KR100287836B1 - Solvent removal device and its use_ - Google Patents

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Abstract

용매 제거 장치 및 이를 사용하여 시료 입자를 시료 분석 시스템에 제공하는 방법이 개시되어 있다. 용매 제거 장치는 탈용매 분무 시료 입자를 시료 분석 시스템에 도입하기 위한 이중 막 분리 장치로서, 내부막 및 외부막의 이중 막을 포함한다. 시료 입자를 시료 분석 시스템에 제공하기 위해서는 먼저 시료 용액을 분무기 시스템에 도입하여 분무 시료 방울을 얻는다. 얻어지는 분무 시료 방울을 용매 제거 장치에 도입하여 탈용매 분무 시료 입자와 용매 증기의 혼합물을 얻고, 이 혼합물을 이중 막 분리 장치의 상기 이중 막인 내부막과 외부막 사이의 공간으로 흐르게 하여 상기 용매 증기가 상기 막을 통하여 제거되도록 한다. 이후 탈용매 분무 시료 입자를 시료 분석 시스템에 제공한다. 용매를 제거할 수 있는 상기 이중 막이 길이는 짧고 면적은 넓어서 시료가 막에 머무는 시간이 증가되어 용매의 제거 효율이 극대화된다. 이에 따라, 탈용매화 시간이 단축되고 안정된 분석 결과를 얻을 수 있다. 또한 용매가 거의 제거된 용질만을 플라즈마로 도입하게 되어 분석 감도가 향상된다A solvent removal apparatus and a method of providing sample particles to a sample analysis system using the same are disclosed. The solvent removal device is a double membrane separation device for introducing desolvent sprayed sample particles into a sample analysis system, and includes a double membrane of an inner membrane and an outer membrane. To provide sample particles to the sample analysis system, a sample solution is first introduced into the nebulizer system to obtain a spray sample drop. The resulting spray sample droplets are introduced into a solvent removal apparatus to obtain a mixture of desolvent sprayed sample particles and solvent vapor, and the mixture is allowed to flow into the space between the inner membrane and the outer membrane of the double membrane separation apparatus so that the solvent vapor To be removed through the membrane. The desolvent sprayed sample particles are then provided to a sample analysis system. The double membrane capable of removing the solvent has a short length and a large area to increase the time for the sample to stay in the membrane, thereby maximizing the solvent removal efficiency. As a result, the desolvation time can be shortened and a stable analysis result can be obtained. In addition, only the solute with little solvent removed is introduced into the plasma, thereby improving the analysis sensitivity.

Description

용매 제거 장치 및 이의 사용 방법Solvent removal device and method of using the same

본 발명은 용매 제거 장치 및 이의 사용 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 금속 원소를 정량하기 위하여, 이를 포함하는 분무된 유기 용매 시료 방울을 도입하여 이에 포함된 용매를 제거하기 위한 용매 제거 장치 및 이의 사용 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a solvent removing device and a method of using the same, and specifically, to quantify a metal element, a solvent removing device and a use thereof for introducing a sprayed organic solvent sample drop containing the same to remove a solvent contained therein. It is about a method.

이상적인 분석 기기는 분석 결과의 높은 정확도와 정밀도, 낮은 검출 한계, 공존 원소에 의한 낮은 방해 영향, 신속하고 다양한 원소의 분석, 넓은 분석 범위, 시료 처리와 기기 조작의 간편성 등과 같은 조건을 만족시켜야 한다.An ideal analytical instrument should satisfy conditions such as high accuracy and precision of the analytical results, low detection limits, low interference effects from coexisting elements, rapid and diverse elemental analysis, wider scope of analysis, and simplicity of sample handling and instrument operation.

오늘날, 산업의 고도화로 특히 석유 화학, 전자, 반도체 등의 산업 분야에서 유기 시료 속의 미량 무기 원소 분석에 대한 까다로운 기술이 많이 요구되고 있다. 또한 환경과 건강에 대한 관심이 증가하면서 임상 및 환경 분야에서 복잡한 매트릭스나 유기 용매 시료 속 원소 분석에 대해 고성능 분석 장비의 활용에 대한 요구가 더욱 증대하고 있다.Today, with the advancement of the industry, there are many demanding techniques for analyzing trace inorganic elements in organic samples, particularly in industries such as petrochemicals, electronics, and semiconductors. In addition, with increasing environmental and health concerns, there is an increasing demand for the use of high performance analytical equipment for elemental analysis in complex matrices or organic solvent samples in clinical and environmental fields.

유도 결합 플라즈마(inductively coupled plasma; ICP)가 하나의 원자화 장치로서 등장한 이후, 이는 기존에 사용해 왔던 불꽃 장치와 비교하여 상대적으로 높은 온도를 갖고, 불활성 기체인 아르곤의 사용으로 높은 분석 감도를 얻을 수 있으며, 화학적 간섭 영향이 낮은 고감도 분석 기기로 검정 곡선에서 104∼105까지의 분석 범위가 직선성을 보이기 때문에 주성분에서 미량 성분까지 동시 정량이 가능하다는 등의 장점을 갖고 있어서 이상적인 분석 기기에 요구되는 요건을 최대한 충족시켜 주어 매우 빠른 속도로 발전해 왔다.Since inductively coupled plasma (ICP) has emerged as an atomizer, it has a relatively high temperature compared to the flame device used in the past, and high analytical sensitivity can be obtained by using argon, an inert gas. It is a high sensitivity analyzer with low chemical interference effect, and it has the advantage of simultaneous quantification from main component to trace component because the analysis range from the calibration curve to 10 4 to 10 5 is linear. It has evolved at a very high rate, meeting the requirements as much as possible.

ICP를 이용하여 분석할 수 있는 시료들은 금속이나 광물과 같은 무기 재료에서부터 생화학 물질에 이르기까지 매우 다양하다. 이렇게 다양한 형태의 시료 중에는 고체 상태로 직접 분석하는 슬러리 도입 방법이나 레이저를 이용하는 레이저 제거(laser ablation) 방법 등이 있다. 그러나 상대적으로 얻어지는 측정값의 정확성과 정밀성이 주원인이 되어 대부분의 시료들은 액체 상태로 만들어서 분석되어 왔다. 예를 들면, 고체 시료들은 산등으로 용해시키거나 알칼리성 물질을 이용하여 용융시켜서 용액으로 만든 후에 분석을 수행하는 것이 보통이며, 유기물을 포함하는 시료들도 무기산 등을 이용하여 회화 또는 분해 과정을 통하여 무기물 형태로 전환시켜 용액 상태로 만든 후에 분석하는 것이 보통이다. 또한 시료에 따라서는 유기물이 매트릭스로 존재하는 용액 상태의 시료를 직접 분석해야 할 경우가 많다.Samples that can be analyzed using ICP range from inorganic materials such as metals and minerals to biochemicals. Among these various types of samples, there are a slurry introduction method for directly analyzing in a solid state or a laser ablation method using a laser. However, the relative accuracy and precision of the measurements obtained are the main reasons, and most samples have been analyzed in liquid form. For example, solid samples are usually dissolved in an acid or melted with an alkaline substance to make a solution, and analysis is then performed. Samples containing organic materials are also mineralized by incineration or decomposition using inorganic acids. It is common to convert them to form and make them in solution. Also, depending on the sample, it is often necessary to directly analyze a sample in a solution state in which organic substances exist in a matrix.

그런데, 불행하게도 용액 상태의 유기 시료가 ICP에 도입될 경우 휘발성이 큰 유기 용매가 플라즈마에 과부하 되어 플라즈마를 불안정하게 하고 심지어 플라즈마를 꺼지게 하여 분석을 불가능하게 하는 심각한 문제가 야기된다. 또한 플라즈마에서는 C2, CN, CO 같은 탄소 화합물이 생성되어 분석 원소 검출 시에 심한 분광학적 간섭을 일으키기도 한다. 결국, 유기 시료의 도입은 토치와 시료 콘(sample cone)에 탄소 퇴적(carbon deposition)을 발생시켜 플라즈마를 불안정하게 할 뿐 아니라 간섭 현상을 일으키기 때문에 ICP의 분석 성능을 떨어뜨리는 요인으로 작용한다.Unfortunately, when a solution-based organic sample is introduced into the ICP, a highly volatile organic solvent is overloaded with the plasma, causing a serious problem that makes the plasma unstable and even turns off the plasma, making the analysis impossible. In the plasma, carbon compounds such as C 2 , CN, and CO may be generated, causing severe spectroscopic interference when analyte is detected. As a result, the introduction of organic samples causes carbon deposition on the torch and sample cone, which not only destabilizes the plasma, but also causes interference, which reduces the analysis performance of the ICP.

한편, 최근에는 분석 장비의 개발이 다른 장비들과의 상호 연결을 통해 분석 기기의 적용 영역을 넓히고 더 좋은 분석 성능을 얻는 방향으로 진행되고 있다. ICP는 원소종에 대한 분리 감식 능력이 없기 때문에 분리 분석 장비인 스펙트로메트리와 크로마토그래피와의 연결을 통해 분석 영역 확대를 추구하고 있다. 널리 사용되는 유기 용매 시료 속 원소 분석에 대해 고성능 분석 장비인 ICP-AES (inductively coupled plasma - atomic emission spectrometry)나 ICP-MS (inductively coupled plasma - mass spectrometry) 외에도 예를 들면, 이온교환 크로마토그래피(ion-exchange chromatography; IC)가 직접 연결된 IC-ICP, 고압 액체 크로마토그래피(high pressure liquid chromatography)와 연결된 HPLC-ICP, 용매 추출법으로 극미량 원소 분석을 가능하게 하는 Preconcentration-FIA (flow injection analysis)-ICP가 대표적이다. 이러한 연결을 통해 ICP는 원소종 분리 검출이 가능하며 농축에 의해 극미량 원소까지 정량이 가능하게 된다. 이러한 특징은 환경, 임상 그리고 반도체 산업 등에서 필수적으로 요구되는 분석 기술이다.On the other hand, the development of analytical instruments has recently been progressing toward broadening the application area of analytical instruments and obtaining better analytical performance through interconnection with other instruments. Since ICP does not have the ability to segregate identification of elemental species, it seeks to expand the scope of analysis by connecting spectrometry and chromatography, which are separation analysis equipment. In addition to inductively coupled plasma-atomic emission spectrometry (ICP-AES) or inductively coupled plasma-mass spectrometry (ICP-MS), which are high performance analytical tools for elemental analysis in widely used organic solvent samples, for example, ion exchange chromatography (ion) -exchange chromatography; IC-ICP directly connected, HPLC-ICP coupled with high pressure liquid chromatography, and Preconcentration-FIA (flow injection analysis) -ICP, which enables trace element analysis with solvent extraction. Representative. This linkage allows the ICP to detect elemental species and to quantify trace elements by concentration. This is an analytical technique that is essential for the environment, clinical and semiconductor industries.

특히, ICP-AES는 유기 물질 속에 들어 있는 측정 가능한 원소들을 빠른 시간 내에 정성 및 정량 분석할 수 있기 때문에 원자 흡수 분광법 등과 비교하여 큰 장점을 가지고 있다. 이 방법의 응용 분야로는 제한된 시료의 분석을 수행하는 임상 시료 및 환경 시료의 분석 등이 있다.In particular, ICP-AES has a great advantage compared to atomic absorption spectroscopy because it can qualitatively and quantitatively analyze measurable elements in organic materials. Applications of this method include the analysis of clinical and environmental samples that perform limited sample analysis.

그러나, 상술한 바와 같이 이러한 연결을 통한 상호 상승 효과를 얻기 위해서는 ICP에 대한 유기 시료 도입 문제가 먼저 해결되어야만 한다. 결국, 유기 시료 도입 문제는 고감도, 고성능 분석 기기인 ICP의 적용에 한계 요인이 되어 왔으며 이 문제의 해결을 위한 많은 연구들이 시도되어 왔다.However, as described above, in order to obtain a mutual synergy through this connection, the problem of introducing an organic sample to ICP must be solved first. As a result, the introduction of organic samples has been a limiting factor in the application of ICP, a high sensitivity and high performance analytical instrument, and many studies have been attempted to solve this problem.

특히, ICP-AES에서 기존에 알려진 시료 도입 방법들은 주로 수용액 상태에 존재하는 분석 원소들을 측정하는데 사용해 왔는데, ICP-AES를 이용하여 유기 용액을 분석하는 경우에는 수용액 상태와 비교하여 작동 조건이 다르다. 가장 크게 고려해야 할 부분은 유기 용액을 분무시켰을 때 플라즈마의 안정성이다. 이것에 영향을 미치는 요인은 여러 가지가 있다. 예를 들면, 증발율(evaporation factor), 방울 크기(droplet size), 분무 효율(nebulization efficiency) 등이 그것들이다.In particular, ICP-AES, known methods for sample introduction have been used to measure analytical elements that are mainly in aqueous solution. When ICP-AES is used to analyze organic solutions, the operating conditions are different compared to aqueous solutions. The biggest consideration is the stability of the plasma when the organic solution is sprayed. There are many factors that influence this. For example, evaporation factor, droplet size, nebulization efficiency and the like.

