(57)【要約】  気体成分測定装置は、測定対象気体を導入する吸気口、及び、測定対象気体を排出する排気口を有する筐体と、筐体内に配設され、気体成分を溶解させる溶媒が含浸された吸水性部材と、吸水性部材中の溶媒に捕捉された気体成分を検出する電気化学センサとを備える。排気口は、電気化学センサを挟んで、吸気口と対向して配置されている。
2008156096.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象気体中の気体成分を測定する気体成分測定装置であって、
前記測定対象気体を導入する吸気口、及び、前記測定対象気体を排出する排気口を有する筐体と、
前記筐体内に配設され、前記気体成分を溶解させる溶媒が含浸された吸水性部材と、
前記吸水性部材中の溶媒に捕捉された前記気体成分を検出する電気化学センサと、を備え、
前記吸気口と排気口とが前記電気化学センサを挟んで相互に対向して配置されていることを特徴とする気体成分測定装置。
【請求項２】
前記吸気口が、前記筐体の底面に配置されている、請求項１に記載の気体成分測定装置。
【請求項３】
前記吸水性部材は、前記溶媒を収容する容器から前記溶媒を吸いとる表面張力を有する、請求項１又は２に記載の気体成分測定装置。
【請求項４】
前記吸気口及び前記排気口の少なくとも一方に送風機が配置されている、請求項１ないし３の何れか一に記載の気体成分測定装置。
【請求項５】
前記筐体の内部に前記送風機が配置されている、請求項４に記載の気体成分測定装置。
【請求項６】
前記電気化学センサがバイオセンサを含む、請求項１ないし５の何れか一に記載の気体成分測定装置。
【請求項７】
前記バイオセンサは、触媒機能を有する生体高分子の反応を検知する、請求項６に記載の気体成分測定装置。
【請求項８】
前記生体高分子が酵素、抗体、及び、アプタマーの少なくとも１つを含む、請求項７に記載の気体成分測定装置。
【請求項９】
前記電気化学センサは、検出電極に流れる電流によって前記気体成分を検出する電流検出型センサである、請求項６ないし８の何れか一に記載の気体成分測定装置。
【請求項１０】
前記電気化学センサは、方形波ボルタンメトリ型センサである、請求項９に記載の気体成分測定装置。
【請求項１１】
前記電気化学センサは、銀／塩化銀電極からなる参照電極を有する、請求項９又は１０に記載の気体成分測定装置。
【請求項１２】
前記溶媒が少なくともｐＨ緩衝機能を有する物質および電解質を含む、請求項１ないし１１の何れか一に記載の気体成分測定装置。
【請求項１３】
前記溶媒が少なくとも有機溶媒を含む、請求項１ないし１１の何れか一に記載の気体成分測定装置。
【請求項１４】
前記電気化学センサが気体中に含まれる爆薬成分を測定する、請求項１ないし１３の何れか一に記載の気体成分測定装置。
【請求項１５】
前記爆薬成分が有機過酸化物を含む、請求項１４に記載の気体成分測定装置。
【請求項１６】
前記爆薬成分がニトロ化合物を含む、請求項１４に記載の気体成分測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定対象の気体成分を測定又は検出する気体成分測定装置に関し、更に詳しくは、電気化学センサを利用した気体成分測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
測定対象気体中の特定成分を測定又は検出（以下、単に測定とも呼ぶ）する気体成分測定装置として、電気化学センサを有する測定装置が知られている。【０００３】
気体成分測定装置は、一般に、測定対象気体成分を取り込んで電気化学センサに応答させる反応容器又は反応槽を有する。測定装置内部には、電気化学センサおよび電解質を含む緩衝液が収容され、電気化学センサには緩衝液が供給される。測定対象気体成分は、緩衝液に溶解した後に、電気化学センサと反応して定量分析される。【０００４】
図６は、特許文献１に記載の気体成分測定装置の内部構造を示す断面図である。同図において、測定装置の筐体２２１は、上側にガスサンプル室２２３、および下側に電解液室２２４を有し、双方の室２２３、２２４は、隔壁２２２によって隔てられている。ガスサンプル室２２３には、吸気口及び排気口２２８と、電解液の入口ポート２３０とが設けられている。電解液室２２４には、電解液の出口ポート２３１が設けられている。【０００５】
