JP2009115627A - 希薄物質検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】含有量がppbレベルの希薄な物質の検出において，検出に必要な濃度を効率良く確保し，効率的な検出を可能にする。
【解決手段】被検出物質の濃度を確保する為に，被検出物質を捕捉する少量の捕捉媒体を用いる。捕捉媒体を少量とすると，捕捉媒体の流路内の密度が小さくなる為，これを冷却，液化して収集することが難しくなるが，マイクロチャネル流路を用いることによって，冷却効果を高め，捕捉媒体を効率的に微細な小滴として収集タンクに確保しうる。結果として，捕捉媒体に捕捉された被検出物質の効率的な検出を可能とする希薄物質検出装置を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は，含有量がppb（parts per billion。十億万分の１を単位とし，濃度や含有率を表す容量比，重量比のこと）レベルの希薄な物質を検出する装置に関する。

含有量が希薄な物質の検出には，種々の方法がある。希薄なガスとして，例えば，人体に対する毒性が強いトリレンジイソシアネートの検出は，高効率のカラムを用いた高速液体クロマトグラフ法などにより行われている。

また，溶液中の希薄な物質の検出には，被検出物質を吸着剤に吸着させる吸着法や，水−有機溶媒系の抽出を利用した溶媒抽出法などがある。

含有量がppbレベルの希薄な物質を検出するには，被検出物質の濃度が，検出器の検出限界を上回っていることが必要である。

上記の高速液体クロマトグラフ法では，検出可能な濃度を確保する為に，前処理として濃縮やろ過を行う。この前処理にはかなりの手間と時間を要する。

また，溶液中に存在する希薄な物質として，例えば海水中のウランやプルトニウムを検出する場合がある。これらの場合に，ウランやプルトニウムの一般的な検出法である吸着法や溶媒抽出法を使用すると，検出可能な濃度を確保する為に，大量のサンプリング量が必要になると考えられる。

このように，従来の装置では，希薄な物質を検出する際に，効率的な検出ができないという問題点があった。

本発明の希薄物質検出装置は，濃度がppbレベルの希薄な物質について，検出に必要な濃度を効率良く確保し，効率的な検出を可能にするものである。

本発明の希薄物質検出装置は，被検出物質を含むガスまたは液体を供給する被検出物質供給部と，前記被検出物質を吸着または溶解により捕捉する媒体を供給する捕捉媒体供給部と，その内部において前記被検出物質を前記捕捉媒体に吸着または溶解させ，その内部または外部に，吸着または溶解を促進させる為の反応促進部を有する反応容器と，前記被検出物質を吸着または溶解により捕捉した前記捕捉媒体が移動する媒体移動流路と，前記捕捉媒体に，前記媒体移動流路内で推進力を与えることにより，その移動を促進する移動促進部と，前記媒体移動流路の途中に設置され，前記捕捉媒体を導く，断面積が１平方ミリメートル以下の微細な流路であるマイクロチャネル流路と，前記マイクロチャネル流路を冷却することにより，前記マイクロチャネル流路内を移動中の前記捕捉媒体を液化するチャネル冷却部と，液化した前記捕捉媒体を収集する収集タンクと，液化してタンクに収集された前記捕捉媒体中の前記被検出物質を検出する検出器を備えることを特徴とする。

前記希薄物質検出装置は，前記反応促進部が，前記反応容器内を撹拌する機構と，前記捕捉媒体を微細化する機構とから構成されていても良い。

前記希薄物質検出装置は，前記反応容器内部に乾燥部を有していても良い。

前記希薄物質検出装置は，前記収集タンクが着脱可能であっても良い。

前記希薄物質検出装置は，前記マイクロチャネル流路の内面に表面修飾を施していても良い。

濃度がppbレベルの被検出物質について，検出に必要な濃度を確保する為には，被検出物質の捕捉媒体を少量とする必要がある。捕捉媒体の量が多いと，被検出物質が捕捉されていない媒体の割合が増す為である。捕捉媒体を少量とすると，流路内の捕捉媒体の密度が小さくなる為，これを冷却，液化して収集することが難しくなる。

一方，本発明を構成するマイクロチャネル流路は，断面積が１平方ミリメートル以下の微細な流路である為，流路単位体積あたりの表面積が非常に大きい。この為，マイクロチャネル流路内面と捕捉媒体との熱伝達性が非常に良くなることから，マイクロチャネル流路に及ぼされた冷却効果が捕捉媒体に伝達されやすく，少量の捕捉媒体でも冷却されやすい。

