JP5527693B2 - アトマイザー - Google Patents

Description

本発明は、大気圧プラズマを用いて試料中の目的とする元素の原子化を行うアトマイザーに関するものであり、大気圧プラズマを発生させるための電源に特徴を有するものである。

原子吸光分析や原子発光分析では、試料を原子化する装置（アトマイザー）が必要となるが、従来よりアトマイザーとして原子吸光分析では黒鉛炉、原子発光分析ではＩＣＰ装置などが広く用いられている。また、特許文献１のように、大気圧プラズマを用いたアトマイザーも知られている。

特許文献１には、以下のような発光分析方法が記載されている。まず、アトマイザーを用いて目的元素を含む試料に大気圧プラズマを照射して試料を原子化し、その原子化された試料中の金属元素蒸気を大気圧プラズマ中に混入させ、プラズマ中の高エネルギー電子によって励起発光させる。この発光を分光器を通して測定し、試料中の目的元素の密度などを計測する。

上記アトマイザーの大気圧プラズマの発生には、商用のＡＣ電源の電圧を昇圧して電極に印加することが記載されている。

特開２００８−２４１２９３

しかし、商用ＡＣ電源を用いた場合、電圧がなだらかに上昇するため放電開始電圧になるまでに時間遅れが生じ、原子化の効率が悪かった。そのため、目的元素の種類によっては発光強度が低下し、測定が困難であった。

そこで本発明の目的は、大気圧プラズマを用いたアトマイザーにおいて、原子化の高効率化を図ることである。

第１の発明は、電源を用いて電圧を印加して大気圧プラズマを発生させ、試料に大気圧プラズマを照射して試料を原子化するアトマイザーであって、棒状の第１電極と、管状であって、その管内に、第１電極の軸回りにおいて管内壁から第１電極が離間した状態となるように第１電極の先端部を保持し、管内壁と第１電極との隙間に、第１電極の先端部側の軸方向に放電ガスが流される絶縁管と、第１電極の先端部から一定距離隔てて配置された第２電極と、試料を保持する凹部を有し、その凹部底面に第２電極が露出した絶縁材からなる試料保持部と、を有し、電源は、第１電極および第２電極間に正負が交互に反転する矩形パルス電圧を印加する、ことを特徴とするアトマイザーである。

放電ガスには、Ａｒ、Ｈｅ、窒素、酸素、空気などを用いることができる。

第１電極および第２電極の材料は、ＳＵＳ、銅、タングステンなどを用いることができる。ただし、第２電極には、分析の目標となる元素を含む材料を用いないようにするか、もしくは分析の目標となる元素を含まない材料によって被膜、めっき等を施す必要がある。第２電極が原子化されて分析に影響を与えてしまうのを避けるためである。

本発明によれば、矩形波の立ち上がり、立ち下がりの鋭さから、瞬時に放電開始電圧まで印加することができ、発光強度の高い状態が一定期間保たれるため、試料の原子化の高効率化を図ることができる。その結果、発光強度が向上し、分析精度の向上を図ることができる。また、電圧をパルス化することでプラズマ温度の上昇を抑制し、原子化した試料の分散が抑えられる。その結果、原子化した試料の密度が向上し、大気圧プラズマに含まれる原子化された試料の密度も向上し、発光強度が向上する。また、正の矩形パルスと負の矩形パルスを交互に印加するため、大気圧プラズマを安定に生成することができる。

実施例１のアトマイザーの構成を示した図。 パルス高圧電源の電圧波形とプラズマの発光波形とを示したグラフ。 商用ＡＣ電源の電圧波形とプラズマの発光波形とを示したグラフ。 発光強度の時間依存性を示したグラフ。 パルス幅と大気圧プラズマの温度との関係を示したグラフ。 パルス幅と大気圧プラズマの電子密度との関係を示したグラフ。 パルス幅と発光強度との関係を示したグラフ。

以下、本発明の具体的な実施例について、図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。

図１は、実施例１のアトマイザーの構成を示した図である。実施例１のアトマイザーは、棒状電極１０（本発明の第１電極）と、試料電極１１（本発明の第２電極）とを有している。棒状電極１０は、直径１．２ｍｍのＣｕ製の棒状であり、試料電極１１は、外径２ｍ、内径１ｍｍのステンレス製の管状である。

