JP2014174074A - 物質の分析装置及び分析方法 - Google Patents

Abstract

【課題】濃度が薄い試料において収集した微粒子から物質を適切に検出し、迅速またはリアルタイムに分析する分析装置を提供する。
【解決手段】筒状の微粒子保持部７と微粒子保持部の上部から吸引し、微粒子保持部内においてサイクロン現象を発生させる吸引配管８０１と、微粒子保持部の側面に接続して微粒子を含む試料を供給する供給配管５と、微粒子保持部の下部に接続し微粒子保持部内への気体流量を制御して、回転運動する微粒子を微粒子保持部内において所定時間保持した後に沈降させる流量制御部１２と、沈降した前記微粒子を捕集し加熱する加熱捕集部９と、加熱捕集部に配管を介して接続し、加熱捕集部による加熱により微粒子から気化した物質を分析する分析部１９と、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、微粒子を捕集し、当該微粒子から得られる物質を分析する分析装置及び分析方法に関するものである。

ガスや微粒子の物質を分析することは、工学分野や環境分野で必要とされている。特に、環境分野では環境汚染の状態を、空気中のガスや浮遊微粒子を、迅速またはリアルタイムに高感度に計測する分析装置が求められている。また、工業分野では生産プロセスや品質管理で、ガス成分や微粒子成分を迅速またはリアルタイムに高感度に計測する分析装置が求められている。

例えば、国際公開２０１２／０６３７９６号パンフレット（特許文献１）は、微粒子を連続で収集しながら、リアルタイムで分析する方法を開示している。この方法は、被験者が手やＩＣカードをかざすことで、その手やＩＣカードに噴射気流を当て、手やＩＣカードに付着した爆薬微粒子を、剥離させ吸引口から吸引し、サイクロン現象で収集してリアルタイムに分析する。この方法は、微粒子を高速に検出することが可能であるが、極微量成分の場合、分析部の感度が足りない恐れがある。

国際公開２０１２／０６３７９６号パンフレット

従来、収集された微粒子から得られる物質を迅速またはリアルタイムに分析する場合、濃度が薄い試料の検出感度が不足する課題があった。

本発明の一態様は、物質の分析装置である。分析装置は、筒状の微粒子保持部と前記微粒子保持部の上部から吸引し、前記微粒子保持部内においてサイクロン現象を発生させる吸引配管と、前記微粒子保持部の側面に接続して微粒子を含む試料を供給する、供給配管と、前記微粒子保持部の下部に接続し前記微粒子保持部内への気体流量を制御して、回転運動する前記微粒子を前記微粒子保持部内において所定時間保持した後に沈降させる、流量制御部と、沈降した前記微粒子を捕集し加熱する、加熱捕集部と、前記加熱捕集部に配管を介して接続し、前記加熱捕集部による加熱により前記微粒子から気化した物質を分析する分析部と、を含む。

本発明の実施形態によれば、濃度が薄い試料において収集した微粒子から物質を適切に検出し、迅速またはリアルタイムに分析することができる。他の、課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

第１実施形態に係る分析装置の一構成例を示す概略図である。 第１実施形態に係る微粒子分析の処理手順の一例を示す図である。 第１実施形態係る分析装置で測定したトリニトロトルエンの質量スペクトルの時間プロファイルの一例を示す図である。 第１実施形態に係る分析装置で測定したトリニトロトルエンの質量スペクトルの時間プロファイルの一例を示す図である。 第１実施形態に係る分析装置で測定した投入量によるトリニトロトルエンの質量スペクトルの時間プロファイルの一例を示す図である。 第１実施形態に係る分析装置で測定した投入量によるトリニトロトルエンの質量スペクトルの時間プロファイルの一例を示す図である。 第１実施形態に係る円筒状の微粒子保持部を備えた分析装置の一例を示す概略図である。 第１実施形態に係る流量制御部の動作で粒径の異なる微粒子を分析するシーケンスの一例を示す図である。 第２実施形態に係るガス成分分析の分析装置の一例を示す概略図である。 第２実施形態に係るガス成分分析の処理手順の一例を示す図である。 第３実施形態に係るセキュリティゲートに内蔵させた分析装置の一例を示す概略図である。 第３実施形態に係る単体の分析部で複数のサンプリング点でサンプリングされた試料を分析する構成の一例を示す概略図である。 第３実施形態に係る単体の分析部で複数のサンプリング点でサンプリングされた試料を分析する処理手順の一例を示す図である。 第３実施形態に係る単体の分析部で複数のサンプリング点でサンプリングされた試料を分析するシーケンスの一例を示す図である。 第３実施形態に係るセキュリティゲート構成例を示す。 第３実施形態に係るセキュリティゲート構成例を示す。 第３実施形態に係るセキュリティゲート構成例を示す。 第３実施形態に係るセキュリティゲート構成例を示す。 第４実施形態に係る大回転微粒子保持部と小回転微粒子保持部を用いた分析装置の構成例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図を用いて詳細に説明する。なお、ここで説明する装置構成や処理動作の内容は本発明の具体化の一例であり、それと既知の技術との組み合わせや置換による変形例も本発明の範囲に含まれる。

本実施形態は、特定時間、微粒子を収集しつつ空間に回転保持することで微粒子を濃縮し、当該濃縮した微粒子から物質を気化させて分析する。例えば、リアルタイムで分析において、極微量成分は濃度が薄く、その分析が困難である。本実施形態は、微粒子保持部の内部圧力を流量制御部で変化させることで、収集した特定の粒径サイズ以上の微粒子を回転状態で濃縮して保持する。これにより、濃縮した微粒子から物資を取得して分析することができる。
第１実施形態

以下、本発明の第１実施形態について説明する。図１は、本実施形態の分析装置の一例を示す概略図である。図１は、分析装置を屋内又は屋外に設置して、空気中のガス及び／又は微粒子成分を収集する方法の一例を示す。分析装置１には、吸引口２と、吸引口２に雨や虫などが入らないようにするカバー３と、を含む。分析装置１は、検出対象物質である空気中のガス及び／又は微粒子を吸引口２から吸引する。

例えば、吸引口２には、粗メッシュ状フィルタ４が設けられており、大きな埃、指、塵等が吸引口２に入ることを防ぐ。粗メッシュ状フィルタ４には、一例として、金網メッシュ（例えば、開き目０．５ｍｍ、開孔率５０％）を用いることができる。この粗メッシュ状フィルタ４は交換可能であり、埃が詰まった場合には、ユーザは、それを清掃して再利用するか、新品と交換することができる。

吸引された空気中のガス及び／又は微粒子は、配管５を介して微粒子捕集部６に導入される。微粒子捕集部６は、中空円錐状の微粒子保持部７、大容量吸引ポンプ８、加熱捕集部９、微粒子捕集フィルタ１０、フィルタホルダ１１、流量制御部１２、吸着防止器１３を含む。分析装置１はコントローラ１００を含み、当該コントローラ１００は、微粒子捕集部６内の各構成要素及び他の構成要素を制御する。

図１の例において、中空円錐状の微粒子保持部７の中心軸は上下方向を向いており、中心軸に垂直な断面において、側壁の形状は正円（中心軸からの距離（半径）一定）である。設計によっては、正円と異なる円形でもよい。微粒子保持部７の径は、上側から下側に向かって漸減している。大容量吸引ポンプ８は、微粒子保持部７の上部から吸引する。図１の例において、大容量吸引ポンプ８の吸引配管８０１は微粒子保持部７の頂面から微粒子保持部７内部に挿入されている。吸引配管８０１のための開口以外、微粒子保持部７の頂面は密閉されている。

配管５は、微粒子保持部７のテーパ側壁に接続している。微粒子保持部７の内側面の、配管５の排出口（微粒子保持部７への試料導入口）の中心は、吸引配管８０１の先端の吸引口の中心よりも上に位置している。これらの位置関係は、設計に依存する。

大容量吸引ポンプ８は、例えば、４０メートル／分の流速で吸引する。この吸引は、円錐状の微粒子保持部７内でサイクロン現象を引き起こす。サイクロン現象は、円錐状の微粒子保持部７においてより好適に発生する。サイクロン現象において、中央の気流は上昇し、吸引配管８０１から排出される。外周側の気流は回転しつつ下降する。例えば、粒径１μｍ以上の微粒子は、微粒子保持部７内を回転運動し、遠心力により微粒子保持部７内の外周側に分離される。回転半径は、下方に向かって減少する。それ以外の粒子は気流と共に、中央の吸引配管８０１から大容量吸引ポンプ８によって排出される。

回転運動により気流から分離される微粒子の最小粒径（分離限界粒径）は、微粒子捕集部６の設計に依存する。例えば、微粒子保持部７の最大径、円錐角度、微粒子保持部７の高さ、配管５の排出口の大きさ、大容量吸引ポンプ８による流速等により、分離限界粒径が変化する。

微粒子捕集部６は、大容量吸引ポンプ８により大容量の気流を微粒子保持部７に導入する。しかし、吸引された気流は大容量吸引ポンプ８によって微粒子保持部７から排出されるため、吸引された気流によって検出対象物質の試料が希釈されるのを防ぐことができる。これにより、特定の粒径サイズの検出対象物質の微粒子（例えば１μｍ以上の微粒子）だけを集めることができる。