초기에 유기 시료 도입을 위한 시도로 스프레이 챔버(spray chamber)를 냉각시키는 방법을 사용하였다. 여기에 높은 파워와 냉각 기체의 소비, 유기 시료용 토치의 사용이 더해졌다. 그러나, 단순히 냉각에 의한 시료 도입량 감소로는 분석 감도의 향상을 얻을 수 없었고 많은 유지비용 또한 부담으로 작용하였다. 최근의 연구는 분석에 필요한 분석물만 플라즈마에 도입시키고 필요 없는 용매는 제거시키는 탈용매화 장치(desolvation system)의 개발에 방향이 모아지고 있다. 대표적인 예로는 극저온 탈용매화 장치(cryogenic desolvator)와 막 분리 장치(membrane desolvator)의 두 시스템이 있는데, 이들은 모두 뛰어난 용매 제거 효율을 보여 주고 있다.Initially an attempt was made to cool the spray chamber in an attempt to introduce an organic sample. This adds high power, cooling gas consumption and the use of a torch for organic samples. However, simply reducing the sample introduction amount by cooling did not improve the analysis sensitivity, and a large maintenance cost was also a burden. Recent research has focused on the development of a desolvation system that introduces only the analytes required for analysis into the plasma and removes unnecessary solvents. Representative examples are two systems, cryogenic desolvator and membrane desolvator, both of which show excellent solvent removal efficiency.

알. 에스. 후크(R. S. Houk) 등에 의해 개발된 극저온 탈용매화 장치 시스템은 용매의 끓는점 보다 약 40℃ 정도 더 높은 온도로 가열하는 것과 약 -80℃로 냉각하는 단계를 반복하는 것을 통해 용매를 응축시켜 제거하는 장치이다. 뛰어난 용매 제거 효율과 감도를 제공함에도 불구하고 극저온 탈용매화 장치는 사용상의 어려움과 장치의 복잡함, 용매 응축에 의한 시료관의 막힘 문제, 그리고 높은 유지비용 문제 등으로 인하여 그 사용이 제한적이다.egg. s. The cryogenic desolvation system developed by RS Houk et al. Is a device that condenses and removes solvents by repeating heating to about 40 ° C higher than the boiling point of the solvent and cooling to about -80 ° C. to be. Despite providing excellent solvent removal efficiency and sensitivity, cryogenic desolvation devices are limited in their use due to difficulties in use and complexity of the device, clogging of sample tubes due to solvent condensation, and high maintenance costs.

막(membrane)을 이용한 방법은 이미 생분리, 의학적 처리 등과 같은 여러 분야에서 널리 사용되어 왔다. 에이. 구스타브슨(A. Gustavsson) 등이 막의 원리를 유기 용매 제거에 도입한 이후로 ICP 유기 시료 도입 문제는 그 최종적 해결책에 한 걸음 다가서는 진일보의 계기가 되었다. 막 분리는, 분리하고자 하는 물질의 막에 대한 용해도와 막을 통과할 때의 확산 정도 차이를 이용하는 것으로 용매만을 특성적으로 제거시키는 막의 특성을 이용한 기술이다.Methods using membranes have already been widely used in many fields such as bioseparation, medical treatment and the like. a. Since A. Gustavsson and others introduced the principle of membranes to organic solvent removal, the issue of ICP organic sample introduction has been a step forward in its final solution. Membrane separation is a technique using the characteristic of the membrane to remove only the solvent characteristic by using the difference in the solubility of the substance to be separated into the membrane and the degree of diffusion when passing through the membrane.

구체적으로, 막이 용매를 제거하는 방법은 두 가지로 나눌 수 있다. 첫 번째는 용매 분자가 막에 흡착-용해되면서 막의 내부에서 외부로 농도 차이에 의해 확산-제거되는 것이다. 이때 용매 제거 정도는 막에 대한 용매의 용해도가 중요한 인자가 된다. 다른 방법은 막의 기공을 통해 단순히 확산-통과되어 제거되는 것으로 확산 계수가 더 중요한 인자가 된다. 막 분리 장치를 이용하면 더 높은 분석물 전달 효율을 얻을 수 있고 90% 이상의 용매 제거 효율을 달성할 수 있다는 장점이 있다. 이러한 막 분리 장치의 성능은 막의 성질(재질)과 장치의 기하학적인 구조에 의해 주로 결정된다.Specifically, the method of removing the solvent from the membrane can be divided into two ways. The first is that the solvent molecules are adsorbed-dissolved in the membrane and diffuse-removed by the difference in concentration from the inside of the membrane to the outside. The degree of solvent removal is an important factor in the solubility of the solvent in the membrane. Another method is simply diffusion-passing through the pores of the membrane to remove, where diffusion coefficient is a more important factor. The use of membrane separation devices has the advantage that higher analyte delivery efficiency can be achieved and solvent removal efficiencies above 90% can be achieved. The performance of such a membrane separation device is largely determined by the nature (material) of the membrane and the geometry of the device.

막 분리에 흔히 사용되는 고분자 물질로는 실리콘(silicone), 폴리이미드(polyimide), 폴리프로필렌(polypropylene), 나피온(nafion), 테플론(teflon) 등이 있다. 이들 물질은 다공성(microporous)과 비공성(non-porous) 구조로 분리된다. 에이. 구스타브슨(A. Gustavsson)이 처음으로 도입한 막 분리 장치에 의하면, 평평한 비공성 실리콘 막을 이용하여 비극성 용매 및 약한 극성을 띠는 유기 용매를 제거하여 유기 시료 속 무기 원소를 분석하는데 있어 일련의 성과를 거두었다.Polymer materials commonly used for membrane separation include silicon, polyimide, polypropylene, nafion, and teflon. These materials are separated into microporous and non-porous structures. a. According to A. Gustavsson's first membrane separation device, a series of achievements in the analysis of inorganic elements in organic samples using a flat nonporous silicon membrane to remove nonpolar and weakly polar organic solvents Harvested.

용매로서 물을 사용하는 경우, 플라즈마에 도입되는 물분자는 분석 원소와 산화물을 형성하기 때문에 ICP-MS의 분석물 검출에 심각한 간섭을 일으킨다. 예를 들어,40Ar16O+56Fe+위치에서 매우 큰 신호를 보여주기 때문에56Fe+의 직접 분석을 불가능하게 만든다. 이러한 문제를 해결하기 위해 사용되는 폴리프로필렌과 나피온 막은 물분자를 특성적으로 제거시키는 성질을 가지고 있다. 나피온은 테플론과 유사한 고분자 물질이지만 술폰산기를 가지고 있어서 나피온 자체 무게의 22%에 해당하는 수분을 흡수할 수 있다. 따라서, 나피온 막을 이용한 막 분리 장치를 ICP-MS에 도입할 경우, 산화물 및 극성 분자종에 의한 질량 간섭을 크게 줄일 수 있다.When water is used as the solvent, water molecules introduced into the plasma form an oxide with the analyte, thus causing serious interference with analyte detection of ICP-MS. For example, 40 Ar 16 O + shows a very large signal at the 56 Fe + position, making direct analysis of 56 Fe + impossible. Polypropylene and Nafion membranes used to solve these problems have the property of removing water molecules characteristically. Nafion is a Teflon-like polymer, but it has a sulfonic acid group that can absorb up to 22% of its weight. Therefore, when a membrane separation apparatus using Nafion membrane is introduced into ICP-MS, mass interference caused by oxide and polar molecular species can be greatly reduced.

미국 특허 제 5,259,254호(1993년 11월 9일) 및 제 5,400,665호(1995년 3월 28일)에서 제이. 쥬(J. Zhu) 등은 PTFE(polytetrahydrofuran) 막을 초음파 분무기인 USN(ultrasonic nebulizer)과 연결하여 극성 및 비극성 유기 용매를 효과적으로 제거하였으며, 바탕선의 감소, 검출 한계의 향상 등 ICP의 분석 능력을 크게 향상시키는 성과를 거두었다. 그러나 분무기 USN의 단점인 많은 시료의 소모량, 큰 메모리 효과, 긴 막의 사용으로 인한 시료 손실 및 고비용의 문제가 남아 있다.J. 5,259,254 (November 9, 1993) and 5,400,665 (March 28, 1995). J. Zhu et al. Linked PTFE (polytetrahydrofuran) membranes with ultrasonic nebulizers (USNs) to effectively remove polar and nonpolar organic solvents, greatly improving the analytical capabilities of ICP, including reducing baselines and improving detection limits. The results were made. However, the drawbacks of nebulizer USN remain the problems of high sample consumption, large memory effect, sample loss due to the use of long membranes and high cost.

최근에는 시료 도입 방법 중에서 기압식 분무기(pneumatic nebulizer)를 변형시켜 만든 MCN(microconcentric nebulizer)이 등장하였다. MCN은 매트릭스로 존재하는 물질이 측정 신호에 미치는 효과가 적은 것으로 알려져 있다. MCN은 주로 ICP-MS에 사용되어 왔는데, 이는 분자간 분광 간섭 현상을 줄이고 매트릭스의 영향을 최소화하는데 장점이 있기 때문이다. 기압식 분무기보다 비교적 작은 모세관 내경을 가지므로 같은 용매의 분무시 상대적으로 작은 방울을 만들 수 있을 것으로 예상된다. 따라서 분무 효율이 증가될 것이므로 큰 신호 값의 감소는 일어나지 않는다.Recently, a microconcentric nebulizer (MCN) made by modifying a pneumatic nebulizer has appeared. MCN is known to have a small effect on the measurement signal of a substance present in the matrix. MCN has been used mainly for ICP-MS because it has advantages in reducing intermolecular spectral interference and minimizing the influence of the matrix. It is expected to be able to make relatively small droplets when spraying the same solvent because they have a relatively small capillary inner diameter than the pneumatic nebulizer. Therefore, the reduction of the large signal value does not occur since the spraying efficiency will be increased.

상기한 바와 같이 막을 이용한 용매 제거 방법은 획기적인 기술로 인정되나, 진공 펌프를 사용해야 하는 등 장치가 다소 복잡하고 비용이 매우 많이 든다는 문제가 있다.As described above, the solvent removal method using the membrane is recognized as a breakthrough technology, but there is a problem that the apparatus is rather complicated and very expensive, such as the use of a vacuum pump.

이에, 본 발명에서는 수용액 시료에서와 비슷한 작동 조건에서 유기 용매를 ICP에 직접 도입하는 동시에 기존의 장치에서 나타나는 단점을 줄이고자 한다.Accordingly, the present invention aims to reduce the drawbacks of existing devices while introducing organic solvents directly into the ICP under operating conditions similar to those of aqueous samples.

본 발명에서는 ICP에 대한 유기 시료 도입 문제를 해결하기 위하여 한 차원 진보한 용매 제거 장치를 개발하여 이를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.In the present invention, to solve the problem of introducing an organic sample to the ICP to develop a one-dimensional advanced solvent removal device to provide it.

또한 본 발명에서는 상기한 시스템을 사용하여 용이하게 용매를 제거시킨 시료 입자를 시료 분석 시스템에 제공하는 방법을 제공하고자 한다.In addition, the present invention is to provide a method for providing a sample analysis system to the sample particles, the solvent is easily removed using the above system.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 용매 제거 장치의 개략적인 단면도를 나타낸다.1 is a schematic cross-sectional view of a solvent removing apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 용매 제거 장치인 DMD를 시료 분석 시스템에 적용한 예로서, MCN-DMD-ICP 시스템의 전체 구성도를 개략적으로 나타낸다.Figure 2 is an example of applying a DMD, a solvent removal device according to an embodiment of the present invention to a sample analysis system, schematically showing the overall configuration of the MCN-DMD-ICP system.

도 3A 및 3B는 관측 높이에 대한 Mg(Ⅱ) 및 Mg(Ⅰ)의 신호 세기 및 Mg(Ⅱ)/Mg(Ⅰ) 신호 세기의 비를 나타내는 그래프이며, 도 3A에서 a는 Mg(Ⅱ), b는 Mg(Ⅰ)에 대한 신호 세기를 나타낸다.3A and 3B are graphs showing the ratios of the signal strengths of Mg (II) and Mg (I) and the Mg (II) / Mg (I) signal strength with respect to the observation height, and in FIG. 3A, a represents Mg (II), b represents the signal strength for Mg (I).

도 4A 및 4B는 에어로졸 가스 흐름 속도에 따른 상대적인 신호 세기 및 신호 대 바탕선 세기 비인 S/B 비율을 나타내는 그래프이며, 도 4A에서 a는 Mg(Ⅱ), b는 C, c는 Ca(Ⅱ), d는 Mn(Ⅱ), e는 Mg(Ⅰ)에 대한 상대 신호 세기이고, 도 4B에서 a는 Mg(Ⅱ), b는 Ca(Ⅱ), c는 Mn(Ⅱ), d Mg(Ⅰ)에 대한 비율이다.4A and 4B are graphs showing the S / B ratio, which is a relative signal strength and signal to baseline strength ratio according to the aerosol gas flow rate, and in FIG. 4A, a is Mg (II), b is C, and c is Ca (II) , d is Mn (II), e is the relative signal strength for Mg (I), in Figure 4B a is Mg (II), b is Ca (II), c is Mn (II), d Mg (I) To ratio.

도 5A 및 5B는 ICP-MS에서 물 시료의 에어로졸 가스 흐름 속도에 따른 분석물의 신호 세기 및 CeO/Ce 비율을 나타내는 그래프이며, 도 5A에서 a는232Th, b는140Ce, c는55Mn, d는64Zn, e는24Mg, f는156CeO에 대한 신호 세기이고 도 5B에서 a는210μL, b는 110μL, c는 70μL의 시료 도입 속도를 나타낸다.5A and 5B are graphs showing signal intensity and CeO / Ce ratio of analytes according to aerosol gas flow rates of water samples in ICP-MS, in FIG. 5A, a is 232 Th, b is 140 Ce, c is 55 Mn, d is 64 Zn, e is 24 Mg, f is signal strength for 156 CeO, and in FIG. 5B, a is 210 μL, b is 110 μL, and c is 70 μL of sample introduction rate.

