本發(fā)明涉及對(duì)氣體中的化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行分析、檢測(cè)的技術(shù)。

背景技術(shù)：

關(guān)于分析氣體中的化學(xué)物質(zhì)的技術(shù)，例如，專利文獻(xiàn)1公開了對(duì)電力設(shè)備內(nèi)部氣體中的有機(jī)物質(zhì)進(jìn)行分析的裝置。在該裝置中，一邊保持收集器的溫度恒定，一邊使氣體通過配管，從而使氣體中的有機(jī)物質(zhì)吸附于吸附劑，然后對(duì)收集器進(jìn)行加熱，將吸附的有機(jī)物質(zhì)導(dǎo)入到檢測(cè)器。此外，專利文獻(xiàn)2公開了極微量的分析物的檢測(cè)裝置，該檢測(cè)裝置使用了具有吸附分析物的能力和使?jié)饪s的分析物吸附/脫離的能力的吸附劑物質(zhì)。

在先技術(shù)文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)1：日本特開2001-296218號(hào)公報(bào)

專利文獻(xiàn)2：日本特表2002-518668號(hào)公報(bào)

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

化學(xué)物質(zhì)濃縮器對(duì)氣體試樣中的化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行濃縮。該化學(xué)物質(zhì)濃縮器具備流動(dòng)氣體試樣的流路、設(shè)置在流路內(nèi)并對(duì)化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行吸附的導(dǎo)電性的吸附劑、以及用于在吸附劑中流動(dòng)電流的一對(duì)電極。

該化學(xué)物質(zhì)濃縮器能夠以低功耗使吸附的化學(xué)物質(zhì)脫離。

附圖說明

圖1是實(shí)施方式涉及的化學(xué)物質(zhì)濃縮器的概略結(jié)構(gòu)圖。

圖2是包括實(shí)施方式涉及的化學(xué)物質(zhì)濃縮器的檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)圖。

圖3A是示出實(shí)施方式涉及的化學(xué)物質(zhì)濃縮器的流路中的導(dǎo)電性吸附劑的配置的圖。

圖3B是示出實(shí)施方式涉及的化學(xué)物質(zhì)濃縮器的流路中的導(dǎo)電性吸附劑的另一種配置的圖。

圖3C是示出實(shí)施方式涉及的化學(xué)物質(zhì)濃縮器的流路中的導(dǎo)電性吸附劑的又一種配置的圖。

具體實(shí)施方式

圖1是實(shí)施方式涉及的檢測(cè)裝置100的化學(xué)物質(zhì)濃縮器1的概略結(jié)構(gòu)圖?；瘜W(xué)物質(zhì)濃縮器(以下，稱為濃縮器)1使流入的氣體試樣中的化學(xué)物質(zhì)吸附于吸附劑12并進(jìn)行濃縮，然后通過加熱使其從吸附劑脫離，并送出到后級(jí)的檢測(cè)器2。作為化學(xué)物質(zhì)，例如有酮類、胺類、醇類、芳香烴類、醛類、酯類、有機(jī)酸、硫化氫、甲硫醇、二硫化物等揮發(fā)性有機(jī)化合物。

濃縮器1具備流過氣體試樣的流路11、設(shè)置在流路11內(nèi)的導(dǎo)電性的吸附劑12、用于使電流在吸附劑12中流動(dòng)的一對(duì)電極13a、13b、以及對(duì)在流路11內(nèi)流動(dòng)的氣體試樣進(jìn)行冷卻的冷卻部14。電流供給部15對(duì)一對(duì)電極13a、13b供給電流I?？刂撇?6對(duì)冷卻部14和電流供給部15的動(dòng)作進(jìn)行控制。吸附劑12構(gòu)成為吸附氣體試樣的化學(xué)物質(zhì)。

本實(shí)施方式涉及的濃縮器1將連接在對(duì)置的電極13a、13b之間的導(dǎo)電性的納米線12a用作化學(xué)物質(zhì)的吸附劑12。即，在由冷卻部14進(jìn)行的冷卻處理的過程中，氣體試樣中的化學(xué)物質(zhì)吸附于納米線12a的表面，并被濃縮捕獲。此后，電流供給部15經(jīng)由電極13a、13b使納米線12a中流動(dòng)微小電流I，從而納米線12a由于焦耳效應(yīng)而發(fā)熱(自加熱)。由于納米線12a的自加熱造成的溫度上升，吸附在納米線12a的表面的化學(xué)物質(zhì)脫離，并導(dǎo)入到后級(jí)的檢測(cè)器2。即，導(dǎo)電性的納米線12a還兼具對(duì)化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行加熱的作為加熱部的作用。