対抗電極２３２は、隔壁２２２のくぼみ内に配置され、作動電極２３５はサンプル室２２３内に設置され、基準電極２３９は電解液室２２４の外壁を貫通して取り付けられる。【０００６】
なお、気体英文測定装置として、他に、特許文献２、特許文献３に記載のものが知られている。例えば特許文献３には、ガス検知素子とガス吸引手段を異なるケーシングにそれぞれ内装したガス検知装置が記載されている。【０００７】
特許文献１〜３は、以下の通りである。
【特許文献１】特開昭５９−２１７１５３号公報
【特許文献２】特開平７−７７５１１号公報
【特許文献３】特開平１１−１５３５２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
電気化学センサを用いて気体成分を測定する際には、測定対象気体成分を確実に取り込み、電気化学センサに効率的に供給できる構造が求められる。このような装置を用いることにより、測定時の使い勝手の向上、洗浄、長寿命化、および安定性の向上にもつながる。【０００９】
しかし、上記特許文献１に記載の気体成分測定装置は、測定対象の気体成分の種類によっては正確な測定が困難であった。その理由は、吸気口及び排気口２２８が測定対象ガスの流通を考慮して配置されていないためである。この気体成分測定装置では、サンプリング能力を向上させ、測定対象を効果的に筐体内に取り込むためには、吸気ファンの設置や、吸気ファンや排気ファンの大型化などが欠かせず、装置の小型化が困難になる。【００１０】
上記特許文献１に記載の気体成分測定装置における問題は、特許文献２及び３の気体成分測定装置においても共通の問題である。【００１１】
そこで、本発明は、上記特許文献に記載の気体成分測定装置を改良し、吸気ファンの設置を要することなく、或いは、吸気ファンや排気ファンの大型化を必要とすることなく、測定対象の気体成分を効果的に筐体内に取りこむことを容易にする気体成分測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、測定対象気体中の気体成分を測定する気体成分測定装置であって、前記測定対象気体を導入する吸気口、及び、前記測定対象気体を排出する排気口を有する筐体と、前記筐体内に配設され、前記気体成分を溶解させる溶媒が含浸された吸水性部材と、前記吸水性部材中の溶媒に捕捉された前記気体成分を検出する電気化学センサと、を備え、前記吸気口と排気口とが前記電気化学センサを挟んで相互に対向して配置されていることを特徴とする気体成分測定装置を提供する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の気体成分測定装置によると、吸気口から取り入れた測定対象の気体成分が対向する排気口から容易に排出でき、且つ、吸気口から筐体内を経由して排気口に向かって流れる気体成分がセンサを通過するので、気体成分のサンプリングが容易になる。【００１４】
本発明の上記、及び、他の目的、特徴及び利益は、図面を参照する以下の説明により明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る気体成分測定装置の内部構造を示す模式的縦断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る気体成分測定装置の内部構造を示す模式的縦断面図である。
【図３】図１及び図２の気体成分測定装置に使用される電気化学センサの断面図である。
【図４】本発明の第３の実施形態に係る気体成分測定装置の内部構造を示す模式的な縦断面図である。
【図５】本発明の第４の実施形態に係る気体成分測定装置の内部構造を示す模式的な縦断面図である。
【図６】特許文献に記載された気体成分測定装置の内部構造を示す縦断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明の実施形態の気体成分測定装置について説明する。図面では、同様な要素には同様な参照符号を付して示した。図１は、本発明の第１の実施形態に係る気体成分測定装置の縦断面図である。【００１７】
