JPH0195459A - マイクロ波誘導プラズマ質量分析計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はマイクロ波誘導プラズマをイオン源とする質量
分析計に係り、特に、高感度な元素分析を可能とするこ
とを図ったマイクロ波誘導プラズマ質量分析計（以下Ｍ
ＩＰ−ＭＳと記す）に関する。

〔従来の技術〕

プラズマをイオン源とする質量分析計は、近年。

高感度な元素分析計として注目され、開発が活発に行わ
れている。用いるプラズマにより、数十ＭＨｚ程度の高
周波を用いる誘導結合プラズマ質量分析計と、マイクロ
波を用いるＭＩＰ−ＭＳとに主として分けられる。前者
に関連する公知文献として例えば特開昭６２−２６７５
７　、特開昭６２−６４０４３が挙げられる。後者につ
いては、アナリティカル・ケミストリ（Ａｎａｌｙｔｉ
ｃａｌ　Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ）　、第５３巻。

３７頁（１９８１年）及びスペクトロケミ力・アクタ（
Ｓｐｅｃｔｒｏｃｈｉｍｉｃａ　Ａｃｔａ）第３８Ｂ巻
、３９頁（１９８３年）において論じられている。

従来のＭＩＰ−ＭＳにおいて用いられているプラズマ発
生部およびイオン取り込み口を第９図に示した。第９図
において、１００はビーネッカー・キャビティと呼ばれ
るマイクロ波空胴共振器であり、同軸線路１０１より２
．４５ＧＨｚのマイクロ波が導入され、内部にはＴ　Ｍ
、、。モードの電磁界が発生している。空胴共振器１０
０の中心に石英管１０２が設置されている。霧化された
試料は脱溶媒され、キャリヤガスと共に、石英管１０２
の中を矢印で図示したように流れる。プラズマ１０３は
空胴共振器１００の内部で形成され、石英管１０２の出
口より外側まで広がっている。空胴共振器１００の外側
に質量分析計１０４が設置され、サンプリング・オリフ
ィス１０５はプラズマ１０３の尾の中にある。すなわち
、プラズマ１０３の尾の部分のイオンを質量分析計１０
４に取り込んで分析を行ってきた。このため、空胴共振
器１００内で発生したイオンが、空胴共振器１００の外
側で減小した部分から取り込んでおり、感度が十分でな
かった。また入力するマイクロ波電力も高々２００Ｗ程
度であり、高温度のプラズマを形成させるには不十分で
あった。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記誘導結合プラズマ質量分析計のプラズマ発生部に用
いる高周波電源の容量は、ＩＫＷないし２ＫＷ程度が必
要であり非常に高価である。また、高周波電源と負荷と
のインピーダンス整合が微妙で難しく、かつ、整合可能
な範囲が狭いという問題がある。これらの問題はマイク
ロ波を用いると比較的容易に解決できる。例えば、マイ
クロ波源として比較的安価に大量に供給されているマグ
ネトロンを用いることができる。また、インピーダンス
整合は１例えば３スタブチユーナを用いることにより全
負荷範囲に対して容易に整合させることができる。

しかしながら、上記論文で論じられているＭＩＰ−ＭＳ
においては、プラズマに効率良く十分なエネルギーを供
給することができないため、脱溶媒が必要であり、また
、他元素による干渉が大きいという問題があった。

本発明の目的は、効率良く集中的にマイクロ波エネルギ
ーをプラズマに供給することができ、これにより高感度
な元素分析を可能とするＭＩＰ−ＭＳを提供することに
ある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、被測定試料を導入してプラズマを生成する
空間にマイクロ波エネルギーを供給する手段を持ち、こ
の空間を形成する壁の一部に微小な開口部を設け、上記
空間の形状が上記開口部前面に集中的に高いエネルギー
を供給する形状に形成されており、上記開口部を質量分
析計のイオン取り込み口とすることにより、達成される
。

