WO2015029624A1 - ｐＨ自動調整装置 - Google Patents

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light
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寿晴 黒田
道雄 堀内
彦北 朱
光一 千葉
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システム・インスツルメンツ株式会社
独立行政法人産業技術総合研究所
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Definitions

  • the present invention relates to an automatic pH adjusting device, and more particularly to an automatic pH adjusting device used for pH adjustment as a pretreatment for solid phase extraction.
  • trace elements including heavy metals is conducted for the study of material circulation in the ocean, water quality inspection of tap water, water quality survey of lake water and river water.
  • Non-Patent Document 1 an indirect measurement method using the discoloration characteristic of a pH indicator.
  • an optical sensor is used as a pH measurement device, contamination caused by contact between the measurement device and the sample can be eliminated.
  • methyl yellow, methyl orange or methyl red is used as a pH indicator, and ammonia is used as a pH adjusting solution.
  • Non-Patent Document 1 the present inventors are considering adopting a sprayer as a pH adjusting liquid supply device. This is because, according to the nebulizer, the pH adjustment liquid can be sucked and atomized by the carrier gas, so that the bias in the hydrogen concentration distribution in the sample is reduced and adjusted compared to the case where the pH adjustment liquid is supplied in the liquid state. This is because it is possible to stably reach the target pH.
  • an object of the present invention is to provide an automatic pH adjusting device capable of stably adjusting pH when a sprayer is employed as a pH adjusting liquid supply device.
  • a first invention is an automatic pH adjusting device, a container containing a liquid sample to which a pH indicator that changes color according to pH is added; an adjustment liquid bottle for storing ammonia water or carbonated water as a pH adjustment liquid; A sprayer provided with an injection port arranged to face the sample liquid surface in the container, and spraying the pH adjustment liquid in the adjustment liquid bottle atomized by the carrier gas from the injection port; A liquid injection state in which the sprayer and the adjustment liquid bottle are arranged to communicate with each other and the pH adjustment liquid is injected from the injection port; and the sprayer and the outside air are connected to each other and the injection port.
  • a multi-way valve that switches between an air injection state in which air is injected from A detection device for detecting the intensity of light irradiated from the outside of the container and transmitted through the container; A control device that switches the communication state of the multi-way valve based on the intensity of light detected by the detection device; It is characterized by providing.
  • the detection device is configured to be able to detect the intensity of light of a specific wavelength that is absorbed by the pH indicator and the intensity of light of a reference wavelength that is not absorbed by the pH indicator when the sample is adjusted to a target pH.
  • the control device calculates an intensity ratio from the light intensity of the specific wavelength and the reference wavelength detected by the detection device, and compares the calculated intensity ratio with a target intensity ratio set according to the target pH.
  • the communication state of the multi-way valve is configured to be switched.
  • the control device When the ratio of the calculated intensity ratio to the target intensity ratio is within a predetermined range including 1, the control device is configured to shorten the period of the liquid ejection state as the ratio approaches 1. It is characterized by that.
  • the communication state of the multi-way valve can be switched based on the intensity of light transmitted through the container containing the liquid sample.
  • This switching of the communication state is performed between a state in which the sprayer and the adjustment liquid bottle are in communication (liquid injection state) and a state in which the sprayer is in communication with outside air (air injection state).
  • the liquid injection state the pH adjustment liquid in the adjustment liquid bottle can be sent to the sprayer and injected from the injection port.
  • the bubbles of the pH adjusting liquid generated in the sprayer can be pushed out by air and injected from the spray port of the sprayer together with the pH adjusting liquid remaining in the sprayer. Therefore, it is possible to suppress the generation of a large amount of bubbles of the pH adjusting liquid in the nebulizer. Therefore, pH adjustment can be performed stably.
  • the communication state of the multi-way valve can be switched by comparing the calculated intensity ratio with the target intensity ratio calculated based on the intensity of the reference wavelength light. Therefore, since the influence of the nonuniformity of the container and the difference in the installation position of the container can be minimized, the pH of the sample can be stably adjusted.
  • the third invention when the ratio of the calculated intensity ratio to the target intensity ratio is within a predetermined range including 1, the period of the liquid injection state is shortened as the ratio approaches 1, so the pH of the sample is As the target pH is approached, the injection amount of the pH adjusting liquid can be reduced. Therefore, the pH of the sample can be adjusted to the target pH.
  • FIG. 3 is an enlarged schematic diagram of a nebulizer 28.
  • FIG. FIG. 6 is a diagram for explaining the operation of the three-way valve 40. It is a flowchart which shows the processing routine performed in PC42.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of the automatic pH adjusting device of the present embodiment.
  • the automatic pH adjusting device 10 of this embodiment is a device for automatically adjusting the pH of the liquid sample 12 to which a pH indicator (methyl yellow, methyl orange or methyl red) has been added.
  • the pH automatic adjustment device 10 includes a container 14 including a rectangular main body portion 14 a that can store a sample 12 and an opening portion 14 b for taking in and out the sample 12.
  • the container 14 is a transparent container made of polypropylene. However, as long as it exhibits a high permeability to both light of a particular wavelength lambda a and the reference wavelength lambda r will be described later, the material of the container 14 is not particularly limited.
