JP2011163820A - ガス分析装置 - Google Patents
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【解決手段】本発明のガス分析装置は、検体ガスを導入するためのガス導入口を備えるガス導入部と、該ガス導入部から供給される検体ガスを成分分離するためのマイクロカラムを1以上備えるガス分離部と、該ガス分離部により分離されたガス成分を検出するためのガス検出部とを備え、該1以上のマイクロカラムの内部流路の壁面に2以上の固定相が修飾されることを特徴とする。
【選択図】図1
Description
<ガス分析装置>
図1(a)は、本実施の形態のガス分析装置の一例のある状態を示す模式図であり、図1(b)は、(a)のガス分析装置の別の一状態を示す模式図である。本実施の形態のガス分析装置は、図1(a)に示されるように、検体ガスを導入するためのガス導入口11を備えるガス導入部10と、該ガス導入部10から供給される検体ガスを成分分離するためのマイクロカラムを2つ備えるガス分離部20と、該ガス分離部20により分離されたガス成分を検出するためのガス検出部50とを備えることを特徴とする。
本実施の形態において、ガス導入部10は、呼気の一部をガス分離部20に供給するために設けられるものである。このようなガス導入部10は、図1に示されるような構造のみに限られるものではなく、たとえばガス分離部20に呼気を供給する流路に切換口が備わっていることが好ましい。ガス導入部10は、該切換口を動作させることにより、ガス分離部20に供給する呼気の流速を調整することができるものであれば、いかなる構造のものであっても良い。
流路切替手段18は、ガス収容部19が第1流路12および第2流路13に接続されている第1状態から、ガス収容部19が第3流路15および第4流路16に接続されている第2状態に切り替えるためにガス導入部10に設けられるものである。流路切替手段18により、図1(a)に示される第1状態から図1(b)に示される第2状態に切り替えられる。第2状態では、上記の第1状態でガス収容部19に保持された呼気が、第3流路15から供給されるキャリアガスとともに第4流路16に流れ、該第4流路16からガス分離部20に供給される。
第3流路15は、調圧手段17を備えることが好ましい。調圧手段17を備えることにより第3流路15を流れるキャリアガスの流速を制御することができる。このようにキャリアガスの流速を制御することにより、ガス分離部20に一定流量の呼気をキャリアガスとともに供給することができる。
本実施の形態のガス分析装置において、図1(a)に示されるように、ガス採取部40をガス導入口11およびガス排出口14に接続することが好ましい。このようにガス採取部40を接続することにより、呼気をガス導入口11に効率的に導入することができるとともに、呼気を収容するスペースを設けることができる。
ガス導入口11またはガス排出口14のいずれか一方もしくは両方に気流発生手段25を設けることが好ましい。このように気流発生手段25を備えることにより、ガス採取部40、第1流路12、ガス収容部19、および第2流路13を呼気が循環するようにすることができるとともに、これを流れる呼気の流速を制御することができる。なお、気流発生手段25により制御される呼気の流速は、特に限定されずいかなる速度であってもよいが、1mL/min以上10mL/min以下であることが好ましい。
本実施の形態において、ガス分離部20は、ガス導入部10から導入された呼気に含まれる各種ガス成分を成分分離するために設けられるものであり、具体的には、ガス分離部20に備えられる第1マイクロカラム21および第2マイクロカラム31により呼気の成分分離を行なうことを特徴とする。なお、以下において、単に「マイクロカラム」と記す場合は、第1マイクロカラムおよび第2マイクロカラムの両方を含む概念である。
本実施の形態における、マイクロカラムの作製方法を具体的な一例を挙げて説明する。まず、Siウェハー等の基板表面にフォトリソグラフィ技術を用いて、エッチング加工、ブラスト加工等の微細加工を行なうことにより連続した溝を形成する。
本実施の形態のガス分析装置を用いて成分分離される検体ガスは、アセトンを含むことが好ましい。従来のガス分析装置では、水中に微量に含まれるアセトンを効率的に成分分離することが困難であり、たとえ成分分離できたとしても、その成分分離の精度は十分なものではなかった。しかし、本実施の形態のガス分析装置ではかかる従来の課題を一掃し、短時間で検体ガス中の水を成分分離し得る。このような検体ガスとして、たとえば呼気を用いることができる。
ガス検出部50は、ガス分離部20で分離されたガス成分を順次検出するための部位であり、ガスセンサを用いることが好ましい。本実施の形態において、ガス検出部50は、化学物質を検出するためのガスセンサ51を有する。かかるガスセンサ51としては、半導体センサ、電気化学式ガスセンサ、QCM、FID等を用いることができる。この中でも、安価で入手しやすいという観点から、半導体センサを用いることが好ましい。
