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JP3215487B2 - 誘導結合プラズマ質量分析装置 - Google Patents

誘導結合プラズマ質量分析装置

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JP3215487B2
JP3215487B2 JP09303292A JP9303292A JP3215487B2 JP 3215487 B2 JP3215487 B2 JP 3215487B2 JP 09303292 A JP09303292 A JP 09303292A JP 9303292 A JP9303292 A JP 9303292A JP 3215487 B2 JP3215487 B2 JP 3215487B2
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plasma
coupled plasma
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哲雅 伊藤
良知 中川
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/02Details
    • H01J49/10Ion sources; Ion guns
    • H01J49/105Ion sources; Ion guns using high-frequency excitation, e.g. microwave excitation, Inductively Coupled Plasma [ICP]

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Other Investigation Or Analysis Of Materials By Electrical Means (AREA)
  • Electron Tubes For Measurement (AREA)
  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、誘導結合プラズマ質量
分析装置(ICP−MSと呼ぶ)に関し、特に誘導結合
プラズマ(ICPと呼ぶ)のプラズマ電位を制御するこ
とにより、イオン化率や妨害イオンレベルを最良な状態
にして元素分析をできるようにしたものである。
【0002】
【従来の技術】従来の技術は、例えば「ICP発光分析
の基礎と応用」(原口著:講談社サイエンティフィク)
の13から19ページおよび99から104ページに開
示されている。図2に従来技術の本発明と比較する部分
を示す。図2において、1はプラズマトーチ、2は高周
波コイル、3はガスコントロールユニット、4はネブラ
イザー、5は試料溶液、6はスプレーチャンバー、7は
サンプリングオリフィス、8は分析管、9はICPであ
る。プラズマトーチ1には、ガスコントロールユニット
3からプラズマを構成するガス(例えばアルゴン)が供
給される。試料溶液5は、ネブライザー4でガスコント
ロールユニット3からのガスと合流し、スプレーチャン
バー6内に霧状に噴霧される。この霧粒は、スプレーチ
ャンバー6で分級されて一定の粒径以下のものがプラズ
マトーチ1に輸送される。高周波コイル2には、高周波
電源及びマッチング回路(共に図示せず)により27.
12MHz(或は40MHz)の高周波電力が印加され
る。ICP9は、この高周波電力によて生ずる交番磁場
と誘導結合して維持される。ICP9の先には、先端に
サンプリングオリフィス7と呼ばれる径1mm程度の孔
を持つ真空ポンプ(図示せず)で排気された分析管8が
配置されている。霧状の試料溶液は、ICP9内でイオ
ン化されて分析管8内に導入される。分析管8内では、
イオンは質量フィルター(例えば四重極質量分析装置:
図示せず)で質量分離され、検出器(例えばチャンネル
トロン:図示せず)で検出される。試料溶液中の微量不
純物元素は、検出されたイオンの質量および強度から、
同定及び定量される。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】ICPへの試料導入方
法は、図2に示したようなネブライザーを用いた試料噴
霧法以外にも、「ICP発光分析の基礎と応用」(原口
著:講談社サイエンティフィク)の61から72ページ
に開示されているように、電熱的加熱導入法や超音波ネ
