(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
微小粒子状物質の炭素成分の測定をするための燃焼式分析測定システムにおいて第１の炉でOC,EC,CCの炭素フラクションに定義された各温度に燃焼管を加熱するステップと
第2の炉で酸素の添加と燃焼管内に充填された金属触媒を550℃-1050℃に任意に熱して炭素成分を完全に酸化してCO２にするステップと
有機化合物標準試料により低濃度の検量線を作成するステップを有して、炭素成分量(μｇ)を計測することを特徴とする分析測定方法。
【請求項２】
請求項１に記載の分析測定方法により炭素成分量と合わせて窒素、水素成分量も計測することを特徴とする分析測定方法
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大気中の微小粒子状物質の炭素成分の測定に関する
【背景技術】
【０００２】
環境庁の資料によれば、一般環境大気中の微小粒子状物質ＰＭ2.5の質量濃度の測定は水分、半揮発性物質などの影響を受けてフィルタ捕集の試料よりの測定は困難で未解明な部分が多いといわれる。米国EPAや欧州連合も測定方法を規格化し影響要因によるデータの差異を極力のぞくための規定を提示している。
【０００３】
また、ＰＭ2.5の構成成分についても、イオン成分、炭素成分、金属成分及び多環芳香族炭化水素成分について成分測定マニュアルを定めているがまだ開発途上の部分が多く各種測定機器などの有効性や利用可能性の評価を行い測定方法の確立を進める必要が述べられている。
【０００４】
中でも炭素成分の分析は従来普及してきた熱分離法は十分な精度が得られず、有力な方法として熱分離熱分解補正法があるが、分析装置はすべて欧米企業によるものであるため、国内での開発の促進により同程度の精度・感度を持つ分析法の普及が望まれると記載されている。
【０００５】
現在ＰＭ2.5の他国よりの飛来が大きな国内の環境問題になっており、各県や市の測定器の設置など対策が急務になってきた。現在設置のフィルタ法は米国及び欧州連合においてＰＭ2.5の標準測定方法として定められている質量濃度の測定を行うものである。大気中の微小粒子状物質は環境に及ぼす影響や人体の肺の奥深く入り込み健康に甚大な影響を与えるものであり其の成分や発生される由来などを早急に調査して被害を防がなければならない。
【０００６】
中でも炭素成分は浮遊粉塵の主要成分であり、その解析は重要な手がかりになるため、有機炭素（Organic Carbon;OC）及び元素状炭素（Elemental
Carbon;EC）を７つのフラクションと測定条件で定義している。測定方法は熱二酸化マンガン酸化法及び熱分離光学補正法が一般に適用されるが、米国ではIMPROVE（Interagenncy  Monitorinng of Protected Visual Environment）に広く適用されている分析装置はDRI製及びSUNSET製でＣＯ２を還元したメタンをFID検出器で検出する。検量線はHe中5%メタン、He中5%ＣＯ２、フタル酸水素カリウムKHP，スクロース標準溶液をそれぞれ校正注入用として用いる。He中5%メタンの場合1000μＬ及び2500μＬシリンジで各100，250，500，1000,1500μＬの体積を注入して行う。測定中のFIDの性能や時間による電気的ドリフトの影響を最小にするためには炭素分析装置の濃度校正が極めて重要である。
【０００７】
さらに現状の大気中の微小粒子状物質の炭素成分の測定の主流である熱分離法ではOC(有機性炭素  Organic Carbon)とEC（元素状炭素  Elemental Carbon）をHe気流中では有機物を低温度で揮発分離でき、ECは同時に酸化も分離もされないという仮定に基づき、異なる温度と酸化雰囲気で測定試料から遊離させることによってOCとECを分別測定しており、加熱分離の過程で有機物が熱分解炭化されて、ECとして検出されるための補正を行う必要があるため主に熱分離光学補正法が用いられている。この方法は前述の米のDRI(Deseart Research Institute)で開発されたものでレーザーの反射率や透過率の変化で補正する方法であるが、土壌中のある種の鉱物は加熱により色が変化する、色のついた有機物の揮散がレーザー光による補正に影響する、フィルター上の試料の不均一が光反射・透過に影響する、炭素フラクションのEC1のピークが50μg/m３を超えるとOC値に大きい誤差がでるなど測定妨害事項が指摘されている。
