JP4145202B2 - 気体成分分析における試料導入方法および装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、呼気分析等の気体成分分析における試料導入方法および装置に関し、詳しくは、キャリアガスにより試料を希釈せずにそのまま分析計に導入することのできる試料導入方法および装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
呼気分析等の気体成分分析における、従来の試料導入方法および装置を図６に示す。呼気等の試料ガスはサンプルチューブ９に封入されている。このサンプルチューブ９内の試料ガスを分析計に導入して成分分析を行う。分析計としては、例えば、質量分析計が使用される。このために、キャリアガスをサンプルチューブ９内に導入し、試料ガスをキャリアガスとともに試料導入路１２を介して分析計に導入する。
【０００３】
キャリアガスは、ヘリウムや窒素等の不活性なガスであり、ボンベ１０からキャリアガス導入路１１を介してサンプルチューブ９内に導入される。キャリアガス導入路１１とサンプルチューブ９とは、キャリアガス導入路１１の先端に設けられた針をサンプルチューブ９の栓部に刺し入れることで互いに接続される。同様に、試料導入路１２先端に設けられた針をサンプルチューブ９の栓部に刺し入れて、試料導入路１２とサンプルチューブ９が接続される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の試料導入方法では、試料ガスがキャリアガスによって希釈された状態で分析計に導入されるため、分析計の感度の低下が避けられないという問題点があった。また、試料の導入のために、サンプルチューブ９に２本の針を刺す必要があり、サンプルチューブ９と各導入路との接続作業が面倒であった。なお、２本の針を１本にまとめた２重針を使用することもできるが、２重針は構造が複雑で高価であり、針の直径も太くなって刺しにくくなるという問題点があった。さらに、サンプルチューブ９内の試料ガスの濃度がキャリアガスによって次第に薄められ、時間とともに試料ガスの濃度が低下してしまうので、測定に不都合を生じていた。
【０００５】
また、キャリアガスを使用しないで、サンプルチューブ９内の試料ガスを吸引ポンプにより吸引してそのまま分析計に導入することも考えられるが、このようにするとサンプルチューブ９内の試料ガスの量が少なくなるにしたがって、試料ガスの導入圧力が低下してしまい、測定に影響を与える。特に、分析計がガスクロマトグラフィーの場合には、試料ガスの圧力の変化がカラム全体の吸脱着に直ちに影響するので、測定結果に対する悪影響が大きい。
【０００６】
また、シリンジポンプ等に試料導入用の導管を接続し、その導管の先端に接続針を設けて、手作業で接続針の接続先を切り換えて試料ガスを分析計に導入することも従来から行われていた。すなわち、接続針をサンプルチューブの栓部に刺し入れて試料ガスをポンプ内に吸引した後、接続針をサンプルチューブから引き抜いて分析計の試料導入部に差し入れ、試料ガスを分析計に導入していた。しかし、接続針の接続先を手作業で切り換える際に、ポンプ内が負圧になっているためにどうしても接続針から空気が流入し、試料ガスと混入して試料ガスの組成を変化させてしまうという問題点があった。
【０００７】
そこで、本発明は、キャリアガスを使用せず試料を希釈せずにそのまま分析計に導入することを可能とし、これらの問題点を解決することのできる気体成分分析における試料導入方法および装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の気体成分分析における試料導入方法は、試料ガスが封入された一定容積の試料容器から前記試料ガスを分析計側に導入する気体成分分析における試料導入方法であって、前記試料容器に接続され、接続部を前記試料容器に取り付けたままの状態で吐出先を分析計の試料導入路に変更可能であるとともに、吸引体積が前記試料容器の容積よりも大きく設定されているポンプにより、前記試料容器内の前記試料ガスを所定量だけ吸引する手順と、前記ポンプにより吸引した所定量の前記試料ガスを、吐出圧力が一定となるように制御して、前記試料導入路を介して分析計側に吐出する手順とを有するものである。