  • the main body 14 a is installed on the stirrer 16.
  • a stirrer 18 is installed inside the main body 14a.
  • the stirrer 16 rotates the stirrer 18 at a low speed by an electromagnetic coil.
  • the sample 12 can be gently stirred by rotating the stirring bar 18 at a low speed.
  • the stirrer 18 is not particularly limited as long as it is of a shape and material that does not wear due to contact with the main body 14a during rotation.
  • a light source 20 for generating light of a particular wavelength lambda a and the reference wavelength lambda r, and the pinhole plate 22 is installed on one side of the body portion 14a.
  • the light source 20 for example, an LED light source, a halogen light source, a tungsten lamp, or the like is employed.
  • a pinhole 22a that transmits a part of the light beam generated by the light source 20 is provided in the center of the pinhole plate 22.
  • a spectroscope 26 for measuring the pinhole plate 24 in which the pin holes 24a formed in the center thereof, a signal strength I a and the reference wavelength light signal intensity I r of the specific wavelength light And are installed.
  • a photodiode, an optical sensor, or the like having sufficient sensitivity to the specific wavelength light and the reference wavelength light may be used.
  • the pH automatic adjusting device 10 includes a nebulizer 28 that can inject the ammonia water 36.
  • the nebulizer 28 is attached to a height adjusting member (not shown), and is inserted into the main body 14a from the opening 14b side. The height of the injection port 28 a of the nebulizer 28 is adjusted so as not to contact the liquid level of the sample 12.
  • FIG. 2 is an enlarged schematic view of the nebulizer 28.
  • the nebulizer 28 includes a gas supply pipe 30 that can circulate nitrogen gas as a carrier gas, and a liquid supply pipe 32 that can circulate ammonia water 36.
  • the gas supply pipe 30 includes a gas supply port 30a and a gas injection port 30b.
  • the gas supply port 30a is connected to a compressor (not shown) that compresses and discharges nitrogen gas.
  • the liquid supply pipe 32 includes a liquid supply port 32a and a liquid ejection port 32b.
  • the liquid supply port 32 a is connected to a non-metallic tube 34.
  • FIG. 2 shows a coaxial nebulizer having a double pipe structure in which a liquid supply pipe 32 is arranged inside the gas supply pipe 30, but in addition, a coaxial type having a multiple pipe structure, a cross flow, Nebulizers characterized by a fine spray of the mold can also be used.
  • the nebulizer 28 is connected via a tube 34 to an adjustment liquid bottle 38 that contains ammonia water 36 as a pH adjustment liquid.
  • an electromagnetic multi-way valve (three-way valve) 40 is provided in the middle of the tube 34.
  • the three-way valve 40 includes an internal passage 40a and an outside air communication pipe 40b.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the operation of the three-way valve 40.
  • the nebulizer 28 and the adjustment liquid bottle 38 communicate with each other (open state).
  • the nebulizer 28 communicates with the outside air (closed state).
  • the pH automatic adjustment device 10 includes a PC 42 as a control device.
  • the spectroscope 26 is connected to the input side of the PC 42, and the transmitted light signal 44 from the spectroscope 26 is input to the PC 42.
  • a three-way valve 40 is connected to the output side of the PC 42 via an I / O board 46, and an open / close signal 48 from the PC 42 is input to the three-way valve 40.
  • the stirrer 16 and the height adjusting member may be connected to the output side of the PC 42.
  • a substrate integrated controller may be used instead of the PC 42 and the I / O board 46.
  • the PC 42 is configured to calculate an arrival rate f (described later) of pH adjustment based on the transmitted light signal 44, output an opening / closing signal 48 in accordance with the arrival rate f, and control the opening / closing state of the three-way valve 40. ing.
  • Various calculation models and maps are stored in advance in the internal memory of the PC 42. For example, an algorithm for calculating the arrival rate f, a signal intensity map indicating the correlation between pH and signal intensity I, and the like are stored.
  • the signal intensity map is created, for example, by irradiating a sample having a known pH with light having a preset wavelength and measuring the intensity of the set wavelength transmitted through the sample to obtain a correlation.
  • the arrival ratio f i is expressed as a ratio of the current value R i of the signal strength ratio to the target value R 0 of the signal strength ratio.
  • the current value R i is expressed as a ratio of the signal intensity I a of the specific wavelength to the signal intensity I r of the reference wavelength.
  • FIG. 4 is a flowchart showing a pH adjustment routine executed in the PC 42 in the present embodiment.
  • the target pH, the particular wavelength lambda a and the reference wavelength lambda r, assumed to be input to PC42 are determined in accordance with the color change characteristics of the pH indicator.
  • the three-way valve 40 is controlled to be closed.
  • step 100 the value of the number of repetitions n is set to zero (step 100).
  • the number of repetitions n is counted every time the arrival rate f is measured once, and the count at the previous adjustment is reset by performing the processing of step 100.
  • a target value R0 of the signal intensity ratio is calculated from the target pH (step 102). Specifically, first, a map corresponding to the target pH is searched from the signal intensity map, and signal intensities I a0 and I r0 corresponding to the specific wavelength ⁇ a and the reference wavelength ⁇ r are calculated. Then, the target value R 0 is calculated by dividing the signal intensity I a0 by the signal intensity I r0 .
