JP3148984B2 - 水晶振動子を用いた検出対象物質の感度可変検出方法 - Google Patents

水晶振動子を用いた検出対象物質の感度可変検出方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、ガス濃度測定、有
害物質等の濃度監視等を、現場において簡便迅速に、か
つ連続的に測定・監視可能とする検出法に関するもので
ある。
【0002】
【従来の技術】従来、ガス濃度測定あるいは溶液中にお
ける溶存揮発性物質の高感度分析には、主にガスクロマ
トグラフ法が用いられてきた。又、現場での作業環境の
監視などには、より簡便な検知管法も使われている。揮
発性物質の分析に用いられるガスクロマトグラフ法での
濃度測定は操作が煩雑で時間を要し熟練した技術者が行
ってきた。一方、現場で実施可能な簡易検出法としては
発色試薬の呈色反応を利用した検知管法が用いられてき
たが、干渉物質の影響を受けやすく、また変色を測定者
が目視する際に誤差を生じやすい。さらに、これらの方
法は現場でのサンプリングが必要であるため、濃度を常
時監視することは難しく、事故・災害時等に、緊急に現
場の濃度を遠隔地から監視することができないという問
題があった。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、分析対象物
質の濃度を水晶振動子の周波数変化から検知する方法に
おいて、その検知感度を調節する方法を提供することを
その課題とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、前記課題
を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、本発明を完成する
に至った。即ち、本発明によれば、検出対象物質を含有
する気体又は液体を、該検出対象物質に対して吸着性を
有する被膜を表面に有する水晶振動子に接触させるとと
もに、該水晶振動子の周波数変化を測定することにより
該検出対象物質の濃度を検出する方法において、該検出
対象物質を含有する気体又は液体を温度調節装置中を流
通させて該気体又は気体の温度を調節した後、これと同
じ温度に調節された該検出器と接触させることを特徴と
する検出対象物質の検出方法が提供される。
【0005】
【発明の実施の形態】本発明で用いる検出器は、検出対
象物質に対して吸着性を有する被膜を表面に有する水晶
振動子である。このような検出器では、その水晶振動子
の表面に吸着した物質の質量に比例して水晶振動子の発
振周波数が変化する。従って、その周波数変化を測定す
ることにより、その検出対象物質の吸着量(濃度)を知
ることができる。その被膜の厚さは、水晶振動子の発振
を妨げない薄膜であればよい。
【0006】水晶振動子(水晶発振器)としては、従来
公知の各種のものを用いることができるが、一般的に
は、その基本周波数が1〜100MHz、好ましくは9
〜27MHzのものが用いられる。
【0007】水晶振動子の表面に形成する被膜は、検出
対象物質に対して吸着性を有する被膜である。この場
合、その被膜は、その被膜形成材料自体が吸着性を有す
るものであってもよく、また、その被膜中に吸着性物質
を含有させたものであってもよい。前者の被膜の場合、
その被膜は、各種の脂質化合物から形成されたものであ
ることができる。このような脂質化合物としては、以下
のものが示される。
【0008】(1)下記一般式(1)で表される脂質化
合物
【化1】 前記式中、R及びRは炭素数8〜22、好ましくは
10〜18の高級アルキル基又はアルケニル基を示す。
は炭素数1〜8、好ましくは1〜6の低級アルキル
基を示す。Rは炭素数1〜8、好ましくは1〜6のア
ルケニル基を示す。
【0009】(2)下記一般式(2)で表される脂質化
合物
【化2】 前記式中、R及びRは高級アルキル基又はアルケニ
ル基を示す。R及びRは低級アルキル基を示す。P
hはフェニレン基を示し、Lはポリエチレン鎖等の炭化
水素鎖を示す。
【0010】(3)下記一般式(3)で表される脂質化
合物
【化3】 前記式中、R及びRは高級アルキル基又はアルケニ
ル基を示し、Rは炭素数2〜8のアルキレン基を示
し、nは1〜10、好ましくは2〜6の数を示す。
【0011】(4)下記一般式(4)で表される脂質化
合物
【化4】 前記式中、R及びRは高級アルキル基又はアルケニ
ル基を示す。
【0012】前記脂質化合物は、気体や液体中の揮発性
有機塩素化合物(VOCL)(トリクロロエチレン、テ
トラクロロエチレン等)に対して吸着性を示す。
【0013】(5)極性基を含有するポリマー 極性基として酸性基(カルボキシル基、スルホン酸基、
リン酸基等)を含有するポリマーは、塩基性ガス(アン
モニア、アミン等)を吸着する。一方、極性基として塩
基性基(アミノ基等)を含有するポリマーは酸性ガス
(塩化水素、亜硫酸ガス等)を吸着する。
【0014】一方、吸着性物質を含有する被膜の場合、
その吸着性物質としては、以下のもの等を含有するポリ
マー被膜を挙げることができる。
【0015】(1)多孔性吸着剤 このようなものとしては、活性炭、ゼオライト、アルミ
ナ、シリカ、チタニア、シリカーアルミナ等が挙げられ
る。このような多孔性吸着剤は、その吸着性能に応じて
各種のガスや液体を吸着する。
【0016】(2)極性基を含有する低分子化合物 このようなものとしては、酸性基(カルボキシル基、ス
ルホン酸基、リン酸基等)を含有する各種の化合物や、
塩基性基(アミノ基等)を含有する各種の化合物を挙げ
ることができる。酸性基を有する化合物は、塩基性ガス
を吸着し、一方、塩基性基を含有する化合物は、酸性ガ
スを吸着する。
【0017】前記吸着性物質を含むポリマー被膜は、吸
着性物質とポリマーとの混合物を、溶液状又はエマルジ
ョン状で水晶振動子表面に塗布乾燥することのよって形
成することができる。ポリマーとしては、塗料における
塗膜成分として用いられている各種のポリマーを挙げる