大容量吸引ポンプ８は、流量あるいは流速を制御することができる。大容量吸引ポンプ８は、常時、一定の吸引量で動作してもよいし、通常は停止または少ない吸引量で動作し、外部から試料を吸引するときに、必要な吸引量を生成してもよい。

通常のサイクロン分離装置において、大容量吸引ポンプ８で吸引された粒径１μｍ以上の微粒子は、遠心力により外周側に分離されて、そのまま微粒子保持部７内の底に設けられた加熱捕集部９に沈降する。

しかし、本構成においては、流量制御部１２が、微粒子保持部７の下部において微粒子保持部７内に流入する気流の流量を制御する。例えば、流量制御部１２は、微粒子保持部７内でサイクロン現象（回転気流）発生後に、配管１２１から予め定められた流量の気流を微粒子保持部７内に導入する（微粒子保持部７内に流入する気流の流量を増加させる）。微粒子保持部７内に流入する気流の流量が増加すると、微粒子保持部７内の下部圧力が上がる。流入する気流の流量が減少すると、微粒子保持部７内の下部圧力が下がる。

図１の例において、圧力調整のための気流を導入するための配管１２１は、微粒子保持部７の下端近傍の側面に接続し、流量制御部１２の内側面における配管１２１の開口は、加熱捕集部９の直前に位置する。

流量制御部１２は、加熱捕集部９直前の圧力を、サイクロン現象発生時の圧力より高い圧力に調整する、又は、ゼロ圧（大気圧）若しくは正圧（大気圧よりも大きい圧力）に調整する。これにより、粒径１μｍ以上の微粒子は沈降せずに、微粒子保持部７内で回転運動したまま保持濃縮される。

例えば、流量制御部１２は流量制御弁を含み、その弁開度を制御することで、流量制御部１２から微粒子保持部７内に流入する流量を制御する。弁開度を増減することで微粒子保持部７内に流入する流量は増減し、加熱捕集部９直前の圧力が増減する。流量制御弁は、例えば、リーク弁である。若しくは、流量制御部１２はポンプを含み、大気圧より高い圧力で加圧された気流を微粒子保持部７内に導入してもよい。

微粒子保持部７内における配管１２１の開口の上下方向における位置は、例えば、サイクロン現象により回転する微粒子の最下位置と加熱捕集部９との間にある。配管１２１は、加熱捕集部９への微粒子の沈降を妨げない範囲で、微粒子保持部７の内で中央に向かって突出していてもよい。

吸着防止器１３は、微粒子保持部７を加熱及び／又は振動させることで、微粒子保持部７の内部に微粒子が吸着することを防ぐ。振動の付与には超音波振動子や、偏心モータ、振動モータ等を用いてもよい。微粒子保持部７の加熱は、加熱ヒータを使用できる。微粒子保持部７の大きさは、保持する微粒子の粒径や、吸引する流速によって決まる。ココで説明する例では、粒径１μｍ以上の微粒子が保持されるように微粒子保持部７の形状が決定されているとする。

粒径１μｍ以上の微粒子は、微粒子保持部７内部を回転運動したまま、所定時間（予め規定された時間）保持及び濃縮される。その後、流量制御部１２は、微粒子保持部７内への流量を小さくして、下部圧力を小さくする。例えば、流量制御部１２は、加熱捕集部９直前の圧力を、サイクロン現象発生時の圧力またはそれより低い圧力調整する。上述のように、流量制御部１２は、例えば、流量制御弁の弁開度を小さくすることで、微粒子保持部７内の圧力を小さくする。

流量制御部１２による圧力調整により、回転運動を行いながら保持濃縮されていた粒径１μｍ以上の微粒子は沈降し、加熱捕集部９のフィルタホルダ１１内部の微粒子捕集フィルタ１０に付着する。例えば、加熱捕集部９は、微粒子捕集フィルタ１０を、常時加熱している。加熱捕集部９は、捕集した微粒子を加熱し、気化させる。

加熱捕集部９は、例えば２００℃で微粒子を加熱する。加熱捕集部９の温度は収集する微粒子が気化できる温度であればよく、加熱捕集部９は、対象微粒子成分やガス成分によって変化させても良い。微粒子捕集フィルタ１０は、例えば、濾過精度１μｍのステンレス鋼線フィルタや焼結体フィルタを用いてもよい。

ユーザは、粒子捕集フィルタ１０をフィルタホルダから取り外すことができ、必要に応じて清掃して再利用したり、新品と交換したりすることができる。これらの、交換は手動で行うこともできるが、自動交換装置が粒子捕集フィルタ１０を交換してもよい。粒子捕集フィルタ１０は、粒径１μｍ以上の微粒子を捕捉できる濾過精度であれば良く。例えば、濾過精度１μｍ〜５０μｍのステンレス鋼線フィルタを用いることができる。

加熱捕集部９の微粒子捕集フィルタ１０の裏側の面に、検出配管１４が接続している。加熱された微粒子は気化し、検出配管１４を介して、イオン源部１７に吸引ポンプ１８で導入される。例えば、吸引ポンプ１８は２．０リットル／分の流量で吸引する。検出配管ヒータ１５は検出配管１４を加熱し、配管内部へのガスの吸着を防ぐ。

例えば、検出配管ヒータ１５は１８０℃で検出配管１４を加熱する。検出配管１４と検出配管ヒータ１５はできるだけ短くするか、これらを使用することなく加熱捕集部９とイオン源部１７を直接接続してもよい。検出配管１４には細メッシュ状フィルタ１６を設け、加熱捕集部９で気化されなかった微粒子でイオン源部１７が汚れることを防ぐ。

細メッシュ状フィルタ１６には、例えば、濾過精度１μｍのステンレス鋼線フィルタや焼結体フィルタを用いてもよい。ユーザは、細メッシュ状フィルタ１６を、必要に応じて清掃して再利用したり、新品と交換したりすることができる。

イオン源部１７は、負のコロナ放電または正のコロナ放電を用いた大気圧化学イオン化源である。イオンの生成方法は、放射線源による放射線照射、電子や光、レーザー光の照射、ペニング放電、グロー放電、バリア放電、エレクトロスプレー等、他の方法であってもよい。

本例は、イオン源によるイオン化を利用するが、イオン源を利用しない他の分析手法、例えば、ＧＣ（Ｇａｓ Ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ）やＬＣ（Ｌｉｑｕｉｄ ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ）、ＨＰＬＣ（Ｈｉｇｈ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｌｉｑｕｉｄ ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ）に直接導入した分析手法や、蛍光や赤外線、紫外線等の各種光源を利用した分析手法、従来の重量や粒子の計量による分析手法を用いてもよい。回転気流により微粒子を回転保持して濃縮することを利用していれば、気化成分のどのような分析手法を使用してもよい。

分析部１９は、イオン源部１７で試料から生成されたイオンの質量分析を行う。分析部１９として、例えば、ワイヤー方式リニアイオントラップ質量分析計を用いることができる。質量分析の方法として、リニアイオントラップ質量分析計、四重極イオントラップ質量分析計、四重極フィルタ質量分析計、三連四重極質量分析計、飛行時間型質量分析計、磁場型質量分析計、イオンモビリティ等を利用できる。分析部１９では、質量スペクトルを計測し、この質量スペクトルから微粒子の成分の同定や濃度を特定する。

図２は、本実施形態による微粒子分析の処理手順の一例を示すフローチャートである。まず、大容量吸引ポンプ８が吸引を開始すると、微粒子保持部７内部に、サイクロン現象である気体の回転運動が発生する（Ｓ１１）。

その後、流量制御部１２は、コントローラ１００からの指示に従い、微粒子保持部７内への流量を増加させ（例えば弁開度をゼロから予め定められている値に増加）、下部圧力を上昇させる（Ｓ１２）。これにより、微粒子保持部７内部おいて、所定粒径以上の微粒子が、回転運動しつつ保持される現象が発生する（Ｓ１３）。微粒子捕集部６は、大容量吸引ポンプ８の吸引により、検出対象物質であるガス及び／又は微粒子を含む空気を、吸引口２から吸引する（Ｓ１３１）。

微粒子保持部７は、吸入した空気内の浮遊微粒子の中で、特定の粒径サイズの微粒子（例えば粒径１μｍ以上の微粒子）を、微粒子保持部７内の空間で回転しつつ、保持する（Ｓ１４）。所定時間保持した後に、流量制御部１２は、コントローラ１００からの指示応じて、微粒子保持部７内への流量を減少させ（例えば弁開度をゼロに減少）、下部圧力を低下させる（Ｓ１５）。これにより、微粒子保持部７内に微粒子が保持される現象が止まる（Ｓ１６）。

回転して保持されていた特定の粒径サイズの微粒子が、略同時に微粒子保持部７の下部に向かって沈降し、加熱捕集部９の微粒子捕集フィルタ１０により捕集される。加熱捕集部９は、微粒子捕集フィルタ１０に付着した微粒子を加熱し、気化させる（Ｓ１７）。分析部１９は、気化された成分を分析する（Ｓ１８）。

