(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を入れる処理槽内に少なくとも一部が配置された第１の電極と、
前記処理槽内に少なくとも一部が配置された第２の電極と、
前記第１の電極の周囲に形成された絶縁体であって、前記第１の電極の一部を露出させるように設けられた開口部を有する絶縁体と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を印加し、前記電圧を印加することによって前記開口部付近の前記液体が沸騰して発生する気泡内でプラズマを発生させる電源と、
前記プラズマの発光スペクトルを検出する光検出装置と、
を備え、
前記光検出装置が検出した発光スペクトルから、前記液体に含まれる元素を分析する、元素分析装置。
【請求項２】
前記第１の電極と前記第２の電極が配置される処理槽をさらに備え、
前記処理槽の少なくとも一部が光学的に透明である、請求項１に記載の元素分析装置。
【請求項３】
第１の電極と、
第２の電極と、
前記第１の電極の周囲に形成された絶縁体であって、前記第１の電極の一部を露出させるように設けられた開口部を有する絶縁体と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を印加し、前記電圧を印加することによって前記開口部付近の前記液体が沸騰して発生する気泡内でプラズマを発生させる電源と、
前記プラズマの発光スペクトルを検出する光検出装置と、
を備え、
前記第１の電極、前記第２の電極、前記絶縁体を含むモジュールを形成し、
前記モジュールを液体中に浸漬し、
前記電源によって前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を印加して、前記開口部付近で発生するプラズマの発光スペクトルを前記光検出装置により検出することによって、前記液体に含まれる元素を分析する、元素分析装置。
【請求項４】
前記モジュールは、前記電源をさらに含む、請求項３に記載の元素分析装置。
【請求項５】
前記モジュールは、前記光検出装置をさらに含む、請求項３又は４に記載の元素分析装置。
【請求項６】
前記モジュールは、防水加工が施されている、請求項３〜５のいずれか一項に記載の元素分析装置。
【請求項７】
前記開口部の直径は、１ｍｍ以下である、請求項１〜６のいずれか一項に記載の元素分析装置。
【請求項８】
前記光検出装置は、前記開口部付近で発生する前記プラズマのうち、前記液体側に拡がって発生するプラズマ光を検出する、請求項１〜７のいずれか一項に記載の元素分析装置。
【請求項９】
前記絶縁体は、光学的に透明である、請求項１〜８のいずれか一項に記載の元素分析装置。
【請求項１０】
前記絶縁体は、石英を含む、請求項９に記載の元素分析装置。
【請求項１１】
前記第１の電極は、タングステンで形成された、請求項１〜１０のいずれかに記載の元素分析装置。
【請求項１２】
前記電源は、ピーク電圧で４ｋＶ以上のパルス電圧を供給する、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の元素分析装置。
【請求項１３】
プラズマを発生させるための気体供給装置を有さない、請求項１または３に記載の元素分析装置。
【請求項１４】
前記開口部の直径は、０．３ｍｍ以上０．５ｍｍ以下である、請求項１または３に記載の元素分析装置。
【請求項１５】
前記絶縁体は、前記第１の電極の周囲に前記第１の電極に接した状態で形成され、
前記第１の電極は円柱形状を有する、
請求項１または３に記載の元素分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、液体中でプラズマを発生させることにより、液体中に存在する元素を分析する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のプラズマを用いた液体中の元素分析装置としては、特許文献１〜３に記載のものがある。いずれの文献においても、プラズマを作用させて生じる、液体中の元素由来の発光を検出して元素分析を行う方法が開示されている。【０００３】
従来のプラズマ発生装置には、微細加工された流路に、より具体的には絶縁性材料で形成された流路に、該流路の断面積よりも著しく小さい断面積を有する狭小部を設けたものがある（例えば、特許文献１参照。）。この装置は、流路中に電界を印加することによって、プラズマを発生させている。また、従来の装置には、いわゆる水上放電を行うことによりプラズマを発生させているものがある（例えば、特許文献２参照。）。さらに、従来の装置には、レーザを照射することによりプラズマを発生させているものもある（例えば、特許文献３参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】ＷＯ２００５／０９３３９４号公報
【特許文献２】特開平９−２６３９４号公報
【特許文献３】特開２００２−３７２４９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記した特許文献１の装置は、特殊加工したセルを用いてプラズマを発生させるため、特殊なセルを別途準備する必要があるといった課題を有する。さらに、特許文献１においては、特に、導電率の低い溶液に対しては、プラズマ発生のために溶液の導電率を調整することが好ましい旨が開示されている。同文献に記載の装置は、溶液の導電率を調整することにおいても測定準備が煩雑であるといった課題を有する。特許文献２に記載の測定装置では、水上放電を行うことにより比較的簡単にプラズマを発生させることができる。しかし、プラズマは、主に大気中で発光する。そのため、液体との相互作用がプラズマ接触部に限定されるので、プラズマ発光が比較的小さい。よって、特許文献２に記載の測定装置は、元素分析に必要な感度を得ることが困難であるといった課題を有する。特許文献３に記載の分析装置は、プラズマ発生のために別途レーザを必要とし、装置構成が複雑となるという課題を有する。【０００６】