  • the signal intensities I a and I r are measured (step 104). Specifically, the signal intensities I a and I r are measured by alternately irradiating light having a specific wavelength ⁇ a and a reference wavelength ⁇ r from the light source 20. Based on the transmitted light signal 44 input from the spectroscope 26 to the PC 42 during irradiation with the specific wavelength light, the signal intensity Ia is measured. Based on the transmitted light signals 44 inputted from the spectroscope 26 while the reference wavelength light irradiated on the PC 42, the signal intensity I r is measured.
  • a current value R i of the signal strength ratio is calculated (step 106). Specifically, the current value R i is calculated by dividing the signal intensity I a measured in step 104 by the signal intensity I r .
  • arriving ratio f i is calculated (step 108). Specifically, the arrival rate f i is calculated by dividing the current value R i calculated in step 106 by the target value R 0 calculated in step 102.
  • the arrival rate f i is evaluated (steps 110 to 136). Specifically, first, it is determined whether or not the reaching ratio f i ⁇ 1 is satisfied (step 110). If it is determined that the arrival rate f i ⁇ 1 is satisfied, it is determined whether 0.95 ⁇ the arrival rate f i is satisfied (step 112). 0.95 ⁇ If arriving ratio f i is determined to be satisfied, it is determined whether 0.97 ⁇ arriving ratio f i is satisfied (step 114). 0.97 ⁇ If arriving ratio f i is determined to be satisfied, it is determined whether 0.99 ⁇ arriving ratio f i is satisfied (step 116). 0.99 ⁇ If arriving ratio f i is determined to be established, to count the number of repetitions n (step 118).
  • step 110 If it is determined in step 110 that the reaching ratio f i ⁇ 1 does not hold, the process proceeds to step 118.
  • step 112 0.95 ⁇ if arriving ratio f i is determined not to be satisfied, the three-way valve 40 is controlled to the open state (step 120). Thereby, the ammonia water 36 in the adjustment liquid bottle 38 is sent to the nebulizer 28 and is ejected from the liquid ejection port 32b.
  • step 120 After the process of step 120, the process returns to step 104 and the signal intensities I a and I r are measured. That is, the processing returns from step 120 to step 104 is repeated until 0.95 ⁇ arriving ratio f i is satisfied.
  • step 114 If it is determined in step 114 that 0.97 ⁇ arrival rate f i does not hold, the three-way valve 40 is controlled to open (step 122), and a waiting time (0.1 second) is measured (step 124). ). Thereby, the ammonia water 36 in the adjustment liquid bottle 38 is sent to the nebulizer 28 until the waiting time elapses, and is ejected from the liquid ejection port 32b. After the waiting time has elapsed, the three-way valve 40 is controlled to be closed (step 126), and the waiting time is remeasured (step 128).
  • the air on the outside air communication pipe 40b side is sent to the nebulizer 28 until the waiting time elapses, and is ejected from the liquid ejection port 32b together with the ammonia water remaining in the nebulizer 28.
  • the process returns to step 104 and the signal intensities I a and I r are measured. That is, the process returns to step 104 via step 122, 124, 126, 128 are repeatedly executed until 0.97 ⁇ arriving ratio f i is satisfied.
  • step 116 If it is determined in step 116 that 0.99 ⁇ arrival rate f i is not satisfied, the three-way valve 40 is controlled to be in an open state (step 130), and a waiting time (0.05 seconds) is measured (step 132). ). After the waiting time has elapsed, the three-way valve 40 is controlled to be closed (step 134).
  • the processing of steps 130, 132, and 134 is basically the same as the processing of steps 122, 124, and 126. However, the waiting time in step 132 is set shorter than the waiting time in step 124. After the process of step 134, the waiting time is remeasured (step 136). The waiting time in step 136 is set to be the same as the waiting time in step 128.
  • step 136 After the process of step 136, the process returns to step 104, and the signal strengths I a and I r are measured. That is, the process returns to step 104 via step 130, 132, 134, and 136 are repeatedly executed until 0.99 ⁇ arriving ratio f i is satisfied.
  • step 118 it is determined whether the number of repetitions n ⁇ 3 is satisfied (step 138). By performing the determination in step 138, the accuracy of the determination in steps 110 to 116 is ensured. If it is determined that the number of repetitions n ⁇ 3, the process returns to step 104, the signal strength I a, I r is measured. If it is determined that the number of repetitions n ⁇ 3, the three-way valve 40 is controlled to be closed (step 140). Thereby, pH adjustment is complete
  • signal strengths I a0 and I r0 are calculated using a signal strength map indicating the correlation between pH and signal strength I
  • a target value R 0 of the signal strength ratio is calculated from the signal strengths I a0 and I r0.
  • the target value R 0 may be directly calculated using a signal intensity ratio map indicating the correlation between pH and signal intensity ratio R.
  • the signal intensity ratio map can be created by obtaining the correlation between pH and signal intensity ratio R, as in the signal intensity map.
  • setting the range of the arrival rate f i as indicated by step 112, 114, 116 in three steps may be set to four or more stages.
