JP6391087B2 - Adsorption device and analyzer - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、吸着装置及び分析装置に関する。 Embodiments described herein relate generally to an adsorption device and an analysis device.
現在、代謝反応及び生化学的病態メカニズム等を、呼気中に含まれる揮発性物質の濃度とその変動とから明らかにする研究が進んでいる。 Currently, research is underway to clarify metabolic reactions and biochemical pathological mechanisms from the concentration of volatile substances contained in exhaled breath and their fluctuations.
例えば、呼気中のエタン、ペンタン及び過酸化水素(H2O2)は、酸化ストレスとの相関が高い。呼気中のこれらの濃度が高くなると、脂質酸化、喘息又は気管支炎という症状が現れてくる。 For example, ethane, pentane and hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) in exhaled breath have a high correlation with oxidative stress. When these concentrations in exhalation increase, symptoms of lipid oxidation, asthma or bronchitis appear.
また、呼気中の一酸化窒素(NO)、一酸化炭素(CO)及びH2O2は、肺疾患との相関が高い。呼気中のこれらの濃度が高くなると、喘息又は慢性閉塞性肺炎の症状が見られる。 Nitric oxide (NO), carbon monoxide (CO), and H 2 O 2 in exhaled breath have a high correlation with lung diseases. As these concentrations in expired air increase, symptoms of asthma or chronic obstructive pneumonia are seen.
呼気中の水素(H2)及びカーボンアイソトープは、胃腸疾患との相関が高い。呼気中のこれらの濃度が高くなると、消化不良、胃炎又は十二指腸潰瘍の症状が見られる。 Exhaled hydrogen (H 2 ) and carbon isotopes are highly correlated with gastrointestinal diseases. Higher concentrations of these in exhaled breath can cause symptoms of dyspepsia, gastritis or duodenal ulcers.
また、呼気中のアセトンは、代謝異常との相関が高い。呼気中のアセトン濃度が高くなると、糖尿病の症状が見られる。他方、健康なヒトと比較して呼気中のアセトン濃度が低いヒトは、メタボリック症候群の傾向が見られる。 In addition, acetone in exhaled breath has a high correlation with metabolic abnormalities. As the acetone concentration in the exhalation increases, symptoms of diabetes are seen. On the other hand, people with lower acetone concentrations in breath compared to healthy people tend to have metabolic syndrome.
上述した関係は、痛みを伴わない簡便的な早期病床診断への応用が期待されている。しかしながら、呼気中に含まれる揮発性物質の濃度は、ppm(parts by million)からppb(parts by billion)レベルである。それ故、呼気成分を定量分析するためには、高い分解能を持つ分析装置が必要となる。 The above-described relationship is expected to be applied to simple early bed diagnosis without pain. However, the concentration of volatile substances contained in exhaled breath ranges from ppm (parts by million) to ppb (parts by billion). Therefore, in order to quantitatively analyze the exhalation component, an analyzer having a high resolution is required.
この分析装置としては、カラムを利用して呼気中の成分を分離し、分離した成分を光イオン化検出器などで検出するガス分析装置が一般的に知られている。この分析装置は、十分な分解能を有している。しかしながら、この分析装置は、寸法が大きく、価格も高いため、小さな個人病院では導入することが困難である。このことが、呼気分析が普及しない原因となっている。 As this analyzer, a gas analyzer that separates components in exhaled breath using a column and detects the separated components with a photoionization detector or the like is generally known. This analyzer has a sufficient resolution. However, since this analyzer is large in size and expensive, it is difficult to introduce it in a small private hospital. This is the reason why breath analysis is not widespread.
また、他の分析手法として、金属錯体が特定の分子を選択的に吸着する性質を利用した技術が知られている。例えば、或るマンガンフタロシアニンは、アセトンに対する吸着能が高い。カーボンナノチューブからなる導電性基体は、このマンガンフタロシアニンで表面修飾すると、マンガンフタロシアニンのアセトン吸着量に応じて電気伝導度が変化する。従って、このマンガンフタロシアニンで表面修飾した導電性基体を備えたセンサは、呼気中のアセトン濃度の測定に利用可能である。 As another analysis technique, a technique using a property that a metal complex selectively adsorbs a specific molecule is known. For example, certain manganese phthalocyanines have a high adsorption capacity for acetone. When the surface of a conductive substrate made of carbon nanotubes is modified with manganese phthalocyanine, the electrical conductivity changes according to the amount of acetone adsorbed by manganese phthalocyanine. Therefore, the sensor provided with the conductive substrate surface-modified with manganese phthalocyanine can be used for measuring the acetone concentration in the breath.
