JPH09210975A - ガス検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】複数のガス成分を含有する被検体を、１個のセ
ンサにより、簡単かつ容易な方法で、短時間に分析、検
出することができるガス検出装置を提供する。 【解決手段】(Ａ)表面弾性波送信子に周波数可変の電気
的な交流信号又は複数の周波数の電気的な交流信号を印
加する周波数発振器、(Ｂ)基板表面に一組の櫛型電極か
らなる表面弾性波送信子及び一組の櫛型振動子からなる
受信子を設け、送信子と受信子の間に感応膜を介在させ
てなるガス検出センサ、(Ｃ)受信子で発生する電気的な
交流信号を増幅する増幅器、及び、(Ｄ)得られた信号よ
り特定のガス成分の有無を判定する演算部、を有するこ
とを特徴とするガス検出装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガス検出装置に関
する。さらに詳しくは、本発明は、空気中又は水中に存
在する微量なガスを、ガス成分ごとに又は同族類ごとに
分類して検出することができるガス検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、空気中や水中の微量なガス成分
を検出しようとする場合、ガスクロマトグラフィーが使
用される。しかし、ガスクロマトグラフィーによる場
合、ガスを採取してからクロマトグラムを得るまでに通
常は数分から数十分の時間を要する。さらに、複数のガ
ス成分を検出するためには、検出対象とするガスごとに
カラム温度、カラムの充填物、キャリアガスなどを変更
しなければならない場合が多い。そのため、複数のガス
成分を同時にかつ短時間で検出することは容易ではな
い。また、最近では、水晶振動子を用いた化学センサの
開発が行われている。化学センサは水晶振動子表面に感
応膜を塗付し、この感応膜面に検知対象物質が吸着する
ことで発生する重量変化によって素子の共振周波数が変
化することを利用したものである。例えば、特定の周波
数を有する振動子に感応膜を塗付し、振動子の固有共振
周波数で振動させたとき、被検出ガスを供給すると、感
応膜と被検知物質成分との反応又は吸着により感応膜の
重量が変化して、振動子自体の振動周波数が変化する。
この時間の経過に伴ない変化する周波数の変化率から、
被検知物質の有無を検知する。そして、被検知物質の種
類が多くなると、感応膜の種類が異なる多数個のセンサ
を用いて、これらのセンサの反応性の違いから被検知物
質を特定する。このようなセンサは小型化することがで
き、応答が速いので好ましいが、複数のガス成分を検出
するためには複数のセンサを必要とする点に問題があっ
た。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、複数のガス
成分を含有する被検体を、１個のセンサにより、簡単か
つ容易な方法で、短時間に分析、検出することができる
ガス検出装置を提供することを目的としてなされたもの
である。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記の課
題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、櫛型振動子から
なる送信子と受信子の間に脂質二分子膜を介在させてな
るセンサが複数のガス成分を検出することができ、かか
るセンサに周波数発振器、増幅器及び演算部を備えたガ
ス検出装置が応答が速く、さらに発振器を複合周波数発
振器とし、受信子に受信フィルタを接続することによ
り、同時に多数のガス成分の分析、検出が可能となるこ
とを見いだし、この知見に基づいて本発明を完成するに
至った。すなわち、本発明は、 （１）(Ａ)表面弾性波送信子に周波数可変の電気的な交
流信号を印加する周波数発振器、(Ｂ)基板表面に一組の
櫛型電極からなる表面弾性波送信子及び一組の櫛型振動
子からなる受信子を設け、送信子と受信子の間に感応膜
を介在させてなるガス検出センサ、(Ｃ)受信子で発生す
る電気的な交流信号を増幅する増幅器、及び、(Ｄ)得ら
れた信号より特定のガス成分の有無を判定する演算部、
を有することを特徴とするガス検出装置。 （２）(Ａ)表面弾性波送信子に複数の周波数の電気的な
交流信号を印加する周波数発振器、(Ｂ)基板表面に一組
の櫛型電極からなる表面弾性波送信子及び一組の櫛型振
動子からなる受信子を設け、送信子と受信子の間に感応
膜を介在させてなるガス検出センサ、(Ｃ)受信子で発生
する電気的な交流信号を選別する受信フィルタ、(Ｄ)選
別された信号を増幅する増幅器、及び、(Ｅ)得られた信
号より特定のガス成分の有無を判定する演算部、を有す
ることを特徴とするガス検出装置、及び、 （３）感応膜が、脂質二分子膜である第(１)項又は第
(２)項記載のガス検出装置、を提供するものである。