  • step 124 and 126 and short waiting time as arriving ratio f i approaches 1.00 less injection amount enough aqueous ammonia pH of the sample 12 to approach the target pH it can. Therefore, the pH of the sample 12 can be adjusted to the target pH.
  • test sample 0.5 ml of methyl red indicator (0.1%) and acetic acid (99%) were added to 50 ml of a 0.7% nitric acid solution, and the pH was adjusted using aqueous ammonia (28%).
  • Specific wavelength lambda a is 550 nm
  • reference wavelength lambda r was 650 nm.
  • the signal intensity of the light of a particular wavelength lambda a and the reference wavelength lambda r is changed at the same time, changing the installation position of the container 14 could stably pH adjustment.

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Abstract

実施形態においては、ｐＨ調整の到達割合（ｆ）に応じて三方弁（４０）を操作する制御を実行する。ステップ１２８，１３６の処理を行うことで、ネブライザ（２８）内に生じたアンモニアの気泡を空気によって押し出してネブライザ（２８）内に残るアンモニア水とともに噴射口（２８ａ）から噴射できる。従って、ネブライザ（２８）内にアンモニアの気泡が大量に生じるのを抑制しながらｐＨ調整できる。

Description

ｐＨ自動調整装置
　本発明は、ｐＨ自動調整装置に関し、詳細には、固相抽出の前処理としてのｐＨ調整に使用するｐＨ自動調整装置に関する。
　重金属を含む微量元素の分析は、海洋における物質循環研究・水道水の水質検査・湖水や河川水の水質調査などのために行われている。この微量元素の分析に際し、干渉成分からの分離や分析の感度向上を目的として、キレート樹脂などを用いた固相抽出による微量元素の分離濃縮が必要となる場合がある。この分離濃縮を行う際には、液体サンプルを予め最適なｐＨ条件に調整することが要求される。
　また、微量元素の分析目的に鑑みれば、ｐＨ調整でのコンタミネーション要因は極力排除しておくことが望ましい。これに関し、本発明者らは、ｐＨ指示薬の変色特性を利用した間接測定法を開発している（非特許文献１）。この間接測定法では、ｐＨ測定機器として光センサを使用するので、測定機器とサンプルの接触に起因したコンタミネーションを排除できる。また、この間接測定法では、ｐＨ指示薬としてメチルイエロー、メチルオレンジまたはメチルレッドを使用し、ｐＨ調整液としてアンモニアを使用している。これら指示薬および調整液は金属成分を十分に低く抑えた高純度試薬を使用することにより、指示薬や調整液に起因するコンタミネーションをも排除できる。
日本特開２００３－１７７０９３号公報
朱彦北、朝海敏昭、千葉光一、小野光正、黒田寿晴、奈良富雄、"微量元素の分離濃縮用固相抽出全自動処理システムの開発"、２０１１年度日本海洋学会春季大会講演要旨集、２０１１年３月１４日、１５９頁
　非特許文献１の開示内容に加え、本発明者らは、ｐＨ調整液の供給装置に噴霧器を採用することを検討している。というのも、噴霧器によれば、キャリアガスによってｐＨ調整液を吸引・霧化できるので、ｐＨ調整液を液状のまま供給する場合に比べてサンプル内の水素濃度分布の偏りを小さくして、調整目標とするｐＨに安定的に到達させることが可能となるからである。
　ところが、ｐＨ調整液としてのアンモニア水を噴霧器から噴射しようとすると、噴霧器内に気泡が生じるという問題が明らかになった。これは、キャリアガスが噴霧器から吐出される際に生じる負圧作用によってｐＨ調整液中に溶けていたアンモニアが気化するためである。アンモニアの気泡が多く発生した場合には、表面張力の影響により連続噴射ができなくなるので、安定的なｐＨ調整に支障を来すという問題があった。
　本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものである。即ち、ｐＨ調整液の供給装置に噴霧器を採用する場合において、ｐＨ調整を安定的に行うことが可能なｐＨ自動調整装置を提供することを目的とする。
　第１の発明は、上記の目的を達成するため、ｐＨ自動調整装置であって、
