化学物質濃縮方法
ネブライザガスおよび一次イオン発生用ガスを用いることなく、静電噴霧により、簡便かつ効率的に、試料気体中の化学物質を濃縮することを目的とする。
本発明の化学物質濃縮方法で使用する静電噴霧装置は、容器と、注入口と、冷却部と、霧化電極部と、対向電極部化学物質回収部とを備える。そして、本発明の化学物質濃縮方法は、前記試料気体を注入する工程と、前記試料気体を第１凝縮液にする工程と、前記第１凝縮液を第１帯電微粒子にする工程と、前記第１帯電微粒子と前記試料気体を混合して第２帯電微粒子にする工程と、前記第１帯電微粒子と前記第２帯電微粒子を回収する工程を包含する。以上の一連の操作により簡便かつ効率的に試料気体中の化学物質を濃縮できる。
本発明の化学物質濃縮方法で使用する静電噴霧装置は、容器と、注入口と、冷却部と、霧化電極部と、対向電極部化学物質回収部とを備える。そして、本発明の化学物質濃縮方法は、前記試料気体を注入する工程と、前記試料気体を第１凝縮液にする工程と、前記第１凝縮液を第１帯電微粒子にする工程と、前記第１帯電微粒子と前記試料気体を混合して第２帯電微粒子にする工程と、前記第１帯電微粒子と前記第２帯電微粒子を回収する工程を包含する。以上の一連の操作により簡便かつ効率的に試料気体中の化学物質を濃縮できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料気体中に含まれる種々の化学物質を効率的に濃縮する化学物質濃縮方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、大気圧イオン化法（API ; Atmospheric pressure ionization）の登場により超微量分析が可能になった。大気圧イオン化法には主に２種類ある。
【０００３】
一つはエレクトロスプレー法（ESI; Electrosprayionization）である。エレクトロスプレー法では、まず数ｋＶの高電圧を印加したキャピラリへ試料溶液を導入する。そしてキャピラリの外側にネブライザガスを流すことにより、キャピラリ先端から試料溶液を噴霧する。このとき試料溶液は多数の帯電液滴になる。噴霧された帯電液滴は、溶媒蒸発と分裂を繰り返す。その結果として試料イオンが気相中に放出され、多くの場合ではその試料イオンを質量分析する。
【０００４】
もう一つは大気圧化学イオン化法（APCI; Atmospheric pressure chemical ionization）である。大気圧化学イオン化法では、まずヒータ中でネブライザガスにより試料溶液を噴霧する。そして溶媒と試料分子を気化する。次に試料分子はコロナ放電によりイオン化され、反応イオンとなる。この反応イオンと試料分子の間でプロトン授受が起こり、試料分子はプロトン付加あるいはプロトン脱離を起こしイオンとなる。
【０００５】
例えば、大気圧イオン化法を用いた質量分析装置として、質量分析装置（ＡＰＩＭＳ）がある（特許文献１）。図１９は特許文献１に開示されている大気圧イオン化質量分析装置を表す。
【０００６】
イオン発生部１５に一次イオン発生用Ａｒガス１が導入され、針電極１９でイオン化されてＮＯｘを含まない一次イオンが生成される。一次イオンは一次イオン発生用ガスと共に混合部３０に導入され、試料ガス２である乾燥空気と混合される。混合部３０で乾燥空気は一次イオンによるイオン−分子反応でイオン化される。イオン化された試料ガス２は質量分析部１１に導入され分析される。ＡＰＩＭＳ１０により、大気や呼気に含まれるＮＯｘを分析する。
【０００７】
従来の大気圧イオン化法は、ネブライザガスや一次イオン発生用ガスを必要とする。そのため、大気圧イオン化装置が大型になり、かつ操作が煩雑であった。そこで、大気圧イオン化装置を小型にし、かつ操作を簡便にするため、ネブライザガスや一次イオン発生用ガスを用いずに、試料分子を大気圧でイオン化する方法が考案された（特許文献２、特許文献３）。
【０００８】
ネブライザガスおよび一次イオン発生用ガスを用いない大気圧イオン化装置が、特許文献２において開示されている。この装置は、不揮発性の希薄生体分子溶液を静電噴霧することにより、ミスト中の溶媒を気化するものである。特許文献２では、静電噴霧法により基板上へ生体分子を堆積することで、希薄生体分子溶液の微量濃縮の手段として、この方法を利用できることが開示されている。
【０００９】
さらに、ネブライザガスおよび一次イオン発生用ガスを用いない大気圧イオン化装置が、特許文献３において開示されている。放電極と、放電極に対向して位置する対向電極と、放電極に水を供給する供給手段とを備え、放電極と対向電極との間に高電圧を印加することで放電極に保持される水を霧化させる静電霧化装置において、水供給手段を、空気中の水分を基に放電極部分において水を生成させる水生成手段としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平１１−２７３６１５公報（第８頁、図１）
【特許文献２】特表２００２−５１１７９２公報（第７８頁、図９）
【特許文献３】特開２００５−２９６７５３公報（第１０頁、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献２および特許文献３に記載の従来装置はいずれも、ネブライザガスおよび一次イオン発生用ガスを用いない大気圧イオン化装置としては優れている。しかし、試料気体中の化学物質の濃縮に従来装置を適用した場合、化学物質によっては十分な濃縮効率が得られないことがあった。特に、揮発性の化学物質において、その現象が顕著であった。
【００１２】
本発明は、上記従来技術の課題を解決し、ネブライザガスおよび一次イオン発生用ガスを用いることなく、静電噴霧により、簡便かつ効率的に、試料気体中の化学物質を濃縮する方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記従来の課題を解決する本発明は、静電噴霧装置を用いた化学物質濃縮方法であって、前記静電噴霧装置は、容器と、前記容器に連通する試料気体の注入口と、前記容器の一端に設けられた冷却部と、前記冷却部の一端に設けられた霧化電極部と、前記容器の内部に設けられた対向電極部と、前記容器の他端に設けられた化学物質回収部と、前記容器に連通するドーパントの供給口とを備え、前記試料気体は水蒸気と化学物質を含み、前記水蒸気の露点温度以下において、前記化学物質は前記水蒸気とともに凝縮液を形成する物質であって、前記ドーパントは前記凝縮液へ溶解する物質であって、前記ドーパントの電気親和力は水の電子親和力よりも大きく、前記方法は、前記注入口から前記試料気体を前記容器へ注入する注入工程と、前記冷却部により前記霧化電極部を冷却して、前記霧化電極部の外周面において前記試料気体を第１凝縮液にする第１凝縮液生成工程と、前記供給口から前記ドーパントを前記容器へ供給する供給工程と、前記ドーパントを前記霧化電極部の外周面において冷却するドーパント冷却工程と、前記第１凝縮液へ前記ドーパントを溶解する溶解工程と、前記第１凝縮液を帯電微粒子にする帯電微粒子化工程と、前記帯電微粒子を前記化学物質回収部へ回収する回収工程とを包含する。
【００１４】
本発明において、前記ドーパントは極性有機化合物であることが好ましい。
【００１５】
本発明において、前記ドーパントは有機酸であることが好ましい。
【００１６】
本発明において、前記ドーパントは酢酸であることが好ましい。
【００１７】
本発明において、前記ドーパントは酸素であることが好ましい。
【００１８】
本発明において、前記第１凝縮液中の前記ドーパントの濃度は、前記第１凝縮液中の前記化学物質の濃度よりも高いことが好ましい。
【００１９】
本発明において、前記容器には試料気体が衝突する位置に障壁を設けることが好ましい。
【００２０】
本発明において、前記試料気体は極性有機溶媒を含むことが好ましい。
【００２１】
本発明において、前記化学物質は極性有機化合物であることが好ましい。
【００２２】
本発明において、前記化学物質は揮発性有機化合物であることが好ましい。
【００２３】
本発明において、前記帯電微粒子を赤外光により加熱することが好ましい。
【００２４】
本発明において、前記容器は光導波路を備えることが好ましい。
【００２５】
本発明において、前記静電噴霧装置に化学物質検出部を設けることが好ましい。
【００２６】
本発明の上記目的、他の目的、特徴および利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明の化学物質濃縮方法によれば、従来の大気圧イオン化法において必要不可欠であったネブライザガスおよび一次イオン発生用ガスが不要になる。なぜなら、冷却した霧化電極部の外周面上に試料気体を凝縮させ、その凝縮液を静電噴霧するからである。なぜなら、噴霧された帯電微粒子を一次イオンとして、一次イオンと試料気体を混合することにより、試料気体を二次イオン化するからである。
【００２８】
また、一次イオンと二次イオンの両方を化学物質回収部へ回収するので、効率的に化学物質を濃縮できる。さらに、試料気体へドーパントを混合するので、帯電微粒子の生成が促進される。その結果として効率的に化学物質を濃縮できる。したがって、本発明の化学物質濃縮方法によれば、簡便かつ効率的に、静電噴霧装置を用いて化学物質を濃縮できる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は、実施の形態１の静電噴霧装置の模式図である。
【図２】図２（ａ）は、実施の形態１の静電噴霧装置における注入工程を示す説明図であり、図２（ｂ）は、実施の形態１の静電噴霧装置における第１凝縮液生成工程を示す説明図である。
【図３】図３（ａ）は、実施の形態１の静電噴霧装置における供給工程を示す説明図であり、図３（ｂ）は、実施の形態１の静電噴霧装置におけるドーパント冷却工程を示す説明図である。
【図４】図４（ａ）は、実施の形態１の静電噴霧装置における溶解工程を示す説明図であり、図４（ｂ）は、実施の形態１の静電噴霧装置における帯電微粒子化工程を示す説明図である。
【図５】図５は、実施の形態１の静電噴霧装置における回収工程を示す説明図である。
【図６】図６は、実施の形態２の静電噴霧装置の模式図である。
【図７】図７（ａ）は、実施の形態２の静電噴霧装置における注入工程を示す説明図であり、図７（ｂ）は、実施の形態２の静電噴霧装置における第１凝縮液生成工程を示す説明図である。
【図８】図８（ａ）は、実施の形態２の静電噴霧装置における供給工程を示す説明図であり、図８（ｂ）は、実施の形態２の静電噴霧装置におけるドーパント冷却工程を示す説明図である。
【図９】図９（ａ）は、実施の形態２の静電噴霧装置における溶解工程を示す説明図であり、図９（ｂ）は、実施の形態２の静電噴霧装置における第１帯電微粒子化工程を示す説明図である。
【図１０】図１０（ａ）は、実施の形態２の静電噴霧装置における第２帯電微粒子化工程を示す説明図であり、図１０（ｂ）は、実施の形態２の静電噴霧装置における回収工程を示す説明図である。
【図１１】図１１は、実施の形態３の静電噴霧装置の模式図である。
【図１２】図１２は、実施の形態４の静電噴霧装置の模式図である。
【図１３】図１３は、実施例１において霧化電極部の外周面に第１凝縮液が形成された様子を撮影したマイクロスコープ写真である。
【図１４】図１４（ａ）は、実施例１において霧化電極部の先端に形成されたテーラーコーンを撮影したマイクロスコープ写真であり、図１４（ｂ）は、図１４（ａ）のマイクロスコープ写真をトレースして模式化した図である。
【図１５】図１５は、実施例１において化学物質回収部の外周面を撮影したマイクロスコープ写真である。
【図１６】図１６は、実施例１の回収液の分析結果を示す図である。
【図１７】図１７は、図１６の一部を拡大した図である。
【図１８】図１８は、実施例２の回収液の分析結果を示す図である。
【図１９】図１９は、従来の大気圧イオン化質量分析装置の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下本発明の実施の形態について、適宜図面を参照しながら説明する。
【００３１】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１の静電噴霧装置の模式図である。
【００３２】
なお、本実施の形態において試料気体の静電噴霧方法は、本願と同一の発明者によって出願された特願２００８−０２４６６７および特願２００７−２７９８７５に記載の方法とほぼ同様に行なう。
【００３３】
特願２００８−０２４６６７および特願２００７−２７９８７５に記載の方法と最も異なる点は、凝縮液へドーパントを加えることである。
【００３４】
ドーパントは凝縮液の帯電微粒子化を促進するために加えられる。ドーパントを加えることにより試料気体を効率的に濃縮できる。ドーパントの電子親和力は、水の電子親和力よりも大きい。なおここで言う電子親和力とは中性原子あるいは中性分子へ電子を加えた時に放出されるエネルギーである。したがってドーパントは水よりも電子を得やすい。その結果、ドーパントを含む凝縮液は容易に帯電微粒子化される。
【００３５】
以下に、凝縮液へドーパントを加える機構を有する静電噴霧装置１００の説明をする。なお、静電噴霧装置１００の詳細は、特願２００８−０２４６６７および特願２００７−２７９８７５に記載されている。
【００３６】
容器１０１は隔壁によって外部と仕切られる。隔壁を通じて外部との物質の出入りは行なわれない。容器１０１の形状は直方体でも良いし、多面体、紡錘形、球形、流路状でも良い。容器１０１の一部に試料気体が滞留しないことが好ましい。容器１０１の容積は、１０ｐＬ以上１００ｍＬ以下が好ましい。容器１０１の容積は、１ｍＬ以上３０ｍＬ以下がより好ましい。
【００３７】
容器１０１の材料は吸着ガスや内蔵ガスの少ないものが望ましい。容器１０１の材料は金属であることが最も好ましい。金属はステンレスであることが好ましいが、アルミ、真ちゅう、黄銅などでも良い。
【００３８】
容器１０１の材料は無機材料でもよい。容器１０１の材料は、ガラス、シリコン、アルミナ、サファイア、石英ガラス、ホウ珪酸ガラス、窒化シリコン、アルミナ、シリコンカーバイドなどでも良い。容器１０１の材料は、シリコン基板に二酸化シリコンまたは窒化シリコンまたは酸化タンタルを被覆したものでも良い。
【００３９】
容器１０１の材料は有機材料でも良い。容器１０１の材料は、アクリル、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリカーボネート、フッ素樹脂、ポリジメチルシロキサン、ＰＥＥＫ（登録商標）、テフロン（登録商標）などでも良い。容器１０１の材料に有機材料を用いる場合、容器１０１の外周面には金属薄膜をコーティングすることがより好ましい。金属薄膜はガスバリア性に優れる材料が好ましい。
【００４０】
容器１０１の材料は、上記材料のうちの１種類でも良いし、複数の種類を組み合わせても良い。
【００４１】
容器１０１は堅固であることが好ましいが、エアーバック、バルーン、フレキシブルチューブ、シリンジなどのように柔軟であっても良い。
【００４２】
注入口１０２は容器１０１に連通するように設けられている。注入口１０２は容器１０１へ試料気体を注入するために用いられる。注入口１０２は、速やかに容器１０１へ試料気体を注入できる位置、または均一に容器１０１へ試料気体を注入できる位置に設けることが好ましい。
【００４３】
注入口１０２は、均一に容器１０１へ試料気体を注入できる形状であることが好ましい。注入口１０２は、エアーシャワーのような多数の孔を備えていても良い。なお本発明では、注入口１０２の寸法、材料は限定されない。注入口１０２の形状は、図１に示すように直管状であっても良いし、途中に分岐を設けても良い。また、注入口１０２は一箇所であっても良いし、複数箇所でも良い。
【００４４】
排出口１０３は、容器１０１の他端に設けられている。排出口１０３は、容器１０１を満たした試料気体のうち、余剰な試料気体を排出するために用いられる。排出口１０３は、容器１０１を満たした試料気体を、速やかに排出する位置に設けることが好ましい。なお本発明では、排出口１０３の形状、寸法、材料は限定されない。排出口１０３の形状は、図１に示すように直管状であっても良いし、途中に分岐を設けても良い。また、排出口１０３は一箇所であっても良いし、複数箇所でも良い。
【００４５】
冷却部１０４は容器１０１の一端に設けられている。冷却部１０４により、水蒸気の露点温度以下まで試料気体を冷却できる。冷却部１０４は熱電素子であることが最も好ましいが、冷媒を使ったヒートパイプでも良いし、空気熱交換素子でも良いし、冷却ファンでも良い。電極を冷却できれば良いので、冷却部１０４の面積は小さいことが好ましい。また、消費電力を削減する観点からも、冷却部１０４の面積は小さいことが好ましい。
【００４６】
電極を効率的に冷却するために、冷却部１０４の表面に凹凸構造を設けることが好ましい。冷却部１０４の表面に多孔体を設けても良い。冷却部１０４の位置は、容器１０１の底部であることが最も好ましいが、側部や天井部でも良いし、これらを組み合わせて複数の冷却部１０４を設けても良い。
【００４７】
熱伝導を抑制するために、冷却部１０４と容器１０１の接触面積は小さいことが好ましく、具体的には１００μｍ２以上５ｍｍ２以下であることが好ましい。
【００４８】
霧化電極部１０５は、冷却部１０４の一端に設けられている。霧化電極部１０５は冷却部１０４によって水蒸気の露点温度以下に冷却される。霧化電極部１０５は冷却部１０４と直に接触することが好ましいが、熱伝導率の大きい材料を介して接触しても良い。熱伝導率の大きい材料は、熱伝導性シート、熱伝導性樹脂、金属板、グリース、金属ペーストなどが好ましい。
【００４９】
霧化電極部１０５は、容器１０１の底面にあることが最も好ましいが、容器１０１の側面、天井または底面中央部にあっても良い。また、霧化電極部１０５は容器１０１の側面から１０ｍｍ以上離れていても良い。霧化電極部１０５の先端は上方を向いていることが好ましい。
【００５０】
霧化電極部１０５の形状は針状であることが好ましい。針の長さは３ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることが好ましい。霧化電極部１０５は中実でも良いし、中空でも良いし、多孔質でも良い。霧化電極部１０５の表面に凹凸構造または溝構造を設けても良い。霧化電極部１０５の先端に球状の突起物を設けても良い。霧化電極部１０５の全体は、水蒸気の露点温度以下に冷却されることが好ましい。
【００５１】
霧化電極部１０５の材料は良熱伝導材料であることが好ましく、金属であることが最も好ましい。金属は、銅、アルミ、ニッケル、タングステン、モリブデン、チタン、タンタルなどの単体金属であっても良く、単体金属を二種類以上組み合わせた合金や金属間化合物、例えば、ステンレス、銅タングステン、黄銅、真鍮、ハイス、超硬などでも良い。
【００５２】
霧化電極部１０５の材料は無機材料であっても良く、半導体、炭素材料であっても良い。例えば、ＬａＢ６、ＳｉＣ、ＷＣ、シリコン、ガリウムヒ素、窒化ガリウム、ＳｉＣ、カーボンナノチューブ、グラフェン、グラファイトなどを使用しうる。霧化電極部１０５の材料は、上記材料のうちの一種類でも良いし、複数の種類を組み合わせても良い。
【００５３】
霧化電極部１０５の磨耗を抑制するために、霧化電極部１０５の表面を被覆することが好ましい。霧化電極部１０５の表面と凝縮液の間で電子の授受を容易にするために、霧化電極部１０５の表面を被覆することが好ましい。霧化電極部１０５を被覆する材料は、金属、半導体、無機材料などが好ましい。霧化電極部１０５を被覆する材料としては、金、白金、アルミ、ニッケル、クロム、半導体、炭素材料、ＬａＢ６、ＳｉＣ、ＷＣ、シリコン、ガリウムヒ素、窒化ガリウム、ＳｉＣ、カーボンナノチューブ、グラフェン、グラファイトなどを使用しうる。霧化電極部１０５を被覆する材料は、上記材料の単層でも良いし、複数の種類を積層しても良い。
【００５４】
霧化電極部１０５は１つでも良いし、複数あっても良い。霧化電極部１０５を複数個設ける場合には、直線状などのように一次元的に配列しても良いし、円周状、放物線状、楕円周状、正方格子状、斜方格子状、最密充填格子状、放射状、ランダム状などのように二次元的に配列しても良いし、球面状、放物曲面状、楕円曲面状などのように三次元的に配列しても良い。
【００５５】
霧化電極部１０５の表面は、親水性であることが好ましいが、撥水性であっても良い。
【００５６】
対向電極部１０６は、容器１０１の内部に設けられる。対向電極部１０６と霧化電極部１０５の間に高電圧が印加され、凝縮液が噴霧される。対向電極部１０６の形状は円環状が最も好ましい。対向電極部１０６が円環状の場合、対向電極部１０６の外径は、１０ｍｍ以上３０ｍｍ以下、対向電極部１０６の内径は、１ｍｍ以上９．８ｍｍ以下、対向電極部１０６の厚みは０．１ｍｍ以上５ｍｍ以下であることが好ましい。対向電極部１０６の形状は、長方形、台形など多角形でも良い。
【００５７】
対向電極部１０６の形状は、平面であることが好ましいが、半球面またはドーム状であっても良い。対向電極部１０６には、化学物質が通過するスリットや貫通孔が形成されることが好ましい。なお本発明では、対向電極部１０６の形状は上記に限定されない。
【００５８】
対向電極部１０６と霧化電極部１０５の距離は、３ｍｍ以上１０ｍｍ以下が好ましい。対向電極部１０６は容器１０１に対して可動であっても良い。対向電極部１０６が円環状の場合、対向電極部１０６の中心を通り、かつ対向電極部１０６の平面と垂直に交わる直線上に霧化電極部１０５を設けることが好ましい。
【００５９】
対向電極部１０６は容器１０１と電気的に絶縁されていることが好ましい。
【００６０】
対向電極部１０６の材料は導体であることが好ましく、金属であることが最も好ましい。金属は、銅、アルミ、ニッケル、タングステン、モリブデン、チタン、タンタルなどの単体金属であることが好ましいが、単体金属を二種類以上組み合わせた合金や金属間化合物、例えば、ステンレス、銅タングステン、黄銅、真鍮、ハイス、超硬などでも良い。
【００６１】
対向電極部１０６の材料は無機材料であっても良く、半導体、炭素材料、絶縁体であっても良い。例えば、ＬａＢ６、ＳｉＣ、ＷＣ、シリコン、ガリウムヒ素、窒化ガリウム、ＳｉＣ、カーボンナノチューブ、グラフェン、グラファイト、アルミナ、サファイア、酸化シリコン、セラミックス、ガラス、ポリマーなどを使用しうる。対向電極部１０６の材料は、上記材料のうちの一種類でも良いし、複数の種類を組み合わせても良い。
【００６２】
