JPWO2019208356A1

JPWO2019208356A1 - 試料導入装置および分析装置

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Publication number: JPWO2019208356A1
Application number: JP2020516267A
Authority: JP
Inventors: 彦北朱
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2018-04-27
Filing date: 2019-04-17
Publication date: 2021-03-18
Anticipated expiration: 2039-04-17
Also published as: WO2019208356A1; JP7016186B2

Abstract

試料である粉体物を簡易に分析する。分析装置は、試料導入装置（１０）と、試料導入装置（１０）から粉体物（Ｐ）が導入される分析機器を備えている。試料導入装置（１０）は、試料供給部（１４）と流路（１６）を備えている。試料供給部（１４）は、粉体物（Ｐ）を蓄える試料室（１８）と、試料室（１８）から粉体物（Ｐ）を受け取り、この粉体物（Ｐ）を流路（１６）に導入する試料運搬室（２２）と、試料室（１８）と流路（１６）で露出している回転体（２０）を備えている。回転体（２０）の回転によって、試料運搬室（２２）は、試料室（１８）に連通された状態と、流路（１６）に連通された状態とを断続して繰り返す。試料供給部（１４）は、断続して定量の粉体物（Ｐ）を流路（１６）に供給する。試料供給部（１４）から供給された粉体物（Ｐ）と、入口（１６ａ）から導入されたキャリアガスが、分析機器に向けて出口（１６ｂ）から排出される。

Description

本願は、試料である粉体物を分析機器に導入するための試料導入装置と、この試料導入装置を用いた分析装置に関する。

食の安全を確保するため、食品中の栄養成分または有害成分などを分析して、食品の品質を管理することが必要である。また、製薬業界においては、薬剤の品質管理のため、有効成分または有害成分などを分析しなければならない。さらに、原材料の組成が製品の性能を左右するため、原材料の化学分析も欠かせない。マイクロ波を利用した酸分解または抽出によって試料である粉体物を溶液化し、この溶液を分析機器に導入して、粉体物を化学分析する手法が広く利用されている（非特許文献１）。

しかしながら、マイクロ波を利用した酸分解または抽出による粉体物の溶液化は、数時間程度の長い時間がかかるうえ、溶液化過程における化学成分の汚染または目減りのリスクがある。また、粉体物をいったんデスク状に固めて、レーザーアブレーションによって微粉末化して分析機器に導入する手法も報告されている（非特許文献２）。しかしながら、非特許文献２に記載された分析方法では、粉体物をいったんデスク状にする必要がある。また、レーザーアブレーション装置は高価である。

"Microwave-assisted sample preparation in analytical chemistry", Talanta, 1996, 43, 1207-1268. "Quantitative analysis of the elements in powder samples by LA-ICP-MS with PMMA powder as the binder and Cs as the internal standard", J. Anal. At. Spectrom., 2013, 28, 301-306.

本願の課題は、溶液化またはデスク状処理を必要とせず、粉体物を分析機器に直接導入できる試料導入装置と、この試料導入装置を用いた分析装置を提供することである。

本願の試料導入装置は、試料供給部と、流路とを有し、試料である粉体物を分析機器に導入するための試料導入装置であって、試料供給部が、断続して定量の粉体物を流路に供給し、流路が、キャリアガスが導入される入口と、試料供給部から供給された粉体物および入口から導入されたキャリアガスを分析機器に向けて排出する出口を備えている。

本願の分析装置は、本発明の試料導入装置と、試料導入装置から粉体物が導入される分析機器と、流路にキャリアガスを導入するガスボンベを有する。

本願の試料導入装置および分析装置を用いることにより、試料である粉体物が簡易に分析できる。

第一実施形態の試料導入装置の上面図。（ａ）図１の試料導入装置のＡ−Ａ線断面模式図、（ｂ）図１の試料導入装置のＢ−Ｂ線断面模式図。第一実施形態の試料導入装置の動作を示す断面模式図で、（ａ）は図１のＡ−Ａ線断面模式図、（ｂ）は図１のＢ−Ｂ線断面模式図。第一実施形態の試料導入装置の動作を示す断面模式図。第二実施形態の試料導入装置の断面模式図。第三実施形態の試料導入装置の断面模式図。実施例で分析した茶葉の元素分析スペクトル。実施例で分析した茶葉の元素分析スペクトル。実施例で分析した茶葉の元素分析スペクトル。

