JP2009222660A - ナノ粒子成分計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ナノ粒子組成が精度良く且つ高感度に計測できるナノ粒子成分計測装置を提供する。
【解決手段】ナノ粒子成分計測装置１０Ａは、計測ガス１１である排ガス中のナノ粒子を計測するナノ粒子成分計測装置であって、計測ガス１１中のナノ粒子成分を分級する静電分級器１２と、前記静電分級器１２により帯電したナノ粒子を濃縮する帯電粒子濃縮部１４と、前記濃縮したナノ粒子の成分を計測する質量分析装置１６とを具備してなり、前記帯電粒子濃縮部１４が、前記ナノ粒子に第１の電場を形成する第１の電極と、第１の電場により集中したナノ粒子をさらに濃縮する第１の電場よりも高い電圧の第２の電場を形成する第２の電極とを具備してなるものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば車両から排出される排ガス中のナノ単位の微量成分を計測するナノ粒子成分計測装置に関する。

近年、大気汚染の問題は計測技術の進展により、複雑なメカニズムが徐々に明らかとなってきている。例えば、分析技術では有害大気汚染物質を代表とする微量化学物質の分析が可能となり、シミュレーションを用いた大気中拡散や光化学反応などのメカニズム解明に貢献している。これらの結果として、大気汚染が様々な化学物質である一次汚染物質と共に、光化学反応を介した二次汚染物質、二次粒子として拡散していることが判明してきている。

また、これらの既存の大気汚染に加え、粒子状物質の中で、５０ｎｍ以下のナノ単位の極めて微小な粒子（以下、「ナノ粒子」という）が計測可能となってきており、ナノ粒子による環境問題や健康障害も懸念されている。

上記環境汚染対策としてＰＲＴＲ（Pollutant Release and Transfer Register：環境汚染物質排出移動登録制度）制度などがあるが、全体像の把握や将来に懸念される新たな環境汚染などの抑制には、さらなる排出原因・メカニズムの特定が不可欠である。

しかしながら、微量成分の分析が困難なこともあり、全体像の解明には至っていないのが現状である。特に、大気汚染に関しては、その形態変化を捕らえることが難しく、極微小量環境物質の直接・多元素・多成分が同時計測出来る分析技術が切望されている。
また、将来のナノテクノロジー産業などにより生成される粒子サイズレベルの環境汚染も懸念されており、極微小量環境物質の直接・多元素・多成分計測技術は、国民の安全、安心を確保するためのキー技術となっている。

ところで、近年の化学成分組成計測では、計測対象を構成する全体の成分分布を把握すると共に、重要な計測化学種に対し、高感度な分析が求められている。
これは、計測対象を構成する成分に関して「平均的な分析感度」と特定な成分に対する「選択的な分析感度」の互いに矛盾する分析特性を求めることになり、従来の分析手法では、達成できなかった課題である。また、元素組成分析では、計測対象を元素レベルに分解・計測する必要があり、化学成分組成計測との両立は困難であった。そのため、多元素・多成分を計測するためには、ＧＣ−ＭＳ（Gas Chromatography-Mass Spectrometry）、ＩＣＰ−ＭＳ（Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry）、蛍光Ｘ線分析などの複数の分析手法を用いる必要があり、前処理などを含め、多大な分析コスト、分析時間を必要としていた。

そこで、排ガス中のナノ粒子の化学成分をレーザイオン化することにより測定する方法の提案がある（特許文献１）。

この特許文献１にかかる排ガス中のナノ粒子を計測するナノ粒子成分計測装置の一例を図１１に示す。
図１１に示すように、ナノ粒子成分計測装置１００は、計測ガス１０１中のナノ粒子成分を分級する静電分級器１０２と、前記静電分級器１０２により分級したナノ粒子の粒子数を計測する粒子数計測装置１０３と、分級したナノ粒子を加熱するヒータ１０５と加熱されたナノ粒子をレーザイオン化するレーザ装置１０７を備えたレーザイオン化飛行時間型質量分析装置（質量分析装置）１０６とを具備するものであり、例えばディーゼルエンジンから排出されるナノ粒子を分級し、多環芳香族炭化水素（ＰＡＨ）を高感度で計測するようにしている。