特に、前記マイクロ波空間の壁の一部が内側に突出し、
先端はど断面積が小となるように形成される突起状壁の
先端部に前記開口部を設ける構成とするのが良い。

〔作用〕

マイクロ波エネルギーを比較的狭い空間に集中的に効率
良く供給することができるので、それほど大きなマイク
ロ波源を用いなくても温度の高いプラズマを生成するこ
とができるようになる。さらに、質量分析計のイオン取
り込み口を、最も高い温度のプラズマのすぐ近傍に設置
するので、最も効率良くイオンを取り込むことができ、
高感度な元素分析を行えるようになる。

〔実施例〕

本発明の一実施例を第１図により説明する。第１図（、
）は全体構成図、（ｂ）は要部断面図である。マグネト
ロン１１で発振された２４５０ＭＨｚのマイクロ波は方
形導波管ｌＯを通り、１２及び１３で形成される円形同
軸導波管に伝搬する。１２は同軸導波管の外導体であり
、１３は内導体である。内導体１３は途中で切断された
形となっており、内導体１３の先端部において強い電界
が生じている。方形導波管１０から同軸導波管１２．１
３への変換には、同軸導波管の内導体１３を方形導波管
内部で太くしたドアノブ変換を用いている。同軸導波管
の外導体１２の内径と内導体１３の外径はそれぞれ２５
ｍｎ＋、　１０ｍ＋ｎであり、特性インピーダンスは５
５Ωである。方形導波管の変換部１０−３の断面積は長
辺１０９．２ｍｍ、短辺８，４ｍｍで、同軸導波管の特
性インピーダンスと一致させである。一方、方形導波管
１０のマグネトロン設置部１Ｏ−１の断面は長辺１０９
．２ｍｍ、短辺５４　、６ｍｍである。これらの方形導
波管の接続には、テーパ状部１０−２を用いてインピー
ダンスを徐々に変換している。このため、マグネトロン
１１から同軸導波管１２．１３へのマイクロ波の伝搬が
効率よく行われる。

アルゴンボンベ２から出たアルゴンガスはネプライザ（
霧化器）３に送られる。試料４もネプライザ３に送られ
て霧化され、アルゴンガスとともに同軸導波管１２．１
３の根本部分において同軸導波管の内部に吹き出す。方
形導波管と同軸導波管の内部はテフロン製のスペーサ１
５で仕切られているので、霧化した試料は同軸導波管の
排出口に向って流れる。同軸導波管の内導体１３の先端
部前面には強い電界が発生しているため、この場所にお
いて放電破壊が起こり、マイクロ波のトーチ放電が生じ
る。このようなトーチ放電については、例えばジャーナ
ル・オブ・アプライド・フィジクス（Ｊｏｕｒｎａｌ　
ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ）、第３９巻。

５４７８頁（１９６８年）において論じられている。同
軸導波管の内導体１３は円筒状になっており、先端部に
おいて直径約１ｍｍの開口部１３′　がある。開口部１
３′は質量分析計１のサンプリング・オリフィスであり
、内部に向って差動排気されている。前置真空室５の圧
力はおよそＩＴｏｒｒである。トーチ放電の高温プラズ
マ中のイオンはサンプリング・オリフィス１３′　から
排出口とは反対方向にある前置真空室５に入り、スキー
マ・コーン１４の先端にあるスキーマ・オリフィス１４
’　を経て質量分析計１に入る。イオンは質量分離され
た後イオン検出器６に入りカウントされる。

本実施例によれば、同軸導波管の内導体１３の前面に形
成されるトーチ放電は、比較的狭い空間に集中的にエネ
ルギーが消費されるので、全体としてのマイクロ波電力
は少なくても、非常に高温度で安定なプラズマとなる。

