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JP6798503B2 - 化学物質濃縮器および化学物質検出器 - Google Patents

化学物質濃縮器および化学物質検出器 Download PDF

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Description

本開示は、試料に含まれる化学物質を濃縮する化学物質濃縮器および化学物質検出器に関する。
気体中の化学物質を濃縮する技術について、例えば、特許文献１は、化学物質を吸着する吸着分離システムを開示している。吸着分離システムは、吸着剤材料と、熱伝導性フィラメントを具備するセル壁を有する並行流通路とからなる。吸着剤材料は、並行流通路のセル内に設けられる。また、吸着剤材料は熱伝導性フィラメントと直接接触している。
気体中の化学物質は、セル内の吸着剤材料に吸着される。一方、吸着された化学物質は、熱伝導性フィラメントに沿った熱移動により、吸着剤材料から脱離する。
特表２０１３−５４０５７３号公報
化学物質濃縮器は、化学物質を含む試料が流れ方向に流れるように構成された流路と、流路を複数の吸着セルに区画するセル壁とを備える。複数の吸着セルのそれぞれは、互いに離間してセル壁に配置される第一と第二の電極と、化学物質を吸着する吸着材とを有する。吸着材は金属酸化物を含む。吸着材は、第一と第二の電極が吸着材を介して電気的に接続されるように、第一と第二の電極に接触する位置に配置されている。
この化学物質濃縮器は、吸着材に吸着された化学物質を十分に脱離させることができる。
図１は実施の形態における化学物質濃縮器の斜視図である。 図２は図１に示す化学物質濃縮器の線ＩＩ−ＩＩにおける断面図である。 図３は図２に示す化学物質濃縮器の線ＩＩＩ−ＩＩＩにおける断面図である。 図４は図２に示す化学物質濃縮器の線ＩＶ−ＩＶにおける断面図である。 図５は実施の形態における化学物質濃縮器の拡大断面図である。 図６は実施の形態における他の化学物質濃縮器の断面図である。 図７は実施の形態におけるさらに他の化学物質濃縮器の断面図である。 図８は実施の形態におけるさらに他の化学物質濃縮器の拡大断面図である。 図９は実施の形態におけるさらに他の化学物質濃縮器の断面図である。 図１０は実施の形態におけるさらに他の化学物質濃縮器の断面図である。 図１１Ａは実施の形態におけるさらに他の化学物質濃縮器の斜視図である。 図１１Ｂは図１１Ａに示す化学物質濃縮器の断面図である。 図１２は実施の形態における化学物質検出器の斜視図である。
以下では、本開示の実施の形態に係る化学物質濃縮器および化学物質検出器について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本開示の好ましい一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置及び接続形態などは、一例であり、本開示を限定する趣旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。各図において、実質的に同一の構造については同一の符号を付しており、重複する説明は省略または簡略化している。
図１は実施の形態における化学物質濃縮器２０の斜視図である。化学物質濃縮器２０は、試料１００に含まれる化学物質１０１を濃縮する。実施の形態において試料１００は気体である。化学物質１０１の濃縮は、例えば、検出過程における試料１００の前処理として化学物質１０１の濃度を高めるために行われる。
試料１００としては、例えば、ヒトや動物の呼気、車や工場の排気ガス等がある。化学物質１０１としては、例えば、ケトン類、アミン類、アルコール類、芳香族炭化水素類、アルデヒド類、エステル類、有機酸、硫化水素、メチルメルカプタン、ジスルフィドなどの揮発性有機化合物がある。
図２は図１に示す化学物質濃縮器２０の線ＩＩ−ＩＩにおける断面図である。図３は図２に示す化学物質濃縮器２０の線ＩＩＩ−ＩＩＩにおける断面図である。図４は図２に示す化学物質濃縮器２０の線ＩＶ−ＩＶにおける断面図である。