しかしながら、金属錯体は、化学構造が類似した分子に対してほぼ等しい吸着能を示す。また、導電性基体の表面が平坦でない場合には、この表面を金属錯体により均一に修飾することは困難である。不均一な表面修飾は、正確な測定を困難にする。 However, metal complexes show approximately equal adsorption capacity for molecules with similar chemical structures. If the surface of the conductive substrate is not flat, it is difficult to uniformly modify the surface with a metal complex. Non-uniform surface modification makes accurate measurement difficult.
本発明が解決しようとする課題は、寸法が小さく且つ高い精度での分析が可能な分析装置を実現可能とすることにある。 The problem to be solved by the present invention is to make it possible to realize an analyzer that is small in size and capable of analyzing with high accuracy.
実施形態によれば、シリコンからなる基材と、前記基材から伸び、互いから離れて位置した複数のカーボンナノチューブ束と、アルカリイオンを含まないガラスからなり、前記基材に直接接合され、前記複数のカーボンナノチューブ束を収容した中空構造を前記基材とともに形成している封止部材であって、前記中空構造の内部空間と外部空間とを各々が連絡する第1及び第2貫通孔が設けられている封止基材とを具備した吸着装置が提供される。 According to the embodiment, a base material made of silicon , a plurality of carbon nanotube bundles extending from the base material and positioned away from each other, and glass not containing alkali ions, directly bonded to the base material, A sealing member that forms a hollow structure containing a plurality of bundles of carbon nanotubes together with the base material, and includes first and second through holes that communicate the internal space and the external space of the hollow structure, respectively. An adsorbing device provided with a sealing base member is provided.
他の実施形態によれば、前記吸着装置と、前記吸着装置を支持する支持体と、前記支持体に支持された前記吸着装置に流体を導いて、前記流体に含まれる1以上の物質を前記複数のカーボンナノチューブ束に吸着させる第1流路と、前記複数のカーボンナノチューブ束に前記1以上の物質を脱着させる脱着装置と、前記複数のカーボンナノチューブ束から脱着させた前記1以上の物質を定量する測定装置と、前記複数のカーボンナノチューブ束から脱着させた前記1以上の物質を前記吸着装置から前記測定装置へと導く第2流路とを具備した分析装置が提供される。 According to another embodiment , the adsorbing device , a support that supports the adsorbing device, a fluid is guided to the adsorbing device supported by the support, and the one or more substances contained in the fluid are A first flow path for adsorbing to the plurality of carbon nanotube bundles; a desorption device for desorbing the one or more substances to the plurality of carbon nanotube bundles; and determining the one or more substances desorbed from the plurality of carbon nanotube bundles. There is provided an analyzer comprising: a measuring device for performing the measurement; and a second flow path for guiding the one or more substances desorbed from the plurality of carbon nanotube bundles from the adsorption device to the measuring device.
以下、実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、同様又は類似した機能を発揮する構成要素には全ての図面を通じて同一の参照符号を付し、重複する説明は省略する。 Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the drawings. In addition, the same referential mark is attached | subjected to the component which exhibits the same or similar function through all the drawings, and the overlapping description is abbreviate | omitted.
図1に示す分析装置1は、呼気に含まれる特定成分、例えば揮発性有機化合物の濃度を分析するための装置である。ここで、検体は、典型的にはヒトの呼気であるが、ヒトを除く動物の呼気であってもよい。また、揮発性有機化合物は、例えば、エタン、ペンタン又はアセトンである。
An
分析装置1は、吸着装置2と、支持体3と、脱着装置4と、導管5a及び5bと、測定装置6とを含んでいる。
The
吸着装置2は、複数のカーボンナノチューブ束を収容した中空構造を有している。これらカーボンナノチューブ束は、呼気中の1以上の物質、即ち、上記成分を物理吸着する。吸着装置2には、その内部空間と外部空間とを連絡する一対の貫通孔が設けられている。吸着装置2の詳細な構造については、後で説明する。
The
支持体3は、吸着装置2を支持している。支持体3は、吸着装置2を着脱可能に支持していてもよく、着脱不可能に支持していてもよい。
The
脱着装置4は、上記物質のカーボンナノチューブ束からの脱着を生じさせる。脱着装置4は、例えば、カーボンナノチューブ束又は吸着装置2への加熱、加振若しくは光照射、カーボンナノチューブ束が収容された空間に対する減圧若しくは気体及び液体などの流体の流通、又はそれらの2以上の組み合わせにより、上記物質のカーボンナノチューブ束からの脱着を生じさせる。ここでは、一例として、脱着装置4は抵抗加熱器であるとする。
The desorption device 4 causes desorption of the substance from the carbon nanotube bundle. The desorption device 4 is, for example, heating, vibration or light irradiation to the carbon nanotube bundle or the
導管5aの一端は、吸着装置2の一方の貫通孔に接続されている。導管5aは、被検体の口から吸着装置2へと呼気を導いて、呼気に含まれる上記1以上の物質をカーボンナノチューブ束に吸着させる第1流路を構成している。
One end of the conduit 5 a is connected to one through hole of the
導管5bの一端は、吸着装置2の他方の貫通孔に接続されている。導管5bの他端は、測定装置6に接続されている。導管5bは、カーボンナノチューブ束から脱着させた上記1以上の物質を吸着装置2から測定装置6へと導く第2流路を構成している。
One end of the
測定装置は、カーボンナノチューブ束から脱着させた上記1以上の物質を定量する。測定装置は、例えば、ガスクロマトグラフである。 The measuring device quantifies the one or more substances desorbed from the carbon nanotube bundle. The measuring device is, for example, a gas chromatograph.
