JP2012516991A - 化学物質濃縮方法 - Google Patents
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Abstract
本発明の化学物質濃縮方法で使用する静電噴霧装置は、容器と、注入口と、冷却部と、霧化電極部と、対向電極部化学物質回収部とを備える。そして、本発明の化学物質濃縮方法は、前記試料気体を注入する工程と、前記試料気体を第1凝縮液にする工程と、前記第1凝縮液を第1帯電微粒子にする工程と、前記第1帯電微粒子と前記試料気体を混合して第2帯電微粒子にする工程と、前記第1帯電微粒子と前記第2帯電微粒子を回収する工程を包含する。以上の一連の操作により簡便かつ効率的に試料気体中の化学物質を濃縮できる。
Description
図1は、実施の形態1の静電噴霧装置の模式図である。
注入工程では、水蒸気201と化学物質202を含む試料気体203が、注入口103を通じて、容器101へ注入される。図2(a)は注入工程を表す。図2(a)では化学物質202を化学物質202a、202bの2種類のみ記載したが、1種類でも良いし、3種類以上でも良い。試料気体203の相対湿度は50%以上100%以下が好ましく、80%以上100%以下がより好ましい。注入工程では、試料気体203へ水蒸気201を新たに追加しても良い。なお本発明では、化学物質202の種類、濃度は限定されないが、試料気体203は、アセトニトリル、イソプロパノール、ギ酸、酢酸などの極性有機溶媒を含むことが好ましい。
次に、第1凝縮液生成工程では、冷却部104により霧化電極部105が水蒸気201の露点温度以下に冷却される。霧化電極部105の外周面において、水蒸気201と化学物質202を含む第1凝縮液204が形成される。図2(b)は第1凝縮液生成工程を表す。第1凝縮液生成工程の初期段階では、霧化電極部105の外周面において、第1凝縮液204が液滴状になる。第1凝縮液生成工程の進行段階では、霧化電極部105の外周面が第1凝縮液204により覆われる。
供給工程では、ドーパント205を容器101へ供給する。図3(a)は供給工程を表す。ドーパント205は供給口109を通じて容器101へ供給する。ドーパント205は注入口102を通じて容器101へ供給する。
ドーパント冷却工程では、ドーパント205を霧化電極部105の外周面において冷却する。図3(b)はドーパント冷却工程を表す。ドーパント205は霧化電極部105により冷却することが好ましいが、冷却器により冷却しても良い。ドーパント205の温度は0℃以上20℃以下が好ましく、温度は0℃以上15℃以下がより好ましい。ドーパント205は試料気体203と同時に冷却することが好ましい。
溶解工程では、第1凝縮液204へドーパント205が溶解する。図4(a)は溶解工程を表す。第1凝縮液204へ冷却されたドーパント205が溶解することが好ましい。ドーパント205は水溶性であることが好ましい。第1凝縮液204中のドーパント205の濃度は、第1凝縮液204中の化学物質202の濃度よりも高いことが好ましい。第1凝縮液204中のドーパント205の濃度は、0.1ppm以上3%以下が好ましい。
次に、帯電微粒子化工程では、第1凝縮液204から多数の第1帯電微粒子206が形成される。図4(b)は帯電微粒子化工程を表す。第1帯電微粒子206は、分子1個〜数十個からなるクラスタであっても良いし、分子数十〜数百個からなる微粒子であっても良いし、数百個以上からなる液滴であっても良い。またはこれらの2種類以上が混在していても良い。
回収工程では、第1帯電微粒子206を化学物質回収部107へ回収する。図5は回収工程を表す。回収工程では、化学物質回収部107へ直接試料気体203を回収しても良い。化学物質回収部107へ直接回収される試料気体203の量は少ないことが好ましい。また、回収工程中は、注入工程を停止することが好ましい。
図6は、本発明の実施の形態2における静電噴霧装置の模式図である。図6において、図1と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
