KR100824575B1 - 플라즈마 발생 장치 - Google Patents

Abstract

절연성 재료로 형성된 유로에 그 유로의 단면적보다도 현저하게 작은 단면적을 갖는 협소부를 형성하고, 그 유로 및 협소부에 도전성 액체를 채운 후, 상기 협소부에 전계가 통과하도록 그 협소부에 전계를 인가하여, 상기 협소부에서 플라즈마를 발생시키는 플라즈마의 발생 방법 및 원소 분석 방법. 절연성 재료로 형성된 유로에 그 유로의 단면적보다도 현저하게 작은 단면적을 갖는 협소부가 배치되고, 상기 협소부에 전계가 통과하도록 그 협소부에 전계를 인가하기 위한 수단이 배치되어 이루어지는 플라즈마의 발생 장치 및 상기 플라즈마의 발생 장치를 갖는 발광 분광 분석 장치.

플라즈마 발생 장치

Description

플라즈마 발생 장치 {PLASMA GENERATING EQUIPMENT}

기술분야

본 발명은 플라즈마 발생 장치에 관한 것이다. 더욱 자세하게는, 용액 중에 함유되어 있는 원소로부터의 발광 스펙트럼에 의해, 용액에 함유되어 있는 원소의 동정(同定)과 정량(定量)을 실시하기 위한 플라즈마의 발생 방법, 발광 분광 분석 방법, 그리고 플라즈마의 발생 장치 및 그것이 사용된 발광 분광 분석 장치에 관한 것이다. 본 발명의 플라즈마의 발생 방법 및 플라즈마의 발생 장치는, 미소 유체 역학이나 μTAS (micro total analysis systems), Lab on a chip 이라고 불리는 분야에 바람직하게 사용할 수 있다. 본 발명에 의하면, 특히 필요한 기능 및 구조의 일부를 1 개의 판형상 칩에 집적시킬 수 있다. 본 발명의 플라즈마 발생 장치는, 필요한 검체가 미량으로 충분하고, 휴대성, 즉시성, 보수의 용이함, 및 저렴하다는 등의 특징을 갖는다.

배경기술

용액에 함유되어 있는 원소 분석에는, 유도 결합식 플라즈마 발광 분석 장치 (ICP 발광 분석 장치) 가 널리 사용되고 있다. 유도 결합식 플라즈마는 그 발생시에 플라즈마에 노출된 전극을 사용할 필요가 없어, 전극으로부터의 불순물의 혼입이 적다는 이점이 있다. 한편, ICP 발광 분석 장치 이외의 플라즈마의 발생 장치에는 전극 등으로부터 불순물이 혼입되기 때문에, 고감도의 원소 분석에는 부적합하다.

최근, 반도체 프로세스를 응용하여 웨이퍼 상에 작은 유로나 반응 용기, 분석 기기 등을 만들어 넣어, 1 개의 칩 위에서 혈액 검사 등에 필요한 대강의 화학 실험을 완수시키고자 하는 미소 유체 디바이스, μTAS 나 Lab on a chip 으로 불리우는 연구 분야가 급속도로 발전하고 있다. 이 분야에서는, 고감도의 원소 분석을 위해, 미소한 플라즈마를 발생시키고, 거기에 안개상의 용액을 도입하여, 원소 분석을 실시하는 방법이 개발되어 있다.

미소한 플라즈마로는, 직류 플라즈마, 용량 결합식 플라즈마, 유도 결합식 플라즈마 등을 미소화시킨 것이 알려져 있고, 예를 들어, 발광 분광 분석을 실시하기 위한 마이크로 화학 분석 시스템 (예를 들어, 특허 문헌 1 참조) 등이 제안되어 있다.

그러나, 이들 플라즈마 발생 방법에 의해 안정적인 플라즈마를 발생시키기 위해서는, 플라즈마의 발생시에, 감압을 필요로 하거나, 헬륨 등과 같은 플라즈마를 유지하기 쉬운 가스를 사용하거나, 또는 고주파를 필요로 한다는 결점을 갖는다. 또한, 플라즈마를 유지하면서 장치에 대한 열로 인한 데미지를 회피하기 위해서는 어느 정도의 가스 유량이 필요하기 때문에, 큰 봄베가 필요해지는 등의 사용성이 떨어진다는 결점이 있을 뿐만 아니라, 플라즈마의 발생에 커다란 전력을 필요로 한다는 결점이 있다. 또, 검체를 플라즈마에 도입할 때에는 검체를 가스화시킬 필요가 있기 때문에, 검체를 안개상으로 분무하기 위한 무화기(霧化器)가 필요해진다. 또한, 무화기의 소형화가 곤란하기 때문에 많은 유량의 무화 가스 를 필요로 하며, 이것이 플라즈마에 도입되었을 때, 플라즈마를 교란시키기 때문에, 이것을 허용하기 위해서 플라즈마의 크기는 어느 정도 클 필요가 있다. 따라서, 무화기를 사용한 발광 분석 장치를 소형화하는 것이 곤란하여, 종래에는 성능이 우수한 것은 얻어지고 있지 않았다.

기타 플라즈마를 발생시키는 방법으로서, 용액에 전극을 삽입하고, 용액에 직접 전류를 흘림으로써 플라즈마를 발생시키는 방법이 보고되어 있다 (예를 들어, 비특허 문헌 1 참조).

이 방법의 이점은, 용액 중에서 플라즈마가 발생하고, 용액의 증발이 검체의 가스화의 기능을 담당하기 때문에, 무화기를 필요로 하지 않는다는 것이다. 그러나, 플라즈마의 발생 원리 상, 기-액 계면이나 용액 중이나 기체 중보다도 고체 전극 표면과 기체와의 계면의 경우가 플라즈마의 발생 및 유지 효율이 높기 때문에, 종래의 방법에서는, 반드시 고체 전극이 플라즈마와 접촉하기 때문에, 고체 전극에 함유되어 있는 불순물이 증발하여, 그 불순물이 혼입되는 것을 회피하기가 어렵다는 결점이 있다.

특허 문헌 1: 일본 공개특허공보 2002-257785호

비특허 문헌 1: 아주미 카즈히사, 세오 마사히로, 미즈노 타다히코; 「각종 금속 전극으로부터의 전해 발광 스펙트럼의 해석」, Electrochemistry, Vol.67. No.4, 1999, pp.349-354 인터넷 <URL: 1111641682281_0.html>

발명의 개시

발명이 해결하고자 하는 과제

본 발명은 상기 종래 기술을 감안하여 이루어진 것이다. 본 발명의 목적은, 도전성 액체에 함유되어 있는 원소의 발광 분석을 실시할 때에, 불순물의 혼입량이 적고, 간단하게 플라즈마를 발생시킬 수 있는 플라즈마의 발생 방법, 발생된 플라즈마를 사용하여 용이하게 원소 분석을 할 수 있는 원소 분석 방법, 플라즈마의 발생 장치 및 그것이 사용된 발광 분광 분석 장치를 제공하는 것에 있다.

