JP6540064B2 - Microparticle sampling method and microparticle analysis method - Google Patents

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本発明は、微粒子サンプリング方法および微粒子分析方法に関し、特に、電子線や集束イオンビーム等を用いて、大気中を飛散する微粒子(大気中微粒子)、特に固定排出源を含む種々排出源からの微粒子群の1粒子毎の成分情報を測定するための、微粒子サンプリング方法および微粒子分析方法に関するものである。   The present invention relates to a particulate sampling method and a particulate analysis method, and in particular, particulates (particulates in the atmosphere) that fly in the atmosphere using an electron beam, a focused ion beam or the like, in particular particulates from various emission sources including fixed emission sources. The present invention relates to a particulate sampling method and a particulate analysis method for measuring component information of each group of particles.

PM2.5粒子に代表されるような粒径が数ミクロン以下の微粒子は、人体への毒性の高さから、微粒子の粒径分布やその成分の正確な測定技術の開発が必要となっている。特に、固定発生源からのPM2.5は排出量が多い箇所もあるため、実態調査が必要になってきた。ここで、「実態調査」とは、各固定発生源から排出される物質の排出量を、物質別に産業別・燃料別等、各発生源の種類毎にPM2.5粒子等の微粒子の一次粒子の排出インベントリを調べることである。つまり、この「実態調査」によって、微粒子の発生源や微粒子の飛散履歴を特定することができ、効率のよい環境対策を講じることが可能となる。   Fine particles with a particle diameter of several microns or less represented by PM2.5 particles are required to develop accurate measurement techniques for the particle size distribution of the fine particles and their components due to high toxicity to the human body . In particular, PM2.5 from fixed sources has a large amount of emissions, so it has become necessary to conduct surveys. Here, “fact-finding” means the amount of emissions of substances emitted from each fixed source, such as primary particles of particulates such as PM 2.5 particles by type of each source such as industry, fuel, etc. It is to examine the discharge inventory of That is, by this "fact-finding", it is possible to specify the generation source of the fine particles and the scattering history of the fine particles, and it is possible to take efficient environmental measures.

実態調査のためには、重量法を用いた微粒子量の測定や、誘導結合型プラズマ質量分析法(ICP−MS法)等を利用した微粒子の元素の平均情報を調べる方法などが知られている(非特許文献1)。
粒子群の元素の平均情報は、平均的な組成を明確に出来る。しかしながら、粒子群中にこの平均的な組成とは全く異なる組成元素の粒子が含まれる場合、粒子毎の元素組成がわからない課題があった。特に、少量ではあるが、ある発生源に特徴的な粒子が含まれる場合、元素の平均情報からだけではこの粒子の起源を推定できず、発生源の特定が困難となるという課題があった。
For the actual condition survey, measurement of the amount of fine particles using a weight method, a method of examining average information of elements of fine particles using inductive coupling plasma mass spectrometry (ICP-MS method), etc. are known. (Non-Patent Document 1).
The average information of the elements of the particle group can clarify the average composition. However, when particles of composition elements that are completely different from the average composition are included in the particle group, there is a problem that the elemental composition of each particle can not be known. In particular, when a small but specific source contains characteristic particles, the origin of the particle can not be estimated from only the average information of the elements, and it has been difficult to identify the source.

PM2.5粒子は、近年問題になっているように、日本国内のみならず、中国等の大陸からの飛散粒子の越境影響が懸念されているように長距離移動する可能性も高い。そのためPM2.5粒子の発生源においては多数を考慮する必要があるが、その発生源からの寄与度を明らかにすることが出来なければ効率的な対策を立てられない。特に工場煙突等の固定発生源や、自動車、船舶等の移動発生源、及び越境影響の切り分けが出来なければ、対策を立てることが不可能である。そして前述の切り分けのためには、粒子群の元素の平均情報のみでは不十分であり、個々の粒子の解析を行い、その情報をもとにしたクラスター解析により統計的な粒子群を明確にすることが重要となっている。従って、微粒子の1粒子解析技術は重要である。   PM2.5 particles are likely to travel long distances as there is concern over transboundary effects of scattered particles from not only Japan but also from China and other continents, as has become a problem in recent years. Therefore, although it is necessary to consider a large number of sources of PM2.5 particles, efficient measures can not be taken if the contribution from the source can not be clarified. In particular, if fixed sources such as plant chimneys, mobile sources such as cars and ships, and transboundary influences can not be separated, it is impossible to take measures. And for the above-mentioned segmentation, only the average information of the elements of the particle group is insufficient, and the individual particles are analyzed, and the statistical particle group is clarified by cluster analysis based on the information. Is important. Therefore, single particle analysis technology for fine particles is important.

特許文献1には、電子ビームと集束イオンビームとを併用した微細部位解析装置が開示されている。特許文献1に記載の技術では、電子ビームにより非破壊で注目粒子を特定し、集束イオンビームによりその粒子の成分分析を行うことを可能にしている。   Patent Document 1 discloses a micro site analysis apparatus using an electron beam and a focused ion beam in combination. In the technology described in Patent Document 1, it is possible to nondestructively identify a particle of interest with an electron beam, and perform component analysis of the particle with a focused ion beam.

また、走査型分析電子顕微鏡でも、特許文献1と同様な微粒子に関する情報を抽出することが可能である。しかしながら、微粒子は中空のものが多く、その密度を求めるには、微粒子の内部構造と外部とを分離して測定可能な集束イオンビームを備えたシステムが適している。   In addition, even with a scanning analysis electron microscope, it is possible to extract information on fine particles similar to that of Patent Document 1. However, many fine particles are hollow, and in order to determine the density thereof, a system provided with a focused ion beam that can separate and measure the internal structure of the fine particles from the outside is suitable.

特許文献2には、捕集基板上の微粒子に集束イオンビームを照射することにより微粒子を切断加工し、試料台を回転させて、切断面に集束イオンビームを照射することにより二次イオンを放出させ、この二次イオンを検出した結果に基づいて、微粒子内部の成分および空隙を評価する方法が開示されている。   In Patent Document 2, fine particles are cut and processed by irradiating the fine particles on the collection substrate with the focused ion beam, and the sample table is rotated to emit secondary ions by irradiating the cut surface with the focused ion beam. There is disclosed a method of evaluating the components and voids inside the microparticles based on the results of detection of the secondary ions.

複数の発生源由来のPM2.5粒子が入りこんでしまうと、それぞれの発生源による粒子情報がわからず、発生源毎の区別が出来ない。その課題を解決するために、1粒子毎の元素分析を行うことにより、捕集したPM2.5粒子中に含まれる代表的な粒子群を把握する必要がある。そのようなPM2.5粒子の分析手法の一つとして、非特許文献2では、収束イオンビームを用いて元素情報を取得して、クラスター分析を行うことにより捕集中のPM2.5粒子をグループ分けする方法が報告されている。   When PM2.5 particles derived from a plurality of sources enter, it is not possible to know particle information from each source, and it is not possible to distinguish each source. In order to solve the problem, it is necessary to grasp a typical particle group contained in the collected PM 2.5 particles by performing elemental analysis for each particle. As one of the analysis methods of such PM2.5 particles, in Non-Patent Document 2, elemental information is acquired using a focused ion beam, and cluster analysis is performed to group PM 2.5 particles being collected. How to do it has been reported.

ここで、PM2.5粒子の1粒子解析を行うためには、粒径2.5μm超の粒子を確実に分離し、さらに粒子毎の重なりが無く、かつ均一に、PM2.5粒子を基板上に捕集する必要がある。   Here, in order to conduct one-particle analysis of PM2.5 particles, particles with a diameter of more than 2.5 μm are separated with certainty, and further, there is no overlap between particles, and the PM2.5 particles are uniformly distributed on the substrate. Need to be collected.

微粒子の捕集手段としては、各種分級方法を利用した方法が知られているが、インパクタを利用した方法(以下、単にインパクタ法ともいう。)や、サイクロン法、バーチャルインパクタを利用した法(以下、単にバーチャルインパクタ法ともいう。)などがある。これら捕集手段は、分級方法の違いに依存している。   As a means for collecting fine particles, methods using various classification methods are known, but methods using impactors (hereinafter, also simply referred to as impactor methods), cyclone methods, methods using virtual impactors (hereinafter , Or simply called virtual impact method. These collection means depend on the difference in classification method.

インパクタ法は慣性衝突型であり、鉛直下方に向けた試料空気の噴出ノズルと、これに直角に配置した衝突板からなる構造である。このインパクタ法は、噴出ノズルよりの鉛直方向の気流が、衝突板にあたることによって水平方向に曲がる際に、慣性力により衝突板に衝突する粗大粒子と気流に乗って水平方向に曲がる微小粒子に分離する方法である。   The impactor method is an inertial collision type, and has a structure including a jet nozzle of sample air directed vertically downward and a collision plate disposed at right angles to the nozzle. In this impactor method, when the airflow from the jet nozzle in the vertical direction bends in the horizontal direction by hitting the collision plate, it separates into coarse particles that collide with the collision plate by inertia force and small particles that bend in the horizontal direction on the airflow. How to

サイクロン法は、遠心分離する方法であり、円筒部、円すい部、粒子溜めからなり、空気流が本体内部で螺旋状に旋回する構造である。サイクロン法は、この旋回流による遠心力により璧面に押しつけられ、粒子溜めに捕集される粗大粒子と、気流に乗って通過する微小粒子に分離する方法である。   The cyclone method is a method of centrifugal separation, which comprises a cylindrical portion, a conical portion, and a particle reservoir, and has a structure in which an air stream spirally swirls inside the main body. The cyclone method is a method of separating into coarse particles which are pressed against the wall surface by the centrifugal force of the swirling flow and collected in the particle reservoir and microparticles which pass through the air flow.

