGas Catalog” uses MS for isotope analysis of methane. Due to the above circumstances, methane is combusted and reformed. Carbon dioxide is used and the ratio of 13 CO 2 and 12 CO 2 is measured. In Japanese Patent No. 3416226, MS is used for isotope analysis of methane. From the same situation, methane is combusted and reformed to measure carbon monoxide and carbon dioxide.
また、特開平6−34616号公報や特許第3477606号公報では、酸素あるいはホスフィンなどのガス中に含まれる窒素や一酸化炭素や炭化水素などの不純物の分析に大気圧イオン化質量分析計(APIMS)を使用しているが、不純物と主成分ガスの分離にガスクロマトグラフを使用して不純物を除去した後に不純物ガスの同位体存在比率を測定している。また、特開平8−122314号公報では、同じく不純物と主成分ガスの分離にガスクロマトグラフを使用して不純物を除去した後に、MSを利用して目的とするガスの分析を行っているが、測定中にバルブを切り替えて水を系外に放出するとしている。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-34616 and Japanese Patent No. 3477606 disclose an atmospheric pressure ionization mass spectrometer (APIMS) for analyzing impurities such as nitrogen, carbon monoxide and hydrocarbons contained in a gas such as oxygen or phosphine. However, after the impurities are removed using a gas chromatograph to separate the impurities and the main component gas, the isotope abundance ratio of the impurity gas is measured. In Japanese Patent Laid-Open No. 8-122314, a gas chromatograph is used to remove impurities and the impurities are removed, and then the target gas is analyzed using MS. It is said that water will be discharged out of the system by switching the valve inside.
本発明は、同位体ガスと質量数が近い不純物が含まれるガスの同位体存在比率の測定、例えばメタンの同位体と質量数が近い不純物が含まれるメタンの同位体存在比率を測定するに際して、メタンの改質を必要とせずに、また一般的なガスクロマトグラフ装置のような複雑な構成や測定中のバルブ切り替え操作などを必要とせずに、メタンその他のガスの同位体存在比率を測定する方法及びそのためのシステムを提供することを目的とするものである。 The present invention is a measurement of the isotope abundance ratio of a gas containing an impurity with a mass number close to that of an isotope gas, for example, when measuring the isotope abundance ratio of a methane containing an impurity with a mass number close to that of a methane, A method for measuring the isotope abundance ratio of methane and other gases without the need for methane reforming and without the need for complicated configurations such as general gas chromatographs or valve switching during measurement. And it aims at providing the system for it.
本発明は、(1)同位体ガスと質量数が近い不純物が含まれるガスの同位体存在比率を測定する方法であって、測定ガス容器から質量分析計に至る導管に吸着剤を充填した不純物除去管を配置するとともに、該不純物除去管への導管に測定ガスの質量数に近接しないガスを供給する導管を臨ませ、該測定ガスの質量数に近接しないガスを常に大気圧で供給するようにしてなるシステムを用い、測定ガスの質量数に近接しないガスを不純物除去管へ流しながら、測定ガスを流し、質量分析計へ流入するガス圧を常に大気圧にして被処理ガスの同位体存在比率を測定することを特徴とするガスの同位体存在比率を測定する方法を提供する。 The present invention relates to (1) a method for measuring the isotope abundance ratio of a gas containing an impurity with a mass number close to that of an isotope gas, wherein an impurity is filled in a conduit extending from a measurement gas container to a mass spectrometer. A removal pipe is arranged, and a pipe that supplies a gas that is not close to the mass number of the measurement gas faces the conduit to the impurity removal pipe so that a gas that is not close to the mass number of the measurement gas is always supplied at atmospheric pressure. Using the system, the gas to be measured is flowed to the mass spectrometer while flowing the gas not close to the mass number of the measurement gas to the impurity removal tube, and the gas pressure flowing into the mass spectrometer is always set to atmospheric pressure. Provided is a method for measuring a gas isotope abundance ratio characterized by measuring a ratio.
本発明は、(2)同位体ガスと質量数が近い不純物が含まれるガスの同位体存在比率を測定するためのシステムであって、測定ガス容器から質量分析計に至る導管に吸着剤を充填した不純物除去管を配置するとともに、該不純物除去管への導管に測定ガスの質量数に近接しないガスを供給する導管を臨ませ、且つ、該測定ガスの質量数に近接しないガスを常に大気圧で供給することで、質量分析計へ流入するガス圧を常に大気圧にするようにしてなることを特徴とするガスの同位体存在比率を測定するためのシステムを提供する。 The present invention is (2) a system for measuring the isotope abundance ratio of an impurity containing an impurity having a mass number close to that of an isotope gas, and a conduit extending from a measurement gas container to a mass spectrometer is filled with an adsorbent. In addition, a pipe for supplying a gas that is not close to the mass number of the measurement gas faces the conduit to the impurity removal pipe, and a gas that is not close to the mass number of the measurement gas is always at atmospheric pressure. The system for measuring the isotope abundance ratio of the gas is characterized in that the gas pressure flowing into the mass spectrometer is always set to atmospheric pressure.