【０００８】
一方、わが国では有機元素分析計による有機炭素及び元素状炭素の定量も試みられており、ＰＭ2.5研究者や各計測機関では有機元素分析計が使用されていたが、この装置では有機炭素と無機炭素を正確に分別する機能を持たないため、OCが小さくECが過剰に定量されることと、低濃度の検出が不能である。ＰＭ2.5は健康へ著しい被害をもたらすことから、其の正確な測定は緊急の課題であり、広く普及させるために同等性のある国産機の開発が望まれている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】ＣＨＮコーダーの素顔    穂積啓一郎監修    ヤナ子分析工業(株)技術グループ編集1993年  非売品
【非特許文献２】大気中微小粒子状物質（ＰＭ2.5）成分測定マニュアル平成24年4月19日    環境省
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
熱分離法ではOC(有機性炭素  Organic Carbon)とEC（元素状炭素  Elemental Carbon）が分析法によって定義されている。其の課題の第１は、一般に適用される熱二酸化マンガン酸化法と熱分離熱分解補正法とではECの定義が異なることで、前者は二酸化マンガンによって525℃までは酸化されない炭素成分であり、後者はECが光を吸収する性質に着目して吸光にかかわる炭素成分即ち吸効率変化する量とされるなど分析方法で真値は一致しない問題がある。
第２の課題は検出のカリブレーションの標準物質はメタン校正用ガス（95%He＋5%CH4）、フタル酸水素カリウムKHP，スクロース標準溶液を各量校正注入用として使用するので検出量の炭素量(μg)の真値は各標準物質の計量の取り扱い技術に依存されて真値を評価する方法がない。
第３の課題はOCとECの用語の定義の検証がなく各炭素フラクションでの違いが認められており、異なるプロトコルによる結果をフラクションレベルで比較することは出来ないといわれている。例として全炭素の量をOC1＋OC2＋OC３＋OC4＋EC1＋EC2＋EC3と定義するが最初から最高温度で測定した値と分別で測定した炭素フラクションの合計量は一致しない恐れがあり、また炭酸塩炭素（CC）の別途測定の必要があり、環境計測の他の全炭素と値が一致しない。そもそも全炭素の測定条件が酸素2%で800℃の条件では有機化合物でも不完全燃焼する場合があり、炭素成分における熱分離の化学的な解明が不十分である。    第４の課題は最も優れているとされるDRI計は計測に用いるガスがHe、O２、H２、圧縮Airと４つの高圧ガスを必要とし、校正用試薬、酸化剤、還元剤、塩酸、脱イオン蒸留水など管理する試薬の種類が多いなどから其の管理や試料の準備に手間がかかるので、ＰＭ2.5の発生源を予測するためのOC/ECの比の変動を観察するなどには環境測定器としてもっと迅速で容易なものが求められている。
【００１１】
また質量濃度測定法ではPM2.5を補足したフィルターの水分留保により正確な微小粒子状物質の質量を測定するには一定の条件で数時間乾燥しなければならない。黄砂など近隣諸国から飛来するPM2.5を時間ごとに計測する必要に迫られており、第５の課題は質量濃度測定法で一定の条件で乾燥する手間を省き計測値を速く正しく得る方法である。
【００１２】
