(57)【要約】【課題】固体試料の分析が可能な大気圧プラズマを用いた発光分析装置を提供すること。【解決手段】発光分析装置は、アトマイザー１０と分光分析装置２０とで構成されている。アトマイザー１０は、棒状電極１００と、棒状電極１００の先端部１００ａから一定距離離間して配置された刃状電極１２０を有している。棒状電極１００の先端部１００ａは、セラミックス管１１０内に軸方向を一致させて納められている。放電ガスは、棒状電極１００とセラミックス管１１０の内壁との隙間１５０に、棒状電極１００の先端部１００ａ側軸方向に流されている。刃状電極１２０は、刃状であり、固体試料３０に差し込まれている。また絶縁板１３０が、棒状電極１００と固体試料３０との間であって、その固体試料３０に接して配置されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
大気圧プラズマによって固体試料を原子化するアトマイザーと、前記アトマイザーによって原子化された試料を含む大気圧プラズマの発光を受光して分光分析する分光装置と、を有した発光分析装置において、
前記アトマイザーは、
棒状の第１電極と、
管状であって、その管内に、前記第１電極の軸回りにおいて管内壁から前記第１電極が離間した状態となるように前記第１電極の先端部を保持し、管内壁と前記第１電極との隙間に、前記第１電極の先端部側の軸方向に放電ガスが流される絶縁管と、
刃状の形状であり、前記固体試料に差し込まれた状態で前記第１電極の先端部から一定距離隔てて配置された第２電極と、
前記第１電極と前記固体試料との間に配置され、前記大気圧プラズマ照射領域に孔が設けられた絶縁板と、
前記第１電極と前記第２電極間に電圧を印加する交流電源と、
を有する、
ことを特徴とする発光分析装置。
【請求項２】
前記第２電極と前記絶縁板は、端部においてピンセット状に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の発光分析装置。
【請求項３】
前記第２電極は、前記第１電極の先端部方向に突出した突起部を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の発光分析装置。
【請求項４】
大気圧プラズマによって固体試料を原子化するアトマイザーであって、
棒状の第１電極と、
管状であって、その管内に、前記第１電極の軸回りにおいて管内壁から前記第１電極が離間した状態となるように前記第１電極の先端部を保持し、管内壁と前記第１電極との隙間に、前記第１電極の先端部側の軸方向に放電ガスが流される絶縁管と、
刃状の形状であり、前記固体試料に差し込まれた状態で前記第１電極の先端部から一定距離隔てて配置された第２電極と、
前記第１電極と前記固体試料との間に配置され、前記大気圧プラズマ照射領域に孔が設けられた絶縁板と、
前記第１電極と前記第２電極間に電圧を印加する交流電源と、
を有することを特徴とするアトマイザー。
【請求項５】
前記第２電極と前記絶縁板は、端部においてピンセット状に接続されていることを特徴とする請求項４に記載のアトマイザー。
【請求項６】
前記第２電極は、前記第１電極の先端部方向に突出した突起部を有することを特徴とする請求項４または請求項５に記載のアトマイザー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体試料の分析が可能な小型の発光分析装置に関する。特に、大気圧プラズマを用いて試料の原子化を行うアトマイザーを用いた発光分析装置に関する。およびそのアトマイザーに関する。
【背景技術】
【０００２】
試料を原子化させるアトマイザーとして、大気圧プラズマ装置を用いた発光分析装置が特許文献１に記載されている。特許文献１に記載のアトマイザーは、棒状の第１電極と、管状であって、その内部に第１電極を内部に保持し、管内壁と第１電極との間に放電ガスが流される絶縁管と、第１電極の先端部から軸方向に一定距離隔てて配置された第２電極とを有している。さらに試料保持部の底面に第２電極が露出するよう一体化された構造であり、第２電極は管状となっていて、この管を通して試料保持部に液体試料を供給するようになっている。
【０００３】
この特許文献１に記載の発光分析装置は、アトマイザーに用いる電源が１つで済むため、小型とすることができ、携帯が可能となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−１３５４３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１に記載の発光分析装置は、基本的に液体試料の分析に用いるための構造となっている。そのため、固体試料を分析するためには、その固体試料を液状に加工したりするなど工夫と手間が必要であり、簡便に分析を行うことは困難であった。たとえば、農場などに発光分析装置を持ち込み、その場で農作物の元素分析、定量分析を行うことは困難であった。
