JP7042810B2 - ガスの分析方法及びガスの分析装置 - Google Patents

Description

本開示は、ガスの分析方法及びガスの分析装置に関する。

ガスの分析方法及びガスの分析装置は、様々な分野で利用される可能性がある。例えば、人の息又は人の体臭を分析することによって、人の状態を診断できる可能性がある。

特許文献１には、ガスのにおいの識別装置が記載されている。識別装置は、応答特性が互いに異なる複数のガスセンサを備えている。サンプルを測定したとき、複数のガスセンサのそれぞれから信号ピークが得られる。識別装置は、得られた信号ピークに基づいて、サンプルの臭気強度及びにおいの質に関する値を算出する。

特許文献２には、トラップと検出器とを備えた分析装置が記載されている。トラップは、吸着材を有する。特許文献３には、サンプルチャンバーとセンサー列とを備えた装置が記載されている。サンプルチャンバーは、吸収剤物質を有する。特許文献２又は３の装置を使用することによって、次のようにガスを検出することができる。ガスをトラップ又はサンプルチャンバーに供給する。ガスが、トラップの吸着材又はサンプルチャンバーの吸収剤物質に吸着される。吸着材又は吸収剤物質に吸着されたガスを脱離させる。吸着材又は吸収剤物質から脱離したガスは、検出器又はセンサー列に供給され、検出器又はセンサー列で検出される。

特開２００１－３０５０８８号公報 特開２００１－２９６２１８号公報 特表２００２－５１８６６８号公報

簡易な構成によってガスを分析するための技術が求められている。

本開示は、簡易な構成によってガスを分析するための技術を提供することを目的とする。

すなわち、本開示は、
互いに異なる組成を有する複数の吸着材のそれぞれに試料ガスを吸着させることと、
前記複数の吸着材から前記試料ガスを個別に脱離させつつ、前記複数の吸着材のそれぞれから脱離した前記試料ガスを個別に検出することによって、前記複数の吸着材のそれぞれに固有の前記試料ガスの脱離プロファイルを取得することと、
前記脱離プロファイルの群を用いて前記試料ガスを識別することと、
を含む、ガスの分析方法を提供する。

本開示の分析方法によれば、簡易な構成によってガスを分析することができる。

図１は、本開示の一実施形態にかかる分析装置の平面図である。 図２は、図１に示す分析装置の複数の収容部のうちの１つの分解斜視図である。 図３は、図２に示す収容部の断面図である。 図４は、第１の期間及び第２の期間を説明するための図である。 図５は、測定例１～７で用いた吸着材１の透過型電子顕微鏡画像である。 図６は、測定例１において得られた脱離プロファイルの群である。 図７は、測定例２において得られた脱離プロファイルの群である。 図８は、測定例３において得られた脱離プロファイルの群である。 図９は、測定例１～３において得られた複数の脱離プロファイルの群のそれぞれについて主成分分析を行った結果を示すグラフである。 図１０は、測定例４において得られた脱離プロファイルの群である。 図１１は、測定例５において得られた脱離プロファイルの群である。 図１２は、測定例６において得られた脱離プロファイルの群である。 図１３は、測定例７において得られた脱離プロファイルの群である。 図１４は、測定例４～７において得られた複数の脱離プロファイルの群のそれぞれについて主成分分析を行った結果を示すグラフである。 図１５は、測定例１～７において得られた複数の脱離プロファイルの群のそれぞれについて主成分分析を行った結果を示すグラフである。

本開示の第１態様にかかるガスの分析方法は、
互いに異なる組成を有する複数の吸着材のそれぞれに試料ガスを吸着させることと、
前記複数の吸着材から前記試料ガスを個別に脱離させつつ、前記複数の吸着材のそれぞれから脱離した前記試料ガスを個別に検出することによって、前記複数の吸着材のそれぞれに固有の前記試料ガスの脱離プロファイルを取得することと、
前記脱離プロファイルの群を用いて前記試料ガスを識別することと、
を含むものである。

第１態様によれば、複数の吸着材のそれぞれに固有の試料ガスの脱離プロファイルの群を用いて試料ガスを識別できる。そのため、用いられた検出器の数が少ない場合であっても、信頼性の高い分析結果が得られる。すなわち、簡易な構成によって、試料ガスを分析することができる。

本開示の第２態様では、例えば、第１態様にかかるガスの分析方法において、前記脱離プロファイルを取得することは、前記複数の吸着材のそれぞれから脱離した前記試料ガスを個別かつ経時的に検出することによって行われ、前記脱離プロファイルは、前記試料ガスの量を反映した検出信号から作成された経時データである。第２態様によれば、脱離プロファイルの群を用いて試料ガスを容易に識別できる。

本開示の第３態様では、例えば、第１態様にかかるガスの分析方法において、前記脱離プロファイルを取得することは、前記複数の吸着材のそれぞれを加熱することにより、前記複数の吸着材から前記試料ガスを個別に脱離させることによって行われ、前記脱離プロファイルは、前記試料ガスの量を反映した検出信号と、前記複数の吸着材のそれぞれの温度変化とが対応付けられたデータである。第３態様によれば、複数の吸着材のそれぞれを加熱することによって、複数の吸着材のそれぞれから試料ガスを容易に脱離させることができる。さらに、脱離プロファイルの群を用いて試料ガスを容易に識別できる。

本開示の第４態様では、例えば、第３態様にかかるガスの分析方法において、前記複数の吸着材のそれぞれを加熱することは、ヒータによって行われる。第４態様によれば、複数の吸着材のそれぞれから試料ガスを容易に脱離させることができる。

本開示の第５態様では、例えば、第１～第４態様のいずれか１つにかかるガスの分析方法において、前記複数の吸着材のそれぞれから脱離した前記試料ガスを検出する検出器が前記複数の吸着材に共用されている。第５態様によれば、簡易な構成によって、試料ガスを分析することができる。