化学物質濃縮器２０は、化学物質１０１を含む試料１００が流れ方向Ｄ２０に流れる流路２１と、流路２１を複数の吸着セル２２に区画するセル壁２３とを有する。流路２１は基板２４に形成されている。
基板２４は、例えば、樹脂材料、半導体材料または金属等からなる。
図５は化学物質濃縮器２０の拡大断面図であり、吸着セル２２を拡大して模式的に示す。複数の吸着セル２２は、流路２１内に設けられたセル壁２３で区画されている。複数の吸着セル２２のそれぞれ吸着セル２２においてセル壁２３は、壁面２３１と壁面２３２とを有する。壁面２３１は吸着セル２２を介して壁面２３２と対向している。
吸着セル２２の内部には、電極２５、２６と吸着材２７とが配置される。
電極２５は壁面２３１上に設けられている。電極２６は壁面２３２上に設けられている。電極２５、２６は吸着セル２２内において互いに離間して配置される。電極２５、２６は、例えば、金、銅、白金、カーボン等の導電材料よりなる。電極２５、２６は、同じ材料よりなっていてもよく、異なる材料よりなっていてもよい。
吸着材２７は試料１００に含まれる化学物質１０１を吸着する。
吸着材２７は導電性を有し、電極２５、２６が吸着材２７を介して互いに電気的に接続されるように電極２５、２６と接触する位置に配置される。電極２５、２６は電極２５、２６に電流を供給するための電源装置に接続される。
吸着材２７は、導電性を有する複数のナノワイヤ２７１の集合体である。ナノワイヤ２７１は、例えば、導電性の金属酸化物で形成される。ナノワイヤ２７１の間には空隙２７２が設けられている。気体の試料１００に含まれる化学物質１０１は、空隙２７２を通過する間に複数のナノワイヤ２７１の表面に吸着する。複数のナノワイヤ２７１で形成される吸着材２７は大きい表面積を有するので、化学物質１０１を効率良く吸着することができる。
また、ナノワイヤ２７１は、電極２５と接触する端部２７１Ａと、電極２６と接触する端部２７１Ｂとを有する。これにより、ナノワイヤ２７１には、電極２５、２６を通して電流が供給される。
吸着材２７は、電流の印加により熱を発する材料で形成される。つまり、電極２５および電極２６から電流を流すことにより、吸着材２７は、ジュール熱を発する。
導電性を有するナノワイヤ２７１は、例えば、ＳｎＯ２、ＺｎＯ、Ｉｎ２Ｏ３、Ｉｎ２−ｘＳｎｘＯ３（例えば、０．１≦ｘ≦０．２）、ＮｉＯ、ＣｕＯ、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２などの金属酸化物、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔなどの金属、カーボン、または、シリコンなどの導電材料よりなる。カーボンからなるナノワイヤ２７１としては、例えばカーボンナノチューブを用いてもよい。
また、ナノワイヤ２７１は、表面が金属酸化物で覆われた樹脂等で形成されてもよい。このように、導電性の金属酸化物で被覆することにより、吸着材２７は導電性を有する。
このように、吸着材２７は、導電性があり、かつ、ジュール効果による自己加熱が効率的に生じる程度の抵抗値を有している材料で形成されている。
前述の従来の吸着分離システムにおいて、化学物質１０１は、吸着剤材料を介し熱伝導性フィラメントからの熱を受け取る。吸着剤材料を介した熱の移動において熱損失が生じるので、化学物質１０１は効率良く加熱されない。したがって、従来の吸着分離システムでは吸着剤材料に吸着された化学物質１０１が十分に脱離できない場合がある。
実施の形態における化学物質濃縮器２０では、吸着材２７が発する熱により、吸着材２７に吸着された化学物質１０１を直接加熱することができる。そのため、化学物質濃縮器２０は、化学物質１０１を加熱する際の熱損失が小さくなる。
化学物質濃縮器２０は、複数の吸着セル２２からなる吸着部２１１を有しており、それぞれの吸着セル２２において、化学物質１０１を吸着および脱離するように構成されている。それぞれの吸着セル２２内に設けられた電極２５、２６は、電極２５、２６に電流を供給するための電源装置に接続される。
