JP5317692B2 - ガス供給源を備えたプラズマ分光システム - Google Patents

Description

本発明は、システムの一部としてプラズマを保持するガス供給源を備えた分光システムに関する。このシステムは、試料の分光化学元素分析するためのものである。

本発明の背景技術における以下の説明は、本発明の文脈を説明するために含まれている。これは、参照した材料のいずれも、オーストラリアにて、公開されたもの、公知であったもの、または本出願により確定した優先日に常識の一部であったという承認とみなされるものではない。
分光器をベースにした元素分析器（Ｘ線技術を用いるものは除く）はすべてガス供給源を必要とし、例えば、フレーム原子吸光分析装置（ＦＡＡＳ）にはアセチレンおよび亜酸化窒素、または、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）発光分析装置もしくはＩＣＰ質量分析装置にはアルゴンが必要とされる。マイクロ波誘導プラズマの分光源については、本出願人の下記特許文献１の９〜１０ページに開示されるように、好適なプラズマ形成ガスが窒素である。
国際公開パンフレット第０２／０４９３０号明細書 国際公開パンフレット第０３／０９８９８０号明細書 国際公開パンフレット第０３／０６９９６４号明細書

分光システム用のガス供給源が、通常非常に高価な場合、例えば、年間のガス供給コストが、分光機器の最初の購入価格と同額であったり、遠隔地にガスを供給しなければならない場合には、さらに高額となることがある。このコストにおける重大な要因は、供給されたガスに通常要求される高い純度である。例えば、商業的に供給される窒素は、酸素およびアルゴンをともに０．１体積％未満含有するように典型的に規定されている。

そこで、本発明は、分光源としてマイクロ波誘導プラズマを発生させるためのトーチ（ｔｏｒｃｈ）と、窒素ガスを供給するための発生器であって、プラズマを保持する前記窒素ガスを供給するためにトーチに接続されている発生器とを備える分光システムであり、前記発生器が大気から窒素ガスを発生させることを特徴とする分光システムを提供する。
分光用のマイクロ波誘導プラズマ源は、十分に動作することができ、ある条件においては、プラズマを保持するガスとして酸素を若干含有する実質的には窒素に関する、向上した性能をこの分光システムに与えることができる。これは、ガス供給源は、投入されたガスが大気（すなわち、発生器の位置における大気）である分光機器の場所にある窒素発生器によって提供されることができることを意味する。例えば、ガス選択ろ過膜の使用によって、または、炭素分子ふるいのような適当な吸着剤の使用による酸素の圧力スイング吸着によって、分光機器の場所で圧縮される大気から窒素濃縮ガス供給源を作製することが可能である。そのような発生器は、典型的に、０．１体積％〜５体積％の残留酸素と、アルゴン、ＣＯ_２などといったごく少量または微量のより希薄な大気ガスとを含有している窒素を供給することができる。本発明によるマイクロ波誘導プラズマ分光システムは、そのような窒素供給源に関して十分に動作することができる。

このように、本発明は、現場の窒素ガス発生器を使用することができ、これによって、ボンベ入り高純度ガスの供給を得る必要がなくなり、また、分光機器の場所へのボンベ入りガス供給の輸送コストがなくなるため、コストが著しく節約できる。遠隔地において、アクセスが困難な場所で、またはインフラが低レベルの国々において、分光機器を動作できるか否かで生じる差として、コスト削減は非常に大きなものとなる。

好ましくは、本発明用に発生させた窒素は、約０．１体積％〜約３．０体積％の酸素を含有する。より好ましくは、窒素は、約０．１体積％〜約２．０体積％の酸素を含有する。さらにより好ましくは、窒素は、約０．５体積％〜１．５体積％の酸素を含有する。
本発明に係る分光システムの改良された感度は、窒素の酸素含有量が約０．１体積％から増加し、窒素が約１体積％〜２体積％の酸素を含有する時に最大となり、その後、酸素が約２体積％より高い濃度になると低下すると考えられる。酸素含有量をこれらの範囲に規定するために、さらなる実験が行われている。

好ましくは、本発明の発生器は、空気供給源からの酸素を吸着することによって動作するものである。

本発明をよりよく理解し、また、同様に行うことができることを示すために、単なる非制限的な例として、以下にその好適な実施形態を添付の図面を参照して開示する。
マイクロ波誘導プラズマ分光化学システムの窒素純度に対する感度を測定するために、試験を行った。こうした試験によって、対象の元素の１ｍｇ／Ｌ溶液に対して１秒間に受信したＡ／Ｄカウントにおける信号レベルを測定した。代表的な結果を、以下の表に示す。分光機器は、２組のデータに対して別々に最適化されたが、その構成は、各組の結果内では変えなかった。