この分析装置1による分析では、先ず、導管5aを介して吸着装置2の内部空間へ呼気を供給するとともに、吸着装置2の内部空間から導管5bを介して呼気を排出する。呼気が吸着装置2の内部空間を流通すると、カーボンナノチューブ束は、呼気中に含まれる物質の一部を吸着する。カーボンナノチューブ束が十分な量の物質を吸着した後、吸着装置2の内部空間への呼気の供給及び吸着装置2の内部空間からの呼気の排出を停止する。
In the analysis by the
次いで、脱着装置4を作動させる。カーボンナノチューブ束は、上記物質を化学吸着している訳ではなく、物理吸着しているだけである。それ故、脱着装置4を作動させると、カーボンナノチューブ束は、吸着している上記物質のほぼ全量を脱着する。この脱着を生じさせると、吸着装置2の内部空間内のガス中での上記物質の濃度は、呼気中の上記物質の濃度と比較して高くなる。
Next, the desorption device 4 is operated. The carbon nanotube bundle does not chemically adsorb the above substances but only physically adsorbs them. Therefore, when the desorption device 4 is operated, the carbon nanotube bundle desorbs almost all of the adsorbed substance. When this desorption occurs, the concentration of the substance in the gas in the internal space of the
その後、吸着装置2の内部空間内のガスを、導管5bを介して測定装置6へと供給する。例えば、導管5aを介して吸着装置2の内部空間へ不活性ガスを供給して、高い濃度で上記物質を含有したガスを、吸着装置2の内部空間から導管5bへ介して測定装置6へと送り出す。測定装置6は、上記ガスが含んでいる上記物質を定量する。
Thereafter, the gas in the internal space of the
呼気が含んでいる成分の多くは、窒素、酸素、二酸化炭素及び水蒸気である。呼気中の揮発性有機化合物の濃度は1%以下に過ぎない。そのため、呼気をそのままの状態でガスクロマトグラフを用いた分析に供しても、高い精度で定量分析することはできない。 Many of the components contained in exhaled breath are nitrogen, oxygen, carbon dioxide and water vapor. The concentration of volatile organic compounds in exhaled breath is only 1% or less. Therefore, even if the breath is used as it is for analysis using a gas chromatograph, quantitative analysis cannot be performed with high accuracy.
これに対し、この分析装置1では、上記物質の濃度を高めたガスを測定装置6へ供給する。そのため、例えば、測定装置6の分析精度が低くても、十分に高い精度で定量分析することができる。また、測定装置6は、精度が低くてもよいので、寸法が小さく、安価なものを使用することができる。
On the other hand, in the
また、カーボンナノチューブ束は、上記物質を化学吸着している訳ではなく、物理吸着しているだけである。それ故、吸着装置2は、繰り返し使用することができる。なお、吸着装置2は、1回の分析毎に新品に交換してもよい。
In addition, the carbon nanotube bundle does not chemically adsorb the above substance, but only physically adsorbs it. Therefore, the
更に、吸着装置2では、金属錯体などによる化学吸着ではなく、カーボンナノチューブ束による物理吸着を利用するので、金属錯体による表面修飾などに起因した不均一を生じない。それ故、分析精度がこの不均一性の影響を受けることはない。
Furthermore, since the
次に、吸着装置2について詳細に説明する。
図2乃至図4に示すように、吸着装置2は、吸着装置本体21と、封止部材22とを含んでいる。
Next, the
As shown in FIGS. 2 to 4, the
吸着装置本体21は、図5に示すように、基材211と、複数のカーボンナノチューブ束212a乃至212dを含んでいる。
As shown in FIG. 5, the adsorption device
基材211は、例えば薄板状である。基材211は、硬質であってもよく、可撓性であってもよい。基材211の材料としては、例えば、シリコン、ガラス、酸化マグネシウム、サファイア、又は酸化アルミニウムを使用することができる。ここでは、一例として、基材211はシリコン基板であるとする。基材211としてシリコン基板を使用した場合、吸着装置本体21の製造に、例えば、半導体プロセスで利用されている技術及び装置を利用することができる。
The
カーボンナノチューブ束212a乃至212dは、基材211の一方の主面から伸びている。ここでは、カーボンナノチューブ束212a乃至212dは、基材211の一方の主面に対して略垂直な方向に延びている。カーボンナノチューブ束212a乃至212dの各々は、真っ直ぐに伸びていてもよく、撓んでいてもよい。
The carbon nanotube bundles 212 a to 212 d extend from one main surface of the
