(57)【要約】  化学物質濃縮器は、筒体と、筒体の内部に面する面に所定の間隔を空けて設けられた複数の吸着部とを備える。その化学物質濃縮器は、試料を容易に通過させることができる。
2016174866.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学物質を含む試料が流れ方向に流れる流路を形成する筒体と、
前記筒体の内部に設けられて、前記化学物質を吸着してかつ前記吸着した化学物質を脱離させる複数の吸着部と、
を備え、
前記複数の吸着部のそれぞれの吸着部は、金属酸化物からなる複数の繊維の集合体であり、
前記流れ方向に対して垂直な前記筒体の断面において、前記複数の吸着部は互いに間隔を空けて配置されている、化学物質濃縮器。
【請求項２】
前記筒体の前記断面において、前記複数の吸着部のうちの互いに隣り合う吸着部の間の間隔は、前記複数の吸着部の前記それぞれの吸着部における前記複数の繊維の間の間隔よりも大きい、請求項１に記載の化学物質濃縮器。
【請求項３】
前記筒体は、前記複数の吸着部が設けられている第一の内面と、前記筒体の前記第一の内面と対向してかつ前記複数の吸着部から離間している第二の内面とを有する、請求項２に記載の化学物質濃縮器。
【請求項４】
前記筒体は、第一の内面と前記第一の内面に対向する第二の内面とを有し、
前記複数の吸着部の前記それぞれの吸着部は、前記第一の内面に設けられた第一の端部と、前記第一の端部の反対側にありかつ前記第二の内面に対向する第二の端部とを有し、
前記複数の吸着部の前記それぞれの吸着部の第一の端部は、前記第二の端部よりも、前記流れ方向において下流に位置している、請求項２に記載の化学物質濃縮器。
【請求項５】
前記複数の繊維はＺｎＯよりなる、請求項２に記載の化学物質濃縮器。
【請求項６】
前記複数の吸着部に吸着された前記化学物質を前記複数の吸着部から脱離させる脱離機構をさらに備えた、請求項２に記載の化学物質濃縮器。
【請求項７】
前記脱離機構は前記複数の吸着部を加熱する加熱装置である、請求項６に記載の化学物質濃縮器。
【請求項８】
前記脱離機構は前記複数の吸着部を振動させる振動部である、請求項６に記載の化学物質濃縮器。
【請求項９】
前記脱離機構は前記複数の吸着部に光を照射する光照射部である、請求項６に記載の化学物質濃縮器。
【請求項１０】
前記複数の吸着部は互い違いに配置されている、請求項１から９のいずれか一項に記載の化学物質濃縮器。
【請求項１１】
前記複数の吸着部は一列に配置されている、請求項１から９のいずれか一項に記載の化学物質濃縮器。
【請求項１２】
前記複数の吸着部は、前記筒体の前記断面以外の断面において間隔を空けずに一列に配置されている、請求項１から９のいずれか一項に記載の化学物質濃縮器。
【請求項１３】
前記複数の吸着部は、前記吸着した化学物質を前記試料内に脱離させる、請求項１から１２のいずれか一項に記載の化学物質濃縮器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、試料中の揮発性有機化合物を濃縮できる化学物質濃縮器に関する。
【背景技術】
【０００２】
排気ガス、空気および呼気等には、揮発性有機化合物（ＶＯＣ）が含まれている。試料中に含まれる揮発性有機化合物を検出する従来の検出システムにおいて、揮発性有機化合物は、吸着部で吸着される。その後、検出システムは、揮発性有機化合物を吸着部から脱離する。脱離された揮発性有機化合物は、検出部で検出される。【０００３】
なお、上記の従来の検出システムに関する先行文献としては、例えば、特許文献１が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−２２０４５４号公報
【発明の概要】
【０００５】
化学物質濃縮器は、筒体と、筒体の内部に面する面に所定の間隔を空けて設けられた複数の吸着部とを備える。
【０００６】
その化学物質濃縮器は、試料を容易に通過させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は実施の形態における化学物質濃縮器を模式的に示す斜視透視図である。
【図２】図２は実施の形態における化学物質濃縮器を模式的に示す上面透視図である。
【図３Ａ】図３Ａは図２に示す化学物質濃縮器の線３Ａ−３Ａにおける断面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは図２に示す化学物質濃縮器の線３Ｂ−３Ｂにおける断面図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは実施の形態における化学物質濃縮器の拡大図である。
【図４Ａ】図４Ａは実施の形態における他の化学物質濃縮器を模式的に示す側断面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは実施の形態におけるさらに他の化学物質濃縮器を模式的に示す側断面図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは実施の形態におけるさらに他の化学物質濃縮器を模式的に示す側断面図である。
【図４Ｄ】図４Ｄは実施の形態におけるさらに他の化学物質濃縮器を模式的に示す側断面図である。
