JP5343033B2 - 元素分析装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、原子吸光分析を行う元素分析装置及び方法に関する。

元素分析には、誘導結合式プラズマ発光分析装置（ＩＣＰ発光分析装置）や原子吸光光度計などが広く用いられている。

誘導結合式プラズマ発光分析装置は、分光器の選択や検出器の選択により一度の測定で複数の元素を分析することができる。

一方、原子吸光光度計は、一般的に一度の測定で単元素の測定が可能である。原子吸光光度計の場合、フレーム法と電気加熱炉法がある。前者は試料をフレームの中に導入し原子化を行い、後者は電気加熱炉にサンプルを分注して炉に電圧を印加し加熱して原子化を行う。この原子化された状態に光源からの光を照射し吸光度を測定して元素分析方法である。

電気加熱法の例としては、特許文献１に記載された高周波誘導加熱を用いてサンプルを加熱し、原子化してプラズマを発生させている。

特開平１−１６１６５１号公報

しかし、特許文献１に記載された技術は、高周波電力を用いてプラズマを発生させているので、プラズマを形成するためのアルゴンガス等のガスが必要である。

このため、従来技術における電気加熱法による原子吸光光度計は、ガス供給手段及びガス供給手段のガス漏れ対策も必要であり、元素分析装置が大型であり、重量も大で取り扱いも不便であった。

本発明の目的は、ガスを用いることなく、プラズマの形成が可能であり、小型軽量化が可能な電気加熱法による原子吸光分析が可能な元素分析装置及び方法を実現することである。

上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成される。

原子化部に配置された２つの電極間に測定試料を位置させ、これら２つの電極間に電圧を印加する。２つの電極間の測定試料中に気泡が発生し、その気泡中にプラズマを発生させ、発生したプラズマに光を通過させて、原子吸光分析を行う。

本発明により、ガスを用いることなく、プラズマの形成が可能であり、小型軽量化が可能な電気加熱法による原子吸光分析が可能な元素分析装置及び方法を実現することができる。

本発明の一実施例であるプラズマを原子化に用いた原子吸光分析装置の全体の構成図である。 図１に示した原子吸光分析装置の原子化部周辺の一例を示した構成図である。 原子吸光法分析の測定結果表示例を示すグラフである。 本発明の分析動作の流れを示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施例である原子吸光分析を行う元素分析装置（プラズマ発光分光原子吸光分析装置）１００の概略構成図である。

図１において、元素分析装置は、送液部１０１、流路１０２、原子化部１０３、電源装置１０４、光ファイバー１０５、分光器１０６、検出器１０７、コンピュータ１０８、光源１０９を備えている。なお、光ファイバー１０５と、分光器１０６と、検出器１０７と、コンピュータ（動作制御・分析部）１０８とにより、原子吸光分析部が形成される。

流路１０２の途中に２つの電極１１８が設置されており、この２つの電極１１８間に原子化部１０３が位置され、プラズマ１１０が発生される。液体試料は、送液部１０１から流路１０２を介して原子化部１０３に送液され、原子化部１０３から廃液部１１９に到達し、廃液として排出される。

流路１０２は、例えば、径が１００μｍの石英ガラスにより形成されている。

光源１０９からの光１１２は、原子化部１０３に位置する試料を透過し、透過光１１１は、光ファイバー１０５で受光され、分光器１０６に導かれる。そして、分光器１０６によって分光された光は検出器１０７で検出される。

また、光源１０９は、ホロカソードランプ、重水素ランプ、タングステンヨウ素ランプ、キセノンランプ、発光ダイオード等を使用することができる。

コンピュータ１０８は、送液部１０１、電源装置１０４、分光器１０６、検出器１０７に接続され、それぞれに制御信号１１３、１１４、１１５、１１６、１１７を送り、各装置の制御を行う。また、コンピュータ１０８は、検出器１０７で検出された光に基づいて、測定試料の分析を行う。

図２は、図１に示した原子化部１０３の詳細を示す図である。

図２において、図１に示した送液部１０１か流路１０２に送液された試料は、原子化部１０３の流路を満たす。流路１０２に設けられたＰｔなどから形成される電極１１８は、図１の電源装置１０４とコンピュータ１０８に接続される。

コンピュータ１０８からの制御信号１１４により電源装置１０４が電極１１８に印加する電圧（例えば、２．５ｋＶ）や電圧印加時間などが制御される。

図２に示した流路１０２において試料に電極１１８を用いて電圧を印加することにより原子化部１０３で、電流と電界が集中し、気泡が発生しこの気泡中にプラズマ１１０が生じる。プラズマ１１０によって試料に含まれる元素は原子化され、光源１０９からの光１１２を吸収する。

