JPH1010101A - 微量気体化学物質検出用プリコンセントレーター・コレクター - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【解決課題】 表面音波ガス・クロマトグラフィー法に
おいて高感度と同時にさらに特定性と選択性を改善する
ことができ、また、クロマトグラフィー分析の前に検出
・同定の対象物である気体化学物質を予備的に濃縮す
る。 【構成】 入口と出口を有する本体部１２４、１２２、
１００と、気体化学物質を吸着および脱着することがで
きる物質から作られた、前記本体部分に重ねて置かれた
複数のコレクター板７６とを含んでなり、ここで、前記
出口は入口を通じて周囲空気のサンプルを前記本体部へ
と取り込むためのサンプリングポンプ２４に接続するこ
とができ、サンプルを取り込んだ後に、前記コレクター
板７６が周囲空気のサンプル中の気体化学物質をトラッ
プし、トラップされない気体物質が前記出口より排出さ
れることを特徴とするプリコンセントレーター・コレク
ター。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、気体元素の分析お
よび検出用の装置に関し、さらに詳細には、表面音波ガ
スクロマトグラフィー（ＳＡＷ／ＧＣ）検出器に用いる
ことができるプリコンセントレーター・コレクターと、
そのようなプリコンセントレーター・コレクターを含ん
だＳＡＷ／ＧＣ検出器に関する。

【０００２】

【従来の技術】気体化学物質の分析においては、多くの
場合、異なった化学物質類からなるバックグラウンドか
らごく微量の特定の蒸気または気体を検出する必要性が
ある。例えば、米国沿岸警備隊によって検査される貨物
船に積まれた輸出入禁止品の検出、又は倉庫における爆
発性の又は危険な薬品の漏れの検出などがある。この目
的を達成するための自動化された又は携帯可能な試験装
置は一般的に市販されていない。さらに、既存の検出器
は、大気における通常の気体濃度をはるかに上回る濃度
の化学物質を検出できるというに過ぎず、十分な感度が
得られていない。

【０００３】気体と接触すると物理的に変化し、かつ、
関連する一群の化学物質を吸収するような親和性を有す
る吸収ポリマーを含有する化学センサが開発されてい
る。とりわけ、表面音波遅延線路センサは、最も開発が
進み、すでに実用化されている。例えば、マイクロセン
サ・システム社（フェアファックス、ヴァージニア州、
米国）から市販されている。

【０００４】気体を検出するための表面音波（ＳＡＷ）
装置を用いる方法と装置が、１９８２年１月２６日に発
行されたＨ．ウォルトジェン(H. Wohltjen）による米国
特許第４，３１２，２２８号に開示されている。その特
許におけるＳＡＷ装置は、検出対象の薬物を吸収してそ
れと反応するように選択されたポリマー材料で被覆され
た表面を有する圧電素子から構成されている。化学物質
と検出素子の被覆材料との相互作用により、表面音波の
１つ以上の性質が変化し、圧電素子上の電極がその変化
された音波を検出し、電気的信号を生成する。

【０００５】化学的気体物質の検出・同定のための他の
方法と装置が米国特許第４，８９５，０１７号に開示さ
れている。この特許は、複数の表面音波（ＳＡＷ）装置
を用いているが、それぞれ選択されたポリマー材を被覆
されたそれらの複数の装置が、分析対象の気体と接触す
るように構成されている。この発明においては、ポリマ
ー被覆内への気体の拡散における予測時定数又は予測速
度を用いて、異なった化学物質を同定するように構成さ
れている。気体中に存在する複数の特定の化学物質を定
量的に同定するために、異なったポリマー塗膜を有する
一連のＳＡＷセンサに気体を接触させ、パターン認識法
を用いてそれらの特定の化学物質を同定することができ
る。この方法は、「溶解度特性および化学構造と表面音
波装置の塗膜との相関性」と題する論文に記載されてい
る（Ｄ．Ｓ．バレンタイン・ジュニア(D.S. Ballentin
e, Jr.)、Ｓ．Ｌ．ローズ（S.L. Rose)、Ｊ．Ｗ．グレ
ート(J.W. Grate)、およびＨ．ウオルトジェン；Analyt
ical Chemistry、５８巻、３０５８ページ、１９８６年
１２月）。

【０００６】また、多重ポリマー被覆分散性遅延線路を
用いた方法が、１９９１年５月７日に発行されたＪ．ハ
ワース(J. Haworth)による米国特許第５，０１２，６６
８号に開示されている。