上記２つの表中の結果が示すように、プラズマに供給されたガス中の少量の残留酸素（最大２％〜３％）は有益であり、実際に感度を向上させるものである。また、この改善は、得られる検出限界にも反映されている。こうした改善は小幅だが、確実に価値のあるものである。
図１によって概略的に示されている分光システムにおいて、液体分析試料５の代表的な部分が、プローブ６を通って試料移送管７へとポンプ１０によって汲み上げられ、エアロゾル発生器１５内へと流れ込む。多くの適当なエアロゾル発生器が当該技術において公知である。図示した例では、エアロゾル発生器１５は、圧力調整器２０によって制御された適圧（５０〜５００ｋＰａゲージ、典型的には、１２０〜２５０ｋＰａゲージ）で窒素が供給される圧縮空気式ネブライザーである。エアロゾル発生器１５は、より大きなエアロゾル液滴が内部で沈降して、第２ポンプ３５によって排水管３０を通って排出口４０へと排出されるスプレー室２５において、分析試料５から記載のように得られた液体をエアロゾル（図示せず）に変換させる。窒素内で懸濁された微細な液滴からなるエアロゾルは、エアロゾル移送管４５を通ってプラズマトーチ５０の噴射管４６へと進む。

上述の配置は、分析試料を分光化学分析用のプラズマトーチ内へ導入するのに適した形に変換することができる１つの好適な方法を示すに過ぎない。その他の多くの配置は、当該技術において公知であり、誘導結合プラズマのような分光化学の他の種類のプラズマと組み合わせて広く用いられている。かかる試料導入配置のいずれも、先に述べた配置と置き換えてもよい。

プラズマトーチ５０には、入口５５および５６を通ってマニホールド６０から２つのガス流が供給される。入口５５を通る所要流量は、入口５６を通る所要流量よりも少ない。必要な流量を得るために、入口５５とマニホールド６０との間に絞り５７が置かれる。圧力調整器６５が、マニホールド６０内に一定のガス圧を供給する。トーチ５０に用いてもよいマイクロ波誘導プラズマに適したトーチの詳細は、本出願人の上記特許文献１の１１〜１２ページおよび上記特許文献２に記載されている。

本発明の実施形態によれば、窒素を窒素発生器７０からマニホールド６０と、圧力調整器２０および６５とに供給し、この窒素発生器７０には、空気圧縮機７５から圧縮した大気が供給される。
プラズマトーチ５０は、マイクロ波空洞８０内に位置し、このマイクロ波空洞８０は、マイクロ波電源８５によってマイクロ波電力が供給される。マイクロ波空洞８０内のマイクロ波の作用によって、トーチ５０内にプラズマ９０が生成される。分光化学分析用の窒素プラズマを生成するためのキャビティ８０およびその使用法の詳細は、上記特許文献１および本出願人の上記特許文献３に記載されている。

分光化学分析用の光学分光計１００によって、光学インターフェース９５を通してプラズマ９０が見える。光学インターフェース９５は、ノズル構成１１０を通過する空気により生成されるエアカーテン１０５によって、プラズマ９０から保護される。空気ライン１１５を介して空気圧縮機７５からノズル構成１１０に空気が供給される。空気ライン１１５内に圧力調整器１２０を設けて、適正な流量の空気がノズル構成１１０を通るようになっている。

光学インターフェース９５および光学分光計１００は、当該技術において公知ないくつかの種類の質量分析計のうちの任意の１つと置き換えることができ、かかる状況では、エアカーテン１０５を必要としない。分光化学分析用の質量分析計にプラズマを接続する詳細は、当該技術において公知である。
システムの動作を制御するため、かつ、分光計１００により生じたデータを収集および処理するために、電子制御およびデータ処理システム１２５が設けられている。

窒素発生器７０の一実施形態が、図２に概略的に示されている。この発生器７０では、空気圧縮機（図示せず）からの大気が、エアフィルター２０５を通って、流量絞り２１５および２２０ならびに電磁弁２２５、２３０、２３５および２４０を備える第１マニホールド２１０内に流れ込む。
流量絞り２１５および２２０は、フィルター２０５とマニホールド２１０との間に単一の流量絞り（図示せず）として実施することができる。装置の動作の説明を簡潔にするために、図２に示すように電磁弁２２５、２３０、２３５および２４０によって流量が制御されると仮定するが、その個々の弁２２５、２３０、２３５および２４０の一式を、当業者に公知のものと同じ機能性を提供する任意の適切な弁一式と取り替えることができることが理解されよう。

当初、電磁弁２２５は開、電磁弁２３０は閉、電磁弁２３５は閉、電磁弁２４０は開である。電磁弁２２５、２３０、２３５および２４０の切換は、電子制御装置３００によって行われる。第１マニホールド２１０からの空気は、弁２２５を通って、例えば、体積が１１リットルで、炭素分子ふるいのような適切な吸着媒体２５０が充填されている第１圧力容器２４５内へ流れ込む。適当な炭素分子ふるいとして、中国の江蘇省塩城県宝塔町にある中国塩城宝徳化工有限公司（the China Yancheng Baode Chemical Co Ltd, Baota Town, Yancheng, Jiangsu, China）製のＣＭＳ−１９０がある。空気が圧力容器２４５内の吸着媒体２５０上に高圧（〜５３０ｋＰａ）で流れるにつれ、酸素が吸着媒体２５０によって選択的に吸着され、その空気は次第に酸素を失っていく。そして、圧力容器２４５から第２マニホールド２５５内へ酸素が欠乏した空気が通る。第２マニホールド２５５内の少量の空気が、流量絞り２６０を通って、例えば、体積が１１リットルで、また、吸着媒体２５０で充填されている第２圧力容器２４６内へ流れ込む。この第２圧力容器２４６は、開いた電磁弁２４０を介して排出口２９５を通って雰囲気へと通気されるので、第２圧力容器２４６内の圧力は第１圧力容器２４５内の圧力よりもはるかに低い。第２圧力容器２４６の途中で、流量絞り２６０からの空気が、吸着媒体２５０から吸着された酸素を押し流し、電磁弁２４０を通ってマフラー２９０へと流れ、排出口２９５を通って出て行く。第２マニホールド２５５からの酸素欠乏空気の大部分は、第１片方向弁２６５を通って窒素貯槽２７５内へ流れ込む。