カーボンナノチューブ束212a乃至212dの各々は、その長さ方向に各々が伸びた多数のカーボンナノチューブからなる。カーボンナノチューブは、例えば、シングルウォールチューブである。カーボンナノチューブは、アームチェアチューブ、ジグザグチューブ、及びカイラルチューブの何れであってもよい。
Each of the
カーボンナノチューブの長さは、例えば、50μm乃至100μmの範囲内にある。カーボンナノチューブの直径は、例えば、10nm乃至100nmの範囲内にある。また、カーボンナノチューブ束212a乃至212dの各々において、カーボンナノチューブ間の距離は、例えば、10nm乃至100nmの範囲内にある。
The length of the carbon nanotube is, for example, in the range of 50 μm to 100 μm. The diameter of the carbon nanotube is, for example, in the range of 10 nm to 100 nm. In each of the
カーボンナノチューブ束212a乃至212dの各々の径は、例えば、1μm乃至100μmの範囲内にある。カーボンナノチューブ束212a乃至212dの高さは、例えば、50μm乃至100μmの範囲内にある。
The diameter of each of the
カーボンナノチューブ束212a乃至212dは、互いから離れて位置している。カーボンナノチューブ束212a乃至212d間の距離は、例えば、1μm乃至100μmの範囲内にある。
The
カーボンナノチューブ束212a乃至212dは、基材211上の複数の単位領域から伸びている。これら単位領域の各々は、放射状に配置された複数のサブ領域からなる。具体的には、単位領域の各々は、複数のサブ領域からなり、典型的には回転対称性を有している。各サブ領域は、回転軸から外側へ向けて伸びた形状を有している。
The carbon nanotube bundles 212 a to 212 d extend from a plurality of unit regions on the
ここでは、図6に示すように、単位領域2110の各々は、放射状に配置された複数のサブ領域2110a乃至2110dからなる。サブ領域2110a乃至2110dの各々は、単位領域2110の中心から外側へ向けて伸びた形状、具体的には、単位領域2110の中心側の端が反対側の端と比較して曲率半径がより小さい液滴形状を有している。サブ領域2210aの長さ方向Daは、サブ領域2110cの長さ方向Dcに対して平行である。サブ領域2210bの長さ方向Dbは、サブ領域2110dの長さ方向Ddに対して平行である。方向Da及びDcは、方向Db及びDdに対して垂直である。
Here, as shown in FIG. 6, each of the
方向Da乃至Ddは、それぞれ、サブ領域2110a乃至2110dに対して垂直な方向から見た場合に、直線Lに対して傾いている。この場合、方向Daが直線Lに対して成す角度θaは、例えば、0°より大きく且つ90°未満の範囲内とする。また、この場合、方向Dbが直線Lに対して成す角度θbは、例えば、90°より大きく且つ180°未満の範囲内とする。更に、この場合、方向Dcが直線Lに対して成す角度θcは、例えば、180°より大きく且つ270°未満の範囲内とする。そして、この場合、方向Ddが直線Lに対して成す角度θdは、例えば、270°より大きく且つ360°未満の範囲内とする。ここでは、角度θa、θb、θc及びθdは、それぞれ、45°、135°、225°及び315°である。
The directions Da to Dd are inclined with respect to the straight line L when viewed from a direction perpendicular to the
なお、直線Lは、図2乃至図4に示す貫通孔TH1及びTH2の開口のうち、吸着装置2の内部空間側に位置した開口の中心を通る直線である。方向Da乃至Ddは、それぞれ、サブ領域2110a乃至2110dに対して垂直な方向から見た場合に、直線Lに対して傾いていなくてもよい。また、サブ領域2110a乃至2110dは、単位領域2110の中心から外側へ向けて伸びた形状を有していなくてもよい。
The straight line L is a straight line passing through the center of the opening located on the inner space side of the
カーボンナノチューブ束212a乃至212dは、それらの高さ全体に亘り、高さ方向に垂直な断面の形状が、サブ領域2110a乃至2110dの形状とそれぞれほぼ等しい。図6に示す単位領域2110は、基材211上で縦横に配列している。図2乃至図4に示すように、カーボンナノチューブ束212a乃至212dから各々がなる単位構造212も、単位領域2110の配列に対応して基材211上で縦横に配列している。
The
ここでは、単位領域2110の各々を4つのサブ領域2110a乃至2110dで構成しているが、単位領域2110の各々は、2つ、3つ、又は5つ以上のサブ領域で構成してもよい。或いは、単位領域2110の各々は、連続した1つの領域であってもよい。
Here, each of the
単位領域2110と単位構造212との間には、図5に示す下地層213が介在している。下地層213は、バリア層213aと触媒層213bとを含んでいる。
A
バリア層213aは、触媒層213bを構成している材料が基材211へと拡散するのを抑制する。バリア層213aは、例えば、アルミナ、二酸化シリコン、五酸化タンタル、又は酸化ハフニウムからなる。バリア層213aは、単位領域2110と単位構造212との間にのみ存在しているが、基材211の主面全体を覆うように設けてもよい。バリア層213aは省略することができる。
