JPWO2019202690A1 - レーザーアブレーション用のセルおよび分析装置 - Google Patents
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Abstract
試料（Ｓ）が収容される収容部（４１）と、アブレーションされた試料を搬送する搬送ガスが導入される導入部（４２）と、アブレーションされた試料とともに搬送ガスが導出される導出部（４３）と、導入部（４２）と収容部（４１）との間に配置され、導入部（４２）から導入された搬送ガスが接触して、導入部（４２）と導出部（４３）とを結ぶ方向（Ｘ方向）に対して交差する方向（Ｙ方向）に搬送ガスを拡散させる拡散部（４４）とを備えたレーザーアブレーション用のセル（１１）により、アブレーションされた試料の大径化を抑えつつ、従来に比べて広い領域をアブレーション可能なセルを提供する。
Description
本発明は、レーザーでアブレーションされる試料を収容するセルおよび前記セルを有する誘導結合プラズマ方式の分析装置に関し、特に、試料が固体の場合に好適なセルおよび分析装置に関する。
イオン状や微粒子状の試料に高電圧をかけることによってプラズマ化させて、励起された原子からの光を観測、分析することで、元素の定性、定量を行う技術として、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ：Inductively Coupled Plasma）方式の分析技術が知られている。ＩＣＰ方式の分析手法に関して、以下の非特許文献１に記載の技術が公知である。
非特許文献１（Fernandez et al.）には、土中に含まれる銅や亜鉛、スズ、鉛の多元素同定を行うために誘導結合プラズマ方式で質量分析（ＭＳ：Mass Spectrometry）を使用する技術が記載されている。非特許文献１では、固体の試料をアブレーションしてエアロゾル化させる際に、フェムト秒のレーザーを使用することで、分析全体にかかる時間を短縮している。
Beatriz Fernandez,他4名、"Direct Determination of Trace Elements in Powdered Samples by In-Cell Isotope Dilution Femtosecond Lase Ablation ICPMS"、Anal.Chem.,2008,80,6981-6994
（従来技術の問題点）
非特許文献１に記載の技術では、セルでアブレーションされた試料は、キャリアガスとしてのヘリウム（Ｈｅ）ガスで質量分析計に向けて搬送している。
キャリアガスは、一般的に、ガスの粒子径（原子量、分子量）が小さい方が、熱伝導性がよく、粘性が低い。アブレーションされた試料の微粒子は、アブレーション直後は高温になっているが、キャリアガスの分子量が大きく熱伝導性が悪いと、キャリアガスで運搬されるまでの間に、高温の微粒子同士が結合して、エアロゾルの試料の粒子径が大きくなる。試料の粒子径が大きくなると質量分析計で、ノイズのような信号が観測されてしまう問題がある。したがって、キャリアガスとしては原子量、分子量の小さいガスが好ましい。水素（Ｈ２）ガスも使用可能であるが、セル内に酸素が存在するとアブレーション時の熱で爆発の恐れがあるため、不活性ガスであるＨｅが好適に使用される。
非特許文献１に記載の技術では、セルでアブレーションされた試料は、キャリアガスとしてのヘリウム（Ｈｅ）ガスで質量分析計に向けて搬送している。
キャリアガスは、一般的に、ガスの粒子径（原子量、分子量）が小さい方が、熱伝導性がよく、粘性が低い。アブレーションされた試料の微粒子は、アブレーション直後は高温になっているが、キャリアガスの分子量が大きく熱伝導性が悪いと、キャリアガスで運搬されるまでの間に、高温の微粒子同士が結合して、エアロゾルの試料の粒子径が大きくなる。試料の粒子径が大きくなると質量分析計で、ノイズのような信号が観測されてしまう問題がある。したがって、キャリアガスとしては原子量、分子量の小さいガスが好ましい。水素（Ｈ２）ガスも使用可能であるが、セル内に酸素が存在するとアブレーション時の熱で爆発の恐れがあるため、不活性ガスであるＨｅが好適に使用される。
しかしながら、Ｈｅガスは、粘性が低いため、セルに導入されたＨｅガスは、セルの入口から出口に向かう直線上に対して、ほとんど拡散しない。したがって、セルの入口から出口に向かう直線上をアブレーションすればキャリアガスで運搬されるが、直線上からずれた位置をアブレーションすると、質量分析計までほとんど搬送されず、分析が行えない問題がある。
したがって、従来構成のセルでは、Ｈｅガスの流路上に試料の分析対象の位置を設置する必要があり、試料を設置する位置に制約があるとともに、Ｈｅガスの流路上の狭い領域しか分析ができない問題がある。
したがって、従来構成のセルでは、Ｈｅガスの流路上に試料の分析対象の位置を設置する必要があり、試料を設置する位置に制約があるとともに、Ｈｅガスの流路上の狭い領域しか分析ができない問題がある。
本発明は、アブレーションされた試料の大径化を抑えつつ、従来に比べて広い領域をアブレーション可能なセルを提供することを技術的課題とする。
前記技術的課題を解決するために、請求項１に記載の発明のレーザーアブレーション用のセルは、
レーザー光が照射されてアブレーションされる試料が収容される収容部と、
前記アブレーションされた試料を搬送する搬送ガスが導入される導入部と、
前記アブレーションされた試料とともに搬送ガスが導出される導出部と、
前記導入部と前記収容部との間に配置され、導入部から導入された搬送ガスが接触して、前記導入部と前記導出部とを結ぶ方向に対して交差する方向に搬送ガスを拡散させる拡散部と、
を備えたことを特徴とする。
レーザー光が照射されてアブレーションされる試料が収容される収容部と、
前記アブレーションされた試料を搬送する搬送ガスが導入される導入部と、
前記アブレーションされた試料とともに搬送ガスが導出される導出部と、