　ｐＨに応じて変色するｐＨ指示薬が添加された液体サンプルを収容した容器と、
　ｐＨ調整液としてのアンモニア水または炭酸水を貯留する調整液ボトルと、
　前記容器内のサンプル液面に対向配置された噴射口を備え、キャリアガスによって霧化した前記調整液ボトル内のｐＨ調整液を当該噴射口から噴射する噴霧器と、
　前記噴霧器と前記調整液ボトルの間に配置され、前記噴霧器と前記調整液ボトルを連通して前記噴射口からｐＨ調整液を噴射する液噴射状態と、前記噴霧器と外気を連通して前記噴射口から空気を噴射する空気噴射状態とを切り替える多方弁と、
　前記容器の外部から照射され前記容器を透過した光の強度を検出する検出装置と、
　前記検出装置において検出される光の強度に基づいて前記多方弁の連通状態を切り替える制御装置と、
　を備えることを特徴とする。
　第２の発明は、第１の発明において、
　前記検出装置は、前記サンプルが目標ｐＨに調整された場合に前記ｐＨ指示薬に吸収される特定波長の光の強度と、前記ｐＨ指示薬に吸収されない参照波長の光の強度とを検出可能に構成され、
　前記制御装置は、前記検出装置において検出される前記特定波長および前記参照波長の光の強度から強度比を算出し、前記目標ｐＨに応じて設定される目標強度比と当該算出強度比を比較することで前記多方弁の連通状態を切り替えるように構成されていることを特徴とする。
　第３の発明は、第２の発明において、
　前記制御装置は、前記目標強度比に対する前記算出強度比の割合が１を含む所定範囲内にある場合、当該割合が１に近づくほど前記液噴射状態とする期間を短くするように構成されていることを特徴とする。
　第１の発明によれば、液体サンプルを収容した容器を透過した光の強度に基づいて多方弁の連通状態を切り替えることができる。この連通状態の切り替えは、噴霧器と調整液ボトルを連通する状態（液噴射状態）と、噴霧器と外気を連通する状態（空気噴射状態）との間で行われる。液噴射状態に制御することで、調整液ボトル内のｐＨ調整液を噴霧器に送り、その噴射口から噴射できる。空気噴射状態に制御することで、噴霧器内に生じたｐＨ調整液の気泡を空気によって押し出して噴霧器内に残るｐＨ調整液とともに噴霧器の噴射口から噴射できる。従って、噴霧器内にｐＨ調整液の気泡が大量に生じるのを抑制できる。よって、ｐＨ調整を安定的に行うことができる。
　第２の発明によれば、参照波長の光の強度を基準として算出した目標強度比と算出強度比を比較することで多方弁の連通状態を切り替えることができる。従って、容器の不均一性や、容器の設置位置の違いによる影響を最小化できるので、サンプルのｐＨ調整を安定的に行うことができる。
　第３の発明によれば、目標強度比に対する算出強度比の割合が１を含む所定範囲内にある場合、当該割合が１に近づくほど液噴射状態とする期間を短くするので、サンプルのｐＨが目標ｐＨに近づくほどｐＨ調整液の噴射量を減らすことできる。従って、サンプルのｐＨを目標ｐＨに合わせ込むことができる。
実施形態のｐＨ自動調整装置の構成を示す概略図である。 ネブライザ２８の拡大模式図である。 三方弁４０の動作を説明するための図である。 ＰＣ４２において実行される処理ルーチンを示すフローチャートである。
　以下、図１乃至図４や実験例を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。
［ｐＨ自動調整装置の構成］
　図１は、本実施形態のｐＨ自動調整装置の構成を示す概略図である。本実施形態のｐＨ自動調整装置１０は、ｐＨ指示薬（メチルイエロー、メチルオレンジまたはメチルレッド）を添加した液体サンプル１２のｐＨを自動的に調整するための装置である。図１に示すように、ｐＨ自動調整装置１０は、サンプル１２を収容可能な四角形状の本体部１４ａと、サンプル１２を出し入れするための開口部１４ｂとから構成される容器１４を備えている。容器１４はポリプロピレン製の透明容器である。但し、後述する特定波長λａおよび参照波長λｒの光の両者に対して高い透過性を示すものであれば、容器１４の材料は特に限定されない。
　本体部１４ａは撹拌器１６上に設置されている。本体部１４ａの内部には撹拌子１８が設置されている。撹拌器１６は電磁コイルによって撹拌子１８を低速回転させるものである。撹拌子１８を低速回転させることでサンプル１２を緩やかに撹拌することができる。なお、撹拌子１８としては、回転中に本体部１４ａとの接触によって磨耗することのないような形状、材料のものであれば特に限定されない。
　本体部１４ａの一方の側面には、特定波長λａおよび参照波長λｒの光を発生させる光源２０と、ピンホール板２２とが設置されている。光源２０としては、例えばＬＥＤ光源、ハロゲン光源、タングステンランプなどが採用される。ピンホール板２２の中心には、光源２０で発生させた光束のうちの一部を透過するピンホール２２ａが設けられている。