과제를 해결하기 위한 수단

즉, 본 발명의 요지는,

(1) 절연성 재료로 형성된 유로에 그 유로의 단면적보다도 현저하게 작은 단면적을 갖는 협소부를 형성하고, 그 유로 및 협소부에 도전성 액체를 채운 후, 상기 협소부에 전계가 통과하도록 그 협소부에 전계를 인가하여, 상기 협소부에서 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생 방법,

(2) 절연성 재료로 형성된 유로에 그 유로의 단면적보다도 현저하게 작은 단면적을 갖는 협소부를 형성하고, 그 유로 및 협소부에, 원소의 동정 또는 정량을 실시하기 위한 도전성 액체를 채운 후, 상기 협소부에 전계가 통과하도록 그 협소부에 전계를 인가하여, 상기 협소부에서 플라즈마를 발생시키고, 발생된 플라즈마로부터 생기는 빛을 분광하는 원소 분석 방법,

(3) 도전성 액체 중에서 플라즈마를 발생시키는 장치로서, 절연성 재료로 형성된 유로에 그 유로의 단면적보다도 현저하게 작은 단면적을 갖는 협소부가 배치되고, 그 협소부에 전계가 통과하도록 그 협소부에 전계를 인가하기 위한 수단이 배치되어 이루어지는 플라즈마 발생 장치, 그리고

(4) 상기 플라즈마의 발생 장치를 갖는 발광 분광 분석 장치에 관한 것이다.

발명의 효과

본 발명에 의하면, 도전성 액체 중에 함유되어 있는 원소의 발광 분석을 실시할 때에, 불순물의 혼입량이 적고, 간단하게 플라즈마를 발생시킬 수 있다는 효과를 나타낸다.

본 발명의 플라즈마 발생 장치 및 발광 분광 분석 장치는 또한, ICP 발광 분석과 동등한 성능을 가지면서, 장치의 소형화, 소비 가스, 소비 전력의 극적 감소, 장치 비용의 저감을 실현하는 것이다. 따라서, 본 발명의 플라즈마 발생 장치 및 발광 분광 분석 장치는, 종래의 대형이면서 대량의 가스나 전력을 소비하는 ICP 발광 분석 장치를 대신하여, 배터리 (전지) 및 분광기를 포함해서도 손바닥에 올릴 수 있을 정도의 크기까지 소형화할 수 있는 것이다.

최근, 환경의 악화에 의해 토양이나 수질의 오염, 음식물의 오염이 문제로 되고 있지만, 본 발명의 플라즈마 발생 장치 및 발광 분광 분석 장치는, 손쉽게 그 장소에서 오염 상황을 분석할 수 있는 툴로서의 이용이 기대된다.

또한, μTAS 나 Lab on a chip 등의 미소 유체 기술에 있어서, 미량 시료의 고감도 분석이 갈망되고 있는데, 본 발명은 여기에 해답을 제공하는 것으로서도 기대된다. 또한, 본 발명은 전극의 부식이 없는, 간단한 플라즈마의 발생을 실현하기 때문에, 다양한 마이크로 플라즈마의 용도로의 이용도 기대되고 있다.

도면의 간단한 설명

도 1 은 본 발명의 플라즈마 발생 방법의 개략 설명도이다.

도 2 는 본 발명의 플라즈마 발생 장치의 일 실시양태를 나타내는 개략 설명도이다.

도 3 은 본 발명의 도 2 에 나타낸 플라즈마 발생 장치에 있어서의 유로 패턴 1 의 개략 평면도이다.

도 4 는 본 발명의 도 2 에 나타낸 플라즈마 발생 장치에 있어서의 유로 패턴 2 의 개략 평면도이다.

도 5 는 본 발명에 있어서, 플라즈마가 안정적으로 발생되는 유로 패턴의 일 실시양태를 나타내는 개략 평면도이다.

도 6 은 본 발명에 있어서, 마이크로 플라즈마가 발생되고 있을 때의 사진이다.

도 7 은 본 발명의 플라즈마 발생 장치를 사용하여 인산 버퍼의 원소 분석을 실시하였을 때의 발광 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.

도 8 은 본 발명의 플라즈마 발생 장치를 사용하여 염화칼륨 수용액의 원소 분석을 실시하였을 때의 발광 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.

도 9 는 본 발명에 의해 연속적으로 플라즈마를 발생시킨 경우 및 펄스 폭을 갖는 플라즈마를 발생시킨 경우에 있어서, 플라즈마 발광의 안정성을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.

도 10 은 본 발명에 의해 플라즈마를 발생시켰을 때의 검량선과 편차를 나타내는 그래프이다.

도 11 은 본 발명의 플라즈마 발생 장치가 사용된 발광 분광 분석 장치의 일 실시양태를 나타내는 개략 설명도이다.

도 12 는 본 발명에 의해 플라즈마를 발생시켰을 때의 플라즈마 발광 강도의 시간 천이, 및 발광 스펙트럼의 파장과 광강도의 관계를 나타내는 그래프이다.

(부호의 설명)

101: 유로

102: 용액 리저버

103: 협소부

104: 전극

105: 도전성 액체

106: 플라즈마

201: 석영 유리

202: 칩

203: 플라즈마로부터의 빛

204: 광화이버

301: 전원

302: 포토센서 유닛

303: 스위치

304: 분광기

305: 컴퓨터

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

본 발명의 플라즈마의 발생 방법에 의하면, 절연성 재료로 형성된 유로에 그 유로의 단면적보다도 현저하게 작은 단면적을 갖는 협소부를 형성하고, 그 유로 및 협소부에 도전성 액체를 채운 후, 상기 협소부에 전계가 통과하도록 그 협소부에 전계를 인가함으로써, 상기 협소부에서 플라즈마를 발생시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 원소 분석 방법에 의하면, 절연성 재료로 형성된 유로에 그 유로의 단면적보다도 현저하게 작은 단면적을 갖는 협소부를 형성하고, 그 유로 및 협소부에, 원소의 동정 또는 정량을 실시하기 위한 도전성 액체 시료를 채운 후, 상기 협소부에 전계가 통과하도록 그 협소부에 전계를 인가하여, 상기 협소부에서 플라즈마를 발생시키고, 발생된 플라즈마로부터 생기는 빛을 분광함으로써, 원소 분석을 실시할 수 있다.

절연성 재료로 형성된 유로는, 절연성의 재료에 미세한 유로를 형성하는 것에 의해 형성된다. 절연성 재료로는, 예를 들어, 유리, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 올레핀계 수지, 폴리디메틸실록산 등의 실리콘, 불소 수지, 세라믹스 등을 들 수 있지만, 본 발명은 이러한 예시에만 한정되는 것은 아니다.

유로는, 예를 들어, 절연성 재료로 이루어지는 판형상의 칩이나 플레이트 상에, 리소그래피 기술을 사용하여 형성시킬 수 있다.

또한, 협소부는, 예를 들어, 대량 생산이 가능한 사출 성형법 등에 의해 유로에 착탈 가능하게 배치할 수 있는 형상을 갖는 성형체를 카트리지로서 구성시킨 경우에는, 사용 후에 새로운 것으로 적절히 교환할 수 있다. 특히, 고감도로 도전성 액체 중에 함유되어 있는 원소의 분석을 실시하는 경우에는, 먼저 원소 분 석을 위해 사용된 도전성 액체의 사용으로 인한 기기의 오염을 배제하는 것이 중요하지만, 도전성 액체를 넣은 용기나, 협소부 및 유로를 교환 가능하며 저렴한 소모품으로서 수지 성형체에 의해 착탈 가능하게 구성시킨 경우, 새로운 것으로 교환함으로써, 계 내의 오염으로 인한 문제의 발생을 방지할 수 있기 때문에, 고감도의 원소 분석에 적합하다. 상기 수지로는, 예를 들어, 열가소성을 갖고, 자외선 투과성이 우수한 수지를 바람직하게 사용할 수 있다.

