誘導結合プラズマ

誘導結合プラズマ（ICP）の基礎と応用

誘導結合プラズマ（Inductively Coupled Plasma, ICP）は、高周波電流によって生成される高温プラズマです。石英ガラス製の管状容器（トーチ）にアルゴンなどのガスを流し、その周囲にコイルを巻きつけ、高周波電流を流すことでプラズマが発生します。コイルから発生する変動磁場がガス中の電子を加速し、ガス分子と衝突させることで電離が連鎖的に起こり、高温のプラズマ状態が形成されます。このプラズマの温度は、およそ10000Kに達します。

ICPを発生させるための電源は、27.12MHzや40.68MHzといったISM周波数帯を使用します。これは、電磁波の漏洩による通信障害を防ぐためです。

化学分析への応用：ICP-AESとICP-MS

ICPは、化学分析において試料の原子化と励起に用いられています。試料をICPに導入すると、プラズマの高温によって原子化され、電子が励起状態になります。励起状態の原子は、基底状態に戻る際に特有の波長の光（発光スペクトル）を放出します。この発光スペクトルを分析することで、試料中に含まれる元素の種類と量を特定できます。

ICPを用いた分析法として、主に以下の2種類があります。

ICP-AES（ICP Atomic Emission Spectrometry、またはICP-OES Optical Emission Spectrometry）： ICPによって原子化・励起された原子からの発光スペクトルを測定することで、元素の同定と定量を行います。複数の元素を同時に分析できる利点がありますが、感度はフレームレス原子吸光法より低い傾向があります。

ICP-MS（ICP Mass Spectrometry）： 質量分析計とICPを組み合わせた分析法です。ICPでイオン化された試料を質量分析計で分離・検出することで、元素の同定と定量を行います。70種類以上の元素の分析が可能であり、pptレベルの高感度分析も実現できます。ただし、プラズマ内で生成される分子イオンによる妨害に注意が必要です。

加工技術への応用

ICPは化学分析以外にも、様々な分野で応用されています。特に、MEMS（Microelectromechanical Systems）や集積回路の製造における反応性イオンエッチング（RIE）による微細加工に利用されています。また、数MHzの高周波発振機を用いた誘導熱プラズマは、ナノ粒子の合成、厚膜合成、有害物質（フロンガス、ポリ塩化ビフェニルなど）の分解処理などにも応用されています。

まとめ

誘導結合プラズマは、その高い温度と効率的な原子化・イオン化能力から、化学分析、微細加工、環境浄化など、幅広い分野で重要な役割を果たしています。今後も、更なる高性能化や新技術の開発が進み、その応用範囲はさらに広がるでしょう。 今後、より高感度、高精度な分析、より精密な加工技術、環境問題への貢献など、様々な分野での更なる発展が期待されています。

参考文献

* 菅井秀郎, 「低圧力・高密度プラズマの新しい展開」『応用物理』 1994年 63巻 6号 p.559-567, 応用物理学会, doi:10.11470/oubutsu1932.63.559, NAID 130003593316

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