(57)【要約】      （修正有）【課題】粒子が含有される試料を用いる場合でも、該試料を好適に霧状化して、試料に含まれる粒子を分析できる粒子分析装置を提供する。【解決手段】粒子が溶液中に分散した試料と、前記試料をキャリアガスフロー中に導入して霧状化する試料調整部２と、試料調整部２で霧状化された試料を導入し、該試料に含まれる粒子にエネルギーを与える反応部３と、反応部３でエネルギーを与えられた粒子が放出する光の発光スペクトルに基づいて、前記粒子の分析を行う分析部４とを備え、試料調整部２において、前記試料がキャリアガスフロー中に導入される導入方向と前記キャリアガスのフロー方向とが所定角度で交わる粒子分析装置１。【選択図】図１
2014211377.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子が溶液中に分散した試料と、
前記試料をキャリアガスフロー中に導入して霧状化する試料調整部と、
前記試料調整部で霧状化された試料を導入し、該試料に含まれる粒子にエネルギーを与える反応部と、
前記反応部でエネルギーを与えられた粒子が放出する光の発光スペクトルに基づいて、前記粒子の分析を行う分析部とを備え、
前記試料調整部において、前記試料がキャリアガスフロー中に導入される導入方向と前記キャリアガスのフロー方向とが所定角度で交わる粒子分析装置。
【請求項２】
前記反応部が、プラズマを発生させるとともに、前記試料調整部で霧状化された試料に含まれる粒子を励起して原子化又はイオン化して、
前記分析部が、前記反応部で励起された原子又はイオンがエネルギー準位を下げるときに放出する光の発光スペクトルに基づいて、該粒子の分析を行う請求項１記載の粒子分析装置。
【請求項３】
前記所定角度が９０度である請求項１又は２記載の粒子分析装置。
【請求項４】
前記試料調整部において、前記試料はポンプで吸い上げられてキャリアガスフロー中に導入される請求項１、２又は３記載の粒子分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粒子分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁性体材料や誘電体材料等の様々な材料分野において、高度に機能化された粒子を用いた材料が開発されており、このような材料をさらに高品質なものにするには、粒子ひとつひとつの特性を評価することが重要である。
【０００３】
粒子の特性を評価する分析装置として、例えば特許文献１記載の誘導結合プラズマ質量分析装置がある。
この分析装置は、霧状化された試料に含まれる粒子をプラズマの発生によってイオン化し、このイオン化した粒子の元素を質量電荷比に応じて分離して検出することで、粒子の特性を評価するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平６−９６７２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献１では、試料を霧状化するために同軸型のネブライザーが用いられている。
同軸型のネブライザーは、試料が流れる細管と細管を囲むように配置されてキャリアガスが流れる配管とを備え、この配管は先端に向かうにつれて管径が小さくなるようにテーパが設けられた先細り形状を有する。そして、先細りした先端を通り抜けるときにかかる圧力を用いて試料を霧状化するものである。
【０００６】
しかし、同軸型のネブライザーでは、試料に粒子が含有されると、先細りした配管の先端に粒子が詰まってしまい、試料を霧状化することができないという問題が生じる。
また、粒子の詰まりをなくすために先細りした配管の先端の管径を大きくすることが考えられるが、管径を大きくするとかかる圧力が小さくなるので、いずれにしても試料を霧状化できないという問題が生じる。
【０００７】