【図４Ｅ】図４Ｅは実施の形態におけるさらに他の化学物質濃縮器を模式的に示す側断面図である。
【図４Ｆ】図４Ｆは実施の形態におけるさらに他の化学物質濃縮器を模式的に示す側断面図である。
【図４Ｇ】図４Ｇは実施の形態におけるさらに他の化学物質濃縮器を模式的に示す上面透視面図である。
【図４Ｈ】図４Ｈは実施の形態におけるさらに他の化学物質濃縮器を模式的に示す上面透視面図である。
【図５】図５は実施の形態におけるさらに他の化学物質濃縮器を模式的に示す側断面図である。
【図６】図６は実施の形態におけるさらに他の化学物質濃縮器を模式的に示す側断面図である。
【図７】図７は実施の形態におけるさらに他の化学物質濃縮器を模式的に示す側断面図である。
【図８】図８は実施の形態におけるさらに他の化学物質濃縮器を模式的に示す側断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下では、本開示の実施の形態に係る化学物質濃縮器について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本開示の好ましい一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置及び接続形態などは、一例であり、本開示を限定する趣旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
【０００９】
また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。各図において、実質的に同一の構造については同一の符号を付しており、重複する説明は省略または簡略化している。
【００１０】
図１は実施の形態における化学物質濃縮器１０を模式的に示す斜視透視図である。図２は、化学物質濃縮器１０の内部を模式的に示す上面透視図である。図３Ａは、図２に示す化学物質濃縮器１０の線３Ａ−３Ａにおける模式断面図である。図３Ｂは、図２に示す化学物質濃縮器１０の線３Ｂ−３Ｂにおける模式断面図である。
【００１１】
化学物質濃縮器１０は、試料中に含まれる化学物質の分子を吸着する。試料は、例えば、排気ガス、生活空間の空気、人の呼気などの気体である。化学物質は、例えば、揮発性有機化合物（ＶＯＣ）である。
【００１２】
化学物質濃縮器１０は、筒体１１と、吸着部１２と、脱離機構９４とを備える。
【００１３】
筒体１１は、試料を筒体１１の内部に取り込む流入口１６と、試料を筒体１１の外部に吐き出す排出口１７とを有する。筒体１１の内部には、試料が流入口１６から排出口１７まで流れ方向Ｄ１０に流れて通過する流路１３が形成されている。筒体１１は、例えば、円筒や角筒など様々な形状を用いることができる。図１に示す筒体１１の断面は四角形状を有する。図３Ｂに示すように、筒体１１は、流路１３に面する互いに対向する内面１１Ａ、１１Ｂと、内面１１Ａの反対側の外面１１Ｃと、内面１１Ｂの反対側の外面１１Ｄとを有する。内面１１Ａ、１１Ｂは流路１３を構成する。
【００１４】
実施の形態において流路１３の断面の幅Ｗは１ｍｍであり、高さＨ１は３０μｍである。流路１３の長さＬは１０ｍｍである。
【００１５】
筒体１１は絶縁体よりなる、もしくは、流路１３に面する面が絶縁体で被覆されている材料よりなる。筒体１１は、例えば、ガラスや石英やサファイア、セラミックなどの絶縁体や、熱酸化シリコンが形成されたシリコン基板よりなる。
【００１６】
筒体１１の内面１１Ａ、１１Ｂは互いに異なる材料より形成されていてもよい。その場合には、筒体１１を形成する部材は内面１１Ａもしくは内面１１Ｂのいずれか一つから露出していてもよい。
【００１７】
吸着部１２は、試料に含まれる化学物質の分子を吸着する。筒体１１の内面１１Ａには、複数の吸着部１２が互いに所定の間隔Ｂ１を空けて設けられている。吸着部１２は円柱形状を有する。吸着部１２は、筒体１１の内面１１Ａに固定されている端部１２Ａと、端部１２Ａの反対側の端部１２Ｂとを有する。化学物質濃縮器１０では、端部１２Ｂは筒体１１の内面１１Ｂに設けられて固定されている。
【００１８】
図３Ｃは化学物質濃縮器１０の拡大図であり、吸着部１２の周辺を示す。吸着部１２は、密集する複数の繊維１５よりなる。吸着部１２を複数の繊維１５で形成することにより、吸着部１２の表面積を大きくすることができる。試料Ａ１０は、気体である媒体Ｂ１０と、媒体Ｂ１０に浮遊する化学物質の分子Ｃ１０とを含有する。吸着部１２は、繊維１５の集合体であることから、凹凸を有する表面を有しており、図３Ｃに示すように気体である試料Ａ１０（媒体Ｂ１０）を巻き込みながら化学物質の分子Ｃ１０を吸着できる。
【００１９】
筒体１１の流れ方向Ｄ１０に直角の断面において、互いに隣り合う吸着部１２の間の間隔Ｂ１（図２参照）は、繊維１５の間の間隔Ｄ１５よりも大きい。
【００２０】
繊維１５は異方性を有している。繊維１５は、内面１１Ａに繊維１５の成長方向を制御する層や繊維１５の核となる材料層や触媒層を形成した後、気相法や液相法を用いて成長させる。繊維１５は、内面１１Ａに対して略垂直の方向に優先的に配向している。
【００２１】