도 6은 물과 이소프로필알콜 내의 아연의 농도(ppm)에 따른 신호 세기를 나타내는 그래프로서, a는 물 용매에 대한 것이고 b는 이소프로필알콜 용매에 대한 것이다.6 is a graph showing signal strength according to the concentration of zinc in water and isopropyl alcohol (ppm), where a is for a water solvent and b is for an isopropyl alcohol solvent.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Description of the code | symbol about the principal part of drawing>

10 : MCN 12 : 스프레이 챔버10: MCN 12: spray chamber

20 : DMD 21 : 막20: DMD 21: membrane

21a : 내부막 21b : 외부막21a: inner film 21b: outer film

22a : 내부 흐름 가스 22b : 외부 흐름 가스22a: internal flow gas 22b: external flow gas

23a : 에어로졸 방울 23b : 건조 에어로졸23a: Aerosol Drops 23b: Dry Aerosol

24 : 몸체 30 : ICP24: body 30: ICP

상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위하여, 본 발명에서는 분무기 시스템으로부터 분무된 분무 시료 용액 방울로부터 용매 증기를 제거하여 얻어지는 탈용매 분무 시료 입자를 일면에 부착된 시료 분석 시스템에 도입하기 위한 용매 제거 장치에 있어서, 상기 용매 제거 장치가, 상기 시료 용액 방울로부터 용매를 제거하기 위한 막으로서, 내부막 및 외부막으로 구성된 이중막을 포함하는 이중 막 분리 장치(DMD; double membrane desolvator)인 것을 특징으로 하는 용매 제거 장치를 제공한다.In order to realize the above object of the present invention, in the present invention, a solvent removing device for introducing the desolvent spray sample particles obtained by removing solvent vapor from the spray sample solution droplets sprayed from the sprayer system into a sample analysis system attached to one surface thereof. The solvent removing apparatus of claim 1, wherein the solvent removing apparatus is a double membrane desolvator (DMD) including a double membrane composed of an inner membrane and an outer membrane as a membrane for removing the solvent from the sample solution drop. Provide a removal device.

상기 이중 막 분리 장치의 상기 내부막 및 상기 외부막 중 적어도 어느 하나가 PTFE(polytetrahydrofuran)로 제조되며, 상기 PTFE 막은 (적어도 70%의) 다공성(porosity)을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 비다공성 나피온을 사용하여 제조될 수 있다. 상기 내부막은 내경이 약 8mm, 두께가 약 0.8mm이고, 상기 외부막은 내경이 약 12mm, 두께가 약 1mm이며, 상기 내부막과 상기 외부막의 길이는 약 50cm가 되도록 제조하는 것이 바람직하다.At least one of the inner membrane and the outer membrane of the double membrane separation device is made of PTFE (polytetrahydrofuran), and the PTFE membrane preferably has a porosity (at least 70%). It can also be prepared using nonporous Nafion. The inner film has an inner diameter of about 8 mm, a thickness of about 0.8 mm, the outer film has an inner diameter of about 12 mm, and a thickness of about 1 mm, and the inner film and the outer film have a length of about 50 cm.

상기 분무기 시스템으로는 분무 효율이 좋고 매트릭스 효과를 감소시켜 주는 MCN(microconcentric nebulizer)이 용이하게 사용된다. 또한, USN(ultrasonic nebulzier) 또는 마인하드형 기압식 분무기(Meinhard type pneumatic nebulizer)로서도 사용될 수 있다.As the nebulizer system, a microconcentric nebulizer (MCN) is used which is good in spraying efficiency and reduces the matrix effect. It can also be used as a USN (ultrasonic nebulzier) or a Minehard type pneumatic nebulizer.

또한, 상기 시료 분석 시스템이 유도 결합 플라즈마 원자 방출 스펙트로미터(inductively coupled plasma-atomic emission sprctrometry; ICP-AES) 및 유도 결합 플라즈마 질량 스펙트로미터(inductively coupled plasma-mass spectrometry; ICP-MS) 중 어느 하나가 바람직하다.In addition, any one of the inductively coupled plasma-atomic emission sprctrometry (ICP-AES) and inductively coupled plasma-mass spectrometry (ICP-MS) may be used. desirable.

상기한 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는In the present invention to achieve the above other object

시료 용액을 분무기 시스템에 도입하여 분무 시료 방울을 얻는 단계;Introducing a sample solution into the nebulizer system to obtain a spray sample drop;

상기 분무 시료 방울을 용매 제거 장치에 도입하여 탈용매 분무 시료 입자와 용매 증기의 혼합물을 얻고, 상기 혼합물을 이중 막 분리 장치의 내부막과 외부막 사이의 공간으로 흐르게 하여 상기 용매 증기가 상기 내부막 및 외부막에 의하여 제거되게 하는 단계; 및The spray sample droplets are introduced into a solvent removal apparatus to obtain a mixture of desolvent sprayed sample particles and solvent vapor, and the mixture flows into the space between the inner membrane and the outer membrane of the double membrane separation apparatus so that the solvent vapor flows into the inner membrane. And being removed by an outer membrane; And

상기 탈용매 분무 시료 입자를 시료 분석 시스템에 제공하는 단계;를 포함하는 시료 입자를 시료 분석 시스템에 제공하는 방법을 제공한다.It provides a method for providing a sample particle to the sample analysis system comprising the; providing the sample solvent to the desolvent sprayed sample particles.

상기 내부막의 내부 및 외부막의 외부중 적어도 한 곳으로는 흐름 가스(sweep gas)가 상기 내부막 및 외부막 사이로 도입된 시료의 흐름 방향과 반대 방향으로 흐르도록 하는 것이 바람직하며, 상기 흐름 가스로는 아르곤(Ar) 가스를 주로 사용한다.At least one of the inner and outer membranes of the inner membrane may have a flow gas flowing in a direction opposite to the flow direction of the sample introduced between the inner membrane and the outer membrane. (Ar) gas is mainly used.

상기 내부막의 내부 및 외부막의 외부로 흐르는 가스의 바람직한 흐름 속도비는 3:2이고, 총 흐름 속도는 2.0L/min가 되도록 하는 것이 좋다.Preferably, the ratio of the flow rate of the gas flowing inside the inner membrane and the outside of the outer membrane is 3: 2, and the total flow rate is 2.0 L / min.

또한, 상기 이중 막 분리 장치의 내부막 및 외부막은 바람직하게 PTFE 재질로 이루어지는데, 이는 다공성 구조이기 때문에 확산에 의한 용매 제거 효과가 크다. 그러므로 온도가 높을수록 용매 제거 효율이 더 높게 된다. 바람직하게 상기 이중막 분리 장치의 내부 온도를 약 140±2℃가 되도록 한다.In addition, the inner membrane and the outer membrane of the double membrane separation device are preferably made of PTFE material, which has a large solvent removal effect by diffusion because of the porous structure. Therefore, the higher the temperature, the higher the solvent removal efficiency. Preferably the internal temperature of the double membrane separation apparatus is about 140 ± 2 ° C.

본 발명에서 도입한 막인 PTFE막은 용매의 종류에 관계없이 사용할 수 있고 높은 용매 제거 효과를 갖는 고분자 막이다.PTFE membrane, which is the membrane introduced in the present invention, is a polymer membrane which can be used regardless of the kind of solvent and has a high solvent removal effect.

결국, 본 발명은 유기 용매를 효과적으로 제거할 수 있는 이중 막 분리 장치(DMD; double membrane desolvator)와 적은 양의 시료를 효율적으로 분무시키는 동시에 상대적으로 낮은 매트릭스 효과를 가지는 MCN(microconcentric nebulizer)을 사용하는 것에 의해 유기 용매 시료를 도입할 때 발생할 수 있는 여러 가지 문제를 극복할 수 있도록 한 것이다.Finally, the present invention uses a double membrane desolvator (DMD) capable of effectively removing organic solvents and a microconcentric nebulizer (MCN) having a relatively low matrix effect while efficiently spraying a small amount of sample. This is to overcome various problems that may occur when introducing an organic solvent sample.

본 발명에 사용된 이중막 분리 장치는 평판형(flat sheet)과 튜브형(tube)의 장점을 취한 이중관 형태의 구조를 취하고 있다.The double membrane separation device used in the present invention has a double tube type structure that takes the advantages of a flat sheet and a tube.

막 분리 장치의 기하학적 구조 및 형태는 막 분리 장치에 유기 용매 및 복잡한 매트릭스 시료 도입의 문제를 해결하기 위해 고려되는 가장 중요한 사항이다. 코롭착(Koropchack) 등은 시료 에어로졸이 막(membrane tubes)을 통해 플라즈마로 전달될 때 중력에 의한 침전과 관벽과의 충돌이 분석물을 손실시키는 요인임을 보여 주었다. 막의 길이가 길수록, 구조에 있어서 심한 변화 부위가 많이 존재할수록 분석물 손실은 더 커져 플라즈마로의 전달 효율이 떨어진다. 제이. 쥬(J. Zhu) 등이 사용한 PTFE 막 분리 장치는 코일 모양의 구조와 긴 길이로 인해 많은 분석물 손실이 예상된다. 에이 구스타브슨(A. Gustavsson)과 오. 티. 아킨보(O. T. Akinbo) 등이 사용한 평평한 평판 막 분리 장치(flat sheet membrane desolvator)는 구조적으로 매우 간단하고 길이가 짧아 분석물 손실이 상대적으로 적을 것으로 예상되지만 코일형과의 직접적인 비교 결과는 아직 보고되지 않았다.The geometry and shape of the membrane separation device is the most important consideration to address the problem of introducing organic solvents and complex matrix samples into the membrane separation device. Koropchack et al. Showed that gravity induced precipitation and collision with the tube wall caused the analyte to be lost when the sample aerosol was transferred to the plasma through membrane tubes. The longer the membrane, the more severe the site of change in structure, the greater the analyte loss, resulting in less efficient transfer to the plasma. second. The PTFE membrane separation device used by J. Zhu et al. Is expected to lose a lot of analyte due to its coiled structure and long length. A. Gustavsson and Oh. tea. The flat sheet membrane desolvator used by OT Akinbo et al. Is expected to have relatively low analyte losses due to its very simple structure and short length, but no direct comparison with the coil type has been reported. Did.

막의 면적과 두께 또한 막 분리 장치의 성능을 결정하는 구조적 요인으로 작용한다. 막의 면적과 두께 및 용매 제거 효율과의 상관 관계를 좀 더 상세하게 살펴보기로 한다. 고분자 막을 통한 기체의 투과율, 즉, 용매 제거 효율 ηsol은 맥파덴(McFadden)의 아래식으로 주어진다.The area and thickness of the membrane also serves as a structural factor in determining the performance of the membrane separation device. The relationship between membrane area and thickness and solvent removal efficiency will be discussed in more detail. The permeability of the gas through the polymer membrane, ie the solvent removal efficiency η sol, is given by the following formula of McFadden.

ηsol= 1-e(-ASD/LQg) --------- (1)η sol = 1-e (-ASD / LQ g ) --------- (1)

A: 막의 면적A: area of the membrane

S: 막에 대한 용매 증기의 용해도S: Solubility of Solvent Vapor in Membrane

D: 막을 통한 용매 증기의 확산 계수(diffusivity)D: Diffusivity of Solvent Vapor Through Membrane

L: 막의 두께L: thickness of the film

Qg: 에어로졸 가스 흐름 속도(aerosol gas flow rate)Q g : aerosol gas flow rate

상기 식(1)은 실리콘이나 나피온과 같은 비공성 막에 적용되는 식이다. 이러한 막에서는 용매 기체가 막에 흡착, 용해되어 막의 반대 면으로 배출되는 원리를 따르기 때문에 용해도와 투과해야 할 막의 두께가 중요한 변수가 된다.Equation (1) is a formula applied to a nonporous membrane such as silicon or Nafion. In such membranes, solubility and thickness of the membrane to be permeated are important parameters because solvent gas is adsorbed and dissolved in the membrane and is discharged to the opposite side of the membrane.

용매 제거 효율은 또한 온도의 영향을 받는다. 비공성 막의 경우 온도 상승은 확산 계수보다 용해도에 더 큰 영향을 주기 때문에 오히려 용매 제거 효율을 떨어뜨린다. 실제로, 나피온 막 분리 장치는 낮은 온도에서 더 좋은 효율을 보여주고 있다.Solvent removal efficiency is also affected by temperature. In the case of non-porous membranes, the rise in temperature has a greater effect on solubility than the diffusion coefficient, which in turn lowers the solvent removal efficiency. Indeed, Nafion membrane separation devices show better efficiency at lower temperatures.

본 실험에서 사용한 PTFE 막은 다공성 구조이기 때문에 상기식 (1)이 정확하게 적용되지는 않지만 위 식의 응용을 충분히 고려할 수 있다. 또한 PTFE는 다공성 구조이기 때문에 용매 증기의 용해도는 고려하지 않아도 된다. 이 막은 나피온과 달리 확산에 의한 제거 영향이 크기 때문에 온도가 높을수록 용매 제거 효율이 높다. 막의 종류에 관계없이 고려할 수 있는 사항은 바로 막의 면적이다. 분석물 손실 문제를 고려할 때 막의 길이는 짧게 하고 면적은 넓게 하는 것이 유리하다는 것을 알 수 있다. 이러한 요구에 맞추는 방법으로 고안된 것이 바로 본 발명의 이중막 분리 장치(DMD)로 이중적인 관의 배치를 통해 길이는 줄이고 면적은 넓히는 동시에 시료가 막에 머무는 시간을 증가시켜 용매의 제거 효율을 극대화하는 구조를 지니고 있다.Since the PTFE membrane used in this experiment is a porous structure, the above formula (1) is not applied correctly, but the application of the above formula can be sufficiently considered. In addition, since PTFE has a porous structure, solubility of solvent vapor does not need to be considered. Unlike Nafion, this membrane has a large removal effect due to diffusion, so the higher the temperature, the higher the solvent removal efficiency. Regardless of the type of membrane, the area to be considered is the membrane area. Considering the analyte loss problem, it can be seen that it is advantageous to have a shorter film and a larger area. The double membrane separation device (DMD) of the present invention was designed to meet the needs of the present invention. The structure of a double tube arrangement reduces the length, increases the area, and increases the time the sample stays on the membrane to maximize the removal efficiency of the solvent. It has

한편, 시료 에어로졸 방울(wet droplet)이 플라즈마에 도입되면 방울의 용매가 기화되면서 플라즈마로부터 에너지를 흡수하여 플라즈마에 미세한 흔들림을 만든다. 이러한 현상은 ICP-AES 및 ICP-MS 검출에서의 노이즈와 ICP-MS에서의 산화물 형성의 주요 원인으로 작용하고 있다. 따라서, DMD를 사용한 시료 에어로졸의 탈용매화는 유기 시료를 도입할 수 있다는 장점 뿐 아니라 ICP의 노이즈 감소, 매트릭스 제거, 감도의 향상 등 여러 가지 장점을 가지고 있다. 플라즈마 내에서 입자의 변화 메커니즘을 구체적으로 연구하면 이러한 사실을 좀 더 체계적으로 설명할 수 있다.On the other hand, when a sample aerosol droplet (wet droplet) is introduced into the plasma, the solvent of the droplet is vaporized to absorb energy from the plasma to make a fine shake in the plasma. This phenomenon is the main cause of noise in ICP-AES and ICP-MS detection and oxide formation in ICP-MS. Therefore, the desolvation of the sample aerosol using DMD has various advantages such as the introduction of organic samples as well as noise reduction of ICP, matrix removal, and improvement of sensitivity. A detailed study of the mechanism of change of particles in the plasma can explain this more systematically.