前記導入部と前記収容部との間に配置され、導入部から導入された搬送ガスが接触して、前記導入部と前記導出部とを結ぶ方向に対して交差する方向に搬送ガスを拡散させる拡散部と、
を備えたことを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のレーザーアブレーション用のセルにおいて、
複数のビーズが充填されて構成される前記拡散部、
を備えたことを特徴とする。
複数のビーズが充填されて構成される前記拡散部、
を備えたことを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載のレーザーアブレーション用のセルにおいて、
ヘリウムガスにより構成された前記搬送ガス、
を備えたことを特徴とする。
ヘリウムガスにより構成された前記搬送ガス、
を備えたことを特徴とする。
前記技術的課題を解決するために、請求項４に記載の発明の分析装置は、
試料が収容される請求項１ないし３のいずれかに記載のレーザーアブレーション用のセルと、
前記試料をアブレーションするレーザーアブレーション装置と、
アブレーションされて前記セルから送り出された試料が導入され、導入された試料を誘導結合プラズマ方式で分析を行う分析計と、
を備えたことを特徴とする。
試料が収容される請求項１ないし３のいずれかに記載のレーザーアブレーション用のセルと、
前記試料をアブレーションするレーザーアブレーション装置と、
アブレーションされて前記セルから送り出された試料が導入され、導入された試料を誘導結合プラズマ方式で分析を行う分析計と、
を備えたことを特徴とする。
請求項１，４に記載の発明によれば、拡散部で搬送ガスが交差する方向に拡散され、粘性が低い搬送ガスを使用する場合でも収容部の広い範囲に搬送ガスを流すことができる。よって、アブレーションされた試料の大径化を抑えつつ、従来に比べて広い領域をアブレーション可能なセルを提供することができる。
請求項２に記載の発明によれば、搬送ガスがビーズを通過することで、搬送ガスを拡散させることができる。
請求項３に記載の発明によれば、粘性が低く熱伝導性の良いヘリウムガスが拡散部で拡散され、アブレーションされた試料の大径化を抑えつつ、従来に比べて広い領域をアブレーション可能なセルを提供することができる。
請求項２に記載の発明によれば、搬送ガスがビーズを通過することで、搬送ガスを拡散させることができる。
請求項３に記載の発明によれば、粘性が低く熱伝導性の良いヘリウムガスが拡散部で拡散され、アブレーションされた試料の大径化を抑えつつ、従来に比べて広い領域をアブレーション可能なセルを提供することができる。
次に図面を参照しながら、本発明の実施の形態の具体例である実施例を説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
なお、以下の図面を使用した説明において、理解の容易のために説明に必要な部材以外の図示は適宜省略されている。
なお、以下の図面を使用した説明において、理解の容易のために説明に必要な部材以外の図示は適宜省略されている。
図１は本発明の実施例１の分析装置の全体説明図である。
図１において、実施例１の分析装置１は、分析計の一例としての質量分析計２を有する。実施例１の質量分析計２は、誘導結合プラズマ方式の質量分析計（ＩＣＰ−ＭＳ：Inductively Coupled Plasma - Mass Spectrometer）で構成されている。なお、分析計は、ＩＣＰ−ＭＳに限定されず、例えば、誘導結合プラズマ方式の発光分析計（ＩＣＰ−ＯＥＳ：Inductively Coupled Plasma - Optical Emission Spectroscopy）を使用することも可能である。なお、ＩＣＰ−ＭＳやＩＣＰ−ＯＥＳは、従来公知のものを使用可能であり、例えば、特開２０１３−１３０４９２号公報等に記載されており、公知であるため、詳細な説明は省略する。
図１において、実施例１の分析装置１は、分析計の一例としての質量分析計２を有する。実施例１の質量分析計２は、誘導結合プラズマ方式の質量分析計（ＩＣＰ−ＭＳ：Inductively Coupled Plasma - Mass Spectrometer）で構成されている。なお、分析計は、ＩＣＰ−ＭＳに限定されず、例えば、誘導結合プラズマ方式の発光分析計（ＩＣＰ−ＯＥＳ：Inductively Coupled Plasma - Optical Emission Spectroscopy）を使用することも可能である。なお、ＩＣＰ−ＭＳやＩＣＰ−ＯＥＳは、従来公知のものを使用可能であり、例えば、特開２０１３−１３０４９２号公報等に記載されており、公知であるため、詳細な説明は省略する。
質量分析計２には、接続部の一例としての接続チューブ３の下流端が接続されている。接続チューブ３の上流端には、合流ジョイント４が接続されている。合流ジョイント４には、付加ガス供給部の一例としての付加ガスチューブ６の下流端が接続されている。実施例１では、付加ガスチューブ６には、付加ガス（メイクアップガス）の一例としてのアルゴン（Ａｒ）ガスが供給される。なお、実施例１では、アルゴンガスは、一例として、０．５〜１．２Ｌ／ｍｉｎ程度の流量で供給される。
合流ジョイント４には、セル接続部の一例としてセル接続チューブ７の下流端が接続されている。セル接続チューブ７の上流端には、セル１１が接続されている。セル１１は、内部に試料Ｓが収容可能に構成されている。セル１１には、搬送ガス供給部の一例としての搬送ガスチューブ１２が接続されている。実施例１では、搬送ガスチューブ１２には、搬送ガス（キャリアガス）の一例としてのヘリウム（Ｈｅ）ガスが供給される。なお、実施例１では、キャリアガスは、一例として、０．２ 〜 １Ｌ／ｍｉｎ程度の流量で供給される。
また、セル１１の上方には、レーザーアブレーション装置２１が配置されている。レーザーアブレーション装置２１は、セル１１の試料Ｓにレーザー光を照射して、試料Ｓをアブレーションする。