したがって、本開示は、前記従来の課題を解決するものであり、高感度な元素分析を簡単な構成で行うことを可能にした液体中の元素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】
【０００７】
本開示の一態様である元素分析装置は、
液体を入れる処理槽内に少なくとも一部が配置された第１の電極と、
前記処理槽内に少なくとも一部が配置された第２の電極と、
前記第１の電極の周囲に形成された絶縁体であって、前記第１の電極の一部を露出させるように設けられた開口部を有する絶縁体と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を印加する電源と、
前記電源によって電圧を印加して、前記開口部付近で放電することによって発生するプラズマの発光スペクトルを検出する光検出装置と、
を備え、
前記光検出装置が検出した発光スペクトルから、前記液体に含まれる元素を分析する。
【発明の効果】
【０００８】
本開示に係る元素分析装置によれば、高感度な元素分析を簡単な構成で行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本開示の実施の形態１に係る元素分析装置の全体構成図である。
【図２】本開示の実施の形態１における絶縁体の開口部を示す図である。
【図３】本開示の実施の形態１における開口部の直径と放電の安定性との関係を示す図である。
【図４】導電率約５０ｍＳ／ｍにおいて、実施例１と比較例１の発光スペクトルを比較した図である。
【図５】導電率０〜３００ｍＳ／ｍにおいて、実施例１と比較例１のＮａ／Ｈを比較した図である。
【図６】市販のミネラルウォーターにおいて、実施例２と比較例２の発光スペクトルを比較した図である。
【図７】本開示の実施の形態２に係る元素分析装置の全体構成図である。
【図８】本開示の実施の形態２に係る元素分析装置の使用例を示す図である。
【図９】本開示の実施の形態２に係る元素分析装置の変形例の全体構成図である。
【図１０】本開示の実施の形態２に係る元素分析装置の別の変形例を示す全体構成図である。
【図１１】参考例の元素分析装置の全体構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本開示の第１の態様に係る元素分析装置は、
液体を入れる処理槽内に少なくとも一部が配置された第１の電極と、
前記処理槽内に少なくとも一部が配置された第２の電極と、
前記第１の電極の周囲に形成された絶縁体であって、前記第１の電極の一部を露出させるように設けられた開口部を有する絶縁体と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を印加する電源と、
前記電源によって電圧を印加して、前記開口部付近で放電することによって発生するプラズマの発光スペクトルを検出する光検出装置と、
を備え、
前記光検出装置が検出した発光スペクトルから、前記液体に含まれる元素を分析する。
【００１１】
このような構成により、本開示の元素分析装置は、従来の装置と比べて、簡単な構成でプラズマを生成することができる。また、本開示の元素分析装置は、従来と比べて、プラズマが液体中の元素と接触しやすくなり、高感度でプラズマ光を検出することができる。さらに、本開示の元素分析装置は、従来のように液体の導電率を上げるための前処理をせずとも元素分析を行うことができる。
【００１２】
本開示の第２の態様に係る元素分析装置においては、前記第１の態様における前記第１の電極と前記第２の電極が配置される処理槽をさらに備え、前記処理槽の少なくとも一部が光学的に透明であってもよい。
【００１３】
このような構成により、処理槽の外部に配置された光検出装置が、開口部で発生したプラズマ光を効率良く検出することができる。
【００１４】
本開示の第３の態様に係る元素分析装置は、
第１の電極と、
第２の電極と、
前記第１の電極の周囲に形成された絶縁体であって、前記第１の電極の一部を露出させるように設けられた開口部を有する絶縁体と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を印加する電源と、
前記電源によって電圧を印加して、前記開口部付近で放電することによって発生するプラズマの発光スペクトルを検出する光検出装置と、
を備え、
前記第１の電極、前記第２の電極、前記絶縁体を含むモジュールを形成し、
前記モジュールを液体中に浸漬し、
前記電源によって前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を印加して、前記開口部付近で発生するプラズマの発光スペクトルを前記光検出装置により検出することによって、前記液体に含まれる元素を分析する。
【００１５】
このような構成により、可搬性に優れた元素分析装置を提供できる。例えば、分析対象となる液体にモジュールを浸漬することによって、第１の電極の少なくとも一部と第２の電極の少なくとも一部を浸漬することができる。その結果、本開示の元素分析装置は、時と場所を選ばずに、簡単にかつ高感度に元素分析を行うことができる。
【００１６】
本開示の第４の態様に係る元素分析装置においては、前記第３の態様における前記モジュールは、前記電源をさらに含む。
【００１７】
このような構成により、可搬性に優れた元素分析装置を提供できる。また、電源をモジュールに含むことにより、さらに使い勝手のよい元素分析装置を提供できる。
【００１８】
本開示の第５の態様に係る元素分析装置においては、前記第３又は４の態様における前記モジュールは、前記光検出装置をさらに含む。
【００１９】
このような構成により、可搬性に優れた元素分析装置を提供できる。また、光検出装置をモジュールに含むことにより、さらに使い勝手のよい元素分析装置を提供できる。
