JP2003057153A

JP2003057153A - 分析装置および分析システム

Info

Publication number: JP2003057153A
Application number: JP2001241803A
Authority: JP
Inventors: Hideo Enoki; 英雄榎; Hisao Inami; 久雄稲波; Norihide Saho; 典英佐保; Koji Saito; 功治斉藤; Naoki Hara; 直樹原
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-08-09
Filing date: 2001-08-09
Publication date: 2003-02-26
Anticipated expiration: 2021-08-09
Also published as: JP3745987B2

Abstract

(57)【要約】【課題】フイルタなどのろ過手段を使用せずに原水よ
り連続的にサンプルを収集することができる前処理手段
を有する分析装置を提供する。【解決手段】原水を超音波により霧化する霧化部容器
２３と、霧状になった原水１０をサンプルとして収集す
る収集部容器２４とを分離させ、かつ霧化部容器２３と
収集部容器２４を複数の通路２３４，２３５により連結
して、霧化部容器２３及び収集部容器２４内へ霧粒子を
含む気体を循環させることにより、収集部容器２４内に
サンプルを収集する前処理手段を設けたことから、超音
波振動により霧化部容器２３内で霧化された霧粒子は数
ミクロンの大きさとなり、また原水中に含まれる物質の
うち、霧粒子よりもサイズの大きなものは霧化されない
ことから、フィルタなどのろ過手段を使用せずに分析用
のサンプルを収集することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は環境水または廃水な
どの原水に含まれる成分を分析する分析装置及び分析シ
ステムに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、分析装置を使用して懸濁物を含む
溶液の成分を分析する場合、メンブレンフィルタにより
懸濁物を濾過しており、懸濁物自体を分析する場合は、
フローセルに導くときに容器などに一時滞留していた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前者の
懸濁物をフローセルに導くときに容器などに一時滞留す
るようにした従来の分析装置では、環境水や廃水などの
懸濁物を多量に含汚濁水を分析する場合、懸濁物により
フィルタが早期に目詰りすると共に、容器内や容器と分
析装置を接続する流路にユスリカなどが住み着いて流路
を閉塞するため、しばしばフイルタや流路を清掃しなけ
ればならず、メンテナンスに多くの経費を必要とするな
どの問題があった。本発明はかかる従来の問題点を改善
するためになされたもので、フイルタなどのろ過手段を
使用せずに原水より連続的にサンプルを収集することが
できる前処理手段を有する分析装置および分析システム
を提供して、メンテナンスの容易化などを図ることを目
的とするものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
本発明の分析装置は、液体サンプル中に含まれる溶存成
分を分析する分析装置であって、原水を超音波により霧
化する霧化部容器と、霧状になった原水をサンプルとし
て収集する収集部容器とを分離させ、かつ霧化部容器と
収集部容器を複数の通路により連結して、霧化部容器及
び収集部容器内へ霧粒子を含む気体を循環させることに
より、収集部容器内にサンプルを収集する前処理手段を
設けたものである。

【０００５】前記目的を達成するため本発明の分析装置
は、液体サンプル中に含まれる溶存成分を分析する分析
装置であって、原水を貯留する原水貯留部と、原水貯留
部に貯留された原水に超音波振動を加えることにより、
原水を水面から霧化させる超音波発生手段と、原水の霧
化領域を含む水面を覆うように設置された霧化部容器
と、霧化部容器に隣接して設置され、かつ霧化部容器と
複数の通路で連結された収集部容器と、収集部容器内に
設置され、かつ霧化部容器及び収集部容器内へ霧粒子を
含む気体を循環させることにより、捕捉収集する翼列
と、収集部容器内に収集したサンプルを取出す通路とか
ら構成された前処理手段を設けたものである。

【０００６】前記目的を達成するため本発明の分析装置
は、翼列を構成する羽根の角度を、回転軸に対して４５
〜７０°の範囲に設定したものである。

【０００７】前記目的を達成するため本発明の分析装置
は、前処理手段で収集したサンプルよりガス成分の分析
を行うガス分析装置を設けたものである。

【０００８】前記目的を達成するため本発明の分析装置
は、霧化部容器及び収集部容器の少なくとも一方の内部
または隣接部に、紫外線光源を設けたものである。

【０００９】前記目的を達成するため本発明の分析装置
は、前処理手段で収集したサンプルより水質を分析する
分析部に、半導体微細加工により形成したマイクロフロ
ーセルを用いたマイクロ水質計を使用したものである。

【００１０】前記目的を達成するため本発明の分析装置
は、溶存成分モニタと粒子成分モニタを河川や湖沼、海
洋などに多数設置して環境水の計測を行い、得られた計
測データを、有線や無線などの通信手段により外部の水
質監視センターなどに送ることによりデータベース化し
たり、インターネットなどのネットワークを通じて一般
に提供するようにしたものである。

【００１１】前記構成により、超音波振動により霧化部
容器内で霧化された霧粒子は数ミクロンの大きさとな
り、また原水中に含まれる粒子のうち、霧粒子よりもサ
イズの大きなものは霧化されないことから、収集部容器
に達することがないため、収集部容器内に収集されたサ
ンプルには含まれることがなく、これによってフィルタ
などのろ過手段を使用せずに分析用のサンプルを収集す
ることができるため、フイルタを清掃するなどのメンテ
ナンスが不要になると共に、容器内や容器と分析装置を
接続する流路にユスリカなどが住み着いて流路を閉塞す
るなどの心配がないため、メンテナンスの容易化が図れ
るようになる。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面を参照
して詳述する。図１は分析システムの基本構成を示すも
ので、河川や湖沼、海などに設置したポンプなどのサン
プリング手段１で採取した原水１０を、溶存成分モニタ
２と粒子成分モニタ５に導くようになっており、溶存成
分モニタ２は、原水貯留部２３1で原水１０をオーバフ
ローさせることにより、一定水位を保つようになってい
る。原水貯留部２３1の底部には、超音波振動子２２が
水面に向かって設置されていて、超音波振動子２２によ
り原水１０に超音波振動を加えることにより、超音波振
動子２２に対向するθ水面から原水１０を霧化するよう
になっており、原水貯留部２３1上には、原水１０の霧
化領域を囲むように筒状の霧化部容器２３が設けられて
いる。