【０００９】
また、上記の気体成分分析における試料導入方法において、前記ポンプはピストン・シリンダ型ポンプであり、前記ポンプに試料ガスを吸引した後に、前記ポンプの吐出先を前記試料導入路側に変更する手順を有することが好ましい。
【００１０】
また、本発明の気体成分分析における試料導入装置は、試料ガスが封入された一定容積の試料容器に接続され、接続部を前記試料容器に取り付けたままの状態で吐出先を分析計の試料導入路に変更可能であるとともに、吸引体積が前記試料容器の容積よりも大きく設定されているポンプと、前記ポンプを制御して、前記試料容器内の前記試料ガスを前記ポンプに吸引させた後、吸引した前記試料ガスを吐出圧力が一定となるように制御して前記試料導入路側に吐出させる制御手段とを有するものである。
【００１１】
また、本発明の気体成分分析における試料導入装置は、試料ガスが封入された一定容積の試料容器に接続可能であり、所定量の前記試料ガスの吸引に続き、吸引した前記試料ガスの吐出を行うとともに、吸引体積が前記試料容器の容積よりも大きく設定されているポンプと、前記ポンプを、前記試料容器または分析計の試料導入路のいずれか一方に連通させる切替手段と、前記ポンプおよび前記切替手段を制御して、前記ポンプと前記試料容器とを連通させるとともに前記ポンプに吸引動作を行わせ、その後、前記ポンプと前記試料導入路とを連通させるとともに前記ポンプに吐出圧力が一定となるように制御して吐出動作を行わせる制御手段とを有するものである。
【００１２】
また、上記の気体成分分析における試料導入装置において、前記ポンプはピストン・シリンダ型ポンプであることが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の試料導入方法および装置の概要を示す図である。呼気等の試料ガスは試料容器としてのサンプルチューブ９に封入されている。このサンプルチューブ９内の試料ガスを分析計に導入して成分分析を行う。分析計としては、例えば、質量分析計等を使用することができる。
【００１５】
サンプルチューブ９の栓部には、接続路５の一端に設けられた接続部としての針が刺し入れられ、サンプルチューブ９と接続路５とが接続される。接続路５の他端はロータリーバルブ３に接続されている。また、ロータリーバルブ３には、分析計に試料を導入するための試料導入路６が接続され、さらに、試料通路を介してポンプ１が接続されている。ロータリーバルブ３の導通状態を変更することにより、接続路５と試料導入路６のいずれか一方を選択的にポンプ１と連通させることができる。すなわち、ロータリーバルブ３がポンプ１の吐出先を切り替えるための切替手段として機能している。なお、切替手段としては、ロータリーバルブ以外の他の切替弁を利用したものでもよい。例えば、三方弁やストップ弁等を使用して同様の機能の切替手段を構成することができる。
【００１６】
ポンプ１としては、気密性が良好で試料の漏れの少ないものが好ましく、具体的にはピストン・シリンダ型ポンプ等（例えば、シリンジポンプ）が使用可能である。シリンジポンプを使用する場合は、摺動部分をＯリング等でシールする等により、気体に対する気密性を向上させたものが望ましい。また、サンプルチューブ９の栓部も、ゴム部が厚くやや硬めのものが気密性の点からは好ましい。
【００１７】
ポンプ１の近傍には、ポンプ１に吸引動作または吐出動作を行わせるための駆動手段２が設けられている。駆動手段２は、ポンプ１のピストンを矢印方向に往復移動させることにより、ポンプ１に吸引動作または吐出動作を行わせる。そして、この駆動手段２およびロータリーバルブ３は、制御手段４によって制御されている。すなわち、ロータリーバルブ３の導通状態の切り替え、および、ポンプ１の吸引または吐出動作が、制御手段４によって制御される。
【００１８】