本発明の希薄物質検出装置によれば，マイクロチャネル流路に及ぼされた冷却効果が，捕捉媒体に伝達されやすい結果，少量の捕捉媒体でも効率的に冷却され，微細な小滴として収集タンク内に収集される。あわせて捕捉媒体に捕捉された状態で被検出物質も収集タンク内に確保され，検出される。

すなわち，希薄な被検出物質について，捕捉媒体が少量であっても，検出に必要な被検出物質の濃度を効率良く確保し，結果として被検出物質を効率的に検出することができる。

本発明の実施形態を説明する。

図１には，本発明の第一の実施形態の全体構成図を示す。

図１において，１０は被検出物質供給部，２０は捕捉媒体供給部，３０は反応容器，３１は反応促進部，４０は媒体移動流路，５０は移動促進部，６１はマイクロチャネル流路，７０はチャネル冷却部，８０は収集タンク，９０は検出器である。矢印は流れの進行方向を示す。

被検出物質供給部１０及び捕捉媒体供給部２０はともに反応容器３０に接続され，それぞれ，被検出物質を含むガスまたは液体，前記被検出物質を吸着または溶解により捕捉する捕捉媒体を反応容器３０に供給する役割を担う。また，被検出物質供給部１０及び捕捉媒体供給部２０は，それぞれ，例えば弁１１，弁２１を有し，これらの弁は，それぞれ，被検出物質供給部１０及び捕捉媒体供給部２０から反応容器３０へ供給される被検出物質及び捕捉媒体の供給量を調節する役割を担う。

反応容器３０は，被検出物質供給部１０から供給された被検出物質が，捕捉媒体供給部２０から供給された捕捉媒体に吸着または溶解される反応が行われる場を提供する役割を担う。

反応容器３０は，その内部または外部に反応促進部３１を有する。反応促進部３１は，被検出物質供給部１０から供給された被検出物質が，捕捉媒体供給部２０から供給された捕捉媒体に効率的に吸着または溶解されるように，反応を促進させる役割を担う。反応促進部３１は，例えば，反応容器３０内に撹拌機構を有する。撹拌機構は，反応容器３０内を撹拌する役割を担う。また，反応促進部３１は，例えば捕捉媒体をマイクロバブル化したり，捕捉媒体を噴霧させるなど，捕捉媒体の微細化機構を有する。捕捉媒体は，微細化されると，微細粒子となった捕捉媒体全体の体積に対する表面積が大きくなる為，被検出物質を容易に吸着または溶解しやすくなる。また，微細化は，捕捉媒体が迅速に蒸発するのを助ける。

反応容器３０は，例えば，容器内温度調節部３２を有する。容器内温度調節部３２は，反応容器３０内の温度を調節する役割を担う。

反応容器３０には，被検出物質を吸着または溶解により捕捉した捕捉媒体が移動する媒体移動流路４０が接続される。媒体移動流路４０は，例えば弁４１及び弁４２を有する。弁４１及び弁４２は，それぞれ，反応容器３０と媒体移動流路４０との間を移動する，被検出物質を吸着または溶解により捕捉した捕捉媒体の移動量を調節する役割を担う。

また，媒体移動流路４０は，媒体移動流路４０内の捕捉媒体の移動を促進する移動促進部５０を有する。捕捉媒体が少量の為，分圧が低く，後述する液化がされにくい場合は，移動促進部５０には例えばコンプレッサを用いる。コンプレッサにより，捕捉媒体は媒体移動流路４０内の推進力が与えられ，かつ圧縮される。コンプレッサを用いる場合は，例えば媒体移動流路の終端部付近にオリフィスを設け，捕捉媒体の圧縮効率を高める。圧縮が必要なく，捕捉媒体に推進力を与えるだけの場合は，移動促進部５０に，例えば，ファンやロータリーポンプを用いても良い。前記コンプレッサやファン，ロータリーポンプにより，捕捉媒体は，媒体移動流路４０を移動して，反応容器３０に戻る循環運動を行う。

媒体移動流路４０の途中に，断面積が１平方ミリメートル以下の微細な流路であるマイクロチャネル流路６１が設置される。マイクロチャネル流路６１は，媒体移動流路４０と同様に，捕捉媒体が移動する流路を提供する。

