JP7471576B2 - 試料導入装置、誘導結合プラズマ分析装置および分析方法 - Google Patents

Description

本発明は、試料導入装置、誘導結合プラズマ分析装置および分析方法に関する。

分析装置の分析部に分析対象試料を導入するために、スプレーチャンバーを含む試料導入装置が用いられている（例えば特許文献１参照）。

特開２００６－２４２７６９号公報

分析感度向上の観点からは、分析装置によって得られる信号強度が高いことが望ましい。分析感度が高い分析装置によれば、例えば、微量成分であっても検出することができ、定性分析や定量分析を行うことが可能となる。

本発明の一態様は、分析装置によって得られる信号強度を高めることに寄与し得る試料導入装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、
スプレーチャンバーと、
上記スプレーチャンバーの排出口から試料ガス流が導入され試料ガス流を管内で排出方向に流通させて外部へ排出する出口管部と、
を含み、
上記出口管部は、内管部と、外管部と、により構成される二重管構造を有し、
上記内管部は、上記試料ガス流が導入される導入側開口を一方の端部に有し他方の端部に排出側開口を有し、
上記内管部の導入側開口と上記スプレーチャンバーの排出口との間には間隔があり、
上記外管部はくびれ部を有し、このくびれ部の内径が最も小さい部分が、上記間隔よりも上記スプレーチャンバーに近い側に位置し、
上記外管部は、外側側面の上記くびれ部よりも上記スプレーチャンバーに近い側と、外側側面の上記くびれ部よりも上記排出方向に近い側とに、それぞれ１つ以上の開口を有する、試料導入装置、
に関する。

本発明者は、上記試料導入装置は、上記構成を有することによって、内管部の管内に負圧を発生させることができ、これにより、スプレーチャンバーから出口管部への試料ガス流の導入を促進できると考えている。その結果、より多くの分析対象試料を分析装置に導入することが可能になるため、分析装置において、より高強度の信号を得ることができるようになると本発明者は推察している。
詳しくは、外管部の外側側面のくびれ部よりもスプレーチャンバーに近い側の開口からガスを導入すると、上記くびれ部によって下流側の流速が増す。よって、上記構成を有する二重管構造の管内では、内管部の導入側開口と上記スプレーチャンバーの排出口との間の間隔の近傍で、導入されたガスにより流速の速い層流を生じさせることができると考えられる。この層流によって内管部の管内の圧力を負圧にすることができ、この負圧が、スプレーチャンバーから試料ガス流をより効率的に引き出すことに寄与すると考えられる。また、外管部の外側側面のくびれ部よりも排出方向に近い側の開口は、層流を生じさせた後、導入されたガスを出口管部から排出する排出口の役割を果たすことができると考えられる。これにより、導入されたガスが分析装置へ流入することを防ぐことができる（または分析装置へ流入するとしても流入量を低減できる）と推察される。

一形態では、上記スプレーチャンバーと上記出口管部とは、着脱可能であることができる。

本発明の一態様は、試料液を霧化するネブライザーと、上記試料導入装置と、プラズマトーチを含む分析部と、を含む誘導結合プラズマ分析装置に関する。

一形態では、上記ネブライザーへの上記試料液の導入量は、１μＬ／ｍｉｎ以上５００μＬ／ｍｉｎ以下であることができる。

一形態では、上記誘導結合プラズマ分析装置は、誘導結合プラズマ質量分析装置または誘導結合プラズマ発光分光分析装置であることができる。

本発明の一態様は、
分析対象試料の定性分析、定量分析または定性分析および定量分析を、上記誘導結合プラズマ分析装置によって行うことを含み、
上記分析対象試料が上記出口管部の管内を流通する際、上記外管部の外側側面の上記くびれ部よりも上記スプレーチャンバーに近い側の開口から上記外管部の管内にガスを導入することを更に含む、分析方法、
に関する。

一形態では、上記ガスの導入流速は、前記分析対象試料を含む試料ガス流の流速よりも高速であることができる。

一形態では、上記分析方法によって、分析対象試料中の金属成分の定性分析、定量分析または定性分析および定量分析を行うことができる。

本発明の一態様にかかる試料導入装置の一例を示す概略図（側面図）である。 図１Ａに示す試料導入装置の部分拡大図である。 スプレーチャンバーの一例を示す概略図（側面図）である。 スプレーチャンバーの一例を示す概略図（上面図）である。 スプレーチャンバーの一例を示す概略図（側面図）である。 図３Ａおよび図３Ｂに示すスプレーチャンバーにおけるアディショナルガス導入管部の配置の説明図である。 図３Ａおよび図３Ｂに示すスプレーチャンバーにおけるアディショナルガス導入管部の配置の説明図である。 図３Ａおよび図３Ｂに示すスプレーチャンバーにおけるアディショナルガス導入管部の配置の説明図である。 スプレーチャンバーの他の一例を示す概略図（上面図）である。 スプレーチャンバーの他の一例を示す概略図（側面図）である。 実施例１で測定された各種イオンの信号強度を、比較例１で測定された信号強度に対する相対値（信号強度比）として示す。

［試料導入装置］
以下、上記試料導入装置について、更に詳細に説明する。以下では、図面を参照して説明することがあるが、図面に示す形態は例示であって、かかる形態に本発明は限定されるものではない。

図１Ａは、本発明の一態様にかかる試料導入装置の一例を示す概略図（側面図）である。図１Ａに示す試料導入装置１は、スプレーチャンバー１０、ネブライザー１６および出口管部１７を含む。図１Ｂは、図１Ａに示す試料導入装置の部分拡大図である。