本発明は上記問題に鑑み、試料に粒子が含有される場合でも該試料を好適に霧状化して、試料に含まれる粒子を分析できる粒子分析装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の粒子分析装置は、粒子が溶液中に分散した試料と、前記試料をキャリアガスフロー中に導入して霧状化する試料調整部と、前記試料調整部で霧状化された試料を導入し、該試料に含まれる粒子にエネルギーを与える反応部と、前記反応部でエネルギーを与えられた粒子が放出する光の発光スペクトルに基づいて、前記粒子の分析を行う分析部とを備え、前記試料調整部において、前記試料がキャリアガスフロー中に導入される導入方向と前記キャリアガスのフロー方向とが所定角度で交わることを特徴とする。
【０００９】
このような構成であれば、キャリアガスフロー中に試料を導入すると試料が噴霧されて霧状化されるので、同軸型のネブライザーと比較すると配管の管径に制限されずに試料を霧状化することができる。そのため、試料に含有される粒子の粒径に合わせて配管の管径を自由に変えて、粒子が配管に詰まらないようにして、試料を好適に霧状化することができる。
【００１０】
また、キャリアガスの流量を制御すれば、試料が個々の粒子に分散するように霧状化できるので、試料を粒子ごとに反応部に導入して分析部の分析精度を向上することができる。
【００１１】
本発明の粒子分析装置は、前記反応部が、プラズマを発生させるとともに、前記試料調整部で霧状化された試料に含まれる粒子を励起して原子化又はイオン化して、前記分析部が、前記反応部で励起された原子又はイオンがエネルギー準位を下げるときに放出する光の発光スペクトルに基づいて、該粒子の分析を行う好ましい。
【００１２】
ここでプラズマを発生する方法として、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）又はマイクロ波誘導プラズマ（ＭＩＰ）がよく用いられる。誘導結合プラズマは、試料が液体であり上述した詰まりのため霧状化できないという問題が生じにくいが、マイクロ波誘導プラズマは粒子を扱うことが多く、試料が粒子を含有して霧状化できないという問題が生じやすい。
しかし、本発明の粒子分析装置では、マイクロ波誘導プラズマを用いてプラズマを発生させる場合でも好適に試料を霧状化して分析を行うことができる。
【００１３】
本発明の粒子分析装置は、前記所定角度が９０度であることが好ましい。
【００１４】
このような構成であれば、キャリアガスフロー中に導入される試料を無駄なく霧状化することができる。
【００１５】
本発明の粒子分析装置は、前記試料調整部において、前記試料はポンプで吸い上げられてキャリアガスフロー中に導入される。
【００１６】
同軸型のネブライザーの場合、配管にキャリアガスが流れると細管内部が減圧されて、試料が細管に吸い込まれる方式が用いられている。この方式の場合、キャリアガスの流量で霧状化される試料の量が決定されてしまうが、本発明の粒子分析装置では、試料がポンプで吸い上げられてキャリアガスフロー中に導入されるので、キャリアガスの流量に関わらず霧状化される試料の量を決定することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、粒子が含有される試料を用いる場合でも好適に霧状化して、該試料に含まれる粒子を分析することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本実施形態における粒子分析装置の概略図。
【図２】本実施形態における試料調整部の断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の一実施形態について、以下図面を参照しながら説明する。
【００２０】
本実施形態における粒子分析装置１は、マイクロ波誘導プラズマ（ＭＩＰ）を用いて粒子を原子化又はイオン化し、この原子又はイオンが発する光の発光スペクトルに基づいて発光分光分析を行うものである。
【００２１】
そして、本実施形態における粒子分析装置１は、図１に示すように、粒子が溶液中に分散した試料と、試料をキャリアガスフロー中に導入して霧状化する試料調整部２と、試料調整部２で霧状化された試料を導入し、該試料に含まれる粒子にエネルギーを与える反応部３と、反応部３でエネルギーを与えられた粒子が放出する光の発光スペクトルに基づいて、粒子の分析を行う分析部４とを備える。