유로에는, 그 유로의 단면적보다도 현저하게 작은 단면적을 갖는 협소부가 형성된다. 여기서, 유로 또는 협소부의 단면적이란, 유로에 대한 단면의 단면적, 즉 유로 또는 협소부에 있어서의 전계의 방향에 대하여 수직 방향에 있어서의 유로 또는 협소부의 단면적을 의미한다.

협소부에 이르는 유로의 폭 방향의 길이는, 측정에 필요한 용액의 체적이 되도록이면 작고, 또한 협소부로 충분히 용이하게 도전성 액체 및/또는 전계를 전달함과 함께, 협소부의 단면적과 비교하여 충분히 넓은 유로의 단면적을 확보한다는 관점에서, 바람직하게는 2㎛∼30㎜, 보다 바람직하게는 300㎛∼5㎜, 더욱 바람직하게는 500㎛∼1㎜ 이다.

상기 폭이란, 유로 단면 내에서의 유로의 크기를 의미하지만, 특히 유로 및 협소부가 도 2 에 나타낸 바와 같이, 유로 (101) 및 협소부 (103) 가 평면적으로 구성되는 경우에는, 또한 그 평면과 유로 단면이 교차하는 방향의 크기를 의미한다.

또, 도 2 에 나타낸 바와 같이, 특히 유로 (101) 및 협소부 (103) 가 평면적 으로 구성되는 경우에는, 유로 단면 내에서의 상기 폭에 수직인 방향의 크기인 유로의 두께 방향의 길이는, 측정에 필요한 용액의 체적을 되도록이면 작게 하여, 협소부에 충분히 용이하게 도전성 액체 및 전계를 전달하고, 협소부의 단면적과 비교하여 충분히 넓은 유로 단면적을 확보한다는 관점에서, 바람직하게는 0.5㎛∼1㎜, 보다 바람직하게는 10㎛∼300㎛, 더욱 바람직하게는 50㎛∼200㎛ 이다. 상기 유로 단면은, 유로 내의 전계의 방향에 대하여, 수직인 면 내에서의 유로의 단면이다.

또한, 협소부의 전계의 방향의 길이는, 플라즈마를 용이하게 발생시키고, 플라즈마의 발생 장소를 안정화시켜, 플라즈마로부터의 충분한 발광량을 얻기 위해서, 바람직하게는 2㎛∼3㎜, 보다 바람직하게는 50㎛∼1㎜ 이다. 협소부의 두께 방향의 길이 및 폭 방향의 길이는 각각, 유로부의 단면적보다 충분히 작게 하여, 플라즈마를 용이하게 발생시키고, 플라즈마의 발생 장소를 안정화시키며, 또한 플라즈마로부터의 충분한 발광량을 얻는다는 관점에서, 바람직하게는 0.5㎛∼1㎜, 보다 바람직하게는 10㎛∼300㎛, 더욱 바람직하게는 50㎛∼200㎛ 이다.

상기 폭 방향의 길이란, 상기 전계의 방향의 길이에 수직인 협소부 단면 내에 있어서의 유로의 크기를 의미하지만, 도 2 에 나타낸 바와 같이, 특히 유로 (101) 및 협소부 (103) 가 평면적으로 구성되는 경우에는, 또한 그 평면과 상기 협소부 단면이 교차하는 방향의 크기를 의미한다. 또, 마찬가지로, 상기 두께 방향의 길이란, 상기 협소부 단면 내에 있어서의 상기 폭 방향의 길이에 수직인 방향의 크기를 의미한다.

협소부의 단면적은 그 유로의 단면적보다도 현저하게 작지만, 유로의 단면적과 협소부의 단면적과의 비 (유로의 단면적/협소부의 단면적) 의 값은, 플라즈마를 효율적으로 발생시킨다는 관점에서, 예를 들어, 도 5 에 나타낸 바와 같이, 바람직하게는 3 이상, 보다 바람직하게는 10 이상, 더욱 바람직하게는 30 이상, 한층 더 바람직하게는 100 이상이다. 또, 상기 유로의 단면적과 협소부의 단면적과의 비 (유로의 단면적/협소부의 단면적) 의 값의 상한치에 특별히 한정은 없으며, 본 발명은 이러한 상한치에 의해서 한정되는 것은 아니지만, 통상적으로, 바람직하게는 10000 이하, 보다 바람직하게는 8000 이하, 더욱 바람직하게는 5000 이하이다.

또, 유로의 단면 형상 및 협소부의 단면 형상에는 특별한 한정은 없다. 그 단면 형상의 예로는, 직사각형, 정사각형, 삼각형, 원형, 타원형 등을 들 수 있다.

유로에 형성되는 협소부의 위치에는 특별한 한정은 없다. 예를 들어, 협소부는 유로의 중앙 부근에 형성할 수 있다. 협소부는, 유로의 단면적이 갑자기 감소하는 부분을 두어, 형성시킬 수 있다. 유로와 협소부의 접속부에 있어서, 유로와 협소부가 유로의 축 방향에 대하여 10∼90 도의 각도, 바람직하게는 10∼80 도의 각도로 접속되어 있는 것이, 용액을 기포의 혼입 등 없이 원활하게 도전성 액체를 도입하는 관점 및 전계를 적절히 집중시키는 관점에서 바람직하다.

유로 및 협소부에 도전성 액체를 채운다. 도전성 액체로서, 분석되는 액체 시료가 사용된다. 도전성 액체에 사용되는 전해질로는 예를 들어, 질산, 아세트산, 염산 등을 들 수 있지만, 이들 중에서는, 분석에 장애를 발생시키기 어렵 다는 점에서, 질산이 바람직하다. 시료는, 질산 등 분석에 지장을 일으키지 않는 원소로 이루어지는 전해질에 의해 도전성을 부여하는 것이 바람직하다.

다음으로, 상기 협소부에 전계가 통과하도록, 예를 들어, 협소부를 따라서 전계를 인가하는 등의 방법에 의해 그 협소부에 전계를 인가한다. 이로써, 상기 협소부에서 기포가 발생되고, 발생된 기포 중에 플라즈마를 발생시킬 수 있다.

전류는, 예를 들어, 유로에 삽입한 전극으로부터 흘릴 수 있다. 또한, 전류로서 유도 전류를 이용할 수도 있다. 전극으로서 고체 전극을 사용할 수 있고, 한 쌍의 전극은 협소부가 사이에 끼워지도록 하여 유로 내에 배치할 수 있다. 이와 같이 전극을 배치하고, 양 전극 사이에 전계를 인가하면 도전성 액체가 가열되기 때문에, 기포를 발생시킬 수 있다.

전압 및 전류는, 유로의 길이, 전해액의 종류 등에 따라서 상이하므로 일률적으로는 결정할 수 없지만, 통상적으로 전압은, 바람직하게는 30∼5000V, 보다 바람직하게는 100∼1500V 이고, 전류는, 바람직하게는 0.1∼1000mA, 보다 바람직하게는 2∼100mA 인 것이 바람직하다.