繊維１５は、例えば、ＺｎＯ、ＳｎＯ２、Ｉｎ２Ｏ３、Ｉｎ２−ｘＳｎｘＯ３（例えば、０．１≦ｘ≦０．２）、ＮｉＯ、ＣｕＯ、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２などの金属酸化物により形成されている。金属酸化物の表面の酸素と化学物質の分子とが相互作用を起こすことで、効率よく化学物質の分子を吸着することができる。繊維１５は、ナノワイヤまたはナノファイバである。
【００２２】
繊維１５は、化学物質の分子を選択的に吸着する吸着材１１５で被覆されている。
【００２３】
例えば、一酸化炭素を選択的に吸着する場合、吸着材１１５としてニッケルや銀を用いることができる。また、アンモニアや塩素を吸着する場合、吸着材１１５としてモリブデンを用いることができる。窒素酸化物を吸着する場合、吸着材１１５としてゼオライトを用いることができる。水素を吸着する場合、吸着材１１５としてパラジウムを用いることができる。水を吸着する場合、吸着材１１５としてポリアニリンを用いることができる。また、有極性有機物質の分子を吸着する場合、吸着材１１５としてポリエチレングリコールや、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）などを用いることができる。この場合、吸着材１１５は、分子の面の極性と同じ極性を有する表面を有する材料よりなることが好ましい。このように、吸着材１１５は、吸着する化学物質の分子に応じて適宜選択することができる。
【００２４】
なお、繊維１５は、化学物質の分子を選択的に吸着する吸着材１１５で形成されてもよい。また、吸着部１２を形成する繊維１５自体が、化学物質の分子を吸着する場合、繊維１５は、吸着材１１５で被覆されていなくてもよい。
【００２５】
吸着部１２の平均直径は、実施の形態１では、数十μｍ以上、数百μｍ以下である。図２に示す実施の形態１における吸着部１２の平均直径Ｄ１は約２００μｍである。
【００２６】
複数の吸着部１２のうちの吸着部１１２は、複数の吸着部１２のうちの吸着部１１２に隣り合う吸着部２１２と約２００μｍの間隔Ｂ１を空けて配置されている。複数の吸着部１２は、流れ方向Ｄ１０において互いに近くに位置する吸着部１２の中心１２Ｃが重ならないように互い違いに配置されている。実施の形態における化学物質濃縮器１０では、複数の吸着部１２は、流れ方向Ｄ１０において互いに隣り合う吸着部１２の中心１２Ｃが重ならないように互い違いに配置されている。
【００２７】
試料は、複数の吸着部１２の間を通過して、流入口１６から排出口１７へ流れ方向Ｄ１０に流れる。このとき、試料は、１つの吸着部１２の中の複数の繊維１５の間には流れにくい。これは、１つの吸着部１２において複数の繊維１５は密集しているので、吸着部１２内の圧力損失は、複数の吸着部１２の間の圧力損失よりも３桁〜４桁程度大きいからである。
【００２８】
実施の形態１において、内面１１Ａから内面１１Ｂに向かう高さ方向ＤＨにおける吸着部１２の高さＨ２は、３０μｍである。吸着部１２は、内面１１Ａから内面１１Ｂまで延びている。つまり、高さ方向ＤＨにおける流路１３の高さＨ１は吸着部１２の高さＨ２と等しく、実施の形態１では３０μｍである。
【００２９】
内面１１Ａの反対側の外面１１Ｃには脱離機構９４が設けられている。脱離機構９４を動作させることにより、吸着部１２に吸着された化学物質の分子を吸着部１２から試料中に脱離させる。これにより、化学物質濃縮器１０は、試料に含まれる化学物質を濃縮することができる。
【００３０】
脱離された化学物質の分子は、例えば、流れ方向Ｄ１０における化学物質濃縮器１０の下流に設けられた検出センサにより検出される。また、吸着した化学物質の分子を脱離させることにより、吸着部１２は、吸着機能を回復させることができる。
【００３１】
図１から図３Ｃに示す化学物質濃縮器１０では、脱離機構９４は、外部電源１８に接続されて複数の吸着部１２を加熱する加熱部１４である。実施の形態１における加熱部１４は、金属線や抵抗加熱材料の配線パターンなどからなる。例えば加熱部１４は、ミアンダ形状に加工したＮｉＣｒからなる薄膜より形成されていてもよい。
【００３２】
図４Ａは実施の形態における他の化学物質濃縮器１０Ａの断面図である。図４Ａにおいて、図１から図３Ｃに示す化学物質濃縮器１０と同じ部分には同じ参照番号を付す。図４Ａに示す化学物質濃縮器１０Ａでは、脱離機構９４である加熱部１４は、筒体１１の内部に設けられている。具体的には、加熱部１４は、複数の吸着部１２のそれぞれと筒体１１との間に設けられる。複数の吸着部１２のそれぞれと加熱部１４との間には絶縁層２０が設けられる。これにより、加熱部１４に流れる電流は吸着部１２へ流れない。そのため、加熱部１４は、吸着部１２を効率よく加熱することができる。加熱部１４は互いに反対側の面１４Ａ、１４Ｂを有する。絶縁層２０は互いに反対側の面２０Ａ、２０Ｂを有する。加熱部１４の面１４Ｂは、筒体１１の内面１１Ａ上に設けられている。絶縁層２０の面２０Ｂは加熱部１４の面１４Ａ上に設けられている。絶縁層２０の面２０Ａは流路１３に面している。化学物質濃縮器１０Ａでは、吸着部１２の端部１２Ａは絶縁層２０の面２０Ａに設けられている。絶縁層２０は非常に薄く、吸着部１２は加熱部１４に実質的に接触している。
【００３３】