【０００７】これらの先行技術に共通しているのは、圧
電結晶を鋭敏化させることによって進行する音波の位相
又は振幅の変化をもたらすような特定の吸収ポリマーの
使用である。そのような特定の吸収ポリマーの種類によ
って、これらの気体検出器の性能は厳しく制限されるこ
とになる。複数のポリマーフィルムを用いると、気体サ
ンプルが希釈されるので、各フィルムによって検出可能
な気体の量が減少する。また、実際に、圧電結晶の表面
に施されるフィルムは、どのようなものであっても、感
度を低下させるノイズを生じる。

【０００８】このような問題点に鑑み、本発明者らは、
狭い範囲に絞られた高温のガス流内で各気体化学物質の
蒸気圧の違いに基づいて化学物質を高速で検出・同定す
る装置を提案した。この装置は、凝縮可能な気体化学物
質を捕獲するための温度をプログラム調節可能な気体プ
リコンセントレーターと、多ポートバルブと、温度をプ
ログラム調節可能なクロマトグラフィー毛管カラムと、
気体物質の吸着と脱着を検出する音波干渉計と、音波干
渉計の温度を制御する熱電加熱／冷却素子と、電子シス
テム・コントローラとを備えている（米国特許第５，２
８９，７１５号）。なお、この特許は引用することによ
り本明細書の一部をなすものとする。この装置は、微量
の元素を高い特定性と感度で検出することが可能であ
る。また、その検出を、ほぼリアルタイムに行うことが
可能である。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題とその解決手段】本発明
の目的は、クロマトグラフィー分析の前に検出・同定す
べき化学物質の蒸気を予備濃縮するプリコンセントレー
ター・コレクターを提供することにより、高感度と同時
にさらに特定性と選択性を改善することにある。

【００１０】また、本発明の他の目的は、従来の表面音
波ガス・クロマトグラフィー（ＳＡＷ／ＧＣ）技術の性
能を改善することにある。

【００１１】本発明の第１の態様によれば、周囲空気中
の気体化学物質を集め、予め濃縮するプリコンセントレ
ーター・コレクターであって、入口と出口を有する本体
部と、気体化学物質を吸着および脱着することができる
物質（シリコン、シリカ、溶融石英など）から作られ
た、前記本体部内に重ねて置かれた複数のコレクター板
とを含んでなるプリコンセントレーター・コレクターが
提供される。前記本体部においては、該出口は該入口を
通じて周囲空気のサンプルを該本体部へと取り込むため
のサンプリングポンプに接続することができる。このプ
リコンセントレーター・コレクターにおいては、周囲空
気のサンプルを取り込んだ後に、前記コレクター板がサ
ンプル中の気体化学物質をトラップし、トラップされな
い気体物質が前記出口より排出される。

【００１２】また、本発明の第２の態様によれば、周囲
空気のサンプル中の気体化学物質を検出・同定する装置
が提供される。この装置は、サンプリングポンプと、こ
のサンプリングポンプにつながれた前述のプリコンセン
トレーター・コレクターと、このプリコンセントレータ
ー・コレクターのコレクター板から脱着された気体化学
物質中の個々の気体種を、移動速度の違いを利用して分
離する分離手段と、この分離手段から出力された個々の
気体種を検出し同定するための検出手段とを含む。分離
手段は、電流を供給することにより加熱することができ
る金属製毛管カラムであってよい。また、検出手段は、
表面音波ガスクロマトグラフィー（ＳＡＷ／ＧＣ）検出
器を含むことができる。

【００１３】さらに、本発明によれば、周囲空気のサン
プル中の気体化学物質を検出し、同定する方法が提供さ
れる。この方法は、周囲空気のサンプルからきたい化学
物質を収集し、予め濃縮するステップと、分離手段によ
り、プリコンセントレーター・コレクターのコレクター
板から脱着された気体化学物質中の個々の気体種を移動
速度の違いを利用して分離するステップと、表面音波ガ
スクロマトグラフィー（ＳＡＷ／ＧＣ）検出器により、
分離手段から出力された個々の気体種を検出し同定する
ステップとを含む。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１に、本発明による、表面音波
ガスクロマトグラフィー（ＳＡＷ／ＧＣ）システムの一
例を示す。このＳＡＷ／ＧＣシステムは、サンプリング
ポンプ２４と、プリコンセントレーター・コレクター２
６と、６ポート・ＧＣバルブ３０と、ループ・トラップ
部３２と、真空ポンプ３４と、毛管ＧＣカラム４２と、
ＳＡＷ検出器５３とからなる。