ポンプ１の吸引動作に関しては、シリンジポンプのピストンの移動量（吸引体積）や吸引時間を制御手段４によって制御する。ポンプ１の吐出動作に関しては、吐出速度や吐出圧力を制御手段４によって制御する。この際、吐出圧力がほぼ一定となるように制御することが望ましい。なお、試料ガスは、測定に必要な全量を一度の吸引動作で全てポンプ内に吸引し、その試料ガスを吐出動作により一定流量かつ一定圧力で分析計に導入することが好ましい。一定圧力で導入するために、分析計の導入口側に定圧弁を設けるようにしてもよい。ポンプ１から試料導入路６に送出された試料ガスは、除湿フィルタ７およびカラム８を通過して分析計に送られる。
【００１９】
図２および図３は、本発明の試料導入装置の動作を示す図である。サンプルチューブ９を接続路５と接続したら、図２に示すように、ロータリーバルブ３の導通状態をポンプ１と接続路５が連通されるように切り替える。そして、ポンプ１に吸引動作を行わせる。これらの動作は、制御手段４によってロータリーバルブ３および駆動手段２を制御することにより行う。
【００２０】
ポンプ１の吸引時の最大のポンプ内容積すなわち吸引体積をＰ、サンプルチューブ９の内部の容積をＳ、サンプルチューブ９内の試料質量をＷとすると、ポンプ１の吸引動作により、ほぼＷ・Ｐ／（Ｐ＋Ｓ）の質量の試料をポンプ１内に吸引することができる。したがって、ポンプ１の吸引体積Ｐをサンプルチューブ９の容積Ｓに比較してできるだけ大きくした方が、試料の吸引量を増大することができる。このため、ポンプ１の吸引体積Ｐをサンプルチューブ９の容積Ｓよりも大きく設定することが好ましい。
【００２１】
ポンプ１が充分な量の試料を吸引したら、次に、図３に示すように、ロータリーバルブ３の導通状態をポンプ１と試料導入路６が連通されるように切り替える。そして、ポンプ１に吐出動作を行わせる。これらの動作は、制御手段４によってロータリーバルブ３および駆動手段２を制御することにより行う。
【００２２】
試料ガスはポンプ１によって加圧されて試料導入路６、除湿フィルタ７、カラム８等の配管内を通過して分析計に導入される。これらの配管内の容積が、ポンプ１から吐出される試料ガスの体積より小さければ、配管内を全て試料ガスで満たし、さらに、試料ガスを分析計に導入することができる。また、配管内の容積がポンプ１から吐出される試料ガスの体積より小さければ、カラム８のバックフラッシュ機構を付加することもできる。
【００２３】
具体的な数値例を示すと、サンプルチューブ９の容積Ｓが１２ｍＬ、ポンプ１の吸引体積Ｐが４０ｍＬであれば、ポンプ１内に９．２３ｍＬ（１気圧時）の試料ガスを吸引することができる。このとき、分析に使用した装置では、試料導入路６側の配管内の容積が３．９ｍＬとなっていたので、測定に必要な充分の量の試料ガスを分析計に導入することができた。
【００２４】
図４は、本発明の試料導入方法および装置の他の形態を示す図である。図１の試料導入装置と共通の部分には共通の符号を付している。図４の試料導入装置は、図１の試料導入装置と比べるとポンプ１３の構成が異なっている。このため、ロータリーバルブ３が不要となっている。呼気等の試料ガスはサンプルチューブ９に封入されており、このサンプルチューブ９内の試料ガスを分析計に導入して成分分析を行う。
【００２５】
ポンプ１３には、吸入口と吐出口とが設けられており、その吸入口の近傍には逆止弁１３ａが設けられ、吐出口の近傍には逆止弁１３ｂが設けられている。そして、逆止弁１３ａは試料ガスの吸入方向の流れのみを通過させ、逆止弁１３ｂは試料ガスの吐出方向の流れのみを通過させるように配置されている。なお、このポンプ１３も気密性が良好で試料の漏れの少ないものが好ましい。
【００２６】
サンプルチューブ９の栓部には、接続路５の一端に設けられた接続部としての針が刺し入れられ、サンプルチューブ９と接続路５とが接続される。接続路５の他端はポンプ１３の吸入口側の逆止弁１３ａに接続されている。また、吐出口側の逆止弁１３ｂには、分析計に試料を導入するための試料導入路６が接続されている。したがって、ポンプ１３の吸引動作時には、逆止弁１３ａが開状態、逆止弁１３ｂが閉状態となり、接続路５および逆止弁１３ａを介してサンプルチューブ９内の試料ガスがポンプ１３内に吸引される。また、ポンプ１３の吐出動作時には、逆止弁１３ａが閉状態、逆止弁１３ｂが開状態となり、逆止弁１３ｂおよび試料導入路６を介して加圧された試料ガスが分析計に導入される。
【００２７】