図４Ｂは実施の形態におけるさらに他の化学物質濃縮器１０Ｂの断面図である。図４Ｂにおいて、図４Ａに示す化学物質濃縮器１０Ａと同じ部分には同じ参照番号を付す。図４Ｂに示す化学物質濃縮器１０Ｂは、図４Ａに示す化学物質濃縮器１０Ａの絶縁層２０を備えていない。化学物質濃縮器１０Ｂでは、吸着部１２は絶縁性を有する。加熱部１４の面１４Ａが流路１３に面している。化学物質濃縮器１０Ｂでは、複数の吸着部１２の端部１２Ａは加熱部１４に設けられている。なお、吸着部１２は絶縁性を有していなくてもよい。
【００３４】
繊維１５の集合体からなる吸着部１２はその構造状から熱容量が小さいので、図４Ａと図４Ｂに示す化学物質濃縮器１０Ａ、１０Ｂにおいて、吸着部１２は、加熱部１４と接触しているもしくは実質的に接触していることで効率よく加熱され、吸着した分子Ｃ１０を脱離させることができる。これにより、繊維１５からなる吸着部１２は、少ない消費電力で化学物質を脱離させることができる。
【００３５】
また、加熱部１４は金属線や抵抗加熱材料等の発熱材料よりなっていてもよい。例えば、加熱部１４は、複数の吸着部１２にそれぞれ対向する複数の加熱部分Ａ１４と、複数の加熱部分Ａ１４を直列に接続する複数の接続部分Ｂ１４とを有する。図４Ａに示す化学物質濃縮器１０Ａでは加熱部１４の複数の加熱部分Ａ１４は薄い絶縁層２０を介して複数の吸着部１２の端部１２Ａにそれぞれ対向し、実質的にそれぞれ接触している。図４Ｂに示す化学物質濃縮器１０Ｂでは加熱部１４の複数の加熱部分Ａ１４は複数の吸着部１２の端部１２Ａにそれぞれ接触している。加熱部分Ａ１４は、吸着部１２の端部１２Ａの面、または端部１２Ａに対向する絶縁層２０の面２０Ｂの部分にパターン形成された発熱材料よりなる、接続部分Ｂ１４は、加熱部分Ａ１４より小さい面積を有する。これにより、吸着部１２のみを加熱することが出来るため、加熱後の冷却速度が上がり高速で化学物質の分子Ｃ１０の吸着と脱離ができ、さらに少ない消費電力で吸着部１２を機能させることができる。
【００３６】
図４Ｃは実施の形態におけるさらに他の化学物質濃縮器１０Ｃの断面図である。図４Ｃにおいて、図３Ａに示す化学物質濃縮器１０と同じ部分には同じ参照番号を付す。化学物質濃縮器１０Ｃは、図３Ａに示す化学物質濃縮器１０の加熱部１４の代わりに、吸着部１２を加熱する脱離機構９４である加熱部１１４を備える。加熱部１１４は、下部電極１４１、ナノファイバー１４２および上部電極１４３を備える。ナノファイバー１４２は、下部電極１４１と上部電極１４３との間に設けられている。ナノファイバー１４２は導電性を有する。ナノファイバー１４２は下部電極１４１および上部電極１４３と電気的に接続している。下部電極１４１および上部電極１４３は外部電源１８に接続されている。上部電極１４３は筒体１１の外面１１Ｃに設けられている。
【００３７】
ナノファイバー１４２は、電流が流れることにより、ナノファイバー１４２が有する抵抗により発熱する。したがって、ナノファイバー１４２を図３Ａに示す化学物質濃縮器１０の加熱部１４として利用することができる。
【００３８】
ナノファイバー１４２を利用することにより、加熱部１１４は少ない電力で高温となる。そのため、低電力で、効率よく吸着部１２を加熱することができる。また、ナノファイバー１４２の熱容量は小さい。そのため、加熱部１１４の冷える速度は速い。したがって、ナノファイバー１４２を用いた加熱部１１４は、吸着部１２の加熱冷却速度を速くすることができる。
【００３９】
吸着部１２の繊維１５と加熱部１４のナノファイバー１４２は、同じ材料で形成されていてもよい。また、繊維１５とナノファイバー１４２とは、異なる材料で形成されていてもよい。
【００４０】
なお、図４Ａと図４Ｂに示す化学物質濃縮器１０Ａ、１０Ｂは、加熱部１４の代わりに、図４Ｃに示す加熱部１１４を備えてもよい。
【００４１】
図４Ｄは実施の形態におけるさらに他の化学物質濃縮器１０Ｄの断面図である。図４Ｄにおいて、図４Ａに示す化学物質濃縮器１０Ａと同じ部分には同じ参照番号を付す。化学物質濃縮器１０Ｄは、図４Ａに示す化学物質濃縮器１０Ａの加熱部１４の代わりに、脱離機構９４である振動部２４を備える。振動部２４は吸着部１２を振動させることにより、吸着部１２に吸着した化学物質の分子Ｃ１０を脱離することができる。振動部２４は、下部電極２４１、圧電体２４２および上部電極２４３を有する。下部電極２４１は互いに反対側の面２４１Ａ、２４１Ｂを有する。圧電体２４２は互いに反対側の面２４２Ａ、２４２Ｂを有する。上部電極２４３は互いに反対側の面２４３Ａ、２４３Ｂを有する。圧電体２４２は下部電極２４１と上部電極２４３との間に設けられている。下部電極２４１の面２４１Ｂは筒体１１の内面１１Ａに設けられている。圧電体２４２の面２４２Ｂは下部電極２４１の面２４１Ａに設けられている。上部電極２４３の面２４３Ｂは圧電体２４２の面２４２Ａに設けられている。上部電極２４３の面２４３Ａには複数の絶縁層２０が配置されている。複数の吸着部１２の端部１２Ｂは、絶縁層２０を介して上部電極２４３の面２４３Ａに接合している。下部電極２４１と上部電極２４３間に１ＭＨｚ〜１ＧＨｚの周波数の交番電圧を印加することで圧電体２４２を振動させることができ、その振動により吸着部１２に吸着された化学物質の分子Ｃ１０は脱離する。圧電体２４２は、例えば、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３（チタン酸ジルコン酸鉛）やＡｌＮ（窒化アルミ）等の圧電材料により形成されている。