特開２００４−２１９２５０号公報

そこで、分析コストの低減及び微量成分のリアルタイム計測ができると共に、ナノ粒子組成が精度良く且つ高感度に計測できるナノ粒子成分計測装置の出現が切望されている。

本発明は、前記問題に鑑み、ナノ粒子組成が精度良く且つ高感度に計測できるナノ粒子成分計測装置を提供することを課題とする。

上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、排ガス中のナノ粒子を計測するナノ粒子成分計測装置であって、計測ガス中のナノ粒子成分を分級する静電分級器と、前記静電分級器により帯電したナノ粒子を濃縮する帯電粒子濃縮部と、前記濃縮したナノ粒子の成分を計測する計測装置とを具備してなり、前記帯電粒子濃縮部が、前記ナノ粒子に第１の電場を形成する第１の電極と、第１の電場により集中したナノ粒子をさらに濃縮する第１の電場よりも高い電圧の第２の電場を形成する第２の電極とを具備してなることを特徴とするナノ粒子成分計測装置にある。

第２の発明は、第１の発明において、前記帯電粒子濃縮部の後流側に、１ｎｍ以上のナノ粒子を捕集するフィルタと、該フィルタを加熱する加熱装置とを有することを特徴とするナノ粒子成分計測装置にある。

第３の発明は、第２の発明において、前記フィルタが２以上並列して設けられ、流路を切替えつつナノ粒子を連続して計測してなることを特徴とするナノ粒子成分計測装置にある。

第４の発明は、第３の発明において、前記並列したフィルタを迂回する流路を有し、リアルタイムでナノ粒子を連続して計測してなることを特徴とするナノ粒子成分計測装置にある。

本発明によれば、ナノ粒子を濃縮して計測することとなるので、ナノ粒子組成が精度良く且つ高感度に計測できる。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

本発明による本実施例に係るナノ粒子成分計測装置について、図面を参照して説明する。
図１は、実施例に係るナノ粒子成分計測装置図である。図２は帯電粒子濃縮部の概略図である。図１及び図２に示すように、本実施例に係るナノ粒子成分計測装置１０Ａは、計測ガス１１である排ガス中のナノ粒子を計測するナノ粒子成分計測装置であって、計測ガス１１中のナノ粒子成分を分級する静電分級器１２と、前記静電分級器１２により帯電したナノ粒子を濃縮する帯電粒子濃縮部１４（１４−１〜１４−３）と、前記濃縮したナノ粒子の成分を計測する質量分析装置１６とを具備してなり、前記帯電粒子濃縮部１４が、前記ナノ粒子に第１の電場を形成する第１の電極２２と、第１の電場により集中したナノ粒子をさらに濃縮する第１の電場よりも高い電圧の第２の電場を形成する第２の電極２４とを具備してなるものである。
なお、図１中、符号１３はナノ粒子の粒子数を計測する粒子数計測装置である。

図２に示すように、本実施例の第１の帯電粒子濃縮部１４−１は、細い径筒２１−１と太い径筒２１−２とからなる外筒２１と、太い径筒２１−２の内部に設けた内筒２３とからなり、外筒２１の細い径筒２１−１の内部に配された第１の電極２２と、内筒２３の細い径筒２３−１の外部に配された第２の電極２４とを具備するものである。

ここで、外筒２１の細い径筒２１−１は直径が１０ｍｍ程度であり、内筒２３の細い径筒２３−１は直径が１ｍｍ程度である。
そして、第１の電極２２に５００Ｖ程度の電圧をかけると共に第２の電極２４に１ＫＶ程度の電圧をかけることにより、静電分級器１２で帯電したナノ粒子が内部の電場により中央部に集中し、濃縮物２５として濃縮することとなる。本実施例の濃縮率は約１００倍程度となる。

このように、静電分級器１２で分級したナノ粒子を質量分析装置１６の真空チャンバに導入し、レーザ装置１７からレーザ光を照射することで、ナノ粒子成分をイオン化し、質量分析するに際し、前記静電分級器１２から取り出されるナノ粒子が帯電していることを利用して、静電分級器１２の後流側に帯電粒子濃縮部１４を設けることにより、濃縮率を１００倍程度とすることができ、装置の検出感度の向上を図るようにしている。

また、図３に他の帯電粒子濃縮部の一例を示す。図３に示すように、本実施例の第２の帯電粒子濃縮部１４−２は、細い導入口２１ａを有する外筒２１と、該外筒２１の内部に設けた内筒２３とからなり、外筒２１の内部に配された第１の電極２２と、内筒２３の入口近傍外周に設けた第２の電極２４とを具備するものである。
本実施例では、導入するナノ粒子を含んだガスが細い導入口２１ａから導入されるので、濃縮物２５が拡がることがなく、そのまま内筒２３に導入され、濃縮が効率よく行われる。