本発明によれば、メタンやアンモニアなどのガスの同位体と質量数が近い不純物が含まれるガスの同位体存在比率を、簡単なシステムにより高精度で測定することができる。すなわち、本発明によれば、従来技術のように、例えばメタンの燃焼、改質を必要とせずに、また一般的なガスクロマトグラフ装置のような複雑な装置や測定中のバルブ切り替え操作などを必要とせずに、ガスの同位体存在比率を高精度で測定することができる。 According to the present invention, it is possible to measure the isotope abundance ratio of a gas containing impurities having a mass number close to that of a gas isotope such as methane or ammonia with a simple system with high accuracy. That is, according to the present invention, as in the prior art, for example, no combustion or reforming of methane is required, and a complicated apparatus such as a general gas chromatograph apparatus or a valve switching operation during measurement is required. In this case, the isotope abundance ratio of the gas can be measured with high accuracy.
図1は本発明に係る同位体存在比率測定用システム及び測定方法を説明する図である。図1中、1は測定試料(すなわち“被測定ガス”、本明細書及び特許請求の範囲中適宜“測定ガス”という)の容器であり、サンプリングバックなどが使用される。2、3は導管であり、その間にバルブV1が配置されている。導管3は不純物除去管(不純物が水分の場合は乾燥管)4に連なり、不純物除去管4と質量分析計6は導管5により連結されている。不純物除去管4は、測定ガスから不純物を除去するためのものであり、不純物が水分の場合には、シリカゲルやアルミナなどの乾燥剤が充填される。
FIG. 1 is a diagram for explaining an isotope abundance ratio measuring system and measuring method according to the present invention. In FIG. 1, 1 is a container for a measurement sample (ie, “measurement gas”, referred to as “measurement gas” as appropriate in the present specification and claims), and a sampling back or the like is used.
そして、キャリアガス、例えばヘリウム(He)を流す機構を備える。キャリアガスを流す機構は、不純物除去管4を通過する測定ガスの流速が減少し、質量分析計6で検出されるガスの分圧が低下するのを回避ためのものである。キャリアガスは、ボンベ7から導管8を経て、MFC(マスフローコントローラ)9で流量制御される。
And the mechanism which flows carrier gas, for example, helium (He), is provided. The mechanism for flowing the carrier gas is to avoid a decrease in the partial pressure of the gas detected by the
MFC9に続く導管10にはバルブV2が配置され、バルブV2は導管11に連結され、導管11は導管3に連結されている。MFC9で流量制御されたキャリアガスは、導管10、バルブV2、導管11を経て導管3に導入され、質量分析計6へ流入する。
A valve V2 is arranged in the
導管10には分岐管12が連結、配置されている。分岐管12には導管10からの一部のキャリアガスが流れ、分岐管12の他端は大気に開放してある。この分岐管12は、導管11を経て導管3に導入するキャリアガスにより、質量分析計6へ流入するガス圧を常に大気圧にするためのもので、本発明のシステムにおいて重要な分岐管である。
A
本発明においては、該不純物除去管への導管に測定ガスの質量数に近接しないガスを供給する導管を臨ませ、且つ、該測定ガスの質量数に近接しないガスを常に大気圧で供給し、質量分析計へ流入するガス圧を常に大気圧にして被処理ガスの同位体存在比率を測定することが必須である。その態様としては、上記のように分岐管12を配置する態様のほか、例えば、図1におけるMFCとV2の間に減圧弁を配置する、あるいはバッファタンクを配置するなど適宜の態様で行うことができる。
In the present invention, the conduit for supplying the gas not close to the mass number of the measurement gas is faced to the conduit to the impurity removal pipe, and the gas not close to the mass number of the measurement gas is always supplied at atmospheric pressure, It is essential to measure the isotope abundance ratio of the gas to be processed with the gas pressure flowing into the mass spectrometer always set to atmospheric pressure. As the mode, in addition to the mode in which the
図2は、図1の本発明に係る同位体存在比率測定用システムに到達するに至るまでの過程で用いたシステムである。図1との違いは、導管10に分岐管12が連結、配置されていない点である。図2のシステムにおいて、キャリアガスとしてヘリウムを用い、これを大気に開放せずにそのまま質量分析計6に流した場合には、系の圧力が高くなり、質量分析計6での測定ができなかった。
FIG. 2 is a system used in the process up to reaching the isotope abundance ratio measurement system according to the present invention of FIG. The difference from FIG. 1 is that the
このように、本発明の測定用システムでは、キャリアガスボンベ7から不純物除去管4への流路と、測定ガス容器(測定ガスを充填ないし収容した容器)1から不純物除去管4への流路に、それぞれバルブV2、バルブV1を備えており、従来技術では必須である六方バルブや計量管などは一切不要である。また、メタンを燃焼して一酸化炭素や二酸化炭素に改質する必要もない。以下、本測定システムによる測定方法について説明する。
As described above, in the measurement system of the present invention, the flow path from the
測定開始に際して、ボンベ7のキャリアガスを、バルブ1、バルブV2が閉の状態で、MFCでその流量を制御しながらあらかじめ流しておく。キャリアガスは、バルブV2までの導管10に満たされ、分岐管12を通して大気に流れる。この状態で、バルブ1を開とした後、バルブV2を開として、測定ガスにキャリアガスを混合して不純物除去管4に供給することによって質量分析計6による測定を開始する。測定中は、水分等の不純物が不純物除去管4で吸着除去される。
At the start of measurement, the carrier gas in the
その際、分岐管12の端部を大気に開放してガス圧バランスをとっているので、測定ガス容器1中のガスがキャリアガスの流れに逆らって大気側に流れ出ることはなく、また、分岐管12を通してキャリアガスが常に大気側へ流れているため、大気がキャリアガスの流れに逆らってシステム内に流れ込むことがない。
At that time, since the end of the
本システムにおいては、不純物除去管4だけで水分等の不純物が吸着除去されるので、先行技術(Micromass UK Limited“TraceGas Catalog”、特許第3416226号公報)のような改質は不要であり、また先行技術(特開平6−34616号公報、特許第3477606号公報)のように六方弁や計量管といった装置構成をもつガスクロマトグラフを用いる必要はなく、さらに先行技術(特開平8−122314号公報)のように測定中にバルブ操作をして水分等の不純物を系外に放出する必要がない。 In this system, since impurities such as moisture are adsorbed and removed only by the impurity removal tube 4, the modification as in the prior art (Micromass UK Limited “TraceGas Catalog”, Japanese Patent No. 3416226) is unnecessary. There is no need to use a gas chromatograph having a device configuration such as a six-way valve or a metering tube as in the prior art (Japanese Patent Laid-Open No. 6-34616, Japanese Patent No. 3477606). Thus, it is not necessary to release impurities such as moisture by operating the valve during measurement.