DMD를 썼을 때와 쓰지 않았을 때의 근본적인 차이점은 플라즈마에 도입되는 입자의 크기에 있다. MCN에서 분무된 에어로졸 중에서 스프레이 챔버를 통과해 플라즈마로 도입되는 3급 입자(tertiary particle)의 지름은 약 2∼3μm 이다. 질산이트륨(Y(NO3)3) 10ppm을 분석물로 사용할 경우 탈용매화된 입자의 크기는 농도와 밀도 값을 통해 계산할 수 있다. 2μm와 3μm 크기의 입자가 탈용매화 될 경우 각각 0.023μm 및 0.034μm가 된다. 즉, DMD를 쓸 경우에는 서브 미크론 크기의 입자가 도입되지만 DMD를 쓰지 않았을 때는 2∼3μm 크기의 방울이 도입된다. 이러한 사실을 고려하여 크기가 큰 에어로졸 방울이 도입될 때를 기준으로 플라즈마 내에서의 입자 행태를 연구하였다.The fundamental difference between with and without DMD is the size of the particles introduced into the plasma. In the aerosol sprayed from the MCN, tertiary particles introduced into the plasma through the spray chamber have a diameter of about 2 to 3 μm. When 10 ppm of yttrium nitrate (Y (NO 3 ) 3 ) is used as the analyte, the size of the desolvated particles can be calculated from concentration and density values. Desolvated particles of 2μm and 3μm size become 0.023μm and 0.034μm respectively. In other words, when the DMD is used, submicron-sized particles are introduced, but when the DMD is not used, droplets having a size of 2-3 m are introduced. Considering this fact, the behavior of particles in plasma was studied based on the introduction of large aerosol droplets.

에어로졸 방울이 플라즈마에 도입되면 입자 주위의 용매가 기화되면서 제거되고(desolvation) 건조 입자(dry particle)가 도입된다. 플라즈마의 중심부를 통과하면서 건조 입자는 기화(vaporization)가 일어나고 이어서 바로 원자화(atomization)와 이온화(ionization)가 일어난다. 본 연구에서 고려한 이트륨의 경우 다음과 같은 단계로 진행될 것이다.As the aerosol droplets are introduced into the plasma, the solvent around the particles is degassed (desolvation) and dry particles are introduced. As it passes through the center of the plasma, the dry particles vaporize, followed immediately by atomization and ionization. In the case of yttrium considered in this study, the following steps will be taken.

Y+→ Y(NO3)3(s) (→Y2O3(s)) → Y2O3(g) → Y → Y+→ Y+* Y + → Y (NO 3 ) 3 (s) (→ Y 2 O 3 (s)) → Y 2 O 3 (g) → Y → Y + → Y + *

탈용매화 (산화) 기화 원자화 이온화 여기Desolvation (oxidation) Vaporization Atomization Ionization Excitation

(여기)(here)

이 단계들 중에서 DMD 장치의 특성을 설명할 수 있는 가장 중요한 단계는 바로 첫 단계인 탈용매화 단계이다. 플라즈마 내에서 에어로졸 방울의 탈용매화 시간을 계산함으로써 DMD 시스템과 일반 시스템 사이의 분석 결과 차이를 예측할 수 있다. 일반적으로, 외부에서 열을 가해 어떤 물질이 제거되는 조건은 열전달제어(heat-transfer-controlled) 와 질량전달제어(mass-transfer-controlled) 과정에 의해 결정된다고 본다. 상대적으로 크기가 큰 물질은 외부에서 물질로 열이 전달되는 과정이 물질 제거에 결정적인 영향을 미치기 때문에 열전달제어 이론에 따르게 되며 작은 물질의 경우 열 전달은 빠른 반면 단위 면적당 제거되는 입자의 수가 많아 이러한 입자들이 외부로 빠져나가는 과정 즉 질량전달제어 단계가 결정적인 단계가 된다. 이러한 이론에 따라 에어로졸 방울의 경우 상대적으로 크기가 크므로 먼저 열전달제어 탈용매화 식 (2)를 통해 탈용매화 되는 시간을 계산하였다.Among these steps, the most important step to explain the characteristics of the DMD device is the first step, the desolvation step. By calculating the desolvation time of the aerosol droplets in the plasma, it is possible to predict the analytical differences between the DMD system and the general system. In general, the condition under which heat is removed from a substance by heat is determined by heat-transfer-controlled and mass-transfer-controlled processes. Relatively large materials follow heat transfer control theory because the process of heat transfer from the outside to the material has a decisive effect on material removal. For small materials, heat transfer is fast while the number of particles removed per unit area is high. The process by which they escape to the outside, that is, the mass transfer control step, becomes a critical step. According to this theory, since aerosol droplets are relatively large in size, the time for desolvation is calculated first through the heat transfer control desolvation formula (2).

r2= r0 2- kdt ------ (2)r 2 = r 0 2 -k d t ------ (2)

kd: 탈용매화율 (mm2/s)k d : desolvation rate (mm 2 / s)

kd= (8λM/Cpρ)ln(1+B)k d = (8λM / C p ρ) ln (1 + B)

r: 시간 t에서의 방울 지름(μm)r: drop diameter at time t (μm)

r0: 초기 방울 지름(μm)r 0 : initial drop diameter (μm)

λ: 방울 주위 증기의 열전도율(cal·s-1cm-1K-1)λ: thermal conductivity of the vapor around the droplets (cal · s -1 cm -1 K -1 )

Cp: 일정 압력에서 증기의 열용량(cal·mol-1K-1)C p : Heat capacity of steam at constant pressure (cal · mol -1 K -1 )

ρː 액체의 밀도(g·cm-3)ρː density of liquid (g · cm -3 )

M: 용매의 분자량(g·mol-1)M: molecular weight of solvent (gmol- 1 )

B: 전달 수(transfer number)B: transfer number

B = {Cp(Tg- Ts) + γQ}/Hv B = {C p (T g -T s ) + γQ} / H v

Tg: 플라즈마의 온도(K)T g : temperature of plasma (K)

Ts: 방울 표면의 온도(용매의 b.p.)(K)T s : Temperature of droplet surface (bp of solvent) (K)

Hv: 용매의 기화열(cal·mol-1)H v : heat of vaporization of the solvent (cal · mol -1 )

γ: 화학양론적 연소에 필요한 산소의 양에 대한 현재 산소의 양의 비γ: ratio of the current amount of oxygen to the amount of oxygen required for stoichiometric combustion

Q: 가연성 용매에 대한 연소열(cal·mol-1)Q: heat of combustion for flammable solvents (cal · mol -1 )

표1. 탈용매화율 상수의 계산에 필요한 물리적 계수Table 1. Physical Coefficients for Calculation of Desolvation Rate Constants

계수Coefficient 단위unit IPAIPA H2OH 2 O 비고Remarks λλ cal/sec·cm·Kcal / seccmK 8.1 x 10-4 8.1 x 10 -4 9.3 x 10-4 9.3 x 10 -4 추정값(계산)Estimated Value (Calculation) Cp C p cal/mol·Kcal / molK 6666 1515 추정값(계산)Estimated Value (Calculation) ρ1ρ1 g/cm3 g / cm 3 0.7860.786 1One MM g/molg / mol 60.0960.09 1818 Tg T g KK 40004000 40004000 Ts T s KK 355.3355.3 373373 Hv H v cal/molcal / mol 94909490 97709770 QQ cal/molcal / mol 4.88 x 105 4.88 x 10 5 00 γγ 0.30.3 추정값(계산)Estimated Value (Calculation)

표2. 열전달제어 탈용매화에 의한 계산 결과Table 2. Calculation result by heat transfer control desolvation

방울 크기Droplet size water IPAIPA 2μm2 μm 3μm3 μm 2μm2 μm 3μm3 μm 탈용매화 입자의 크기(μm)Size of desolvated particles (μm) 0.0230.023 0.0340.034 0.0230.023 0.0340.034 탈용매화율(mm2/s)Desolvation rate (mm 2 / s) 1.61.6 2.82.8 탈용매화 시간(ns)Desolvation time (ns) 24.724.7 55.655.6 14.314.3 32.132.1 탈용매화 거리*(10-5mm)Desolvation distance * (10 -5 mm) 43.243.2 97.597.5 25.025.0 56.156.1

*: 에어로졸 가스 흐름 속도가 0.8L/min 일 때(플라즈마 내에서 17.47m/s)*: When the aerosol gas flow rate is 0.8 L / min (17.47 m / s in plasma)

표1에 표시된 상수들을 식 (2)에 대입하여 계산한 결과가 표2에 나타나 있다. 탈용매화 속도(Kd)는 이소프로필알콜(isopropyl alcohol; IPA)에서 더 큰 값을 준다. 이것은 물에 비해 IPA가 열전달 효율이 좋고 특히 휘발성이 크기 때문이다. 탈용매화 되는 시간은 14∼56ns 의 값을 얻었다. 탈용매화 거리는 계산에 의해 구한 플라즈마에서의 에어로졸 가스 속도를 적용해 플라즈마 내에서 탈용매화 되는 동안 입자들이 이동한 거리로 환산한 값이다. 열전달제어 탈용매화에 의해 얻은 탈용매화 속도와 이동거리는 일반적으로 관찰되는 값과 큰 차이를 보인다.The results obtained by substituting the constants shown in Table 1 into Equation (2) are shown in Table 2. The desolvation rate (K d ) gives a greater value in isopropyl alcohol (IPA). This is because IPA has better heat transfer efficiency and particularly high volatility than water. Desolvation time yielded a value of 14-56 ns. The desolvation distance is a value obtained by calculating the aerosol gas velocity in the plasma, which is calculated by calculation, and converting the particles into a distance during desolvation in the plasma. The desolvation speed and travel distance obtained by heat transfer control desolvation show a great difference from the values generally observed.

지. 엠. 히프체(G. M. Hieftje) 등에 의하면 입자 지름이 0.3μm까지는 매우 빠른 속도로 입자의 크기가 줄어든다. 즉, 열전달제어 탈용매화 식에 따른다. 반면에 0.3μm 이하에서는 상대적으로 느린 속도로 입자 크기가 줄어들며 이 경우에 질량전달제어 탈용매화를 따르게 된다. 따라서, MCN을 사용했을 때, 탈용매화 단계는 일반적인 열전달제어 탈용매화 한 단계만으로 이루어지는 것이 아니라 질량전달제어 탈용매화 단계가 추가적으로 일어나게 되어 전체적으로는 두단계로 진행된다는 것을 알 수 있다. 이에 따라 기준이 되는 0.3μm에서 2μm 방울의 탈용매화된 크기인 0.023μm로 줄어드는 과정은 질량전달제어 탈용매화 식에 의해 추가적인 계산을 하였다.G. M. According to G. M. Hieftje et al., The particle size decreases very rapidly up to 0.3 μm. That is, it follows the heat transfer control desolvation formula. On the other hand, below 0.3μm, the particle size decreases at a relatively slow rate, in which case mass transfer control desolvation is followed. Therefore, when MCN is used, the desolvation step does not consist of only one step of general heat transfer control desolvation, but it can be seen that the mass transfer control desolvation step is additionally performed and proceeds in two steps as a whole. Accordingly, the process of decreasing from 0.3 μm, which is a reference point, to 0.023 μm, which is a desolvated size of 2 μm, was further calculated by the mass transfer control desolvation equation.

r = r0- [MαPs/ρ(2πMRTg)1/2(1-α/2)]t = Kγt ------ (3)r = r 0- [MαP s / ρ (2πMRT g ) 1/2 (1-α / 2)] t = K γ t ------ (3)

Kγ: 탈용매화 또는 증기화율(mm/s)K γ : Desolvation or vaporization rate (mm / s)

M: 증기화된 원소의 분자량(g/mol)M: molecular weight of the vaporized element (g / mol)

Tg: 플라즈마 가스의 온도(K)T g : temperature of plasma gas (K)

Ps: Ts에서의 포화증기압(Pa)P s : Saturated vapor pressure at T s (Pa)

ρ: Ts에서 용질(solute) 입자의 밀도(g/cm3)ρ: density of solute particles in T s (g / cm 3 )

α:증기화 계수α: vaporization coefficient

표3. 탈용매화율 상수의 계산에 필요한 물리적 계수Table 3. Physical Coefficients for Calculation of Desolvation Rate Constants