【００１５】高い感度と同時にさらに特定性と選択性を
改善するために、図１に示されるように、シリコンを用
いたプリコンセントレーター・コレクター２６がＳＡＷ
／ＧＣ検出システムに加えられている。ガス・クロマト
グラフィー法においては、多くの異なる種類の化学物質
を含むサンプルが、サンプリング・ポンプ２４を用い
て、プリコンセントレーター・コレクター２６により集
められる。そしてこのサンプルは、ヘリウムのような不
活性キャリアガスと共に、毛管カラム４２に注入され
る。化学物質が毛管４２内を移動するとき、毛管カラム
４２の化学的塗膜と相互に反応して、その相互反応によ
って進行速度が遅くなる。各化学物質の相互反応は化学
的に互いに異なるので、個々の化学物質が時間的に分散
して毛管カラム４２から吐出される。毛管ラム４２を通
過するのに要する時間を測定することによって、個々の
化学物質が同定される。ノズルを用いることによって、
毛管から流出した化学物質を、ＳＡＷ共鳴器内で定常音
波の強度が最も高くなるエリアに集中させる。ＳＡＷ共
鳴器内のこのエリアでは、化学物質が結晶表面に吸収さ
れたときにのみ、その物質が検出される。なお、ＳＡＷ
検出器の例とその作動の様子は、米国特許第５，２８
９，７１５号に記載されている。

【００１６】６ポートＧＣバルブによって、大気が採集
され、エーロゾルが捕獲され、カラム４２のヘリウム流
に注入される。図１において、ＧＣ／ＳＡＷシステム
は、周囲環境から気体物質を、シリコン又はシリカから
なるプリコンセントレーター・コレクター２６とサンプ
リング・ポンプ２４により採集する。プリコンセントレ
ーター・コレクター２６は、周囲空気から気体又は粒子
を選択的に吸収し、かつ最小の容積で大量の空気を処理
するという二重の目的を有している。気体又は粒子が吸
着された後、プリコンセントレーター・コレクター２６
の出力を、その中にあるサンプリング・バルブ３０によ
り切り替えて、プリコンセントレーター・コレクター２
６の熱的脱着によって生成された気体を、ループトラッ
プ部３２に入れる。

【００１７】図２において、全てがシリコンからなるコ
レクターが入口側に一体化された携帯可能なＳＡＷ／Ｇ
Ｃシステムの分解図が示されている。ＳＡＷ／ＧＣシス
テムのシリコン・プリコンセントレーター・コレクター
２６や、６ポートＧＣバルブ３０、毛管カラム４２，Ｓ
ＡＷ検出器５３が図２に示されている。さらに、本シス
テムを納めるハウジング６２や、ＳＡＷ検出器５３を固
定するためのセンサクランプ６４、熱的絶縁のための絶
縁部６６も示されている。

【００１８】本実施例においては、プリコンセントレー
ター・コレクター２６は、システムの入口部分に一体化
されている。必要電力を最小化するために、この新規の
システムは、例えば、５秒以内に２００℃以上の直線的
な温度上昇を与えることができるような、温度勾配がデ
ジタル制御されている毛管カラムを用いている。毛管カ
ラム４２は、金属でできており、粘着性の硬質プラスチ
ック部品４４（たとえば、３Ｍ社製の「カプトン(Kapto
n)」）で覆われている。このプラスチック部品４４によ
り、毛管カラム４２がシステムに固定されている。さら
に、エアギャップ４５がシステムへの空気の出入りを許
すために設けられている。電流供給システムは、金属毛
管カラム４２を加熱するために流す電流を、負荷周期の
パルス幅を可変に変調する方法を用いて調節し、電力消
費をさらに減らしている。その結果、このシステムは、
最小の電力によって、わずか１０秒間続くガス・クロマ
トグラムを得ることができる。