一方バーチャルインパクタ法は、仮想慣性衝突型と呼ばれる方法であり、前述のインパクタ方式における衝突板を取り去り、代わりに対向ノズルを設けたものである。噴出ノズルから加速された粒子の中で粗大粒子は対向ノズル内を通して捕捉され、微小粒子と分離される。   On the other hand, the virtual impactor method is a method called virtual inertial collision type, in which the collision plate in the above-mentioned impactor type is removed and an opposing nozzle is provided instead. Among the particles accelerated from the jet nozzle, coarse particles are captured through the opposing nozzle and separated from the microparticles.

これらの3つの捕集手段(分級方法)のうちインパクタを利用した方法とサイクロン法を利用した方法では、PM2.5粒子の濃度が高い箇所では、粗大粒子との分離が不十分となり、PM2.5粒子以上の粒径の粒子が多くサンプリングされてしまうことが知られている。上記理由により、固定排出源等の煤塵量が多い箇所ではバーチャルインパクタ法を利用することは必須である。JIS法でもJIS Z 7152-2013で「バーチャルインパクタによる排ガス中のPM10/PM2.5質量濃度痩測定方法」において、分級法としてバーチャルインパクタを適用することが規定されている。   Among the three collection means (classification methods), in the method using an impactor and the method using a cyclone method, the separation from coarse particles becomes insufficient at a location where the concentration of PM2.5 particles is high, and PM2. It is known that many particles having a particle size of 5 or more are sampled. For the above reasons, it is essential to use the virtual impactor method at locations where there is a large amount of dust such as fixed emission sources. Even in the JIS method, JIS Z 7152-2013 specifies that the virtual impactor be applied as a classification method in "PM10 / PM 2.5 mass concentration measurement method in exhaust gas by virtual impactor".

特開2008−39521号公報JP 2008-39521 A 特開2011−163872号公報Unexamined-Japanese-Patent No. 2011-163872 特開2003−225625号公報Japanese Patent Application Publication No. 2003-225625

環境省 大気中微小粒子状物質(PM2.5)成分測定マニュアルMinistry of the Environment Atmospheric particulate matter (PM2.5) component measurement manual in the atmosphere BUNSEKI KAGAKU Vol.63, No.4, pp.317-322(2014)BUNSEKI KAGAKU Vol. 63, No. 4, pp. 317-322 (2014)

ここで、固定排出源等の煤塵量が多い箇所での収束イオンビーム等を用いた1粒子解析には、以下のようなサンプリングが重要である。
つまり、煤塵中の微粒子を正確に分級し、かつ分級した微粒子を元素や粒子サイズによる粒子依存による選択性が無いように均一に平滑基板に載せることが重要である。分級した微粒子を平滑基板上に載せる際に粒子が重なりあってしまうと、個々の粒子を分析することが出来ない。そのため、平滑基板上に均一に粒子がサンプリングされていることが必要である。
また収束イオンビーム等を利用して測定する際、平滑基板表面の面精度が低いと微粒子とのコントラストがつかないため、粒子測定が出来ないと言った課題があった。つまり、平滑基板表面において高い面精度が必要である。
また、平滑基板の材質はその採取の環境を考慮して、高温環境下や腐食ガスでも変質せず、測定法との組み合わせからチャージアップしない程度の導電性が必要となっている。そのような特徴を有する基板として、例えばシリコンウエハーを利用することが開示されている(特許文献2)。
Here, the following sampling is important for single-particle analysis using a focused ion beam or the like at a location where there is a large amount of dust such as a fixed discharge source.
That is, it is important to accurately classify fine particles in dust and to place the classified fine particles uniformly on the smooth substrate so that there is no selectivity due to the dependence of the particles depending on the element and particle size. If the particles overlap when the classified particles are placed on a smooth substrate, individual particles can not be analyzed. Therefore, it is necessary for the particles to be sampled uniformly on the smooth substrate.
Further, when measurement is performed using a focused ion beam or the like, if the surface accuracy of the smooth substrate surface is low, the contrast with the fine particles can not be obtained, and there is a problem that particle measurement can not be performed. That is, high surface accuracy is required on the smooth substrate surface.
Further, the material of the smooth substrate does not deteriorate even under high temperature environment or corrosive gas in consideration of the environment of collection, and it is necessary to have conductivity enough not to charge up from the combination with the measurement method. It is disclosed that, for example, a silicon wafer is used as a substrate having such features (Patent Document 2).

ここで、バーチャルインパクタ法によってPM2.5粒子を捕集する方法としては、粗大粒子の除去率が高いバーチャルインパクタにおいて、PM2.5粒子を採取するフィルターの上方に平滑基板としてシリコンウエハーを設置して吸引し、PM2.5粒子の1粒子解析用のサンプルをシリコンウエハー上に捕集することが一般的に考えられる採取方法である。しかし、PM2.5粒子は周辺のフィルターには採取されるものの、シリコンウエハー上へは極少量しか採取されないという問題があった。   Here, as a method of collecting PM2.5 particles by a virtual impactor method, in a virtual impactor having a high removal rate of coarse particles, a silicon wafer is placed above a filter for collecting PM2.5 particles as a smooth substrate. Suction and collection of a sample for analysis of one particle of PM2.5 particles on a silicon wafer is generally considered as a collection method. However, although PM2.5 particles are collected by the surrounding filter, there is a problem that only a very small amount is collected on a silicon wafer.

また、上記のバーチャルインパクタ法でシリコンウエハー上に採取された粒子を収束イオンビームを用いて成分測定すると、フィルター上に採取された粒子のICP−MSによる成分分析結果とは成分組成が全く異なる元素が多く観測されることが分かった。これは、上記のバーチャルインパクタ法でシリコンウエハー上に採取された極少量の粒子は、バーチャルインパクタによってサンプリングされたPM2.5粒子を代表していないことを示す。つまりこれは、シリコンウエハー上には、粒子の比重等によって選択的にPM2.5粒子が捕集されているためであると考えられる。   In addition, when component measurement of particles collected on a silicon wafer by the virtual impactor method described above is performed using a focused ion beam, the component analysis of the particles collected on a filter is an element whose component composition is completely different from the component analysis result by ICP-MS. Was found to be observed a lot. This indicates that the very small amount of particles collected on the silicon wafer by the virtual impactor method described above do not represent the PM2.5 particles sampled by the virtual impactor. That is, it is considered that PM2.5 particles are selectively collected on the silicon wafer by the specific gravity of the particles and the like.

一方、粗大粒子影響が大きく出てしまうインパクタ法やサイクロン法では、粗大粒子除去部にシリコンウエハーを設置することにより、微粒子群のサンプリングは可能である。しかしその構造的問題から大量のオーバーサイズ粒子が混入し、粒子が重なってサンプリングされてしまい、均一に粒子を分布させて捕集することが困難であった。   On the other hand, in the impactor method or the cyclone method in which the influence of coarse particles is large, sampling of fine particle groups is possible by installing a silicon wafer in the coarse particle removal portion. However, due to the structural problems, a large amount of oversized particles are mixed, the particles are overlapped and sampled, and it is difficult to distribute and collect the particles uniformly.

本発明は、以上の従来技術における問題点に鑑みてなされたものであり、大気中の微粒子群の1粒子毎の成分情報を測定すべく、微粒子を、粗大粒子と十分に分離させ、かつ平滑な基板上に選択性無く均一に採取できる微粒子サンプリング方法および微粒子分析方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems in the prior art, and in order to measure component information of each particle of the particle group in the atmosphere, the particles are sufficiently separated from the coarse particles and smooth. It is an object of the present invention to provide a particulate sampling method and a particulate analysis method capable of collecting uniformly and uniformly on a substrate.

上記した課題を解決するためになされた、本発明の構成は、以下に要約される。   The configuration of the present invention made to solve the above-mentioned problems is summarized below.