発明者らは、本実施形態を適用した分析装置を使用して、軍用爆薬成分で代表的な物質であるトリニトロトルエンを実際に測定した。図３Ａ、図３Ｂは、当該分析装置の測定結果の一例を示す。図３Ａ、図３Ｂは、トリニトロトルエンの質量スペクトルの時間プロファイルを示す。

図３Ａは、流量制御部１２により圧力制御することなく、微粒子保持部７内において回転する微粒子を保持、濃縮しなかった測定の結果を示す。図３Ｂは、流量制御部１２により微粒子保持部７内の下部圧力を高め、微粒子保持部７内に微粒子を所定時間保持した測定の結果を示す。

使用した試料は、トリニトロトルエンが含まれる粒径２０〜３０μｍのシリカゲル微粒子であった。この試料のトリニトロトルエンの含有量は、０．１％であった。使用した試料は、約５０μｇであり、トリニトロトルエンの含有量は、約５０ｎｇであった。測定は、この試料を吸引口２に投入した。

微粒子保持部７は、吸引された微粒子を回転させつつ保持し、濃縮した。流量制御部１２の圧力制御（圧力低下）により、回転運動していた微粒子が加熱捕集部９に沈降した。加熱捕集部９が、微粒子を加熱、気化した。イオン源部１７は、加熱気化されたトリニトロトルエンをイオン化し、分析部１９が、負イオン検出により、イオン化された物質の質量を分析した。加熱捕集部９における微粒子捕集フィルタ１０の温度は２００℃、検出配管ヒータ１５、イオン源部１７の温度は１８０℃であった。

トリニトロトルエンの分子量（Ｍ）は２２７である。図３Ａ、図３Ｂは、質量電荷比ｍ／ｚ＝２２７の時間プロファイルを示す。図３Ａの測定結果は、トリニトロトルエンが含まれるシリカゲル微粒子の投入と同時に、微粒子保持部７で集められた微粒子が加熱捕集部９に到達し、信号として検出されていることを示している。

一方、図３Ｂの測定結果は、トリニトロトルエンが含まれるシリカゲル微粒子を投入後、流量制御部１２による流量制御で、微粒子保持部７の内部圧力が高められ、微粒子は微粒子保持部７内部で回転した状態で保持されたことを示している。

さらに、図３Ｂの測定結果は、約３０秒後に、流量制御部１２が内部圧力を下げたことで、微粒子保持部７内部に保持されていた微粒子が沈降し、加熱捕集部９に到達し、信号として検出されたことを示している。この測定結果が示すように、微粒子を保持できる時間は０．１秒以上であり、最大保持できる時間は微粒子保持部７の大きさで変わる。なお大容量吸引ポンプ８を停止させることで、微粒子沈降させてもよい。

図４Ａ、図４Ｂは、本実施形態の分析装置１を使用して測定した、異なる投入量に対するトリニトロトルエンの質量スペクトルの時間プロファイルの例を示す。図４Ａは、３回分の投入量の測定結果を示す。図４Ｂは、１０回分の投入量の測定結果を示す。試料には、トリニトロトルエンが含まれる粒径２０〜３０μｍのシリカゲル微粒子を使用し、トリニトロトルエンの含有量は０．１％であった。

３回分の投入量は、シリカゲル微粒子が約１５０μｇであり、トリニトロトルエンの含有量は約１５０ｎｇに相当した。１０回分の投入量は、シリカゲル微粒子が約５００μｇであり、トリニトロトルエンの含有量は約５００ｎｇに相当した。

本測定において、トリニトロトルエンが含まれるシリカゲル微粒子を投入後、流量制御部１２による流量制御で、微粒子保持部７の内部圧力が高められ、微粒子は微粒子保持部７内部で回転した状態で保持された。約３０秒後に、流量制御部１２が内部圧力を下げたことで、微粒子保持部７内部に保持されていた微粒子が沈降し、加熱捕集部９に到達し、信号として検出された。なお大容量吸引ポンプ８を停止させることで、微粒子沈降させてもよい。

図４Ａ、図４Ｂが示すように、投入量の増加に伴い、微粒子保持部７内部に保持される微粒子の量が増加した。このことから、流量制御部１２の流量制御（微粒子保持部７の内部圧力制御）によって、微粒子保持部７内部に微粒子が回転保持されていることが確かめられた。

このように、上記構成により、濃度が薄い試料において収集した微粒子から物質を適切に検出し、迅速またはリアルタイムに分析することができる。

図５は、本実施形態における分析装置の他の構成例を示す概略図である。本分析装置は、円筒状の微粒子保持部２１を備える。図１に示す構成との相違は、本分析装置の微粒子保持部２１の形状が、円錐状ではなく、円筒状であることである。

円筒状の微粒子保持部２１の中心軸は上下方向を向いており、中心軸に垂直な断面において、側壁の形状は正円（中心軸からの距離（半径）一定）である。設計によっては、正円と異なる円形でもよい。微粒子保持部２１の径は、上下方向のいずれの位置でも同一である。他の点は図１に示す構成と同様であり、その動作も同様である。

図６を参照して、本実施形態による流量制御部の動作で異なる粒径範囲の微粒子を個別に分析するシーケンスの一例を説明する。図６は、流量制御部１２の動作信号と、分析部１９の動作信号の変化を示す。

流量制御部１２の動作信号は、微粒子保持部２１への流量に対応する。動作信号の値が大きいほど微粒子保持部２１への流量が大きく、動作信号が０％であるとき、流量はゼロである。たとえば、流量制御部１２の動作信号は弁開度を表す。分析部１９に動作信号は、分析部１９が分析を行っているか否かを示す。動作信号がＯＮのとき、分析部１９は、加熱捕集部９からの物質を分析している。

流量制御部１２が１００％で動作している場合、微粒子保持部７内に、特定粒径以上の微粒子は回転運動して保持されている。微粒子保持部７内において微粒子が回転保持されているとき、粒径が大きい微粒子ほど微粒子保持部７内の上側で回転、保持される。サイクロン現象による微粒子の回転半径が下方に向かって小さくなり、外周側への加速度が大きくなるからである。この点は、円筒状の微粒子保持部２１においても同様である。

その後、流量制御部１２は１００％で動作している状態から６０％で動作している状態に変化にする。回転保持されている微粒子は、その保持位置が下方に移動する。特定の粒径以下の微粒子は、加熱捕集部９に沈降し、フィルタホルダ１１内の微粒子捕集フィルタ１０に付着する。分析部１９は、微粒子捕集フィルタ１０で加熱気化された物質を分析する。

分析部１９の分析が終了した後、流量制御部１２は６０％で動作している状態から３０％で動作している状態に変化にする。回転保持されている微粒子は、その保持位置が下方に移動する。特定の粒径以下の微粒子は、加熱捕集部９に沈降し、フィルタホルダ１１内の微粒子捕集フィルタ１０に付着する。分析部１９は、微粒子捕集フィルタ１０で加熱気化された物質を分析する。

分析部１９の分析が終了した後、流量制御部１２は３０％で動作している状態から０％で動作している状態に変化にする。回転保持されている全微粒子は加熱捕集部９に沈降し、フィルタホルダ１１内の微粒子捕集フィルタ１０に付着する。分析部１９は、微粒子捕集フィルタ１０で加熱気化された物質を分析する。

このように、流量制御部１２が段階的に微粒子保持部７への流量を低減し、下部圧力を段階的に小さくすることで、各段階において異なる粒径範囲の微粒子を加熱捕集部９で捕集することができ、分析部１９が、異なる粒径範囲の微粒子を個別に分析することができる。

図１を参照して説明した構成を有する分析装置１を使用して、図６に示す方法におる測定を行った。測定において、流量制御部１２が６０％で動作している状態において、加熱捕集部９において粒径約１〜５μｍの微粒子が検出された。流量制御部１２が３０％で動作している状態において、加熱捕集部９において粒径約５〜１０μｍの微粒子が検出された。流量制御部１２が０％で動作している状態において、加熱捕集部９において粒径約１０μｍ以上の微粒子が検出された。このように、流量制御部１２に制御された流量に応じて、異なる粒径範囲の微粒子を捕集することができた。
第２実施形態

以下、本発明の第２実施形態を説明する。本実施形態は、空気中の微粒子成分だけでなく、ガス成分を高感度に測定する方法の一例を示す。以下においては、主に、第１実施形態との相違点を説明する。図７は、本実施形態による、ガス成分分析の分析装置の一例を示す概略図である。屋内や屋外に設置して、空気中のガス及び／又は微粒子成分を収集する方法の実施例を示す。特に、本実施形態の分析装置は、ガス成分を高感度に測定できる。

微粒子捕集部６は、配管５の途中に、吸着剤となるシリカゲルを供給する供給部２０を有している。吸着剤としては、例えば、粒径２０〜３０μｍのシリカゲル微粒子を使用することができる。吸着剤は、ガス及び／又は微粒子成分を吸着できる材質であればよく、シリカゲル、ガラスビーズ、プラスチックビーズ、ゲル素材等を用いることができる。供給部２０は、配管５の途中とは異なる位置に配置されていてもよい。例えば、供給部２０は、吸引口２や微粒子捕集部６に配置されていてもよい。