これにより、複数の吸着セル２２のそれぞれにおいて、吸着材２７に吸着された化学物質１０１は吸着材２７の発熱により吸着材２７から脱離する。したがって、化学物質濃縮器２０は、吸着した化学物質１０１を効率よく、かつ、十分に吸着材２７から脱離させて、試料１００中での化学物質１０１を効率的に濃縮することができる。
また、流路２１が複数の吸着セル２２に区画されていることにより、吸着材２７のそれぞれを小さくすることができる。例えば、実施の形態では、流路２１はナノワイヤ２７１が延びる高さ方向に３つに区画されることにより、流路２１内に形成されるナノワイヤ２７１の長さは、区画されない流路２１に配置されるナノワイヤの長さの約３分の１になる。複数の吸着セル２２の高さ方向の長さは互いに同じでもよいし、異なってもよい。複数の吸着セル２２の高さ方向と直角の幅方向の長さは互いに同じでもよいし、異なってもよい。
液相成長法や気相成長法でナノワイヤ２７１を形成する場合、ナノワイヤ２７１が長くなると、ナノワイヤ２７１の形成にかかる時間が長くなる。そのため、流路２１を複数の吸着セル２２に区画しない化学物質濃縮器の生産効率は高くない。
一方、実施の形態における化学物質濃縮器２０は、流路２１を区画した吸着セル２２のそれぞれの内部にナノワイヤ２７１が配置されており、ナノワイヤ２７１は短い。したがって、化学物質濃縮器２０の製造に係る時間は短縮される。
複数のナノワイヤ２７１が長くなると、複数のナノワイヤ２７１の長さや太さのばらつきも大きくなるので、吸着材２７を所定の大きさに制御することが難しくなる。ナノワイヤ２７１の太さや長さは、吸着材２７の空隙２７２の大きさなどに影響する。ナノワイヤ２７１のサイズのばらつきは、吸着材２７の吸着性能の劣化に繋がる。
また、ナノワイヤ２７１の長さは、ナノワイヤ２７１の発熱に必要な消費電力に影響する。具体的には、ナノワイヤ２７１が長くなるほど抵抗が大きくなるので、発熱に必要な消費電力も大きくなる。
以上のように、流路２１を区画する吸着セル２２に設けられたナノワイヤ２７１により、吸着材２７および化学物質濃縮器２０の性能は向上する。したがって、化学物質濃縮器２０は、ナノワイヤ２７１がそれぞれ配置された複数の吸着セル２２で構成することが好ましい。ナノワイヤ２７１の長さは、好ましくは、１μｍ以上１００μｍ以下である。複数の吸着セル２２のうちの１つの吸着セル２２に配置された複数のナノワイヤ２７１の長さは、他の吸着セル２２に配置された複数のナノワイヤ２７１の長さと同じであることが好ましいが、異なっていてもよい。ナノワイヤ２７１の直径は、好ましくは、１０ｎｍ以上１μｍ以下である。複数の吸着セル２２のうちの１つの吸着セル２２に配置された複数のナノワイヤ２７１の直径は他の吸着セル２２に配置された複数のナノワイヤ２７１の直径と同じであることが好ましいが、異なっていてもよい。複数の吸着セル２２のそれぞれ１つの吸着セル２２に配置された複数のナノワイヤ２７１の長さは互いに同じであることが好ましいが、異なっていてもよい。複数の吸着セル２２のそれぞれ１つの吸着セル２２に配置された複数のナノワイヤ２７１の直径は互いに同じであることが好ましいが、異なっていてもよい。
化学物質濃縮器２０は、吸着材２７を冷却する冷却部２８を有していてもよい。吸着材２７を冷却することにより、吸着材２７は、より多くの化学物質１０１を効率よく吸着することができる。冷却部２８は、例えば、流路２１が形成された基板２４の下面に設けられる。冷却部２８は、例えば、ペルチェ素子、空冷素子、水冷素子等である。
なお、冷却部２８は、吸着材２７を冷却することができれば、どこに設けられていてもよい。例えば、冷却部２８は、流路２１の内部または吸着セル２２の内部に設けられていてもよい。
また、セル壁２３には、試料１００が流れる流れ方向Ｄ２０に延びる複数の貫通孔２９が設けられていてもよい。