(1)大気中の微粒子を平滑基板上に捕集する方法であって、大気中の微粒子を、バーチャルインパクタ法により分級して、特定の粒径未満の粒径を有する微粒子をフィルター上に捕集し、前記フィルターに前記平滑基板を押しつけることにより、前記微粒子を前記平滑基板上に転写して捕集することを特徴とする微粒子サンプリング方法。
(2)前記微粒子を前記平滑基板上に転写して捕集する際、前記平滑基板の捕集面を上に向くように前記平滑基板を配置し、前記捕集面の上方から前記フィルターの前記微粒子の採取面を下向きにして前記フィルターと前記平滑基板を重ね合わせ、その後前記フィルターを前記平滑基板に押しつけることによって転写することを特徴とする(1)に記載の微粒子サンプリング方法。
)前記平滑基板がシリコンウエハーであることを特徴とする、(1)または(2)に記載の微粒子サンプリング方法。
)前記特定の粒径が2.5μmであることを特徴とする(1)〜()のいずれか一項に記載の微粒子サンプリング方法。
(1) A method of collecting particulates in the atmosphere on a smooth substrate, wherein the particulates in the atmosphere are classified by a virtual impact method to capture particulates having a particle diameter less than a specific particle diameter on a filter And collecting the fine particles on the smooth substrate by collecting and pressing the smooth substrate against the filter.
(2) When the fine particles are transferred onto the smooth substrate and collected, the smooth substrate is disposed so that the collection surface of the smooth substrate faces upward, and the filter surface is disposed from above the collection surface The particulate sampling method according to (1), wherein the filter and the smooth substrate are superposed with the particulate collection surface facing downward, and then the filter is transferred by pressing the filter against the smooth substrate.
( 3 ) The fine particle sampling method according to (1) or (2) , wherein the smooth substrate is a silicon wafer.
( 4 ) The particulate sampling method according to any one of (1) to ( 3 ), wherein the specific particle diameter is 2.5 μm.

)試料を載置する試料台と、電子ビームを照射する電子ビーム照射器と、前記電子ビームの前記試料への照射により散乱された電子を検出する検出器と、集束イオンビームを照射する集束イオンビーム照射器と、前記集束イオンビームを前記試料に照射することにより前記試料から放出される二次イオンを検出する分析計と、を備える装置を用いる微粒子分析方法であって、(1)〜()のいずれか一項に記載の微粒子サンプリング方法で表面上に微粒子を付着させた前記平滑基板を前記試料台に置き、前記平滑基板上の微粒子に電子ビームを照射し、前記電子ビームの照射により散乱された電子を前記検出器によって検出し、検出された前記電子の結果に基づいて、前記微粒子を特定し、前記微粒子に集束イオンビームを照射し、前記集束イオンビームの照射により前記微粒子から放出された二次イオンを検出し、検出された前記二次イオンの結果に基づいて、前記微粒子の成分を分析することを特徴とする微粒子分析方法。
)前記集束イオンビームを用いて前記試料を切断加工し、切断加工面が前記集束イオンビームに対して略垂直となるように前記試料台を回転させ、前記微粒子の切断面に前記集束イオンビームを照射して前記微粒子から二次イオンを放出させ、検出した前記二次イオンの結果に基づいて、前記微粒子内部の成分および空隙を評価することを特徴とする()に記載の微粒子分析方法。
( 5 ) A sample table on which a sample is placed, an electron beam irradiator for irradiating an electron beam, a detector for detecting electrons scattered by the irradiation of the sample to the electron beam, and a focused ion beam A particle analysis method using a device comprising: a focused ion beam irradiator; and an analyzer for detecting secondary ions emitted from the sample by irradiating the sample with the focused ion beam, the method comprising: (1) ( 4 ) The smooth substrate on which fine particles are attached on the surface by the fine particle sampling method according to any one of ( 4 ) to ( 6 ) is placed on the sample table, and the fine particles on the smooth substrate are irradiated with an electron beam; And detecting the electrons scattered by the irradiation by the detector, and based on the result of the detected electrons, identifying the particles, and irradiating the particles with a focused ion beam, A particle analysis method, comprising: detecting secondary ions emitted from the particles by irradiation of the focused ion beam; and analyzing a component of the particles based on the result of the detected secondary ions.
( 6 ) The sample is cut and processed using the focused ion beam, and the sample table is rotated so that the cut surface is substantially perpendicular to the focused ion beam, and the focused ion is cut on the cut surface of the fine particles The particle analysis according to ( 5 ), characterized in that a beam is irradiated to cause secondary particles to be emitted from the particles, and components and voids inside the particles are evaluated based on the results of the detected secondary ions. Method.

本発明によれば、微粒子が固定排出源などの煤塵量が多い発生源に由来する場合であっても、代表性を得るに十分な個数のPM2.5粒子等の大気中の微粒子を、平滑基板上に均一かつ重なり無く捕集するサンプリング法を提供できる。特に、本発明によれば、集束イオンビームを用いる分析法などで用いる導電性を確保した平滑基板上にも、粒子の比重や大きさ等に因らず、選択性のない均一な微粒子の捕集を可能とする。
また本発明の微粒子サンプリング方法によってサンプリングされた微粒子は、電子線や集束イオンビームを用いた微粒子分析手法によって、1粒子ごとに、元素組成の測定や空隙の評価、またそれらから比重を測定することが可能である。それにより、得られた分析結果から、平均的な元素組成からは得られない発生源固有の情報を取得することが可能となり、発生源の特定に有力な情報を提供することができ、効率のよい環境対策へ大きく貢献できる。
According to the present invention, even in the case where the fine particles are derived from a source having a large amount of dust such as a fixed discharge source, the fine particles in the atmosphere such as PM2.5 particles having a sufficient number to obtain representativeness are smoothed. It is possible to provide a sampling method for collecting uniformly and without overlapping on a substrate. In particular, according to the present invention, even on a smooth substrate for which conductivity has been secured, which is used in an analysis method using a focused ion beam, etc., uniform fine particles without selectivity can be captured regardless of the specific gravity and size of the particles. Enable collection.
Further, the particles sampled by the particle sampling method of the present invention should be subjected to measurement of elemental composition, evaluation of voids, and measurement of specific gravity therefrom for each particle by a particle analysis method using an electron beam or a focused ion beam. Is possible. As a result, it becomes possible to obtain source-specific information that can not be obtained from the average elemental composition from the obtained analysis results, and can provide powerful information for identifying the source, and the efficiency We can greatly contribute to good environmental measures.

図1は、本発明の実施形態である固定排出源からPM2.5粒子をサンプリングする方法を示す概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a method of sampling PM2.5 particles from a stationary source that is an embodiment of the present invention. 図2は、バーチャルインパクタ法を説明するための各分級器の概略断面図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of each classifier for explaining the virtual impactor method. 図3は、集束イオンビームを利用したSIMS装置の概略図である。FIG. 3 is a schematic view of a SIMS apparatus using a focused ion beam. 図4(a)は、本実施形態の別の態様である分析装置の全体構成を説明するための概略図であって、図4(b)は、図4(a)に示す分析装置の試料台1を180度回転させた状態を説明するための概略図である。FIG. 4 (a) is a schematic view for explaining the entire configuration of an analyzer according to another aspect of the present embodiment, and FIG. 4 (b) is a sample of the analyzer shown in FIG. 4 (a). It is the schematic for demonstrating the state which rotated the stand 1 180 degree. 図5は、フィルターからシリコンウエハーに転写した際のシリコンウエハーに捕集された微粒子の光学顕微鏡写真である。FIG. 5 is an optical micrograph of the fine particles collected on the silicon wafer when transferred from the filter to the silicon wafer. 図6は、フィルターからシリコンウエハーに転写した際のシリコンウエハーに捕集された微粒子をFIB-TOF-SIMS装置で測定したSIMS像((a):K、(b):Na)である。FIG. 6 is a SIMS image ((a): K, (b): Na) obtained by measuring the fine particles collected on the silicon wafer when transferred from the filter to the silicon wafer using an FIB-TOF-SIMS apparatus. 図7は、インパクタ法で採取した際の粉塵の採取状態を示す概略図(側面図および上面図)である。FIG. 7 is a schematic view (side view and top view) showing the state of collection of dust when collected by the impactor method.

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
また、以下では、大気中の微粒子の中でも特にPM2.5粒子のサンプリングを例にとって説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings used in the following description, for the sake of easy understanding of the features of the present invention, the features that are the features may be enlarged and shown for convenience, and the dimensional ratio of each component is the same as the actual Not necessarily.
Also, in the following, among particulates in the atmosphere, sampling of PM2.5 particles will be described as an example.

(微粒子サンプリング方法)
図1は、煙突内等の固定排出源からのPM2.5粒子を捕集する方法を示す概略図である。
固定排出源からのPM2.5粒子の排出は通常煙突から排出されるケースが多い。そのため、固定排出源からのPM2.5粒子の採取は、煙道に分級用のサンプラーを導入して行われる。サンプラーは煙道に導入された後に、温度が均一化するまで待った後に、サンプリングを開始することが一般的である。
そこで、本実施形態では図1に示すように、煙道でのサンプリングの際はバーチャルインパクタ101を煙道にいれる。
(Particle sampling method)
FIG. 1 is a schematic diagram showing a method of collecting PM2.5 particles from a fixed discharge source, such as in a chimney.
Emissions of PM2.5 particles from fixed sources are usually emitted from chimneys in many cases. Therefore, the collection of PM2.5 particles from stationary sources is performed by introducing a sampler for classification in the flue. After the sampler has been introduced into the flue, it is common to start sampling after waiting for the temperature to equalize.
Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 1, the virtual impactor 101 is put in the flue at the time of sampling in the flue.