本開示の第６態様では、例えば、第５態様にかかるガスの分析方法において、前記複数の吸着材が第１吸着材及び第２吸着材を含み、前記複数の吸着材において、前記第１吸着材の次に前記試料ガスを脱離させるべき吸着材が前記第２吸着材であり、第１の期間において前記第１吸着材から脱離した前記試料ガスが前記検出器に導入され、第２の期間において前記第２吸着材から脱離した前記試料ガスが前記検出器に導入され、前記第１の期間と前記第２の期間とが互いにずれている。第６態様によれば、第１の期間と第２の期間とが互いにずれている。そのため、検出器は、第１吸着材及び第２吸着材のそれぞれから脱離した試料ガスを個別に検出できる。すなわち、１つの検出器を用いた場合であっても、脱離プロファイルの群を取得できる。これにより、簡易な構成によって、試料ガスを分析することができる。

本開示の第７態様では、例えば、第１～第６態様のいずれか１つにかかるガスの分析方法において、前記試料ガスを識別することには、前記脱離プロファイルの群に対して主成分分析を行うことが含まれる。第７態様によれば、試料ガスを容易に識別できる。

本開示の第８態様では、例えば、第１～第７態様のいずれか１つにかかるガスの分析方法において、前記試料ガスを識別することには、前記試料ガスに含まれた成分を特定することが含まれる。第８態様によれば、簡易な構成によって、試料ガスを分析することができる。

本開示の第９態様にかかるガスの分析装置は、
互いに異なる組成を有する複数の吸着材と、
前記複数の吸着材を個別に収容している複数の収容部と、
分析されるべき試料ガスを前記複数の収容部のそれぞれに導く複数のガス導入流路と、
前記複数の吸着材のそれぞれから脱離した前記試料ガスを検出する検出器と、
前記複数の収容部と前記検出器とを接続している複数の脱離ガス流路と、
前記検出器から検出信号を取得して、前記複数の吸着材のそれぞれに固有の前記試料ガスの脱離プロファイルを生成するとともに、前記脱離プロファイルの群を用いて前記試料ガスを識別する識別器と、
を備えるものである。

第９態様によれば、複数の吸着材のそれぞれに固有の試料ガスの脱離プロファイルの群を用いて試料ガスを識別できる。そのため、用いられた検出器の数が少ない場合であっても、信頼性の高い分析結果が得られる。すなわち、簡易な構成によって、試料ガスを分析することができる。

本開示の第１０態様において、例えば、第９態様にかかるガスの分析装置は、前記複数の収容部のそれぞれに配置され、前記複数の吸着材を加熱して前記複数の吸着材のそれぞれから前記試料ガスを脱離させる複数のヒータをさらに備え、前記複数のヒータは、個別に通電可能である。第１０態様によれば、複数の吸着材のそれぞれから試料ガスを容易に脱離させることができる。

本開示の第１１態様において、例えば、第１０態様にかかるガスの分析装置は、前記複数のヒータへの電力供給を制御する制御器をさらに備え、前記複数の吸着材が第１吸着材及び第２吸着材を含み、前記複数のヒータは、前記第１吸着材を加熱する第１ヒータと、前記第２吸着材を加熱する第２ヒータとを含み、前記複数の吸着材において、前記第１吸着材の次に前記試料ガスを脱離させるべき吸着材が前記第２吸着材であるとき、第１の期間において前記第１吸着材から前記試料ガスが脱離して前記検出器に導入され、第２の期間において前記第２吸着材から前記試料ガスが脱離して前記検出器に導入されるように、前記制御器は、前記第１ヒータ及び前記第２ヒータへの電力供給を制御し、前記第１の期間と前記第２の期間とが互いにずれている。第１１態様によれば、第１の期間と第２の期間とが互いにずれている。そのため、検出器は、第１吸着材及び第２吸着材のそれぞれから脱離した試料ガスを個別に検出できる。すなわち、１つの検出器を用いた場合であっても、脱離プロファイルの群を取得できる。これにより、簡易な構成によって、試料ガスを分析することができる。

本開示の第１２態様において、例えば、第９～第１１態様のいずれか１つにかかるガスの分析装置では、前記複数の吸着材のそれぞれは、無機酸化物を含む。第１２態様によれば、複数の吸着材のそれぞれは、熱に対する安定性を有する。そのため、複数の吸着材のそれぞれを繰り返して使用することができる。

本開示の第１３態様において、例えば、第１２態様にかかるガスの分析装置では、前記無機酸化物は、酸化タングステン、酸化タンタル、酸化チタン、酸化スズ、酸化銅、酸化亜鉛及び酸化ニッケルからなる群より選ばれる少なくとも１つを含む。第１３態様によれば、複数の吸着材のそれぞれを繰り返して使用することができる。

本開示の第１４態様において、例えば、第１２又は第１３態様にかかるガスの分析装置では、前記複数の吸着材のそれぞれは、無機酸化膜で被覆されたナノワイヤを含み、前記無機酸化膜が前記無機酸化物でできている。第１４態様によれば、複数の吸着材のそれぞれは、大きい表面積を有する。そのため、複数の吸着材のそれぞれは、十分な量の試料ガスを容易に吸着することができる。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。本開示は、以下の実施形態に限定されない。

図１に示すように、本開示の一実施形態にかかるガスの分析装置１００は、基板１０及びカバー１１を備えている。基板１０及びカバー１１のそれぞれは、例えば、平面視で矩形の形状を有する。基板１０は、互いに向かい合う１対の端面を２組有する。基板１０には、複数の凹部が形成されている。複数の凹部は、分析装置１００の内部において、試料ガスの流路を形成する。試料ガスの流路は、複数の収容部２０、複数のガス導入流路３０及び複数の脱離ガス流路４０を含む。基板１０の複数の凹部に蓋をする形にて、基板１０にカバー１１が組み合わされている。カバー１１には、開口部１２が形成されている。開口部１２を通じて、試料ガスが分析装置１００の内部に供給される。開口部１２は、例えば、平面視で円の形状を有する。

複数の収容部２０のそれぞれは、平面視で直線の形状を有する。複数の収容部２０は、互いに平行に配列されている。複数の収容部２０の数は、特に限定されない。複数の収容部２０の数は、２～６４の範囲であってもよく、２～３２の範囲にあってもよい。分析されるべき試料ガスによっては、収容部２０は、１つのみであってもよい。