【００１９】ＳＡＷ／ＧＣの上流端部に一体に取り付け
られたプリコンセントレーター・コレクター２６の目的
は、毎分５ないし１０リットルの大量の空気サンプルの
テストを可能にすることにある。本発明は、テストされ
る大気を温度制御されたシリコンからなる収集表面に衝
突させて、その大気から気体と粒子を吸着および脱着す
るために、多数の小ノズル又は小開孔を利用している。
不活性化されたシリコン（シリカ）板は、化学的気体の
ような「粘着質の」物質を捕獲するのに非常に有効であ
り、また、スクリーン式あるいはワイプ式のコレクター
・システムに弊害をもたらす埃や他の干渉物に対して耐
性を有している。

【００２０】図３に、本発明のプリコンセントレーター
・コレクター２６の作動の様子が例示されている。対象
物７２は、物理的な接触のないように、システムから数
センチの距離だけ離して、検査される。このプリコンセ
ントレーター２６は２段階で操作される。図の左側に、
大量の空気流のサンプリング段階が示されている。臭気
を発する対象物７２の表面の上方の空気が高能力サンプ
リング・ポンプ２４（図１参照）によってコレクター板
（例えば、シリコンウエハからなる）７６に微細加工さ
れ、重ねられた孔の配列を介して引き込まれる。空気中
のエローゾルがこのシリコンウエハ７６に付着する。シ
リカ表面への吸着は低い大気温度によって増大し、さら
にウエハ７６の表面に施された選択性塗膜によってもさ
らに増大する。吸着の後、シリコンウエハ７６の温度を
急速に上げて、トラップされた物資を脱着する。図３の
右の図に示すように、脱着した気体は、ＳＡＷ／ＧＣセ
ンサへと移送管７８を通って送り込まれる。プリコンセ
ントレーター２６の入口には、複数の方向性の小孔を有
する環状リング７９が取り付けられている。そのリング
７９内の孔からパルス状の空気が噴射され、サンプリン
グの対象となる表面７２に沿った空気の境界層を壊す。
本実施例においては、間欠的に空気を吹きつけるこのパ
フィング法を実施することによって、蒸気圧から通常予
測される収集効率を数桁も向上させることができる。

【００２１】プリコンセントレーター・コレクター２６
の内部構造は、シリコン又はシリカの積層されたコレク
ター板７６を含んで構成されている。このようなコレク
ター板７６の表面側と裏面側が図４に示されている。図
４に示すように、このコレクター板７６は、薄いシリコ
ンまたはシリカの膜８２を含み、その膜には複数の貫通
孔８４が設けられている。薄膜抵抗ヒーター８６が、膜
８２の表面に取り付けられている。その裏面には、二酸
化シリコンで作られたスペーサー８８が複数設けられて
いる。このスペーサー８８は、例えば、膜８２をある方
向に横切るように、隣接する孔８４の間に配置すること
ができる。支持リング９０が膜８２のまわりに設けられ
る。コレクタ板７６は、空気を通すが、通過した空気中
のエローゾルを捕獲する。エローゾル物質がコレクター
板７６の表面に捕獲された後、薄膜抵抗ヒーター８６に
電流を加えることによりコレクター板７６の温度を急速
に上昇させて、その捕獲された物質を気体として脱着さ
せる。その後、この気体は、図３の右側に図示されたよ
うに、ＳＡＷ／ＧＣセンサの入口に送られる。コレクタ
板の各孔８４は、基本的に、その孔の下側の板の表面に
気体の流れを衝突させるノズルとして機能する。

【００２２】コレクター板７６は、それらに加工された
孔をずらして、対で用いられる。０．０１ないし０．１
ｃｍ径の孔の場合の流量が暫定的に計算されている。例
えば、０．０４ｃｍ径の孔が１００個あるウエハの場
合、ウエハの前後で、わずか２ｐｓｉの圧力下降で、５
９．８０３リットル／分の流量が得られる。これは、１
リットルの周囲空気を１秒で処理できることを意味して
いる。

【００２３】シリコンが多くの理由で理想的な材料であ
る。第１に、シリコンは、比較的不活性で、特に酸化さ
れた場合、不活性であり、かつ容易に清掃することがで
きる。これは、余計な気体の存在は好ましくないという
観点から重要である。第２に、シリコンは、微細加工が
可能で、熱容量が低い。コレクター板７６は最小の電力
で迅速に加熱・冷却できる必要がある。０．０２５ｃｍ
径の孔を１００個有する２．５ｃｍ径のシリコンウエハ
は、９．９１６ｃｍ2 の表面積を有し、これがエローゾ
ルの収集に用いられている。０．００２５ｃｍ厚みのウ
エハの全質量は０．０５６７グラムである。これは、同
じ表面積を有する管状式のプリコンセントレーターの質
量の１／１０以下である。加熱条件は、まず、ウエハ厚
みの関数として計算される。上記のウエハの温度を一秒
間で２００℃まで上昇させるのに、わずか６．０５３ワ
ットの電力で充分である。電力は一秒間だけ加えればよ
いので、消費エネルギーは小さく、かつ熱容量は低い。
精密加工が容易で、容易にきれいにすることができさえ
すれば、その他の材料をシリコンの代わりに用いること
ができる。たとえば、溶融石英はそのような材料の一つ
である。