バーチャルインパクタ101は一般的に、粒径2.5μm以下の微粒子を捕集する最終捕集部111と、2.5μm超10μm以下の粒子を捕集する中間捕集部108、それ以上の粗大粒子を捕集する粗捕集部105とを備えている。
それぞれの捕集部での吸引ガスの吸引量を全て規定値に調整する必要があるため、最終捕集ポンプ104、中間捕集ポンプ103、粗捕集ポンプ102でそれぞれ独立して吸引する。
The virtual impactor 101 generally comprises a final collecting portion 111 for collecting fine particles having a particle diameter of 2.5 μm or less, an intermediate collecting portion 108 for collecting particles larger than 2.5 μm and 10 μm or smaller, and coarse particles larger than that. And a rough collecting unit 105 for collecting the
Since it is necessary to adjust the suction amount of the suctioned gas in each collection section to a specified value, the final collection pump 104, the intermediate collection pump 103, and the rough collection pump 102 respectively suction independently.

煙道から粉塵採取口113でサンプリングされた粒子群はまず粗捕集部105に入り、分級部106で仮想慣性衝突型を用いた分級法(バーチャルインパクタ法)により粒径10μm超のものと粒径10μm以下のものに分級され、粒径10μm超のものはフィルター107で捕集する。
粒径10μm以下の粒子はその後、中間捕集部108に入り、分級部109でバーチャルインパクタ法により粒径2.5μm超のものと粒径2.5μm以下のものに分級され、粒径2.5μm超のものはフィルター110で捕集する。
粒径2.5μm以下の粒子は最終捕集部111に入り、粒径2.5μm以下の微粒子、つまりPM2.5粒子をフィルター112で捕集する。
なお、PM2.5粒子を捕集するフィルター112としては石英やテフロン(登録商標)製のものを用いることができる。
The particles sampled from the flue at the dust collecting port 113 first enter the rough collecting unit 105, and the classifying unit 106 uses a virtual inertial collision type classification method (virtual impactor method) to measure particles having a particle diameter of 10 μm or more The particles having a diameter of 10 μm or less are classified, and those having a particle diameter of more than 10 μm are collected by a filter 107.
The particles having a particle diameter of 10 μm or less then enter the intermediate collecting portion 108 and are classified in the classifying portion 109 into particles having a particle diameter of more than 2.5 μm and particles having a particle diameter of 2.5 μm or less by virtual impactor method. Those larger than 5 μm are collected by the filter 110.
The particles having a particle diameter of 2.5 μm or less enter the final collecting unit 111, and the fine particles having a particle diameter of 2.5 μm or less, that is, PM 2.5 particles are collected by the filter 112.
In addition, as filter 112 which collects PM2.5 particle | grains, the thing made from quartz or Teflon (trademark) can be used.

図2は、分級器109の概略断面図である。以下、図2を参照しながらバーチャルインパクタ法による粒子の分級方法を説明する。
分級器109は、空気を噴出する円形のノズル401と、該ノズル401の軸線と同一の軸線を有する円形の対向ノズル(集気部)403とから概略構成される。ノズル401と対向ノズル403は、所定の長さの間隔で対向している。なお、分級器106についても略同等の構成である。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the classifier 109. As shown in FIG. Hereinafter, a method of classifying particles by the virtual impactor method will be described with reference to FIG.
The classifier 109 is roughly composed of a circular nozzle 401 that ejects air and a circular opposing nozzle (air collecting portion) 403 having an axis that is the same as the axis of the nozzle 401. The nozzle 401 and the opposing nozzle 403 are opposed at an interval of a predetermined length. The classifier 106 also has substantially the same configuration.

対向ノズル403は中間捕集ポンプ103に接続されており、ノズル401から噴出された空気は、所定の割合で、対向ノズル403の内周側と、対向ノズル403内を通らない対向ノズル403の外周側とに分配され、2つの気流が形成される。つまり、ノズル401から噴出された空気は、対向ノズル403の上端により分流されるため、ノズル401より侵入した粒子群からしてみるに、当該上端には仮想の衝突面(仮想衝突面402)が存在するともいえる。   The opposing nozzle 403 is connected to the intermediate collection pump 103, and the air ejected from the nozzle 401 is at a predetermined ratio on the inner peripheral side of the opposing nozzle 403 and the outer periphery of the opposing nozzle 403 which does not pass inside the opposing nozzle 403. Distributed to the side, two air flows are formed. That is, since the air ejected from the nozzle 401 is diverted by the upper end of the opposing nozzle 403, a virtual collision surface (virtual collision surface 402) is present at the upper end when viewed from the particle group intruding from the nozzle 401. It can be said that it exists.

ノズル401より入った粒径が2.5μm超の粒子(粗大粒子)は、慣性力が大きいため、そのまま直進し下部の仮想衝突面402に衝突して、対向ノズル403の下方に設けられたフィルター110(図1参照) に吸引され捕集される。
一方、粒径2.5μm以下の微粒子(PM2.5粒子)は、慣性力が小さいため、対向ノズル403の外周側を流れる気流に乗って曲げられるため仮想衝突面402に衝突することなく、最終捕集ポンプ104により吸引されてフィルター112上に捕集される構造となっている。
なお、分級器106の場合は粒径10μm超の粗大粒子が図1に示すフィルター107へ捕集され、粒径2.5μm超10μm以下の粒子は中間捕集部108へ送られる構造となる。
A particle (coarse particle) having a particle diameter of more than 2.5 μm which enters from the nozzle 401 travels straight as it is, and collides with the lower virtual collision surface 402 because the inertia force is large. Suctioned and collected at 110 (see FIG. 1).
On the other hand, fine particles (PM 2.5 particles) having a particle diameter of 2.5 μm or less have a small inertia force and are bent along the air flow flowing on the outer peripheral side of the opposing nozzle 403 and thus do not collide with the virtual collision surface 402 The suction pump 104 is configured to be sucked by the collection pump 104 and collected on the filter 112.
In the case of the classifier 106, coarse particles having a particle size of more than 10 μm are collected by the filter 107 shown in FIG. 1, and particles having a particle size of more than 2.5 μm and 10 μm or less are sent to the intermediate collection unit 108.

フィルター112上に採取されたPM2.5粒子群は、重量法によって、全重量が測定され、また酸等によって溶解させて、ICP−MS等によって分析することにより、平均元素組成が測定される。しかし、上記方法では粒子群の元素の平均情報しか得ることが出来ないため、固定発生源から排出され拡散した後では、他の発生源からの粒子と混ざりあってしまい、発生源と観測点との関係を把握することが出来ない。   The total weight of the PM 2.5 particles collected on the filter 112 is measured by a gravimetric method, and dissolved by an acid or the like, and analyzed by ICP-MS or the like to determine an average elemental composition. However, since only the average information of the elements of the particle group can be obtained by the above method, after being discharged from the fixed source and diffused, it mixes with particles from other sources, and the source and the observation point Can not understand the relationship between

発生源と観測点との関係を把握するためには、粒子群の元素の平均情報だけでは無く、個々の粒子の元素組成も必要である。さらに、個々の粒子を、粒子の表面と内部とを区別して元素分布を調べることにより、粒子に対する汚染、異物混入等の影響を区別することも可能となる。
そのような個別粒子の測定の一例として、集束イオンビームを用いた2次イオン質量分析(SIMS)装置等を利用した方法や電子線を利用した評価方法などが考えられる。
PM2.5粒子を測定するためには、統計的な情報が必要であり、最低でも1000個程度の粒子を個別に測定する必要がある。そのため、装置に導入するためのPM2.5粒子は平滑基板表面に分散された状態で採取される必要がある。
In order to understand the relationship between the source and the observation point, not only the average information of the elements of the particle group but also the elemental composition of each particle is required. Furthermore, it is also possible to distinguish the influence of contamination, foreign matter contamination, and the like on particles by examining the element distribution by distinguishing individual particles from the surface and the inside of the particles.
As an example of the measurement of such individual particles, a method using a secondary ion mass spectrometry (SIMS) apparatus or the like using a focused ion beam or an evaluation method using an electron beam can be considered.
In order to measure PM 2.5 particles, statistical information is required, and at least about 1000 particles need to be measured individually. Therefore, PM2.5 particles to be introduced into the apparatus need to be collected in a dispersed state on the smooth substrate surface.

