(57)【要約】【課題】ICPトーチと比べてマイクロ波誘導プラズマに対する耐久性の向上した、プラズマ分光化学分析用トーチを提供する。    【解決手段】マイクロ波誘導プラズマを用いた、サンプル分光化学分析用のプラズマトーチ10は、トーチ10の外管12と中間管14との間を流れる主プラズマガスフロー用流入口18内のノズル30を含む。ノズル30は、管12,14の間の環状ギャップ22からのガスフローにより形成されるプラズマ用シースガス層におけるガスフロー速度を上昇させる。シースガス層におけるガス速度の上昇によりシースガス層が「硬くなる」ことで、マイクロ波誘導プラズマの閉じ込めが強化される（ICPトーチは、これほどの強い閉じ込めは必要としない）。こうして該トーチは、ICPトーチよりもマイクロ波誘導プラズマに対する耐久性が向上する。サンプル注入管（内管）16は、その端部34に内径を細くした流出口を有する。
2005526258.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ分光分析用のトーチであって、
外管、中間管および内管であって、前記内管が、分析用サンプルを運ぶ第１ガスフローを当該トーチ内に発生したプラズマの中に注入するために、前記中間管内に実質的に同軸状に配置されている外管、中間管および内管と、
前記中間管内に導かれ、第２ガスフローを前記内管と前記中間管との間の空間内に進入させて、当該トーチ内に発生したプラズマの軸方向位置を制御する中間ガス流入口と、
前記外管内に導かれ、第３ガスフローを前記外管と前記中間管との間に供給し、当該トーチ内に発生したプラズマのためのシースガス層を供給する外側ガス流入口とを含み、
供給された第３ガスが当該トーチに沿って移動してシースガス層を供給する際に、当該第３ガスに渦流を与えるように、前記外側ガス流入口が、当該トーチの中心軸からずれて配置されており、
前記外側ガス流入口に関連付けられた手段であって、この手段の上流側のガス速度よりもシースガスにおけるガス速度を上昇させることにより、プラズマに対するシースガス層の閉じ込める力を増強する手段をさらに含むトーチ。
【請求項２】
前記外側ガス流入口に関連付けられた手段が、前記流入口内の制限部である請求項1に記載のトーチ。
【請求項３】
前記制限部がノズルである請求項2に記載のトーチ。
【請求項４】
前記ノズルは、その場で、前記外側ガス流入口内の硬化されたポッティング材料で形成されている請求項3に記載のトーチ。
【請求項５】
前記外側ガス流入口に関連付けられた手段が、使用時に、相対的にガス速度を上昇させる為のものである請求項1乃至4の何れかに記載のトーチ。
【請求項６】
前記中間管の端部および前記内管の端部はそれぞれ、前記外管内に位置し、前記中間管の端部と前記内管の端部とは実質的に同一レベル、例えば2mm以内の位置にある請求項1乃至5の何れかに記載のトーチ。
【請求項７】
前記内管が、前記内管の流入口端部の径よりも小さくなっている流出口を有する請求項6に記載のトーチ。
【請求項８】
前記内管は流入部を含み、前記流入部を通過するエアロゾルを加熱して当該エアロゾルから液体を実質的に完全に蒸発させるための加熱手段が前記流入部に関連づけられており、当該エアロゾルが前記流出口付近に到達するまでに当該液体が実質的に完全に蒸発するように前記内管の前記流入部が前記流出口から離されている請求項1乃至7の何れかに記載のトーチ。
【請求項９】
前記加熱手段が電気抵抗ヒーターである請求項8に記載のトーチ。
【請求項１０】
前記電気抵抗ヒーターが、前記流入部の周りに配された電気コイルにより形成されている請求項9に記載のトーチ。
【請求項１１】
プラズマ分光分析用のトーチであって、
外管、中間管および内管であって、前記内管が、噴霧された液体サンプルのエアロゾルを運ぶ第１ガスフローを、その流出口を通して当該トーチ内に形成されたプラズマの中に注入するために、前記中間管内に実質的に同軸状に配置されている外管、中間管および内管と、
前記中間管内に導かれ、第２ガスフローを前記内管と前記中間管との間の空間内に進入させて、当該トーチ内に発生したプラズマの軸方向位置を制御する中間ガス流入口と、
前記外管内に導かれ、第３ガスフローを前記外管と前記中間管との間に供給し、当該トーチ内に発生したプラズマのためのシースガス層を供給する外側ガス流入口とを含み、
供給された第３ガスが当該トーチに沿って移動してシースガス層を供給する際に、当該第３ガスに渦流を与えるように、前記外側ガス流入口が、当該トーチの中心軸からずれて配置されており、
前記内管の部分を通るエアロゾルを加熱して、当該エアロゾルから液体を実質的に完全に蒸発させる前記部分に関連付けられた加熱手段であって、前記内管の前記部分は、当該エアロゾルが前記流出口付近に到達する前に、当該液体が実質的に完全に蒸発されるように、前記内管の前記流出口から間隔をあけられている加熱手段をさらに含むトーチ。
【請求項１２】
前記加熱手段が電気抵抗ヒーターである請求項11に記載のトーチ。
【請求項１３】
前記電気抵抗ヒーターは、前記流入部の周りに配された電気コイルにより形成されている請求項12に記載のトーチ。
【請求項１４】
請求項1乃至10の何れかに記載のトーチと、
前記トーチの前記外側ガス流入口にプラズマ支持ガスを供給するガス供給部とを含むマイクロ波誘導プラズマ分光化学分析システムであって、
前記ガス供給部は、実質的に一定圧力でプラズマ支持ガスを供給し、
当該プラズマ支持ガスの前記トーチ内への流量は、前記外側ガス流入口に関連付けられシースガス層におけるガス速度を上昇させる為の手段により調整される分析システム。                                                                        