＜出口管部＞
出口管部１７には、スプレーチャンバー１０の排出口部１１０の先端に位置する排出口１１０Ｈから試料ガス流が導入される。導入された試料ガス流は、出口管部１７の管内で排出方向に流通されて出口管部の外部へ排出される。

出口管部１７は、内管部１７０と外管部１７１とを有し、これら２つの管部によって二重管構造が形成されている。

（内管部）
内管部１７０は、スプレーチャンバー１０から試料ガス流が導入される導入側開口１７０Ｈａを一方の端部に有し、排出側開口１７０Ｈｂを他方の端部に有する。図１Ｂに示すように、内管部１７０の導入側開口１７０Ｈａとスプレーチャンバー１０の排出口１１０Ｈとの間には、間隔Ｇが設けられている。

（外管部）
外管部１７１は、くびれ部１７Ｃを有する。このくびれ部１７Ｃの内径が最も小さい部分は、内管部１７０の導入側開口１７０Ｈａとスプレーチャンバー１０の排出口１１０Ｈとの間の間隔Ｇよりもスプレーチャンバー１０に近い側に位置している。

更に外管部１７１は、外側側面に、少なくとも２つの開口を有する。少なくとも１つの開口は、くびれ部１７Ｃよりもスプレーチャンバー１０に近い側に設けられている。図１Ａおよび図１Ｂに示す例では、かかる開口は開口１７２である。また、少なくとも１つの開口は、くびれ部１７Ｃよりも試料ガス流が排出される排出方向に近い側に設けられている。図１Ａおよび図１Ｂに示す例では、かかる開口は開口１７３である。これら開口の数は、それぞれ少なくとも１つであり、それぞれ２つ以上設けられていてもよい。また、これら開口からのガスの導入および排出をより円滑に行うために、図１Ａおよび図１Ｂに示す例のように、管状の開口部として、上記開口を設けることもできる。

上記構成を有する出口管部を備える試料導入装置を用いることにより、分析装置において、より高強度の信号を得ることが可能になる。これは、上記試料導入装置によって、より多くの分析対象試料を分析装置に導入することが可能になるためと考えられる。この点に関する本発明者の推察は、先に詳述した通りである。

出口管部は、任意の材料製の部材であることができる。上記材料としては、耐酸性、耐アルカリ性等の化学的耐久性の観点からは、各種ガラス、石英、フッ素樹脂、および、エンジニアリングプラスチックまたはスーパーエンジニアリングプラスチックに分類される各種樹脂等が好ましい。フッ素樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレン等の各種フッ素樹脂を挙げることができる。エンジニアリングプラスチックとしてはポリカーボネート（ＰＣ）等の各種エンジニアリングプラスチックを挙げることができ、スーパーエンジニアリングプラスチックとしてはポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等の各種スーパーエンジニアリングプラスチックを挙げることができる。上記出口管部は、単一部材として構成してもよく、複数の部材を組み合わせて構成することもできる。かかる部材は、公知の成形方法により製造することができる。

出口管部は、スプレーチャンバーと着脱可能な構成であってもよく（即ち別部材として構成されていてもよく）、スプレーチャンバーと一体に構成されていてもよい。製造容易性、洗浄容易性等の観点からは、出口管部とスプレーチャンバーは着脱可能な構成であることが好ましい。

出口管部には、スプレーチャンバーの排出口から試料ガス流が導入される。例えば、図１Ａおよび図１Ｂに示されている例のように、スプレーチャンバー１０の先端部である排出口部１１０を出口管部１７に挿入することによって、出口管部１７をスプレーチャンバー１０に装着させることができる。ただし、スプレーチャンバー１０の排出口１１０Ｈと出口管部１７の内管部１７０の導入側開口１７０Ｈａとは密着させず、それらの間には間隔が設けられる。

＜スプレーチャンバー＞
上記試料導入装置が有するスプレーチャンバーは、一方の端部からガス流によって液滴を導入することができ、導入された液滴の少なくとも一部が他方の端部から外部へ排出される構成を有するものであればよい。スプレーチャンバーは、通常、液滴の粒径の違いによる重さの違いを利用して、重力差によって液滴の粒径を選別し、微細な液滴を選択的に分析装置に導入する役割を果たすことができる。

上記スプレーチャンバーは、単一の管状部材であることができ、２つ以上の部材が組み合わされた部材であることもできる。

以下に、図面を参照し、上記試料導入装置が有するスプレーチャンバーの一例について説明する。ただし、上記試料導入装置が有するスプレーチャンバーは、かかる例示に限定されるものではない。

図２は、スプレーチャンバーの一例を示す概略図（側面図）である。図２に示すスプレーチャンバー１０は、第一管部１１および第二管部１２を含む流路管部１３からなる。図２に示すスプレーチャンバー１０において、第二管部１２はネブライザー１６と接続されている。更に、スプレーチャンバーのみの概略図を示した図面が、図３Ａおよび図３Ｂである。図３Ａは上面図、図３Ｂは側面図である。なお図中、点線は厚みを示すものであり、二重管を示すものではない。

図３Ａおよび図３Ｂに示すスプレーチャンバー１０は、一方の端部に排出口部１１０を有し、他方の端部に試料導入口部１２１を有する流路管部１３からなる。流路管部１３は、第一管部１１と第二管部１２により構成されている。第一管部１１は、排出口部１１０、円錐部１１１および円筒部１１２からなる。一方、第二管部１２は、円筒部１２０および試料導入管部１２１からなる。そして、第一管部１１の円筒部１１２と第二管部１２の円筒部１２０とが少なくとも一部で重なり合って連結することにより、二重管部１００が構成されている。したがって、二重管部１００の二重管の空間の内側壁面は、第二管部１２の円筒部１２０の外側側面であり、二重管部１００の二重管の空間の外側壁面は、第一管部１１の円筒部１１２の内側壁面である。