バーチャルインパクタ法での粒子の捕集は元来、フィルター上に粒子が均一に採取される方法であるため、粒子を分散させて測定することには優れている。しかし、このフィルターの上方に平滑基板を設置してサンプリングを行うと、平滑基板周辺のフィルターには採取されるものの、平滑基板上へはフィルター上で採取されたPM2.5粒子量に比べ圧倒的に少量しか採取されないということを本発明者らは見出した。
これは、バーチャルインパクタ法が上述のように気流を制御する方法であることに起因すると思われる。つまり、バーチャルインパクタ法はガス流れが他の分級方法に比べ遅いため、シリコンウエハー等の風を通さない素材の平滑基板を用いると気流の流れを阻害してしまい、その影響により基板へ付着させるほどの衝突速度を稼ぐことが出来ず、微粒子が基板に乗らない可能性があると考えられる。そのため、ガス流れが遮断される基板上にPM2.5粒子を直接捕集することは困難であると考えられる。
Since collection of particles by the virtual impact method is originally a method in which particles are uniformly collected on a filter, it is excellent to disperse and measure particles. However, when a smooth substrate is placed above this filter and sampling is performed, although it is collected by the filter around the smooth substrate, the amount of PM2.5 particles collected on the filter overwhelms the smooth substrate is overwhelming. The inventors found that only a small amount was collected.
This seems to be due to the virtual impactor method being a method of controlling the air flow as described above. That is, since the flow of gas in the virtual impactor method is slower than other classification methods, the use of a smooth substrate made of a non-windable material such as a silicon wafer will inhibit the flow of air flow, and the effect will cause adhesion to the substrate. It is considered that there is a possibility that fine particles may not get on the substrate. Therefore, it may be difficult to collect PM2.5 particles directly on the substrate where the gas flow is interrupted.

そこで、このバーチャルインパクタ法で捕集した微粒子を平滑基板に転写することを着想した。
転写する際は平滑基板の捕集面を上に向くように配置し、捕集面の上方からフィルターのPM2.5粒子の採取面を下向きにしてフィルターと平滑基板を重ね合わせ、その後フィルターを平滑基板に押しつけることにより、元素依存性が少なく平滑度が高い基板へのPM2.5粒子の捕集が可能となる。
なお、フィルターの採取面を上向きに置き、上方から平滑基板を押しつける方法を用いても基板への転写は可能であるが、前者と同等の力でおしつけた際に、平滑基板を下にした前者の捕集方法に比べ約2割程度粒子の捕集効率が減少した。そのため、効率的な捕集方法は平滑基板を下にしてフィルターを上部から押し付ける方法の方が好ましい。
Therefore, it was conceived to transfer the fine particles collected by this virtual impactor method to a smooth substrate.
When transferring, place the filter so that the collection surface of the smooth substrate faces upwards, place the collection surface of PM2.5 particles of the filter downward from above the collection surface, overlay the filter and the smooth substrate, and then smooth the filter By pressing on the substrate, PM2.5 particles can be collected on the substrate having less element dependency and high smoothness.
In addition, transfer to the substrate is possible by using the method of placing the collection surface of the filter upward and pressing the smooth substrate from above, but when pressing with the same force as the former, the former with the smooth substrate down The collection efficiency of particles decreased by about 20% compared to the method of collection. Therefore, as for the efficient collection method, the method of pressing the filter from the top with the smooth substrate down is preferable.

なお、フィルターから微粒子を転写する際には、フィルターを強い力で平滑基板に押し付けるとフィルターの材質が平滑基板に移ってしまう可能性がある。特にフィルターの材質が石英の場合ははがれやすいので、転写の際は注意が必要である。
平滑な基板表面に十分な個数の微粒子を再現性良く転写する方法として、平滑基板の上に重ねたフィルターの上に任意のおもりを載せて、8〜22g/cmの圧を印加することが有効であることを見出した。これは、例えば、100gで底面積が37cm程度の分銅を載せることによって実現できる。底面積が37cmであり、重さ50gの分銅を載せた場合は、100gのときと比較して1/5程度しか微粒子が転写されなかった。一方、同じ底面積で重さ300gの場合は、押し付ける力が強すぎたことから、フィルターの繊維が平滑基板上に転写され、微粒子解析に対して妨害となった。
When the fine particles are transferred from the filter, if the filter is pressed against the smooth substrate with a strong force, the material of the filter may be transferred to the smooth substrate. In particular, when the material of the filter is quartz, it is easy to peel off, so care must be taken when transferring.
As a method of transferring a sufficient number of fine particles on a smooth substrate surface with good reproducibility, an optional weight may be placed on a filter stacked on the smooth substrate and a pressure of 8 to 22 g / cm 2 may be applied. I found it to be effective. This can be realized, for example, by mounting a weight of 100 g and a bottom area of about 37 cm 2 . When the bottom area was 37 cm 2 and a weight having a weight of 50 g was placed, fine particles were transferred only by about 1⁄5 as compared with the case of 100 g. On the other hand, in the case of the same bottom area and a weight of 300 g, the pressing force was too strong, and the fibers of the filter were transferred onto the smooth substrate, which was an obstacle to particle analysis.

平滑基板としては、面精度が高く、かつ高温環境下や腐食ガスでも変質せず、ある程度の導電性を有するものを用いることが好ましい。好ましくは、シリコンウエハーである。   As the smooth substrate, it is preferable to use a substrate having a high surface accuracy, which does not deteriorate even in a high temperature environment or a corrosive gas, and which has a certain degree of conductivity. Preferably, it is a silicon wafer.

ここで、平滑基板上の汚染微粒子をプラスに帯電させ、マイナスに帯電させたロールに捕集、吸着させて除去した後、これを更に、吸着ロールに転写、除去する基盤又はシートの除塵方法が、特許文献3(特開2003−225625号公報)に開示されている。しかし、特許文献3には、上述してきたような本実施形態の特長である、平滑基板側に微粒子を転写させる方法については開示されていない。平滑基板に微粒子を転写することは、バーチャルインパクタで分級した後、個々の微粒子の解析を行うことを目的とした本発明者が見出した固有の課題を解決するために、鋭意工夫して到達したものである。   Here, there is a dust removal method of the substrate or sheet in which the contaminant particles on the smooth substrate are positively charged, collected on the negatively charged roll, adsorbed and removed, and then transferred and removed to the adsorption roll. Patent document 3 (Unexamined-Japanese-Patent No. 2003-225625) is disclosed. However, Patent Document 3 does not disclose a method of transferring fine particles to the smooth substrate side, which is a feature of the present embodiment as described above. Transfer of fine particles onto a smooth substrate was achieved by devising to solve the unique problems found by the present inventors for the purpose of analyzing individual fine particles after classification with a virtual impactor. It is a thing.

(微粒子分析方法)
次に、本実施形態に係る微粒子分析方法について説明する。
本実施形態に係る微粒子分析方法は、試料を載置する試料台と、電子ビームを照射する電子ビーム照射器と、前記電子ビームの前記試料への照射により散乱された電子を検出する検出器と、集束イオンビームを照射する集束イオンビーム照射器と、前記集束イオンビームを前記試料に照射することにより前記試料から放出される二次イオンを検出する分析計と、を備える装置を用いる微粒子分析法であって、上述してきた微粒子サンプリング方法で表面上に微粒子を付着させた前記平滑基板を前記試料台に置き、前記平滑基板上の微粒子に電子ビームを照射し、前記電子ビームの照射により散乱された電子を前記検出器によって検出し、検出された前記電子の結果に基づいて、前記微粒子を特定し、前記微粒子に集束イオンビームを照射し、前記集束イオンビームの照射により前記微粒子から放出された二次イオンを検出し、検出された前記二次イオンの結果に基づいて、前記微粒子の成分を分析することを特徴とする。
以下、図面を用いて詳述する。
(Particle analysis method)
Next, the particle analysis method according to the present embodiment will be described.
The particle analysis method according to the present embodiment includes a sample stage on which a sample is placed, an electron beam irradiator for irradiating an electron beam, and a detector for detecting electrons scattered by the irradiation of the sample with the electron beam. Particle analysis method using an apparatus comprising: a focused ion beam irradiator for irradiating a focused ion beam; and an analyzer for detecting secondary ions emitted from the sample by irradiating the sample with the focused ion beam The smooth substrate on which the fine particles are deposited on the surface by the fine particle sampling method described above is placed on the sample table, and the fine particles on the smooth substrate are irradiated with an electron beam and scattered by the irradiation of the electron beam. Detected electrons by the detector, and based on the result of the detected electrons, identify the particles, and irradiate the particles with a focused ion beam; Serial detecting secondary ions emitted from the fine particles by irradiation of the focused ion beam, based on the results of said detected secondary ions, characterized by analyzing the components of the fine particles.
Details will be described below with reference to the drawings.

図3は、本実施形態に係る微粒子分析方法で用いる装置であって、集束イオンビームを利用したSIMS装置の概略構成の一例を示す図である。
図示のとおり、微粒子分析装置は、主に、試料台1と、集束イオンビーム照射器3と、電子ビーム照射器4と、質量分析計(分析計)5と、二次電子検出器(検出器)6と、を備えている。試料台1は真空槽中にある。
FIG. 3 is a view showing an example of a schematic configuration of a SIMS apparatus using a focused ion beam, which is an apparatus used in the particle analysis method according to the present embodiment.
As shown, the particle analyzer mainly comprises the sample stage 1, focused ion beam irradiator 3, electron beam irradiator 4, mass spectrometer (analyzer) 5, and secondary electron detector (detector) And 6). The sample stage 1 is in a vacuum chamber.