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ波誘導プラズマ(MIPs)に有用なプラズマ分光化学分析用トーチに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば液体サンプルの元素分析等の分光化学分析に使用されるプラズマは、例えば高周波エネルギーやマイクロ波エネルギー等により電気的に励起することが可能であることが知られている。現在、高周波エネルギーにより励起されるプラズマ即ち誘導結合プラズマ(ICP)の開発はかなり進んでいる。ICP分光分析においては、周囲のコイルからの誘導により、通常20 MHz〜50MHzの高周波エネルギーで励起されてトーチ内にプラズマが形成される。プラズマは中空の筒状に形成され、その中空の中心コアにサンプルを注入することができる。ICP分光分析の性能基準を満たすには、プラズマを取囲むシースガスフローを含むガスフロー様式の厳密な制御が要求される。典型的なICPトーチにおいては、ガスフロー調整は、別個の独立したガス制御システムにより確保され、トーチの存在による背圧が生じないように、導入されるガス量に対してトーチ内へのガス流入量を多くしている。
【０００３】
だがマイクロ波誘導プラズマ(MIP)分光分析は、例えばマグネトロンという形の、安価で、堅牢且つ信頼性の高いマイクロ波発生器を使用できるというような多くの利点があるにも関わらず、その開発はICP分光分析に遅れをとっている。というのは、出願人による最近の開発が成されるまでは、MIPシステムの分析性能がICPシステムよりも大幅に劣っていたからである。出願人が新しく開発したMIPシステムにおいては、プラズマトーチは、マイクロ波エネルギーの磁界要素又はマイクロ波エネルギーの磁界と電界との両方の要素がトーチ内にプラズマを励起するマイクロ波キャビティ内に配置される。楕円形の断面を有する管状プラズマを、トーチ内に形成することが可能であり、該システムは、高周波ICPシステムで得られる性能に近い分析上有用な性能を実証している。
【０００４】
MIPシステムの劣性の大きな要因は、マイクロ波誘導プラズマの特性が高周波ICPと異なることにある。マイクロ波誘導プラズマでは、高周波プラズマと比べて、はるかに厚みが薄く、コア領域が狭い（だが、マイクロ波プラズマは、トーチを横切っての温度対位置勾配が、高周波ICPよりも遥かに大きい）。マイクロ波誘導プラズマのこのような特性故に、プラズマの閉じ込めがより困難となり、通常ICP分光分析に使用されるようなトーチは概して、MIP分光分析には適合しない。
【０００５】
上記発明の背景の記述は、本発明の背景の説明として包含されるが、ここで引用した材料の何れもが、添付した特許請求の範囲の何れの優先日においても、オーストラリア国内における一般的知識に含まれると認めるものとは解釈すべきではない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、ICPトーチと比べてマイクロ波誘導プラズマに対する耐久性の向上した、プラズマ分光化学分析用トーチ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】
本発明により提供されるプラズマ分光化学分析用トーチは、
外管、中間管および内管であって、前記内管が、分析用サンプルを運ぶ第１ガスフローを当該トーチ内に発生したプラズマの中に注入するために、前記中間管内に実質的に同軸状に配置されている外管、中間管および内管と、
前記中間管内に導かれ、第２ガスフローを前記内管と前記中間管との間の空間内に進入させて、当該トーチ内に発生したプラズマの軸方向位置を制御する中間ガス流入口と、
前記外管内に導かれ、第３ガスフローを前記外管と前記中間管との間に供給し、当該トーチ内に発生したプラズマのためのシースガス層を供給する外側ガス流入口とを含み、
供給された第３ガスが当該トーチに沿って移動してシースガス層を供給する際に、当該第３ガスに渦流を与えるように、前記外側ガス流入口が、当該トーチの中心軸からずれて配置されており、
前記外側ガス流入口に関連付けられた手段であって、この手段の上流側のガス速度よりもシースガスにおけるガス速度を上昇させることにより、プラズマに対するシースガス層の閉じ込める力を増強する手段をさらに含む。
【０００８】
使用時に、ガス速度の上昇により、外側ガス流入口に関連付けられた前記手段をまたいで圧力低下が生じる。
シースガス層内のガスの速度が上昇すると、シースガス層が効果的に「硬化」し、マイクロ波誘導プラズマをより好適に閉じ込めることができる。このシースガス層は、トーチの外管の内面とプラズマとの間の境界ガス層を成し、プラズマを外管から隔離して外管の溶融を防止することにより、トーチの耐久性を向上させる。外側ガス流入口は、ガスフローの注入ポイントがトーチの中心線からずれて配置されており、これにより、シースガス層がトーチの全長に沿って移動する際に回転するようになる。このような回転、つまりガスフローの渦流は、プラズマを安定させて均一な管状の形状に維持するのに役立つ。
【０００９】
ガス速度の上昇は、シースガス層の回転率が増すように比較的高くするのが好適である。ガス速度を上昇させる手段は、ガスがトーチに進入する所で、供給ガス圧に内在する位置（ポテンシャル）エネルギーを運動エネルギーに変換する働きをする。その結果、使用時におけるガス速度の比較的高い上昇に対して、かなりの圧力低下が生じる。このことは、ガスがトーチに進入する場所の近辺で行われる。そうでなければ運動エネルギーは、ガス供給部とトーチとの間のチュービングにおける乱流により放散されるであろう。
【００１０】
ガス速度を上昇させる手段は、外側ガス流入口内の制限部であってもよい。該制限部はノズルであるのが好適であり、このノズルはベンチュリ管又はエネルギー変換効率を上げるようなより複雑な形状とすることができる。
外側ガス流入口に関連付けられたガス速度上昇手段による圧力低下は、プラズマへの第3ガスフローの調整に最も有力とは言えなくてもかなりの効果を奏することになる。つまり、トーチは、プラズマへの第3ガスフローの調整における主要素となる。このことは、典型的なICPシステムにおける状況と対照的である。ICPシステムでは、一定の流量を与えるように設計された制御システムにより、プラズマへのガスフローがトーチに供給されるので、トーチがガスフローの調整に及ぼす影響はほとんどない。このように本発明は、一定の流量ではなくて一定圧力下において、ガスをトーチに供給することを可能にし、トーチによるフロー調整を可能にする。
