JP6623557B2 - Icp分析装置 - Google Patents

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Description

本発明は、ICP(Inductively Coupled Plasma:誘導結合プラズマ)発光分析装置やICP質量分析装置など、液体試料をプラズマ発光させる或いはイオン化させるICP光源を用いたICP分析装置に関する。
ICP発光分析装置は、プラズマ中に導入され、励起された試料原子が低エネルギー準位に遷移するときに放出する光を分光することにより得られる原子スペクトルの波長や強度を測定することにより、試料に含まれる元素の定性、定量分析を行う。
ICP発光分析装置は、図5に示すように、プラズマ形成用の、誘導コイル311が巻回されたプラズマトーチ310と、該プラズマトーチ310に試料を導入する試料導入部340と、プラズマトーチ310へプラズマガス等を供給し、流量を制御するガス流量制御部350と、前記誘導コイル311に高周波電力を供給する電力供給部320と、各部を制御するための制御部330を有する(例えば、特許文献1)。
ICP発光分析装置300を用いて試料の分析を行うために、まず、ガス流量制御部350からプラズマトーチ310へプラズマガス及び冷却ガスを所定流量で供給しつつ誘導コイル311に所定の高周波電力を供給し、火花放電を利用して高周波誘導プラズマを点灯する。試料導入部340にはガス流量制御部350からキャリアガスが供給されており、このキャリアガス中に注入され、霧化された試料が前記プラズマ中に導入されることで、試料分子の励起発光が生じる。
電力供給部として、特許文献2のような自励発振方式の高周波電源が提案されている。自励発振方式の高周波電源では、該高周波電源内に設けられたコンデンサとプラズマトーチに設けられた誘導コイルによりLC共振回路を構成し、この共振によりプラズマトーチに安定した高周波電力を供給する。
プラズマトーチは測定する試料の種類や用途によって使い分けられる。例えば、高塩用のプラズマトーチは析出した塩の付着を防止するために出口付近の形状が標準のプラズマトーチよりも大きくなっている。また、有機溶媒用のプラズマトーチは、プラズマトーチ内での試料の揮発分を見込んでその分内容積が小さくなっている。このようにプラズマトーチは種類毎にその形状や内容積が異なっており、それに応じて高周波電力の供給量や各種ガス流量の適正値が異なる。従って、オペレータはICP分析装置に対して試料の分析に最適なプラズマトーチを装着するとともに、ICP分析装置に装着したプラズマトーチの種類を制御部に設定し、該制御部がその設定に従って供給電力及びガス流量の制御を行っていた。
特開2007-205899号公報 特表2012-039035号公報
上述のとおり、ICP分析装置に取り付けられるプラズマトーチの種類は、オペレータによって手動で設定される。オペレータがこの設定を誤ると、実際に装着されたプラズマトーチとは異なる種類のプラズマトーチに対応する高周波電力やガス量が供給されてしまい、プラズマトーチの温度が上がりすぎて溶損したり、その熱によって周囲の部品が損傷したりするおそれがあった。
このような溶損等を防止するためには、プラズマトーチの種類を直接検出する手段を設けることが好ましい。しかしながら、プラズマトーチ周辺は誘導コイル中に流れる高周波電流が電気的なノイズとなり、電気的なセンサやスイッチ等によりプラズマトーチの種類を検出することが難しい。
本発明が解決しようとする課題は、自励発振方式の高周波電源を備えるICP分析装置において、装着されたプラズマトーチの種類を判定可能なICP分析装置を提供することである。
上記課題を解決するために成された本発明の第1の態様は、プラズマトーチに巻回された誘導コイルにプラズマ生成用高周波電力を供給する自励発振方式の電力供給部を具備するICP分析装置において、
a) 前記電力供給部の出力周波数を測定する周波数測定部と、
b) プラズマトーチの種類毎の基準出力周波数が保存されている記憶部と、
c) 前記周波数測定部が測定したプラズマ点灯後の測定出力周波数が、前記記憶部に保存されている基準出力周波数のいずれかと一致するか否かを判定し、通知するトーチ判定部と