シリカゲル微粒子は、第１実施形態において説明した分析対象微粒子と同様の動きを示す。流量制御部１２による微粒子保持部７内部の圧力制御により、供給部２０から供給され、大容量吸引ポンプ８で吸引された粒径１μｍ以上のシリカゲル微粒子は、すぐには沈降せずに、微粒子保持部７内を回転運動したまま保持される。

供給部２０から供給されたシリカゲル微粒子は、微粒子保持部７内を回転運動したまま保持される。その際、吸引された空気中のガス及び／又は微粒子が、シリカゲル微粒子に吸着され、シリカゲル微粒子において濃縮された状態で所定時間保持させる。

その後、流量制御部１２による微粒子保持部７内の下部圧力の調整により、微粒子保持部７内の中空で回転運動していたシリカゲル微粒子が沈降し、加熱捕集部９のフィルタホルダ１１内部の微粒子捕集フィルタ１０により捕集される。加熱捕集部９は、微粒子捕集フィルタ１０上のシリカゲル微粒子を加熱する。

加熱捕集部９における加熱温度は、例えば２００℃である。加熱捕集部９の温度は、収集するシリカゲル微粒子に吸着したが空気中のガス及び／又は微粒子が気化できる温度であれば良く、対象微粒子成分やガス成分によって変化させても良い。

粒子捕集フィルタ１０は、供給部２０から供給されたシリカゲル微粒子を捕捉できる濾過精度であればよい。例えば、濾過精度１μｍ〜５０μｍのステンレス鋼線フィルタや焼結体フィルタを使用することができる。

シリカゲル微粒子に吸着した空気中のガス及び／又は微粒子は加熱されて気化する。気化した試料は、検出配管１４を介して、イオン源部１７に吸引ポンプ１８で導入される。例えば、吸引ポンプ１８は２．０リットル／分の流量で吸引する。分析部１９は、質量スペクトルを計測し、この質量スペクトルからシリカゲル微粒子に吸着した空気中のガス及び／又は微粒子の成分を同定し、濃度を特定する。

図８は、本実施形態による成分分析の手順の一例を示す図である。大容量吸引ポンプ８が吸引を開始すると、微粒子保持部７内部に、サイクロン現象である気体の回転運動が発生する（Ｓ２１）。その後、流量制御部１２は、コントローラ１００からの指示に従い、微粒子保持部７内の下部圧力を上昇させる（Ｓ２２）。これにより、微粒子保持部７内部おいて、微粒子が、回転運動しつつ保持される現象が発生する（Ｓ２３）。微粒子捕集部６は、大容量吸引ポンプ８の吸引により、検出対象物質である空気中のガス及び／又は微粒子を吸引口２から吸引する（Ｓ２３１）。

供給部２０は、コントローラ１００からの指示に応じて、空気中のガス及び／又は微粒子を吸着させるためのシリカゲル微粒子を供給する（Ｓ２３２）。ステップＳ２３１とステップＳ２３２の順序は逆でも良い。

微粒子保持部７は、特定粒径以上、例えば、粒径１μｍ以上のシリカゲル微粒子を、微粒子保持部７内の空間で回転しつつ保持する。空気中のガス及び／又は微粒子は、微粒子保持部７内で回転、保持されているシリカゲルに吸着される（Ｓ２４）。

一定時間保持した後に、流量制御部１２は、コントローラ１００からの指示応じて、微粒子保持部７内の下部圧力を低下させる（Ｓ２５）。これにより、微粒子保持部７内でシリカゲル微粒子が保持される現象が止まる（Ｓ２６）。回転して保持されていた特定粒径以上のシリカゲル微粒子（例えば粒径１μｍ以上の微粒子）は、略同時に微粒子保持部７の下部に向かって沈降し、加熱捕集部９の微粒子捕集フィルタ１０により捕集される。加熱捕集部９は、微粒子捕集フィルタ１０に付着したシリカゲルを加熱し、吸着していたガス及び／又は微粒子を気化させる（Ｓ２７）。分析部１９は、気化された成分を分析する（Ｓ２８）。

以上にように、本実施形態は、空気中の微粒子成分だけでなくガス成分も適切に分析することができる。具体的には、本実施形態は、吸着微粒子を空間に回転保持している間にガス成分を吸着させ、濃縮した状態で沈降し、加熱気化する。これにより、極微量ガス成分の分析を迅速に行うことができる。
第３実施形態

以下、本発明の第３実施形態を説明する。本実施形態は、爆発物微粒子の探知を行う機能を内蔵したセキュリティゲートの一例を示す。図９は、本実施形態によるセキュリティゲートに内蔵させた分析装置の一例を示す概略図である。空港や駅、ビル、重要施設などに設置するセキュリティゲート５０に、本実施形態の分析装置が内蔵されている。

本実施形態の分析装置は、セキィリティゲート以外にも、駅の自動改札機、空港や船などの搭乗ゲート、手荷物検査場や預入荷物検査場のゲート、アミューズメント施設の入退場チケットゲート等に内蔵することもできる。

セキュリティゲート５０は、分析装置５１を内蔵している。分析装置５１は、認証面５３に近接された認証対象５２を認証する認証部５４を含む。認証対象５２は、例えばＩＣカード、携帯電話、チケットの他、手、指、目などの生体部分でもよく、社員証、臨時入退出カードでもよい。分析装置５１は、認証処理を行わなくてもよい。検査対象者は、認証のための動作を行うことなく、爆薬微粒子が付着していると考えられる手や携行品をかざす。

図９の例において、分析装置５１は、認証面５３に沿って気流を送る送気部５５を含む。送気部５５からの気流は、認証対象５２に付着した検出対象物質であるガス及び／又は微粒子を剥離させる。送気制御部５７は、送気部５５の流量あるいは流速、噴射圧力、温度、噴射時間、噴射タイミング等を制御する。

吸気部５６は、剥離した検出対象物質のガス及び／又は微粒子を吸引する。微粒子捕集部６０は、吸引した検出対象物質の微粒子（ガス吸着剤微粒子を含む）を、保持濃縮する。微粒子捕集部６０は、上記他の実施形態で説明した流量制御部（図９において不図示）の動作で、検出対象物質の微粒子の回転運動を維持しつつ、所定時間の間、濃縮された状態で保持する。微粒子捕集制御部６２は、微粒子捕集部６０における吸引の流量あるいは流速や温度、動作シーケンス等の動作を制御する。

微粒子捕集部６０内の中空で保持されていた検出対象微粒子は、流量制御部の動作で、沈降する。沈降した微粒子は、加熱、気化される。イオン源部６１は、気化されたガスをイオン化する。分析部６３は、イオン化された物質の質量を分析する。制御部６４は、イオン源部６１と分析部６３の、温度、電圧、動作シーケンスを制御して、質量スペクトルデータを取得する。

質量データベース部６６は、検出対象物質に由来する質量スペクトルデータを保持している。分析部６５は、分析部６３による試料の質量分析結果と質量データベース部６６に保持された質量スペクトルデータとを比較して、検出対象物質の有無を判定する。

表示部６７は、検出対象物質の有無及び／又は分析の結果を表示する。セキュリティゲート５０は、表示部６７の結果を元に、アラームの表示、ゲート閉鎖、監視センターへの表示、監視カメラによる記録、認証データの記録等を行う。

図１０は、本実施形態による、単体の分析部によって複数のサンプリング点でサンプリングされた試料を分析する一例を示す概略図である。屋内や屋外に設置された複数のサンプリング装置が、空気中のガス及び／又は微粒子成分を収集する。

分析装置は、第１サンプリング装置８１と第２のサンプリング装置１０１を含む。図１０が示す例は、２点のサンプリング点で空気中のガス及び／又は微粒子成分を収集するが、他の例は２点以上のサンプリング点で空気中のガス及び／又は微粒子成分を収集してもよい。

第１のサンプリング装置８１には、第１の吸引口８２と、吸引口８２に雨や虫などが入らないようにする第１のカバー８３が設けられている。第１のサンプリング装置８１は、検出対象物質である空気中のガス及び／又は微粒子は第１の吸引口８２から吸引する。第１の吸引口８２には、第１の粗メッシュ状フィルタ８４が設けられている。第１の粗メッシュ状フィルタ８４は、第１実施形態における粗メッシュ状フィルタ４と同様の構成でよい。吸引された空気中のガス及び／又は微粒子は、第１の配管８５を介して第１の微粒子捕集部８６に導入される。

一方、第２のサンプリング装置１０１は、第１のサンプリング装置８１とは、異なる場所でサンプリングを行う。第２のサンプリング装置１０１には、第２の吸引口１０２と雨や虫などが入らないようにする第２のカバー１０３が設けられている。検出対象物質である空気中のガス及び／又は微粒子は第２の吸引口１０２から吸引する。

第２の吸引口１０２には、第２の粗メッシュ状フィルタ１０４が設けられている。第２の粗メッシュ状フィルタ１０４の構造は、第１の粗メッシュ状フィルタ８４と同様でよい。吸引された空気中のガス及び／又は微粒子は、第２の配管１０５を介して第２の微粒子捕集部１０６に導入される。