対向電極部１０６の材料は、良熱伝導体であることが好ましい。対向電極部１０６の表面に不要な凝縮液が付着しないように、対向電極部１０６を加熱することが好ましい。対向電極部１０６は、水蒸気の露点温度以上に加熱することが好ましい。
【００６３】
対向電極部１０６の磨耗を抑制するために、対向電極部１０６の表面を被覆することが好ましい。対向電極部１０６を被覆する材料は、金属、半導体、無機材料などが好ましい。対向電極部１０６を被覆する材料としては、金、白金、アルミ、ニッケル、クロム、ＬａＢ６、ＳｉＣ、ＷＣ、シリコン、ガリウムヒ素、窒化ガリウム、カーボンナノチューブ、グラフェン、グラファイトなどを使用しうる。対向電極部１０６を被覆する材料は、上記材料の単層でも良いし、複数の種類を積層しても良い。
【００６４】
対向電極部１０６の表面は、親水性であることが好ましいが、撥水性であっても良い。
【００６５】
対向電極部１０６は１つでも良いし、複数あっても良い。対向電極部１０６を複数個設ける場合には、直線状などのように一次元的に配列しても良いし、円周状、放物線状、楕円周状、正方格子状、斜方格子状、最密充填格子状、放射状、ランダム状などのように二次元的に配列しても良いし、球面状、放物曲面状、楕円曲面状などのように三次元的に配列しても良い。
【００６６】
化学物質回収部１０７は、容器１０１の他端に設けられている。化学物質回収部１０７は静電噴霧された化学物質を回収するために用いられる。化学物質回収部１０７は第２冷却部１０８によって水蒸気の露点温度以下に冷却されることが好ましい。化学物質回収部１０７は第２冷却部１０８と直に接触することが好ましいが、熱伝導率の大きい材料を介して接触しても良い。熱伝導率の大きい材料は、熱伝導性シート、熱伝導性樹脂、金属板、グリース、金属ペーストなどが好ましい。
【００６７】
化学物質回収部１０７は、容器１０１の天井にあることが最も好ましいが、容器１０１の側面、底面または天井中央部にあっても良い。また、化学物質回収部１０７は容器１０１の側面から１０ｍｍ以上離れていても良い。化学物質回収部１０７の先端は下を向いていることが好ましい。
【００６８】
化学物質回収部１０７の形状は針状であることが好ましい。針の長さは３ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることが好ましい。化学物質回収部１０７の形状は中実でも良いし、中空でも良いし、多孔質でも良い。化学物質回収部１０７の表面に凹凸構造または溝構造を設けても良い。化学物質回収部１０７の先端に球状の突起物を設けても良い。化学物質回収部１０７の全体は、水蒸気の露点温度以下に冷却されることが好ましい。
【００６９】
化学物質回収部１０７の材料は良熱伝導材料であることが好ましく、金属であることが最も好ましい。金属は、銅、アルミ、ニッケル、タングステン、モリブデン、チタン、タンタルなどの単体金属であることが好ましいが、単体金属を二種類以上組み合わせた合金や金属間化合物であっても良い。例えば、ステンレス、銅タングステン、黄銅、真鍮、ハイス、超硬などでも良い。
【００７０】
化学物質回収部１０７の材料は無機材料であっても良く、半導体、炭素材料であってもよい。例えば、ＬａＢ６、ＳｉＣ、ＷＣ、シリコン、ガリウムヒ素、窒化ガリウム、ＳｉＣ、カーボンナノチューブ、グラフェン、グラファイトなどを使用しうる。化学物質回収部１０７の材料は、上記材料のうちの一種類でも良いし、複数の種類を組み合わせても良い。
【００７１】
化学物質回収部１０７の磨耗を抑制するために、化学物質回収部１０７の表面を被覆することが好ましい。化学物質回収部１０７の表面と凝縮液の間で電子の授受を容易にするために、化学物質回収部１０７の表面を被覆することが好ましい。化学物質回収部１０７を被覆する材料は、金属、半導体、無機材料、炭素材料などが好ましい。化学物質回収部１０７を被覆する材料としては、金、白金、アルミ、ニッケル、クロム、ＬａＢ６、ＳｉＣ、ＷＣ、シリコン、ガリウムヒ素、窒化ガリウム、カーボンナノチューブ、グラフェン、グラファイトなどを使用しうる。化学物質回収部１０７を被覆する材料は、上記材料の単層でも良いし、複数の種類を積層しても良い。
【００７２】
化学物質回収部１０７は１つでも良いし、複数あっても良い。化学物質回収部１０７を複数個設ける場合には、直線状などのように一次元的に配列しても良いし、円周状、放物線状、楕円周状、正方格子状、斜方格子状、最密充填格子状、放射状、ランダム状などのように二次元的に配列しても良い。また、球面状、放物曲面状、楕円曲面状などのように三次元的に配列しても良い。
【００７３】
化学物質回収部１０７の表面は、親水性であることが好ましいが、撥水性であっても良い。
【００７４】
第２冷却部１０８は、化学物質回収部１０７の一端に設けられることが好ましい。第２冷却部１０８により、試料気体に含まれる水蒸気の露点温度以下まで冷却できる。第２冷却部１０８は熱電素子であることが最も好ましいが、冷媒を使ったヒートパイプ、空気熱交換素子または冷却ファンであっても良い。電極を冷却できれば良いので、第２冷却部１０８の面積は小さいことが好ましい。消費電力を削減する観点からも、第２冷却部１０８の面積は小さいことが好ましい。
【００７５】
電極を効率的に冷却するために、第２冷却部１０８の表面に凹凸構造または多孔体を設けても良い。第２冷却部１０８の位置は、容器１０１の天井部であることが最も好ましいが、側部や底部でも良いし、これらを組み合わせて複数の第２冷却部１０８を設けても良い。
【００７６】
熱伝導を抑制するために、第２冷却部１０８と容器１０１の接触面積は小さいことが好ましく、具体的には、１００μｍ２以上５ｍｍ２以下であることが好ましい。
【００７７】
容器１０１にはドーパントの供給口１０９が設けられている。図１では、供給口１０９は注入口１０２に連通するように設けられている。供給口１０９は、速やかに試料気体へドーパントを混合できる位置、または均一に試料気体へドーパントを混合できる位置に、設けることが好ましい。
【００７８】
本発明では、供給口１０９の寸法、材料は限定されないが、供給口１０９は、均一に試料気体へドーパントを注入できる形状であることが好ましい。供給口１０９は、エアーシャワーのような多数の孔を備えていても良い。供給口１０９の形状は、図１に示すように直管状であっても良いし、途中に分岐を設けても良い。供給口１０９は一箇所であっても良いし、複数箇所でも良い。
【００７９】
供給口１０９にはバルブ１１０が設けられている。バルブ１１０はドーパントの注入量、注入速度などを制御するために用いられる。バルブ１１０はゲートバルブ、ボールバルブ、チャッキバルブ、ストップバルブ、ダイアフラムバルブ、ニードルバルブなどでも良い。
【００８０】
供給口１０９にはミキサー１１１が設けられている。ミキサー１１１はドーパントを試料気体へ混合するために用いられる。ミキサー１１１はステータチューブミキサー、スパイラルミキサー、ディフューザなどのスタティックミキサーでも良く、回転式ミキサー、高周波式ミキサーなどのアクティブミキサーでも良い。
【００８１】
本発明では、バルブ１１２ａおよび１１２ｂの材料、位置、種類は限定されないが、注入口１０２および排出口１０３には、バルブ１１２ａおよびバルブ１１２ｂがそれぞれ設けられていることが好ましい。バルブ１１２ａおよび１１２ｂにより容器１０１を閉鎖可能にすることが好ましい。注入口１０２および排出口１０３のコンダクタンスが小さければ容器１０１は閉鎖しているのとほぼ同様の効果が得られるので、その場合にはバルブ１１２ａおよび１１２ｂを用いなくても良い。
【００８２】
バルブ１１２ａおよびバルブ１１２ｂは、試料気体の流れを制御するバルブであっても良い。バルブ１１２ａおよびバルブ１１２ｂは逆止弁でも良く、ストップバルブでも良い。
【００８３】
図２〜図５は、本発明の実施の形態１における静電噴霧装置の動作を示す説明図である。図２〜図５において、図１と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
【００８４】
＜注入工程＞
注入工程では、水蒸気２０１と化学物質２０２を含む試料気体２０３が、注入口１０３を通じて、容器１０１へ注入される。図２（ａ）は注入工程を表す。図２（ａ）では化学物質２０２を化学物質２０２ａ、２０２ｂの２種類のみ記載したが、１種類でも良いし、３種類以上でも良い。試料気体２０３の相対湿度は５０％以上１００％以下が好ましく、８０％以上１００％以下がより好ましい。注入工程では、試料気体２０３へ水蒸気２０１を新たに追加しても良い。なお本発明では、化学物質２０２の種類、濃度は限定されないが、試料気体２０３は、アセトニトリル、イソプロパノール、ギ酸、酢酸などの極性有機溶媒を含むことが好ましい。
【００８５】
試料気体２０３を容器１０１の内壁、対向電極部１０６または化学物質回収部１０７へ衝突させても良い。
【００８６】
容器１０１へ試料気体２０３を大流量で注入することが好ましい。試料気体２０３の注入速度は、１０ｓｃｃｍ以上１０００ｓｃｃｍ以下が好ましく、１００ｓｃｃｍ以上５００ｓｃｃｍ以下がより好ましい。試料気体２０３の注入速度は、一定であることが好ましいが、注入速度が変化しても良い。なお、ここでいうｓｃｃｍとはｓｔａｎｄａｒｄ ｃｃ／ｍｉｎを意味する。
【００８７】
容器１０１へ１０ｍＬ以上３０００ｍＬ以下の試料気体２０３を注入することが好ましく、１００ｍＬ以上１０００ｍＬ以下の試料気体２０３を注入することがより好ましい。
【００８８】
容器１０１へ室温の試料気体２０３を注入しても良く、加温した試料気体２０３を注入しても良い。試料気体２０３の温度は、２０℃以上１００℃以下が好ましく、２５℃以上４０℃以下がより好ましい。
【００８９】
注入口１０２側を加圧することにより、試料気体２０３を注入しても良く、排出口１０３側を減圧することにより、試料気体２０３を注入しても良い。
【００９０】
バルブ１１２ａとバルブ１１２ｂを開けることが好ましいが、バルブ１１２ａとバルブ１１２ｂを適宜開閉することにより、試料気体２０３の流入量を調整しても良い。
【００９１】
試料気体２０３を容器１０１へ注入する前に、容器１０１の内部を清浄な空気、乾燥窒素、不活性ガス、試料気体２０３と同程度の相対湿度を有する標準ガスまたは較正用ガスで満たすことが好ましい。
【００９２】
余剰な試料気体２０３は排出口１０３から排出されることが好ましい。
【００９３】
容器１０１の内部の圧力は大気圧であることが最も好ましいが、容器１０１を減圧しても良いし、加圧してもよい。本発明では、容器１０１内の圧力は限定されない。
【００９４】
注入工程以降の工程では、試料気体２０３が結露しないように、容器１０１および注入口１０２、排出口１０３、対向電極部１０６の温度を水蒸気の露点温度以上に保持することが好ましい。
【００９５】
＜第１凝縮液生成工程＞
次に、第１凝縮液生成工程では、冷却部１０４により霧化電極部１０５が水蒸気２０１の露点温度以下に冷却される。霧化電極部１０５の外周面において、水蒸気２０１と化学物質２０２を含む第１凝縮液２０４が形成される。図２（ｂ）は第１凝縮液生成工程を表す。第１凝縮液生成工程の初期段階では、霧化電極部１０５の外周面において、第１凝縮液２０４が液滴状になる。第１凝縮液生成工程の進行段階では、霧化電極部１０５の外周面が第１凝縮液２０４により覆われる。
【００９６】
第１凝縮液２０４の量が過剰にならないよう、冷却部１０４の温度を制御することが好ましい。霧化電極部１０５の温度は第１凝縮液２０４の凝固点以上であることが好ましい。
【００９７】
霧化電極部１０５の温度は０℃以上２０℃以下が好ましく、０℃以上１５℃以下がより好ましい。
【００９８】
試料気体２０３を継続して注入することが好ましいが、試料気体２０３の注入を停止しても良い。
【００９９】
＜供給工程＞
供給工程では、ドーパント２０５を容器１０１へ供給する。図３（ａ）は供給工程を表す。ドーパント２０５は供給口１０９を通じて容器１０１へ供給する。ドーパント２０５は注入口１０２を通じて容器１０１へ供給する。
【０１００】
ドーパント２０５は第１凝縮液２０４へ溶解する物質である。ドーパント２０５の電子親和力は水の電子親和力よりも大きい。
【０１０１】
ドーパント２０５は有機化合物であることが好ましく、極性有機化合物、水溶性有機化合物または生体分子である有機化合物であることがより好ましい。
【０１０２】
ドーパント２０５は有機酸であることが好ましい。ドーパント２０５は酢酸であることがより好ましいが、ギ酸、クエン酸、シュウ酸などであっても良い。
【０１０３】
ドーパント２０５は低級アルコールであることが好ましいが、高級アルコールでも良い。低級アルコールとしては、エタノールが最も好ましいが、メタノール、２−プロパノール、ブタノールなどであっても良い。
【０１０４】
ドーパント２０５は脂肪族炭化水素であっても良く、芳香族炭化水素であっても良い。ドーパント２０５としては、アセトン、アセトアルデヒド、クロロホルム、四塩化炭素、ブタジエン、テトラシアノエチレン、ホルムアルデヒド、アズレン、アセトフェノン、アニソール、アニリン、９，１０−アントラキノン、ｏ−キシレン、クロロベンゼン、１,２,３,５−テトラメチルベンゼン、トリフェニレン、トルエン、ナフタレン、ビフェニル、ピレン、フェノール、フルオロベンゼン、ヘキサメチルベンゼン、ベンゼン、ベンゾキノン、ペンタセン、無水フタル酸などを使用しうる。
【０１０５】
ドーパント２０５は、エステル類、ケトン類、セスキテルペン類、テルペン類、芳香族アルデヒド類、モノテルペン類、ラクトン類などの芳香分子であっても良い。ドーパント２０５としては、サリチル酸メチル、メントール、スクラレオールが好ましいが、酢酸リナリル、リモネン、リナロールなども使用しうる。
【０１０６】
ドーパント２０５は揮発性有機化合物であってもよく、その分子量は１６以上３００以下が好ましい。
【０１０７】
ドーパント２０５は酸素、二酸化窒素、一酸化窒素または二酸化炭素であっても良い。
【０１０８】
試料気体２０３におけるドーパント２０５の濃度は、０．０３％以上３％以下が好ましく、０．３％以上１％以下がより好ましい。
【０１０９】
ドーパント２０５の温度は、２０℃以上１００℃以下が好ましく、２５℃以上４０℃以下がより好ましい。ドーパント２０５の温度は試料気体２０３の温度と同じであることが最も好ましいが、試料気体２０３の温度よりも低くても良く、高くても良い。
【０１１０】
ドーパント２０５の供給速度は、０．０１ｓｃｃｍ以上１０００ｓｃｃｍ以下が好ましく、０．１ｓｃｃｍ以上５ｓｃｃｍ以下がより好ましい。ドーパント２０５の注入速度は、一定であることが好ましいが、注入速度が変化しても良い。
【０１１１】
＜ドーパント冷却工程＞
ドーパント冷却工程では、ドーパント２０５を霧化電極部１０５の外周面において冷却する。図３（ｂ）はドーパント冷却工程を表す。ドーパント２０５は霧化電極部１０５により冷却することが好ましいが、冷却器により冷却しても良い。ドーパント２０５の温度は０℃以上２０℃以下が好ましく、温度は０℃以上１５℃以下がより好ましい。ドーパント２０５は試料気体２０３と同時に冷却することが好ましい。
【０１１２】
＜溶解工程＞
溶解工程では、第１凝縮液２０４へドーパント２０５が溶解する。図４（ａ）は溶解工程を表す。第１凝縮液２０４へ冷却されたドーパント２０５が溶解することが好ましい。ドーパント２０５は水溶性であることが好ましい。第１凝縮液２０４中のドーパント２０５の濃度は、第１凝縮液２０４中の化学物質２０２の濃度よりも高いことが好ましい。第１凝縮液２０４中のドーパント２０５の濃度は、０．１ｐｐｍ以上３％以下が好ましい。
【０１１３】
溶解工程では、第１凝縮液２０４へドーパント２０５を均一に溶解することが好ましいが、第１凝縮液２０４へドーパント２０５を混合しても良い。第１凝縮液２０４は霧化電極部１０５の外周面を移動することが好ましい。第１凝縮液２０４へドーパント２０５を溶解し易いように、第１凝縮液２０４の表面積は大きいことが好ましい。第１凝縮液２０４は液滴状または水膜状であることが好ましい。
【０１１４】
＜帯電微粒子化工程＞
次に、帯電微粒子化工程では、第１凝縮液２０４から多数の第１帯電微粒子２０６が形成される。図４（ｂ）は帯電微粒子化工程を表す。第１帯電微粒子２０６は、分子１個〜数十個からなるクラスタであっても良いし、分子数十〜数百個からなる微粒子であっても良いし、数百個以上からなる液滴であっても良い。またはこれらの２種類以上が混在していても良い。
【０１１５】
第１帯電微粒子２０６には、電気的に中性な分子、試料気体２０３に由来するイオンまたはラジカルなどが含まれていても良い。
【０１１６】
第１帯電微粒子２０６はマイナスに荷電していることが好ましい。第１帯電微粒子２０６がマイナスに荷電する場合、化学物質２０２の電子親和力は水の電子親和力よりも大きいことが好ましい。また、ドーパント２０５の電子親和力は水および化学物質２０２の電子親和力よりも大きいことが好ましい。
【０１１７】
第１帯電微粒子２０６はプラスに荷電していても良い。第１帯電微粒子２０６がプラスに荷電する場合、化学物質２０２のイオン化エネルギーは水のイオン化エネルギーよりも小さいことが好ましい。また、ドーパント２０５のイオン化エネルギーは水および化学物質２０２のイオン化エネルギーよりも小さいことが好ましい。
【０１１８】
第１凝縮液２０４を帯電微粒子化する方法は、静電噴霧が最も好ましい。静電噴霧の原理は次のとおりである。霧化電極部１０５と対向電極部１０６の間に印加された電圧によって霧化電極部１０５の先端へ第１凝縮液２０４が搬送される。クーロン引力により第１凝縮液２０４の液面が対向電極部１０６方向へ円錐状に盛り上がる。さらに霧化電極部１０５の外周面で凝縮が進むと、円錐状の第１凝縮液２０４が成長する。その後、第１凝縮液２０４の先端に電荷が集中してクーロン力が増大する。このクーロン力が水の表面張力を超えると第１凝縮液２０４が分裂、飛散して、第１帯電微粒子２０６を形成する。
【０１１９】
第１帯電微粒子２０６の安定性の観点から、第１帯電微粒子２０６の直径は、１ｎｍ以上３０ｎｍ以下が好ましい。
【０１２０】
第１帯電微粒子２０６に付加される帯電量は、微粒子１個あたり電荷素量（１．６ｘ１０−１９Ｃ）と同量以上１０倍以下であることが好ましい。
【０１２１】
第１帯電微粒子２０６中の水蒸気２０１に対する化学物質２０２の比率は、試料気体２０３中の水蒸気２０１に対する化学物質２０２の比率よりも高いことが好ましい。第１帯電微粒子２０６中の水蒸気２０１に対する化学物質２０２の比率は、化学物質回収部１０７へ向かうまでに変化しても良いが、化学物質回収部１０７へ向かうまでに高くなることが好ましい。
【０１２２】
霧化電極部１０５と対向電極部１０６の間に直流電圧を印加する、すなわち霧化電極部１０５と対向電極部１０６の間に電位差を設けることが最も好ましい。霧化電極部１０５と対向電極部１０６の間には、コロナ放電が発生しない電圧を印加することが好ましく、具体的には、４ｋＶ以上６ｋＶ以下の直流電圧を印加することが好ましい。
【０１２３】
帯電微粒子化工程では、対向電極部１０６に対して霧化電極部１０５へ負電圧を印加することが最も好ましいが、正電圧を印加してもよい。対向電極部１０６はＧＮＤ電極であることが最も好ましい。帯電微粒子化工程では、霧化電極部１０５と対向電極部１０６の間に交流電圧を印加しても良い。また、霧化電極部１０５と対向電極部１０６の間にパルス電圧を印加しても良い。
【０１２４】
霧化電極部１０５と対向電極部１０６の間に印加する直流電圧は、固定値であっても良いし、可変値でも良い。可変値は帯電微粒子化の状況に応じて制御されることが好ましい。帯電微粒子化の状況は、霧化電極部１０５と対向電極部１０６の間を流れる電流値をモニターしても良く、専用の電極対を設けて電流値をモニターしても良い。
【０１２５】
＜回収工程＞
回収工程では、第１帯電微粒子２０６を化学物質回収部１０７へ回収する。図５は回収工程を表す。回収工程では、化学物質回収部１０７へ直接試料気体２０３を回収しても良い。化学物質回収部１０７へ直接回収される試料気体２０３の量は少ないことが好ましい。また、回収工程中は、注入工程を停止することが好ましい。
【０１２６】
第１帯電微粒子２０６は、電磁気力または静電気力により回収することが好ましい。回収工程では、対向電極部１０６に対して化学物質回収部１０７へ直流電圧を印加する、すなわち、対向電極部１０６と化学物質回収部１０７との間に電位差を設けることが好ましい。直流電圧は０．０１ｋＶ以上６ｋＶ以下であることが好ましく、０．０１ｋＶ以上０．６ｋＶ以下であることがより好ましい。
【０１２７】
第１帯電微粒子２０６がマイナスの電荷を持つ場合、対向電極部１０６に対して化学物質回収部１０７へ正電圧を印加することが好ましい。一方、第１帯電微粒子２０６がプラスの電荷を持つ場合、対向電極部１０６に対して化学物質回収部１０７へ負電圧を印加することが好ましい。電圧印加は連続的であることが好ましいが、パルス的でも良い。
【０１２８】
対向電極部１０６はＧＮＤ電極にすることが最も好ましい。化学物質回収部１０７と対向電極部１０６の間には交流電圧を印加することが好ましいが、パルス電圧を印加しても良い。
【０１２９】
化学物質回収部１０７は、水蒸気２０１の露点温度以下に冷却することが好ましい。化学物質回収部１０７の外周面において、第１帯電微粒子２０６を回収液２０７にすることが好ましい。回収工程の初期段階では、化学物質回収部１０７の外周面において、回収液２０７が液滴状になることが好ましい。回収工程の進行段階では、化学物質回収部１０７の外周面が回収液２０７により覆われることが好ましい。化学物質回収部１０７は針状であることが好ましく、回収液２０７は化学物質回収部１０７の先端に回収することが好ましい。化学物質回収部１０７の外周面は親水性であることが好ましいが、撥水性であっても良い。
【０１３０】
化学物質回収部１０７は、下方に向いていることが好ましい。図５に示すように、重力により回収液２０７を化学物質回収部１０７の先端に回収することが好ましい。
【０１３１】
図５に示すように、静電気力により回収液２０７を化学物質回収部１０７の先端に回収することも好ましい。化学物質回収部１０７の先端は、電界が集中する形状であることが好ましく、針状であることが最も好ましい。化学物質回収部１０７の外周面において、回収液２０７は静電気力により化学物質回収部１０７の先端へ移動することが好ましい。回収液２０７には極性有機化合物または水が含まれていることが好ましい。
【０１３２】
化学物質回収部１０７は除電されることが好ましい。化学物質回収部１０７の除電は常時行なっても良いし、適宜行なっても良い。化学物質回収部１０７の除電は接地することにより行っても良く、イオナイザーを用いて行っても良い。
【０１３３】