複数の収容部２０は、複数の吸着材を個別に収容している。複数の吸着材は、互いに異なる組成を有する。複数の吸着材のそれぞれに試料ガスを接触させたとき、複数の吸着材のそれぞれは試料ガスを吸着する。複数の吸着材から試料ガスを個別に脱離させつつ、複数の吸着材のそれぞれから脱離した試料ガスを個別に検出することによって、複数の吸着材のそれぞれに固有の試料ガスの脱離プロファイルを取得することができる。複数の吸着材の種類の数は、典型的には、複数の収容部２０の数と同じである。複数の吸着材は、ｎ種類の吸着材を含む。ｎは、２以上の整数である。ｎは、２～６４の範囲にあってもよく、２～３２の範囲にあってもよい。分析されるべき試料ガスによっては、吸着材は、１種類のみであってもよい。

複数のガス導入流路３０は、それぞれ、開口部１２と複数の収容部２０のガス入口とを接続している。複数のガス導入流路３０は、分析されるべき試料ガスを複数の収容部２０のそれぞれに導くための流路である。複数のガス導入流路３０の数は、典型的には、複数の収容部２０の数と同じである。

分析装置１００は、さらに、検出器５０を備えている。検出器５０は、複数の吸着材のそれぞれから脱離した試料ガスを検出することができる。図１では、検出器５０は、基板１０の凹部に配置されている。本実施形態において、分析装置１００は、１つの検出器５０を備えている。すなわち、検出器５０が複数の吸着材に共用されている。ただし、分析装置１００は、検出器５０を２つ以上備えていてもよい。複数の検出器５０の数は、複数の収容部２０の数と同じであってもよい。

検出器５０は、試料ガスを検出できるものであれば特に限定されない。検出器５０は、例えば、ガスセンサである。ガスセンサとしては、例えば、半導体式ガスセンサ又は赤外線式ガスセンサが挙げられる。検出器５０は、複数のガスセンサの集合体であってもよい。詳細には、検出器５０は、１６個のガスセンサの集合体であってもよい。検出器５０は、ガスクロマトグラフ質量分析計、赤外分光光度計などであってもよい。

複数の脱離ガス流路４０は、それぞれ、複数の収容部２０のガス出口と検出器５０のガス入口とを接続している。複数の脱離ガス流路４０は、複数の収容部２０のそれぞれから検出器５０に試料ガスを導くための流路である。分析装置１００が複数の検出器５０を備えているとき、複数の脱離ガス流路４０は、複数の収容部２０と複数の検出器５０とをそれぞれ接続していてもよい。検出器５０が複数のガスセンサの集合体であるとき、複数の脱離ガス流路４０は、複数の収容部２０と複数のガスセンサとをそれぞれ接続していてもよい。複数の脱離ガス流路４０の数は、典型的には、複数の収容部２０の数と同じである。

分析装置１００は、さらに、複数のヒータを備えている。複数のヒータは、複数の収容部２０のそれぞれに配置されている。複数のヒータは、それぞれ、複数の吸着材を加熱することができる。複数の吸着材のそれぞれが複数のヒータによって加熱されたとき、複数の吸着材のそれぞれから試料ガスが脱離する。複数のヒータのそれぞれは、電源回路に接続されている。電源回路によって、複数のヒータに個別に通電することができる。そのため、複数の吸着材から試料ガスを個別に脱離させることができる。

図２に示すように、ヒータ６０は、収容部２０を規定している基板１０の上に配置されている。ヒータ６０の下面は、基板１０に接している。ヒータ６０の上には、吸着材７０が配置されている。ヒータ６０の上面は、吸着材７０に接している。ヒータ６０は、カバー１１に取り付けられていてもよい。

ヒータ６０は、例えば、マイクロヒータである。マイクロヒータは、例えば、白金でできている。ヒータ６０がマイクロヒータであるとき、分析装置１００の消費電力を低減できる。ただし、ヒータ６０は、赤外線ヒータ、抵抗加熱方式のヒータ、誘導加熱方式のヒータなどであってもよい。

分析装置１００は、さらに、制御器８０を備えている。制御器８０は、例えば、Ａ／Ｄ変換回路、入出力回路、演算回路、記憶装置などを含むＤＳＰ（Digital Signal Processor）である。制御器８０には、分析装置１００を適切に運転するためのプログラムが格納されている。制御器８０は、複数のヒータ６０への電力供給を制御する。具体的には、制御器８０は、各ヒータ６０に接続されたスイッチのオンオフを制御する。制御器８０によれば、各ヒータ６０に個別に電力を供給できる。

制御器８０は、さらに、識別器として機能する。制御器８０には、試料ガスを識別するためのプログラムが格納されている。検出器５０は、制御器８０に接続されている。制御器８０は、検出器５０から出力された検出信号を取得する。取得した検出信号に基づき、制御器８０は、複数の吸着材７０のそれぞれに固有の試料の脱離プロファイルを生成する。制御器８０は、脱離プロファイルの群を用いて試料ガスを識別する。

分析装置１００は、さらに、電源回路９０を備えている。電源回路９０は、各ヒータ６０に電力を供給するための回路である。電源回路９０は、各ヒータ６０に接続されている。電源回路９０には、各ヒータ６０をオンオフするためのスイッチが含まれる。

分析装置１００は、さらに、制御器８０に対して指令を与えるための入力機器を備える。入力機器としては、マウス、キーボード、タッチパッド、タッチパネルなどが挙げられる。分析装置１００は、さらに、制御器８０で作成された画像、分析結果などの情報を出力するための出力機器を含む。出力機器としては、モニタ（ディスプレイ）、タッチパネル、プリンタなどが挙げられる。

基板１０及びカバー１１のそれぞれの材料は、特に限定されない。基板１０及びカバー１１のそれぞれは、例えば、シリコン基板、金属板、ガラス板又は高分子フィルムである。

複数の吸着材７０のそれぞれの材料は、試料ガスを吸着することができる限り、特に限定されない。複数の吸着材７０のそれぞれの材料は、例えば、無機酸化物、有機材料及び炭素材料からなる群より選ばれる少なくとも１つを含む。複数の吸着材７０のそれぞれは、典型的には、無機酸化物を含む。複数の吸着材７０のそれぞれが無機酸化物を含むとき、複数の吸着材７０のそれぞれは、熱に対する安定性を有する。そのため、複数の吸着材７０のそれぞれを繰り返して使用することができる。