　本体部１４ａの他方の側面には、その中心にピンホール２４ａが形成されたピンホール板２４と、上記特定波長光の信号強度Ｉａおよび参照波長光の信号強度Ｉｒを測定する分光器２６とが設置されている。分光器２６の代わりに、上記特定波長光および参照波長光に対して十分な感度を有するフォトダイオード、光センサなどを用いることもできる。
　また、ｐＨ自動調整装置１０は、アンモニア水３６を噴射可能な噴霧器（ネブライザ）２８を備えている。ネブライザ２８は高さ調節部材（不図示）に取り付けられ、開口部１４ｂ側から本体部１４ａ内に挿入されている。ネブライザ２８の噴射口２８ａの高さは、サンプル１２の液面に接触することのないように調節されている。
　図２を参照しながら、ネブライザ２８の構成について説明する。図２は、ネブライザ２８の拡大模式図である。図２に示すように、ネブライザ２８は、キャリアガスとしての窒素ガスを流通可能なガス供給管３０と、アンモニア水３６を流通可能な液体供給管３２とを備えている。ガス供給管３０は、ガス供給口３０ａとガス噴射口３０ｂとを備えている。ガス供給口３０ａは、窒素ガスを圧縮吐出するコンプレッサ（不図示）に接続されている。液体供給管３２は、液体供給口３２ａと液体噴射口３２ｂとを備えている。液体供給口３２ａは、非金属製のチューブ３４と接続されている。なお、図２においては、ガス供給管３０の内側に液体供給管３２が配置される二重管構造を有する同軸型のネブライザを示したが、このほか多重管構造を有する同軸型や、クロスフロー型の微細噴霧を特徴とするネブライザを用いることもできる。
　再び図１に戻り、ｐＨ自動調整装置１０の構成について説明する。ネブライザ２８は、ｐＨ調整液としてのアンモニア水３６を内部に収納した調整液ボトル３８とチューブ３４を介して接続されている。チューブ３４の途中には、電磁式の多方弁（三方弁）４０が設けられている。三方弁４０は内部通路４０ａと外気連通管４０ｂを備えている。
　図３は、三方弁４０の動作を説明するための図である。図３（ａ）に示すように、内部通路４０ａを調整液ボトル３８側に操作すると、ネブライザ２８と調整液ボトル３８が連通する（開状態）。一方、図３（ｂ）に示すように、外気連通管４０ｂ側に内部通路４０ａを操作すると、ネブライザ２８が外気と連通する（閉状態）。
　ガス噴射口３０ｂからキャリアガスが吐出される際には負圧作用が生じる。そのため、三方弁４０を開状態にすると、調整液ボトル３８内のアンモニア水３６が内部通路４０ａ内に引っ張られ、ネブライザ２８に送られる。三方弁４０を閉状態にすると、外気連通管４０ｂ側の空気が内部通路４０ａ内に引っ張られ、ネブライザ２８に送られる。ネブライザ２８に送られたアンモニア水３６または空気は、窒素ガスとともに噴射される。但し、液体噴射口３２ｂから噴射されたアンモニア水３６はガス噴射口３０ｂに衝突して微細な液滴となるので、サンプル１２の液面には霧化したアンモニア水３６が噴射される。
　また、ｐＨ自動調整装置１０は、制御装置としてのＰＣ４２を備えている。ＰＣ４２の入力側には分光器２６が接続されており、分光器２６からの透過光信号４４がＰＣ４２に入力される。一方、ＰＣ４２の出力側にはＩ／Ｏボード４６を介して三方弁４０が接続されており、ＰＣ４２からの開閉信号４８が三方弁４０に入力される。三方弁４０同様、ＰＣ４２の出力側に撹拌器１６や、上記高さ調節部材が接続されていてもよい。また、ＰＣ４２およびＩ／Ｏボード４６の代わりに、基板集積コントローラを使用してもよい。
　ＰＣ４２は、透過光信号４４に基づいてｐＨ調整の到達割合ｆ（後述）を算出し、この到達割合ｆに応じて開閉信号４８を出力し、三方弁４０の開閉状態を制御するように構成されている。なお、ＰＣ４２の内部メモリには、各種計算モデルやマップなどが予め記憶されている。例えば、到達割合ｆを算出するためのアルゴリズムや、ｐＨと信号強度Ｉの相関を示す信号強度マップなどが記憶されている。なお、信号強度マップは、例えば、ｐＨ既知のサンプルに事前設定した波長の光を照射し、サンプルを透過した当該設定波長の強度を測定して相関関係を得ることにより作成される。
［ｐＨ自動調整装置の特徴］
　上述したように、ｐＨ調整液としてのアンモニア水を噴霧器から噴射しようとすると、噴霧器内にアンモニアの気泡が生じてしまう。そこで、本実施形態においては、到達割合ｆに応じて三方弁４０を操作する制御を実行することとしている。到達割合ｆｉは、信号強度比の目標値Ｒ０に対する信号強度比の現在値Ｒｉの割合として表される。現在値Ｒｉは、参照波長の信号強度Ｉｒに対する特定波長の信号強度Ｉａの割合として表される。
　図４は、本実施形態において、ＰＣ４２において実行されるｐＨ調整処理ルーチンを示すフローチャートである。なお、本処理ルーチンの開始時において、目標ｐＨ、特定波長λａおよび参照波長λｒは、ｐＨ指示薬の変色特性に応じて決定されてＰＣ４２に入力されているものとする。また、三方弁４０は閉状態に制御されているものとする。
　図４に示すルーチンにおいては、先ず、繰り返し回数ｎの値がゼロに設定される（ステップ１００）。繰り返し回数ｎは到達割合ｆの計測を１回行う毎にカウントされるものであり、ステップ１００の処理を行うことで前回調整時のカウント数をリセットする。