【００２０】
本開示の第６の態様に係る元素分析装置においては、前記第３〜５のいずれかの態様における前記モジュールは、防水加工が施されている。
【００２１】
このような構成により、モジュールを液体中に入れることで、第１の電極の少なくとも一部と第２の電極の少なくとも一部が液体に浸漬し、簡単にかつ高感度で元素分析を行うことができる。また、本開示の元素分析装置は、液体中でモジュールを移動させることにより、プラズマを発生させる深さ又は場所を変更して、複数回の元素分析を行うことができる。そのため、本開示の元素分析装置は、例えば、不純物のマッピングなどを容易にすることができる。
【００２２】
本開示の第７の態様に係る元素分析装置においては、前記第１〜６のいずれかの態様における前記開口部の直径は、１ｍｍ以下である。
【００２３】
このような構成により、本開示の元素分析装置は、電源によって第１の電極と第２の電極との間に電圧を印加した際に、絶縁体の開口部付近で電界集中させることができ、確実にかつ安定して放電させることができる。その結果、本開示に係る元素分析装置は、効率良く安定してプラズマを発生させることができる。
【００２４】
本開示の第８の態様に係る元素分析装置においては、前記第１〜７のいずれかの態様における前記光検出装置は、前記開口部付近で発生する前記プラズマのうち、前記液体側に拡がって発生するプラズマ光を検出する。
【００２５】
このような構成により、本開示の元素分析装置は、特に液体とプラズマの相互作用が強い部分のプラズマ光を検出することが可能となり、検出感度を向上させることができる。
【００２６】
本開示の第９の態様に係る元素分析装置においては、前記第１〜８のいずれかの態様における前記絶縁体は、光学的に透明である。
【００２７】
このような構成により、本開示の元素分析装置は、絶縁体によってプラズマ光が吸収されることを抑制し、効率良くプラズマ光を検出することができる。
【００２８】
本開示の第１０の態様に係る元素分析装置においては、前記第９の態様における前記絶縁体は、石英を含む。
【００２９】
このような構成により、本開示の元素分析装置は、特に紫外領域における光の吸収を抑制することができる。また、プラズマに対する耐久性の高い装置を提供できる。
【００３０】
本開示の第１１の態様に係る元素分析装置においては、前記第１〜１０のいずれかの態様における前記第１の電極は、タングステンで形成される。
【００３１】
このような構成により、本開示の元素分析装置は、第１の電極由来の発光を抑えること、又は小さくすることができるので、液体中における元素由来のプラズマ光の検出感度を向上させることができる。
【００３２】
本開示の第１２の態様に係る元素分析装置においては、前記第１〜１１のいずれかの態様における前記電源は、ピーク電圧で４ｋＶ以上のパルス電圧を供給する。
【００３３】
このような構成により、本開示の元素分析装置は、絶縁体の開口部付近で電界集中をさせることにより、確実に放電させ、効率良くプラズマ光を発生させることができる。
【００３４】
（本開示に係る一形態を得るに至った経緯）
前述の「背景技術」の欄に記載した特許文献１〜３の装置では、プラズマを生成するための装置の構成が複雑になるという課題があった。また、液体の導電率が低い場合、液体の導電率を上げるなどの前処理をしなければ、元素分析に必要な感度を得ることが困難であるという課題があった。
【００３５】
別の参考例の元素分析装置として、図１１に示す元素分析装置がある。図１１は、参考例の元素分析装置３００の全体構成図である。参考例の元素分析装置３００は、処理槽３０７と、第１の電極３０４と、第２の電極３０２と、絶縁体３０３と、電源３０１と、気体供給装置（ポンプ）３０５と、光検出装置３０９と、を備えている。第１の電極３０４の一部及び第２の電極３０２の一部は、液体３０８で満たされた処理槽３０７に配置されている。第１の電極３０４の外周面は、絶縁体３０３で覆われており、ポンプ３０５から第１の電極３０４の開口部に気体を供給することにより、液体３０８中に気泡３１０を形成している。そして、電源３０１によって第１の電極３０４と第２の電極３０２との間に電圧を印加して気泡３１０内にプラズマ３０６を発生させて、プラズマ３０６と液体３０８中の元素との相互作用により発生するプラズマ光を光検出装置３０９によって検出している。本発明者らは、鋭意研究したところ、上記参考例の元素分析装置３００に関し、以下の課題があることを見出した。
【００３６】
参考例の元素分析装置３００は、ポンプ３０５から気体（例えば、空気）を液体３０８中に供給することにより気泡３１０を発生させ、その気泡３１０内で放電することにより、プラズマ３０６の発生効率を向上させていた。しかし、ポンプ３０５から空気を供給すると、空気によって液体３０８中の元素とプラズマ３０６の接触が阻害され、液体３０８の導電率が低い場合は、元素分析に必要な感度を得ることができないという課題があった。また、従来の元素分析装置３００は、ポンプ３０５を使用して液体３０８中に気体を供給しないと放電頻度が低下し、液体３０８中の気泡３１０内に安定してプラズマ３０６を発生させることができないという課題があった。即ち、参考例の装置の構成では、ポンプ３０５がないと安定してプラズマ３０６を発生させることができないという課題があった。
【００３７】
そこで、本発明者らは、上記課題を解決するため、絶縁体に設けられた開口部の直径を工夫することで、安定して放電させることにより、気体供給装置を使用しなくても、安定して効率的にプラズマを発生させることができる構成を見出し、本開示に至った。
【００３８】
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の全ての図において、同一又は相当部分には、同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００３９】