通過這樣的結(jié)構(gòu)和動(dòng)作，濃縮器1能夠在不使用功耗大的外部加熱器的情況下以低功耗將濃縮的化學(xué)物質(zhì)送出到檢測(cè)器2。

根據(jù)專利文獻(xiàn)1、2公開的以往的結(jié)構(gòu)，在將吸附的化學(xué)物質(zhì)導(dǎo)入到檢測(cè)器時(shí)，需要使用像外部加熱器那樣的加熱單元。在不使用加熱單元而使化學(xué)物質(zhì)脫離的情況下，脫離將不充分。因此，檢測(cè)裝置的功耗增大。例如，在現(xiàn)有技術(shù)中使用的加熱器的情況下，需要幾十～幾百mW程度的功率。此外，在MEMS(Micro Electro Mechanical Systems：微機(jī)電系統(tǒng))技術(shù)中，例如在使用Pt線電阻加熱器的情況下，需要幾mW以上的功耗。

像這樣，在現(xiàn)有技術(shù)中使用的加熱器的情況下，需要幾十～幾百mW程度的功率，相對(duì)于此，在本實(shí)施方式中，能夠以10μW程度以下的功率使化學(xué)物質(zhì)脫離。此外，不需要外部加熱器，因此能夠使包括濃縮器的檢測(cè)裝置100小型化。

在此，在導(dǎo)電體中流動(dòng)電流I時(shí)，由導(dǎo)電體的電阻R產(chǎn)生的熱量Q如下(焦耳效應(yīng))。

Q＝R·|²·t

此外，熱量Q與溫度變化ΔT的關(guān)系可使用熱容量C表示如下，熱容量C為導(dǎo)電體的比熱與質(zhì)量之積。

Q＝C·ΔT

熱容量C取決于導(dǎo)電體的質(zhì)量(體積)。因此，像納米線12a那樣體積非常小的物質(zhì)的熱容量C非常小，因此即使流過電流時(shí)產(chǎn)生的熱量Q例如為一點(diǎn)點(diǎn)，也會(huì)產(chǎn)生大的溫度變化ΔT。

在本實(shí)施方式中作為吸附劑12使用納米線12a的理由在于，納米線12a的比表面積大且可得到高的濃縮(吸附)效率，除此之外，熱容量C非常小，因此以低功耗即可產(chǎn)生大的溫度變化。作為比表面積大的其它材料，例如有多孔體，但是與納米線12a相比體積大，因此，因?yàn)橛山苟?yīng)造成的自加熱而消耗的功率大于納米線12a。但是，本實(shí)施方式中的導(dǎo)電性的吸附劑12不限于納米線12a，也可以使用多孔體等其它構(gòu)造體。

作為納米線12a、多孔體等導(dǎo)電性的吸附劑12，例如使用SnO₂、ZnO、In₂O₃、In_2-xSn_xO₃(例如，0.1≤x≤0.2)、NiO、CuO、TiO₂、SiO₂等金屬氧化物；Al、Ag、Au、Pd、Pt等金屬；碳或硅等導(dǎo)電材料即可。作為由碳構(gòu)成的納米線，例如可以使用碳納米管。即，作為吸附劑的材料，只要是具有導(dǎo)電性且具有可有效地產(chǎn)生由焦耳效應(yīng)造成的自加熱的程度的電阻值的材料即可。

在本實(shí)施方式中，對(duì)置的電極13a、13b例如使用金、鉑、銀、銅、鋁等金屬；氧化銦錫(ITO)、Al摻雜氧化鋅(AZO)等導(dǎo)電性氧化物；導(dǎo)電性高分子等即可。此外，電極13a、13b的表面可以為凹凸形狀。即，電極13a、13b具有與納米線12a、多孔體的表面的凹凸相應(yīng)的形狀。此外，吸附材料12的一部分也可以埋設(shè)在電極13a、13b。例如，納米線12a的端部也可以埋設(shè)在電極13a、13b。多孔體的一部分也可以埋設(shè)在電極13a、13b。由此，化學(xué)物質(zhì)濃縮器1能夠?qū)崿F(xiàn)吸附材料12與電極13a或電極13b的穩(wěn)定的電連接。