無機酸化物は、例えば、酸化タングステン、酸化タンタル、酸化チタン、酸化スズ、酸化銅、酸化亜鉛、酸化ニッケル、酸化アルミニウム、酸化マンガン、酸化マグネシウム、二酸化ケイ素及び酸化ジルコニウムからなる群より選ばれる少なくとも１つを含む。無機酸化物は、典型的には、酸化タングステン、酸化タンタル、酸化チタン、酸化スズ、酸化銅、酸化亜鉛及び酸化ニッケルからなる群より選ばれる少なくとも１つを含む。

有機材料は、例えば、ポリアルキレングリコール類、ポリエステル類、シリコーン類、グリセロール類、ニトリル類、ジカルボン酸類及び脂肪族アミン類からなる群より選ばれる少なくとも１つを含む。有機材料は、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリピロール及びポリアセチレンからなる群より選ばれる少なくとも１つを含んでいてもよい。炭素材料は、例えば、活性炭を含む。

複数の吸着材７０のそれぞれの形状は、特に限定されない。複数の吸着材７０のそれぞれは、例えば、粒子の形状又は繊維の形状を有する。複数の吸着材７０のそれぞれは、膜の形状を有していてもよい。複数の吸着材７０のそれぞれは、無機酸化物でできた無機酸化膜であってもよい。無機酸化物としては、上述したものを使用できる。

図３に示すように、複数の吸着材７０のそれぞれは、無機酸化膜７２で被覆されたナノワイヤ７１を含んでいてもよい。図３は、ナノワイヤ７１の断面を示している。図３において、吸着材７０は、無機酸化膜７２で被覆されたナノワイヤ７１で構成されている。無機酸化膜７２は、無機酸化物でできている。ナノワイヤ７１は、ヒータ６０からカバー１１に向かって延びている。無機酸化膜７２は、ナノワイヤ７１の表面全体を被覆している。無機酸化膜７２は、ナノワイヤ７１の表面を部分的に被覆しているだけでもよい。ナノワイヤ７１を被覆することによって、無機酸化膜７２の表面積が増加する。これにより、吸着材７０は大きい表面積を有する。そのため、吸着材７０は、十分な量の試料ガスを容易に吸着することができる。ナノワイヤ７１が試料ガスを吸着できる材料でできているとき、ナノワイヤ７１は、無機酸化膜７２で被覆されていなくてもよい。

ナノワイヤ７１は、例えば、無機酸化物及び金属材料からなる群より選ばれる少なくとも１つを含む。無機酸化物としては、上述したものを使用できる。金属材料は、例えば、銀、金及び銅からなる群より選ばれる少なくとも１つを含む。ナノワイヤ７１の材料は、無機酸化膜７２の材料と異なる。ナノワイヤ７１は、典型的には、酸化亜鉛を含む。

ナノワイヤ７１の平均直径は、１０～１０００ｎｍの範囲にあってもよい。ナノワイヤ７１の平均長さは、１～１５０μｍの範囲にあってもよい。「平均直径」は、次の方法で測定することができる。吸着材７０の表面又は断面を電子顕微鏡（例えば透過型電子顕微鏡）で観察する。観察された複数のナノワイヤ７１（例えば任意の５０個のナノワイヤ７１）の直径を測定する。得られた測定値を用いて算出された平均値により、平均直径が定められる。「平均長さ」は、次の方法で測定することができる。ナノワイヤ７１が延びている方向に沿った吸着材７０の断面を電子顕微鏡で観察する。電子顕微鏡で観察された特定のナノワイヤ７１の面積を当該ナノワイヤ７１の直径で除することによって、ナノワイヤ７１の長さを算出する。同様に、任意の数のナノワイヤ７１（例えば５０個）の長さを算出する。得られた算出値を用いて算出された平均値により、平均長さが定められる。

ナノワイヤ７１が無機酸化膜７２によって被覆されていることは、吸着材７０の表面又は断面を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で観察することによって確認できる。ナノワイヤ７１が無機酸化膜７２によって被覆されていることは、吸着材７０の表面又は断面について元素分析を行うことによっても確認できる。元素分析は、例えば、エネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＳ）により行うことができる。

ナノワイヤ７１を作製する方法は、特に限定されない。ナノワイヤ７１を作製する方法としては、液相成長法、気相成長法などが挙げられる。ナノワイヤ７１の具体的な作製方法は、例えば、特表２００９－５０５３５８号公報、特開２００６－２３３２５２号公報、特開２００２－２６６００７号公報、特開２００４－１４９８７１号公報、Adv. Mater.2002,14,P833-837、Chem. Mater.2002,14,P4736-4745又はMaterials Chemistry and Physics 2009,vol.114,p333-338に記載されている。図３では、ナノワイヤ７１をヒータ６０の上に作製している。

ナノワイヤ７１を無機酸化膜７２で被覆する方法は、特に限定されない。例えば、ナノワイヤ７１に無機酸化物を堆積させることによって、ナノワイヤ７１を無機酸化膜７２で被覆することができる。無機酸化物を堆積する方法としては、スパッタリング法、イオンプレーティング法、電子ビーム蒸着法、真空蒸着法、化学蒸着法、化学気相法などが挙げられる。

本実施形態において、試料ガスは、例えば、揮発性の有機化合物を含む。揮発性の有機化合物は、例えば、ケトン類、アミン類、アルコール類、炭化水素類、芳香族炭化水素類、アルデヒド類及びエステル類からなる群より選ばれる少なくとも１つを含む。揮発性の有機化合物は、例えば、プロパン、ブタン、トルエン、キシレン、エタノール、２－プロパノール、１－ノナノール、アセトン、酢酸エチル、ホルムアルデヒド、ヘキサナール、ノナナール、ベンズアルデヒド、ピロール及び塩化メチルからなる群より選ばれる少なくとも１つを含む。

次に、分析装置１００を用いたガスの分析方法を説明する。

まず、互いに異なる組成を有する複数の吸着材７０のそれぞれに試料ガスを吸着させる。詳細には、分析されるべき試料ガスが含まれた雰囲気下に分析装置１００を置く。試料ガスは、カバー１１の開口部１２から分析装置１００の内部に供給される。試料ガスは、複数のガス導入流路３０のそれぞれを移動し、複数の収容部２０のそれぞれのガス入口に導入される。複数の収容部２０のそれぞれにおいて、試料ガスが複数の吸着材７０のそれぞれに接触する。これにより、複数の吸着材７０のそれぞれが試料ガスを吸着する。