ことができる。
【0018】本発明においては、前記した検出器を用い
て気体や液体中の検出対象物質の濃度を測定する際に、
その検出器を温度制御することを特徴とする。この場
合、その温度は一般的には−15〜45℃であるが、検
出器を低温側に保つと、検出対象物質の吸着量が増大す
るため、その検出感度が向上する。検出感度を向上させ
る場合、その温度としては、室温より低い温度、例え
ば、−15〜20℃、好ましくは−10〜15℃程度の
温度が採用される。一方、検出器を高温側に保つと、検
出対象物質の吸着量が減少し、検出感度が抑制される。
この場合、その温度としては、室温より高い温度、通
常、30〜45℃、好ましくは30〜40℃が採用され
る。
【0019】検出器の温度を調節する方法としては、検
出対象物質を含む気体又は液体を、温度調節装置を流通
させて所定温度に調節した後、検出器と接触させる方法
や、検出器をボックス等に収容する等して所定温度に調
節しておき、この所定温度に調節された検出器に、あら
かじめ所定温度に調節した気体又は液体を接触させる方
法等が採用される。温度調節装置としては、恒温室内に
配置した導管コイル等が採用される。この温度調節装置
により所定温度に調節された気体又は液体は、前記検出
器と接触し、その検出器の検出感度を所定感度に調節す
る。
【0020】
【実施例】次に本発明の1つの実施例について図面を参
照して説明する。図1は窒素中のトリクロロエチレン濃
度を連続的に測定する際に使用する装置の構成図であ
る。検出器を内蔵するフローセル及び温度調節装置、試
料及びブランク(窒素)の供給装置と流路切替のための
制御装置、装置全体の制御及び検出器出力の記録、解析
のためのコンピュータから構成される。測定装置及び試
料の変質及び劣化を防ぐためテフロン製の配管材を使用
する。
【0021】検出器の作成法を示す。基本周波9MH
z、AT−cut型の水晶振動子に以下の手順により脂
質膜を被覆する事により作成した。脂質をジクロロメタ
ンに溶解し、この溶液を水晶振動子の一方の電極上に塗
布する。被覆の前後で発振周波数が約5000〜150
00Hz減少するように塗布量を調節する。空気中で溶
媒を蒸発乾燥し、フローセルに組み込む。各々の検出器
の周波数変化はコンピューターで逐次記録し信号処理を
行う。温度変化による誤差を低減するためフローセルは
目的温度の±0.3℃以内に保つ。
【0022】図2に、異なる脂質1〜4をそれぞれ約5
マイクログラム被覆した検出器のトリクロロエチレンに
対する温度対感度特性を示す。測定は次の操作により行
った。 (1)フローセルに窒素のみを流す。 (2)1000ppmのトリクロロエチレンを一定時間
流し、20分後の値を記録する。 (3)再び窒素のみを流す。 この例から、脂質1を被覆した検出器では、検出器の温
度が下がるといったん感度が増大するが−5℃以下で急
激に減少することが分かる。その他の脂質を被覆した検
出器では一般に温度が低いほど感度が増大する。従来法
では主に室温付近で使用していたが、本法によると−5
℃に冷却した水晶振動子を用いることで25℃での使用
に比べて最大約6倍に感度が上がり、45℃に加熱した
場合25℃での使用に比べて約0.3倍に感度が抑制さ
れた。
【0023】前記脂質1〜4は、下記の構造式で表され
るものである。 (1)脂質1
【化5】 (2)脂質2
【化6】 (3)脂質3
【化7】 (4)脂質4
【化8】
【0024】
【発明の効果】以上、説明したように、本発明の温度制
御を行った水晶振動子を用いた気体中及び溶液中におけ
る検出対象物質の可変感度検出方法は、検出対象物質を
選択的に吸着する吸着性被膜で表面を被覆した水晶振動
子を温度制御して検出器として使用し、水晶振動子の表
面に吸着した物質の質量に比例して水晶振動子の発振周
波数が変化する現象を利用して、検出対象物質濃度を検
出器の感度を任意に可変して測定することを可能とする
ものである。さらに、本発明の場合、従来法では困難な
現場での完全自動測定を可能とすることから、有害物質
漏洩事故に迅速に対処するための早期警報装置への応用
の他、分析操作の省力化、分析精度向上、安全性の向上
の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本法により試料中の揮発性有機塩素化合物濃度
を測定する装置の構成図である。
【図2】トリクロロエチレンに対する温度対感度特性で
ある。
フロントページの続き (72)発明者 冨永 衛 茨城県つくば市小野川16番3 工業技術 院資源環境技術総合研究所内 (56)参考文献 特開 平8−233759(JP,A) 特開 平10−38784(JP,A) 特開 平10−90152(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01N 5/02 JICSTファイル(JOIS)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 検出対象物質を含有する気体又は液体
    を、該検出対象物質に対して吸着性を有する被膜を表面
    に有する水晶振動子に接触させるとともに、該水晶振動
    子の周波数変化を測定することにより該検出対象物質の
    濃度を検出する方法において、 該検出対象物質を含有する気体又は液体を温度調節装置
    中を流通させて該気体又は液体の温度を調節した後、こ
    れと同じ温度に調節され、上記検出対象物質の吸着量を
    増大又は減少させることにより検出感度の調節された検
    出器と接触させることを特徴とする検出対象物質の検出
    方法。
  2. 【請求項2】 該気体又は液体を該温度調節装置中を流
    通させて、該気体又は液体の温度を−15〜45℃の温
    度に調節する請求項1の方法。
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