また、本システムは、不純物除去管4に充填した吸着剤の吸着能力が落ちるまでガスの同位体存在比率の測定に使用することができる。吸着剤の吸着能力が落ちたときは、吸着剤を取り替えるか、あるいは不純物除去管4に例えば真空ポンプを接続して吸着剤を再生することにより、本システムを繰り返し継続して使用することができる。 Moreover, this system can be used for measurement of the isotope abundance ratio of the gas until the adsorption capacity of the adsorbent filled in the impurity removal tube 4 is lowered. When the adsorption capacity of the adsorbent falls, the system can be used repeatedly and continuously by replacing the adsorbent or regenerating the adsorbent by connecting a vacuum pump, for example, to the impurity removal pipe 4. .
このように、本システムは、そのシステム自体簡易であり、しかも本システムによれば、分析対象である同位体と質量数が近い不純物が含まれるガスについて、その不純物が例えば一般的な質量分析計で検出されてしまうほど濃度が高い場合にも、その同位体存在比を高精度で測定することができる。 In this way, the system itself is simple, and according to the system, for a gas containing impurities whose mass number is close to that of the isotope to be analyzed, the impurities are, for example, a general mass spectrometer. Even when the concentration is so high that it is detected in the above, the isotope abundance ratio can be measured with high accuracy.
質量分析計6により、測定ガスをイオン化し、イオン化成分を真空中で各質量に分離し、検出を行う。ここで、測定ガスが例えばメタンである場合、13CH4濃度は、測定ガスについて測定したMass 17とMass 15の強度比から、図3に示す式(1)〜(2)によって求めることができる。
The measurement gas is ionized by the
式(1)とおり、測定ガスのMass 17とMass 15の強度比を標準ガスのMass 17とMass 15の強度比と比較する。ここで、例えばメタンの同位体比率を測定する場合、前述のとおり、メタン中の13CH4濃度の測定に12CH4の質量数16の強度を用いることはできない。その理由は、13CH4がイオン化したもの(13CH3 -)の質量数と12CH4の質量数が共に16であるため重複し、測定に際して両者を判別できないからである。
The intensity ratio of
Mass 17の強度は13CH4そのものの濃度であり、Mass 15は12CH4がイオン化したものの質量数であるから、Mass 15の強度は12CH4の濃度に12CH4のイオン化率を乗じたものである。すなわち、両者の強度比“Mass 17/Mass 15”は13CH4の濃度と12CH4の濃度に12CH4のイオン化率を乗じたものとの比となる。そして、測定ガスのMass 17/Mass 15の強度比を、あらかじめ13CH4濃度と12CH4濃度が分かっている標準ガスの“Mass 17/Mass 15”の強度比で割ることでβ’が求められる。
β’は質量分析計による測定値から求まり、標準ガスについてはあらかじめ13CH4濃度と12CH4濃度が分かっているので、式(1)で未知であるのは測定ガスの13CH4濃度と12CH4濃度である。そして、メタンの安定同位体は13CH4と12CH4であるから、測定ガスの12CH4濃度はトータルの1から13CH4濃度を差し引いたものとなるので、結局、式(1)で未知であるのは測定ガスの13CH4濃度だけとなる。そこで、式(1)を変形すると式(2)となり、これにより測定ガスの13CH4濃度を求めることができる。 β ′ is obtained from the measured value by the mass spectrometer, and since 13 CH 4 concentration and 12 CH 4 concentration are known in advance for the standard gas, what is unknown in the equation (1) is the 13 CH 4 concentration of the measurement gas. 12 CH 4 concentration. Since the stable isotopes of methane are 13 CH 4 and 12 CH 4 , the 12 CH 4 concentration of the measurement gas is the total 1 minus the 13 CH 4 concentration. Only the 13 CH 4 concentration of the measurement gas is unknown. Therefore, when equation (1) is modified, equation (2) is obtained, whereby the 13 CH 4 concentration of the measurement gas can be obtained.
以下、実施例に基づき本発明をさらに詳しく説明するが、本発明がこれら実施例に限定されないことはもちろんである。 EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated in more detail based on an Example, of course, this invention is not limited to these Examples.