또한, 상기와 마찬가지로, 협소부에 있어서의 전계의 강도는 유로의 길이, 전해액의 종류 등에 따라서 상이하고, 나아가 기포 및 플라즈마의 발생과 함께 변화하지만, 기포의 발생 전에서는, 기포 및 플라즈마를 안정적이고 또한 신속하게 발생시켜, 용액 중의 성분 원소로부터 효율적으로 발광시키고, 유로나 협소부의 구성 재료에 필요 이상의 데미지를 주지 않는다는 관점에서, 바람직하게는 0.01∼100MV/m, 보다 바람직하게는 1∼10MV/m 이다.

이상과 같이 하여, 협소부에 전계를 인가하였을 때, 협소부로 전계가 집중하여 도전성 액체가 비등(沸騰)하기 때문에, 기화되어 기포가 발생하는데, 그 때, 플라즈마가 발생한다.

도전성 액체에 전극이 삽입되어 있는 부분에서는, 충분히 전계가 약하고, 또한 전류 밀도가 낮기 때문에 플라즈마는 발생하지 않는다. 기포 내에서 발생한 플라즈마는 전극과 직접 접촉하지 않고, 플라즈마와 접하여 전계를 부여하는 전극으로서의 역할은, 도전성을 갖고 측정 대상인 도전성 액체 자체가 담당한다. 따라서, 전극의 증발 등으로 인한 불필요한 불순물의 혼입이 대단히 적다. 이 플라즈마의 발광 스펙트럼의 정량으로부터, 극히 간단하게, 도전성 액체에 극미량으로 함유되어 있는 원소를 고감도로 원소 분석하는 것이 가능하다.

또한, 플라즈마가 근접하는 유로 벽면은 유로 및 협소부의 사이즈가 미소하기 때문에, 주위로부터 강력하게 냉각되어 있고, 유로 벽면으로부터의 불순물의 혼입도 억제되어 있다. 또한, 유로 벽면이 충분히 냉각되어 있는 경우는, 도전성 액체가 그 표면을 덮음으로써, 더욱 유로 벽면으로부터의 불순물의 혼입을 억제한다.

여기서, 플라즈마를 발생시키는 전계를 펄스상으로 인가, 즉 전해를 인가한 후, 단시간에 강제적으로 전계의 인가를 멈추고, 전계의 인가 1 회당 인가 시간이 단시간이 되도록 제어함으로써, 발생된 플라즈마의 크기 및 상태를 제어할 수 있어, 플라즈마 발생 상태의 재현성이나, 원소 분석의 정밀도를 향상시킬 수 있다. 상기 단시간이란, 통상 1㎲∼500ms, 바람직하게는 20㎲∼5ms 이다. 또한, 플라 즈마의 발생에 필요한 전계 등과 같은 조건이나 플라즈마의 발생 상태는 도전성 액체의 전기 전도도에 의존하지만, 도전성 액체의 분석에 관계가 없는 소정 전해질을 미리 도전성 액체에 첨가하여, 도전성 액체의 전기 전도도를 조정함으로써, 플라즈마를 가장 안정적으로 발생시키는 전압 등의 조건 및 원자 발광의 조건을 일정하게 할 수 있다.

또한, 플라즈마의 발광 스펙트럼에 있어서, 첨가한 전해질에 유래하는 발광의 강도와, 도전성 액체에 함유되어 있는 측정하고자 하는 원소에 유래하는 발광의 강도를 대비함으로써, 보다 정확한 원소의 정량이 가능해진다. 한층 더 정밀도가 높은 원소의 정량은, 원소의 정량을 반복하여 적산하여, 플라즈마의 발생의 총 시간을 길게 함으로써 실시할 수 있다. 이 때, 유로 및 협소부 중의 도전성 액체를 이동시키면서 플라즈마를 발생시킨 경우, 협소부에 항상 새로운 도전성 액체가 존재하기 때문에, 보다 더 정밀도가 높아진다.

본 발명의 플라즈마 발생 장치는, 도전성 액체 중에서 플라즈마를 발생시키는 장치로서, 절연성 재료로 형성된 유로에 그 유로의 단면적보다도 현저하게 작은 단면적을 갖는 협소부가 배치되고, 그 협소부에 전계가 통과하도록 그 협소부에 전계를 인가하기 위한 수단이 배치되어 있다. 또한, 본 발명의 발광 분광 분석 장치는, 상기 플라즈마의 발생 장치를 갖는다. 본 발명의 플라즈마 발생 장치 및 그 플라즈마 발생 장치를 갖는 발광 분광 분석 장치는, 이하의 실시예에 기초하여 상세히 설명한다.

본 발명의 플라즈마 발생 장치 및 그 플라즈마 발생 장치를 갖는 발광 분광 분석 장치를 사용하면, 불순물의 혼입량의 저감을 꾀할 수 있어, 예를 들어, 원소의 정성 분석이나 정량 분석을 용이하게 실시할 수 있다.

플라즈마를 펄스상으로 발생시킬 때에는, 그 타이밍에 동기시켜서 광신호의 취입(取入) 타이밍 및 시간폭을 제어하고, 원소 분석에 있어서, 신호 성분이 많아지고, 잡음 성분이나 편차 성분이 적어지도록 조정함으로써, 분석의 정밀도 및 감도를 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 의해서 발생한 플라즈마는, 액체의 원소 분석에서 현재 주류인 ICP 발광 분석의 플라즈마 발생 부분을 개량한 것으로서 위치를 부여할 수 있지만, 마찬가지로 액체의 원소 분석법으로서, 검출 방법이 상이한 ICP 질량 분석의 플라즈마 발생 방법에 본 발명을 응용하여, 본 발명에 의한 플라즈마를 사용한 질량 분석을 실시하는 것도 가능하다.

또한, 본 발명에 의해서 발생한 플라즈마는 미소한 플라즈마의 일종이기 때문에, 기타 미소한 플라즈마의 응용인, 광원, 화학 반응, 물질의 가공, 물질의 분해 등에도 이용할 수 있다.

그리고, 본 발명의 플라즈마 발생 장치는, μTAS 의 새로운 요소 기술로서 위치를 부여할 수 있어, μTAS 의 기존 요소 기술과 조합하여 고감도 원소 분석기를 구성하는 여러 가지 시스템을 생각할 수 있다. 또한, 본 발명의 발광 분광 분석 장치는, 액 이송 기구, 2 액 혼합 기구, 가열 기구 등과 조합함으로써, 유기물 시료로부터 유기 성분을 제거하는 전(前)처리나, 전기 전도도의 조정 등과 같은 조정 처리를 조합한 측정 시스템을 1 칩 내에서 구성할 수 있다.

실시예

이하에, 본 발명을 실시예에 기초하여 더욱 상세히 설명하지만, 본 발명이 이러한 실시예에만 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

본 발명의 플라즈마 발생 방법의 일 실시양태를 도 1 에 나타낸다. 도 1 에는, 본 발명에 의한 플라즈마를 발생시키는 기본적인 형태가 나타나 있다.