対向電極部１０６に対して化学物質回収部１０７へ電圧を印加した後、化学物質回収部１０７を冷却することが最も好ましい。対向電極部１０６に対して化学物質回収部１０７へ電圧を印加すると同時に、化学物質回収部１０７を冷却しても良い。また、化学物質回収部１０７において試料気体２０３を直接凝縮してもよい。
【０１３４】
回収液２０７に含まれる水蒸気２０１や検出対象物質以外の妨害物質を除去しても良い。回収液２０７から妨害物質を除去するために、フィルタまたは吸着材を用いても良いし、その他の除去方法を用いても良い。
【０１３５】
本実施の形態において、上述の注入工程から回収工程までの少なくとも２つ以上の工程は同時に行なわれてもよい。すなわち、例えば注入工程と第１凝縮液生成工程が同時に行なわれても良い。またはそれぞれの工程を順序立てて行なっても良い。
【０１３６】
（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２における静電噴霧装置の模式図である。図６において、図１と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
【０１３７】
本実施の形態と実施の形態１の最も異なる点は、容器１０１自身にミキサー１１１の機能を付加することである。すなわち、容器１０１の内部で試料気体２０３とドーパント２０５を混合することである。そのために、供給口１０９が容器１０１に直接接続されている。容器１０１において試料気体２０３とドーパント２０５が混合される。
【０１３８】
本実施の形態において、静電噴霧装置１００は以下の構成からなる。
【０１３９】
容器１０１は堅固であることが好ましいが、エアーバック、バルーン、フレキシブルチューブ、シリンジなどのように柔軟であっても良い。メンテナンスの観点から、容器１０１は蝶番３０１により開閉可能であることが好ましいが、その他の方法で開閉可能であっても良い。
【０１４０】
容器１０１の内部には、試料気体が乱流や螺旋流や渦流などを生じるように、障壁３０２を供給部１０９の近傍に設けることが好ましい。容器１０１の内部には、試料気体が乱流や螺旋流や渦流などを生じるように、迷路を設けることも好ましい。
【０１４１】
注入口１０２は容器１０１に連通するように設けられている。注入口１０２は容器１０１へ試料気体を注入するために用いられる。注入口１０２は、速やかに容器１０１へ試料気体を注入できる位置および／または均一に容器１０１へ試料気体を注入できる位置に、設けることが好ましい。試料気体が乱流や螺旋流や渦流などを発生する位置に、注入口１０２を設けることが好ましい。例えば、容器１０１が直方体の場合には、注入口１０２は隅に設けることが好ましい。
【０１４２】
本発明では、注入口１０２の寸法、材料は限定されないが、均一に容器１０１へ試料気体を注入できる形状であることが好ましい。注入口１０２は、エアーシャワーのような多数の孔を備えていても良い。容器１０１の内部において試料気体が螺旋流を発生するように、注入口１０２の先端の方向を容器１０１の壁面に対して傾斜させても良い。試料気体が螺旋流を発生させるように、注入口１０２の先端を細くして、ベンチュリー効果を利用しても良い。注入口１０２の形状は、図６に示すように直管状であっても良いし、途中に分岐を設けても良い。注入口１０２は一箇所であっても良いし、複数箇所でも良い。
【０１４３】
排出口１０３は、容器１０１の他端に設けられている。排出口１０３は、容器１０１を満たした試料気体のうち、余剰な試料気体を排出するために用いられる。排出口１０３は、容器１０１を満たした試料気体を、速やかに排出する位置に設けることが好ましい。排出口１０３は、試料気体が乱流や螺旋流や渦流などを発生する位置に設けても良く、図６に示すように、注入口１０２と排出口１０３を異なる高さに設けても良い。注入口１０３と排出口１０４は、容器１０１の対角に設けることが好ましい。
【０１４４】
なお本発明では、排出口１０３の形状、寸法、材料は限定されない。排出口１０３の形状は、図６に示すように直管状であっても良いし、途中に分岐を設けても良い。排出口１０３は一箇所であっても良いし、複数箇所でも良い。
【０１４５】
冷却部１０４には放熱部３０３を設けることが好ましい。冷却部１０４として熱電素子を用いる場合、冷却面の裏は発熱面である。放熱部３０３は発熱面から熱を逃すために用いられる。発熱面から熱を逃すことにより、熱電素子を効率的に動作できる。放熱部３０３はフィンであることが好ましく、フィンに冷却ファンを付属させることがより好ましい。また、放熱部３０３は水冷機構でも良い。放熱部３０３は熱伝導性の大きい材料で形成されることが好ましい。放熱部３０３の材料は金属、半導体などであることが好ましい。
【０１４６】
冷却部１０４には断熱部３０４を設けることが好ましい。断熱部３０４を設けることにより、霧化電極部１０５以外の部位は冷却されない。断熱部３０４は熱伝導率の小さい材料が好ましい。断熱部３０４の材料は、ゴム、セラミックス、ガラスなどが好ましいが、エアーギャップでも良い。エアーギャップの内容物は空気、窒素などであることが好ましい。断熱部３０４は不導体であることが好ましい。
【０１４７】
熱伝導を抑制する観点から、霧化電極部１０５と断熱部３０４との接触面積は小さいことが好ましく、具体的には、１０μｍ２以上１０ｍｍ２以下であることが好ましい。
【０１４８】
霧化電極部１０５には絶縁部３０５を設けることが好ましい。絶縁部３０５は霧化電極部１０５と容器１０１を電気的に絶縁する。絶縁部３０５の材料はテフロン（登録商標）、デルリン（登録商標）、ＰＥＥＫ（登録商標）などの絶縁体であることが好ましい。余剰な凝縮液を留めておくために、絶縁部３０５に貯留部を設けることが好ましい。貯留部は溝構造、凹凸構造、吸収体などであることが好ましい。なお本発明では、絶縁部３０５の形状、材質、位置は限定されない。
【０１４９】
熱伝導を抑制する観点から、霧化電極部１０５と絶縁部３０５との接触面積は小さいことが好ましく、具体的には、１０μｍ２以上１０ｍｍ２以下であることが好ましい。水蒸気の結露を抑制するために、絶縁部３０５には熱伝導率の小さい材料を用いたり、熱伝導を抑制する構造を備えることが好ましい。
【０１５０】
対向電極部１０６は、試料気体２０３とドーパント２０５を混合する位置に設けることが好ましい。対向電極部１０６は、注入口１０２と供給口１０９の近傍にあることが好ましい。
【０１５１】
化学物質回収部１０７は、試料気体２０３とドーパント２０５の直接的な凝縮を抑制する位置に設けられることが好ましい。注入口１０２と化学物質回収部１０７の距離は、注入口１０２と霧化電極部１０５の距離よりも大きいことが好ましい。供給口１０９と化学物質回収部１０７の距離は、供給口１０９と霧化電極部１０５の距離よりも大きいことが好ましい。
【０１５２】
化学物質回収部１０７には第２絶縁部３０６を設けることが好ましい。第２絶縁部３０６は化学物質回収部１０７と容器１０１を電気的に絶縁する。第２絶縁部３０６の材料はテフロン（登録商標）、デルリン（登録商標）、ＰＥＥＫ（登録商標）などの絶縁体であることが好ましい。余剰な凝縮液を留めておくために、第２絶縁部３０６に貯留部を設けることが好ましい。貯留部は溝構造、凹凸構造、吸収体などであることが好ましい。なお本発明では、第２絶縁部３０６の形状、材質、位置は限定されない。
【０１５３】
熱伝導を抑制する観点から、化学物質回収部１０７と第２絶縁部３０６との接触面積は小さいことが好ましく、具体的には、１０μｍ２以上１０ｍｍ２以下であることが好ましい。
【０１５４】
第２冷却部１０８には第２放熱部３０７を設けることが好ましい。第２冷却部１０８として熱電素子を用いる場合、冷却面の裏は発熱面である。第２放熱部３０７は発熱面から熱を逃すために用いられる。発熱面から熱を逃すことにより、熱電素子を効率的に動作できる。第２放熱部３０７はフィンであることが好ましく、フィンには冷却ファンを付属させることがより好ましい。第２放熱部３０７は水冷機構でも良い。第２放熱部３０７は熱伝導性の大きい材料で形成されることが好ましい。第２放熱部３０７の材料は金属、半導体などであることが好ましい。
【０１５５】
第２冷却部３０７には第２断熱部３０８を設けることが好ましい。第２断熱部３０８を設けることにより、化学物質回収部１０７以外の部位は冷却されない。第２断熱部３０８はゴム、セラミックス、ガラスなどの熱伝導率の小さい材料が好ましい。第２断熱部３０８はエアーギャップでも良い。エアーギャップの内容物は空気、窒素などであることが好ましい。
【０１５６】
熱伝導を抑制する観点から、化学物質回収部１０７と第２断熱部３０８との接触面積は小さいことが好ましく、具体的には、１０μｍ２以上１０ｍｍ２以下であることが好ましい。
【０１５７】
化学物質回収部１０７の近傍には化学物質搬送部３０９と化学物質検出部３１０を設けることが好ましい。化学物質搬送部３０９は化学物質回収部１０７で回収された化学物質を化学物質検出部３１０へ搬送するために用いられる。化学物質搬送部３０９は、シリンジ、キャピラリ、チューブ、多孔質体などでも良く、ポンプを備えていても良い。化学物質回収部１０７に高電圧を印加するので、化学物質搬送部３０９は化学物質回収部１０７と電気的に絶縁することが好ましい。
【０１５８】
化学物質搬送部３０９は可動であることが好ましく、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の少なくとも一方向へ可動することが好ましい。なお、ここで言うＸ方向とは図６の化学物質搬送部３０９の長手方向を意味する。Ｙ方向、Ｚ方向はそれぞれＸ方向と直交する。化学物質搬送部３０９はθ方向へ可動することが好ましい。なお、ここで言うθ方向とは、化学物質搬送部３０９を容器１０１に固定する箇所を支点として、化学物質搬送部３０９を上下方向へ回転する方向である。なお、化学物質搬送部３０９を容器１０１に固定する箇所を支点として、水平方向へ回転しても良い。
【０１５９】
化学物質搬送部３０９は容器１０１の内部にあっても良く、化学物質回収部１０７の一端にあっても良く、容器１０１の外部にあっても良い。
【０１６０】
化学物質検出部３１０は、化学センサ、生物センサなどが好ましいが、ＭＯＳＦＥＴ（金属―酸化物―半導体電界効果トランジスタ）、ＩＳＦＥＴ（イオン感応型電界効果トランジスタ），バイポーラトランジスタ、有機薄膜トランジスタ、オプトード、金属酸化物半導体センサ、水晶マイクロバランス（ＱＣＭ）、表面弾性波（ＳＡＷ）素子、固体電解質ガスセンサ、電気化学電池センサ、表面波プラズモン共鳴（ＳＰＲ）、ラングミュアブロジェット膜（ＬＢ膜）センサ、ＡＦＭ、ＤＮＡセンサ、プロテインセンサ、免疫センサ、微生物センサなどでも良い。また、化学物質検出部３１０は、ガスクロマトグラフ（ＧＣ）、ＧＣ−ＭＳ、ＧＣ−ＴＯＦ／ＭＳ，高速液体クロマトグラフ（ＬＣ）、ＨＰＬＣ、ＨＰＬＣ／ＩＣ、ＬＣ−ＴＯＦ／ＭＳ、ＭＡＬＤＩ、核磁気共鳴装置（ＮＭＲ）、ＳＩＭＳ、ＩＣＰ質量分析装置などでも良い。化学物質検出部３１０は図６に示すように１箇所でも良いし、複数箇所でも良い。複数の化学物質検出部３１０を設ける場合、同一種類でも良いし、複数種類でも良い。
【０１６１】
化学物質検出部３１０は容器１０１の外部にあっても良く、容器１０１の内部にあっても良く、化学物質回収部１０７の一端にあっても良い。
【０１６２】
図７〜図１０は、実施の形態２の静電噴霧装置の動作を示す説明図である。図７〜図１０において、図６と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
【０１６３】
＜注入工程＞
注入工程では、水蒸気２０１と化学物質２０２を含む試料気体２０３が、注入口１０２を通じて、容器１０１へ注入される。図７（ａ）は注入工程を表す。図７（ａ）では化学物質２０２を化学物質２０２ａ、２０２ｂの２種類のみ記載したが、１種類でも良いし、３種類以上でも良い。試料気体２０３での相対湿度は５０％以上が好ましく、８０％以上がより好ましい。注入工程では、試料気体２０３へ水蒸気２０１を追加しても良い。なお本発明では、化学物質２０２の種類、濃度は限定されない。試料気体２０３は、極性有機溶媒を含むことが好ましい。なお本発明では、極性有機溶媒の種類、濃度は限定されない。
【０１６４】
試料気体２０３は、容器１０１の内壁、対向電極部１０６または化学物質回収部１０７へ衝突させても良い。また、容器１０１の内部に設けた障壁３０２や迷路などへ、試料気体２０３を衝突させても良い。
【０１６５】
容器１０１の内部が試料気体２０３によって満たされたことを判別するために、化学物質検出部３１０を用いても良く、化学物質検出部３１０とは別の化学物質検出部を用いても良い。また、化学物質検出部３１０は一つでも良いし、複数でも良い。
【０１６６】
＜第１凝縮液生成工程＞
次に、第１凝縮液生成工程では、冷却部１０４により霧化電極部１０５が水蒸気２０１の露点温度以下に冷却される。霧化電極部１０５の外周面において、水蒸気２０１と化学物質２０２を含む第１凝縮液２０４が形成される。図７（ｂ）は第１凝縮液生成工程を表す。
【０１６７】
＜供給工程＞
供給工程では、ドーパント２０５を容器１０１へ供給する。図８（ａ）は供給工程を表す。ドーパント２０５は供給口１０９を通じて容器１０１へ供給する。ドーパント２０５は障壁３０２へ衝突させることが好ましい。
【０１６８】
＜ドーパント冷却工程＞
ドーパント冷却工程では、ドーパント２０５を霧化電極部１０５の外周面において冷却する。図８（ｂ）はドーパント冷却工程を表す。
【０１６９】
＜溶解工程＞
溶解工程では、第１凝縮液２０４へドーパント２０５が溶解する。図９（ａ）は溶解工程を表す。
【０１７０】
＜第１帯電微粒子化工程＞
次に、第１帯電微粒子化工程では、第１凝縮液２０４から多数の第１帯電微粒子２０６を形成する。図９（ｂ）は第１帯電微粒子化工程を表す。第１帯電微粒子２０６は、分子１個〜数十個からなるクラスタであっても良いし、分子数十〜数百個からなる微粒子であっても良いし、数百個以上からなる液滴であっても良い。またはこれらの２種類以上が混在していても良い。
【０１７１】
第１帯電微粒子化工程では、第１帯電微粒子２０６に、電気的に中性な分子、試料気体２０３に由来するイオンまたはラジカルが含まれていても良い。
【０１７２】
第１帯電微粒子化工程では、第１帯電微粒子２０６はマイナスに荷電していることが好ましい。第１帯電微粒子２０６がマイナスに荷電する場合、化学物質２０２の電子親和力は水の電子親和力よりも大きいことが好ましい。第１帯電微粒子２０６がマイナスに荷電する場合、ドーパント２０５の電子親和力は水および化学物質２０２の電子親和力よりも大きいことが好ましい。
【０１７３】
第１帯電微粒子化工程では、第１帯電微粒子２０６はプラスに荷電していても良い。第１帯電微粒子２０６がプラスに荷電する場合、化学物質２０２のイオン化エネルギーは水のイオン化エネルギーよりも小さいことが好ましい。第１帯電微粒子２０６がプラスに荷電する場合、ドーパント２０５のイオン化エネルギーは水および化学物質２０２のイオン化エネルギーよりも小さいことが好ましい。
【０１７４】
第１凝縮液２０４を帯電微粒子化する方法は、静電噴霧が最も好ましい。静電噴霧の原理は次のとおりである。霧化電極部１０５と対向電極部１０６の間に印加された電圧によって霧化電極部１０５の先端へ第１凝縮液２０４が搬送される。クーロン引力により第１凝縮液２０４の液面が対向電極部１０６方向へ円錐状に盛り上がる。さらに霧化電極部１０５の外周面で凝縮が進むと、円錐状の第１凝縮液２０４が成長する。その後、第１凝縮液２０４の先端に電荷が集中してクーロン力が増大する。このクーロン力が水の表面張力を超えると第１凝縮液２０４が分裂、飛散して、第１帯電微粒子２０６を形成する。
【０１７５】
第１帯電微粒子化工程では、霧化電極部１０５と対向電極部１０６の間に直流電圧を印加することが最も好ましい。コロナ放電が発生しない電圧を印加することが好ましく、具体的には４ｋＶ以上６ｋＶ以下の直流電圧であることが好ましい。対向電極部１０６に対して霧化電極部１０５へ負電圧を印加することが最も好ましいが、正電圧を印加してもよい。対向電極部１０６はＧＮＤ電極にすることが最も好ましい。
【０１７６】
霧化電極部１０５と対向電極部１０６の間に交流電圧を印加しても良く、パルス電圧を印加しても良い。
【０１７７】
＜第２帯電微粒子化工程＞
次に、第２帯電微粒子化工程では、容器１０１において、第１帯電微粒子２０６と試料気体２０３を混合して第２帯電微粒子３１１にしても良い。図１０（ａ）は第２帯電微粒子化工程を表す。第１帯電微粒子２０６と試料気体２０３を混合することにより、試料気体２０３を帯電できる。第１帯電微粒子２０６と試料気体２０３の混合を効率的に行なうため、試料気体２０３が乱流、螺旋流、渦流などを生じることが好ましい。第１帯電微粒子２０６の流れ方向と試料気体２０３の流れ方向は直交させても良く、カウンター流としても良い。容器１０１は十字流路またはＴ字流路であることが好ましい。第２帯電微粒子３１１を試料気体２０３と混合して第３帯電微粒子としても良い。
【０１７８】
＜第２帯電微粒子化工程＞
第２帯電微粒子化工程では、第１帯電微粒子２０６の大部分は、霧化電極部１０５から対向電極部１０６を経由して化学物質回収部１０７へ移動する。したがって、霧化電極部１０５と化学物質回収部１０７の間に向かって試料気体２０３を注入する位置に、注入口１０２を設けることが好ましい。霧化電極部１０５と対向電極部１０６の間に向かって試料気体２０３を注入する位置に、注入口１０２を設けることが好ましいが、対向電極部１０６と化学物質回収部１０７の間に向かって試料気体２０３を注入する位置に、注入口１０２を設けることもできる。試料気体２０３は第１帯電微粒子２０６の経路にフォーカスしても良い。
【０１７９】
第２帯電微粒子３１１の直径は、第１帯電微粒子２０６の直径よりも大きいことが好ましい。第２帯電微粒子３１１の安定性の観点から、第２帯電微粒子３１１の直径は、１ｎｍ以上３０ｎｍ以下が好ましい。第２帯電微粒子３１１は、分子１個〜数十個からなるクラスタであっても良いし、分子数十〜数百個からなる微粒子であっても良いし、数百個以上からなる液滴であっても良い。またはこれらの２種類以上が混在していても良い。
【０１８０】
第２帯電微粒子３１１に、電気的に中性な分子、イオン、ラジカルなどが含まれていても良い。第２帯電微粒子化工程では、第１帯電微粒子２０６と第２帯電微粒子３１１の電荷の符号は同じであることが好ましいが、第２帯電微粒子３１１はマイナスに荷電していても良く、プラスに荷電していても良い。
【０１８１】
第２帯電微粒子３１１の帯電量は、第１帯電微粒子２０６と同じであることが好ましい。第２帯電微粒子３１１の帯電量は、微粒子１個あたり電荷素量（１．６×１０−１９Ｃ）と同量以上１０倍以下であることが好ましい。
【０１８２】
＜回収工程＞
最後に、回収工程では、第１帯電微粒子２０６と第２帯電微粒子３１１を化学物質回収部１０７へ回収する。図１０（ｂ）は回収工程を表す。回収工程では、第１帯電微粒子２０６と第２帯電微粒子３１１を同時に化学物質回収部１０７へ回収することが好ましい。なお本発明では、化学物質回収部１０７へ回収される、第１帯電微粒子２０６と第２帯電微粒子３１１の比率は限定されない。回収工程では、化学物質回収部１０７へ直接試料気体２０３を回収しても良い。化学物質回収部１０７へ直接回収される試料気体２０３の量は少ないことが好ましい。回収工程中は、注入工程を停止することが好ましい。
【０１８３】
回収工程では、第１帯電微粒子２０６と第２帯電微粒子３１１を電磁気力により回収することが好ましいが、静電気力により回収しても良い。対向電極部１０６に対して化学物質回収部１０７へ直流電圧を印加することが好ましい。直流電圧は０．０１ｋＶ以上６ｋＶ以下であることが好ましく、０．０１ｋＶ以上０．５ｋＶ以下であることがより好ましい。
【０１８４】
第１帯電微粒子２０６と第２帯電微粒子３１１が負の電荷を持つ場合、対向電極部１０６に対して化学物質回収部１０７へ正電圧を印加することが最も好ましい。第１帯電微粒子２０６と第２帯電微粒子３１１が正の電荷を持つ場合、対向電極部１０６に対して化学物質回収部１０７へ負電圧を印加することが好ましい。電圧印加は連続的であることが好ましいが、パルス的でも良い。対向電極部１０６はＧＮＤ電極にすることが最も好ましい。化学物質回収部１０７と対向電極部１０６の間に交流電圧を印加することが好ましいが、パルス電圧を印加しても良い。
【０１８５】
化学物質回収部１０７は水蒸気２０１の露点温度以下に冷却することが好ましい。化学物質回収部１０７の外周面において、第１帯電微粒子２０６と第２帯電微粒子３１１を回収液２０７にすることが好ましい。回収工程の初期段階では、化学物質回収部１０７の外周面において、回収液２０７が液滴状になることが好ましい。回収工程の進行段階では、化学物質回収部１０７の外周面が回収液２０７により覆われることが好ましい。化学物質回収部１０７は針状であることが好ましく、回収液２０７は化学物質回収部１０７の先端に回収することが好ましい。化学物質回収部１０７の外周面は親水性であることが好ましいが、撥水性であっても良い。
【０１８６】
化学物質回収部１０７は第２冷却部１０８により冷却されることが好ましい。第２冷却部１０８により、水蒸気の露点温度以下まで化学物質回収部１０７を冷却できる。回収工程では、回収液２０７の量が過剰にならないよう、第２冷却部１０８の温度を制御することが好ましい。化学物質回収部１０７の温度は、回収液２０７の凝固点以上であっても良く、回収液２０７の凝固点以下であっても良い。
【０１８７】
化学物質回収部１０７は、下方に向いていることが好ましい。図６に示すように、重力により回収液２０７を化学物質回収部１０７の先端に回収することが好ましい。
【０１８８】
回収工程では、図１０（ｂ）に示すように、静電気力により回収液２０７を化学物質回収部１０７の先端に回収することが好ましい。化学物質回収部１０７の先端は、電界が集中する形状であることが好ましい。化学物質回収部１０７は、針状であることが最も好ましい。化学物質回収部１０７の外周面において、回収液２０７は静電気力により化学物質回収部１０７の先端へ移動することが好ましい。回収液２０７には極性有機化合物および／または水が含まれていることが好ましい。
【０１８９】
回収工程では、化学物質搬送部３０９により回収液２０７を化学物質検出部３１０へ搬送することが好ましい。回収液２０７の搬送するために、シリンジ、キャピラリ、チューブ、多孔質体などを用いても良い。回収液２０７の搬送の駆動には、ポンプ、毛細管力などを用いても良い。化学物質搬送部３０９の温度は室温であることが好ましいが、水蒸気の露点温度以下に冷却しても良い。