第１の微粒子捕集部８６は、略円錐状の第１の微粒子保持部８７、第１の大容量吸引ポンプ８８、第１の加熱捕集部８９、第１の微粒子捕集フィルタ９０、第１のフィルタホルダ９１、第１の流量制御部９２、第１の吸着防止器９３を有する。第１の微粒子捕集部８６は、実施の形態１における微粒子捕集部６と同様に動作し、例えばサイクロン現象によって回転運動する粒径１μｍ以上の微粒子を、第１の微粒子保持部８７内の中空で保持、濃縮する。

第２の微粒子捕集部１０６は、略円錐状の第２の微粒子保持部１０７、第２の大容量吸引ポンプ１０８、第２の加熱捕集部１０９、第２の微粒子捕集フィルタ１１０、第２のフィルタホルダ１１１、第２の流量制御部１１２、第２の吸着防止器１１３を有する。第２の微粒子捕集部１０６は、実施の形態１における微粒子捕集部６と同様に動作し、サイクロン現象によって回転運動する特定粒径（例えば１μｍ以上）の微粒子を、第２の微粒子保持部１０７内の中空で保持、濃縮する。第１の微粒子捕集部８６及び第２の微粒子捕集部１０６は、共通の大容量吸引ポンプを使用してもよい。

第１の流量制御部９２と第２の流量制御部１１２は、それぞれ、第１の微粒子保持部８７と第２の微粒子保持部１０７に回転運動したまま保持された微粒子の沈降を制御することができる。

具体的には、第１の流量制御部９２が第１の微粒子保持部８７内の下部圧力を下げると、第１の微粒子保持部８７で回転運動していた粒径１μｍ以上の微粒子は沈降する。第１の加熱捕集部８９の第１のフィルタホルダ９１内部の第１の微粒子捕集フィルタ９０は、沈降した微粒子を捕集する。第１の加熱捕集部８９は、第１の微粒子捕集フィルタ９０の微粒子を加熱する。

加熱されて微粒子から物質が気化し、気化した物質は、第１の検出配管９４を介して、イオン源部１７に吸引ポンプ１８で導入される。イオン源部１７は、導入された物質からイオンを生成し、分析部１９は、イオンの質量を分析する。分析部１９は、質量スペクトルを計測して、微粒子の成分を同定し、濃度を特定する。

第１の流量制御部９２の動作信号を、分析開始の第１のトリガとして参照することで、分析部１９は、分析した試料が第１の微粒子保持部８７で保持された微粒子から得られたものであることを特定できる。第１の流量制御部９２と分析部１９の動作タイミングは、図１２を参照して後述する。

同様に、第２の流量制御部１１２が第２の微粒子保持部１０７内の下部圧力を下げると、第２の微粒子保持部１０７で回転運動していた粒径１μｍ以上の微粒子は沈降する。第２の加熱捕集部１０９の第２のフィルタホルダ１１１内部の第２の微粒子捕集フィルタ１１０は、沈降した微粒子を捕集する。第２の加熱捕集部１０９は、第２の微粒子捕集フィルタ１１０の微粒子を加熱する。

加熱されて微粒子から物質が気化し、気化した物質は、第２の検出配管１１４を介して、第１のサンプリング装置８１にあるイオン源部１７に吸引ポンプ１８で導入される。イオン源部１７は、導入された物質からイオンを生成し、分析部１９は、イオンの質量を分析する。分析部１９は、質量スペクトルを計測して、微粒子の成分を同定し、濃度を特定する。

第２の流量制御部１１２の動作信号を、分析開始の第２のトリガとして参照することで、分析部１９は、分析した試料が第２の微粒子保持部１０７で保持された微粒子から得られたものであることを特定できる。第２の流量制御部１１２と分析部１９の動作タイミングは、図１２を参照して後述する。

本構成は、第１の流量制御部９２と第２の流量制御部１１２の動作信号で微粒子分析の切り替えを行うので、バルブによる切り替えのような機構による切り替えが不要であり、バルブ内部への試料の吸着の影響を避けることができる。

図１１は、本実施形態に係る、単体の分析部によって複数のサンプリング点で収集された試料を分析する処理例を示すフローチャートである。第１の大容量吸引ポンプ８８が吸引を開始すると、第１の微粒子保持部８７内に、サイクロン現象である気体の回転運動が発生する（Ｓ３１）。その後、第１の流量制御部９２は、コントローラ１００からの指示に従い、第１の微粒子保持部８７内の下部圧力を上昇させる（Ｓ３２）。これにより、第１の微粒子保持部８７内おいて、所定粒径以上の微粒子が、回転運動しつつ保持される現象が発生する（Ｓ３３）。

第１の微粒子捕集部８６は、第１の大容量吸引ポンプ８８の吸引により、検出対象物質であるガス及び／又は微粒子を含む空気を、第１の吸引口８２から吸引する（Ｓ３３１）。浮遊微粒子の中で特定の粒径サイズの微粒子（例えば粒径１μｍ以上の微粒子）が第１の微粒子保持部８７内部の空間に回転し保持される（Ｓ３４）。所定時間保持した後に、第１の流量制御部９２は、コントローラ１００からの指示応じて、第１の微粒子保持部８７内の下部圧力を低下させる（Ｓ３５）。これにより、第１の微粒子保持部８７内に微粒子が保持される現象が止まる（Ｓ３６）。

回転して保持されていた特定の粒径サイズの微粒子（例えば粒径１μｍ以上の微粒子）が、略同時に第１の微粒子保持部８７の下部に向かって沈降し、第１の加熱捕集部８９の第１の微粒子捕集フィルタ９０により捕集される。第１の加熱捕集部８９は、第１の微粒子捕集フィルタ９０に付着した微粒子を加熱し、気化させる。（Ｓ３７）。分析部１９は、気化された成分を分析する（Ｓ３８）。

一方、第２の大容量吸引ポンプ１０８が吸引を開始すると、第２の微粒子保持部１０７内に、サイクロン現象である気体の回転運動が発生する（Ｓ４１）。その後、第２の流量制御部１１２は、コントローラ１００からの指示に従い、第２の微粒子保持部１０７内の下部圧力を上昇させる（Ｓ４２）。これにより、第２の微粒子保持部１０７内おいて、所定粒径以上の微粒子が、回転運動しつつ保持される現象が発生する（Ｓ４３）。

第２の微粒子捕集部１０６は、第２の大容量吸引ポンプ１０８の吸引により、検出対象物質であるガス及び／又は微粒子を含む空気を、第２の吸引口１０２から吸引する（Ｓ４４１）。浮遊微粒子の中で特定の粒径サイズの微粒子（例えば粒径１μｍ以上の微粒子）が第２の微粒子保持部１０７内の空間に回転し保持される（Ｓ４４）。

所定時間保持した後に、第２の流量制御部１１２は、コントローラ１００からの指示応じて、第２の微粒子保持部１０７内の下部圧力を低下させる（Ｓ４５）。これにより、第２の微粒子保持部１０７内に微粒子が保持される現象が止まる（Ｓ４６）。

回転して保持されていた特定の粒径サイズの微粒子（例えば粒径１μｍ以上の微粒子）が、略同時に第２の微粒子保持部１０７の下部に向かって沈降し、第２の加熱捕集部１０９の第２の微粒子捕集フィルタ１１０により捕集される。第２の加熱捕集部１０９は、第２の微粒子捕集フィルタ１１０に付着した微粒子を加熱し、気化させる。（Ｓ４７）。分析部１９は、気化された成分を分析する（Ｓ３８）。

分析部１９は、第１の流量制御部９２の第１のトリガ（Ｓ３５）と、第２の流量制御部１１２の第２のトリガ（Ｓ４５）に応じて、分析を行う。これにより、分析部１９は、分析している信号が、第１のサンプリング装置８１と第２のサンプリング装置１０１のいずれで捕集された微粒子からの信号であるか特定することができる。

図１２は、本実施形態に係る単体の分析部が、複数のサンプリング点を分析するシーケンスの一例を示す図である。図１２は、第１のサンプリング装置８１の第１の流量制御部９２の動作信号、第２のサンプリング装置１０１の第２の流量制御部１１２の動作信号、そして、分析部１９の動作信号を示す。

動作信号は、当該要素の動作状態を示す信号である。第１及び第２の流量制御部９２、１１２の動作信号は、第１及び第２の流量制御部９２、１１２からまたはコントローラ１００から分析部１９に送信される。

第１の流量制御部９２の動作信号がＯＮのとき、第１の流量制御部９２は、第１の微粒子保持部８７内で高い下部圧力を維持している。この期間において、第１の微粒子保持部８７内に微粒子が回転保持されている。第１の流量制御部９２の動作信号がＯＦＦのとき、第１の流量制御部９２は、第１の微粒子保持部８７内で低い下部圧力を維持している。

第１の流量制御部９２の動作信号がＯＮからＯＦＦになると、第１の微粒子保持部８７内に回転保持されていた微粒子が第１の微粒子捕集フィルタ９０に沈降する。分析部１９は、第１の流量制御部９２の動作信号がＯＦＦになってから所定時間（ゼロを含む）経過すると分析を開始し（分析部１９の動作信号がＯＮ）、所定時間経過後に分析を終了する（分析部１９の動作信号がＯＦＦ）。分析部１９は、第１の微粒子捕集フィルタ９０で加熱、気化された試料を分析することができる。