【００４２】
図４Ｅは実施の形態におけるさらに他の化学物質濃縮器１０Ｅの断面図である。図４Ｅにおいて、図４Ｄに示す化学物質濃縮器１０Ｄと同じ部分には同じ参照番号を付す。図４Ｅに示す化学物質濃縮器１０Ｅは、図４Ｄに示す化学物質濃縮器１０Ｄの振動部２４の代わりに振動部１２４を備える。図４Ｄに示す化学物質濃縮器１０Ｄでは１つの振動部２４は吸着部１２が形成されている。図４Ｅに示す化学物質濃縮器１０Ｅでは、振動部１２４は互いに分離している複数の領域１２４Ａ〜１２４Ｃを有する。振動部１２４の複数の領域１２４Ａ〜１２４Ｃのそれぞれが下部電極２４１と圧電体２４２と上部電極２４３とを有する。この構造により、振動部１２４の領域１２４Ａ〜１２４Ｃのそれぞれの静電容量を低減できるので、振動部１２４の領域１２４Ａ〜１２４Ｃの共振周波数を上げることが可能であり、振動部１２４の領域１２４Ａ〜１２４Ｃを高周波で容易に駆動して振動させることができる。また、領域１２４Ａ〜１２４Ｃごとに異なる周波数で振動させることや、異なるタイミングで振動させることができ、吸着した化学物質の分子の脱離に選択性を持たせることができる。
【００４３】
図４Ｆは実施の形態におけるさらに他の化学物質濃縮器１０Ｆの断面図である。図４Ｆにおいて、図３Ａに示す化学物質濃縮器１０と同じ部分には同じ参照番号を付す。化学物質濃縮器１０Ｆは、図３Ａに示す化学物質濃縮器１０の加熱部１４の代わりに、脱離機構９４として機能する光照射部３４を備える。光照射部３４は筒体１１の外面１１Ｄに設けられている。吸着部１２に光照射部３４で光を照射することにより、吸着部１２に吸着した化学物質の分子Ｃ１０を脱離することができる。化学物質濃縮器１０Ｆでは筒体１１は、例えばガラスなどの、光の透過率が高い材料よりなることが好ましい。光照射部３４としては、例えば、ハロゲンランプやレーザー、近赤外ランプ、赤外ランプなどを用いることができる。
【００４４】
このように、加熱部１４、１１４と振動部２４、１２４と光照射部３４は、吸着部１２に吸着した化学物質の分子Ｃ１０を脱離させる脱離機構９４として機能する。なお、化学物質濃縮器１０、１０Ａ〜１０Ｆの使用用途によって、脱離機構９４は必ずしも設けなくてもよい。
【００４５】
また、吸着部１２の繊維１５に電極を接続して電流を流してもよい。これにより、吸着部１２はそれ自身が加熱部として機能する。
【００４６】
なお、吸着部１２の形状は円柱形状に限られない。例えば、吸着部１２は、楕円柱形状や多角柱形状を有していてもよい。また、吸着部１２は、円錐形状、角錐形状、または楕円錐形状を有していてもよい。
【００４７】
図４Ｇは実施の形態におけるさらに他の化学物質濃縮器１０Ｇの上面透視図である。図４Ｇにおいて、図２に示す化学物質濃縮器１０と同じ部分には同じ参照番号を付す。また、図４Ｇに示すように、吸着部１２は、流入口１６から排出口１７へ向かう流れ方向Ｄ１０において、複数の吸着部１２の中心１２Ｃが重なった状態で間隔を空けて１列に配置されている。これにより、流体の圧力損失をより低減することができるため、輸送能力の小さい小型のポンプであっても、流路１３に試料を容易に通過させることができる。
【００４８】
前述の従来の検出システムにおいて、吸着部は、筒体の内部に、吸着体として、カーボンナノファイバーが充填されている。しかしながら、吸着部は、充填される吸着体の密度が高い場合、吸着部の圧力損失は高くなる。そのため、試料は、吸着部を通過しにくい。
【００４９】
図４Ｈは実施の形態におけるさらに他の化学物質濃縮器１０Ｈの断面図である。図４Ｈにおいて、図４Ｇに示す化学物質濃縮器１０Ｇと同じ部分には同じ参照番号を付す。化学物質濃縮器１０Ｈでは、流れ方向Ｄ１０において複数の吸着部１２は間隔を空けずに１列に配置されている。例えば、流れ方向Ｄ１０に沿って設けられる吸着部１２は１つであり、１つの吸着部１２において流れ方向Ｄ１０に沿って配置される繊維１５の隣り合う繊維１５間の距離Ｄ１５は、吸着部１１２及び吸着部２１２との間の流れ方向Ｄ１０に垂直な方向の距離Ｂ１（図２参照）よりも小さい。これにより、流体の圧力損失を低減した状態で吸着部１２の密度を増加させることができるため、試料を効率よく吸着部１２に吸着させることができる。
【００５０】
また、吸着部１２は、複数の繊維１５の集合体に限られない。吸着部１２は、例えば、多孔質体等の多数の微細空孔を有する材料により形成されていてもよい。
【００５１】
以下、化学物質濃縮器１０の動作について説明する。
【００５２】
化学物質の分子を含む試料は、化学物質濃縮器１０に挿入される。それらの分子は、流路内の吸着部１２に吸着される。
【００５３】
例えば、実施の形態における化学物質濃縮器１０では、流路１３の高さＨ１は３０μｍであり、高さＨ１と流れ方向Ｄ１０とに直角の方向の幅Ｗは１ｍｍである。１ｍｌ／ｍｉｎの流量の場合、化学物質濃縮器１０は、約３．２ｋＰａの圧力損失を有し、レイノルズ数は４．９である。また、５ｍｌ／ｍｉｎの流量の場合、化学物質濃縮器１０は、約１６ｋＰａの圧力損失を有し、レイノルズ数は、２４．７である。１０ｍｌ／ｍｉｎの流量の場合、化学物質濃縮器１０は、約３１．９ｋＰａの圧力損失を有し、レイノルズ数は４９．３である。
【００５４】
このような構成とすることにより、例えば、最大静圧８０ｋＰａの小型のポンプを用いて、試料を化学物質濃縮器１０内に挿入することができる。