【００２４】図４において、収集表面は、低抵抗率のバ
ルクのシリコンウエハ上にエピタキシャル成長されたシ
リコンによって形成されている。エチレンジアミン、ピ
ロカテコールおよび水（ＥＤＰ）を用いた異方性エッチ
ングによって厚い基板と孔つき薄膜（５ないし１０μｍ
厚）を生成することができる〔（Ｒ．Ｍ．フィン(R.M.
Finne)、Ｄ．Ｌ．クライン(D.L. Klein)：「ＥＤＰを用
いたシリコンのエッチング(Etching of Silicon Using
EDP)」、J. Electrochem. Soc.、１２７巻、第１２号、
１９８０年１２月）；（Ｅ．Ｊ．ステイプル(E.J. Stap
le) ：「光化学法を用いない高分解能ＳＷＤパターンの
複製(High Resolution SWD Pattern Replication Witho
ut Photo Chemical Processing) 」、Sonics and Ultra
sonics Symposium Proceedings、５２２−５２８ペー
ジ、１９７３年１１月）；および（Ｒ．Ｄ．ジョリー
(R.D. Jolly)、Ｒ．Ｓ．ミュラー（R.S. Muller)、「シ
リコンの異方性エッチングによって作成される小型片持
ちビーム(Miniature Cantilever Beams Fabricated by
Anisotropic Etching of Silicon) 」、J. Electroche
m. Soc.、１２７巻、第１２号、２７５１−２７５４ペ
ージ、１９８０年１２月）〕。

【００２５】また、最終的な工程として、表面上に蛇行
線の形状の薄膜抵抗ヒータを真空蒸着により形成する。
例として、１インチ径のウエハが用いられているが、６
インチ以上の径を有するウエハを用いてもよい。脱着に
関する先行実験（Ｅ．Ｊ．ステープル、Ｇ．Ｗ、ワトソ
ン、およびＷ．Ｊ．ホールトン；「ＳＡＷ共鳴器におけ
る温度がプログラム調整された場合の脱着特性(Tempera
ture Programmed Desorption Characteristics of SAW
Resonators) 」, Proceedings of 1991 Ultrasonics Sy
mposium, pp. 317-320, November 19, 1991 ）および温
度とエネルギーの計算によれば、３００℃以上までウエ
ハを加熱するのも困難ではなく、コレクターにおける準
備的な濃縮を行うために、表面を迅速に清浄することが
できる。

【００２６】プリコンセントレーター・コレクター２６
の構造の他の重要な要素は、サンプリング・バルブであ
る。ポペット(poppet)式のサンプリング・バルブ１００
が好ましく、そのバルブの分解図が図５に示されてい
る。図５に示すように、サンプリングバルブの組立体１
００は、６個のポンピングポート１０４を有するシール
板ストッパー１０２と、シール板１０６、穴１１０と１
１２を有する基板１０８を含んで構成される。２本の管
７７、７８が、穴１１０と１１２を介して、プリコンセ
ントレーター・コレクター２６の内部チャンバーに接続
されている様子が看取できる。１本は、コレクター板か
らＳＡＷ／ＧＣ検出器に、脱着された濃縮ガスを移送す
るための移送管７７で、他の一本は、プリコンセントレ
ーター・コレクタ２６を介して周囲空気を引き込むため
のサンプリング管７８である。サンプリング管７８はポ
ンプに接続されている。ＳＡＷ／ＧＣ検出器に接続され
た移送管７７は、サンプリングバルブ組立体１００の基
板１０８とシール板ストッパ１０２を貫通している。