계수Coefficient 단위unit IPAIPA H2OH 2 O 비고Remarks MM g/molg / mol 60.0960.09 1818 TgTg KK 40004000 40004000 PsPs KPaKPa 101.325101.325 101.325101.325 ρρ g/cm3 g / cm 3 0.7860.786 1One 추정값Estimate

표4. 질량전달제어 탈용매화에 의한 계산 결과Table 4. Calculation result by mass transfer control desolvation

방울 크기(μm)Drop size (μm) IPAIPA water 입자 크기Particle size 0.0230.023 0.0230.023 αα 0.010.01 0.020.02 0.010.01 0.020.02 탈용매화율(mm/s)Desolvation rate (mm / s) 0.700.70 1.41.4 0.860.86 1.731.73 탈용매화 시간(μs)Desolvation time (μs) 4040 2020 3232 1616 탈용매화 거리(mm)Desolvation distance (mm) 0.700.70 0.350.35 0.560.56 0.280.28

표3을 식 (3)에 대입하여 계산한 결과를 표4에 나타내었다. 이 때 α값은 정해진 값이 없으므로 보통 임의의 값을 가정하여 실험 결과를 통해 최적값을 찾는다. α = 0.01, 0.02 두 경우에 대해 계산하였으며 이 값들은 측정 결과에 근거하여 설정한 값이다. 표4에서 탈용매화 속도는 물에서 더 큰 값을 보여준다. 물보다 IPA가 휘발성이 더 크기 때문에 열전달제어 탈용매화에서 발생한 IPA 증기 밀도가 물보다 크게 되고 이것은 질량전달제어 탈용매화 단계에서 새롭게 탈용매화된 입자를 외부로 방출시키는 것을 오히려 어렵게 만들기 때문으로 추정된다.Table 4 shows the results obtained by substituting Table 3 into equation (3). At this time, since the α value does not have a fixed value, assuming an arbitrary value, find the optimal value through the experimental results. α = 0.01, 0.02 Two cases were calculated and these values were set based on the measurement results. The desolvation rate in Table 4 shows larger values in water. Because IPA is more volatile than water, the IPA vapor density generated from heat transfer desolvation is greater than water, which makes it more difficult to release the newly desolvated particles to the outside during the mass transfer control desolvation step.

질량전달제어 탈용매화에 근거하여 계산한 결과에 따르면 탈용매화 되는 시간은 16∼40μs이고 플라즈마 내에서 이동되는 거리는 0.3∼0.7mm이다. 즉, DMD를 사용하면 관측 높이에서 변화가 발생할 수 있음을 예측할 수 있고 그 값은 계산 결과 값에 근접한 값으로 일반적인 경우보다 더 낮은 값을 줄 것이다. 이 결과로부터 탈용매화 되는 과정에서 열전달제어 탈용매화는 무시할 수 있을 정도로 빨리 끝나고 주로 질량전달제어 탈용매화에 의해 결정된다는 사실을 알 수 있다. 결과 부분에서 추가적인 설명이 있을 것이다. 사실상 플라즈마 내에서 탈용매화 되는 시간은 그리 길지는 않지만 이미 설명한 것처럼 탈용매화된 입자와 그렇지 않은 입자가 플라즈마에 도입되면 그 영향은 매우 큰 차이가 난다. DMD 사용으로 더 안정된 분석 결과를 얻을 수 있을 것으로 예상되며 특히 ICP-MS에서 용매 제거에 의한 산화물 또는 폴리아토믹 이온(polyatomic ion)종 생성을 억제해 감도의 향상과 분석의 용이함 등 여러 가지 장점을 얻을 수 있는 것이다.The calculation results based on the mass transfer control desolvation show that the desolvation time is 16-40 μs and the distance traveled in the plasma is 0.3-0.7 mm. In other words, the DMD can be used to predict that a change in observation height can occur, and the value is close to the calculated value and will give a lower value than usual. From this result, it can be seen that in the process of desolvation, the heat transfer control desolvation finishes negligibly fast and is mainly determined by the mass transfer control desolvation. There will be further explanation in the results section. In fact, the time for desolvation in the plasma is not very long, but the effect is very different when desolvated and non-solvated particles are introduced into the plasma. It is expected that more stable analytical results can be obtained by using DMD, and in particular, ICP-MS suppresses the generation of oxide or polyatomic ion species by solvent removal, thereby obtaining various advantages such as improved sensitivity and ease of analysis. It can be.

입자의 기화 단계는 완전히 질량전달제어 기화를 따른다. 표5의 계수를 식 (3)에 대입하면 표6의 계산된 결과를 얻을 수 있다. 제이. 더블유. 올레식(J. W. Olesik) 등의 실험에 의하면 기화되는 시간은 약 120μs이고 이동 거리는 2mm이다. 따라서, 이에 근거한 계산을 통해 0.001 근처의 α값을 추정할 때 실험 결과와 일치하는 것을 확인할 수 있다.The vaporization step of the particles completely follows mass transfer controlled vaporization. Substituting the coefficients in Table 5 into Equation (3) gives the calculated results in Table 6. second. W. According to the experiment by J. W. Olesik et al., The evaporation time is about 120 µs and the travel distance is 2 mm. Therefore, it can be confirmed from the calculation based on this that it is consistent with the experimental result when estimating α value near 0.001.

표5. 기화율 상수의 계산에 필요한 물리적 계수Table 5. Physical Factors Required for Calculation of Vaporization Constants

계수Coefficient 단위unit Y2O3(s)Y 2 O 3 (s) 비고Remarks MM g/molg / mol 225.81225.81 Tg T g KK 50005000 Ps P s KPaKPa 101.325101.325 ρρ g/cm3 g / cm 3 3.893.89 추정값Estimate

표6. 질량전달제어 기화에 의한 계산 결과Table 6. Calculation result by mass transfer control vaporization

입자 크기(μm)Particle size (μm) 0.0230.023 0.0340.034 αα 0.0010.001 0.0020.002 0.0030.003 0.0010.001 0.0020.002 0.0030.003 기화율(mm/s)Vaporization rate (mm / s) 0.0240.024 0.0490.049 0.0730.073 0.0240.024 0.0490.049 0.0730.073 기화시간(μs)Evaporation time (μs) 95.895.8 46.946.9 31.531.5 142142 69.469.4 46.546.5 기화거리(mm)* Vaporization Distance (mm) * 2.22.2 1.11.1 0.720.72 3.23.2 1.61.6 1.11.1

*: 에어로졸 흐름 속도가 0.8L/min일 때(플라즈마 내에서 22.71m/s)*: When the aerosol flow rate is 0.8 L / min (22.71 m / s in plasma)

이러한 단계들의 계산을 통해 임의의 상수에 대한 적당한 값을 줄 수 있었으며 특히 DMD의 추가적인 특징을 확인할 수 있었다. 또한 실험 결과에 있어 DMD를 사용한 경우와 그렇지 않은 경우의 차이를 예측하고 설명할 수 있는 이론적 배경을 얻을 수 있었다.The calculation of these steps allowed us to give appropriate values for arbitrary constants, in particular identifying additional features of the DMD. In addition, the theoretical background to predict and explain the difference between using DMD and non-DMD was obtained.

이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 실시예를 위해 발명된 용매 제거 장치인 DMD의 구조가 도 1에 나타나 있다.The structure of DMD, a solvent removal device invented for an embodiment of the present invention, is shown in FIG.

먼저, DMD(20)는 몸체(24) 내에 내부막(21a)을 구성하는 중심관과 외부막(21b)을 구성하는 두 번째 관을 포함한다. 상기 내부막(21a)과 외부막(21b)이 본 발명의 특징이 되는 이중막(21)을 구성하는 것이다. 내부 흐름 가스(22a)는 중심관의 내부로 흐르게 되고, 외부 흐름 가스(22b)는 두 번째 관의 외부로 흐르게 된다. 분무기로부터 분무된 시료 에어로졸 방울(23a)은 내부막(21a)과 외부막(21b) 사이로 수직하게 도입되는데, 이는 내부막(21a)과 외부막(21b) 사이의 공간을 통해 상기 내부 흐름 가스(22a) 및 외부 흐름 가스(22b)의 흐름 방향과 반대 방향으로 흐르게 된다. 상기 이중막(21)을 통과하면서 에어로졸 방울(23a)의 용매는 제거되고 건조 에어로졸(23b)이 배출된다. 배출된 시료는 시료 분석 시스템으로 도입된다.First, the DMD 20 includes a central tube constituting the inner membrane 21a and a second tube constituting the outer membrane 21b in the body 24. The inner film 21a and the outer film 21b constitute a double film 21 which is a feature of the present invention. The inner flow gas 22a flows inside the center tube, and the outer flow gas 22b flows outside the second tube. The sample aerosol droplets 23a sprayed from the nebulizer are introduced vertically between the inner membrane 21a and the outer membrane 21b, which pass through the space between the inner membrane 21a and the outer membrane 21b. 22a) and the external flow gas 22b flow in the opposite direction. While passing through the double membrane 21, the solvent of the aerosol droplet 23a is removed and the dry aerosol 23b is discharged. The discharged sample is introduced into a sample analysis system.

실험을 위하여 도 1에 나타난 바와 같은 구성을 갖는 DMD를 다음과 같이 제조하였다.DMD having the configuration as shown in Figure 1 for the experiment was prepared as follows.

용매를 제거하기 위해 사용된 막은 고어텍스 튜브(Goretextube)의 타입 B 형으로 PTFE 재질로 이루어져 있으며 최대 기공 크기는 3.5μm, 기공율은 70%인 다공성 구조로 되어 있다. 이중막의 구조를 가지며 내부막은 내경이 8mm, 두께 0.8mm이고, 외부막은 내경이 12mm, 두께 1mm이며, 길이는 약 50cm이다. 막의 총 면적은 두 막의 면적의 합으로부터 약 3.1x10-2m2이다. 이것은 상업화된 막 분리 장치인 세탁(Cetac)의 MDX100에 대해 면적은 오히려 비슷하거나 증가한 것이며 길이는 약 1/3 이상 감소한 것이다. 따라서, 장치가 더 간단해지고 분석물 손실이 줄어드는 장점이 예상된다. 그러나, 막의 평균 두께가 0.9mm로 기존의 사용되던 막에 비해 5∼20배 이상 두꺼운 것으로 DMD의 단점이기 때문에 개선될 필요가 있는 부분이다. DMD의 전체 길이는 50cm이며 시료인 에어로졸 방울은 두 막의 사이를 통과하여 건조 에어로졸 상태로 플라즈마에 도달하게 된다. 이 때, 시료는 내부막과 외부막 사이로 탄젠셜하게 도입된다. 이로 인해 시료가 관내에서 머무는 시간이 길어지고 결국 용매 제거 효율이 증가되는 장점이 있다. 도입된 시료가 관을 통과하면서 용매는 제거되고 분석물만이 DMD를 통과하여 배출된다. 이중막 구조에서 용매를 효과적으로 배출시키기 위하여 아르곤 흐름 가스(Ar sweep gas)가 내부막의 중심과 외부막의 외부로 흐르고, 이 때 용매 제거 효율을 높이기 위해 내부 흐름 가스 및 외부 흐름 가스의 흐르는 방향은 시료 방향과는 반대 방향을 취하도록 구성되어 있다. 막 분리 장치의 내부 온도는 PID 온도 조절기(산업전기, zecon series)에 의해 140±2℃ 이내에서 유지된다.The membrane used to remove the solvent is a type B of Goretex® tube, made of PTFE, with a porous structure with a maximum pore size of 3.5μm and a porosity of 70%. It has a double membrane structure, and the inner membrane has an inner diameter of 8 mm and a thickness of 0.8 mm, and the outer membrane has an inner diameter of 12 mm and a thickness of 1 mm and a length of about 50 cm. The total area of the membrane is about 3.1 × 10 −2 m 2 from the sum of the areas of the two membranes. This is rather similar or increased in area and reduced in length by about a third or more for the commercial MDX100 membrane from Cetac. Thus, the advantages of a simpler device and reduced analyte loss are expected. However, the average thickness of the membrane is 0.9 mm, which is 5 to 20 times thicker than the conventional membrane, which is a disadvantage of the DMD and needs to be improved. The total length of the DMD is 50 cm and the sample aerosol droplets pass between the two membranes to reach the plasma in a dry aerosol state. At this time, the sample is tangentially introduced between the inner film and the outer film. This has the advantage that the length of time the sample stays in the tube and eventually increases the solvent removal efficiency. As the introduced sample passes through the tube, the solvent is removed and only the analyte is passed through the DMD. Ar sweep gas flows to the center of the inner membrane and to the outside of the outer membrane in order to effectively discharge the solvent in the double membrane structure, and the flow direction of the inner flow gas and the outer flow gas is the sample direction to increase the solvent removal efficiency. It is configured to take the opposite direction. The internal temperature of the membrane separator is maintained within 140 ± 2 ℃ by the PID temperature controller (industrial, zecon series).

도 2는 본 발명에 따른 용매 제거 장치인 DMD를 시료 분석 시스템에 적용한 예로서, MCN-DMD-ICP의 전체 구성도를 나타낸다. 시료는 먼저 분무기인 MCN(10)으로 도입되어 용매 제거를 위하여 DMD(20)로 분무된다. 이 때, 막 분리 장치의 성능을 증가시키기 위해 스프레이 챔버(12)는 가열하였다. DMD를 통과한 건조 시료는 분석을 위해 ICP(30)로 도입되는 것이다.Figure 2 shows an example of applying the DMD, the solvent removal device according to the present invention to a sample analysis system, the overall configuration of the MCN-DMD-ICP. The sample is first introduced into the nebulizer MCN 10 and sprayed into the DMD 20 for solvent removal. At this time, the spray chamber 12 was heated to increase the performance of the membrane separation device. The dry sample passed through the DMD is introduced into the ICP 30 for analysis.