貫通孔２９は試料１００が通るように構成されている。これにより、貫通孔２９は化学物質濃縮器２０の圧力損失を低減することができる。したがって、流路２１の圧力損失が大きい場合であっても、試料１００は停滞することなく流路２１内を流れることができる。吸着材２７には試料１００が供給され続けるため、より多くの化学物質１０１を吸着することができる。
外部の圧力で流路２１に試料１００を通す場合には、流れ方向Ｄ２０に垂直の面内において流速分布が生じる。具体的には、流れ方向Ｄ２０に垂直の面内において、周辺すなわち流路２１の壁付近と比較して流路２１の中央付近の流速が大きくなる傾向がある。貫通孔２９はこれを考慮して設けられる。つまり、流路２１の壁付近に設けられた貫通孔２９の孔径は、流路２１の壁から離れた流路２１の中央付近に設けられた貫通孔２９の孔径よりも小さいことが好ましい。これにより、流れ方向Ｄ２０に垂直の面内において生じる流速差を小さくすることができる。より好ましい構成としては、流れ方向Ｄ２０に垂直の面内において生じる流速を均一にすることができる。
また、流れ方向Ｄ２０に垂直の面内の流速差を小さくする別の方法として、流路２１の壁付近に設けられた貫通孔２９の単位面積当たりの数を、流路２１の壁２３から離れた流路２１の中央付近に設けられた貫通孔２９の単位面積当たりの数よりも多くしてもよい。また、貫通孔２９の単位面積当たりの数および孔径の両方を変えてもよい。具体的には、流路２１の壁付近の貫通孔２９は、流路２１の中央付近の貫通孔２９より単位面積当たりの数が多く、かつ、孔径も大きくてもよい。このように、貫通孔２９は、複数の吸着セル２２へ試料１００が行き渡るよう設けられる。
なお、貫通孔２９は、流路２１内に気体である試料１００が流れる際の圧力損失を考慮して設けられる。したがって、化学物質濃縮器２０において流路２１の圧力損失が十分小さい場合は、セル壁２３に貫通孔２９を設けなくてもよい。
図６は実施の形態における他の化学物質濃縮器２０Ａの断面図である。図６において、図１から図５に示す化学物質濃縮器２０と同じ部分には同じ参照番号を付す。化学物質濃縮器２０Ａでは、流路２１はセル壁２３により複数の吸着セル２２と複数の空洞セル３０とに区画されている、空洞セル３０の内部には、電極２５、２６と吸着材２７のいずれも設けられていない。空洞セル３０は試料１００が通るように構成されており、化学物質濃縮器２０Ａの流路２１の圧力損失を低減することができる。このように、空洞セル３０は、図１から図５に示す化学物質濃縮器２０の貫通孔２９と同様の役割を有する。
化学物質濃縮器２０Ａは図１から図５に示す化学物質濃縮器２０の貫通孔２９をさらに有していてもよい。
図７は実施の形態におけるさらに他の化学物質濃縮器２０Ｂの断面図である。図７において、図１から図５に示す化学物質濃縮器２０と同じ部分には同じ参照番号を付す。化学物質濃縮器２０Ｂでは、複数の吸着セル２２はハニカム構造を構成する。吸着セル２２がハニカム構造を構成することにより、流路２１に流れる試料１００は複数の吸着セル２２に均一に流れる。したがって、各吸着セル２２に吸着される化学物質１０１の量は、場所により偏りが生じ難くなる。そのため、化学物質濃縮器２０Ｂは、効率よく化学物質１０１を吸着させることができる。また、吸着セル２２の壁面と吸着材２７との間には試料１００が通る隙間２２Ｇが形成されているので、ハニカム構造を構成する吸着セル２２は、試料１００が流れる際の流路２１の圧力損失を低減することができる。
なお、吸着材２７の材料は、ナノワイヤ２７１に限られない。例えば、吸着材２７は導電性を有する多孔質体よりなっていてもよい。多孔質体は、例えば、ナノワイヤの材料と同じ材料を用いて構成される。吸着剤２７は、１種類の材料よりなっていてもよく、複数種類の材料よりなっていてもよい。
図８は実施の形態におけるさらに他の化学物質濃縮器２０Ｃの拡大断面図である。図８において、図１から図５に示す化学物質濃縮器２０と同じ部分には同じ参照番号を付す。図８に示す化学物質濃縮器２０Ｃは、図１から図５に示す化学物質濃縮器２０の流路２１の複数の吸着セル２２の代わりに複数の吸着セル４２に区画されている。