本発明はOCとECとCCを分別するための第１の炉と完全燃焼するための第２の炉を用意し、ＰＭ2.5中の各炭素成分について、第１の炉で炭素フラクションC1-C4について分別し、続いて第２の炉でC1-C4ごとにヘリウム中550℃-1050度で酸素添加と金属酸化触媒に接触させることで完全に燃焼させ、C1-C4を分別検出する。E１−E3についても分別後、続いてHe中550-1050℃で酸素添加と金属酸化触媒に接触させることで完全に燃焼させ、E1-E3を分別検出する。最後に第１の炉をE3の温度以上にし、酸素量を10%以上にし炭酸塩炭素成分CCを検出する。C1-C4,E1-E3,CCの炭素成分を完全にCO2にしたものを標準試料として認証された有機化合物による統一した検量システムで正確に行い、組成比の異なる他の有機化合物で検証して正確な各フラクションごとの炭素成分を計測するシステムで前述の第１−第４の課題を解決する。この方法は水分含有量（w/w%）も同時に検出できるので、フィルターに補足されたＰＭ2.5粒子の質量をこの水分含有率で正確に補正できる。従って第5の課題も補正によって乾燥する手間を不要とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述した課題を解決するために本発明は、微小粒子状物質の炭素成分の測定をするための試料を収納する燃焼管と前記燃焼管に収納された試料を加熱する燃焼炉と前記燃焼管で加熱された試料から発生する気体から炭素成分の含有量（μｇ）を求める算出手段を有する分析測定システムにおいて
OC,EC,CCを炭素フラクション分別条件の温度に設定できる第1の炉と燃焼させて炭素成分をCO２に酸化できる第2の炉を有し、第1の炉で炭素成分フラクションに定義された各温度に燃焼管を熱し、OCを分別加熱するステップと
第2の炉で酸素の添加と燃焼管内に充填された金属触媒と、550℃-1050℃に任意に熱して炭素成分を完全に酸化してCO２にするステップと
発生するCO２を検出するに適正な濃度に調整するステップと
CO２を検出するTCD検出器を有し、炭酸ガスの濃度の変化に対応する電気抵抗値の変化との関係式の検量線を有機化合物標準試料により作成して、炭素成分量(μｇ)を計測することを特徴とする。
【００１４】
更に本発明は、微小粒子状物質の炭素成分の測定をするための試料を収納する燃焼管と前記燃焼管に収納された試料を加熱する燃焼炉と前記燃焼管で加熱された試料から発生する気体から炭素成分の含有量（μｇ）を求める算出手段を有する分析測定システムにおいて
OC,EC,CCを炭素フラクション分別条件の温度に設定できる第1の炉と燃焼させて炭素成分をCO２に酸化できる第2の炉を有し、第1の炉で炭素成分フラクションに定義された各温度に燃焼管を熱し、OCを分別加熱するステップと
第2の炉で酸素の添加と燃焼管内に充填された金属触媒と、550℃-1050℃に任意に熱して炭素成分を完全に酸化してCO２にするステップと
発生する水分及びCO２を検出するに適正な濃度に調整するステップと
水分及びCO２を検出する二つのTCD検出器を有し、第１の炉第２の炉各工程で発生する水分及び炭酸ガスの濃度の変化に対応する電気抵抗値の変化との関係式の検量線を有機化合物標準試料により作成して、水分量(μｇ)及び炭素成分量(μｇ)を計測することを特徴とする。
【００１５】
更に本発明は前項記載の分析測定システムにおいて
還元銅を充填した還元管が設置された550℃に熱した第３の炉と窒素用のTCD検出器を有        し第１の炉及び第２の炉で発生した二酸化窒素ガスを第３の炉で還元して発生した窒素ガスを、窒素用TCD検出器で窒素ガスの濃度の変化に対応する電気抵抗値の変化との関係式の検量線を有機化合物標準試料により作成して、第１の炉第２の炉各工程で発生する水分量(μｇ)及び炭素成分量(μｇ)の計測と合わせて窒素の計測もすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の方法は第1に大気中の微小粒子状物質の炭素成分の熱分解する過程で有機性炭素の熱分解によって発生する元素状炭素の複雑な変化について、C1-C4の過程で行われる不完全燃焼/酸化によってそれぞれ発生するもの、即ち炭化よるものを各炭素フラクション毎に把握して完全に燃焼して本来のOCとECを区別して計測できることで、炭化による補正を不要にする効果がある。第2に炭素フラクションに定義づけられた測定条件による分別が正確な炭素量として検出されるため、OC,WC,CCの合計値として全炭素との整合性が測れる効果がある。