マイクロチャネル流路６１の近傍には，チャネル冷却部７０が備えられる。チャネル冷却部７０は，マイクロチャネル流路６１を冷却することにより，マイクロチャネル流路６１内を移動中の捕捉媒体を液化する役割を担う。チャネル冷却部７０は，例えば，銅製の板，ペルチェ素子及び電源からなり，銅製の板を介してマイクロチャネル流路に接して配置され，ペルチェ冷却作用を利用してマイクロチャネル流路の温度を調節する。

マイクロチャネル流路６１の下部に，収集タンク８０が接続される。収集タンク８０は，マイクロチャネル流路６１を移動中にチャネル冷却部７０の冷却作用により液化した捕捉媒体を収集する役割を担う。

液化して収集タンク８０に収集された捕捉媒体中の被検出物質は検出器９０により検出される。検出器９０は被検出物質の検出方法に適したものが適用される。ＵＶ法や蛍光法により被検出物質を検出する場合は，例えば，溶融石英でつくられた収集タンク８０が適用される。

マイクロチャネル流路６１は，例えばマイクロチャネルチップ６０に形成される。マイクロチャネルチップ６０は，チャネル冷却部７０及び収集タンク８０を一体化して形成されても良い。

図２に流れの進行方向から見たマイクロチャネル流路６１の断面図の例を示す。

マイクロチャネル流路６１は，例えば，ガラスに幅１ミリメートル以下の溝を形成し，断面積を１平方ミリメートル以下としたものである。その断面はどのような形状でも良く，図２（ａ）に示す半円６１ａや図２（ｂ）に示す四角形６１ｂでも良い。一般に，流路を移動する媒体への熱伝達効率を高くする為には，流路単位体積あたりの表面積が大きい方が良い。チャネル冷却部７０による冷却作用がマイクロチャネル流路６１を移動する捕捉媒体に効率的に及ぶように，マイクロチャネル流路６１の下部を熱伝達効率が高い形状に形成することができる。熱伝達効率が高い断面形状として，例えば図２（ｃ）に示す鋸歯状の下部を有する半円６１ｃの形状としても良い。

図３に流れの進行方向と直交する方向から見たマイクロチャネル流路６１の断面図の例６１ｄを示す。

流れの進行方向と直交する方向から見たマイクロチャネル流路６１の断面形状は，どのような形状でも良いが，図３は，マイクロチャネル流路６１内に凸部を設けるなどの表面修飾を施した例である。ここで，表面修飾とは，マイクロチャネル流路６１の表面を処理し，装飾を施すことをいう。図３の場合，凸部を設けることにより表面積が増大する為，捕捉媒体への熱伝達効率が高まり，捕捉媒体は冷却されやすくなる。

図４にマイクロチャネル流路６１の端部を示す。

マイクロチャネル流路６１の端部には，例えば，流路接続ポート６２が形成される。流路接続ポート６２は，例えば，直径５ミリメートル，長さ１０ミリメートルで，円状の断面を有する。流路接続ポート６２は，媒体移動流路４０とマイクロチャネル流路６１とを接続する接続部の役割を担う。

媒体移動流路４０とマイクロチャネル流路６１とは，例えば，シリコンチューブ６３により接続される。シリコンチューブ６３は，シリコンゴム製のチューブで柔らかい性質を有し，捕捉媒体を密封したまま，媒体移動流路４０とマイクロチャネル流路６１を接続する。シリコンチューブ６３は，耐圧性を有し，必要な場合は，媒体移動流路４０の端部及び流路接続ポート６２の端部に接着剤やバンドなどで固定される。

図５に着脱可能な収集タンク８０の例を示す。

例えば，マイクロチャネル流路６１の途中に，収集タンク接続ポート６４を設ける。収集タンク８０は，例えば，収集タンク接続ポート６４とＯリングで接続される。この場合，収集タンク８０と収集タンク接続ポート６４の間のシール性は，このＯリングで確保される。

収集タンク８０は着脱可能とされる為に，例えば，収集タンク８０の外表面に一定の機械的形状が施され，マイクロチャネルチップ６０側には，前記収集タンク８０側の機械的形状に係合するような機械的形状が施されても良い。その機械的形状は，例えば，それぞれが，雄螺子，雌螺子としても良い。

次に，ガスに含まれている被検出物質の検出例を示す。

例えば，空気に含まれているトリレンジイソシアネートの検出例がある。トリレンジイソシアネートを含む空気が，被検出物質供給部１０から通常閉状態の弁１１を開することにより供給される。この空気中に含まれるトリレンジイソシアネートの量はごくわずかである。一方，トリレンジイソシアネートが吸着される媒体としてメタノールが，例えば，約１マイクロリットル，捕捉媒体供給部２０から通常閉状態の弁２１を開することにより供給される。