次に、複数の吸着材７０から試料ガスを個別に脱離させる。本実施形態では、複数の吸着材７０は、ｎ種類の吸着材を含む。そのため、ｎ種類の吸着材について順番に試料ガスを脱離させる。例えば、ｎ種類の吸着材から選ばれる任意の２つの吸着材を第１吸着材及び第２吸着材と定義する。第１吸着材の次に試料ガスを脱離させるべき吸着材が第２吸着材である。図４に示すように、第１の期間Ｘにおいて第１吸着材から脱離した試料ガスが検出器５０に導入される。検出器５０は、例えば、第１吸着材から脱離した試料ガスを経時的に検出する。これにより、第１吸着材に固有の試料ガスの脱離プロファイルが得られる。図４のグラフの横軸は、測定時間を示している。図４のグラフの縦軸は、検出信号の強度を示している。第２の期間Ｙにおいて第２吸着材から脱離した試料ガスが検出器５０に導入される。検出器５０は、例えば、第２吸着材から脱離した試料ガスを経時的に検出する。これにより、第２吸着材に固有の試料ガスの脱離プロファイルが得られる。このとき、第１の期間Ｘと第２の期間Ｙとは互いにずれている（重複していない）。第１の期間Ｘと第２の期間Ｙとの間に準備期間Ｚが存在してもよい。第１の期間Ｘと第２の期間Ｙとが互いにずれているため、検出器５０は、第１吸着材及び第２吸着材のそれぞれから脱離した試料ガスを個別に検出できる。すなわち、１つの検出器５０によって、２つの脱離プロファイルを取得できる。ただし、分析装置１００が複数の検出器を備え、かつ、第１吸着材から脱離した試料ガスと第２吸着材から脱離した試料ガスとが互いに異なる検出器によって検出されるとき、第１の期間Ｘは、第２の期間Ｙと重複していてもよい。

試料ガスを脱離させる方法は、特に限定されない。複数の吸着材７０のそれぞれを加熱することによって、試料ガスを脱離させてもよい。このとき、複数の吸着材７０のそれぞれから試料ガスを容易に脱離させることができる。複数の吸着材７０のそれぞれの加熱は、例えば、複数のヒータ６０によって行うことができる。制御器８０が各ヒータ６０への電力供給を制御することによって、複数の吸着材７０から試料ガスを個別に脱離させることができる。例えば、第１吸着材を加熱するヒータ６０を第１ヒータと定義する。第２吸着材を加熱するヒータ６０を第２ヒータと定義する。制御器８０は、第１の期間Ｘにおいて、第１ヒータに電力を供給する。第１ヒータの温度が上昇し、第１吸着材が加熱される。これにより、第１の期間Ｘにおいて第１吸着材から試料ガスが脱離して検出器５０に導入される。制御器８０は、第２の期間Ｙにおいて、第２ヒータに電力を供給する。第２ヒータの温度が上昇し、第２吸着材が加熱される。これにより、第２の期間Ｙにおいて第２吸着材から試料ガスが脱離して検出器５０に導入される。制御器８０は、第１ヒータ及び第２ヒータのそれぞれの温度を一定の速度で昇温させてもよい。このとき、第１吸着材に固有の試料ガスの脱離プロファイルと、第２吸着材に固有の試料ガスの脱離プロファイルとの相違が明確になる。

脱離プロファイルは、検出器５０から出力された検出信号に基づき、制御器８０によって生成される。脱離プロファイルは、例えば、試料ガスの量を反映した検出信号から作成された経時データである。経時データは、検出信号の強度と測定時間とを対応付けることによって得られる。脱離プロファイルは、検出信号の強度と複数の吸着材７０のそれぞれの温度変化とが対応付けられたデータであってもよい。すなわち、脱離プロファイルは、複数の吸着材７０から選ばれる１つの吸着材７０の温度変化を横軸に示し、その吸着材から脱離した試料ガスに基づく検出信号の強度を縦軸に示したグラフによって表されてもよい。制御器８０によって、脱離プロファイルの画像が作成される。制御器８０は、吸着材７０と脱離プロファイルとを対応付けて内部メモリに記憶させる。分析装置１００では、複数の吸着材７０は、互いに異なる組成を有する。そのため、複数の吸着材７０のそれぞれについて得られた脱離プロファイルが互いに異なる。

次に、得られた脱離プロファイルの群を用いて試料ガスを識別する。試料ガスを識別する方法は、特に限定されない。例えば、脱離プロファイルの群に対してデータマイニングを行うことによって、試料ガスを識別することができる。データマイニングとは、大量のデータから有用な情報、又は、データ間の関連性を見出すための分析方法を意味する。データマイニングは、例えば、主成分分析及び判別分析からなる群より選ばれる少なくとも１つを含む。判別分析は、例えば、クラスタ解析、機械学習、遺伝的アルゴリズム及びｋ－ｍｅａｎｓ法からなる群より選ばれる少なくとも１つを含む。機械学習は、例えば、ニューラルネットワーク、サポートベクターマシン及び自己組織化マップからなる群より選ばれる少なくとも１つを含む。

データマイニングによれば、複数の吸着材７０のそれぞれについて得られた脱離プロファイル同士の一致点及び相違点に基づいて、試料ガスを識別できる。例えば、脱離プロファイルの群について主成分分析を行うことによって、固有値が得られる。固有値は、例えば、２又は３の合成変数によって構成される。固有値は、複数の脱離プロファイル同士の一致点及び相違点に応じて一定の範囲に定まる。言い換えると、固有値は、試料ガスに含まれた成分の種類及び成分の濃度に応じて一定の範囲に定まる。すなわち、固有値は、試料ガスに応じて一定の範囲に定まる。固有値と試料ガスとを対応させたデータに照らし合わせて、試料ガスを識別できる。固有値と試料ガスとを対応させたデータは、既知の組成を有する試料ガスについて本実施形態の分析方法を行うことによって得られる。上記のデータは、制御器８０のメモリに予め記憶されていてもよい。上記の固有値によれば、例えば、試料ガスの臭気強度及びにおいの質に関する評価を行うこともできる。