分析部１９が、第１の微粒子捕集フィルタ９０からの気化試料を分析している間に、第２の流量制御部１１２の動作信号がＯＮである。第２の流量制御部１１２の動作信号は、当該分析開始前または後にＯＮになる。第２の流量制御部１１２の動作信号がＯＮの間、第２の微粒子保持部１０７内に微粒子が回転保持されている。

分析部１９の動作信号がＯＦＦになってから所定時間（ゼロを含む）経過後、第２の流量制御部１１２の動作信号がＯＦＦに変化する。第２の微粒子保持部１０７内部に回転保持されていた微粒子が沈降し、第２の微粒子捕集フィルタ１１０に付着する。

分析部１９は、第２の流量制御部１１２の動作信号がＯＦＦになってから所定時間（ゼロを含む）経過すると分析を開始し（分析部１９の動作信号がＯＮ）、所定時間経過後に分析を終了する（分析部１９の動作信号がＯＦＦ）。分析部１９は、第２の微粒子捕集フィルタ１１０で加熱、気化された物質を分析することができる。

分析部１９が第２の微粒子捕集フィルタ１１０で加熱、気化された試料を分析している間、第１の流量制御部９２の動作信号はＯＮである。第１の流量制御部９２の動作信号は、当該分析の開始前または後にＯＮになる。

第１の流量制御部９２、第２の流量制御部１１２、分析部１９は、これら動作を繰り返すことで、第１のサンプリング装置８１でサンプリングされた試料と、第２のサンプリング装置１０１でサンプリングされた試料を、交互に測定、分析することができる。本構成によれば、単一の分析部が複数のサンプリング点でサンプリングされた試料を個別に分析することができ、分析装置の構成要素を低減できる。

この例は、二つのサンプリング点でサンプリングされた試料を交互に測定するが、他の例は、第１のサンプリング装置８１で捕集された試料を複数回分析し、その後に、第２のサンプリング装置１０１を複数回分析してもよい。分析部１９は、サンプリング装置のための複数回の分析を交互に繰り返す。また、第１のサンプリング装置８１で微粒子を保持している時間と重なる時間において、第２のサンプリング装置１０１が微粒子を保持してもよい。これら装置の保持時間が、異なってもよい。

このように、第１の流量制御部９２及び第２の流量制御部１１２は、それぞれ、異なる時間に微粒子を、第１の微粒子捕集フィルタ９０及び第２の微粒子捕集フィルタ１１０に沈降させる。分析部１９は、異なる時間に、第１の微粒子捕集フィルタ９０及び第２の微粒子捕集フィルタ１１０からの物質を個別に分析する。二つのサンプリング装置間において、微粒子の沈降から分析終了までの時間が異なり、一つ分析部１９が二つのサンプリング装置からの物質を個別に分析できる。

図１３は、本実施形態に係る、セキュリティゲートに内蔵された単体の分析部が、２台の一方通行セキィリティゲートでサンプリングされた試料を分析する構成例を示す。図１３は、セキュリティゲートに爆発物微粒子の探知を行う機能を内蔵し、単体の分析部を使用して、２台のセキュリティゲートを運用した一例を示す。

図１３は、セキィリティゲートを上から見た構成を示す。第１のセキィリティゲート１２０と第２のセキュリティゲート１２１が存在している。第１及第２のセキュリティゲート１２０、１２１は一方通行であり、その方向も一致している。図１３において、下側が入口、上側が出口である。

第１のセキィリティゲート１２０は、第１の認証面１２６が搭載されている第１の主機１２２と、人が通過するのを認識するためのセンサ類が搭載されている第１の補機１２３を含む。第２のセキィリティゲート１２１も、同様に第２の認証面１２７が搭載される第２の主機１２４と、第２の補機１２５を含む。

第１の主機１２２は、第１の認証面１２６、第１の送気部１２８、第１の吸気部１２９、第１の微粒子捕集部１３０、イオン源部６１、分析部６３を含む。図示していないが、各部の動作を制御するコントローラも含まれる。第２の主機１２４は、第２の認証面１２７、第２の送気部１３１、第２の吸気部１３２、第２の微粒子捕集部１３３を含む。

第１の微粒子捕集部１３０と第２の微粒子捕集部１３３は、検出配管１４を介して、イオン源部６１及び分析部６３に接続する。検出配管１４は、床下など、人の通過を阻害しない位置に設置される。検出配管ヒータ１５は検出配管１４を加熱し、検出配管１４内部へのガスの吸着を防ぐ。例えば、検出配管ヒータ１５は１８０℃に検出配管１４を加熱する。

通過者は、第１のセキィリティゲート１２０で、第１の認証面１２６に、例えば、ＩＣカード、入退出カード、社員証、搭乗券、入退場チケット等のカードを近接させる。爆薬微粒子は、これらの物に付着している可能性が高い。なお、通過者は、認証を行うことなく、爆薬微粒子が付着していると考えられる手や携行品を、認証面１２６の位置にかざすだけでもよい。

第１の送気部１２８は、第１の認証面１２６に沿って気流を送り、第１の認証面１２６にかざされた物に付着した検出対象物質であるガス及び／又は微粒子を剥離させる。第１の吸気部１２９は、剥離した検出対象物質のガス及び／又は微粒子を吸引する。吸引した検出対象物質の微粒子（ガス吸着剤微粒子を含む）は、第１の微粒子捕集部１３０で保持濃縮される。第１の微粒子捕集部１３０は、図１０を参照して説明した構成において、第１の微粒子捕集部８６と同様に動作する。

第１の微粒子捕集部１３０は、不図示の流量制御部の動作で、検出対象物質の微粒子の回転運動したまま、所定時間の間、検出対象物質の微粒子を濃縮された状態で保持する。第１の微粒子捕集部１３０で保持されている微粒子は、流量制御部の動作で沈降し、フィルタに捕集される。フィルタ上の微粒子は加熱され、試料が気化する。

イオン源部６１は、加熱され気化した試料をイオン化する。分析部６３が、イオン化された試料の質量を分析する。ユーザ又は分析部６５は、この質量分析結果から、検出対象物質の有無、検出物質の同定等を行う。

第２のセキュリティゲート１２１でも、第２の送気部１３１は、第２の認証面１２７に沿って気流を送り、第２の認証面１２７にかざされた物に付着した検出対象物質であるガス及び／又は微粒子を剥離させる。第２の吸気部１３２は、剥離した検出対象物質のガス及び／又は微粒子を吸引する。

吸引した検出対象物質の微粒子（ガス吸着剤微粒子を含む）は、第２の微粒子捕集部１３３で保持濃縮される。第２の微粒子捕集部１３３は、図１０を参照して説明した構成において、第２の微粒子捕集部１０６と同様に動作する。

第２の微粒子捕集部１３３は、不図示の流量制御部の動作で、検出対象物質の微粒子の回転運動したまま、所定時間の間、検出対象物質の微粒子を濃縮された状態で保持する。第２の微粒子捕集部１３３で保持されている微粒子は、流量制御部の動作で沈降し、フィルタに捕集される。フィルタ上の微粒子は加熱され、試料が気化する。

イオン源部６１は、加熱され気化した試料をイオン化する。分析部６３が、イオン化された試料の質量を分析する。ユーザ又は分析部６５は、この質量分析結果から、検出対象物質の有無、検出物質の同定等を行う。

図１０から図１２を参照して説明したように、分析部６５は、第１及び第２の微粒子捕集部１３０、１３３の流量制御部の動作信号に応じて、分析を開始、終了する。具体的には、分析部６５は、第１の微粒子捕集部１３０と第２の微粒子捕集部１３３において流量制御部の動作で保持された微粒子が沈降するタイミングを、分析開始のトリガとして使用する。

第１及び第２の微粒子捕集部１３０、１３３の間において、微粒子が沈降するタイミング、及び、分析部６５が微粒子の分析を行う時間が異なる。分析部６５は、第１のセキィリティゲート１２０と第２のセキュリティゲート１２１で収集された試料を個別に分析することができ、さらに、分析対象が収集されたセキュリティゲートを同定できる。

図１４は、本実施形態の他のセキュリティゲート構成を示す。以下において、図１３に示す構成との相違点を説明する。本構成の第２のセキィリティゲート１２１の向き及び通行方向は、図１３に示す構成のセキィリティゲート１２１と逆である。第２の主機１２４は、第１の主機１２２に隣接して設置されており、検出配管１４は、例えば、第１及び第２のセキュリティゲート１２０、１２１の筐体内で配管されている。検出対象物質の収集及び分析のための、第１及び第２のセキュリティゲート１２０、１２１の各構成要素の動作は、図１３の構成と同様である。

図１５は、本実施形態の他のセキュリティゲート構成を示す。以下において、図１３に示す構成との相違点を説明する。図１５の構成において、第２のセキュリティゲートは双方向通行である。第２のセキィリティゲート１２１の第２の補機１２５は、第３の認証面１３４を有する。第２の補機１２５は、さらに、第３の送気部１３５、第３の吸気部１３６、第３の微粒子捕集部１３７を含む。第１の微粒子捕集部１３０と第２の微粒子捕集部１３３、第３の微粒子捕集部１３７は、検出配管１４でイオン源部６１と分析部６３に接続している。