【００１１】
本発明により更に提供されるマイクロ波誘導プラズマ分光化学分析システムは、
上述したトーチと、
トーチの外側ガス流入口にプラズマ支持ガスを供給するガス供給部とを含み、
ガス供給部は、実質的に一定圧力でプラズマ支持ガスを供給し、
第3ガスのトーチ内への流量は、外側ガス流入口に関連付けられシースガス層におけるガス速度を上昇させる為の手段により調整される。
【００１２】
高周波ICPシステムと同様に、該トーチは、分光化学分析用サンプルをプラズマの中心部（コア）に注入する為の内管を含む。かかる内管は通常、中間管と略同軸状に配置される。サンプルを高周波プラズマに注入するよりも、サンプルをマイクロ波誘導プラズマに注入する方が困難であるので、この困難さを軽減する為に、本発明の実施形態によるトーチの内管は、その流出側先端部の開口の径が細くされていてもよい。例えば、高周波ICPトーチの好適な流出口の径は、水性サンプルの場合約1.4mm〜2.5mmであるが、同様のサンプルガスフローを毎分1リットルの流量で使用するマイクロ波誘導プラズマ用トーチの場合、開口径は0.9mm〜1.4mmとすることができる。更に、又は別の構成として、内管の流出側端部を、通常の高周波ICPトーチの場合よりもプラズマに近い位置まで延ばすことも可能である。こうすることにより、サンプルを含んだ射出ガスが、プラズマに行きつくまでに曲がったり拡散したりする移動距離が短くなることになる。本発明の好適な実施形態において、内管の流出側端部は、中間管の端部と実質的に同一レベルになるようになっている。
【００１３】
ICP用及びMIP用の双方のトーチにおける別の問題、特に溶解固形物の総含有量(TDS)が高い場合の問題は、プラズマからの放射エネルギーにより、内管（つまりサンプル注入管）の流出側端部が加熱されて、同管の詰りが生じることである。つまり、サンプル注入管内を移動する噴霧されたサンプルに含まれる液滴の一部は必然的に管の内面に接触して付着することになり、そして加熱された管により乾燥される。かかる液滴の固形成分が内面に付着し、この析出成分が徐々に堆積して内管（サンプル注入管）の流出口付近や流出口を塞ぐ。この効果が信号を徐々に劣化させ、感度が徐々に低下する。このことは、上述したように、サンプル注入(内)管がプラズマ近辺まで延びている場合及び/又は流出口の径が比較的小さい場合、特にMIP用トーチに関わる問題であった。
【００１４】
本発明の別の局面は、TDSが高いサンプルを移動させる場合における管の詰りを防止又は少なくとも管の詰りを軽減することを目的とする。
従って、本発明により更に提供されるプラズマ分光化学分析用トーチは、
外管、中間管および内管であって、前記内管が、噴霧された液体サンプルのエアロゾルを運ぶ第１ガスフローを、その流出口を通して当該トーチ内に形成されたプラズマの中に注入するために、前記中間管内に実質的に同軸状に配置されている外管、中間管および内管と、
前記中間管内に導かれ、第２ガスフローを前記内管と前記中間管との間の空間内に進入させて、当該トーチ内に発生したプラズマの軸方向位置を制御する中間ガス流入口と、
前記外管内に導かれ、第３ガスフローを前記外管と前記中間管との間に供給し、当該トーチ内に発生したプラズマのためのシースガス層を供給する外側ガス流入口とを含み、
供給された第３ガスが当該トーチに沿って移動してシースガス層を供給する際に、当該第３ガスに渦流を与えるように、前記外側ガス流入口が、当該トーチの中心軸からずれて配置されており、
前記内管の部分を通るエアロゾルを加熱して、当該エアロゾルから液体を実質的に完全に蒸発させる前記部分に関連付けられた加熱手段であって、前記内管の前記部分は、当該エアロゾルが前記流出口付近に到達する前に、当該液体が実質的に完全に蒸発されるように、前記内管の前記流出口から間隔をあけられている加熱手段をさらに含む。
【００１５】
尚、水分を除去すること（つまりサンプルの脱溶媒化）が可能となるが、このことは、上記の発明の局面の必須条件ではない。水分をガス状に維持することができさえすればよいのである。
加熱手段は、トーチ自体の一部であるか、そうでなければトーチに関連付けられる。つまり、加熱手段は、スプレー室の流出部とトーチのサンプル流入口との間のサンプル流入管の部分に沿って配置される。加熱手段は、噴霧されたサンプルエアロゾルを予備加熱してその液相を蒸発させて、ガス流中にサンプルの乾燥粒子を浮遊させる。かかる乾燥粒子が注入管（つまり内管）の壁部に接触しても、それらの粒子は壁部に付着することなく壁部上を滑動し、これにより管の詰りの問題を回避又は少なくとも緩和することができる。
【００１６】
上述した本発明の「別の局面」によるトーチの加熱手段は、上述した本発明の第1局面のトーチに含まれるのが好適である。
本発明をより明確に理解する為、及び本発明の実施方法を示す為、本発明の好適な実施形態について、非限定的な例を挙げて添付図を参照しながら説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の実施形態によるプラズマトーチ10は、典型的にはクォーツから成る3本の同軸状の管、つまり、外管12と、中間管14と、内管16とを備えている。外管12は、外管12と中間管14との間にガスフロー（以下、「第3ガスフロー」という。）を供給する為の外側ガス流入口18を含む。中間管14は端部20を含む。この端部20は、外管12と共に、第3ガスの流路用の環状ギャップ22を区画している。外管12と中間管14との間の第3ガスフロー（所謂、主フロー又はプラズマ支持ガスフロー）は、トーチ内に発生するプラズマの為のシースガス層を形成する。シースガス層は、プラズマをクォーツから成る外管12の内面から隔離して、外管の溶融を阻止する。外側ガス流入口18は、ガスがトーチの中心線からずれて注入されるように構成されているので、流入ガスがトーチ10全長に沿って移動する際に渦巻いたり回転するようになる。ガスシースのこのような渦流は、プラズマを安定させて均一な管状形態を維持するのに役立つ。環状ギャップ22は、シースガス層を外管12の内壁に隣接する薄い層流として維持するのに役立つ。中間管14の端部20は、管14の他の部分よりも径が大きくなっており（図示せず）、環状ギャップ22を更に細くしている。