圖2是包括實(shí)施方式涉及的濃縮器1的化學(xué)物質(zhì)檢測(cè)裝置100的示意圖。在圖2的結(jié)構(gòu)中，例如在硅基板、玻璃環(huán)氧樹脂基板、陶瓷基板等基板17的面17a上設(shè)置有例如由聚二甲基硅氧烷(PDMS)、環(huán)氧樹脂、聚1，1-二氯乙烯樹脂、玻璃等形成的框體18。而且，在框體18作為流過氣體試樣的微流路而形成有流路11a、11b、11c。流路11a、11b、11c從流入氣體試樣的濃縮器1經(jīng)檢測(cè)器2形成。另外，雖然在圖2中形成有3個(gè)流路11a、11b、11c，但是流路的個(gè)數(shù)不限于此。

在濃縮器1中，在每個(gè)流路11a、11b、11c的上下配置有一對(duì)電極13a、13b。而且，在電極13a、13b之間設(shè)置有納米線12a。此外，在基板17的面17a的相反一側(cè)的面17b面設(shè)置有例如珀?duì)柼壤鋮s元件14a。冷卻元件14a作為對(duì)流過流路11a、11b、11c的氣體試樣進(jìn)行冷卻的冷卻部14發(fā)揮功能。此外，在檢測(cè)器2中，在流路11a、11b、11c例如呈陣列狀地設(shè)置有用于檢測(cè)特定的化學(xué)物質(zhì)的傳感器21。另外，在圖2中，對(duì)于用于使電流在電極13a、13b中流動(dòng)的布線、對(duì)傳感器21提供電力的布線、以及用于輸出傳感器21的檢測(cè)信號(hào)的布線，省略圖示。

通過像圖2那樣的結(jié)構(gòu)，能夠通過濃縮器1從在流路11a、11b、11c中流動(dòng)的氣體試樣對(duì)化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行吸附并進(jìn)行濃縮，并能夠通過檢測(cè)器2對(duì)濃縮的化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)。即，在由冷卻元件14a進(jìn)行的冷卻處理的過程中，氣體試樣中的化學(xué)物質(zhì)吸附于納米線12a的表面，并被濃縮捕獲。此后，經(jīng)由電極13a、13b使電流在納米線12a中流動(dòng)，從而納米線12a進(jìn)行自加熱。由于該自加熱造成的溫度上升，吸附在納米線12a的表面的化學(xué)物質(zhì)脫離，并導(dǎo)入到檢測(cè)器2，從而被傳感器21檢測(cè)到。

另外，雖然在圖2的構(gòu)成例中電極13a、13b配置在每個(gè)流路11a、11b、11c的上下，但是電極13a、13b的位置不限于此，只要能夠使電流在納米線12a中流動(dòng)，就可以設(shè)置在任意位置。

此外，雖然在圖2的構(gòu)成例中冷卻元件14a配置在基板17的面17b，但是冷卻元件14a的位置不限于此，只要能夠?qū)怏w試樣進(jìn)行冷卻，就可以設(shè)置在任意位置。例如，冷卻元件14a也可以設(shè)置在框體18或電極13a、13b上。在冷卻元件14a設(shè)置在電極13a或電極13b上的情況下，也可以在冷卻元件14a與電極13a、13b之間設(shè)置絕緣體。

圖3A至圖3C示出納米線12a等導(dǎo)電性的吸附劑12的配置。在圖3A中，吸附劑12包括彼此分開配置的多個(gè)組31A～31C，像圖2的構(gòu)成例那樣，組31A、31B、31C分別配置在流路11a、11b、11c。在圖3B中，吸附劑12包括彼此分開配置的多個(gè)組32A～31D，在流路11中，組32A、32B、32C、32D排列配置在與氣體試樣流過的方向垂直的方向上。在圖3C中，吸附劑12包括彼此分開配置的多個(gè)組33A～33D，在流路11中，組33A、33B、33C、33D沿著氣體試樣流動(dòng)的方向排列配置。