（実施の形態１）
本開示の実施の形態１では、液体中でプラズマを発生させ、元素分析を行う基本的な態様について説明する。
【００４０】
［全体構成］
実施の形態１に係る元素分析装置１００の構成について説明する。
図１は、本開示の実施の形態１に係る元素分析装置１００の全体構成図である。図１に示すように、本開示の実施の形態１に係る元素分析装置１００は、第１の電極１０４と、第２の電極１０２と、絶縁体１０３と、電源１０１と、光検出装置１０９と、を備えている。実施の形態１に係る元素分析装置１００は、さらに処理槽１０７を備えてもよい。なお、処理槽１０７は、必須の構成ではない。
【００４１】
＜第１の電極＞
第１の電極１０４は、液体１０８で満たされた処理槽１０７内に少なくとも一部が配置されている。第１の電極１０４は、特に限定されず、任意の金属又は合金で形成される。例えば、第１の電極１０４は、鉄、タングステン、銅、アルミニウム、白金、又はそれらの金属から選ばれる１又は複数の金属を含む合金などから形成されてもよい。特に、タングステン及び白金は、高い融点を有し、安定した金属である。したがって、タングステン、白金、又はそれらの金属から選ばれる１又は複数の金属を含む合金で第１の電極１０４を形成すると、電極に由来するスペクトルの影響を抑制する、又は小さくすることができる。
【００４２】
＜第２の電極＞
第２の電極１０２もまた、液体１０８で満たされた処理槽１０７内に少なくとも一部が配置されている。第２の電極１０２は、第１の電極１０４と同様に、鉄、タングステン、銅、アルミニウム、白金、又はそれらの金属から選ばれる１又は複数の金属を含む合金などから形成されてもよい。なお、第１の電極１０４と第２の電極１０２との間の距離は、特に制限されず、任意で設定してもよい。
【００４３】
＜絶縁体＞
絶縁体１０３は、第１の電極１０４の外周に形成されている。絶縁体１０３としては、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化イットリウム、絶縁性のプラスチック、ガラス、及び石英などを用いることができる。絶縁体１０３は、例えば、光検出装置１０９で検出したい波長領域の光に対して、光学的に透明であってもよい。絶縁体１０３を透明にすることで、絶縁体１０３によってプラズマ光が吸収されるのを抑制し、絶縁体１０３の開口部１０５付近で生じるプラズマ光を光検出装置１０９によって効率良く検出することができる。透明な絶縁体１０３として石英があるが、これに限定されず、他の材料を用いてもよい。なお、光検出装置１０９側で効率良くプラズマ光を検出することができるのであれば、絶縁体１０３が透明でなくてもよい。
【００４４】
図２は、実施の形態１における絶縁体１０３の開口部１０５を示す図である。図２に示すように、絶縁体１０３には、第１の電極１０４の一部を液体１０８に対して露出させるように、開口部１０５が設けられている。図１及び図２において、開口部１０５は、絶縁体１０３の側面に重力方向（図１に示す処理槽１０７の底面側）に向けて設けられているが、これに限定されるものではなく、光検出装置１０９がプラズマ光を検出できる範囲で、任意の位置に設けられてもよい。例えば、実施の形態１における開口部１０５は、絶縁体１０３の側面に重力方向と反対方向（図１に示す処理槽１０７の上面側）に向けて設けることによって、生成される気泡の泡詰まりを抑制し、プラズマの発生効率を低下させないようにすることができる。なお、開口部１０５の形状は、矩形又は円形などの任意の形状であってもよい。実施の形態１における開口部１０５は、円形の形状である。
【００４５】
＜電源＞
電源１０１は、第１の電極１０４と第２の電極１０２との間に配置されている。実施の形態１では、電源１０１としてパルス電源を用いて、第１の電極１０４と第２の電極１０２との間に電圧を印加している。パルス電源としては、確実に開口部１０５付近で放電させることができるように、例えば、ピーク電圧として４ｋＶ以上のパルス電圧を供給する。なお、実施の形態１では電源１０１としてパルス電源を用いているが、これに限られるものではなく、開口部１０５付近で液体１０８中に発生した気泡内でプラズマ１０６を発生させることができる範囲で、交流電源又は直流電源などを用いることができる。
【００４６】
＜光検出装置＞
光検出装置１０９は、開口部１０５付近で発生したプラズマ光を検出する。光検出装置１０９は、処理槽１０７の外部に配置されている。図１では、光検出装置１０９は、処理槽１０７の底面側に配置されているが、これに限定されることなく、任意の位置に配置してもよい。実施の形態１におけるプラズマ１０６は、開口部１０５において第１の電極１０４側から液体１０８側に拡がって発生する。即ち、プラズマ１０６は、絶縁体１０３の開口部１０５において、液体１０８に対して露出した第１の電極１０４の部分から開口部１０５の開口方向に向かって発生する。光検出装置１０９は、第１の電極１０４側で発生するプラズマ光を除いて、液体１０８側に拡がって発生するプラズマ光（以下、液体１０８側のプラズマ光）のみを検出するように配置されてもよい。例えば、絶縁体１０３を、プラズマ光を遮断する材料で形成し、光検出装置１０９を開口部１０５の開口方向に対して直交する方向に配置してもよい。図１で説明すると、処理槽１０７の側面側（例えば、図１における処理槽１０７の正面）に光検出装置１０９を配置することにより、液体１０８側のプラズマ光のみを検出してもよい。光検出装置１０９としては、例えば、ＰＤ（Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ：フォトダイオード）と分光器を組み合わせたものを用いることができる。ＰＤは、光の強度を検出するために用いられる。ＰＤとしては、例えば、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）、又はＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）センサなどが用いられる。分光器には、例えば、回折格子、プリズム、フィルタなどを用いることができる。また、ＰＤの代わりにＰＭＴ（Ｐｈｏｔｏｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ  Ｔｕｂｅ：光電子増倍管）を用いることができる。さらに、ＰＭＴと分光器を組み合わせて、光検出装置１０９を構成することも可能である。