棒状電極１０には、Ｃｕ以外に、ステンレス、モリブデン、タングステンなどを用いることができる。また、試料電極１１には、ステンレス以外に、Ｃｕ、モリブデン、タングステンなどを用いることができる。ただし、試料電極１１自体が原子化してしまい、分析に影響を与えてしまうことを考慮して、試料電極１１には目的元素を含まない材料を用いるか、目的元素を含まない材料で被膜、めっき等を施す必要がある。

棒状電極１０の先端部は、セラミックス管１２の管内に軸方向を一致させて納められている。セラミックス管１２は、試料電極１１の先端側が一段階狭くなっていて、棒状電極１０は、この狭くなった管内まで伸びている。棒状電極１０とセラミックス管１２の内壁との間には隙間が設けられている。この棒状電極１０の軸回りの空間がＡｒガスの流路となる。

セラミックス管１２は、絶縁管１３と連結している。絶縁管１３は軸方向に垂直な方向に分岐１３ａを有しており、セラミックス管１２の管内から絶縁管１３の管内に伸びる棒状電極１０は、曲げられて絶縁管１３の分岐１３ａの管内に挿入され、外部に露出している。絶縁管１３には、フッ素樹脂などの絶縁材を用いることができる。

さらに、セラミックス管１２の試料電極１１先端部側には、外径がセラミックス管１２の内径にほぼ一致した短いセラミックス管１４がはめ込まれている。

絶縁管１３は放電用ガスであるＡｒが封入されたガスボンベ（図示しない）に、減圧・流量制御器などを介して接続されている。ガスボンベから供給されたＡｒガスは、絶縁管１３の管内からセラミックス管１２の管内へと軸方向に供給され、棒状電極１０とセラミックス管１２の内壁との間を棒状電極１０先端部側の軸方向に流れてセラミックス管１４の先端からＡｒガスが排出される。

放電ガスには、Ａｒ以外にもＨｅ、Ｎｅ、Ｎ、空気、などを用いることができる。

試料電極１１は、内径２ｍｍ、外径３ｍｍのセラミックス管１５によって覆われている。セラミックス管１５の先端は外径が拡張されており、すり鉢状の凹部１６を有している。凹部１６底面には、試料電極１１が露出している。この凹部１６によって、原子化する試料を保持する。また、試料電極１１を管状とすることで、その管内を通してセラミックス管１５先端の凹部１６に液体の試料を供給することが可能となっている。また、セラミックス管１５はフッ素樹脂材１７によってさらに覆われている。なお、凹部に一定量の試料を保持する場合には、試料電極１１を管状とする必要はなく、棒状などとしてもよい。

棒状電極１０、試料電極１１は高圧パルス電源１８に接続されており、正負が交互に反転する矩形パルス電圧が印加される。Ａｒガスを棒状電極１０とセラミックス管１２の内壁との間に棒状電極１０先端部側の軸方向に流しながら、棒状電極１０、試料電極１１に電圧を印加することで、棒状電極１０の先端部に大気圧プラズマが生じ、その大気圧プラズマが試料電極１１に伸びていく。そして、大気圧プラズマが凹部１６に保持された試料に照射され、試料が原子化される。原子化された試料の一部は、大気圧プラズマに混入して発光し、この発光を受光装置によって受光して発光スペクトルを解析することで、試料中の目的元素の定量分析などを行うことができる。また、目的元素の共鳴線スペクトルを発光する光源を用い、その光源の光を原子化された試料に照射して吸光分析を行うこともできる。

図２は、高圧パルス電源１８の出力電圧波形と、実施例１のアトマイザーによる大気圧プラズマの発光波形との対応を示したグラフである。また、図３は、従来の商用ＡＣ電源の電圧波形と、比較例のアトマイザーによる大気圧プラズマの発光波形とを示したグラフである。ここで比較例のアトマイザーとは、実施例１のアトマイザーにおいて、パルス高圧電源に替えて商用ＡＣ電源の電圧を昇圧して用いたアトマイザーである。

図３のように、商用ＡＣ電源を用いた場合は、電圧がなだらかに上昇するために放電開始電圧になるまでに時間遅れが生じ、また大気圧プラズマの発光強度も徐々に増加、減少する状態となっている。すなわち、商用ＡＣ電源を用いた場合には試料の原子化の効率が低下してしまう。