【００１８】
中間管14は、外管14と内管16との間に第2ガスフローを供給する為の中間ガス流入口24を含む。このフローは、プラズマの軸方向の位置を制御する為、特にプラズマを、中間管14と内管16とのそれぞれの端部35,34から隔離する為に使用される。
内管16は、その流入端部26に供給されるサンプルエアロゾルを運ぶガスフロー（以下、「第1ガスフロー」という。）を閉じ込めるものであり、プラズマの中心部（コア）にこれを注入する。この管16は、本出願人の先行する出願番号PCT/AU02/00386(WO 03/005780 A1) に係る出願「プラズマトーチ」に開示されているように、トーチの性能の向上を図る為に、管の全長のかなりの部分に沿って漸次細くなるようにされたテーパー部28を含んでもよい。
【００１９】
プラズマを励起する為に、トーチ10は、トーチ10にマイクロ波電磁界を印加する手段に適切に関連付けられる。例えば、マイクロ波エネルギーが供給される共振キャビティを貫通するように、トーチ10を適当に配置してもよい。プラズマは、流入口18から流入するガスに高電圧スパークを（従来既知の図示されない手段により）瞬間的に印加することにより発生させることができる。
【００２０】
本発明の1つの局面によると、手段30は、外側ガス流入口18に関連付けられており、シースガス層におけるガス速度は、上記手段を設けない場合のガス速度よりも高くなる。
この実施形態では、手段30は、外側ガス流入口18内に形成されたノズルである。ノズル30は、渦状のガスフローの速度を上昇する効果を有しており、これにより、環状ギャップ22から出る時のシースガス層を「硬化」させて、ICP分光分析に使用される典型的なトーチ構成よりもマイクロ波誘導プラズマの閉じ込めを強化している。
【００２１】
ノズル30を形成する方法の1つは、ガス流入口18の一部として直接成形することである。トーチ10は通常、正確に成形することが比較的困難なクォーツで形成される為、適当な径のタングステンワイヤから成る小片でクォーツから成る外側ガス流入口18の径を細くすることでノズルを形成し、ノズル30形成に要求される非常に高い精度を達成することができる。別の方法として、ノズル30を別個の構成要素として加工し、その加工物をガス流入管18内に挿入して封着したり、又はガス流入管18の代わりとして使用することも可能である。また、第3の都合の良い方法として、外側ガス流入管18の全長又はその一部にエポキシ樹脂32等のポッティング材料を詰め（図2Bを参照。図2Aは外側ガス流入管18の最初の状態を示す）、ポッティング材料32を硬化させ、その硬化した材料32をノズル30に加工する（図2C参照）。この方法が簡単且つ有効であると判明している。更に、この方法は、クォーツから成る流入配管18の寸法精度を要求しない。
【００２２】
ノズル30が、第3ガスフローを毎分15リットルに制限する簡単な制限部として形成される場合、ノズルの好適なスロート径は、0.9mm〜1.3mmである。但し、ガス流量が変わったり、ノズルの設計が変わったりすると、スロート径は異なることになると理解されよう。典型的な圧力低下は、50kPa〜200kPaの範囲である。
高周波ICP分光分析用トーチにおいては通常、内（サンプル注入）管16の端部34を中間管14の端部35から後退させてプラズマからの間隔を大きくし、端部34の温度を下げるようにしている。この温度低下により、内管16の溶融のリスクが低減するとともに、サンプルが早期蒸発して溶解していた固体を管端部34付近に析出させてサンプル注入管を詰まらせる可能性も低減する。だが、本発明の好適な特徴では、端部34は、中間管14の端部35と実質的に同じレベルまで（例えば2mm以内）延びている。これにより、マイクロ波誘導プラズマ中へのサンプル注入が向上する。この注入は、高周波ICPの場合よりも困難である。毎分約1リットルのサンプルガス流量に対する、端部34の放出径は、0.9mm〜1.4mmが好適である。
【００２３】
特に端部34が中間管14の端部35と実質的に同一レベルにある場合に、内管16の端部34付近の詰りの防止に役立つ、本発明の更なる特徴は、内管16の流入口26の部分38に加熱手段36が関連付けられていることである。管部38は例えば、抵抗線を外側に巻き、高断熱材で抵抗線と管とを覆ったクォーツ製又はガラス製の管等のように、耐薬品性と耐熱性とを有する管片で構成される。抵抗線は、通電することにより熱せられ、サンプルは、管部38を一方の端部から他方の端部へ通過する際に加熱される。典型的寸法の非限定的例として、以下の構成が有効であることが判明している。内径が9mmで、外径が11mmで、長さが150mmのクォーツ管38の中間部80mmに、幅が1.6mmで厚みが0.2mmの平坦なニクロム線を25回巻きつける。このクォーツ管38の加熱されない端部が存在することで、ホースが接続される端部が低温に維持されることを確実にする。コイル抵抗は、4オームで、12ボルト交流電源つまり36ワットで加熱した。装置全体は、外形寸法が20mm×20mm×90mmのセラミック繊維断熱ブロック内に密閉した。但し、本発明の範囲内において、他の多くの構成が有効であることは理解されよう。
【００２４】
本発明には、加熱手段36を有し、下流のガス速度を上げる手段30を含まないトーチ10が含まれることが理解されよう。かかるトーチ10は、MIPやICP分光分析に使用可能である。