【００１３】霧化部容器２３は水面を覆う外筒２３２
と、霧化領域で発生した霧を導く内筒２３３から構成さ
れており、霧化部容器２３に隣接して筒状の収集部容器
２４が設けられていると共に、霧化部容器２３の内筒２
３３の側面上端と収集部容器２４の側面上端が通路２３
４で接続され、霧化部容器２３の外筒２３２と収集部容
器２４の下部側面が通路２３５で接続されている。内筒
２３３内の上部には、紫外線光源２５が設置され、また
収集部容器２４上に設けられたモータ２６の回転軸２６
１が収集部容器２４の上面を貫通して収集部容器２４内
に突設されており、収集部容器２４内の回転軸２６１に
は、１つ以上の翼列２７が設けられている。

【００１４】これら翼列２７は、図１の拡大図に示すよ
うに、回転軸２６１に固着された支持リング２７１と、
回転軸２６１の中心に対して角度θで支持リング２７１
の外周面に取り付けられた複数の羽根２７２からなる。
収集部容器２４下部は漏斗状になっていて、外部のマイ
クロ水質計３に流路２４２により接続されていると共
に、原水貯留部２３１内には、超音波振動子２２から霧
化領域に至る部分を囲む様にコイル状のヒータ２９が設
置されている。

【００１５】次に前記構成された分析装置の作用を説明
する。サンプリング手段１により採取されて原水貯留部
２３１に貯留された原水を超音波振動子２２により霧化
するに当たって、原水貯留部２３１内に設けた図示しな
い温度センサにより原水１０の温度を検出し、温度が一
定値以下の場合は、ヒータ２９に電流を流し原水１０を
一定値以上の温度に暖める。超音波振動子２２により霧
化された原水（霧粒子）は、モータ２６の回転軸２６１
に取り付けられた翼列２７を、モータ２６により高速回
転させることにより、内筒２３３から通路２３４を通っ
て収集部容器２４内に導かれる。

【００１６】霧粒子は収集部容器２４内で高速回転する
翼列２７や、収集部容器２４の壁面と接触しながら、収
集部容器２４の下部に滴下されてサンプル１１となる
が、超音波振動により霧化された霧粒子は数ミクロンの
大きさとなるので、原水１０中に含まれる粒子のうち、
霧粒子よりもサイズの大きなものは霧化されないため収
集部容器２４に達しないことから、サンプル１１には含
まれず、これによってフィルタ機能が得られるようにな
る。

【００１７】次に実験的に求めた本装置のフィルタリン
グ特性を説明する。なお以下の実験では、超音波振動子
２２として発振周波数２．４ＭＨｚのものを用いてお
り、この場合霧化する霧粒子のサイズは約３μｍであ
る。収集部容器２４に回収されるサンプル１１の量は、
翼列２７の羽根２７２の角度により図１３に示すように
変化し、翼列２７の回転数を増加すると、分析装置内で
の霧の循環量が増すのに伴い、羽根２７２や収集部容器
２４の壁面に接触する霧粒子の量が増加するため、サン
プル１１の回収量は増加すると共に、図１４に示すよう
に羽根２７２の角度θが６５°付近で霧の流量は極大と
なるため、回収量も極大となることを考慮して、本実施
の形態では羽根２７２の角度θを４５〜７０°の範囲に
設定しており、これによって霧の循環量の増加により、
サンプル１１の回収量を増加させることができる。

【００１８】また図２に示すように温度により霧化量が
変化するので、霧化領域の原水１０の温度が１５℃以下
では回収量が激減するが、超音波振動子２２付近に設け
た図示しない温度センサが検出した温度情報をもとに、
超音波振動子２２付近の原水温度が１５℃以上になるよ
うにヒータ２９に電流を流して調整する。これにより冬
期などのように原水１０の水温が低い場合でも、確実に
霧化収集が行える。

【００１９】図３、図４、図５、図６は、霧化収集した
サンプル液の性状を示したもので、ここでサンプル液を
原液および原液を０．１μｍのフィルタでろ過した液と
比較した場合を示しており、ろ過した液を原液のうち懸
濁物を含まない溶存成分のみの液と考える。図３はカオ
リン粒子を懸濁した液を対象とし霧化収集前後の変化を
示しており、原液は純水にカオリンを加えカオリン濃度
が１０００ｍｇ／Ｌで濁度が１０００の標準液となるよ
う調整しており、霧化収集後の濁度は２０となり原液の
１／５０に低減すると共に、カオリン懸濁液をろ過した
液は濁度が１６であってほとんど差が無いことから、霧
化収集が良好なろ過特性を有していることが分かる。

【００２０】図４及び図５は、溶存成分について測定し
たもので、図４は環境計測の主要項目である硝酸性窒
素、アンモニア性窒素、リン酸を含む原液を霧化収集し
た結果であり、収集した硝酸性窒素（硝酸イオン）、ア
ンモニア性窒素（アンモニウムイオン）、リン酸態リン
（リン酸イオン）を測定した結果、原液とサンプル液で
差がないことが分かる。また図５に示すように、硝酸
鉛、硝酸鉄を純水に混合した原液を霧化収集した結果、
金属イオンの変化は測定誤差の範囲あり、これにより霧
化収集したサンプル液は溶存成分の変化が無いことが分
かる。

