JP5815533B2 - イオン移動度センサーに供給するサンプルを調製する装置 - Google Patents

Description

本発明は、イオン移動度センサーに供給するサンプルを調製する装置に関するものである。

高感度に化学物質を検出、分析する技術として、近年フィールド非対称性イオン移動度分光計（ＦＡＩＭＳ）と呼ばれる装置が注目を集めている。この装置では、センサーに印加する直流電圧と交流電圧を変化させることにより、イオン化された化学物質の移動度の変化を、微細なフィルタによって検出し、その検出結果の差異により化学物質を特定することが可能である。

特表２００８−５０８６９３号公報（国際公開ＷＯ２００６／０１３３９６）には、複数の電極を有する少なくとも１つのイオンチャネルの形状のイオンフィルタを有するイオン移動度分光計について記載されている。このイオン移動度分光計では、導電層に印加される時間変化する電位により、充填剤はイオン種を選択的に入れることができる。電位は、駆動電界成分および横電界成分を有し、好ましい実施形態において、電極のそれぞれは、駆動電界および横電界の両方の成分を生成するのに関与する。デバイスは、ドリフトガスフローがなくても用いることができる。

イオン移動度を測定する技術、たとえば、ＦＡＩＭＳ（ＦＡＩＭＳ、Ｆｉｅｌｄ Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ｗａｖｅｆｏｒｍ Ｉｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ、フィールド非対称質量分析計、またはＤＩＭＳ、Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｉｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）技術は、通常の空気を利用したバックグランドでも、超微量のキシレン等の同一分子量の異性体の分離検出・分析を短時間で行うことができる。したがって、ガス中または空気中のイオン移動度を測定する技術は、様々なアプリケーションへの応用が期待されており、非常に高いポテンシャルを持っている。このイオン移動度測定を超微量化学物質分析に適用する場合、環境条件と言われる温度・湿度・圧力・測定ガス流量の変動、また、測定対象化学物質の組み合わせの変動・変化が、測定結果の再現性や精度に与える影響は無視できないことが分かってきた。

ＦＡＩＭＳ技術では、測定対象となる化学物質をイオン化し、イオン移動度が化学物質毎にユニークである性質を利用する。測定においては、電界を形成する機能を含むイオン移動度センサーにサンプル（サンプルガス）を供給し、または、サンプルとキャリア・ガス（バッファガス）とを供給し、電界を制御する差動型電圧（ＤＶ、Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ Ｖｏｌｔａｇｅ、Ｖｄ電圧、交流電圧、電界電圧Ｖｒｆ、以降ではＶｆ）と補償電圧（ＣＶ、Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ Ｖｏｌｔａｇｅ、Ｖｃ電圧、補償電圧、直流電圧、以降ではＶｃ）を変化させて、高電界と低電界とを非対称に交互に切り替える。これにより、目標外の化学物質は飛行途中で、電界を生成させる電極（プレート）に衝突して＋イオン或いは−イオンを失い検出されない。一方、検出目標のイオン化された化学物質は、この電圧Ｖｆと電圧Ｖｃの条件が適切に制御されれば、検出器まで到達してこれに衝突させることができる。

電界の条件をソフトウェア制御し、そのときに検出される微弱電流値をＡＤ変換して電圧値として読み取ることで、目標化学物質の検出と分析が可能となる。

本発明の一態様は、イオン移動度センサーに供給するサンプルを調製するユニットと、調製するユニットを制御する機能を含む制御ユニットとを有する装置である。調製するユニットは、サンプルに含まれる第１の組成の濃度を変える濃度調整機構を含み、制御ユニットは、イオン移動度センサーの測定結果を取得する機能（機能ユニット）と、測定結果が改善される方向に濃度調整機構を制御する機能（機能ユニット）とを含む。この装置は、イオン移動度センサーと、イオン移動度センサーの出力および濃度調整機構に対する制御情報に基づいて分析結果を得る処理ユニットとを有する分析装置であってもよく、イオン移動度センサーへ供給されるサンプル（サンプルガス）の前処理装置として提供されてもよい。

イオン移動度センサーにおいて、測定対象のイオン化された化学物質の濃度があるレベルを超えると電流値の測定可能範囲を超えてしまい測定精度が低下する。一方、測定対象のイオン化された化学物質の濃度が低すぎるとバックグランドと分離することが難しい。この装置においては、サンプルに含まれる測定対象の、あるいは測定対象となる第１の組成の濃度を自動的に調整することにより、第１の組成の濃度をイオン移動度センサーの測定レンジ内に入れることができる。さらに、サンプル中の第１の組成の濃度を制御することにより、バックグランドとの分離が容易となり、また、サンプル中の他の組成との分離が容易になる条件を見出し、測定精度および／または再現性を改善できる。

制御ユニットは、イオン移動度センサーの測定対象となる複数の化学物質のデータベースであって、複数の化学物質のそれぞれのイオン移動度センサーにおいて検出の容易な濃度データが含まれるデータベースにアクセスし、測定結果に含まれる化学物質に適した濃度となるように、濃度調整機構を制御する機能（機能ユニット）を含むことが望ましい。制御ユニットは、第１の組成の濃度が段階的に変わるように濃度調整機構を制御する機能（機能ユニット）を含んでいてもよい。測定結果が改善される濃度を自動的に見出すことができる。制御ユニットは、濃度調整機構に対する制御情報を出力する機能（機能ユニット）を含んでいてもよい。

濃度調整機構は、第１の組成を吸着する吸着材と、吸着材を加熱して吸着材に吸着された組成をキャリアガスに放出する機構とを含み、制御ユニットは吸着材の温度を制御する機能（機能ユニット）を含むことが望ましい。吸着材の温度を制御することにより第１の組成の吸着と放出とを制御でき、サンプル中の第１の組成の濃度を高くできる。濃度調整機構は、さらに、第１の組成を含む第１のガスが吸着材を通過する第１の経路と、吸着材が吸着された組成をキャリアガスに放出する第２の経路とを含み、制御ユニットは、第１のガスに吸着材が晒される時間を制御する機能（機能ユニット）を含むことが望ましい。また、濃度調整機構は、複数の第１の経路および第２の経路を含み、制御ユニットは、複数の第１の経路および第２の経路を時分割で制御する機能（機能ユニット）を含むことが望ましい。サンプル中の第１の組成を濃縮しながらの連続した測定が可能となる。

濃度調整機構は、第１のガスを第１の経路にフィードバックする第３の経路を含んでいてもよい。吸着材の一例は多孔質ガラスである。第１の組成に適切な径の孔が高い確率で存在する多孔質ガラスを用いることにより、第１の組成を選択的に濃縮できる。

濃度調整機構は、第１の組成を含む液状体を加熱することにより第１の組成をサンプルに含有させる機構を含み、制御ユニットは、第１の組成を含む液状体の加熱温度を制御する機能（機能ユニット）を含むことも有効である。濃度調整機構は、第１の組成を含む液状体をインクジェット方式で吐出することにより第１の組成を前記サンプルに含有させる機構を含み、制御ユニットは、第１の組成を含む液状体の吐出量を制御する機能（機能ユニット）を含むことも有効である。サンプル中の第１の組成の濃度を制御できる。

濃度調整機構は、第１の組成を含む第１のガスから第２の組成を除去して第１のガス中の第２の組成の濃度を減らす機構を含むことも有効である。第２の組成はたとえば水分である。また、空気をキャリアガスとして用いる場合は、酸素、窒素あるいは二酸化炭素の濃度を制御することより第１の組成の濃度を間接的に高めたり、第１の組成が測定途中で酸素や窒素などと反応して組成が変化することを抑制できる。

濃度調整機構は、第１の組成を含む第１のガスをキャリアガスに注入する流量制御機構を含み、制御ユニットは、流量制御機構により第１のガスとキャリアガスとの混合比を変える機能（機能ユニット）を含むことも有効である。典型的なキャリアガスは、空気または既知の組成のガスである。

分析対象の組成物を他の組成物と反応させて第１の組成を含む組成物に変換する機構をさらに有することも有効である。分析対象の組成物が腐食性であったり、有毒であったり、キャリアガスと反応性が高かったり、イオン移動度センサーの感度の改善が難しいなどの場合は、分析対象の組成物を化学反応等により変換して測定することが望ましい。