実施例１の分析装置１は、情報処理装置の一例としてのコンピュータ装置３１を有する。コンピュータ装置３１は、コンピュータ本体３２と、表示部の一例としてのディスプレイ３３と、入力部の一例としてのキーボード３４およびマウス３５を有する。コンピュータ本体３２は、レーザーアブレーション装置２１の駆動を制御する信号を出力すると共に、質量分析計２から検出結果を受信して、ディスプレイ３３に表示可能である。
実施例１の分析装置１は、情報処理装置の一例としてのコンピュータ装置３１を有する。コンピュータ装置３１は、コンピュータ本体３２と、表示部の一例としてのディスプレイ３３と、入力部の一例としてのキーボード３４およびマウス３５を有する。コンピュータ本体３２は、レーザーアブレーション装置２１の駆動を制御する信号を出力すると共に、質量分析計２から検出結果を受信して、ディスプレイ３３に表示可能である。
（レーザーアブレーション装置の説明）
図２は実施例１のレーザーアブレーション装置の要部説明図である。
図２において、実施例１のレーザーアブレーション装置２１は、レーザー光源の一例としてのフェムト秒レーザー２２を有する。フェムト秒レーザー２２は、レーザー光の一例として、パルス幅がフェムト秒オーダーのフェムト秒レーザー光２２ａを出力する。実施例１のフェムト秒レーザー２２は、一例として、パルス幅が２３０ｆｓのフェムト秒レーザー光２２ａを出力するが、パルス幅は、例示した数値に限定されず、変更可能である。
実施例１のフェムト秒レーザー２２は、内部に図示しないシャッタが配置されており、フェムト秒レーザー光２２ａを出力する周波数（フェムト秒レーザー光２２ａが出力される間隔の逆数）を制御可能に構成されている。実施例１では、一例として、周波数を１００Ｈｚ〜１０００Ｈｚの間で制御可能である。すなわち、フェムト秒レーザー２２からは、１０００Ｈｚでフェムト秒レーザー光２２ａを出力し、１０００Ｈｚの場合はシャッタを常時開放状態にしておき、１００Ｈｚの場合は、１０発の内９発のフェムト秒レーザー光２２ａをシャッタで遮ることで、１００Ｈｚの出力とすることが可能である。
図２は実施例１のレーザーアブレーション装置の要部説明図である。
図２において、実施例１のレーザーアブレーション装置２１は、レーザー光源の一例としてのフェムト秒レーザー２２を有する。フェムト秒レーザー２２は、レーザー光の一例として、パルス幅がフェムト秒オーダーのフェムト秒レーザー光２２ａを出力する。実施例１のフェムト秒レーザー２２は、一例として、パルス幅が２３０ｆｓのフェムト秒レーザー光２２ａを出力するが、パルス幅は、例示した数値に限定されず、変更可能である。
実施例１のフェムト秒レーザー２２は、内部に図示しないシャッタが配置されており、フェムト秒レーザー光２２ａを出力する周波数（フェムト秒レーザー光２２ａが出力される間隔の逆数）を制御可能に構成されている。実施例１では、一例として、周波数を１００Ｈｚ〜１０００Ｈｚの間で制御可能である。すなわち、フェムト秒レーザー２２からは、１０００Ｈｚでフェムト秒レーザー光２２ａを出力し、１０００Ｈｚの場合はシャッタを常時開放状態にしておき、１００Ｈｚの場合は、１０発の内９発のフェムト秒レーザー光２２ａをシャッタで遮ることで、１００Ｈｚの出力とすることが可能である。
フェムト秒レーザー光２２ａは、光学系の一例としてのガルバノ光学系２３に導入される。実施例１のガルバノ光学系２３は、第１のミラーの一例としての第１ガルバノミラー２４と、第２のミラーの一例としての第２ガルバノミラー２５とを有する。第１ガルバノミラー２４は、フェムト秒レーザー２２からのフェムト秒レーザー光２２ａを第２ガルバノミラー２５に向けて反射し、第２ガルバノミラー２５は第１ガルバノミラー２４からのフェムト秒レーザー光２２ａを試料Ｓに向けて反射する。
第１ガルバノミラー２４は、第１のミラー軸２４ａを中心として回転可能に支持されている。第１のミラー軸２４ａには、第１の駆動源の一例としての第１ガルバノモータ２４ｂから駆動が伝達される。したがって、第１ガルバノモータ２４ｂからの駆動に応じて、第１ガルバノミラー２４は第１のミラー軸２４ａを中心に回転、傾斜して、フェムト秒レーザー光２２ａの反射方向を変化させる。
第１ガルバノミラー２４は、第１のミラー軸２４ａを中心として回転可能に支持されている。第１のミラー軸２４ａには、第１の駆動源の一例としての第１ガルバノモータ２４ｂから駆動が伝達される。したがって、第１ガルバノモータ２４ｂからの駆動に応じて、第１ガルバノミラー２４は第１のミラー軸２４ａを中心に回転、傾斜して、フェムト秒レーザー光２２ａの反射方向を変化させる。
第２ガルバノミラー２５も、第１ガルバノミラー２４と同様に、第２のミラー軸２５ａ、第２の駆動源の一例としての第２ガルバノモータ２５ｂを有し、フェムト秒レーザー光２２ａの反射方向を変化させる。なお、実施例１では、一例として、第１ガルバノミラー２４は、試料Ｓの表面において、主としてガス流れ方向に沿ったＸ方向の照射位置を制御し、第２ガルバノミラー２５は、主としてガス流れ方向に交差するＹ方向の照射位置を制御する。したがって、２つのガルバノミラー２４，２５の制御で、２次元的にフェムト秒レーザー光２２ａを走査することが可能である。実施例１では、一例として、２０ｃｍ×２０ｃｍの範囲でフェムト秒レーザー光２２ａを照射可能に構成されている。
第２ガルバノミラー２５とセル１１との間には、光学部材の一例としてのレンズ２６が配置されている。レンズ２６は、フェムト秒レーザー光２２ａの焦点の位置が試料Ｓの表面となるように、通過するフェムト秒レーザー光２２ａを集光する。
第２ガルバノミラー２５とセル１１との間には、光学部材の一例としてのレンズ２６が配置されている。レンズ２６は、フェムト秒レーザー光２２ａの焦点の位置が試料Ｓの表面となるように、通過するフェムト秒レーザー光２２ａを集光する。
（セルの説明）
図３は実施例１のセルの説明図である。
