(57)【要約】  化学物質濃縮器は、気体試料中の化学物質を濃縮する．この化学物質濃縮器は、気体試料が流れる流路と、流路内に設けられた、化学物質を吸着する導電性の吸着剤と、吸着剤に電流を流すための一対の電極とを備える。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体試料中の化学物質を濃縮する化学物質濃縮器であって、
前記気体試料が流れる流路と、
前記流路内に設けられた、前記化学物質を吸着する導電性の吸着剤と、
前記吸着剤に電流を流すための一対の電極と、
を備えた化学物質濃縮器。
【請求項２】
前記吸着剤はナノワイヤである、請求項１に記載の化学物質濃縮器。
【請求項３】
前記吸着剤は多孔体である、請求項１に記載の化学物質濃縮器。
【請求項４】
前記吸着剤は、金属酸化物、金属、カーボン、または、シリコンのうちのいずれかによって形成されている、請求項１から３のいずれか１つに記載の化学物質濃縮器。
【請求項５】
前記吸着剤は、互いに分かれて配置されている複数の群を含む、請求項１に記載の化学物質濃縮器。
【請求項６】
前記吸着剤の前記複数の群は材料または表面の修飾形態が互いに異なる群を含む、請求項５に記載の化学物質濃縮器。
【請求項７】
前記一対の電極に電流を供給可能に構成された電流供給部をさらに備え、
前記一対の電極は、前記吸着剤の前記複数の群に対してそれぞれ設けられ複数対の電極を含み、
前記電流供給部は、前記複数対の電極に選択的に前記電流を供給可能に構成されている、請求項５または６に記載の化学物質濃縮器。
【請求項８】
前記流路内を流れる前記気体試料を冷却する冷却部をさらに備えた、請求項１から７のいずれか１つに記載の化学物質濃縮器。
【請求項９】
第１面と、前記第１面の反対側の第２面とを有する基板と、
前記基板の前記第１面上に設けられて前記流路が設けられた枠体と、
をさらに備え、
前記冷却部は、前記基板の前記第２面上に設けられた冷却素子である、請求項８に記載の化学物質濃縮器。
【請求項１０】
前記吸着剤に流れる電流量から前記吸着剤の電気抵抗値の変化を検出し、前記変化に基づいて前記吸着剤に吸着された前記化学物質の量を推定する吸着量推定部をさらに備えた、請求項１に記載の化学物質濃縮器。
【請求項１１】
請求項１記載の化学物質濃縮器と、
前記化学物質濃縮器によって濃縮された前記化学物質が導入される検出器と、
を備えた化学物質検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体中の化学物質を分析・検出する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
気体中の化学物質を分析する技術について、例えば特許文献１は、電力機器内部ガス中の有機物質を分析する装置を開示している。この装置では、トラップの温度を一定に保持しながら配管にガスを通過させ、ガス中の有機物質を吸着剤に吸着させた後、トラップを加熱して、吸着した有機物質を検出器に導入する。また特許文献２は、分析物を吸着する能力と濃縮された分析物を脱着する能力を持つ吸着剤物質を用いた、極微量の分析物の検出装置を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２９６２１８号公報
【特許文献２】特表２００２−５１８６６８号公報
【発明の概要】
【０００４】
化学物質濃縮器は、気体試料中の化学物質を濃縮する。この化学物質濃縮器は、気体試料が流れる流路と、流路内に設けられた、化学物質を吸着する導電性の吸着剤と、吸着剤に電流を流すための一対の電極とを備える。
【０００５】
この化学物質濃縮器は、吸着した化学物質を低消費電力で脱離可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】図１は実施形態に係る化学物質濃縮器の概略構成図である。
【図２】図２は実施形態に係る化学物質濃縮器を含む検出装置の構成図である。