加熱手段36の有効性の示す為、トーチ10を先ず、管部38を取付けて加熱コイルに通電しない状態で、作動させた。溶解固形物の総含有量(TDS)が3.5%の海水を導入すると、サンプル導入開始後1分以内に感度低下が認められた。サンプル導入開始から約10分後に管が完全に詰まるまで、信号の劣化は進行した。その後トーチを洗浄し、今度は加熱コイル36に通電した状態で、実験を繰り返した。今度は、サンプルを連続的に導入して15分経過しても、管の詰りは認められなかった。その後トーチを分解して調べたところ、注入部16の先端部34付近には、固形物の析出は全く認められなかった。その後、TDS10%のサンプルを20分間連続して導入したが、管の詰りの兆候は認められなかった。
【００２５】
本明細書に記載の発明は、具体的に説明されたもの以外に、様々な変形、変更及び/又は追加が可能であり、本発明は、特許請求の範囲内のかかる変形、変更及び/又は追加の全てを含むものと理解される。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明によるトーチの好適な実施形態の概略図である。
【図２Ａ】本発明によるプラズマトーチの実施形態のガス流入口内のノズルを形成する工程を示す工程図である。
【図２Ｂ】本発明によるプラズマトーチの実施形態のガス流入口内のノズルを形成する工程を示す工程図である。
【図２Ｃ】本発明によるプラズマトーチの実施形態のガス流入口内のノズルを形成する工程を示す工程図である。
【図１】
2005526258.tif 000003
【図２Ａ】
2005526258.tif 000004
【図２Ｂ】
2005526258.tif 000005
【図２Ｃ】
2005526258.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成15年12月24日(2003.12.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
分光分析用のマイクロ波誘導プラズマトーチであって、
外管、中間管および内管であって、前記内管が、分析用サンプルを運ぶ第１ガスフローを当該トーチ内に発生したマイクロ波誘導プラズマの中に注入するために、前記中間管内に実質的に同軸状に配置されている外管、中間管および内管と、
前記中間管内に導かれ、第２ガスフローを前記内管と前記中間管との間の空間内に進入させて、当該トーチ内に発生したマイクロ波誘導プラズマの軸方向位置を制御する中間ガス流入口と、
前記外管内に導かれ、第３ガスフローを前記外管と前記中間管との間に供給し、当該トーチ内に発生したマイクロ波誘導プラズマのためのシースガス層を供給する外側ガス流入口とを含み、
供給された第３ガスが当該トーチに沿って移動してシースガス層を供給する際に、当該第３ガスに渦流を与えるように、前記外側ガス流入口が、当該トーチの中心軸からずれて配置されており、
前記外側ガス流入口内の制限部であって、この制限部の上流側のガス速度よりもシースガスにおけるガス速度を上昇させることにより、マイクロ波誘導プラズマに対するシースガス層の閉じ込める力を増強し、第３ガスの実質的に一定の圧力の供給源からの流量調整を提供する制限部をさらに含むトーチ。
【請求項２】
前記制限部はオリフィスを有し、その断面積は、前記制限部より手前の前記外側ガス流入口の断面積対して与えられた第3ガスに関して、前記外側ガス流入口への供給時に当該第3ガスの50kPa〜200kPaの圧力低下が前記制限部をまたいで生じるようになっている請求項1に記載のマイクロ波誘導プラズマトーチ。
【請求項３】
前記制限部がノズルである請求項1又は2に記載のマイクロ波誘導プラズマトーチ。
【請求項４】
前記ノズルは、その場で、前記外側ガス流入口内の硬化されたポッティング材料で形成されている請求項3に記載のマイクロ波誘導プラズマトーチ。
【請求項５】
前記中間管の端部および前記内管の端部はそれぞれ、前記外管内に位置し、前記中間管の端部と前記内管の端部とは実質的に同一レベル、例えば2mm以内の位置にある請求項1乃至4の何れかに記載のマイクロ波誘導プラズマトーチ。
【請求項６】
前記内管が、前記内管の流入口端部の径よりも小さくなっている流出口を有する請求項5に記載のマイクロ波誘導プラズマトーチ。
【請求項７】
前記内管は流入部を含み、前記流入部を通過するエアロゾルを加熱して当該エアロゾルから液体を実質的に完全に蒸発させるためのヒータが前記流入部に関連づけられており、当該エアロゾルが前記流出口付近に到達するまでに当該液体が実質的に完全に蒸発するように前記内管の前記流入部が前記流出口から離されている請求項1乃至6の何れかに記載のマイクロ波誘導プラズマトーチ。
【請求項８】
前記ヒータが電気抵抗ヒーターである請求項7に記載のマイクロ波誘導プラズマトーチ。
【請求項９】
前記電気抵抗ヒーターが、前記流入部の周りに配された電気コイルにより形成されている請求項8に記載のトーチ。
【請求項１０】
プラズマ分光分析用のトーチであって、
外管、中間管および内管であって、前記内管が、噴霧された液体サンプルのエアロゾルを運ぶ第１ガスフローを、その流出口を通して当該トーチ内に形成されたプラズマの中に注入するために、前記中間管内に実質的に同軸状に配置されている外管、中間管および内管と、
前記中間管内に導かれ、第２ガスフローを前記内管と前記中間管との間の空間内に進入させて、当該トーチ内に発生したプラズマの軸方向位置を制御する中間ガス流入口と、
前記外管内に導かれ、第３ガスフローを前記外管と前記中間管との間に供給し、当該トーチ内に発生したプラズマのためのシースガス層を供給する外側ガス流入口とを含み、
供給された第３ガスが当該トーチに沿って移動してシースガス層を供給する際に、当該第３ガスに渦流を与えるように、前記外側ガス流入口が、当該トーチの中心軸からずれて配置されており、
前記内管の部分を通るエアロゾルを加熱して、当該エアロゾルから液体を実質的に完全に蒸発させる前記部分に関連付けられたヒータであって、前記内管の前記部分は、当該エアロゾルが前記流出口付近に到達する前に、当該液体が実質的に完全に蒸発されるように、前記内管の前記流出口から間隔をあけられているヒータをさらに含むトーチ。