を備えることを特徴とする。
本発明に係るICP分析装置では、使用され得るプラズマトーチの種類毎に最適な高周波電力を供給した場合の出力周波数を予め測定し、それらを基準出力周波数として記憶部に保存しておく。
試料の分析を行う際に、オペレータはプラズマトーチをICP分析装置の所定の箇所にセットするとともに、セットしたプラズマトーチの種類を制御部に設定する。このとき誤って、制御部に設定するプラズマトーチの種類を実際にセットしたものと異なるものとした場合、あるいは、制御部に設定するプラズマトーチと異なる種類のプラズマトーチをセットした場合、周波数測定部により測定された周波数は設定されたプラズマトーチに対応する基準周波数及び、その他のいずれのプラズマトーチの基準周波数とも異なる値となる。トーチ判定部はこれを検出し、その旨を通知する。通知は、モニタなどの表示装置、ランプ等による表示や、スピーカによる警告音等でもよいし、通信により遠方に通知するというものであってもよい。
なお、本発明は、予めオペレータがプラズマトーチの種類を制御部に設定しないICP分析装置についても適用することができる。この場合、制御部は、使用可能な複数のプラズマトーチに対応する各高周波電力を、それらの低い順にプラズマトーチに供給してゆく。トーチ判定部は、ある高周波電力が供給されている間、測定周波数を、記憶部に保存されている複数の基準周波数と比較し、いずれとも一致しない場合には制御部にそれを通知する。制御部はそれに応じて、高周波電力を次の段階(一つ高い値)に上昇させる。これを繰り返し、実際にセットされたプラズマトーチに対応する高周波電力が供給された時点で測定周波数がいずれかの基準周波数と一致するため、制御部はそこで供給高周波電力を維持し、分析を開始する。
上記課題を解決するために成された本発明の第2の態様は、プラズマトーチに巻回された誘導コイルにプラズマ生成用高周波電力を供給する自励発振方式の電力供給部を具備するICP分析装置において、
a) 前記電力供給部の出力周波数を測定する周波数測定部と、
b) プラズマトーチの種類毎のプラズマ点灯前と後の出力周波数の差である基準出力周波数差が保存されている記憶部と、
c) 前記周波数測定部が測定したプラズマ点灯前と後の測定出力周波数の差が、前記記憶部に保存されている基準出力周波数差のいずれかと一致するか否かを判定し、通知するトーチ判定部と
を備えることを特徴とする。
プラズマ点灯後の出力周波数は、主に、プラズマトーチの種類、高周波電源内に設けられたコンデンサの値、誘導コイルの形状等によって決まるが、誘導コイルが他の部材と接触したり経年変化等により変形した場合、その変形量に応じて出力周波数が変化する場合がある。この場合、記憶部に保存されている基準出力周波数が誘導コイル変形前の値であると、変形後のプラズマトーチの種類を判定することができない。一方で、誘導コイルの変形に伴い出力周波数はプラズマ点灯前と、後で同様に変化する。従って、プラズマ点灯前と点灯後の出力周波数の差は、誘導コイルに変形が発生した場合でも略変わらない。また、この出力周波数差はプラズマトーチの種類毎に異なる。従って、プラズマ点灯前後の該出力周波数の差を基準出力周波数差として記憶部に保存し、プラズマトーチの判定に用いることで誘導コイルの変形の有無にかかわらず正確な判定を行うことができる。
上記ICP分析装置では、さらに、前記プラズマトーチのプラズマ点灯を検出するトーチ点灯検出部を備えることが望ましい。
プラズマは電力供給開始から一定時間が経過すると点灯するため、本発明の第1及び第2の態様のようにプラズマトーチ点灯検出部がなくても、プラズマの点灯を判定することは可能である。しかし、プラズマが確実に点灯しているタイミングで出力周波数を測定するために、通常は、プラズマが実際に点灯した時点よりも所定時間経過してから周波数測定部が出力周波数を測定するように構成されており、その分、プラズマトーチの判定が遅れる。トーチ点灯検出部を設けることで、プラズマが点灯した直後にプラズマトーチの判定を行うことができる。