시료를 도입하여 이를 분무시켜 주는 장치로는 시료 소모량이 적은 반면 분무 효율이 좋고 매트릭스 효과를 감소시켜 주는 MCN(Cetac technologies, MCN-100)(10)을 사용하였다. 분무된 에어로졸 방울(23a)은 DMD(20)로 도입되는데, 이는 이중막을 통과하면서 용매가 제거되어 건조한 에어로졸 방울(23b) 상태로 배출된다. 건조 시료는 시료 분석을 위해 ICP(30)로 도입되는 것이다. 이 때, 내부 흐름 가스(22a) 및 외부 흐름 가스(22b)는 모두 시료 흐름 방향과 반대 방향으로 흐르도록 도입된다.As a device that introduces and sprays a sample, MCN (Cetac technologies, MCN-100) (10), which has a low sample consumption and good spray efficiency and reduces the matrix effect, was used. The sprayed aerosol droplets 23a are introduced into the DMD 20, which removes the solvent while passing through the double membrane and discharges them in the form of dry aerosol droplets 23b. The dry sample is introduced into the ICP 30 for sample analysis. At this time, both the inner flow gas 22a and the outer flow gas 22b are introduced to flow in the direction opposite to the sample flow direction.

구체적으로, 본 실험에서는 시료 도입량을 일정하게 제한시키기 위해 연동 펌프(Labcraft)를 사용하였고 IPA를 도입시키기 위해 바이톤 튜브(viton tube)를 펌프에 사용하였다. 스프레이 챔버는 70℃ 이상으로 가열하였다. 이러한 가열은 분무된 시료 에어로졸의 용매를 기화시키고 따라서 에어로졸의 크기를 감소시키기 때문에 시료 도입 장치와 ICP 사이에 연결된 DMD에서의 용매 제거 효율을 증가시킨다. DMD의 최적화 및 성능 검사에 사용된 ICP-AES는 JY 138ULTRACE(Jobin-Yvon instruments S. A.)이고 ICP-MS는 Elan 6000(Perkin-Elmer)이다. 본 실험에서는 유기 시료 도입시 ICP의 작동 조건인 높은 r.f. 파워나 많은양의 Ar 소비를 지양하고 일반적인 물 시료 도입시의 조건에서 좋은 분석 결과를 얻고자 했다. 이러한 작동 조건은 표7에 정리되어 있다.Specifically, in this experiment, a peristaltic pump (Labcraft) was used to constantly limit the sample introduction amount, and a viton tube was used for the pump to introduce IPA. The spray chamber was heated to at least 70 ° C. This heating increases the solvent removal efficiency in the DMD connected between the sample introduction device and the ICP because it vaporizes the solvent of the sprayed sample aerosol and thus reduces the size of the aerosol. The ICP-AES used for optimization and performance testing of the DMD is JY 138ULTRACE (Jobin-Yvon instruments S. A.) and the ICP-MS is Elan 6000 (Perkin-Elmer). In this experiment, the high r.f. We wanted to avoid the power or consumption of large amounts of Ar and obtain good analysis results under the conditions of general water sample introduction. These operating conditions are summarized in Table 7.

표.7 DMD-ICP-AES 및 ICP-MS의 작동 조건Table 7 Operating Conditions of DMD-ICP-AES and ICP-MS

ICP-AESICP-AES ICP-MSICP-MS 모델Model JY 138 UltraceJY 138 Ultrace Elan 6000Elan 6000 RF/MHzRF / MHz 40.6840.68 4040 ICP RF 파워/WICP RF Power / W 10001000 11501150 가스 흐름율/L·min-1 Gas flow rate / Lmin -1 외부Out 12-1312-13 1515 보조(auxiliary)Auxiliary 0-0.60-0.6 1.21.2 에어로졸Aerosol 0.5-1.00.5-1.0 0.6-1.50.6-1.5 외피(sheath)Sheath 0.10.1 DMD 흐름 가스 흐름율/L·min-1 DMD Flow Gas Flow Rate / Lmin -1 내부inside 0.6-2.00.6-2.0 1.21.2 외부Out 0.6-2.00.6-2.0 0.80.8 총량Total amount 1.0-4.01.0-4.0 2.02.0 DMD 온도/℃DMD temperature / ℃ 140140 140140 시료 도입율/μL·min-1 Sample introduction rate / μLmin- 1 7070 70-21070-210 렌즈 전압/VLens voltage / V 8.58.5 시간 계수Time factor 흐름/일기Flow / diary 1010 읽기/반복(replicate)Read / replicate 1One 반복횟수Repeat count 33 MCA 채널MCA Channel 1One 머뭄 시간/msDwell time / ms 5050 총시간/msTotal time / ms 500500

최적 작동 조건을 잡기 위해 ICP-AES에서 사용된 원소들은 Ca(Ⅱ, 393.336nm), Mg(Ⅱ, 280.270nm), Mg(Ⅰ, 285.213nm), Mn(Ⅱ, 257.61nm), Cr(Ⅱ, 205.552nm). Cr(Ⅰ, 357.869nm), C(Ⅰ, 247.856nm) 이고 각 원소에 따라 그리고 각 원소종에 따라 PMT에 인가된 전압은 다르다. ICP-MS에서 사용된 원소는24Mg,55Mn,64Zn,232Th,140Ce,156CeO 이다.The elements used in ICP-AES for optimal operating conditions are Ca (II, 393.336nm), Mg (II, 280.270nm), Mg (I, 285.213nm), Mn (II, 257.61nm), Cr (II, 205.552 nm). Cr (I, 357.869nm) and C (I, 247.856nm) are the voltages applied to the PMT for each element and for each element type. The elements used in ICP-MS are 24 Mg, 55 Mn, 64 Zn, 232 Th, 140 Ce, 156 CeO.

ICP-AES에서 정량에 사용된 원소들은 Zn(Ⅰ, 231.856nm), Fe(Ⅱ, 238.204nm), B(Ⅰ, 249.773nm), Al(Ⅰ, 396.152nm), 및 Na(Ⅰ, 588.995nm) 이다.The elements used for quantification in ICP-AES were Zn (I, 231.856 nm), Fe (II, 238.204 nm), B (I, 249.773 nm), Al (I, 396.152 nm), and Na (I, 588.995 nm). to be.

이하, 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하기로 한다. 본 발명에서 각 실시예는 다음과 같다. 먼저, 내부막의 내부로 흐르는 내부 흐름 가스 및 외부막의 외부로 흐르는 외부 흐름 가스의 최적 유속을 결정한 후 이들의 합의 최적 유속을 결정한다. 다음에, 플라즈마의 안정성을 나타내는 척도가 되는 관측 높이를 결정한다. 또한 최적의 시료 에어로졸 가스 흐름 속도를 결정한다. 수용액 상태의 시료를 사용하여 ICP-MS에서 DMD의 특성을 살펴본다. 마지막으로 유기 용매인 IPA와 수용액 시료 내의 무기 원소를 정량하여 유기 용매와 물을 사용한 경우의 분석 결과를 비교한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail through specific examples. Each embodiment in the present invention is as follows. First, the optimum flow rates of the inner flow gas flowing into the inner membrane and the outer flow gas flowing outside of the outer membrane are determined, and then the optimum flow rates of their sum are determined. Next, the observation height which determines the stability of the plasma is determined. It also determines the optimum sample aerosol gas flow rate. Investigate the characteristics of DMD in ICP-MS using an aqueous solution. Finally, the inorganic element in the aqueous solution sample and the IPA as an organic solvent are quantified, and the analysis results when the organic solvent and water are used are compared.

모든 실시예에서 물은 밀리포르(Millipore)사의 이온 교환 장치를 이용한 18MΩ 탈 이온수를 사용하였다. 유기 용매로 사용된 IPA는 국내산 일급 시약을 사용하였으며, 최적 조건을 잡기 위해 사용된 Mg, Ca, Mn은 1000ppm 스톡 용액(stock solution; 3% HNO3) 표준 용액을 희석하여 사용하였다.In all examples, 18 MΩ deionized water was used in Millipore's ion exchange apparatus. As the organic solvent, IPA was used as a domestic first-class reagent, and Mg, Ca, and Mn were used to dilute a 1000 ppm stock solution (3% HNO 3 ) standard solution to optimize the conditions.

용매의 분석 조건을 잡기 위하여 일정 비의 유기 용매와 탈이온수를 섞어 용매 %농도별 표준 용액을 만들었고, 순수 용매에 약 2∼3mL의 표준물만을 적가하여 만든 표준 용액을 100% 용매로 가정하였다.In order to prepare the analysis conditions of the solvent, a standard solution for each concentration of solvent was prepared by mixing a ratio of organic solvent and deionized water, and a standard solution prepared by dropping only about 2-3 mL of standard solution into pure solvent was assumed to be 100% solvent.

실시예 1Example 1

내부 흐름 가스의 영향Influence of Internal Flow Gas

30% IPA를 유기 용매로 사용하여 용매 제거 효율에 대한 Ar 내부 흐름 가스의 영향을 조사하였다. 이 때, 외부 흐름 가스는 흐르지 않도록 입구와 출구를 막아 놓았다. 이와 같은 조건에서, 내부 흐름 가스의 흐름 속도가 0.6L/min 미만인 경우에는 가스의 흐름 속도가 느려 IPA 용매를 충분히 제거시키지 못하기 때문에 플라즈마를 유지하기가 어려웠다. 따라서, 0.6L/min 이상에서부터 흐름 속도를 조절하면서 신호 세기를 측정하였다. 내부 흐름 가스의 흐름 속도가 증가하면 이온종들의 신호 세기는 약간씩 감소하는 반면 원자종들로부터 발생하는 신호 세기는 큰 변화 없이 유지되는 결과를 얻었다. 이것은 일부 Ar 흐름 가스가 다공성 막을 통과해 시료의 흐름을 빠르게 하기 때문이다. 즉, 시료가 플라즈마에 머무는 시간이 짧아지므로 충분한 에너지를 얻지 못해 이온화가 덜 이루어지는 것이다. 탄소(C(Ⅰ)) 신호 세기는 용매가 플라즈마에 도달되는 양에 비례하기 때문에 용매 제거 효율을 나타내는 척도가 된다. 내부 흐름 가스가 0.6L/min에서 2.0L/min 으로 증가할 때 탄소 신호가 약 1/3로 감소한다. 특히 0.6→1.0L/min에서 탄소 신호가 크게 감소한다. 이는 내부 흐름 가스의 흐름 속도가 증가할수록 더 많은 양의 용매가 제거된다는 것을 뜻한다.The effect of Ar internal flow gas on solvent removal efficiency was investigated using 30% IPA as the organic solvent. At this time, the inlet and the outlet were blocked so that the external flow gas did not flow. Under these conditions, when the flow rate of the internal flow gas was less than 0.6 L / min, it was difficult to maintain the plasma because the gas flow rate was slow to sufficiently remove the IPA solvent. Therefore, the signal strength was measured while adjusting the flow rate from 0.6L / min or more. Increasing the flow rate of the internal flow gas resulted in a slight decrease in the signal strength of the ionic species, while the signal intensity from the atomic species remained unchanged. This is because some Ar flow gas passes through the porous membrane to speed up the sample flow. That is, since the time for the sample to stay in the plasma is shortened, sufficient energy cannot be obtained, resulting in less ionization. The carbon (C (I)) signal intensity is a measure of solvent removal efficiency since the solvent is proportional to the amount of solvent reaching the plasma. As the internal flow gas increases from 0.6 L / min to 2.0 L / min, the carbon signal decreases by about one third. In particular, the carbon signal is greatly reduced at 0.6 → 1.0 L / min. This means that as the flow rate of the internal flow gas increases, more solvent is removed.

신호 대 바탕선 세기 비(signal to background ratio; S/B ratio)와 상태 표준 편차(relative standard deviation; RSD)의 측정을 통해 내부 흐름 가스만이 흐를 때의 최적 조건은 1.2L/min로 하였다.By measuring the signal to background ratio (S / B ratio) and the relative standard deviation (RSD), the optimum conditions when only the internal flow gas flowed were 1.2 L / min.

실시예 2Example 2

외부 흐름 가스의 영향Influence of External Flow Gas

30% IPA를 유기 용매로 사용하였고, 내부 흐름 가스는 흐를 수 없도록 차단한 후 용매 제거 효율에 대한 외부 흐름 가스의 영향을 조사하였다. 외부 흐름 가스의 흐름 속도가 증가하면 내부 흐름 가스의 경우와 유사하게 이온종의 신호는 감소하고 원자종의 신호는 변화가 적은 양상을 보여주었다. 그런데, 내부 흐름 가스만 흐를 때의 분석 원소 신호 세기와 비교해 보면 외부 흐름 가스만 흐를 때가 더 큰 신호 세기를 나타내는 것을 확인 할 수 있었다. 이것은 흐름 가스가 지나가는 통로의 단면적과 직접적인 관련이 있다. 외부 흐름 가스의 흐름 단면적은 내부 흐름 가스의 흐름 단면적에 비해 약 4배가 더 크다. 같은 양의 기체가 흐를 때 단면적이 작은 쪽에서 압력이 더 많이 걸리고 압력의 증가는 막을 통한 기체의 침투를 증가시킨다. 즉, 내부 흐름 가스가 시료에 더 많이 흘러 들어가 시료를 희석시키고 흐름 속도를 좀 더 증가시켜 플라즈마에서 머뭄 시간을 감소시키게 된다. 이 때문에 외부 흐름 가스만 흐를때, 보다 더 적은 신호를 보내는 것이다. 탄소 신호 세기는 흐름 속도가 0.6에서 2.0L/min으로 증가할 때 약 1/5로 감소하게 된다. 이 결과로부터 외부 흐름 가스가 내부 흐름 가스보다 용매 제거 효율이 더 크다는 것을 알 수 있다. 외부 흐름 가스가 흐르는 단면적이 넓어 많은 양의 가스가 흐르는 것이, 가스가 빠르게 흐르도록 하는 것 보다 더 좋은 용매 제거 효율을 가져오며 분석물 손실도 더 적다는 것을 알 수 있다.30% IPA was used as the organic solvent, and the influence of the external flow gas on the solvent removal efficiency was investigated after blocking the internal flow gas from flowing. As the flow rate of the external flow gas increased, the signal of the ionic species decreased and the signal of the atomic species showed little change similarly to the internal flow gas. However, when compared with the analyte signal strength when only the inner flow gas flows, it was confirmed that the flow of only the outer flow gas indicates a greater signal strength. This is directly related to the cross sectional area of the passage through which the flowing gas passes. The flow cross section of the outer flow gas is about four times larger than the flow cross section of the inner flow gas. When the same amount of gas flows, more pressure is applied at the smaller cross-sectional area, and an increase in pressure increases the penetration of gas through the membrane. That is, more internal flow gas flows into the sample, diluting the sample and increasing the flow rate further, thereby reducing the dwell time in the plasma. This results in fewer signals when only the external flow gas flows. The carbon signal strength decreases to about 1/5 as the flow rate increases from 0.6 to 2.0 L / min. It can be seen from this result that the external flow gas has a greater solvent removal efficiency than the internal flow gas. The large cross-sectional area through which the external flow gas flows indicates that a large flow of gas results in better solvent removal and less analyte loss than a faster gas flow.

