(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩＣＰ質量分析装置の試料供給部における、試料送液管とネプライザーガス配管とが直交するように配置されたクロスフロー型マイクロネプライザーであって、試料送液管が、取替可能で位置調整可能とされた口径のキャピラリー管であり、また、ネプライザーガス配管の先端にはＵ字型試料送液管止め口が設けられていることを特徴とするＩＣＰ質量分析用クロスフロー型マイクロネプライザー。
【請求項２】
試料送液管は、外側を高分子の膜もしくはチューブにて保護されたフューズドシリカから成ることを特徴とする請求項１のクロスフロー型マイクロネプライザー。
【請求項３】
ネプライザーガス配管の先端部が、吹出口に向かって先細りするテーパー状をなしていることを特徴とする請求項１または２のクロスフロー型マイクロネプライザー。
【請求項４】
ネプライザーガス配管が、取替可能で位置調整可能とされた口径の管であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかのクロスフロー型マイクロネプライザー。
【請求項５】
試料送液管及びネプライザーガス配管がネジによる着脱式のものであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかのクロスフロー型マイクロネプライザー。
【請求項６】
試料送液管及びネプライザーガス配管の軸方向の位置がネジによって調整可能であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかのクロスフロー型マイクロネプライザー。
【請求項７】
試料送液管が、内径が２００μｍ以下の取替可能且つ位置調整可能な口径の管であり、ネプライザーガス配管が、吹出口の口径が５０μｍ以上１５０μｍ以下の取替可能且つ位置調整可能な口径の管であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかのクロスフロー型マイクロネプライザー。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、ＩＣＰ質量分析用クロスフロー型マイクロネブライザーに関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、微量の溶液試料を高効率に霧化できるＩＣＰ質量分析用クロスフロー型マイクロネブライザーに関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
ＩＣＰ質量分析法は、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma：誘導結合プラズマ）をイオン源とする質量分析方法であり、１９８０年にHouk等によって報告され、その後の様々な研究の結果、現在種々の分野で研究開発や製造ラインで活用されており、半導体分野をはじめ生物化学、医科学分野まで幅広く利用されている。
【０００３】
ＩＣＰ質量分析法の特徴には、多元素から成る試料において短時間のうちに多元素が同時に測定できること、また検出限界がｐｐｂからｐｐｑ（parts per quadrillion, 10-15 g/mＬ）であって極めて高感度であること等が挙げられる。このような特徴から、ＩＣＰ質量分析法は微量元素についての有用な質量分析方法であると言える。
【０００４】
ＩＣＰ質量分析法に用いられるＩＣＰ質量分析装置は、通常、試料供給部、ＩＣＰ及びその電源、イオンサンプリング・インターフェース、質料分析計、データ処理装置等から構成されており、試料供給部で、試料溶液がネブライザーによって霧化されてＩＣＰに導入される。
【０００５】
現在市販されているＩＣＰ質料分析装置のネブライザーは、試料送液管とネブライザーガス配管が直交するクロスフロー型と、それらが同軸上にある同軸型のものが主たるものであるが、それらの型の従来のネブライザーには以下のような欠点がある。