図３において、実施例１のセル１１は、試料Ｓが収容される収容部４１を有する。また、セル１１には、導入部の一例としてのガス流入部４２と、導出部の一例としてのエアロゾル流出部４３が形成されている。ガス流入部４２は、搬送ガスチューブ１２に接続され、エアロゾル流出部４３はセル接続チューブ７に接続されている。ガス流入部４２と収容部４１との間には、拡散部４４が形成されている。拡散部４４は、仕切部材の一例としてのフェンス４４ａ，４４ｂを有する。フェンス４４ａ，４４ｂは、拡散部４４のガス流入部４２側と収容部４１側に配置されている。なお、実施例１のフェンス４４ａ，４４ｂは、網状の部材で構成されている。
図３は実施例１のセルの説明図である。
図３において、実施例１のセル１１は、試料Ｓが収容される収容部４１を有する。また、セル１１には、導入部の一例としてのガス流入部４２と、導出部の一例としてのエアロゾル流出部４３が形成されている。ガス流入部４２は、搬送ガスチューブ１２に接続され、エアロゾル流出部４３はセル接続チューブ７に接続されている。ガス流入部４２と収容部４１との間には、拡散部４４が形成されている。拡散部４４は、仕切部材の一例としてのフェンス４４ａ，４４ｂを有する。フェンス４４ａ，４４ｂは、拡散部４４のガス流入部４２側と収容部４１側に配置されている。なお、実施例１のフェンス４４ａ，４４ｂは、網状の部材で構成されている。
フェンス４４ａ，４４ｂの間には、ガラス製の球であるガラスビーズ４４ｃが充填されている。なお、ガラスビーズ４４ｃは、粒径が０．５ｍｍ〜２ｍｍ程度のものが好適に使用可能である。したがって、ガス流入部４２から流入したキャリアガスは、拡散部４４を通過する際に、ガラスビーズ４４ｃに連続的に衝突して、ガス流れ方向（Ｘ方向）に交差する方向（Ｙ方向）に拡散される。
（実施例１の制御部の説明）
図４は実施例１のコンピュータ装置が備えている各機能をブロック図で示した図である。
図４において、制御部の一例としてのコンピュータ本体３２は、外部との信号の入出力等を行う入出力インターフェースＩ／Ｏを有する。また、コンピュータ本体３２は、必要な処理を行うためのプログラムおよび情報等が記憶されたＲＯＭ：リードオンリーメモリを有する。また、コンピュータ本体３２は、必要なデータを一時的に記憶するためのＲＡＭ：ランダムアクセスメモリを有する。また、コンピュータ本体３２は、ＲＯＭ等に記憶されたプログラムに応じた処理を行うＣＰＵ：中央演算処理装置を有する。よって、コンピュータ本体３２は、ＲＯＭ等に記憶されたプログラムを実行することにより種々の機能を実現することができる。
図４は実施例１のコンピュータ装置が備えている各機能をブロック図で示した図である。
図４において、制御部の一例としてのコンピュータ本体３２は、外部との信号の入出力等を行う入出力インターフェースＩ／Ｏを有する。また、コンピュータ本体３２は、必要な処理を行うためのプログラムおよび情報等が記憶されたＲＯＭ：リードオンリーメモリを有する。また、コンピュータ本体３２は、必要なデータを一時的に記憶するためのＲＡＭ：ランダムアクセスメモリを有する。また、コンピュータ本体３２は、ＲＯＭ等に記憶されたプログラムに応じた処理を行うＣＰＵ：中央演算処理装置を有する。よって、コンピュータ本体３２は、ＲＯＭ等に記憶されたプログラムを実行することにより種々の機能を実現することができる。
（コンピュータ本体３２の機能）
コンピュータ本体３２は、キーボード３４やマウス３５、質量分析計２、その他の図示しないセンサ等の信号出力要素からの入力信号に応じた処理を実行して、ガルバノモータ２４ｂ，２５ｂやフェムト秒レーザー２２のシャッタ等の各制御要素に制御信号を出力する機能を有している。すなわち、コンピュータ本体３２は次の機能を有している。
コンピュータ本体３２は、キーボード３４やマウス３５、質量分析計２、その他の図示しないセンサ等の信号出力要素からの入力信号に応じた処理を実行して、ガルバノモータ２４ｂ，２５ｂやフェムト秒レーザー２２のシャッタ等の各制御要素に制御信号を出力する機能を有している。すなわち、コンピュータ本体３２は次の機能を有している。
図５は実施例１の分析装置で可能な分析モードの説明図であり、図５Ａは統合分析モードの説明図、図５Ｂは混合分析モードの説明図、図５Ｃはイメージング分析モードの説明図、図５Ｄは定量分析モードの説明図である。
Ｃ１：分析モードの判別手段
分析モードの判別手段Ｃ１は、キーボード３４やマウス３５からの入力に基づいて、分析を行うモードを判別する。図５において、実施例１の分析装置１では、図５Ａに示す統合分析モードと、図５Ｂに示す混合分析モードと、図５Ｃに示すイメージング分析モードと、図５Ｄに示す定量分析モードとが可能に構成されている。
Ｃ１：分析モードの判別手段
分析モードの判別手段Ｃ１は、キーボード３４やマウス３５からの入力に基づいて、分析を行うモードを判別する。図５において、実施例１の分析装置１では、図５Ａに示す統合分析モードと、図５Ｂに示す混合分析モードと、図５Ｃに示すイメージング分析モードと、図５Ｄに示す定量分析モードとが可能に構成されている。
図５Ａにおいて、統合（integration）分析モードでは、試料Ｓの所定の位置を高速でアブレーションしていくことで、試料Ｓのアブレーションした領域全体の化学組成を統合して、質量分析計２で分析を行う。したがって、アブレーションされた領域の化学組成の平均量が測定される。
図５Ｂにおいて、混合（mixing）分析モードでは、複数の試料Ｓまたは１つの試料の複数の箇所を交互に高速でアブレーションすることで、２つの試料Ｓまたは複数の箇所の化学組成を混合して測定される。なお、混合分析モードでは、２つの試料Ｓを混合する場合、一方の試料と他方の試料で、アブレーションする回数（スポットの数）を変えることで、混合比率を変えることも可能である。すなわち、一方の試料を５回アブレーションする度に、他方の試料を１回アブレーションすることで、５：１の割合で混合することも可能である。これは、他方の試料が標準試料（予め化学組成が既知の試料）を使用する場合に、標準試料が測定の基準となるので、特に好適に利用可能である。