如圖2以及圖3A至圖3C所示，導(dǎo)電性吸附劑12(納米線12a)包括彼此分開配置的多個(gè)組。在該情況下，可以使導(dǎo)電性的吸附劑12的材料、其表面的修飾方式(涂覆)互不相同。由此，能夠選擇性地對(duì)氣體分子進(jìn)行吸附、濃縮。例如，因?yàn)闅怏w分子容易吸附到與該分子極性相同的表面，所以當(dāng)作為導(dǎo)電性吸附劑準(zhǔn)備具有表面的極性不同的表面的多個(gè)納米線12a(吸附劑12)時(shí)，極性分子比無極性分子更容易吸附到表面具有高極性的導(dǎo)電性吸附劑12，無極性分子比有極性分子更容易吸附到表面為無極性的導(dǎo)電性吸附劑。即，導(dǎo)電性的吸附劑12的多個(gè)組優(yōu)選包括材料互不相同的組?；蛘?，吸附劑12的多個(gè)組優(yōu)選包括表面的修飾方式互不相同的組。

此外，在導(dǎo)電性吸附劑12分為多個(gè)組的情況下，對(duì)導(dǎo)電性吸附劑12供給電流的電流供給部15優(yōu)選構(gòu)成為能夠?qū)υO(shè)置在各組的多對(duì)電極選擇性地供給電流。由此，能夠按導(dǎo)電性吸附劑12的每一組對(duì)使吸附在導(dǎo)電性吸附劑12的各組的化學(xué)物質(zhì)脫離的定時(shí)進(jìn)行控制。例如，能夠?qū)⑽皆趯?dǎo)電性吸附劑12的各組的化學(xué)物質(zhì)按給定的順序送到后級(jí)的檢測(cè)器，因此在能夠確定吸附在導(dǎo)電性吸附劑12的各組的化學(xué)物質(zhì)的情況下，作為后級(jí)的檢測(cè)器并不需要精密的分析裝置。因此，能夠進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)檢測(cè)裝置100的小型化。

此外，在本實(shí)施方式的檢測(cè)裝置100中，從電流供給部15向?qū)щ娦晕絼?2流動(dòng)電流，因此能夠監(jiān)測(cè)導(dǎo)電性吸附劑12的電阻。另一方面，導(dǎo)電性吸附劑12的電阻會(huì)由于吸附化學(xué)物質(zhì)而變化。例如，在導(dǎo)電性吸附劑12由金屬氧化物形成的情況下，存在于其表面的氧的量會(huì)根據(jù)化學(xué)物質(zhì)的吸附而變化，由此電阻變化?；蛘撸趯?dǎo)電性吸附劑12由硅形成的情況下，如果吸附的分子具有極性，則電阻也會(huì)根據(jù)分子的吸附量而變化。因此，如圖1所示，本實(shí)施方式涉及的濃縮器1也可以具備吸附量推定部115，吸附量推定部115基于導(dǎo)電性吸附劑12的電阻值的變化來推定吸附于導(dǎo)電性吸附劑12的化學(xué)物質(zhì)的量。

吸附量推定部115預(yù)先存儲(chǔ)有化學(xué)物質(zhì)的吸附量與作為吸附劑12的納米線12a的電阻的變化的關(guān)系。吸附量推定部115根據(jù)流過吸附劑12的電流量檢測(cè)出吸附劑12的電阻值的變化，并基于該變化參照預(yù)先存儲(chǔ)的化學(xué)物質(zhì)的吸附量與電阻的變化的關(guān)系，推定吸附于吸附劑12的化學(xué)物質(zhì)的量。通過設(shè)置這樣的吸附量推定部115，從而例如控制部16能夠更準(zhǔn)確地控制使吸附的化學(xué)物質(zhì)脫離的定時(shí)。

如上所述，化學(xué)物質(zhì)濃縮器1構(gòu)成為對(duì)氣體試樣中的化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行濃縮?；瘜W(xué)物質(zhì)濃縮器1具備流過氣體試樣的流路11(11a、11b、11c)、設(shè)置在流路11(11a、11b、11c)內(nèi)并對(duì)化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行吸附的導(dǎo)電性的吸附劑12、用于使吸附劑12流過電流的一對(duì)電極13a、13b、以及對(duì)在流路11(11a、11b、11c)內(nèi)流動(dòng)的氣體試樣進(jìn)行冷卻的冷卻部14。

根據(jù)該方式，在氣體試樣流動(dòng)的流路11內(nèi)設(shè)置有對(duì)化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行吸附的導(dǎo)電性的吸附劑12。而且，設(shè)置有用于使電流在吸附劑12中流動(dòng)的一對(duì)電極13a、13b。在由冷卻部14進(jìn)行的冷卻處理的過程中，氣體試樣中的化學(xué)物質(zhì)吸附于吸附劑12的表面，并被濃縮捕獲。此后，經(jīng)由電極13a、13b使電流在吸附劑12中流動(dòng)，從而吸附劑12由于焦耳效應(yīng)而發(fā)熱，由于該發(fā)熱造成的溫度上升，吸附在吸附劑12的表面的化學(xué)物質(zhì)脫離。由此，化學(xué)物質(zhì)濃縮器1能夠在不使用功耗大的外部加熱器的情況下以低功耗將被濃縮的化學(xué)物質(zhì)送出到檢測(cè)器2。此外，因?yàn)椴恍枰獠考訜崞?，所以能夠使檢測(cè)裝置100小型化。