【０００６】
そこで本発明の目的は、固体試料の元素分析や定量分析を簡便に行うことが可能な小型の発光分析装置を実現することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載の発明は、大気圧プラズマによって固体試料を原子化するアトマイザーと、アトマイザーによって原子化された試料を含む大気圧プラズマの発光を受光して分光分析する分光装置と、を有した発光分析装置において、アトマイザーは、棒状の第１電極と、管状であって、その管内に、第１電極の軸回りにおいて管内壁から第１電極が離間した状態となるように第１電極の先端部を保持し、管内壁と第１電極との隙間に、第１電極の先端部側の軸方向に放電ガスが流される絶縁管と、刃状の形状であり、固体試料に差し込まれた状態で第１電極の先端部から一定距離隔てて配置された第２電極と、第１電極と第２電極との間に配置されて固体試料を覆い、大気圧プラズマ照射領域に孔が設けられた絶縁板と、第１電極と第２電極間に電圧を印加する交流電源と、を有することを特徴とする発光分析装置である。
【０００８】
第２電極の形状は、固体試料に差し込みが可能な任意の刃状であってよく、片刃であっても両刃であってもよい。刃状は、断面がくさび形（先端部が鋭角な角形）の形状である。特に、刃状であることに加えて、第１電極の先端部方向に突出した突起部を有した形状であるとよい。その突出部に電界が集中して、大気圧プラズマをより容易に発生させることができるためである。
【０００９】
絶縁板の材料には、石英、セラミック、などを用いることができる。絶縁板に設けられる孔の形状は任意であり、たとえば円柱状、角柱状の孔である。この孔は、固体試料への大気圧プラズマの照射領域を絞り、効率的に固体試料を原子化させるために設けるものである。
【００１０】
第２電極と絶縁板は、端部においてピンセット状に接続されているのがよい。このように第２電極と絶縁板とをピンセット状に一体化した構成とすれば、絶縁板の位置決めを特に行う必要がなく、第２電極を固体試料に差し込むことで絶縁板も同時に配置することができ、より簡易に発光分析を行うことができる。
【００１１】
放電ガスには、アルゴン、ヘリウム、ネオン、キセノン、酸素、窒素、空気、などを用いることができる。
【００１２】
第１電極および第２電極の材料には、ＳＵＳ、銅、タングステン、などを用いることができる。ただし、第２電極には分析の目標となる元素を含む材料を用いないようにするか、もしくは分析の目標となる元素を含まない材料によって被膜、めっき等を施す必要がある。第２電極が原子化されて分析に影響を与えてしまうのを防止するためである。
【００１３】
第１電極の先端部は、マイクロホロー構造を有していてもよい。つまり、先端部の第２電極側に切り込みを有した構造であってもよい。マイクロホロー構造とすることで、大気圧プラズマを安定して発生させることができる。
【００１４】
分光装置による大気圧プラズマの発光の受光位置は、絶縁板の孔から受光位置に向かう方向が、絶縁板の孔から第１電極の先端部に向かう方向に対して、１５〜４５°の範囲とすることが望ましい。この範囲であれば、より十分な発光強度を得ることができ、分析の精度をより向上させることができる。さらに望ましいのは３０°とすることである。
【００１５】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、第２電極と絶縁板は、端部においてピンセット状に接続されていることを特徴とする。
【００１６】
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の発明において、第２電極は、第１電極の先端部方向に突出した突起部を有することを特徴とする。
【００１７】
請求項４に記載の発明は、大気圧プラズマによって固体試料を原子化するアトマイザーであって、棒状の第１電極と、管状であって、その管内に、第１電極の軸回りにおいて管内壁から第１電極が離間した状態となるように第１電極の先端部を保持し、管内壁と第１電極との隙間に、第１電極の先端部側の軸方向に放電ガスが流される絶縁管と、刃状の形状であり、固体試料に差し込まれた状態で第１電極の先端部から一定距離隔てて配置された第２電極と、第１電極と固体試料との間に配置され、大気圧プラズマ照射領域に孔が設けられた絶縁板と、第１電極と第２電極間に電圧を印加する交流電源と、を有することを特徴とするアトマイザーである。