第１の組成を含む分析対象ガスを採取して濃度調整機構へ供給する装置を有する装置がエアーカーテンを形成するエアー量を制御するユニットと、エアーカーテンで囲われた領域から分析対象ガスを採取するユニットを含む場合は、制御ユニットは、エアーカーテンを形成するエアー量と濃度調整機構とを協調制御する機能（機能ユニット）を含むことが望ましい。

また、この装置は、既知の化学物質を含むパイロット組成物をサンプルに含有させるキャリブレーションユニットを有することが有効である。キャリブレーションユニットの一形態は、濃度調整機構に、第１の組成に代わりパイロット組成物を供給するものである。

本発明の他の態様の１つは、イオン移動度センサーに供給するサンプルを調製するユニットと、調製するユニットを制御する制御ユニットとを含む装置の制御方法である。調製するユニットは、サンプルに含まれる第１の組成の濃度を変える濃度調整機構を含む。この制御方法は、以下のステップを含む。
・制御ユニットが、イオン移動度センサーから測定結果を受信すること。
・制御ユニットが、測定結果を改善する方向に濃度調整機構を制御すること。

濃度調整機構を制御する１つの方法は、制御ユニットが、イオン移動度センサーの測定対象となる複数の化学物質のデータベースであって、複数の化学物質のそれぞれのイオン移動度センサーにおいて検出の容易な濃度データが含まれるデータベースにアクセスし、測定結果に含まれる化学物質に適した濃度となるように、濃度調整機構を制御することである。他の方法の１つは、制御ユニットが、第１の組成の濃度が段階的に変わるように濃度調整機構を制御することである。

この制御方法は、ソフトウェア（プログラム、プログラム製品）として適当なハードウェア資源を有するコンピュータで実行されるように適当な記録媒体に記録して、あるいはネットワークを介して提供することも可能である。

分析装置の概要を示すブロック図。 分析装置の制御の一例を示すフローチャート。 サンプル投入ユニットの概略構成を示す断面図。 サンプル投入ユニットの概略構成を示す他の方向の断面図。 分析装置の外観の一例を示す斜視図。 濃度調整機構の他の例を示す図。 吸着ユニットの一例を示す図。 吸着ユニットを用いて濃度を制御する様子を示すタイミングチャート。 濃度調整機構の他の例を示す図。 図１０（ａ）は温度により気化量が変化する様子を示す図、図１０（ｂ）は流量により測定値が変化する様子を示す図、図１０（ｃ）は気圧により測定値が変化する様子を示す図。 分析装置の他の例を示す図。 濃度調整機構の他の例を示す図。

発明の実施の形態

図１にＦＡＩＭＳ（イオン移動度センサー）を備えた測定・分析システムの概要を示している。この測定・分析システム（測定分析装置、以降では分析装置）１０は、上流から、分析対象のガス（ターゲットガス、第１のガス）２１を採取するサンプリングユニット１００と、パイロットケミカルをサンプリングラインに注入するキャリブレーションユニット２００と、ＦＡＩＭＳ（センサー）１に供給されるサンプルガス２０を調製する調製ユニット３００と、ＦＡＩＭＳ１と、ＦＡＩＭＳ１を流れるガス量を制御するフローコントローラ５０と、サンプルガス２０を吸引排気する吸引ポンプ５１と、分析装置１０を制御する制御ユニット６０とを有する。

ＦＡＩＭＳ１は、目標化学物質（測定対象、オブジェクト）をイオン化するイオン化ユニット１ａと、イオン化された測定対象に電場の影響を与えながら移動させるドリフトチャンバ１ｂと、ドリフトチャンバ１ｂを通過したイオン化された測定対象（測定対象の電荷）を検出する検出器１ｃとを含む。ドリフトチャンバ１ｂにおいては、電極１ｅにより生成されるソフトウェア制御された電界が特定の周期でプラス・マイナスに変動し、その電界のフィルタリング効果により、検出目標の化学物質がフィルタリングされ、短期間、たとえば、ｍｓｅｃレベルで検出器１ｃに衝突し、電流として測定される。

ＦＡＩＭＳ１の一例はオウルストーン（Ｏｗｌｓｔｏｎｅ）社製のセンサーであり、イオン化ユニット１ａには、Ｎｉ６３（５５５ＭＢｑのβ線源、０．１μＳｖ／ｈｒ）を使用している。このイオン化ユニット１ａによりイオン化可能な化学物質は、イオン化結合エネルギーが６７ＫｅＶ以下であるが、広い範囲の化学物質を検出・分析可能である。イオン化ユニット１ａとしては、ＵＶ（紫外線）を用いたもの、コロナ放電を用いたものなどが検討されている。

制御ユニット６０は、センサー１を制御するドライバ６１を含む。センサー１には、ドライバ６１から測定条件が送られる。測定条件には、電界電圧Ｖｆ（以降では電圧Ｖｆ）と、補償電圧Ｖｃとが含まれる。ドライバ６１は、センサー１から測定されたデータ（ＩＭＳデータ）６５を取得する。ＩＭＳデータ６５の一例は、特定の電圧Ｖｆにおける補償電圧Ｖｃの変動に対応して変化する電流（検出装置１ｃにより検出される電流）Ｉにより表わされるスペクトルである。ＩＭＳデータ６５は、上記のスペクトルの特徴点をサンプリング（抽出）したデータであってもよく、複数の電圧Ｖｆのスペクトルを含むものであってもよい。ドライバ６１は、さらに、センサー１の測定環境の情報６６を取得する。環境情報６６には温度、湿度、圧力、流量などが含まれ、センサー１にはこれらを検出するセンサー１ｘが設けられる。

サンプルガス２０を調製する調製ユニット３００は、サンプルガス２０に含まれるターゲット組成（第１の組成）の濃度を調整する濃度調整機構３１０を含む。濃度調整機構３１０は濃度を制御するためのハードウェアを含む。具体的には、この濃度調整機構３１０は、ターゲット組成を含むターゲットガス（第１のガス）２１をハンドリングする経路（サンプルガスライン）３１１と、ターゲットガス２１と混合されるキャリアガス２９をハンドリングする経路（キャリアガスライン）３２１とを含む。キャリアガス２９の典型的なものは空気であり、以降において特に説明しない限りキャリアガス２９は空気である。キャリアガス２９は、窒素、アルゴンなどの不活性ガスであってもよい。キャリアガス２９は、分析対象となるターゲット組成に対してピーク分離などに有効な成分を含むドーパントであってもよい。

サンプルガスライン３１１は、インレット側より、パーティクルフィルタ３１２と、ポンプ３１４と、バッファ３１６と、マスフローコントローラ３１８とを含む。キャリアガスライン３２１は、湿度除去ユニット３２２と、ハイドロカーボンスクラバ３２４と、パーティクルフィルタ３２６とを含む。サンプルガスライン３１１を通過したターゲットガス２１と、キャリアガスライン３２１を通過したキャリアガス２９とはミキサー３２８により混合され、サンプルガス２０が生成される。カーボンスクラバ３２４は、キャリアガス２９の中の炭化水素化合物を吸着する。湿度除去ユニット３２２の典型的なものはモレキュラシーブである。

マスフローコントローラ（ＭＦＣ）３１８は、流体の質量流量を計測して流量制御を行う機器であり、この濃度調整機構３１０ではデジタルＭＦＣを採用している。流体の流量計測には主に体積流量と質量流量が用いられる。体積流量は、計測対象となる流体に環境温度や使用圧力等の変化により体積変化が生じた場合、正確な流量を計測するために変化量に合った補正を行う。質量流量は、流体の質量（重さ）を計測することにより、使用条件の変化による補正を行う必要がない。ＭＦＣ３１８は、半導体プロセスをはじめ、高精度な流量計測・制御を要求されるプロセスにおける流量制御機器として公知なものである。

制御ユニット６０は、ＭＦＣ３１８をデジタル的に制御するフロー制御ユニット７０を含む。フロー制御ユニット７０は、さらに、センサー１の排気側のフローを管理するＭＦＣ５０も制御する。通常は、排気側のＭＦＣ５０によりセンサー１の通過流量を一定に保ち、ターゲットガス２１のＭＦＣ３１８によりキャリアガス２９に注入されるターゲットガス２１の流量を制御する。したがって、フロー制御ユニット７０により、サンプルガス２０に含まれるターゲットガス２１とキャリアガス２９との混合比を制御できる。

