ガス置換方法およびガス置換装置並びに分析システム
【課題】試料ガスに含まれる微粒子を容易かつ高精度に分析するのに寄与できるガス置換方法を提供する。
【解決手段】多孔性隔壁２Ａにより囲まれたガス流路２ｃにおいて微粒子を含む試料ガスＧ１を流動させる。多孔性隔壁２Ａの周囲において置換ガスＧ２を試料ガスＧ１の流動方向と逆方向に流動させ、試料ガスＧ１と置換ガスＧ２との分圧差による拡散により、試料ガスＧ１を多孔性隔壁２Ａを介してガス流路２ｃ外に移動させると共に置換ガスＧ２を多孔性隔壁２Ａを介してガス流路２ｃ内に移動させる。ガス流路２ｃの出口２ｂから置換ガスＧ２を微粒子と共に流出させる。多孔性隔壁２Ａにより、ガス流路２ｃの内外圧力差による多孔性隔壁２Ａを介するガス移動を阻止する。
【解決手段】多孔性隔壁２Ａにより囲まれたガス流路２ｃにおいて微粒子を含む試料ガスＧ１を流動させる。多孔性隔壁２Ａの周囲において置換ガスＧ２を試料ガスＧ１の流動方向と逆方向に流動させ、試料ガスＧ１と置換ガスＧ２との分圧差による拡散により、試料ガスＧ１を多孔性隔壁２Ａを介してガス流路２ｃ外に移動させると共に置換ガスＧ２を多孔性隔壁２Ａを介してガス流路２ｃ内に移動させる。ガス流路２ｃの出口２ｂから置換ガスＧ２を微粒子と共に流出させる。多孔性隔壁２Ａにより、ガス流路２ｃの内外圧力差による多孔性隔壁２Ａを介するガス移動を阻止する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微粒子を含む試料ガスを置換ガスに置換するためのガス置換方法と、そのガス置換方法を実施するためのガス置換装置と、そのガス置換装置を備えた分析システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、生活環境や労働環境に対する関心の高まりから、大気中に存在する微粒子の組成や濃度を測定する技術の向上が求められている。また、半導体産業に代表されるような、例えば原料ガスの高純度化や製造工程における雰囲気ガス制御が必要な産業においては、微粒子を含む原料ガスや雰囲気ガスの分析を容易かつ高精度に行うことが強く望まれている。
【０００３】
試料ガス中に微量存在する微粒子の分析装置としては、一般的なガスクロマトグラフ質量分析法（ＧＣ−ＭＳ法）の他、誘導結合プラズマ分析法（ＩＣＰ法）やマイクロ波プラズマ分析法（ＭＩＰ法）等の高感度分析法を用いるものが知られている。プラズマからの信号変化を検出することで分析を行うＩＣＰ法やＭＩＰ法では、アルゴンガス、窒素ガスおよびヘリウムガス等の限られた種類のガスがプラズマガスとして用いられ、高温のプラズマ中に分析試料を導入することで所望の分析が行われる。
【０００４】
試料ガス中に微量存在する微粒子の分析を高精度に行うには、試料ガス中のガス状汚染成分を充分に排除する必要がある。特に、プラズマを利用した高感度分析を実現するためには、プラズマの温度変化や電子密度変化等をいたずらに誘発することなく、安定したプラズマを維持しながら分析試料に含まれる微粒子を多量にプラズマ中に導入する必要がある。
【０００５】
そこで、特許文献１に記載された微粒子分級装置においては、試料ガスに含まれる微粒子を荷電して分級する際に、試料ガス中のガス状汚染成分を充分に排除し、評価の対象となる粒子状汚染成分が所望のガス種からなる雰囲気中に浮遊する状態を形成している。
また、特許文献２に記載された試料導入装置においては、液体試料を超音波噴霧器によって液滴とすると共に加熱することで試料成分と溶剤蒸気とに分離し、噴霧ガスをキャリアーガスとして含む試料ガスとし、その試料ガスを各孔径が１〜２μｍの多孔材製の管状密閉フィルタ内に導入し、その溶剤蒸気を密閉フィルタを介してフィルタ外部に拡散させると共にフィルタ外部を流れるガスにより除去し、試料成分をキャリアーガスと共に分析装置のプラズマ中に導入している。
【特許文献１】特開２００１−２３９１８１号公報
【特許文献２】特表平７−５００４１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記従来の微粒子分級装置は、微粒子を荷電するための装置や静電場を形成するための高電圧源等を必要とするため、大型化や高額化するという問題がある。また、上記従来の密閉フィルタを用いた試料導入装置を用い、石英ガラス製等のプラズマトーチを介してプラズマ中に試料を導入した場合、プラズマが不安定になってプラズマトーチが溶融するおそれがあるという問題がある。本発明は、そのような従来技術の問題を解決することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のガス置換方法の特徴は、多孔性隔壁により囲まれたガス流路において微粒子を含む試料ガスを流動させ、前記多孔性隔壁の周囲において置換ガスを前記試料ガスの流動方向と逆方向に流動させ、前記試料ガスと前記置換ガスとの分圧差による拡散により、前記試料ガスを前記多孔性隔壁を介して前記ガス流路外に移動させると共に前記置換ガスを前記多孔性隔壁を介して前記ガス流路内に移動させ、前記ガス流路の出口から前記置換ガスを前記微粒子と共に流出させ、前記多孔性隔壁により、前記ガス流路の内外圧力差による前記多孔性隔壁を介するガス移動を実質的に阻止する点にある。この場合、前記圧力差による前記多孔性隔壁を介するガス移動を阻止するため、前記多孔性隔壁の各孔径を実質的に０．８〜０．００１μｍとするのが好ましい。
本件発明者らは、従来の密閉フィルタを用いた試料導入装置を用いるとプラズマが不安定になるのは、プラズマへの導入ガス流量が変動し、その流量変動はフィルター内外の圧力差によりフィルタを介するガス移動が生じることに起因することを見出した。
これに対し本件発明によれば、試料ガスと置換ガスとの分圧差による拡散により、換言すればガス流路の内外における試料ガスと置換ガスとの濃度差を推進力として、試料ガスは多孔性隔壁を介してガス流路外に移動すると共に置換ガスは多孔性隔壁を介してガス流路内に移動する。また、その多孔性隔壁により、ガス流路の内外圧力差による多孔性隔壁を介するガス移動は阻止される。これにより、ガス流路外に移動する試料ガスの量とガス流路内に移動する置換ガスの量とを略等しくし、ガス流路において試料ガスの殆どを置換ガスに置換し、ガス流路から流出するガスの流量が変動するのを防止できる。この際、ガス流路における微粒子は、その径が多孔性隔壁の孔径を超えるものは各孔を透過したり各孔に捕捉されることはなく、また、その孔径以下のものもガスより拡散速度が遅く拡散ガスの流れによる慣性力も非常に弱いことから、大部分の微粒子は置換ガスと共にガス流路から流出する。すなわち、ガス流路に試料ガスと共に導入された微粒子を、減損することなく試料ガスとほぼ同流量の置換ガスと共に分析装置に供給することができる。これにより、試料ガスを分析装置に適したガスに置換でき、しかも分析装置への導入ガス流量の変動を防止することで分析精度を向上できる。特に、分析装置がプラズマを利用した分析法を採用するものである場合、プラズマトーチの溶融等の問題を生じることなく、安定したプラズマを維持しながら高感度で高精度の分析が可能になる。さらに、ガス流路に導入した試料ガスに含まれる微粒子は、殆ど減損することなくガス流路から排出されて残留することはないので、先に導入された試料ガスとは異なる試料ガスを後にガス流路に導入する場合、先の試料ガスに含まれていた残留微粒子により汚染されるのを防止でき、その異なる試料ガスの高感度で高精度の分析も可能になる。