吸着セル４２はセル壁２３により区画されている。セル壁２３は、互いに対向する壁面２３１、２３２を有する。
吸着セル４２において、電極４３、電極４４および吸着材４５は壁面２３１上に形成されている。つまり、電極４３、電極４４および吸着材４５は、吸着セル４２を形成するセル壁２３の同一面上に設けられている。電極４３、４４は流れ方向Ｄ２０に直角の方向に配列されている。
この構成により、電極４３と吸着材４５とを安定に電気的に接続でき、電極４４と吸着材４５とを安定に電気的に接続することができ、化学物質濃縮器２０Ｃの信頼性を向上させることができる。また、電極４３、４４と吸着材４５を同一面上に形成することにより、簡単な製造プロセスで化学物質濃縮器２０Ｃを製造することができる。
ナノワイヤ４５１は、端部４５１Ａと、端部４５１Ａの反対側の端部４５１Ｂとを有する。ナノワイヤ４５１は、壁面２３１、２３２間で壁面２３１、２３２と交差する方向に延び、実施の形態では壁面２３１、２３２と実質的に直角に延びる。ナノワイヤ４５１の端部４５１Ａは端部４５１Ｂに比べて壁面２３１に近く、端部４５１Ｂは端部４５１Ａに比べて壁面２３２に近い。ナノワイヤ４５１の端部４５１Ａは電極４３、４４に接続されている。複数のナノワイヤ４５１の壁面２３１に近い端部４５１Ａにおいて、複数のナノワイヤ４５１は部分的に互いに接合して接合部４５２を構成している。これにより、ナノワイヤ４５１には壁面２３１に沿って電流を流すことができる。なお、接合部４５２は、壁面２３１の近くでなくてもよい。例えば、複数のナノワイヤ４５１が部分的に互いに接合する接合部４５２は、壁面２３２の近くまたはナノワイヤ４５１の端部４５１Ａ、４５１Ｂの間の中央に設けられていてもよい。
また、吸着材４５と壁面２３２との間に空間４６が形成されており、吸着材４５は壁面２３２から離れて壁面２３２と接触していない。空間４６は、吸着材４５が発する熱が壁面２３２に伝わることによる損失を防止することができる。
なお、電極４３および電極４４は、流路２１の流れ方向Ｄ２０に沿って配列されていてもよい。
化学物質濃縮器２０Ｃは、電極４３、４４のそれぞれと壁面２３１との間に設けられた断熱層４８を有していてもよい。同様に、図５に示すように、化学物質濃縮器２０は、電極２６と壁面２３２との間に設けられた断熱層４８Ｂと、電極２５と壁面２３１との間に設けられた断熱層４８Ａとを有していてもよい。断熱層４８Ａは吸着材２７と壁面２３１との間に設けられていてもよい。断熱層４８Ａ、４８Ｂにより、吸着材２７、４５から壁面２３１、２３２に伝わる熱を小さくでき、熱の損失を抑制することができる。
図９は実施の形態におけるさらに他の化学物質濃縮器２０Ｄの断面図である。図９において、図１から図５に示す化学物質濃縮器２０と同じ部分には同じ参照番号を付す。図９に示す化学物質濃縮器２０Ｄは、図１から図５に示す化学物質濃縮器２０の電極２５、２６の代わりに複数の吸着セル２２のそれぞれに設けられて吸着材２７を加熱するように構成されて壁面２３１に設けられた加熱部２５Ｄを備える。吸着材２７のナノワイヤ２７１は加熱部２５Ｄに接する。加熱部２５Ｄは、例えば、白金の電極パターンよりなる。吸着材２７（ナノワイヤ２７１）は吸着セル２２の壁面２３２から離れている。
図９に示す化学物質濃縮器２０Ｄでは吸着材２７のナノワイヤ２７１は加熱部２５Ｄにより加熱されて吸着材２７に吸着された化学物質を離脱させる。化学物質濃縮器２０Ｄでは吸着材２７（ナノワイヤ２７１）は自己加熱型ではなくてもよく、吸着材２７の材料をより多くの種類の材料から選択することができる。
図１０は実施の形態におけるさらに他の化学物質濃縮器２０Ｅの断面図である。図１０において、図１から図５に示す化学物質濃縮器２０と同じ部分には同じ参照番号を付す。図１０に示す化学物質濃縮器２０Ｅは、図１から図５に示す化学物質濃縮器２０の電極２５、２６の代わりに、複数の吸着セル２２の外部で基板２４に設けられた加熱部２５Ｅを備える。加熱部２５Ｅは基板２４を介して吸着材２７（ナノワイヤ２７１）を加熱するように構成されている。吸着材２７のナノワイヤ２７１は壁面２３１に接する。加熱部２５Ｅは、例えば、白金の電極パターンよりなる。吸着材２７（ナノワイヤ２７１）は吸着セル２２の壁面２３２から離れている。