【０００６】
クロスフロー型ネブライザーは、噴霧効率が２％以下とロスが多く、試料消費量が１分間に１〜２ｍＬと多くなってしまうため、微量の試料には適応しにくい。また、ネブライザー全体が一体型であるため、目詰まりや破壊が起きた場合、修復が困難である。
【０００７】
一方、同軸型ネブライザーでは、高噴霧効率のものが市販されるようになったが、この型のネブライザーも一体型であるため、目詰まりや破壊が起きた場合に修復が困難であり経済性が悪い。また、分離分析法との結合に際して、同軸型のネブライザ−ではサクション（吸引効果）により分離キャピラリー管内に層流が起こり、その結果分離効率が低下するという問題がある。
【０００８】
そこで、この出願の発明は、以上のとおりの事情に鑑みてなされたものであり、従来技術の問題点を解消し、微量の溶液試料を高効率に霧化することができ、且つコストパフォーマンスにも優れたＩＣＰ質量分析用クロスフロー型マイクロネブライザーを提供することを課題としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、まず第１には、ＩＣＰ質量分析装置の試料供給部における、試料送液管とネプライザーガス配管とが直交するように配置されたクロスフロー型マイクロネプライザーであって、試料送液管が、取替可能で位置調整可能とされた口径のキャピラリー管であり、また、ネプライザーガス配管の先端にはＵ字型試料送液管止め口が設けられていることを特徴とするクロスフロー型マイクロネプライザーを提供する。
【００１０】
また、この出願の発明は、第２には、試料送液管は、その外側を高分子の膜もしくはチューブにて保護されたフューズドシリカから成ることを特徴とするクロスフロー型マイクロネプライザーを提供し、
第３には、ネプライザーガス配管の先端部が、吹出口に向かって先細りするテーパー状をなしていることを特徴とするクロスフロー型マイクロネプライザーを、
第４には、ネプライザーガス配管が、取替可能で位置調整可能とされた口径の管であることを特徴とするクロスフロー型マイクロネプライザーを、
第５には、試料送液管及びネプライザーガス配管がネジによる着脱式のものであることを特徴とするクロスフロー型マイクロネプライザーを
第６には、試料送液管及びネプライザーガス配管の軸方向の位置がネジによって調整可能であることを特徴とするクロスフロー型マイクロネプライザーを提供する。
【００１１】
そして、この出願の発明は、第７には、前記いずれかの発明において、試料送液管が内径が２００μｍ以下の取替可能且つ位置調整可能な口径の管であり、ネプライザーガス配管が、吹出口の口径が５０μｍ以上１５０μｍ以下の取替可能且つ位置調整可能な口径の管であることを特徴とするクロスフロー型マイクロネプライザーをも提供する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
この出願の発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。
【００１３】
まずなによりも特徴的なことは、クロスフロー型ネブライザーの場合は、溶液試料の送液管口とネブライザーガス配管の吹出口が直交するため、それらを適切に配置することが重要となるが、この出願の発明においては、従来のような固定式ではなく、取替可能、つまり着脱自在で、位置微調整可能とされた微小口径のキャピラリー管を試料送液管としていることである。このキャピラリー管については、その素材構成等については各種であってよいが、なかでも、この発明においては、割れることがなく、しかも屈曲しやすいキャピラリー管として、その外側が高分子の膜もしくはチューブにより保護されたフューズドシリカから成る試料送液管が好適なものとして用いられる。外側を保護する高分子の膜もしくはチューブとしては各種のものであってよく、たとえば好適なものの一つとしてＰＥＥＫ(Polyether ether ketone)チューブがあり、このチューブに通して保護するため、試料送液管が屈曲するのを防止でき、送液管口の位置を固定することができる。