次に、第一管部、第二管部について、更に詳細に説明する。

図３Ａおよび図３Ｂ中、第一管部１１は、一方の端部に排出口部１１０を有し、排出口部１１０は円錐部１１１と連通している。円錐部１１１は、排出口部の側に向かって内径が小さくなる円錐形状を有する。この円錐部１１１には、第一管部の他方の端部を含む円筒部１１２が連通している。
一方、第二管部１２は、第二管部の一方の端部を含む円筒部１２０と他方の端部を含む試料導入口部１２１とが連通している。
以上の構造を有する第一管部１１と第二管部１２とによって、流路管部１３が構成されている。更に、第一管部１１と第二管部１２との接続部において、両管部の円筒部が重なり合って二重管部１００が構成されている。二重管部とは、第一管部の円筒部の端部開口と第二管部の円筒部の端部開口との間の部分である。したがって二重管部の両端は開口であるが、開口で囲まれる仮想平面を、以下では底面と呼ぶ。図３Ａおよび図３Ｂに示す態様では、第一管部１１と第二管部１２とは別部材であって、第一管部１１の円筒部１１２の端部開口に、第二管部１２の円筒部１２０を挿入することにより両管部が接続されて流路管部１３が構成されている。例えば、第一管部１１の円筒部１１２が、端部においてテーパー状に先細り端部開口の内径が第二管部１２の円筒部１２０の端部開口の外径と略同一の形状であることにより、両管部を接続して形成される二重管部１００に導入されるアディショナルガスが、両管部の接続部から外部に漏出することを抑制することができる。または、シール部材等により接続部の密閉性を確保してもよい。なお接続部の密閉性については、アディショナルガスの漏出を完全に防ぐことは必須ではなく、二重管部に導入されたアディショナルガスがガス流となって流れることを妨げない程度の漏出は許容されるものとする。または、第一管部と第二管部とを一体成形して流路管部を構成してもよい。

二重管部１００は、外側側面、即ち第一管部１１の円筒部１１２の外側側面に開口を有する。この開口は、二重管部内（即ち二重管部の内側壁面と外側壁面とに囲まれる空間）にアディショナルガスを導入するための開口（アディショナルガス導入用開口）である。アディショナルガス導入管部１０１は、上記開口を介して二重管部内にアディショナルガスを導入する導入路となる。アディショナルガス導入管部から開口を介して二重管部内にアディショナルガスを導入することにより、導入されたアディショナルガスは二重管部内を旋回して第一管部１１の円錐部１１１に向かってらせん状のガス流（アディショナルガス流）をもたらすことができる。スプレーチャンバーの排出口部側に向かって内径が小さくなる円錐部の存在も、アディショナルガス流がらせん状のガス流となることに寄与することができる。こうして発生するアディショナルガス流は、円錐部の壁面に沿ってらせん状に排出口部に向かうガス流になることができる。このようなアディショナルガス流により、試料液滴が円錐部の壁面に付着することを抑制することができ、更にはアディショナルガス流が試料液滴を取り込み排出口部へ導くことができる。

図３Ａおよび図３Ｂに示す形態では、第一管部１１の円筒部１１２は、アディショナルガス導入用開口以外に廃液用開口と廃液用開口を介して廃液するための廃液管部１１３を有する。この廃液管部１１３は、二重管部１００の内部から外部へ廃液する廃液路としての役割を果たすことができる。また、図３Ａおよび図３Ｂに示す形態では、第二管部１２も廃液管部１２２を有する。この廃液管部１２２は第二管部１２の内部から外部へ廃液する廃液路としての役割を果たすことができる。

次に、上記スプレーチャンバーの各部について、更により詳細に説明する。

図４Ａ～図４Ｃは、図３Ａおよび図３Ｂに示すスプレーチャンバーにおけるアディショナルガス導入管部の配置の説明図である。図４Ａは図３Ａに示す上面図に説明のための矢印を示した図面であり、図４Ｂは二重管部のアディショナルガス導入管部を含む部分の断面図である。図４Ｃは、図３Ｂに示す側面図に説明のための矢印を示した図面である。図中の矢印は、それぞれ以下の方向を示している。Ｘ方向は、アディショナルガス導入管部の中心軸方向である。Ｙ方向は、第一管部の円筒部の中心軸方向であり、第一管部の円錐部の中心軸方向および第二管部の円筒部の中心軸方向と一致する。また、Ｙ方向は、流路管部の中心軸方向とも一致する。Ｚ方向は、導入管部の中心軸方向である。

他の形態のスプレーチャンバーの上面図が図５Ａであり、側面図が図５Ｂである。図５Ａおよび図５Ｂに示す態様は、アディショナルガス導入管部１０１および試料導入口部１２１の配置が異なる点以外、図２～図４Ｃに示すスプレーチャンバーと同様である。同様の点の説明は省略する。