ここで、トーチ点灯検出部は光センサ、熱センサ等の各種センサや、電力計等の計器のいずれかで構成することができる。光センサや熱センサ等を利用する構成では、センサを誘導コイルから離れた位置に設け、プラズマが点灯した際に発生する光や熱をこれらのセンサで検出することでプラズマの点灯を検出することができる。また電力計を電力供給部に設け、プラズマ点灯による電力の増加を検出することでプラズマの点灯を検出することもできる。
また、本発明に係るICP分析装置は、オペレータにより制御部に設定されたプラズマトーチの種類に対応した基準出力周波数と測定出力周波数が異なると判定され、それが通知された場合に、前記電力供給部からプラズマトーチに巻回された誘導コイルへの高周波電力の供給を停止させる電力供給停止部を備えるものとしてもよい。
トーチ判定部において、プラズマトーチの種類に対応した基準出力周波数と測定出力周波数が異なると判定され、それが通知された場合には、電力供給停止部が電力供給部の動作を停止させる。
本発明に係るICP分析装置によれば、プラズマ点灯後の測定出力周波数と、予め求めておいたプラズマトーチの種類毎の基準出力周波数が一致するか否かを判定し、その結果を通知するため、オペレータはこの通知に基づき制御部に設定したプラズマトーチの種類と実際にセットしたプラズマトーチの種類が一致するか否かを容易に判断することができる。
本発明の第1の実施例によるICP発光分析装置の概略構成図。 同実施例においてプラズマトーチの種類を判定するフローチャート。 本発明の第2の実施例によるICP発光分析装置の概略構成図。 同実施例においてパラメータ設定値を自動で設定するフローチャート。 従来のICP発光分析装置の概略構成図。
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。
図1は、本発明の第1の実施例によるICP発光分析装置100の概略構成図である。このICP発光分析装置100は、プラズマ形成用のガスが導入されるプラズマトーチ110と、キャリアガスに注入され、霧化された試料をプラズマトーチ110に導入する試料導入部140と、プラズマトーチ110及び試料導入部140へ冷却ガス等のガスを供給するガス流量制御部150とプラズマトーチ110に巻回された誘導コイル111に高周波電力を供給する電力供給部120と、各部を制御するための制御部130と、プラズマからの光を分光する分光器171と、該分光された光を検出し検出データとして出力する検出器172と、該検出データの処理を行うデータ処理部160と、プラズマトーチ毎のパラメータを保存するための記憶部190を有する。
電力供給部120は、誘導コイル111と電力供給部120内部に設けられたコンデンサによりLC共振回路を構成する自励発振方式の高周波電源である。電力供給部120は、制御部130からの指令に基づいて誘導コイル111に高周波電流を流す。この高周波電流の出力周波数は電力供給部120に設けられた高周波電流用の周波数カウンタ等の周波数測定部121により測定される。
制御部130は各種演算を行うCPU(Central Processing Unit:中央演算処理装置)やメモリやハードディスクなどの大容量記憶装置等からなり、ガス流量制御部150から供給する各種ガス(プラズマガス、冷却ガス、キャリアガス)の流量や導入タイミングの制御を行ったり、電力供給部120に対して電力供給量の制御を行ったりする。制御部130内のパラメータ設定部131、トーチ判定部132、電力供給停止部133の各部は、制御部130のCPUが所定のプログラムを実行することにより実現される(トーチ判定部132は回路等によってハード的に構成されていてもよい。)。制御部130には、オペレータが各種設定を行うための入力部137と、設定情報や取得した試料のデータなどを表示するための表示部138が接続される。
記憶部190はメモリやハードディスク等の大容量記憶装置であり、制御部130によりデータの入出力が行われる。記憶部190には、ICP発光分析装置100に装着されるプラズマトーチ110の種類、該トーチ毎に規定された各種ガスの流量や導入タイミング、誘導コイル111に対する電力供給量などの設定値がパラメータ設定値191として保存されている。また、該パラメータ設定値191がプラズマトーチの種類に応じて適切に設定された場合の出力周波数である基準出力周波数192も、プラズマトーチの種類毎に記憶されている。