注入工程では、水蒸気201と化学物質202を含む試料気体203が、注入口102を通じて、容器101へ注入される。図7(a)は注入工程を表す。図7(a)では化学物質202を化学物質202a、202bの2種類のみ記載したが、1種類でも良いし、3種類以上でも良い。試料気体203での相対湿度は50%以上が好ましく、80%以上がより好ましい。注入工程では、試料気体203へ水蒸気201を追加しても良い。なお本発明では、化学物質202の種類、濃度は限定されない。試料気体203は、極性有機溶媒を含むことが好ましい。なお本発明では、極性有機溶媒の種類、濃度は限定されない。
次に、第1凝縮液生成工程では、冷却部104により霧化電極部105が水蒸気201の露点温度以下に冷却される。霧化電極部105の外周面において、水蒸気201と化学物質202を含む第1凝縮液204が形成される。図7(b)は第1凝縮液生成工程を表す。
供給工程では、ドーパント205を容器101へ供給する。図8(a)は供給工程を表す。ドーパント205は供給口109を通じて容器101へ供給する。ドーパント205は障壁302へ衝突させることが好ましい。
ドーパント冷却工程では、ドーパント205を霧化電極部105の外周面において冷却する。図8(b)はドーパント冷却工程を表す。
溶解工程では、第1凝縮液204へドーパント205が溶解する。図9(a)は溶解工程を表す。
次に、第1帯電微粒子化工程では、第1凝縮液204から多数の第1帯電微粒子206を形成する。図9(b)は第1帯電微粒子化工程を表す。第1帯電微粒子206は、分子1個〜数十個からなるクラスタであっても良いし、分子数十〜数百個からなる微粒子であっても良いし、数百個以上からなる液滴であっても良い。またはこれらの2種類以上が混在していても良い。
次に、第2帯電微粒子化工程では、容器101において、第1帯電微粒子206と試料気体203を混合して第2帯電微粒子311にしても良い。図10(a)は第2帯電微粒子化工程を表す。第1帯電微粒子206と試料気体203を混合することにより、試料気体203を帯電できる。第1帯電微粒子206と試料気体203の混合を効率的に行なうため、試料気体203が乱流、螺旋流、渦流などを生じることが好ましい。第1帯電微粒子206の流れ方向と試料気体203の流れ方向は直交させても良く、カウンター流としても良い。容器101は十字流路またはT字流路であることが好ましい。第2帯電微粒子311を試料気体203と混合して第3帯電微粒子としても良い。
第2帯電微粒子化工程では、第1帯電微粒子206の大部分は、霧化電極部105から対向電極部106を経由して化学物質回収部107へ移動する。したがって、霧化電極部105と化学物質回収部107の間に向かって試料気体203を注入する位置に、注入口102を設けることが好ましい。霧化電極部105と対向電極部106の間に向かって試料気体203を注入する位置に、注入口102を設けることが好ましいが、対向電極部106と化学物質回収部107の間に向かって試料気体203を注入する位置に、注入口102を設けることもできる。試料気体203は第1帯電微粒子206の経路にフォーカスしても良い。
最後に、回収工程では、第1帯電微粒子206と第2帯電微粒子311を化学物質回収部107へ回収する。図10(b)は回収工程を表す。回収工程では、第1帯電微粒子206と第2帯電微粒子311を同時に化学物質回収部107へ回収することが好ましい。なお本発明では、化学物質回収部107へ回収される、第1帯電微粒子206と第2帯電微粒子311の比率は限定されない。回収工程では、化学物質回収部107へ直接試料気体203を回収しても良い。化学物質回収部107へ直接回収される試料気体203の量は少ないことが好ましい。回収工程中は、注入工程を停止することが好ましい。
図11は、本発明の実施の形態3における静電噴霧装置の模式図である。図11において、図1と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
図12は、本発明の実施の形態4における静電噴霧装置の模式図である。図12において、図1と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