また、図４に他の帯電粒子濃縮部の一例を示す。図４に示すように、本実施例の第３の帯電粒子濃縮部１４−３は、外筒２１と、該外筒２１の内部に設けた内筒２３とからなり、前記内筒２３の入口内部に配された網状の第１の電極２２と、内筒２３の入口近傍外周に設けた第２の電極２４とを具備するものである。
本実施例では、導入するナノ粒子を含んだガスが外筒の入口から導入されるが、内筒２３内部に設けた第１の電極２２で電界分布が高くなるので、近寄ることができず、外筒の壁面周囲に分けられ、次いで第２の電極２４により濃縮が行われ、濃縮物２５が外筒２１の下端部に設けた濃縮管２６から排出され、濃縮が効率よく行われる。

このように本発明によれば、帯電粒子濃縮部１４（１４−１〜１４−３）を設けることにより、ナノ粒子の濃縮が可能となり、感度の高い質量分析を行うことができる。

図９はそのナノ粒子の分析結果の一例を示し、図１０はその部分拡大図である。
図９及び図１０に示すように、フルオレン（分子数：１６６．２）、アントラセン（分子数：１７８．２）、ベンゾ（a）ピレン（分子数：２５２．３）、ベンゾ（e）ピレン（分子数：２５２．３）、ベンゾ（k）フルオランテン（分子数：２５２．３）、ベンゾ（ghi）ペリレン（分子数：２７６．３）等の多環芳香族炭化水素（ＰＡＨ）を高感度で計測することができることが判明した。

このように、ナノサイズのナノ粒子は微量である他、質量分析部での成分のガス化が完全に行なわれない場合もあり、従来の装置では高感度計測が困難であったが、静電分級器から取り出される粒子が帯電していることを利用し、静電分級器後方に帯電粒子濃縮部１４の濃縮機構を設けるようにしているので、計測感度の向上を図ることができる。

本発明による実施例に係るナノ粒子成分計測装置について、図面を参照して説明する。
図５は、本実施例に係るナノ粒子成分計測装置図である。図５に示すように、本実施例に係るナノ粒子成分計測装置１０Ｂは、図１の計測装置１０Ａにおいて、帯電粒子濃縮部１４の後流側に、１ｎｍ以上のナノ粒子を捕集するフィルタ３１と、該フィルタ３１を加熱する加熱装置であるヒータ１５とを設けるようにしている。

図６はフィルタ３１の概略図である。フィルタはメッシュ状の１ｎｍ以上のナノ粒子を捕集可能なステンレス製としている。

前記フィルタ３１は、ガスを導入するに際し、ヒータ１５で加熱することにより、ガス中のナノ粒子成分を完全に気化させて質量分析装置１６内に導入するようにしている。
すなわち、従来ではナノ粒子の一部が完全に気化せずにそのまま質量分析装置１６に導入する場合があり、計測が不完全であったものが、フィルタ３１を通過するナノ粒子をヒータ１５で加熱（例えば２００℃）することで、完全に気化させることができ、ナノ粒子の全量の計測が可能となり、ナノ粒子計測の確実性が向上することとなる。

また、フィルタ３１の他の使用方法としては、分級した計測ガスを常温で所定時間フィルタ３１に流しつづけ（例えば５分程度）、フィルタにナノ粒子成分を捕集した後にヒータで加熱（例えば２００℃）して気化させることにより、捕集したナノ粒子を完全に気化させることができる。この結果、濃縮により濃度が増大すると共に、それを完全に気化させることでナノ粒子の計測感度が大幅に向上する。

このように、ナノサイズのナノ粒子は微量である他、質量分析部での成分のガス化が完全に行なわれない場合もあり、従来の装置では高感度計測が困難であったが、静電分級器から取り出される粒子が帯電していることを利用し、静電分級器後方に帯電粒子濃縮部１４の濃縮機構を設けると共に、真空チャンバー導入前に１ｎｍ以上の粒子を捕集可能なフィルタ３１を設置し、完全に気化させるようにすることで質量分析装置１６の検出感度の向上を図ることができることとなる。