【図３Ａ】図３Ａは実施形態に係る化学物質濃縮器の流路における導電性吸着剤の配置を示す図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは実施形態に係る化学物質濃縮器の流路における導電性吸着剤の他の配置を示す図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは実施形態に係る化学物質濃縮器の流路における導電性吸着剤のさらに他の配置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
図１は実施形態に係る検出装置１００の化学物質濃縮器１の概略構成図である。化学物質濃縮器（以下、濃縮器という）１は、流入される気体試料中の化学物質を吸着剤１２に吸着させ、濃縮した後、加熱により吸着剤から脱離させ、後段の検出器２に送出する。化学物質としては例えば、ケトン類、アミン類、アルコール類、芳香族炭化水素類、アルデヒド類、エステル類、有機酸、硫化水素、メチルメルカプタン、ジスルフィドなどの揮発性有機化合物がある。
【０００８】
濃縮器１は、気体試料が流れる流路１１と、流路１１内に設けられた導電性の吸着剤１２と、吸着剤１２に電流を流すための一対の電極１３ａ、１３ｂと、流路１１内を流れる気体試料を冷却する冷却部１４とを備えている。電流供給部１５は、一対の電極１３ａ、１３ｂに電流Ｉを供給する。制御部１６は、冷却部１４および電流供給部１５の動作を制御する。吸着剤１２は気体試料の化学物質を吸着するよう構成されている。
【０００９】
本実施形態に係る濃縮器１は、対向する電極１３ａ、１３ｂ間に接続された導電性のナノワイヤ１２ａを化学物質の吸着剤１２として用いている。すなわち、冷却部１４による冷却処理の過程において、気体試料中の化学物質がナノワイヤ１２ａの表面に吸着し、濃縮捕集される。その後、電流供給部１５が電極１３ａ、１３ｂを介してナノワイヤ１２ａに微少電流Ｉを流すことによって、ナノワイヤ１２ａがジュール効果によって発熱（自己加熱）する。ナノワイヤ１２ａの自己加熱による温度上昇により、ナノワイヤ１２ａの表面に吸着していた化学物質が脱離し、後段の検出器２に導入される。すなわち、導電性のナノワイヤ１２ａは化学物質を加熱する加熱部としての役割も兼ねている。
【００１０】
このような構成および動作によって、濃縮器１は、消費電力の大きい外部ヒーターを用いずに、低消費電力で、濃縮された化学物質を検出器２に送出することができる。
【００１１】
特許文献１、２に開示されている従来の構成によると、吸着した化学物質を検出器へ導入する際、外部ヒーターのような加熱手段を用いる必要がある。もし加熱手段を用いずに化学物質を脱離させる場合には、脱離不十分となる。このため、検出装置の消費電力が大きくなる。例えば、従来技術で用いられている加熱ヒーターの場合、数十〜数百ｍＷ程度の電力を必要とする。また、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術において、例えばＰｔ線抵抗加熱ヒーターを用いる場合、数ｍＷ以上の消費電力が必要になる。
【００１２】
このように、従来技術で用いられている加熱ヒーターの場合、数十〜数百ｍＷ程度の電力を必要とするのに対して、本実施形態では、１０μＷ程度以下の電力で、化学物質を脱離させることができる。また、外部ヒーターが不要になるため、濃縮器を含む検出装置１００の小型化が可能になる。
【００１３】
ここで、導電体に電流Ｉを流したとき、導電体の抵抗Ｒによって発生する熱量Ｑは次のようになる（ジュール効果）。
【００１４】
Ｑ＝Ｒ・Ｉ２・ｔ
また、熱量Ｑと温度変化ΔＴとの関係は導電体の比熱と質量の積である熱容量Ｃを用いて次のように表される。
【００１５】
Ｑ＝Ｃ・ΔＴ
熱容量Ｃは導電体の質量（体積）に依存する。したがって、ナノワイヤ１２ａのように非常に体積の小さい物質は熱容量Ｃが非常に小さいので、電流を流したときに発生する熱量Ｑがたとえわずかであっても、大きな温度変化ΔＴが生じる。
【００１６】