図１の気体成分測定装置５０は、略直方体形状の筐体２７を有し、筐体２７の内部には、緩衝液２２を収容する緩衝液容器２６と、気体中の特定成分を検出又は測定する機能を有する電気化学センサ（以下、単にセンサとも呼ぶ）２１と、一方の先端が緩衝液２２内に浸漬され、他方の先端に隣接する部分が電気化学センサ２１に接触する吸水部材２９とが収容される。センサ２１は、基板２８上に搭載され、基板２８は図示しない支持装置によって筐体２７内に固定される。センサ２１には、信号線から成る外部配線２３が基板２８を経由して接続される。筐体２７の側面には、測定対象の気体を導入する吸気口２５が形成され、その側面に対向する側面には残余の気体成分を排出する排気口３１が形成される。排気口３１には、排気ファン２４が配置される。なお、緩衝液容器２６は、必ずしも筐体２７内に配置することを要しない。【００１８】
本実施形態の気体成分測定装置５０では、吸水部材２９により溶媒が吸い上げられ、その吸水部材２９中の溶媒に測定対象の気体成分が捕捉される。このため、測定対象の気体成分を含む溶媒がセンサ２１に向けて安定的に供給される。従って、この気体成分測定装置５０は、応答速度が速く、測定環境の影響を受け難く、長時間連続測定が可能であり、気体中の特定成分を良好に測定することができる。【００１９】
緩衝液容器２６は、筐体２７の底面上に配置されており、緩衝液２２を内部に収容する。吸水部材２９は、帯状の多孔性材料から成り、その表面張力によって、緩衝液容器２６内の緩衝液２２を吸い上げ、センサ２１に供給する。吸水部材２９は、その幅広の表面が吸気口２５の方向に向けてあり、吸気口２５から導入され排気口３１に向かって流れる測定対象気体の気流にさらされる。その結果として、検出対象の気体成分が吸水部材２９に効果的にトラップされて、緩衝液中に溶解する。溶解後の気体成分は、吸水部材２９の裏面に接触したセンサ２１によって検出される。吸水部材２９に捕捉されなかった残余の気体成分は、排気口３１から排出される。【００２０】
筐体２７は、前述の部品が実装可能な形状およびサイズを有すれば足りる。例えば、筐体２７の材料は、加工の容易性、材料の低価格、及び、取扱の容易性の観点から、プラスチックスが好適に用いられる。【００２１】
基板２８には、例えばポリイミド樹脂などの絶縁基板に銅配線などが形成されているプリント基板などが、信頼性及びコストの観点から好ましく用いられる。基板上に予め形成された銅製のプリント配線とセンサ２１の端子とが接続され、プリント配線を介してセンサ２１と外部配線２３とが接続される。【００２２】
緩衝液２２には、センサ２１の抗体や酵素、アプタマー等の触媒機能を有する生体高分子が安定して機能するように、ｐＨ緩衝剤及び電解質が含まれている。例えば、緩衝材にはリン酸緩衝液が、電解質には塩化ナトリウムが、入手の容易性及び低価格の観点から、好適に用いられる。また、測定対象物によっては、有機溶媒として微量のアルコールが含まれていてもよい。アルコールは、有機溶媒に溶解しやすい気体成分を測定する場合に特に有効である。【００２３】
緩衝液容器２６は、緩衝液２２に侵されない材料が好ましく、筐体２７と同種の材料であるプラスチックスが好ましく用いられる。吸水部材２９は、緩衝液２２を毛管現象で吸い上げ、常時センサ２１面に供給できる機能を持つ。このような機能を持たせるため、吸水部材２９には、吸水能力の高い綿や紙などが好ましく用いられる。また、吸水部材２９は、ウレタン等の吸水性の高い高分子材料でもよい。吸水部材２９とセンサ２１とは、互いに密着し合っていることが望ましい。この場合、吸水部材２９に溶解した気体成分が速やかにセンサ２１で反応し、その検出が容易となる。【００２４】
支持部材３０は、吸水部材２９の裏面をセンサ２１の表面に密着させる機能を持ち、筐体２７に直接に固定され、或いは、緩衝液容器２６を介して筐体２７に固定される。支持部材３０は、緩衝液２２に侵されない材料であれば、特に限定されない。このため、支持部材３０には、前述のプラスチックスが好ましく用いられる。【００２５】
本実施形態では、特に、吸気口２５と排気口３１とが、電気化学センサ２１を挟んで相互に対向して配置されている。この構成により、筐体２７内の気体成分の流通が良好となり、測定対象の気体成分が吸気口２５から効率良くサンプリングされ、電気化学センサ２１に供給される。【００２６】