プラズマ１１０を通過した光１１１は光ファイバー１０５により分光器１０６に導かれ分光され、検出器１０７で光を検出することにより試料溶液の元素分析が行うことができる。なお、光ファイバー１０５を用いずに集光レンズなどを用いてもよい。

上述したように、コンピュータ１０８により各装置の制御が行われ、コンピュータ１０８の入力部（キーボード等）、表示部により、装置条件の入力や分析結果の表示も行われる。図３に分析結果のイメージであり、コンピュータ１０８の表示部に表示可能な例である。図３の縦軸は、吸光度（ａｂｓ）を示し、横軸は時間（例えば、秒単位）を示す。

本発明による元素分析の原理は、電極１１８間にプラズマが発生すると、試料中に含まれる元素がプラズマにより励起され原子化し、原子化した元素に光を照射すると特定波長の光を共鳴吸収するため、この光を測定することによって、試料中の元素の同定および定量を行うものである。

図４は、一実施例における原子吸光法による測定方法の動作フローチャートである。

図４において、初めに操作者が分析装置を起動する（ステップ２０１）。次に、試料を送液部１０１（例えばシリンジポンプなど）に注入し一定の流速（例えば、１ｍｌ／分）で流路１０２に送液する（ステップ２０２）。流路１０２が溶液試料で満たされた後、コンピュータ１０８から電源装置１０４に制御信号１１４を送り、電極１１８に電圧が印加される（ステップ２０３）。

電極１１８に電圧が印加されると、流路１０２の原子化部１０３で電流と電界が集中し、気泡が発生しこの気泡中にプラズマ１１０が生じる。そして、このプラズマ１１０により試料中の元素が原子化される（ステップ２０４）。

ここで、光源１０９（例えばホロカソードランプ）から原子化部１０３に照射され透過した光源１０９からの光１１１を光ファイバー１０５などで受光し、分光器１０６で分光する（ステップ２０５）。この分光された光量が検出器１０７により検出される（ステップ２０６）。

そして、コンピュータ１０８により検出器１０７で検出された光量から吸光度を求め表示する（ステップ２０７）。なお、電極１１８により電圧を複数回印加することにより、連続的に吸光度の測定を行うことが可能である。

原子化部１０３にて、試料が原子化されたか否かの判断は、図3に示したように、吸光度のピークが検出されたか否かで判断することができる。試料が原子化されていなければ、吸光度のピークは検出されないからである。

また、試料中に気泡が発生したか否かは、電極１１８間の電流をモニタすることにより判断することができる。気泡が発生した場合は、電極１１８間電流が急速に減少するからである。

次に、本発明の一実施例による河川水中などの溶液試料中のＣｄの原子吸光法による分析手順を以下に示す。ここで用いる試料の河川水は予め０．１Ｍ硝酸溶液に調製を行ったものを使用する。なお、試料の分析に用いる酸は硝酸や濃度も０．１Ｍに限ったものではない。

（１）測定者はコンピュータ１０８に電圧や送液速度などの測定条件の入力を行う。分析装置１００の各部は、コンピュータ１０８からの制御信号を受けて測定条件設定を行う。測定条件設定が完了すると、その旨の表示がコンピュータ１０８の表示部等に行われる。測定条件設定が完了した時点では、送液や印加、光源からの光は、２つの電極１１８間に位置する原子化部１０３に照射される。

（２）河川水などの溶液試料の設置、装置の条件設定などが完了したら、河川水などの溶液試料（調製済）を送液部１０１に注入し送液を行う。測定者は、手動またはコンピュータ１０８の制御指令により、一定の流速での送液を開始させる。

（３）一定の流速で送液された河川水などの溶液試料は、流路１０２を通って原子化部１０３を満たす。送液部１０１によりさらに送液が行われると、流路１０２を通って廃液部１１９から排出される。

（４）原子化部１０３が河川水で満たされたら、２つの電極１１８から電圧を原子化部１０３に印加する。電圧印加は手動又はコンピュータ１０８により制御される。電圧印加条件の項目としては、電圧値、印加時間、印加間隔（パルス電圧印加間隔）などが挙げられる。

（５）電圧が印加されると、２つの電極１１８により原子化部１０３内の試料に電流と電界が集中して気泡が発生し、この気泡中にプラズマが生じる。このとき、河川水などの溶液試料に含まれるＣｄは原子化され、光源１０９から照射されている光の特定波長の光をＣｄが吸収する。