本実施形態において吸着剤１２としてナノワイヤ１２ａを用いた理由は、比表面積が大きく、高い濃縮（吸着）効率を得られることに加えて、熱容量Ｃが非常に小さいので低消費電力で大きな温度変化が生じるからである。比表面積が大きい他の材料としては例えば多孔体があるが、ナノワイヤ１２ａと比較して体積が大きいので、ジュール効果による自己加熱のために消費する電力はナノワイヤ１２ａよりは大きい。しかし、本実施形態における導電性の吸着剤１２は、ナノワイヤ１２ａに限られるものでなく、多孔体などの他の構造体を用いてもかまわない。
【００１７】
ナノワイヤ１２ａや多孔体などの導電性の吸着剤１２としては、例えば、ＳｎＯ２、ＺｎＯ、Ｉｎ２Ｏ３、Ｉｎ２−ｘＳｎｘＯ３（例えば、０．１≦ｘ≦０．２）、ＮｉＯ、ＣｕＯ、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２などの金属酸化物、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔなどの金属、カーボン、または、シリコンなどの導電材料を用いればよい。カーボンからなるナノワイヤとしては、例えばカーボンナノチューブを用いてもよい。すなわち、吸着剤の材料としては、導電性があり、かつ、ジュール効果による自己加熱が効果的に生じる程度の抵抗値を有している材料であればよい。
【００１８】
本実施形態において対向する電極１３ａ、１３ｂには、例えば金、白金、銀、銅、アルミニウムなどの金属、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、Ａｌドープ酸化亜鉛（ＡＺＯ）などの導電性酸化物、導電性高分子などを用いればよい。また、電極１３ａ、１３ｂの表面は凹凸形状であってもよい。すなわち、電極１３ａ、１３ｂは、ナノワイヤ１２ａや多孔体の表面の凹凸に応じた形状を有する。また、吸着材１２の一部は、電極１３ａ、１３ｂに埋没していてもよい。例えば、ナノワイヤ１２ａの端部は、電極１３ａ、１３ｂに埋没してもよい。多孔体の一部は、電極１３ａ、１３ｂに埋没してもよい。これにより、化学物質濃縮器１は、吸着材１２と電極１３ａまたは電極１３ｂとの安定した電気的接続を実現できる。
【００１９】
図２は実施形態に係る濃縮器１を含む化学物質検出装置１００の模式図である。図２の構成では、例えばシリコン基板、ガラスエポキシ基板、セラミックス基板などの基板１７の面１７ａ上に、例えばポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、エポキシ樹脂、ポリ塩化ビニリデン樹脂、ガラスなどによって形成された枠体１８が設けられている。そして、枠体１８に、気体試料が流れるマイクロ流路として、流路１１ａ、１１ｂ、１１ｃが形成されている。流路１１ａ、１１ｂ、１１ｃは、気体試料が流入される濃縮器１から検出器２にかけて形成されている。なお、図２では、３本の流路１１ａ、１１ｂ、１１ｃが形成されているが、流路の本数はこれに限られるものではない。
【００２０】
濃縮器１において、流路１１ａ、１１ｂ、１１ｃのそれぞれの上下に一対の電極１３ａ、１３ｂが配置されている。そして、電極１３ａ、１３ｂ間にナノワイヤ１２ａが設けられている。また、基板１７の面１７ａの反対側の面１７ｂ面に、例えばペルティエ素子などの冷却素子１４ａが設けられている。冷却素子１４ａは、流路１１ａ、１１ｂ、１１ｃを流れる気体試料を冷却する冷却部１４として機能する。また、検出器２において、流路１１ａ、１１ｂ、１１ｃには、特定の化学物質を検出するためのセンサ２１が、例えばアレイ状に設けられている。なお、図２において、電極１３ａ、１３ｂに電流を流すための配線や、センサ２１に電力を与える配線、およびセンサ２１の検出信号を出力するための配線については、図示を省略している。
【００２１】
図２のような構成によって、流路１１ａ、１１ｂ、１１ｃを流れる気体試料から化学物質を濃縮器１によって吸着・濃縮し、濃縮された化学物質を検出器２によって検出することができる。すなわち、冷却素子１４ａによる冷却処理の過程において、気体試料中の化学物質がナノワイヤ１２ａの表面に吸着し、濃縮捕集される。その後、電極１３ａ、１３ｂを介してナノワイヤ１２ａに電流を流すことによって、ナノワイヤ１２ａが自己加熱する。この自己加熱による温度上昇により、ナノワイヤ１２ａの表面に吸着していた化学物質が脱離し、検出器２に導入され、センサ２１によって検出される。