分光器171はプラズマから発せられる光を分光し、該分光された光を検出器172へ導入する。検出器172へ導入された光は検出器172により検出され、光の強度に応じた検出データがデータ処理部160に出力される。検出データはデータ処理部160により各種データ処理が行われ、その結果は制御部130に送られて表示部138に表示される。
本実施例におけるICP発光分析装置100の動作を図1及び2を参照しつつ説明する。図2はICP発光分析装置100に取り付けられたプラズマトーチの判定を行うフローチャートである。本実施例ではオペレータは、分析する試料に最適な種類のプラズマトーチをICP発光分析装置100に取り付け、そのプラズマトーチの種類を制御部130に接続された入力部137から予め設定しておく。この状態で、オペレータが所定の操作を行うことによりプラズマ点灯処理の開始を指示すると、パラメータ設定部131は記憶部190にアクセスして予めオペレータにより制御部130に設定されているプラズマトーチの種類に対応したパラメータ設定値191を取得する。そして、その設定値をガス流量制御部150、試料導入部140及び電力供給部120に送信し、各部の設定を行う(ステップS11)。次に、制御部130により各種ガス及び電力供給開始の指令が送信されると、ガス流量制御部150により各種ガスがプラズマトーチ110へ供給され、電力供給部120により誘導コイル111に高周波電力が供給される(ステップS12)。
電力供給の開始後に、電力供給部120は周波数測定部121によって出力周波数を測定し、測定の結果を測定出力周波数として制御部130へ出力し続ける。制御部130は、電力供給が開始された時刻からの経過時間を計測し、プラズマが点灯するのに必要な時間が経過するまで待機する(ステップS13でNO)。この時間が経過すると、プラズマが点灯したと判定し(ステップS13でYES)、測定出力周波数を制御部130内のメモリに保持する(ステップS14)。
次に制御部130内のトーチ判定部132は、予めオペレータが設定したプラズマトーチの種類に対応する基準出力周波数192と測定出力周波数を比較する。測定出力周波数と基準出力周波数192が一致した場合には(ステップS15でYES)、分析装置100に装着されているプラズマトーチ110の種類が、制御部130に設定されているパラメータ設定値に対応したプラズマトーチであると判定し、表示部138によりオペレータに通知する。その後、制御部130は試料導入部140へ試料を注入する指令を出し、試料の分析を開始する(ステップS16)。
測定出力周波数と基準出力周波数192が一致しない場合には(ステップS15でNO)、装着されているプラズマトーチ110の種類はオペレータが制御部130に設定したプラズマトーチではないと判定する。そして、制御部130の電力供給停止部133は、電力供給部120、ガス流量制御部150、試料導入部140にそれぞれ高周波電力、各種ガスの供給を停止させる指令を出し、電力及びガスの供給を停止させる(ステップS17)。このとき、トーチ判定部132はオペレータにプラズマトーチの設定が誤っていることを知らせるための警告表示を表示部138に出力する(ステップS18)。
続いて、本発明の第2の実施例によるICP発光分析装置について説明する。図3は本発明の第2の実施例によるICP発光分析装置200の概略構成図である。本実施例は、第1の実施例の構成に加えて、プラズマトーチ210の点灯を検出するためのトーチ点灯判定部280と、制御部230にトーチ自動設定部234とを設けている。記憶部290には、基準出力周波数に替えて、基準出力周波数差292が保存されている。また、電力供給停止部は設けていない。その他の構成については、図1と同様であるため、既に説明したものと同一又は対応する構成要素については下二桁が共通する符号を付し、適宜説明を省略する。