図２は、本発明の第２の実施形態に係る気体成分測定装置を図１と同様に示している。本実施形態の気体成分測定装置５０Ａは、略直方体形状の筐体２７を有し、筐体２７内には、緩衝液２２を収容する緩衝液容器２６と、検出対象の気体成分を測定するセンサ２１と、センサ２１を搭載する基板２８と、緩衝液容器２６からセンサ２１に向けて緩衝液２２を供給する吸水部材２９とが配置されている。筐体２７の底面には、測定対象の気体を導入する吸気口２５が形成され、筐体２７の上面には、残余の気体を排出する排気口３１が、センサ２１を挟んで吸気口２５と対向して形成されている。基板２８には、外部に引き出される信号線（外部配線）２３が接続されている。吸水部材２９は、その一方の先端が緩衝液２２内に浸漬され、その他方の先端を含む所定長さの先端部分が支持部材３０によってセンサ２１に押しつけられている。センサ２１を支持する基板２８は、図示しない支持装置によって筐体２７の内部に固定される。【００２７】
本実施形態では、吸気口２５を筐体２７の底面に設けたので、空気よりも密度が大きな気体成分は、容易には筐体２７内に導入されず、空気よりも密度が小さな気体成分が多く筐体２７内に導入される。従って、測定対象の揮発性を有する気体成分の検出が容易になる。また、吸気口２５に対向して、吸水部材２９の先端部分を配置し、その先端部分で気体成分を測定するので、効率的な測定が可能である。更に、吸気口２５に対向した位置に排気口３１を設けたので、筐体２７内における気体の流通が容易になる。【００２８】
本実施形態の気体成分測定装置５０は、検出対象の気体成分が空気よりも軽い密度を持っている場合に好適に使用される。気体成分測定装置５０Ａは、最も効率よく気体成分をサンプリングするために、測定対象気体が発生する位置や、測定対象気体が流れる気流位置の上方に吸気口２５が位置するように配置される。吸気口２５のサイズや形には特に限定はなく、加工しやすい円形が好ましい。吸気口２５は、多孔性の材料を用いて形成してもよい。吸気口２５のサイズは、例えば数ｍｍから数ｃｍの範囲である。【００２９】
排気口３１は、筐体２７の上部に形成され、センサ２１を挟んで吸気口２５と対向する位置に形成される。この位置関係を採用することにより、導入された気体成分がスムーズに排出されると共に、センサ２１により効果的に検出される。排気口３１のサイズや形には特に限定はなく、吸気口２５と同様に、加工しやすい円形が好ましい。また、排気口３１は多孔性の材料を用いて形成してもよい。排気口３１のサイズは、数ｍｍから数ｃｍの範囲であればよい。【００３０】
図３は、図１及び図２の気体成分測定装置に使用される電気化学センサ２１の断面図である。絶縁基板１０上には３種類の電極を含む電極１１が形成され、電極１１を覆うように酵素固定化膜、抗体固定化膜、又は、アプタマー固定化膜１２が形成される。電極１１は、作用極と、対極と、参照電極とを含む。絶縁基板１０には、ガラスやプラスチックスなどの材料が好ましく用いられる。作用極は、酵素反応や抗原抗体反応時に生じる電流を検出できる材料であればよく、カーボンや白金等の貴金属が好ましく用いられる。作用極には、特に酵素を固定化する際には白金等の貴金属が好適に用いられ、また、抗体を固定化する際には、カーボン電極が好適に用いられる。３電極方式を採用するこの形式のセンサは、検出感度が特に優れている。以上の構成は、センサが１つの場合について説明してきたが、同一の気体成分の検出を目的として、或いは、複数の気体成分の検出を目的として、複数のセンサを用いてもよい。【００３１】
上記実施形態の気体成分測定装置５０、５０Ａでは、検出対象の気体成分を含む測定対象の気体は、吸気口２５から筐体２７内に導入される。測定対象の気体の一部は、センサ２１の表面に接する吸水部材２９に吸着され、吸着されなかった残余の気体は排気口３１から排出される。吸水部材２９に吸着された検出対象の気体成分は緩衝液２２中に速やかに溶解する。気体成分の溶解速度が速く、しかも吸水部材２９中に均一の濃度で気体成分が溶解するため、センサ２１の応答速度が向上する。【００３２】
図４は、本発明の第３の実施形態に係る気体成分測定装置の縦断面図である。本実施形態の気体成分測定装置５０Ｂは、排気口３１に排気ファンを取り付けた点を除いて、第２の実施形態の気体成分測定装置５０Ａと同様な構成を有する。なお、本実施形態では、第２実施形態と同様な構成部分の記述を省略する。【００３３】