第3に各炭素フラクションにおける炭素量を有機化合物標準試料の質量に基づいた検量線システムによりシンプル確立でき、且つ異なる有機化合物を用いて検量システムを評価することも出来るので、国際単位SI系に認証された有機標準試料を用いれば炭素フラクションの各炭素量（μｇ）の検証を国際標準に出来る効果がある。第4にOCとECを同じ検量線から求めるのでPM2.5の発生源の予測に重要なOC/ECの比をより正確に計測できる。第5に発明の分析システムは同時に水分の正確な含有量（μｇ）も検出できるのでPM2.5を補足したフィルターの質量から計算により容易に水分含有の補正をすることができる効果がある。第6に還元装置として還元剤を充填した還元管を550℃に加熱する第３の炉を設置すれば窒素及び窒素酸化物の測定も出来るので成分分析に参考データとして貢献する。
最後に元も重要な効果として有機元素分析計ヤナコCHNコーダーの原理は試料を燃焼して酸素と結びついたガスを質量保存の法則に説明されるところの化学反応にもとづいて吸収剤の水酸化ナトリウムに捕捉し、その結果の前後の検出ガス濃度の変化を比熱伝導度の差分として捉え、検出量(μｇ)は有機化合物の含有率から割り出した含有量との相関式より検量するもので、其の検量は他の含有率の異なる有機化合物により評価できるシステムを持つ。一般に検量線を用いる計測の方法は信頼を検量線そのものに依存するが有機元素分析計の検量システムは他の有機化合物の組成比で評価できる有利な特徴を持っており、標準試料の重さについては使用する天びんの１ｍｇの分銅まで質量のトレーサビリティが確立しているので真の値を各計測所間あるいは国際間で比較するのにもっとも信頼できる方法である。天びんの質量データと分析装置の電気信号は自動的にプリントアウトされ、計算ソフトウエアの計算工程を感じすればデータ処理も明快な信憑性の確立したシステムであるので国際標準の元素分析標準試料の確立とともに地球規模でのPM2.5の測定に重要な役割を持つと思われる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の分析装置システム構成である。
【図２】本発明の炭素フラクションと測定条件の構成である。
【図３】本発明の分析装置のTCD検出器の検量線の例を示す図である。
【図４】本発明の分析装置のTCD検出器の低濃度の検出例である。
【図５】本発明の炭素フラクションの分別定量のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１に示すように、本発明の実施形態による分析装置のシステム構成は２つの炉にまたがる燃焼管又はそれぞれに設置された燃焼管を有し、第１の炉を炭素フラクションの分離用とし、第２の炉で十分な酸素と燃焼管に充填した金属触媒効果と高温により各炭素フラクションを完全燃焼して正確な検出を行う。検出系に行く手前に拡散器があり、被測定ガスの適正な検出濃度にする。はじめにH検出器で水分吸収管を通過する前後の電気信号の変化を計測し、予め有機化合物標準試料で求めておいた検量線により、H(μｇ)を確定する。次に炭酸ガスの吸収管を通過する前後の電気信号の変化を同じく予め有機化合物標準試料で求めておいた検量線によりC（μｇ）の量を確定する。末尾に定速装置として吸引ポンプを設置する。
【００１９】
図２に示すように炭素フラクションの設定温度と分析雰囲気を第１の炉で決定し分離し第２の炉では十分な酸素量と金属触媒と高温燃焼により炭素成分を炭酸ガスにする。第２の炉では各炭素フラクションを同じ検量線で確定し、計測値の水分の合計値は試料の重さを補正するのに利用する。各炭素フラクションの合計値は試料を第２の炉に直接入れて計測した全炭素の量と一致する。炭素フラクションを省略してOC,EC,CCの計測により有機炭素と無機炭素を正確に測れる。
【００２０】
図３aに示すように認証された有機化合物標準試料を用いて検量線を作成する。実施例では既存の元素分析計（ヤナコCHNコーダーMT-6）を用いて、標準試料は有機微量分析研究懇談会標準試料委員会認証のキシダ化学製元素分析標準試料SP-1を用いたが、国際認証の標準試料を用いれば、この分析システムは国際標準器として有用である。PM2.5の国際標準測定法はまだ確立されていないが、WHOによる大気質指針は日平均25（μg/ｍ３）であり、その炭素成分の極めて低い値を測定する必要があるが,図３bの実施例では同じく有機微量分析研究懇談会標準試料委員会認証のキシダ化学製元素分析標準試料SP-15を用いて炭素5.3μgを検出しており、更に発明の方法の拡散容器で既存装置では不能であるところの低い濃度を希釈せずに適正化すればFID検出器に近い検出能力にできる。