（６）流路１０２および試料を透過した光１１１は光ファイバー１０５で受光され、分光器１０６に導かれて分光され検出器１０７で検出される。検出器１０７において、特定波長の光をモニタすることにより元素分析を行うことができる。

（７）上記の（１）〜（６）の方法でＣｄを含まない試料と、既知量のＣｄを含む試料の測定を行って得られた吸光度から検量線を作成し、河川水の分析で得られた吸光度を対比することにより、Ｃｄの定量分析が可能となる。

以上のように、本発明の一実施例によれば、ガスを用いることなく、プラズマの形成が可能であるため、ガス供給手段及びガス供給手段のガス漏れ対策も不要であり、小型軽量化が可能な電気加熱法による原子吸光分析が可能な元素分析装置及び方法を実現することができる。

上記実施例の変形例としては、光源１０９に、ホロカソードランプ、重水素ランプ、タングステンヨウ素ランプ、キセノンランプ、発光ダイオードの複数種類のランプを備え、測定試料に応じて、コンピュータ１０８により複数種類のランプのうちの一つを駆動することもできる。これにより、一つの分析装置により、複数種類の元素の測定を行うことができる。

なお、上述した例においては、廃液部１１９にて、液体試料を廃液することとしたが、廃液部１１９から送液部１０１に試料を戻す流路を設け、再度、原子化を行い、試料の分析を行い、その後、廃液することも可能である。

また、流路１０２は、酸性に耐性を有する透明な材質であり、試料に対して金属汚染が無いものであれば、石英ガラス以外の材質も適用可能である。例えば、シリコンチューブを流路１０２として用いることも可能である。

１００・・・プラズマ発光分光・原子吸光分析装置、 １０１・・・送液部、 １０２・・・流路、 １０３・・・原子化部、 １０４・・・電源装置、 １０５・・・光ファイバー、 １０６・・・分光器、 １０７・・・検出器、 １０８・・・コンピュータ、 １０９・・・光源、 １１０・・・プラズマ、 １１１・・・試料を通過した光、 １１２・・・光源からの光、 １１３、１１４、１１５、１１６、１１７・・・制御信号、 １１８・・・電極、 １１９・・・廃液部

Claims (6)

1. 測定試料を原子化する原子化部と、
   上記原子化部に配置された２つの電極と、
   上記２つの電極に電圧を印加し、上記原子化部内に位置する測定試料中に気泡を発生させ、発生させた気泡中にプラズマを発生させる電源部と、
   上記原子化部に光を照射する光源と、
   上記測定試料中に発生したプラズマを通過した上記光源からの光を分光する分光器と、
   上記分光器により分光された光を検出する検出器と、
   上記原子化部に接続された流路と、
   上記流路を介して上記原子化部に測定試料を連続的に送液する送液部と、
   上記２つの電極に接続され、上記電源部、上記光源、上記送液部の動作を制御し、上記原子化部に位置する測定試料の気泡中に発生したプラズマを通過して上記検出器により検出された光から上記測定試料の原子吸光を分析する動作制御・分析部と、
   を備えることを特徴とする原子吸光元素分析装置。
2. 請求項１記載の原子吸光元素分析装置において、上記光源は、複数種類の光源ランプを有し、上記動作制御・分析部により、複数種類の光源ランプのうちの一つが選択され、光を発生させることを特徴とする原子吸光元素分析装置。
3. 請求項２記載の原子吸光元素分析装置において、上記複数種類の光源ランプは、ホロカソードランプ、重水素ランプ、タングステンヨウ素ランプ、キセノンランプ、発光ダイオードであることを特徴とする原子吸光元素分析装置。
4. 測定試料を連続的に２つの電極間に供給し、上記２つの電極に電圧を印加して、測定試料中に気泡を発生させ、発生させた気泡中にプラズマを発生させ、
   発生したプラズマに光源からの光を照射し、
   上記測定試料中に発生したプラズマを通過した上記光源からの光を分光し、
   上記分光された光を検出し、
   上記２つの電極間の電流をモニタして上記測定試料中に気泡が発生したことを判断し、上記測定試料の気泡中に発生したプラズマを通過して上記分光され検出された光から上記測定試料の原子吸光を分析することを特徴とする原子吸光元素分析方法。
5. 請求項４記載の原子吸光元素分析方法において、上記光源は、複数種類の光源ランプを有し、複数種類の光源ランプのうちの一つが選択され、光を発生させることを特徴とする原子吸光元素分析方法。
6. 請求項５記載の原子吸光元素分析方法において、上記複数種類の光源ランプは、ホロカソードランプ、重水素ランプ、タングステンヨウ素ランプ、キセノンランプ、発光ダイオードであることを特徴とする原子吸光元素分析方法。

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