第２のセキュリティゲート１２１において、第３の送気部１３５は、第３の認証面１３４に沿って気流を送り、第３の認証面１３４にかざされた物に付着した検出対象物質であるガス及び／又は微粒子を剥離させる。第３の吸気部１３６は、剥離した検出対象物質のガス及び／又は微粒子を吸引する。

吸引された検出対象物質の微粒子は第３の微粒子捕集部１３７で保持濃縮される。第３の微粒子捕集部１３７は、例えば、第２の微粒子捕集部１３３と同様の構成を有し、同様に動作する。第３の微粒子捕集部１３７で捕集した検出対象物質は加熱気化され、イオン源部６１でイオン化された後、イオンは分析部６３により分析される。

分析部６５は、第１、第２、第３の微粒子捕集部１３０、１３３、１３７の流量制御部の動作信号に応じて、分析を開始、終了する。具体的には、分析部６５は、第１、第２、第３の微粒子捕集部１３０、１３３、１３７において流量制御部の動作で保持された微粒子が沈降するタイミングを、分析開始のトリガとして使用する。

第１、第２、第３の微粒子捕集部１３０、１３３、１３７の間において、微粒子が沈降するタイミング、及び、分析部６５が微粒子の分析を行う時間が異なる。分析部６５は、異なるセキュリティゲートで収集された試料を個別に分析することができ、さらに、分析対象が収集されたセキュリティゲートを同定できる。

図１６は、本実施形態の他のセキュリティゲート構成を示す。以下において、図１５に示す構成との相違点を説明する。第１のセキィリティゲート１２０は双方向通行である。第１の補機１２３は、第４の認証面１３８を有する。第１の補機１２３は、さらに、第４の送気部１３９、第４の吸気部１４０、第４の微粒子捕集部１４１を有する。第４の微粒子捕集部１４１は、検出配管１４でイオン源部６１と分析部６３に接続している。

第１のセキュリティゲート１２１において、第４の吸気部１４０は、第４の認証面１３８に沿って気流を送り、第４の認証面１３８にかざされた物に付着した検出対象物質であるガス及び／又は微粒子を剥離させる。第４の吸気部１４０は、剥離した検出対象物質のガス及び／又は微粒子を吸引する。

吸引された検出対象物質の微粒子は第４の微粒子捕集部１４１で保持濃縮される。第４の微粒子捕集部１４１は、例えば、第１の微粒子捕集部１３０と同様の構成を有し、同様に動作する。第４の微粒子捕集部１４１で捕集した検出対象物質は加熱気化され、イオン源部６１でイオン化された後、イオンは分析部６３により分析される。

分析部６５は、第１から第４の微粒子捕集部１３０、１３３、１３７、１４１の流量制御部の動作信号に応じて、分析を開始、終了する。具体的には、分析部６５は、第１から第４の微粒子捕集部１３０、１３３、１３７、１４１において流量制御部の動作で保持された微粒子が沈降するタイミングを、分析開始のトリガとして使用する。

第１から第４の微粒子捕集部１３０、１３３、１３７、１４１の間において、微粒子が沈降するタイミング、及び、分析部６５が微粒子の分析を行う時間が異なる。分析部６５は、異なるセキュリティゲートで収集された試料を個別に分析することができ、さらに、分析対象が収集されたセキュリティゲートを同定できる。
第４実施形態

以下、本発明の第４実施形態を説明する。本実施形態では、微粒子捕集部において複数の微粒子保持部を利用して微粒子を捕集する。これにより、保持捕集する検出対象物質の微粒子の粒径をコントロールすることができる。以下においては、第１実施形態との差異を主に説明する。

図１７は、本実施形態による、二つの微粒子保持部を使用する分析装置の構成例を示す。微粒子保持部３１、３２の分離限界粒径が異なる。微粒子保持部３２の分離限界粒径は、微粒子保持部３１の分離限界粒径よりも小さい。微粒子保持部３２は、微粒子保持部３１よりも小さい粒径の微粒子を、捕集することができる。

図１７の例において、大回転微粒子保持部３１及び小回転微粒子保持部３２は、略円錐状である。大回転微粒子保持部３１におけるサイクロン現象で分離される微粒子の回転最大半径は、小回転微粒子保持部３２におけるサイクロン現象による回転最大半径よりも大きい。大容量吸引ポンプ８は、小回転微粒子保持部３２と大回転微粒子保持部３１の両方を吸引する。

図１７の例において、吸引口２から大容量吸引ポンプ８の間において、大回転微粒子保持部３１と小回転微粒子保持部３２とは直列に接続している。吸引配管８０２は、大回転微粒子保持部３１の頂部と小回転微粒子保持部３２の側壁に接続する。大容量吸引ポンプ８は、小回転微粒子保持部３２を介して、大回転微粒子保持部３１を吸引する。吸引配管８０２は、大回転微粒子保持部３１内を吸引してサイクロン現象を引き起こすと共に、小回転微粒子保持部３２に試料を供給する。

吸引口２から吸引された空気中のガス及び／又は微粒子は、配管５を介して大回転微粒子保持部３１に導入される。大回転微粒子保持部３１に対して、大回転加熱捕集部３３、大回転微粒子捕集フィルタ３４、大回転フィルタホルダ３５、大回転流量制御部３６、吸着防止器１３が設けられている。

大回転微粒子保持部３１の回転最大半径が大きいため、大回転微粒子保持部３１は、粒径が大きい微粒子を回転保持する。大回転微粒子保持部３１内でサイクロン現象が起こり、例えば、粒径１０μｍ以上の微粒子は、大回転微粒子保持部３１内で、回転運動する。

大回転流量制御部３６は、大回転微粒子保持部３１内の下部圧力を制御し、粒径１０μｍ以上の微粒子を沈降させることなく、大回転微粒子保持部３１内の中空で維持する。粒径１０μｍ以上の微粒子は、大回転微粒子保持部３１内で回転運動したまま、保持濃縮される。

一方、粒径１０μｍ未満の微粒子は、大回転微粒子保持部３１の頂部から吸引配管８０２を介して排出され、小回転微粒子保持部３２内に導入される。小回転微粒子保持部３２に対して、小回転加熱捕集部３７、小回転微粒子捕集フィルタ３８、小回転フィルタホルダ３９、小回転流量制御部４０、吸着防止器１３が設けられている。

小回転微粒子保持部３２における回転最大半径が小さいため、より粒径が小さい微粒子が回転保持される。例えば、粒径１μｍ以上の微粒子は、小回転微粒子保持部３２内を回転運動する。もし、粒径１０μｍ以上の全微粒子が大回転微粒子保持部３１で捕集されていれば、粒径１μｍ以上、１０μｍ未満の微粒子が、小回転微粒子保持部３２内を回転運動する。

小回転流量制御部４０は、小回転微粒子保持部３２内の下部圧力を調整し、粒径１μｍ以上の微粒子を沈降させることなく、小回転微粒子保持部３２内で回転させる。粒径１μｍ以上の微粒子は、回転運動したまま、小回転微粒子保持部３２内の空中で保持濃縮される。粒径１μｍ未満の微粒子は小回転微粒子保持部３２内に保持されずに、大容量吸引ポンプ８で排出される。

大回転流量制御部３６は、大回転微粒子保持部３１内で回転運動したまま保持された微粒子の沈降を制御することができる。同様に、小回転流量制御部４０は、小回転微粒子保持部３２内で回転運動したまま保持された微粒子の沈降を制御することができる。

具体的には、大回転流量制御部３６は、大回転微粒子保持部３１内の下部圧力を小さくして、保持濃縮された粒径１０μｍ以上の微粒子を沈降させる。粒径１０μｍ以上の微粒子は、大回転加熱捕集部３３の大回転フィルタホルダ３５内部の大回転微粒子捕集フィルタ３４に付着する。大回転加熱捕集部３３は、大回転微粒子捕集フィルタ３４上の微粒子を加熱し、気化させる。

大回転微粒子捕集フィルタ３４の裏側の面には検出配管１４が接続している。加熱され気化した試料は、検出配管１４を介して、イオン源部１７に吸引ポンプ１８で導入される。分析部１９は、イオン源部１７により試料から生成されたイオンの質量を分析する。分析部１９は、質量スペクトルを計測し、この質量スペクトルから微粒子の成分の同定し、濃度を特定する。

例えば、分析部１９は、大回転流量制御部３６の動作信号をトリガとして、分析を開始する。具体的には、分析部１９は大回転流量制御部３６の動作信号を監視し、大回転流量制御部３６が、微粒子沈降のために流量を小さくしたことを検出すると、分析を開始する。このように、分析部１９は、大回転流量制御部３６の動作信号により、分析している物質が大回転微粒子保持部３１で保持された微粒子からの物質であること特定できる。

コントローラ１００は、大回転流量制御部３６を制御しまたは大回転流量制御部３６の動作信号を監視し、その制御に応じて、分析部１９に分析を指示してもよい。分析部１９は、コントローラ１００からの指示により、分析している物質が大回転微粒子保持部３１で保持された微粒子からの物質であること特定できる。