ブライザー法等種々がある。従来技術では、ICPのプ
ラズマ電位を制御する手段がなかったため、ICPのプ
ラズマ電位は導入される試料の状態によって変化してい
た。また高周波コイルの接地位置によっても、ICPの
プラズマ電位は変化した。ICPのプラズマ電位が高い
と、検出すべき試料溶液中不純物元素の2価イオンや、
サンプリングオリフィスの構成材イオンが、妨害イオン
として生成する。またICPのプラズマ電位が低すぎる
と、イオン化率が低減して検出感度が低下する元素(ヨ
ウ素や臭素等のイオン化ポテンシャルの高い元素)があ
る。さらに検出すべき不純物元素の酸化物イオンや、プ
ラズマの構成ガスや試料の溶媒に起因する妨害イオン
(鉄と干渉するArO、セレンと干渉するArAr等)
の生成もICPのプラズマ電位に影響される。従来技術
ではICPのプラズマ電位を制御できないために、妨害
イオンや感度の制御ができなかった。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記の解決す
べき課題に対して行われたもので、誘導結合プラズマを
用いて試料溶液中の不純物元素の同定および定量をする
目的で、前記誘導結合プラズマを維持するためのプラズ
マトーチおよび高周波コイルと、前記プラズマトーチに
プラズマ化させるガスを供給するガスコントロールユニ
ットと、前記高周波コイルに高周波電力を印加する高周
波電源と、前記高周波電源と誘導結合プラズマとの間の
整合をとるマッチング回路と、前記誘導結合プラズマで
イオン化された前記不純物元素を真空中に導入して質量
分離した後に検出する分析管からなる誘導結合プラズマ
質量分析装置において、前記プラズマトーチと高周波コ
イルとの間に金属製のシールド板を挿入し、かつ前記シ
ールド板とアースとの間を可変コンデンサーを介して接
続するとともに、前記高周波コイルと前記シールド板の
間に両者の接触を防ぐ絶縁材を配置することにより、前
記誘導結合プラズマのプラズマ電位を制御できるように
したことを特徴とする誘導結合プラズマ質量分析装置で
ある。
【0005】
【作用】ICPは高周波コイルの発する交番磁場によっ
て維持される一方、交番電場によってプラズマ電位が決
まる。そこで本発明では、プラズマトーチと高周波コイ
ルとの間にシールド板を挿入し、かつシールド板とアー
スとの間を可変コンデンサーを介して接続するととも
に、高周波コイルとシールド板の間に両者の接触を防ぐ
絶縁材を配置することにより、ICP内での交番電場強
度を制御できるようにした。すなわち、可変コンデンサ
ーの容量を小さくするとプラズマ電位を高く、容量を大
きくするとプラズマ電位を低くできるような作用を持た
せるようにした。
【0006】
【実施例】本発明の実施例を図に基づいて説明する。図
1は本発明の概略図で、プラズマトーチ1、高周波コイ
ル2、ガスコントロールユニット3、ネブライザー4、
スプレーチャンバー6、サンプリングオリフィス7、分
析管、ICP9は、各々従来技術で示したものに相当す
るのでここでは詳細な説明は省略する。10はシールド
板であり、高周波コイル2とプラズマトーチ1との間に
設けられている。11は可変コンデンサーで、高周波コ
イル2と接続されている。12はスイッチであり、可変
コンデンサ11とアースとなる分析管8との電気的接続
を開閉する。以上は本発明の特徴となるものである。
【0007】シールド板10の形状は、高周波コイルの
内側で、プラズマトーチ1のまわりに高周波コイル2に
よって誘導電流が流れないように開ループで巻かれてい
る。シールド板10の材質は、高周波コイル2の交番磁
場を通す非磁性体で、ICP9からの放射に対する耐
熱、耐食性の金属、例えばタンタル、モリブデン、チタ
ン、白金等が適当である。シールド板10は、可変コン
デンサー11及びスイッチ12を介して接地(アース、
図1では分析管8が接地電位)されている。ICP9が
点灯始めるときは、プラズマトーチ1に取り付けられた
テスラーコイル(図示せず)を放電させるが、この瞬間
は高周波コイル2内で電場が必要である。スイッチ12
は、ICP9が点灯始めるときにはシールド板10の電
場遮蔽効果を無くすために切り、ICP9が定常点灯し
たら入れられる構造、働きをしている。可変コンデンサ
ー11は、スイッチ12が入っているときにシールド板
10の電場遮蔽効率を、コンデンサーの容量を調節する
ことにより制御する働きをしている。ここで可変コンデ
ンサー11の容量の可変範囲は、0から200pF程度