The
触媒層213bは、カーボンナノチューブ生成のシード及びその成長を促進する触媒としての役割を果たす。触媒層213bは、単位領域2110と単位構造212との間にのみ存在している。触媒層213bは、例えば、鉄などの金属からなる。
The
封止部材22は、例えば薄板状である。封止部材22は、硬質であってもよく、可撓性であってもよい。ここでは、一例として、封止部材22はガラス板であるとする。封止部材22としてガラス板を使用した場合、後述する凹部や貫通孔の形成が容易である。また、基材21としてシリコン基板を使用し、封止部材22としてガラス板を使用した場合、接着剤なしでそれらを接合することができる。
The sealing
図4に示すように、封止部材22は、その一方の主面に、凹部RS1乃至RS3と、溝GR1及びGR2とを有している。凹部RS3は、凹部RS1と凹部RS2との間に位置している。溝GR1は、凹部RS1と凹部RS3とを連絡している。溝GR2は、凹部RS1と凹部RS2とを連絡している。
As shown in FIG. 4, the sealing
ここでは、2つの溝GR1で凹部RS1と凹部RS3とを連絡しているが、凹部RS1と凹部RS3とを連絡する溝GR1の数は、1であってもよく、3以上であってもよい。また、ここでは、2つの溝GR2で凹部RS2と凹部RS3とを連絡しているが、凹部RS2と凹部RS3とを連絡する溝GR2の数は、1であってもよく、3以上であってもよい。 Here, the recesses RS1 and the recesses RS3 are connected by the two grooves GR1, but the number of the grooves GR1 that connect the recesses RS1 and the recesses RS3 may be 1 or 3 or more. . In addition, here, the recesses RS2 and RS3 are connected by the two grooves GR2, but the number of the grooves GR2 connecting the recesses RS2 and RS3 may be 1 or 3 or more. Also good.
封止部材22は、凹部RS3の底面が単位構造212と向き合うように基材21に接合されている。封止部材22は、図3に示すように、基材21とともに中空構造を形成している。具体的には、この中空構造において、図4に示す凹部RS1乃至RS3は、それぞれ、図2及び図3に示すチャンバCH1乃至CH3を形成している。図4に示す溝GR1及びGR2は、それぞれ、図2に示すように、チャンバCH1及びCH3を連絡する流路FP1、及び、チャンバCH2及びCH3を連絡する流路FP2を構成している。なお、単位構造212は、チャンバCH3内に位置している。
The sealing
図4に示すように、封止部材22は、凹部RS1及びRS2の底部に対応した位置に、第1貫通孔TH1及び第2貫通孔TH2を有している。貫通孔TH1は、チャンバCH1を吸着装置2の外部空間と連絡している。貫通孔TH2は、チャンバCH2を吸着装置2の外部空間と連絡している。貫通孔TH1の数は2以上であってもよい。また、貫通孔TH2の数も2以上であってもよい。
As shown in FIG. 4, the sealing
封止部材22には、凹部RS1乃至RS3並びに溝GR1及びGR2を設けなくてもよい。即ち、封止部材22の基材211と向き合う面は、平坦であってもよい。この場合、例えば、基材211の封止部材22と向き合う面に、凹部RS1乃至RS3並びに溝GR1及びGR2を設ける。そして、カーボンナノチューブ束212a乃至212dは、凹部RS3の底面に配置する。
The sealing
封止部材22は省略することができる。例えば、図1に示す分析装置1が、吸着装置本体21を収容し且つ吸着装置2について上述した中空構造と同様の機能を有している容器を含んでいる場合、封止部材22は省略してもよい。或いは、図1に示す分析装置1が、封止部材22と同様の機能を有している部材、即ち、基材211と組み合わせることによりカーボンナノチューブ束212a乃至212dを収容する中空構造を形成する部材を含んでいる場合、封止部材22は省略してもよい。
The sealing
この吸着装置2は、例えば、以下の方法によって製造する。
先ず、図3乃至図5に示す吸着装置本体21を準備する。即ち、基材211上に、図5に示すバリア層213a及び触媒層213bをこの順に形成する。バリア層213a及び触媒層213bの各々は、例えば、マスクを用いたスパッタリング法により形成する。次いで、例えば、化学気相堆積(CVD)法により、カーボンナノチューブを生成及び成長させる。触媒層213bの存在により、カーボンナノチューブを生成及び成長は、触媒層213bの位置で選択的に生じる。その結果、カーボンチューブ束212a乃至212dが得られる。
This
First, the suction device
次に、このようにして得られた吸着装置本体21と、別途用意した封止部材22とを、図3に示すように接合する。基材211がシリコンからなり、封止部材22がナトリウムイオンなどのアルカリイオンを含まないガラスからなる場合、吸着装置本体21と封止部材22とは、例えば、表面活性接合によって接合することができる。吸着装置本体21と封止部材22との接合には接着剤を使用することもできるが、それらを直接接合した場合、接着剤に含まれる成分が測定に影響を及ぼすことがない。
以上のようにして、図2乃至図4に示す吸着装置2を得る。
Next, the adsorption device
As described above, the