【０００８】
本発明のガス置換装置は、内管と、前記内管を覆う外管とを備え、前記内管は、内側入口と、内側出口と、前記内側入口と内側出口との間の内側ガス流路とを有し、前記外管は、外側入口と、外側出口と、前記外側入口と前記外側出口との間の外側ガス流路とを有し、前記内側入口、内側出口、外側入口、および外側出口は、前記内側ガス流路における微粒子を含む試料ガスの流動方向と前記外側ガス流路における置換ガスの流動方向が互いに逆方向となるように配置され、前記内管における前記内側ガス流路の少なくとも一部を覆う部位は、前記試料ガスと前記置換ガスとの分圧差による拡散により前記試料ガスを前記内側ガス流路外に移動させると共に前記置換ガスを前記内側ガス流路内に移動させるための多孔性隔壁により構成され、前記多孔性隔壁の各孔径は、前記内側ガス流路における圧力と前記外側ガス流路における圧力との差による前記多孔性隔壁を介するガス移動を実質的に阻止するように設定されていることを特徴とする。前記多孔性隔壁の各孔径は実質的に０．８〜０．００１μｍとされているのが好ましい。
本発明のガス置換装置によれば、本発明のガス置換方法を小型で低コストな構成により実施できる。
【０００９】
本発明の分析システムは、本発明のガス置換装置と、そのガス置換装置の内側出口から流出する微粒子の分析装置とを備えることを特徴とする。本発明の分析システムによれば、分析装置への導入ガス流量の変動を防止することで分析精度を向上できる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、試料ガスに含まれる微粒子を容易かつ高精度に分析するのに寄与できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１に示すガス置換装置１は、横断面円形の直管である内管２と、内管２を覆う横断面円形の直管である外管３を備える二重管構造であり、内管２の両端は外管３から突出し、外管３の両端近傍は次第に小径とされて内管２の外周に接合されている。なお、内外管２、３は直管である必要はなく湾曲していてもよい。
【００１２】
ガス置換装置１の内管２は、一端に形成された内側入口２ａと、他端に形成された内側出口２ｂと、内側入口２ａと内側出口２ｂとの間の内側ガス流路２ｃを有する。その内側入口２ａから微粒子を含む試料ガスＧ１や、蒸発することで微粒子を含む試料ガスＧ１となる液体試料が噴霧器により液滴状とされて導入される。なお、試料ガスＧ１に含まれる微粒子は、例えば鉄粉等の金属、酸化物や硫化物等の金属化合物、セラミックや高分子化合物等の有機物等を含む固形物であり、分析対象となるものである。
【００１３】
外管３は、置換ガスＧ２を導入するために一端近傍の周壁に形成された外側入口３ａと、他端近傍の周壁に形成された外側出口３ｂと、外側入口３ａと外側出口３ｂとの間の外側ガス流路３ｃを有する。内側入口２ａ、内側出口２ｂ、外側入口３ａ、および外側出口３ｂは、内側ガス流路２ｃにおける試料ガスＧ１の流動方向と外側ガス流路３ｃにおける置換ガスＧ２の流動方向が互いに逆方向となるように配置されている。
【００１４】
内管２における内側ガス流路２ｃを覆う周壁の両端間部位が、試料ガスＧ１と置換ガスＧ２との分圧差による拡散によって試料ガスＧ１を内側ガス流路２ｃ外に移動させると共に置換ガスＧ２を内側ガス流路２ｃ内に移動させるための多孔性隔壁２Ａにより構成されている。多孔性隔壁２Ａの各孔径は、内側ガス流路２ｃにおける圧力と外側ガス流路３ｃおける圧力との差による多孔性隔壁２Ａを介するガス移動を阻止するように設定され、実質的に０．８μｍ〜０．００１μｍとされる。各孔径は、ガスＧ１、Ｇ２の置換効率が低下して装置が大型化するのを防止するために０．００１μｍ以上とされ、好ましくは０．００２μｍ以上であり、より好ましくは０．０２μｍ以上であり、微粒子が各孔を透過したり各孔に捕捉されて分析精度が低下したり圧力差によるガス移動が生じるのを防止するため０．８μｍ以下とされ、好ましくは０．５μｍ以下であり、より好ましくは０．２μｍ以下である。なお、多孔性隔壁２Ａにおいて、本件発明の作用効果に影響することのない程度の僅かな数の孔の径が０．８μｍ〜０．００１μｍの範囲外であっても良く、実質的に０．８μｍ〜０．００１μｍであればよい。多孔性隔壁２Ａの気孔率は特に制限されないが、ガス置換効率および機械的強度の観点から４０％〜８０％であるのが好ましい。多孔性隔壁２Ａの材質は、上記条件に合致する多孔性材であれば特に制限されず、石英ガラス等のガラスやセラミック等が好ましく、例えばシラス多孔質ガラス（ＳＰＧ）を用いることができる。内管２の両端近傍部位２Ｂ、２Ｃは多孔性隔壁２Ａと内外径が等しく滑らかに結合される。なお、内側ガス流路２ｃを覆う周壁全体を多孔性隔壁２Ａとしてもよく、内側ガス流路２ｃの少なくとも一部を覆う部位を多孔性隔壁２Ａとすればよい。
【００１５】
内管２の両端近傍部位２Ｂ、２Ｃと外管３の材質は特に限定されず、複数の異なる材質から構成してもよく、加工容易性および内管２に導入された試料ガスＧ１の加熱容易性や耐熱性の観点から、例えば金属、セラミック、ガラスであるのが好ましく、セラミックや石英ガラスのようなガラスとするのが望ましい。
【００１６】
ガス置換装置１に必要に応じて加熱手段（図示省略）を付加してもよい。加熱手段は特に限定されず、例えば外管３の周囲に巻き付けられる帯状ヒータや外管３の周囲に配置される赤外ランプにより構成でき、この場合、内外管２、３内の温度を制御するための温度センサと検出温度に応じて加熱手段を制御する温度制御装置を設けてもよい。
【００１７】