本実施形態の気体成分測定装置５０Ｂは、排気口３１の内側に排気ファン２４を備える。排気ファン２４は、排気口３１から気体成分を排気する機能を有し、筐体２７の内部を負圧にして吸気口２５から気体成分を取り込む。測定対象の気体は、排気ファン２４を作動させることによって、対向する位置に形成されている吸気口２５から筐体２７内に取り込まれる。筐体２７内に取りこまれた気体の一部は、排気ファン２４の前面に配置された吸水部材２９の先端部分に吸着され、吸着されなかった残余の気体は、排気ファン２４が取り付けられた排気口３１から排出される。【００３４】
吸水部材２９の先端部分に吸着された検出対象の気体成分は、吸水部材２９によって緩衝液２２中に速やかに溶解され、センサ２１で検出される。本実施形態では、排気ファン２４を配置したことにより、気体成分を効率よくしかも確実にサンプリングして筐体２７内に取り込み、センサ２１に供給することが出来る。また、センサ２１の応答速度も向上する。なお、排気ファンは、筐体の内壁上に配置してもよく、或いは、筐体の外部に配置してもよい。本実施形態では、排気ファンを筐体２７内に配置したので、気体成分測定装置の構成部品が全て筐体内に収まり、装置構成が簡素となる。排気ファンは、電池作動のファンでもよく、或いは、外部電源によって作動させてもよい。また、筐体内に、排気ファンに加えて別のファンを設け、筐体内の気流を該別のファンによって形成してもよい。【００３５】
図５は、本発明の第４の実施形態に係る気体成分測定装置の縦断面を示す。本実施形態の気体成分測定装置５０Ｃは、吸気ファン２４が吸気口２５に配設された点を除いて、第２の実施形態の気体成分測定装置５０Ａと同様な構成を有する。【００３６】
本実施形態の気体成分測定装置５０Ｂは、吸気ファン２４を吸気口２５に配置したことにより、第２の実施形態の気体成分測定装置と同様に気体成分を効率よく、しかも確実にサンプリングできる。その結果、サンプリング効率が向上する。なお、吸気ファン及び排気ファンの双方を筐体に設けてもよい。更には、これらに加えて別のファンを配置してもよい。
【実施例】
【００３７】
実施例１
図２の実施形態に従い、本発明の実施例１の気体成分測定装置を製造し、その評価を行った。筐体は、２ｍｍ厚の塩化ビニルから製作し、内寸が５０ｍｍ幅、１８０ｍｍ長さ、及び、５０ｍｍ深さとした。製作の際には、ネジと封止用の接着剤とを併用した。吸気口２５および排気口３１は、電気化学センサ２１を介して対向する位置に配置した。吸気口２５及び排気口３１はそれぞれ、２５ｍｍ直径で、１５ｍｍ高さの円筒形状を有し、同じ素材から形成した。【００３８】
筐体２７の底面には、緩衝液容器として、１ｍｌ（ミリリットル）容積のエッペンチューブを固定し、１ｍｍｏｌ（ミリモル）の塩化ナトリウムを含む０．１ｍｍｏｌのリン酸緩衝液（ｐＨ６．８）で満たした。【００３９】
電気化学センサ２１は、１０ｍｍ幅で、１０ｍｍ長さ、０．８ｍｍ厚みを有し、表面には、１ｍｍ厚のポリウレタンから成る吸水部材２９を貼り付けた。ポリウレタンの端をエッペンチューブに浸漬し、リン酸緩衝液が電気化学センサ表面を覆うことを確認した。【００４０】
電気化学センサの製作は次のように行った。まず、作用極として機能する７ｍｍ長さで４ｍｍ幅の白金電極膜、対極として機能する７ｍｍ長さで１ｍｍ幅の白金電極膜、および、参照電極として機能する銀／塩化銀電極膜を、スパッタリングでガラス基板上に製作した。ガラス基板サイズは、１０ｍｍ幅で１０ｍｍ長さ、０．８ｍｍ厚みであった。【００４１】
銀／塩化銀電極膜は、銀をスパッタリングしてから塩化鉄溶液中に浸漬して製作した。上記電極表面に、アルコール酸化酵素を、アルブミンとグルタルアルデヒドとによって固定化した。アルコール酸化酵素の固定化はスピンコート法で行った。そして、表面にポリウレタンを吸水部材として貼り付けた。なお、電気化学センサは使い捨て方式であるため、簡単に取り外しが可能な構造としてある。
つづいて、外部配線２３を、電気化学センサ２１の各電極と接続し、Ｉｖｉｕｍ社製ｃｏｍｐａｃｔｓｔａｔ（登録商標）の電気化学測定装置に接続した。以下、実際に行った測定とその評価について説明する。【００４２】