図５Ｂにおいて、混合（mixing）分析モードでは、複数の試料Ｓまたは１つの試料の複数の箇所を交互に高速でアブレーションすることで、２つの試料Ｓまたは複数の箇所の化学組成を混合して測定される。なお、混合分析モードでは、２つの試料Ｓを混合する場合、一方の試料と他方の試料で、アブレーションする回数（スポットの数）を変えることで、混合比率を変えることも可能である。すなわち、一方の試料を５回アブレーションする度に、他方の試料を１回アブレーションすることで、５：１の割合で混合することも可能である。これは、他方の試料が標準試料（予め化学組成が既知の試料）を使用する場合に、標準試料が測定の基準となるので、特に好適に利用可能である。
図５Ｃにおいて、イメージング（elemental imaging）分析モードでは、試料Ｓの所定の領域を順に低速でアブレーションしていくことで、試料Ｓのアブレーションされた位置（スポット、分析位置）のそれぞれの化学組成を個別に測定、分析することが可能である。すなわち、所定の領域における化学組成の分布を地図状に分析、測定することが可能である。
図５Ｄにおいて、定量（Quantitative Imaging）分析モードは、分析対象の試料Ｓ１の分析領域と、標準試料Ｓ２とを交互にアブレーションすることで、分析領域の各スポットの化学組成を標準試料に対する比率で分析が可能であり、定量分析が可能である。
図５Ｄにおいて、定量（Quantitative Imaging）分析モードは、分析対象の試料Ｓ１の分析領域と、標準試料Ｓ２とを交互にアブレーションすることで、分析領域の各スポットの化学組成を標準試料に対する比率で分析が可能であり、定量分析が可能である。
Ｃ２：レーザー光の出力間隔の制御手段
レーザー光の出力間隔の制御手段Ｃ２は、分析モードに応じて、フェムト秒レーザー光２２ａの出力間隔（周波数）を制御する。実施例１では、統合分析モードと混合分析モードが選択された場合は、高速（高頻度、１０００Ｈｚ）でフェムト秒レーザー光２２ａを出力し、イメージング分析モードや定量分析モードが選択された場合は、低速（低頻度、１０〜５００Ｈｚ）でフェムト秒レーザー光２２ａを出力する。
レーザー光の出力間隔の制御手段Ｃ２は、分析モードに応じて、フェムト秒レーザー光２２ａの出力間隔（周波数）を制御する。実施例１では、統合分析モードと混合分析モードが選択された場合は、高速（高頻度、１０００Ｈｚ）でフェムト秒レーザー光２２ａを出力し、イメージング分析モードや定量分析モードが選択された場合は、低速（低頻度、１０〜５００Ｈｚ）でフェムト秒レーザー光２２ａを出力する。
Ｃ３：照射制御手段
照射制御手段Ｃ３は、第１ガルバノモータの制御手段Ｃ３Ａと、第２ガルバノモータの制御手段Ｃ３Ｂとを有し、各ガルバノモータ２４ｂ，２５ｂを制御して、各ガルバノミラー２４，２５の反射角を変更して、試料Ｓの目的の分析位置にフェムト秒レーザー光２２ａを照射させる。
第１ガルバノモータの制御手段Ｃ３Ａは、試料Ｓの分析位置のＸ座標に基づいて、第１ガルバノモータ２４ｂを制御して、第１ガルバノミラー２４の反射角を制御する。第２ガルバノモータの制御手段Ｃ３Ｂは、試料Ｓの分析位置のＹ座標に基づいて、第２ガルバノモータ２５ｂを制御して、第２ガルバノミラー２５の反射角を制御する。なお、各ガルバノモータの制御手段Ｃ３Ａ，Ｃ３Ｂは、分析位置に応じて各ガルバノモータ２４ｂ，２５ｂを駆動する場合に、各ガルバノモータ２４ｂ，２５ｂを停止する位置に向けて駆動した後に、停止位置に停止させる際に停止位置に向けて移動する方向とは逆方向の駆動（カウンター駆動）を行って、各ガルバノミラー２４，２５を停止位置に停止させる。なお、ガルバノモータ２４ｂ，２５ｂは、フェムト秒レーザー光２２ａの出力間隔（周波数）に対応して、高速（１０００Ｈｚ）で照射位置を変更可能である。
照射制御手段Ｃ３は、第１ガルバノモータの制御手段Ｃ３Ａと、第２ガルバノモータの制御手段Ｃ３Ｂとを有し、各ガルバノモータ２４ｂ，２５ｂを制御して、各ガルバノミラー２４，２５の反射角を変更して、試料Ｓの目的の分析位置にフェムト秒レーザー光２２ａを照射させる。
第１ガルバノモータの制御手段Ｃ３Ａは、試料Ｓの分析位置のＸ座標に基づいて、第１ガルバノモータ２４ｂを制御して、第１ガルバノミラー２４の反射角を制御する。第２ガルバノモータの制御手段Ｃ３Ｂは、試料Ｓの分析位置のＹ座標に基づいて、第２ガルバノモータ２５ｂを制御して、第２ガルバノミラー２５の反射角を制御する。なお、各ガルバノモータの制御手段Ｃ３Ａ，Ｃ３Ｂは、分析位置に応じて各ガルバノモータ２４ｂ，２５ｂを駆動する場合に、各ガルバノモータ２４ｂ，２５ｂを停止する位置に向けて駆動した後に、停止位置に停止させる際に停止位置に向けて移動する方向とは逆方向の駆動（カウンター駆動）を行って、各ガルバノミラー２４，２５を停止位置に停止させる。なお、ガルバノモータ２４ｂ，２５ｂは、フェムト秒レーザー光２２ａの出力間隔（周波数）に対応して、高速（１０００Ｈｚ）で照射位置を変更可能である。
Ｃ４：分析結果の処理手段
分析結果の処理手段Ｃ４は、質量分析計２からの信号を処理して、ディスプレイ３３に表示する。実施例１の分析結果の処理手段Ｃ４は、統合分析モードや混合分析モードでは、測定された化学組成の分析結果を表示し、イメージング分析モードや定量分析モードでは、アブレーションされた領域のマップ画像とマップ上の各分析位置が選択された場合に化学組成を表示する画像とを表示する。
分析結果の処理手段Ｃ４は、質量分析計２からの信号を処理して、ディスプレイ３３に表示する。実施例１の分析結果の処理手段Ｃ４は、統合分析モードや混合分析モードでは、測定された化学組成の分析結果を表示し、イメージング分析モードや定量分析モードでは、アブレーションされた領域のマップ画像とマップ上の各分析位置が選択された場合に化学組成を表示する画像とを表示する。