図面を参照しながら、実施形態と実施例に基づいて、本願の試料導入装置および分析装置を説明する。図面は、本願の試料導入装置および分析装置、これらの構成部材、ならびにこれらの周辺部材を模式的に表したものである。したがって、図面上の寸法および寸法比は、実物の寸法および寸法比と必ずしも一致しない。また、同様の部材には同じ符号を付与することがある。なお、重複説明は適宜省略する。

図１は、本願の第一実施形態の試料導入装置１０の上面を示している。図２（ａ）は、図１のＡ−Ａ線断面を示している。図２（ｂ）は、図１のＢ−Ｂ線断面を示している。試料導入装置１０は、試料である粉体物Ｐを分析機器（不図示。以下同じ）に導入するための装置である。試料導入装置１０は、本体１２と、試料供給部１４と、流路１６を備えている。本体１２は樹脂製であり、直方体形状を備えている。本体１２の内部に、試料供給部１４と流路１６が設けられている。

試料供給部１４は、断続して、例えば質量１ｍｇ未満の定量の粉体物Ｐを流路１６に供給する。試料供給部１４は、試料室１８と、回転体２０と、試料運搬室２２を備えている。粉体物Ｐを蓄える試料室１８は、本体１２の上部がくり抜ぬかれて形成された空間で、円柱形状を備えている。回転体２０は、流路１６と試料室１８で露出しており、流路１６の上に、かつ試料室１８の下に設けられている。

回転体２０は、樹脂製で、円柱形状を備えている。回転体２０は、中心に設けられた軸Ｌを回転軸として、図２（ａ）と図２（ｂ）に矢印で示した方向に回転する。軸Ｌには駆動機構（不図示）が接続されており、この駆動機構が軸Ｌを回転させ、それに伴って回転体２０も回転する。回転体２０の回転によって、試料運搬室２２が、試料室１８と連通した状態と、流路１６と連通した状態を断続して繰り返す。すなわち、試料運搬室２２は、試料室１８から粉体物Ｐを断続して受け取り、この粉体物Ｐを流路１６に断続して導入する。なお、回転体２０の形状は球体であってもよい。

試料運搬室２２は、回転体２０の表面に形成されている。より具体的には、試料運搬室２２は、回転体２０の円柱の側面の一部がくり抜かれて形成されている。後述するように、本実施形態では、流路１６と重なったときに流路１６の一部となるように、試料運搬室２２が回転体２０に形成されている。なお、断続して定量の粉体物Ｐを流路１６に供給できれば、試料運搬室２２の形状は特に制限がない。

試料運搬室２２の形状は、円柱形状、半球形状、角柱形状、錐体形状、または溝形状などであってもよい。また、試料運搬室２２は、回転体２０の表面に複数形成されていてもよい。例えば、２個の試料運搬室２２を設ける場合は、回転体２０の側面に中心角１８０°毎に試料運搬室２２を形成すればよく、４個の試料運搬室２２を設ける場合は、回転体２０の側面に中心角９０°毎に試料運搬室２２を形成すればよい。

試料室１８の開口にはキャップ２４が設けられている。キャップ２４の下方には、バネ２６を介して押圧板２８が設けられている。押圧板２８によって、試料室１８に充填された粉体物Ｐが下方に押圧される。このため、試料室１８に充填された粉体物Ｐは、試料運搬室２２に定量で投入される。バネ２６と押圧板２８の代わりに、圧力センサーを備え、定圧で粉体物Ｐを試料運搬室２２に供給する機構を使用してもよい。

流路１６は、本体１２が円柱状にくり抜かれて形成されている。流路１６は、外から管が接続できる入口１６ａと出口１６ｂを備えている。入口１６ａはＨｅ、Ｎ_２、またはＡｒ等のキャリアガスのガスボンベ（不図示。以下同じ）と接続されており、入口１６ａから流路１６にキャリアガスが導入される。出口１６ｂは分析機器と接続されており、試料供給部１４から流路１６に供給された粉体物Ｐと、入口１６ａから流路１６に導入されたキャリアガスを、分析機器に向けて排出する。つまり、分析機器には、キャリアガスと、断続的な定量の粉体物Ｐが導入される。また、試料導入装置１０を複数台併用することによって、連続的な定量の粉体物導入システムを構築することができる。