【００４７】
＜処理槽＞
処理槽１０７は、液体１０８で満たされている。処理槽１０７は、光学的に透明であってもよい。処理槽１０７を光学的に透明とすることで、処理槽１０７の外部に配置された光検出装置１０９によって、液体１０８中の気泡内に発生したプラズマ光を検出することができる。なお、処理槽１０７は、全体が光学的に透明である必要はない。プラズマ光の発生位置から光検出装置１０９に到達するまでの光の経路において、処理槽１０７の一部分が透明であればよい。即ち、処理槽１０７全体が透明でなくても、光検出装置１０９でプラズマ１０６の発光スペクトルを検出できるように、処理槽１０７の一部分が透明であればよい。
【００４８】
［動作］
次に、実施の形態１に係る元素分析装置１００の動作について説明する。
実施の形態１に係る元素分析装置１００において、電源１０１により、第１の電極１０４と第２の電極１０２との間に電圧を印加する。第１の電極１０４と第２の電極１０２との間に電圧を印加することにより、絶縁体１０３に設けられた開口部１０５付近で電界集中させる。電界集中させることにより、液体１０８を沸騰させて気泡を生成し、その気泡内で放電してプラズマ１０６を発生させる。そして、液体１０８中の元素とプラズマ１０６とが接触することで、元素由来の発光（プラズマ光）が生じる。このプラズマ光の発光スペクトルを光検出装置１０９によって検出することにより、液体１０８中の元素を分析することができる。
【００４９】
［効果（放電）］
実施の形態１に係る元素分析装置１００の効果（放電）について説明する。
実施の形態１に係る元素分析装置１００において、開口部１０５の直径を変更して、放電することができるかを確認するための実験を行った。以下に示す表１は、開口部１０５の直径と放電の有無との関係である。
【００５０】
【表１】
0005934924.tif 000002
【００５１】
表１に示すように、開口部１０５の直径が１ｍｍ以下の場合、放電が生じることが確認できた（表１の○）。一方、開口部１０５の直径が２ｍｍの場合、放電頻度が低下することが確認できた（表１の△）。以上のことから、実施の形態１に係る元素分析装置１００では、開口部１０５付近で電界集中させて確実に放電するために、開口部１０５の直径を１ｍｍ以下にすることが好ましい。
【００５２】
次に、実施の形態１に係る元素分析装置１００において、開口部１０５の直径を変更して、放電の安定性評価を行った。図３は、実施の形態１における開口部１０５の直径と放電の安定性との関係である。図中、白丸は開口部１０５の直径０．３ｍｍ、白三角は０．５ｍｍ、白四角は１ｍｍを示す。図３は、縦軸をσ／ａｖｅｒａｇｅとし、横軸を導電率としている。放電の安定性評価は、スペクトルの取得を２秒ごとに行い、約１０スペクトルの平均値（ａｖｅｒａｇｅ）を導出した。また、スペクトルの標準偏差（σ）を導出した。そして、スペクトルの標準偏差（σ）をスペクトルの平均値（ａｖｅｒａｇｅ）で除してσ／ａｖｅｒａｇｅを導出した。放電の安定性評価は、それぞれの導電率に対してσ／ａｖｅｒａｇｅを評価することにより行った。σ／ａｖｅｒａｇｅは、スペクトルの安定性を示す値であり、この値が小さいほどスペクトルが安定していることを表している。
【００５３】
図３に示すように、開口部１０５の直径が１ｍｍ（図示、白四角）の場合、導電率が大きくなるにつれて、σ／ａｖｅｒａｇｅの値が大きくなっている。一方、開口部１０５の直径が０．３ｍｍ（図示、白丸）、０．５ｍｍ（図示、白三角）の場合、導電率が大きくなるにつれて、σ／ａｖｅｒａｇｅの値が微増するものの、小さい値で安定している。この結果から、開口部１０５の直径が０．５ｍｍ以下の場合、各導電率においてスペクトルが安定していることがわかる。即ち、開口部１０５の直径が小さいほど、放電が安定していることがわかる。したがって、放電を安定させるためには、開口部１０５の直径は、０．５ｍｍ以下であることが好ましい。
【００５４】
以上のことから、実施の形態１における開口部１０５の直径は、確実に放電を起こすためには、１ｍｍ以下が好ましく、より好ましくは０．３〜０．５ｍｍの範囲である。開口部１０５の直径を０．３〜０．５ｍｍの範囲に設定することにより、安定した放電を生じさせることができる。即ち、実施の形態１における開口部１０５の直径が１ｍｍ以下、より好ましくは、０．３〜０．５ｍｍの範囲であれば、安定してプラズマ１０６を発生させることができ、安定したセンシングを実現できる。なお、下限値である０．３ｍｍは、安価な加工法を用いた際の加工限界の直径である。上記範囲に設定することにより、安価なデバイスを用いて安定した放電を生じさせることができる。
【００５５】
［効果（検出感度）］
実施の形態１に係る元素分析装置１００の効果（検出感度）について説明する。
以下、実施の形態１に係る元素分析装置１００（実施例１）と参考例の元素分析装置２００（比較例１）において、元素分析を実施した際の比較結果について説明する。
【００５６】
［実施例１］