フロー制御ユニット７０は、サンプルガスライン３１１およびキャリアガスライン３２１に設けられたガス流量センサー３１９および３２９によりそれぞれのラインのガス流量を監視する機能を含む。また、湿度除去ユニット３２２が湿度を調整可能なユニット、たとえば、加湿ユニットを含む場合は、フロー制御ユニット７０は、キャリアガス側の湿度を制御することにより、センサー１を通過するサンプルガス２０の湿度を制御する機能を含んでいてもよい。

この濃度調整機構３１０は、正圧ポンプ３１４を含み、排気側の負圧ポンプ５１との組み合わせでセンサー１の通過条件を制御している。正圧ポンプ３１４および負圧ポンプ５１は２つ以上のポンプを並列に接続したものであってもよい。また、センサー１の入口側のバッファ（サンプリングバッファ）３１６に加え、センサーの排気側にバッファを設けてもよい。バッファ３１６と、複数のポンプ３１４および５１を設けることでセンサー１を通過する流量の変動を緩衝させることができ、測定精度を向上できる。現在のテクノロジーでは、安定測定に３５ｃｃ〜５０ｃｃ/ｓｅｃあたりの流量（流速）が必要になるので、バッファ領域は、この２〜３倍確保する事で、不安定要因を緩和できる。

小型ポンプ３１４および５１の一例は、テフロン（登録商標）・コーティング、ドライタイプの小型ポンプ、たとえば、プランジャーポンプ、ピストンポンプ、ロータリーポンプ、ルーツ型ポンプ、クロー型ポンプである。センサー１の上流側のポンプ３１４はセンサー１に対してガスを加圧するポンプ（正圧ポンプ）として機能し、下流側のポンプ５１はセンサー１に対してガスを吸引するポンプ（負圧ポンプ）として機能する。このため、これらのポンプ３１４および５１に多少の流量変動、脈動などが発生してもセンサー１を流れるサンプルガス２０の流量の変動および脈動を抑制できる。また、これらのポンプ３１４および５１を複数のポンプで構成することにより、ポンプのオンオフでセンサー１に供給されるサンプルガス２０の流量を制御したり、圧力を制御したりすることも可能となる。

フロー制御ユニット７０は、流入速度制御回路（自動流量最適化装置）であり、イオン移動度センサー１へ流入するサンプルガス２０の流量を制御する。フロー制御ユニット７０は、ガス流量センサー３１９および３２９からの信号を取得する。さらに、フロー制御ユニット７０は、センサードライバ６１を介して、イオン移動度センサー１の内部流量センサーの信号も取得する。

フロー制御ユニット７０は、さらに、ＦＡＩＭＳデータベース７９に含まれる自動制御用の最適化テーブル７８を参照し、ターゲットガス２１に含まれるターゲット組成をセンサー１で測定するために最適な流量をＭＦＣ３１８に設定する。データベース７９は、制御ユニット６０に含まれていてもよく、コンピュータネットワークなどを介して制御ユニット６０が通信可能なサーバーなどに含まれていてもよい。データベース７９には、化学物質グループ情報、イオンモビリティ、ヒートマップ情報、統計データと予測シュミレーションモデルとを含む。データベース７９に用意された自動制御用の最適化テーブル７８には流量制御最適化テーブルが含まれており、ターゲット組成物を化学物質グループ化することにより、流入速度（流量）制御、イオンモビリティと測定データ（電流値）相関テーブルとが与えられるようになっている。

したがって、このフロー制御ユニット７０は、まず、センサー１を通過するサンプルガス２０の流速（流量）を固定して測定精度を上げる機能を含む。さらに、センサー１では、測定対象の化学物質の濃度によっては、電流値のレンジがオーバーするケースがあるが、フロー制御ユニット７０がキャリアガス２９の流量制御と、ターゲットガス２１の流量制御をソフトウェア的に行うことで、ターゲットガス２１に含まれる測定対象の化学物質の濃度がセンサー１で精度よく検出可能な濃度範囲に入り、センサー１の測定結果が改善されるように濃度調整機構３１０を制御する機能を含む。この例では、サンプルガスフローをＭＦＣ５０で制御し、ターゲットガスフローをＭＦＣ３１８で制御し、キャリアガスフローはこれらの制御により決まるように自動制御しているが、キャリガガスフローを、ＭＦＣを用いて直に制御することも可能である。したがって、手動でサンプルを計量して希釈するような手間は不要となる。

制御ユニット６０は、濃度調整機構３１０による濃度調整を自動的に行う濃度制御ユニット８０を含む。濃度制御ユニット８０は、ドライバ６１を介してセンサー１の測定結果を取得するユニット（機能）８１と、濃度調整機構３１０の初期設定を行うユニット（機能）８２と、第１の最適化を行うユニット（機能）８３と、第２の最適化を行うユニット（機能）８４とを含む。さらに、濃度制御ユニット８０は、濃度調整機構３１０に対する制御情報、測定結果および最適化の状況をパーソナルコンピュータなどのホスト端末２に出力するユニット（機能）８５を含む。

図２に、濃度制御ユニット８０によりサンプルガス２０の濃度調整を自動的に行う過程をフローチャートにより示している。ステップ５０１において、測定結果を取得するユニット８１によりセンサー１のＩＭＳデータ６５を取得する。ステップ５０２において初期設定段階であれば、初期設定ユニット８２がターゲットガス濃度を粗く制御する。まず、ステップ５０３において、ＩＭＳデータ６５に含まれているピークが過大で測定レンジを超えている場合は、ステップ５０４において、サンプルガス２０中のターゲットガス２１の濃度が低くなるように濃度調整機構３１０のＭＦＣ３１８を制御する。一方、ステップ５０５において、ＩＭＳデータ６５に含まれているピークが過小または判明しない場合は、ステップ５０６において、サンプルガス２０中のターゲットガス２１の濃度が高くなるように濃度調整機構３１０のＭＦＣ３１８を制御する。

初期設定が終了し、ピークが所定の範囲に収まるＩＭＳデータ６５が得られる濃度が判明すると、ステップ５１０において第１の最適化を行う。まず、第１の最適化ユニット８３は、ステップ５１１において、サンプルガス２０中のターゲットガス２１の濃度が段階的に変わるように濃度調整機構３１０のＭＦＣ３１８を制御する。イオン移動度センサー１において測定に適したターゲット組成物の濃度範囲はｐｐｂまたはｐｐｔオーダーである。したがって、ターゲットガス２１に含まれるターゲット組成物の濃度によりターゲットガス２１の希釈率は変わるが、測定可能なレンジ範囲で濃度が少なくとも１０段階に変わるように制御する。さらに、ステップ５１２において、それぞれの濃度におけるＩＭＳデータ６５を評価し、ターゲットガス２１の測定に適したサンプルガス２０中の濃度をさらに詳細に決定する。

次に、ステップ５２０において第２の最適化を行う。第２の最適化ユニット８４は、ステップ５２１において、得られたＩＭＳデータ６５を予備的に解析し、ステップ５２２においてターゲットガス２１に含まれている組成物（化学物質）の候補を選択する。選択された候補が、濃度調整機構３１０において濃度調整を行う最終的なターゲットの組成物になる。ターゲット組成物が選択されると、ステップ５２３において、イオン移動度センサー１の測定対象となる複数の化学物質のデータベース７９を参照する。上述したようにデータベース７９には、複数の化学物質それぞれのイオン移動度センサー１において検出の容易な濃度データが含まれている自動制御用の最適化テーブル７８が用意されている。したがって、ステップ５２４において、測定結果に含まれる化学物質（ターゲット組成物）に適した濃度を取得し、濃度調整機構３１０を制御する。

このように、本例のシステム１０においては、ターゲットガス２１のサンプルガス２０における濃度を自動調整し、ターゲットガス２１に含まれているターゲット組成物がイオン移動度センサー１で精度よく検出できるようにしている。濃度の自動調整は、初期段階にかぎらず、ターゲットガス２１の濃度が変動したときに自動的に追従して濃度調整を行うようにしてもよい。ターゲットガス２１の濃度変動は、センサー１の測定結果を解析することにより判明する。したがって、この分析装置１０においては、常に良好な解析結果が得られる濃度のスイートスポットを自動サーチしながらターゲットガス２１を分析できる。