유로 (101) 의 벽면은 절연성 재료로 형성되어 있다. 유로 (101) 는, 도전성 액체 (105) 를 가둠과 함께, 전류가 흐르는 통로를 결정한다. 용액 리저버 (102) 는 유로 (101) 와 접속되어 있고, 도전성 액체 (105) 가 용액 리저버 (102) 내에서 개개로 저장되어, 유로 (101) 에 도입된다. 협소부 (103) 는 유로 (101) 와 접속되어 있고, 그 단면적은 다른 부분 (유로 (101) 및 용액 리저버 (102)) 보다도 작게 되어 있다. 따라서, 협소부 (103) 에서는 전류와 전계의 집중이 일어나, 다른 부분보다도 온도가 높아지고, 비등이나 플라즈마의 발생이 일어나기 쉽게 되어 있다. 이 협소부 (103) 의 크기 및 협소부 (103) 에 이르는 유로 (101) 의 형상이 플라즈마의 안정화에 중요하다.

전극 (104) 에 사용되는 재료로는, 전류를 흘리는 것에 의해 부식이 생기기 어려운 백금 등의 귀금속이나 카본 등이 바람직하다.

도전성 액체 (105) 는, 측정 대상인 원소를 함유하고, 또한 도전성을 가지고 있을 필요가 있다. 도전성 액체 (105) 에 도전성을 부여하기 위해, 통상은 전해질 (지지염) 이 사용되지만, 금속염은 강한 발광을 내기 때문에, 그다지 좋지 않 다. 전해질 중에서는, 질산은 그 구성 원소가 대기 중에 함유되어 있는 것과 물에 함유되어 있는 것인 동시에, 금속을 잘 녹이는 성질을 갖기 때문에 적당하다. 또, 도전성 액체 (105) 의 액온은 특별히 한정되지 않지만, 통상, 15∼40℃, 바람직하게는 20∼25℃ 정도인 것이 바람직하다.

전극 (104, 104) 사이에 전계를 인가함으로써, 협소부 (103) 에서는 전류와 전계의 집중이 생기기 때문에, 기포가 발생하고, 발생된 기포 중에 플라즈마 (106) 가 발생한다. 이 플라즈마 (106) 로부터의 빛을 분광함으로써, 도전성 액체 (105) 의 원소 분석을 용이하게 실시할 수 있다.

실시예 2

본 발명의 플라즈마 발생 장치의 일 실시양태를 도 2 에 나타낸다. 도 2 에 있어서 그 상부의 도면은, 본 발명의 플라즈마 발생 장치의 일 실시양태를 나타내는 개략 평면도이다. 또, 전극에 대한 기재는 생략되어 있다. 도 2 에 있어서 그 하부의 도면은, 상기 상부의 도면에 나타낸 플라즈마 발생 장치의 유로 (101) 의 중앙 부분에 있어서의 개략 단면도이다. 도 2 에 나타낸 플라즈마의 발생 장치를 사용한 경우에는, 액체 중에서 기포를 발생시키고, 그 중에서 플라즈마를 발생시켜 원소 분석을 실시할 수 있다.

석영 유리 (201) 상에는, 폴리디메틸실록산 (이하, PDMS 라고 한다) 등의 절연성 재료로 제작되고, 협소부 (103) 가 패터닝되어 있는 시트형상의 칩 (202) 이 탑재되어 있다. 칩 (202) 은, 포토리소그래피에 의해 레지스트재의 유로 패턴을 형뜨기 (型取) 함으로써 제조되어 있다. 칩 (202) 은, 석영 유리 (201) 상 에 둠으로써 자연스럽게 밀착하여, 미소 유로를 형성한다. 칩 (202) 에는, 유로 (101) 의 단에 대응하는 부분에 펀치 등의 구멍뚫기용 기기를 사용하여 구멍을 뚫는 것에 의해, 용액 리저버 (102) 가 형성되어 있다.

유로 (101) 의 평면 형상에 관해서 여러 가지 시도에 의해, 플라즈마가 가장 안정되는 조건이 구해진다. 도 2 에 나타낸 평면에 수직인 방향의 유로 (101) 의 높이는 약 70㎛ 이다.

도전성 액체 (105) 로서, 생물 분야에서 자주 사용되는 생리적 조건의 인산 버퍼를 1/20 (용량비) 로 희석한 것을 사용하였다. 전극 (104) 으로서, 직경이 0.5㎜ 인 백금 선을 사용하였다. 전극 (104) 에 300∼1500V 의 전압을 인가하면, 협소부 (103) 에 플라즈마 (106) 가 발생하였다. 플라즈마 (106) 로부터의 빛 (203) 을 광화이버 (204) 에 도입하여, 오션 옵틱스사 (Ocean Optics Incorporated) 제조의 분광기 (품번: USB2000) 로 스펙트럼을 측정함으로써, 발광 분광 분석을 실시할 수 있었다.

실시예 3

도 3 및 도 4 는 각각, 유로 패턴 1 및 유로 패턴 2 의 평면도이다. 이들 유로 패턴은 모두, 안정적인 플라즈마를 발생시킬 수 있는 유로 패턴을 검토할 때에 사용한 것이다. 도 3 및 도 4 에 있어서, 가운데가 하얗게 비어 있는 부분이 유로 패턴이고, 좌우의 원형상 부분은 리저버의 형상을 나타내고 있다. 리저버와 리저버의 중심 거리는 6㎜ 이다. 합계 24 종류의 유로 패턴에 관해서 검토한 결과, 가장 플라즈마가 안정적으로 발생한 유로 패턴을 도 5 에 나타낸다.

도 5 는 유로 패턴의 개략 평면도이다. 도 5 에 있어서, 리저버의 폭은 3㎜ 이고, 리저버의 단부와 리저버의 단부 사이의 거리는 3㎜ 이다. 또한, 협소부의 길이는 1㎜ 이고, 폭은 100㎛ 이다. 협소부에는, 중심 거리가 0.23㎜ 가 되도록 반경 50㎛ 의 반원형상의 볼록부가 형성되어 있다.

도 5 에 나타낸 유로 패턴을 갖는 것을 사용하고, 도전성 액체로서 인산 버퍼를 1/20 (용량비) 로 희석한 것 (액온: 25℃) 을 사용하였다. 전극으로서 백금 전극을 사용하고, 전극 사이에 700V 의 전압을 인가함으로써, 전계를 발생시켰다. 그 때의 전류는 약 400μA 였다. 플라즈마는 협소부에서만 발생하고, 백금 전극의 주위에서는 발생하지 않았다. 플라즈마는, 전계를 인가하고 있는 시간 10 초 동안, 연속적으로 발생하였다. 그 때에 발생한 마이크로 플라즈마의 사진을 도 6 에 나타낸다. 도 6 에 있어서, 협소부의 밝은 부분이 발생한 플라즈마이다.

다음으로, 도 6 에 나타낸 플라즈마로부터 얻어졌을 때의 발광 스펙트럼을 조사하였다. 그 결과를 도 7 에 나타낸다.

도 7 에 나타낸 바와 같이, 파장 589㎚ 에서 나트륨 원자에 유래하는 날카로운 피크만이 인정되고, 다른 원자에 유래하는 피크는 대단히 적었다. 또한, 이 피크의 강도와 도전성 액체에 함유되어 있는 나트륨 농도로부터 검출 한계를 추정하면, 이 계에서 약 10ppm 인 것을 알 수 있었다. 이 검출 한계는 사용한 분광기의 노이즈 레벨에 기인하는 것으로, 본 발명의 플라즈마 발생 방법에 있어서의 본질적인 검출 한계를 의미하는 것은 아니다. 본 발명의 플라즈마 발생 방법에 있어서의 본질적인 검출 한계는, 이 값보다도 훨씬 작은 값인 것으로 생각된다.