試料はこのような高温度のプラズマ中に入るためイオン
化の割合が大きい。また、質量分析計のサンプリング・
オリフイ。

スのすぐ近傍で形成されるため、効率良くイオンを取り
込むことができる。したがって、非常に高感度な元素分
析が行える。

従来、マイクロ波放電は発光分光分析に応用されてきた
が、その場合に次のような不都合点があった。プラズマ
の温度分布が、中心軸上が最も高温となる釣り鐘形をし
ている。したがって、イオンや電子の密度も中心軸上が
最も高く、周辺に行くに従って低くなっている。そのた
め、中心軸から周辺に向って、いわゆる、ａｍｂｉｐｏ
ｌｏｒ　ｆｉｅｌｄが生じて、イオンは中心から周辺部
へと拡散する。

一般に、試料元素は、キャリア・ガスよりイオン化され
やすいので、前記のａｍｂｉｐｏｌｏｒ　ｆｉｅｌｄの
影響を選択的に受ける結果となり、中心の最も温度の高
い部分の試料密度が低下する。このため、比較的低温部
の発光を利用する結果、感度が下ったり、共存分子の影
響を受けやすくなるなどの不都合点があった。

これに対して、本実施例によれば、サンプリング・オリ
フィス１３′　から０．１〜ＩＯＱ／ｍｉｎ程度の流量
でガスが取り込まれる結果、プラズマの周辺部から中心
に向ってガスの流れが生じる。この流れの流速が前記ａ
ｍｂｉｐｏｌｏｒ　ｆｉｅｌｄによる拡散速度と同等か
、もしくは、それより大きくなるので、前述のような試
料原子の密度が中心軸上で低下する不都合はなくなる。

したがって、Ｈ，Ｏなとの共存分子の影響もなくなる。

第２図に本発明の他の実施例の要部断面図を示す。なお
、本実施例及び以下の実施例において、符号は第１図実
施例と同一部品には同一符号を用いている。本実施例で
は、同軸導波管１２．１３部分において特性インピーダ
ンスが変わらないように、各断面において、外導体１２
の内径と内導体１３の外径との比が一定となるように構
成して、根本部分を円錐状の同軸導波管とした。したが
って、マイクロ波回路としては第１図の実施例と全く同
一であり、サンプリング・オリフィス１３′の前面に高
温度のプラズマが形成される。また、本実施例では、方
形導波管の部分において３スタブチユーナ１６を設けで
ある。これトよって、マイクロ波の反射をより少なくす
ることが可能である。例えば、水溶液中の試料や有機溶
媒中の試料などの各種の試料を分析する時は、プラズマ
のインピーダンスが変化するので、導波管の途中に方向
性結合器を挿入して入射波と反射波とをモニタして自動
的に３スタブチユーナ１６の素子の挿入長を制御して、
試料によらず常に反射波を少なくするように構成するこ
とができる。また、本実施例によれば、前置真空室５の
排気が容易となり、サンプリング・オリフィス１３′　
とスキーマ・オリフィス１４’　との距離を短くするこ
とができるので、より多くのイオンが質量分析計に入射
してより高感度の元素分析が可能となる。

第３図に本発明のさらに他の実施例の要部断面図を示す
。本実施例においては、第２図で示した実施例の構成を
さらに進めて、同軸導波管の内導体１３をすべて円錐状
にしたものである。これにより、サンプリング・オリフ
ィス１３′　とスキーマ・オリフィス１４′　をさらに
近づけることが可能となる。このため、イオンの取り込
みがより容易となり、より高感度な分析が可能となる。

第４図に本発明のさらに他の実施例の要部断面図を示す
。本実施例においては、マイクロ波はマイクロ波源（図
示せず）から同軸線路１７により方形導波管１０内に導
かれる。本実施例の方形導波管１０は全域にわたって同
軸導波管とインピーダンスを等しくしであるのでテーパ
状の部分は必要ない。

同軸導波管の内導体１３は先端部分１３−１と根本部分
１３−２とで構成され、先端部分１３−１は交換可能に
なっている。内導体の先端にあるサンプリング・オリフ
ィス１３′は、その前面に形成されるトーチ放電が高温
度のプラズマであるために、浸食されたり、また高濃度
の試料の場合には目詰りを起こしたりする０本実施例で
は、先端部分１３−１が交換可能であるため、このよう
な場合にも容易に対処することができる。また、サンプ
リング・オリフィス１３′　が浸食される場合には、先
端部分１３−１の構成元素のイオンが質量分析計に導か
れるため、先端部分１３−１の構成元素の分析は誤差が
大きく難しい６本実施例によれば、先端部分１３−１を
分析対象に応じて容易に交換することができる。