【００５５】
吸着部１２が流路の断面の全面に渡って充填されている比較例の化学物質濃縮器について検討する。この化学物質濃縮器において１ｍｌ／ｍｉｎの流量で試料を流す場合、化学物質濃縮器の圧力損失は約１０００００ｋＰａ以上である。そのため、容量の小さい小型のポンプでは比較例の化学物質濃縮器に試料を挿入することが難しい。
【００５６】
図３Ｃに示すように、挿入された試料Ａ１０は層流として吸着部１２を回り込むように流れ、流路１３に沿って流れる。このとき吸着部１２の近傍では吸着部１２が繊維１５からなることに起因したマイクロサイズからサブマイクロサイズの凹凸構造からなるため、凹凸近傍で渦流が発生する。この渦流により試料中に含まれるＶＯＣなどの重い物質が遠心力により繊維１５へ当たることで通常の円柱状の吸着部より効果的に吸着することができる。
【００５７】
また、化学物質濃縮器１０に試料Ａ１０を送る場合、レイノルズ数は、３０００未満であることが望ましい。これにより、試料Ａ１０の流れは、吸着部１２の後方において層流となる。
【００５８】
さらに、レイノルズ数は１５０未満であることが好ましい。このような構成により、吸着部１２の後方にカルマン渦が発生しない。したがって、吸着部１２の後方にも試料Ａ１０が回り込み、より多くの化学物質の分子Ｃ１０が吸着される。
【００５９】
図５は実施の形態におけるさらに他の化学物質濃縮器３０を模式的に示す側断面図である。図５において、図１から図３Ｃに示す化学物質濃縮器１０と同じ部分には同じ参照番号を付す。化学物質濃縮器３０は、吸着部１２の上方に空間を有する点で、化学物質濃縮器１０と相違する。その他の構成は、化学物質濃縮器１０と同様である。
【００６０】
化学物質濃縮器３０は、筒体１１と、筒体１１の内面１１Ａに設けられた複数の吸着部１２とを有する。吸着部１２の端部１２Ｂは内面１１Ａに設けられ、端部１２Ａは内面１１Ｂと間隔を空けて対向する。
【００６１】
吸着部１２の上方すなわち吸着部１２の端部１２Ａと内面１１Ｂとの間には、試料が流れる空間が形成されている。
【００６２】
例えば、流路１３の内面１１Ａ、１１Ｂ間の距離である高さＨ３は４０μｍであり、吸着部１２の高さＨ２は３０μｍである。吸着部１２は内面１１Ｂとは、接触していない。つまり、化学物質濃縮器３０は、吸着部１２が形成された領域３１と、吸着部１２が形成されていない領域３２の２層構造を有する。
【００６３】
化学物質濃縮器３０の圧力損失は、吸着部１２が形成された流路と、吸着部１２が形成されていない流路が並列に接続されている状態で計算できる。
【００６４】
なお、吸着部１２が形成された領域３１は、吸着部１２が形成されていない領域３２よりも圧力損失が大きい。領域３１と領域３２の圧力損失の差が大きくなると、吸着部１２が形成された領域３１に試料が流れにくくなる。そのため、領域３１の圧力損失は、領域３２の圧力損失と同じまたは、１桁程度の差であることが好ましい。
【００６５】
図６は実施の形態におけるさらに他の化学物質濃縮器３０Ａを模式的に示す側断面図である。図６において、図５に示す化学物質濃縮器３０と同じ部分には同じ参照番号を付す。図６に示す化学物質濃縮器３０Ａでは、吸着部１２は、流路１３の流入口１６に向かって延びるように傾いている。繊維１５の端部１５Ｂは、内面１１Ａに配置されている。繊維１５の端部１５Ａは、繊維１５の端部１５Ｂよりも、流路１３の流入口１６のより近くに位置する。つまり、繊維１５は、試料の流れ方向Ｄ１０に対して鋭角を向いて内面１１Ａから延びる。すなわち、複数の吸着部１２の端部１２Ｂは、端部１２Ａよりも、試料の流れ方向Ｄ１０において下流に位置している。
【００６６】
これにより、試料は、吸着部１２内の繊維１５の間にも入りやすくなる。そのため、化学物質の分子は、吸着部１２の上面である端部１２Ａだけでなく、吸着部１２の内部の繊維１５にも吸着される。
【００６７】
流入口１６に向かって傾斜する繊維１５は、結晶性の繊維を用いて形成される。例えば、六方晶系のＺｎＯを用いる場合、繊維１５の核となる結晶層を形成する。結晶層は、ＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等のスパッタリングを用いて形成される。
【００６８】
スパッタリングで蒸着される粒子は、広い立体角で飛翔する。得られる柱状結晶のｃ軸方向は、基板面に対して垂直軸から分散を有して成長する。分散は、粒子の飛翔角度に強く依存する。
【００６９】
スパッタリング装置において、ターゲットをオフセットさせ、ターゲットエロージョン部の直上を遮蔽板でマスキングする。これにより、スパッタリング装置は、垂直成分が飛翔しないように粒子を飛ばす。したがって、基板表面に対して、一方向に傾斜したｃ軸を有する柱状結晶の結晶層が得られる。
【００７０】
形成した結晶層に、気相法や液相法を用いて繊維を形成することにより、基板面に対して傾斜した繊維１５を得ることができる。例えば、基板の平面を筒体１１の内面１１Ａとすることにより、流れ方向Ｄ１０に対して角度を有する繊維１５を形成することができる。角度は、例えば、４５度〜８０度である。
【００７１】