【００２１】図６は環境水での実測値であり、藍藻類を
主とするアオコを含むサンプルについてＴＯＣ（全有機
炭素量）を測定した結果では、霧化によりアオコが破砕
されて、ほとんどが0.1μｍ以下の微小な有機成分とな
っており、これによって生物由来の懸濁成分は超音波霧
化の過程で破砕されほとんどが溶存成分となることが分
かる。以上のように本実施の形態によれば、霧化により
原液がμｍオーダの微小な粒子となるので、カオリンの
ような鉱物質の懸濁物がろ過できる効果があり、またア
オコなどの生物質の粒子は破砕され溶存成分となため、
収集液に移行できる効果があると共に、溶存している分
子はｎｍオーダで、霧粒子の方はμｍオーダであってそ
のまま回収できるため、原液と収集液で溶存分子の濃度
は変化しないなどの効果がある。また通常の膜フィルタ
の場合、生物由来の懸濁成分もろ過除去されるため、懸
濁成分に含まれる汚濁物が検知できないが、本構成の霧
化収集部は、懸濁成分を溶存成分に変換して回収できる
ので、汚濁した原水１０の汚濁成分分析用のろ過装置と
して好適なものとなる。

【００２２】次に収集部容器２４に回収された原水の水
質を検査するマイクロ水質計３について、図７ないし図
１１を参照して説明する。マイクロ水質計３内には例え
ば特開２０００―８８８４１号公報に記載のような光造
形法により形成された３次元の流体ブロック３１上に、
複数のマイクロフローセル３２の搭載された分析部を有
している。マイクロフローセル３２は、シリコンウエハ
をエッチングすることにより、矩形または台形断面を有
する溝及び複数の孔からなる流路３２１０を形成したシ
リコン基板３２２０に、図７の（ハ）に示すように溝側
の面を覆うようにガラス基板３２２１を陽極接合などの
接合手段により接合し、シリコン基板３２２０の溝と反
対側の面に補強ガラス基板３２２２を接合した構造にな
っていて、シリコン基板３２２０の溝とガラス基板３２
２１の面で囲まれた部分が流路３２１０となっており、
これらの基板により構成されたマイクロフローセル３２
のサイズは、数ｃｍ角以下と非常に小さいため、必要と
するサンプルや試薬の量も非常に少なくてすむというメ
リットがある。

【００２３】図７の（イ）はシリコン基板３２２０の溝
側の面を示す側面図で、流路３２１０を溝側の面から時
計回りに見て上流端から標準液導入孔３２１１、洗浄液
導入孔３２１２、サンプル導入孔３２１３、試薬Ａ導入
孔３２１４、試薬Ｂ導入孔３２１５が配列されており、
流路３２１０は試薬Ｂ導入孔３２１２の下流側で折り返
されて、直線状の検出部流路３２１６となっており、検
出部流路３２１６の下流端は下方に屈曲されて排出孔３
２１７に達している。各孔は補強ガラス基板３２２２を
貫通して、流体ブロック３１の対応する流路３２１１な
いし３２１５と接続されており、各孔に接続された流体
ブロック３１の各流路３２１１ないし３２１５は、流体
ブロック３１の表面に設けられた図示しない流体ポート
に接続された後、外部からの液の導入路、外部への液の
排出路となっている。

【００２４】シリコン基板３２２０の試薬Ａ導入孔３２
１４、試薬Ｂ導入孔３２１５部分は、エッチングやレー
ザ加工などで多数の微小孔が形成されていて、測定時に
は上流側のサンプル導入孔３２１３からサンプル１１が
流路３２１０に注入されるようになっており、サンプル
１１は下流側の試薬Ａ導入孔３２１４、試薬Ｂ導入孔３
２１５の多数の孔から噴出する試薬と速やかに混合され
た後、検出部流路３２１６を満たしながら排出孔３２１
８より排出される。検出部流路３２１６に対応するガラ
ス基板３２２１の流路３２１０側の面には、蒸着やスパ
ッタリング、メッキなどにより形成されたＣｒやＡｕな
どの金属からなる反射膜３２１８が設けられていて、図
７の（ニ）に示すようにＬＥＤなどの光源３２４０から
発せられたた光３２４２は、反射膜３２１８の上流端の
隙間から検出部流路３２１６内へ導入され、下流端の隙
間から出た光３２４２を光センサ３２４１が検出するよ
うになっている。

【００２５】この光３２４２が検出部流路３２１６を通
過する間に、サンプル１１内の対象物質が各試薬と反応
して生じた生成物により吸収されるので、この吸収量
（吸光度）を計測することにより、対象物質の濃度を知
ることができる。対象物質と試薬の反応を早めるために
図７の（ロ）に示すように、シリコン基板３２２０の溝
と反対側の面の検出部に対応する部分に酸化し絶縁膜を
形成した上、蒸着やスパッタリング、リフトオフなどの
薄膜形成法によりＰｔなどの金属膜やポリシリコンから
なる薄膜ヒータ３２５０を設けており、この薄膜ヒータ
３２５０の両端の電極３２５１、３２５２に外部から電
圧を印可することにより、検出部流路３２１６を加熱し
ている。