Ｘ方向とＹ方向とのなす角度θ１は、図４Ａ～図４Ｃに示す態様では９０°であり、図５Ａおよび図５Ｂに示す形態では１１０°である。角度θ１は、０°～１８０°の範囲で規定されるものとする。角度θ１は、アディショナルガス導入管部から導入されたアディショナルガスのガス流を二重管部内で円滑に旋回させる観点から９０°～１３０°の範囲であることが好ましい。また、アディショナルガス導入用開口は、二重管部の外側側面の任意の位置に設けることができる。例えば、二重管部の外側側面の中央を基準として、第二管部寄りの位置に設けてもよく、第一管部寄りの位置に設けてもよく、アディショナルガス導入用開口の中心が二重管部の外側側面の中央と一致する位置に設けてもよい。アディショナルガス導入管部から導入されたアディショナルガスのガス流を二重管部内で円滑に旋回させる観点からは、アディショナルガス導入用開口は、二重管部の外側側面の第二管部よりの位置に設けることが好ましく、より第二管部に近い位置に設けるほど好ましい。

アディショナルガス導入管部から導入されたアディショナルガスのガス流を二重管部内で円滑に旋回させる観点からは、二重管部の長さ、即ち第一管部側の底面を第一底面と第二管部側の底面との間の最短距離は、１０．０ｍｍ～３０．０ｍｍの範囲であることが好ましい。また、アディショナルガス導入用開口の直径は、０．１～３．０ｍｍの範囲であることが好ましい。なお廃液用開口の直径についても、同様である。

第一管部において、円錐部は、円筒部と排出口部との間に位置し、排出口部の側に向かって内径が小さくなる部分である。第一管部において、円筒部側から排出口部側に向かう内径変化が開始する位置を円錐部の一方の端部とし、内径変化が終了する位置を円錐部の他方の端部とする。円錐部の一方の端部から他方の端部までの最短距離を、円錐部の長さと呼ぶ。円錐部の長さと円錐部の最大内径との比（長さ／最大内径）は、円錐部での試料液滴の壁面付着ロスを低減する観点から０．３以上であることが好ましい。上記の比が０．３以上（より好ましくは０．５以上、更に好ましくは０．８以上）であることにより、円錐部においてアディショナルガスのガス流を、より円滑にらせん状に旋回させることができる。また、上記の比が大きくなるほど円錐部の最大内径に対して円錐部の長さが長くなることを意味する。上記の比は、例えば４．０以下または３．５以下であることができる。ただし円錐部の長さを長くして上記の比を大きくするほど、スプレーチャンバーの全長が長くなりスプレーチャンバーは大型になる。一方、本発明者らの検討によれば、上記の比が３．０超になるほど円錐部を長くしてもそれ以上の分析感度の変化は見られなかった。したがって、分析感度の向上とスプレーチャンバーの小型化の両観点から、上記の比は、３．０以下であることが好ましい。

第一管部の円錐部の最大内径は、例えば２５．０～６５．０ｍｍの範囲であることが好ましい。円錐部の最大内径とは、即ち円錐部と連通する円筒部の内径である。なお円筒部は、先に記載したように端部においてテーパー状に先細る形状を有していてもよい。この場合、ここでいう円筒部の内径とは、円筒部の最大内径をいう。また、第一管部の円錐部の最小内径は、例えば５．０～１０．０ｍｍの範囲であることが好ましい。円錐部は、中心軸を通る断面の形状が完全な三角形の一部であることは必須ではなく、上記断面形状の少なくとも一部に曲線が含まれることも許容されるものとする。

上記スプレーチャンバーにおいて、第二管部の円筒部の外径は、上記第一管部の円筒部の内径より小さい。これにより、第一管部の円筒部と上記第二管部の円筒部とが少なくとも一部で重なり合うことにより二重管部を形成することができる。第一管部の円筒部の内径と第二管部の円筒部の外径との差は、１．０ｍｍ～６．０ｍｍの範囲であることが好ましい。上記の差が１．０ｍｍ～６．０ｍｍの範囲であれば、二重管部において、第一管部の円筒部の壁面と第二管部の円筒部の外側側面とにより囲まれる空間、即ちアディショナルガスが導入される空間の幅を、０．５ｍｍ～３．０ｍｍの範囲とすることができる。上記空間の幅が０．５ｍｍ以上であることは、二重管部からの廃液を容易にする観点から好ましい。また、上記空間の幅が３．０ｍｍ以下であることは、アディショナルガス導入管部から導入されたアディショナルガスのガス流を二重管部内で円滑に旋回させる観点から好ましい。一例として、第二管部の円筒部の内径は、例えば２０．０ｍｍ～６０．０ｍｍの範囲であることが好ましい。例えば第二管部の円筒部の内径が２０ｍｍ以上であれば、試料導入口部から導入されたガス流中の試料液滴同士の衝突を効果的に抑制することができ、液滴同士の衝突による液滴ロスを低減することができる。また、例えば第二管部の円筒部の内径が６０ｍｍ以下であれば、第二管部の小型化、更にはスプレーチャンバーの小型化の観点から好ましい。

第二管部は、円筒部および試料導入口部を有し、好ましくは円筒部と試料導入口部とからなる。図４Ｃに示す態様では、試料導入口部１２１の中心軸方向（Ｚ方向）と第一管部の円筒部の中心軸方向（Ｙ方向）となす角度θ２は、３０°である。一方、図５Ｂに示す態様では、Ｚ方向はＹ方向と同一方向（即ち、Ｚ方向とＹ方向とのなす角度θ２＝０°）。θ２は、０°～９０°の範囲で規定されるものとする。θ２が０°の場合、試料導入口部の中心軸方向と略同一の方向から試料液滴を含むガス流をスプレーチャンバー内に導入すると、試料液滴は第二管部の円筒部の壁面と衝突し難くなる。これによりスプレーチャンバー内での液滴壁面付着ロスをより一層効果的に低減することができると考えられる。したがって、分析感度のより一層の向上の観点からは、Ｚ方向とＹ方向とは同一方向であることが好ましい。
一方、Ｚ方向がＹ方向に対して傾斜している場合、試料導入口部の中心軸方向と略同一の方向から試料液滴を含むガス流をスプレーチャンバー内に導入すると、試料液滴の少なくとも一部が第二管部の円筒部の壁面と衝突し易くなる。第二管部の円筒部の壁面と衝突すると、液滴は衝突粉砕され、より微細な液滴となることができるため、スプレーチャンバーから排出される液滴がより微細化される傾向がある。試料液滴の微細化は、分析装置の分析部における感度の安定性の観点から好ましい。したがって、安定性を重視する場合には、Ｚ方向はＹ方向に対して傾斜していることが好ましく、例えばθ２は１０°～６０°の範囲であることが好ましい。