【０１９０】
対向電極部１０６に対して化学物質回収部１０７へ電圧を印加する間、化学物質搬送部３０９は化学物質回収部１０７から分離されていることが好ましく、物理的に分離されていることが最も好ましい。化学物質回収部１０７から化学物質搬送部３０９を分離するために、化学物質搬送部３０９を可動にすることが好ましい。回収工程では、対向電極部１０６に対して化学物質回収部１０７へ電圧を印加する間、化学物質搬送部３０９は化学物質回収部１０７から電気的に分離されていても良い。
【０１９１】
回収液２０７に含まれる化学物質２０２は、化学物質検出部３１０により検出することが好ましい。検出する化学物質２０２は１種類でも良いし、２種類以上でも良い。化学物質２０２は、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、ジスルフィドなどが好ましく、アルカン、アルケン、アルキン、ジエン、脂環式炭化水素、アレン、エーテル、カルボニル、カルバニオ、タンパク、多核芳香族、複素環、有機誘導体、核酸、リボ核酸、抗体、生物分子、代謝物、イソプレン、イソプレノイドおよびその誘導体なども好ましい。回収工程では、化学物質検出部３１０により化学物質２０２の定量を行なうことが好ましいが、化学物質２０２の存在のみを検出しても良い。
【０１９２】
回収液２０７に含まれる水蒸気２０１や検出対象物質以外の妨害物質を除去しても良い。回収液２０７から妨害物質を除去するために、フィルタまたは吸着材を用いても良いし、そのほかの除去方法を用いても良い。
【０１９３】
本実施の形態において、上述の注入工程から回収工程までの少なくとも２つ以上の工程は同時に行なわれてもよい。すなわち、例えば注入工程と第１凝縮液生成工程が同時に行なわれても良い。またはそれぞれの工程を順序立てて行なっても良い。
【０１９４】
本実施の形態において、第１帯電微粒子２０６および第２帯電微粒子３１１を加熱しても良い。第１帯電微粒子２０６および第２帯電微粒子３１１を加熱することにより、化学物質２０２の濃度を高めても良い。第１帯電微粒子２０６および第２帯電微粒子３１１を加熱するために、赤外光を用いることが好ましい。第１帯電微粒子２０６および第２帯電微粒子３１１を赤外光により加熱する場合、水の吸収ピークの波長を用いることが好ましい。第１帯電微粒子２０６および第２帯電微粒子３１１を加熱するための赤外光は、霧化電極部１０５および化学物質回収部１０７へ照射しないことが好ましい。第１帯電微粒子２０６および第２帯電微粒子３１１を加熱するための赤外光は、フォーカスすることが好ましい。
【０１９５】
第１帯電微粒子２０６および第２帯電微粒子３１１を加熱するための赤外光は、容器１０１内を導波することも好ましく、その場合には、容器１０１に光導波路を設けることが好ましい。容器１０１の一部に赤外光の窓を設けることも好ましい。第１帯電微粒子２０６および第２帯電微粒子３１１を加熱するためにヒータを用いても良い。
【０１９６】
化学物質回収部１０７、化学物質搬送部３０９または化学物質検出部３１０は、容器１０１から分離可能であることが好ましい。化学物質回収部１０７、化学物質搬送部３０９または化学物質検出部３１０は洗浄可能であることが好ましいが、ディスポーザブルであっても良い。
【０１９７】
第１帯電微粒子化工程および／または第２帯電微粒子化工程ではコロナ放電を用いても良いが、静電噴霧を用いることが最も好ましい。しかし、試料気体２０３中の相対湿度が低い場合や、霧化電極部１０５の外周面に十分な第１凝縮液２０４が生成されていない場合は、静電噴霧にコロナ放電を伴う場合もある。したがって本発明では、第１帯電微粒子化工程および／または第２帯電微粒子化工程は静電噴霧に限定されない。
【０１９８】
第１帯電微粒子化工程および／または第２帯電微粒子化工程では、霧化電極部１０５と対向電極部１０６の間を流れる電流に応じて、霧化電極部１０５と対向電極部１０６との間の電圧印加を制御することが好ましい。霧化電極部１０５と対向電極部１０６の間に閾値以上の電流が流れる時、霧化電極部１０５と対向電極部１０６との間の電圧印加を中断することが好ましいが、印加電圧を小さくしても良い。また、霧化電極部１０５と対向電極部１０６の間に流れる電流が閾値以下になった時、電圧印加を再開しても良い。
【０１９９】
霧化電極部１０５から水蒸気２０１、化学物質２０２またはドーパント２０５を除去するために、霧化電極部１０５を加熱することが好ましい。霧化電極部１０５を加熱する時、容器１０１の中へ清浄ガスを注入することが好ましい。清浄ガスは水蒸気２０１、化学物質２０２、ドーパント２０５を含まないことが好ましい。
【０２００】
霧化電極部１０５を加熱することにより、水蒸気２０１、化学物質２０２またはドーパント２０５を除去するには、熱電素子を用いることも好ましい。熱電素子は冷却部１０４が好ましい。熱電素子を使えば冷却面と加熱面を容易に反転できるので便利である。また、凝縮工程と水蒸気２０１除去、化学物質２０２除去またはドーパント２０５除去のために同一の熱電素子を使えば、分析装置の小型化にも寄与できる。水蒸気２０１、化学物質２０２またはドーパント２０５が除去されたことを検出するには、化学物質検出部３１０を用いることが好ましいが、化学物質検出部３１０とは別の化学物質検出部を用いても良い。
【０２０１】
対向電極部１０６から水蒸気２０１、化学物質２０２、ドーパント２０５を除去するために、対向電極部１０６を加熱することも好ましい。対向電極部１０６を加熱する時、容器１０１の中へ清浄ガスを注入することが好ましい。清浄ガスは水蒸気２０１、化学物質２０２、ドーパント２０５を含まないことが好ましい。
【０２０２】
対向電極部１０６を加熱することにより水蒸気２０１、化学物質２０２またはドーパント２０５を除去するには、熱電素子を用いることが好ましい。熱電素子を使えば冷却面と加熱面を容易に反転できるので便利である。水蒸気２０１、化学物質２０２またはドーパント２０５が除去されたことを検出するには、化学物質検出部３１０を用いることが好ましいが、化学物質検出部３１０とは別の化学物質検出部を用いても良い。
【０２０３】
化学物質回収部１０７から水蒸気２０１、化学物質２０２またはドーパント２０５を除去するために、化学物質回収部１０７を加熱することも好ましい。化学物質回収部１０７を加熱する時、容器１０１の中へ清浄ガスを注入することが好ましい。清浄ガスは水蒸気２０１、化学物質２０２、ドーパント２０５を含まないことが好ましい。
【０２０４】
化学物質回収部１０７を加熱することにより水蒸気２０１、化学物質２０２、ドーパント２０５を除去するには、熱電素子を用いることが好ましい。熱電素子は第２冷却部１０８であることが好ましい。熱電素子を使えば冷却面と加熱面を容易に反転できるので便利である。また、回収工程と水蒸気２０１除去、化学物質２０２除去またはドーパント２０５除去のために同一の熱電素子を使えば、分析装置の小型化にも寄与できる。水蒸気２０１、化学物質２０２またはドーパント２０５が除去されたことを検出するには、化学物質検出部１１７を用いることが好ましいが、化学物質検出部３１０とは別の化学物質検出部を用いても良い。
【０２０５】
（実施の形態３）
図１１は、本発明の実施の形態３における静電噴霧装置の模式図である。図１１において、図１と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
【０２０６】
本実施の形態が実施の形態１と相違する点は、霧化電極部１０５の近傍に供給口１０９を設けることである。供給口１０９から、第１凝縮液２０４へドーパント２０５を直接的に添加しても良い。液状のドーパント２０５を第１凝縮液２０４へ供給しても良い。冷却されたドーパント２０５を供給しても良い。
【０２０７】
（実施の形態４）
図１２は、本発明の実施の形態４における静電噴霧装置の模式図である。図１２において、図１と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
【０２０８】
本実施の形態が実施の形態１と相違する点は、試料気体発生部３１２に供給口１０９を設けることである。ドーパント２０５は、試料気体発生部３１２の上流側から供給される。ドーパント２０５は試料気体２０３とともに容器１０１へ注入される。試料気体発生部３１２はバブラーでも良いし、サンプルバッグでも良いし、生体の呼吸器や循環器などでも良い。
【０２０９】
以下、実施例により本発明をより詳細に説明するが、以下の実施例は例示の目的にのみ用いられ、本発明を限定するために用いられてはならない。
【０２１０】
［実施例１］
容器１０１は、切削加工により厚み４ｍｍのアルミ板を用いて作製した。容器１０１は３８ｍｍ×３８ｍｍ×１８ｍｍの直方体とした。容器１０１の一部は、アクリル樹脂板で置き換え可能にした。容器の一部を透明材料とすることにより、凝縮液の形成過程などが観察できるためより好ましい。容器１０１の内壁は平滑に研磨し、ガス吸着を抑制するようにした。
【０２１１】
容器１０１は、蝶番３０１で開閉可能にした。
【０２１２】
注入口１０２を容器１０１に連通するように設けた。注入口１０２は外径１／８インチ、長さ５０ｍｍのステンレス管を用いた。注入口１０２は容器１０１の底面から１０ｍｍの位置に、容器１０１の底面に対して水平に設けた。
【０２１３】
排出口１０３を容器１０１の他端に設けた。排出口１０３は外径１／８インチ、長さ５０ｍｍのステンレス管を用いた。排出口１０３は容器１０１の底面から４ｍｍの位置に、容器１０１の底面に対して水平に設けた。
【０２１４】
冷却部１０４として熱電素子を容器１０１の一端に設けた。冷却部１０４を容器１０１に一箇所設けた。冷却部１０４の大きさは１４ｍｍ×１４ｍｍ×１ｍｍであった。冷却部１０４の最大吸熱は０．９Ｗ、最大温度差は６９℃であった。冷却部１０４の冷却面は、セラミックス材で被覆した。セラミックス材はその表面に微細な凹凸や多孔体構造を有するため、接触する物体を効率的に冷却することができる。
【０２１５】
冷却部１０４には放熱部３０３として放熱フィンを設けた。放熱部３０３の放熱フィンは切削加工によりアルミで作製し、フィンの枚数は６枚、フィンの大きさは１６ｍｍ×１５ｍｍ×１ｍｍであった。放熱部３０３の近傍に、放熱を促すための冷却ファン（ＫＤ１２０８ＰＴＢ２−６,ＳＵＮＯＮ）を設けた。
【０２１６】
冷却部１０４と容器１０１の間に断熱部３０４を設けた。断熱部３０４として、厚み１ｍｍのラバーフィルムを用いた。ラバーフィルムの一部には霧化電極部１０５を貫通させるための孔を設けた。孔の直径は１ｍｍであった。
【０２１７】
霧化電極部１０５を冷却部１０４の一端に設けた。容器１０１の内部に、霧化電極部１０５としてステンレス製針を設けた。ステンレス製針の長さは３ｍｍ、直径は最も太い部分で０．７９ｍｍ、最も細い部分で０．５ｍｍであった。またステンレス製針の先端には直径０．７２ｍｍの球を設け、安定して第１帯電微粒子化工程を行なえるようにした。霧化電極部１０５と冷却部１０４の間には熱伝導グリース（ＳＣＨ−２０、サンハヤト）を塗布した。
【０２１８】
霧化電極部１０５には、絶縁部３０５として、直径１０ｍｍ、厚み３ｍｍのテフロン（登録商標）製の円板を設けた。絶縁部３０５の中心部には、直径４ｍｍ、深さ１ｍｍの凹構造を設けた。
【０２１９】
対向電極部１０６は、霧化電極部１０５の先端から３ｍｍ離れたところに設けた。対向電極部１０６として、外径１２ｍｍ、内径８ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの円環状のステンレス板を用いた。
【０２２０】
化学物質回収部１０７を容器１０１の他端に設けた。容器１０１の内部に、化学物質回収部１０７としてステンレス製針を設けた。ステンレス製針の長さは３ｍｍ、直径は最も太い部分で０．７９ｍｍ、最も細い部分で０．５ｍｍであった。またステンレス製針の先端を先鋭に研磨して、化学物質の回収を効率的に行なえるようにした。
【０２２１】
化学物質回収部１０７には第２絶縁部３０６として、直径１０ｍｍ、厚み３ｍｍのテフロン（登録商標）製の円板を設けた。第２絶縁部３０６の中心部には、直径４ｍｍ、深さ１ｍｍの凹構造を設けた。
【０２２２】
化学物質回収部１０７の一端には第２冷却部１０８を設けた。第２冷却部１０８の大きさは１４ｍｍ×１４ｍｍ×１ｍｍであった。第２冷却部１０８の最大吸熱は０．９Ｗ、最大温度差は６９℃であった。第２冷却部１０８の冷却面は、セラミックス材で被覆した。セラミックス材はその表面に微細な凹凸や多孔体構造を有するため、接触する物体を効率的に冷却することができる。
【０２２３】
第２冷却部１０８には第２放熱部３０７として放熱フィンを設けた。第２放熱部３０７の放熱フィンは切削加工によりアルミで作製し、フィンの枚数は６枚、フィンの大きさは１６ｍｍ×１５ｍｍ×１ｍｍであった。第２放熱部１１４の近傍に、放熱を促すために、冷却ファン（ＫＤ１２０８ＰＴＢ２−６,ＳＵＮＯＮ）を設けた。
【０２２４】
第２冷却部１０８と容器１０１の間に、第２断熱部３０８として厚み１ｍｍのラバーフィルムを設けた。ラバーフィルムの一部には霧化電極部１０５を貫通させるための孔を設けた。孔の直径は１ｍｍであった。
【０２２５】
化学物質回収部１０７と第２冷却部１０８の間には熱伝導グリース（ＳＣＨ−２０、サンハヤト）を塗布した。
【０２２６】
なお、注入口１０２および排出口１０３には、それぞれバルブ１１２ａおよびバルブ１１２ｂを設けた。
【０２２７】
次に静電噴霧装置１００の操作手順を説明する。
【０２２８】
注入工程では、試料気体２０３を注入口１０２から容器１０１へ注入した。試料気体２０３として、マウス尿からの揮発性成分を含む窒素ガスを用いた。試料気体２０３の調製方法は以下の通りである。
【０２２９】
まず、マウス尿０．２ｍＬを１ｍＬのガラス製バイアル瓶に充填する。そしてバイアル瓶には窒素ガス導入口と排出口を設けた。窒素ガス導入口から窒素ガス（純度９９．９９％）を導入し、マウス尿へ吹き付けた。窒素ガスは純水１００ｍＬのバブラーを通過したものを用いた。マウス尿中の揮発性成分を含んだ窒素ガスを排出口から取り出し、試料気体２０３とした。ドーパント２０５として、０．３％酢酸（特級、Ｃａｔ−Ｎｏ．０１７−００２５６、和光純薬）をマウス尿へ混合した。
【０２３０】
試料気体２０３の容器１０１への注入速度は５００ｓｃｃｍであった。試料気体２０３の温度は室温（２２℃）であった。
【０２３１】
注入工程において試料気体２０３を容器１０１へ注入する前には、容器１０１の内部には乾燥窒素ガスを満たしておいた。
【０２３２】
注入工程において、余剰な試料気体２０３は排出口１０３を通じて排出した。
【０２３３】
注入工程において、容器１０１の内部は大気圧とした。
【０２３４】
第１凝縮液生成工程では、熱電素子により霧化電極部１０５を１５℃に冷却した。
【０２３５】
霧化電極部１０５の外周面には、熱電素子を動作した５秒後に、第１凝縮液２０４が形成された。第１凝縮液２０４の形成初期段階では直径１０μｍ以下の液滴であった。時間の経過とともに液滴は成長し、第１凝縮液２０４により霧化電極部１０５の全面が覆われた。霧化電極部１０５の外周面における第１凝縮液２０４の形成は、マイクロスコープ（ＫＥＹＥＮＣＥ社製、ＶＨ−６３００）を用いて観察した。図１３は霧化電極部１０５の外周面に、第１凝縮液２０４が形成された様子を示す写真である。第１凝縮液生成工程において、図１３に示すように、霧化電極部１０５の外周面に第１凝縮液の液滴４０１が形成された。
【０２３６】
次に、第１帯電微粒子化工程では、第１凝縮液２０４を多数の第１帯電微粒子２０６にした。第１帯電微粒子化工程は静電噴霧により行なった。なお、前述の実施の形態１でも述べたように、静電噴霧の初期段階でコロナ放電が発生するが、本発明の第１帯電微粒子化工程にはこれも含めても良い。
【０２３７】
第１帯電微粒子２０６の直径は、帯電微粒子の安定性の観点から、２ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることが好ましい。第１帯電微粒子２０６は１個ずつ単独で存在することが好ましいが、複数個が結合していても良い。なお本発明では、第１帯電微粒子２０６の形状は限定されない。球形であっても良いし、扁平形であっても良いし、紡錘形であっても良い。
【０２３８】
霧化電極部１０５と対向電極部１０６の間にはＤＣ５ｋＶを印加した。霧化電極部１０５を陰極、対向電極部１０６をＧＮＤ電極とした。霧化電極部１０５を陽極、対向電極部１０６をＧＮＤ電極としても同様の効果が得られるが、この場合には第１帯電微粒子化工程は比較的不安定であった。
【０２３９】
第１帯電微粒子化工程では、霧化電極部１０５の先端にテーラーコーンと呼ばれる円錐形の水柱が形成された。テーラーコーンの先端から、化学物質２０２を含む多数の第１帯電微粒子２０６が放出された。図１４は、テーラーコーン４０２および第１帯電微粒子２０６の生成を説明する図である。第１凝縮液２０４は、霧化電極部１０５の先端方向へと順次搬送された。図１４(ａ)に示すように、テーラーコーン４０２は霧化電極部１０５の先端に形成された。図１４（ｂ）は、図１４（ａ）のマイクロスコープ写真をトレースしたものである。テーラーコーン４０２の最先端すなわち電界が集中する場所から第１帯電微粒子２０６が放出された。本実施例では試料気体２０３を注入し始めてから７秒後にはテーラーコーン４０２が形成された。
【０２４０】
第１帯電微粒子化工程では、霧化電極部１０５と対向電極部１０６の間に流れる電流をモニターした。過剰な電流が流れた場合には、霧化電極部１０５と対向電極部１０６との間の電圧印加を中断または印加電圧を減少させた。
【０２４１】
第２帯電微粒子化工程では、第１帯電微粒子２０６と試料気体２０３を混合した。第２帯電微粒子化工程を行なうために、対向電極部１０６および容器１０１の内壁に向けて、試料気体２０３を衝突させた。対向電極部１０６および容器１０１の内壁へ試料気体２０３を衝突させることにより、第１帯電微粒子２０６と試料気体２０３を効率的に混合できる。試料気体２０３の容器１０１への注入速度は５００ｓｃｃｍであった。
【０２４２】
回収工程では、化学物質回収部１０７へ、第１帯電微粒子２０６および第２帯電微粒子３１１を静電気力により回収した。対向電極部１０６に対して化学物質回収部１０７へ、＋５００Ｖの電圧を印加した。回収工程は、注入工程、第１凝縮液生成工程、第１帯電微粒子化工程、第２帯電微粒子化工程と並行して行なった。第１帯電微粒子２０６および第２帯電微粒子３１１の寿命の観点から、第１帯電微粒子化工程と第２帯電微粒子化工程を開始後、遅くとも１０分以内に回収工程を行なうことが好ましい。
【０２４３】
回収工程では、化学物質回収部１０７において、第１帯電微粒子２０６および第２帯電微粒子３１１を冷却凝縮した。化学物質回収部１０７の温度は１５℃であった。注入工程を開始後６分後には、化学物質回収部１０７において１．５μＬの回収液２０７を得た。なお、回収した帯電微粒子は、液状にすることが最も好ましいが、霧状のままでもよい。第１帯電微粒子２０６と第２帯電微粒子３１１は、水溶液やゲルに溶解しても良い。
【０２４４】
図１５は、化学物質回収部１０７における回収液２０７のマイクロスコープ写真である。化学物質回収部１０７の外周面に、回収液２０７の液滴を観察できた。
【０２４５】
回収工程では、得られた回収液２０７をハミルトンシリンジ（８０２Ｎ ２５μＬ ＨＡＭＩＬＴＯＮ）により１μＬ採取した。採取した回収液２０７をガスクロマトグラフィ装置へ導入し、化学物質２０２の分析を行なった。
【０２４６】
ガスクロマトグラフィ装置はＧＣ−４０００（ジーエルサイエンス）を用いた。分析カラムにはキャピラリカラム（Ｉｎｅｒｔ Ｃａｐ Ｐｕｒｅ ＷＡＸ）を用いた。キャピラリカラムの内径は０．２５ｍｍ、長さは３０ｍ、ｄｆは０．２５μｍであった。キャリアガスはヘリウムであった。オーブン温度は開始温度４０℃、昇温速度４℃／分、最終温度２００℃とした。インジェクション温度および水素炎イオン化検出器（ＦＩＤ）温度はそれぞれ２５０℃とした。
【０２４７】
図１６は、回収液２０７を分析した結果を示す。図１６において、濃縮前と記載されたクロマトグラムは、２５μＬの試料気体２０３を分析した結果である。図１６において、濃縮後（ドーパントなし）と記載されたクロマトグラムは、ドーパント２０５を試料気体２０３に混合せずに、静電噴霧装置１００を動作させて得た１μＬの回収液２０７を分析した結果である。図１６において、濃縮後（ドーパントあり）と記載されたクロマトグラムは、ドーパント２０５を試料気体２０３へ混合して、静電噴霧装置１００を動作させて得た１μＬの回収液２０７を分析した結果である。図１６において、濃縮前のクロマトグラムのピークよりも濃縮後（ドーパントなし）のクロマトグラムのピークの方が大きい場合があった。この結果は、試料気体２０３に含まれる化学物質２０２が濃縮されていることを表している。図１６において、濃縮前のクロマトグラムのピークよりも濃縮後（ドーパントなし）のクロマトグラムのピークの方が大きかった。この結果は、試料気体２０３に含まれる化学物質２０２が濃縮されていることを表している。図１６において、濃縮前のクロマトグラムのピークよりも濃縮後（ドーパントあり）のクロマトグラムのピークの方が大きかった。この結果は、試料気体２０３に含まれる化学物質２０２が濃縮されていることを表している。試料気体２０３へドーパント２０５を加えた場合は、試料気体２０３へドーパント２０５を加えない場合に比べて、より濃縮される化学物質２０２があった。
【０２４８】
また、図１７は図１６の分析結果の一部を拡大した図である。図１７には、ドーパント２０５のクロマトグラムをリファレンスとして記載した。静電噴霧装置１００により、試料気体２０３中の化学物質２０２を濃縮した。試料気体２０３へドーパント２０５を混合することにより、試料気体２０３中の化学物質２０２をより効率的に濃縮した。試料気体２０３へドーパント２０５を混合した場合、試料気体２０３の化学物質２０２を１２５０倍に濃縮した。
【０２４９】
回収工程では、化学物質回収部１０７を容器１０１から取り外した。取り外した化学物質回収部１０７をメタノールで洗浄した。
【０２５０】
回収工程では、化学物質２０２を除去するために、霧化電極部１０５を加熱した。霧化電極部１０５の加熱には、熱電素子を用いた。なお、この熱電素子は第１凝縮液生成工程において霧化電極部１０５を冷却した時と同一のものを用いた。霧化電極部１０５を加熱する時、熱電素子に加える電圧の極性は、霧化電極部１０５を冷却した時と反転した。
【０２５１】
回収工程では、化学物質２０２を除去するために、霧化電極部１０５は乾燥窒素ガスの気流下で行った。これにより迅速に霧化電極部１０５から化学物質２０２の除去を行なうことができた。乾燥窒素ガスは注入口１０３から導入した。