イオン移動度センサー１を通過するサンプルガス２０の濃度および流量を精度よく管理することはセンサー１の測定精度を上げるうえで重要である。また、センサー１の測定精度を高めるためにはキャリブレーションを正確に行うことも重要である。そのためには、コンパクトに実装できるキャリブレーションユニットであって、さらに、頻繁なメンテナンスを抑制でき、自動的にキャリブレーションが実施できるユニットが望ましい。そのため、この分析装置１０には自動キャリブレーションユニット２００が設けられている。

この分析装置１０では、自動キャリブレーションユニット２００を濃度調整機構３１０の上流のターゲットガス２１を供給するサンプリングライン１５０にビルトインしている。この配置は、キャリブレーションユニット２００を用いて濃度調整機構３１０のキャリブレーションも行える点で都合がよいが、キャリブレーションユニット２００は、イオン移動度センサー１の上流に配置されればよく、サンプリングライン１５０に直列に配置されても、サンプリングライン１５０と並列に配置されてもよい。

すなわち、このキャリブレーションユニット２００は、既知の化学物質を含むパイロット組成物（パイロットケミカル）を、ターゲットガス２１をセンサー１に供給するサンプリングライン１５０を介してサンプルガス２０に含有させているが、センサー１の直前にキャリブレーションユニット２００を配置してサンプルガス２０にパイロットケミカルを含有させるように配置することも可能である。

このキャリブレーションユニット２００は、ターゲットガス２１の代わりにパイロットケミカルをサンプリングライン１５０に導入するためのバルブシステム２１０と、キャリブレーションガス供給ポンプ２２０と、パイロットケミカルを含むパイロットサンプルを投入するユニット２５０とを含む。また、制御ユニット６０は、キャリブレーションユニット２００を制御するユニット６８を含む。このキャリブレーションユニット２００は、濃度調整機構３１０に、ターゲット組成物を含むターゲットガス２１の代わりにパイロットケミカルを供給する。

図３にパイロットサンプル投入ユニット２５０の概略構成を断面図により示している。また、図４にパイロットサンプル投入ユニット２５０をガス（キャリブレーションガス）の流れる方向から示している。

このパイロットサンプル投入ユニット２５０は、複数のキャリブレーション用パイロット物質（パイロットケミカル）が事前に封入されたチューブ（ナノチューブ）が、配管を兼ねる円筒状のハウジング２５５に決められた断面積にある一定量、ある深さで充填（実装）される。そしてハウジング２５５が銃の実弾実装用のルーレットのように回転し、チューブライクなパイロットサンプル２６１〜２６５のいずれかがソフトウェア制御でハウジング２５５内の空間２５９に現れ、キャリブレーション用のパイロットケミカルとして選択される。

パイロットサンプル２６１〜２６５のチューブに封入されるパイロットケミカルは、予め濃度、分子量、分子構造が判明しており、様々な環境条件（温度、湿度、圧力、流量を含む）でセンサー１による測定結果が予め得られているものである。したがって、センサー１の実際の測定結果（実測値）と、予め得られている値（理論値、標準値）とを比較することにより、実測値を校正できる。

ターゲットとする組成物、ターゲットガス２１の化学的特性、バックグランド（環境）によっては、１つのパイロットサンプルではキャリブレーションが不十分な場合があるが、このユニット２５０においては複数のパイロットサンプルを選択できる。また、パイロットサンプルが液体であると経時劣化の問題や、ハンドリングが煩雑になるという問題もあるが、パイロットサンプル２６１〜２６５を各チューブに封入するタイプにすることにより、パイロットケミカルを良好な状態で保存できる。さらに、パイロットサンプル２６１〜２６５の各チューブをハウジング２５５に封入するように実装することにより、外部とのコンタクト面積が最小となり、酸化等の問題を防止でき、パイロットサンプルを実際に使用するときに新しいサンプル面が現れるような構成を採用できる。したがって、このユニット２５０は、コンパクトで、構造が簡易でありながら、液体または気体状態のパイロットケミカルを固体のように長期間にわたり経時変化等が少ない状態で保存でき、さらに、フレッシュなパイロットケミカルをラインに投入できるというものである。

さらに具体的には、パイロットサンプル投入ユニット２５０は、筒状のインナーハウジング（インナー）２５４と、インナー２５４の外側に同心円状に配置され、インナー２５４に対して相対的に回転するアウターハウジング（アウター）２５５とを有する。インナーハウジング２５４の内部のスペース２５９には、キャリブレーションガス供給ポンプ２２０によりキャリブレーションガス２２５が供給される。キャリブレーションガス２２５は典型的には空気であり、パイロットケミカルを、サンプリングライン１５０を通してセンサー１に供給するキャリアガスである。

アウターハウジング２５５には、キャリブレーション用のパイロットケミカルを含有するチューブをそれぞれ含むパイロットサンプル２６１〜２６５が、キャリブレーションガス２２５が流れる方向に重ならないように配置されている。チューブ２６１〜２６５は、それぞれがインナー２５４の外側に、同心円状にアウターハウジング２５５に実装されている。インナー２５４には、パイロットサンプル２６１〜２６５と重なる位置に開口、たとえば開口２７１〜２７５が設けられており、インナー２５４とアウターハウジング２５５とが相対的に回転すると、パイロットサンプル２６１〜２６５のいずれかが、開口２７１〜２７５のいずれかから内部スペース２５９に現れ、その露出したパイロットサンプルのチューブからパイロットケミカルがキャリブレーションガス２２５に放出される。したがって、パイロットサンプル２６１〜２６５に含まれているパイロットケミカルのいずれかがサンプルガス２０に含まれてイオン移動度センサー１に供給される。

パイロットサンプル２６１〜２６５に対応した開口２７１〜２７５の面積は変えられており、たとえば、パイロットサンプル２６１の開口２７１の面積を基準（１．０）とすると、パイロットサンプル２６２の開口２７２の面積比率は２．０、パイロットサンプル２６３の開口２７３の面積比率は５．０、パイロットサンプル２６４の開口２７４の面積比率は１０．０になっている。

このサンプル投入ユニット２５０では、インナー２５４とアウター２５５とが相対的に回転し、その際、インナー２５４がパイロットサンプル２６１〜２６５の各チューブ２８０の表面に接し、各チューブ２８０の表面が削られる。各パイロットサンプル２６１〜２６５の各チューブ２８０はバネまたはネジ２８１によりアウターハウジング２５５からインナー２５４の方向に加圧されており、インナー２５４の相対的な回転により確実にチューブ２８０の表面が削られるようになっており、チューブ２８０の常に新しい面がキャリブレーションガス２２５に現れる。

チューブ２８０の一例は多量の微細な孔（直径がμｍまたはｎｍオーダーの孔）を含むポーラスガラスであり、ガラスの表面を研磨することにより常に新しいパイロットケミカルを放出できる。パイロットサンプル２６１〜２６５の各チューブ２８０は、アウターハウジング２５５の外側からキャップ２８９を取り外すことにより容易に交換できる。

パイロットサンプル２６１〜２６５のうちの４つ、たとえば、サンプル２６１〜２６４は、それぞれが異なる間接検出反応化学物質および／または触媒、酵素などのパイロットケミカルを含む。したがって、インナー２５４および／またはアウターハウジング２５５が回転すると、回転角度により、異なったサンプルが異なった面積でキャリブレーションガス２２５に晒される。このため、イオン移動度センサー１をガス（サンプル、パイロットケミカル）の種類と、濃度によりキャリブレートできる。

アウターハウジング２５５には、サンプルの放出を促す温度にするためにヒーター２９０を設けてもよい。パイロットサンプル２６５は、キャリブレーションの終了を示す化学物質ＴＣ（Termination Chemical）を放出するパイロットサンプルである。パイロットサンプル２６５から化学物質ＴＣがキャリブレーションガス２２５に放出され、イオン移動度センサー１がそれを検出すると、自動的にキャリブレーションが終了したと判断する。サンプル投入ユニット２５０が化学物質ＴＣを放出することにより、キャリブレーションユニット２００からイオン移動度センサー１およびその解析ユニット（制御ユニット）６０に対し、キャリブレーション処理の終了が伝達される。