上記ガス置換装置１によるガス置換は、内管２に内側入口２ａから微粒子を含む試料ガスＧ１や、蒸発することで微粒子を含む試料ガスＧ１となる液体試料を噴霧器により液滴状として導入し、多孔性隔壁２Ａにより囲まれた内側ガス流路２ｃにおいて流動させ、置換ガスＧ２を外側入口３ａから外管３に流入させて多孔性隔壁２Ａの周囲における外側ガス流路３ｃにおいて試料ガスＧ１の流動方向と逆方向に流動させることで行う。これにより、試料ガスＧ１と置換ガスＧ２との分圧差による拡散により、換言すれば内側ガス流路２ｃの内外における試料ガスＧ１と置換ガスＧ２との濃度差を推進力として、試料ガスＧ１の大部分を多孔性隔壁２Ａを介して内側ガス流路２ｃ外に移動させると共に置換ガスＧ２の一部を多孔性隔壁２Ａを介して内側ガス流路２ｃ内に移動させる。内側ガス流路２ｃにおいては内側入口２ａから内側出口２ｂに向かうに従い試料ガスＧ１の濃度が次第に低下すると共に置換ガスＧ２の濃度が次第に増加し、外側ガス流路３ｃにおいては外側入口３ａから外側出口３ｂに向かうに従い置換ガスＧ２の濃度が次第に低下すると共に試料ガスＧ１の濃度が次第に増加する。これにより、置換ガスＧ２を微粒子と僅かな試料ガスＧ１と共に内側出口２ｂから分析用ガスＧ３として流出させて分析装置に供給し、試料ガスＧ１と置換ガスＧ２を外側出口３ｂから排出ガスＧ４として流出させることができる。この際、内側ガス流路２ｃと外側ガス流路３ｃの圧力差、すなわち内側ガス流路２ｃの内外圧力差、による多孔性隔壁２Ａを介するガス移動を多孔性隔壁２Ａにより実質的に阻止できる。よって、多孔性隔壁２Ａの各孔径、気孔率、肉厚、管径、長さ、形状、外管４の内径、形状、試料ガスＧ１および置換ガスＧ２の流量等を適宜設定することで、内側出口２ｂから流出する試料ガスＧ１を、分析装置における分析に悪影響を及ぼさないだけの限界量以下にまで削減できる。
【００１８】
上記ガス置換装置１によれば、内側ガス流路２ｃ外に移動する試料ガスＧ１の量と内側ガス流路２ｃ内に移動する置換ガスＧ２の量とを略等しくし、内側ガス流路２ｃにおいて試料ガスＧ１の殆どを置換ガスＧ２に置換し、内側出口２ｂから流出する分析用ガスＧ３の流量が変動するのを防止できる。この際、内側ガス流路２ｃにおける微粒子は、その径が多孔性隔壁２Ａの孔径を超えるものは各孔を透過したり各孔に捕捉されることはなく、また、その孔径以下のものもガスより拡散速度が遅く拡散ガスの流れによる慣性力も非常に弱いことから、大部分の微粒子は外側ガス流路３ｃに移動することなく置換ガスＧ２と共に内側出口２ｂから流出する。よって、内側ガス流路２ｃに試料ガスＧ１と共に導入された微粒子を、減損することなく試料ガスＧ１とほぼ同流量の置換ガスＧ２と共に分析装置に供給することができる。これにより、試料ガスＧ１を分析装置に適したガスに置換でき、しかも、分析装置への導入ガス流量の変動を防止することで分析精度を向上できる。特に、分析装置がプラズマを利用した分析法を採用するものである場合、プラズマトーチの溶融等の問題を生じることなく、安定したプラズマを維持しながら高感度で高精度の分析が可能になる。さらに、内管２に導入した試料ガスＧ１に含まれる微粒子は、殆ど減損することなく置換ガスＧ２と共に内側出口２ｂから排出されて内管２内に残留することはないので、先に導入された試料ガスＧ１とは異なる試料ガスを後に内管２に導入する場合、先の試料ガスＧ１に含まれていた残留微粒子により汚染されるのを防止でき、その異なる試料ガスの高感度で高精度の分析も可能になる。
【００１９】
図２に示す分析システムＡは、分析に供する試料がガス体であって試料ガスＧ１そのものである場合に用いられるもので、ガス置換装置１と、誘導結合プラズマ質量分析装置（ＩＣＰ−ＭＳ）１００と、噴霧器１０１を備える。分析装置１００は、高感度分析のためのプラズマＰを形成するためのプラズマトーチ１００ａを有する公知のものであり、プラズマトーチ１００ａに導入されるアルゴンガス等のプラズマガスＧ５と同種のガスを置換ガスＧ２とすることができる。プラズマトーチ１００ａはガス置換装置１の内側出口２ｂに噴霧器１０１を介して接続される。噴霧器１０１は公知のものであり、その内部がキャリアーガスＧ６の流れにより減圧されることで分析用ガスＧ３をプラズマトーチ１００ａに導入するものである。
【００２０】
図３に示す分析システムＡ′は、分析に供する試料が液体である場合に用いられるもので、上記分析システムＡと同様のガス置換装置１、誘導結合プラズマ質量分析装置１００、噴霧器１０１を備える。上記分析システムＡとの相違は、プラズマトーチ１００ａはガス置換装置１の内側出口２ｂに直接に接続され、ガス置換装置１の内側入口２ａは噴霧器１０１に接続され、噴霧器１０１は供給された液体試料Ｌ１を液滴として噴霧ガスであるキャリアーガスＧ６と共にガス置換装置１の内側入口２ａから内管２内に導く。この場合、ガス置換装置１が上記加熱手段を備えることで、液滴状の液体試料Ｌ１を速やかに蒸発させて微粒子を含む試料ガスＧ１とすることができる。他は分析システムＡと同様で同様部分は同一符号で示す。
【００２１】
なお、分析装置の種類は特に限定されず、例えばガスクロマトグラフ質量分析装置（ＧＣ−ＭＳ）、誘導結合プラズマ発光分析装置（ＩＣＰ−ＡＥＳ）、誘導結合プラズマ質量分析装置（ＩＣＰ−ＭＳ）、マイクロ波プラズマ発光分析装置（ＭＩＰ−ＡＥＳ）等を分析装置として用いてもよい。また、分析に供する試料がガス体である場合、噴霧器１０１を用いることなくガス置換装置１を分析装置に直接に接続してもよい。
【実施例】
【００２２】
図１に示す実施形態に係るガス置換装置１を用いてガス置換性、流量安定性、金属微粒子回収率の評価実験を行い、また、流量安定性と金属微粒子回収率については市販の溶剤除去装置を用いた場合との比較実験を行った。
実験に供した実施例のガス置換装置１の多孔性隔壁２Ａの材質はシラス多孔質ガラス、各孔径は０．２μｍ、気孔率は７０％、肉厚は０．７ｍｍ、外径は１０ｍｍ、長さ４２０ｍｍであり、内管２の両端近傍部位２Ｂ、２Ｃと外管３の材質は石英ガラス、外管３の内径は１６ｍｍである。
比較実験に供した比較例の溶剤除去装置は、従来の特許文献２に記載のものに対応し、セタク テクノロジーズ社製で、製品名はU-6000AT+ ULTRASONIC NEBULIZERであり、本発明の多孔性隔壁に代えて密閉フィルタを備え、その密閉フィルタは直管状マイクロポーラスＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）膜製とされている。
【００２３】
（ガス置換性）
実施例のガス置換装置１に試料ガスとして亜酸化窒素を導入し、置換ガスとして窒素ガスを導入し、分析用ガスに含まれる亜酸化窒素濃度をガスクロマトグラフ法（ＧＣ−ＴＣＤ）にて測定した。試料ガスの流量を１００〜５００ｍＬ／分の範囲で変化させ、置換ガスの流量を１〜２Ｌ／分の範囲で変化させた場合の測定結果を図４に示す。
図４より、試料ガスの流量が多くなると置換ガスの流量が多い程に亜酸化窒素濃度は低下するが、試料ガスの流量が２５０ｍＬ／分以下であれば置換ガスの流量にかかわらず亜酸化窒素濃度は０．０２％以下にまで低下する。これより、本発明のガス置換装置１によれば、実用域において置換ガスの流量を多くすることなく優れたガス置換性を奏することを確認できる。
【００２４】
（流量安定性）