【００２７】移送管７７の開口１１６は、コレクター板
７６に接近しているが、接触しないように配置されてい
る。一方、サンプリング管７８は、コレクターの基板１
０８において、プリコンセントレーター・コレクター２
６の内部チャンバーに向かって開放されている。シール
板１０６は、基板１０８と６つのポンプポートを有する
シール板ストッパ１０２間に配置されている。周囲空気
がサンプリング管７８を介して吸入されると、シール板
１０６は基板１０８に接近して、空気はシール板ストッ
パ１０２に設けられた６つのポート１０４に流入する。
サンプリング管７７に接続されたポンプが停止されて、
脱着されたガスがＳＡＷ／ＧＣ検出器に吸入されると、
シール板１０６はストッパ１０２の方に移動し、ストッ
パ１０２によってポート１０４が閉鎖される。脱着され
たガスは、ＳＡＷ／ＧＣ検出器へと、移送管７７内に流
入する。この操作は、図３にも示されている。

【００２８】本発明の実施例による、プリコンセントレ
ーター・コレクター２６の完全なアッセンブリの分解組
立図が図６に示されている。図６に示されているよう
に、プリコンセントレーター・コレクター組立体２６
は、ポペットタイプ(poppet type) のサンプリングバル
ブ１００と、コレクター板７６、胴部１２２、先端また
はノーズコーン１２４、環状パフィングリング７９を含
んでいる。プリコンセントレーター・コレクター２６の
胴部１２２とサンプリングバルブ１００は、外部電気ヒ
ーター（図示せず）によって加熱される。熱損失を最小
にするために、図２に示された絶縁部６６によって部分
的に囲まれた状態で加熱される。プリコンセントレータ
ー・コレクター組立体２６の先端コーン（すなわちノー
ズコーン）１２４は、機械加工が可能なセラミック製の
絶縁材料によって作成される。これによって、僅かの熱
がセラミック製の先端を介して環状の空気パフィングリ
ング７９に伝達して、そのリング７９を通過するガスを
加熱する。このセラミック製の先端部とパフィングリン
グ７９は分析の対象となる物又は人間と接触する可能性
があるので、接触しても熱くならない温度に設定するこ
とが重要である。ほぼ６０℃の温度が推奨される。な
お、完全に組み立てられたプリコンセントレーター・コ
レクター組立体２６が、図７に示されている。

【００２９】本発明による入口側プリコンセントレータ
ー・コレクターを内蔵する蒸気物質を検出・同定する装
置の操作の一例が、図８Ａ、８Ｂ、８Ｃに示されてい
る。ポンプ２４が作動されると、周囲の気体あるいは空
気がプリコンセントレーター・コレクター２６に流れ始
める。収集されるべき化学物質がコレクター板７６の表
面に吸着される。その後、ポンプ２４が停止され、薄膜
ヒーター８６に電流を流すことによりコレクター板７６
が加熱される。クロマトグラフィー・バルブ３０は、図
８Ａに示されるように収集位置に設定されている。プリ
コンセントレーター・コレクター２６のサンプル、すな
わち、周囲空気とそこに含まれる凝縮可能な気体が、真
空ポンプ３４によってループ・トラップ部３２に引き込
まれる。このとき、ループ・トラップ部３２は大気流に
よって凝縮可能な気体物質を吸収するに十分な温度にま
で冷却されている。ループ・トラップ部３２は、例えば
真鍮のような金属により作られ、気体物資を凝縮する。
本発明の装置はどのような雰囲気ガスをも扱えるが、空
気が特定の凝縮可能な気体物質を調査するための最も一
般的なガスである。

【００３０】数秒のサンプリング時間の間、キャリア・
ガス供給源５０から、ヘリウムガスが、フィルター４８
と流量コントローラ４４、さらにクロマトグラフィー・
バルブ３０、インジェクター部３６、毛管分離カラム４
２、ＳＡＷ検出器５３の音波干渉計４０内の圧電結晶
（図示せず）の収集表面に衝突する。本システムはどの
ような不活性キャリア・ガスでも操作可能であるが、ヘ
リウムガスが好ましい。最初のサンプル収集サイクルの
間、音波干渉計センサの温度は熱電子素子（図示せず）
によって、全ての吸着した気体を脱着させて排気孔５４
から外部に流出させることによってセンサの結晶表面を
清浄にするに充分な温度である１２０℃にまで加熱され
る。サンプル収集時間を終えた後、真空ポンプが停止さ
れ、音波干渉計の温度が、吸着をもたらすのに充分な温
度である５℃にまで下げられ、クロマトグラフィー・バ
ルブ３０が図８Ｂに示される移送位置に切り換えられ
る。