一方、小回転微粒子保持部３２において回転運動し、保持濃縮された粒径１〜１０μｍの微粒子は、小回転流量制御部４０による小回転微粒子保持部３２内の下部圧力制御により沈降する。小回転加熱捕集部３７の小回転フィルタホルダ３９内部の小回転微粒子捕集フィルタ３８は、粒径１〜１０μｍの微粒子を捕集する。小回転加熱捕集部３７は、小回転微粒子捕集フィルタ３８上の微粒子を加熱し、気化させる。気化した試料は、検出配管１４を介して、イオン源部１７に吸引ポンプ１８で導入される。

小回転流量制御部４０は、大回転流量制御部３６が流量を低減してから、予め定められた時間が経過した後に、流量を低減し、小回転微粒子保持部３２内の下部圧力を小さくする。これにより、分析部１９は、異なる粒径微粒子からの物質を個別に分析することができる。

分析部１９は、大回転微粒子保持部３１で保持された微粒子の分析と同様に、小回転微粒子保持部３２で保持された微粒子を分析する。分析部１９は、小回転流量制御部４０の動作信号をトリガとしてまたはコントローラ１００はからの指示に応じて分析を開始する。これにより、分析部１９は、分析した物質が小回転微粒子保持部３２で保持された微粒子からの物質であること特定できる。

本実施形態によれば、空気中の異なる微粒子を分離し、個別に気化、分析することができる。上記例は、異なる粒径範囲の微粒子を異なる微粒子保持部で分離し、個別に分析するが、同様の手法を、吸着剤微粒子を使用したガスの分析に適用することができる。例えば、分析装置１は、分析対象の異なる種類のガスに対して異なる種類の吸着剤微粒子を用意する。さらに、異なる吸着剤微粒子の粒径が異なる。第２実施形態で説明した供給部２０は、上記複数種類の吸着剤微粒子を供給する。

大回転微粒子保持部３１は大きい粒径の吸着剤微粒子を分離し、小回転微粒子保持部３２は小さい粒径の吸着剤微粒子を分離する。上記例と同様に、分析部１９は、異なる種類の吸着剤微粒子に吸着されたガス又は微粒子を、個別に分析する。

直列に接続される微粒子保持部の段数は、３以上でもよい。直列に接続された微粒子保持部の分離限界粒径が異なっていれば、構成上のいずれの値が微粒子保持部間で異なっていてもよい。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明したすべての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１ 分析装置、２ 吸引口、３ カバー、４ 粗メッシュ状フィルタ、５ 配管、６ 微粒子捕集部、７ 微粒子保持部、８ 大容量吸引ポンプ、９ 加熱捕集部、１０ 微粒子捕集フィルタ、１１ フィルタホルダ、１２ 流量制御部、１３ 吸着防止器、１４ 検出配管、１５ 検出配管ヒータ、１６ 細メッシュ状フィルタ、１７ イオン源部、１８ 吸引ポンプ、１９ 分析部、２０ 供給部、２１ 微粒子保持部、３１ 大回転微粒子保持部、３２ 小回転微粒子保持部、３３ 大回転加熱捕集部、３４ 大回転微粒子捕集フィルタ、３５ 大回転フィルタホルダ、３６ 大回転流量制御部、３７ 小回転加熱捕集部、３８ 小回転微粒子捕集フィルタ、３９ 小回転フィルタホルダ、４０ 小回転流量制御部、５０ セキィリティゲート、５１ 分析装置、５２ 認証対象、５３ 認証面、５４ 認証部、５５ 送気部、５６ 吸気部、５７ 送気制御部、６０ 微粒子捕集部、６１ イオン源部、６２ 微粒子捕集制御部、６３ 分析部、６４ 制御部、６５ 判定部、６６ 質量データベース部、６７ 表示部、８１ 第１のサンプリング装置、８２ 第１の吸引口、８３ 第１のカバー、８４ 第１の粗メッシュ状フィルタ、８５ 第１の配管、８６ 第１の微粒子捕集部、８７ 第１の微粒子保持部、８８ 第１の大容量吸引ポンプ、８９ 第１の加熱捕集部、９０ 第１の微粒子捕集フィルタ、９１ 第１のフィルタホルダ、９２ 第１の流量制御部、９３ 第１の吸着防止器、９４ 第１の検出配管、１００ コントローラ、１０１ 第２のサンプリング装置、１０２ 第２の吸引口、１０３ 第２のカバー、１０４ 第２の粗メッシュ状フィルタ、１０５ 第２の配管、１０６ 第２の微粒子捕集部、１０７ 第２の微粒子保持部、１０８ 第２の大容量吸引ポンプ、１０９ 第２の加熱捕集部、１１０ 第２の微粒子捕集フィルタ、１１１ 第２のフィルタホルダ、１１２ 第２の流量制御部、１１３ 第２の吸着防止器、１１４ 第２の検出配管、１２０ 第１のセキィリティゲート、１２１ 第２のセキュリティゲート、１２２ 第１の主機、１２３ 第１の補機、１２４ 第２の主機、１２５ 第２の補機、１２６ 第１の認証面、１２７ 第２の認証面、１２８ 第１の送気部、１２９ 第１の吸気部、１３０ 第１の微粒子捕集部、１３１ 第２の送気部、１３２ 第２の吸気部、１３３ 第２の微粒子捕集部、１３４ 第３の認証面、１３５ 第３の送気部、１３６ 第３の吸気部、１３７ 第３の微粒子捕集部、１３８ 第４の認証面、１３９ 第４の送気部、１４０ 第４の吸気部、１４１ 第４の微粒子捕集部、８０１、８０２ 吸引配管

Claims (8)

1. 筒状の微粒子保持部と
   前記微粒子保持部の上部から吸引し、前記微粒子保持部内においてサイクロン現象を発生させる吸引配管と、
   前記微粒子保持部の側面に接続して微粒子を含む試料を供給する、供給配管と、
   前記微粒子保持部の下部に接続し前記微粒子保持部内への気体流量を制御して、回転運動する前記微粒子を前記微粒子保持部内において所定時間保持した後に沈降させる、流量制御部と、
   沈降した前記微粒子を捕集し加熱する、加熱捕集部と、
   前記加熱捕集部に配管を介して接続し、前記加熱捕集部による加熱により前記微粒子から気化した物質を分析する分析部と、を含む、物質の分析装置。
2. 請求項１に記載の分析装置であって、
   前記微粒子保持部に分析対象の物質を吸着する吸着剤微粒子を供給する供給部をさらに含み、
   前記試料に含まれる前記微粒子は、前記吸着剤微粒子であり、
   前記加熱捕集部は、前記捕集した吸着剤微粒子から、前記分析対象を含む物質を気化させる、分析装置。
3. 請求項１または２に記載の分析装置であって、
   前記流量制御部は、段階的に前記微粒子保持部内への気体流量を小さくし、
   前記分析部は、前記気体流量の複数段階の各段階において、前記加熱捕集部に沈降した微粒子から気化した物質を分析する、分析装置。
4. 請求項１または２に記載の分析装置であって、
   第２の筒状の微粒子保持部と、
   前記第２の微粒子保持部の上部から空気を吸引し、前記第２の微粒子保持部内においてサイクロン現象を発生させる第２の吸引配管と、
   前記第２の微粒子保持部の側面に接続して微粒子を含む試料を供給する、第２の供給配管と、
   前記第２の微粒子保持部の下部に接続し前記第２の微粒子保持部内への気体流量を制御して、回転運動する前記微粒子を前記第２の微粒子保持部内において所定時間保持した後に沈降させる、第２の流量制御部と、
   前記第２の微粒子保持部において沈降した前記微粒子を捕集し加熱する、第２の加熱捕集部と、をさらに含み、
   前記流量制御部と前記第２の流量制御部とは、異なる時間において、前記加熱捕集部及び前記第２の加熱捕集部に前記微粒子を沈降させ、
   前記分析部は、前記加熱捕集部及び前記第２の加熱捕集部に配管を介して接続し、前記加熱捕集部において気化された物質と、前記第２の加熱捕集部において気化された物質とを、異なる時間において分析する、分析装置。
5. 請求項４に記載の分析装置であって、
   前記供給配管と前記第２の供給配管とは、それぞれ異なるサンプリング位置でサンプリングされた試料を、前記微粒子保持部及び前記第２の微粒子保持部に供給する、分析装置。
6. 請求項４に記載の分析装置であって、
   前記微粒子保持部における分離限界粒径は、前記第２の微粒子保持部の分離限界粒径よりも大きく、
   前記第２の供給配管は、前記吸引配管から送られた試料を前記第２の微粒子保持部に供給する、分析装置。
7. 請求項１又は２に記載の分析装置であって、
   前記微粒子保持部は下方に向かって径が減少するテーパ側壁を有し、
   流量制御部は、回転運動する前記微粒子を前記微粒子保持部内において０．１秒以上保持した後に沈降させる、分析装置。
8. 筒状の微粒子保持部の上部から吸引し、前記微粒子保持部内においてサイクロン現象を発生させ、
   前記微粒子保持部の側面から試料を供給し、
   前記微粒子保持部の下部において、前記微粒子保持部内への気体流量を制御して、回転運動する前記微粒子を前記微粒子保持部内において所定時間保持した後に沈降させ、
   沈降した前記微粒子を捕集し加熱し、
   前記加熱により前記微粒子から気化した物質を分析する、ことを含む物質の分析方法。

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