【００２６】なお屈曲部に電流が集中すると過熱するお
それがあるため、薄膜ヒータ３２５０の形状は屈曲部の
少ないものが望ましく、また薄膜ヒータ３２５０部分は
補強ガラス基板３２２２で覆わない構造となっていると
共に、シリコン基板３２２０の検出部流路３２１６と各
孔列の間に並行する空洞３２１9を設けることにより、
薄膜ヒータ３２５０の熱が外部に伝達しないようにし
て、省電力化を図っているが、薄膜ヒータ３２５０付近
に設けた図示しない温度センサが検出した温度情報によ
り、薄膜ヒータ３２５０の電流を制御することにより、
検出部流路３２１６内を試薬反応に最適な温度に保つよ
うにしてもよい。また従来の薄膜ヒータでは樹脂フィル
ムに電極を形成したフィルムヒータをシリコン基板３２
２０に貼り付けていたが、本実施の形態のようにすれ
ば、フィルムの熱容量、接着面の熱伝達ロス、剥離がな
くなるため省電力化、昇温の高速化、信頼性の向上が図
れるようになる。

【００２７】図８はマイクロフローセル３２の流体系の
構成の一例を示すもので、２個のマイクロフローセル３
２１、３２２が矩形状の流体ブロック３１上に搭載され
ている。なお２個以上または１個のマイクロフローセル
３２を搭載する場合も、同様なマイクロフローセル３２
と流路を一対追加または削除するだけなので、２個の場
合について説明する。フィルタリング（なお超音波霧化
によるフィルタリングに限定されない）されたサンプル
１１は、収集部容器２４からしごきポンプなどのポンプ
２４１または自然流下により流路２４２を流れるように
なっており、測定時サンプル１１は、図８の破線で示す
ようにシリンジポンプなどの定量ポンプ４０（シリンジ
ポンプの場合、ポンプの前後にバルブ４０１、４０２を
設置して、シリンジによる吐出、吸入に合わせてこれら
バルブ４０１，４０２を交互に開閉することにより間欠
的に流体ブロック３１方向に送液する）により、流路２
４２から分岐する流路２４３を経て流体ブロック３１の
サンプルポート３１１へ流入される。

【００２８】サンプル１１は、サンプルポート３１１か
ら流体ブロック３１内に形成された流路３１１０を介し
てサンプル導入孔３２１３からマイクロフローセル３２
１内に流入され、サンプル１１の送液と同時にポンプ４
１、４２により試薬Ａが試薬Ａ容器４１３から試薬Ａポ
ート３１２を介して、また試薬Ｂが試薬Ｂ容器４２３か
ら試薬Ｂポート３１３を介してそれぞれ流路３１２０、
３１３０よって試薬Ａ導入孔３２１４、試薬Ｂ導入孔３
２１５からマイクロフローセル３２１内に注入され、サ
ンプル１１と試薬を混合発色させ吸光度測定を行う。ま
た図８の点線で示すように、測定前または後に標準液１
２２をポンプ４３により流体ポート３１４を介して流路
３１４０、標準液導入孔３２１１からマイクロフローセ
ル３２１内に注入し、検出部流路３２１６を標準液で満
たし校正を行うと共に、マイクロフローセル３２１内の
流路を洗浄する場合は、標準液と同様にポンプ４４によ
り洗浄液導入孔３２１２から洗浄液１２１をマイクロフ
ローセル３２１に注入し、マイクロフローセル３２１で
使用した液は排出孔３２１７から流路３１６０を通って
排出ポート３１６から外部に放出すると共に、マイクロ
フローセル３２２もマイクロフローセル３２１と同様の
測定、校正、洗浄を行うもので、本実施の形態によれ
ば、小型のマイクロフローセル３２１，３２２により測
定が可能になるため、分析装置の小型化が図れるように
なる。

【００２９】図９はマイクロフローセル流体系の変形例
を示すもので、サンプル１１は収集部容器２４からしご
きポンプなどのポンプ２４１、または自然流下により流
路２４２を流れて、流体ブロック３１の流入ポート３１
７より流体ブロック３１に流入した後、流体ブロック３
１を貫通する流路部材３３の流路３３１を通過してサン
プル排出ポート３１８から排出される。なお流路部材３
３は、フッ素樹脂などの汚れの付着しにくい材料により
形成して、流体ブロック３１に埋め込むのが望ましい
が、流路３３１は流体ブロック３１の他の流路と同様に
光造形により形成してもよく、また図９の(ロ)及び
（ハ）に示すように流路部材３３上に窪みを設けて、Ｏ
リング３３２によりサンプル導入孔３２１３と流路３３
１を接続してもよい。

【００３０】マイクロフローセル３２１で測定を行う場
合は、マイクロフローセル３２２側のバルブ４０４a,４
３２a,４４２aを閉じておき、バルブ４０１、バルブ４
０４、バルブ４３２、バルブ４４２を閉、バルブ４０２
を開とした状態でポンプ４０を吸入動作させて、マイク
ロフローセル３２１内の液を排出孔３２１７から排出す
ると同時に、バルブ４１２、バルブ４２２を閉、バルブ
４１１、バルブ４２１を開とした状態でポンプ４１、ポ
ンプ４２を吐出動作させて、試薬Ａ、試薬Ｂを試薬Ａ導
入孔３２１４、試薬Ｂ導入孔３２１５からマイクロフロ
ーセル３２１内に注入する。これにより排出孔３２１７
での排出量（ポンプ４０の吸入量）から、２つの試薬の
注入量（ポンプ４１、４２の吐出量）を差し引いた量に
相当するサンプル１１がサンプル導入孔３２１３よりマ
イクロフローセル３２１内に流入して、試薬と混合され
検出部流路３２１６を満たすと共に、混合液を検出部流
路に満たした後、各ポンプ４０，４１を停止させて混合
液の吸光度測定を行う。