本発明の実施形態に係る分析装置は、試料導入装置１０と、試料導入装置１０から粉体物Ｐが導入される分析機器と、流路１６にキャリアガスを導入するガスボンベを備えている。本実施形態では、分析機器が誘導結合プラズマ質量分析装置（ＩＣＰ−ＭＳ）であるが、分析機器は、誘導結合プラズマ分光分析装置、原子吸光や発光などの元素分析装置、または化合物分析のための有機分析用装置などであってもよい。

分析装置の動作について説明する。図３および図４は、流路１６から分析機器に接続された試料導入装置１０の動作を示している。図３（ａ）と図４（ａ）は、図２（ａ）に対応する断面模式図であり、図３（ｂ）と図４（ｂ）は、図２（ｂ）に対応する断面模式図である。回転台２０は、図２（ａ）、図２（ｂ）、図３（ａ）、図３（ｂ）、図４（ａ）、および図４（ｂ）の矢印で示す向きに等速回転している。また、流路１６の入口１６ａから出口１６ｂに向かって、キャリアガスが流れている。キャリアガスは分析機器の分析部に供給されている。そして、図２（ａ）に示すように、試料室１８が試料運搬室２２と連通される位置になったら、試料室１８に充填されている粉体物Ｐは、押圧板２８で下方に押圧され、試料運搬室２２に定量で投入される。

つぎに、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、回転体２０が図２（ａ）および図２（ｂ）の位置から９０°回転し、さらに回転体２０が９０°回転したら、図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、試料運搬室２２が流路１６と連通される。このとき、粉体物Ｐは、試料運搬室２２から流路１６に落下する。流路１６に落下した粉体物Ｐは、キャリアガスとともに分析機器に導入される。分析機器に導入された粉体物Ｐは、分析機器によって各種分析される。なお、キャリアガスの圧力が約０．１ＭＰａ以上あれば、粉体物Ｐが漏れることなく試料導入装置１０から分析機器に導入される。

回転体２０が図４（ａ）および図４（ｂ）の位置からさらに１８０°回転したら、図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、試料運搬室２２が再び試料室１８と連通される。これを繰り返すことによって、試料運搬室２２の容量に応じた定量の粉体物Ｐが、断続的に分析機器に導入される。試料導入装置１０を用いれば、数百μｇ程度の微量の粉体物Ｐが分析機器に導入でき、粉体物Ｐの組成等が分析できる。なお、試料運搬室２２の容量を調整することによって、数μｇから数ｍｇの粉体物Ｐを分析機器に導入できる。

本実施形態では、試料供給部１４が回転式であるが、これに代えて、試料供給部１４が平行移動式であってもよい。平行移動式の試料供給部を備える試料導入装置としては、例えば、以下のような構造が挙げられる。円柱状の試料移動通路を、流路１６の上に流路１６と平行に設け、試料移動通路の一部と流路１６の一部を側面同士で連通させる。そして、中心軸を通り側面を貫通する穴が設けられ、この試料移動通路より短い円柱ピストンをこの試料移動通路内で往復させる。この円柱ピストンの往復運動のある過程で、試料室からこの穴に粉体物Ｐがいったん落下し、この円柱ピストンの往復運動の他の過程で、円柱ピストンの穴の中にある粉体物Ｐが流路１６に落下する。

図５は、本願の第二実施形態の試料導入装置３０の断面模式図である。試料導入装置３０は、試料室１８付近の本体１２内に、超音波発振器３２を備えている。なお、超音波発振器３２の詳細構造の図示は省略した。本体１２内に超音波発振器３２を設けたので、粉体物Ｐの試料運搬室２２への投入と、粉体物Ｐの試料運搬室２２から流路１６への落下が促進される。超音波発振器３２は、複数設けてもよい。

図６は、本願の第三実施形態の試料導入装置４０の断面模式図である。試料導入装置４０は、流路１６付近の本体１２内に、粉体物Ｐを除電する除電装置４２を備えている。粉体物Ｐを除電することによって、粉体物Ｐの試料運搬室２２から流路１６への落下が促進される。また、試料導入装置４０は、試料運搬室２２が流路１６から試料室１８に移動する経路の付近に、試料運搬室２２を帯電させる帯電装置４４を備えている。なお、除電装置４２と帯電装置４４の詳細構造の図示は省略した。試料室１８に連通する直前に試料運搬室２２が帯電すると、粉体物Ｐの試料運搬室２２への投入が促進される。除電装置４２または帯電装置４４としては、レーザー光源などが挙げられる。