トリレンジイソシアネートを含む空気と，メタノールは反応容器３０に導かれる。被検出物質供給部１０は，例えば，反応容器３０に対して正圧とすることにより，トリレンジイソシアネートを含む空気は，弁１１の開により自己の圧力で反応容器３０内に導入される。メタノールは，液体のものを滴下することにより反応容器３０内に入れることができる。メタノールを反応容器３０に入れるときに，メタノールは反応促進部３１の微細化機構によりマイクロバブル化または噴霧化などの微細化がされても良い。

反応容器３０は，例えば，直径が約１メートルの大きさである。この容器の中で，揮発性の高いメタノールは気化し，気化したメタノールにトリレンジイソシアネートが吸着される。このとき，吸着が促進されるように，反応促進部３１の撹拌機構の作動により，反応容器３０内を撹拌しても良い。

なお，この例の場合，図には示さないが，反応容器３０内には，例えば塩化カルシウムなどの，アルコールは吸着しないが除湿作用のある乾燥剤を有する乾燥部を設け，空気中の水蒸気を極力除く。これは，後述するマイクロチャネル流路６１内で，収集を目的としない水蒸気が液化するのを防ぐ為である。

反応容器３０内でトリレンジイソシアネートを吸着したメタノールは，開された弁４１を通過し，媒体移動流路４０に移動する。媒体移動流路４０に移動したメタノールは，移動促進部５０のコンプレッサが作る流れにより，圧縮されるとともに推進力を与えられ，矢印の方向に移動が促進され，マイクロチャネル流路６１に導かれる。コンプレッサはメタノールが移動するような風量を送り出すように回転数が調節される。マイクロチャネル流路６１内のメタノールの移動を監視する監視部を設け，監視部からの制御信号により，メタノールの移動が促進されるようにコンプレッサの回転数が制御されても良い。

マイクロチャネル流路６１は，この例では，幅１００マイクロメートルである。マイクロチャネル流路６１は，チャネル冷却部７０により，メタノールの沸点である摂氏約６５度以下に冷却される。マイクロチャネル流路６１に導かれたメタノールは冷却され，液化する。前述したように，反応容器３０内の乾燥部の作用により，マイクロチャネル流路６１内には水蒸気は入り込まない為，収集を目的としない水蒸気が液化することはない。

液化したメタノールは，収集タンク８０に向かって移動し，表面張力に抗って重力により収集タンク８０内に落下する。収集タンク８０は，この例では，円柱状の形状で，直径５００マイクロメートル，高さ５００マイクロメートルの大きさとする。被検出物質であるトリレンジイソシアネートも，液化したメタノールに吸着した状態で収集タンク８０内に回収される。

収集タンク８０は，例えば，溶融石英でつくられており，ＵＶ法や蛍光法で用いられるような検出器９０により，トリレンジイソシアネートの有無が検出される。

導電率により検出できる被検出物質に対しては，収集タンク８０に電極を設けて検出可能としても良い。

試薬により検出できる物質に対しては，収集タンク８０内に試薬を投入することにより検出可能としても良い。

収集タンク８０は，着脱可能として，再利用しても良いし，使い捨てにしても良い。

マイクロチャネル流路６１を含むマイクロチャネルチップ６０は，チャネル冷却部７０及び収集タンク８０を一体化して形成され，着脱可能とされても良い。

液化せずに，収集タンク８０の上部を通過した一部のメタノールは，弁４２を通過して反応容器３０内に戻り，循環する。

次に，液体に含まれている被検出物質の検出例を述べる。

例えば，海水に含まれている被検出物質であるウランやプルトニウムを検出する例がある。ウランやプルトニウムを含む海水が，被検出物質供給部１０から通常閉状態の弁１１を開することにより供給される。この海水中に含まれるウランまたはプルトニウムの量はごくわずかである。一方，ウランまたはプルトニウムが吸着される媒体としてリン酸トリブチル（以下，ＴＢＰ）が，例えば，約１マイクロリットル，捕捉媒体供給部２０から通常閉状態の弁２１を開することにより供給される。

ウランまたはプルトニウムを含む海水と，ＴＢＰは反応容器３０に導かれる。例えば，被検出物質供給部１０及び捕捉媒体供給部２０を反応容器３０の上部に配置することにより，それぞれ弁１１及び弁２１の開により，ウランまたはプルトニウムを含む海水と，ＴＢＰは反応容器３０内に導入される。ＴＢＰを反応容器３０内に導入するときに，ＴＢＰは反応促進部３１の微細化機構によりマイクロバブル化または噴霧化などの微細化がされても良い。