平滑基板7は、観察したい複数のPM2.5粒子群2(以下の説明では、必要に応じて、複数のPM2.5粒子群2をPM2.5サンプル2と略称する)が転写されており、試料台1の上に固定された状態で設置される。
平滑基板7は、原子レベルでフラット(平滑)な表面を持つことが理想的である。例えば、シリコンウエハーを平滑基板7として用いることが望ましい。シリコンウエハー以外でも、SiC、GaAs、サファイア、ガラス等の基板を平滑基板7として用いることができる。
In the smooth substrate 7, a plurality of PM2.5 particle groups 2 (in the following description, the plurality of PM2.5 particle groups 2 will be abbreviated as PM2.5 samples 2 in the following description) to be observed are transferred, It is installed in a state of being fixed on the sample table 1.
The smooth substrate 7 ideally has a flat (smooth) surface at the atomic level. For example, it is desirable to use a silicon wafer as the smooth substrate 7. Besides the silicon wafer, a substrate of SiC, GaAs, sapphire, glass or the like can be used as the smooth substrate 7.

集束イオンビーム照射器3と電子ビーム照射器4は、試料台1の任意の高さにおいて、PM2.5サンプル2の表面の同一地点にビームを照射するように、試料台1に対して鉛直上方向に設置された質量分析計5を挟んで、左右対称な関係となる位置に設置される。本実施形態では、集束イオンビーム照射器3と電子ビーム照射器4は、水平に設置された試料台1に対して伏角が45°となる方向から、PM2.5サンプル2にビームを照射するようにしている。   The focused ion beam irradiator 3 and the electron beam irradiator 4 are vertically elevated with respect to the sample stage 1 so that the beam is applied to the same point on the surface of the PM 2.5 sample 2 at an arbitrary height of the sample stage 1 It is installed in the position which becomes symmetrical relation on both sides of the mass spectrometer 5 installed in the direction. In the present embodiment, the focused ion beam irradiator 3 and the electron beam irradiator 4 irradiate the beam to the PM 2.5 sample 2 from the direction in which the inclining angle is 45 ° with respect to the sample table 1 installed horizontally. I have to.

電子ビーム照射器4は、後述する集束イオンビーム照射器3と同様、或いはそれ以上に集束された集束電子ビームを、PM2.5サンプル2の表面に照射する装置である。
電子ビーム照射器4から電子ビームを走査しながら照射することにより発生した二次電子、つまり、電子ビームの照射により散乱された電子は、二次電子検出器6にて検出され、その検出結果に基づいて、PM2.5サンプル2の二次電子像を観察することができる。
The electron beam irradiator 4 is a device that irradiates the surface of the PM 2.5 sample 2 with a focused electron beam focused in the same manner as or more than a focused ion beam irradiator 3 described later.
Secondary electrons generated by irradiation while scanning the electron beam from the electron beam irradiator 4, that is, electrons scattered by the irradiation of the electron beam are detected by the secondary electron detector 6, and the detection result is Based on this, a secondary electron image of PM2.5 sample 2 can be observed.

集束イオンビーム照射器3は、一般的に入手可能なものが利用でき、例えば液体金属であるガリウムイオン源からイオンビームを取り出し、PM2.5サンプル2の表面において数10nmのレベルまでイオンビームを集束させることができる装置である。近年は、ガリウムイオン源の他にも、BiやAu等の集束イオン源も開発されており、これらの集束イオン源を使用することも可能である。集束イオンビーム照射器3の集束イオン源としてガリウムイオン源を用いた場合、PM2.5サンプル2の表面において、集束イオンビーム照射器3から照射されたパルス状のGaイオンビームが、PM2.5サンプル2の表面を構成する原子をスパッタリングする。これにより、PM2.5サンプル2から二次イオンが発生する。このようにして発生した二次イオンは、質量分析計5により検出される。   For the focused ion beam irradiator 3, generally available ones are available. For example, the ion beam is taken out from a liquid metal gallium ion source and focused on the surface of the PM 2.5 sample 2 to a level of several tens of nm It is a device that can In recent years, in addition to gallium ion sources, focused ion sources such as Bi and Au have also been developed, and it is also possible to use these focused ion sources. When a gallium ion source is used as a focused ion source of the focused ion beam irradiator 3, the pulsed Ga ion beam emitted from the focused ion beam irradiator 3 is a PM 2.5 sample on the surface of the PM 2.5 sample 2. The atoms constituting the surface of 2 are sputtered. As a result, secondary ions are generated from the PM2.5 sample 2. The secondary ions generated in this manner are detected by the mass spectrometer 5.

質量分析計5は、測定粒子径が小さいため試料の損傷の激しい直流のイオンビームを用いる四重極型質量分析計や二重収束型質量分析計よりも、パルスイオンビームを用いる飛行時間型質量分析計を質量分析計5に用いた方が望ましい。   The mass spectrometer 5 has a time-of-flight mass using a pulsed ion beam rather than a quadrupole mass spectrometer or a double focusing mass spectrometer that uses a direct current ion beam that causes damage to the sample because the particle size of the measurement is small. It is desirable to use a spectrometer for the mass spectrometer 5.

このように、集束イオンビームを走査してPM2.5サンプル2に照射することによりPM2.5サンプル2から二次イオンが放出される。そしてこの二次イオンを検出し、二次イオン像に基づいてPM2.5サンプル2の質量を質量分析計5で分析することにより、PM2.5サンプル2の成分を分析することができる。
このとき、電子ビーム照射器4による電子ビームの照射により散乱された電子を検出して得られた二次電子像が観察されたときと同一の視野で、二次イオン像を観察する。尚、前述した集束イオン源の代わりに集束性の高いガスイオン源、液体金属イオン源等を利用することが可能である。
In this way, scanning the focused ion beam and irradiating the PM 2.5 sample 2 emits secondary ions from the PM 2.5 sample 2. The component of the PM2.5 sample 2 can be analyzed by detecting this secondary ion and analyzing the mass of the PM2.5 sample 2 with the mass spectrometer 5 based on the secondary ion image.
At this time, the secondary ion image is observed in the same field of view as when the secondary electron image obtained by detecting the electrons scattered by the irradiation of the electron beam by the electron beam irradiator 4 is observed. It is possible to use a highly focused gas ion source, a liquid metal ion source or the like instead of the above-described focused ion source.

また、PM2.5サンプル2の表面の有機物を取り除き、飛散中におけるPM2.5サンプル2の付着や酸化等の化学反応を観察したい場合もある。この場合には、1013〜1016イオン/cm程度の、パルス化された集束イオンビームを集束イオンビーム照射器3からPM2.5サンプル2に照射して、PM2.5サンプル2の表面付着物を除去した後、前述したようにして二次イオン像を観察するのが望ましい。 There are also cases where it is desirable to remove the organic matter on the surface of the PM2.5 sample 2 and observe chemical reactions such as adhesion and oxidation of the PM2.5 sample 2 during scattering. In this case, 10 2 about 13 to 10 16 ions / cm, a pulsed focused ion beam is irradiated from the focused ion beam irradiator 3 to PM2.5 Sample 2, with the surface of the PM2.5 samples 2 After removing the deposit, it is desirable to observe the secondary ion image as described above.

以上の通り、本実施形態では、同一装置にて、PM2.5サンプル2を捕集したままで、PM2.5サンプル2の成分を明らかにすることができる。   As described above, in this embodiment, the components of the PM 2.5 sample 2 can be clarified while the PM 2.5 sample 2 is collected by the same apparatus.

なお本実施形態の微粒子分析方法では、集束イオンビームを用いて試料(PM2.5サンプル2)を切断加工し、切断加工面が集束イオンビームに対して略垂直となるように試料台1を回転させ、PM2.5サンプル2の切断面に集束イオンビームを照射してPM2.5サンプル2から二次イオンを放出させ、検出した二次イオンの結果に基づいて、微粒子内部の成分および空隙を評価してもよい。
以下、図4を用いて説明するが、図3と同一の部分については、図3に付した符号と同一の符号を付す等して詳細な説明を省略する。
In the particle analysis method of this embodiment, the sample (PM 2.5 sample 2) is cut and processed using a focused ion beam, and the sample stage 1 is rotated so that the cut surface is substantially perpendicular to the focused ion beam. And irradiate the focused ion beam to the cut surface of PM2.5 sample 2 to release the secondary ion from PM2.5 sample 2, and evaluate the component and the void inside the particle based on the result of the detected secondary ion You may
Hereinafter, although it demonstrates using FIG. 4, about the part same as FIG. 3, the detailed description is abbreviate | omitted by attaching the code | symbol same as the code | symbol attached | subjected to FIG.