ICP発光分析装置200の動作を図3及び4を参照しつつ説明する。図4は分析に使用するパラメータ設定値を自動で決定するフローチャートである。オペレータは、分析する試料に最適な種類のトーチをICP発光分析装置200に予め取り付けておく。まず、オペレータが所定の操作を行うことによりプラズマ点灯処理の開始を指示する。パラメータ設定部231は記憶部290に保存されたパラメータ設定値291の中から、供給電力の値が最も小さい設定値を読み出す。そして、電力供給部220、試料導入部240、ガス流量制御部250に送信し、各部の設定を行う(ステップS21)。次に、制御部230は各種ガス及び電力供給の指令を送信し、これによりガス流量制御部250により各種ガスがプラズマトーチ210へ供給され、電力供給部220により誘導コイル211に高周波電力が供給される(ステップS22)。
電力の供給が開始されると、周波数測定部221は電力供給部220から誘導コイル211に供給される高周波電流の出力周波数を測定する。測定された出力周波数は、制御部230に送信され続ける。制御部230は、送信されてくる測定出力周波数のうち、プラズマが点灯する前の測定出力周波数をメモリに保持する(ステップS23)。
トーチ点灯検出部280は、CCD(Charge Coupled Device:電荷結合素子)等の光センサでありプラズマからの光を検出し、発光の有無を制御部へ出力する。
制御部230は、トーチ点灯検出部280から出力される検出信号をモニタし、プラズマ点灯の有無を判定する。プラズマが点灯するまでの間、制御部230はトーチ点灯検出部280からの通知を待ち続ける(ステップS24でNO)。プラズマが点灯すると該プラズマから発せられる光によりトーチ点灯検出部280の出力が増加するため、制御部230は該出力が予め設定された閾値を超えると、プラズマが点灯したものとして判定する(ステップS24でYES)。
プラズマ点灯の判定がなされると、制御部230は、プラズマ点灯後の測定出力周波数をメモリに保持する(ステップS25)。
次に制御部230内のトーチ判定部232はプラズマ点灯前の測定出力周波数(ステップS23の測定結果)と、プラズマ点灯後の測定出力周波数(ステップS25の測定結果)の差分である測定出力周波数差を算出する。そして、前記測定出力周波数差を記憶部290に保存された基準出力周波数差292と比較し、いずれかの基準周波数差と一致するか否かを判定し、その結果を表示部238に表示することでオペレータに通知する。
また、上記の判定において、測定出力周波数差と基準出力周波数差292が一致しないと判定されると(ステップS26でNO)、制御部230は、電力供給部220、ガス流量制御部250、試料導入部240にそれぞれ高周波電力、各種ガスの供給を停止させる指令を出し、電力及びガスの供給を停止させる(ステップS28)。
その後、トーチ自動設定部234は記憶部290に保存されている別のパラメータ設定値291を読み出し、ガス流量制御部250、試料導入部240及び電力供給部220へ設定する(ステップS29)。このとき記憶部290から読み出すパラメータ設定値291は、供給電力が現在設定されている電力値の次に小さいものを読み出す。以降、パラメータ設定値291を変更する場合には、電力値が小さいものから順番に読み出す。
パラメータ設定値291の変更後、上述したステップS22→S23→S24の処理を実施する。これらの処理を測定出力周波数差と基準出力周波数差292が一致している判定されると(ステップS26でYES)、制御部230は試料導入部240へ試料を注入する指令を出し、試料の分析を開始する(ステップS27)。
このように上記実施例では、測定出力周波数差と基準出力周波数差292が一致するか否かの判定を行うことで、ICP発光分析装置200に装着されているプラズマトーチの種類を確認することができる。また、制御部230が自動でパラメータ設定値を変更し、装着されているプラズマトーチの種類に応じた設定で分析を行うことができる。
以上、本発明に係るICP発光分析装置の実施形態について説明したが、本発明の趣旨の範囲であれば、適宜変更、修正を行うことができる。例えば、上記実施例ではトーチ点灯検出部として光センサを設けたが、検出器を光センサとして使用することも可能である。この構成では光センサを別途設ける必要がなくなる。
また、第1の実施例においてトーチ判定部を設けたり、第2の実施例においてトーチ判定部を設けずに、時間経過によりプラズマの点灯の判定を行ってもよい。
