(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心管の径方向外側に中間管を配置しさらにこの中間管の径方向外側に外管を配置してなるプラズマトーチと、
前記中心管に、試料を含有するキャリアガスを供給するキャリアガス供給手段と、
前記中心管と前記中間管との間に、プラズマガスを供給するプラズマガス供給手段と、
前記中間管と前記外管との間に第１の冷却ガスを供給する第１冷却ガス供給手段とを備えたＩＣＰ質量分析装置であって、
前記中心管を、前記キャリアガスが流通する内側管とこの内側管の径方向外側に配置された外側管とを備えた２重管構造とし、
かつ、前記内側管と前記外側管との間に、第２の冷却ガスを供給する第２冷却ガス供給手段を備えたことを特徴とするＩＣＰ質量分析装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、イオン源としてプラズマトーチを用いるＩＣＰ質量分析装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ＩＣＰ質量分析装置に用いられるプラズマトーチは中心管、中間管、および外側管を備えた三重管構造をしており、これらの各管には、キャリアガス（中心管）、プラズマガス（中間管）、冷却ガス（外側管）がそれぞれ供給されている。また、プラズマトーチの外周には高周波磁界を発生させる高周波コイルが配設されている。試料は霧化部で霧化されたうえでキャリアガスと混合されてプラズマトーチ内に送り込まれる。プラズマトーチに送り込まれた試料は、高周波コイルの高周波磁界によって生じる高周波誘導結合プラズマによってイオン化されたのち、そのイオンが質量分析部で分析されるようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来のＩＣＰ質量分析装置には、分析する元素によっては、分析中に発生する分子イオンによって分析が妨害される結果、分析精度が低下するという課題があった。以下、説明する。
【０００４】
通常、キャリアガスはアルゴン（Ａｒ）ガスから構成されている。また、試料は水溶液にした状態で霧化されてキャリアガスに混合される。そのため、キャリアガス中の試料をプラズマトーチ内でイオン化する際に、アルゴン（Ａｒ）がイオン化するうえ、水溶液中の水（Ｈ２Ｏ）も分解して、酸素イオンや水素イオンが発生する。このようにして発生したイオンは、プラズマトーチ内で結合して、ＡｒＯやＡｒＨなどの分子イオンを発生させる。これら分子イオンの分子量は鉄（Ｆｅ）やカリウム（Ｋ）の原子量とほぼ同じである。すなわち、Ｆｅ（５５．８４７）≒ＡｒＯ（５５．９４７４），Ｋ（３９．０９８）≒ＡｒＨ（４０．９５５９）である。そのため、鉄やカリウム（水質分析や不純物分析等にＩＣＰ質量分析装置を用いる場合に頻繁に分析される元素である）の分析を行う場合、プラズマトーチ内に発生する分子（ＡｒＯ，ＡｒＨ）が分析を妨害していた。具体的にいえば、鉄（Ｆｅ）やカリウム（Ｋ）を分析する場合、妨害分子（ＡｒＯ，ＡｒＨ）によってバックグラウンドが上昇する結果、分析下限が高くなり、微量分析が行えなくなっていた。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を解決するために、中心管の径方向外側に中間管を配置しさらにこの中間管の径方向外側に外管を配置してなるプラズマトーチと、前記中心管に、試料を含有するキャリアガスを供給するキャリアガス供給手段と、前記中心管と前記中間管との間に、プラズマガスを供給するプラズマガス供給手段と、前記中間管と前記外管との間に第１の冷却ガスを供給する第１冷却ガス供給手段とを備えたＩＣＰ質量分析装置において、前記中心管を、前記キャリアガスが流通する内側管とこの内側管の径方向外側に配置された外側管とを備えた２重管構造とし、かつ、前記内側管と前記外側管との間に、第２の冷却ガスを供給する第２冷却ガス供給手段を備えたことに特徴を有している。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
【０００７】
図１は、本発明の一実施の形態のＩＣＰ質量分析装置の要部の構成を示す図である。このＩＣＰ質量分析装置１は水質分析や不純物分析等に用いられるものであって、プラズマトーチ２と、質量分析部３と、キャリアガス供給手段４と、プラズマガス供給手段５と、第１冷却ガス供給手段６と、第２冷却ガス供給手段７とを備えている。
【０００８】
プラズマトーチ２は、中心管８と、中心管８の径方向外側に同心状に配置された中間管９と、中間管９の径方向外側に同心状に配置された外管１０と、高周波コイル１１とを備えている。中心管８は、内側管１２と、内側管１２の径方向外側に同心状に配置された外側管１３とからなる２重管構造となっている。これらの各管１２，１３，９，１０の先端、すなわち、質量分析部３側に位置する管端部は開放されている一方、各管１２，１３，９，１０の基端には、ガス供給口１２ａ，１３ａ，９ａ，１０ａ，が形成されている。