【００１４】
さらにまた、Ｕ字型止め口をネブライザーガス配管の先端に設け、Ｕ字型止め口の内側に試料送液管の先端部を位置させることで、試料送液管の中心軸とネブライザーガス配管の中心軸が垂直に交わる位置にそれぞれの管を適切に配置することができる。
【００１５】
試料送液管やネブライザーガス配管の内径を従来よりも小さくすることで問題になるのが、目詰まりを起こすことが多くなることである。特に試料送液管部分は目詰まりを起こしやすい。これまでは試料送液管が目詰まりを起こした場合、その都度ネブライザーを新規に購入していたが、この発明では試料送液管をネジによる脱着式とし、試料送液管のみを交換できるようにしている。
【００１６】
このように試料送液管のみの取替えが可能となったのは、周辺技術が進歩したため微小口径のキャピラリー管を安価に入手できるようになったことによる。
【００１７】
またネブライザーガス配管についても、ネジによる脱着式とし取替可能な微小口径の管とすることで、ネブライザーガス配管が破損した場合等にネブライザーガス配管のみの交換が可能となる。
【００１８】
さらにまたネジの締め具合によって、試料送液管及びネブライザーガス配管の軸方向における位置の微調整が可能となる。
【００１９】
よって、この発明のクロスフロー型マイクロネブライザーを用いることで、微小且つ均質な液滴を生成できるようになり、噴霧効率の向上と微量の試料導入が可能となり、また試料送液管で目詰まりが起きた場合や試料送液管又はネブライザーガス配管が破損した場合等にも、その部分を交換するだけで容易に対応することができ、コストを抑えることができる。
【００２０】
また、この発明のクロスフロー型マイクロネブライザーにおいては、試料送液管の内径を２００μｍ以下とし、ネブライザーガス配管の吹出口の口径を５０μｍ以上１５０μｍ以下として従来品よりも小さくすることで、微量試料の霧化を大幅に高効率化することができる。またネブライザーガス配管の先端部をテーパー状にして吹出口の口径を小さくすることで、さらなる微量試料の高効率霧化が可能となる。
【００２１】
以下、添付した図面に沿って実施例を示し、この発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。もちろん、この発明は以下の例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることは言うまでもない。
【００２２】
【実施例】
ＩＣＰ質料分析装置のネブライザーとして、この出願の発明のクロスフロー型マイクロネブライザーを以下のとおりに構成し、その性能を評価した。
【００２３】
図１（Ａ）に例示したクロスフロー型マイクロネブライザー（以下ＨＥＣＦＭＮ（High-efficiency cross-flow micronebulizer）とする）（１）とスコット型スプレーチャンバーアダプタ（２）は、ＰＴＦＥ（Poly Tetra Fluoro Ethylene）にて構成し、ＨＥＣＦＭＮ（１）では試料送液管（３）とネブライザーガス配管（４）を直交させている。
【００２４】
試料送液管（３）は内径が５０μｍ、外径が１５０μｍのフューズドシリカから成る微小口径のキャピラリー管で、ＰＥＥＫチューブ（５）によって保護されている。
【００２５】
またＨＥＣＦＭＮ（１）の外側では、試料送液管（３）はタイゴンチューブ（６）に接合されており、さらにＰＴＦＥナット（７）が、タイゴンチューブ（６）の先端部に固定されている。つまり試料送液管（３）は、タイゴンチューブ（６）を介してＰＴＦＥナット（７）に接続されており、試料送液管（３）はＨＥＣＦＭＮ（１）本体にＰＴＦＥナット（７）によって脱着可能に固定されている。またＰＴＦＥナット（７）のネジを調節することで試料送液管（３）の軸方向の位置を微調整することができるようにしている。