次に、この吸着装置2における呼気の流れ等について説明する。
吸着時には、図2などに示す貫通孔TH1を介して、吸着装置2の内部空間へ呼気を供給する。
Next, the flow of exhalation and the like in the
At the time of adsorption, exhaled air is supplied to the internal space of the
貫通孔TH1を通過した呼気は、先ず、チャンバCH1に到達する。チャンバCH1とチャンバCH3とは複数の流路FP1によって接続しているので、呼気の流れは、流路FP1によって複数の流れへと分けられる。チャンバCH3には複数個所から呼気を供給するので、チャンバCH3のうちチャンバCH1近傍の領域において、流速に大きなばらつきを生じることはない。 The exhaled air that has passed through the through hole TH1 first reaches the chamber CH1. Since the chamber CH1 and the chamber CH3 are connected by a plurality of flow paths FP1, the flow of exhalation is divided into a plurality of flows by the flow path FP1. Since exhaled air is supplied to the chamber CH3 from a plurality of locations, there is no great variation in the flow rate in the region near the chamber CH1 in the chamber CH3.
これら流れは、チャンバCH3において合流する。呼気がチャンバCH3を通過する過程で、単位構造212を構成しているカーボンナノチューブ束は、呼気が含んでいる1以上の物質を吸着する。
These flows merge in the chamber CH3. In the process of exhalation passing through the chamber CH3, the carbon nanotube bundles constituting the
その後、この呼気の流れは、流路FP2によって複数の流れへと分けられ、チャンバCH2において合流する。チャンバCH3からは複数個所から呼気を排出するので、チャンバCH3のうちチャンバCH2近傍の領域において、流速に大きなばらつきを生じることはない。 Thereafter, the flow of the exhalation is divided into a plurality of flows by the flow path FP2, and merges in the chamber CH2. Since the exhaled air is discharged from a plurality of locations from the chamber CH3, there is no great variation in the flow velocity in the region near the chamber CH2 in the chamber CH3.
チャンバCH2に到達した呼気は、貫通孔TH2を介して、吸着装置2の外部へと排出する。
Exhaled air that has reached the chamber CH2 is discharged to the outside of the
脱着時には、図1に示す脱着装置4を作動させる。図5に示すカーボンナノチューブ束212a乃至212dは、上記物質を化学吸着ではなく、物理吸着しているだけであるので、図1に示す脱着装置4を作動させると、図5に示すカーボンナノチューブ束212a乃至212dは、吸着している上記物質のほぼ全量を脱着する。この脱着を生じさせると、図2及び図3に示す吸着装置2の内部空間内のガス中での上記物質の濃度は、呼気中の上記物質の濃度と比較して高くなる。
At the time of desorption, the desorption device 4 shown in FIG. 1 is operated. Since the
その後、例えば、貫通孔TH1を介して吸着装置2の内部空間へ不活性ガスを供給することにより、上記物質を高い濃度で含んだガスを、貫通孔TH2を介して吸着装置2の外部へと排出する。なお、吸着時と同様に、チャンバCH3内では流速に大きなばらつきを生じることはない。従って、比較的少量の不活性ガスを流通させるだけで、上記物質を高い濃度で含んだガスを排出することができる。
Thereafter, for example, by supplying an inert gas to the internal space of the
上記の通り、図5に示すカーボンナノチューブ束212a乃至212dの各々は、多数のカーボンナノチューブからなる。カーボンナノチューブ束212a乃至212dの各々において、カーボンナノチューブ間には隙間がある。それ故、呼気の一部は、チャンバCH3を通過する際に、カーボンナノチューブ束212a乃至212dの何れかの内部を通過する。従って、カーボンナノチューブ束212a乃至212dの各々は、その表面だけでなく、内部においても、呼気中の1以上の物質を吸着する。そして、カーボンナノチューブ束212a乃至212dの各々の内部では、その表面と比較して、吸着した物質の脱着は生じ難い。従って、カーボンナノチューブ束212a乃至212dの各々は、高い吸着効率を示す。
As described above, each of the