図２に示すような試料導入装置を作製した。誘導結合プラズマ質量分析計（アジレント社、Ａｇｉｌｅｎｔ−８８００型ＩＣＰ−ＭＳ）とキャリアガスであるアルゴンのガスボンベにこの試料導入装置を接続して、分析装置を構成した。この分析装置を用いて、微量元素分析用の認証標準物質である茶葉粉体物（国立研究開発法人産業技術総合研究所、ＮＭＩＪＣＲＭ７５０５−ａ）の元素分析を行った。

この茶葉粉体物の各元素濃度の認証値は下記のとおりである。
Ｃａ：０．４５０±０．０１３％
Ｍｇ：０．３０１±０．００８％
Ａｌ：７０９±２３ｍｇ／ｋｇ
Ｂａ：２０．４±０．７ｍｇ／ｋｇ
Ｃｕ：１９．２±０．６ｍｇ／ｋｇ
Ｆｅ：８２．１±２．４ｍｇ／ｋｇ
Ｍｎ：７６０±２２ｍｇ／ｋｇ
Ｎｉ：５．５±０．３ｍｇ／ｋｇ
Ｒｂ：７．２±０．４ｍｇ／ｋｇ
Ｓｒ：９．０±０．３ｍｇ／ｋｇ
Ｚｎ：２２．７±０．７ｍｇ／ｋｇ

なお、茶葉粉体物が約１００μｇずつ断続的に誘導結合プラズマ質量分析計に導入されるように、回転体の回転速度を調整した。この元素分析の結果として、元素分析スペクトルの時間変化を図７から図９に示す。図７から図９に示すように、断続的に各元素のスペクトルが検出された。各元素のスペクトル強度は、毎時刻同じではなかったものの、上記の各元素濃度の認証値と相関性があった。したがって、本発明の試料導入装置と分析装置を用いれば、粉体物の分析が簡易にできることがわかった。

１０試料導入装置
１２本体
１４試料供給部
１６流路
１６ａ入口
１６ｂ出口
１８試料室
２０回転体
２２試料運搬室
２４キャップ
２６バネ
２８押圧板
３０試料導入装置
３２超音波発振器
４０試料導入装置
４２除電装置
４４帯電装置
Ｐ粉体物
Ｌ軸

Claims

試料供給部と、流路とを有し、試料である粉体物を分析機器に導入するための試料導入装置であって、
前記試料供給部が、断続して定量の前記粉体物を前記流路に供給し、
前記流路が、キャリアガスが導入される入口と、前記試料供給部から供給された前記粉体物および前記入口から導入された前記キャリアガスを前記分析機器に向けて排出する出口とを備える試料導入装置。
請求項１において、
前記定量が１ｍｇ未満の質量である試料導入装置。
請求項１または２において、
前記試料供給部が、粉体物を蓄える試料室と、前記試料室から前記粉体物を受け取り、この粉体物を前記流路に導入する試料運搬室とを備える試料導入装置。
請求項３において、
前記試料供給部が、前記試料室と前記流路で露出している回転体をさらに備えており、
前記試料運搬室が前記回転体の表面に形成されており、
前記回転体の回転によって、前記試料運搬室が、前記試料室に連通された状態と、前記流路に連通された状態とを断続して繰り返す試料導入装置。
請求項４において、
前記試料運搬室が前記回転体の表面に複数形成されている試料導入装置。
請求項４または５において、
前記試料室と、前記回転体と、前記流路とが、この順で上から配置されている試料導入装置。
請求項４から６のいずれかにおいて、
前記試料室の付近に超音波発振器をさらに有する試料導入装置。
請求項４から７のいずれかにおいて、
前記流路の付近に前記粉体物を除電する除電装置をさらに有する試料導入装置。
請求項８において、
前記試料運搬室が前記流路から前記試料室に移動する経路の付近に、前記試料運搬室を帯電させる帯電装置をさらに有する試料導入装置。
請求項１から９のいずれかの試料導入装置と、
前記試料導入装置から前記粉体物が導入される分析機器と、
前記流路にキャリアガスを導入するガスボンベと、
を有する分析装置。