【００３１】そして測定後は、バルブ４０２を閉、バル
ブ４０４を開に切り替えてポンプ４０を吐出動作させ、
バルブ４０４を介して混合液を外部に排出するが、ポン
プ４１、ポンプ４２内の試薬を吐出しきった場合は、試
薬側のバルブ４１１、バルブ４２１を閉、バルブ４１
２、バルブ４２２を開に切り替えて試薬Ａ、試薬Ｂをポ
ンプ４１、ポンプ４２に吸入する。測定の前後に標準液
１２２をマイクロフローセル３２１に入れる場合は、図
９の点線で示すように、試薬系のバルブ４１１、バルブ
４２１を閉、洗浄液系のバルブ４４２を閉、標準液系の
バルブ４４１を閉、バルブ４３２を開、作動液系のバル
ブ４０１を閉、バルブ４０２を開、バルブ４０４を閉と
して、ポンプ４４を吐出動作させると同時にポンプ４０
をポンプ４４と同流量吸引動作させる。これによってマ
イクロフローセル３２１内に吐出された標準液分だけ排
出孔から排出されるので、サンプル１１はマイクロフロ
ーセル３２１に流れ込むことがない上、検出部流路３２
１６を標準液１２２で満たすことができるようになる。

【００３２】検出部流路３２１６内に満たされた標準液
１２２の吸光度測定を行い、校正を終了したら、バルブ
４０２を閉、バルブ４０４を開に切り替えてポンプ４０
を吐出動作させ、バルブ４０４を介してポンプ４０側に
吸引した液を外部に排出し、またポンプ４４内の標準液
１２２を吐出しきった場合は、標準液系のバルブ４４１
を開、バルブ４３２を閉に切り替えて、標準液容器４４
３内の標準液１２２をポンプ４４に吸入する。洗浄液１
２１を使用して洗浄を行う場合は、作動液系のバルブ、
ポンプを標準液導入時と同様に動作させると共に、洗浄
液系のバルブ４３１、バルブ４３２、ポンプ４３を標準
液導入時の標準液系のバルブ、ポンプと同様に動作させ
て、サンプル１１をセル内に引き込まないように洗浄を
行うが、作動液として洗浄液、または標準液を利用する
場合は各容器４０３，４４３からバルブ４０１，４４１
を介してポンプ４０，４１に導いてもよい。

【００３３】以上説明した変形例によれば、サンプル１
１がポンプを通過しないのでポンプがサンプル１１によ
り汚染されないと共に、サンプル１１をポンプやバルブ
を介さずに直接サンプル導入孔３２１３から吸入するた
め、前後のサンプル１１が混合したり、澱むことがなく
検出部に達するので、計測精度や応答が向上する。

【００３４】図１０もマイロフローセル流体系の変形例
を示すもので、図９の変形例と構成及び動作はほぼ同様
であるが、マイクロフローセル３２１，３２２の構造が
若干異なる。この変形例では、マイクロフローセル３２
１，３２２は、サンプル導入孔３２１３が最上流で、試
薬導入孔３２１４，３２１５、検出部流路３２１６と続
き、排出孔３２１７のさらに下流側に洗浄液導入孔３２
１２、標準液導入孔３２１１が設けられており、図９の
変形例と同様に測定時にサンプル１１を図１０の破線で
示すように吸入するが、測定後にバルブの切り替えは行
わず、ポンプ４０を吐出動作させてサンプル１１と試薬
の混合液をサンプル導入孔３２１３から排出すると共
に、測定時に混合液がバルブ４０２に達しないように、
排出孔３２１７からバルブ４０２までの流路の容積が決
められている。これによって汚れた混合液がバルブを通
過しないので、液に含まれる汚れや固形物によるバルブ
の詰まりが防止できると共に、図１０の点線で示すよう
に標準液１２２、洗浄液１２１は、それぞれの導入孔３
２１１，３２１２からマイクロフローセル３２１，３２
２に入りサンプル導入孔３２１３から排出されて、サン
プル１１や反応液がポンプやバルブを通過することがな
いので、ポンプ、バルブの汚染、詰まりによるトラブル
が防止でき、これによって分析装置の信頼性が向上す
る。

【００３５】図１１もマイクロフローセル流体系の変形
例を示すもので、マイクロフローセル３２１，３２２は
最下流側に標準液導入孔と洗浄液導入孔を兼ねた導入孔
３２１７１が設けられており、マイクロフローセル３２
１で測定を行う場合は、マイクロフローセル３２２系統
のバルブを閉、バルブ４４１を閉、バルブ４０２を開と
しポンプ４４を吸入動作させると同時に、バルブ４１
１、バルブ４２１を開、バルブ４１２、バルブ４２２を
閉として、ポンプ４２、ポンプ４１を吐出動作させるこ
とにより、試薬Ａ、試薬Ｂを各試薬導入孔３２１４，３
２１５からマイクロフローセル３２１内に注入する。こ
れにより図１１の破線に示すように、ポンプ４４の吸入
量と各試薬の注入量の差に相当するサンプル１１が、流
路３３１からサンプル導入孔３２１３を介してマイクロ
フローセル３２１内に流入し、サンプル１１は下流側の
各試薬導入孔３２１４，３２１５から噴出する試薬Ａ，
Ｂと混合されて、下流側の検出部流路３２１６を満たす
と共に、このときのポンプ４４の総吸入量をマイクロフ
ローセル内の流路の容積よりも少なくして、サンプル１
１と試薬Ａ，Ｂの混合液が下流側の導入孔３２１７１の
上流にとどまるようにする。