【００２１】
図４の実施例は既存の元素分析計（ヤナコCHNコーダーMT-6）で有機微量分析研究懇談会標準試料委員会認証のキシダ化学製元素分析標準試料SP-9を用いて検証した分析誤差を示すもので、炭素及び水素量（μｇ）について誤差は0.1-0.9μｇ及び0.1-1.3μｇである。この検出は燃焼ガスを１５０mlのポンプでHeで希釈した濃度についての分析精度であるが、発明の分析装置は燃焼ガスを希釈するポンプを検出器の後方において定速機能として利用し、変わりに其の位置に拡散容器を取り付けて均質化し、希釈をしないのでFID検出器の性能により近い低濃度の検出を可能に出来る。
【００２２】
図５は実施のフローチャートである。石英フィルターに捕捉したPM2.5を石英フィルターごと第１炉に投入すれば自動的にフローチャートに基づいたプログラムにより進行し、C（μｇ）とH（μｇ）が求まる。まず加熱ステップでOC1を分離し、次に高温ステップで酸素を十分添加して完全燃焼させ、次に拡散ステップで適正な検出濃度に調整し、検出ステップに進み最後に測定値計算ステップでOC1の測定値を得る。続いて加熱ステップでOC2を分離し以下CC測定値計算ステップまで繰り返す。検量線は各炭素フラクションとも同じものを用いるシンプルなものである。Nの検出器を組み込めば同時にNの測定も計測できる。水素の合計量とPM2.5の質量濃度から水分含有率をもとめて、質量濃度を補正すれば精密に乾燥する手間を経ないで質量濃度を正確に求められる利点もある。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
PM2.5による環境問題は国内のみならず、近隣諸国から浮遊してくる大量のPM2.5はわが国の国土や人の健康に深刻である。農業においても工業においても企業活動に大きくかかわるものであるが其の計測による大気粉塵の解析は新しい産業を起こす可能性もある。容易に計測できる発明の方法は国産技術として海外においても有用であり、広く普及をはかれる。本発明の方法は測定値の信頼性を国際単位ＳＩにトレースされた標準試料を用いた検量線を用いて該試料の測定値付近の検出量に該当するモニターとして適当な異なる国際単位ＳＩにトレースされた標準試料のデータと一緒に測定すれば測定値の信頼性を証明できるため国際標準に沿った計測の手段として有効である。
【符号の説明】
【００２４】
1.第１炉（炭素フラクション分離用）
2.第２炉（炭素フラクション燃焼用）
3.燃焼管
4.試料導入棒
5.燃焼ガス拡散容器
6.TCD検出器
7.H２O吸収管
8.CO２吸収管
9.電磁バルブ
10.定速吸引ポンプ
【要約】      （修正有）【課題】大気中の微小粒子状物質（PM2.5）の炭素成分のシンプルな測定方法を提供する。【解決手段】大気中の微小粒子状物質（PM2.5）の炭素成分の測定の際に、炭素フラクションの条件で加熱した場合、有機炭素成分が燃焼不完全になってEC（元素状炭素）として検出するので光学式補正が必要なことと、各種標準試料の取り扱いで真値が比較できない問題について、有機元素分析計の原理を利用して第１の炉で炭素フラクションの条件で加熱したものを第２の炉で完全に炭酸ガスにし、炭素フラクション毎に正確に分別測定することと、TCD検出器の低濃度が計測できなかった問題について、既存の元素分析計で燃焼ガスを１５０倍に希釈しているのを希釈しない方法でFID検出器に近い検出能力にでき、一つの標準試料を用いる統一したシンプルな方法で国際標準SI単位に沿った国際標準器として開発する。【選択図】図２【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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