実施例のガス置換装置１と比較例の溶剤除去装置に試料ガスおよび置換ガスとして窒素ガスを導入し、試料ガスの流量を５００ｍＬ／分に固定し、置換ガスの流量を５００〜２０００ｍＬ／分の範囲で変化させた場合の分析用ガスの流量の測定結果を図５に示す。
図５より、比較例の溶剤除去装置においては置換ガスの流量変化に応じて分析用ガスの流量が３６０〜８００ｍＬ／分の範囲で大きく変化しているのに対し、実施例のガス置換装置１においては置換ガスの流量が変化しても分析用ガスの流量は導入した流量である５００ｍＬ／分で一定であった。これにより、実施例のガス置換装置１によれば、置換ガスの流量が変動しても分析用ガスの流量は影響を受けることなく安定することを確認できる。
【００２５】
（金属微粒子回収率）
実施例のガス置換装置１と比較例の溶剤除去装置それぞれのガス流路を１６０℃に加熱した後に、試料ガスおよび置換ガスを導入した。試料ガスは、ＳＰＥＸ社製金属標準溶液を希釈して調製した５ｐｐｍＦｅ標準溶液を、比較例の溶剤除去装置が備える超音波噴霧器（加熱部温度：１４０℃，冷却部温度：−５℃）によって液滴化し、キャリアーガスとしてアルゴンガスを噴霧することで生成したものを用いた。置換ガスはアルゴンガスを用いた。しかる後に、試料ガスに含まれるＦｅ分＝α、実施例のガス置換装置１から流出する分析用ガスに含まれるＦｅ分＝β、および比較例の溶剤除去装置から流出する分析用ガスに含まれるＦｅ分＝γを、孔径０．１μｍのＰＴＦＥフィルタに全量捕集し、メタノール硝酸溶液に溶解後、誘導結合プラズマ発光分析法にて測定した。
試料ガスの流量を５００ｍＬ／分に固定し、置換ガスの流量を５００〜２０００ｍＬ／分の範囲で変化させた場合において、実施例のガス置換装置１によるＦｅ分回収率（％）＝１００×β／αと比較例の溶剤除去装置によるＦｅ分回収率（％）＝１００×γ／αの算出結果を図６に示す。
図６より、比較例１の溶剤除去装置においては金属微粒子回収率は置換ガスの流量に大きく影響を受け、図５から置換ガス流量が分析用ガス流量と等しくなる１０００ｍＬ／分である場合、金属微粒子回収率は７５．３％に留まることを確認できる。これに対し、実施例のガス置換装置１によれば、金属微粒子回収率は９９．８％であり、しかも置換ガスの流量に影響を受けないことを確認できる。
【００２６】
比較例１の溶剤除去装置において金属微粒子回収率を上げるために置換ガスの流量を増加させると、図５に示すように分析用ガスの流量が増加するため、プラズマを用いた分析装置においてはプラズマの信号強度を減衰させることになり、また、置換ガスの流量およびその変動を厳密に制御する必要がある。これに対し実施例のガス置換装置１によれば、置換ガスの流量がたとえ変動したとしても金属微粒子回収率は影響を受けず、しかも、試料ガスに含まれる金属微粒子のほとんどを減損することなく分析装置へ供給でき、さらに、分析装置へ導入される分析用ガスの流量も変動しない。したがって、プラズマを用いた分析装置を用いる場合は良好なプラズマ状態を維持でき、高精度分析が可能になる。
【００２７】
実施例のガス置換装置と比較例の溶剤除去装置を用いて、Ｃｄ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｐｂ、ＴｉおよびＺｎの各標準溶液についても同様に金属微粒子回収率を評価したところ、上記のＦｅ標準溶液についてと同様の結果を得た。
【００２８】
なお、本発明は上記実施形態や実施例に何ら限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明によれば、生活環境や労働環境の環境分析や各種工業原料中の不純物分析に関し、ユースポイントでのリアルタイムの高精度分析を容易に実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施形態に係るガス置換装置の全体構成を示す断面図
【図２】本発明の実施形態に係る分析システムの構成説明図
【図３】本発明の異なる実施形態に係る分析システムの構成説明図
【図４】本発明の実施例のガス置換装置におけるガス置換性を評価するための、試料ガス流量と置換ガス流量と分析用ガスに含まれる亜酸化窒素濃度との関係を示す図
【図５】本発明の実施例のガス置換装置と比較例の溶剤除去装置における流量安定性を評価するための、試料ガス流量と置換ガス流量と分析用ガス流量との関係を示す図
【図６】本発明の実施例のガス置換装置と比較例の溶剤除去装置における置換ガス流量と金属微粒子回収率との関係を示す図
【符号の説明】
【００３１】
１ ガス置換装置
２ 内管
２Ａ 多孔性隔壁
２ａ 内側入口
２ｂ 内側出口
２ｃ 内側ガス流路
３ 外管
３ａ 外側入口
３ｂ 外側出口
３ｃ 外側ガス流路
１００ 分析装置
Ａ、Ａ′ 分析システム
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微粒子を含む試料ガスを置換ガスに置換するためのガス置換方法と、そのガス置換方法を実施するためのガス置換装置と、そのガス置換装置を備えた分析システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、生活環境や労働環境に対する関心の高まりから、大気中に存在する微粒子の組成や濃度を測定する技術の向上が求められている。また、半導体産業に代表されるような、例えば原料ガスの高純度化や製造工程における雰囲気ガス制御が必要な産業においては、微粒子を含む原料ガスや雰囲気ガスの分析を容易かつ高精度に行うことが強く望まれている。
【０００３】
試料ガス中に微量存在する微粒子の分析装置としては、一般的なガスクロマトグラフ質量分析法（ＧＣ−ＭＳ法）の他、誘導結合プラズマ分析法（ＩＣＰ法）やマイクロ波プラズマ分析法（ＭＩＰ法）等の高感度分析法を用いるものが知られている。プラズマからの信号変化を検出することで分析を行うＩＣＰ法やＭＩＰ法では、アルゴンガス、窒素ガスおよびヘリウムガス等の限られた種類のガスがプラズマガスとして用いられ、高温のプラズマ中に分析試料を導入することで所望の分析が行われる。
【０００４】
試料ガス中に微量存在する微粒子の分析を高精度に行うには、試料ガス中のガス状汚染成分を充分に排除する必要がある。特に、プラズマを利用した高感度分析を実現するためには、プラズマの温度変化や電子密度変化等をいたずらに誘発することなく、安定したプラズマを維持しながら分析試料に含まれる微粒子を多量にプラズマ中に導入する必要がある。
【０００５】
そこで、特許文献１に記載された微粒子分級装置においては、試料ガスに含まれる微粒子を荷電して分級する際に、試料ガス中のガス状汚染成分を充分に排除し、評価の対象となる粒子状汚染成分が所望のガス種からなる雰囲気中に浮遊する状態を形成している。