【００２２】
なお、図２の構成例では、電極１３ａ、１３ｂは流路１１ａ、１１ｂ、１１ｃのそれぞれの上下に配置されているが、電極１３ａ、１３ｂの位置はこれに限られるものではなく、ナノワイヤ１２ａに電流を流すことができれば、どのような位置に設けてもかまわない。
【００２３】
また、図２の構成例では、冷却素子１４ａは基板１７の面１７ｂに配置されているが、冷却素子１４ａの位置はこれに限られるものではなく、気体試料を冷却することができれば、どのような位置に設けられていてもかまわない。例えば、冷却素子１４ａは、枠体１８、または、電極１３ａ、１３ｂ上に設けられてもよい。冷却素子１４ａが電極１３ａまたは電極１３ｂ上に設けられる場合は、冷却素子１４ａと電極１３ａ、１３ｂとの間に絶縁体を設けてもよい。
【００２４】
図３Ａから図３Ｃはナノワイヤ１２ａなどの導電性の吸着剤１２の配置を示す。図３Ａでは、吸着剤１２は互いに分かれて配置された複数の群３１Ａ〜３１Ｃを含み、図２の構成例のように、流路１１ａ、１１ｂ、１１ｃに群３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃがそれぞれ配置されている。図３Ｂでは、吸着剤１２は互いに分かれて配置された複数の群３２Ａ〜３１Ｄを含み、流路１１において、気体試料が流れる方向に垂直の方向に群３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ、３２Ｄが並んで配置されている。図３Ｃでは、吸着剤１２は互いに分かれて配置された複数の群３３Ａ〜３３Ｄを含み、流路１１において群３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃ、３３Ｄが、気体試料が流れる方向に沿って並んで配置されている。
【００２５】
図２および図３Ａから図３Ｃに示すように、導電性吸着剤１２（ナノワイヤ１２ａ）は互いに分かれて配置されている複数の群を含む。この場合には、導電性の吸着剤１２の材料や、その表面の修飾形態（コーティング）を互いに異なるものにしておいてもよい。これにより、気体分子を選択的に、吸着・濃縮することが可能となる。例えば、気体分子はその分子と同極性の表面に吸着されやすいので、導電性吸着剤として表面の極性が異なる表面を有する複数のナノワイヤ１２ａ（吸着剤１２）ものを準備しておくと、表面が高極性を持つ導電性吸着剤１２には極性分子の吸着が無極性分子より優勢になり、表面が無極性の導電性吸着剤には無極性分子の吸着が有極性分子より優勢になる。すなわち、導電性の吸着剤１２の複数の群は、材料が互いに異なる群を含むのが好ましい。あるいは、吸着剤１２の複数の群は、表面の修飾形態が互いに異なる群を含むのが好ましい。
【００２６】
また、導電性吸着剤１２が複数の群に分かれている場合には、導電性吸着剤１２に電流を供給する電流供給部１５は、各群に設けられた複数対の電極に対して選択的に電流を供給可能に構成されているのが好ましい。これにより、導電性吸着剤１２の各群に吸着した化学物質を脱離するタイミングを導電性吸着剤１２の群毎に制御することができる。例えば、導電性吸着剤１２の各群に吸着した化学物質を所定の順に後段の検出器に送ることができるので、導電性吸着剤１２の各群に吸着される化学物質が特定される場合には、後段の検出器として精密な分析装置が不要になる。したがって、より一層の検出装置１００の小型化が実現できる。
【００２７】
また、本実施形態の検出装置１００では、電流供給部１５から導電性吸着剤１２に電流を流すので、導電性吸着剤１２の電気抵抗をモニタリングすることが可能になる。一方、導電性吸着剤１２は、化学物質が吸着することによって電気抵抗が変化する。例えば、導電性吸着剤１２が金属酸化物によって形成されている場合、その表面に存在する酸素の量が化学物質の吸着に応じて変化し、これにより電気抵抗が変化する。あるいは、導電性吸着剤１２がシリコンによって形成されている場合であっても、吸着する分子が極性を有している場合には、分子の吸着量に応じて電気抵抗が変化する。したがって、本実施形態に係る濃縮器１は、図１に示すように、導電性吸着剤１２に吸着された化学物質の量を、導電性吸着剤１２の電気抵抗値の変化に基づいて推定する吸着量推定部１１５を備えてもよい。