また、カーボンナノチューブ束212a乃至212dは、互いから離れて位置させている。即ち、カーボンナノチューブ束212a乃至212d間に隙間を設けている。それ故、カーボンナノチューブ束212a乃至212dは、呼気の流れを過剰に妨げることがない。
The
また、上記の通り、カーボンナノチューブ束212a乃至212dは、それらの高さ方向に垂直な断面の形状が、それぞれ、図6に示すサブ領域2110a乃至2110dの形状とほぼ等しい。図6の方向Da乃至Ddは、それぞれ、サブ領域2110a乃至2110dに対して垂直な方向から見た場合に、直線Lに対して傾いている。そして、図2のチャンバCH3における呼気の平均的な流れの方向は、図6の直線Lに対して平行である。このような構造を採用すると、呼気の流れが最適化され、高い吸着効率を達成できる。
In addition, as described above, the
そして、上記の通り、カーボンナノチューブ束212a乃至212dは、上記物質を化学吸着ではなく、物理吸着しているだけである。それ故、それらが吸着している上記物質のほぼ全量を脱着させることは容易である。
As described above, the
従って、この吸着装置2を使用すると、上記物質の濃度を十分に高めたガスを得ることができる。そのため、例えば、測定装置の分析精度が低くても、十分に高い精度で定量分析することができる。また、測定装置は、精度が低くてもよいので、寸法が小さく、安価なものを使用することができる。
Therefore, when this
以上、分析装置1及び吸着装置2を呼気の分析に利用することを説明したが、分析装置1及び吸着装置2は、呼気以外の気体の分析に利用することも可能である。例えば、分析装置1及び吸着装置2は、燃焼装置の排気ガスの分析にも利用することができる。
As described above, the
また、分析装置1及び吸着装置2は、液体の分析に利用することも可能である。上水及び下水などの水の分析に利用することもできる。
The
吸着装置2は、分析以外の目的で使用することも可能である。例えば、吸着装置2は、空気清浄器に利用して、空気中に存在するPM2.5又は浮遊カビなどの大きさが100μm以下の汚れを吸着させることもできる。
The
なお、本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
以下に、当初の特許請求の範囲に記載していた発明を付記する。
[1]
基材と、
前記基材から伸び、互いから離れて位置した複数のカーボンナノチューブ束と
を具備した吸着装置。
[2]
前記基材に接合され、前記複数のカーボンナノチューブ束を収容した中空構造を前記基材とともに形成している封止部材を更に具備し、前記封止部材には、前記中空構造の内部空間と外部空間とを各々が連絡する第1及び第2貫通孔が設けられている[1]に記載の吸着装置。
[3]
前記複数のカーボンナノチューブ束は、前記基材上の複数の単位領域であって、放射状に配置された複数のサブ領域から各々がなる複数の単位領域から伸びている[1]又は[2]に記載の吸着装置。
[4]
前記複数のカーボンナノチューブ束は、前記基材上の複数の単位領域であって、放射状に配置された複数のサブ領域から各々がなる複数の単位領域から伸びており、
前記複数のサブ領域の各々の長さ方向は、そのサブ領域に対して垂直な方向から見た場合に、前記第1貫通孔の前記内部空間側の開口の中心と前記第2貫通孔の前記内部空間側の開口の中心とを通る直線に対して傾いている[2]に記載の吸着装置。
[5]
[1]乃至[4]の何れかに記載の吸着装置を支持する支持体と、
前記支持体に支持された前記吸着装置に流体を導いて、前記流体に含まれる1以上の物質を前記複数のカーボンナノチューブ束に吸着させる第1流路と、
前記複数のカーボンナノチューブ束に前記1以上の物質を脱着させる脱着装置と、
前記複数のカーボンナノチューブ束から脱着させた前記1以上の物質を定量する測定装置と、
前記複数のカーボンナノチューブ束から脱着させた前記1以上の物質を前記吸着装置から前記測定装置へと導く第2流路と
を具備した分析装置。
Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. In addition, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of components disclosed in the embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, constituent elements over different embodiments may be appropriately combined.
The invention described in the original claims is appended below.
[1]
A substrate;
A plurality of carbon nanotube bundles extending from the substrate and positioned away from each other;
An adsorption device comprising:
[2]
A sealing member that is bonded to the base material and that forms a hollow structure containing the plurality of carbon nanotube bundles together with the base material; The adsorbing device according to [1], wherein first and second through holes that communicate with each other are provided.