【０００５】

【発明の実施の形態】以下、本発明を詳細に説明する。
図１は、本発明に用いるガス検出センサの斜視図であ
る。ガス検出センサは、基板１の上に一組の櫛型電極か
らなる表面弾性波送信子２及び一組の櫛型振動子からな
る受信子３を設け、送信子と受信子の間に基板上に感応
膜４を介在させたものである。表面弾性波送信子には、
周波数可変の電気的な交流信号を印加する周波数発振器
５を接続し、受信子には、受信子で発生する電気的な交
流信号を増幅する増幅器及び得られた信号より特定のガ
ス成分の有無を判定する演算部を接続する。ガス検出セ
ンサの基板を構成する材料は、絶縁性で、音響的抵抗
（インピーダンス）が低く、表面を振動が伝播するもの
であれば特に制限なく使用することができる。このよう
な材料としては、例えば、タンタル酸リチウム、ニオブ
酸リチウムなどを挙げることができる。基板の形状には
特に制限はなく、平面あるいは球面などの曲面とするこ
とが可能である。ガス検出センサの表面弾性波送信子
は、一組の櫛型の電極から構成される。櫛型の電極は、
図１に示すように、櫛の歯に相当する部分がわずかな間
隙をおいて相互にかみ合った状態となっている。表面弾
性波送信子に電気的な交流信号を印加することにより、
振動波が発生し基板表面を伝播していく。電気的な交流
信号により、任意の周波数の振動を発振することができ
る。電極の材料は、測定環境に耐えるものであれば特に
制限はなく、例えば、白金、金、銀などの電極を使用す
ることができる。ガス検出センサの受信子は、表面弾性
波送信子と同様に一組の櫛型の振動子から構成され、櫛
型の振動子は図１に示すように、櫛の歯に相当する部分
がわずかな間隙をおいて相互にかみ合った状態となって
いる。受信子は表面弾性波送信子と同一の形状とするこ
とができ、あるいは異なる形状とすることができる。受
信子は、基板表面を伝播する振動波を受信して電気的な
交流信号に変換する。受信子の材料は、測定環境に耐え
るものであれば特に制限はなく、例えば、白金、金、銀
などの電極を使用することができる。

【０００６】ガス検出センサは、表面弾性波送信子と受
信子の間の基板表面に感応膜を介在させる。感応膜は、
測定対象とするガス成分と反応し、あるいは測定対象と
するガス成分を吸着する物質であれば特に制限はなく、
測定対象とするガス成分と接触し、ガス成分との反応、
吸着などにより、感応膜の質量や粘性が変化する性状を
有する物質を使用することができる。このような物質を
膜状とすることにより、センサの応答を速めることがで
きる。感応膜として、脂質二分子膜を好適に使用するこ
とができる。図２は、脂質二分子膜の模式図である。脂
質二分子膜は、親水基と疎水基からなる脂質が分子レベ
ルで配向して形成される薄膜である。基板１の表面に脂
質６が親水基を介して吸着され、さらに、基板に吸着さ
れた脂質の疎水基に、第二の脂質がその疎水基を介して
吸着されることにより形成される。脂質二分子膜を形成
する物質としては、例えば、卵黄や大豆から抽出される
レシチンに代表されるリン脂質、ジオクタデシルジメチ
ルアンモニウムブロミドやジヘキサデシルホスフェート
などの合成系の長鎖アルキル型脂質など、さらにはこれ
らの脂質を高分子化したものなどを挙げることができ
る。脂質の高分子化の方法としては、例えば、ビニル基
を脂質の適当な位置に導入して重合する方法、イオン性
脂質を反対荷電を持つ高分子とのポリイオンコンプレッ
クスとする方法などを挙げることができる。脂質二分子
膜の形成方法をさらに具体的に説明すると、例えば、ジ
オクタデシルジメチルアンモニウムブロミドを水に分散
させ、デキストラン硫酸ナトリウムの水溶液と混合する
ことにより、沈澱としてポリイオンコンプレックスを得
る。このポリイオンコンプレックスをクロロホルムに溶
解し、基板に塗布したのち、クロロホルムを蒸発させる
ことにより、基板上に二分子膜を形成することができ
る。