このため、分析対象に最適な材質、オリフィス径等にす
ることができる。

第５図に本発明のさらに他の実施例の要部断面図を示す
。本実施例においては、石英管１８で同軸導波管内を二
重管構造にして内側に試料を含むキャリヤガスを同軸導
波管の根本部より流し、外側にキャリヤガスと同種の補
助ガスを流す。このような構造にすることによって、試
料は内導体１３の先端部に効率良く導かれて、より高感
度な分析が可能となる。また本実施例では、方形導波管
ｌＯの長辺の長さはすべて等しく、電源側の方形導波管
ｔｏ−１（短辺ｂ１）と、負荷側の方形導波管１Ｏ−３
（短辺す、）のインピーダンス整合にλ／４変成器を用
いている。すなわち、マイクロ波の管内波長をλｇとす
ると、方形導波管１０−１と方形導波管１０−３の間に
、λｇ／４の長さにわたって、短辺ｂ２がす、：’ｒｖ
口］劉である方形導波管ｌ〇−４を挿入しである。この
ようにλ／４変成器を用いることによって、テーパ状の
導波管を用いる場合に比べて、より厳密にインピーダン
スを整合させることができ、全体の長さを短くすること
ができる。

第６図に本発明のさらに他の実施例の要部断面図を示す
０本実施例では、同軸導波管部分は外部空間（大気圧）
と気密に遮断され、その内部圧力を変えることができる
。４０は圧力調整器である。

大気圧より低圧に保つ場合は圧力調整器４０において差
動排気する。また大気圧より高圧に保つ場合には圧力調
整器４０の流路の一部を小さく絞って流路の抵抗を大き
くする。

本実施例において、低圧に保った場合は、プラズマの発
生が容易となる。また低圧に保つ場合はスキーマを除く
ことができる。この時、サンプリング・オリフィス１３
′　を通過したイオンはすべて質量分析計へ入射される
ことになり高感度となる。

また、高圧に保った場合は、高温度のプラズマが発生す
るのでイオン化の割合が大きくなる。このため、イオン
化ポテンシャルの高い元素で特に高感度にすることがで
きる。本実施例では、プラズマ発生部の圧力を変えるこ
とができるので、分析試料、分析対象元素に最適のプラ
ズマを形成することが可能となる。

第７図に本発明のさらに他の実施例の全体構成図を示す
。本実施例では、同軸導波管の外導体１２の一部に開口
部を設けて、高温プラズマからの発光を横方向から観測
できるようになっている。高温プラズマ中では原子のイ
オン化が行われると同時に、励起原子、励起イオンが生
成されている。

このため、各元素に特有のスペクトルを放射し、ている
ので、これらを観測することにより元素の定性・定量分
析が可能である。プラズマからの光はレンズ２０により
分光器２１の入口スリット上に結像される。分光器２１
においては、複数の元素に対応する複数の特定のスペク
トル線強度が測定される。

このため、本実施例では、質量分析計１で得られる質量
スペクトルによる元素分析と同時に発光スペクトルによ
る元素分析が行えるように構成されている。したがって
、本実施例によれば、次のような効果を生じる。質量ス
ペクトルおよび発光スペクトルによる元素分析のダイナ
ミックレンジはいずれも４ないし５桁あるが、質量スペ
クトルによる元素分析の方が１ないし３衝程度高感度で
ある。したがって、これらを同時に行える本実施例によ
れば、非常にダイナミックレンジの広い元素分析が行え
るようになる。さらに、質量スペクトルおよび発光スペ
クトルとも単独では、分析にあたってキャリヤガスおよ
び他元素による干渉が避けられないが、本実施例によれ
ば、これらを互いに補正しあって、より正確な元素分析
が可能となる。