【０２５２】
回収工程では、化学物質回収部１０７の除電を行なった。除電は化学物質回収部１０７を接地することで行なった。
【０２５３】
第１帯電微粒子化工程および第２帯電微粒子化工程において、霧化電極部１０５と対向電極部１０６の間に流れる電流をモニターした。過剰な電流が流れた時には、霧化電極部１０５と対向電極部１０６の間の電圧印加を中断した。
【０２５４】
なお、容器１０１を設けた場合と、容器１０１を設けない場合を比較したところ、容器１０１を設けた方がより効率的に試料気体２０３を濃縮できた。
【０２５５】
本実施例に示すように、ネブライザガスおよび一次イオン発生用ガスを用いずとも、静電噴霧装置により、簡便かつ効率的に化学物質を濃縮できた。
【０２５６】
（実施例２）
本実施例では、実施例１と同じ構成要素については説明を省略する。
【０２５７】
本実施例において実施例１と相違する点は、ドーパント２０５の種類が異なる点である。本実施例において、酢酸よりも電子親和力が大きいとされる酸素をドーパント２０５として用いた。また、本実施例において実施例１と相違する点は、試料気体２０３へのドーパント２０５の混合方法である。試料気体２０３へドーパント２０５を混合するために、ドーパント容器を用いた。
【０２５８】
次に静電噴霧装置１００の操作手順を説明する。
【０２５９】
注入工程では、試料気体２０３を注入口１０２から容器１０１へ注入した。試料気体２０３として、マウス尿からの揮発性成分を含む窒素ガスを用いた。試料気体２０３の調製方法は以下の通りである。まず、マウス尿０．２ｍＬを１ｍＬのガラス製バイアル瓶に充填する。そしてバイアル瓶には窒素ガス導入口と排出口を設けた。窒素ガス導入口から窒素ガス（純度９９．９９％）を導入し、マウス尿へ吹き付けた。窒素ガスは純水１００ｍＬのバブラーを通過したものを用いた。窒素ガスの流速は４９５ｓｃｃｍであった。マウス尿中の揮発性成分を含んだ窒素ガスを排出口から取り出し、試料気体２０３とした。
【０２６０】
ドーパント容器により酸素ガスを試料気体２０３へ混合した。酸素ガスの流量は５ｓｃｃｍであった。
【０２６１】
試料気体２０３およびドーパント２０５の温度は室温（２２℃）であった。
【０２６２】
注入工程において試料気体２０３を容器１０１へ注入する前には、容器１０１の内部には乾燥窒素ガスを満たしておいた。
【０２６３】
注入工程において、余剰な試料気体２０３は排出口１０３を通じて排出した。
【０２６４】
注入工程において、容器１０１の内部は大気圧とした。
【０２６５】
第１凝縮液生成工程では、熱電素子により霧化電極部１０５を１５℃に冷却した。
【０２６６】
霧化電極部１０５の外周面には、熱電素子を動作した５秒後に、第１凝縮液２０４が形成された。第１凝縮液２０４の形成初期段階では直径１０μｍ以下の液滴であった。時間の経過とともに液滴は成長し、第１凝縮液２０４により霧化電極部１０５の全面が覆われた。
【０２６７】
次に、第１帯電微粒子化工程では、第１凝縮液２０４を多数の第１帯電微粒子２０６にした。第１帯電微粒子化工程は静電噴霧により行なった。なお、前述の実施の形態１でも述べたように、静電噴霧の初期段階で、コロナ放電が発生するが、本発明の第１帯電微粒子化工程にはこれも含めても良い。
【０２６８】
第１帯電微粒子２０６の直径は、帯電微粒子の安定性の観点から、２ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることが好ましい。第１帯電微粒子２０６は１個ずつ単独で存在することが好ましいが、複数個が結合していても良い。なお本発明では、第１帯電微粒子２０６の形状を限定しない。球形であっても良いし、扁平形であっても良いし、紡錘形であっても良い。
【０２６９】
霧化電極部１０５と対向電極部１０６の間にはＤＣ５ｋＶを印加した。霧化電極部１０５を陰極、対向電極部１０６をＧＮＤ電極とした。霧化電極部１０５を陽極、対向電極部１０６をＧＮＤ電極としても同様の効果が得られるが、この場合には第１帯電微粒子化工程は比較的不安定であった。
【０２７０】
第１帯電微粒子化工程では、霧化電極部１０５の先端にテーラーコーンと呼ばれる円錐形の水柱が形成された。テーラーコーンの先端から、化学物質２０２を含む多数の第１帯電微粒子２０６が放出された。テーラーコーン４０２の最先端すなわち電界が集中する場所から第１帯電微粒子２０６が放出された。本実施例では試料気体２０３を注入し始めてから７秒後にはテーラーコーン４０２が形成された。
【０２７１】
第１帯電微粒子化工程では、霧化電極部１０５と対向電極部１０６の間に流れる電流をモニターした。過剰な電流が流れた場合には、霧化電極部１０５と対向電極部１０６との間の電圧印加を中断または印加電圧を減少させた。
【０２７２】
第２帯電微粒子化工程では、第１帯電微粒子２０６と試料気体２０３を混合した。第２帯電微粒子化工程を行なうために、対向電極部１０６および容器１０１の内壁に向けて、試料気体２０３を衝突させた。対向電極部１０６および容器１０１の内壁へ試料気体２０３を衝突させることにより、第１帯電微粒子２０６と試料気体２０３を効率的に混合できる。試料気体２０３の容器１０１への注入速度は５００ｓｃｃｍであった。
【０２７３】
回収工程では、化学物質回収部１０７へ、第１帯電微粒子２０６および第２帯電微粒子３１１を静電気力により回収した。対向電極部１０６に対して化学物質回収部１０７へ＋５００Ｖの電圧を印加した。回収工程は、注入工程、第１凝縮液生成工程、第１帯電微粒子化工程、第２帯電微粒子化工程と並行して行なった。第１帯電微粒子２０６および第２帯電微粒子３１１の寿命の観点から、第１帯電微粒子化工程と第２帯電微粒子化工程を開始後、遅くとも１０分以内に回収工程を行なうことが好ましい。
【０２７４】
回収工程では、化学物質回収部１０７において、第１帯電微粒子２０６および第２帯電微粒子３１１を冷却凝縮した。化学物質回収部１０７の温度は１５℃であった。注入工程を開始後６分後には、化学物質回収部１０７において１．５μＬの回収液２０７を得た。なお、回収した帯電微粒子は、液状にすることが最も好ましいが、霧状のままでもよい。液体状にするには、帯電微粒子を冷却凝縮しても良いし、水溶液やゲルに溶解しても良い。
【０２７５】
回収工程では、得られた回収液２０７をハミルトンシリンジ（８０２Ｎ ２５μＬ ＨＡＭＩＬＴＯＮ）により１μＬ採取した。採取した回収液２０７をガスクロマトグラフィ装置へ導入し、化学物質２０２の分析を行なった。
【０２７６】
ガスクロマトグラフィ装置はＧＣ−４０００（ジーエルサイエンス）を用いた。分析カラムにはキャピラリカラム（Ｉｎｅｒｔ Ｃａｐ Ｐｕｒｅ ＷＡＸ）を用いた。キャピラリカラムの内径は０．２５ｍｍ、長さは３０ｍ、ｄｆは０．２５μｍであった。キャリアガスはヘリウムであった。オーブン温度は開始温度４０℃、昇温速度４℃／分、最終温度２００℃とした。インジェクション温度および水素炎イオン化検出器（ＦＩＤ）温度はそれぞれ２５０℃とした。
【０２７７】
回収液２０７を分析した結果を図１８に示す。図１８において、濃縮前と記載されたクロマトグラムは、２５μＬの試料気体２０３を分析した結果であり、濃縮後（窒素１００％）と記載されたクロマトグラムは、ドーパント２０５を試料気体２０３に混合せずに、静電噴霧装置１００を動作させて得た１μＬの回収液２０７を分析した結果である。また、図１８において、濃縮後（窒素：酸素＝９９：１）と記載されたクロマトグラムは、ドーパント２０５を試料気体２０３へ混合して、静電噴霧装置１００を動作させて得た１μＬの回収液２０７を分析した結果である。
【０２７８】
図１８において、濃縮前のクロマトグラムのピークよりも濃縮後（窒素１００％）のクロマトグラムのピークの方が大きい場合があった。この結果は、試料気体２０３に含まれる化学物質２０２が濃縮されていることを表している。濃縮前のクロマトグラムのピークよりも濃縮後（窒素１００％）のクロマトグラムのピークの方が大きかったが、この結果は、試料気体２０３に含まれる化学物質２０２が濃縮されていることを表している。また、濃縮前のクロマトグラムのピークよりも濃縮後（窒素：酸素＝９９：１）のクロマトグラムのピークの方が大きかったが、この結果は、試料気体２０３に含まれる化学物質２０２が濃縮されていることを表している。
【０２７９】
試料気体２０３へドーパント２０５を加えた場合は、試料気体２０３へドーパント２０５を加えない場合に比べて、より濃縮される化学物質２０２があった。試料気体２０３へドーパント２０５を混合した場合、試料気体２０３の化学物質２０２を１７００倍に濃縮した。
【０２８０】
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施の形態が明らかである。したがって、上記説明は例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造および／または機能の詳細を実質的に変更できる。
【産業上の利用可能性】
【０２８１】
本発明にかかる試料気体濃縮方法は、簡便で効率的な極微量分析が可能な質量分析装置へ適用可能である。生体分子分析装置、大気汚染物質分析装置など環境、食品、住宅、自動車、警備分野などへ利用することができる。呼気診断装置、ストレス計測器などの医療分野、ヘルスケア分野などへ利用することができる。
【符号の説明】
【０２８２】
１ 一次イオン発生用Ａｒガス
２ 試料ガス
１０ ＡＰＩＭＳ
１１ 質量分析部
１５ イオン発生部
１９ 針電極
３０ 混合部
１００ 静電噴霧装置
１０１ 容器
１０２ 注入口
１０３ 排出口
１０４ 冷却部
１０５ 霧化電極部
１０６ 対向電極部
１０７ 化学物質回収部
１０８ 第２冷却部
１０９ 供給部
１１０ バルブ
１１１ ミキサー
１１２ａ、１１２ｂ バルブ
２０１ 水蒸気
２０２、２０２ａ、２０２ｂ 化学物質
２０３ 試料気体
２０４ 第１凝縮液
２０５ ドーパント
２０６ 第１帯電微粒子
２０７ 回収液
３０１ 蝶番
３０２ 障壁
３０３ 放熱部
３０４ 断熱部
３０５ 絶縁部
３０６ 第２絶縁部
３０７ 第２放熱部
３０８ 第２断熱部
３０９ 化学物質搬送部
３１０ 化学物質検出部
３１１ 第２帯電微粒子
３１２ 試料気体発生部
４０１ 液滴
４０２ テーラーコーン
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料気体中に含まれる種々の化学物質を効率的に濃縮する化学物質濃縮方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、大気圧イオン化法（API ; Atmospheric pressure ionization）の登場により超微量分析が可能になった。大気圧イオン化法には主に２種類ある。
【０００３】
一つはエレクトロスプレー法（ESI; Electrosprayionization）である。エレクトロスプレー法では、まず数ｋＶの高電圧を印加したキャピラリへ試料溶液を導入する。そしてキャピラリの外側にネブライザガスを流すことにより、キャピラリ先端から試料溶液を噴霧する。このとき試料溶液は多数の帯電液滴になる。噴霧された帯電液滴は、溶媒蒸発と分裂を繰り返す。その結果として試料イオンが気相中に放出され、多くの場合ではその試料イオンを質量分析する。
【０００４】
もう一つは大気圧化学イオン化法（APCI; Atmospheric pressure chemical ionization）である。大気圧化学イオン化法では、まずヒータ中でネブライザガスにより試料溶液を噴霧する。そして溶媒と試料分子を気化する。次に試料分子はコロナ放電によりイオン化され、反応イオンとなる。この反応イオンと試料分子の間でプロトン授受が起こり、試料分子はプロトン付加あるいはプロトン脱離を起こしイオンとなる。
【０００５】
例えば、大気圧イオン化法を用いた質量分析装置として、質量分析装置（ＡＰＩＭＳ）がある（特許文献１）。図１９は特許文献１に開示されている大気圧イオン化質量分析装置を表す。
【０００６】
イオン発生部１５に一次イオン発生用Ａｒガス１が導入され、針電極１９でイオン化されてＮＯｘを含まない一次イオンが生成される。一次イオンは一次イオン発生用ガスと共に混合部３０に導入され、試料ガス２である乾燥空気と混合される。混合部３０で乾燥空気は一次イオンによるイオン−分子反応でイオン化される。イオン化された試料ガス２は質量分析部１１に導入され分析される。ＡＰＩＭＳ１０により、大気や呼気に含まれるＮＯｘを分析する。
【０００７】
従来の大気圧イオン化法は、ネブライザガスや一次イオン発生用ガスを必要とする。そのため、大気圧イオン化装置が大型になり、かつ操作が煩雑であった。そこで、大気圧イオン化装置を小型にし、かつ操作を簡便にするため、ネブライザガスや一次イオン発生用ガスを用いずに、試料分子を大気圧でイオン化する方法が考案された（特許文献２、特許文献３）。
【０００８】
ネブライザガスおよび一次イオン発生用ガスを用いない大気圧イオン化装置が、特許文献２において開示されている。この装置は、不揮発性の希薄生体分子溶液を静電噴霧することにより、ミスト中の溶媒を気化するものである。特許文献２では、静電噴霧法により基板上へ生体分子を堆積することで、希薄生体分子溶液の微量濃縮の手段として、この方法を利用できることが開示されている。
【０００９】
さらに、ネブライザガスおよび一次イオン発生用ガスを用いない大気圧イオン化装置が、特許文献３において開示されている。放電極と、放電極に対向して位置する対向電極と、放電極に水を供給する供給手段とを備え、放電極と対向電極との間に高電圧を印加することで放電極に保持される水を霧化させる静電霧化装置において、水供給手段を、空気中の水分を基に放電極部分において水を生成させる水生成手段としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平１１−２７３６１５公報（第８頁、図１）
【特許文献２】特表２００２−５１１７９２公報（第７８頁、図９）
【特許文献３】特開２００５−２９６７５３公報（第１０頁、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献２および特許文献３に記載の従来装置はいずれも、ネブライザガスおよび一次イオン発生用ガスを用いない大気圧イオン化装置としては優れている。しかし、試料気体中の化学物質の濃縮に従来装置を適用した場合、化学物質によっては十分な濃縮効率が得られないことがあった。特に、揮発性の化学物質において、その現象が顕著であった。
【００１２】
本発明は、上記従来技術の課題を解決し、ネブライザガスおよび一次イオン発生用ガスを用いることなく、静電噴霧により、簡便かつ効率的に、試料気体中の化学物質を濃縮する方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記従来の課題を解決する本発明は、静電噴霧装置を用いた化学物質濃縮方法であって、前記静電噴霧装置は、容器と、前記容器に連通する試料気体の注入口と、前記容器の一端に設けられた冷却部と、前記冷却部の一端に設けられた霧化電極部と、前記容器の内部に設けられた対向電極部と、前記容器の他端に設けられた化学物質回収部と、前記容器に連通するドーパントの供給口とを備え、前記試料気体は水蒸気と化学物質を含み、前記水蒸気の露点温度以下において、前記化学物質は前記水蒸気とともに凝縮液を形成する物質であって、前記ドーパントは前記凝縮液へ溶解する物質であって、前記ドーパントの電気親和力は水の電子親和力よりも大きく、前記方法は、前記注入口から前記試料気体を前記容器へ注入する注入工程と、前記冷却部により前記霧化電極部を冷却して、前記霧化電極部の外周面において前記試料気体を第１凝縮液にする第１凝縮液生成工程と、前記供給口から前記ドーパントを前記容器へ供給する供給工程と、前記ドーパントを前記霧化電極部の外周面において冷却するドーパント冷却工程と、前記第１凝縮液へ前記ドーパントを溶解する溶解工程と、前記第１凝縮液を帯電微粒子にする帯電微粒子化工程と、前記帯電微粒子を前記化学物質回収部へ回収する回収工程とを包含する。
【００１４】
本発明において、前記ドーパントは極性有機化合物であることが好ましい。
【００１５】
本発明において、前記ドーパントは有機酸であることが好ましい。
【００１６】
本発明において、前記ドーパントは酢酸であることが好ましい。
【００１７】
本発明において、前記ドーパントは酸素であることが好ましい。
【００１８】
本発明において、前記第１凝縮液中の前記ドーパントの濃度は、前記第１凝縮液中の前記化学物質の濃度よりも高いことが好ましい。
【００１９】
本発明において、前記容器には試料気体が衝突する位置に障壁を設けることが好ましい。
【００２０】
本発明において、前記試料気体は極性有機溶媒を含むことが好ましい。
【００２１】
本発明において、前記化学物質は極性有機化合物であることが好ましい。
【００２２】
本発明において、前記化学物質は揮発性有機化合物であることが好ましい。
【００２３】
本発明において、前記帯電微粒子を赤外光により加熱することが好ましい。
【００２４】
本発明において、前記容器は光導波路を備えることが好ましい。
【００２５】
本発明において、前記静電噴霧装置に化学物質検出部を設けることが好ましい。
【００２６】
本発明の上記目的、他の目的、特徴および利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明の化学物質濃縮方法によれば、従来の大気圧イオン化法において必要不可欠であったネブライザガスおよび一次イオン発生用ガスが不要になる。なぜなら、冷却した霧化電極部の外周面上に試料気体を凝縮させ、その凝縮液を静電噴霧するからである。なぜなら、噴霧された帯電微粒子を一次イオンとして、一次イオンと試料気体を混合することにより、試料気体を二次イオン化するからである。
【００２８】
また、一次イオンと二次イオンの両方を化学物質回収部へ回収するので、効率的に化学物質を濃縮できる。さらに、試料気体へドーパントを混合するので、帯電微粒子の生成が促進される。その結果として効率的に化学物質を濃縮できる。したがって、本発明の化学物質濃縮方法によれば、簡便かつ効率的に、静電噴霧装置を用いて化学物質を濃縮できる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は、実施の形態１の静電噴霧装置の模式図である。
【図２】図２（ａ）は、実施の形態１の静電噴霧装置における注入工程を示す説明図であり、図２（ｂ）は、実施の形態１の静電噴霧装置における第１凝縮液生成工程を示す説明図である。
【図３】図３（ａ）は、実施の形態１の静電噴霧装置における供給工程を示す説明図であり、図３（ｂ）は、実施の形態１の静電噴霧装置におけるドーパント冷却工程を示す説明図である。
【図４】図４（ａ）は、実施の形態１の静電噴霧装置における溶解工程を示す説明図であり、図４（ｂ）は、実施の形態１の静電噴霧装置における帯電微粒子化工程を示す説明図である。
【図５】図５は、実施の形態１の静電噴霧装置における回収工程を示す説明図である。
【図６】図６は、実施の形態２の静電噴霧装置の模式図である。
【図７】図７（ａ）は、実施の形態２の静電噴霧装置における注入工程を示す説明図であり、図７（ｂ）は、実施の形態２の静電噴霧装置における第１凝縮液生成工程を示す説明図である。
【図８】図８（ａ）は、実施の形態２の静電噴霧装置における供給工程を示す説明図であり、図８（ｂ）は、実施の形態２の静電噴霧装置におけるドーパント冷却工程を示す説明図である。
【図９】図９（ａ）は、実施の形態２の静電噴霧装置における溶解工程を示す説明図であり、図９（ｂ）は、実施の形態２の静電噴霧装置における第１帯電微粒子化工程を示す説明図である。
【図１０】図１０（ａ）は、実施の形態２の静電噴霧装置における第２帯電微粒子化工程を示す説明図であり、図１０（ｂ）は、実施の形態２の静電噴霧装置における回収工程を示す説明図である。
【図１１】図１１は、実施の形態３の静電噴霧装置の模式図である。
【図１２】図１２は、実施の形態４の静電噴霧装置の模式図である。
【図１３】図１３は、実施例１において霧化電極部の外周面に第１凝縮液が形成された様子を撮影したマイクロスコープ写真である。
【図１４】図１４（ａ）は、実施例１において霧化電極部の先端に形成されたテーラーコーンを撮影したマイクロスコープ写真であり、図１４（ｂ）は、図１４（ａ）のマイクロスコープ写真をトレースして模式化した図である。
【図１５】図１５は、実施例１において化学物質回収部の外周面を撮影したマイクロスコープ写真である。
【図１６】図１６は、実施例１の回収液の分析結果を示す図である。
【図１７】図１７は、図１６の一部を拡大した図である。
【図１８】図１８は、実施例２の回収液の分析結果を示す図である。
【図１９】図１９は、従来の大気圧イオン化質量分析装置の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下本発明の実施の形態について、適宜図面を参照しながら説明する。
【００３１】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１の静電噴霧装置の模式図である。
【００３２】
なお、本実施の形態において試料気体の静電噴霧方法は、本願と同一の発明者によって出願された特願２００８−０２４６６７および特願２００７−２７９８７５に記載の方法とほぼ同様に行なう。
【００３３】
特願２００８−０２４６６７および特願２００７−２７９８７５に記載の方法と最も異なる点は、凝縮液へドーパントを加えることである。
【００３４】
ドーパントは凝縮液の帯電微粒子化を促進するために加えられる。ドーパントを加えることにより試料気体を効率的に濃縮できる。ドーパントの電子親和力は、水の電子親和力よりも大きい。なおここで言う電子親和力とは中性原子あるいは中性分子へ電子を加えた時に放出されるエネルギーである。したがってドーパントは水よりも電子を得やすい。その結果、ドーパントを含む凝縮液は容易に帯電微粒子化される。
【００３５】
以下に、凝縮液へドーパントを加える機構を有する静電噴霧装置１００の説明をする。なお、静電噴霧装置１００の詳細は、特願２００８−０２４６６７および特願２００７−２７９８７５に記載されている。
【００３６】
容器１０１は隔壁によって外部と仕切られる。隔壁を通じて外部との物質の出入りは行なわれない。容器１０１の形状は直方体でも良いし、多面体、紡錘形、球形、流路状でも良い。容器１０１の一部に試料気体が滞留しないことが好ましい。容器１０１の容積は、１０ｐＬ以上１００ｍＬ以下が好ましい。容器１０１の容積は、１ｍＬ以上３０ｍＬ以下がより好ましい。