ポンプ１３の近傍には、ポンプ１３に吸引動作または吐出動作を行わせるための駆動手段２が設けられている。駆動手段２は、ポンプ１３のピストンを矢印方向に往復移動させることにより、ポンプ１３に吸引動作または吐出動作を行わせる。この駆動手段２は制御手段４によって制御されている。制御手段４による駆動手段２およびポンプ１３の制御内容は、図１のものと同様である。図４に示す実施の形態では、制御手段４が、ポンプ１３のピストン往復運動を制御して吸引動作と吐出動作の制御を行うと同時に、吸入側と吐出側の試料流路の切換動作も自動的に行っているのである。なお、ポンプ１３から試料導入路６に送出された試料ガスは、除湿フィルタ７およびカラム８を通過して分析計に送られる。
【００２８】
図４の形態の試料導入装置では、図１のものに比較して、ロータリーバルブ３が不要となり、駆動手段２による制御内容も簡素化されるため、装置全体のコストを低減させることができる。なお、この形態の試料導入装置でも、試料ガスは、測定に必要な全量を一度の吸引動作で全てポンプ内に吸引し、その試料ガスを吐出動作により一定流量かつ一定圧力で分析計に導入することが好ましい。また、図４の試料導入装置のポンプとしては、ポンプ１３以外の他の形態のポンプを使用することもできる。
【００２９】
図５は、図４の試料導入方法および装置に使用するポンプの変形例を示す図である。このポンプ１４は、ピストンを使用する代わりに蛇腹１４ｃを使用したものである。蛇腹１４ｃを使用したので、摺動部分がなく気密性が良好である。ポンプ１４には、吸入口と吐出口とが設けられており、その吸入口の近傍には逆止弁１４ａが設けられ、吐出口の近傍には逆止弁１４ｂが設けられている。そして、逆止弁１４ａは試料ガスの吸入方向の流れのみを通過させ、逆止弁１４ｂは試料ガスの吐出方向の流れのみを通過させるように配置されている。
【００３０】
このポンプ１４は、図４のポンプ１３に換えて使用することができる。ポンプ１４の吸入口側の逆止弁１４ａには接続路５が接続され、吐出口側の逆止弁１４ｂには試料導入路６が接続される。駆動手段２によってポンプ１４の蛇腹１４ｃの右端を矢印方向に往復移動させることにより、ポンプ１４に吸引動作または吐出動作を行わせる。吸引動作および吐出動作時の逆止弁１４ａ，１４ｂの動作は図４のものと同様である。なお、図４の試料導入装置のポンプとしては、ポンプ１３，１４以外にも、同様の機能を持つ任意のポンプを使用することができる。
【００３１】
以上のように、本発明によれば、キャリアガスを使用しないで、試料ガスを希釈せずにそのまま分析計に導入することが可能となった。試料ガスが希釈されないため、分析計による分析感度を向上させることができる。また、キャリアガスを使用しないので、キャリアガスのコストを節約できるとともに、キャリアガスのボンベの交換作業等も不要となり、分析のためのランニングコストを低減させることができる。
【００３２】
また、吸引した試料ガスを、加圧して分析計に導入するようにしたので、試料ガスの導入圧力の変動を抑え、圧力をほぼ一定に保持することができ、分析計による安定した測定が可能となる。さらに、サンプルチューブに接続するための針も１本で済むため、接続作業が簡単にできる。また、接続針として構造が複雑で高価な２重針を使用する必要もなくなる。
【００３３】
そして、接続針の接続先を手作業で差し替えることがなく、サンプルチューブと接続針の接続状態を保持したままで、自動的に試料ガスを分析計に導入することができるため、差し替えの際に接続針から空気が流入して試料ガスと混入して試料ガスの組成を変化させてしまうこともない。
【００３４】
【発明の効果】
本発明は、以上に説明したように構成されているので、以下のような効果を奏する。
【００３５】
ポンプにより試料容器内の試料ガスを吸引し、その吸引した試料ガスを加圧して分析計側に吐出するようにしたので、キャリアガスを使用しないで、試料ガスを希釈せずにそのまま分析計に導入することが可能となる。試料ガスが希釈されないため、分析計による分析感度を向上させることができる。また、キャリアガスを使用しないので、キャリアガスのコストを節約できるとともに、キャリアガスのボンベの交換作業等も不要となり、分析のためのランニングコストを低減させることができる。
【００３６】