（実施例１の作用）
前記構成を備えた実施例１の分析装置１では、試料Ｓにおいて目的の分析位置をアブレーションする場合、ガルバノ光学系２３でフェムト秒レーザー光２２ａが照射される位置が制御される。ここで、実施例１のガルバノ光学系２３は、２つのガルバノミラー２４，２５が、ガルバノモータ２４ｂ，２５ｂでそれぞれ独立して制御される（２軸制御）。したがって、試料Ｓにおいて２次元上の任意の位置をアブレーションして、測定、分析することが可能である。よって、従来技術のように、試料を直線に沿って並べる必要がなくなる。したがって、実施例１の分析装置１は、従来の構成に比べて、試料Ｓを設置する位置や分析可能な位置を広くすることができる。
また、従来技術では、分析したい位置が直線上に並べられない場合は、分析したい目的の位置を、レーザが照射可能な位置（直線上）に置き直して分析する必要があり、分析全体の時間が長くなる問題があった。これに対して、実施例１では、２次元上の任意の位置にフェムト秒レーザー光２２ａを照射可能であり、試料Ｓを置き直すことが減り、分析全体の時間を短くすることができる。
前記構成を備えた実施例１の分析装置１では、試料Ｓにおいて目的の分析位置をアブレーションする場合、ガルバノ光学系２３でフェムト秒レーザー光２２ａが照射される位置が制御される。ここで、実施例１のガルバノ光学系２３は、２つのガルバノミラー２４，２５が、ガルバノモータ２４ｂ，２５ｂでそれぞれ独立して制御される（２軸制御）。したがって、試料Ｓにおいて２次元上の任意の位置をアブレーションして、測定、分析することが可能である。よって、従来技術のように、試料を直線に沿って並べる必要がなくなる。したがって、実施例１の分析装置１は、従来の構成に比べて、試料Ｓを設置する位置や分析可能な位置を広くすることができる。
また、従来技術では、分析したい位置が直線上に並べられない場合は、分析したい目的の位置を、レーザが照射可能な位置（直線上）に置き直して分析する必要があり、分析全体の時間が長くなる問題があった。これに対して、実施例１では、２次元上の任意の位置にフェムト秒レーザー光２２ａを照射可能であり、試料Ｓを置き直すことが減り、分析全体の時間を短くすることができる。
図６はセルから導出されたエアロゾルに含まれるアブレーションされた試料の分布の説明図である。
また、実施例１の分析装置１では、分析モードに応じて、フェムト秒レーザー光２２ａを照射する間隔が変更される。アブレーションされた試料は、キャリアガスによりエアロゾルとしてセル１１から導出されるが、フェムト秒レーザー光２２ａの照射間隔が短い場合は、ガルバノ光学系２３も連動して高速で移動し、複数の分析位置が短時間でアブレーションされる。したがって、図６において、導出されたエアロゾルは、ガス流れ方向に沿って領域５１を区分けすると、各領域５１に同時期にアブレーションされた試料が混在することとなる。したがって、複数の領域からアブレーションされた試料が混在した状態で質量分析計２に送られることとなり、平均値（統合分析モード）や混合されて（混合分析モード）検出される。
一方、フェムト秒レーザー光２２ａの照射間隔が長い場合は、複数の分析位置がある程度の時間間隔をあけてアブレーションされる。したがって、各領域５１には、分析位置それぞれでアブレーションされた試料が個別に存在した状態のまま質量分析計２に送られる。したがって、各分析位置の化学組成を個別に測定、分析できる（イメージング分析モード、定量分析モード）。
また、実施例１の分析装置１では、分析モードに応じて、フェムト秒レーザー光２２ａを照射する間隔が変更される。アブレーションされた試料は、キャリアガスによりエアロゾルとしてセル１１から導出されるが、フェムト秒レーザー光２２ａの照射間隔が短い場合は、ガルバノ光学系２３も連動して高速で移動し、複数の分析位置が短時間でアブレーションされる。したがって、図６において、導出されたエアロゾルは、ガス流れ方向に沿って領域５１を区分けすると、各領域５１に同時期にアブレーションされた試料が混在することとなる。したがって、複数の領域からアブレーションされた試料が混在した状態で質量分析計２に送られることとなり、平均値（統合分析モード）や混合されて（混合分析モード）検出される。
一方、フェムト秒レーザー光２２ａの照射間隔が長い場合は、複数の分析位置がある程度の時間間隔をあけてアブレーションされる。したがって、各領域５１には、分析位置それぞれでアブレーションされた試料が個別に存在した状態のまま質量分析計２に送られる。したがって、各分析位置の化学組成を個別に測定、分析できる（イメージング分析モード、定量分析モード）。
よって、実施例１では、フェムト秒レーザー光２２ａを照射する間隔、周波数を変更することで、１つの分析装置１でさまざまな分析を行うことができる。
さらに、実施例１の分析装置１では、混合分析モードでは、一方の試料と他方の試料で照射するスポットの比率を変えることで混合比率を変えることができる。したがって、混合比率が変えられない従来技術に比べて、利用者が分析を行いたい任意の混合比率で分析を行うこともできる。
また、実施例１の分析装置１では、ガルバノミラー２４，２５を分析位置に対応する停止位置で停止させる際に、ガルバノモータ２４ｂ，２５ｂでカウンター駆動を行っている。カウンター駆動を行わずにガルバノモータ２４ｂ，２５ｂを停止させると、ガルバノミラー２４，２５の位置が慣性で停止位置から行きすぎてしまう（オーバーシュートする）恐れがある。オーバーシュートが発生すると、フェムト秒レーザー光２２ａが分析位置に正確に照射されず、分析精度が低下する問題がある。これに対して、実施例１では、カウンター駆動でガルバノミラー２４，２５を停止位置に正確に停止させることができる。したがって、カウンター駆動を行わない場合に比べて、分析精度を向上させることができる。
さらに、実施例１の分析装置１では、混合分析モードでは、一方の試料と他方の試料で照射するスポットの比率を変えることで混合比率を変えることができる。したがって、混合比率が変えられない従来技術に比べて、利用者が分析を行いたい任意の混合比率で分析を行うこともできる。