【０００７】脂質二分子膜は、疎水基が規則正しく並ん
だ結晶状態では膜は剛直で、配列の乱れた液晶状態では
膜は柔軟になる。温度が高くなったり、物質の吸着のた
めに疎水部の配列が乱れると、膜の物性が変化する性質
がある。脂質二分子膜には種々のガス成分が吸着する
が、ガス成分によって吸着のしやすさや吸着様式が異な
る。例えば、親水性のガス成分は膜表面の親水部で吸着
し、疎水性の強いガス成分は疎水部に進入して膜構造を
乱すと考えられる。そのため、ガス成分によってそれぞ
れ特定の周波数の振動に対して共振又は減衰が起こるの
で、ガス成分の種類と変動する共振周波数との間に対応
関係があり、特定の周波数の振動の利得変動を測定する
ことにより、特定のガス成分を検知することができる。
本発明のガス検出装置は、基板表面に設けた表面弾性波
送信子及び受信子の間に感応膜を介在させてなるガス検
出センサの表面弾性波送信子に周波数可変の電気的な交
流信号を印加する周波数発振器を接続し、受信子に受信
子で発生する電気的な交流信号を増幅する増幅器を接続
する。増幅器において、交流信号はデジタル回路で処理
するのに十分な電圧レベルまで一定割合で増幅され、増
幅された交流信号は平滑回路で直流信号に変換されたの
ち、アナログ／デジタル変換回路で電圧値情報に変換さ
れる。デジタル化された電圧値情報は演算部に入力さ
れ、演算部において周波数信号の時間的な変化から目的
とするガスの存在を検出する。本態様のガス検出装置を
用い、表面弾性波送信子に印加する交流信号の周波数を
連続的に変化することにより、逐次的に複数のガス成分
を検出することが可能となる。本発明のガス検出装置
は、周波数発振器から異なる周波数を順次発生させ、表
面弾性波送信子より異なる周波数の振動波を送信し、感
応膜を介して基板表面を伝播する振動波を受信子により
受信し、その振動信号を電気的な交流信号に変換する。
各周波数における振動伝達量をみることにより、ガス成
分により特定周波数において伝達が顕著となる性質か
ら、目的とするガス成分の有無を検出することができ
る。このため、周波数を調整することにより、１台のガ
ス検出装置により複数のガス成分を検出することができ
る。

【０００８】本発明のガス検出装置により、有機性のガ
ス成分及び無機性のガス成分をともに検出することがで
きる。本発明のガス検出装置により検出することができ
るガス成分としては、例えば、トリクロロエチレン、パ
ークロロエチレン、メチルブロミドなどの有機ハロゲン
化物、ベンゼン、トルエンなどの芳香族化合物、炭酸ガ
ス、硫化水素、アンモニア、酸素ガスなどの無機化合物
などを挙げることができる。本発明のガス検出装置によ
り、上記のようなガス成分が被検出ガス中に含まれてい
るか否かを感知し、例えば、数ppb〜数百ppb程度の存在
を検出することができる。また、必要により、あらかじ
め伝達利得値を用いて検量線を作成しておけば、ガス成
分の含有量を定量することが可能となる。本発明のガス
検出装置においては、表面弾性波送信子に複数の周波数
の電気的な交流信号を印加する周波数発振器を接続し、
受信子に受信子で発生する電気的な交流信号を選別する
受信フィルタを接続して、特定の周波数の信号を選別
し、選別された信号を増幅器により増幅したのち、演算
部で特定のガス成分の有無を判定することにより、同時
に複数個のガス成分を検出することができる。図３は、
本発明のガス検出装置の一態様の構成図である。本図に
おいて、周波数発振器は、３種の異なった周波数信号を
複合して出力して、ガス検出センサの表面弾性波送信子
に印加している。表面弾性波送信子は、印加された信号
にしたがって機械的に振動し、基板表面に３種の表面波
を送信する。これらの表面波は、基板表面を伝播して受
信子により受信されるが、この際伝播経路上に存在する
感応膜の質量や粘性によって表面波の伝播状態が影響を
受ける。受信子においては、受信した表面波の機械的振
動が電気的な交流信号に変換され、３個の受信フィルタ
へ送られる。受信フィルタは、送られた交流信号のうち
目的の周波数のみを通過させるための帯域通過型フィル
タで構成されており、それぞれ検出対象となるガス成分
に対応する周波数の信号のみを増幅器へ送る。増幅器に
おいて、交流信号はデジタル回路で処理するのに十分な
電圧レベルまで一定割合で増幅され、増幅された交流信
号は平滑回路で直流信号に変換されたのち、アナログ／
デジタル変換回路で電圧値情報に変換される。デジタル
化された電圧値情報は演算部に入力され、演算部におい
てそれぞれの周波数信号の時間的な変化から目的とする
ガスの存在を検出する。本態様のガス検出装置を用いる
ことにより、同時に複数のガス成分を検出することが可
能となる。