本発明による実施例に係るナノ粒子成分計測装置について、図面を参照して説明する。
図７は、本実施例に係るナノ粒子成分計測装置図である。図７に示すように、本実施例に係るナノ粒子成分計測装置１０Ｃは、図５の計測装置１０Ｂにおいて、帯電粒子濃縮部１４の後流側に、１ｎｍ以上のナノ粒子を捕集する複数のフィルタ３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃを並列して設け、該フィルタ３１Ａ〜３１Ｃを加熱する複数のヒータ１５Ａ〜１５Ｃを設けるようにしている。

そして、各流路の切替弁３０ａ〜３０ｈを切替えることで、連続しての計測が可能となる。
すなわち、先ず、帯電粒子濃縮部１４で濃縮されたナノ粒子を第１のフィルタ３１Ａで計測する場合には、切替弁３０ａ、３０ｂ、３０ｅ及び３０ｈを解放してガスを流し、その他の弁は閉じておく。そして、常温で５分計測ガスを第１フィルタ３０Ａに流し、その後加熱を５分行い、分析する。次いで、第２のフィルタ３１Ｂで計測するように切替弁を切替える。そして、計測が終了した第１のフィルタ３１Ａにはパージガスにより洗浄して次ぎの計測に備える。第１〜第３のフィルタ３１Ａ〜３１Ｃを順番に切替えることで例えば１０〜２０分ごとの任意の範囲での連続した計測が可能となる。

本発明による実施例に係るナノ粒子成分計測装置について、図面を参照して説明する。
図８は、本実施例に係るナノ粒子成分計測装置図である。図８に示すように、本実施例に係るナノ粒子成分計測装置１０Ｄは、図７の計測装置１０Ｃにおいて、並列したフィルタ３１Ａ〜３１Ｃを迂回するヒータを有する迂回流路３２を設けたものであり、必要に応じて切替弁３０ｉ、３０ｊを開いてリアルタイムでナノ粒子を連続して計測することとしている。

図７のようなフィルタで所定時間捕集する場合には、時間遅れの計測となるが、現時点での排ガス濃度を常に計測しているような場合には、本実施例のような迂回流路３２を設けることで、簡易濃縮機能での計測とリアルタイムでの計測とを並行して行うことができる。

以上のように、本発明に係るナノ粒子成分計測装置は、分析コストの低減を図り、微量成分の感度の向上を図ることができる。

実施例１に係るナノ粒子成分計測装置の概略図である。 帯電粒子濃縮部の概略図である。 他の帯電粒子濃縮部の概略図である。 他の帯電粒子濃縮部の概略図である。 実施例２に係るナノ粒子成分計測装置の概略図である。 フィルタの概略図である。 実施例３に係るナノ粒子成分計測装置の概略図である。 実施例４に係るナノ粒子成分計測装置の概略図である。 ナノ粒子の分析結果の一例の測定図である。 図９の部分拡大図である。 従来のナノ粒子成分計測装置の概略図である。

符号の説明

１０Ａ〜１０Ｃ ナノ粒子成分計測装置
１１ 計測ガス
１２ 静電分級器
１３ 粒子数計測装置
１４（１４−１〜１４−３） 帯電粒子濃縮部
１５ ヒータ
１６ 質量分析装置
２１ 外筒
２２ 第１の電極
２３ 内筒
２４ 第２の電極
２５ 濃縮物

Claims (4)

1. 排ガス中のナノ粒子を計測するナノ粒子成分計測装置であって、
   計測ガス中のナノ粒子成分を分級する静電分級器と、
   前記静電分級器により帯電したナノ粒子を濃縮する帯電粒子濃縮部と、
   前記濃縮したナノ粒子の成分を計測する計測装置とを具備してなり、
   前記帯電粒子濃縮部が、前記ナノ粒子に第１の電場を形成する第１の電極と、
   第１の電場により集中したナノ粒子をさらに濃縮する第１の電場よりも高い電圧の第２の電場を形成する第２の電極とを具備してなることを特徴とするナノ粒子成分計測装置。
2. 請求項１において、
   前記帯電粒子濃縮部の後流側に、１ｎｍ以上のナノ粒子を捕集するフィルタと、該フィルタを加熱する加熱装置とを有することを特徴とするナノ粒子成分計測装置。
3. 請求項２において、
   前記フィルタが２以上並列して設けられ、流路を切替えつつナノ粒子を連続して計測してなることを特徴とするナノ粒子成分計測装置。
4. 請求項３において、
   前記並列したフィルタを迂回する流路を有し、リアルタイムでナノ粒子を連続して計測してなることを特徴とするナノ粒子成分計測装置。

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