実施例1〜3では図1に示すシステムを用い、キャリアガスとしてはヘリウムを使用した。また、比較例では図1〜2の装置を使用して実施した。比較例として図1を使用した例は、バルブ操作等を実施例とは異にして実施した例である。実施例1〜3及び比較例1〜5におけるサンプリングバッグ1からの測定ガスはCH4とH2Oを含むガスで、ガス中のH2O含有量(容量)はCH4に対して約100分の1〔すなわち、CH4:H2O≒100:1(容量)〕である。
In Examples 1 to 3, the system shown in FIG. 1 was used, and helium was used as the carrier gas. Moreover, in the comparative example, it implemented using the apparatus of FIGS. The example using FIG. 1 as a comparative example is an example in which the valve operation or the like is performed differently from the example. The measurement gas from the
〈実施例1、比較例1〜3に対する標準ガスとしての天然同位体比のメタンの12CH4と13CH4の存在比率の測定〉
本測定は、図4に示すシステムを使用して、標準ガス(水分を含まない)としての天然同位体比のCH4(12CH4:13CH4=98.9:1.1)の12CH4と13CH4の存在比率を測定した。図4のシステムはヘリウムなどの混合機構などを有しない従来型のシステムである。バルブV3を開とし、サンプリングバッグ1からの測定ガスを、質量分析計6(図1に示すシステムで用いたものと同じ)に通して測定した。
<Measurement of abundance ratio of 12 CH 4 and 13 CH 4 in methane with natural isotope ratio as standard gas for Example 1 and Comparative Examples 1 to 3>
This measurement uses a system shown in FIG. 4, CH 4 natural isotopic ratio as a standard gas (moisture-free) (12 CH 4: 13 CH 4 = 98.9: 1.1) of 12 The abundance ratio of CH 4 and 13 CH 4 was measured. The system of FIG. 4 is a conventional system that does not have a mixing mechanism such as helium. The valve V3 was opened and the measurement gas from the
〈実施例1〉
本実施例1は、図1に示すシステムを使用して、天然同位体比のCH4(12CH4:13CH4=98.9:1.1)とH2Oを含むガスにおける12CH4と13CH4の存在比率を測定した例である。不純物除去管4としてシリカゲルを充填した乾燥管を配置し、また分岐管12として内径1/8インチ(=3.175mm)の管(ステンレス管)を配置した。
<Example 1>
The first embodiment, by using the system shown in FIG. 1, CH 4 natural isotopic ratio 12 CH in the gas containing (12 CH 4:: 13 CH 4 = 98.9 1.1) and H 2 O This is an example of measuring the abundance ratio of 4 and 13 CH 4 . A drying tube filled with silica gel was disposed as the impurity removal tube 4, and a tube (stainless steel tube) having an inner diameter of 1/8 inch (= 3.175 mm) was disposed as the
試験開始前はバルブV1、バルブV2は閉の状態である。このようにバルブV1、バルブV2を閉状態のままで、MFC9により、ヘリウムを流量50cc/min(3.0×10-3m3/h)に制御して流した状態とした。次に、バルブV1を開とし、続いてバルブV2を開とした。こうして、導管2、3を流れているCH4とH2Oを含む測定ガスに、ヘリウムボンベ7からのヘリウムを混合して乾燥管4に供給し、質量分析計6による測定を開始して測定した。
Before the start of the test, the valves V1 and V2 are closed. In this way, with the valves V1 and V2 kept closed, helium was controlled to flow at a flow rate of 50 cc / min (3.0 × 10 −3 m 3 / h) by the
ここで、本実施例で使用した質量分析計6は、通常の大気圧イオン化質量分析計であり、以下の実施例及び比較例においても同じ質量分析計を使用している。常法に従い、測定ガスをイオン化し、イオン化成分を真空中で各質量に分離し、検出した。測定中は水分が乾燥管4で吸着除去されている。
Here, the
〈比較例1〉
比較例1では、図4に示すシステムを使用して、天然同位体比のCH4とH2Oを含むガスにおける12CH4と13CH4の存在比率の測定を実施した。前述のとおり、図4のシステムは、ヘリウムの混合機構などを有しない従来型のシステムである。バルブV3を開とし、サンプリングバッグ1からの測定ガスを、質量分析計6(図1に示すシステムで用いたものと同じ)に通して測定した。
<Comparative example 1>
In Comparative Example 1, the abundance ratio of 12 CH 4 and 13 CH 4 in a gas containing natural isotope ratios of CH 4 and H 2 O was measured using the system shown in FIG. As described above, the system of FIG. 4 is a conventional system that does not have a helium mixing mechanism or the like. The valve V3 was opened and the measurement gas from the
図6は標準ガスの測定結果、図7は実施例1の測定結果、図8は比較例1の測定結果を示す図である。図6〜8中、(a)Mass 17は13CH4とOH-によるもの、(b)Mass 15は12CH4がイオン化した12CH3 -によるもの、(c)Mass 18はH2Oによるものである。ここで標準ガスのように、測定ガスに水分が含まれていないときは、(a)Mass 17は13CH4による強度だけで、OH-に由来する強度はなく、(c)Mass 18は測定限界以下のグラフとして現れる。なお、実施例及び比較例で使用した質量分析計の測定限界は1×10-10(A.U.)である。
6 shows the measurement results of the standard gas, FIG. 7 shows the measurement results of Example 1, and FIG. 8 shows the measurement results of Comparative Example 1. 6 to 8, (a)
まず、図6は標準ガス、すなわち水分を含まない天然存在比のメタンの測定結果であるので、水分による影響はない。従って(a)Mass 17は13CH4によるもの、(b)Mass 15は12CH4がイオン化した12CH3 -によるものである。なお、図6中(c)Mass 18は測定限界以下のグラフとして現れたものである。