このように、制御信号の代わりに所定のパイロットケミカルをサンプリングライン１５０に流し、分析装置１０を制御することができる。たとえば、化学物質ＴＣを、間接的検出を行う場合の反応対象化学物質が、全て使用されたことを示す信号として利用できる。また、サンプリングライン１５０のクリーンアップが終了した信号としても使用できる。

図１に戻って、この分析装置１０は、分析対象のガス（ターゲットガス、第１のガス）２１をサンプリングユニット１００により採取する。サンプリングユニット１００は、たとえば、１または複数の種類の物品を搬送するコンベア１９０からターゲットガス２１を採取し、コンベア１９０で搬送されている物品１９１を判別したり、物品１９１に含まれている可能性がある異物１９２を判別したりすることができる。このサンプリングユニット１００は、ターゲットガス２１に対する外界の影響を抑制するためにエアーカーテン１８０を形成し、エアーカーテン１８０で囲われた領域からターゲットガス２１を採取する。

このため、サンプリングユニット１００は、エアーカーテン用のエアーを供給するポンプ１８２と、エアーカーテン１８０を形成するためのフード１８４と、フード１８４の内部からガスを採取するためのサンプリングノズル１８６とを含む。この例では、エアーカーテン１８０を形成する空気の一部がノズル１８６を通って排気され、その排気１６５の一部が正圧ポンプ３１４により吸引されることによりターゲットガス２１として採取される。ターゲットガス２１を採取するためのポンプをサンプリングユニット１００に設けることも可能である。排気量はダンパー１８８により制御でき、採取されターゲットガス２１は適当なフィルター１８９を通ってサンプリングライン１５０に供給される。

サンプリングユニット１００により採取されるターゲットガス２１に含まれるターゲットケミカル（第１の組成）１６０は、エアーカーテン１８０を形成するエアー量に左右される可能性がある。たとえば、エアーカーテン１８０のエアー量が多すぎるとターゲットガス２１に含まれるターゲットケミカル１６０の濃度が低下する可能性があり、エアー量が少なすぎるとターゲットガス２１に含まれるノイズ（他のケミカル）が増加する可能性がある。このため、サンプリングユニット１００は、エアーカーテン１８０のエアー量を制御するフロー制御機構１７０を有し、制御ユニット６０はフロー制御機構１７０によりエアー量を制御するエアーカーテン制御ユニット６９を含む。フロー制御機構１７０の一例は、ダンパーであり、ポンプ１８２の回転数制御によりエアー量を制御してもよい。

エアーカーテン制御ユニット６９は、エアーカーテン１８０のエアー量と濃度調整機構３１０とを協調制御する。たとえば、エアーカーテン制御ユニット６９は、ＩＭＳデータ６５にノイズが多すぎると判断されればエアー量を増加し、それによりターゲットガス２１に含まれるターゲットケミカル１６０の濃度が低下すると判断すれば、フロー制御ユニット７０が濃度調整機構３１０を用いてサンプルガス２０に含まれるターゲットケミカル１６０の濃度を上げる方向に制御する。一方、ＩＭＳデータ６５にターゲットケミカルのピークが見られない場合には、エアーカーテン制御ユニット６９は、支障のない範囲でエアー量を下げ、濃度調整機構３１０の調整領域（ターンダウン）を確保する。

図５に、分析装置１０がボックス状のコンテナ（ハウジング）３に収納された様子を示している。コンテナ３には、キャリブレーションユニット２００、サンプル調製ユニット３００、イオン移動度センサー１、排気系のＭＦＣ５０および排気ポンプ５１、さらに制御ユニット６０が収納されている。イオン移動度センサー１を含め、これらのユニットおよびパーツはコンパクトであり、サンプリングユニット１００を除く分析装置１０を数１０ｃｍ角程度のコンテナ３に収納して提供することができる。コンテナ３の前面には、分析装置１０の動作をモニタリングするディスプレイ３ｄが設けられている。

分析装置１０は、ネットワーク９を介してパーソナルコンピュータなどの端末２に接続される。端末２のディスプレイ２ｄには、ＩＭＳデータ６５を画像２ａとして表示させたり、履歴を画像２ｂとして表示させたり、さらに、ＩＭＳデータ６５に関わるコンテンツ２ｃを表示させたりすることができる。コンテンツ２ｃは、ＩＭＳデータ６５の複数の候補に対応してネットワーク９にオープンされている複数の情報２ｘと、最も確からしい候補の情報２ｙと、確からしい候補の情報２ｙに関連する情報２ｚを含めることができる。

図６に、濃度調整機構３１０の異なる例を示している。この濃度調整機構３１０ａは複数の吸着ユニット（ＡＵ）３３０ａ〜３３０ｃと、それぞれのＡＵ３３０ａ〜３３０ｃにターゲットガス２１を時分割で供給する複数の第１の経路３４１ａ〜３４１ｃと、それぞれのＡＵ３３０から吸着物をキャリアガス２９に時分割で放出してサンプルガス２０を生成する複数の第２の経路３４２ａ〜３４２ｃと、経路を切り替えるバルブ３４５ａ〜３４５ｃ、３４６ａ〜３４６ｃ、３４７ａ〜３４７ｃおよび３４８ａ〜３４８ｃとを含む。第１の経路３４１、第２の経路３４２、バルブ３４５〜３４８にはテフロン（登録商標）チューブやコーティングされたものが好ましい。

この濃度調整機構３１０ａは、Ａ〜Ｃの３系統を時分割で切り替えてターゲットガス２１に含まれるターゲットケミカルを濃縮してサンプルガス２０を生成する。なお、以降において、１つの系統を代表して説明するときはＡ系統を参照するが、他の系統においても動作等は共通である。

制御ユニット６０は、ＡＵ３３０ａ〜３３０ｃを制御する吸着制御ユニット（ＡＵ制御ユニット）７１と、バルブシステム３４１〜３４８を制御するバルブ制御ユニット７２とを含む。ＡＵ制御ユニット７１は、ＡＵ３３０ａ〜３３０ｃのそれぞれに含まれているヒーター３３２を制御し、吸着材３３１の温度を制御する機能を含む。バルブ制御ユニット７２は、ＡＵ３３０ａ〜３３０ｃの吸着材３３１がターゲットガス（第１のガス）２１に晒される時間を制御する機能と、複数の第１の経路３４１ａ〜３４１ｃおよび第２の経路３４２ａ〜３４２ｃを時分割で制御する機能とを含む。

図７に１つの吸着ユニット３３０ａを抜き出して示している。ＦＡＩＭＳ技術においては、測定精度を向上させることが要望され、そのため、実効的に電界強度を効率良く上げることが必要となる。１つの解決策は、サンプル（サンプルガス）の通過する飛行経路に電圧を加えるプレート幅を狭くすることであり、ＦＡＩＭＳの電極を微細化することによりＦＡＩＭＳ自体をコンパクトにできるという効果も得られる。その一方、ガス流量抵抗が大きくなるので、大量のサンプルガスを流すことが困難となり、流量変動を抑制することがノイズの影響を小さくするためにも重要となる。さらに、異物がセンサー１に侵入することを防ぐ必要がある。すなわち、測定対象サンプルに、不都合なパーティクル等のゴミ等が浮遊していて、ＦＡＩＭＳ１の細いＶｆ・Ｖｃの印加電極の壁を塞いでしまうような状況を回避するためにフィルターが配置され、フィルターが圧力損失の要因となって流量が変動することがある。

サンプル対象がクリーンである場合は、この問題は発生しない。例えば、多孔質のガラス粒子などの吸着材３３１を測定対象サンプル（ターゲットの化学物質、ターゲットケミカル）１６０のキャプチャとして使用し、ターゲットガス２１からターゲットケミカル１６０を吸着材３３１に一時的にストックし、クリーンなキャリアガス２９に放出することによりターゲットガス２１を直にセンサー１に流入させなくてもターゲットケミカル１６０をセンサー１により測定できる。さらに、吸着材３３１により、ターゲットケミカル１６０を吸着・放出する過程で、サンプルガス２０のターゲットケミカルの濃度を制御できるというメリットもある。