また、吸引した試料ガスを、加圧して分析計に導入するようにしたので、試料ガスの導入圧力の変動を抑え、圧力をほぼ一定に保持することができ、分析計による安定した測定が可能となる。さらに、試料容器に接続するための針も１本で済むため、接続作業が簡単にできる。また、接続針として構造が複雑で高価な２重針を使用する必要もなくなる。
【００３７】
そして、接続針の接続先を手作業で差し替えることがなく、サンプルチューブと接続針の接続状態を保持したままで、自動的に試料ガスを分析計に導入することができるため、差し替えの際に接続針から空気が流入して試料ガスと混入して試料ガスの組成を変化させてしまうこともない。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の試料導入方法および装置の概要を示す図である。
【図２】図２は、試料導入装置の動作を示す図である。
【図３】図３は、試料導入装置の動作を示す図である。
【図４】図４は、本発明の試料導入方法および装置の他の形態を示す図である。
【図５】図５は、試料導入装置に使用するポンプの変形例を示す図である。
【図６】図６は、従来の試料導入方法および装置を示す図である。
【符号の説明】
１…ポンプ
２…駆動手段
３…ロータリーバルブ
４…制御手段
５…接続路
６…試料導入路
７…除湿フィルタ
８…カラム
９…サンプルチューブ
１０…ボンベ
１１…キャリアガス導入路
１２…試料導入路
１３…ポンプ
１４…ポンプ

Claims (5)

1. 試料ガスが封入された一定容積の試料容器（９）から前記試料ガスを分析計側に導入する気体成分分析における試料導入方法であって、
   前記試料容器（９）に接続され、接続部を前記試料容器（９）に取り付けたままの状態で吐出先を分析計の試料導入路（６）に変更可能であるとともに、吸引体積が前記試料容器（９）の容積よりも大きく設定されているポンプ（１，１３，１４）により、前記試料容器（９）内の前記試料ガスを所定量だけ吸引する手順と、
   前記ポンプ（１，１３，１４）により吸引した所定量の前記試料ガスを、吐出圧力が一定となるように制御して、前記試料導入路（６）を介して分析計側に吐出する手順とを有する気体成分分析における試料導入方法。
2. 請求項１に記載した気体成分分析における試料導入方法であって、
   前記ポンプ（１）はピストン・シリンダ型ポンプであり、
   前記ポンプ（１）に試料ガスを吸引した後に、前記ポンプ（１）の吐出先を前記試料導入路（６）側に変更する手順を有する気体成分分析における試料導入方法。
3. 試料ガスが封入された一定容積の試料容器（９）に接続され、接続部を前記試料容器（９）に取り付けたままの状態で吐出先を分析計の試料導入路（６）に変更可能であるとともに、吸引体積が前記試料容器（９）の容積よりも大きく設定されているポンプ（１，１３，１４）と、
   前記ポンプ（１，１３，１４）を制御して、前記試料容器（９）内の前記試料ガスを前記ポンプ（１）に吸引させた後、吸引した前記試料ガスを吐出圧力が一定となるように制御して前記試料導入路（６）側に吐出させる制御手段（４）とを有する気体成分分析における試料導入装置。
4. 試料ガスが封入された一定容積の試料容器（９）に接続可能であり、所定量の前記試料ガスの吸引に続き、吸引した前記試料ガスの吐出を行うとともに、吸引体積が前記試料容器（９）の容積よりも大きく設定されているポンプ（１）と、
   前記ポンプ（１）を、前記試料容器（９）または分析計の試料導入路（６）のいずれか一方に連通させる切替手段（３）と、
   前記ポンプ（１）および前記切替手段（３）を制御して、前記ポンプ（１）と前記試料容器（９）とを連通させるとともに前記ポンプ（１）に吸引動作を行わせ、その後、前記ポンプ（１）と前記試料導入路（６）とを連通させるとともに前記ポンプ（１）に吐出圧力が一定となるように制御して吐出動作を行わせる制御手段（４）とを有する気体成分分析における試料導入装置。
5. 請求項４に記載した気体成分分析における試料導入装置であって、
   前記ポンプ（１）はピストン・シリンダ型ポンプである気体成分分析における試料導入装置。

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