図１０に示す化学物質濃縮器２０Ｅでは吸着材２７のナノワイヤ２７１は加熱部２５Ｅにより基板２４を介して加熱されて吸着材２７に吸着された化学物質を離脱させる。化学物質濃縮器２０Ｅでは吸着材２７（ナノワイヤ２７１）は自己加熱型ではなくてもよく、吸着材２７の材料をより多くの種類の材料から選択することができる。
液相成長でナノワイヤ２７１を形成する場合、長いナノワイヤ２７１を作成することは難しい。図１０に示す化学物質濃縮器２０Ｅでは、ナノワイヤ２７１が延びる高さ方向にナノワイヤ２７１を積層させるように複数の吸着セル２２が配置されている。
図１１Ａは実施の形態におけるさらに他の化学物質濃縮器２１０の斜視図である。図１１Ａにおいて、図１から図５に示す化学物質濃縮器２０と同じ部分には同じ参照番号を付す。
化学物質濃縮器２１０は、流路２１内に設けられた複数の吸着部２１１（２１１Ａ、２１１Ｂ）を有している。吸着部２１１Ａ、２１１Ｂのそれぞれは、複数の吸着セル２２を有している。複数の吸着部２１１Ａ、２１１Ｂは、流路２１内に気体である試料１００の流れ方向Ｄ２０に沿って互いに離間して配置される。試料１００は流れ方向Ｄ２０に流れる。化学物質濃縮器２１０は、複数の吸着部２１１Ａ、２１１Ｂを有することにより、多くの量の化学物質１０１を複数の吸着部２１１Ａ、２１１Ｂで吸着することができる。
吸着部２１１Ａの吸着材２７の材料は、吸着部２１１Ｂの吸着材２７の材料と異なっていてもよい。吸着材２７に吸着される化学物質１０１の種類は、吸着材２７の材料によって異なる。そのため、化学物質濃縮器２１０は、吸着部２１１Ａ、２１１Ｂで吸着材２７の材料を異ならせることにより、吸着部２１１Ａ、２１１Ｂで吸着される化学物質１０１を異ならせることができる。この構成により、化学物質濃縮器２１０は、複数の異なる種類の化学物質１０１を濃縮することができる。
吸着部２１１Ａと吸着部２１１Ｂとの間に試料１００を攪拌するミキサーを設けてもよい。ミキサーは、インラインミキサー、ヘリカルミキサー、マグネティックスターラー、ファン、超音波ミキサー、衝突壁であることが好ましい。試料１００に含まれる化学物質１０１の組成は吸着部２１１Ａの後段において空間的または時間的な不均一を生じる可能性がある。吸着部２１１Ａと吸着部２１１Ｂとの間に試料１００を攪拌するミキサーを設けることによりこの不均一を解消できる。
図１１Ｂは流れ方向Ｄ２０から見た化学物質濃縮器２１０の断面図である。図１１Ｂは吸着部２１１Aの断面を示すが、吸着部２１１Bの貫通孔２９も併せて示す。流れ方向Ｄ２０から見て、吸着部２１１Ａに設けられた複数の貫通孔２９は吸着部２１１Ｂに設けられた複数の貫通孔２９に対してずれていることが好ましい。これにより、吸着部２１１Ａの貫通孔２９を通過した試料１００は吸着部２１１Ｂの貫通孔２９を通過しにくくなる。したがって、化学物質濃縮器２１０において多くの量の試料１００が吸着材２７と接触することができ、多くの量の化学物質１０１を吸着材２７で吸着することができる。複数の貫通孔２９の直径は互いに同じであってもよいし、異なってもよい。
図１２は実施の形態における化学物質検出器５０の上面斜視図である。気体の試料１００は流れ方向Ｄ２０に流れる。
化学物質検出器５０は、化学物質濃縮器２０の後段すなわち流れ方向Ｄ２０の下流側に設けられた検出素子５１を備える。検出素子５１としては、例えば、表面弾性波素子、電気抵抗変化素子、水晶発信子マイクロバランス、電界効果トランジスタを用いたバイオセンサ、または、近赤外分光センサ、テラヘルツ分光センサ、光学センサなどを用いることができる。
化学物質検出器５０は、化学物質濃縮器２０で濃縮された化学物質を検出素子５１で検出する。検出素子５１は、複数の吸着セル２２で構成される流路２１に接続された流路５２内に設けられている。つまり、複数の吸着セル２２で吸着されて複数の吸着セル２２から脱離した化学物質１０１は、後段の検出素子５１により検出される。