First, FIG. 6 shows the measurement result of standard gas, that is, methane having a natural abundance ratio that does not contain moisture, so there is no influence of moisture. Thus (a)
次に、図7のとおり、実施例1では(a)Mass 17と(b)Mass 15の検出強度が(c)Mass 18の検出強度と比べて大きい。実施例1では、本発明により水分が有意に除去されているので、(a)Mass 17の由来である13CH4とOH-のうち、OH-は殆どなく、同位体比を精度よく測定できている。
Next, as shown in FIG. 7, in Example 1, the detection intensity of (a)
これに対して、図8のとおり、比較例1では、(a)Mass 17と(c)Mass 18との検出強度が殆ど同じてある。図8中、(a)Mass 17は13CH4とOH-によるもの、(c)Mass 18はH2Oによるものであるが、比較例1では水分が除去されていないので、(a)Mass 17の由来である13CH4とOH-の影響が大きくなるため、同位体比を精度よく測定できていない。
On the other hand, as shown in FIG. 8, in Comparative Example 1, (a)
表1は、これら実施例1による結果及び比較例1による結果を、標準ガスすなわち水分を含まない天然同位体比のCH4〔すなわちCH4(12C:13C=98.9:1.1)のみ〕を質量分析計のみにより測定した場合のMass 17/Mass 15の値と対比して示したものである。なお、表1には、後述比較例2〜3の結果も併せて示している。
Table 1, these results of Example 1 according to the results and Comparative Example 1, the natural isotopic ratio containing no standard gas i.e. moisture CH 4 [i.e. CH 4 (12 C: 13 C = 98.9: 1.1 ) Only] is shown in comparison with the value of
表1のとおり、標準ガスを質量分析計で測定した場合におけるMass 17/Mass 15の値と実施例1によるMass 17/Mass 15の値との誤差はわずかに0.1%であった。これに対して、標準ガスを質量分析計で測定した場合におけるMass 17/Mass 15の値と比較例1におけるMass 17/Mass 15の値との誤差は5.7%もあった。このように、測定ガスを流しながら、ヘリウムを混合して乾燥管4に供給するようにしたシステムにより、乾燥管4による水分の除去だけで有意な同位体分析ができる。
As shown in Table 1, when the standard gas was measured with a mass spectrometer, the error between the value of
〈比較例2〉
比較例2は、図1に示すシステムにおいて、バルブV2は常に閉とし、測定開始時にバルブV1を開け、ヘリウムを流すことなく、サンプリングバッグ1から、天然同位体比のCH4とH2Oを含むガスを乾燥管4を経て質量分析計6に通して測定した例である。比較例2では、図1に示すシステムにおいて、ヘリウムを一切流さないので、図5に示すように、図1のシステムにおけるキャリアガスボンベ7から導管11までの機構を有しないシステムに相当している。図9はその結果を示す図である。
<Comparative example 2>
In Comparative Example 2, in the system shown in FIG. 1, the valve V2 is always closed, the valve V1 is opened at the start of measurement, and the natural isotope ratios of CH 4 and H 2 O are obtained from the
図9のとおり、比較例2では、(a)Mass 17の検出強度と(c)Mass 18の検出強度が共に、(b)Mass 15に比べてはるかに小さい。この試験では水分が除去されており、Mass 17の由来である13CH4とOH-のうち、OH-の影響は殆どない。しかし、測定ガスを乾燥管4に通すが、ヘリウムを流さないことによって、被処理ガス(すなわち乾燥管4を経た測定ガス)が質量分析計6へ導入される流速が、実施例1のときの流速に比べて格段に低下する。この結果、Mass 17の検出強度がMass 15の検出強度に比べてはるかに小さくなり、同位体比の測定を精度よく行うことができない。
As shown in FIG. 9, in Comparative Example 2, both the detection intensity of (a)
そして、表1のとおり、標準ガスすなわち水分を含まない天然同位体比のCH4を質量分析計6で測定した場合におけるMass 17/Mass 15の値と比較例2のMass 17/Mass 15の値との誤差は9.7%であった。これに対して、実施例1では、ヘリウムボンベ7からのヘリウムを流しながら、測定ガスを乾燥管4に供給しており、質量分析計6へ導入される測定ガスの流速が、同位体比の測定を精度よく行うに足りる程度のMass 17の検出強度を与え得る速度になっている。両者の差異はこの点に起因するものと解される。
As shown in Table 1, the value of
〈比較例3〉
比較例3は、実施例1と同じく、図1の装置を使用したが、バルブV1とバルブV2との開閉を実施例1とは逆にして実施した例である。すなわち、バルブV2を開とし、続いてサンプリングバッグ1に連なるバルブV1を開とした。こうして、ヘリウムボンベ7からのヘリウムを流しながら、天然同位体比のCH4とH2Oを含む測定ガスを混合して乾燥管4に供給することによって、質量分析計6による測定を開始して実施した。
<Comparative Example 3>
Comparative Example 3 is an example in which the apparatus of FIG. 1 was used as in Example 1, but the opening and closing of the valve V1 and the valve V2 were reversed from those in Example 1. That is, the valve V2 was opened, and then the valve V1 connected to the
図10はその結果を示す図である。図10のとおり、比較例3の試験においても、(a)Mass 17の検出強度と(c)Mass 18の検出強度が共に、(b)Mass 15に比べてはるかに小さい。比較例3の試験では、バルブV1とV2との開閉を実施例1とは逆にしただけであるのに、比較例2の試験によるものとほぼ同じ結果しか得られていない。
FIG. 10 is a diagram showing the results. As shown in FIG. 10, also in the test of Comparative Example 3, both the detection intensity of (a)
これは、測定手順において、先にバルブV2を開けることで、測定ガスが質量分析計6へ流れようとするより先に、ヘリウムを質量分析計6へ流すことにより、後からバルブV1を開けても、既にヘリウムが導管11から導管3に流入して存在するために、測定ガスは、質量分析計6へ流れにくくなるためである。その結果、比較例1と同様にMass 17の検出強度がMass 15の検出強度と比べて非常に小さくなり、同位体比の測定を精度よく行うことができない。