容器101は、切削加工により厚み4mmのアルミ板を用いて作製した。容器101は38mm×38mm×18mmの直方体とした。容器101の一部は、アクリル樹脂板で置き換え可能にした。容器の一部を透明材料とすることにより、凝縮液の形成過程などが観察できるためより好ましい。容器101の内壁は平滑に研磨し、ガス吸着を抑制するようにした。
本実施例では、実施例1と同じ構成要素については説明を省略する。
2 試料ガス
10 APIMS
11 質量分析部
15 イオン発生部
19 針電極
30 混合部
100 静電噴霧装置
101 容器
102 注入口
103 排出口
104 冷却部
105 霧化電極部
106 対向電極部
107 化学物質回収部
108 第2冷却部
109 供給部
110 バルブ
111 ミキサー
112a、112b バルブ
201 水蒸気
202、202a、202b 化学物質
203 試料気体
204 第1凝縮液
205 ドーパント
206 第1帯電微粒子
207 回収液
301 蝶番
302 障壁
303 放熱部
304 断熱部
305 絶縁部
306 第2絶縁部
307 第2放熱部
308 第2断熱部
309 化学物質搬送部
310 化学物質検出部
311 第2帯電微粒子
312 試料気体発生部
401 液滴
402 テーラーコーン
Claims (13)
- 静電噴霧装置を用いた化学物質濃縮方法であって、
前記静電噴霧装置は、
容器と、
前記容器に連通する試料気体の注入口と、
前記容器の一端に設けられた冷却部と、
前記冷却部の一端に設けられた霧化電極部と、
前記容器の内部に設けられた対向電極部と、
前記容器の他端に設けられた化学物質回収部と、
前記容器に連通するドーパントの供給口とを備え、
前記試料気体は水蒸気と化学物質を含み、
前記水蒸気の露点温度以下において、前記化学物質は前記水蒸気とともに凝縮液を形成する物質であって、
前記ドーパントは前記凝縮液へ溶解する物質であって、
前記ドーパントの電気親和力は水の電子親和力よりも大きく、
前記方法は、
前記注入口から前記試料気体を前記容器へ注入する注入工程と、
前記冷却部により前記霧化電極部を冷却して、前記霧化電極部の外周面において前記試料気体を第1凝縮液にする第1凝縮液生成工程と、
前記供給口から前記ドーパントを前記容器へ供給する供給工程と、
前記ドーパントを前記霧化電極部の外周面において冷却するドーパント冷却工程と、
前記第1凝縮液へ前記ドーパントを溶解する溶解工程と、
前記霧化電極部と前記対向電極部との間に電圧を印加して、前記第1凝縮液を帯電微粒子にする帯電微粒子化工程と、
前記対向電極部と前記化学物質回収部との間に電圧を印加して、前記帯電微粒子を前記化学物質回収部へ回収する回収工程と
を包含する化学物質濃縮方法。 - 前記ドーパントは極性有機化合物であることを特徴とする請求項1に記載の化学物質濃縮方法。
- 前記ドーパントは有機酸であることを特徴とする請求項1に記載の化学物質濃縮方法。
- 前記ドーパントは酢酸であることを特徴とする請求項1に記載の化学物質濃縮方法。
- 前記ドーパントは酸素であることを特徴とする請求項1に記載の化学物質濃縮方法。
- 前記第1凝縮液中の前記ドーパントの濃度は、前記第1凝縮液中の前記化学物質の濃度よりも高いことを特徴とする請求項1に記載の化学物質濃縮方法。
- 前記容器は試料気体が衝突する位置に障壁を備えることを特徴とする請求項1に記載の化学物質濃縮方法。
- 前記試料気体は極性有機溶媒を含むことを特徴とする請求項1に記載の化学物質濃縮方法。
- 前記化学物質は極性有機化合物であることを特徴とする請求項1に記載の化学物質濃縮方法。
- 前記化学物質は揮発性有機化合物であることを特徴とする請求項1に記載の化学物質濃縮方法。
- 前記帯電微粒子を赤外光により加熱することを特徴とする請求項1に記載の化学物質濃縮方法。
- 前記容器は光導波路を備えることを特徴とする請求項1に記載の化学物質濃縮方法。
- 前記静電噴霧装置に化学物質検出部を設けることを特徴とする請求項1に記載の化学物質濃縮方法。
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