上記スプレーチャンバーにおいて、第二管部の円筒部の長さは、例えば１０．０～７０．０ｍｍであることが好ましい。円筒部の少なくとも一部は、二重管部を構成しているが、上記長さとは、二重管部を構成している部分の長さも含むものとする。なお第二管部の円筒部は、例えば図３Ｂおよび図４Ｃに示す態様のように、完全な円筒形状ではなく試料導入口部側の底面部が、第二管部の円筒部の中心軸方向に対して傾斜していてもよい。この場合、円筒部の長さとは、最短長さ（例えば図４Ｃ中のｌ）をいうものとする。

上記スプレーチャンバーにおいて、第一管部の排出口部は、排出口となる開口を有する限り、その形状および長さは特に限定されるものではない。排出口部の先端は、通常、分析装置において分析部との接続部分となるため、分析部の形状に応じて先端形状を決定すればよい。
一方、第二管部の試料導入口部は、ネブライザーから試料液滴を含むガス流を導入するための開口を有する限り、その形状および長さは特に限定されるものではない。試料導入口部は、通常、ネブライザー先端を挿入する挿入口部となる。試料導入口部は、例えば円筒形状を有することができるが、上記の通り形状は特に限定されるものではない。

上記スプレーチャンバーの全長については、一般に、全長が短いほどスプレーチャンバー内での液滴ロスは低減できる傾向があり、一方、全長が長いほど粒径選別能は高くなる傾向がある。以上の点を考慮し、上記スプレーチャンバーの全長は、例えば８０．０ｍｍ～２００．０ｍｍの範囲であることが好ましい。スプレーチャンバーの全長とは、側面視において、一方の最端部から他方の最端部までの最短距離をいうものとする。例えば、図４Ｃ中の長さＬ、図５Ｂ中の長さＬである。

上記スプレーチャンバーは、二重管部からアディショナルガスを導入することができ、これにより試料液滴の壁面付着ロスを低減することができる。ただしスプレーチャンバー内での重力差を利用した試料液滴の粒径選別によって、液滴として導入された試料液の一部がスプレーチャンバーから排出されずにスプレーチャンバー内に残留することがあり得る。また、壁面付着が起こることにより液滴として導入された試料液の一部がスプレーチャンバー内に残留することもあり得る。上記スプレーチャンバーは、このように残留した試料液を外部へ廃液するための廃液路を少なくとも１つ有することが好ましい。例えば、第一管部内に残留した試料液を排出するための廃液路は、第一管部の任意の位置に設けることができ、一態様では二重管部を構成する部分に設けることができる。即ち、上記スプレーチャンバーは、二重管部の外側側面に廃液用開口および廃液用開口を介して二重管部内から外部へ廃液する廃液路となる廃液管部を有することができる（例えば図３Ｂ中、廃液管部１１３）。また、第二管部の外側側面に、第二管部内に残留した試料液を廃液するための廃液用開口と廃液用開口を介して第二管部内から外部へ廃液する廃液路となる廃液管部を有することもできる（例えば図３Ｂ中、廃液管部１２２）。

なお本発明および本明細書において、円筒部に関して記載する「円筒」とは、完全な円筒形状を意味するものに限定されず、先に記載したように円筒形状の部分と連続する端部に内径が異なる部分が含まれる態様も包含されるものとする。円錐部に関して記載する「円錐」とは、先に記載したように、完全な円錐形状を意味するものに限定されるものではない。また、２つの方向の位置関係について記載する略同一、２つの径の大きさに関して記載する略同一とは、完全な同一に加えて一般に許容される誤差範囲を含む意味で用いるものとする。上記誤差範囲とは、２つの方向の位置関係については、例えば０．１°以内の範囲を意味し、２つの径の大きさに関しては、例えば１％以内の範囲を意味する。

以上説明した第一管部および第二管部は、任意の材料製の部材であることができる。上記材料としては、耐酸性、耐アルカリ性等の化学的耐久性の観点からは、各種ガラス、石英、フッ素樹脂、および、エンジニアリングプラスチックまたはスーパーエンジニアリングプラスチックに分類される各種樹脂等が好ましい。フッ素樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレン等の各種フッ素樹脂を挙げることができる。エンジニアリングプラスチックとしてはポリカーボネート（ＰＣ）等の各種エンジニアリングプラスチックを挙げることができ、スーパーエンジニアリングプラスチックとしてはポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等の各種スーパーエンジニアリングプラスチックを挙げることができる。先に記載した理由から、第一管部および第二管部は、ガラス、石英またはフッ素樹脂製であることが好ましい。また、第一管部および第二管部は、単管構造の部材であることができる。第一管部および第二管部は、公知の成形方法により製造することができる。