실시예 4

실시예 3 에 있어서, 인산 버퍼 대신에 농도 0.01몰/리터 (이하, M 이라고 한다) 의 염화칼륨 수용액 (액온: 25℃) 을 사용한 것 외에는 실시예 3 과 동일하게 하여 발광 스펙트럼을 조사하였다. 그 결과를 도 8 에 나타낸다.

도 8 에 나타낸 발광 스펙트럼의 측정 결과로부터, 칼륨 원자에 유래하는 파장 766㎚ 및 770㎚ 에서의 날카로운 피크 외에, 나트륨 원자에 유래하는 파장 589㎚ 에서의 피크가 인정된다. 나트륨 원자에 유래하는 피크는, 직전의 인산 버퍼를 사용하여 실험했을 때에 유로 내에 부착되어 있던 나트륨 원자에 근거하는 발광에 의한 것으로, 계 내의 세정이 불충분하였던 것을 나타내고 있다. 특히, 나트륨은 불꽃 반응 (flame reaction) 의 실험 등에서도 세정이 곤란하다는 것은 주지된 바와 같기 때문에, 금회의 실험에서 세정 잔류물에 기인하는 발광이 있더라도 타당한 결과이며, 본질적인 문제는 아니라고 생각된다. 또한, 도 8 에 나타낸 결과로부터, 다른 원자에 유래하는 피크가 매우 적다는 것을 알 수 있다.

다음으로, 이 피크의 강도와, 도전성 액체에 함유되어 있는 나트륨의 농도로부터 검출 한계를 추정하였다. 그 결과, 이 계에서의 검출 한계는 약 5ppm 이었다. 이 검출 한계는, 사용한 분광기의 노이즈 레벨에 기인하는 것으로, 본 발명의 플라즈마 발생 방법에 있어서의 본질적인 검출 한계는 이 값보다도 훨씬 작은 값인 것으로 생각된다.

실시예 5

도 5 에 나타낸 유로 패턴을 갖는 것을 사용하고, 도전성 액체로서 0.1M 염화나트륨 수용액 (액온: 25℃) 을 사용하였다.

전극으로서 직경이 0.5㎜ 의 백금 선을 사용하였다. 상기 염화나트륨 수용액에 전극을 침지하고, 전극에 전압 500V 를 연속적으로 인가하였을 때에 발생한 플라즈마로부터, 나트륨 원자에 유래하는 발광 강도의 편차와, 전극에 전압 500V 를 250ms 의 시간의 펄스로 인가하였을 때의 발광 강도의 편차를 조사하였다. 그 결과를 도 9 에 나타낸다. 도 9 에 있어서, 플롯을 정사각형으로 나타낸 그래프는, 250ms 의 시간의 펄스로 전압을 인가하였을 때의 발광 강도의 편차를 나타내고, 플롯을 원으로 나타낸 그래프는, 전압을 연속적으로 인가하였을 때의 발광 강도의 편차를 나타낸다.

도 9 에 나타낸 결과로부터 알 수 있듯이, 전계를 펄스로 인가한 경우와 대비하여, 연속적으로 전계를 인가한 경우가 발광 강도의 편차가 크다는 것을 알 수 있다. 이것은, 연속적으로 전계를 인가한 경우에는, 발생된 플라즈마가 유로의 좁아진 부분에 있어서의 용적 이상으로 크게 발달하였기 때문에, 플라즈마의 형태나 밝기가 심하게 변화하고 있기 때문이다. 한편, 전계를 펄스상으로 인가한 경우에는, 플라즈마가 크게 발달하여 불안정해지기 전에 발광이 종료하여, 항상 같은 상태에 있는 플라즈마로부터의 발광만으로 발광 강도를 계측할 수 있다는 것에 기초하는 것으로 생각된다.

이상의 사실로부터, 전계를 펄스로 인가하는 방법은 플라즈마 온도의 안정화로도 이어지기 때문에, 도전성 액체에 함유되어 있는 원자의 정량에 대단히 유용함 을 알 수 있다.

또, 플라즈마의 안정화에 유효한 펄스 폭, 즉 전계를 인가하는 시간은, 전계의 인가 1 회당, 바람직하게는 500ms 이하, 보다 바람직하게는 1㎲∼500ms, 더욱 바람직하게는 1㎲∼100ms, 한층 더 바람직하게는 1∼100ms 이다.

실시예 6

도 5 에 나타낸 유로 패턴을 갖는 것을 사용하고, 도전성 액체로서 0.01M 염화나트륨 수용액, 0.05M 염화나트륨 수용액 또는 0.1M 염화나트륨 수용액을 사용하였다 (각 액온: 25℃).

전극으로서, 직경이 0.5㎜ 인 백금 선을 사용하였다. 상기 염화나트륨 수용액에 전극을 침지하고, 전극에 표 1∼3 에 나타내는 전계를 20ms, 50ms, 100ms, 200ms 또는 500ms 의 시간의 펄스 폭으로 인가하였을 때의 플라즈마의 발생을 조사하였다. 그 결과를 표 1∼3 에 나타낸다.

또, 표 1 은 0.01M 염화나트륨 수용액을 사용하였을 때의 결과가 나타나 있고, 전기 전도도는 1.09mS/㎝ 였다. 표 2 는, 0.05M 염화나트륨 수용액을 사용하였을 때의 결과가 나타나 있고, 전기 전도도는 4.9mS/㎝ 였다. 또한, 표 3 은, 0.1M 염화나트륨 수용액을 사용하였을 때의 결과가 나타나 있고, 전기 전도도는 8.6mS/㎝ 이었다.

또한, 각 표에 있어서, ○ 표시는 플라즈마가 발생한 것을 나타내고, × 표시는 플라즈마가 발생되지 않은 것을 나타내고 있다.

표 1∼3 에 나타낸 결과로부터 알 수 있듯이, 플라즈마 발생의 상황은 도전성 액체의 전기 전도도에 의존한다. 플라즈마 발생의 상황이 변화하면, 플라즈마 온도 등도 다른 것으로 생각되어, 측정한 원소의 농도가 동일한 검체에 대해서도 상이한 발광 강도를 부여하는 것으로 생각된다. 그 때문에, 전기 전도도가 상이한 검체의 정밀도 높은 측정에는, 전계의 강도 등과 같은 플라즈마의 발생 조건을 그때 그때 조정하거나, 또는 상이한 전기 전도도에 대한 검량선을 그때 그때 작성하거나, 또는 그 양쪽을 실시할 필요가 있다.

또한, 예상되는 대부분의 검체 (도전성 액체) 는 전해질 농도가 대단히 낮기 때문에, 플라즈마의 발생에는 커다란 전계가 필요하게 된다.

여기서, 측정을 방해하지 않는 전해질을 미리 검체에 첨가해 두고, 전기 전도도가 높아지도록 조정할 수 있다. 이로써, 검체의 전기 전도도를 플라즈마의 발생 및 측정에 적합한 전기 전도도로 조정함으로써, 정밀도 높은 측정을 할 수 있다. 또한, 전기 전도도의 조정에 의해 매회 동일한 전기 전도도를 가지도록 검체의 전기 전도도를 조정함으로써, 측정시의 전계 등과 같은 플라즈마의 발생 조건을 대략 동일한 값으로 맞출 수 있다. 이로써, 측정 장치의 설계가 간단해지고, 플라즈마의 발생 조건의 조정이 간단해지며, 또한 재현성이나 측정 정밀도도 높아진다. 또, 상기 측정을 방해하지 않는 전해질이란, 측정하는 원소와는 상이한 종류의 원소만으로 이루어지고, 검체와 특별한 반응을 일으켜 침전을 생기게 하거나 하지도 않으며, 또한 발광 스펙트럼을 측정할 때에 측정하고자 하는 원소와는 파장이 겹치지 않는 등, 측정하고자 하는 원소의 측정을 방해하지 않는 전해질을 가리킨다.