複数の吸着セル２２の前段または／および後段に試料１００を攪拌するミキサーを設けてもよい。ミキサーは、インラインミキサー、ヘリカルミキサー、マグネティックスターラー、ファン、超音波ミキサー、衝突壁であることが好ましい。
なお、化学物質１０１は、複数の吸着セル２２へ外部からの圧力、例えばポンプやファンなどにより発生する圧力によって搬送されてもよい。化学物質１０１は複数の吸着セル２２へ拡散または対流により搬送されてもよい。複数の吸着セル２２で吸着された複数の吸着セル２２から離脱した化学物質１０１は、拡散または対流により検出素子５１へ搬送されてもよい。化学物質検出器５０では、検出素子５１は化学物質濃縮器２０の前段、化学物質濃縮器２０の流れ方向Ｄ２０の反対側に設けられていてもよい。
また、複数の吸着セル２２と検出素子５１との距離は検出感度の観点から短いことが好ましい。複数の吸着セル２２と検出素子５１とは接していてもよい。化学物質検出器５０は複数の検出素子５１を備えていてもよい。検出素子５１は流路５２の上面に設けられてもよいし、下面または側面に設けられてもよい。
実施の形態における化学物質検出器５０は、試料１００中の化学物質１０１を化学物質濃縮器２０で濃縮することにより、化学物質１０１の濃度が低いもしくは化学物質１０１が微量であっても、感度良く化学物質１０１を検出することができる。
以上、一つまたは複数の態様に係る化学物質濃縮器および化学物質検出器について、実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、この実施の形態に限定されるものではない。本開示の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、一つまたは複数の態様の範囲内に含まれてもよい。
１００ 試料
１０１ 化学物質
２０，２１０ 化学物質濃縮器
２１，５２ 流路
２２，４２ 吸着セル
２１１ 吸着部
２３ セル壁
２３１ 壁面（第一の壁面）
２３２ 壁面（第二の壁面）
２４ 基板
２５，４３ 電極（第一の電極）
２６，４４ 電極（第二の電極）
２７，４５ 吸着材
２７１，４５１ ナノワイヤ
４５２ 接合部
２７２ 空隙
２８ 冷却部
２９ 貫通孔
３０ 空洞セル
４６ 空間
４８Ａ，４８Ｂ 断熱層
５０ 化学物質検出器
５１ 検出素子

Claims (12)

  1. 化学物質を含む試料が流れ方向に流れるように構成された流路と、
    前記流路を複数の吸着セルに区画するセル壁と、
    を備え、
    前記複数の吸着セルのそれぞれは、
    前記セル壁に配置される第一の電極と、
    前記第一の電極と離間して前記セル壁に配置される第二の電極と、
    前記化学物質を吸着する吸着材と、
    を有し、
    前記吸着材は金属酸化物を含み、
    前記吸着材は、前記第一の電極と前記第二の電極とが前記吸着材を介して電気的に接続されるように、前記第一の電極と前記第二の電極とに接触する位置に配置され、
    前記セル壁には、前記流れ方向に延びる貫通孔が設けられている、
    化学物質濃縮器。
  2. 前記吸着材を冷却する冷却部をさらに備えた、請求項１に記載の化学物質濃縮器。
  3. 前記吸着材は複数のナノワイヤを有する、請求項１に記載の化学物質濃縮器。
  4. 前記複数のナノワイヤの長さは１μｍ以上１００μｍ以下である、請求項３に記載の化学物質濃縮器。
  5. 前記複数の吸着セルのそれぞれの吸着セルにおいて前記セル壁は、前記それぞれの吸着セルに面する第一の壁面と、前記それぞれの吸着セルに面してかつ前記それぞれの吸着セルを介して前記第一の壁面に対向する第二の壁面とを有し、
    前記第一の電極は、前記第一の壁面に設けられ、
    前記第二の電極は、前記第二の壁面に設けられ、
    前記複数のナノワイヤのそれぞれは、前記第一の電極と接触する第一の端部と、前記第二の電極と接触する第二の端部とを有する、請求項３に記載の化学物質濃縮器。