測定は０．７Ｖの定電位を印加して得られる電流値を測定した。評価は、０．４ｐｐｍの硫化水素ガス雰囲気中において、１０ｐｐｍアルコールの入ったビーカーに対して、吸気口２５を下にした筐体を含む測定装置を上方向から近づけ、検出までの応答特性について評価を行った。【００４３】
評価結果として、室温約２０度において、ビーカーからの距離が１０ｃｍの時に、センサの応答が得られた。応答電流がナノアンペア・レベルと小さいため、定量は難しいものの、アルコールの有無といった判定には十分に可能であることが示された。また、硫化水素ガスの影響は全く受けなかった。【００４４】
比較例１として、電気化学センサ２１を図２とは逆に上向きに配置し、図２に３１として示した開口から気体成分が導入され、電気化学センサの測定面に直接に接触する構造の測定装置を製作した。この構造では、測定装置の上部に形成された開口３１から気体成分が取り込まれ、電気化学センサ面に気体成分が接触し、測定装置の下部に形成された開口２５から気体成分が排出される。【００４５】
比較例１を評価した結果、測定開始直後から硫化水素ガスが電極表面で反応し、その反応に伴い、電流出力値が上昇し、ベースラインが安定せず、測定ができなかった。その結果として、上記実施例の気体成分測定装置は、揮発性の高いサンプルを速やかに検知することが可能であることが示された。【００４６】
実施例２
図４の実施形態に従い、実施例２の気体成分測定装置を製作し、その評価を行った。筐体２７は、実施例１と同様に製作した。排気ファン２４を排気口３１に合わせて内部に実装した。排気ファン２４は、コパル電子社製の電動ファンＦ２５１Ｒを用いた。また、本実施例においては、排気ファン２４を１．５Ｖの単三電池で駆動するための制御基板（図示せず）を新たに実装した。【００４７】
電気化学センサは、４ｍｍ幅で、８ｍｍ長さ、０．８ｍｍ厚さを有し、表面に０．５ｍｍ厚のポリウレタンを吸水部材２９として貼り付けた。ポリウレタンの先端をエッペンチューブに浸漬し、リン酸緩衝液が電気化学センサ表面を覆うことを確認した。作用極は、２ｍｍ幅で２ｍｍ長さのカーボンペーパーである。対極および参照電極は実施例１と同様のものを用いた。【００４８】
上記電極をガラス基板の表面に貼り付け、トリニトロトルエン抗体をポリビニルアルコールで固定化した。具体的な固定化方法は、トリニトロトルエン抗体を溶解した０．１ｍＭの塩化ナトリウムを含む０．０５ｍＭリン酸緩衝液（ｐＨ７．６）に、カーボンペーパーを貼り付けたガラス基板を３０分浸漬し、つづいて、１％のポリビニルアルコールに３０分浸漬した。【００４９】
つづいて、ガラス基板を、飽和トリプトファン溶液に浸漬し、窒素雰囲気下で１時間乾燥させた。カーボンペーパーは東レ（株）社製のＴＧＰ−Ｈ−１２０を用いた。トリニトロトルエン抗体はファーミガン社製のモノクローナル抗体を用いた。【００５０】
以下、実際に行った測定とその評価について説明する。測定は、４０ｍｖの振幅、２０Ｈｚ、１５ｍｖのステップポテンシャルで、０．１Ｖから１．２Ｖまでの電圧を掃引する短形波ボルタンメトリにより測定を行った。なお、１．２Ｖに達すると再度０．１Ｖから掃引する工程を繰り返した。評価は、０．４ｐｐｍの硫化水素ガス雰囲気中において、メタノールに溶解させた１０００ｐｐｍのトリニトロトルエン溶液の入ったビーカーを、吸気口から約１０ｃｍに置いて、排気ファン２４を作動させた。この状態で、応答電流が得られるまでに要する時間を測定した。筐体内への気体の吸引速度は０．０５ｍ３／分であった。【００５１】
ビーカーに気体成分測定装置を徐々に近づけて行き、１０ｃｍの距離まで近づいたときに、０．８Ｖ付近に電流ピークを示す応答が得られ、トリニトロトルエンを検出できることがわかった。また、実施例１と同様に、応答電流がナノアンペア・レベルと小さいため定量は難しいものの、トリニトロトルエンの有無といった判定には十分に可能であることが示された。【００５２】
比較例２として、電気化学センサ面を上向きに配置し、排気口から気体成分が電気化学センサに直接接触する構造の測定装置を製作した。すなわち、測定装置の上部に形成された吸気口から気体成分が取り込まれ、電気化学センサ面に気体成分が接触し、測定装置の下部に形成された排気口から気体成分が排出される構造である。【００５３】