【請求項１１】
前記トーチがマイクロ波誘導プラズマトーチである請求項10に記載のトーチ。
【請求項１２】
前記ヒータが電気抵抗ヒーターである請求項10又は11に記載のトーチ。
【請求項１３】
前記電気抵抗ヒーターは、前記流入部の周りに配された電気コイルにより形成されている請求項12に記載のトーチ。
【請求項１４】
請求項1乃至9の何れかに記載のトーチと、
前記マイクロ波誘導プラズマトーチの前記外側ガス流入口にプラズマ支持ガスを供給するガス供給部とを含むマイクロ波誘導プラズマ分光化学分析システムであって、
前記ガス供給部は、実質的に一定圧力でプラズマ支持ガスを供給し、
当該プラズマ支持ガスの前記トーチ内への流量は、前記外側ガス流入口内に設けられシースガス層におけるガス速度を上昇させる為の制限部により調整される分析システム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
本発明は、プラズマ分光化学分析用トーチに関し、特にマイクロ波誘導プラズマ(MIP)トーチに関する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
本発明は、分光化学分析用マイクロ波誘導プラズマトーチを提供することを目的とする。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
本発明により提供される分光化学分析用マイクロ波誘導プラズマトーチは、
外管、中間管および内管であって、前記内管が、分析用サンプルを運ぶ第１ガスフローを当該トーチ内に発生したマイクロ波誘導プラズマの中に注入するために、前記中間管内に実質的に同軸状に配置されている外管、中間管および内管と、
前記中間管内に導かれ、第２ガスフローを前記内管と前記中間管との間の空間内に進入させて、当該トーチ内に発生したマイクロ波誘導プラズマの軸方向位置を制御する中間ガス流入口と、
前記外管内に導かれ、第３ガスフローを前記外管と前記中間管との間に供給し、当該トーチ内に発生したマイクロ波誘導プラズマのためのシースガス層を供給する外側ガス流入口とを含み、
供給された第３ガスが当該トーチに沿って移動してシースガス層を供給する際に、当該第３ガスに渦流を与えるように、前記外側ガス流入口が、当該トーチの中心軸からずれて配置されており、
前記外側ガス流入口内の制限部であって、この制限部の上流側のガス速度よりもシースガスにおけるガス速度を上昇させることにより、マイクロ波誘導プラズマに対するシースガス層の閉じ込める力を増強し、第３ガスの実質的に一定の圧力の供給源からの流量調整を提供する制限部をさらに含む。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
使用時に、ガス速度の上昇により、外側ガス流入口内の制限部をまたいで圧力低下が生じる。好ましくは、前記制限部はオリフィスを有し、その断面積は、前記制限部より手前の前記外側ガス流入口の断面積対して与えられた第3ガスに関して、前記外側ガス流入口への供給時に当該第3ガスの50kPa〜200kPaの圧力低下が前記制限部をまたいで生じるようになっている。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
シースガス層内のガスの速度が上昇すると、シースガス層が効果的に「硬化」し、マイクロ波誘導プラズマをより好適に閉じ込めることができる。このシースガス層は、トーチの外管の内面とマイクロ波誘導プラズマとの間の境界ガス層を成し、プラズマを外管から隔離して外管の溶融を防止することにより、トーチの耐久性を向上させる。外側ガス流入口は、ガスフローの注入ポイントにおけるガス流の方向がトーチの中心線からずれて配置されており、これにより、シースガス層がトーチの全長に沿って移動する際に回転するようになる。このような回転、つまりガスフローの渦流は、プラズマを安定させて均一な管状の形状に維持するのに役立つ。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
ガス速度の上昇は、シースガス層の回転率が増すように比較的高くするのが好適である。ガス速度を上昇させる制限部は、ガスがトーチに進入する所で、供給ガス圧に内在する位置（ポテンシャル）エネルギーを運動エネルギーに変換する働きをする。その結果、使用時におけるガス速度の比較的高い上昇に対して、かなりの圧力低下が生じる。このことは、ガスがトーチに進入する場所の近辺で行われる。そうでなければ運動エネルギーは、ガス供給部とトーチとの間のチュービングにおける乱流により放散されるであろう。
外側ガス流入口内の該制限部はノズルであるのが好適であり、このノズルはベンチュリ管又はエネルギー変換効率を上げるようなより複雑な形状とすることができる。
外側ガス流入口に関連付けられたガス速度上昇制限部による圧力低下は、プラズマへの第3ガスフローの調整に最も有力とは言えなくてもかなりの効果を奏することになる。つまり、トーチは、マイクロ波誘導プラズマへの第3ガスフローの調整における主要素となる。このことは、典型的なICPシステムにおける状況と対照的である。ICPシステムでは、一定の流量を与えるように設計された制御システムにより、マイクロ波誘導プラズマへのガスフローがトーチに供給されるので、トーチがガスフローの調整に及ぼす影響はほとんどない。このように本発明は、一定の流量ではなくて一定圧力下において、ガスをトーチに供給することを可能にし、トーチによるフロー調整を可能にする。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
本発明により更に提供されるマイクロ波誘導プラズマ分光化学分析システムは、
上述したマイクロ波誘導プラズマトーチと、
トーチの外側ガス流入口にプラズマ支持ガスを供給するガス供給部とを含み、
ガス供給部は、実質的に一定圧力でプラズマ支持ガスを供給し、