図4(a)は、図3に示した本実施形態の分析装置の別態様である分析装置の全体構成を説明するための概略概念図である。なお、図中のPM2.5サンプル(試料粒子)2は、説明の都合上、誇張して大きく示しているが、実際の試料粒子は微細なものであり、図示した試料台等との大小関係を正確に表しているものではない。
図4(a)の通り、本発明の別態様の分析装置は、主に試料台1と集束イオンビーム照射器3と電子ビーム照射器4と回転機構8と質量分析計5とからなる。試料台1は、その上に試料が置かれる台であり、水平に保たれることが好ましい。
FIG. 4A is a schematic conceptual view for explaining the entire configuration of an analysis apparatus which is another aspect of the analysis apparatus of the present embodiment shown in FIG. Although PM2.5 sample (sample particles) 2 in the figure is exaggerated and enlarged for convenience of explanation, the actual sample particles are fine and the magnitude relationship with the illustrated sample stand etc. Is not an accurate representation of
As shown in FIG. 4A, the analyzer according to another aspect of the present invention mainly comprises a sample stage 1, a focused ion beam irradiator 3, an electron beam irradiator 4, a rotation mechanism 8 and a mass spectrometer 5. The sample stage 1 is a stage on which the sample is placed, and is preferably kept horizontal.

PM2.5サンプル2の内部の情報を取り出す場合は、特許文献1に記載のように、集束イオンビーム照射器3により、PM2.5サンプル2を切断加工する。また、試料台1の着眼位置(測定対象の微粒子2が存在する位置)を中心に試料台1を(図4(a)の上下方向を回転軸として)180°回転させることが可能な回転機構8(例えば、モータ等)を試料台1に取り付けるようにする。   When information inside the PM2.5 sample 2 is to be extracted, the PM2.5 sample 2 is cut and processed by the focused ion beam irradiator 3 as described in Patent Document 1. In addition, a rotation mechanism capable of rotating the sample table 1 by 180 ° (with the vertical direction in FIG. 4 (a) as a rotation axis) centering on the eye position of the sample table 1 (the position where the particulate 2 to be measured exists). 8 (for example, a motor or the like) is attached to the sample table 1.

PM2.5サンプル2の内部の空隙率を求めることは従来の電子線励起蛍光X線分析方法では不可能であった。従来の電子線励起蛍光X線分析では、情報の深さが1μm程度であり、サブミクロン単位の粒子径を有する微粒子の内部の空隙の情報を抽出することができないためである。本実施形態で用いる二次イオン質量分析法の表面における情報深さは数nmと非常に浅い。このため、PM2.5サンプル2の極表面の情報のみを検出する。従って、切断加工したPM2.5サンプル2の内部について元素マッピングを行うことで、PM2.5サンプル2の表面と内部の情報を別々に観察することができる。   It was impossible to determine the internal porosity of the PM2.5 sample 2 by the conventional electron beam excitation fluorescent X-ray analysis method. In the conventional electron beam excitation fluorescent X-ray analysis, the depth of information is about 1 μm, and it is impossible to extract the information of the void inside the fine particle having a particle diameter of submicron unit. The information depth on the surface of the secondary ion mass spectrometry used in the present embodiment is as shallow as several nm. For this reason, only the information on the pole surface of the PM2.5 sample 2 is detected. Therefore, by performing elemental mapping on the inside of the cut PM2.5 sample 2, information on the surface and the inside of the PM 2.5 sample 2 can be observed separately.

図4(b)は、図4(a)に示す分析装置において、回転機構8により試料台1を180度回転させ、試料粒子2の断面を集束イオンビーム照射器2の方向に向けた状態の図である。
このように回転機構8により試料台1を回転させることで、集束イオンビーム照射器3からの集束イオンビームを、切断された試料粒子2の断面に照射することが可能となる。
FIG. 4B shows a state in which the cross section of the sample particle 2 is directed toward the focused ion beam irradiator 2 in the analyzer shown in FIG. FIG.
As described above, by rotating the sample table 1 by the rotation mechanism 8, it becomes possible to irradiate the focused ion beam from the focused ion beam irradiator 3 to the cross section of the cut sample particle 2.

具体的には、まず、前述したようにして切断した試料粒子2を、当該試料粒子2を中心に回転させながら、集束イオンビームを、前述したようにして試料粒子2に照射して、試料粒子2の内部の情報を得るようにする。この際、電子ビームと、集束イオンビームとを切断面に対して垂直に入射されるようにするのが好ましい。
そして、前述したように、集束イオンビームの照射により試料粒子2から放出される二次イオンを検出し、その二次イオン像を観察した結果に基づいて、試料粒子2の内部の成分分析を行う。また、この二次イオン像を観察した結果に基づいて、試料粒子2の内部にある空隙の大きさ(面積)を求め、試料粒子2と空隙が球であると仮定して、空隙の体積を試料粒子2の体積で割ることにより試料粒子2の空隙率を求める。
Specifically, while rotating the sample particle 2 cut as described above around the sample particle 2, the sample particle 2 is irradiated with the focused ion beam as described above, Get information inside 2 At this time, it is preferable that the electron beam and the focused ion beam be incident perpendicularly to the cutting plane.
Then, as described above, secondary ions emitted from the sample particle 2 by irradiation of the focused ion beam are detected, and component analysis of the inside of the sample particle 2 is performed based on the result of observing the secondary ion image. . Further, based on the observation result of the secondary ion image, the size (area) of the void inside the sample particle 2 is determined, and assuming that the sample particle 2 and the void are spheres, the volume of the void is calculated. The porosity of the sample particle 2 is determined by dividing by the volume of the sample particle 2.

以上のようにすることで、各微粒子2一個一個の空隙率を明らかにすることができ、試料粒子2の密度を求めることができる。   By doing as described above, the porosity of each of the fine particles can be clarified, and the density of the sample particles 2 can be determined.

尚、前述した本発明の各実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。   Each of the embodiments of the present invention described above is merely an example of implementation for carrying out the present invention, and the technical scope of the present invention should not be interpreted limitedly by these. It is a thing. That is, the present invention can be implemented in various forms without departing from the technical idea or the main features thereof.

本発明の各実施形態の実施例について説明する。実施例の条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した条件の例であり、本発明の適用範囲は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。   Examples of each embodiment of the present invention will be described. The conditions of the examples are examples of the conditions adopted to confirm the feasibility and effects of the present invention, and the scope of application of the present invention is not limited to this one example of conditions. The present invention can adopt various conditions as long as the object of the present invention is achieved without departing from the scope of the present invention.

(本発明例)
20mg/m程度の煤塵量が含まれる煙道から、10分間、図1および図2に示すようなバーチャルインパクタを用いてサンプリング、分級して、石英フィルター状にPM2.5粒子を採取した。
次に、PM2.5粒子が採取された石英フィルターを取り出し、石英フィルターの微粒子採取面を下向きにして、シリコンウエハー上に押し付けPM2.5粒子を転写した。
シリコンウエハー表面を光学顕微鏡で観察した結果を図5に示す。この顕微鏡写真より、50μm×50μm間に400個程度のPM2.5粒子の採取が確認された。さらに上記観察した場所とは異なる視野で別に4視野測定を行い、計5視野の測定を行ったところ、PM2.5粒子が合計約2000粒子が測定された。
(Example of the present invention)
From a flue containing a dust amount of about 20 mg / m 3 , sampling and classification were carried out for 10 minutes using a virtual impactor as shown in FIGS. 1 and 2 to collect PM 2.5 particles in the form of a quartz filter.
Next, the quartz filter from which PM2.5 particles were collected was taken out, and the microparticle collection surface of the quartz filter was directed downward, and the pressed PM2.5 particles were transferred onto the silicon wafer.
The result of observing the silicon wafer surface with an optical microscope is shown in FIG. From this photomicrograph, collection of about 400 PM2.5 particles was confirmed between 50 μm × 50 μm. Furthermore, when four field of view measurement was separately performed with a field of view different from the observed place and a total of five fields of view were measured, a total of about 2000 particles of PM2.5 particles were measured.

ここで、転写前の石英フィルター上のPM2.5粒子を硝酸及び過酸化水素水を用いて分解処理をし、高周波マイクロウェーブによる密閉系で分解処理を行う前処理を行った後にICP−MS法で測定し、主要元素である、K,Ca,Al,Mg,Mnの存在比を算出した。さらに、PM2.5粒子を転写したシリコンウエハーの粒子群の存在比も同様に算出したところ、表1で示した通り、フィルター上に捕集された微粒子と同等の存在比で観測された。また、それ以外の微量元素に関してもほぼ同等の量で存在していることがわかった。   Here, the PM2.5 particles on the quartz filter before transfer are subjected to decomposition treatment using nitric acid and hydrogen peroxide solution, and decomposition treatment is performed in a closed system using high frequency microwaves, and then ICP-MS method is performed. Of the main elements, K, Ca, Al, Mg, and Mn were calculated. Furthermore, when the abundance ratio of the particle group of the silicon wafer to which PM2.5 particles were transferred was similarly calculated, as shown in Table 1, it was observed at an abundance ratio equivalent to the fine particles collected on the filter. Moreover, it turned out that it exists in the equivalent amount also about trace elements other than that.