すなわち、熱を加えてキャプチャである吸着材３３１を温めることで、低濃度のターゲットケミカル（サンプル）１６０を濃縮した状態でサンプルガス２０に含めることができ、センサー１の測定限界を超える低濃度のターゲットガス２１しか得られないようなケースでも、測定対象となる化学物質をセンサー１で検出することが可能となる。キャプチャ（吸着材）３３１の捕捉性能と温度変化による放出特定を事前に得ることが可能であり、ソフトウェアで吸着材３３１の温度制御を行うことで、定量的に吸着材３３１にターゲットケミカル１６０を吸収させ、吸着材３３１から定量的にターゲットケミカル１６０を放出させることができる。この推定機能をＡＵ制御ユニット７１は備えており、同定が難しい濃度でのサンプリングであってもターゲットケミカル１６０の検出が可能になり、サンプリングの条件や場所などの制限を緩和できる。

吸着材３３１の典型的なものは多孔質ガラスであり、多孔質の形状や大きさを選択することにより、吸着の過程で測定不要な非対称物質を除くことが可能となる。

ＡＵ（サンプラー）３３０は、ターゲットガス２１の主成分（ターゲットケミカル）１６０を一次的に保持（吸着）し、その後、放出する多孔質の吸着材（キャプチャ）３３１と、吸着および放出を温度で制御するためのヒーター３３２とを含む。ＡＵ制御ユニット７１は、ヒーター３３２を制御するコントローラ（多孔質キャプチャサンプル放出温度制御回路）７１ａ、サンプル放出制御テーブル７１ｂとを有する。テーブル７１ｂは、イオンモビリティ対応化学物質グループ化情報７１ｃ、多孔質キャプチャサイズ対応温度制御テーブル７１ｄとを含む。

ＡＵ制御ユニット７１は、吸着材（キャプチャ）３３１を加熱するヒーター３３２の出力を制御することにより、吸着材３３１の温度を制御する。ＡＵ３３０ａに温度センサーを設置してＡＵ制御ユニット７１でモニタしてもよい。ＡＵ制御ユニット７１がヒーター３３２により温度制御することにより、一次的に吸着材３３１に保持されているターゲットガス２１の成分（ガス分子、ターゲットケミカル１６０）の放出を制御できる。たとえば、比較的低温であれば、分子量が小さいもの、あるいは分子サイズが小さいものを吸着材３３１からキャリアガス２９に先に出力（放出）でき、温度を上げることにより分子量が大きいもの、あるいは分子サイズが大きいものを順番にキャリアガス２９に出力できる。したがって、ＡＵ３３０の温度はＩＭＳデータ６５から化学物質の候補を求めるために有用な情報となる。このため、ＡＵ制御ユニット７１から濃度制御ユニット８０あるいは端末２にＡＵ３３０の温度をフィードバックすることが望ましい。

吸着材３３１の温度をより精度良く制御するため、ヒーター３３２は複数の発熱素子を備えたものであってもよく、たとえば、ラインサーマルヘッドを利用することができる。

多孔質のキャプチャ３３１は、皮膚呼吸による排気のようなサンプリングが難しいガスや測定対象となるターゲット化学物質の濃度が極端に低い場合に、プリ・コンセントレーション等に有効である。このキャプチャ３３１は、測定段階でサンプルとして、ヒーター３３２により高温にされることで、外部に放出されてセンサー１へと送り込まれる。キャプチャ３３１の多孔質のサイズを選択すれば、測定対象の化学物質をターゲットにして、収集することも可能である。

図８を参照し、Ａ、ＢおよびＣ系統を切り替えてターゲットガス２１を連続的にキャプチャし、サンプルガス２０を生成する過程を説明する。まず、時刻ｔ１に、バルブ制御ユニット７２が、Ａ系統の第１の経路３４１ａのバルブ３４５ａおよび排気系のバルブ３４８ａを開き、第２の経路３４２ａのバルブ３４６ａおよびキャリアガスのバルブ３４７ａを閉じ、フィルター３３８を通してＡＵ３３０ａにターゲットガス２１を供給する。ＡＵ制御ユニット７１がＡＵ３３０ａのヒーター３３２を停止して吸着材３３１の温度を低温の吸着温度に設定する。これにより、ＡＵ３３０ａの吸着材３３１がターゲットガス２１に含まれている化学物質を吸着する。

所定の吸着時間Ｔ１が経過した時刻ｔ２に、バルブ制御ユニット７２が、Ａ系統の第１の経路３４１ａのバルブ３４５ａおよび排気系のバルブ３４８ａを閉じ、第２の経路３４２ａのバルブ３４６ａおよびキャリアガスラインのバルブ３４７ａを開き、キャリアガス供給ポンプ３３９からキャリアガス２９をＡＵ３３０ａに供給する。ＡＵ制御ユニット７１はＡＵ３３０ａの吸着材３３１をヒーター３３２により加熱し、吸着材３３１を第１の温度Ｗ１に加熱する。これにより、吸着材３３１に吸着された化学物質（ターゲットケミカル）１６０の中で、低温で放出される成分がキャリアガス２９に放出され、ターゲットケミカルを含むサンプルガス２０がセンサー１に供給される。

時刻ｔ３に、ＡＵ制御ユニット７１は、ヒーター３３２を制御して吸着材３３１を第１の温度Ｗ１より高い第２の温度Ｗ２に加熱し、吸着材３３１から次の成分をキャリアガス２９に放出し、次のターゲットケミカルを含むサンプルガス２０をセンサー１に供給する。

さらに、時刻ｔ４に、ＡＵ制御ユニット７１は、ヒーター３３２を制御して吸着材３３１を第２の温度Ｗ２より高い第３の温度Ｗ３に加熱し、吸着材３３１から次の成分をキャリアガス２９に放出し、次のターゲットケミカルを含むサンプルガス２０をセンサー１に供給する。

その後、時刻ｔ５に、バルブ制御ユニット７２が、Ａ系統の第１の経路３４１ａのバルブ３４５ａおよび第２の系統のバルブ３４６ａを閉じ、キャリアガスラインのバルブ３４７ａおよび排気系のバルブ３４８ａを開いて、ＡＵ３３０ａをクリーンアップ（パージ）する。ＡＵ制御ユニット７１はＡＵ３３０ａの吸着材３３１をヒーター３３２により加熱し吸着材３３１をクリーンアップする。その後、時刻ｔ６に時刻ｔ１と同様にバルブおよびＡＵ３３０ａを制御して、吸着を開始する。

ラインＢにおいては、ラインＡと時間Ｔ１だけシフトしたサイクルで、上記と同様に吸着、放出およびクリーンアップを繰り返す。ラインＣにおいては、さらに時間Ｔ１だけシフトしたサイクルで、上記と同様に吸着、放出およびクリーンアップを繰り返す。したがって、ラインＡ、ＢおよびＣは、時分割でターゲットガス２１からターゲットケミカルをそれぞれのＡＵ３３０ａ〜３３０ｃに吸着し、時分割で、ＡＵ３３０ａ〜３３０ｃからターゲットケミカルを放出してサンプルガス２０を生成する。

したがって、この濃度調整機構３１０ａにより、サンプリングユニット１００から連続して供給されるターゲットガス２１を処理し、適切な濃度にターゲットケミカルが濃縮されたサンプルガス２０を連続してセンサー１に供給できる。このため、サンプリング対象からターゲットケミカルの濃度が非常に低いターゲットガス２１しか得られないような条件であっても、サンプリング対象を連続して監視することが可能となる。

図９に濃度制御機構のさらに異なる例を示している。この濃度調整機構３１０ｂは、液状の製品を製造しているプロセス配管１９９または生産タンク１９８から液状のサンプル（ターゲット液）２２を取得してセンサー１に適した濃度のサンプルガス２０を生成することができる。プロセス配管１９９および生産タンク１９８からターゲット液２２を取得する導入配管１９９ｓおよび１９８ｓは複数であってもよく、適当な手段で複数の導入管１９９ｓ、１９８ｓを切り替えて複数のサンプリングポイントからターゲット液２２が得られるようにしてもよい。