実施例１の詳細な構成について述べる。実施例１において、処理槽１０７は、容積が約１００ｃｍ３であり、ガラスで形成される。第１の電極１０４は、直径１ｍｍの円柱状であり、タングステンから成る。絶縁体１０３は、内径３ｍｍ、外径５ｍｍの円筒状を有しており、石英から成る。絶縁体１０３に設けられた開口部１０５は、直径０．３ｍｍの円形状を有している。第２の電極１０２は、直径１ｍｍの円柱形状を有しており、タングステンから成る。第１の電極１０４と第２の電極１０２との間の距離は、約４０ｍｍである。液体１０８は、純水にＮａＣｌを溶解したものであり、導電率は、２ｍＳ／ｍ〜１００ｍＳ／ｍの間で調整される。電源１０１は、３０Ｗの電力を供給し、第１の電極１０４にピーク電圧が４ｋＶで、パルス幅が１μｓ、周波数が３０ｋＨｚのパルス電圧を印加する。光検出装置１０９は、市販の分光器を用い、３００〜８００ｎｍの波長の光を検出する。露光時間は、２０ｍｓとする。分光器には付属の光ファイバが取り付けられ、光ファイバは、処理槽１０７の外側でプラズマ光を検出できる位置に配置されている。
【００５７】
上記構成の実施例１において、元素分析装置１００は、電源１０１により第１の電極１０４と第２の電極１０２との間にパルス電圧を印加し、開口部１０５付近の液体１０８を沸騰させ、気泡を生成する。元素分析装置１００は、この気泡内で放電することによってプラズマ１０６を発生させ、光検出装置１０９によってプラズマ１０６の発光スペクトルを検出した。
【００５８】
［比較例１］
比較例１は、図１１に示す参考例の元素分析装置３００を使用している。以下、比較例１の詳細な構成について述べる。比較例１において、処理槽３０７は、容積が約１００ｃｍ３であり、ガラスで形成される。第１の電極３０４は、内径１ｍｍ、外径２ｍｍの筒状体を有しており、タングステンから成る。絶縁体３０３は、厚さ１ｍｍの石英であり、第１の電極３０４の外周面に形成されている。第２の電極３０２は、直径１ｍｍの円柱状であり、タングステンから成る。第１の電極３０４と第２の電極３０２との間の距離は、約４０ｍｍである。液体３０８は、純水にＮａＣｌを溶解したものであり、導電率は４８．５ｍＳ／ｍ〜３００ｍｓ／ｍで調整される。ポンプ３０５は、処理槽３０７の外部から空気を、流量２．０リットル／ｍｉｎで供給し、液体３０８中に気泡３１０を発生させる。電源３０１は、３００Ｗの電力を供給し、第１の電極３０４にピーク電圧が４ｋＶで、パルス幅が１μｓ、周波数が３０ｋＨｚのパルス電圧を印加する。光検出装置３０９は、市販の分光器を用い、３００〜８００ｎｍの波長の光を検出する。露光時間は、２０ｍｓとする。分光器には付属の光ファイバが取り付けられ、処理槽３０７の外側でプラズマ光を検出できる位置に配置されている。
【００５９】
上記構成の比較例１において、元素分析装置３００は、ポンプ３０５から第１の電極３０４に空気を供給することによって気泡３１０を生成する。元素分析装置３００は、電源３０１により第１の電極１０４と第２の電極１０２との間にパルス電圧を印加し、気泡３１０内で放電することによってプラズマ３０６を発生させる。そして、元素分析装置３００は、光検出装置３０９によってプラズマ３０６の発光スペクトルを検出した。
【００６０】
［比較結果］
図４は、導電率約５０ｍＳ／ｍにおいて、実施例１と比較例１の発光スペクトルを比較した図である。図４に示すように、実施例１の発光スペクトルにおいて、５８９ｎｍ付近にＮａ特有のピークが現れていることから、Ｎａが検出できている。一方、比較例１の発光スペクトルにおいては、５８９ｎｍ付近にＮａ特有のピークが現れず、Ｎａが検出できていない。このように、比較例１の場合は、導電率が５０ｍＳ／ｍ程度では、Ｎａを検出できていないが、実施例１の場合は、Ｎａを検出できていることがわかる。
【００６１】
図５は、導電率０〜３００ｍＳ／ｍにおいて、実施例１と比較例１のＮａ／Ｈを比較した図である。図５に示す白四角は、実施例１において測定したＮａ／Ｈの値をプロットしたものであり、黒四角は、比較例１において測定したＮａ／Ｈの値をプロットしたものである。図５に示すように、実施例１では、導電率がほぼ０ｍＳ／ｍからＮａ／Ｈが立ち上がり直線性を示している。即ち、実施例１では、導電率が低い場合でも検出感度が高いことを示している。一方、比較例１では、導電率が０〜１００ｍＳ／ｍにおいてＮａ／Ｈの値はほぼ変化せず、導電率１００ｍＳ／ｍ程度からＮａ／Ｈが立ち上がり直線性を示している。即ち、比較例１では、導電率１００ｍＳ／ｍ以下において検出感度が低いことを示している。比較例１においては、十分な検出感度を得るため、分析を開始する前に液体の導電率を上げるなどの前処理が必要である。
【００６２】
実施例１では、比較例１に比べて、導電率が１００ｍＳ／ｍ以下でもＮａを検出することができ、Ｎａをより高感度に検出できる。このように、実施の形態１に係る元素分析装置１００では、導電率が低い場合でも、Ｎａを検出できることから、分析開始前に導電率を上げるなどの前処理をする必要がない。
【００６３】
次に、実施の形態１に係る元素分析装置１００（実施例２）と参考例の元素分析装置３００（比較例２）において、液体１０８を市販のミネラルウォーター（硬度１３１０）を用いて元素分析を実施した際の比較結果について説明する。
【００６４】
［実施例２］
実施例２は、実施例１と比べて、液体１０８を市販のミネラルウォーターとした点で異なる。実施例２の他の構成は、実施例１の構成と同じである。
【００６５】
［比較例２］
比較例２は、比較例１と比べて、液体１０８を市販のミネラルウォーターとし、ポンプ３０５から供給される気体をヘリウムとした点で異なる。比較例２の他の構成は、比較例１の構成と同じである。
【００６６】
［比較結果］
図６は、市販のミネラルウォーターにおいて、実施例２と比較例２の発光スペクトルを比較した図である。図６に示すように、実施例２では、３９６．８ｎｍ、４２２．７ｎｍ付近にＣａ特有のピークが現れ、Ｃａを検出できている。一方、比較例２では、３９６．８ｎｍ、４２２．７ｎｍ付近にＣａ特有のピークが現れず、Ｃａを検出できていない。したがって、実施例２は、比較例２に比べて、Ｃａをより高感度に検出できることがわかる。
【００６７】
以上のように、実施例２では、比較例２に比べて、Ｃａをより高感度に検出できる。