【００１８】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、第２電極と絶縁板は、端部においてピンセット状に接続されていることを特徴とする。
【００１９】
請求項６に記載の発明は、請求項４または請求項５に記載の発明において、第２電極は、第１電極の先端部方向に突出した突起部を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の発光分析装置によれば、固体試料の元素分析や定量分析などが可能な小型の発光分析装置を実現することができる。
【００２１】
また、本発明のアトマイザーによれば、固体試料であっても容易に原子化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】実施例１の発光分析装置の構成について示した図。
【図２】アトマイザー１０の構成を示した図。
【図３】刃状電極１２０の形状を示した図。
【図４】Ｆｅの発光スペクトルを示した図。
【図５】Ｎａの発光スペクトルを示した図。
【図６】Ｃａ含有量と発光スペクトルの発光強度との関係を示したグラフ。
【図７】Ｋ含有量と発光スペクトルの発光強度との関係を示したグラフ。
【図８】固体試料として用いたトマトを撮影した写真。
【図９】トマトの各部位について定量分析を行った結果を示したグラフ。
【図１０】実施例２の発光分析装置における刃状電極２２０の構成を示した図。
【図１１】実施例３の発光分析装置における刃状電極３２０と絶縁板３３０の構成を示した図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００２４】
図１は、実施例１の発光分析装置の構成を示した図である。発光分析装置は、図１のように、アトマイザー１０と、分光分析装置２０と、によって構成されている。この発光分析装置は、アトマイザー１０によって固体試料３０に大気圧プラズマを照射して原子化し、大気圧プラズマの発光を分光分析装置２０によって受光し、スペクトルを解析することで、固体試料３０の元素分析や、目的元素の定量分析などを行う装置である。
【００２５】
図２は、アトマイザー１０のより詳細な構成について示した図である。アトマイザー１０は、棒状電極１００（本発明の第１電極）と、刃状電極１２０（本発明の第２電極）と、を有している。棒状電極１００は、直径１．２ｍｍのＣｕ製の棒状である。刃状電極１２０は、ＳＵＳ（ステンレス）製の細長い両刃の刃状の形状であり、図３（ａ）のように、上方（棒状電極１００の軸方向であって大気圧プラズマ照射側）から見ると鋭く尖ったくさび形であり、図３（ｂ）のように、側方から見ると細長い長方形である。
【００２６】
棒状電極１００には、Ｃｕ以外に、ステンレス、モリブデン、タングステンなどを用いることができる。また、刃状電極１２０には、ステンレス以外に、Ｃｕ、モリブデン、タングステンなどを用いることができる。ただし、刃状電極１２０自体が原子化して分析に影響を与えてしまうことを考慮して、刃状電極１２０には目的元素を含まない材料を用いるか、目的元素を含まない材料で被膜、めっき等を施す必要がある。
【００２７】
棒状電極１００の先端部１００ａは、セラミックス管１１０の管内に軸方向を一致させて納められている。セラミックス管１１０は、刃状電極１２０側の先端部の直径が一段階狭くなっている。棒状電極１００は、この狭くなった管の位置まで伸びている。棒状電極１００とセラミックス管１１０の内壁との間には隙間１５０が設けられている。この棒状電極１００の軸回りの隙間１５０がＡｒガスの流路となる。また、棒状電極１００は、両先端部を除いて表面を絶縁部材１７０に覆われていて、ショートが防止されている。
【００２８】
また、棒状電極１００の先端部１００ａは、マイクロホロー構造となっている。つまり、先端部１００ａの刃状電極１２０側に切り込み１００ｂを有した構造である。このようなマイクロホロー構造とすることで、大気圧プラズマを安定して発生させることができ、またプラズマ密度を向上させることができる。
【００２９】
セラミックス管１１０は、絶縁管１４０と連結している。絶縁管１４０は軸方向に垂直な方向に分岐１４０ａを有しており、セラミックス管１１０の管内から絶縁管１４０の管内に伸びる棒状電極１００は、曲げられて絶縁管１４０の分岐１４０ａの管内に挿入され、外部に露出している。絶縁管１４０には、フッ素樹脂などの絶縁材を用いることができる。
【００３０】