この濃度調整機構３１０ｂは、ターゲットケミカルを含む液状体（ターゲット液）２２を蒸発させてキャリアガス２９にターゲットケミカルを含有させる蒸発チャンバ３５０を含む。蒸発チャンバ３５０は、インクジェット方式でターゲット液２２を吐出するインクジェットヘッド３５２と、蒸発チャンバ３５０の内部を加熱するヒーター３５４とを含む。さらに、濃度調整機構３１０ｂは、蒸発チャンバ３５０の下流にフィルター３５９を介して配置された吸着式の濃度調整機構３１０ａを含む。濃度調整機構３１０ａは上記と同様のＡＵ３３０ａおよび３３０ｂを用いた濃度調整機構である。

インクジェットヘッド３５２による液量制御機構およびヒーター３５４による蒸発温度制御機構は、ターゲット液２２の蒸発量を制御し、サンプリングされたターゲット液２２を比較的低い濃度でサンプルガス２０（キャリアガス２９）中に含有させる機構、すなわち、希釈機構のいくつかの例である。一方、吸着機構は、ターゲットケミカルを濃縮する機能である。したがって、この濃度調整機構３１０ｂは、希釈機構と濃縮機構とを備えており、得られたサンプルに含まれるターゲットケミカルのサンプルガス２０の中の濃度を希釈したり濃縮したりすることができる。

制御ユニット６０は、インクジェットヘッド３５２の吐出量を制御するインクジェット制御ユニット７３と、蒸発チャンバ３５０の内部の温度をヒーター３５４により、ターゲット液２２の蒸発温度を制御するヒーター制御ユニット７４と、バルブ・ＡＵ制御ユニット７５とを含む。インクジェットヘッド３５２は、ピコリットルおよび／またはフェムトリットル単位の液滴を所定の数だけ蒸発チャンバ３５０に吐出でき、蒸発チャンバ３５０で蒸発させる液滴量を高精度に制御できる。したがって、高濃度のターゲットケミカルを含むターゲット液２２が得られる環境であっても、濃度調整機構３１０ｂは、センサー１に適したｐｐｂあるいはｐｐｔオーダーのターゲットケミカルが含まれるサンプルガス２０を生成しセンサー１に供給できる。

ヒーター３５４は、蒸発チャンバ３５０の内部の温度をターゲットの液状体２２が蒸発しやすい温度にするためにも用いられる。また、蒸発チャンバ３５０に液状のままでターゲット液２２が存在するように蒸発チャンバ３５０の温度を初期設定し、徐々に蒸発チャンバ３５０の温度を上昇させて、ターゲット液２２に含まれるターゲットケミカルのうち、気化しやすい成分から順番にサンプルガス２０に含めてセンサー１に供給することも可能である。したがって、インクジェットヘッド３５２の吐出量と、ヒーター３５４により制御される蒸発チャンバ３５０の内の温度は、ＩＭＳデータ６５から化学物質の候補を求めるために有用な情報となる。このため、これらの上方は、濃度制御ユニット８０あるいは端末２にフィードバックすることが望ましい。さらに、蒸発チャンバ３５０の内部の温度、圧力、流量などはセンサー３５６を設けて監視することも有効である。

この濃度調整機構３１０ｂを含む分析装置１０は、上述した濃度調整機構３１０ａを含む装置１０と同様にリアルタイムでサンプリングしながら濃度調整が可能である。さらに、濃度調整機構３１０ｂを含む分析装置１０は液体をターゲットとして分析が可能であり、水質検査や薬品、食品等の液体を製品とするアプリケーションにも対応できる。さらに、固体を製品とするアプリケーションに対しては、固体を適当な液体（溶媒）に溶かして液化したり、適当な方法で気化させたり、製品から出力される揮発成分を検出することにより、分析装置１０を適用できる。

図１０にサンプルにより状態が変わる様子を模式的に示している。図１０（ａ）に示すように、サンプルにより気化量の温度依存性は変化する。図１０（ｂ）に示すように、サンプルガス２０の流量によりセンサー１の出力（電流値）が変化する。さらに、図１０（ｃ）に示すようにセンサー１が設置されている気圧によりセンサー１の出力が変化する。したがって、センサー１により再現性のあるデータを取得することが容易ではないケースも多い。その一方で、センサー１の出力の変動傾向、変動幅などの情報はセンサー１に対するターゲットケミカルの特性（特徴）である。したがって、センサー１によりターゲットケミカルを検出できる濃度に濃度調整機構３１０により自動調整し、その調整した結果（制御情報）はターゲットケミカルを特定するために重要な情報となる。

図１１に、分析装置の異なる例を示している。この分析装置１０ａは、反応チャンバ４００と反応チャンバ４００の温度を制御するヒーター４０１とを有する。反応チャンバ（化学反応チャンバ）４００は、分析対象の組成物（ターゲットケミカル）１６０を他の組成物Ｌ、ＭおよびＮと反応させて、センサー１により分析可能なターゲットケミカル（第１の組成）を含む組成物に変換する。変換された２次ケミカルは、キャリアガス供給ポンプ３３９から供給されるキャリアガス２９により濃度調整機構３１０に供給され、２次ケミカルの濃度が調整された後、サンプルガス２０としてセンサー１に供給される。

この反応チャンバ４００を備えた分析装置１０ａは、センサー１により直接測定の難しい化学物質をターゲットして分析できる。間接測定に用いる化学物質（２次ケミカル）はバックグランドに含まれない、あるいはバックグランドとして存在量の少ないものであることが望ましい。したがって、間接測定に先立って、センサー１のベースラインやバックグランド測定を行い、間接測定する化学物質の濃度や量を決定することが望ましい。間接測定に用いる２次ケミカルがバックグランドに存在する場合であっても、直接測定された２次ケミカルを含む測定結果と、反応チャンバ４００から得られる２次ケミカルを含む測定結果とを比較する（差分をとる）ことにより、本来の測定対象の化学物質の特定や分析を行うことが可能である。例えば、アンモニア（ＮＨ３）の単体測定が、他のバックグランドに含まれる化学物質によって測定結果に影響が出る場合がある。アンモニアの測定自体が難しい場合、αケトグルタル酸と脱水酵素であるデヒドロゲナーゼ（ＧＤＨ）を混ぜてグルタミン酸を生成して、その生成された化学物質（２次ケミカル）を測定することにより、アンモニアの特定や定量分析を行うことができる。

間接測定は、センサー１などを腐蝕させたり、破壊させたりする恐れのある濃硫酸等の腐食性の強い化学物質、爆発性の化学物質、排気が難しい有害な化学物質に対しても有効である。安全で測定可能な化学物質に変化させてから測定を行うことで、安全・確実に様々な化学物質をセンサー１で計測し、その存在を特定したり、定量分析を行うことが可能となる。

図１２に、濃度調整機構の異なる例を示している。この濃度調整機構３１０ｃは、上述した濃度調整機構３１０ａに説明した第１の経路３４１ａおよび３４１ｂ、第２の経路３４２ａおよび３４２ｂに加え、第１のガス（ターゲットガス）２１を第１の経路３４１ａおよび３４１ｂにフィードバックする第３の経路３４３を含む。低濃度のターゲットガス２１を複数回このフィードバックルート３４３を通してＡＵ３３０ａおよび３３０ｂに供給することにより、ターゲットガス２１に含まれるターゲットケミカルを多孔質ガラスなどの吸着材３３１に蓄積できる。測定は、このフィードバック回数を記憶しておき、第２の経路３４２ａおよび３４２ｂを開にするとともに、ＡＵ３３０ａおよび３３０ｂの温度を上昇させて、吸着材３３１に蓄積されていたターゲットケミカルを一挙にキャリアガス２９に放出して濃度の高いサンプルガス２０を生成する。

この例では、ＡＵ３３０ａおよび３３０ｂは並列に接続され、ターゲットガス２１がボンベ１１０から濃度調整機構３１０ｃに供給されると、入り口弁３５１を閉じ、第３の経路（フィードバックループ）３４３のバルブ３５６ａ、３５６ｂ、３５７を開き、リサイクル用ポンプ３５３を駆動し、フィードバックループ３４３を介してターゲットガス２１をリサイクルさせる。フィードバックループ３４３にはバッファ３５８が設けられており、リサイクルするための流量が確保できるようになっている。

所定の時間、ターゲットガス２１をリサイクルした後は、上述した濃度調整機構３１０ａと同様に、ＡＵ３３０ａおよび３３０ｂにキャリアガス２９を供給し、サンプルガス２０を生成する。