【００３６】そして吸光度測定後、バルブ４２１、バル
ブ４１１を閉に切り替え、ポンプ４４を吐出動作させる
ことにより、総吸入量以上の混合液をサンプル導入孔３
２１３から吐出するもので、これによって混合液がマイ
クロフローセル３２１から排出されると共に、標準液１
２２が検出部流路３２１６を満たすため、この状態で吸
光度測定と校正を行うもので、この変形例には洗浄系が
含まれていないが、洗浄系を追加してもよく、また標準
液１２２に洗浄剤を混合することにより洗浄作用を持た
せてもよく、さらに流路内が汚染されてきた場合は、図
１１の点線に示すように、標準液を多めに吐出して流路
を洗浄するようにしてもよい。

【００３７】図１１に示す変形例によれば、混合液がマ
イクロフローセル３２１内から下流側の流路３１１０に
流出せず、マイクロフローセル３２１内のフラットな流
路を前後するだけなので、マイクロフローセル３２１内
に測定後の混合液が残留しにくくなるため、測定精度が
向上すると共に、混合液吐出と標準液導入が同時に行え
るので、測定サイクルが短縮する上、汚染の原因となる
サンプルや混合液が装置内のバルブやポンプを通過しな
いので、汚れや詰まりが防止できるため、分析装置の信
頼性が向上する。

【００３８】以上説明した流体ブロック３１によれば、
原水１０中の溶液成分を測定することができるが、原水
には臭気を発生する揮発性成分が含まれる場合がある。
しかし本発明の分析装置では、霧化により原水１０と気
相の接触面積が大幅に増加するので、揮発性成分が効率
的よく気相に転じると共に、原水に含まれる藻類などが
粉砕され細胞内の物質が原水に入るので、アオコなどが
発生する臭気物質が高濃度で放出される。そこで収集部
容器２４内から流路２８１を通して容器内の気体をガス
分析装置２８に送る。ガス分析装置２８としては一般に
知られているガス電極やガスクロマトグラフ、質量分析
計などが適用できると共に、本実施の形態によれば揮発
性成分の検出が高感度になる上、適宜紫外線光源２５を
点灯することにより、分析装置内部を殺菌し微生物の繁
殖を防ぐことができるようになる。

【００３９】また霧粒子に紫外線が照射されることによ
り生じたラジカルにより霧粒子内の有機物が酸化分解さ
れるので、サンプル１１による流路２４２やマイクロ分
析計３内の流路の汚れも低減できると共に、全リンや全
窒素の分析の場合、有機物を分解する必要があり無処理
では、酸化剤を添加し高温高圧にする必要があるが、紫
外線により有機物を分解できるので、紫外線で有機物を
分解しきれない場合でも酸化剤を少なくしたり、ゆるい
条件で分解が可能となるため、分析装置の構成を簡素化
することができる。なお分析装置内の制御や外部の機器
とのデータの交換は、制御部２１により行うが、モータ
２６、紫外線光源２５、ヒータ２９などの電源、制御信
号などは図示していない。またガス分析装置やマイクロ
水質計は、独自の制御部を有することとしてもよく、ガ
ス分析装置２８やマイクロ水質計３は、外部の独立した
装置としてもよいと共に、サンプルを霧化収集する装置
として独立させてもよい。

【００４０】次に図１に示す粒子成分モニタ５について
説明する。従来の粒子成分モニタは、特開平９−２８８
０５３号公報に記載されているように、サンプルを保持
した容器の下部にノズルの一端（サンプルの入口）を接
続し、他端（サンプルの出口）をフローセルの上流側に
接続しており、フローセルの上流側側面開口部から伸び
る流路からポンプにより清澄なシース液を一定流量供給
するようになっている。またフローセル下流側開口部か
ら別のポンプによりフローセル内の液を一定流量で排出
しており、これによって２つのポンプの流量差によりノ
ズルを介してサンプル容器からサンプルがフローセル内
に吸入されると共に、シース液により包まれたサンプル
は下流側の計測ポイントまで流れ下り、外部に設けたパ
ルス光源とＣＣＤカメラなどのイメージセンサによりサ
ンプル内の粒子を撮像し、得られた画像をコンピュータ
で処理して分類するようになっており、この方式ではサ
ンプルが直接ノズルからフローセルに入るため、サンプ
ル導入路が短縮される上、垂直となるため汚れや詰まり
の少ない分析装置になる。

【００４１】しかし前記従来の粒子成分モニタでは、サ
ンプルはサンプル容器に一旦入った後ノズルからフロー
セルに入るため、サンプル容器内でユスリカの幼虫が繁
殖することがあり、場合によってはノズル内に入って糸
を吐くことにより、繭状の巣を作って住み着くことがあ
るため、頻繁にノズルを清掃する必要があった。これを
防止するため図１に示す実施の形態では、測定時にサン
プリング手段１から一旦オーバフロータイプの貯留槽１
２に送った原水１０を、パイプ１３１からバルブ５１
１、パイプ１３２、バルブ５１２、パイプ１３３を通じ
て廃水タンク５２に自然流下させて排出しており、バル
ブ５１１、バルブ５１２には、詰まりが発生しにくいピ
ンチバルブが使用している。