さらに、セラミックス管１１０の先端部側（刃状電極１２０側）には、外径がセラミックス管１１０の内径にほぼ一致した短いセラミックス管１６０がはめ込まれている。このセラミックス管１６０によって大気圧プラズマの照射範囲を狭めている。棒状電極１００の先端部１００ａは、このセラミックス管１６０の内部にまで伸びていてもよいし、伸びていなくてもよい。
【００３１】
絶縁管１４０は放電用ガスであるＡｒが封入されたガスボンベ（図示しない）に、減圧・流量制御器などを介して接続されている。ガスボンベから供給されたＡｒガスは、絶縁管１４０の管内からセラミックス管１１０の管内へと軸方向に供給され、棒状電極１００とセラミックス管１１０の内壁との間である隙間１５０を棒状電極１００先端部１００ａ側の軸方向に流れてセラミックス管１６０の先端からＡｒガスが排出される。
【００３２】
放電ガスには、Ａｒ以外にもＨｅ（ヘリウム）、Ｎｅ（ネオン）、Ｘｅ（キセノン）、Ｎ2 （窒素）、空気、などを用いることができる。
【００３３】
刃状電極１２０は、前述のように細長い刃状の形状（図３参照）であり、図１のように、刃先側を固体試料３０内部に差し込まれている。また、棒状電極１００の軸方向に対して刃状電極１２０の長手方向が垂直となるよう配置されていて、棒状電極１００と刃状電極１２０とは一定距離離間して配置されている。また、棒状電極１００の軸方向の延長線上に刃状電極１２０が位置するよう配置されている。
【００３４】
絶縁板１３０は、石英ガラスからなる平板状のものである。絶縁板１３０は、棒状電極１００と固体試料３０との間であって、その固体試料３０に接して配置されており、固体試料３０を覆っている。また、棒状電極１００の軸方向に対して絶縁板１３０の主面が垂直となるよう配置されている。また、絶縁板１３０には孔１３０ａが設けられている。孔１３０ａの位置が棒状電極１００の軸方向の延長線上となるように、絶縁板１３０は配置されている。この絶縁板１３０は、大気圧プラズマの照射位置を孔１３０ａが開けられた位置に絞り、固体試料３０が効率的に原子化されるようにするため用いている。
【００３５】
なお、絶縁膜１３０の材料には、石英ガラス以外にも、セラミックス、などを用いることができる。また、絶縁板１３０は固体試料３０に接するよう配置したが、必ずしも接している必要はない。また、孔１３０ａの形状は円柱状、角柱状など、絶縁板１３０を貫通した形状であれば任意である。
【００３６】
棒状電極１００と刃状電極１２０は、６０Ｈｚの交流電源１８０に接続されており、数千ｋＶの電圧が印加される。Ａｒガスを棒状電極１００とセラミックス管１１０の内壁との隙間１５０に、棒状電極１００の軸方向に沿って固体試料３０側へ流しながら、棒状電極１００と刃状電極１２０とに電圧を印加することで、棒状電極１００の先端部１００ａに大気圧プラズマが発生する。その大気圧プラズマは、ガス流に乗って固体試料３０側へ伸びていく。固体試料３０は絶縁板１３０に覆われているため、絶縁板１３０に開けられた孔１３０ａに露出する固体試料３０の部分にのみ、大気圧プラズマが照射される。その結果、固体試料３０は効率的に原子化される。原子化された固体試料３０の一部は大気圧プラズマに混入して発光する。この発光を分光分析装置２０によって受光して、スペクトル解析することによって、固体試料３０の元素分析や、目的元素の定量分析などを行うことができる。
【００３７】
以上がアトマイザー１０の詳細な構成である。
【００３８】
次に、分光分析装置２０の構成について説明する。分光分析装置２０は、図１に示すように、マルチチャンネル分光器２００を有し、集光レンズ２１０、光ファイバ２２０を介して大気圧プラズマの発光を受光してスペクトル解析する。受光位置（集光レンズ２１０によって集光して光ファイバ２２０に大気圧プラズマの光を入射させる位置）は、絶縁板１３０の孔から光ファイバ２２０の光入射端を結ぶ直線が、孔１３０ａと棒状電極１００とを結ぶ直線に対して、１５〜４５°となる位置とすることが望ましい。このような位置で受光するようにすれば、マルチチャンネル分光器２００で検出される発光強度が高く、測定精度を向上できる。より望ましいのは３０°となる位置である。
【００３９】
以上に述べた実施例１の発光分析装置は、アトマイザー１０の電源が１つであるため小型で携帯可能であり、さらには固体試料３０について元素分析、定量分析などを行うことが可能である。したがって、たとえば農場などに発光分析装置を持ち込み、その場で農作物の元素分析や定量分析などを行うことが可能である。
【００４０】
次に、実施例１の発光分析装置を用いた各種実験結果を説明する。
【００４１】