脱離プロファイルの群について判別分析を行えば、試料ガスに含まれた成分を特定することができる。試料ガスに含まれた成分の特定は、例えば、機械学習によって行うことができる。判別分析によれば、試料ガスに特定成分が含まれているか否かを判断することもできる。

試料ガスに含まれた成分によっては、データマイニングを行わずに、脱離プロファイルの群から試料ガスに含まれた成分を直接的に特定できることがある。例えば、試料ガスが成分Ｐを含むと仮定する。成分Ｐと第２吸着材との相互作用は、成分Ｐと第１吸着材との相互作用よりも大きい。このとき、図４に示すように、第１吸着材から得られた試料ガスの脱離プロファイルによって規定されたピークの形状は、第２吸着材から得られた試料ガスの脱離プロファイルによって規定されたピークの形状と大きく異なることがある。詳細には、第１吸着材及び第２吸着材のそれぞれから得られた脱離プロファイルにおいて、成分Ｐに起因するピークの位置が時間軸方向に互いに大きくずれることがある。この結果から、試料ガスに成分Ｐが含まれることを特定することができる。図４において、第１吸着材から得られた脱離プロファイルは、第１の期間Ｘに位置する。第２吸着材から得られた脱離プロファイルは、第２の期間Ｙに位置する。

なお、分析装置１００が出力機器としてモニタ（ディスプレイ）を備えているとき、脱離プロファイルの画像をモニタに表示させることができる。本実施形態の分析方法によって得られた試料ガスの評価結果をモニタに表示させることもできる。分析装置１００が出力機器としてプリンタを備えているとき、モニタへの表示に代えて、又は、モニタへの表示とともに脱離プロファイルなどをプリンタに印字出力させることができる。

以上のとおり、本実施形態の分析方法は、用いられた検出器の数が少ない場合であっても、信頼性の高い分析結果が得られる。すなわち、簡易な構成によって、試料ガスを分析することができる。

本開示を実施例に基づき、具体的に説明する。ただし、本開示は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。

（吸着材の作製）
まず、７つの平板を用意した。平板は、酸化膜を有するシリコンウェハであった。ウェハの直径は、４インチであった。酸化膜の厚さは、３００Åであった。複数の平板のそれぞれの表面に、酸化亜鉛でできたナノワイヤを作製した。ナノワイヤは、水熱合成法により作製した。詳細には、以下の方法により、ナノワイヤを作製した。まず、１Ｌのイオン交換水に、２５ｍｍｏｌのヘキサメチレンテトラミンを溶解させることによって、水溶液を調製した。次に、得られた水溶液に、２５ｍｍｏｌの硝酸亜鉛・六水和物を添加した。次に、得られた水溶液に、ポリエチレンイミン水溶液を添加した。ポリエチレンイミン水溶液は、５０ｗｔ％の濃度を有していた。添加されたポリエチレンイミン水溶液には、２．５ｍｍｏｌのポリエチレンイミンが含まれていた。ポリエチレンイミンの平均分子量は、１８００であった。全ての試薬が溶解するまで水溶液を撹拌することによって、反応液を調製した。次に、平板をガラス容器に配置した。このとき、平板の主面は、ガラス容器の底面に対して垂直であった。次に、平板の全体が反応液に接触するように、ガラス容器内に反応液を加えた。ガラス容器を恒温槽に配置した。恒温槽の温度は、９５℃であった。ガラス容器を恒温槽に配置した時点から１２時間後に、ガラス容器から反応液を取り出した。その後、ガラス容器に新たな反応液を加え、再度、ガラス容器を恒温槽に配置した。５０μｍの平均長さを有するナノワイヤが平板の主面に形成されるまで、ガラス容器内の反応液を交換することと、ガラス容器を恒温槽に配置することとを繰り返した。以上の方法により、ナノワイヤを作製した。得られたナノワイヤの平均直径は、４００ｎｍであった。ナノワイヤの平均長さは、５０μｍであった。

次に、複数の平板のそれぞれについて、互いに異なる組成を有する無機酸化物を堆積させた。無機酸化物の堆積には、高周波（ＲＦ）スパッタ装置を用いた。無機酸化物の堆積は、ナノワイヤを有さない平板を用いた場合に、２００ｎｍの厚さを有する無機酸化膜が平板の主面に形成される条件にて行った。これにより、ナノワイヤが無機酸化膜によって被覆された。このようにして、吸着材１～７が得られた。吸着材１は、酸化タングステンで被覆されたナノワイヤを含んでいた。吸着材２は、酸化タンタルで被覆されたナノワイヤを含んでいた。吸着材３は、酸化チタンで被覆されたナノワイヤを含んでいた。吸着材４は、酸化スズで被覆されたナノワイヤを含んでいた。吸着材５は、酸化銅で被覆されたナノワイヤを含んでいた。吸着材６は、酸化亜鉛で被覆されたナノワイヤを含んでいた。吸着材７は、酸化ニッケルで被覆されたナノワイヤを含んでいた。

図５は、吸着材１に含まれた１本のナノワイヤの表面の透過型電子顕微鏡画像である。図５に示すように、ナノワイヤが無機酸化膜（酸化タングステン）で被覆されていた。無機酸化膜の厚さは、１０ｎｍであった。無機酸化膜は、ナノワイヤの先端から１０μｍの範囲のナノワイヤの表面を被覆していた。

（測定例１）
密閉可能な容器に液体のピロールを２μＬ加えた。その後、吸着材１を容器にさらに加えた。吸着材１は、液体のピロールと直接接触しないように配置した。容器を密閉し、室温下で１分間放置した。液体のピロールは、一部が揮発することによって気体に変化した。吸着材１は、気体のピロールを吸着した。同じ方法によって、吸着材２～７に気体のピロールを吸着させた。

次に、ガスクロマトグラフ質量分析計の注入口に吸着材１をセットした。注入口には、島津製作所製のＯＰＴＩＣ－４を用いた。注入口内の温度を１℃／分の速度で３５℃から３００℃まで昇温した。吸着材１から脱離したピロールをガスクロマトグラフ質量分析計によって経時的に検出した。これにより、吸着材１について、ピロールの脱離プロファイルが得られた。同じ方法によって、吸着材２～７のそれぞれについて、ピロールの脱離プロファイルを得た。