【００４２】またパイプ１３２は、中間からＴ字状に分
岐されてノズル５３の入口に接続されており、シース液
として利用している水道水１４は、パイプ１４１からフ
ィルタ１４２、減圧弁１４３を通ってパイプ１４４に達
し、さらに調節弁１４５をへて廃水タンク５２へ排出さ
れると共に、パイプ１４４より分岐された水道水は、バ
ルブ５１８、シリンジポンプ５４１、バルブ５１４、パ
イプ１４６を通ってフローセル５５の上流側側面に供給
されている。さらにシリンジポンプ５４１の吸入・吐出
動作に合わせ、シリンジポンプ５４２を吐出・吸入動作
（ポンプ吐出時はバルブ５１５が閉、バルブ５１６が
開、吸入時は逆）させることにより、フローセル５５の
下流側のバルブ５１５、シリンジポンプ５４２、バルブ
５１６を通ってフローセル５５内の液が廃水タンク５２
に排出されると共に、シリンジポンプ５４１を吐出、シ
リンジポンプ５４２を吸入動作させると、シリンジポン
プ５４２の流量からシリンジポンプ５４１の流量を差し
引いた量だけ原水１０がノズル５３からフローセル５５
に吸入される。

【００４３】フローセル５５の下流側の計測ポイント１
６には、計測ポイント１６を挟んで対向する位置にパル
ス光源５６１とＣＣＤカメラ５６２が設置されていて、
フローセル５５を流下して計測ポイント１６に達した原
水内の粒子は、パルス光源により照明されＣＣＤカメラ
に撮像されるようになっており、撮像された粒子像は、
コンピュータ５７で処理され形状分類されるようになっ
ている（なお形状分類には、例えば特開平５−２６３４
１１号、特開平５―３３２９１５号公報などに記載され
た形状分類方法が利用できる）。バルブ５１３、バルブ
５１７は通常閉として動作させないが、流路内の気泡抜
きや洗浄時に動作させる。すなわち気泡抜きや洗浄時に
は、例えば、バルブ５１８、バルブ５１４、バルブ５１
１を開とする（以後、特に断わらない限りバルブ１４
３、バルブ１４５以外の記述のないバルブについては閉
とする）ことにより、水道水１４が前記バルブを含む流
路を通過し装置上流側のパイプ１３１まで洗浄すること
ができると共に、バルブ５１７、バルブ５１５、バルブ
５１２を開とすることにより、水道水１４が前記バルブ
を含む流路を通過し装置下流側のパイプ１３３を洗浄す
ることができる。

【００４４】またバルブ５１７、バルブ５１６を開とす
ることにより、シリンジポンプ５４２内を洗浄した後、
バルブ５１８、バルブ５１４、バルブ５１３を開いてフ
ローセル５５上端に残留した泡をフローセル５５上端に
接続したパイプ１４７から排出する。図１２は、本実施
の形態による分析装置で遊水池に発生したプランクトン
の形状を連続的に分類した例を示すもので、試験は2000
年10月19日から11月28日まで約40日間（ユスリカの発生
する時期）行ったが、試験期間中はノーメンテナンスで
も分析装置に詰まりが発生することがなく、また原水が
ノズル直前まで滞留することなく流れるため、ユスリカ
等の生物が押し流されて原水供給路に生息することがな
い上、洗浄を定期的に行えるので分析装置内の詰まりも
防止できた。

【００４５】一方水源地などでは、植物プランクトンの
大量発生により水質が悪化する場合が多いので、植物プ
ランクトンを識別することが重要であり、植物プランク
トンのうちアオコなどの有害物を生じる藍藻類を識別す
ることが重要であるが、前記の画像処理による形状分類
だけではごみとの識別が難しい。植物プランクトンは光
合成のためクロロフィルなどの色素をもつが、この色素
に一定の波長の光を照射すると照射光の波長と異なる蛍
光を発する。この蛍光像をとる方法は各種あるが、照射
光をパルス状に与えることによりフローセル５５によっ
ても蛍光像を得ることが可能であり、藍藻類はフィコシ
アニンやフィコエリトリンなどの特有の色素を持ち、こ
れらがクロロフィルとは異なる蛍光を発することから、
これらの波長のフィルタを使用することにより藍藻類の
みの像を撮像できる。

【００４６】例えば特開２０００−３３８０３０号公報
では、蛍光量をフォトダイオードで検出することにより
藻類の識別を行っているが、蛍光像では無いため形状の
識別ができず、藍藻類のうちでも線形のアナベナなどと
不定形のミクロキスティスの識別ができないが、蛍光像
以外に透過像などを並行して撮像保存すれば、後で目視
によりより詳細な分類が可能になり、本実施の形態によ
れば植物プランクトンの蛍光像や透過像が得られるので
植物プランクトンとごみの判別、さらに植物プランクト
ンの大まかな種類が判別できるようになる。

【００４７】以上の溶存成分モニタと粒子成分モニタを
河川や湖沼、海洋などに多数設置して環境水の計測を行
い、得られた計測データを、有線や無線などの通信手段
により外部の水質監視センターなどに送ることにより、
データベース化したりインターネットなどのネットワー
クを通じて一般に提供する図１に示すような分析システ
ムを構築することにより、これらのデータや気象データ
など他の関連するデータを含め分析し影響因子を解析し
たり、有害物質の混入の警報を発したり、各種の浄化法
の効果を検証したりすることができるようになる。なお
前記実施の形態では、分析装置を環境計測に適用した場
合について説明したが、プラントの監視制御など他の計
測用途などにも適用できるものである。