【００２２】
各部について説明する。
【００２３】
試料調整部２は、図２に示すように、試料が流れる試料導入チューブ５と、試料が収容された収容槽８から試料導入チューブ５へ試料を導入するポンプ６と、例えばアルゴンガス等のキャリアガスが流れるキャリアガス導入管７と、試料をキャリアガスフロー中に導入して霧状化するネブライザー９と、霧状化した試料に含まれる粒子を反応部３へと送るスプレーチャンバー１０とを備える。
【００２４】
試料導入チューブ５は、収容槽８からネブライザー９へ試料を導入させるものであって、一端が収容槽８内に収容された試料に差し込まれるとともに、他端がネブライザー９の後述する第１流路９ａに差し込まれた状態で取り付けられている。
【００２５】
この取り付け機構としては、例えば試料導入チューブ５とネブライザー９との接続部分５ａに配置されるナット部分を回転させて、試料導入チューブ５を締め付けて装着するもの又は接着剤を使って固定するものが挙げられる。
【００２６】
収容槽８は、測定粒子を例えば水等の溶液に分散させた懸濁液の状態で収容する例えばビーカー等である。
【００２７】
ポンプ６は、試料導入チューブ５の途中に取り付けられた例えば蠕動ポンプ６であり、取り付けられた試料導入チューブ５の一部を押しつぶして試料導入チューブ５の断面積を局部的に減少させることで、収容槽８から試料導入チューブ５へ試料を導入するものである。
【００２８】
キャリアガス導入管７は、例えばガスボンベから放出されるキャリアガスをネブライザー９へ導入させるものであって、一端が例えばガスボンベに接続されるとともに、他端がネブライザー９の後述する第２流路９ｂに差し込まれた状態で取り付けられている。このキャリアガスとしては、例えばアルゴンガス等が挙げられる。なお、取り付け機構は、上述した機構と同様であるためここでは説明を省略する。
【００２９】
しかして、ネブライザー９は、キャリアガスが流れる第２流路９ｂと、第２流路９ｂと互いに直交するように配置されるとともに試料が流れる第１流路９ａと、第２流路９ｂが合流する合流位置から外部に向かって開口する噴出口９ｃとを備える。
【００３０】
第２流路９ｂは、第１流路９ａと合流する合流位置近傍までキャリアガス導出管７が差し込まれ、このキャリアガス導出管７内をキャリアガスが通ることで、第２流路９ｂにキャリアガスが流れる。そして、キャリアガスは第２流路９ｂから噴出口９ｃに向かって放出される。
【００３１】
第１流路９ａは、第２流路９ｂと合流する合流位置近傍まで試料導入チューブ５が差し込まれ、この試料導入チューブ５を試料が通ることで、第１流路９ａに試料が流れる。そして、試料は第１流路９ａからキャリアガスフロー方向（第２流路９ｂの軸方向）と直交する方向に向かって放出される。
【００３２】
そのため、第１流路９ａと第２流路９ｂとの合流位置において、第２流路９ｂから放出されるキャリアガスフローに、該フロー方向と直交する方向から第１流路９ａから放出される試料が導入さる。キャリアガスフロー中に導入された試料は噴霧されて霧状化し、この霧状化した試料が噴出口９ｃから外部へ噴出する。
【００３３】
なお、第１流路９ａと第２流路９ｂとがなす角度は９０度に限られず、試料をキャリアガスフロー中に導入して霧状化できる角度であればよい。
【００３４】
スプレーチャンバー１０は、ネブライザー９の噴出口９ｃから噴霧された試料に含まれる粒子を反応部３へと送るものであって、噴出口９ｃを覆うように取り付けられる筒形状のケーシングである。
【００３５】
このケーシングには、反応部３へ接続される接続部１０ａと、試料に含まれる溶液を排出するドレーンへ接続される接続部１０ｂが設けられている。なお、スプレーチャンバー１０をネブライザー９に取り付ける機構も、上述した機構と同様であるため、ここでは説明を省略する。
【００３６】
反応部３は、マイクロ波によって大気圧下でプラズマを発生させるものであって、プラズマが発生するキャビティ１１を備える。
【００３７】