所定時間（典型的には１分）経過後、電磁弁２２５、２３０、２３５および２４０の状態が、電磁弁２２５が閉、電磁弁２３０が開、電磁弁２３５が開、電磁弁２４０が閉となるように電子制御装置３００によって切り替えられる。次に、第１マニホールド２１０からの空気は、高圧（〜５３０ｋＰａ）で弁２３５を通って第２圧力容器２４６内へ流れ込む。空気が第２圧力容器２４６内の吸着媒体２５０上に高圧で流れるにつれ、酸素が吸着媒体２５０によって選択的に吸着され、その空気は次第に酸素を失っていく。そして、第２圧力容器２４６から第２マニホールド２５５内へ酸素が欠乏した空気が通る。第２マニホールド２５５内の少量の空気が、流量絞り２６０を通って、第１圧力容器２４５内へ流れ込む。弁２３０が排出口２９５に対して開いているため、第１圧力容器２４５内の圧力は、ここでは第２圧力容器２４６内の圧力よりもはるかに低くなっている。第１圧力容器２４５の途中で、流量絞り２６０からの空気が、第１圧力容器２４５内の吸着媒体２５０から吸着された酸素を押し流し、電磁弁２３０を通ってマフラー２９０へと流れ、排出口２９５を通って出て行く。第２マニホールド２５５からの酸素欠乏空気の大部分は、第２片方向弁２７０を通って窒素貯槽２７５内へ流れ込む。

所定時間（典型的には１分）経過後、電磁弁２２５、２３０、２３５および２４０の状態が、電子制御装置３００によって再び切り替えられ、このサイクルを繰り返す。数回のサイクル後、窒素貯槽２７５内の酸素欠乏空気は、酸素を約５体積％未満含有し、主に窒素からなっている。このガスは、出口２８０を通って適切なガス圧調整および流量制御手段（図示せず）によって取り出すことができる。

本明細書に記載した発明は、特に記載されたもの以外の変更、修正、および／または追加を許容し、また、本発明は、以下の請求の範囲内に含まれるこれら全ての変更、修正、および／または追加を包含することが理解されるであろう。

本発明の実施形態による分光システムを概略的に示す図である。 図１のシステムにおいて使用される窒素発生器を概略的に示す図である。

Claims (6)

1. 分光源としてマイクロ波誘導プラズマを発生させるためのトーチと、前記プラズマを保持するための窒素ガスを供給するために前記トーチに接続されている窒素ガス発生器とを備え、前記窒素ガス発生器が大気からの酸素の吸着によって前記窒素ガスを発生させるものであり、前記窒素ガス発生器から前記トーチに供給される前記窒素ガスが、０．１体積％〜３．０体積％の酸素を含有する、分光システム。
2. 圧縮された大気を前記窒素ガス発生器へ供給するための空気圧縮機を備える、請求項１に記載の分光システム。
3. 前記窒素ガス発生器が、前記圧縮された大気を通過させる酸素吸着媒体を含む第１圧力容器を備える、請求項２に記載の分光システム。
4. 前記第１圧力容器から酸素が欠乏して窒素に富んだ空気が流れ込む別の圧力容器を備え、前記プラズマを保持する前記窒素ガスが、前記別の圧力容器から供給される、請求項３に記載の分光システム。
5. 前記窒素ガス発生器が酸素吸着媒体を含む第２圧力容器を備え、かつ、前記窒素ガス発生器が流量制御弁を備え、それによって前記圧縮した大気を、まず、前記第１圧力容器内の前記酸素吸着媒体に所定時間通過させた後、前記別の圧力容器内へ通し、次いで、前記第２圧力容器内の前記酸素吸着媒体に所定時間通過させた後、前記別の圧力容器内へ通す、請求項４に記載の分光システム。
6. 前記流量制御弁が、前記圧縮空気を前記第１圧力容器内の前記酸素吸着媒体に通過させている間に、前記第２圧力容器内の前記酸素吸着媒体がその吸着された酸素を取り除くように、また、前記圧縮空気を前記第２圧力容器内の前記酸素吸着媒体に通過させている間に、前記第１圧力容器内の前記酸素吸着媒体がその吸着された酸素を取り除くように、操作可能である、請求項５に記載の分光システム。

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