예를 들어, 플라즈마의 발생과 측정에 적합한 전기 전도도가 8.6mS/㎝ 이며, 전기 전도도가 이 값 이하인 검체를 사용하고, 또한 나트륨과 염소를 측정 대상에 함유하지 않고, 나트륨과 염소가 측정을 특별히 방해하지 않는 경우에는 염화나트륨을 첨가함으로써 전기 전도도를 8.6mS/㎝ 로 조정하여, 매회 대략 동일한 플라즈마의 발생 조건에서, 정밀도 높은 정량적인 측정을 용이하게 실시할 수 있다.

대부분의 검체는, 전기 전도도가 플라즈마의 발생과 측정에 적합한 값보다도 2 자리수 이상이나 작은 것이 예상된다. 그 경우, 특히 검체의 전기 전도도나 농도를 측정하는 일 없이, 일정량의 검체에 대하여 매회 일정량의 전해질을 첨가하는 것만으로 전기 전도도의 조정을 실시할 수 있다.

또한, 검체 중의 나트륨 농도나 염소 농도를 측정하는 경우, 이들을 함유하지 않는 전해질을 사용하는 것이 필요해진다. 전해질로는, 많은 금속을 녹이고, 대기나 물 등에 함유되어 있는 원소 이외의 원소를 함유하지 않는다는 점에서 질산이 바람직하다.

실시예 7

실시예 6 과 동일한 방법에 의해서 발생시킨 플라즈마를 사용하고, 도전성 액체로서 0.01M 염화칼륨 수용액, 0.05M 염화칼륨 수용액 또는 0.1M 염화칼륨 수용액을 사용하여, 그 농도에 대한 발광의 강도를 조사하였다 (각 액온: 25℃). 그 결과를 도 10 에 나타낸다. 도 10 은, 플라즈마를 발생시켰을 때의 검량선과 편차를 나타내는 그래프이다.

또, 각 도전성 액체에는 모두, 0.1M 염화나트륨이 함유되어 있고, 인가 전압은 500V, 펄스 폭은 250ms 이다.

도 10(a) 는, 종축이 칼륨의 발광 강도 (K 강도) 로, 1 회의 측정에 있어서 3 개의 펄스를 발생시키고, 그 발광 강도의 평균치를 1 회의 측정 데이터로 하여, 각 농도에 관하여 10 회의 측정 데이터로부터 구한 검량선이다.

도 10(a) 에 나타나 있는 바와 같이, 검량선에는 약 50% 의 편차가 확인된다. 이것은, 플라즈마의 발생 위치와 광화이버의 위치 관계의 변화, 펄스 전원에 있어서의 전압과 인가 시간의 편차, 플라즈마의 발생 상태의 편차 등에 기인하는 것으로 생각된다. 이들 편차의 몇가지는, 측정되는 원소와 다르고, 농도를 알고 있는 원소를 검체에 혼입시켜 두고, 그것을 표준으로 하여 그 발광 강도와의 비를 취함으로써 어느 정도 보정할 수 있다. 전기 전도도를 조정하기 위해서 첨가한 염화나트륨 등을 이 목적을 위하여 이용할 수 있다.

도 10(b) 는, 이와 같이, 칼륨의 발광 강도와 동시에 측정한 나트륨의 발광 강도로 나눈 비의 값 (K/Na 강도) 을 종축에 사용하고, 상기와 동일한 방법으로, 1 회의 측정에 있어서 3 개의 펄스를 발생시키고, 그 발광 강도의 평균치를 1 회의 측정 데이터로 하여, 각 농도에 관하여 10 회의 측정 데이터로부터 구한 검량선이다.

도 10(b) 에 나타나 있는 바와 같이, 검량선에 있어서의 편차는 5% 이내가 되었다. 또한, 3 개의 펄스 사이에 검체 (도전성 액체) 를 이동시킴으로써, 플라즈마 발생부에 항상 새로운 검체가 유입되도록 하여 동일한 측정을 실시한 결과, 편차는 1% 이내가 되었다. 이것으로부터, 전계를 복수 회 인가하고, 전계를 인가한 후, 다음의 전계를 인가하는 사이에 도전성 액체를 이동시킴으로써, 발광 강도에 편차가 생기는 것을 억제할 수 있음을 알 수 있다.

실시예 8

본 발명의 플라즈마 발생 장치가 사용된 발광 분광 분석 장치의 일 실시양태를 도 11 에 나타낸다. 도 11 에 나타낸 장치는, 포토센서를 사용하여 플라즈마 발광을 검출하고, 전력 공급을 제어하는 발광 분광 분석 장치이다.

칩 (202) 은 절연성 재료로 형성되어 있고, 유로 (101) 에는, 그 유로의 단면적보다도 현저하게 작은 단면적을 갖는 협소부 (103) 가 형성되어 있다. 협소부 (103) 에 전계가 통과하도록 그 협소부 (103) 에 전계를 인가하기 위한 수단으로서, 유로에 전극 (104) 이 삽입되고, 전극 (104) 은 전원 (301) 과 접속되어 있다.

플라즈마에 의해 발생되는 빛은 칩 (202) 의 하부에 배치된 포토센서 유닛 (302) 에 내장되어 있는 포토센서 (도시 생략) 에서 포착된다. 포토센서 유닛 (302) 은, 포토센서에서 포착한 발광 강도에 기초하여, 스위치 (303) 에 의한 전계의 접속 및 절단을 제어하고, 플라즈마의 발생으로부터 지정된 시간 후에 전계의 인가를 중지함으로써, 발광 강도, 발광 시간 및 발광 횟수를 제어할 수 있다.

또, 수광부에는 경면 등의 반사판을 배치함으로써, 수광부에서의 집광량을 증가시켜도 된다. 또한, 발광 지점과 수광 지점의 사이에 집광 렌즈를 배치하여, 효율적으로 집광할 수 있도록 해도 된다.

이 장치를 사용한 경우에는, 플라즈마에 의해 발광되는 빛을 포토센서에서 포착하고, 일정 이상의 발광 강도에 도달한 시점에서, 플라즈마가 발생된 것을 인식하여, 플라즈마의 발생으로부터 지정된 시간 후에 전계의 인가를 멈춤으로써, 발광 강도, 발광 시간 및 발광 횟수를 제어할 수 있다.

전계의 인가를 계속하면 단속적인 발광이 이루어지지만, 협소부나 협소부 주변에 발생하는 기포에 영향을 받아 플라즈마의 발생 위치가 안정되기 어려워짐과 함께, 플라즈마의 크기도 안정적으로 되기 어려워진다. 그래서, 도 11 에 나타낸 바와 같이, 플라즈마의 발생을 기회로 전계를 제어함으로써, 플라즈마의 발생 위치나 플라즈마의 크기를 안정시킬 수 있다.