This is because, in the measurement procedure, the valve V2 is opened first, so that helium flows into the
そして、表1のとおり、水分を含まない天然同位体比のCH4を質量分析計で測定した場合におけるMass 17/Mass 15の値と比較例3におけるMass 17/Mass 15の値との誤差は6.2%であった。このことから、実施例1のとおり、図1に示すシステムおいて、サンプリングバッグ1からのバルブV1を開とし、続いてバルブV2を開とすることが同位体分析を有意に行う上で基本的に重要な要件であることが分かる。
And as Table 1 shows, the error between the value of
〈実施例2〜3、比較例4〜5に対する標準ガスとしての12CH4:13CH4=60:40)の12CH4と13CH4の存在比率の測定〉
本測定は、図4に示すシステムを使用して、標準ガス(水分を含まない)としての12CH4:13CH4=60.0:40.0)の12CH4と13CH4の存在比率を測定した。バルブV3を開とし、サンプリングバッグ1からの測定ガスを、質量分析計6(図1に示すシステムで用いたものと同じ)に通して測定した。
<Measurement of the Abundance Ratio of 12 CH 4 and 13 CH 4 in 12 CH 4 : 13 CH 4 = 60: 40 as Standard Gas for Examples 2-3 and Comparative Examples 4-5>
This measurement uses the system shown in FIG. 4 and the presence of 12 CH 4 and 13 CH 4 as standard gases (without water) 12 CH 4 : 13 CH 4 = 60.0: 40.0) The ratio was measured. The valve V3 was opened and the measurement gas from the
〈実施例2〉
本実施例2は、測定ガスとして12CH4と13CH4を等量混合したCH4(12CH4:13CH4=50:50)とH2Oを含むガスを使用して、実施例1と同様にして測定ガスにおける12CH4と13CH4の存在比率の測定を実施した例である。すなわち、図1において、バルブV1を開とし、続いてバルブV2を開とする。こうして、CH4とH2Oを含む測定ガスを先に流しながら、これにヘリウムを流して混合して乾燥管4に供給することによって、質量分析計6による測定を開始して測定した。常法に従い、測定ガスをイオン化し、イオン化成分を真空中で分離し、検出した。測定中は水分が乾燥管4で吸着除去される。
<Example 2>
The present Example 2 uses a gas containing CH 4 ( 12 CH 4 : 13 CH 4 = 50: 50) and H 2 O in which 12 CH 4 and 13 CH 4 are mixed in equal amounts as a measurement gas. In this example, the abundance ratio of 12 CH 4 and 13 CH 4 in the measurement gas was measured in the same manner as in 1. That is, in FIG. 1, the valve V1 is opened, and then the valve V2 is opened. Thus, the measurement gas containing CH 4 and H 2 O was flowed first, and helium was flowed to the gas to be mixed and supplied to the drying tube 4, whereby measurement by the
〈比較例4〉
比較例4では、図4のシステムを使用して、12CH4と13CH4を等量混合したCH4(12CH4:13CH4=50:50)とH2Oを含むガスにおける12CH4と13CH4の存在比率の測定を実施した。バルブV3を開とし、サンプリングバッグ1からの測定ガスを、質量分析計6(図1に示すシステムで用いたものと同じ)に通して測定した。
<Comparative example 4>
In Comparative Example 4, using the system of FIG. 4, 12 CH 4 and 13 CH 4 CH 4 was mixed with an equal volume (12 CH 4: 13 CH 4 = 50: 50) and 12 in the gas containing H 2 O Measurement of the abundance ratio of CH 4 and 13 CH 4 was performed. The valve V3 was opened and the measurement gas from the
図11は標準ガスの測定結果、図12は実施例2の測定結果、図13は比較例4の測定結果を示す図である。まず、図11は標準ガス、すなわち水分を含まない13CH4:12CH4=50:50のメタンの測定結果であるので、水分による影響はない。従って(a)Mass 17は13CH4によるもの、(b)Mass 15は12CH4がイオン化した12CH3 -によるものである。なお、図11中(c)Mass 18のグラフは測定限界が現れたものである。
11 shows the measurement results of the standard gas, FIG. 12 shows the measurement results of Example 2, and FIG. 13 shows the measurement results of Comparative Example 4. First, FIG. 11 shows the measurement result of methane with a standard gas, that is, 13 CH 4 : 12 CH 4 = 50: 50 which does not contain moisture, so there is no influence by moisture. Thus (a)
次に、図12のとおり、実施例2では、(a)Mass 17と(b)Mass 15の検出強度が(c)Mass 18の検出強度と比べて大きい。(c)Mass 18のグラフについては、図11の標準ガスの結果と同様に測定限界が現れている。このように、実施例2では、本発明により水分が有意に除去されているので、(a)Mass 17の由来である13CH4とOH-のうちOH-は殆どなく、同位体比を精度よく測定できている。
Next, as shown in FIG. 12, in Example 2, the detection intensity of (a)
これに対して、図13のとおり、比較例4の試験では、(c)Mass 18の検出強度が実施例2の図12と比べて大きくなっている。これは比較例4では水分が検出されているからである。比較例4の試験では水分が除去されてないので、(a)Mass 17の由来である13CH4とOH-のうち、OH-の影響が大きくなるため、同位体比を精度よく測定できていない。
On the other hand, as shown in FIG. 13, in the test of Comparative Example 4, the detected intensity of (c) Mass 18 is larger than that of FIG. This is because moisture is detected in Comparative Example 4. Since water was not removed in the test of Comparative Example 4, (a) Of 13 CH 4 and OH − derived from