結果は、比較例２の気体成分測定装置は、比較例１と同様に、測定開始直後から全ての電位において硫化水素ガスが電極表面で反応し、その反応に伴い、電流出力値が上昇した。このため、ベースラインが安定せず、トリニトロトルエンの有無も含めて測定はできなかった。従って、本実施例の気体成分測定装置は揮発性の高いサンプルを速やかに検知することが可能であることが示された。【００５４】
実施例３
図５の実施形態に従い、実施例３の気体成分測定装置を製作し、その評価を行った。【００５５】
本実施例３では、吸気ファン２４を吸気口２５に合わせて内部に実装した。吸気ファン２４は、コパル電子社製の電動ファンＦ２５１Ｒを用いた。また、本実施例においては、吸気ファンを１．５Ｖの単三電池で駆動するための制御基板（図示せず）を新たに実装した。【００５６】
電気化学センサ２１は、４ｍｍ幅で、８ｍｍ長さ、０．８ｍｍ厚さとし、表面に０．５ｍｍ厚のポリウレタンを吸水部材２９として貼り付けた。そして、ポリウレタンの端をエッペンチューブに浸漬し、リン酸緩衝液が電気化学センサ表面を覆うことを確認した。作用極は２ｍｍ幅で、２ｍｍ長さのカーボンペーパーである。対極および参照電極は実施例１と同様のものを用いた。【００５７】
上記電極を、ガラス基板表面に貼り付け、トリニトロトルエン抗体をポリビニルアルコールで固定化した。具体的な固定化方法は、トリニトロトルエン抗体を溶解した０．１ｍｍの塩化ナトリウムを含む０．０５ｍＭリン酸緩衝液（ｐＨ７．６）に、カーボンペーパーを貼り付けたガラス基板を３０分浸漬し、１％のポリビニルアルコールに３０分浸漬した。【００５８】
つづいて、ガラス基板を、飽和トリプトファン溶液に浸漬し、窒素雰囲気下で１時間乾燥させた。カーボンペーパーは、東レ（株）社製のＴＧＰ−Ｈ−１２０を用いた。トリニトロトルエン抗体は、ファーミガン社製のモノクローナル抗体を用いた。【００５９】
以下、実際に行った測定とその評価について説明する。測定は４０ｍｖの振幅、２０Ｈｚ、１５ｍｖのステップポテンシャルで、０．１Ｖから１．２Ｖまでの電圧を掃引する短形波ボルタンメトリにより測定を行った。なお、１．２Ｖに達すると再度０．１Ｖから掃引する工程を繰り返した。評価は０．４ｐｐｍの硫化水素ガス雰囲気中において、メタノールに溶解させた１０００ｐｐｍのトリニトロトルエン溶液の入ったビーカーを吸気口から約１０ｃｍに置いて、吸気ファン２４を作動させた。評価にあたっては、応答電流が得られるまでに要する時間を測定した。吸引速度は０．０５ｍ３／分である。【００６０】
評価にあたり、ビーカーに測定装置を徐々に近づけて行き、１５ｃｍの距離まで近づいたときに、０．８Ｖ付近に電流ピークを示す応答が得られ、トリニトロトルエンを検出できることがわかった。また、実施例１および実施例２と同様に、応答電流がナノアンペア・レベルと小さいため定量は難しいものの、トリニトロトルエンの有無といった判定には十分に可能であることが示された。また、この結果から、吸気ファン２４を吸気口２５に配置することにより、高感度に検出が可能であることがわかった。気体成分の吸引効率が改善されたためであると考えられる。【００６１】
比較例３として、比較例２と同様に電気化学センサ２１を上向きに配置し、３１として示した開口から気体成分が電気化学センサに直接に接触する構造の測定装置を製作した。評価した結果、比較例１および比較例２と同様に、測定開始直後から全ての電位において硫化水素ガスが電極表面で反応することに伴い、電流出力値が上昇した。このため、ベースラインが安定せず、トリニトロトルエンの有無も含めて測定はできなかった。【００６２】
従って、上実施例３の気体成分測定装置は、揮発性の高いサンプルを速やかに検知することが可能であることが示された。【００６３】
本発明の第２〜第４の実施形態の気体成分測定装置では、筐体の下部に設置された吸気口から蒸発又は昇華した気体成分が取り込まれ、吸水部材にトラップされて速やかにセンサで検知される。これにより、効率的なサンプリングが可能になる。また、ファンを吸気口付近又は排気口付近に設置する構成を採用することにより、さらに測定感度を向上させることが可能になる。一方で、この気体成分測定装置は、蒸発しない物質や昇華を生じない物質、及び、空気よりも重い物質は、ほとんど吸引しないか、或いは、吸引しても極めて微量である。このため、この気体成分測定装置は、空気よりも重く、かつ電気化学センサの干渉物質である硫化水素ガスを筐体内に吸引することは殆どない。従って、電気化学センサは、気体中の前述の特性を持つ物質を正確に測定することが可能になる。気体成分測定装置は、例えば、気化しやすい爆薬成分を選択的に高感度に測定することが可能になる。【００６４】