図６のグラフは、吸着材１～７のそれぞれについて得られたピロールの脱離プロファイルの群を示している。グラフの横軸は、測定時間を示している。グラフの縦軸は、検出信号の強度を示している。検出信号は、ピロールの量を反映している。図６では、吸着材１～７のそれぞれについて得られた脱離プロファイルを縦軸に沿って重ねて表示している。図６に示すように、試料ガスの成分が同じであっても、吸着材の組成に応じて脱離プロファイルが異なる。例えば、脱離プロファイルによって規定されたピークの形状、ピークの位置などが吸着材の組成に応じて異なる。

次に、脱離プロファイルの群に対して主成分分析を行った。まず、得られた脱離プロファイルのそれぞれについて、検出信号の強度（縦軸）をそろえた。その後、時間軸（横軸）に沿って脱離プロファイルを並べることによって、複数の脱離プロファイルが連続する１つのデータを得た。得られたデータに対して主成分分析を行った。主成分分析には、Ｒ言語に含まれたｐｒｃｏｍｐ関数を利用した。詳細には、相関係数行列によってデータを標準化した。これにより、第１主成分（ＰＣ１）、第２主成分（ＰＣ２）及び第３主成分（ＰＣ３）からなる固有値が得られた。

吸着材１～７のそれぞれについて、再度、ピロールを吸着させ、脱離プロファイルの群を得る操作を２回繰り返した。これにより、脱離プロファイルの群が２つ得られた。２つの脱離プロファイルの群について主成分分析を行うことにより、２つの固有値が得られた。図９に示すように、測定例１によって得られた３つの固有値は、いずれも範囲Ａに含まれていた。

（測定例２）
ピロールの代わりに液体のベンズアルデヒドを容器に加えたことを除き、測定例１と同じ方法によって、吸着材１～７のそれぞれについてベンズアルデヒドの脱離プロファイルを得た。図７のグラフは、吸着材１～７のそれぞれについて得られたベンズアルデヒドの脱離プロファイルを示している。次に、脱離プロファイルの群に対して主成分分析を行うことによって、固有値が得られた。ベンズアルデヒドに関する固有値を得るための操作を２回繰り返した。図９に示すように、測定例２によって得られた３つの固有値は、いずれも範囲Ｂに含まれていた。

（測定例３）
ピロールの代わりに液体のノナナールを容器に加えたことを除き、測定例１と同じ方法によって、吸着材１～７のそれぞれについてノナナールの脱離プロファイルを得た。図８のグラフは、吸着材１～７のそれぞれについて得られたノナナールの脱離プロファイルを示している。次に、脱離プロファイルの群に対して主成分分析を行うことによって、固有値が得られた。ノナナールに関する固有値を得るための操作を２回繰り返した。図９に示すように、測定例３によって得られた３つの固有値は、いずれも範囲Ｃに含まれていた。

図９に示すように、範囲Ａ～Ｃは、互いに重ならない。そのため、本実施形態の分析方法によれば、固有値を用いて、未知の試料ガスを識別できる。例えば、未知の試料ガスについて固有値を取得する。未知の試料ガスがピロールであるとき、得られた固有値は範囲Ａに含まれる。

（測定例４）
ピロールの代わりにピロール、ベンズアルデヒド及びノナナールの混合液を容器に加えたことを除き、測定例１と同じ方法によって、吸着材１～７のそれぞれについて混合成分の脱離プロファイルを得た。混合液において、ピロール、ベンズアルデヒド及びノナナールの体積比は、１：１：１であった。得られた脱離プロファイルのそれぞれについて、検出信号の強度（縦軸）をそろえた。その後、時間軸（横軸）に沿って脱離プロファイルを並べることによって、複数の脱離プロファイルが連続する１つのデータを得た。次に、混合成分の脱離プロファイルの群を得るための操作を２回繰り返した。得られた脱離プロファイルの群ごとに、複数の脱離プロファイルが連続する１つのデータを得た。図１０のグラフは、得られた３つのデータを重ねて示している。グラフの横軸は、測定時間を示している。グラフの縦軸は、検出信号の強度を示している。

３つの脱離プロファイルの群に対して主成分分析を行うことにより、３つの固有値が得られた。図１４に示すように、測定例４によって得られた３つの固有値は、いずれも範囲Ｄに含まれていた。

（測定例５）
混合液として、ピロール及びベンズアルデヒドの混合液を容器に加えたことを除き、測定例４と同じ方法によって、吸着材１～７のそれぞれについて混合成分の脱離プロファイルを得た。混合液において、ピロール及びベンズアルデヒドの体積比は、１：１であった。得られた脱離プロファイルのそれぞれについて、検出信号の強度（縦軸）をそろえた。その後、時間軸（横軸）に沿って脱離プロファイルを並べることによって、複数の脱離プロファイルが連続する１つのデータを得た。次に、混合成分の脱離プロファイルの群を得るための操作を２回繰り返した。得られた脱離プロファイルの群ごとに、複数の脱離プロファイルが連続する１つのデータを得た。図１１のグラフは、得られた３つのデータを重ねて示している。３つの脱離プロファイルの群に対して主成分分析を行うことにより、３つの固有値が得られた。図１４に示すように、測定例５によって得られた３つの固有値は、いずれも範囲Ｅに含まれていた。

（測定例６）
混合液として、ピロール及びノナナールの混合液を容器に加えたことを除き、測定例４と同じ方法によって、吸着材１～７のそれぞれについて混合成分の脱離プロファイルを得た。混合液において、ピロール及びノナナールの体積比は、１：１であった。得られた脱離プロファイルのそれぞれについて、検出信号の強度（縦軸）をそろえた。その後、時間軸（横軸）に沿って脱離プロファイルを並べることによって、複数の脱離プロファイルが連続する１つのデータを得た。次に、混合成分の脱離プロファイルの群を得るための操作を２回繰り返した。得られた脱離プロファイルの群ごとに、複数の脱離プロファイルが連続する１つのデータを得た。図１２のグラフは、得られた３つのデータを重ねて示している。３つの脱離プロファイルの群に対して主成分分析を行うことにより、３つの固有値が得られた。図１４に示すように、測定例６によって得られた３つの固有値は、いずれも範囲Ｆに含まれていた。