［実験例１］
固体試料３０としてニンジンを用い、実施例１の発光分析装置を用いて分析を行った。図４のように、４２３ｎｍのＦｅ（鉄）の発光スペクトルを測定することができ、図５のように、５８９ｎｍのＮａ（ナトリウム）の発光スペクトルを測定することができた。このように、実施例１の発光分析装置を用いることで、固体試料の元素分析が可能であることが確認できた。
【００４２】
［実験例２］
固体試料３０として、３つの標準試料、ＮＩＳＴ１５１５（Ａｐｐｌｅ  Ｌｅａｖｅｓ）、ＮＩＳＴ１５４７（Ｐｅａｃｈ  Ｌｅａｖｅｓ）、ＮＩＳＴ１５７０ａ（Ｓｐｉｎａｃｈ  Ｌｅａｖｅｓ）をそれぞれ用い、実施例１の発光分析装置を用いてＣａ（カルシウム）の発光スペクトルとＫ（カリウム）の発光スペクトルを測定した。図６は、各標準試料のＣａ濃度と発光スペクトルの発光強度との関係を示したグラフである。また、図７は、各標準試料のＫ濃度と発光スペクトルの発光強度との関係を示したグラフである。図６、７のように、Ｃａ濃度、Ｋ濃度に応じて発光強度が線形に変化しており、実施例１の発光分析装置を用いることで目的元素の定量分析が可能であることが確認できた。
【００４３】
［実験例３］
試料として図８のようにトマトを用い、へた側の皮近傍の果肉部分（Ｎｏ．１）、中央部分の果肉部分（Ｎｏ．２）、皮部分（Ｎｏ．３）、中段の皮近傍の果肉部分（Ｎｏ．４）の４ヶ所の部分について、実施例１の発光分析装置によりＦｅ、Ｎｉ（ニッケル）、Ｎａの３つの元素の定量分析を行った。図９はその結果を示したグラフである。このグラフから、トマトの部位の違いによる成分の違いを測定できることがわかる。
【実施例２】
【００４４】
実施例２の発光分析装置は、実施例１のアトマイザー１０の刃状電極１２０を、以下に説明する刃状電極２２０に替えたものである。
【００４５】
図１０は、刃状電極２２０の形状を示した図であり、図１０（ａ）は上方（棒状電極１００の軸方向であって大気圧プラズマ照射側）からみた図、図１０（ｂ）は側方からみた図である。図１０のように、刃状電極２２０は、棒状電極１００側に突出した突出部２２０ａを有している。このような突出部２２０ａを設けることにより、突出部２２０ａに電界を集中させることができるため、大気圧プラズマをより容易に発生させることが可能となる。
【実施例３】
【００４６】
実施例３の発光分析装置は、実施例１のアトマイザー１０の刃状電極１２０および絶縁板１３０を、以下に説明する刃状電極３２０および絶縁板３３０に替えたものである。
【００４７】
図１１は、刃状電極３２０および絶縁板３３０を側方（棒状電極１００の軸方向に垂直な方向）から見た図である。刃状電極３２０は、刃状電極１２０の刃とは反対側の端部を折り曲げ、絶縁板３３０の端部と接続した構成である。絶縁板３３０は、絶縁板１３０と同様に石英ガラスからなる板状のものであり、孔３３０ａを有している。全体として、図１１のように、刃状電極３２０および絶縁板３３０は、ピンセット状の構成となっている。
【００４８】
このように、刃状電極３２０および絶縁板３３０をピンセット状に一体化したことにより、刃状電極３２０を固体試料３０に差し込むことで絶縁板３３０も同時に配置することができる。そのため、より簡易に固体試料３０の分析が可能となる。
【００４９】
なお、実施例２のような突起部を有した刃状電極と絶縁板とを、実施例３のようにピンセット状に一体化してもよい。
【００５０】
また、実施例１〜３では、刃状電極１２０として両刃のものを用いたが、片刃、蛤刃などの形状のものを用いてもよい。要は、固体試料３０に差し込み可能な刃状であれば任意の形状でよい。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明の発光分析装置は、固体試料の分析に用いることができる。また、本発明の発光分析装置は小型で携帯可能であるため、たとえば、本発明の発光分析装置を農場に持ち込み、農作物などをその場で元素分析、定量分析などするのに有効である。
【符号の説明】
【００５２】
１０：アトマイザー
２０：分光分析装置
３０：固体試料
１００：棒状電極
１１０、１６０：セラミックス管
１２０、２２０、３２０：刃状電極
１３０、３３０：絶縁板
１４０：絶縁管
１８０：交流電源
【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９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図８】
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