キャビティ１１は、図１に示すように、スプレーチャンバー１０から送られた粒子が導入される導入路１１ｂ、反応ガスが導入される導入路１１ａ、及び、マイクロ波が導入される導入路１１ｃに接続されるとともに、キャビティ１１の外壁には、粒子が励起して発する光を外部に透過させて検出するための検出窓１１ｄが設けられる。
【００３８】
なお、このキャビティ１１としては、例えばＯｋａｍｏｔｏＣａｖｉｔｙを用いることができる。
【００３９】
分析部４は、反応部３で粒子が放出する光の発光スペクトルを所定の波長毎に分光して、粒子を分析するものである。
そして、図１に示すように、検出窓１１ｄから放出される光を分光器１３へと導く光学系１２と、光学系１２から導かれた光から目的波長を取り出す分光器１３と、分光器１３で取り出された波長の光を電気信号に変換する光変換部１４と、光変換部１４で得られた電気信号を分析する情報処理装置１５とを備える。
【００４０】
光学系１２は、検出窓１１ｄから放出される光を分光器１３の台数に合わせて分けるものであって、本実施形態では２台の分光器１３ａ、１３ｂが配置されているので、検出窓１１ｄから放出される光を２つに分けて、透過した光を分光器１３ａへと導くビームスプリッター１２ａと、ビームスプリッター１２ａで反射された光を分光器１３ｂへと導くミラー１２ｂとを備える。
【００４１】
分光器１３（１３ａ、１３ｂ）は、光学系１２から導かれた光から目的波長を取り出すものであって、本実施形態では、例えばモノクロメータが分光器１３として用いられる。
【００４２】
このモノクロメータは、例えば、第１凹面鏡で反射した光を回折格子で分散させて、第２凹面鏡で反射させた後にスリットを通過させることによって、目的とする波長の光のみを取り出すものである。
【００４３】
光変換部１４（１４ａ、１４ｂ）は、分光器１３ａ、１３ｂそれぞれに配置されるものであって、分光器１３ａ、１３ｂで取り出された波長の光を光強度に応じて電気信号に変換する。本実施形態では、例えば光電子増倍管（ＰＭＴ）が光変換部１４として用いられる。
【００４４】
この光電子増倍管は、例えば、光電陰極と複数のダイノードと呼ばれる二次電子倍増電極とを備え、光電子増倍管に入射した光が光電陰極に衝突して１つの光電子に変換され、この１つの光電子がダイノードに衝突するたびに光電子を増加させて入射光の光強度に応じた電気信号を生成するものである。
【００４５】
情報処理装置１５は、構造的には、ＣＰＵ、内部メモリ、Ｉ／Ｏバッファ回路、ＡＤコンバータ等を有した所謂コンピュータ回路である。そして、内部メモリの所定領域に格納したプログラムに従って動作することで情報処理を行い、光変換部１４（１４ａ、１４ｂ）から送られた電気信号を解析して、粒子の組成等を分析するものである。
【００４６】
以下、本実施形態における粒子分析装置１の動作について説明する。
【００４７】
測定粒子が溶液中に分散した試料が、ポンプ６によって収容槽８から吸い上げられて試料導入チューブ５を通ってネブライザー９の第１流路９ａへと導かれる。
【００４８】
また、例えばガスボンベ等から放出されたキャリアガスは、キャリアガス導入管７を通ってネブライザー９の第２流路９ｂに導かれ、第１流路９ａと第２流路９ｂが合流する合流位置から噴出口９ｃに向かってフローされる。
【００４９】
第１流路９ａに導かれた試料は、第２流路９ｂと合流する合流位置で噴出口９ｃに向かってフローするキャリアガス中に導入される。ここで、第１流路９ａと第２流路９ｂとは直交して配置されているので、試料がキャリアガスフロー中に導入される導入方向と、キャリアガスがフローする方向とは直交することになる。
【００５０】
そして、キャリアガスフロー中に導入された試料は、キャリアガスと接触すると噴霧されて霧状となり、噴出口９ｃから外部へ向かって噴出する。
【００５１】
噴出口９ｃから外部へ向かって噴出した試料は、ネブライザー９の噴出口９ｃを覆うように取り付けられたスプレーチャンバー１０に導入される。
ここで、霧状になった試料に含まれる溶液は、スプレーチャンバー１０の内壁に付着するとともに、この付着した液滴が重力に従って接続部１０ｂからドレーンに排出される。そのため、試料に含まれる粒子のみがキャリアガスの流れに乗ってスプレーチャンバー１０の接続部１０ａから導入路１１ｂを通って反応部３内に導かれる。