[3]
The plurality of carbon nanotube bundles are a plurality of unit regions on the substrate, and extend from a plurality of unit regions each of which is composed of a plurality of radially arranged sub-regions [1] or [2] The adsorption device described.
[4]
The plurality of carbon nanotube bundles are a plurality of unit regions on the base material, each extending from a plurality of unit regions each consisting of a plurality of sub-regions arranged radially,
The length direction of each of the plurality of sub-regions, when viewed from a direction perpendicular to the sub-region, is the center of the opening on the inner space side of the first through-hole and the second through-hole. The adsorption device according to [2], which is inclined with respect to a straight line passing through the center of the opening on the internal space side.
[5]
A support that supports the adsorption device according to any one of [1] to [4];
A first flow path for guiding a fluid to the adsorption device supported by the support, and for adsorbing one or more substances contained in the fluid to the plurality of carbon nanotube bundles;
A desorption device for desorbing the one or more substances from the plurality of carbon nanotube bundles;
A measuring device for quantifying the one or more substances desorbed from the plurality of carbon nanotube bundles;
A second flow path for guiding the one or more substances desorbed from the plurality of carbon nanotube bundles from the adsorption device to the measurement device;
Analyzing device equipped with.
1…分析装置、2…吸着装置、3…支持体、4…脱着装置、5a…導管、5b…導管、6…測定装置、21…吸着装置本体、22…封止部材、211…基材、212…単位構造、212a…カーボンナノチューブ束、212b…カーボンナノチューブ束、212c…カーボンナノチューブ束、212d…カーボンナノチューブ束、213…下地層、213a…バリア層、213b…触媒層、2110…単位領域、2110a…サブ領域、2110b…サブ領域、2110c…サブ領域、2110d…サブ領域、CH1…チャンバ、CH2…チャンバ、CH3…チャンバ、Da…長さ方向、Db…長さ方向、Dc…長さ方向、Dd…長さ方向、FP1…流路、FP2…流路、GR1…溝、GR2…溝、L…直線、RS1…凹部、RS2…凹部、RS3…凹部、TH1…貫通孔、TH2…貫通孔、θa…角度、θb…角度、θc…角度、θd…角度。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記基材から伸び、互いから離れて位置した複数のカーボンナノチューブ束と、
アルカリイオンを含まないガラスからなり、前記基材に直接接合され、前記複数のカーボンナノチューブ束を収容した中空構造を前記基材とともに形成している封止部材であって、前記中空構造の内部空間と外部空間とを各々が連絡する第1及び第2貫通孔が設けられている封止基材と
を具備した吸着装置。 A base material made of silicon ;
A plurality of carbon nanotube bundles extending from the substrate and positioned away from each other ;
A sealing member made of glass not containing alkali ions, directly bonded to the base material, and forming a hollow structure containing the plurality of carbon nanotube bundles together with the base material, the internal space of the hollow structure An adsorbing device comprising: a sealing substrate provided with first and second through holes that communicate with each other and the external space .
前記複数のサブ領域の各々の長さ方向は、そのサブ領域に対して垂直な方向から見た場合に、前記第1貫通孔の前記内部空間側の開口の中心と前記第2貫通孔の前記内部空間側の開口の中心とを通る直線に対して傾いている請求項1に記載の吸着装置。 The plurality of carbon nanotube bundles are a plurality of unit regions on the base material, each extending from a plurality of unit regions each consisting of a plurality of sub-regions arranged radially,
The length direction of each of the plurality of sub-regions, when viewed from a direction perpendicular to the sub-region, is the center of the opening on the inner space side of the first through-hole and the second through-hole. The adsorption device according to claim 1 , wherein the adsorption device is inclined with respect to a straight line passing through the center of the opening on the inner space side.
前記吸着装置を支持する支持体と、
前記支持体に支持された前記吸着装置に流体を導いて、前記流体に含まれる1以上の物質を前記複数のカーボンナノチューブ束に吸着させる第1流路と、
前記複数のカーボンナノチューブ束に前記1以上の物質を脱着させる脱着装置と、
前記複数のカーボンナノチューブ束から脱着させた前記1以上の物質を定量する測定装置と、
前記複数のカーボンナノチューブ束から脱着させた前記1以上の物質を前記吸着装置から前記測定装置へと導く第2流路と
を具備した分析装置。 The adsorption device according to any one of claims 1 to 3 ,
A support for supporting the adsorption device ;
A first flow path for guiding a fluid to the adsorption device supported by the support, and for adsorbing one or more substances contained in the fluid to the plurality of carbon nanotube bundles;
A desorption device for desorbing the one or more substances from the plurality of carbon nanotube bundles;
A measuring device for quantifying the one or more substances desorbed from the plurality of carbon nanotube bundles;
An analyzer comprising: a second flow path for guiding the one or more substances desorbed from the plurality of carbon nanotube bundles from the adsorption device to the measurement device.
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