図７は実施の形態におけるさらに他の化学物質濃縮器４０を模式的に示す側断面図である。図７において、図１から図３Ｃに示す化学物質濃縮器１０と同じ部分には同じ参照番号を付す。図７に示す化学物質濃縮器４０では、流路１３の流入口１６を吸着部１２の上方に設けてもよい。つまり、吸着部１２の繊維１５は、表面１４Ａから流入口１６に向かって垂直に延びている。これにより、試料が流れる流れ方向Ｄ４０が吸着部１２の端部１２Ａから端部１２Ｂに向かう成分を有して、吸着部１２に対して傾斜している。
【００７２】
図８は実施の形態におけるさらに他の化学物質濃縮器４０Ａを模式的に示す側断面図である。図８において、図７に示す化学物質濃縮器４０と同じ部分には同じ参照番号を付す。図８に示す化学物質濃縮器４０Ａでは、流入口１６の流路１３を吸着部１２に対して角度を有するように傾斜させてもよい。つまり、流入口１６は、吸着部１２が設けられた内面１１Ａの流入口１６に近い側の上方に設けられている。このように、流路１３に対して吸着部１２を相対的に傾けてもよい。これにより、試料が流れる流れ方向Ｄ４０Ａは、吸着部１２の端部１２Ａから端部１２Ｂに向かう成分を有して、吸着部１２に対して傾斜している。
【００７３】
これにより、試料は、吸着部１２の繊維１５の間に入り込むことができる。化学物質濃縮器４０、４０Ａは、化学分子を効率よく吸着することができる。
【００７４】
上述のように、化学物質濃縮器１０（１０Ａ〜１０Ｈ、３０、３０Ａ、４０，４０Ａ）は、筒体１１と、筒体１１の内部に設けられた複数の吸着部１２とを備える。筒体１１は化学物質を含む試料Ａ１０が流れ方向Ｄ１０に流れる流路１３を形成する。複数の吸着部１２は、化学物質を吸着してかつ吸着した化学物質を脱離させる。吸着部１２は、金属酸化物からなる複数の繊維１５の集合体である。流れ方向Ｄ１０に対して垂直な筒体１１の断面において、複数の吸着部１２は互いに間隔Ｂ１を空けて配置されている。
【００７５】
筒体１１の断面において、複数の吸着部１２のうちの互いに隣り合う吸着部１２の間の間隔Ｂ１は、吸着部１２における複数の繊維１５の間の間隔Ｄ１よりも大きくてもよい。
【００７６】
筒体１１は、複数の吸着部１２が設けられている内面１１Ａと、筒体１１の内面１１Ａと対向してかつ複数の吸着部１２から離間している内面１１Ｂとを有していてもよい。
【００７７】
吸着部１２の端部１２Ａは、端部１２Ｂよりも、流れ方向Ｄ１０において下流に位置していてもよい。
【００７８】
複数の繊維１５はＺｎＯよりなっていてもよい。
【００７９】
脱離機構９４は、複数の吸着部１２に吸着された化学物質を複数の吸着部１２から脱離させる。
【００８０】
脱離機構９４は複数の吸着部１２を加熱する加熱装置１４であってもよい。
【００８１】
脱離機構９４は複数の吸着部１２を振動させる振動部２４であってもよい。
【００８２】
脱離機構９４は複数の吸着部１２に光を照射する光照射部３４であってもよい。
【００８３】
複数の吸着部１２は互い違いに配置されていてもよい。
【００８４】
複数の吸着部１２は一列に配置されていてもよい。
【００８５】
複数の吸着部１２は、筒体１１の上記断面以外の断面において間隔を空けずに一列に配置されていてもよい。
【００８６】
複数の吸着部１２は、吸着した化学物質を試料Ａ１０内に脱離させてもよい。
【００８７】
なお、化学物質濃縮器１０、１０Ａ〜１０Ｈ、３０、３０Ａ、４０，４０Ａは、例えば、検出システムに設けられる配管内に設けられていてもよい。この場合には、筒体１１は検出システムの配管である。
【００８８】
以上、一つまたは複数の態様に化学物質濃縮器について、実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、この実施の形態に限定されるものではない。本開示の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、一つまたは複数の態様の範囲内に含まれてもよい。
【符号の説明】
【００８９】
１０，１０Ａ〜１０Ｈ，３０，３０Ａ，４０，４０Ａ    化学物質濃縮器
１１    筒体
１１Ａ    内面（第一の内面）
１１Ｂ    内面（第二の内面）
１２    吸着部
１２Ａ    端部（第一の端部）
１２Ｂ    端部（第二の端部）
１３    流路
１４    加熱部
１５    繊維
１６    流入口
１７    排出口
１８    電源
９４    脱離機構
【図１】
2016174866.tif 000003
【図２】
2016174866.tif 000004
【図３Ａ】
2016174866.tif 000005
【図３Ｂ】
2016174866.tif 000006
【図３Ｃ】
2016174866.tif 000007
【図４Ａ】
2016174866.tif 000008
【図４Ｂ】
2016174866.tif 000009
【図４Ｃ】
2016174866.tif 000010
【図４Ｄ】
2016174866.tif 000011
【図４Ｅ】
2016174866.tif 000012
【図４Ｆ】
2016174866.tif 000013
【図４Ｇ】
2016174866.tif 000014
【図４Ｈ】
2016174866.tif 000015
【図５】
2016174866.tif 000016
【図６】
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【図７】