また、実施例１の分析装置１では、ガルバノミラー２４，２５を分析位置に対応する停止位置で停止させる際に、ガルバノモータ２４ｂ，２５ｂでカウンター駆動を行っている。カウンター駆動を行わずにガルバノモータ２４ｂ，２５ｂを停止させると、ガルバノミラー２４，２５の位置が慣性で停止位置から行きすぎてしまう（オーバーシュートする）恐れがある。オーバーシュートが発生すると、フェムト秒レーザー光２２ａが分析位置に正確に照射されず、分析精度が低下する問題がある。これに対して、実施例１では、カウンター駆動でガルバノミラー２４，２５を停止位置に正確に停止させることができる。したがって、カウンター駆動を行わない場合に比べて、分析精度を向上させることができる。
図７は従来のセルにおけるガスの流れる領域の説明図である。
図７において、セル１１に拡散部４４が設けられていない従来技術では、収容部０１に支持された試料０２に対して、粘性の低いＨｅガスが使用されると、拡散しにくく、導入部０１ａから導出部０１ｂに向かうほぼ直線状の領域０３しかキャリアガスが流れない。したがって、ガスが流れる領域０３の外側の領域０４では、試料０２がアブレーションされてもキャリアガスでほとんど送られず、測定が困難である。したがって、従来は、領域０３上に試料０２の分析対象位置が来るように試料０２を設置する必要があった。よって、従来技術では、試料０２の広い範囲を測定することができず、試料０２の位置を変えるために置き換え等をすると、分析に時間がかかる問題があった。
これに対して、実施例１の分析装置１では、セル１１に拡散部４４が設けられている。したがって、キャリアガスとして粘性の低いＨｅガスが導入されても、図３に示すように、ガス流れ方向（Ｘ方向）に交差する幅方向（Ｙ方向）に拡散し、ほぼ一様に流れる。よって、試料Ｓの広い範囲を対象として、アブレーションされた試料Ｓを下流側に送ることが可能である。したがって、試料Ｓの置き換え等の必要がなく、分析にかかる時間を短縮できる。
図７において、セル１１に拡散部４４が設けられていない従来技術では、収容部０１に支持された試料０２に対して、粘性の低いＨｅガスが使用されると、拡散しにくく、導入部０１ａから導出部０１ｂに向かうほぼ直線状の領域０３しかキャリアガスが流れない。したがって、ガスが流れる領域０３の外側の領域０４では、試料０２がアブレーションされてもキャリアガスでほとんど送られず、測定が困難である。したがって、従来は、領域０３上に試料０２の分析対象位置が来るように試料０２を設置する必要があった。よって、従来技術では、試料０２の広い範囲を測定することができず、試料０２の位置を変えるために置き換え等をすると、分析に時間がかかる問題があった。
これに対して、実施例１の分析装置１では、セル１１に拡散部４４が設けられている。したがって、キャリアガスとして粘性の低いＨｅガスが導入されても、図３に示すように、ガス流れ方向（Ｘ方向）に交差する幅方向（Ｙ方向）に拡散し、ほぼ一様に流れる。よって、試料Ｓの広い範囲を対象として、アブレーションされた試料Ｓを下流側に送ることが可能である。したがって、試料Ｓの置き換え等の必要がなく、分析にかかる時間を短縮できる。
（拡散部の変更例）
図８はセルの拡散部の変更例の説明図であり、図８Ａは変更例１の説明図、図８Ｂは変更例２の説明図である。
前記実施例において、図３に示すようにガラスビーズ４４ｃを使用する拡散部４４を例示したがこれに限定されない。図８Ａに示すように、拡散部４４として、ガス流れ方向の下流側に末広がりとなる衝立状の拡散壁４４ｄを複数配置する構成とすることも可能である。また、図８Ｂに示すように、キャリアガスを通過させるが、流路抵抗となるフィルタ部材４４ｅを複数設置する構成とすることも可能である。
なお、図８に例示した構成の他にも、導入されるキャリアガスの流路抵抗となる部材を配置することで、ガスの流れを幅方向（Ｙ方向）に拡散可能な任意の構成を採用可能である。
図８はセルの拡散部の変更例の説明図であり、図８Ａは変更例１の説明図、図８Ｂは変更例２の説明図である。
前記実施例において、図３に示すようにガラスビーズ４４ｃを使用する拡散部４４を例示したがこれに限定されない。図８Ａに示すように、拡散部４４として、ガス流れ方向の下流側に末広がりとなる衝立状の拡散壁４４ｄを複数配置する構成とすることも可能である。また、図８Ｂに示すように、キャリアガスを通過させるが、流路抵抗となるフィルタ部材４４ｅを複数設置する構成とすることも可能である。
なお、図８に例示した構成の他にも、導入されるキャリアガスの流路抵抗となる部材を配置することで、ガスの流れを幅方向（Ｙ方向）に拡散可能な任意の構成を採用可能である。
（変更例）
以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内で、種々の変更を行うことが可能である。本発明の変更例（Ｈ01）〜（Ｈ08）を下記に例示する。
（Ｈ01）前記実施例において、試料Ｓとして、１つの試料または２つの試料の場合を例示したが、３つ以上とすることも可能である。
（Ｈ02）前記実施例において、ガルバノ光学系２３は、２軸制御の構成を例示したが、３軸以上の構成とすることも可能である。
以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内で、種々の変更を行うことが可能である。本発明の変更例（Ｈ01）〜（Ｈ08）を下記に例示する。
（Ｈ01）前記実施例において、試料Ｓとして、１つの試料または２つの試料の場合を例示したが、３つ以上とすることも可能である。
（Ｈ02）前記実施例において、ガルバノ光学系２３は、２軸制御の構成を例示したが、３軸以上の構成とすることも可能である。
（Ｈ03）前記実施例において、具体的な形状については、設計や仕様等に応じて任意に変更可能である。例えば、セル１１の収容部４１の形状等は任意に変更可能である。