表2は、これら実施例2による結果及び比較例4による結果を、標準ガスすなわち水分を含まない12CH4:13CH4=60:40の12CH4と13CH4の存在比率を質量分析計のみにより測定した場合のMass 17/Mass 15の値と対比して示したものである。なお、表2には、後述実施例3、比較例5の結果も併せて示している。
Table 2 shows the results of Example 2 and Comparative Example 4 based on mass analysis of the abundance ratio of 12 CH 4 and 13 CH 4 of 12 CH 4 : 13 CH 4 = 60: 40 not containing standard gas, that is, moisture. It is shown in comparison with the value of
表2のとおり、標準ガスすなわち水分を含まない12CH4:13CH4=60:40のCH4を質量分析計で測定した場合におけるMass 17/Mass 15の値と実施例2によるMass 17/Mass 15の値との誤差はわずかに0.4%であった。これに対して、水分を含まない12CH4:13CH4=60:40のCH4を質量分析計で測定した場合におけるMass 17/Mass 15の値と比較例4におけるMass 17/Mass 15の値との誤差は3.4%もあった。このように、測定ガスを流しながら、ヘリウムを混合して乾燥管4に供給するようにしたシステムにより、乾燥管4による水分の除去だけで有意な同位体分析ができる。
As shown in Table 2, it does not include a standard gas i.e. water 12 CH 4: 13 CH 4 = 60: value of
〈実施例3〉
本実施例3は、測定ガスとして12CH4と13CH4を1:2の割合に混合したCH4(12CH4:13CH4=33:67)とH2Oを含むガスを使用して、実施例1と同様にして測定ガスにおける12CH4と13CH4の存在比率の測定を実施した例である。すなわち、図1において、バルブV1を開とし、続いてバルブV2を開とし、CH4とH2Oを含む測定ガスを先に流しながら、ヘリウムを混合して乾燥管4に供給することによって、質量分析計6による測定を開始して測定した。
<Example 3>
In Example 3, a gas containing CH 2 ( 12 CH 4 : 13 CH 4 = 33: 67) in which 12 CH 4 and 13 CH 4 are mixed at a ratio of 1: 2 and H 2 O is used as a measurement gas. In this example, the abundance ratio of 12 CH 4 and 13 CH 4 in the measurement gas was measured in the same manner as in Example 1. That is, in FIG. 1, the valve V1 is opened, then the valve V2 is opened, and helium is mixed and supplied to the drying tube 4 while flowing the measurement gas containing CH 4 and H 2 O first, Measurement was started by starting measurement with the
〈比較例5〉
比較例5では、図4のシステムを使用して、12CH4と13CH4を1:2の割合に混合したCH4(12CH4:13CH4=33:67)とH2Oを含むガスにおける12CH4と13CH4の存在比率の測定を実施した。すなわち、図4において、バルブV3を開とし、サンプリングバッグ1からの測定ガスを質量分析計6(図1に示すシステムで用いたものと同じ)に通して測定した。
<Comparative Example 5>
In Comparative Example 5, CH 4 ( 12 CH 4 : 13 CH 4 = 33: 67) mixed with 12 CH 4 and 13 CH 4 in a ratio of 1: 2 and H 2 O were used using the system of FIG. Measurement of the abundance ratio of 12 CH 4 and 13 CH 4 in the contained gas was performed. That is, in FIG. 4, the valve V3 was opened, and the measurement gas from the
図14は実施例3の測定結果、図15は比較例5の測定結果を示す図である。まず、図14のとおり、実施例3では、(a)Mass 17と(b)Mass 15の検出強度が(c)Mass 18の検出強度と比べて大きい。(c)Mass 18のグラフについては図11の標準ガスの結果と同様に測定限界が現れている。このように、実施例3では、本発明により水分が有意に除去されているので、(a)Mass 17の由来である13CH4とOH-のうちOH-は殆どなく、同位体比を精度よく測定できている。
14 shows the measurement results of Example 3, and FIG. 15 shows the measurement results of Comparative Example 5. First, as shown in FIG. 14, in Example 3, the detection intensity of (a)
これに対して、図15のとおり、比較例5の試験では、(c)Mass 18の検出強度が実施例3の図14と比べて大きくなっている。これは比較例5では水分が検出されているからである。比較例5の試験では水分が除去されてないので、(a)Mass 17の由来である13CH4とOH-のうち、OH-の影響が大きくなるため、同位体比を精度よく測定できていない。
On the other hand, as shown in FIG. 15, in the test of Comparative Example 5, the detected intensity of (c) Mass 18 is larger than that of FIG. This is because moisture is detected in Comparative Example 5. Since water was not removed in the test of Comparative Example 5, (a) Of the 13 CH 4 and OH − derived from
表2に、これら実施例3による結果及び比較例5による結果を、標準ガスすなわち水分を含まない12CH4:13CH4=60:40の12CH4と13CH4の存在比率を質量分析計のみにより測定した場合のMass 17/Mass 15の値と対比して示している。
Table 2 shows the results of Example 3 and Comparative Example 5 based on mass analysis of the abundance ratio of 12 CH 4 and 13 CH 4 of 12 CH 4 : 13 CH 4 = 60: 40 not containing a standard gas, that is, moisture. It is shown in comparison with the value of
表2のとおり、水分を含まない12CH4:13CH4=60:40のCH4を質量分析計で測定した場合におけるMass 17/Mass 15の値に対する実施例2によるMass 17/Mass 15の値の誤差はわずかに0.4%であった。これに対して、水分を含まない12CH4:13CH4=60:40のCH4を質量分析計で測定した場合におけるMass 17/Mass 15の値に対する比較例4におけるMass 17/Mass 15の値の誤差は3.4%もあった。このように、測定ガスを流しながら、ヘリウムを混合して乾燥管4に供給するようにしたシステムにより、乾燥管4による水分の除去だけで有意な同位体分析ができる。