［誘導結合プラズマ分析装置］
本発明の一態様は、試料液を霧化するネブライザーと、上記試料導入装置と、プラズマトーチを含む分析部と、を含む誘導結合プラズマ分析装置（以下、単に「分析装置」とも記載する。）に関する。

上記分析装置が有する試料導入装置については、先に詳述した通りである。

上記分析装置が有するネブライザーとしては、液滴を霧化可能な公知の構成のネブライザー（噴霧器とも呼ばれる。）を用いることができる。ネブライザーは、ネブライザーに導入された試料液を霧化し、霧化された試料液の液滴を含む試料ガス流を噴霧してスプレーチャンバー内に導入することができる。ネブライザーへの試料液の導入量は、上記試料導入装置によって試料が導入される分析装置の種類等に応じて決定すればよく、例えば、１μＬ／ｍｉｎ以上５００μＬ／ｍｉｎ以下であることができる。ネブライザーでは、例えば、試料液をキャリアガスと混合して噴霧することにより、試料液滴を含むガス流を生成（試料液を霧化）することができる。キャリアガスとしては、不活性ガスの一種または二種以上が一般に使用される。キャリアガスの具体例としては、例えばアルゴンガスを挙げることができる。

ネブライザーにより霧化された試料液滴を含む試料ガス流は、上記試料導入装置のスプレーチャンバーに導入され、スプレーチャンバー内に流通され、更に出口管部内に流通された後、分析部に導入される。

上記分析装置は、誘導結合プラズマ分析装置であり、少なくとも分析部にプラズマトーチを含む。プラズマトーチは、例えば、誘導結合プラズマ分析装置の一例である誘導結合プラズマ質量分析装置（ＩＣＰ－ＭＳ；Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ－Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ）または誘導結合プラズマ発光分光分析装置（ＩＣＰ－ＡＥＳ；Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ－Ａｔｏｍｉｃ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ）において、プラズマによりイオン化を行う部分である。

上記分析装置における試料導入装置の設置角度は、試料導入装置が設置された設置面の水平方向（例えば図２中、Ｈ方向）と、スプレーチャンバーの中心軸方向（例えば図２中、Ｙ方向）とがなす角度θ３が、０°～９０°（即ち設置面の水平方向と平行～設置面の水平方向と垂直）の範囲であることが好ましい。これにより、ネブライザーからスプレーチャンバーに導入された試料液滴の中で、粒径の大きな液滴を重力によって落下させて粒径を選別する粒径選別能を向上させることができる。なお角度θ３は、０°～±９０°の範囲で規定するものとする。θ３がマイナスの値を取る場合、スプレーチャンバーは、前方部より後方部が下方に位置するように設置されている。θ３がプラスの値を取る場合、スプレーチャンバーは、後方部より前方部が下方に位置するように設置されている。また、スプレーチャンバーの排出口部の外側側面の任意の位置に、排出口部内に残留した試料液を廃液するための廃液用開口を１つ以上設けてもよい。中でも、θ３がマイナスの値を取る場合、そのような廃液用開口をスプレーチャンバーの排出口部の外側側面に設けることが好ましい。
角度θ３は、分析部への試料導入効率と粒径選別能との両観点を考慮すると、２０°～９０°の範囲であることがより好ましく、２０°～７０°の範囲であることが更に好ましく、２０°～５０°の範囲であることが一層好ましく、２０°～３０°の範囲であることがより一層好ましい。

プラズマトーチの入口部は、インジェクターを含むことができる。上記試料導入装置から導入された試料液滴は、インジェクターを通過してプラズマトーチに導入され得る。上記インジェクターの内径は、プラズマトーチの中央部により安定に試料液滴を導入する観点からは１．５０ｍｍ以下であることが好ましく、１．２０ｍｍ以下であることがより好ましく、１．００ｍｍ以下であることが更に好ましく、０．９０ｍｍ以下であることが一層好ましく、０．８０ｍｍ以下であることがより一層好ましい。試料液滴の導入効率の観点からは、上記内径は０．５０ｍｍ以上であることが好ましい。

誘導結合プラズマ分析装置は、通常、プラズマトーチにプラズマ生成用ガスを供給するためのガス供給源を含む。プラズマ生成用ガスとしては、通常、アルゴンガスが使用される。したがって、上記分析装置も、プラズマトーチにアルゴンガスを供給するためのガス供給源を含むことができる。また、一形態では、上記分析装置は、アルゴンガスを供給するガス供給源に加えて、アルゴンガス以外の一種以上の他のガスをプラズマトーチに供給するためのガス供給源を含むことができる。かかる他のガスをプラズマトーチに導入することは、プラズマ中の電子密度の増加、粘性や比熱の異なるガス導入によるイオン化促進や信号強度向上の観点から好ましい。以上の観点からは、かかる他のガスは、プラズマ生成用ガスとして導入されるアルゴンガスと比べて単位時間あたりの供給量として、より少量でプラズマトーチに供給されることが好ましい。また。一形態では、そのようなガスを、スプレーチャンバーにおいて導入することもできる。上記ガスとしては、窒素ガス、酸素ガスおよび水素ガスからなる群から選択される一種または二種以上のガスを挙げることができる。プラズマトーチにプラズマ生成用ガスとして導入されるアルゴンガスについて、プラズマトーチへの単位時間あたりの供給量は、例えば、１６Ｌ／ｍｉｎ～２０Ｌ／ｍｉｎであることができる。これに対し、上記の他のガスについては、プラズマトーチへの単位時間あたりの供給量は、例えば、１ｍＬ／ｍｉｎ～３０ｍＬ／ｍｉｎであることができる。プラズマ生成用のアルゴンガスおよび上記の他のガスは、同一ガス流路または異なるガス流路から、プラズマトーチに導入することができる。