（Ｈ04）前記実施例において、拡散部４４にガラスビーズ４４ｃを使用することが好ましいが、ガラス以外の材料を使用することも可能である。例えば、金属製の粒（ビーズ）やプラスチック製のビーズを使用することも可能である。なお、プラスチックビーズを使用すると、プラスチックビーズに付着した水銀（Ｈｇ)が質量分析計で検出されやすいため、ガラスビーズを使用することが望ましい。
（Ｈ05）前記実施例において、キャリアガスとしてＨｅガスを使用することが好ましいが、これに限定されない。分析対象の試料の種類や要求される精度等に応じて、例えば、水素ガスやネオンガス、アルゴンガス等に変更可能である。
（Ｈ04）前記実施例において、拡散部４４にガラスビーズ４４ｃを使用することが好ましいが、ガラス以外の材料を使用することも可能である。例えば、金属製の粒（ビーズ）やプラスチック製のビーズを使用することも可能である。なお、プラスチックビーズを使用すると、プラスチックビーズに付着した水銀（Ｈｇ)が質量分析計で検出されやすいため、ガラスビーズを使用することが望ましい。
（Ｈ05）前記実施例において、キャリアガスとしてＨｅガスを使用することが好ましいが、これに限定されない。分析対象の試料の種類や要求される精度等に応じて、例えば、水素ガスやネオンガス、アルゴンガス等に変更可能である。
（Ｈ06）前記実施例において、４つの分析モードが可能な構成を例示したが、これに限定されない。分析モードが１つまたは２つあるいは３つの構成とすることも可能であるし、５つ以上のモードを有する構成とすることも可能である。よって、分析モードが１つしかない場合や、実行可能な分析モードでレーザー光２２ａの照射間隔が共通の場合、照射間隔を調整しない、すなわち、フェムト秒レーザー２２のシャッタを有しない構成とすることも可能である。
（Ｈ07）前記実施例において、レーザー光２２ａの照射間隔を調整する構成として、シャッタを使用する構成を例示したがこれに限定されない。例えば、フェムト秒レーザー２２とガルバノ光学系２３との間にレーザー光２２ａを試料Ｓに照射されない方向に反射する遮蔽用の光学系を配置したり、ガルバノ光学系２３で試料Ｓに照射しない方向に反射するように構成することも不可能ではない。
（Ｈ08）前記実施例において、例示したセル１１は、２次元上を走査可能なレーザーアブレーション装置２１を有する分析装置１で好適に使用可能であるが、１次元上を操作可能なレーザーアブレーション装置に使用することも可能である。
（Ｈ07）前記実施例において、レーザー光２２ａの照射間隔を調整する構成として、シャッタを使用する構成を例示したがこれに限定されない。例えば、フェムト秒レーザー２２とガルバノ光学系２３との間にレーザー光２２ａを試料Ｓに照射されない方向に反射する遮蔽用の光学系を配置したり、ガルバノ光学系２３で試料Ｓに照射しない方向に反射するように構成することも不可能ではない。
（Ｈ08）前記実施例において、例示したセル１１は、２次元上を走査可能なレーザーアブレーション装置２１を有する分析装置１で好適に使用可能であるが、１次元上を操作可能なレーザーアブレーション装置に使用することも可能である。
１…分析装置、
２…誘導結合プラズマ質量分析装置、
１１…セル、
２１…レーザーアブレーション装置、
２２ａ…レーザー光、
４１…収容部、
４２…導入部、
４３…導出部、
４４…拡散部、
４４ｃ…ガラスビーズ、
Ｓ…試料。
２…誘導結合プラズマ質量分析装置、
１１…セル、
２１…レーザーアブレーション装置、
２２ａ…レーザー光、
４１…収容部、
４２…導入部、
４３…導出部、
４４…拡散部、
４４ｃ…ガラスビーズ、
Ｓ…試料。
Claims (4)
- レーザー光が照射されてアブレーションされる試料が収容される収容部と、
前記アブレーションされた試料を搬送する搬送ガスが導入される導入部と、
前記アブレーションされた試料とともに搬送ガスが導出される導出部と、
前記導入部と前記収容部との間に配置され、導入部から導入された搬送ガスが接触して、前記導入部と前記導出部とを結ぶ方向に対して交差する方向に搬送ガスを拡散させる拡散部と、
を備えたことを特徴とするレーザーアブレーション用のセル。 - 複数のビーズが充填されて構成される前記拡散部、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載のレーザーアブレーション用のセル。 - ヘリウムガスにより構成された前記搬送ガス、
を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載のレーザーアブレーション用のセル。 - 試料が収容される請求項１ないし３のいずれかに記載のレーザーアブレーション用のセルと、
前記試料をアブレーションするレーザーアブレーション装置と、
アブレーションされて前記セルから送り出された試料が導入され、導入された試料を誘導結合プラズマ方式で分析を行う分析計と、
を備えたことを特徴とする分析装置。
Applications Claiming Priority (1)
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| PCT/JP2018/016027 WO2019202690A1 (ja) | 2018-04-18 | 2018-04-18 | レーザーアブレーション用のセルおよび分析装置 |
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|---|---|
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- 2018-04-18 JP JP2020514851A patent/JPWO2019202690A1/ja active Pending
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