　続いて、目標ｐＨから信号強度比の目標値Ｒ０が計算される（ステップ１０２）。具体的には、先ず、上記信号強度マップのうちから目標ｐＨに対応するマップが探索され、特定波長λａおよび参照波長λｒのそれぞれに対応する信号強度Ｉａ０，Ｉｒ０が算出される。そして、信号強度Ｉａ０を信号強度Ｉｒ０で除すことで目標値Ｒ０が算出される。
　続いて、信号強度Ｉａ，Ｉｒが計測される（ステップ１０４）。信号強度Ｉａ，Ｉｒの計測は、具体的に、光源２０から特定波長λａおよび参照波長λｒの光を交互に照射することにより行われる。特定波長光の照射中に分光器２６からＰＣ４２に入力される透過光信号４４に基づき、信号強度Ｉａが計測される。参照波長光の照射中に分光器２６からＰＣ４２に入力される透過光信号４４に基づき、信号強度Ｉｒが計測される。
　続いて、信号強度比の現在値Ｒｉが計算される（ステップ１０６）。具体的には、ステップ１０４で計測された信号強度Ｉａを信号強度Ｉｒで除すことで現在値Ｒｉが計算される。
　続いて、到達割合ｆｉが計算される（ステップ１０８）。具体的には、ステップ１０６で計算された現在値Ｒｉをステップ１０２で計算された目標値Ｒ０で除すことで到達割合ｆｉが計算される。
　続いて、到達割合ｆｉに対する評価がなされる（ステップ１１０～１３６）。具体的には、先ず、到達割合ｆｉ≦１が成立するかが判定される（ステップ１１０）。到達割合ｆｉ≦１が成立すると判定された場合は、０．９５＜到達割合ｆｉが成立するかが判定される（ステップ１１２）。０．９５＜到達割合ｆｉが成立すると判定された場合は、０．９７＜到達割合ｆｉが成立するかが判定される（ステップ１１４）。０．９７＜到達割合ｆｉが成立すると判定された場合は、０．９９＜到達割合ｆｉが成立するかが判定される（ステップ１１６）。０．９９＜到達割合ｆｉが成立すると判定された場合は、繰り返し回数ｎをカウントする（ステップ１１８）。
　ステップ１１０において、到達割合ｆｉ≦１が成立しないと判定された場合、ステップ１１８に進む。ステップ１１２において、０．９５＜到達割合ｆｉが成立しないと判定された場合、三方弁４０が開状態に制御される（ステップ１２０）。これにより、調整液ボトル３８内のアンモニア水３６がネブライザ２８に送られ、液体噴射口３２ｂから噴射される。ステップ１２０の処理後は、ステップ１０４に戻り、信号強度Ｉａ，Ｉｒが計測される。つまり、ステップ１２０からステップ１０４に戻る処理は、０．９５＜到達割合ｆｉが成立するまで繰り返し実行される。
　ステップ１１４において、０．９７＜到達割合ｆｉが成立しないと判定された場合、三方弁４０が開状態に制御され（ステップ１２２）、待ち時間（０．１秒）が計測される（ステップ１２４）。これにより、調整液ボトル３８内のアンモニア水３６が当該待ち時間が経過するまでネブライザ２８に送られ、液体噴射口３２ｂから噴射される。待ち時間の経過後、三方弁４０が閉状態に制御され（ステップ１２６）、待ち時間が再計測される（ステップ１２８）。これにより、当該待ち時間が経過するまで外気連通管４０ｂ側の空気がネブライザ２８に送られ、ネブライザ２８内に残るアンモニア水とともに液体噴射口３２ｂから噴射される。本ステップの処理後は、ステップ１０４に戻り、信号強度Ｉａ，Ｉｒが計測される。つまり、ステップ１２２，１２４，１２６，１２８を経てステップ１０４に戻る処理は、０．９７＜到達割合ｆｉが成立するまで繰り返し実行される。
　ステップ１１６において、０．９９＜到達割合ｆｉが成立しないと判定された場合、三方弁４０が開状態に制御され（ステップ１３０）、待ち時間（０．０５秒）が計測される（ステップ１３２）。待ち時間の経過後、三方弁４０が閉状態に制御される（ステップ１３４）。ステップ１３０，１３２，１３４の処理は、基本的にはステップ１２２，１２４，１２６の処理と同様である。但し、ステップ１３２の待ち時間は、ステップ１２４の待ち時間よりも短く設定される。ステップ１３４の処理後、待ち時間が再計測される（ステップ１３６）。ステップ１３６の待ち時間は、ステップ１２８の待ち時間と同一に設定される。ステップ１３６の処理後は、ステップ１０４に戻り、信号強度Ｉａ，Ｉｒが計測される。つまり、ステップ１３０，１３２，１３４，１３６を経てステップ１０４に戻る処理は、０．９９＜到達割合ｆｉが成立するまで繰り返し実行される。
　ステップ１１８に続いて、繰り返し回数ｎ≧３が成立するかが判定される（ステップ１３８）。ステップ１３８の判定を行うことにより、ステップ１１０～１１６の判定の精度を担保する。繰り返し回数ｎ＜３と判定された場合は、ステップ１０４に戻り、信号強度Ｉａ，Ｉｒが計測される。繰り返し回数ｎ≧３と判定された場合は、三方弁４０が閉状態に制御される（ステップ１４０）。これにより、ｐＨ調整を終了する。