（測定例７）
混合液として、ベンズアルデヒド及びノナナールの混合液を容器に加えたことを除き、測定例４と同じ方法によって、吸着材１～７のそれぞれについて混合成分の脱離プロファイルを得た。混合液において、ベンズアルデヒド及びノナナールの体積比は、１：１であった。得られた脱離プロファイルのそれぞれについて、検出信号の強度（縦軸）をそろえた。その後、時間軸（横軸）に沿って脱離プロファイルを並べることによって、複数の脱離プロファイルが連続する１つのデータを得た。次に、混合成分の脱離プロファイルの群を得るための操作を２回繰り返した。得られた脱離プロファイルの群ごとに、複数の脱離プロファイルが連続する１つのデータを得た。図１３のグラフは、得られた３つのデータを重ねて示している。３つの脱離プロファイルの群に対して主成分分析を行うことにより、３つの固有値が得られた。図１４に示すように、測定例７によって得られた３つの固有値は、いずれも範囲Ｇに含まれていた。

図１４に示すように、範囲Ｄ～Ｇは、互いに重ならない。さらに、図１５に示すように、範囲Ａ～Ｇは、互いに重ならない。このように、本実施形態の分析方法によれば、未知の試料ガスが複数の成分を含んでいても、固有値を用いて未知の試料ガスを識別できる。

本明細書に開示された技術は、ガスの分析などに有用である。

Claims (13)

1. 互いに異なる組成を有する複数の吸着材のそれぞれに試料ガスを吸着させることと、
   前記複数の吸着材から前記試料ガスを個別に脱離させつつ、前記複数の吸着材のそれぞれから脱離した前記試料ガスを個別に検出することによって、前記複数の吸着材のそれぞれに固有の前記試料ガスの脱離プロファイルを取得することと、
   前記脱離プロファイルの群を用いて前記試料ガスを識別することと、
   を含み、
   前記試料ガスを識別することには、前記脱離プロファイルの群に対して主成分分析を行うことが含まれる、ガスの分析方法。
2. 前記脱離プロファイルを取得することは、前記複数の吸着材のそれぞれから脱離した前記試料ガスを個別かつ経時的に検出することによって行われ、
   前記脱離プロファイルは、前記試料ガスの量を反映した検出信号から作成された経時データである、請求項１に記載のガスの分析方法。
3. 前記脱離プロファイルを取得することは、前記複数の吸着材のそれぞれを加熱することにより、前記複数の吸着材から前記試料ガスを個別に脱離させることによって行われ、
   前記脱離プロファイルは、前記試料ガスの量を反映した検出信号と、前記複数の吸着材のそれぞれの温度変化とが対応付けられたデータである、請求項１に記載のガスの分析方法。
4. 前記複数の吸着材のそれぞれを加熱することは、ヒータによって行われる、請求項３に記載のガスの分析方法。
5. 前記複数の吸着材のそれぞれから脱離した前記試料ガスを検出する検出器が前記複数の吸着材に共用されている、請求項１～４のいずれか１項に記載のガスの分析方法。
6. 前記複数の吸着材が第１吸着材及び第２吸着材を含み、
   前記複数の吸着材において、前記第１吸着材の次に前記試料ガスを脱離させるべき吸着材が前記第２吸着材であり、
   第１の期間において前記第１吸着材から脱離した前記試料ガスが前記検出器に導入され、第２の期間において前記第２吸着材から脱離した前記試料ガスが前記検出器に導入され、
   前記第１の期間と前記第２の期間とが互いにずれている、請求項５に記載のガスの分析方法。
7. 前記試料ガスを識別することには、前記試料ガスに含まれた成分を特定することが含まれる、請求項１～６のいずれか１項に記載のガスの分析方法。
8. 互いに異なる組成を有する複数の吸着材と、
   前記複数の吸着材を個別に収容している複数の収容部と、
   分析されるべき試料ガスを前記複数の収容部のそれぞれに導く複数のガス導入流路と、
   前記複数の吸着材のそれぞれから脱離した前記試料ガスを検出する検出器と、
   前記複数の収容部と前記検出器とを接続している複数の脱離ガス流路と、
   前記検出器から検出信号を取得して、前記複数の吸着材のそれぞれに固有の前記試料ガスの脱離プロファイルを生成するとともに、前記脱離プロファイルの群に対して主成分分析を行って前記試料ガスを識別する識別器と、
   を備える、ガスの分析装置。
9. 前記複数の収容部のそれぞれに配置され、前記複数の吸着材を加熱して前記複数の吸着材のそれぞれから前記試料ガスを脱離させる複数のヒータをさらに備え、
   前記複数のヒータは、個別に通電可能である、請求項８に記載のガスの分析装置。
10. 前記複数のヒータへの電力供給を制御する制御器をさらに備え、
    前記複数の吸着材が第１吸着材及び第２吸着材を含み、
    前記複数のヒータは、前記第１吸着材を加熱する第１ヒータと、前記第２吸着材を加熱する第２ヒータとを含み、
    前記複数の吸着材において、前記第１吸着材の次に前記試料ガスを脱離させるべき吸着材が前記第２吸着材であるとき、
    第１の期間において前記第１吸着材から前記試料ガスが脱離して前記検出器に導入され、第２の期間において前記第２吸着材から前記試料ガスが脱離して前記検出器に導入されるように、前記制御器は、前記第１ヒータ及び前記第２ヒータへの電力供給を制御し、
    前記第１の期間と前記第２の期間とが互いにずれている、請求項９に記載のガスの分析装置。
11. 前記複数の吸着材のそれぞれは、無機酸化物を含む、請求項８～１０のいずれか１項に記載のガスの分析装置。
12. 前記無機酸化物は、酸化タングステン、酸化タンタル、酸化チタン、酸化スズ、酸化銅、酸化亜鉛及び酸化ニッケルからなる群より選ばれる少なくとも１つを含む、請求項１１に記載のガスの分析装置。
13. 前記複数の吸着材のそれぞれは、無機酸化膜で被覆されたナノワイヤを含み、
    前記無機酸化膜が前記無機酸化物でできている、請求項１１又は１２に記載のガスの分析装置。

Images