【００３１】クロマトグラフィー・バルブ３０が移送位
置に切り換えられた後、ヘリウムガスがループ・トラッ
プ部３２、クロマトグラフィー・バルブ３０、インジェ
クター部３６、毛管分離カラム４２、および音波干渉計
組立体４０を通って、排気孔５４に流れる。このとき、
０．００２５秒という短いパルスの電流がループ・トラ
ップ部３２に加えられ、抵抗性の発熱により、その温度
を２００℃にまで急速に上昇させる。その結果、トラッ
プされていた気体物質が脱着してキャリアガスに入る。
キャリアガスは、これらの脱着された気体を加熱された
クロマトイグラフィー・バルブ３０を介して、毛管分離
カラム４２へと移送する。ループ・トラップ部３２を加
熱した直ぐ後、１ないし１０秒間の冷却期間があって、
大気への伝達および輻射によって、ループ・トラップ部
３２は周囲温度にまで冷却される。

【００３２】移送サイクルの後、クロマトグラフィー・
バルブ３０は収集位置に戻される。移送のための好まし
い時間は約１秒である。移送の後、図８Ｃに示されるよ
うな第３のサイクル、すなわち、注入／分析サイクルが
開始される。このサイクルにおいては、新しく吸入され
たサンプル気体がループ・トラップ部３２で凝縮され
る。他方、上記の移送サイクル中、急速に脱着された気
体物質は、毛管分離カラム４２を通って流れるキャリア
ガス中に注入する。この気体は、毛管分離カラム４２へ
一気に注入される。

【００３３】ガス・クロマトグラフィーの専門家にとっ
ては周知のように、分離カラムを通過する個々の気体物
質は異なる速度で進行し、従って、個々の気体物質が異
なる時間でＧＣカラム４２から吐出される。好適な実施
例では、３６インチ長さで０．００８インチの内径の石
英毛管を用い、この石英毛管は固定相ポリマーとしての
ポリシロキサンの骨格をなすシリコン原子に結合される
５％フェニル相（ＤＢ−５）で被覆されている。この毛
管分離カラムは、Ｊ＆Ｗ科学社(J&W Scientific)（フォ
ルソム、カリフォルニア州、米国）から市販されてい
る。好適な実施例では、毛管カラムを２００℃に保持
し、全ての化学物質が５ないし１０秒内の時間でカラム
から吐出される。

【００３４】気体は分離カラム４２を介してノズル（図
示せず）に流れ、このノズルは個々の化学物質を音波干
渉計の幾何学的に限定された領域に収束させる。この音
波干渉計では、凝縮可能な気体物質は、気体流と音波干
渉計の収集表面との間の温度勾配によって凝縮する。凝
縮しない気体は、排気ベントに流される。ノズルの気体
温度と圧電結晶センサとの間の温度勾配は、全ての凝縮
可能な気体が結晶表面において定常音波の振幅が最大に
なる領域に集められ、収束されるように、充分に大きく
される。

【００３５】以上、本発明を好適な実施例と変形例に基
づいて説明したが、特許請求の範囲内においてさらに変
形を行うことが可能であることは、当業者にとっては容
易に理解されるはずである。従って、本発明は、好適な
実施例の開示によっては何ら限定されるものではなく、
特許請求の範囲によってのみ限定されるものである。

【００３６】

【発明の効果】以上のように本発明は構成されるので、
表面音波ガス・クロマトグラフィー法において高感度と
同時にさらに特定性と選択性を改善することができ、ま
た、クロマトグラフィー分析の前に検出・同定の対象物
である気体化学物質を予備的に濃縮することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例によるＳＡＷ／ＧＣシステム
を示す図である。