さらに第1の実施例のプラズマ点灯後の出力周波数に基づいてプラズマトーチの種類を判定する構成にトーチ自動設定部を設け、自動でトーチを設定する構成とすることもできる。また、第2の実施例のプラズマ点灯前後の出力周波数差に基づいてプラズマトーチの種類を判定する構成に電力供給停止部を設け、オペレータが予め設定したプラズマトーチと装着されているプラズマトーチの種類が異なると判定された場合に電力供給部の電力供給を自動で停止させる構成としてもよい。
100、200…ICP発光分析装置
110、210…プラズマトーチ
111、211…誘導コイル
120、220…電力供給部
121、221…周波数測定部
130、230…制御部
131、231…パラメータ設定部
132、232…トーチ判定部
133…電力供給停止部
234…トーチ自動設定部
137、237…入力部
138、238…表示部
140、240…試料導入部
150、250…ガス流量制御部
160、260…データ処理部
171、271…分光器
172、272…検出器
280…トーチ点灯検出部
190、290…記憶部
191、291…パラメータ設定値
192…基準出力周波数
292…基準出力周波数差

Claims (7)

  1. プラズマトーチに巻回された誘導コイルにプラズマ生成用高周波電力を供給する自励発
    振方式の電力供給部を具備するICP分析装置において、
    a) 前記電力供給部の出力周波数を測定する周波数測定部と、
    b) プラズマトーチの種類毎のプラズマ点灯前と後の出力周波数の差である基準出力周
    波数差が保存されている記憶部と、
    c) 前記周波数測定部が測定したプラズマ点灯前と後の測定出力周波数の差が、前記記
    憶部に保存されている基準出力周波数差のいずれかと一致するか否かを判定し、通知する
    トーチ判定部と
    を備えることを特徴とするICP分析装置。
  2. 更に、
    d) 前記プラズマトーチのプラズマ点灯を検出するトーチ点灯検出部と
    を備えることを特徴とする請求項1に記載のICP分析装置。
  3. 更に、
    e) 前記トーチ判定部において判定を行った基準出力周波数差に対応するプラズマトー
    チの種類が、前記ICP分析装置に装着されたプラズマトーチの種類と異なると判定され
    た場合に、別の種類のプラズマトーチの基準出力周波数差に自動で切り換えるトーチ自動
    設定部と
    を備えることを特徴とする請求項1に記載のICP分析装置。
  4. 更に、
    f) 前記トーチ判定部において判定を行った基準出力周波数差に対応するプラズマトー
    チの種類が、前記ICP分析装置に装着されたプラズマトーチの種類と異なると判定され
    た場合に、装着されたプラズマトーチに最適なパラメータ設定値に自動で変更する制御部

    を備えることを特徴とする請求項1に記載のICP分析装置。
  5. 前記制御部が、前記装着されたプラズマトーチに対し、前記記憶部に保存されている複
    数のプラズマトーチのそれぞれに対応する高周波電力を、その電力が小さい順に供給する
    ことを特徴とする請求項4に記載のICP分析装置。
  6. 更に、
    g) オペレータにより制御部に設定されたプラズマトーチの種類に対応した基準出力周
    波数差とプラズマ点灯前と後の測定出力周波数の差が異なると判定され、それが通知され
    た場合に、前記電力供給部からプラズマトーチに巻回された誘導コイルへの高周波電力の
    供給を停止させる電力供給停止部
    を備えることを特徴とする請求項1に記載のICP分析装置。
  7. プラズマトーチと、該プラズマトーチに巻回された誘導コイルにプラズマ生成用高周波
    電力を供給する自励発振方式の電力供給部を具備するICP分析装置において、
    プラズマ点灯前と点灯後に前記電力供給部の出力周波数を測定し、
    プラズマ点灯前に測定された出力周波数と点灯後に測定された出力周波数の差が、予め
    記憶部に保存された基準出力周波数差と一致するか否かを判定し、判定の結果を通知する
    ことを特徴とするICP分析装置のプラズマトーチ判定方法。

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