另外，在不對(duì)氣體試樣進(jìn)行冷卻也可在吸附材料12吸附充分的量的化學(xué)物質(zhì)的情況下，化學(xué)物質(zhì)濃縮器1也可以不具備冷卻部14。

吸附劑12可以是納米線12a。

由此，納米線12a能夠以低功耗產(chǎn)生大的溫度變化，因此能夠進(jìn)一步降低化學(xué)物質(zhì)濃縮器1的功耗。

吸附劑12可以是多孔體。

吸附劑12可以由金屬氧化物、金屬、碳或硅中的任一種形成。

吸附劑12可以包括彼此分開配置的多個(gè)組31A～31C。

吸附劑12的多個(gè)組31A～31C可以包括材料或表面的修飾方式互不相同的組。

通過這些方式，能夠通過吸附劑12的多個(gè)組31A～31C對(duì)種類不同的化學(xué)物質(zhì)選擇性地進(jìn)行濃縮。

化學(xué)物質(zhì)濃縮器1還可以具備電流供給部15，電流供給部15構(gòu)成為能夠?qū)σ粚?duì)電極13a、13b供給電流。一對(duì)電極13a、13b對(duì)吸附劑12的多個(gè)組31A～31C分別設(shè)置，包括多對(duì)電極13a、13b。電流供給部15構(gòu)成為能夠?qū)Χ鄬?duì)電極13a、13b選擇性地供給電流。

通過該方式，能夠選擇性地使吸附、濃縮的化學(xué)物質(zhì)從吸附劑12脫離。

化學(xué)物質(zhì)濃縮器1還可以具備基板17和框體18，基板17具有面17a和面17a的相反一側(cè)的面17b，框體18設(shè)置在基板17的面17a上，并設(shè)置有流路11(11a、11b、11c)。冷卻部14是設(shè)置在基板17的面17b上的冷卻元件14a。

吸附量推定部115根據(jù)在吸附劑12中流動(dòng)的電流量檢測(cè)出吸附劑12的電阻值的變化，并基于變化推定吸附于吸附劑12的化學(xué)物質(zhì)的量。

通過該方式，能夠更準(zhǔn)確地控制使吸附、濃縮的化學(xué)物質(zhì)脫離的定時(shí)。

檢測(cè)裝置100具備化學(xué)物質(zhì)濃縮器1和導(dǎo)入被化學(xué)物質(zhì)濃縮器1濃縮的化學(xué)物質(zhì)的檢測(cè)器2。檢測(cè)器2例如具有半導(dǎo)體式傳感器、電化學(xué)式傳感器、彈性波傳感器、場(chǎng)效應(yīng)晶體管型傳感器等檢測(cè)元件。另外，檢測(cè)元件不限于此。檢測(cè)器2能夠使用最適合對(duì)在化學(xué)物質(zhì)濃縮器1中濃縮的化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)的檢測(cè)元件。

由此，可實(shí)現(xiàn)功耗小且小型的化學(xué)物質(zhì)檢測(cè)裝置100(100A)。

產(chǎn)業(yè)上的可利用性

本發(fā)明涉及的化學(xué)物質(zhì)濃縮器能夠通過功耗低且小型的檢測(cè)裝置檢測(cè)氣體試樣中的化學(xué)物質(zhì)，因此，例如對(duì)于能夠檢測(cè)身邊的揮發(fā)性有機(jī)化合物的超小型化學(xué)傳感器是有用的。

附圖標(biāo)記說明

1：化學(xué)物質(zhì)濃縮器；

2：檢測(cè)器；

11、11a、11b、11c：流路；

12：吸附劑；

12a：納米線；

13a、13b：電極；

14：冷卻部；

14a：冷卻元件；

15：電流供給部；

16：控制部；

17：基板；

18：框體；

31A～31C、32A～32D、33A～33D：吸附劑的組；

100：檢測(cè)裝置；

115：吸附量推定部。