【００２６】
またネブライザーガス配管（４）は、ネジによる脱着式且つ位置微調整可能なＰＥＥＫから成る微小口径の管であって、管の内径は１５０μｍであり、図１（Ｂ）及び図１（Ｃ）に例示したように先端の吹出口（８）の口径が７５μｍになるように先端部（１０）をテーパー状にしている。
【００２７】
さらに図１（Ｂ）及び図１（Ｃ）に例示したように、ネブライザーガス配管（４）の先端には、試料送液管（３）とネブライザーガス配管（４）の相対位置を調整するためにＵ字型止め口（９）が設けてある。このＵ字型止め口（９）の内側に試料送液管（３）の先端部が入り込み、試料送液管（３）の中心軸とネブライザーガス配管（４）の中心軸が垂直に交わるように配置している。
【００２８】
このＨＥＣＦＭＮ（１）と、試料送液管（内径：５００μｍ、外径：７００μｍ）とネブライザーガス配管（吹出口の口径：１６０μｍ）を有する通常のクロスフロー型ネブライザー（以下ＣＦＮ（cross-flow nebulizer）とする）とを用いて噴霧し、それらの液滴分布の比較を行った。
【００２９】
ここで、ＩＣＰ質量分析法に用いるネブライザーに必要な条件は、噴霧によって微小で均質な液滴を生成することである。不均質で大きな液滴が生成されてしまうと、試料送液の効率が落ちるだけでなく、プラズマ中において分解、蒸発、原子化、イオン化等に関する様々な問題が発生し、ひいてはＩＣＰ質量分析装置の精度が落ちてしまうのである。従って微小で均質な液滴を生成することは、ＩＣＰ質量分析法に用いるネブライザーには重要な条件といえる。
【００３０】
実際、ＨＥＣＦＭＮ（１）とＣＦＮを用いて、いくつかの異なった試料送液速度で噴霧を行った。具体的には、３ｃｍ×３ｃｍのｐＨ試験紙をネブライザーから２０ｍｍ離れたところに置き、ＨＥＣＦＭＮ（１）とＣＦＮで、２％ＨＮＯ3溶液をｐＨ試験紙に向かって噴霧した。
【００３１】
ｐＨ試験紙に生成された液滴分布、液滴の大きさ及び液滴生成速度を調べたところ、図２のような結果が得られた。Ａ〜ＤはＨＥＣＦＭＮ（１）によるものであり、それぞれの試料送液速度は、Ａ：１００μＬ／ｍｉｎ、Ｂ：５０μＬ／ｍｉｎ、Ｃ：２０μＬ／ｍｉｎ、Ｄ：５μＬ／ｍｉｎである。またＥ〜ＧはＣＦＮによるものであり、試料送液速度は、Ｅ：１０００μＬ／ｍｉｎ、Ｆ：５００μＬ／ｍｉｎ、Ｇ：１００μＬ／ｍｉｎである。
【００３２】
またそれぞれのネブライザーガスの流量速度は、ＨＥＣＦＭＮ（１）が０．９Ｌ／ｍｉｎであり、ＣＦＮが０．６５Ｌ／ｍｉｎである。
【００３３】
図２に示すＨＥＣＦＭＮ（１）の液滴分布とＣＦＮの液滴分布には、次の４つの点に違いが見られる。
【００３４】
まず第１に、ＨＥＣＦＭＮ（１）によって得られる液滴分布の幾何寸法は、ＣＦＮによって得られる液滴分布の幾何寸法より小さい。
【００３５】
第２に、ＨＥＣＦＭＮ（１）の黒点の分布は、ＣＦＮの黒点の分布よりも一様になっている。またＣＦＮの中央部分における黒点の密度は外側部分における黒点の密度に比べて明らかに大きい。
【００３６】
これらの違いから、ＨＥＣＦＭＮ（１）での噴霧による液滴の放射速度（広がり方向の速度）が、ＣＦＮでの噴霧による液滴の放射速度に比べて遅く且つ一様であると言える。
【００３７】
また第３に、ＣＦＮによって得られた液滴分布の外側部分に比較的大きな黒点が見受けられたが、ＨＥＣＦＭＮ（１）による液滴分布にはそういった大きな黒点は見受けられなかった。
【００３８】
この違いにより、ＨＥＣＦＭＮ（１）による液滴分布は均質で小さいサイズの液滴である確率が、ＣＦＮによる液滴分布に比べて高いと言える。
【００３９】
また第４に、ＨＥＦＭＮ（１）では試料送液速度を上げても液滴分布に特に違いは見られないが、ＣＦＮでは試料送液速度を上げることで外側部分の大きい黒点の量が増えている。
【００４０】
これら４つの違いを考慮すると、ＨＥＣＦＭＮ（１）はＣＦＮに比べて微小且つ均質な液滴を生成できるといえる。