プラズマトーチに導入された試料液滴に含まれる分析対象試料は、プラズマトーチ先端で生成されたプラズマによってイオン化される。誘導結合プラズマ分析装置の具体例としては、ＩＣＰ－ＭＳ、ＩＣＰ－ＡＥＳ等を挙げることができる。例えば、ＩＣＰ－ＭＳの場合、質量分析計に上記イオン化により発生したイオンが導入され、質量分析計によって質量選別されてイオン検出器によって検出される。こうしてイオン検出器によって検出されるイオンの質量に基づき定性分析を行うことができ、各質量のイオンの信号強度に基づき定量分析を行うことができる。

［分析方法］
本発明の一態様は、分析対象試料の定性分析、定量分析または定性分析および定量分析を、上記誘導結合プラズマ分析装置によって行うことを含み、上記分析対象試料が上記出口管部の管内を流通する際、上記外管部の外側側面の上記くびれ部よりも上記スプレーチャンバーに近い側の開口から上記外管部の管内にガスを導入することを更に含む分析方法に関する。先に詳述した構成を有する出口管部の上記開口からガスを導入することによって、上記くびれ部によって下流側の流速が増す。よって、先に記載したように、内管部の導入側開口とスプレーチャンバーの排出口との間の間隔の近傍で、導入したガスにより流速の速い層流を生じさせることができると考えられる。この層流によって内管部の管内の圧力を負圧にすることができ、この負圧が、スプレーチャンバー部から試料ガス流をより効率的に引き出すことに寄与すると考えられる。また、外管部の外側側面のくびれ部よりも排出方向に近い側の開口は、層流を生じさせた後、導入されたガスを出口管部から排出する排出口の役割を果たすことができると考えられる。

外管部の外側側面の上記開口から導入されるガスとしては、不活性ガスの一種または二種以上を挙げることができる。具体例としては、例えば、アルゴンガス、窒素ガス等を挙げることができる。外管部の外側側面の上記開口からのガスの導入流量（流速）は、出口管部内の分析対象試料を含む試料ガス流の流量とほぼ同一（流速と同等以上）であることが、より効果的に負圧を発生させ、かつ導入されたガスの分析装置へ流入量を低減する観点から好ましい。

ところで、図２等を示し例示した試料導入装置では、試料液滴を含むガス流が流路管部に流通される際、アディショナルガス導入管部からアディショナルガスが導入される。これにより、先に記載したように、導入されたアディショナルガスは、二重管部内を旋回し第一管部の円錐部に向かってらせん状のガス流（アディショナルガス流）をもたらすことができる。アディショナルガスとしては、例えば、キャリアガスの例として例示した各種ガスを用いることができる。アディショナルガスは、例えば、ガス供給源とアディショナルガス導入管部とを樹脂製チューブ等のチューブで接続してアディショナルガス供給源からアディショナルガス導入管部およびアディショナルガス導入用開口を経て、二重管部へ導入することができる。樹脂製チューブとしては、耐久性の観点から、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂製のチューブが好適である。アディショナルガス流量は、例えば、０．３～０．５Ｌ／ｍｉｎとすることができるが、二重管部のアディショナルガスが導入される空間の幅、円錐部のサイズ等を考慮し適宜設定すればよいため上記範囲に限定されるものではない。

上記試料導入装置の出口管部から排出された分析対象試料（試料液の液滴）を含む試料ガス流は、上記分析装置の分析部に導入され、定性分析および／または定量分析が行われる。分析部の具体例等の詳細は、先に説明した通りである。分析対象成分としては、例えば重金属等の各種金属成分、非金属成分等を挙げることができる。

以上説明した本発明の一態様にかかる分析方法によれば、例えば、半導体基板等として使用される各種シリコンウェーハ、シリコンウェーハを切り出す単結晶インゴット等の各種シリコン試料について、シリコン試料の金属成分分析を行い、金属不純物汚染の有無および／または程度を評価することができる。金属不純物汚染は半導体デバイスにおけるデバイス不良の原因となるため、金属不純物汚染の有無および／または程度を把握し、金属不純物で汚染されたシリコンウェーハを不良品として排除することや、製造条件の変更や製造装置の交換・補修を行うことにより金属不純物汚染を低減することは望ましい。近年、デバイスの高性能化等に伴い、半導体基板にはより一層高い品質を有することが要求されている。かかる要求に応えるためには、シリコン試料の金属不純物汚染を低減することが望ましい。上記分析方法は、例えば、各種シリコン試料の金属成分分析方法として好適である。上記分析方法を用いることにより、例えば、シリコン試料の金属不純物汚染評価として、金属成分の定性分析および／または定量分析を行うことができる。シリコン試料の金属不純物汚染評価を行う場合、評価対象のシリコン試料の一部または全部を溶解して得られた試料液や、シリコン試料の表面に酸溶液等の回収液を走査させて表面に付着していた金属成分を回収液に取り込ませて得た試料液を、必要に応じて酸溶液等によって希釈する等の前処理を行った後にネブライザーに導入して金属成分分析に付すことができる。こうして得られる分析結果によって、シリコン試料の表層部金属不純物汚染、バルク金属不純物汚染、表面金属不純物汚染等の各種金属不純物汚染の有無や程度を評価することができる。
ただし本発明は、シリコン試料の金属不純物汚染評価に限らず、様々な分野における成分分析に適用することができる。