【００４８】

【発明の効果】本発明は以上詳述したように、原水を超
音波により霧化する霧化部容器と、霧状になった原水を
サンプルとして収集する収集部容器とを分離させ、かつ
霧化部容器と収集部容器を複数の通路により連結して、
霧化部容器及び収集部容器内へ霧粒子を含む気体を循環
させることにより、収集部容器内にサンプルを収集する
前処理手段を設けたもので、超音波振動により霧化部容
器内で霧化された霧粒子は数ミクロンの大きさとなり、
また原水中に含まれる粒子のうち、霧粒子よりもサイズ
の大きなものは霧化されないことから、収集部容器に達
することがないため、収集部容器内に収集されたサンプ
ルには含まれることがなく、これによってフィルタなど
のろ過手段を使用せずに分析用のサンプルを収集するこ
とができるため、フイルタを清掃するなどのメンテナン
スが不要になると共に、容器内や容器と分析装置を接続
する流路にユスリカなどが住み着いて流路を閉塞するな
どの心配がないため、メンテナンスの容易化が図れるよ
うになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態になる分析システムの構成
図である。

【図２】原水温度と霧化量の関係を示す温度特性図であ
る。

【図３】カオリン懸濁液の処理前後の組成図である。

【図４】溶存成分の処理前後の組成図である。

【図５】溶存成分の処理前後の組成図である。

【図６】原水の処理前後の組成図である。

【図７】（イ）は本発明の実施の形態になる分析装置の
前処理手段を構成するマイクロフローセルの側面図であ
る。（ロ）は本発明の実施の形態になる分析装置の前処理手
段を構成するマイクロフローセルの裏面図である。（ハ）図７の（イ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。（ニ）図７の（イ）のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。（ホ）図７の（イ）のＣ方向からの矢視図である。

【図８】発明の実施の形態になる分析装置の前処理手段
を構成するマイクロ水質計の流体系を示す構成図であ
る。

【図９】発明の実施の形態になる分析装置の前処理手段
を構成するマイクロ水質計の流体系の変形例を示す構成
図である。

【図１０】発明の実施の形態になる分析装置の前処理手
段を構成するマイクロ水質計の流体系の変形例を示す構
成図である。

【図１１】発明の実施の形態になる分析装置の前処理手
段を構成するマイクロ水質計の流体系の変形例を示す構
成図である。

【図１２】粒子成分モニタの連続運転データを示す線図
である。

【図１３】翼列を構成する羽根の取付角度と回収量の関
係を示す線図である。

【図１４】翼列を構成する羽根の取付角度と流量の関係
を示す線図である。

【符号の説明】

１サンプリング手段２溶存成分モニタ３マイクロ水質計５粒子成分モニタ１０原水１１サンプル１２貯留槽１４水道水２１制御部２３霧化部容器２４収集部容器２５紫外線光源２６モータ２７翼列２８ガス分析装置３１流体ブロック３２マイクロフローセル５３ノズル５５フローセル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｇ０１Ｎ 21/64 Ｇ０１Ｎ 21/64 Ｚ (72)発明者佐保典英茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者斉藤功治茨城県ひたちなか市大字市毛882番地株式会社日立製作所計測器グループ内 (72)発明者原直樹茨城県日立市大みか町五丁目２番１号株式会社日立製作所情報制御システム事業部内Ｆターム(参考） 2G043 AA01 BA17 CA03 EA01 FA01 GA07 GA19 GB07 JA02 KA02 KA08 LA01 2G052 AA06 AA36 AA40 AC03 AD06 AD26 AD42 AD46 BA21 CA12 CA14 FD07 GA11 HC09 HC22 JA20 2G057 AA01 AB01 AC01 BA05 BB01 CA05 DA03 DC07 2G059 AA01 BB04 CC12 DD12 DD16 EE01 FF08 FF12 GG02 KK01 NN02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】液体サンプル中に含まれる溶存成分を分
析する分析装置であって、原水を超音波により霧化する
霧化部容器と、霧状になった原水をサンプルとして収集
する収集部容器とを分離させ、かつ霧化部容器と収集部
容器を複数の通路により連結して、前記霧化部容器及び
前記収集部容器内へ霧粒子を含む気体を循環させること
により、前記収集部容器内にサンプルを収集する前処理
手段を有することを特徴とする分析装置。
【請求項２】液体サンプル中に含まれる溶存成分を分
析する分析装置であって、原水を貯留する原水貯留部
と、前記原水貯留部に貯留された原水に超音波振動を加
えることにより、前記原水を水面から霧化させる超音波
発生手段と、前記原水の霧化領域を含む水面を覆うよう
に設置された霧化部容器と、前記霧化部容器に隣接して
設置され、かつ前記霧化部容器と複数の通路で連結され
た収集部容器と、前記収集部容器内に設置され、かつ前
記霧化部容器及び前記収集部容器内へ霧粒子を含む気体
を循環させることにより、捕捉収集する翼列と、前記収
集部容器内に収集したサンプルを取出す通路とから構成
された前処理手段を有することを特徴とする分析装置。
【請求項３】前記翼列を構成する羽根の角度を、回転
軸に対して４５〜７０°の範囲に設定してなる請求項２
に記載の分析装置。
【請求項４】前記前処理手段で収集したサンプルより
ガス成分の分析を行うガス分析装置を設けてなる請求項
１ないし３の何れか１項に記載の分析装置。
【請求項５】前記霧化部容器及び収集部容器の少なく
とも一方の内部または隣接部に、紫外線光源を設けてな
る請求項１ないし４の何れか１項に記載の分析装置。
【請求項６】前記前処理手段で収集したサンプルより
水質を分析する分析部に、半導体微細加工により形成し
たマイクロフローセルを用いたマイクロ水質計を使用し
てなる請求項１ないし５の何れか１項に記載の分析装
置。
【請求項７】溶存成分モニタと粒子成分モニタを河川
や湖沼、海洋などに多数設置して環境水の計測を行い、
得られた計測データを、有線や無線などの通信手段によ
り外部の水質監視センターなどに送ることによりデータ
ベース化したり、インターネットなどのネットワークを
通じて一般に提供することを特徴とする分析システム。