As shown in Table 2, moisture-free 12 CH 4: 13 CH 4 = 60: According to Example 2 with respect to the value of the
また、水分を含まない12CH4:13CH4=60:40のCH4を質量分析計で測定した場合におけるMass 17/Mass 15の値に対する実施例3によるMass 17/Mass 15の値の誤差はわずかに1.0%であった。これに対して、水分を含まない12CH4:13CH4=60:40のCH4を質量分析計で測定した場合におけるMass 17/Mass 15の値に対する比較例5におけるMass 17/Mass 15の値の誤差は4.6%もあった。このように、測定ガスを流しながら、ヘリウムを混合して乾燥管4に供給するようにしたシステムにより、乾燥管4による水分の除去だけで有意な同位体分析ができる。
Moreover, water-free 12 CH 4: 13 CH 4 = 60: According to Example 3 with respect to the value of the
1 被測定試料の容器(サンプリングバックなど)
2、3 導管
4 不純物除去管
5 導管
6 MS
7 ヘリウムガスボンベ
9 MFC(マスフローコントローラー)
8、10〜11 導管
12 分岐管
V1〜V3 バルブ
1 Container of sample to be measured (sampling bag, etc.)
2, 3 Conduit 4
7
8, 10-11
Claims (8)
測定ガスであるメタンの容器から質量分析計に至る導管に吸着剤を充填した不純物除去管を配置するとともに、該不純物除去管への導管に測定ガスであるメタンの質量数に近接しないガスを供給する導管を臨ませ、
測定ガスであるメタンの質量数に近接しないガスを供給する前記導管に大気に開放した分岐管を連結することで測定ガスであるメタンの質量数に近接しないガスを常に大気圧で供給するようにしてなるシステムを用い、
測定ガスであるメタンの質量数に近接しないガスを前記不純物除去管へ流しながら、測定ガスであるメタンを流し、質量分析計へ流入するガス圧を常に大気圧にして該測定ガスであるメタンの同位体存在比率を測定する
ことを特徴とするメタンの同位体存在比率を測定する方法。 A method for measuring the isotope abundance ratio of methane containing impurities whose mass number is close to that of an isotope gas,
An impurity removal tube filled with adsorbent is placed in the conduit from the measurement gas methane container to the mass spectrometer, and a gas not close to the mass number of methane as the measurement gas is supplied to the conduit to the impurity removal tube. Facing the conduit
By connecting a branch pipe opened to the atmosphere to the conduit that supplies the gas not close to the mass number of methane as the measurement gas, a gas that is not close to the mass number of methane as the measurement gas is always supplied at atmospheric pressure. Using the system
While the gas which is not close to the mass number of the methane, the measurement gas flowing into the impurity removal tube, measuring gas and a flow of methane, methane is the measurement gas is always atmospheric pressure the gas pressure flowing into the mass spectrometer A method for measuring the isotope abundance ratio of methane , characterized by measuring the isotope abundance ratio.
測定ガスであるメタンの容器から質量分析計に至る導管に吸着剤を充填した不純物除去管を配置するとともに、該不純物除去管への導管に測定ガスであるメタンの質量数に近接しないガスを供給する導管を臨ませ、且つ、
該測定ガスの質量数に近接しないガスを供給する前記導管に大気に開放した分岐管を連結することにより該測定ガスであるメタンの質量数に近接しないガスを常に大気圧で供給することで、質量分析計へ流入するガス圧を常に大気圧にするようにしてなる
ことを特徴とするメタンの同位体存在比率を測定するためのシステム。 A system for measuring the isotope abundance ratio of methane containing impurities with a mass number close to that of an isotope gas,
An impurity removal tube filled with adsorbent is placed in the conduit from the measurement gas methane container to the mass spectrometer, and a gas not close to the mass number of methane as the measurement gas is supplied to the conduit to the impurity removal tube. And face the conduit
By supplying a gas not close to the mass number of methane , which is the measurement gas , by always supplying a gas not close to the mass number of the measurement gas by connecting a branch pipe opened to the atmosphere to the conduit supplying the gas not close to the mass number of the measurement gas, A system for measuring the isotope abundance ratio of methane , characterized in that the gas pressure flowing into the mass spectrometer is always atmospheric pressure.
A system for measuring isotope abundance ratio of methane according to any one of claims 5-7, isotopic methane, wherein the mass spectrometer is an atmospheric pressure ionization mass spectrometer A system for measuring ratios.
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