【００３７】
容器１０１の材料は吸着ガスや内蔵ガスの少ないものが望ましい。容器１０１の材料は金属であることが最も好ましい。金属はステンレスであることが好ましいが、アルミ、真ちゅう、黄銅などでも良い。
【００３８】
容器１０１の材料は無機材料でもよい。容器１０１の材料は、ガラス、シリコン、アルミナ、サファイア、石英ガラス、ホウ珪酸ガラス、窒化シリコン、アルミナ、シリコンカーバイドなどでも良い。容器１０１の材料は、シリコン基板に二酸化シリコンまたは窒化シリコンまたは酸化タンタルを被覆したものでも良い。
【００３９】
容器１０１の材料は有機材料でも良い。容器１０１の材料は、アクリル、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリカーボネート、フッ素樹脂、ポリジメチルシロキサン、ＰＥＥＫ（登録商標）、テフロン（登録商標）などでも良い。容器１０１の材料に有機材料を用いる場合、容器１０１の外周面には金属薄膜をコーティングすることがより好ましい。金属薄膜はガスバリア性に優れる材料が好ましい。
【００４０】
容器１０１の材料は、上記材料のうちの１種類でも良いし、複数の種類を組み合わせても良い。
【００４１】
容器１０１は堅固であることが好ましいが、エアーバック、バルーン、フレキシブルチューブ、シリンジなどのように柔軟であっても良い。
【００４２】
注入口１０２は容器１０１に連通するように設けられている。注入口１０２は容器１０１へ試料気体を注入するために用いられる。注入口１０２は、速やかに容器１０１へ試料気体を注入できる位置、または均一に容器１０１へ試料気体を注入できる位置に設けることが好ましい。
【００４３】
注入口１０２は、均一に容器１０１へ試料気体を注入できる形状であることが好ましい。注入口１０２は、エアーシャワーのような多数の孔を備えていても良い。なお本発明では、注入口１０２の寸法、材料は限定されない。注入口１０２の形状は、図１に示すように直管状であっても良いし、途中に分岐を設けても良い。また、注入口１０２は一箇所であっても良いし、複数箇所でも良い。
【００４４】
排出口１０３は、容器１０１の他端に設けられている。排出口１０３は、容器１０１を満たした試料気体のうち、余剰な試料気体を排出するために用いられる。排出口１０３は、容器１０１を満たした試料気体を、速やかに排出する位置に設けることが好ましい。なお本発明では、排出口１０３の形状、寸法、材料は限定されない。排出口１０３の形状は、図１に示すように直管状であっても良いし、途中に分岐を設けても良い。また、排出口１０３は一箇所であっても良いし、複数箇所でも良い。
【００４５】
冷却部１０４は容器１０１の一端に設けられている。冷却部１０４により、水蒸気の露点温度以下まで試料気体を冷却できる。冷却部１０４は熱電素子であることが最も好ましいが、冷媒を使ったヒートパイプでも良いし、空気熱交換素子でも良いし、冷却ファンでも良い。電極を冷却できれば良いので、冷却部１０４の面積は小さいことが好ましい。また、消費電力を削減する観点からも、冷却部１０４の面積は小さいことが好ましい。
【００４６】
電極を効率的に冷却するために、冷却部１０４の表面に凹凸構造を設けることが好ましい。冷却部１０４の表面に多孔体を設けても良い。冷却部１０４の位置は、容器１０１の底部であることが最も好ましいが、側部や天井部でも良いし、これらを組み合わせて複数の冷却部１０４を設けても良い。
【００４７】
熱伝導を抑制するために、冷却部１０４と容器１０１の接触面積は小さいことが好ましく、具体的には１００μｍ２以上５ｍｍ２以下であることが好ましい。
【００４８】
霧化電極部１０５は、冷却部１０４の一端に設けられている。霧化電極部１０５は冷却部１０４によって水蒸気の露点温度以下に冷却される。霧化電極部１０５は冷却部１０４と直に接触することが好ましいが、熱伝導率の大きい材料を介して接触しても良い。熱伝導率の大きい材料は、熱伝導性シート、熱伝導性樹脂、金属板、グリース、金属ペーストなどが好ましい。
【００４９】
霧化電極部１０５は、容器１０１の底面にあることが最も好ましいが、容器１０１の側面、天井または底面中央部にあっても良い。また、霧化電極部１０５は容器１０１の側面から１０ｍｍ以上離れていても良い。霧化電極部１０５の先端は上方を向いていることが好ましい。
【００５０】
霧化電極部１０５の形状は針状であることが好ましい。針の長さは３ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることが好ましい。霧化電極部１０５は中実でも良いし、中空でも良いし、多孔質でも良い。霧化電極部１０５の表面に凹凸構造または溝構造を設けても良い。霧化電極部１０５の先端に球状の突起物を設けても良い。霧化電極部１０５の全体は、水蒸気の露点温度以下に冷却されることが好ましい。
【００５１】
霧化電極部１０５の材料は良熱伝導材料であることが好ましく、金属であることが最も好ましい。金属は、銅、アルミ、ニッケル、タングステン、モリブデン、チタン、タンタルなどの単体金属であっても良く、単体金属を二種類以上組み合わせた合金や金属間化合物、例えば、ステンレス、銅タングステン、黄銅、真鍮、ハイス、超硬などでも良い。
【００５２】
霧化電極部１０５の材料は無機材料であっても良く、半導体、炭素材料であっても良い。例えば、ＬａＢ６、ＳｉＣ、ＷＣ、シリコン、ガリウムヒ素、窒化ガリウム、ＳｉＣ、カーボンナノチューブ、グラフェン、グラファイトなどを使用しうる。霧化電極部１０５の材料は、上記材料のうちの一種類でも良いし、複数の種類を組み合わせても良い。
【００５３】
霧化電極部１０５の磨耗を抑制するために、霧化電極部１０５の表面を被覆することが好ましい。霧化電極部１０５の表面と凝縮液の間で電子の授受を容易にするために、霧化電極部１０５の表面を被覆することが好ましい。霧化電極部１０５を被覆する材料は、金属、半導体、無機材料などが好ましい。霧化電極部１０５を被覆する材料としては、金、白金、アルミ、ニッケル、クロム、半導体、炭素材料、ＬａＢ６、ＳｉＣ、ＷＣ、シリコン、ガリウムヒ素、窒化ガリウム、ＳｉＣ、カーボンナノチューブ、グラフェン、グラファイトなどを使用しうる。霧化電極部１０５を被覆する材料は、上記材料の単層でも良いし、複数の種類を積層しても良い。
【００５４】
霧化電極部１０５は１つでも良いし、複数あっても良い。霧化電極部１０５を複数個設ける場合には、直線状などのように一次元的に配列しても良いし、円周状、放物線状、楕円周状、正方格子状、斜方格子状、最密充填格子状、放射状、ランダム状などのように二次元的に配列しても良いし、球面状、放物曲面状、楕円曲面状などのように三次元的に配列しても良い。
【００５５】
霧化電極部１０５の表面は、親水性であることが好ましいが、撥水性であっても良い。
【００５６】
対向電極部１０６は、容器１０１の内部に設けられる。対向電極部１０６と霧化電極部１０５の間に高電圧が印加され、凝縮液が噴霧される。対向電極部１０６の形状は円環状が最も好ましい。対向電極部１０６が円環状の場合、対向電極部１０６の外径は、１０ｍｍ以上３０ｍｍ以下、対向電極部１０６の内径は、１ｍｍ以上９．８ｍｍ以下、対向電極部１０６の厚みは０．１ｍｍ以上５ｍｍ以下であることが好ましい。対向電極部１０６の形状は、長方形、台形など多角形でも良い。
【００５７】
対向電極部１０６の形状は、平面であることが好ましいが、半球面またはドーム状であっても良い。対向電極部１０６には、化学物質が通過するスリットや貫通孔が形成されることが好ましい。なお本発明では、対向電極部１０６の形状は上記に限定されない。
【００５８】
対向電極部１０６と霧化電極部１０５の距離は、３ｍｍ以上１０ｍｍ以下が好ましい。対向電極部１０６は容器１０１に対して可動であっても良い。対向電極部１０６が円環状の場合、対向電極部１０６の中心を通り、かつ対向電極部１０６の平面と垂直に交わる直線上に霧化電極部１０５を設けることが好ましい。
【００５９】
対向電極部１０６は容器１０１と電気的に絶縁されていることが好ましい。
【００６０】
対向電極部１０６の材料は導体であることが好ましく、金属であることが最も好ましい。金属は、銅、アルミ、ニッケル、タングステン、モリブデン、チタン、タンタルなどの単体金属であることが好ましいが、単体金属を二種類以上組み合わせた合金や金属間化合物、例えば、ステンレス、銅タングステン、黄銅、真鍮、ハイス、超硬などでも良い。
【００６１】
対向電極部１０６の材料は無機材料であっても良く、半導体、炭素材料、絶縁体であっても良い。例えば、ＬａＢ６、ＳｉＣ、ＷＣ、シリコン、ガリウムヒ素、窒化ガリウム、ＳｉＣ、カーボンナノチューブ、グラフェン、グラファイト、アルミナ、サファイア、酸化シリコン、セラミックス、ガラス、ポリマーなどを使用しうる。対向電極部１０６の材料は、上記材料のうちの一種類でも良いし、複数の種類を組み合わせても良い。
【００６２】
対向電極部１０６の材料は、良熱伝導体であることが好ましい。対向電極部１０６の表面に不要な凝縮液が付着しないように、対向電極部１０６を加熱することが好ましい。対向電極部１０６は、水蒸気の露点温度以上に加熱することが好ましい。
【００６３】
対向電極部１０６の磨耗を抑制するために、対向電極部１０６の表面を被覆することが好ましい。対向電極部１０６を被覆する材料は、金属、半導体、無機材料などが好ましい。対向電極部１０６を被覆する材料としては、金、白金、アルミ、ニッケル、クロム、ＬａＢ６、ＳｉＣ、ＷＣ、シリコン、ガリウムヒ素、窒化ガリウム、カーボンナノチューブ、グラフェン、グラファイトなどを使用しうる。対向電極部１０６を被覆する材料は、上記材料の単層でも良いし、複数の種類を積層しても良い。
【００６４】
対向電極部１０６の表面は、親水性であることが好ましいが、撥水性であっても良い。
【００６５】
対向電極部１０６は１つでも良いし、複数あっても良い。対向電極部１０６を複数個設ける場合には、直線状などのように一次元的に配列しても良いし、円周状、放物線状、楕円周状、正方格子状、斜方格子状、最密充填格子状、放射状、ランダム状などのように二次元的に配列しても良いし、球面状、放物曲面状、楕円曲面状などのように三次元的に配列しても良い。
【００６６】
化学物質回収部１０７は、容器１０１の他端に設けられている。化学物質回収部１０７は静電噴霧された化学物質を回収するために用いられる。化学物質回収部１０７は第２冷却部１０８によって水蒸気の露点温度以下に冷却されることが好ましい。化学物質回収部１０７は第２冷却部１０８と直に接触することが好ましいが、熱伝導率の大きい材料を介して接触しても良い。熱伝導率の大きい材料は、熱伝導性シート、熱伝導性樹脂、金属板、グリース、金属ペーストなどが好ましい。
【００６７】
化学物質回収部１０７は、容器１０１の天井にあることが最も好ましいが、容器１０１の側面、底面または天井中央部にあっても良い。また、化学物質回収部１０７は容器１０１の側面から１０ｍｍ以上離れていても良い。化学物質回収部１０７の先端は下を向いていることが好ましい。
【００６８】
化学物質回収部１０７の形状は針状であることが好ましい。針の長さは３ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることが好ましい。化学物質回収部１０７の形状は中実でも良いし、中空でも良いし、多孔質でも良い。化学物質回収部１０７の表面に凹凸構造または溝構造を設けても良い。化学物質回収部１０７の先端に球状の突起物を設けても良い。化学物質回収部１０７の全体は、水蒸気の露点温度以下に冷却されることが好ましい。
【００６９】
化学物質回収部１０７の材料は良熱伝導材料であることが好ましく、金属であることが最も好ましい。金属は、銅、アルミ、ニッケル、タングステン、モリブデン、チタン、タンタルなどの単体金属であることが好ましいが、単体金属を二種類以上組み合わせた合金や金属間化合物であっても良い。例えば、ステンレス、銅タングステン、黄銅、真鍮、ハイス、超硬などでも良い。
【００７０】
化学物質回収部１０７の材料は無機材料であっても良く、半導体、炭素材料であってもよい。例えば、ＬａＢ６、ＳｉＣ、ＷＣ、シリコン、ガリウムヒ素、窒化ガリウム、ＳｉＣ、カーボンナノチューブ、グラフェン、グラファイトなどを使用しうる。化学物質回収部１０７の材料は、上記材料のうちの一種類でも良いし、複数の種類を組み合わせても良い。
【００７１】
化学物質回収部１０７の磨耗を抑制するために、化学物質回収部１０７の表面を被覆することが好ましい。化学物質回収部１０７の表面と凝縮液の間で電子の授受を容易にするために、化学物質回収部１０７の表面を被覆することが好ましい。化学物質回収部１０７を被覆する材料は、金属、半導体、無機材料、炭素材料などが好ましい。化学物質回収部１０７を被覆する材料としては、金、白金、アルミ、ニッケル、クロム、ＬａＢ６、ＳｉＣ、ＷＣ、シリコン、ガリウムヒ素、窒化ガリウム、カーボンナノチューブ、グラフェン、グラファイトなどを使用しうる。化学物質回収部１０７を被覆する材料は、上記材料の単層でも良いし、複数の種類を積層しても良い。
【００７２】
化学物質回収部１０７は１つでも良いし、複数あっても良い。化学物質回収部１０７を複数個設ける場合には、直線状などのように一次元的に配列しても良いし、円周状、放物線状、楕円周状、正方格子状、斜方格子状、最密充填格子状、放射状、ランダム状などのように二次元的に配列しても良い。また、球面状、放物曲面状、楕円曲面状などのように三次元的に配列しても良い。
【００７３】
化学物質回収部１０７の表面は、親水性であることが好ましいが、撥水性であっても良い。
【００７４】
第２冷却部１０８は、化学物質回収部１０７の一端に設けられることが好ましい。第２冷却部１０８により、試料気体に含まれる水蒸気の露点温度以下まで冷却できる。第２冷却部１０８は熱電素子であることが最も好ましいが、冷媒を使ったヒートパイプ、空気熱交換素子または冷却ファンであっても良い。電極を冷却できれば良いので、第２冷却部１０８の面積は小さいことが好ましい。消費電力を削減する観点からも、第２冷却部１０８の面積は小さいことが好ましい。
【００７５】
電極を効率的に冷却するために、第２冷却部１０８の表面に凹凸構造または多孔体を設けても良い。第２冷却部１０８の位置は、容器１０１の天井部であることが最も好ましいが、側部や底部でも良いし、これらを組み合わせて複数の第２冷却部１０８を設けても良い。
【００７６】
熱伝導を抑制するために、第２冷却部１０８と容器１０１の接触面積は小さいことが好ましく、具体的には、１００μｍ２以上５ｍｍ２以下であることが好ましい。
【００７７】
容器１０１にはドーパントの供給口１０９が設けられている。図１では、供給口１０９は注入口１０２に連通するように設けられている。供給口１０９は、速やかに試料気体へドーパントを混合できる位置、または均一に試料気体へドーパントを混合できる位置に、設けることが好ましい。
【００７８】
本発明では、供給口１０９の寸法、材料は限定されないが、供給口１０９は、均一に試料気体へドーパントを注入できる形状であることが好ましい。供給口１０９は、エアーシャワーのような多数の孔を備えていても良い。供給口１０９の形状は、図１に示すように直管状であっても良いし、途中に分岐を設けても良い。供給口１０９は一箇所であっても良いし、複数箇所でも良い。
【００７９】
供給口１０９にはバルブ１１０が設けられている。バルブ１１０はドーパントの注入量、注入速度などを制御するために用いられる。バルブ１１０はゲートバルブ、ボールバルブ、チャッキバルブ、ストップバルブ、ダイアフラムバルブ、ニードルバルブなどでも良い。
【００８０】
供給口１０９にはミキサー１１１が設けられている。ミキサー１１１はドーパントを試料気体へ混合するために用いられる。ミキサー１１１はステータチューブミキサー、スパイラルミキサー、ディフューザなどのスタティックミキサーでも良く、回転式ミキサー、高周波式ミキサーなどのアクティブミキサーでも良い。
【００８１】
本発明では、バルブ１１２ａおよび１１２ｂの材料、位置、種類は限定されないが、注入口１０２および排出口１０３には、バルブ１１２ａおよびバルブ１１２ｂがそれぞれ設けられていることが好ましい。バルブ１１２ａおよび１１２ｂにより容器１０１を閉鎖可能にすることが好ましい。注入口１０２および排出口１０３のコンダクタンスが小さければ容器１０１は閉鎖しているのとほぼ同様の効果が得られるので、その場合にはバルブ１１２ａおよび１１２ｂを用いなくても良い。
【００８２】
バルブ１１２ａおよびバルブ１１２ｂは、試料気体の流れを制御するバルブであっても良い。バルブ１１２ａおよびバルブ１１２ｂは逆止弁でも良く、ストップバルブでも良い。
【００８３】
図２〜図５は、本発明の実施の形態１における静電噴霧装置の動作を示す説明図である。図２〜図５において、図１と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
【００８４】
＜注入工程＞
注入工程では、水蒸気２０１と化学物質２０２を含む試料気体２０３が、注入口１０３を通じて、容器１０１へ注入される。図２（ａ）は注入工程を表す。図２（ａ）では化学物質２０２を化学物質２０２ａ、２０２ｂの２種類のみ記載したが、１種類でも良いし、３種類以上でも良い。試料気体２０３の相対湿度は５０％以上１００％以下が好ましく、８０％以上１００％以下がより好ましい。注入工程では、試料気体２０３へ水蒸気２０１を新たに追加しても良い。なお本発明では、化学物質２０２の種類、濃度は限定されないが、試料気体２０３は、アセトニトリル、イソプロパノール、ギ酸、酢酸などの極性有機溶媒を含むことが好ましい。
【００８５】
試料気体２０３を容器１０１の内壁、対向電極部１０６または化学物質回収部１０７へ衝突させても良い。
【００８６】
容器１０１へ試料気体２０３を大流量で注入することが好ましい。試料気体２０３の注入速度は、１０ｓｃｃｍ以上１０００ｓｃｃｍ以下が好ましく、１００ｓｃｃｍ以上５００ｓｃｃｍ以下がより好ましい。試料気体２０３の注入速度は、一定であることが好ましいが、注入速度が変化しても良い。なお、ここでいうｓｃｃｍとはｓｔａｎｄａｒｄ ｃｃ／ｍｉｎを意味する。
【００８７】
容器１０１へ１０ｍＬ以上３０００ｍＬ以下の試料気体２０３を注入することが好ましく、１００ｍＬ以上１０００ｍＬ以下の試料気体２０３を注入することがより好ましい。
【００８８】
容器１０１へ室温の試料気体２０３を注入しても良く、加温した試料気体２０３を注入しても良い。試料気体２０３の温度は、２０℃以上１００℃以下が好ましく、２５℃以上４０℃以下がより好ましい。
【００８９】
注入口１０２側を加圧することにより、試料気体２０３を注入しても良く、排出口１０３側を減圧することにより、試料気体２０３を注入しても良い。
【００９０】
バルブ１１２ａとバルブ１１２ｂを開けることが好ましいが、バルブ１１２ａとバルブ１１２ｂを適宜開閉することにより、試料気体２０３の流入量を調整しても良い。
【００９１】
試料気体２０３を容器１０１へ注入する前に、容器１０１の内部を清浄な空気、乾燥窒素、不活性ガス、試料気体２０３と同程度の相対湿度を有する標準ガスまたは較正用ガスで満たすことが好ましい。
【００９２】
余剰な試料気体２０３は排出口１０３から排出されることが好ましい。
【００９３】
容器１０１の内部の圧力は大気圧であることが最も好ましいが、容器１０１を減圧しても良いし、加圧してもよい。本発明では、容器１０１内の圧力は限定されない。
【００９４】
注入工程以降の工程では、試料気体２０３が結露しないように、容器１０１および注入口１０２、排出口１０３、対向電極部１０６の温度を水蒸気の露点温度以上に保持することが好ましい。
【００９５】
＜第１凝縮液生成工程＞
次に、第１凝縮液生成工程では、冷却部１０４により霧化電極部１０５が水蒸気２０１の露点温度以下に冷却される。霧化電極部１０５の外周面において、水蒸気２０１と化学物質２０２を含む第１凝縮液２０４が形成される。図２（ｂ）は第１凝縮液生成工程を表す。第１凝縮液生成工程の初期段階では、霧化電極部１０５の外周面において、第１凝縮液２０４が液滴状になる。第１凝縮液生成工程の進行段階では、霧化電極部１０５の外周面が第１凝縮液２０４により覆われる。
【００９６】
第１凝縮液２０４の量が過剰にならないよう、冷却部１０４の温度を制御することが好ましい。霧化電極部１０５の温度は第１凝縮液２０４の凝固点以上であることが好ましい。
【００９７】
霧化電極部１０５の温度は０℃以上２０℃以下が好ましく、０℃以上１５℃以下がより好ましい。
【００９８】
試料気体２０３を継続して注入することが好ましいが、試料気体２０３の注入を停止しても良い。
【００９９】
＜供給工程＞
供給工程では、ドーパント２０５を容器１０１へ供給する。図３（ａ）は供給工程を表す。ドーパント２０５は供給口１０９を通じて容器１０１へ供給する。ドーパント２０５は注入口１０２を通じて容器１０１へ供給する。
【０１００】
ドーパント２０５は第１凝縮液２０４へ溶解する物質である。ドーパント２０５の電子親和力は水の電子親和力よりも大きい。
【０１０１】
ドーパント２０５は有機化合物であることが好ましく、極性有機化合物、水溶性有機化合物または生体分子である有機化合物であることがより好ましい。
【０１０２】
ドーパント２０５は有機酸であることが好ましい。ドーパント２０５は酢酸であることがより好ましいが、ギ酸、クエン酸、シュウ酸などであっても良い。
【０１０３】
ドーパント２０５は低級アルコールであることが好ましいが、高級アルコールでも良い。低級アルコールとしては、エタノールが最も好ましいが、メタノール、２−プロパノール、ブタノールなどであっても良い。
【０１０４】
ドーパント２０５は脂肪族炭化水素であっても良く、芳香族炭化水素であっても良い。ドーパント２０５としては、アセトン、アセトアルデヒド、クロロホルム、四塩化炭素、ブタジエン、テトラシアノエチレン、ホルムアルデヒド、アズレン、アセトフェノン、アニソール、アニリン、９，１０−アントラキノン、ｏ−キシレン、クロロベンゼン、１,２,３,５−テトラメチルベンゼン、トリフェニレン、トルエン、ナフタレン、ビフェニル、ピレン、フェノール、フルオロベンゼン、ヘキサメチルベンゼン、ベンゼン、ベンゾキノン、ペンタセン、無水フタル酸などを使用しうる。
【０１０５】
ドーパント２０５は、エステル類、ケトン類、セスキテルペン類、テルペン類、芳香族アルデヒド類、モノテルペン類、ラクトン類などの芳香分子であっても良い。ドーパント２０５としては、サリチル酸メチル、メントール、スクラレオールが好ましいが、酢酸リナリル、リモネン、リナロールなども使用しうる。
【０１０６】