【００６８】
実施の形態１に係る元素分析装置１００において、分析の対象となり得る元素は、プラズマ１０６中において固有の波長で光を発するものである。実施の形態１に係る元素分析装置１００において、有機物質及び無機物質のいずれも、分析の対象となり得る。例えば、分析の対象となり得る元素は、カルシウム、ナトリウム、及びカリウムである。また、プラズマ光の発光スペクトルを用いた分析は、定性分析及び定量分析のいずれにも用いることができる。したがって、実施の形態１に係る元素分析装置１００は、液体分析装置（例えば、水質分析装置）として用いることができる。
【００６９】
本開示の実施の形態１に係る元素分析装置１００は、例えば、洗濯機に利用してもよい。その場合、水中のカルシウム濃度やマグネシウム濃度を測定することにより、水の硬度を測定する。実施の形態１の元素分析装置１００を利用した洗濯機では、測定した硬度に応じて洗剤量を調整することができる。あるいは、実施の形態１に係る元素分析装置１００は、液体分析装置として、植物栽培養液の管理のために用いてもよい。具体的には、植物栽培養液中のナトリウム量及びカリウム量などを分析するために用いることができる。
【００７０】
以上のように、実施の形態１に係る元素分析装置１００によれば、従来の装置と比べて装置を簡単な構成とすることができる。また、参考例の元素分析装置３００のように、気体供給装置（ポンプ）３０５を使用せずとも、開口部１０５付近で安定して放電を行うことができる。その結果、実施の形態１に係る元素分析装置１００は、効率良く安定してプラズマ１０６を発生させることができる。
【００７１】
実施の形態１に係る元素分析装置１００では、電源１０１によって第１の電極１０４と第２の電極１０２との間に電圧を印加し、開口部１０５付近の液体１０８を気化して気泡を生成している。したがって、実施の形態１では、気泡内に大気中の空気などを含まないため、プラズマ１０６が液体１０８中の元素と接触しやすくなり、高感度でプラズマ光を検出することができる。
【００７２】
実施の形態１に係る元素分析装置１００によれば、液体１０８の導電率が低い場合でも元素を検出することができるので、従来のように液体１０８の導電率を上げるための前処理をせずとも元素分析を行うことができる。
【００７３】
実施の形態１における処理槽１０７は、少なくとも一部が光学的に透明な構成とすることで、処理槽１０７の外部に配置された光検出装置１０９が、絶縁体１０３の開口部１０５で発生したプラズマ光を効率良く検出することができる。
【００７４】
実施の形態１における開口部の直径は、１ｍｍ以下とすることで、絶縁体１０３の開口部１０５で電界集中させることができ、確実に放電させることができる。特に、開口部の直径が０．３〜０．５ｍｍの範囲では、開口部１０５付近において安定して放電させることができ、効率良く安定したプラズマ１０６を発生させることができる。
【００７５】
実施の形態１における光検出装置１０９は、開口部１０５付近で発生するプラズマ１０６のうち、液体１０８側に拡がって発生するプラズマ光を検出することで、特に液体１０８とプラズマ１０６との相互作用が強い部分のプラズマ光を検出することが可能となる。その結果、液体１０８中の元素に由来するプラズマ光の検出感度を向上させることができる。
【００７６】
実施の形態１における絶縁体１０３は、光学的に透明な材料で形成することにより、絶縁体１０３がプラズマ光を吸収するのを抑制し、効率良くプラズマ光を検出することができる。特に、絶縁体１０３を石英とした場合、紫外領域における光の吸収を抑制することができるとともに、プラズマに対する耐久性の高い装置を提供できる。
【００７７】
実施の形態１における第１の電極１０４は、タングステンで形成することにより、第１の電極１０４由来の発光の影響を抑制する、又は小さくすることができるので、液体１０８中における元素由来のプラズマ光の検出感度を向上させることができる。
【００７８】
実施の形態１における電源１０１は、ピーク電圧で４ｋＶ以上のパルス電圧を供給することによって、確実に絶縁体１０３の開口部１０５付近で電界集中させて放電し、効率良くプラズマを発生させることができる。
【００７９】
（実施の形態２）
本開示の実施の形態２では、実施の形態１の構成から処理槽１０７を取り除き、実施の形態１の構成要素を１つのモジュールとした元素分析装置２００について説明する。
【００８０】
［全体構成］
本開示の実施の形態２に係る元素分析装置２００の構成について説明する。
図７は、本開示の実施の形態２に係る元素分析装置２００の全体構成図である。図７に示すように、実施の形態２は、実施の形態１の構成要素を、処理槽１０７を除いて、１つのモジュール２０１とした点で異なる。モジュール２０１は、第１の電極１０４、第２の電極１０２、絶縁体１０３を含んでいる。また、モジュール２０１は、電源１０１、光検出装置１０９を含んでもよい。実施の形態２において、その他の構成は、実施の形態１の構成と同じである。より具体的に説明すると、実施の形態１では、プラズマ１０６を発生させる第１の電極１０４の一部と第２の電極１０２の一部が処理槽１０７内に配置されている構成である。一方、実施の形態２においては、第１の電極１０４の一部と第２の電極１０２の一部が、必ずしも処理槽１０７に配置されている必要はない。例えば、実施の形態２においては、プラズマ１０６を発生させる要素（例えば、第１の電極１０４、第２の電極１０２、絶縁体１０３、電源１０１など）及びプラズマ光を検出する要素（例えば、光検出装置１０９）を備えたモジュール２０１全体を、液体中に入れることによって液体中の元素を分析してもよい。なお、以下の実施の形態２の説明においては、第１の電極１０４、第２の電極１０２、絶縁体１０３、電源１０１、光検出装置１０９を１つのモジュール２０１とした元素分析装置２００について説明する。
【００８１】