　以上、図４に示したルーチンによれば、ステップ１２８，１３６の処理を行うことにより、ネブライザ２８内に生じたアンモニアの気泡を空気によって押し出してネブライザ２８内に残るアンモニア水とともに噴射口２８ａから噴射できる。従って、ネブライザ２８内にアンモニアの気泡が発生するのを抑制しながらｐＨ調整できる。従って、サンプル１２のｐＨ調整を連続的に行うことができる。また、ステップ１３２の待ち時間をステップ１２４の待ち時間よりも短く設定するので、到達割合ｆｉが１．００に近づくほどアンモニア水の噴射量を少なくできる。従って、サンプル１２のｐＨを目標ｐＨに合わせ込むことができる。更に、ステップ１３８の判定を行うことにより、ステップ１１０～１１６の判定の精度を担保できる。従って、サンプル１２のｐＨ調整を高精度に行うことができる。
　加えて、図４に示したルーチンによれば、ステップ１１０～１１６の判定に用いる到達割合ｆｉを信号強度比Ｒａ，Ｒｒに基づいて計算できる。従って、容器１４の不均一性や、容器１４の設置位置の違いによる影響を最小化できるので、サンプル１２のｐＨ調整を安定的に行うこともできる。
　ところで、本実施形態においてはｐＨ調整液にアンモニア水を用いたが、アンモニア水同様、金属成分を含まず、なお且つ、減圧状態で気泡を生じる性質を有する炭酸水を用いてもよい。
　また、本実施形態においてはｐＨと信号強度Ｉの相関を示す信号強度マップを用いて信号強度Ｉａ０，Ｉｒ０を算出し、この信号強度Ｉａ０，Ｉｒ０から信号強度比の目標値Ｒ０を算出したが、ｐＨと信号強度比Ｒの相関を示す信号強度比マップを用いて目標値Ｒ０を直接的に算出してよい。なお、信号強度比マップは、信号強度マップ同様、ｐＨと信号強度比Ｒの相関関係を得ることにより作成できる。
　また、本実施形態においては、ステップ１１２，１１４，１１６に示したように到達割合ｆｉの範囲を３段階に設定したが、４段階以上に設定してもよい。この場合においても、ステップ１２４，１２６に示したように、到達割合ｆｉが１．００に近づくほど待ち時間を短くすれば、サンプル１２のｐＨが目標ｐＨに近づくほどアンモニア水の噴射量を少なくできる。従って、サンプル１２のｐＨを目標ｐＨに合わせ込むことができる。
［実験例］
　次に、実験例を参照しながら、本実施形態のｐＨ自動調整装置について更に説明する。
　テスト試料：０．７％硝酸溶液５０ｍｌ中に、メチルレッド指示薬（０．１％）および酢酸（９９％）０．５ｍｌを添加し、アンモニア水（２８％）を用いてｐＨ調整を行った。特定波長λａは５５０ｎｍ、参照波長λｒは６５０ｎｍとした。
　結果：特定波長λａおよび参照波長λｒの光の信号強度は同時に変化するので、容器１４の設置位置を変えても安定的にｐＨ調整ができた。調整目標ｐＨ＝６．０としてｐＨ調整を行ったところ、８個の独立したテスト試料のうち、ｐＨ＝５．９となったものが１個、ｐＨ＝６．０となったものが５個、ｐＨ＝６．１となったものが２個であった。各テスト試料の調整は５分以内に完了できた。
　この結果から、固相抽出における微量元素の回収率の再現性を確保するのに十分な精度でｐＨ調整できることが確認された。
　１０　自動調整装置
　１２　サンプル
　１４　容器
　２０　光源
　２６　分光器
　２８　ネブライザ
　２８ａ　噴射口
　３６　アンモニア水
　３８　調整液ボトル
　４０　三方弁
　４２　ＰＣ
　４４　透過光信号
　４８　開閉信号

Claims (3)

  1. 　ｐＨに応じて変色するｐＨ指示薬が添加された液体サンプルを収容した容器と、
    　ｐＨ調整液としてのアンモニア水または炭酸水を貯留する調整液ボトルと、
    　前記容器内のサンプル液面に対向配置された噴射口を備え、キャリアガスによって霧化した前記調整液ボトル内のｐＨ調整液を当該噴射口から噴射する噴霧器と、
    　前記噴霧器と前記調整液ボトルの間に配置され、前記噴霧器と前記調整液ボトルを連通して前記噴射口からｐＨ調整液を噴射する液噴射状態と、前記噴霧器と外気を連通して前記噴射口から空気を噴射する空気噴射状態とを切り替える多方弁と、
    　前記容器の外部から照射され前記容器を透過した光の強度を検出する検出装置と、
    　前記検出装置において検出される光の強度に基づいて前記多方弁の連通状態を切り替える制御装置と、
    　を備えることを特徴とするｐＨ自動調整装置。
  2. 　前記検出装置は、前記サンプルが目標ｐＨに調整された場合に前記ｐＨ指示薬に吸収される特定波長の光の強度と、前記ｐＨ指示薬に吸収されない参照波長の光の強度とを検出可能に構成され、
    　前記制御装置は、前記検出装置において検出される前記特定波長および前記参照波長の光の強度から強度比を算出し、前記目標ｐＨに応じて設定される目標強度比と当該算出強度比を比較することで前記多方弁の連通状態を切り替えるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のｐＨ自動調整装置。
  3. 　前記制御装置は、前記目標強度比に対する前記算出強度比の割合が１を含む所定範囲内にある場合、当該割合が１に近づくほど前記液噴射状態とする期間を短くするように構成されていることを特徴とする請求項２に記載のｐＨ自動調整装置。
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