第８図に本発明のさらに他の実施例の要部断面図を示す
０本実施例では、同軸導波管部分を半同軸空胴共振器３
０で構成している。半同軸空胴共振器３０は、外囲器（
外導体）３１と内導体３２とで構成されているが、外囲
器３１は円柱状部分と円錐状部分とより成っており、内
導体３２は円錐状である。

この円錐状の内導体３２の先端部において外囲器３１と
のギャップが形成されていて、この部分に強い電界が集
中するようになっている。半同軸空胴共振器３０は同軸
線路３３によってマイクロ波源（図示せず）に接続され
ている。試料は試料導入口３４より半同軸空胴共振器３
０内にキャリヤガスとともに導入され、外囲器３１の一
部に設けられた排出口３５より流出する。円錐状の内導
体３２の先端前面に強電界が存在するため、この場所で
放電破壊が起こり、高温度のプラズマが形成される。プ
ラズマの一部は、内導体３２の先端に設けられたサンプ
リング・オリフィスから排出口３５とは反対方向の前置
真空室５に吸入される。そして、さらにスキーマ・オリ
フィスを経て質量分析計に導かれ、質量分離　ノされる
。

以上、図面を参照しながら実施例を説明してきたが、上
記実施例の相互の組合せは自由である。

例えば、第１図の実施例において第２図で示した３スダ
ブチユーナを用いることができる。また、上述実施例で
は示さなかったが、サンプリング・オリフィス近傍など
を水冷することもできる。また、上述実施例においては
、試料の導入方法、質量分析計や信号処理方法などにつ
いては特に説明しなかったが、この分析計に用いられる
各種の通常の技術を用いることができる。例えば、固体
試料をレーザ光によって蒸発、気化して、キャリヤガス
によってプラズマ中に導入するように構成することもで
きる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、効率良く高温度のマイクロ波誘導プラ
ズマを生成でき、かつ効率良く質量分析計にイオンを導
入できるので、高感度なマイクロ波誘導プラズマ質量分
析計が実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明の一実施例の全体構成図、（ｂ）
はその要部断面図、第２図、第３図、第４図、第５図、
第６図、第８図はそれぞれ本発明の他の実施例の要部断
面図、第７図は本発明の他の実施例の全体構成図、第９
図は従来例の要部断面図である。 符号の説明 １・・・質量分析計 ４・・・試料 ５・・・前置真空室 １０・・・方形導波管 １１・・・マグネトロン １２・・・同軸導波管の外導体 １３・・・同軸導波管の内導体 １３’・・・開口部（サンプリング・オリフィス）１４
・・・スキーマ・コーン １４’・・・スキーマ・オリフィス ２１・・・分光器 ３０・・・半同軸空胴共振器 代理人弁理士　　中　村　純之助 第１図 （Ｑ） ３−・ネグヤイザ（Ｒ杷近２ （ｂ）４・−執者 ５、−泊１鼻参電 ＋６−−−９ス２フ″：４−＄−大 第４図 １７−−−同軸錦Ｉ各 第５図 泡頃 Ｉ８・・・石英管 ４０−モη舗整葛 第７図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、マイクロ波源と、このマイクロ波源に接続されたマ
   イクロ波空間と、このマイクロ波空間に試料を導入する
   手段と、上記マイクロ波空間内で発生するプラズマのイ
   オンを取り込んで質量分析する質量分析計とを具備して
   なるマイクロ波誘導プラズマ質量分析計において、上記
   マイクロ波空間の壁に微小な開口部を設けて、この開口
   部を質量分析計のイオン取り込み口としたことを特徴と
   するマイクロ波誘導プラズマ質量分析計。 ２、前記開口部は、前記マイクロ波空間の壁の一部にお
   いて内側に突出した突起状態の先端部に設けられている
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のマイクロ
   波誘導プラズマ質量分析計。