【０００９】

【実施例】以下に、実施例を挙げて本発明をさらに詳細
に説明するが、本発明はこれらの実施例によりなんら限
定されるものではない。 実施例１（ガス成分の共振周波数の測定） １０mm×４０mm×１.５mmの基板上に、図１に示す形状
の銀製の櫛型電極２組を接着剤を用いて接着し、表面弾
性波送信子及び受信子とした。ジオクタデシルジメチル
アンモニウムブロミドとデキストラン硫酸ナトリウムと
を混合し、沈澱として得られたポリイオンコンプレック
スをクロロホルムに溶解し、基板上の表面弾性波送信子
と受信子の間に塗布したのち、クロロホルムを蒸発させ
ることにより、基板上に脂質二分子膜を形成し、ガス検
出センサを得た。このガス検出センサの表面弾性波送信
子に、周波数可変の電気的な交流信号を印加する周波数
発生器を接続し、受信子に増幅器、平滑回路、アナログ
／デジタル変換回路及び演算部を接続してガス検出装置
を組み立てた。このガス検出装置のガス検出センサ部分
に、トリクロロエチレン４０ppbを含有する乾燥空気を
送り、周波数発生器から１〜１４MHzの交流信号を連続
的に印加したところ、６.３MHzにおいて利得変動が認め
られ、このガス検出センサでは、トリクロロエチレンは
６.３MHzにおいて共振周波数を与えることが分かった。
パークロロエチレン４０ppbを含有する乾燥空気及び水
蒸気２０％を含有する空気を用いて同様な試験を繰り返
したところ、パークロロエチレンは１２.７MHzに、水蒸
気は８.８MHzにおいてそれぞれ共振周波数を大きく変動
することが分かった。 実施例２（ガス成分混合物の同時分析） 実施例１で作製したガス検出センサの表面弾性波送信子
に６.３MHz、１２.７MHz及び８.８MHzの電気的な交流信
号を印加する周波数発生器を接続し、受信子に６.３MH
z、１２.７MHz及び８.８MHz用の受信フィルタを接続
し、それぞれの受信フィルタに、増幅器、平滑回路及び
アナログ／デジタル変換回路を接続し、デジタル化され
た電圧値情報を演算部に送るようガス検出装置を組み立
てた。このガス検出装置のガス検出センサ部分に、トリ
クロロエチレン４０ppb、パークロロエチレン４０ppb及
び水蒸気２０％を含有する空気を送り、周波数発生器か
ら交流信号を印加し、３個の受信フィルタを通過した信
号をそれぞれ処理した。図４は、６.３MHz、１２.７MHz
及び８.８MHzにおける利得変動の時間的変化を示すグラ
フである。この結果から、本ガス検出装置により、同時
に３種のガスの検出が可能であることが確認された。

【００１０】

【発明の効果】本発明のガス検出装置によれば、１個の
ガス検出センサを用いて、短時間内に、空気中又は水中
に存在する微量なガスを、ガス成分ごとに又は同族類ご
とに分類して検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、ガス検出センサの斜視図である。

【図２】図２は、脂質二分子膜の模式図である。

【図３】図３は、本発明のガス検出装置の一態様の構成
図である。

【図４】図４は、利得変動の時間的変化を示すグラフで
ある。

【符号の説明】

１ 基板 ２ 表面弾性波送信子 ３ 受信子 ４ 感応膜 ５ 周波数発振器 ６ 脂質

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】(Ａ)表面弾性波送信子に周波数可変の電気
   的な交流信号を印加する周波数発振器、(Ｂ)基板表面に
   一組の櫛型電極からなる表面弾性波送信子及び一組の櫛
   型振動子からなる受信子を設け、送信子と受信子の間に
   感応膜を介在させてなるガス検出センサ、(Ｃ)受信子で
   発生する電気的な交流信号を増幅する増幅器、及び、
   (Ｄ)得られた信号より特定のガス成分の有無を判定する
   演算部、を有することを特徴とするガス検出装置。
2. 【請求項２】(Ａ)表面弾性波送信子に複数の周波数の電
   気的な交流信号を印加する周波数発振器、(Ｂ)基板表面
   に一組の櫛型電極からなる表面弾性波送信子及び一組の
   櫛型振動子からなる受信子を設け、送信子と受信子の間
   に感応膜を介在させてなるガス検出センサ、(Ｃ)受信子
   で発生する電気的な交流信号を選別する受信フィルタ、
   (Ｄ)選別された信号を増幅する増幅器、及び、(Ｅ)得ら
   れた信号より特定のガス成分の有無を判定する演算部、
   を有することを特徴とするガス検出装置。
3. 【請求項３】感応膜が、脂質二分子膜である請求項１又
   は請求項２記載のガス検出装置。