反応容器３０は，例えば，直径が約１メートルの大きさである。この容器の中で，ウランまたはプルトニウムは，ＴＢＰに抽出される。このとき，抽出が促進されるように，反応促進部３１の撹拌機構の作動により，反応容器３０内を，攪拌しても良い。

この例の場合，反応容器３０は，容器内温度調節部３２による温度調節により，ＴＢＰの沸点である摂氏２８９℃以上の，例えば，摂氏約３００℃に加熱される。

そうすると，ＴＢＰ及び水蒸気がガス化する。ガス化したＴＢＰ及び水蒸気は，開された弁４１を通過し，媒体移動流路４０に移動する。

なお，本例の場合は，反応容器３０内に乾燥部はない。前記の加熱により水蒸気となった反応容器３０内の水分は，後述するマイクロチャネル流路６１内で液化しない為，乾燥部を設けて反応容器３０内から水分を取り除く必要がないからである。

媒体移動流路４０に移動したＴＢＰ及び水蒸気は，移動促進部５０の，例えばコンプレッサが作る流れにより圧縮されるとともに推進力を与えられ，矢印の方向に移動が促進され，マイクロチャネル流路６１に導かれる。

マイクロチャネル流路６１は，チャネル冷却部７０により，水蒸気の沸点である摂氏１００度以上で，かつ，ＴＢＰの沸点である摂氏２８９度以下の，例えば，摂氏約２００度に調節される。マイクロチャネル流路６１に導かれた，ガス化したＴＢＰ及び水蒸気は冷却され，ＴＢＰのみ液化する。

液化したＴＢＰは，収集タンク８０に向かって移動し，表面張力に抗って重力により収集タンク８０内に落下する。被検出物質であるウランまたはプルトニウムも，液化したＴＢＰに抽出された状態で収集タンク８０内に回収される。

収集タンク８０は，例えば，溶融石英でつくられており，ＵＶ法や蛍光法で用いられるような検出器９０により，ウランまたはプルトニウムの有無が検出される。

液化せずに，収集タンク８０の上部を通過した一部のＴＢＰは，弁４２を通過して反応容器３０内に戻り，循環する。

本発明の利用分野としては，人や環境に対する毒性のある物質の検出を必要としている分野がある。

本発明にかかる希薄物質検出装置の一実施例の全体構成図である。 流れの進行方向から見たマイクロチャネル流路の断面図である。 流れの進行方向と直交する方向から見たマイクロチャネル流路の断面図である。 マイクロチャネル流路端部を示す図である。 着脱可能な収集タンクを示す図である。

Claims (5)

1. 希薄な被検出物質を検出する装置であって，
   被検出物質を含むガスまたは液体を供給する被検出物質供給部と，
   前記被検出物質を吸着または溶解により捕捉する媒体を供給する捕捉媒体供給部と，
   その内部において前記被検出物質を前記捕捉媒体に吸着または溶解させ，その内部または外部に，吸着または溶解を促進させる為の反応促進部を有する反応容器と，
   前記被検出物質を吸着または溶解により捕捉した前記捕捉媒体が移動する媒体移動流路と，
   前記捕捉媒体に，前記媒体移動流路内で推進力を与えることにより，その移動を促進する移動促進部と，
   前記媒体移動流路の途中に設置され，前記捕捉媒体を導く，断面積が１平方ミリメートル以下の微細な流路であるマイクロチャネル流路と，
   前記マイクロチャネル流路を冷却することにより，前記マイクロチャネル流路内を移動中の前記捕捉媒体を液化するチャネル冷却部と，
   液化した前記捕捉媒体を収集する収集タンクと，
   タンクに収集された前記捕捉媒体中の前記被検出物質を検出する検出器
   を備えることを特徴とする希薄物質検出装置。
2. 前記反応促進部が，前記反応容器内を撹拌する機構と，前記捕捉媒体を微細化する機構とから構成される請求項１に記載の希薄物質検出装置。
3. 前記反応容器内部に乾燥部を有する請求項１に記載の希薄物質検出装置。
4. 前記収集タンクが着脱可能である請求項１に記載の希薄物質検出装置。
5. 前記マイクロチャネル流路の内面に表面修飾を施した請求項１に記載の希薄物質検出装置。