が適当である。
【0008】次に図3を用いて本発明の働きを補足説明
する。図3は、高周波電源からICPまでの等価回路図
である。図3の13は高周波電源、14はマッチング回
路、16はICP9の等価回路である。高周波電源13
で発する高周波電力(0.4から2kW程度、27.1
2或は40MHz)は、ICPとのインピーダンスマッ
チング(整合)をとる2つのコンデンサーC1(50か
ら200pF程度)、C2(400から1000pF程
度)からなるマッチング回路9を経て、高周波コイル2
に供給される。対してICP9は図3の16のように、
等価的にL(インダクタンス)とR(抵抗)で表現され
る。従ってICP9のプラズマ電位は、ICP9の周囲
の電位およびICP9のLとR(プラズマトーチに導入
される試料の状態によって変化する)によって決まる。
ICP9の周囲に配置されたシールド板10の電位は、
スイッチ12が閉のとき、高周波コイル2の作る交番電
場によって誘導されるが、その程度を可変コンデンサー
11によって制御されている。そしてICP9のプラズ
マ電位は制御される。
【0009】図1において、高周波コイル2とシールド
板10は接触してはならない。そこで高周波コイル2と
シールド板10の間に両者の接触を防ぐ絶縁材を配置す
る必要がある。この絶縁材の配置の実施例を図4
(a)、(b)、(c)に示す。図4aは、高周波コイ
ル2とシールド板10の間に円筒状の絶縁材15aを挿
入している。この絶縁材13aは例えば石英ガラス製が
適当である。図4(b)の絶縁材15bは、高周波コイ
ル2自身に絶縁性のコーティング(例えばアルミナコー
ティング)を施した実施例である。図4(c)は、シー
ルド材10を絶縁材15c(例えば石英ガラス)の中に
封入した実施例である。図4(c)の実施例によると、
シールド材10が直接大気に触れることがないために耐
熱、耐食性の条件を緩和でき、シールド材10が銅製や
アルミ製でも使用可能になる。
【0010】
【発明の効果】本発明によると、ICPのプラズマ電位
を制御できるようになる。従ってICPへの試料導入が
どのような方法であっても、本発明のICP−MSでは
妨害イオンや感度を最適な状態に制御して分析を行える
ようになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の概略断面図である。
【図2】従来技術を説明する概略断面図である。
【図3】本発明の補足説明をする回路図である。
【図4】本発明の実施例の絶縁材の配置を示す断面図で
ある。
【符号の説明】
1 プラズマトーチ 2 高周波コイル 3 ガスコントロールユニット 4 試料溶液 5 ネブライザー 6 スプレーチャンバー 7 サンプリングオリフィス 8 分析管 9 ICP 10 シールド板 11 可変コンデンサー 12 イッチ 13 高周波電源 14 マッチング回路 15a 絶縁材a 15b 絶縁材b 15c 絶縁材c 16 ICP9の等価回路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01J 49/10 - 49/18

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 誘導結合プラズマを用いて試料溶液中の
    不純物元素の同定および定量をする目的で、前記誘導結
    合プラズマを維持するためのプラズマトーチおよび高周
    波コイルと、前記プラズマトーチにプラズマ化させるガ
    スを供給するガスコントロールユニットと、前記高周波
    コイルに高周波電力を印加する高周波電源と、前記高周
    波電源と誘導結合プラズマとの間の整合をとるマッチン
    グ回路と、前記誘導結合プラズマでイオン化された前記
    不純物元素を真空中に導入して質量分離した後に検出す
    る分析管からなる誘導結合プラズマ質量分析装置におい
    て、前記プラズマトーチと高周波コイルとの間に金属製
    のシールド板を挿入し、かつ前記シールド板とアースと
    の間を可変コンデンサーを介して接続するとともに、前
    記高周波コイルと前記シールド板の間に両者の接触を防
    ぐ絶縁材を配置することにより、前記誘導結合プラズマ
    のプラズマ電位を制御できるようにしたことを特徴とす
    る誘導結合プラズマ質量分析装置。
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