  6. 化学物質を含む試料が流れ方向に流れるように構成された流路と、
    前記流路を複数の吸着セルに区画するセル壁と、
    を備え、
    前記複数の吸着セルのそれぞれは、
    前記セル壁に配置される第一の電極と、
    前記第一の電極と離間して前記セル壁に配置される第二の電極と、
    前記化学物質を吸着する吸着材と、
    を有し、
    前記吸着材は金属酸化物を含み、
    前記吸着材は、前記第一の電極と前記第二の電極とが前記吸着材を介して電気的に接続されるように、前記第一の電極と前記第二の電極とに接触する位置に配置され、
    前記複数の吸着セルのそれぞれの吸着セルにおいて前記セル壁は、前記それぞれの吸着セルに面する第一の壁面と、前記それぞれの吸着セルに面してかつ前記それぞれの吸着セルを介して前記第一の壁面に対向する第二の壁面とを有し、
    前記吸着材と前記第一の電極と前記第二の電極とは前記第一の壁面に設けられている、化学物質濃縮器。
  7. 前記吸着材は前記第二の壁面から離れている、請求項６に記載の化学物質濃縮器。
  8. 化学物質を含む試料が流れ方向に流れるように構成された流路と、
    前記流路を複数の吸着セルに区画するセル壁と、
    を備え、
    前記複数の吸着セルのそれぞれは、
    前記セル壁に配置される第一の電極と、
    前記第一の電極と離間して前記セル壁に配置される第二の電極と、
    前記化学物質を吸着する吸着材と、
    を有し、
    前記吸着材は金属酸化物を含み、
    前記吸着材は、前記第一の電極と前記第二の電極とが前記吸着材を介して電気的に接続されるように、前記第一の電極と前記第二の電極とに接触する位置に配置され、
    前記セル壁は、前記流路を前記複数の吸着セルと、前記吸着材と前記第一の電極と前記第二の電極とが内部に設けられていない複数の空洞セルとに区画する、
    化学物質濃縮器。
  9. 化学物質を含む試料が流れ方向に流れるように構成された流路と、
    前記流路を複数の吸着セルに区画するセル壁と、
    を備え、
    前記複数の吸着セルのそれぞれは、
    前記セル壁に配置される第一の電極と、
    前記第一の電極と離間して前記セル壁に配置される第二の電極と、
    前記化学物質を吸着する吸着材と、
    を有し、
    前記吸着材は金属酸化物を含み、
    前記吸着材は、前記第一の電極と前記第二の電極とが前記吸着材を介して電気的に接続されるように、前記第一の電極と前記第二の電極とに接触する位置に配置され、
    前記複数の吸着セルはハニカム構造を構成する、化学物質濃縮器。
  10. 化学物質を含む試料が流れ方向に流れるように構成された流路と、
    前記流路を複数の吸着セルに区画するセル壁と、
    を備え、
    前記複数の吸着セルのそれぞれは、
    前記セル壁に配置される第一の電極と、
    前記第一の電極と離間して前記セル壁に配置される第二の電極と、
    前記化学物質を吸着する吸着材と、
    を有し、
    前記吸着材は金属酸化物を含み、
    前記吸着材は、前記第一の電極と前記第二の電極とが前記吸着材を介して電気的に接続されるように、前記第一の電極と前記第二の電極とに接触する位置に配置され、
    前記第一の電極と前記第二の電極とのそれぞれと前記セル壁との間に設けられた断熱層をさらに備えた、化学物質濃縮器。
  11. 前記吸着材は、前記吸着した化学物質を脱離させて、前記試料中で前記化学物質を濃縮する、請求項１から１０のいずれかに記載の化学物質濃縮器。
  12. 請求項１から１１のいずれかに記載の化学物質濃縮器と、
    前記化学物質を検出する検出素子と、
    を備え、
    前記化学物質濃縮器は前記化学物質を濃縮し、
    前記検出素子は、前記濃縮された化学物質を検出する、化学物質検出器。
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