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【図８】
2016174866.tif 000019
【手続補正書】
【提出日】平成29年8月3日(2017.8.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４１】
図４Ｄは実施の形態におけるさらに他の化学物質濃縮器１０Ｄの断面図である。図４Ｄにおいて、図４Ａに示す化学物質濃縮器１０Ａと同じ部分には同じ参照番号を付す。化学物質濃縮器１０Ｄは、図４Ａに示す化学物質濃縮器１０Ａの加熱部１４の代わりに、脱離機構９４である振動部２４を備える。振動部２４は吸着部１２を振動させることにより、吸着部１２に吸着した化学物質の分子Ｃ１０を脱離することができる。振動部２４は、下部電極２４１、圧電体２４２および上部電極２４３を有する。下部電極２４１は互いに反対側の面２４１Ａ、２４１Ｂを有する。圧電体２４２は互いに反対側の面２４２Ａ、２４２Ｂを有する。上部電極２４３は互いに反対側の面２４３Ａ、２４３Ｂを有する。圧電体２４２は下部電極２４１と上部電極２４３との間に設けられている。下部電極２４１の面２４１Ｂは筒体１１の内面１１Ａに設けられている。圧電体２４２の面２４２Ｂは下部電極２４１の面２４１Ａに設けられている。上部電極２４３の面２４３Ｂは圧電体２４２の面２４２Ａに設けられている。上部電極２４３の面２４３Ａには複数の絶縁層２０が配置されている。複数の吸着部１２の端部１２Ａは、絶縁層２０を介して上部電極２４３の面２４３Ａに接合している。下部電極２４１と上部電極２４３間に１ＭＨｚ〜１ＧＨｚの周波数の交番電圧を印加することで圧電体２４２を振動させることができ、その振動により吸着部１２に吸着された化学物質の分子Ｃ１０は脱離する。圧電体２４２は、例えば、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３（チタン酸ジルコン酸鉛）やＡｌＮ（窒化アルミ）等の圧電材料により形成されている。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４２】
図４Ｅは実施の形態におけるさらに他の化学物質濃縮器１０Ｅの断面図である。図４Ｅにおいて、図４Ｄに示す化学物質濃縮器１０Ｄと同じ部分には同じ参照番号を付す。図４Ｅに示す化学物質濃縮器１０Ｅは、図４Ｄに示す化学物質濃縮器１０Ｄの振動部２４の代わりに振動部１２４を備える。図４Ｄに示す化学物質濃縮器１０Ｄでは１つの振動部２４には吸着部１２が形成されている。図４Ｅに示す化学物質濃縮器１０Ｅでは、振動部１２４は互いに分離している複数の領域１２４Ａ〜１２４Ｃを有する。振動部１２４の複数の領域１２４Ａ〜１２４Ｃのそれぞれが下部電極２４１と圧電体２４２と上部電極２４３とを有する。この構造により、振動部１２４の領域１２４Ａ〜１２４Ｃのそれぞれの静電容量を低減できるので、振動部１２４の領域１２４Ａ〜１２４Ｃの共振周波数を上げることが可能であり、振動部１２４の領域１２４Ａ〜１２４Ｃを高周波で容易に駆動して振動させることができる。また、領域１２４Ａ〜１２４Ｃごとに異なる周波数で振動させることや、異なるタイミングで振動させることができ、吸着した化学物質の分子の脱離に選択性を持たせることができる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６０】
化学物質濃縮器３０は、筒体１１と、筒体１１の内面１１Ａに設けられた複数の吸着部１２とを有する。吸着部１２の端部１２Ａは内面１１Ａに設けられ、端部１２Ｂは内面１１Ｂと間隔を空けて対向する。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６１】
吸着部１２の上方すなわち吸着部１２の端部１２Ｂと内面１１Ｂとの間には、試料が流れる空間が形成されている。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６５】
図６は実施の形態におけるさらに他の化学物質濃縮器３０Ａを模式的に示す側断面図である。図６において、図５に示す化学物質濃縮器３０と同じ部分には同じ参照番号を付す。図６に示す化学物質濃縮器３０Ａでは、吸着部１２は、流路１３の流入口１６に向かって延びるように傾いている。繊維１５の端部１５Ｂは、内面１１Ａに配置されている。繊維１５の端部１５Ａは、繊維１５の端部１５Ｂよりも、流路１３の流入口１６のより近くに位置する。つまり、繊維１５は、試料の流れ方向Ｄ１０に対して鋭角を向いて内面１１Ａから延びる。すなわち、複数の吸着部１２の端部１２Ａは、端部１２Ｂよりも、試料の流れ方向Ｄ１０において下流に位置している。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６６】
これにより、試料は、吸着部１２内の繊維１５の間にも入りやすくなる。そのため、化学物質の分子は、吸着部１２の上面である端部１２Ｂだけでなく、吸着部１２の内部の繊維１５にも吸着される。
【国際調査報告】
2016174866.tif 000020
2016174866.tif 000021
2016174866.tif 000022
2016174866.tif 000023