ドーパント２０５は揮発性有機化合物であってもよく、その分子量は１６以上３００以下が好ましい。
【０１０７】
ドーパント２０５は酸素、二酸化窒素、一酸化窒素または二酸化炭素であっても良い。
【０１０８】
試料気体２０３におけるドーパント２０５の濃度は、０．０３％以上３％以下が好ましく、０．３％以上１％以下がより好ましい。
【０１０９】
ドーパント２０５の温度は、２０℃以上１００℃以下が好ましく、２５℃以上４０℃以下がより好ましい。ドーパント２０５の温度は試料気体２０３の温度と同じであることが最も好ましいが、試料気体２０３の温度よりも低くても良く、高くても良い。
【０１１０】
ドーパント２０５の供給速度は、０．０１ｓｃｃｍ以上１０００ｓｃｃｍ以下が好ましく、０．１ｓｃｃｍ以上５ｓｃｃｍ以下がより好ましい。ドーパント２０５の注入速度は、一定であることが好ましいが、注入速度が変化しても良い。
【０１１１】
＜ドーパント冷却工程＞
ドーパント冷却工程では、ドーパント２０５を霧化電極部１０５の外周面において冷却する。図３（ｂ）はドーパント冷却工程を表す。ドーパント２０５は霧化電極部１０５により冷却することが好ましいが、冷却器により冷却しても良い。ドーパント２０５の温度は０℃以上２０℃以下が好ましく、温度は０℃以上１５℃以下がより好ましい。ドーパント２０５は試料気体２０３と同時に冷却することが好ましい。
【０１１２】
＜溶解工程＞
溶解工程では、第１凝縮液２０４へドーパント２０５が溶解する。図４（ａ）は溶解工程を表す。第１凝縮液２０４へ冷却されたドーパント２０５が溶解することが好ましい。ドーパント２０５は水溶性であることが好ましい。第１凝縮液２０４中のドーパント２０５の濃度は、第１凝縮液２０４中の化学物質２０２の濃度よりも高いことが好ましい。第１凝縮液２０４中のドーパント２０５の濃度は、０．１ｐｐｍ以上３％以下が好ましい。
【０１１３】
溶解工程では、第１凝縮液２０４へドーパント２０５を均一に溶解することが好ましいが、第１凝縮液２０４へドーパント２０５を混合しても良い。第１凝縮液２０４は霧化電極部１０５の外周面を移動することが好ましい。第１凝縮液２０４へドーパント２０５を溶解し易いように、第１凝縮液２０４の表面積は大きいことが好ましい。第１凝縮液２０４は液滴状または水膜状であることが好ましい。
【０１１４】
＜帯電微粒子化工程＞
次に、帯電微粒子化工程では、第１凝縮液２０４から多数の第１帯電微粒子２０６が形成される。図４（ｂ）は帯電微粒子化工程を表す。第１帯電微粒子２０６は、分子１個〜数十個からなるクラスタであっても良いし、分子数十〜数百個からなる微粒子であっても良いし、数百個以上からなる液滴であっても良い。またはこれらの２種類以上が混在していても良い。
【０１１５】
第１帯電微粒子２０６には、電気的に中性な分子、試料気体２０３に由来するイオンまたはラジカルなどが含まれていても良い。
【０１１６】
第１帯電微粒子２０６はマイナスに荷電していることが好ましい。第１帯電微粒子２０６がマイナスに荷電する場合、化学物質２０２の電子親和力は水の電子親和力よりも大きいことが好ましい。また、ドーパント２０５の電子親和力は水および化学物質２０２の電子親和力よりも大きいことが好ましい。
【０１１７】
第１帯電微粒子２０６はプラスに荷電していても良い。第１帯電微粒子２０６がプラスに荷電する場合、化学物質２０２のイオン化エネルギーは水のイオン化エネルギーよりも小さいことが好ましい。また、ドーパント２０５のイオン化エネルギーは水および化学物質２０２のイオン化エネルギーよりも小さいことが好ましい。
【０１１８】
第１凝縮液２０４を帯電微粒子化する方法は、静電噴霧が最も好ましい。静電噴霧の原理は次のとおりである。霧化電極部１０５と対向電極部１０６の間に印加された電圧によって霧化電極部１０５の先端へ第１凝縮液２０４が搬送される。クーロン引力により第１凝縮液２０４の液面が対向電極部１０６方向へ円錐状に盛り上がる。さらに霧化電極部１０５の外周面で凝縮が進むと、円錐状の第１凝縮液２０４が成長する。その後、第１凝縮液２０４の先端に電荷が集中してクーロン力が増大する。このクーロン力が水の表面張力を超えると第１凝縮液２０４が分裂、飛散して、第１帯電微粒子２０６を形成する。
【０１１９】
第１帯電微粒子２０６の安定性の観点から、第１帯電微粒子２０６の直径は、１ｎｍ以上３０ｎｍ以下が好ましい。
【０１２０】
第１帯電微粒子２０６に付加される帯電量は、微粒子１個あたり電荷素量（１．６ｘ１０−１９Ｃ）と同量以上１０倍以下であることが好ましい。
【０１２１】
第１帯電微粒子２０６中の水蒸気２０１に対する化学物質２０２の比率は、試料気体２０３中の水蒸気２０１に対する化学物質２０２の比率よりも高いことが好ましい。第１帯電微粒子２０６中の水蒸気２０１に対する化学物質２０２の比率は、化学物質回収部１０７へ向かうまでに変化しても良いが、化学物質回収部１０７へ向かうまでに高くなることが好ましい。
【０１２２】
霧化電極部１０５と対向電極部１０６の間に直流電圧を印加する、すなわち霧化電極部１０５と対向電極部１０６の間に電位差を設けることが最も好ましい。霧化電極部１０５と対向電極部１０６の間には、コロナ放電が発生しない電圧を印加することが好ましく、具体的には、４ｋＶ以上６ｋＶ以下の直流電圧を印加することが好ましい。
【０１２３】
帯電微粒子化工程では、対向電極部１０６に対して霧化電極部１０５へ負電圧を印加することが最も好ましいが、正電圧を印加してもよい。対向電極部１０６はＧＮＤ電極であることが最も好ましい。帯電微粒子化工程では、霧化電極部１０５と対向電極部１０６の間に交流電圧を印加しても良い。また、霧化電極部１０５と対向電極部１０６の間にパルス電圧を印加しても良い。
【０１２４】
霧化電極部１０５と対向電極部１０６の間に印加する直流電圧は、固定値であっても良いし、可変値でも良い。可変値は帯電微粒子化の状況に応じて制御されることが好ましい。帯電微粒子化の状況は、霧化電極部１０５と対向電極部１０６の間を流れる電流値をモニターしても良く、専用の電極対を設けて電流値をモニターしても良い。
【０１２５】
＜回収工程＞
回収工程では、第１帯電微粒子２０６を化学物質回収部１０７へ回収する。図５は回収工程を表す。回収工程では、化学物質回収部１０７へ直接試料気体２０３を回収しても良い。化学物質回収部１０７へ直接回収される試料気体２０３の量は少ないことが好ましい。また、回収工程中は、注入工程を停止することが好ましい。
【０１２６】
第１帯電微粒子２０６は、電磁気力または静電気力により回収することが好ましい。回収工程では、対向電極部１０６に対して化学物質回収部１０７へ直流電圧を印加する、すなわち、対向電極部１０６と化学物質回収部１０７との間に電位差を設けることが好ましい。直流電圧は０．０１ｋＶ以上６ｋＶ以下であることが好ましく、０．０１ｋＶ以上０．６ｋＶ以下であることがより好ましい。
【０１２７】
第１帯電微粒子２０６がマイナスの電荷を持つ場合、対向電極部１０６に対して化学物質回収部１０７へ正電圧を印加することが好ましい。一方、第１帯電微粒子２０６がプラスの電荷を持つ場合、対向電極部１０６に対して化学物質回収部１０７へ負電圧を印加することが好ましい。電圧印加は連続的であることが好ましいが、パルス的でも良い。
【０１２８】
対向電極部１０６はＧＮＤ電極にすることが最も好ましい。化学物質回収部１０７と対向電極部１０６の間には交流電圧を印加することが好ましいが、パルス電圧を印加しても良い。
【０１２９】
化学物質回収部１０７は、水蒸気２０１の露点温度以下に冷却することが好ましい。化学物質回収部１０７の外周面において、第１帯電微粒子２０６を回収液２０７にすることが好ましい。回収工程の初期段階では、化学物質回収部１０７の外周面において、回収液２０７が液滴状になることが好ましい。回収工程の進行段階では、化学物質回収部１０７の外周面が回収液２０７により覆われることが好ましい。化学物質回収部１０７は針状であることが好ましく、回収液２０７は化学物質回収部１０７の先端に回収することが好ましい。化学物質回収部１０７の外周面は親水性であることが好ましいが、撥水性であっても良い。
【０１３０】
化学物質回収部１０７は、下方に向いていることが好ましい。図５に示すように、重力により回収液２０７を化学物質回収部１０７の先端に回収することが好ましい。
【０１３１】
図５に示すように、静電気力により回収液２０７を化学物質回収部１０７の先端に回収することも好ましい。化学物質回収部１０７の先端は、電界が集中する形状であることが好ましく、針状であることが最も好ましい。化学物質回収部１０７の外周面において、回収液２０７は静電気力により化学物質回収部１０７の先端へ移動することが好ましい。回収液２０７には極性有機化合物または水が含まれていることが好ましい。
【０１３２】
化学物質回収部１０７は除電されることが好ましい。化学物質回収部１０７の除電は常時行なっても良いし、適宜行なっても良い。化学物質回収部１０７の除電は接地することにより行っても良く、イオナイザーを用いて行っても良い。
【０１３３】
対向電極部１０６に対して化学物質回収部１０７へ電圧を印加した後、化学物質回収部１０７を冷却することが最も好ましい。対向電極部１０６に対して化学物質回収部１０７へ電圧を印加すると同時に、化学物質回収部１０７を冷却しても良い。また、化学物質回収部１０７において試料気体２０３を直接凝縮してもよい。
【０１３４】
回収液２０７に含まれる水蒸気２０１や検出対象物質以外の妨害物質を除去しても良い。回収液２０７から妨害物質を除去するために、フィルタまたは吸着材を用いても良いし、その他の除去方法を用いても良い。
【０１３５】
本実施の形態において、上述の注入工程から回収工程までの少なくとも２つ以上の工程は同時に行なわれてもよい。すなわち、例えば注入工程と第１凝縮液生成工程が同時に行なわれても良い。またはそれぞれの工程を順序立てて行なっても良い。
【０１３６】
（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２における静電噴霧装置の模式図である。図６において、図１と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
【０１３７】
本実施の形態と実施の形態１の最も異なる点は、容器１０１自身にミキサー１１１の機能を付加することである。すなわち、容器１０１の内部で試料気体２０３とドーパント２０５を混合することである。そのために、供給口１０９が容器１０１に直接接続されている。容器１０１において試料気体２０３とドーパント２０５が混合される。
【０１３８】
本実施の形態において、静電噴霧装置１００は以下の構成からなる。
【０１３９】
容器１０１は堅固であることが好ましいが、エアーバック、バルーン、フレキシブルチューブ、シリンジなどのように柔軟であっても良い。メンテナンスの観点から、容器１０１は蝶番３０１により開閉可能であることが好ましいが、その他の方法で開閉可能であっても良い。
【０１４０】
容器１０１の内部には、試料気体が乱流や螺旋流や渦流などを生じるように、障壁３０２を供給部１０９の近傍に設けることが好ましい。容器１０１の内部には、試料気体が乱流や螺旋流や渦流などを生じるように、迷路を設けることも好ましい。
【０１４１】
注入口１０２は容器１０１に連通するように設けられている。注入口１０２は容器１０１へ試料気体を注入するために用いられる。注入口１０２は、速やかに容器１０１へ試料気体を注入できる位置および／または均一に容器１０１へ試料気体を注入できる位置に、設けることが好ましい。試料気体が乱流や螺旋流や渦流などを発生する位置に、注入口１０２を設けることが好ましい。例えば、容器１０１が直方体の場合には、注入口１０２は隅に設けることが好ましい。
【０１４２】
本発明では、注入口１０２の寸法、材料は限定されないが、均一に容器１０１へ試料気体を注入できる形状であることが好ましい。注入口１０２は、エアーシャワーのような多数の孔を備えていても良い。容器１０１の内部において試料気体が螺旋流を発生するように、注入口１０２の先端の方向を容器１０１の壁面に対して傾斜させても良い。試料気体が螺旋流を発生させるように、注入口１０２の先端を細くして、ベンチュリー効果を利用しても良い。注入口１０２の形状は、図６に示すように直管状であっても良いし、途中に分岐を設けても良い。注入口１０２は一箇所であっても良いし、複数箇所でも良い。
【０１４３】
排出口１０３は、容器１０１の他端に設けられている。排出口１０３は、容器１０１を満たした試料気体のうち、余剰な試料気体を排出するために用いられる。排出口１０３は、容器１０１を満たした試料気体を、速やかに排出する位置に設けることが好ましい。排出口１０３は、試料気体が乱流や螺旋流や渦流などを発生する位置に設けても良く、図６に示すように、注入口１０２と排出口１０３を異なる高さに設けても良い。注入口１０３と排出口１０４は、容器１０１の対角に設けることが好ましい。
【０１４４】
なお本発明では、排出口１０３の形状、寸法、材料は限定されない。排出口１０３の形状は、図６に示すように直管状であっても良いし、途中に分岐を設けても良い。排出口１０３は一箇所であっても良いし、複数箇所でも良い。
【０１４５】
冷却部１０４には放熱部３０３を設けることが好ましい。冷却部１０４として熱電素子を用いる場合、冷却面の裏は発熱面である。放熱部３０３は発熱面から熱を逃すために用いられる。発熱面から熱を逃すことにより、熱電素子を効率的に動作できる。放熱部３０３はフィンであることが好ましく、フィンに冷却ファンを付属させることがより好ましい。また、放熱部３０３は水冷機構でも良い。放熱部３０３は熱伝導性の大きい材料で形成されることが好ましい。放熱部３０３の材料は金属、半導体などであることが好ましい。
【０１４６】
冷却部１０４には断熱部３０４を設けることが好ましい。断熱部３０４を設けることにより、霧化電極部１０５以外の部位は冷却されない。断熱部３０４は熱伝導率の小さい材料が好ましい。断熱部３０４の材料は、ゴム、セラミックス、ガラスなどが好ましいが、エアーギャップでも良い。エアーギャップの内容物は空気、窒素などであることが好ましい。断熱部３０４は不導体であることが好ましい。
【０１４７】
熱伝導を抑制する観点から、霧化電極部１０５と断熱部３０４との接触面積は小さいことが好ましく、具体的には、１０μｍ２以上１０ｍｍ２以下であることが好ましい。
【０１４８】
霧化電極部１０５には絶縁部３０５を設けることが好ましい。絶縁部３０５は霧化電極部１０５と容器１０１を電気的に絶縁する。絶縁部３０５の材料はテフロン（登録商標）、デルリン（登録商標）、ＰＥＥＫ（登録商標）などの絶縁体であることが好ましい。余剰な凝縮液を留めておくために、絶縁部３０５に貯留部を設けることが好ましい。貯留部は溝構造、凹凸構造、吸収体などであることが好ましい。なお本発明では、絶縁部３０５の形状、材質、位置は限定されない。
【０１４９】
熱伝導を抑制する観点から、霧化電極部１０５と絶縁部３０５との接触面積は小さいことが好ましく、具体的には、１０μｍ２以上１０ｍｍ２以下であることが好ましい。水蒸気の結露を抑制するために、絶縁部３０５には熱伝導率の小さい材料を用いたり、熱伝導を抑制する構造を備えることが好ましい。
【０１５０】
対向電極部１０６は、試料気体２０３とドーパント２０５を混合する位置に設けることが好ましい。対向電極部１０６は、注入口１０２と供給口１０９の近傍にあることが好ましい。
【０１５１】
化学物質回収部１０７は、試料気体２０３とドーパント２０５の直接的な凝縮を抑制する位置に設けられることが好ましい。注入口１０２と化学物質回収部１０７の距離は、注入口１０２と霧化電極部１０５の距離よりも大きいことが好ましい。供給口１０９と化学物質回収部１０７の距離は、供給口１０９と霧化電極部１０５の距離よりも大きいことが好ましい。
【０１５２】
化学物質回収部１０７には第２絶縁部３０６を設けることが好ましい。第２絶縁部３０６は化学物質回収部１０７と容器１０１を電気的に絶縁する。第２絶縁部３０６の材料はテフロン（登録商標）、デルリン（登録商標）、ＰＥＥＫ（登録商標）などの絶縁体であることが好ましい。余剰な凝縮液を留めておくために、第２絶縁部３０６に貯留部を設けることが好ましい。貯留部は溝構造、凹凸構造、吸収体などであることが好ましい。なお本発明では、第２絶縁部３０６の形状、材質、位置は限定されない。
【０１５３】
熱伝導を抑制する観点から、化学物質回収部１０７と第２絶縁部３０６との接触面積は小さいことが好ましく、具体的には、１０μｍ２以上１０ｍｍ２以下であることが好ましい。
【０１５４】
第２冷却部１０８には第２放熱部３０７を設けることが好ましい。第２冷却部１０８として熱電素子を用いる場合、冷却面の裏は発熱面である。第２放熱部３０７は発熱面から熱を逃すために用いられる。発熱面から熱を逃すことにより、熱電素子を効率的に動作できる。第２放熱部３０７はフィンであることが好ましく、フィンには冷却ファンを付属させることがより好ましい。第２放熱部３０７は水冷機構でも良い。第２放熱部３０７は熱伝導性の大きい材料で形成されることが好ましい。第２放熱部３０７の材料は金属、半導体などであることが好ましい。
【０１５５】
第２冷却部３０７には第２断熱部３０８を設けることが好ましい。第２断熱部３０８を設けることにより、化学物質回収部１０７以外の部位は冷却されない。第２断熱部３０８はゴム、セラミックス、ガラスなどの熱伝導率の小さい材料が好ましい。第２断熱部３０８はエアーギャップでも良い。エアーギャップの内容物は空気、窒素などであることが好ましい。
【０１５６】
熱伝導を抑制する観点から、化学物質回収部１０７と第２断熱部３０８との接触面積は小さいことが好ましく、具体的には、１０μｍ２以上１０ｍｍ２以下であることが好ましい。
【０１５７】
化学物質回収部１０７の近傍には化学物質搬送部３０９と化学物質検出部３１０を設けることが好ましい。化学物質搬送部３０９は化学物質回収部１０７で回収された化学物質を化学物質検出部３１０へ搬送するために用いられる。化学物質搬送部３０９は、シリンジ、キャピラリ、チューブ、多孔質体などでも良く、ポンプを備えていても良い。化学物質回収部１０７に高電圧を印加するので、化学物質搬送部３０９は化学物質回収部１０７と電気的に絶縁することが好ましい。
【０１５８】
化学物質搬送部３０９は可動であることが好ましく、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の少なくとも一方向へ可動することが好ましい。なお、ここで言うＸ方向とは図６の化学物質搬送部３０９の長手方向を意味する。Ｙ方向、Ｚ方向はそれぞれＸ方向と直交する。化学物質搬送部３０９はθ方向へ可動することが好ましい。なお、ここで言うθ方向とは、化学物質搬送部３０９を容器１０１に固定する箇所を支点として、化学物質搬送部３０９を上下方向へ回転する方向である。なお、化学物質搬送部３０９を容器１０１に固定する箇所を支点として、水平方向へ回転しても良い。
【０１５９】
化学物質搬送部３０９は容器１０１の内部にあっても良く、化学物質回収部１０７の一端にあっても良く、容器１０１の外部にあっても良い。
【０１６０】
化学物質検出部３１０は、化学センサ、生物センサなどが好ましいが、ＭＯＳＦＥＴ（金属―酸化物―半導体電界効果トランジスタ）、ＩＳＦＥＴ（イオン感応型電界効果トランジスタ），バイポーラトランジスタ、有機薄膜トランジスタ、オプトード、金属酸化物半導体センサ、水晶マイクロバランス（ＱＣＭ）、表面弾性波（ＳＡＷ）素子、固体電解質ガスセンサ、電気化学電池センサ、表面波プラズモン共鳴（ＳＰＲ）、ラングミュアブロジェット膜（ＬＢ膜）センサ、ＡＦＭ、ＤＮＡセンサ、プロテインセンサ、免疫センサ、微生物センサなどでも良い。また、化学物質検出部３１０は、ガスクロマトグラフ（ＧＣ）、ＧＣ−ＭＳ、ＧＣ−ＴＯＦ／ＭＳ，高速液体クロマトグラフ（ＬＣ）、ＨＰＬＣ、ＨＰＬＣ／ＩＣ、ＬＣ−ＴＯＦ／ＭＳ、ＭＡＬＤＩ、核磁気共鳴装置（ＮＭＲ）、ＳＩＭＳ、ＩＣＰ質量分析装置などでも良い。化学物質検出部３１０は図６に示すように１箇所でも良いし、複数箇所でも良い。複数の化学物質検出部３１０を設ける場合、同一種類でも良いし、複数種類でも良い。
【０１６１】
化学物質検出部３１０は容器１０１の外部にあっても良く、容器１０１の内部にあっても良く、化学物質回収部１０７の一端にあっても良い。
【０１６２】
図７〜図１０は、実施の形態２の静電噴霧装置の動作を示す説明図である。図７〜図１０において、図６と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
【０１６３】
＜注入工程＞
注入工程では、水蒸気２０１と化学物質２０２を含む試料気体２０３が、注入口１０２を通じて、容器１０１へ注入される。図７（ａ）は注入工程を表す。図７（ａ）では化学物質２０２を化学物質２０２ａ、２０２ｂの２種類のみ記載したが、１種類でも良いし、３種類以上でも良い。試料気体２０３での相対湿度は５０％以上が好ましく、８０％以上がより好ましい。注入工程では、試料気体２０３へ水蒸気２０１を追加しても良い。なお本発明では、化学物質２０２の種類、濃度は限定されない。試料気体２０３は、極性有機溶媒を含むことが好ましい。なお本発明では、極性有機溶媒の種類、濃度は限定されない。
【０１６４】
試料気体２０３は、容器１０１の内壁、対向電極部１０６または化学物質回収部１０７へ衝突させても良い。また、容器１０１の内部に設けた障壁３０２や迷路などへ、試料気体２０３を衝突させても良い。
【０１６５】
容器１０１の内部が試料気体２０３によって満たされたことを判別するために、化学物質検出部３１０を用いても良く、化学物質検出部３１０とは別の化学物質検出部を用いても良い。また、化学物質検出部３１０は一つでも良いし、複数でも良い。
【０１６６】
＜第１凝縮液生成工程＞
次に、第１凝縮液生成工程では、冷却部１０４により霧化電極部１０５が水蒸気２０１の露点温度以下に冷却される。霧化電極部１０５の外周面において、水蒸気２０１と化学物質２０２を含む第１凝縮液２０４が形成される。図７（ｂ）は第１凝縮液生成工程を表す。
【０１６７】
＜供給工程＞
供給工程では、ドーパント２０５を容器１０１へ供給する。図８（ａ）は供給工程を表す。ドーパント２０５は供給口１０９を通じて容器１０１へ供給する。ドーパント２０５は障壁３０２へ衝突させることが好ましい。
【０１６８】
＜ドーパント冷却工程＞
ドーパント冷却工程では、ドーパント２０５を霧化電極部１０５の外周面において冷却する。図８（ｂ）はドーパント冷却工程を表す。
【０１６９】
＜溶解工程＞
溶解工程では、第１凝縮液２０４へドーパント２０５が溶解する。図９（ａ）は溶解工程を表す。
【０１７０】