この濃度調整機構３１０ｃは、さらに、リサイクルさせているターゲットガス２１からターゲットケミカル以外の組成物（第２の組成）を除去する除去ユニット３９０を含む。除去ユニット３９０の一例はコールドトラップであり、水分を除去できる。除去ユニット３９０の他の例は、孔径が制御された多孔質ガラスである。ＡＵ３３０ａおよび３３０ｂで吸着しようとしているターゲットケミカル以外のケミカルを吸着するのに適した多孔質ガラスを選択して除去ユニット３９０に採用することにより、ターゲットケミカルをＡＵ３３０ａおよび３３０ｂに効率よく蓄積させることができる。除去ユニット３９０は、空気中の酸素、二酸化炭素および／または窒素を除去するユニットであってもよい。

上記において説明した分析装置１０は、サンプルガス２０の濃度を自動的に調整できる。したがって、イオン移動度センサー１では直に測定しても信頼できる測定結果が得にくい低濃度あるいは高濃度のターゲットについても分析対象外あるいは検出対象外とすることなく測定および分析できる。このため、ＦＡＩＭＳ技術をさらに多くのアプリケーションに適用することが可能となり、液体プロセスのモニタリング、水処理のモニタリングについてもＦＡＩＭＳ技術を適用できる。

Claims (18)

1. イオン移動度センサーに供給するサンプルを調製するユニットと、
   前記調製するユニットを制御する機能を含む制御ユニットとを有し、
   前記調製するユニットは、前記サンプルに含まれる第１の成分の濃度を変える濃度調整機構を含み、
   前記制御ユニットは、前記イオン移動度センサーの測定結果を取得する機能と、
   前記測定結果が改善される方向に前記濃度調整機構を制御する機能とを含み、
   前記濃度調整機構を制御する機能は、前記第１の成分の濃度が段階的に変わるように前記濃度調整機構を制御して得られた測定結果を予備的に解析し、前記第１の成分に含まれる化学物質の候補を選択する機能と、
   前記イオン移動度センサーの測定対象となる複数の化学物質のデータベースであって、前記複数の化学物質のそれぞれを前記イオン移動度センサーにおいて検出するために適した濃度のデータが含まれるデータベースにアクセスして前記化学物質の候補を検出するために適した検出用濃度を取得し、前記サンプルに含まれる前記第１の成分の濃度が前記検出用濃度になるように前記濃度調整機構を制御する機能とを含む、装置。
2. 請求項１において、前記制御ユニットは、前記濃度調整機構に対する制御情報を出力する機能を含む、装置。
3. 請求項１または４において、前記濃度調整機構は、前記第１の成分を吸着する吸着材と、前記吸着材を加熱して前記吸着材に吸着された成分をキャリアガスに放出する機構とを含み、
   前記制御ユニットは前記吸着材の温度を制御する機能を含む、装置。
4. 請求項５において、前記濃度調整機構は、さらに、前記第１の成分を含む第１のガスが前記吸着材を通過する第１の経路と、前記吸着材が前記吸着された成分を前記キャリアガスに放出する第２の経路とを含み、
   前記制御ユニットは、前記第１のガスに前記吸着材が晒される時間を制御する機能を含む、装置。
5. 請求項６において、前記濃度調整機構は、複数の前記第１の経路および前記第２の経路を含み、
   前記制御ユニットは、前記複数の第１の経路および第２の経路を時分割で制御する機能を含む、装置。
6. 請求項５ないし７のいずれかにおいて、前記濃度調整機構は、前記第１のガスを前記第１の経路にフィードバックする第３の経路を含む、装置。
7. 請求項５ないし８のいずれかにおいて、前記吸着材は多孔質ガラスである、装置。
8. 請求項１、４ないし９のいずれかにおいて、前記濃度調整機構は、前記第１の成分を含む液状体を加熱することにより前記第１の成分を含む前記サンプルを生成する機構を含み、
   前記制御ユニットは、前記第１の成分を含む液状体の加熱温度を制御する機能を含む、装置。
9. 請求項１、４ないし１０のいずれかにおいて、前記濃度調整機構は、前記第１の成分を含む液状体をインクジェット方式で吐出することにより前記第１の成分を含む前記サンプルを生成する機構を含み、
   前記制御ユニットは、前記第１の成分を含む液状体の吐出量を制御する機能を含む、装置。
10. 請求項１、４ないし１１のいずれかにおいて、前記濃度調整機構は、前記第１の成分を含む第１のガスから第２の成分を除去する機構を含む、装置。
11. 請求項１、４ないし１２のいずれかにおいて、前記サンプルは空気または既知の成分のキャリアガスを含み、
    前記濃度調整機構は、前記第１の成分を含む第１のガスを前記キャリアガスに注入する流量制御機構を含み、
    前記制御ユニットは、前記流量制御機構により前記第１のガスと前記キャリアガスとの混合比を変える機能を含む、装置。
12. 請求項１、４ないし１３のいずれかにおいて、分析対象の化学物質を他の化学物質と反応させて前記第１の成分に変換する機構をさらに有する、装置。
13. 請求項１、４ないし１４のいずれかにおいて、前記第１の成分を含む分析対象ガスを採取して前記濃度調整機構へ供給するガス採取装置をさらに有し、
    前記ガス採取装置は、エアーカーテンを形成するエアー量を制御するユニットと、
    前記エアーカーテンで囲われた領域から前記分析対象ガスを採取するユニットとを含み、
    前記制御ユニットは、前記エアーカーテンを形成するエアー量と前記濃度調整機構とを協調制御する機能を含む、装置。
14. 請求項１、４ないし１５のいずれかにおいて、さらに、
    前記イオン移動度センサーと、
    前記イオン移動度センサーの出力および前記濃度調整機構に対する制御情報に基づいて分析結果を得る処理ユニットとを有する、装置。
15. 請求項１６において、既知の化学物質を含むパイロット成分を前記サンプルに含有させるキャリブレーションユニットをさらに有する、装置。
16. 請求項１７において、前記キャリブレーションユニットは、前記濃度調整機構に、前記第１の成分として前記パイロット成分を含む前記サンプルを供給する、装置。
17. イオン移動度センサーに供給するサンプルを調製するユニットと、前記調製するユニットを制御する制御ユニットとを含む装置の制御方法であって、前記調整するユニットは、前記サンプルに含まれる第１の成分の濃度を変える濃度調整機構を含み、
    当該制御方法は、
    前記制御ユニットが、前記イオン移動度センサーから測定結果を受信することと、
    前記制御ユニットが、前記測定結果を改善する方向に前記濃度調整機構を制御することとを有し、
    前記濃度調整機構を制御することは、
    前記第１の成分の濃度が段階的に変わるように前記濃度調整機構を制御して得られた測定結果を予備的に解析し、前記第１の成分に含まれる化学物質の候補を選択することと、
    前記イオン移動度センサーの測定対象となる複数の化学物質のデータベースであって、前記複数の化学物質のそれぞれを前記イオン移動度センサーにおいて検出するために適した濃度のデータが含まれるデータベースにアクセスして前記化学物質の候補を検出するために適した検出用濃度を取得し、前記サンプルに含まれる前記第１の成分の濃度が前記検出用濃度になるように前記濃度調整機構を制御することとを含む、制御方法。
18. イオン移動度センサーに供給するサンプルを調製するユニットと、
    前記調製するユニットを制御する機能を含む制御ユニットとを有し、
    前記調製するユニットは、前記サンプルに含まれる第１の成分の濃度を変える濃度調整機構を含み、
    前記制御ユニットは、前記イオン移動度センサーの測定結果を取得する機能と、
    前記測定結果が改善される方向に前記濃度調整機構を制御する機能とを含み、さらに、
    前記第１の成分を含む分析対象ガスを採取して前記濃度調整機構へ供給するガス採取装置を有し、
    前記ガス採取装置は、エアーカーテンを形成するエアー量を制御するユニットと、
    前記エアーカーテンで囲われた領域から前記分析対象ガスを採取するユニットとを含み、
    前記制御ユニットは、前記エアーカーテンを形成するエアー量と前記濃度調整機構とを協調制御する機能を含む、装置。

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