【００２８】
吸着量推定部１１５は、化学物質の吸着量と吸着剤１２のナノワイヤ１２ａの電気抵抗の変化との関係を予め記憶している。吸着量推定部１１５は、吸着剤１２に流れる電流量から吸着剤１２の電気抵抗値の変化を検出し、この変化に基づいて、予め記憶している化学物質の吸着量と電気抵抗の変化との関係を参照して、吸着剤１２に吸着された化学物質の量を推定する。このような吸着量推定部１１５を設けることによって、例えば、制御部１６は吸着した化学物質を脱離させるタイミングをより的確に制御することが可能になる。
【００２９】
上述のように、化学物質濃縮器１は気体試料中の化学物質を濃縮するように構成されている。化学物質濃縮器１は、気体試料が流れる流路１１（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）と、流路１１（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）内に設けられて化学物質を吸着する導電性の吸着剤１２と、吸着剤１２に電流を流すための一対の電極１３ａ、１３ｂと、流路１１（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）内を流れる気体試料を冷却する冷却部１４とを備える。
【００３０】
この態様によると、気体試料が流れる流路１１内に、化学物質を吸着する導電性の吸着剤１２が設けられている。そして、吸着剤１２に電流を流すための一対の電極１３ａ、１３ｂが設けられている。冷却部１４による冷却処理の過程において、気体試料中の化学物質が吸着剤１２の表面に吸着し、濃縮捕集される。その後、電極１３ａ、１３ｂを介して吸着剤１２に電流を流すことによって、吸着剤１２がジュール効果によって発熱し、この発熱による温度上昇により、吸着剤１２の表面に吸着していた化学物質が脱離する。これにより、化学物質濃縮器１は、消費電力の大きい外部ヒーターを用いずに、低消費電力で、濃縮された化学物質を検出器２に送出することができる。また、外部ヒーターが不要なので、検出装置１００の小型化が可能になる。
【００３１】
なお、気体試料を冷却しなくても吸着材１２に十分な量の化学物質が吸着される場合、化学物質濃縮器１は、冷却部１４を備えなくてもよい。
【００３２】
吸着剤１２はナノワイヤ１２ａであってもよい。
【００３３】
これにより、ナノワイヤ１２ａは低消費電力で大きな温度変化が生じるため、化学物質濃縮器１の消費電力をさらに削減することができる。
【００３４】
吸着剤１２は多孔体であってもよい。
【００３５】
吸着剤１２は、金属酸化物、金属、カーボン、または、シリコンのうちのいずれかによって形成されていてもよい。
【００３６】
吸着剤１２は、互いに分かれて配置されている複数の群３１Ａ〜３１Ｃを含んでもよい。
【００３７】
吸着剤１２の複数の群３１Ａ〜３１Ｃは材料または表面の修飾形態が互いに異なる群を含んでもよい。
【００３８】
これらの態様により、吸着剤１２の複数の群３１Ａ〜３１Ｃによって、種類の異なる化学物質を選択的に濃縮することが可能になる。
【００３９】
化学物質濃縮器１は一対の電極１３ａ、１３ｂに電流を供給可能に構成された電流供給部１５をさらに備えてもよい。一対の電極１３ａ、１３ｂは、吸着剤１２の複数の群３１Ａ〜３１Ｃに対してそれぞれ設けられ複数対の電極１３ａ、１３ｂを含む。電流供給部１５は、複数対の電極１３ａ、１３ｂに選択的に電流を供給可能に構成されている。
【００４０】
この態様により、吸着・濃縮した化学物質を選択的に吸着剤１２から脱離することが可能になる。
【００４１】