第3ガスのトーチ内への流量は、外側ガス流入口内に設けられシースガス層におけるガス速度を上昇させる為の制限部により調整される。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
高周波ICPシステムと同様に、該マイクロ波誘導プラズマトーチは、分光化学分析用サンプルをプラズマの中心部（コア）に注入する為の内管を含む。かかる内管は通常、中間管と略同軸状に配置される。サンプルを高周波プラズマに注入するよりも、サンプルをマイクロ波誘導プラズマに注入する方が困難であるので、この困難さを軽減する為に、本発明の実施形態によるトーチの内管は、その流出側先端部の開口の径が細くされていてもよい。例えば、高周波ICPトーチの好適な流出口の径は、水性サンプルの場合約1.4mm〜2.5mmであるが、同様のサンプルガスフローを毎分1リットルの流量で使用するマイクロ波誘導プラズマ用トーチの場合、開口径は0.9mm〜1.4mmとすることができる。更に、又は別の構成として、内管の流出側端部を、通常の高周波ICPトーチの場合よりもマイクロ波誘導プラズマに近い位置まで延ばすことも可能である。こうすることにより、サンプルを含んだ射出ガスが、マイクロ波誘導プラズマに行きつくまでに曲がったり拡散したりする移動距離が短くなることになる。本発明の好適な実施形態において、内管の流出側端部は、中間管の端部と実質的に同一レベルになるようになっている。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
ICP用及びMIP用の双方のトーチにおける別の問題、特に溶解固形物の総含有量(TDS)が高い場合の問題は、プラズマからの放射エネルギーにより、内管（つまりサンプル注入管）の流出側端部が加熱されて、同管の詰りが生じることである。つまり、サンプル注入管内を移動する噴霧されたサンプルに含まれる液滴の一部は必然的に管の内面に接触して付着することになり、そして加熱された管により乾燥される。かかる液滴の固形成分が内面に付着し、この析出成分が徐々に堆積して内管（サンプル注入管）の流出口付近や流出口を塞ぐ。この効果が信号を徐々に劣化させ、感度が徐々に低下する。このことは、上述したように、サンプル注入(内)管がマイクロ波誘導プラズマ近辺まで延びている場合及び/又は流出口の径が比較的小さい場合、特にマイクロ波誘導プラズマトーチに関わる問題であった。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
本発明の別の局面は、TDSが高いサンプルを移動させる場合における管の詰りを防止又は少なくとも管の詰りを軽減することを目的とする。
従って、本発明により更に提供されるプラズマ分光化学分析用トーチは、
外管、中間管および内管であって、前記内管が、噴霧された液体サンプルのエアロゾルを運ぶ第１ガスフローを、その流出口を通して当該トーチ内に形成されたプラズマの中に注入するために、前記中間管内に実質的に同軸状に配置されている外管、中間管および内管と、
前記中間管内に導かれ、第２ガスフローを前記内管と前記中間管との間の空間内に進入させて、当該トーチ内に発生したプラズマの軸方向位置を制御する中間ガス流入口と、
前記外管内に導かれ、第３ガスフローを前記外管と前記中間管との間に供給し、当該トーチ内に発生したプラズマのためのシースガス層を供給する外側ガス流入口とを含み、
供給された第３ガスが当該トーチに沿って移動してシースガス層を供給する際に、当該第３ガスに渦流を与えるように、前記外側ガス流入口が、当該トーチの中心軸からずれて配置されており、
前記内管の部分を通るエアロゾルを加熱して、当該エアロゾルから液体を実質的に完全に蒸発させる前記部分に関連付けられたヒータであって、前記内管の前記部分は、当該エアロゾルが前記流出口付近に到達する前に、当該液体が実質的に完全に蒸発されるように、前記内管の前記流出口から間隔をあけられているヒータをさらに含む。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
尚、水分を除去すること（つまりサンプルの脱溶媒化）が可能となるが、このことは、上記の発明の局面の必須条件ではない。水分をガス状に維持することができさえすればよいのである。
ヒータは、トーチ自体の一部であるか、そうでなければトーチに関連付けられる。つまり、ヒータは、スプレー室の流出部とトーチのサンプル流入口との間のサンプル流入管の部分に沿って配置される。ヒータは、噴霧されたサンプルエアロゾルを予備加熱してその液相を蒸発させて、ガス流中にサンプルの乾燥粒子を浮遊させる。かかる乾燥粒子が注入管（つまり内管）の壁部に接触しても、それらの粒子は壁部に付着することなく壁部上を滑動し、これにより管の詰りの問題を回避又は少なくとも緩和することができる。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
上述した本発明の「別の局面」によるトーチのヒータは、上述した本発明の第1局面のマイクロ波誘導プラズマトーチに含まれるのが好適である。
本発明をより明確に理解する為、及び本発明の実施方法を示す為、本発明の好適な実施形態について、非限定的な例を挙げて添付図を参照しながら説明する。
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
本発明の実施形態によるマイクロ波誘導プラズマトーチ10は、典型的にはクォーツから成る3本の同軸状の管、つまり、外管12と、中間管14と、内管16とを備えている。外管12は、外管12と中間管14との間にガスフロー（以下、「第3ガスフロー」という。）を供給する為の外側ガス流入口18を含む。中間管14は端部20を含む。この端部20は、外管12と共に、第3ガスの流路用の環状ギャップ22を区画している。外管12と中間管14との間の第3ガスフロー（所謂、主フロー又はプラズマ支持ガスフロー）は、トーチ内に発生するマイクロ波誘導プラズマの為のシースガス層を形成する。シースガス層は、マイクロ波誘導プラズマをクォーツから成る外管12の内面から隔離して、外管の溶融を阻止する。外側ガス流入口18は、ガスがトーチの中心線からずれて注入されるように構成されているので、流入ガスがマイクロ波誘導プラズマトーチ10全長に沿って移動する際に渦巻いたり回転するようになる。ガスシースのこのような渦流は、マイクロ波誘導プラズマを安定させて均一な管状形態を維持するのに役立つ。環状ギャップ22は、シースガス層を外管12の内壁に隣接する薄い層流として維持するのに役立つ。中間管14の端部20は、管14の他の部分よりも径が大きくなっており（図示せず）、環状ギャップ22を更に細くしている。