また、特許文献２に記載された試料導入装置においては、液体試料を超音波噴霧器によって液滴とすると共に加熱することで試料成分と溶剤蒸気とに分離し、噴霧ガスをキャリアーガスとして含む試料ガスとし、その試料ガスを各孔径が１〜２μｍの多孔材製の管状密閉フィルタ内に導入し、その溶剤蒸気を密閉フィルタを介してフィルタ外部に拡散させると共にフィルタ外部を流れるガスにより除去し、試料成分をキャリアーガスと共に分析装置のプラズマ中に導入している。
【特許文献１】特開２００１−２３９１８１号公報
【特許文献２】特表平７−５００４１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記従来の微粒子分級装置は、微粒子を荷電するための装置や静電場を形成するための高電圧源等を必要とするため、大型化や高額化するという問題がある。また、上記従来の密閉フィルタを用いた試料導入装置を用い、石英ガラス製等のプラズマトーチを介してプラズマ中に試料を導入した場合、プラズマが不安定になってプラズマトーチが溶融するおそれがあるという問題がある。本発明は、そのような従来技術の問題を解決することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のガス置換方法の特徴は、多孔性隔壁により囲まれたガス流路において微粒子を含む試料ガスを流動させ、前記多孔性隔壁の周囲において置換ガスを前記試料ガスの流動方向と逆方向に流動させ、前記試料ガスと前記置換ガスとの分圧差による拡散により、前記試料ガスを前記多孔性隔壁を介して前記ガス流路外に移動させると共に前記置換ガスを前記多孔性隔壁を介して前記ガス流路内に移動させ、前記ガス流路の出口から前記置換ガスを前記微粒子と共に流出させ、前記多孔性隔壁により、前記ガス流路の内外圧力差による前記多孔性隔壁を介するガス移動を実質的に阻止する点にある。この場合、前記圧力差による前記多孔性隔壁を介するガス移動を阻止するため、前記多孔性隔壁の各孔径を実質的に０．８〜０．００１μｍとするのが好ましい。
本件発明者らは、従来の密閉フィルタを用いた試料導入装置を用いるとプラズマが不安定になるのは、プラズマへの導入ガス流量が変動し、その流量変動はフィルター内外の圧力差によりフィルタを介するガス移動が生じることに起因することを見出した。
これに対し本件発明によれば、試料ガスと置換ガスとの分圧差による拡散により、換言すればガス流路の内外における試料ガスと置換ガスとの濃度差を推進力として、試料ガスは多孔性隔壁を介してガス流路外に移動すると共に置換ガスは多孔性隔壁を介してガス流路内に移動する。また、その多孔性隔壁により、ガス流路の内外圧力差による多孔性隔壁を介するガス移動は阻止される。これにより、ガス流路外に移動する試料ガスの量とガス流路内に移動する置換ガスの量とを略等しくし、ガス流路において試料ガスの殆どを置換ガスに置換し、ガス流路から流出するガスの流量が変動するのを防止できる。この際、ガス流路における微粒子は、その径が多孔性隔壁の孔径を超えるものは各孔を透過したり各孔に捕捉されることはなく、また、その孔径以下のものもガスより拡散速度が遅く拡散ガスの流れによる慣性力も非常に弱いことから、大部分の微粒子は置換ガスと共にガス流路から流出する。すなわち、ガス流路に試料ガスと共に導入された微粒子を、減損することなく試料ガスとほぼ同流量の置換ガスと共に分析装置に供給することができる。これにより、試料ガスを分析装置に適したガスに置換でき、しかも分析装置への導入ガス流量の変動を防止することで分析精度を向上できる。特に、分析装置がプラズマを利用した分析法を採用するものである場合、プラズマトーチの溶融等の問題を生じることなく、安定したプラズマを維持しながら高感度で高精度の分析が可能になる。さらに、ガス流路に導入した試料ガスに含まれる微粒子は、殆ど減損することなくガス流路から排出されて残留することはないので、先に導入された試料ガスとは異なる試料ガスを後にガス流路に導入する場合、先の試料ガスに含まれていた残留微粒子により汚染されるのを防止でき、その異なる試料ガスの高感度で高精度の分析も可能になる。
【０００８】
本発明のガス置換装置は、内管と、前記内管を覆う外管とを備え、前記内管は、内側入口と、内側出口と、前記内側入口と内側出口との間の内側ガス流路とを有し、前記外管は、外側入口と、外側出口と、前記外側入口と前記外側出口との間の外側ガス流路とを有し、前記内側入口、内側出口、外側入口、および外側出口は、前記内側ガス流路における微粒子を含む試料ガスの流動方向と前記外側ガス流路における置換ガスの流動方向が互いに逆方向となるように配置され、前記内管における前記内側ガス流路の少なくとも一部を覆う部位は、前記試料ガスと前記置換ガスとの分圧差による拡散により前記試料ガスを前記内側ガス流路外に移動させると共に前記置換ガスを前記内側ガス流路内に移動させるための多孔性隔壁により構成され、前記多孔性隔壁の各孔径は、前記内側ガス流路における圧力と前記外側ガス流路における圧力との差による前記多孔性隔壁を介するガス移動を実質的に阻止するように設定されていることを特徴とする。前記多孔性隔壁の各孔径は実質的に０．８〜０．００１μｍとされているのが好ましい。
本発明のガス置換装置によれば、本発明のガス置換方法を小型で低コストな構成により実施できる。
【０００９】
本発明の分析システムは、本発明のガス置換装置と、そのガス置換装置の内側出口から流出する微粒子の分析装置とを備えることを特徴とする。本発明の分析システムによれば、分析装置への導入ガス流量の変動を防止することで分析精度を向上できる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、試料ガスに含まれる微粒子を容易かつ高精度に分析するのに寄与できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１に示すガス置換装置１は、横断面円形の直管である内管２と、内管２を覆う横断面円形の直管である外管３を備える二重管構造であり、内管２の両端は外管３から突出し、外管３の両端近傍は次第に小径とされて内管２の外周に接合されている。なお、内外管２、３は直管である必要はなく湾曲していてもよい。
【００１２】
ガス置換装置１の内管２は、一端に形成された内側入口２ａと、他端に形成された内側出口２ｂと、内側入口２ａと内側出口２ｂとの間の内側ガス流路２ｃを有する。その内側入口２ａから微粒子を含む試料ガスＧ１や、蒸発することで微粒子を含む試料ガスＧ１となる液体試料が噴霧器により液滴状とされて導入される。なお、試料ガスＧ１に含まれる微粒子は、例えば鉄粉等の金属、酸化物や硫化物等の金属化合物、セラミックや高分子化合物等の有機物等を含む固形物であり、分析対象となるものである。
【００１３】
外管３は、置換ガスＧ２を導入するために一端近傍の周壁に形成された外側入口３ａと、他端近傍の周壁に形成された外側出口３ｂと、外側入口３ａと外側出口３ｂとの間の外側ガス流路３ｃを有する。内側入口２ａ、内側出口２ｂ、外側入口３ａ、および外側出口３ｂは、内側ガス流路２ｃにおける試料ガスＧ１の流動方向と外側ガス流路３ｃにおける置換ガスＧ２の流動方向が互いに逆方向となるように配置されている。