図4は、本実施の形態のガス分析装置の一例を示す模式図である。本実施の形態のガス分析装置は、図4に示されるように、実施の形態1のガス分析装置に対し、排ガス口36を備える切替機構35を用いて、第1マイクロカラム21と第2マイクロカラム31とを接続したことが異なる他は、実施の形態1と同様のものである。
図6は、本実施の形態のガス分析装置の一例を示す模式図である。本実施の形態のガス分析装置は、図6に示されるように、実施の形態2のガス分析装置の切替機構に、さらにキャリア導入口37を備えることが異なる他は、実施の形態2と同様のものである。本実施の形態のように、切替機構35がキャリア導入口37を備えることにより、キャリア導入口37を通じ、第1マイクロカラム21を経ずに第2マイクロカラム31にキャリアガスを直接導入することができる。そして、第2マイクロカラム31にキャリアガスを直接導入することにより、第2マイクロカラム31を流れる検体ガスの流速を早めることができる。
本実施の形態のガス分析装置は、第2マイクロカラムが他のマイクロカラムと交換できるように、第1マイクロカラムに対し、はめ込み式で接続されることが異なる他は、実施の形態1と同一の形態である。すなわち、本実施の形態のガス分析装置は、図1(a)および図1(b)に示される実施の形態1のガス分析装置と外観的には同一のものである。
図8は、本実施の形態のガス分析装置の一例を示す模式図である。本実施の形態のガス分析装置は、図8に示されるように、第1マイクロカラムが2つの第2マイクロカラム31に接続されている多接続マイクロカラムである他は、実施の形態1と同一の形態である。
図9は、本実施の形態のガス分析装置の一例を示す模式図である。本実施の形態のガス分析装置は、実施の形態1〜5のガス分離部のように2つのマイクロカラムを備えるものではなく、図9に示されるように、ガス分離部20に1つの多相マイクロカラム71を備えることを特徴とする。ここで、「多相マイクロカラム」とは、1つのマイクロカラムの内部流路の壁面に2以上の固定相を修飾したものを意味する。
本実施の形態のガス分析装置は、実施の形態6の多相マイクロカラムと同様の蛇型流路の構造であるが、その内部流路に修飾される固定相の配置が異なることを特徴とする。図10は、本実施の形態の多相マイクロカラムの内部流路の断面を模式的に示した図である。本実施の形態の多相マイクロカラムは、図10に示されるように、内部流路72が上下の2つの分割流路に分割されており、上側の分割流路95の壁面に修飾される固定相の材料が、下側の分割流路94の壁面に修飾される固定相の材料と異なることを特徴とする。
本実施の形態において、マイクロカラムの作製方法を具体的な一例を挙げて説明する。まず、Siウェハー等の基板93を準備し、かかる基板93の表面にフォトリソグラフィ技術を用いて、エッチング加工、ブラスト加工等の微細加工を行なうことにより連続した溝を形成する。
本実施の形態のガス分析装置は、実施の形態6の多相マイクロカラムと同様の蛇型流路の構造であるが、基板の表裏の両面に内部流路が形成されており、表裏に形成される内部流路に修飾される固定相が異なることを特徴とする。
本実施の形態において、マイクロカラムを作製する方法を具体的な一例を挙げて説明すると、まず、Siウェハー等の基板83の表面にフォトリソグラフィ技術を用いて、エッチング加工、ブラスト加工等の微細加工を行なうことにより連続した溝を形成する。
本実施例では、以下の手順によりガス分離部20を作製した。まず、幅が100μmであって、その深さが100μmの内部流路を100μmの間隔で蛇行状に形成した第1マイクロカラム21および第2マイクロカラム31を作製した。以下においては、第1マイクロカラム21の作製の手順を具体的に述べる。
実施例A1のガス分離部に対し、第2マイクロカラムを有しないことを除いては、実施例A1と同様のものとして比較例A1のガス分離部を形成した。
実施例A1のガス分離部に対し、第1マイクロカラムを有しないことを除いては、実施例A1と同様のものとして比較例A2のガス分離部を形成した。
実施例A1のように2つのマイクロカラムを接続した場合と、比較例A1およびA2のガス分離部のように1つのマイクロカラムを接続した場合とで、ガス分離部の分離能がどのように異なるかをガスクロマトグラフ質量分析計(製品名:JMS−K9(日本電子株式会社製))に取り付けて検討した。具体的には、n−ペンタン、アセトン、エタノール、トルエン、および水の混合比率が1:1:1:1:10の混合液体をGCMSに導入し、GCMSにより各ガス成分を検出した。
本実施例では、実施例A1で作製したガス分離部を用いてガス分析装置を作製した。まず、ガス導入部10として、ガスクロマトグラフ用手動ガスサンプラー(ジーエルサイエンス株式会社製)を準備した。ここで、ガスクロマトグラフ用手動ガスサンプラー(以下、「ガスサンプラー」とも記する)は、検体ガスを導入するための第1流路12と、導入した検体ガスの一部をガス排出口から排出するための第2流路13と、キャリアガスを導入するための第3流路15と、ガス分離部20に検体ガスを供給するための第4流路16と、検体ガスを保持するためのガス収容部19とを有するものである。