실시예 9

도 5 에 나타낸 유로 패턴을 갖는 것을 사용하고, 도전성 액체로서 0.1M 염화나트륨 수용액 (액온: 25℃) 을 사용하였다. 전극으로서 직경이 0.5㎜ 의 백금 선을 사용하였다. 상기 염화나트륨 수용액에 전극을 침지하고, 전극에 전압 500V 를 연속적으로 인가하였다.

도 12 에, 플라즈마 발광 중의 발광 강도의 시간 천이를 나타낸다. 도 12(a) 는 발광 강도의 시간 천이를 나타내는 그래프이다. 도 12(b) 는 도 12(a) 에 있어서의 시간 구간 I 의 발광 스펙트럼을 나타내는 그래프이다. 도 12(c) 는 도 12(a) 에 있어서의 시간 구간 II 의 발광 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.

도 12 에 나타낸 결과로부터, 1 회의 플라즈마 발광을 시간을 구분지어 비교함으로써, 발광 개시로부터의 시간 구간에 따라서 다르게 되어 있는 스펙트럼의 특성의 차이를 파악할 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 측정의 대상으로 하고자 하는 파장이 피크로 되어 있는 시간 구간의 데이터를 사용함으로써, 고감도로 발광 스펙트럼을 측정할 수 있다. 또한, 다른 시간 구간과의 차를 구한 경우에는 백그라운드에 의한 영향을 제거하는 것도 가능해지기 때문에, 더욱 고감도에서의 발광 스펙트럼의 측정이 가능해진다.

산업상이용가능성

본 발명에 의하면, 용액 중에 함유되어 있는 원소를 분석하기 위해서, 플라즈마 중에 용액을 도입하여, 원소로부터의 발광 스펙트럼으로부터 용액에 함유되어 있는 원소의 동정와 정량을 실시할 수 있다. 따라서, 본 발명의 플라즈마 방법, 원소 분석 방법, 플라즈마 발생 장치 및 그 플라즈마 발생 장치를 갖는 발광 분광 분석 장치는 모두, 미소 유체 역학이나 μTAS, Lab on a chip 으로 불리는 분야에 바람직하게 사용할 수 있다.

Claims (19)

1. 절연성 재료로 형성된 유로에 상기 유로의 단면적보다도 작은 단면적을 갖는 협소부를 형성하고, 상기 유로 및 협소부에 도전성 액체를 채운 후, 상기 협소부에 전계가 형성되도록 상기 협소부에 전계를 인가하여, 상기 협소부에서 플라즈마를 발생시키는, 플라즈마 발생 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 협소부에 전계를 인가하여, 상기 협소부에서 기포를 발생시키고, 발생된 기포 중에 플라즈마를 발생시키는, 플라즈마 발생 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 유로의 두께 방향의 길이 및 폭 방향의 길이가 각각 2㎛∼30㎜ 이고, 상기 협소부의 전계 방향의 길이가 2㎛∼3㎜ 이고, 또한 상기 협소부의 두께 방향의 길이 및 폭 방향의 길이가 각각 0.5㎛∼1㎜ 이고, 또한 상기 유로의 단면적보다도 작은 단면적을 갖는 협소부를 갖는, 플라즈마 발생 방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 유로의 단면적과 상기 협소부의 단면적과의 비 (유로의 단면적/협소부의 단면적) 의 값이 3 이상인, 플라즈마 발생 방법.
5. 제 1 항에 있어서,

   전계를 인가하는 시간이 전계의 인가 1 회당 1㎲∼500ms 인, 플라즈마 발생 방법.
6. 제 1 항에 있어서,

   전계를 복수 회 인가할 때에, 전계를 인가한 후, 다음의 전계를 인가하는 사이에 도전성 액체를 이동시키는, 플라즈마 발생 방법.
7. 절연성 재료로 형성된 유로에 상기 유로의 단면적보다도 작은 단면적을 갖는 협소부를 형성하고, 상기 유로 및 협소부에 원소의 동정 (同定) 또는 정량 (定量) 을 실시하기 위한 도전성 액체를 채운 후, 상기 협소부에 전계가 형성되도록 상기 협소부에 전계를 인가하여, 상기 협소부에서 플라즈마를 발생시키고, 발생된 플라즈마로부터 생기는 빛을 분광하는, 원소 분석 방법.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 협소부에 전계를 인가하여, 상기 협소부에서 기포를 발생시키고, 발생된 기포 중에 플라즈마를 발생시키는, 원소 분석 방법.
9. 제 7 항에 있어서,

   상기 유로의 두께 방향의 길이 및 폭 방향의 길이가 각각 2㎛∼30㎜ 이고, 상기 협소부에 있어서의 전계 방향의 길이가 2㎛∼3㎜ 이고, 또한 상기 협소부의 두께 방향의 길이 및 폭 방향의 길이가 각각 0.5㎛∼1㎜ 이고, 또한 상기 유로의 단면적보다도 작은 단면적을 갖는 협소부를 구비한, 원소 분석 방법.
10. 제 7 항에 있어서,

    상기 유로의 단면적과 상기 협소부의 단면적과의 비 (유로의 단면적/협소부의 단면적) 의 값이 3 이상인, 원소 분석 방법.
11. 제 7 항에 있어서,

    전계를 인가하는 시간이 전계의 인가 1 회당 1㎲∼500ms 인, 원소 분석 방법.
12. 제 7 항에 있어서,

    전계를 복수 회 인가할 때에, 전계를 인가한 후, 다음의 전계를 인가하는 사이에 도전성 액체를 이동시키는, 원소 분석 방법.
13. 제 7 항에 있어서,

    도전성 액체에 미리 소정의 전해질을 첨가하여, 상기 도전성 액체의 전기 전도도를 조정하는, 원소 분석 방법.
14. 도전성 액체 중에서 플라즈마를 발생시키는 장치로서,

    절연성 재료로 형성된 유로에 상기 유로의 단면적보다도 작은 단면적을 갖는 협소부가 배치되고, 상기 협소부에 전계가 형성되도록 상기 협소부에 전계를 인가하기 위한 수단이 배치되어 이루어지는, 플라즈마 발생 장치.
15. 제 14 항에 있어서,

    상기 협소부가 사이에 끼이도록 유로 내에 한 쌍의 전극이 배치되어 있는, 플라즈마 발생 장치.
16. 제 14 항에 있어서,

    상기 유로의 두께 방향의 길이 및 폭 방향의 길이가 각각 2㎛∼30㎜ 이고, 상기 협소부에 있어서의 전계 방향의 길이가 2㎛∼3㎜ 이고, 또한 상기 협소부의 두께 방향의 길이 및 폭 방향의 길이가 각각 0.5㎛∼1㎜ 이고, 또한 상기 유로의 단면적보다도 작은 단면적을 갖는 협소부를 구비한, 플라즈마 발생 장치.
17. 제 14 항에 있어서,

    상기 유로의 단면적과 상기 협소부의 단면적과의 비 (유로의 단면적/협소부의 단면적) 의 값이 3 이상인, 플라즈마 발생 장치.
18. 제 14 항에 있어서,

    상기 협소부가 착탈 가능하게 배치되어 이루어지는, 플라즈마 발생 장치.
19. 제 14 항에 기재된 플라즈마 발생 장치를 갖는, 발광 분광 분석 장치.

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