【００１４】
内管２における内側ガス流路２ｃを覆う周壁の両端間部位が、試料ガスＧ１と置換ガスＧ２との分圧差による拡散によって試料ガスＧ１を内側ガス流路２ｃ外に移動させると共に置換ガスＧ２を内側ガス流路２ｃ内に移動させるための多孔性隔壁２Ａにより構成されている。多孔性隔壁２Ａの各孔径は、内側ガス流路２ｃにおける圧力と外側ガス流路３ｃおける圧力との差による多孔性隔壁２Ａを介するガス移動を阻止するように設定され、実質的に０．８μｍ〜０．００１μｍとされる。各孔径は、ガスＧ１、Ｇ２の置換効率が低下して装置が大型化するのを防止するために０．００１μｍ以上とされ、好ましくは０．００２μｍ以上であり、より好ましくは０．０２μｍ以上であり、微粒子が各孔を透過したり各孔に捕捉されて分析精度が低下したり圧力差によるガス移動が生じるのを防止するため０．８μｍ以下とされ、好ましくは０．５μｍ以下であり、より好ましくは０．２μｍ以下である。なお、多孔性隔壁２Ａにおいて、本件発明の作用効果に影響することのない程度の僅かな数の孔の径が０．８μｍ〜０．００１μｍの範囲外であっても良く、実質的に０．８μｍ〜０．００１μｍであればよい。多孔性隔壁２Ａの気孔率は特に制限されないが、ガス置換効率および機械的強度の観点から４０％〜８０％であるのが好ましい。多孔性隔壁２Ａの材質は、上記条件に合致する多孔性材であれば特に制限されず、石英ガラス等のガラスやセラミック等が好ましく、例えばシラス多孔質ガラス（ＳＰＧ）を用いることができる。内管２の両端近傍部位２Ｂ、２Ｃは多孔性隔壁２Ａと内外径が等しく滑らかに結合される。なお、内側ガス流路２ｃを覆う周壁全体を多孔性隔壁２Ａとしてもよく、内側ガス流路２ｃの少なくとも一部を覆う部位を多孔性隔壁２Ａとすればよい。
【００１５】
内管２の両端近傍部位２Ｂ、２Ｃと外管３の材質は特に限定されず、複数の異なる材質から構成してもよく、加工容易性および内管２に導入された試料ガスＧ１の加熱容易性や耐熱性の観点から、例えば金属、セラミック、ガラスであるのが好ましく、セラミックや石英ガラスのようなガラスとするのが望ましい。
【００１６】
ガス置換装置１に必要に応じて加熱手段（図示省略）を付加してもよい。加熱手段は特に限定されず、例えば外管３の周囲に巻き付けられる帯状ヒータや外管３の周囲に配置される赤外ランプにより構成でき、この場合、内外管２、３内の温度を制御するための温度センサと検出温度に応じて加熱手段を制御する温度制御装置を設けてもよい。
【００１７】
上記ガス置換装置１によるガス置換は、内管２に内側入口２ａから微粒子を含む試料ガスＧ１や、蒸発することで微粒子を含む試料ガスＧ１となる液体試料を噴霧器により液滴状として導入し、多孔性隔壁２Ａにより囲まれた内側ガス流路２ｃにおいて流動させ、置換ガスＧ２を外側入口３ａから外管３に流入させて多孔性隔壁２Ａの周囲における外側ガス流路３ｃにおいて試料ガスＧ１の流動方向と逆方向に流動させることで行う。これにより、試料ガスＧ１と置換ガスＧ２との分圧差による拡散により、換言すれば内側ガス流路２ｃの内外における試料ガスＧ１と置換ガスＧ２との濃度差を推進力として、試料ガスＧ１の大部分を多孔性隔壁２Ａを介して内側ガス流路２ｃ外に移動させると共に置換ガスＧ２の一部を多孔性隔壁２Ａを介して内側ガス流路２ｃ内に移動させる。内側ガス流路２ｃにおいては内側入口２ａから内側出口２ｂに向かうに従い試料ガスＧ１の濃度が次第に低下すると共に置換ガスＧ２の濃度が次第に増加し、外側ガス流路３ｃにおいては外側入口３ａから外側出口３ｂに向かうに従い置換ガスＧ２の濃度が次第に低下すると共に試料ガスＧ１の濃度が次第に増加する。これにより、置換ガスＧ２を微粒子と僅かな試料ガスＧ１と共に内側出口２ｂから分析用ガスＧ３として流出させて分析装置に供給し、試料ガスＧ１と置換ガスＧ２を外側出口３ｂから排出ガスＧ４として流出させることができる。この際、内側ガス流路２ｃと外側ガス流路３ｃの圧力差、すなわち内側ガス流路２ｃの内外圧力差、による多孔性隔壁２Ａを介するガス移動を多孔性隔壁２Ａにより実質的に阻止できる。よって、多孔性隔壁２Ａの各孔径、気孔率、肉厚、管径、長さ、形状、外管４の内径、形状、試料ガスＧ１および置換ガスＧ２の流量等を適宜設定することで、内側出口２ｂから流出する試料ガスＧ１を、分析装置における分析に悪影響を及ぼさないだけの限界量以下にまで削減できる。
【００１８】
上記ガス置換装置１によれば、内側ガス流路２ｃ外に移動する試料ガスＧ１の量と内側ガス流路２ｃ内に移動する置換ガスＧ２の量とを略等しくし、内側ガス流路２ｃにおいて試料ガスＧ１の殆どを置換ガスＧ２に置換し、内側出口２ｂから流出する分析用ガスＧ３の流量が変動するのを防止できる。この際、内側ガス流路２ｃにおける微粒子は、その径が多孔性隔壁２Ａの孔径を超えるものは各孔を透過したり各孔に捕捉されることはなく、また、その孔径以下のものもガスより拡散速度が遅く拡散ガスの流れによる慣性力も非常に弱いことから、大部分の微粒子は外側ガス流路３ｃに移動することなく置換ガスＧ２と共に内側出口２ｂから流出する。よって、内側ガス流路２ｃに試料ガスＧ１と共に導入された微粒子を、減損することなく試料ガスＧ１とほぼ同流量の置換ガスＧ２と共に分析装置に供給することができる。これにより、試料ガスＧ１を分析装置に適したガスに置換でき、しかも、分析装置への導入ガス流量の変動を防止することで分析精度を向上できる。特に、分析装置がプラズマを利用した分析法を採用するものである場合、プラズマトーチの溶融等の問題を生じることなく、安定したプラズマを維持しながら高感度で高精度の分析が可能になる。さらに、内管２に導入した試料ガスＧ１に含まれる微粒子は、殆ど減損することなく置換ガスＧ２と共に内側出口２ｂから排出されて内管２内に残留することはないので、先に導入された試料ガスＧ１とは異なる試料ガスを後に内管２に導入する場合、先の試料ガスＧ１に含まれていた残留微粒子により汚染されるのを防止でき、その異なる試料ガスの高感度で高精度の分析も可能になる。
【００１９】
図２に示す分析システムＡは、分析に供する試料がガス体であって試料ガスＧ１そのものである場合に用いられるもので、ガス置換装置１と、誘導結合プラズマ質量分析装置（ＩＣＰ−ＭＳ）１００と、噴霧器１０１を備える。分析装置１００は、高感度分析のためのプラズマＰを形成するためのプラズマトーチ１００ａを有する公知のものであり、プラズマトーチ１００ａに導入されるアルゴンガス等のプラズマガスＧ５と同種のガスを置換ガスＧ２とすることができる。プラズマトーチ１００ａはガス置換装置１の内側出口２ｂに噴霧器１０１を介して接続される。噴霧器１０１は公知のものであり、その内部がキャリアーガスＧ６の流れにより減圧されることで分析用ガスＧ３をプラズマトーチ１００ａに導入するものである。