신호 대 바탕선 세기 비(S/B ratio)와 상대 표준 편자(RSD)의 측정을 통해 외부 흐름 가스만이 흐를 때의 최적 조건은 0.8L/min로 하였다.By measuring the signal-to-baseline intensity ratio (S / B ratio) and relative standard horseshoe (RSD), the optimum conditions when only the external flow gas flowed were 0.8 L / min.

실시예 3Example 3

총 흐름 가스의 영향Total Flow Gas Influence

내부 및 외부 흐름 가스 각각의 영향을 조사하여 얻은 결과로부터 한 세트의 최적 조건을 얻을 수 있었다. 내부 흐름 가스의 최적 조건인 1.2L/min와 외부흐름 가스의 최적 조건인 0.8L/min 로부터, 내부:외부 = 3:2의 흐름 속도비인 조건이 바로 그것이다. 이 조건하에서 흐름 가스의 총 흐름 속도만 변화시켜 최종적인 흐름 가스의 영향을 조사하였다. 이 때 유기 용매는 100% IPA를 사용하였다.A set of optimal conditions was obtained from the results obtained by investigating the effects of the internal and external flow gases, respectively. From 1.2 L / min, the optimum condition for the internal flow gas, and 0.8 L / min, the optimum condition for the external flow gas, the condition is a flow rate ratio of internal: external = 3: 2. Under these conditions, only the total flow velocity of the flowing gas was changed to investigate the effect of the final flowing gas. At this time, 100% IPA was used as the organic solvent.

총 흐름 가스 증가에 대한 분석 원소 신호 세기 변화는 각각의 흐름 가스 변화 실험 때와 비슷한 양상을 보여준다. 그러나 그 변화가 더 적은 안정된 변화를 보이고 있다. 이에 반해 탄소 신호는 그 값이 크게 감소한다. 즉, 양쪽의 흐름 가스를 모두 사용함으로써 높은 용매 제거 효율과 안정된 분석 신호를 얻을 수 있음을 확인하였다. 이러한 상황을 극명하게 보여 주기 위해 세기(intensity)를 정규화(normalization) 시켜 보았다. 신호 세기의 감소는 탄소의 경우가 가장 크며 이것은 용매 제거 효율이 측정 원소의 손실에 비해 훨씬 크다는 것을 나타낸다. 또한 총 흐름 가스의 흐름 속도가 2.0L/min 이상이 되면 안정된 신호 세기를 보여주었다. S/B 비도 2.0L/min에서 좋은 값을 보여주는 것을 알 수 있었다. 이러한 결과로부터 흐름 가스의 최적 조건은 총흐름 속도가 2.0L/min, 즉 내부 흐름 가스가 1.2L/min, 외부 흐름 가스가 0.8L/min일 때로 잡았다.The change in analyte signal strength for the total flow gas increase is similar to that for each flow gas change experiment. But the change shows less stable change. In contrast, the carbon signal is greatly reduced in value. That is, it was confirmed that high solvent removal efficiency and stable analysis signal can be obtained by using both flow gases. In order to clearly show this situation, we have normalized the intensity. The reduction in signal strength is greatest for carbon, which indicates that the solvent removal efficiency is much greater than the loss of the measured element. It also showed stable signal strength when the total flow gas flow rate was over 2.0L / min. The S / B ratio also showed a good value at 2.0 L / min. From these results, the optimum conditions for the flow gas were taken when the total flow rate was 2.0 L / min, that is, 1.2 L / min for the internal flow gas and 0.8 L / min for the external flow gas.

실시예 4Example 4

관측 높이(observation height)Observation height

관측 높이의 최적 값은 100% IPA에 있는 Mg(Ⅱ)/Mg(Ⅰ) 신호 세기의 비를 이용하여 구하였다 (도 3A & 3B). 도 3A 및 3B는 관측 높이에 대한 Mg(Ⅱ) 및 Mg(Ⅰ)의 신호 세기 및 Mg(Ⅱ)/Mg(Ⅰ) 신호 세기의 비를 나타내는 그래프이며, 도 3A에서 a는 Mg(Ⅱ), b는 Mg(Ⅰ)에 대한 신호 세기를 나타낸다.The optimal value of the observation height was obtained using the ratio of Mg (II) / Mg (I) signal strength at 100% IPA (FIGS. 3A & 3B). 3A and 3B are graphs showing the ratios of the signal strengths of Mg (II) and Mg (I) and the Mg (II) / Mg (I) signal strength with respect to the observation height, and in FIG. 3A, a represents Mg (II), b represents the signal strength for Mg (I).

Mg(Ⅱ)/Mg(Ⅰ) 비는 플라즈마의 안정성을 나타내는 척도가 된다. 일반적으로, 안정한 플라즈마는 8 이상의 비를 요구한다. 8mm의 관측 높이에서 Mg(Ⅱ)가 최대의 신호 세기를 보여 주며 Mg(Ⅱ)/Mg(Ⅰ) 비도 12 이상을 보여주기 때문에 이를 최적의 조건으로 잡았다. 이 값은 제이. 쥬(J. Zhu)의 실험 결과와 일치하는 것이다. 그러나, 이러한 결과는 탈용매화 장치를 사용하지 않는 일반 조건에서의 측정 결과와는 다른 양상을 보여주는 것이다. 케이. 피. 리(K. P. Li) 등의 일반적 실험 조건에 의하면 최대 Mg(Ⅱ)/Mg(Ⅰ) 비와 Mg(Ⅱ) 신호 세기는 약 9mm의 관측 높이에서 얻어졌다. 즉 DMD를 사용함으로써 관측 높이가 약 1mm 정도 낮아진 것이다. 이것은 이미 계산한 것처럼 플라즈마 내에서 탈용매화 단계가 감소한 시간과 거의 일치한다. 이러한 결과는 탈용매화가 두 단계로 일어나며 특히 질량전달제어에 의해 결정된다는 것을 입증하는 것이다. 이 때 α는 0.01 또는 그 이하에서 결정될 때 최적의 계산 값을 얻을 수 있다.The Mg (II) / Mg (I) ratio is a measure of the stability of the plasma. In general, a stable plasma requires a ratio of eight or more. Mg (II) showed the maximum signal strength at an observation height of 8mm and the Mg (II) / Mg (Ⅰ) ratio showed more than 12, so this was considered as the optimal condition. This value is Jay. It is consistent with the results of J. Zhu's experiment. However, these results show a different aspect from the measurement results under normal conditions without using a desolvation device. K. blood. According to general experimental conditions of K. P. Li et al., The maximum Mg (II) / Mg (I) ratio and Mg (II) signal strength were obtained at an observation height of about 9 mm. In other words, by using the DMD, the observation height was reduced by about 1 mm. This is almost coincident with the time when the desolvation step in the plasma has decreased, as already calculated. These results demonstrate that desolvation occurs in two stages, in particular determined by mass transfer control. At this time, an optimum calculation value can be obtained when α is determined at 0.01 or less.

실시예 5Example 5

에어로졸 가스 흐름의 영향Effect of Aerosol Gas Flow

ICP-AES에서 측정한 100% IPA 시료 에어로졸 가스 흐름비의 최적 조건은 S/B 비로부터 0.8L/min으로 정했다 (도 4A & 4B). 도 4A 및 4B는 에어로졸 가스 흐름 속도에 따른 상대적인 신호 세기 및 S/B 비율을 나타내는 그래프이며, 도 4A에서 a는 Mg(Ⅱ), b는 C, c는 Ca(Ⅱ), d는 Mn(Ⅱ), e는 Mg(Ⅰ)에 대한 상대 신호 세기이고, 도 4B에서 a는 Mg(Ⅱ), b는Ca(Ⅱ), c는 Mn(Ⅱ), d Mg(Ⅰ)에 대한 비율이다.The optimum condition of the 100% IPA sample aerosol gas flow rate measured by ICP-AES was set at 0.8 L / min from the S / B ratio (FIGS. 4A & 4B). 4A and 4B are graphs showing relative signal strengths and S / B ratios according to aerosol gas flow rates, and in FIG. 4A, a is Mg (II), b is C, c is Ca (II), and d is Mn (II ), e is relative signal strength with respect to Mg (I), and in FIG. 4B a is Mg (II), b is Ca (II), c is Mn (II), and d Mg (I).

에어로졸 가스 속도가 증가함에 따라 탄소 신호 세기가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이것은 식(1)에 주어진 것처럼 에어로졸 가스 속도가 증가하면 DMD에서 머뭄 시간이 줄어들어 용매 제거 효율이 떨어진다는 사실과 일치한다.As the aerosol gas velocity increases, the carbon signal strength increases. This is consistent with the fact that as the aerosol gas velocity increases, given in Eq.

실시예 6Example 6

ICP-MS에서의 DMD 특성DMD Characteristics in ICP-MS

ICP-MS에서 에어로졸 가스 흐름 속도(aerosol gas flow rate)와 시료 도입 속도(sample uptake rate)의 영향을 알아보았다. 수용액 상태의 시료를 사용하였다. ICP-AES에서와 같은 조건의 흐름 가스가 ICP-MS에 대해서도 최적 조건인 것은 아니었다. 본 실험에 사용된 Elan 6000 ICP-MS의 시료 채취 깊이(sampling depth)는 10mm로 일반적인 기기에 비해 약 2-3mm 더 멀리 떨어져 있다.The effects of aerosol gas flow rate and sample uptake rate on ICP-MS were investigated. A sample in an aqueous solution was used. Flow gas with the same conditions as in ICP-AES was not optimal for ICP-MS. The sampling depth of the Elan 6000 ICP-MS used in this experiment was 10 mm, about 2-3 mm farther than a typical instrument.

도 5A 및 5B는 ICP-MS에서 물 시료의 에어로졸 가스 흐름 속도에 따른 분석물의 신호 세기 및 CeO/Ce 비율을 나타내는 그래프이며, 도 5A에서 a는232Th, b는140Ce, c는55Mn, d는64Zn, e는24Mg, f는156CeO에 대한 신호 세기이고 도 5B에서 a는210μL, b는 110μL, c는 70μL의 시료 도입 속도를 나타낸다.5A and 5B are graphs showing signal intensity and CeO / Ce ratio of analytes according to aerosol gas flow rates of water samples in ICP-MS, in FIG. 5A, a is 232 Th, b is 140 Ce, c is 55 Mn, d is 64 Zn, e is 24 Mg, f is signal strength for 156 CeO, and in FIG. 5B, a is 210 μL, b is 110 μL, and c is 70 μL of sample introduction rate.

에어로졸 가스 흐름 속도가 증가할수록 분석물 신호 세기가 증가하는 경향이 있음을 확인할 수 있다 (도 5A). 이에 반해, 산화물 생성 정도와 용매 제거 효율을 나타내는 CeO/Ce 비는 감소한다 (도 5B). 다음과 같은 두 가지 이유로 이러한 결과를 설명할 수 있다. 첫 번째 이유는 탈용매화에 근거한다. DMD를 통해 미리 용매가 제거되었기 때문에 전체적인 입자의 행태중 한 단계가 플라즈마에서 생략되고 따라서, 일반적으로 이온화가 일어나는 영역보다 조금 앞선(1∼2mm) 곳에서 이온화가 일어나게 된다. 두 번째는 이미 언급한 것처럼 본 실험에 사용된 장치의 시료 채취 깊이(sampling depth)가 2∼3mm 더 멀리 떨어져 있기 때문이다. 즉, 전체적으로 일반적 조건 보다 이온화 위치와 시료 콘(sample cone)의 위치가 멀어져 있다. 따라서 에어로졸 가스 속도가 증가해야 멀어진 위치의 조건에 맞게 이온들을 MS로 전달할 수 있게 되고 감도가 증가하는 것이다.It can be seen that the analyte signal strength tends to increase as the aerosol gas flow rate increases (FIG. 5A). In contrast, the CeO / Ce ratio, which shows the degree of oxide formation and solvent removal efficiency, decreases (FIG. 5B). This can be explained for two reasons: The first reason is based on desolvation. Since the solvent has already been removed through the DMD, one step of the overall particle behavior is omitted in the plasma and thus the ionization generally occurs slightly earlier (1-2 mm) before the area where ionization takes place. Second, as already mentioned, the sampling depth of the device used in this experiment is 2 to 3 mm further apart. That is, the ionization position and the position of the sample cone are far from the general condition. Therefore, when the aerosol gas velocity is increased, the ions can be transferred to the MS to meet the condition of the distant position and the sensitivity is increased.