【０００９】
キャリアガス供給手段４は、霧化試料を混合させたキャリアガス（アルゴンガス等から構成される）Ａを、ガス供給口１２ａから内側管１２に供給している。プラズマガス供給手段５はアルゴン等のプラズマガスＢをガス供給口９ａから中間管９の内部、すなわち、中間管９と中心管８との間の隙間に供給している。第１冷却ガス供給手段６は、アルゴンガス等からなる第１の冷却ガスＣを、ガス供給口１０ａから外管１０の内部、すなわち、外管１０と中間管９との間に供給している。第２冷却ガス供給手段７は、窒素ガス等の高イオン化エネルギーガスからなる第２の冷却ガスＤを、ガス供給口１３ａから外側管１３の内部、すなわち、外側管１３と内側管１２との間に供給している。各ガス供給口９ａ，１０ａ，１２ａ，１３ａから各管９，１０，１２，１３に供給された各ガスＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄは、各管９，１０，１２，１３の先端から質量分析部３に向けて噴き出るようになっている。
【００１０】
高周波コイル１１は、プラズマトーチ２に高周波磁界を形成するものであって、外管１０の先端を囲んで配置されている。高周波コイル１１には高周波電源１４が接続されている。また、第２冷却ガス供給手段７と外側管１３との間のガス流路には、第２の冷却ガスＤの流量を調整するマスフローバルブ１５が設けられている。
【００１１】
質量分析部３は四重極型のマスフィルタおよびエレクトロンマルチプライヤ（共に図示省略）といったような構成を備えて、プラズマトーチ２で作成された試料イオンの質量分析を行っている。
【００１２】
なお、第２冷却ガス供給手段７が供給する第２の冷却ガスとして、上記した窒素ガスのほか、アルゴンガス、酸素ガス，キセノンガス、クリプトンガス等を用いることができる。
【００１３】
次に、このＩＣＰ質量分析装置１による質量分析操作を説明する。プラズマガス供給手段５から中間管９の内部にプラズマガスＢを供給する一方、第１冷却ガス供給手段６から外管１０の内部に第１の冷却ガスＣを供給する。そして、この状態で、高周波電源１４から高周波コイル１１に高周波電力を供給して、プラズマトーチ２の先端に高周波磁界を形成し、この高周波磁界によって、中間管９の先端から噴き出るプラズマガスＢをＩＣＰプラズマ化する。
【００１４】
一方、キャリアガス供給手段４を構成する霧化部（図示省略）において試料を霧化したうえでキャリアガスＡに混合させておく。そして、キャリアガス供給手段４から、試料混合済のキャリアガスＡを内側管１２に供給し、さらには、第２冷却ガス供給手段７から外側管１３に第２の冷却ガスＤを供給する。すると、内側管１２の先端からＩＣＰプラズマＰ中に第２の冷却ガスＤが噴き出る。さらに、噴き出た第２の冷却ガスＤ中にキャリアガスＡが噴き出る。すると、キャリアガスＡとＩＣＰプラズマＰとの間に流通する第２の冷却ガスＤがＩＣＰプラズマＰの熱を吸収するため、ＩＣＰプラズマＰの熱が若干キャリアガスＡに伝達しにくくなる。そのため、第２の冷却ガスＤを流通させたＩＣＰ質量分析装置１と第２の冷却ガスＤを流通させない従来のＩＣＰ質量分析装置とを、ＩＣＰプラズマ中のキャリアガスＡの温度で比較する場合、ＩＣＰ質量分析装置１の方がキャリアガスＡの温度が若干低くなる結果、分析精度が向上する。以下、その理由を説明する。
【００１５】
ＩＣＰ質量分析装置１で質量分析する元素のうちの鉄やカリウム（水質分析や不純物分析等にＩＣＰ質量分析装置１を用いる場合に頻繁に分析される元素である）について考える。これら金属元素（以下、分析対象金属元素と称す）の原子量は、ＩＣＰプラズマＰの作用によってキャリアガスＡから発生するＡｒＨイオンやＡｒＯイオン（以下、これら分子イオンを妨害分子イオンという）の分子量と同等となる。このことは”発明が解決しようとする課題”の欄において説明した通りである。そのため、これら妨害分子イオンの生成を許容していたのでは、分析対象金属元素の分析の障害となる。
【００１６】
これに対して、ＩＣＰ質量分析装置１では、次のようにして上記分子イオン（以下、障害分析イオンという）の生成を抑制している。すなわち、キャリアガスＡとＩＣＰプラズマＰとの間に第２の冷却ガスＤを流通させることで、ＩＣＰプラズマＰ内におけるキャリアガスＡの温度を若干低くすると、分析対象金属元素（鉄、カリウム）およびキャリアガス成分（アルゴン、水）は、温度が低下した分だけイオン化しにくくなる。
【００１７】