比較例1では、実施例A1のガス分離部を比較例A1のガス分離部に代えたことを除いては実施例1と同様の方法により比較例1のガス分析装置を作製した。
比較例2では、実施例A1のガス分離部を比較例A2のガス分離部に代えたことを除いては実施例1と同様の方法により比較例2のガス分析装置を作製した。
上記の実施例1および比較例2のガス分析装置のガス導入部に対し、エタノールとアセトンとを混合した検体ガスを導入し、それらの分離能を確認した。具体的には、1ppmのアセトンと、1ppmのエタノールとを含む窒素ガスを、実施例1および比較例2のガス分析装置に導入し、検出に要する保持時間を測定した。
Claims (16)
- 検体ガスを導入するためのガス導入口を備えるガス導入部と、
前記ガス導入部から供給される検体ガスを成分分離するためのマイクロカラムを1以上備えるガス分離部と、
前記ガス分離部により分離されたガス成分を検出するためのガス検出部とを備え、
前記1以上のマイクロカラムの内部流路の壁面に2以上の固定相が修飾される、ガス分析装置。 - 前記2以上の固定相のうちのいずれか1の固定相の材料は、他の少なくとも1の固定相の材料とは異なる、請求項1に記載のガス分析装置。
- 前記2以上の固定相のうちのいずれか1の固定相は、前記検体ガスの成分のうちの水を成分分離する、請求項1または2に記載のガス分析装置。
- 前記1以上のマイクロカラムのうちの検体ガスが導入される側の内部流路の壁面に修飾される固定相は、検体ガスの成分のうちの水を成分分離する、請求項1〜3のいずれかに記載のガス分析装置。
- 前記2以上の固定相のうちのいずれか1の固定相は、10以上の比誘電率を有する、請求項1〜4のいずれかに記載のガス分析装置。
- 前記ガス分離部は、前記ガス導入部と接続される第1マイクロカラムと、前記第1マイクロカラムに接続される第2マイクロカラムとを少なくとも備える、請求項1〜5のいずれかに記載のガス分析装置。
- 前記第1マイクロカラムと前記第2マイクロカラムとは、切替機構により接続されており、
前記切替機構は、前記第1マイクロカラムを通過した検体ガスの一部を外部に排出するための排ガス口を備える、請求項6に記載のガス分析装置。 - 前記切替機構は、前記第1マイクロカラムから前記排ガス口に検体ガスの一部を排出するときに、前記第2マイクロカラムにキャリアガスを導入するためのキャリア導入口を備える、請求項7に記載のガス分析装置。
- 前記1以上のマイクロカラムのいずれもが、他の少なくとも1のマイクロカラムと接続されており、
前記1以上のマイクロカラムのうちのいずれか1のマイクロカラムは、他のマイクロカラムに交換できるように着脱可能である、請求項1〜8のいずれかに記載のガス分析装置。 - 前記マイクロカラムのうちのいずれか1のマイクロカラムは、はめ込み式で他のマイクロカラムと接続される、請求項1〜9のいずれかに記載のガス分析装置。
- 前記マイクロカラムのいずれか1のマイクロカラムは、他の2以上のマイクロカラムに接続される多接続マイクロカラムであり、
前記2以上のマイクロカラムのうちのいずれか1のマイクロカラムに検体ガスが流れるように、前記多接続マイクロカラムからの検体ガスの流れを切り替える切替機構を有する、請求項1〜10のいずれかに記載のガス分析装置。 - 前記1以上のマイクロカラムのうちの少なくとも1のマイクロカラムは、その内部流路の壁面に2以上の固定相が修飾された多相マイクロカラムであり、
前記多相マイクロカラムの内部流路の壁面に修飾される固定相のうちのいずれか1の固定相の材料は、他の少なくとも1の固定相の材料とは異なる、請求項1〜11のいずれかに記載のガス分析装置。 - 前記多相マイクロカラムのうち検体ガスを導入する側の内部流路の壁面に修飾される固定相の材料は、前記多相マイクロカラムの検体ガスを排出する側の内部流路の壁面に修飾される固定相の材料と異なる、請求項12に記載のガス分析装置。
- 前記多相マイクロカラムは、その内部流路の断面が2以上の分割流路に分割されており、
前記分割流路に修飾される固定相のうちのいずれか1の固定相の材料は、他の少なくとも1の分割流路に修飾される固定相の材料と異なる、請求項12に記載のガス分析装置。 - 前記多相マイクロカラムは、1枚の基板の表裏に内部流路が形成されたものであり、
前記基板の表面側に形成された内部流路の壁面を修飾する固定相の材料は、前記基板の裏面側に形成された内部流路の壁面を修飾する固定相の材料と異なる、請求項12に記載のガス分析装置。 - 前記検体ガスはアセトンを含む、請求項1〜15のいずれかに記載のガス分析装置。
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