시료 도입 속도(sample uptake rate), 즉, 시료 도입량에 의한 영향은 간단히 70, 100, 210μL/min 조건에서 CeO/Ce의 비를 통해 측정하였다. 약 70∼80μL/min에서 최소의 비를 나타낸다 (도 5B). 이 때 얻은 최소 비는 0.05%로 크로스-플로우 분무기(cross-flow nebulizer)를 사용했을 때의 2.8%와는 비교가 안 될 정도로 낮은 값이며, 본 발명자가 실험실에서 제작했던 단일 막 장치(single membrane desolvator; 용매 제거를 위한 막을 단일막으로 제조한 용매 제거 장치)에서 얻었던 0.2%에 대해서도 4배 감소한 것이다. 이 값을 통해서 이미 예측한 대로 DMD 장치의 뛰어난 성능을 확인할 수 있다. 특히 DMD가 ICP-MS에 대해 최적화되지 않은 상태에서 얻은 값으로는 매우 좋은 값이다.The sample uptake rate, ie, the effect of sample introduction, was measured simply by the ratio of CeO / Ce at 70, 100, 210 μL / min. The minimum ratio is shown at about 70-80 μL / min (FIG. 5B). The minimum ratio obtained at this time is 0.05%, which is incomparably low compared to 2.8% when using a cross-flow nebulizer, and the single membrane desolvator we have made in the laboratory. 4 times as much as 0.2% obtained in the solvent removal apparatus which prepared the membrane for solvent removal as a single membrane). This value confirms the excellent performance of the DMD device as already predicted. In particular, the value obtained when the DMD is not optimized for ICP-MS is very good.

실시예 7Example 7

IPA 및 수용액 시료에서의 무기 원소 정량Determination of Inorganic Elements in IPA and Aqueous Samples

ICP-AES에 대한 최적 조건에서, 본 실험에 사용된 MCN-DMD-ICP-AES를 이용하여 IPA 및 수용액 시료 중의 무기 원소를 정량하였다. 도 6은 물과 이소프로필알콜내의 아연의 농도(ppm)에 따른 신호 세기를 나타내는 그래프이다. 도 6에 Zn의 검정 곡선을 대표적으로 나타내었다. 검정 곡선의 직선성이 물을 용매로 사용한 경우는 0.99981이고 IPA를 용매로 사용한 경우는 0.99998로서 용매에 관계없이 0.999 이상의 신뢰성 있는 값을 보여준다. 이러한 결과는 MCN-DMD-ICP를 사용하면 수용액 시료 뿐 아니라 유기 시료 또한 분석이 용이하다는 것을 보여주는 것이다. 검정 곡선상에서 보이는 감도는 IPA에서 오히려 더 좋게 나타난다. 검출 한계값 역시 IPA 시료에서 더 좋다 (표 8). 이것은 유기 시료의 증발율이 높아서 분석물 전달 효율이 크기 때문이다. 계산에 의하면 IPA가 물보다 약 2배 가까이 더 높은 값을 보여준다. DMD 장치를 사용하지 않을 때는 많은 양의 시료가 도입되는 현상이 오히려 플라즈마를 불안정하게 하는 요인이지만 DMD를 이용해 용매는 제거시키고 용질만을 플라즈마로 도입시킬 때는 오히려 분석 감도를 더 향상시키는 결과를 주는 것이다.At the optimum conditions for ICP-AES, the MCN-DMD-ICP-AES used in this experiment was used to quantify the inorganic elements in the IPA and aqueous samples. 6 is a graph showing the signal strength according to the concentration (ppm) of zinc in water and isopropyl alcohol. 6 representatively shows the calibration curve of Zn. The linearity of the calibration curve was 0.99981 when water was used as the solvent and 0.99998 when IPA was used as the solvent, showing a reliable value of 0.999 or more regardless of the solvent. These results show that using MCN-DMD-ICP, not only aqueous samples but also organic samples can be easily analyzed. The sensitivity seen on the black curve is rather better in IPA. Detection limits are also better for IPA samples (Table 8). This is because the evaporation rate of the organic sample is high and the analyte delivery efficiency is high. Calculations show that IPA is about 2 times higher than water. When the DMD device is not used, the introduction of a large amount of samples may destabilize the plasma. However, when the DMD is used to remove the solvent and only the solute is introduced into the plasma, the analysis sensitivity may be further improved.

MCN-DMD-ICP-AES 시스템에서 IPA와 물 시료의 미량 원소에 대한 검출 한계Detection limits for trace elements in IPA and water samples in MCN-DMD-ICP-AES system IPAIPA water 원소element 파장(nm)Wavelength (nm) D.L.(ppb)D.L. (ppb) RSD(%)RSD (%) D.L.(ppb)D.L. (ppb) RSD(%)RSD (%) ZnZn 231.856231.856 6.316.31 1.21.2 12.612.6 1.71.7 FeFe 238.204238.204 4.234.23 0.620.62 6.726.72 0.610.61 BB 249.773249.773 -- -- 658658 0.820.82 AlAl 396.152396.152 13.113.1 13.113.1 37.237.2 4.04.0 NaNa 588.995588.995 21.221.2 21.221.2 70.270.2 2.32.3

이상과 같은 실시예를 통하여 막 분리 장치가 효율적으로 작동하기 위해서는 흐름 가스의 속도 조절이 특히 중요하며 흐름에 충분한 단면적을 확보하는 것이 또한 중요하다는 것을 알 수 있다. 이 점은 본 발명에 따른 장치의 개발에 특히 고려해야할 사항이다. 또한 용매 제거 및 기화 메커니즘의 계산을 통해서는 MCN-DMD-ICP에서의 측정 결과 특히 관측 높이에서의 변화 요인을 설명할 수 있고 측정 결과에 대해 계산된 최적의 기화 계수 값들을 구할 수 있었다.Through the above embodiments it can be seen that in order for the membrane separation device to operate efficiently, it is particularly important to control the velocity of the flow gas and to ensure sufficient cross-sectional area for the flow. This is a particular consideration in the development of the device according to the invention. The solvent removal and vaporization mechanisms can be used to explain the results of measurements in MCN-DMD-ICP, especially the variation in the observation height, and to obtain the optimum vaporization coefficient values calculated for the measurement results.

이에 더하여, 막 내에서의 유기 용매의 행동, DMD를 사용할 때 플라즈마의 상태 변화 등에 관해서는 더욱 연구되어야 할 필요가 있다. 또한 DMD의 장점으로 고려되는 선택적 막 재질의 사용 - 예를 들면 이중막 중 내부막은 나피온, 외부막은 PTFE 또는 실리콘 재질의 막을 사용 - 을 통해 DMD 장치의 성능 향상에 대해서도 연구해 볼 여지가 남아 있다.In addition, the behavior of organic solvents in the film, the state change of the plasma when using DMD, and the like need to be further studied. There is also room for further study on the performance improvement of DMD devices through the use of selective membrane materials that are considered to be the advantages of DMD, for example, the inner layer of Nafion and the outer layer of PTFE or silicone. .

이상, 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 용매 제거 장치에 의하면 용매를 제거할 수 있는 막이 길이는 짧고 면적은 넓어서 시료가 막에 머무는 시간이 증가되어 용매의 제거 효율이 극대화된다. 이에 따라 ICP의 노이즈가 감소되고, 감도가 향상되는 효과를 얻을 수 있다.As described above, according to the solvent removal apparatus according to the present invention, the membrane capable of removing the solvent has a short length and a large area, thereby increasing the time for the sample to stay in the membrane, thereby maximizing the solvent removal efficiency. As a result, the noise of the ICP is reduced and the sensitivity can be improved.

평판형과 튜브형의 장점을 취한 이중관 형태의 구조를 갖는 DMD를 사용하는 것에 의해 막의 길이는 줄이고 면적은 넓히면서 시료가 막에 머무는 시간을 증가시켜 용매의 제거 효율을 극대화시킨 것이다. 이에 의해 100% IPA 시료를 물 시료 도입 조건과 같은 조건에서 ICP에 도입시킬 수 있었고 물 시료 도입 시보다 오히려 감도가 더 우수하며, 좋은 검출 한계 값을 얻을 수 있게 되었다.By using a double tube type DMD, which has the advantages of plate type and tube type, the membrane length is reduced and the area is increased while the sample stays on the membrane to maximize the removal efficiency of the solvent. This allows 100% IPA samples to be introduced into the ICP under the same conditions as the water sample introduction conditions, and is more sensitive than the water sample introduction, and a good detection limit value can be obtained.

결국 DMD의 사용으로 탈용매화 시간이 단축되고 용매 제거 효율이 증가하여 안정된 분석 결과를 얻을 수 있다. 또한 용매가 거의 제거되고 용질만을 플라즈마로 도입하게 되어 분석 감도가 향상된다.As a result, the use of DMD shortens the desolvation time and increases the solvent removal efficiency, thereby obtaining stable analysis results. Also, almost no solvent is removed and only the solute is introduced into the plasma, thereby improving the analysis sensitivity.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although described above with reference to a preferred embodiment of the present invention, those skilled in the art will be variously modified and changed within the scope of the invention without departing from the spirit and scope of the invention described in the claims below I can understand that you can.

Claims (7)

분무기 시스템으로부터 분무된 분무 시료 용액 방울로부터 용매 증기를 제거하여 얻어지는 탈용매 분무 시료 입자를 일면에 부착된 시료 분석 시스템에 도입하기 위한 용매 제거 장치에 있어서,A solvent removal apparatus for introducing desolvent spray sample particles obtained by removing solvent vapor from a spray sample solution droplet sprayed from an atomizer system into a sample analysis system attached to one surface, 상기 용매 제거 장치가, 몸체 내에 상기 시료 용액 방울로부터 용매를 제거하기 위한 막으로서 내부막 및 외부막으로 구성된 이중막을 포함하는, 이중 막 분리 장치(DMD; double membrane desolvator)인 것을 특징으로 하는 용매 제거 장치.The solvent removing apparatus is a double membrane desolvator (DMD) comprising a double membrane composed of an inner membrane and an outer membrane as a membrane for removing the solvent from the sample solution droplet in the body. Device. 제1항에 있어서, 상기 이중 막 분리 장치의 상기 내부막 및 상기 외부막 중 적어도 어느 하나가 다공성을 갖는 PTFE(polytetrahydrofuran) 또는 비다공성 나피온으로 제조된 것을 특징으로 하는 용매 제거 장치.The apparatus of claim 1, wherein at least one of the inner membrane and the outer membrane of the double membrane separation device is made of polytetrahydrofuran (PTFE) or nonporous Nafion having porosity. 제1항에 있어서, 상기 분무기 시스템은 MCN(microconcentric nebulizer), USN(Ultrasonic nebulizer) 또는 Meinhard type Pneumatic nebulizer인 것을 특징으로 하는 용매 제거 장치.The apparatus of claim 1, wherein the nebulizer system is a microconcentric nebulizer (MCN), an ultrasonic nebulizer (USN), or a meinhard type pneumatic nebulizer. 제1항에 있어서, 상기 시료 분석 시스템이 유도 결합 플라즈마 원자 방출 스펙트로미터(inductively coupled plasma-atomic emission sprctrometry; ICP-AES) 및 유도 결합 플라즈마 질량 스펙트로미터(inductively coupled plasma-mass spectrometry; ICP-MS) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 용매 제거 장치.The method of claim 1, wherein the sample analysis system comprises an inductively coupled plasma-atomic emission sprctrometer (ICP-AES) and an inductively coupled plasma-mass spectrometry (ICP-MS). Solvent removal apparatus, characterized in that any one of. 시료 용액을 분무기 시스템에 도입하여 분무 시료 방울을 얻는 단계;Introducing a sample solution into the nebulizer system to obtain a spray sample drop; 상기 분무 시료 방울을 용매 제거 장치에 도입하여 탈용매 분무 시료 입자와 용매 증기의 혼합물을 얻고, 상기 혼합물을 이중 막 분리 장치(DMD; double membrane desolvator) 내의 내부막과 외부막 사이의 공간으로 흐르게 하여 상기 용매 증기가 상기 내부막 및 외부막에 의하여 제거되게 하는 단계; 및The spray sample droplets are introduced into a solvent removal apparatus to obtain a mixture of desolvent spray sample particles and solvent vapor, and the mixture flows into a space between the inner membrane and the outer membrane in a double membrane desolvator (DMD). Allowing the solvent vapor to be removed by the inner and outer membranes; And 상기 탈용매 분무 시료 입자를 시료 분석 시스템에 제공하는 단계를 포함하는 시료 입자를 시료 분석 시스템에 제공하는 방법.Providing the sample particles to a sample analysis system comprising providing the desolvent sprayed sample particles to a sample analysis system. 제5항에 있어서, 상기 내부막의 내부 및 상기 외부막의 외부중 적어도 한 곳으로는 흐름 가스(sweep gas)가 상기 내부막 및 외부막 사이로 도입된 시료의 흐름 방향과 반대 방향으로 흐르는 것을 특징으로 하는 시료 입자를 시료 분석 시스템에 제공하는 방법.6. The method of claim 5, wherein at least one of the inside of the inner film and the outside of the outer film is characterized in that a flow gas (sweep gas) flows in a direction opposite to the flow direction of the sample introduced between the inner film and the outer film A method of providing sample particles to a sample analysis system. 제5항에 있어서, 상기 이중 막 분리 장치의 내부 온도는 약 140±2℃인 것을 특징으로 하는 시료 입자를 시료 분석 시스템에 제공하는 방법.The method of claim 5, wherein the internal temperature of the dual membrane separation device is about 140 ± 2 ° C. 7.
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