上記の転写したシリコンウエハーを図2に示すようなSIMSで測定したK及びNaの結果を図6に示す。図6(a)がKのSIMS像、図6(b)がNaのSIMS像である。
粒子毎にNa、K、ならびにNaとKの両方が含まれているものがあるが、主要成分がそれぞれどちらかで区別すると各粒子数の比は、4:1になった。すなわち、シリコンウエハー上に転写された個々の粒子を測定することによって、組成の異なる粒子を区別できた。これは、ICP−MSによる分析では得られなかった情報である。
The results of K and Na measured by SIMS as shown in FIG. 2 for the transferred silicon wafer described above are shown in FIG. FIG. 6 (a) is a SIMS image of K, and FIG. 6 (b) is a SIMS image of Na.
Although each particle contained Na, K, and both Na and K, the ratio of the number of each particle became 4: 1 when the main components were respectively distinguished. That is, by measuring the individual particles transferred onto the silicon wafer, it was possible to distinguish particles having different compositions. This is information that could not be obtained by analysis by ICP-MS.

(比較例1)
バーチャルインパクタ法でPM2.5粒子を捕集する石英やテフロン(登録商標)製のフィルターの上に予め、シリコンウエハーを設置して粒子をサンプリングした。
その結果、光学顕微鏡で確認したところ、フィルターにはPM2.5粒子は均一に捕集されたが、シリコンウエハー上にはフィルター上と比較して極少数しか捕集されなかった。
また、SIMS装置でサンプリングを行ったシリコンウエハーを確認したところ、フィルター上に捕集した粒子のICP−MS法による元素分析値から得られた存在比と合致しない結果となり、シリコンウエハー上にはPM2.5粒子群のうち一部が選択的に捕集されていることが確認された。
(Comparative example 1)
A silicon wafer was placed in advance on a quartz or Teflon (registered trademark) filter for collecting PM 2.5 particles by a virtual impact method, and the particles were sampled.
As a result, although the PM2.5 particles were uniformly collected on the filter as confirmed by an optical microscope, only a very small number of PM2.5 particles were collected on the silicon wafer as compared with the filter.
Moreover, when the silicon wafer sampled by the SIMS apparatus was confirmed, the result does not match the abundance ratio obtained from the elemental analysis value by ICP-MS method of the particles collected on the filter, and PM2 on the silicon wafer .5 It was confirmed that some of the five particle groups were selectively collected.

ここで、シリコンウエハー上に捕集された粒子の元素組成とフィルターで捕集された粒子の元素組成をICP−MS法で測定した結果を表2に示す。この結果からもシリコンウエハー上に採取された微粒子は、分級されたPM2.5粒子全体を反映しないサンプリング結果になっていることがわかった。   Here, the elemental composition of the particles collected on the silicon wafer and the elemental composition of the particles collected by the filter were measured by the ICP-MS method. The results are shown in Table 2. This result also shows that the fine particles collected on the silicon wafer have sampling results that do not reflect the entire classified PM 2.5 particles.

(比較例2)
インパクタ法で採取されるPM2.5粒子を捕集する板に、シリコンウエハーを採用した。その結果、分級能が下がりサイズが大きい粒子が混入してしまった。また、導入する粒子の密度を下げて分級能力が下がらない条件とした場合においても、粒子は図7のように山のような形状で採取されてしまい、シリコンウエハーへの均一サンプリングが不可能であった。
(Comparative example 2)
A silicon wafer was adopted as a plate for collecting PM2.5 particles collected by an impactor method. As a result, classification ability is lowered and particles having a large size are mixed. In addition, even when the density of the particles to be introduced is lowered so that the classification ability does not decrease, the particles are collected in a mountain-like shape as shown in FIG. 7, and uniform sampling on a silicon wafer is impossible. there were.

1:試料台
2:PM2.5粒子群(PM2.5サンプル、試料粒子)
3:集束イオンビーム照射器
4:電子ビーム照射器
5:質量分析計(分析計)
6:二次電子検出器(検出器)
7:平滑基板
8:回転機構
101:バーチャルインパクタ
102:粗捕集ポンプ
103:中間捕集ポンプ
104:最終捕集ポンプ
105:粗捕集部
106:分級部
107:フィルター
108:中間捕集部
109:分級部
110:フィルター
111:最終捕集部
112:フィルター
113:粉塵採取口
401:ノズル
402:仮想衝突面
403:対向ノズル
1: Sample stand 2: PM 2.5 particle group (PM 2.5 sample, sample particle)
3: Focused ion beam irradiator 4: Electron beam irradiator 5: Mass spectrometer (analyzer)
6: Secondary electron detector (detector)
7: Smooth substrate 8: Rotation mechanism 101: Virtual impactor 102: Coarse collection pump 103: Intermediate collection pump 104: Final collection pump 105: Coarse collection part 106: Classification part 107: Filter 108: Intermediate collection part 109 Classification unit 110: Filter 111: Final collection unit 112: Filter 113: Dust collection port 401: Nozzle 402: Virtual collision surface 403: Opposing nozzle

Claims (6)

大気中の微粒子を平滑基板上に捕集する方法であって、大気中の微粒子を、バーチャルインパクタ法により分級して、特定の粒径未満の粒径を有する微粒子をフィルター上に捕集し、前記フィルターに前記平滑基板を押しつけることにより、前記微粒子を前記平滑基板上に転写して捕集することを特徴とする微粒子サンプリング方法。   A method of collecting particulates in the atmosphere on a smooth substrate, wherein the particulates in the atmosphere are classified by virtual impactor method, and particulates having a particle diameter less than a specific particle diameter are collected on a filter, A particulate sampling method, wherein the particulates are transferred and collected on the smooth substrate by pressing the smooth substrate against the filter. 前記微粒子を前記平滑基板上に転写して捕集する際、前記平滑基板の捕集面を上に向くように前記平滑基板を配置し、前記捕集面の上方から前記フィルターの前記微粒子の採取面を下向きにして前記フィルターと前記平滑基板を重ね合わせ、その後前記フィルターを前記平滑基板に押しつけることによって転写することを特徴とする請求項1に記載の微粒子サンプリング方法。   When the fine particles are transferred onto the smooth substrate and collected, the smooth substrate is disposed so that the collection surface of the smooth substrate faces upward, and the fine particles of the filter are collected from above the collection surface 2. The particulate sampling method according to claim 1, wherein the filter and the smooth substrate are superimposed with the surface facing down, and then the filter is transferred by pressing the filter against the smooth substrate. 前記平滑基板がシリコンウエハーであることを特徴とする請求項1または2に記載の微粒子サンプリング方法。 Particulate sampling method according to claim 1 or 2, characterized in that said smooth support is a silicon wafer. 前記特定の粒径が2.5μmであることを特徴とする請求項1〜のいずれか一項に記載の微粒子サンプリング方法。 The particulate sampling method according to any one of claims 1 to 3 , wherein the specific particle size is 2.5 μm. 試料を載置する試料台と、電子ビームを照射する電子ビーム照射器と、前記電子ビームの前記試料への照射により散乱された電子を検出する検出器と、集束イオンビームを照射する集束イオンビーム照射器と、前記集束イオンビームを前記試料に照射することにより前記試料から放出される二次イオンを検出する分析計と、を備える装置を用いる微粒子分析方法であって、
請求項1〜のいずれか一項に記載の微粒子サンプリング方法で表面上に微粒子を付着させた前記平滑基板を前記試料台に置き、
前記平滑基板上の微粒子に電子ビームを照射し、
前記電子ビームの照射により散乱された電子を前記検出器によって検出し、
検出された前記電子の結果に基づいて、前記微粒子を特定し、
前記微粒子に集束イオンビームを照射し、
前記集束イオンビームの照射により前記微粒子から放出された二次イオンを検出し、
検出された前記二次イオンの結果に基づいて、前記微粒子の成分を分析することを特徴とする微粒子分析方法。
A sample stage on which a sample is placed, an electron beam irradiator for irradiating an electron beam, a detector for detecting electrons scattered by the irradiation of the sample to the electron beam, and a focused ion beam for irradiating a focused ion beam A particle analysis method using a device comprising: an irradiator; and an analyzer for detecting secondary ions emitted from the sample by irradiating the sample with the focused ion beam,
The smooth substrate on which fine particles are attached on the surface by the fine particle sampling method according to any one of claims 1 to 4 is placed on the sample table,
Irradiating the particles on the smooth substrate with an electron beam;
Detecting the electrons scattered by the irradiation of the electron beam by the detector;
Identifying the particles based on the result of the detected electrons;
Irradiating the particles with a focused ion beam;
Detecting secondary ions emitted from the particles by the irradiation of the focused ion beam;
A particulate analysis method, comprising analyzing the component of the particulate based on the result of the detected secondary ion.
前記集束イオンビームを用いて前記試料を切断加工し、切断加工面が前記集束イオンビームに対して略垂直となるように前記試料台を回転させ、前記微粒子の切断面に前記集束イオンビームを照射して前記微粒子から二次イオンを放出させ、検出した前記二次イオンの結果に基づいて、前記微粒子内部の成分および空隙を評価することを特徴とする請求項に記載の微粒子分析方法。 The sample is cut using the focused ion beam, and the sample table is rotated so that the cut surface is substantially perpendicular to the focused ion beam, and the cut ion of the particle is irradiated with the focused ion beam. The particulate analysis method according to claim 5 , wherein secondary particles are released from the particulates, and components and voids inside the particulates are evaluated based on the detected results of the secondary ions.
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