一方、図２のように正負が交互に反転する矩形パルス電圧を用いる場合には、出力電圧が瞬時に放電開始電圧まで上昇するため、大気圧プラズマの発光強度も瞬時に上昇し、発光強度はパルス高圧電源のパルス幅とほぼ同様の期間、発光強度の高い状態で一定に維持される。そのため、試料の原子化を高効率に行うことができる。また、電圧がパルスであるため、プラズマ温度の上昇が抑制され、原子化された試料の発散が抑制される。そのため、原子化された試料の密度が向上し、大気圧プラズマに含まれる原子化された試料の密度も向上する。その結果、試料中の目的元素の発光強度を向上させることができる。また、正負が交互に反転するパルスであるため、大気圧プラズマを安定して生成することができる。

図４は、実施例１のアトマイザーと受光装置とを用いて発光分析装置を構成し、１ｐｐｍのＰｂを含む水を試料として、発光分析装置によって試料中のＰｂの共鳴線スペクトル（波長２８３．３ｎｍ）の発光強度を測定したグラフである。高圧パルス電源１８は、１００Ｈｚでデューティ比が２０％の電源と、１５０Ｈｚでデューティ比が３０％の電源を用いた。ともにパルス幅は２ｍｓであり、パルス間隔が異なっている。また、実施例１のアトマイザーに替えて、商用ＡＣ電源を用いる比較例のアトマイザーを用いた場合のＰｂの共鳴線スペクトルの発光強度も測定した。

図４のように、商用ＡＣ電源を用いた場合は、発光強度がピークにおいても非常に弱い。一方、高圧パルス電源１８を用いた場合は、ピークにおける発光強度が商用ＡＣ電源を用いた場合に比べて強かった。特に１５０Ｈｚでデューティ比３０％の場合の発光強度のピークは、商用ＡＣ電源の場合よりも約５倍強く、１００Ｈｚでデューティ比が２０％の場合よりも約２．５倍強かった。

図５は、高圧パルス電源１８の出力電圧のパルス幅と大気圧プラズマの温度の関係を示したグラフである。試料には１ｐｐｍのＣｕを含む水を用いた。図５のように、パルス幅が２ｍｓあたりまではプラズマ温度はゆるやかに上昇するが、２ｍｓを越えると、プラズマ温度はほぼ一定となっていることがわかる。

図６は、高圧パルス電源１８の出力電圧のパルス幅と大気圧プラズマの電子密度との関係を示したグラフである。図６のように、電子密度はパルス幅にあまり依存せず、ほぼ一定の値であることがわかる。

図７は、高圧パルス電源１８の出力電圧のパルス幅と発光強度との関係を示したグラフである。１ｐｐｍのＣｕを含む水を試料とし、試料中のＣｕの共鳴線スペクトル（波長３２４ｎｍ）の発光強度である。図７のように、発光強度はパルス幅に依存しており、パルス幅が１ｍｓぐらいの場合に発光強度のピークが存在していることがわかる。

図４および図７の結果から、発光強度は高圧パルス電源１８の出力電圧のパルス幅、パルス間隔に依存しており、パルス幅、パルス間隔の制御によって発光強度（試料の原子化効率）を制御可能であることがわかった。

本発明のアトマイザーは、吸光分析や発光分析などの分析装置に用いることができる。

１０：棒状電極
１１：試料電極
１２、１４、１５：セラミックス管
１３：絶縁管
１６：凹部
１８：電源

Claims (1)

1. 電源を用いて電圧を印加して大気圧プラズマを発生させ、試料に前記大気圧プラズマを照射して前記試料を原子化するアトマイザーであって、
   棒状の第１電極と、
   管状であって、その管内に、前記第１電極の軸回りにおいて管内壁から前記第１電極が離間した状態となるように前記第１電極の先端部を保持し、管内壁と前記第１電極との隙間に、前記第１電極の先端部側の軸方向に放電ガスが流される絶縁管と、
   前記第１電極の先端部から一定距離隔てて配置された第２電極と、
   試料を保持する凹部を有し、その凹部底面に前記第２電極が露出した絶縁材からなる試料保持部と、
   を有し、
   前記電源は、前記第１電極および前記第２電極間に正負が交互に反転する矩形パルス電圧を印加する、
   ことを特徴とするアトマイザー。

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