図７に示すように、実施の形態２に係る元素分析装置２００では、一点鎖線で示す領域内の構成要素で１つのモジュール２０１を形成している。モジュール２０１は、例えば、第１の電極１０４と、第２の電極１０２と、絶縁体１０３と、電源１０１と、光検出装置１０９と、を備える。第１の電極１０４の一部、第２の電極１０２の一部、絶縁体１０３の一部は、モジュール２０１の外側に配置されている。また、絶縁体１０３には、開口部１０５が設けられている。この開口部１０５は、モジュール２０１の外側に位置し、第１の電極１０４の一部を露出するように絶縁体１０３に設けられている。上記したモジュール２０１の外側に配置される部分を除いて、これらの構成要素には、防水加工が施されている。または、上記したモジュール２０１の外側に配置される部分を除いて、これらの構成要素が防水加工を施した筐体内に配置されている。防水加工は、一般的によく知られた方法を用いることができる。実施の形態２においては、防水加工されたモジュール２０１を液体２０２中に入れることで、第１の電極１０４の一部及び第２の電極１０２の一部が液体２０２に浸漬されて、液体２０２に接するような構成となっている。
【００８２】
［動作］
本開示の実施の形態２に係る元素分析装置２００の動作について説明する。
図８は、本開示の実施の形態２に係る元素分析装置２００の使用例を示す図である。図８に示すように、実施の形態２におけるモジュール２０１を液体２０２の入った容器２０３に入れると、モジュール２０１の外側に配置された第１の電極１０４の一部と、第２の電極１０２の一部が、浸漬されて液体２０２に接する。なお、実施の形態２におけるモジュール２０１内の各構成要素は、前述したように防水加工が施されているため、液体２０２中に配置されても、各構成要素は動作できる。
【００８３】
次に、元素分析装置２００は、電源１０１によって、第１の電極１０４と第２の電極１０２との間に電圧を印加する。元素分析装置２００は、第１の電極１０４と第２の電極１０２との間に電圧を印加することにより、絶縁体１０３に設けられた開口部１０５付近の液体１０８を沸騰させて気泡を生成し、その気泡内で放電することによってプラズマ１０６を発生させる。発生した気泡内において、液体１０８中の元素とプラズマ１０６とが接触することで、元素由来の発光が生じる。この発光を光検出装置１０９で検出することにより、液体１０８中の元素を分析することができる。
【００８４】
［効果］
本開示の実施の形態２に係る元素分析装置２００の効果について説明する。
実施の形態２に係る元素分析装置２００では、プラズマ１０６を発生させる要素及びプラズマ光を検出する要素を備えたモジュール２０１を形成している。そのため、実施の形態２によれば、可搬性に優れた元素分析装置を提供できる。
【００８５】
実施の形態２におけるモジュール２０１は、防水加工が施されているため、モジュール２０１を液体２０２中に配置しても、各構成要素は動作することができる。
【００８６】
また、実施の形態２によれば、例えば、液体２０２中でモジュール２０１を移動させることにより、プラズマ１０６を発生させる深さ又は場所を変えて、複数回の元素分析を実施することが可能である。その結果、例えば、液体２０２に含まれる不純物のマッピングなどを容易に行うことができる。
【００８７】
なお、実施の形態２において、容器２０３中に液体２０２を入れる構成として説明したが、容器２０３は必ずしも必須の構成ではない。例えば、川の水質を測定したい場合、川に実施の形態２におけるモジュール２０１を入れることによって、水質を測定することができる。
【００８８】
実施の形態２の変形例として、第１の電極１０４の一部、第２の電極１０２の一部、絶縁体１０３の一部以外の１又は複数の構成要素がモジュール２０１の外側に配置するように構成してもよい。例えば、図９に示すように、変形例の元素分析装置２００ａは、パルス電源１０１をモジュール２０１ａの外側に配置するように構成してもよい。即ち、変形例の元素分析装置２００ａは、パルス電源１０１をモジュール２０１ａに含まない構成としてもよい。この場合、元素分析装置２００ａは、電源１０１を液体２０２の中に入れず、防水加工を施したケーブルで、第１の電極１０４及び第２の電極１０２と、電源１０１とを接続してもよい。また、図１０に示すように、別の変形例の元素分析装置２００ｂは、光検出装置１０９をモジュール２０１ｂの外側に配置するようにしてもよい。あるいは、別の変形例として、第１の電極１０４、第２の電極１０２、絶縁体１０３以外のすべての構成要素が、モジュール２０１の外側に配置した構成であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８９】
本開示に係る元素分析装置は、高感度な元素分析を行うことが可能である。例えば、上下水の水質管理、工場の廃液管理、または農業や花の栽培に用いる養液の濃度管理に用いることができる。また、本開示の別の実施形態に係る元素分析装置は、可搬性に優れ、種々の場所で元素分析を行うことが可能である。例えば、水質を容易に分析することを可能にする。
【符号の説明】
【００９０】
１００  元素分析装置
１０１  パルス電源
１０２  第２の電極
１０３  絶縁体
１０４  第１の電極
１０５  開口部
１０６  プラズマ
１０７  処理槽
１０８  液体
１０９  光検出装置
２００、２００ａ、２００ｂ  元素分析装置
２０１、２０１ａ、２０１ｂ  モジュール
２０２  容器
２０３  液体
３００  元素分析装置
３０１  パルス電源
３０２  第２の電極
３０３  絶縁体
３０４  第１の電極
３０５  気体供給装置（ポンプ）
３０６  プラズマ
３０７  処理槽
３０８  液体
３０９  光検出装置
３１０  気泡
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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