しかしながら、分析対象金属元素のイオン化エネルギーと、キャリアガスＡの成分（アルゴン、水）のイオン化エネルギーとを比較すると、分析対象金属元素のイオン化エネルギーの方が小さい、つまり、イオン化しやすい。そのため、ＩＣＰプラズマＰ内におけるキャリアガスＡの温度を若干低くすると、キャリアガスＡの方が分析対象金属元素よりイオン化しにくくなり、分析対象金属元素のイオン化をほとんど阻害することなく、キャリアガス成分のイオン化だけを有効に抑制することができる。そして、キャリアガス成分のイオン化を抑制できる分、キャリアガス成分のイオンから発生する妨害分子を減らすことができる。
【００１８】
このような理由により、ＩＣＰ質量分析装置１では、分析対象金属元素（鉄，カリウム）分析時のバックグラウンドが低下して分析下限が低くなり、その分だけ、微量分析が可能となっている。
【００１９】
なお、このように構成したＩＣＰ質量分析装置１では、プラズマトーチ２内でのキャリアガスＡの温度制御を綿密に行う必要がある。すなわち、ＩＣＰプラズマ中のキャリアガスの温度が低くなり過ぎると、分析感度が低下する一方、キャリアガスの温度があまり低下しないと、妨害分子の抑制効果が得られない。そこで、ＩＣＰ質量分析装置１では、第２の冷却ガスＤの流量を調整することでキャリアガスの温度制御を行っている。第２の冷却ガスＤの流量調整はマスフローバルブ１５により行う。
【００２０】
また、妨害分子の影響を受けない他の分析元素（鉛、水銀等の重金属や希土類等）を分析する場合には、マスフローバルブ１５を閉じて第２の冷却ガスＤの供給を停止すれば、ＩＣＰプラズマＰ中におけるキャリアガスＡの温度が低下して、分析感度が低下するといった不都合がなくなる。
【００２１】
ところで、妨害分子の発生を抑制するためには、次のような構成が考えられる。すなわち、キャリアガス供給手段４を構成する霧化部に対して、霧化に用いるガスとは別に、霧化用ガスと同種のガスを供給することでキャリアガス量を増やす。そして、このようにしてガス量を増量したキャリアガスをプラズマトーチ２に供給することでプラズマの温度を下げ、これによって妨害分子の発生を抑制する。
【００２２】
しかしながら、このようにして妨害分子の発生を抑制する構成には、次のような不都合がある。すなわち、キャリアガス供給手段４を構成する霧化部には、霧化した試料の粒子をその大きさによって分離させて粒の揃った小粒子だけをプラズマトーチ２に供給し、これによって分析精度を向上させるという整粒機能がある。このような機能を有する霧化部において、上述したようなキャリアガスを増量する構成を採用すると、霧化部のガス流量が設計時の値と大きく異なってしまって十分な整粒機能を発揮することができなくなり分析精度が劣化してしまうという不都合がある。
【００２３】
これに対して、本発明のＩＣＰ質量分析装置１では、プラズマトーチ２の構成を改良する（中心管８を、内側管１２と外側管１３とから構成し、両管１２，１３の間に第２冷却ガスＤを供給する）ことで、妨害分子の発生を抑制しており、霧化部の機能を阻害するといった不都合は起きない。
【００２４】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、第２の冷却ガスをＩＣＰプラズマとキャリアガスとの間に供給することで、ＩＣＰプラズマ中におけるキャリアガスの温度を若干下げることができ、これによって、キャリアガスから生じるＡｒＯ，ＡｒＨといった妨害分子の発生を抑制することができた。そのため、上記妨害分子の分子量と同等の原子量を有する鉄、カリウムといった分析対象金属元素の分析時のバックグラウンドが低下して分析下限が低くなり、その分だけ、微量分析が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係るＩＣＰ質量分析装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
２            プラズマトーチ            ４        キャリアガス供給手段
５            プラズマガス供給手段        ６        第１冷却冷却ガス供給手段
７            第２冷却ガス供給手段        ８        中心管
９            中間管                                １０        外管
１１            高周波コイル                    １２        内側管
１３            外側管                        Ａ        キャリアガス
Ｂ            プラズマガス                        Ｃ        第１の冷却ガス
Ｄ            第２の冷却ガス              Ｐ        ＩＣＰプラズマ
【図１】
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