第２〜第４の気体成分測定装置では、蒸発又は昇華しやすい物質を選択的にサンプリングすることが可能になるため、常に高い測定精度を維持しながら気体中の特定成分を良好に測定することができる。また、ファンを動作させないか、或いは、小容量のファンで足りるため、装置の小型化または長期間連続測定も可能になる。気体成分測定装置は、例えば、気化しやすい爆薬、特に有機過酸化物や低分子のニトロ化合物を主成分とする爆薬物質を、簡便にしかも精度良く測定することも可能になる。また、吸気口が下向きに備え付けられているため、埃や塵などの汚染物質が筐体内部に入り難くなり、汚染物質がセンサに付着することも少なくなる。その結果、気体成分測定装置は、長期間安定した測定を実施できる。【００６５】
本出願は、２００７年６月２０日出願に係る日本特許出願２００７−１６２４９６号を基礎とし且つその優先権を主張するものであり、引用によってその開示の内容の全てを本出願の明細書中に加入する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【手続補正書】
【提出日】平成20年9月25日(2008.9.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象気体中の気体成分を測定する気体成分測定装置であって、
前記測定対象気体を導入する吸気口、及び、前記測定対象気体を排出する排気口を有する筐体と、
前記筐体内に配設され、前記気体成分を溶解させる溶媒が含浸された吸水性部材と、
前記吸水性部材中の溶媒に捕捉された前記気体成分を検出する電気化学センサと、を備え、
前記吸気口と排気口とが前記電気化学センサを挟んで相互に対向して配置されていることを特徴とする気体成分測定装置。
【請求項２】
前記吸気口が、前記筐体の底面に配置されている、請求項１に記載の気体成分測定装置。
【請求項３】
前記吸水性部材は、前記溶媒を収容する容器から前記溶媒を吸いとる、請求項１又は２に記載の気体成分測定装置。
【請求項４】
前記吸気口及び前記排気口の少なくとも一方に送風機が配置されている、請求項１ないし３の何れか一に記載の気体成分測定装置。
【請求項５】
前記筐体の内部に前記送風機が配置されている、請求項４に記載の気体成分測定装置。
【請求項６】
前記電気化学センサがバイオセンサを含む、請求項１ないし５の何れか一に記載の気体成分測定装置。
【請求項７】
前記バイオセンサは、触媒機能を有する生体高分子の反応を検知する、請求項６に記載の気体成分測定装置。
【請求項８】
前記生体高分子が酵素、抗体、及び、アプタマーの少なくとも１つを含む、請求項７に記載の気体成分測定装置。
【請求項９】
前記電気化学センサは、検出電極に流れる電流によって前記気体成分を検出する電流検出型センサである、請求項６ないし８の何れか一に記載の気体成分測定装置。
【請求項１０】
前記電気化学センサは、方形波ボルタンメトリ型センサである、請求項９に記載の気体成分測定装置。
【請求項１１】
前記電気化学センサは、銀／塩化銀電極からなる参照電極を有する、請求項９又は１０に記載の気体成分測定装置。
【請求項１２】
前記溶媒が少なくともｐＨ緩衝機能を有する物質および電解質を含む、請求項１ないし１１の何れか一に記載の気体成分測定装置。
【請求項１３】
前記溶媒が少なくとも有機溶媒を含む、請求項１ないし１１の何れか一に記載の気体成分測定装置。
【請求項１４】
前記電気化学センサが気体中に含まれる爆薬成分を測定する、請求項１ないし１３の何れか一に記載の気体成分測定装置。
【請求項１５】
前記爆薬成分が有機過酸化物を含む、請求項１４に記載の気体成分測定装置。
【請求項１６】
前記爆薬成分がニトロ化合物を含む、請求項１４に記載の気体成分測定装置。
【国際調査報告】
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