【００２０】
図３に示す分析システムＡ′は、分析に供する試料が液体である場合に用いられるもので、上記分析システムＡと同様のガス置換装置１、誘導結合プラズマ質量分析装置１００、噴霧器１０１を備える。上記分析システムＡとの相違は、プラズマトーチ１００ａはガス置換装置１の内側出口２ｂに直接に接続され、ガス置換装置１の内側入口２ａは噴霧器１０１に接続され、噴霧器１０１は供給された液体試料Ｌ１を液滴として噴霧ガスであるキャリアーガスＧ６と共にガス置換装置１の内側入口２ａから内管２内に導く。この場合、ガス置換装置１が上記加熱手段を備えることで、液滴状の液体試料Ｌ１を速やかに蒸発させて微粒子を含む試料ガスＧ１とすることができる。他は分析システムＡと同様で同様部分は同一符号で示す。
【００２１】
なお、分析装置の種類は特に限定されず、例えばガスクロマトグラフ質量分析装置（ＧＣ−ＭＳ）、誘導結合プラズマ発光分析装置（ＩＣＰ−ＡＥＳ）、誘導結合プラズマ質量分析装置（ＩＣＰ−ＭＳ）、マイクロ波プラズマ発光分析装置（ＭＩＰ−ＡＥＳ）等を分析装置として用いてもよい。また、分析に供する試料がガス体である場合、噴霧器１０１を用いることなくガス置換装置１を分析装置に直接に接続してもよい。
【実施例】
【００２２】
図１に示す実施形態に係るガス置換装置１を用いてガス置換性、流量安定性、金属微粒子回収率の評価実験を行い、また、流量安定性と金属微粒子回収率については市販の溶剤除去装置を用いた場合との比較実験を行った。
実験に供した実施例のガス置換装置１の多孔性隔壁２Ａの材質はシラス多孔質ガラス、各孔径は０．２μｍ、気孔率は７０％、肉厚は０．７ｍｍ、外径は１０ｍｍ、長さ４２０ｍｍであり、内管２の両端近傍部位２Ｂ、２Ｃと外管３の材質は石英ガラス、外管３の内径は１６ｍｍである。
比較実験に供した比較例の溶剤除去装置は、従来の特許文献２に記載のものに対応し、セタク テクノロジーズ社製で、製品名はU-6000AT+ ULTRASONIC NEBULIZERであり、本発明の多孔性隔壁に代えて密閉フィルタを備え、その密閉フィルタは直管状マイクロポーラスＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）膜製とされている。
【００２３】
（ガス置換性）
実施例のガス置換装置１に試料ガスとして亜酸化窒素を導入し、置換ガスとして窒素ガスを導入し、分析用ガスに含まれる亜酸化窒素濃度をガスクロマトグラフ法（ＧＣ−ＴＣＤ）にて測定した。試料ガスの流量を１００〜５００ｍＬ／分の範囲で変化させ、置換ガスの流量を１〜２Ｌ／分の範囲で変化させた場合の測定結果を図４に示す。
図４より、試料ガスの流量が多くなると置換ガスの流量が多い程に亜酸化窒素濃度は低下するが、試料ガスの流量が２５０ｍＬ／分以下であれば置換ガスの流量にかかわらず亜酸化窒素濃度は０．０２％以下にまで低下する。これより、本発明のガス置換装置１によれば、実用域において置換ガスの流量を多くすることなく優れたガス置換性を奏することを確認できる。
【００２４】
（流量安定性）
実施例のガス置換装置１と比較例の溶剤除去装置に試料ガスおよび置換ガスとして窒素ガスを導入し、試料ガスの流量を５００ｍＬ／分に固定し、置換ガスの流量を５００〜２０００ｍＬ／分の範囲で変化させた場合の分析用ガスの流量の測定結果を図５に示す。
図５より、比較例の溶剤除去装置においては置換ガスの流量変化に応じて分析用ガスの流量が３６０〜８００ｍＬ／分の範囲で大きく変化しているのに対し、実施例のガス置換装置１においては置換ガスの流量が変化しても分析用ガスの流量は導入した流量である５００ｍＬ／分で一定であった。これにより、実施例のガス置換装置１によれば、置換ガスの流量が変動しても分析用ガスの流量は影響を受けることなく安定することを確認できる。
【００２５】
（金属微粒子回収率）
実施例のガス置換装置１と比較例の溶剤除去装置それぞれのガス流路を１６０℃に加熱した後に、試料ガスおよび置換ガスを導入した。試料ガスは、ＳＰＥＸ社製金属標準溶液を希釈して調製した５ｐｐｍＦｅ標準溶液を、比較例の溶剤除去装置が備える超音波噴霧器（加熱部温度：１４０℃，冷却部温度：−５℃）によって液滴化し、キャリアーガスとしてアルゴンガスを噴霧することで生成したものを用いた。置換ガスはアルゴンガスを用いた。しかる後に、試料ガスに含まれるＦｅ分＝α、実施例のガス置換装置１から流出する分析用ガスに含まれるＦｅ分＝β、および比較例の溶剤除去装置から流出する分析用ガスに含まれるＦｅ分＝γを、孔径０．１μｍのＰＴＦＥフィルタに全量捕集し、メタノール硝酸溶液に溶解後、誘導結合プラズマ発光分析法にて測定した。
試料ガスの流量を５００ｍＬ／分に固定し、置換ガスの流量を５００〜２０００ｍＬ／分の範囲で変化させた場合において、実施例のガス置換装置１によるＦｅ分回収率（％）＝１００×β／αと比較例の溶剤除去装置によるＦｅ分回収率（％）＝１００×γ／αの算出結果を図６に示す。
図６より、比較例１の溶剤除去装置においては金属微粒子回収率は置換ガスの流量に大きく影響を受け、図５から置換ガス流量が分析用ガス流量と等しくなる１０００ｍＬ／分である場合、金属微粒子回収率は７５．３％に留まることを確認できる。これに対し、実施例のガス置換装置１によれば、金属微粒子回収率は９９．８％であり、しかも置換ガスの流量に影響を受けないことを確認できる。
【００２６】
比較例１の溶剤除去装置において金属微粒子回収率を上げるために置換ガスの流量を増加させると、図５に示すように分析用ガスの流量が増加するため、プラズマを用いた分析装置においてはプラズマの信号強度を減衰させることになり、また、置換ガスの流量およびその変動を厳密に制御する必要がある。これに対し実施例のガス置換装置１によれば、置換ガスの流量がたとえ変動したとしても金属微粒子回収率は影響を受けず、しかも、試料ガスに含まれる金属微粒子のほとんどを減損することなく分析装置へ供給でき、さらに、分析装置へ導入される分析用ガスの流量も変動しない。したがって、プラズマを用いた分析装置を用いる場合は良好なプラズマ状態を維持でき、高精度分析が可能になる。
【００２７】
実施例のガス置換装置と比較例の溶剤除去装置を用いて、Ｃｄ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｐｂ、ＴｉおよびＺｎの各標準溶液についても同様に金属微粒子回収率を評価したところ、上記のＦｅ標準溶液についてと同様の結果を得た。
【００２８】
なお、本発明は上記実施形態や実施例に何ら限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明によれば、生活環境や労働環境の環境分析や各種工業原料中の不純物分析に関し、ユースポイントでのリアルタイムの高精度分析を容易に実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施形態に係るガス置換装置の全体構成を示す断面図