【００５２】
なお、このときキャリアガスの流量を制御すれば、スプレーチャンバー１０内の試料は個々の粒子ごとに分散した状態となり、粒子を一つずつ反応部３に導くこともできる。
【００５３】
反応部３内では、導入路１１ａから導入された反応ガスが、導入路１１ｃから導入されたマイクロ波によってプラズマ化される。そして、このプラズマ化するときに発生する熱エネルギーによって、反応部３内に導かれた粒子が解離・励起して原子化又はイオン化する。励起された原子又はイオンは、エネルギー準位を下げるときに光を放出する。
【００５４】
粒子が放出した光は反応部３の検出窓１１ｄから放出される。この検出窓１１ｄから放出された光がビームスプリッター１２ａを通過すると、一部が透過して分光器１３ａに入射するとともに、一部が反射してミラー１２ｂで反射された後に分光器１３ｂに入射する。
【００５５】
分光器１３（１３ａ、１３ｂ）に導入された光は、目的の波長のみが取り出されて、光変換部１４（１４ａ、１４ｂ）によって光強度に応じた電気信号に変換され、この電気信号が情報処理装置１５に送られる。
【００５６】
情報処理装置１５は、電気信号を解析して粒子に含まれる元素の組成等を分析する。
【００５７】
以上のように構成した本実施形態の粒子分析装置１によれば、以下のような効果を有する。
【００５８】
試料調整部２において、試料がキャリアガスフロー中に導入される導入方向とキャリアガスのフロー方向とが交わるので、キャリアガスフロー中に試料を導入すると試料が噴霧されて霧状化される。そのため、同軸型のネブライザーと比較すると配管の管径に制限されずに試料を霧状化することができるので、試料に含有される粒子の粒径に合わせて試料導入チューブ５の管径を自由に変えて、粒子が配管に詰まらないようにして、試料を好適に霧状化することができる。
【００５９】
また、キャリアガスの流量を制御すれば、試料が個々の粒子に分散するように霧状化できるので、試料を個々の粒子ごとに反応部３に導入して分析部４の分析精度を向上することができる。
【００６０】
また、試料がキャリアガスフロー中に導入される導入方向とキャリアガスのフロー方向とが交わる角度が９０度であるので、キャリアガスフロー中に導入される試料を無駄なく霧状化することができる。
【００６１】
また、本実施形態では反応部３がプラズマを発生する方法として、マイクロ波誘導プラズマを用いたが、試料が粒子を含有するケースでも、マイクロ波誘導プラズマを用いて好適に試料を霧状化して分析を行うことができる。
【００６２】
収容槽８に収容された試料をポンプ６で吸い上げてキャリアガスフロー中に導入するので、キャリアガスの流量に関わらず試料の流量を自由に決定することができる。
【００６３】
なお、本発明は上記実施形態に限られたものではない。
【００６４】
本実施形態では、反応部がマイクロ波誘導プラズマによりプラズマを発生させるが、誘導結合プラズマ等の他の方法を用いてプラズマを発生させても構わないし、プラズマに限られず、粒子にエネルギーを与える方法は適宜変更することができる。
【００６５】
加えて分析部の構成は測定粒子に合わせて適宜変更されるものである。
【００６６】
反応部でプラズマ化される反応ガスは、特にヘリウムガスを用いることが好ましい。ヘリウムガスは励起・イオン化エネルギーが大きく質量数も小さいので、ヘリウムガスをプラズマ化したヘリウムプラズマはすべての元素を励起して原子化又はイオン化することができる。また、スペクトル干渉も少ないので、微量元素の分析に用いることができる。
又、用途によっては、上記反応ガスにアルゴンガスや窒素ガスを使うことも可能である。
【００６７】
本発明は、その趣旨に反しない範囲で様々な変形が可能である。
【符号の説明】
【００６８】
１・・・粒子分析装置
２・・・試料調整部
３・・・反応部
４・・・分析部
６・・・ポンプ
【図１】
2014211377.tif 000003
【図２】
2014211377.tif 000004