【手続補正１５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
中間管14は、外管14と内管16との間に第2ガスフローを供給する為の中間ガス流入口24を含む。このフローは、マイクロ波誘導プラズマの軸方向の位置を制御する為、特にプラズマを、中間管14と内管16とのそれぞれの端部35,34から隔離する為に使用される。
内管16は、その流入端部26に供給されるサンプルエアロゾルを運ぶガスフロー（以下、「第1ガスフロー」という。）を閉じ込めるものであり、マイクロ波誘導プラズマの中心部（コア）にこれを注入する。この管16は、本出願人の先行する出願番号PCT/AU02/00386(WO 03/005780 A1) に係る出願「プラズマトーチ」に開示されているように、トーチの性能の向上を図る為に、管の全長のかなりの部分に沿って漸次細くなるようにされたテーパー部28を含んでもよい。
【手続補正１６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
マイクロ波誘導プラズマを励起する為に、トーチ10は、トーチ10にマイクロ波電磁界を印加する手段に適切に関連付けられる。例えば、マイクロ波エネルギーが供給される共振キャビティを貫通するように、トーチ10を適当に配置してもよい。プラズマは、流入口18から流入するガスに高電圧スパークを（従来既知の図示されない手段により）瞬間的に印加することにより発生させることができる。
【手続補正１７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
本発明の1つの局面によると、制限部30は、外側ガス流入口18内に配置されており、シースガス層におけるガス速度は、上記手段を設けない場合のガス速度よりも高くなる。
この実施形態では、制限部30は、外側ガス流入口18内に形成されたノズルである。ノズル30は、渦状のガスフローの速度を上昇する効果を有しており、これにより、環状ギャップ22から出る時のシースガス層を「硬化」させて、ICP分光分析に使用される典型的なトーチ構成よりもマイクロ波誘導プラズマの閉じ込めを強化している。
【手続補正１８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】
ノズル30を形成する方法の1つは、ガス流入口18の一部として直接成形することである。マイクロ波誘導プラズマトーチ10は通常、正確に成形することが比較的困難なクォーツで形成される為、適当な径のタングステンワイヤから成る小片でクォーツから成る外側ガス流入口18の径を細くすることでノズルを形成し、ノズル30形成に要求される非常に高い精度を達成することができる。別の方法として、ノズル30を別個の構成要素として加工し、その加工物をガス流入管18内に挿入して封着したり、又はガス流入管18の代わりとして使用することも可能である。また、第3の都合の良い方法として、外側ガス流入管18の全長又はその一部にエポキシ樹脂32等のポッティング材料を詰め（図2Bを参照。図2Aは外側ガス流入管18の最初の状態を示す）、ポッティング材料32を硬化させ、その硬化した材料32をノズル30に加工する（図2C参照）。この方法が簡単且つ有効であると判明している。更に、この方法は、クォーツから成る流入配管18の寸法精度を要求しない。
【手続補正１９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】
本発明には、ヒータ36を有し、下流のガス速度を上げる制限部30を含まないトーチ10（ICP用に変更が加えられ得る）が含まれることが理解されよう。かかるヒータを備えたトーチ10は、MIPやICP分光分析に使用可能である。
ヒータ36の有効性の示す為、トーチ10を先ず、管部38を取付けて加熱コイルに通電しない状態で、作動させた。溶解固形物の総含有量(TDS)が3.5%の海水を導入すると、サンプル導入開始後1分以内に感度低下が認められた。サンプル導入開始から約10分後に管が完全に詰まるまで、信号の劣化は進行した。その後トーチを洗浄し、今度は加熱コイル36に通電した状態で、実験を繰り返した。今度は、サンプルを連続的に導入して15分経過しても、管の詰りは認められなかった。その後トーチを分解して調べたところ、注入部16の先端部34付近には、固形物の析出は全く認められなかった。その後、TDS10%のサンプルを20分間連続して導入したが、管の詰りの兆候は認められなかった。
【手続補正２０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２６】
【図１】本発明によるマイクロ波誘導プラズマトーチの好適な実施形態の概略図である。
【図２Ａ】本発明によるマイクロ波誘導プラズマトーチの実施形態のガス流入口内のノズルを形成する工程を示す工程図である。
【図２Ｂ】本発明によるマイクロ波誘導プラズマトーチの実施形態のガス流入口内のノズルを形成する工程を示す工程図である。
【図２Ｃ】本発明によるマイクロ波誘導プラズマトーチの実施形態のガス流入口内のノズルを形成する工程を示す工程図である。
【国際調査報告】
2005526258.tif 000007
2005526258.tif 000008
2005526258.tif 000009
2005526258.tif 000010
2005526258.tif 000011