化学物質濃縮器１は、面１７ａと、面１７ａの反対側の面１７ｂとを有する基板１７と、基板１７の面１７ａ上に設けられて流路１１（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）が設けられた枠体１８とをさらに備えてもよい。冷却部１４は、基板１７の面１７ｂ上に設けられた冷却素子１４ａである。
【００４２】
吸着量推定部１１５は、吸着剤１２に流れる電流量から吸着剤１２の電気抵抗値の変化を検出し、変化に基づいて吸着剤１２に吸着された化学物質の量を推定する。
【００４３】
この態様により、吸着・濃縮した化学物質を脱離させるタイミングをより的確に制御することが可能になる。
【００４４】
検出装置１００は、化学物質濃縮器１と、化学物質濃縮器１によって濃縮された化学物質が導入される検出器２とを備える。検出器２は、例えば、半導体式センサ、電気化学式センサ、弾性波センサ、電界効果トランジスタ型センサなどの検出素子を有する。なお、検出素子はこれらに限られない。検出器２は、化学物質濃縮器１で濃縮した化学物質の検出に最適な検出素子を用いることができる。
【００４５】
これにより、消費電力が小さく小型の化学物質検出装置１００（１００Ａ）が実現される。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明に係る化学物質濃縮器は、気体試料中の化学物質を低消費電力かつ小型の検出装置で検出可能になるので、例えば、身の回りの揮発性有機化合物を検出可能な超小型化学センサに有用である。
【符号の説明】
【００４７】
１    化学物質濃縮器
２    検出器
１１，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ    流路
１２    吸着剤
１２ａ    ナノワイヤ
１３ａ，１３ｂ    電極
１４    冷却部
１４ａ    冷却素子
１５    電流供給部
１６    制御部
１７    基板
１８    枠体
３１Ａ〜３１Ｃ，３２Ａ〜３２Ｄ，３３Ａ〜３３Ｄ    吸着剤の群
１００    検出装置
１１５    吸着量推定部
【図１】
2016103561.tif 000003
【図２】
2016103561.tif 000004
【図３Ａ】
2016103561.tif 000005
【図３Ｂ】
2016103561.tif 000006
【図３Ｃ】
2016103561.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成28年12月19日(2016.12.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】
図３Ａから図３Ｃはナノワイヤ１２ａなどの導電性の吸着剤１２の配置を示す。図３Ａでは、吸着剤１２は互いに分かれて配置された複数の群３１Ａ〜３１Ｃを含み、図２の構成例のように、流路１１ａ、１１ｂ、１１ｃに群３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃがそれぞれ配置されている。図３Ｂでは、吸着剤１２は互いに分かれて配置された複数の群３２Ａ〜３２Ｄを含み、流路１１において、気体試料が流れる方向に垂直の方向に群３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ、３２Ｄが並んで配置されている。図３Ｃでは、吸着剤１２は互いに分かれて配置された複数の群３３Ａ〜３３Ｄを含み、流路１１において群３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃ、３３Ｄが、気体試料が流れる方向に沿って並んで配置されている。
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３Ｃ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３Ｃ】
2016103561.tif 000008
【国際調査報告】
2016103561.tif 000009
2016103561.tif 000010
2016103561.tif 000011
2016103561.tif 000012