【図２】本発明の実施形態に係る分析システムの構成説明図
【図３】本発明の異なる実施形態に係る分析システムの構成説明図
【図４】本発明の実施例のガス置換装置におけるガス置換性を評価するための、試料ガス流量と置換ガス流量と分析用ガスに含まれる亜酸化窒素濃度との関係を示す図
【図５】本発明の実施例のガス置換装置と比較例の溶剤除去装置における流量安定性を評価するための、試料ガス流量と置換ガス流量と分析用ガス流量との関係を示す図
【図６】本発明の実施例のガス置換装置と比較例の溶剤除去装置における置換ガス流量と金属微粒子回収率との関係を示す図
【符号の説明】
【００３１】
１ ガス置換装置
２ 内管
２Ａ 多孔性隔壁
２ａ 内側入口
２ｂ 内側出口
２ｃ 内側ガス流路
３ 外管
３ａ 外側入口
３ｂ 外側出口
３ｃ 外側ガス流路
１００ 分析装置
Ａ、Ａ′ 分析システム
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多孔性隔壁により囲まれたガス流路において微粒子を含む試料ガスを流動させ、
前記多孔性隔壁の周囲において置換ガスを前記試料ガスの流動方向と逆方向に流動させ、前記試料ガスと前記置換ガスとの分圧差による拡散により、前記試料ガスを前記多孔性隔壁を介して前記ガス流路外に移動させると共に前記置換ガスを前記多孔性隔壁を介して前記ガス流路内に移動させ、
前記ガス流路の出口から前記置換ガスを前記微粒子と共に流出させ、
前記多孔性隔壁により、前記ガス流路の内外圧力差による前記多孔性隔壁を介するガス移動を実質的に阻止するガス置換方法。
【請求項２】
前記圧力差による前記多孔性隔壁を介するガス移動を阻止するため、前記多孔性隔壁の各孔径を実質的に０．８〜０．００１μｍとする請求項１に記載のガス置換方法。
【請求項３】
内管と、
前記内管を覆う外管とを備え、
前記内管は、内側入口と、内側出口と、前記内側入口と内側出口との間の内側ガス流路とを有し、
前記外管は、外側入口と、外側出口と、前記外側入口と前記外側出口との間の外側ガス流路とを有し、
前記内側入口、内側出口、外側入口、および外側出口は、前記内側ガス流路における微粒子を含む試料ガスの流動方向と前記外側ガス流路における置換ガスの流動方向が互いに逆方向となるように配置され、
前記内管における前記内側ガス流路の少なくとも一部を覆う部位は、前記試料ガスと前記置換ガスとの分圧差による拡散により前記試料ガスを前記内側ガス流路外に移動させると共に前記置換ガスを前記内側ガス流路内に移動させるための多孔性隔壁により構成され、前記多孔性隔壁の各孔径は、前記内側ガス流路における圧力と前記外側ガス流路における圧力との差による前記多孔性隔壁を介するガス移動を実質的に阻止するように設定されているガス置換装置。
【請求項４】
前記多孔性隔壁の各孔径は実質的に０．８〜０．００１μｍとされている請求項３に記載のガス置換装置。
【請求項５】
請求項３または４に記載のガス置換装置と、
前記ガス置換装置の内側出口から流出する微粒子の分析装置とを備える分析システム。
【請求項１】
多孔性隔壁により囲まれたガス流路において微粒子を含む試料ガスを流動させ、
前記多孔性隔壁の周囲において置換ガスを前記試料ガスの流動方向と逆方向に流動させ、前記試料ガスと前記置換ガスとの分圧差による拡散により、前記試料ガスを前記多孔性隔壁を介して前記ガス流路外に移動させると共に前記置換ガスを前記多孔性隔壁を介して前記ガス流路内に移動させ、
前記ガス流路の出口から前記置換ガスを前記微粒子と共に流出させ、
前記多孔性隔壁により、前記ガス流路の内外圧力差による前記多孔性隔壁を介するガス移動を実質的に阻止するガス置換方法。
【請求項２】
前記圧力差による前記多孔性隔壁を介するガス移動を阻止するため、前記多孔性隔壁の各孔径を実質的に０．８〜０．００１μｍとする請求項１に記載のガス置換方法。
【請求項３】
内管と、
前記内管を覆う外管とを備え、
前記内管は、内側入口と、内側出口と、前記内側入口と内側出口との間の内側ガス流路とを有し、
前記外管は、外側入口と、外側出口と、前記外側入口と前記外側出口との間の外側ガス流路とを有し、
前記内側入口、内側出口、外側入口、および外側出口は、前記内側ガス流路における微粒子を含む試料ガスの流動方向と前記外側ガス流路における置換ガスの流動方向が互いに逆方向となるように配置され、
前記内管における前記内側ガス流路の少なくとも一部を覆う部位は、前記試料ガスと前記置換ガスとの分圧差による拡散により前記試料ガスを前記内側ガス流路外に移動させると共に前記置換ガスを前記内側ガス流路内に移動させるための多孔性隔壁により構成され、前記多孔性隔壁の各孔径は、前記内側ガス流路における圧力と前記外側ガス流路における圧力との差による前記多孔性隔壁を介するガス移動を実質的に阻止するように設定されているガス置換装置。
【請求項４】
前記多孔性隔壁の各孔径は実質的に０．８〜０．００１μｍとされている請求項３に記載のガス置換装置。
【請求項５】
請求項３または４に記載のガス置換装置と、
前記ガス置換装置の内側出口から流出する微粒子の分析装置とを備える分析システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００６−１７０６５９（Ｐ２００６−１７０６５９Ａ）
【公開日】平成１８年６月２９日（２００６．６．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３６０１０２（Ｐ２００４−３６０１０２）
【出願日】平成１６年１２月１３日（２００４．１２．１３）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り ２００４年８月１８日 社団法人日本分析化学会発行の「日本分析化学会第５３年会 講演要旨集」に発表
【出願人】（０００１９５６６１）住友精化株式会社 (352)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年６月２９日（２００６．６．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１２月１３日（２００４．１２．１３）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り ２００４年８月１８日 社団法人日本分析化学会発行の「日本分析化学会第５３年会 講演要旨集」に発表
【出願人】（０００１９５６６１）住友精化株式会社 (352)
【Ｆターム（参考）】
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