【００４１】
さらにＨＥＦＭＮ（１）の噴霧効率の測定を行った。
【００４２】
尚、噴霧効率は、ネブライザーによって生成される液滴の大きさに強く依存する。液滴の分布や大きさは、ネブライザーの構造のみだけでなくネブライザーの操作条件、即ちネブライザーガスの流量速度や試料送液速度にも大きく影響される。つまり、試料送液速度に対してネブライザーガスの流量速度が大きくなると噴霧効率も上がるのである。
【００４３】
噴霧効率の測定においては、硝酸セルロース膜フィルター（孔のサイズ：０．３μｍ、直径：４７ｍｍ）を、分析対象物を捕らえるために用い、その硝酸セルロース膜フィルターに対して１０ｍｇ／Ｌの多元素溶液を噴霧した。ここで試料としては、Ｌｉ、Ｖ、Ａｓ、Ｉｎ、Ｔｍ、Ｐｂの同位元素の多元素溶液を用いた。また、噴霧効率の測定に当たっては、試料送液速度を５μＬ／ｍｉｎ、２０μＬ／ｍｉｎ、５０μＬ／ｍｉｎ、１００μＬ／ｍｉｎとし、またそれぞれの試料送液速度に対して、ネブライザーガスの流量速度を１．０Ｌ／ｍｉｎ、０．９Ｌ／ｍｉｎ、０．８５Ｌ／ｍｉｎ、０．８Ｌ／ｍｉｎとした。
【００４４】
ネブライザーで噴霧した後にフィルターを３０分間１％ＨＮＯ3溶液で抽出した。また比較対象として、噴霧する前の溶液の量と同じ量の試料を直接収集したフィルターも同様に１％ＨＮＯ3溶液で抽出した。
【００４５】
その測定結果を表１に示す。表１に見られるように、ＨＥＣＦＭＮ（１）を用いた場合、試料の種類及び試料送液速度によって、２３〜９７％という非常に高い噴霧効率を得ることができた。特に試料送液速度を５μＬ／ｍｉｎとし、ネブライザーガスの流量速度を１．０Ｌ／ｍｉｎとすることで、すべての試料に関して９０％以上の噴霧効率が得られた。従って、通常のＣＦＮの噴霧効率が２％であったのに対し、ＨＥＣＦＭＮ（１）の噴霧効率は大きく向上しているといえる。噴霧効率が向上したことにより、試料消費量を削減しても検出感度の低下が起こることがなく、また再現性も良好となる。
【００４６】
さらにＨＥＣＦＭＮ（１）はクロスフロー型ネブライザーであるため、同軸型ネブライザーの場合に起こるサクションによる分離効率の低下を回避することができるため、キャピラリー電気泳動法との結合におけるインターフェースとしても有効である。
【００４７】
【表１】
0003836693.tif 000002
【００４８】
【発明の効果】
以上詳しく説明したとおり、この出願の発明によって、微量の溶液試料を高効率に霧化できるＩＣＰ質量分析用クロスフロー型マイクロネブライザーが提供される。この発明によってＩＣＰ質量分析法の応用範囲を拡充でき、微量の試料や高価な試料の分析を必要とする生化学、医科学分野での使用がさらに高まることが期待される。また、微量の試料導入が行えることからプラズマに対して溶液負担が少ないため、妨害成分を多量に含む試料の分析に適しており、工業分析におけるニーズにも対応できる。さらにまた、試料導入量がμＬオーダーと微量でもよいことと、サクションが起こりにくいことから高性能な分離が可能なキャピラリー電気泳動法との結合にも適しており、高度な分離分析技術を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例におけるクロスフロー型マイクロネブライザーを例示した断面図である。
【図２】この発明の実施例におけるクロスフロー型マイクロネブライザーと通常のクロスフロー型ネブライザーによる噴霧の液滴分布を例示した図である。
【符号の説明】
１  クロスフロー型マイクロネブライザー（ＨＥＣＦＭＮ）
２  スコット型スプレーチャンバーアダプタ
３  試料送液管
４  ネブライザーガス配管
５  ＰＥＥＫチューブ
６  タイゴンチューブ
７  ＰＴＦＥナット
８  吹出口
９  Ｕ字型止め口
１０  先端部
【図１】
0003836693.tif 000003
【図２】
0003836693.tif 000004