以下、本発明を実施例により更に説明する。ただし本発明は、実施例に示す態様に限定されるものではない。
以下において、スプレーチャンバーのアディショナルガス導入管部にはポリテトラフルオロエチレン製チューブを接続してガスの導入を行い、廃液管部にはポリ塩化ビニル製チューブを接続して廃液を行った。また、以下に記載の実施例のスプレーチャンバーの第一管部および第二管部はガラス製であった。

［実施例１］
市販の二重収束型ＩＣＰ－ＭＳのスプレーチャンバーを、θ１＝９０°である点を除き図５Ａおよび図５Ｂに示す構成のスプレーチャンバーに変更して実施例１のＩＣＰ－ＭＳを準備した。実施例１のＩＣＰ－ＭＳにおいて、θ１＝９０°、θ２＝０°、θ３＝３０°、第一管部の円錐部の最大内径は４５．０ｍｍ、円錐部の長さと円錐部の最大内径との比（長さ／最大内径）は０．５、二重管部の長さは２０．０ｍｍ、アディショナルガス導入用開口ならびに二重管部および第二管部の廃液用開口の直径は３．０ｍｍ、第一管部の円筒部の内径（最大内径）は４５．０ｍｍ、第二管部の円筒部の外径は４２．０ｍｍ、スプレーチャンバー全長は１３０．０ｍｍであった。
上記スプレーチャンバーの排出口部を図１Ａおよび図１Ｂに示す構造のガラス製の出口管部に挿入して試料導入装置を準備した。
試料液として、^７Ｌｉ、^５９Ｃｏ、^８９Ｙ、^１４０Ｃｅおよび^２０５Ｔｌをそれぞれ１ｐｐｂ（体積基準）含むＨＦ濃度１質量％のフッ化水素酸（ＨＦ水溶液）を準備した。
上記ＩＣＰ－ＭＳにおいて、１００μＬ／ｍｉｎの導入量で試料液をネブライザーへ導入し、ネブライザーにより試料液をキャリアガス（アルゴンガス；流量０．７５Ｌ／ｍｉｎ）を用いて霧化して試料液滴を含む試料ガス流を生成し、この試料ガス流をスプレーチャンバーへ導入した。スプレーチャンバーでは、上記試料ガス流が流路管部に流通している間、アディショナルガスとしてアルゴンガスを流量約０．４Ｌ／ｍｉｎでアディショナルガス導入管部からアディショナルガス導入用開口を介して二重管部へ導入し続けた。スプレーチャンバーでの粒径選別を経て出口管部から排出されたガス流をＩＣＰ－ＭＳの分析部へ導入し、プラズマトーチでイオン化し、質量分析計によって質量選別してイオン検出器によって検出された各質量のイオンの信号強度を測定した。出口管部にガス流が流通している間、外管部の外側側面のくびれ部よりもスプレーチャンバーに近い側の開口（図１Ａ、図１Ｂ中、開口１７２）から外管部の管内にアルゴンガスを導入した。

［比較例１］
出口管部を使用せず、スプレーチャンバーから分析部に試料ガス流を直接導入した点以外、実施例１と同様にして、各質量のイオンの信号強度を測定した。

各イオンについて、実施例１で測定された信号強度を、比較例１で測定された信号強度を１．０とした相対値（信号強度比）として図６に示す。

図６に示す結果から、先に詳述した構成の出口管部を備える試料導入装置を使用することによって、ＩＣＰ－ＭＳによって得られる信号強度の向上が可能になることが確認できる。

Claims (7)

1. スプレーチャンバーと、
   前記スプレーチャンバーの排出口から試料ガス流が導入され該試料ガス流を管内で排出方向に流通させて外部へ排出する出口管部と、
   を含み、
   前記出口管部は、内管部と、外管部と、により構成される二重管構造を有し、
   前記内管部は、前記試料ガス流が導入される導入側開口を一方の端部に有し他方の端部に排出側開口を有し、
   前記内管部の導入側開口と前記スプレーチャンバーの排出口との間には間隔があり、
   前記外管部はくびれ部を有し、該くびれ部の内径が最も小さい部分が、前記間隔よりも前記スプレーチャンバーに近い側に位置し、
   前記外管部は、外側側面の前記くびれ部よりも前記スプレーチャンバーに近い側と、外側側面の前記くびれ部よりも前記排出方向に近い側とに、それぞれ１つ以上の開口を有する、試料導入装置。
2. 前記スプレーチャンバーと前記出口管部とは、着脱可能である、請求項１に記載の試料導入装置。
3. 試料液を霧化するネブライザーと、請求項１または２に記載の試料導入装置と、プラズマトーチを含む分析部と、を含む誘導結合プラズマ分析装置。
4. 前記ネブライザーへの前記試料液の導入量は、１μＬ／ｍｉｎ以上５００μＬ／ｍｉｎ以下である、請求項３に記載の誘導結合プラズマ分析装置。
5. 誘導結合プラズマ質量分析装置または誘導結合プラズマ発光分光分析装置である、請求項３または４に記載の誘導結合プラズマ分析装置。
6. 分析対象試料の定性分析、定量分析または定性分析および定量分析を、請求項３～５のいずれか１項に記載の誘導結合プラズマ分析装置によって行うことを含み、
   前記分析対象試料が前記出口管部の管内を流通する際、前記外管部の外側側面の前記くびれ部よりも前記スプレーチャンバーに近い側の開口から前記外管部の管内にガスを導入することを更に含む、分析方法。
7. 分析対象試料中の金属成分の定性分析、定量分析または定性分析および定量分析を行う、請求項６記載の分析方法。