【図２】本発明によるプリコンセントレーター・コレク
ターつきＳＡＷ／ＧＣシステムの一実施例を示す図であ
る。

【図３】本発明によるプリコンセントレーター・コレク
ターの一実施例を示す図である。

【図４】本発明に用いられる微細加工されたシリコン・
コレクター板の表面側および裏面側を示す図である。

【図５】本発明に用いられるサンプリング・バルブの一
実施例の組立図である。

【図６】本発明によるプリコンセントレーター・コレク
ターの組立図である。

【図７】図６に示されたプリコンセントレーター・コレ
クターが完全に組立てられた状態を示す図である。

【図８】本発明によるプリコンセントレーター・コレク
ターつきＳＡＷ／ＧＣシステムの操作を示す図である。

【符号の説明】

２４ サンプリングポンプ ２６ プリコンセントレーター・コレクター ３０ サンプリングバルブ ３２ ループ・トラップ部 ４２ 毛管カラム ５３ ＳＡＷ検出器 ７６ コレクター板 ７９ パフィング環状リング １００ ポベットバルブ １２２ 胴部 １２４ ノーズコーン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ゲイリー・ワトソン アメリカ合衆国、91361 カリフォルニア、 ウェストレイク・ヴィレッジ、タウンズゲ イト・ロード 2301 エレクトロニック・ センサー・テクノロジー，リミテッド・パ ートナーシップ内

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 周囲空気中の気体化学物質を集め、予め
   濃縮するプリコンセントレーター・コレクターであっ
   て、 入口と出口を有する本体部と、ここで、該出口は該入口
   を通じて周囲空気のサンプルを該本体部へと取り込むた
   めのサンプリングポンプに接続することができ、 気体化学物質を吸着および脱着することができる、前記
   本体部内に重ねて置かれた複数のコレクター板と、を含
   んでなり、 周囲空気のサンプルを取り込んだ後に、前記コレクター
   板が該サンプル中の気体化学物質をトラップし、トラッ
   プされない気体化学物質が前記出口より排出されること
   を特徴とするプリコンセントレーター・コレクター。
2. 【請求項２】 前記コレクター板の各々が、 互いに離れて配置された複数の貫通孔を有する膜と、 前記コレクター板の温度を変えるために前記膜の表面に
   配置された薄膜ヒーターと、を含んでなることを特徴と
   する請求項１記載のプリコンセントレーター・コレクタ
   ー。
3. 【請求項３】 前記出口において前記本体部に接続され
   たサンプリングバルブをさらに含むことを特徴とする請
   求項１記載のプリコンセントレーター・コレクター。
4. 【請求項４】 前記サンプリングバルブが、ポペットタ
   イプのサンプリングバルブであり、 複数のポンピングポートを有するシール板ストッパー
   と、 シール板と、 基板と、 を含み、 前記シール板が前記シール板ストッパーと前記基板の間
   に配置されている請求項３記載のプリコンセントレータ
   ー・コレクター。
5. 【請求項５】 サンプリング管と移送管とをさらに有す
   る請求項４記載のプリコンセントレーター・コレクター
   であって、該サンプリング管が、前記サンプリングバル
   ブの前記シール板と前記基板とシール板ストッパーとを
   貫通する第１端部と、サンプリングポンプへと接続する
   ための第２端部とを有し、該移送管が、前記サンプリン
   グバルブの基板につながっている第１端部と、表面音波
   ガスクロマトグラフィー（ＳＡＷ／ＧＣ）検出器に接続
   している第２端部とを有し、サンプル収集サイクルにお
   いて、周囲空気のサンプルを前記サンプリングポンプに
   より前記プリコンセントレーター・コレクターに吸引
   し、気体化学物質を前記コレクター板上にトラップし、
   分析サイクルにおいて、前記コレクター板上にトラップ
   された気体化学物質を脱着させて、検出と同定のため
   に、前記ＳＡＷ／ＧＣ検出器へと移送することを特徴と
   するプリコンセントレーター・コレクター。
6. 【請求項６】 前記コレクター板が、シリコン、シリ
   カ、および溶融石英からなる群から選ばれる材料により
   作られていることを特徴とする請求項１ないし５のいず
   れか一に記載のプリコンセントレーター・コレクター。
7. 【請求項７】 周囲空気のサンプル中の気体化学物質を
   同定し分析する装置であって、 サンプリングポンプと、 周囲空気のサンプルから気体化学物質を予め集めて濃縮
   するための、その出口において該サンプリングポンプに
   つながれた請求項１ないし６のいずれか一に記載のプリ
   コンセントレーター・コレクターと、 前記プリコンセントレーター・コレクターのコレクター
   板から脱着された気体化学物質中の個々の気体種を、移
   動速度の違いを利用して分離する分離手段と、 前記分離手段から出力された個々の気体種を検出し同定
   するための検出手段と、を含んでなる装置。
8. 【請求項８】 前記検出手段が、表面音波ガスクロマト
   グラフィー（ＳＡＷ／ＧＣ）検出器を含んでいることを
   特徴とする請求項７記載の装置。