＜第１帯電微粒子化工程＞
次に、第１帯電微粒子化工程では、第１凝縮液２０４から多数の第１帯電微粒子２０６を形成する。図９（ｂ）は第１帯電微粒子化工程を表す。第１帯電微粒子２０６は、分子１個〜数十個からなるクラスタであっても良いし、分子数十〜数百個からなる微粒子であっても良いし、数百個以上からなる液滴であっても良い。またはこれらの２種類以上が混在していても良い。
【０１７１】
第１帯電微粒子化工程では、第１帯電微粒子２０６に、電気的に中性な分子、試料気体２０３に由来するイオンまたはラジカルが含まれていても良い。
【０１７２】
第１帯電微粒子化工程では、第１帯電微粒子２０６はマイナスに荷電していることが好ましい。第１帯電微粒子２０６がマイナスに荷電する場合、化学物質２０２の電子親和力は水の電子親和力よりも大きいことが好ましい。第１帯電微粒子２０６がマイナスに荷電する場合、ドーパント２０５の電子親和力は水および化学物質２０２の電子親和力よりも大きいことが好ましい。
【０１７３】
第１帯電微粒子化工程では、第１帯電微粒子２０６はプラスに荷電していても良い。第１帯電微粒子２０６がプラスに荷電する場合、化学物質２０２のイオン化エネルギーは水のイオン化エネルギーよりも小さいことが好ましい。第１帯電微粒子２０６がプラスに荷電する場合、ドーパント２０５のイオン化エネルギーは水および化学物質２０２のイオン化エネルギーよりも小さいことが好ましい。
【０１７４】
第１凝縮液２０４を帯電微粒子化する方法は、静電噴霧が最も好ましい。静電噴霧の原理は次のとおりである。霧化電極部１０５と対向電極部１０６の間に印加された電圧によって霧化電極部１０５の先端へ第１凝縮液２０４が搬送される。クーロン引力により第１凝縮液２０４の液面が対向電極部１０６方向へ円錐状に盛り上がる。さらに霧化電極部１０５の外周面で凝縮が進むと、円錐状の第１凝縮液２０４が成長する。その後、第１凝縮液２０４の先端に電荷が集中してクーロン力が増大する。このクーロン力が水の表面張力を超えると第１凝縮液２０４が分裂、飛散して、第１帯電微粒子２０６を形成する。
【０１７５】
第１帯電微粒子化工程では、霧化電極部１０５と対向電極部１０６の間に直流電圧を印加することが最も好ましい。コロナ放電が発生しない電圧を印加することが好ましく、具体的には４ｋＶ以上６ｋＶ以下の直流電圧であることが好ましい。対向電極部１０６に対して霧化電極部１０５へ負電圧を印加することが最も好ましいが、正電圧を印加してもよい。対向電極部１０６はＧＮＤ電極にすることが最も好ましい。
【０１７６】
霧化電極部１０５と対向電極部１０６の間に交流電圧を印加しても良く、パルス電圧を印加しても良い。
【０１７７】
＜第２帯電微粒子化工程＞
次に、第２帯電微粒子化工程では、容器１０１において、第１帯電微粒子２０６と試料気体２０３を混合して第２帯電微粒子３１１にしても良い。図１０（ａ）は第２帯電微粒子化工程を表す。第１帯電微粒子２０６と試料気体２０３を混合することにより、試料気体２０３を帯電できる。第１帯電微粒子２０６と試料気体２０３の混合を効率的に行なうため、試料気体２０３が乱流、螺旋流、渦流などを生じることが好ましい。第１帯電微粒子２０６の流れ方向と試料気体２０３の流れ方向は直交させても良く、カウンター流としても良い。容器１０１は十字流路またはＴ字流路であることが好ましい。第２帯電微粒子３１１を試料気体２０３と混合して第３帯電微粒子としても良い。
【０１７８】
＜第２帯電微粒子化工程＞
第２帯電微粒子化工程では、第１帯電微粒子２０６の大部分は、霧化電極部１０５から対向電極部１０６を経由して化学物質回収部１０７へ移動する。したがって、霧化電極部１０５と化学物質回収部１０７の間に向かって試料気体２０３を注入する位置に、注入口１０２を設けることが好ましい。霧化電極部１０５と対向電極部１０６の間に向かって試料気体２０３を注入する位置に、注入口１０２を設けることが好ましいが、対向電極部１０６と化学物質回収部１０７の間に向かって試料気体２０３を注入する位置に、注入口１０２を設けることもできる。試料気体２０３は第１帯電微粒子２０６の経路にフォーカスしても良い。
【０１７９】
第２帯電微粒子３１１の直径は、第１帯電微粒子２０６の直径よりも大きいことが好ましい。第２帯電微粒子３１１の安定性の観点から、第２帯電微粒子３１１の直径は、１ｎｍ以上３０ｎｍ以下が好ましい。第２帯電微粒子３１１は、分子１個〜数十個からなるクラスタであっても良いし、分子数十〜数百個からなる微粒子であっても良いし、数百個以上からなる液滴であっても良い。またはこれらの２種類以上が混在していても良い。
【０１８０】
第２帯電微粒子３１１に、電気的に中性な分子、イオン、ラジカルなどが含まれていても良い。第２帯電微粒子化工程では、第１帯電微粒子２０６と第２帯電微粒子３１１の電荷の符号は同じであることが好ましいが、第２帯電微粒子３１１はマイナスに荷電していても良く、プラスに荷電していても良い。
【０１８１】
第２帯電微粒子３１１の帯電量は、第１帯電微粒子２０６と同じであることが好ましい。第２帯電微粒子３１１の帯電量は、微粒子１個あたり電荷素量（１．６×１０−１９Ｃ）と同量以上１０倍以下であることが好ましい。
【０１８２】
＜回収工程＞
最後に、回収工程では、第１帯電微粒子２０６と第２帯電微粒子３１１を化学物質回収部１０７へ回収する。図１０（ｂ）は回収工程を表す。回収工程では、第１帯電微粒子２０６と第２帯電微粒子３１１を同時に化学物質回収部１０７へ回収することが好ましい。なお本発明では、化学物質回収部１０７へ回収される、第１帯電微粒子２０６と第２帯電微粒子３１１の比率は限定されない。回収工程では、化学物質回収部１０７へ直接試料気体２０３を回収しても良い。化学物質回収部１０７へ直接回収される試料気体２０３の量は少ないことが好ましい。回収工程中は、注入工程を停止することが好ましい。
【０１８３】
回収工程では、第１帯電微粒子２０６と第２帯電微粒子３１１を電磁気力により回収することが好ましいが、静電気力により回収しても良い。対向電極部１０６に対して化学物質回収部１０７へ直流電圧を印加することが好ましい。直流電圧は０．０１ｋＶ以上６ｋＶ以下であることが好ましく、０．０１ｋＶ以上０．５ｋＶ以下であることがより好ましい。
【０１８４】
第１帯電微粒子２０６と第２帯電微粒子３１１が負の電荷を持つ場合、対向電極部１０６に対して化学物質回収部１０７へ正電圧を印加することが最も好ましい。第１帯電微粒子２０６と第２帯電微粒子３１１が正の電荷を持つ場合、対向電極部１０６に対して化学物質回収部１０７へ負電圧を印加することが好ましい。電圧印加は連続的であることが好ましいが、パルス的でも良い。対向電極部１０６はＧＮＤ電極にすることが最も好ましい。化学物質回収部１０７と対向電極部１０６の間に交流電圧を印加することが好ましいが、パルス電圧を印加しても良い。
【０１８５】
化学物質回収部１０７は水蒸気２０１の露点温度以下に冷却することが好ましい。化学物質回収部１０７の外周面において、第１帯電微粒子２０６と第２帯電微粒子３１１を回収液２０７にすることが好ましい。回収工程の初期段階では、化学物質回収部１０７の外周面において、回収液２０７が液滴状になることが好ましい。回収工程の進行段階では、化学物質回収部１０７の外周面が回収液２０７により覆われることが好ましい。化学物質回収部１０７は針状であることが好ましく、回収液２０７は化学物質回収部１０７の先端に回収することが好ましい。化学物質回収部１０７の外周面は親水性であることが好ましいが、撥水性であっても良い。
【０１８６】
化学物質回収部１０７は第２冷却部１０８により冷却されることが好ましい。第２冷却部１０８により、水蒸気の露点温度以下まで化学物質回収部１０７を冷却できる。回収工程では、回収液２０７の量が過剰にならないよう、第２冷却部１０８の温度を制御することが好ましい。化学物質回収部１０７の温度は、回収液２０７の凝固点以上であっても良く、回収液２０７の凝固点以下であっても良い。
【０１８７】
化学物質回収部１０７は、下方に向いていることが好ましい。図６に示すように、重力により回収液２０７を化学物質回収部１０７の先端に回収することが好ましい。
【０１８８】
回収工程では、図１０（ｂ）に示すように、静電気力により回収液２０７を化学物質回収部１０７の先端に回収することが好ましい。化学物質回収部１０７の先端は、電界が集中する形状であることが好ましい。化学物質回収部１０７は、針状であることが最も好ましい。化学物質回収部１０７の外周面において、回収液２０７は静電気力により化学物質回収部１０７の先端へ移動することが好ましい。回収液２０７には極性有機化合物および／または水が含まれていることが好ましい。
【０１８９】
回収工程では、化学物質搬送部３０９により回収液２０７を化学物質検出部３１０へ搬送することが好ましい。回収液２０７の搬送するために、シリンジ、キャピラリ、チューブ、多孔質体などを用いても良い。回収液２０７の搬送の駆動には、ポンプ、毛細管力などを用いても良い。化学物質搬送部３０９の温度は室温であることが好ましいが、水蒸気の露点温度以下に冷却しても良い。
【０１９０】
対向電極部１０６に対して化学物質回収部１０７へ電圧を印加する間、化学物質搬送部３０９は化学物質回収部１０７から分離されていることが好ましく、物理的に分離されていることが最も好ましい。化学物質回収部１０７から化学物質搬送部３０９を分離するために、化学物質搬送部３０９を可動にすることが好ましい。回収工程では、対向電極部１０６に対して化学物質回収部１０７へ電圧を印加する間、化学物質搬送部３０９は化学物質回収部１０７から電気的に分離されていても良い。
【０１９１】
回収液２０７に含まれる化学物質２０２は、化学物質検出部３１０により検出することが好ましい。検出する化学物質２０２は１種類でも良いし、２種類以上でも良い。化学物質２０２は、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、ジスルフィドなどが好ましく、アルカン、アルケン、アルキン、ジエン、脂環式炭化水素、アレン、エーテル、カルボニル、カルバニオ、タンパク、多核芳香族、複素環、有機誘導体、核酸、リボ核酸、抗体、生物分子、代謝物、イソプレン、イソプレノイドおよびその誘導体なども好ましい。回収工程では、化学物質検出部３１０により化学物質２０２の定量を行なうことが好ましいが、化学物質２０２の存在のみを検出しても良い。
【０１９２】
回収液２０７に含まれる水蒸気２０１や検出対象物質以外の妨害物質を除去しても良い。回収液２０７から妨害物質を除去するために、フィルタまたは吸着材を用いても良いし、そのほかの除去方法を用いても良い。
【０１９３】
本実施の形態において、上述の注入工程から回収工程までの少なくとも２つ以上の工程は同時に行なわれてもよい。すなわち、例えば注入工程と第１凝縮液生成工程が同時に行なわれても良い。またはそれぞれの工程を順序立てて行なっても良い。
【０１９４】
本実施の形態において、第１帯電微粒子２０６および第２帯電微粒子３１１を加熱しても良い。第１帯電微粒子２０６および第２帯電微粒子３１１を加熱することにより、化学物質２０２の濃度を高めても良い。第１帯電微粒子２０６および第２帯電微粒子３１１を加熱するために、赤外光を用いることが好ましい。第１帯電微粒子２０６および第２帯電微粒子３１１を赤外光により加熱する場合、水の吸収ピークの波長を用いることが好ましい。第１帯電微粒子２０６および第２帯電微粒子３１１を加熱するための赤外光は、霧化電極部１０５および化学物質回収部１０７へ照射しないことが好ましい。第１帯電微粒子２０６および第２帯電微粒子３１１を加熱するための赤外光は、フォーカスすることが好ましい。
【０１９５】
第１帯電微粒子２０６および第２帯電微粒子３１１を加熱するための赤外光は、容器１０１内を導波することも好ましく、その場合には、容器１０１に光導波路を設けることが好ましい。容器１０１の一部に赤外光の窓を設けることも好ましい。第１帯電微粒子２０６および第２帯電微粒子３１１を加熱するためにヒータを用いても良い。
【０１９６】
化学物質回収部１０７、化学物質搬送部３０９または化学物質検出部３１０は、容器１０１から分離可能であることが好ましい。化学物質回収部１０７、化学物質搬送部３０９または化学物質検出部３１０は洗浄可能であることが好ましいが、ディスポーザブルであっても良い。
【０１９７】
第１帯電微粒子化工程および／または第２帯電微粒子化工程ではコロナ放電を用いても良いが、静電噴霧を用いることが最も好ましい。しかし、試料気体２０３中の相対湿度が低い場合や、霧化電極部１０５の外周面に十分な第１凝縮液２０４が生成されていない場合は、静電噴霧にコロナ放電を伴う場合もある。したがって本発明では、第１帯電微粒子化工程および／または第２帯電微粒子化工程は静電噴霧に限定されない。
【０１９８】
第１帯電微粒子化工程および／または第２帯電微粒子化工程では、霧化電極部１０５と対向電極部１０６の間を流れる電流に応じて、霧化電極部１０５と対向電極部１０６との間の電圧印加を制御することが好ましい。霧化電極部１０５と対向電極部１０６の間に閾値以上の電流が流れる時、霧化電極部１０５と対向電極部１０６との間の電圧印加を中断することが好ましいが、印加電圧を小さくしても良い。また、霧化電極部１０５と対向電極部１０６の間に流れる電流が閾値以下になった時、電圧印加を再開しても良い。
【０１９９】
霧化電極部１０５から水蒸気２０１、化学物質２０２またはドーパント２０５を除去するために、霧化電極部１０５を加熱することが好ましい。霧化電極部１０５を加熱する時、容器１０１の中へ清浄ガスを注入することが好ましい。清浄ガスは水蒸気２０１、化学物質２０２、ドーパント２０５を含まないことが好ましい。
【０２００】
霧化電極部１０５を加熱することにより、水蒸気２０１、化学物質２０２またはドーパント２０５を除去するには、熱電素子を用いることも好ましい。熱電素子は冷却部１０４が好ましい。熱電素子を使えば冷却面と加熱面を容易に反転できるので便利である。また、凝縮工程と水蒸気２０１除去、化学物質２０２除去またはドーパント２０５除去のために同一の熱電素子を使えば、分析装置の小型化にも寄与できる。水蒸気２０１、化学物質２０２またはドーパント２０５が除去されたことを検出するには、化学物質検出部３１０を用いることが好ましいが、化学物質検出部３１０とは別の化学物質検出部を用いても良い。
【０２０１】
対向電極部１０６から水蒸気２０１、化学物質２０２、ドーパント２０５を除去するために、対向電極部１０６を加熱することも好ましい。対向電極部１０６を加熱する時、容器１０１の中へ清浄ガスを注入することが好ましい。清浄ガスは水蒸気２０１、化学物質２０２、ドーパント２０５を含まないことが好ましい。
【０２０２】
対向電極部１０６を加熱することにより水蒸気２０１、化学物質２０２またはドーパント２０５を除去するには、熱電素子を用いることが好ましい。熱電素子を使えば冷却面と加熱面を容易に反転できるので便利である。水蒸気２０１、化学物質２０２またはドーパント２０５が除去されたことを検出するには、化学物質検出部３１０を用いることが好ましいが、化学物質検出部３１０とは別の化学物質検出部を用いても良い。
【０２０３】
化学物質回収部１０７から水蒸気２０１、化学物質２０２またはドーパント２０５を除去するために、化学物質回収部１０７を加熱することも好ましい。化学物質回収部１０７を加熱する時、容器１０１の中へ清浄ガスを注入することが好ましい。清浄ガスは水蒸気２０１、化学物質２０２、ドーパント２０５を含まないことが好ましい。
【０２０４】
化学物質回収部１０７を加熱することにより水蒸気２０１、化学物質２０２、ドーパント２０５を除去するには、熱電素子を用いることが好ましい。熱電素子は第２冷却部１０８であることが好ましい。熱電素子を使えば冷却面と加熱面を容易に反転できるので便利である。また、回収工程と水蒸気２０１除去、化学物質２０２除去またはドーパント２０５除去のために同一の熱電素子を使えば、分析装置の小型化にも寄与できる。水蒸気２０１、化学物質２０２またはドーパント２０５が除去されたことを検出するには、化学物質検出部１１７を用いることが好ましいが、化学物質検出部３１０とは別の化学物質検出部を用いても良い。
【０２０５】
（実施の形態３）
図１１は、本発明の実施の形態３における静電噴霧装置の模式図である。図１１において、図１と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
【０２０６】
本実施の形態が実施の形態１と相違する点は、霧化電極部１０５の近傍に供給口１０９を設けることである。供給口１０９から、第１凝縮液２０４へドーパント２０５を直接的に添加しても良い。液状のドーパント２０５を第１凝縮液２０４へ供給しても良い。冷却されたドーパント２０５を供給しても良い。
【０２０７】
（実施の形態４）
図１２は、本発明の実施の形態４における静電噴霧装置の模式図である。図１２において、図１と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
【０２０８】
本実施の形態が実施の形態１と相違する点は、試料気体発生部３１２に供給口１０９を設けることである。ドーパント２０５は、試料気体発生部３１２の上流側から供給される。ドーパント２０５は試料気体２０３とともに容器１０１へ注入される。試料気体発生部３１２はバブラーでも良いし、サンプルバッグでも良いし、生体の呼吸器や循環器などでも良い。
【０２０９】
以下、実施例により本発明をより詳細に説明するが、以下の実施例は例示の目的にのみ用いられ、本発明を限定するために用いられてはならない。
【０２１０】
［実施例１］
容器１０１は、切削加工により厚み４ｍｍのアルミ板を用いて作製した。容器１０１は３８ｍｍ×３８ｍｍ×１８ｍｍの直方体とした。容器１０１の一部は、アクリル樹脂板で置き換え可能にした。容器の一部を透明材料とすることにより、凝縮液の形成過程などが観察できるためより好ましい。容器１０１の内壁は平滑に研磨し、ガス吸着を抑制するようにした。
【０２１１】
容器１０１は、蝶番３０１で開閉可能にした。
【０２１２】
注入口１０２を容器１０１に連通するように設けた。注入口１０２は外径１／８インチ、長さ５０ｍｍのステンレス管を用いた。注入口１０２は容器１０１の底面から１０ｍｍの位置に、容器１０１の底面に対して水平に設けた。
【０２１３】
排出口１０３を容器１０１の他端に設けた。排出口１０３は外径１／８インチ、長さ５０ｍｍのステンレス管を用いた。排出口１０３は容器１０１の底面から４ｍｍの位置に、容器１０１の底面に対して水平に設けた。
【０２１４】
冷却部１０４として熱電素子を容器１０１の一端に設けた。冷却部１０４を容器１０１に一箇所設けた。冷却部１０４の大きさは１４ｍｍ×１４ｍｍ×１ｍｍであった。冷却部１０４の最大吸熱は０．９Ｗ、最大温度差は６９℃であった。冷却部１０４の冷却面は、セラミックス材で被覆した。セラミックス材はその表面に微細な凹凸や多孔体構造を有するため、接触する物体を効率的に冷却することができる。
【０２１５】
冷却部１０４には放熱部３０３として放熱フィンを設けた。放熱部３０３の放熱フィンは切削加工によりアルミで作製し、フィンの枚数は６枚、フィンの大きさは１６ｍｍ×１５ｍｍ×１ｍｍであった。放熱部３０３の近傍に、放熱を促すための冷却ファン（ＫＤ１２０８ＰＴＢ２−６,ＳＵＮＯＮ）を設けた。
【０２１６】
冷却部１０４と容器１０１の間に断熱部３０４を設けた。断熱部３０４として、厚み１ｍｍのラバーフィルムを用いた。ラバーフィルムの一部には霧化電極部１０５を貫通させるための孔を設けた。孔の直径は１ｍｍであった。
【０２１７】
霧化電極部１０５を冷却部１０４の一端に設けた。容器１０１の内部に、霧化電極部１０５としてステンレス製針を設けた。ステンレス製針の長さは３ｍｍ、直径は最も太い部分で０．７９ｍｍ、最も細い部分で０．５ｍｍであった。またステンレス製針の先端には直径０．７２ｍｍの球を設け、安定して第１帯電微粒子化工程を行なえるようにした。霧化電極部１０５と冷却部１０４の間には熱伝導グリース（ＳＣＨ−２０、サンハヤト）を塗布した。
【０２１８】
霧化電極部１０５には、絶縁部３０５として、直径１０ｍｍ、厚み３ｍｍのテフロン（登録商標）製の円板を設けた。絶縁部３０５の中心部には、直径４ｍｍ、深さ１ｍｍの凹構造を設けた。
【０２１９】
対向電極部１０６は、霧化電極部１０５の先端から３ｍｍ離れたところに設けた。対向電極部１０６として、外径１２ｍｍ、内径８ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの円環状のステンレス板を用いた。
【０２２０】
化学物質回収部１０７を容器１０１の他端に設けた。容器１０１の内部に、化学物質回収部１０７としてステンレス製針を設けた。ステンレス製針の長さは３ｍｍ、直径は最も太い部分で０．７９ｍｍ、最も細い部分で０．５ｍｍであった。またステンレス製針の先端を先鋭に研磨して、化学物質の回収を効率的に行なえるようにした。
【０２２１】
化学物質回収部１０７には第２絶縁部３０６として、直径１０ｍｍ、厚み３ｍｍのテフロン（登録商標）製の円板を設けた。第２絶縁部３０６の中心部には、直径４ｍｍ、深さ１ｍｍの凹構造を設けた。
【０２２２】
化学物質回収部１０７の一端には第２冷却部１０８を設けた。第２冷却部１０８の大きさは１４ｍｍ×１４ｍｍ×１ｍｍであった。第２冷却部１０８の最大吸熱は０．９Ｗ、最大温度差は６９℃であった。第２冷却部１０８の冷却面は、セラミックス材で被覆した。セラミックス材はその表面に微細な凹凸や多孔体構造を有するため、接触する物体を効率的に冷却することができる。
【０２２３】
第２冷却部１０８には第２放熱部３０７として放熱フィンを設けた。第２放熱部３０７の放熱フィンは切削加工によりアルミで作製し、フィンの枚数は６枚、フィンの大きさは１６ｍｍ×１５ｍｍ×１ｍｍであった。第２放熱部１１４の近傍に、放熱を促すために、冷却ファン（ＫＤ１２０８ＰＴＢ２−６,ＳＵＮＯＮ）を設けた。
【０２２４】
第２冷却部１０８と容器１０１の間に、第２断熱部３０８として厚み１ｍｍのラバーフィルムを設けた。ラバーフィルムの一部には霧化電極部１０５を貫通させるための孔を設けた。孔の直径は１ｍｍであった。
【０２２５】
化学物質回収部１０７と第２冷却部１０８の間には熱伝導グリース（ＳＣＨ−２０、サンハヤト）を塗布した。
【０２２６】
なお、注入口１０２および排出口１０３には、それぞれバルブ１１２ａおよびバルブ１１２ｂを設けた。
【０２２７】
次に静電噴霧装置１００の操作手順を説明する。
【０２２８】
注入工程では、試料気体２０３を注入口１０２から容器１０１へ注入した。試料気体２０３として、マウス尿からの揮発性成分を含む窒素ガスを用いた。試料気体２０３の調製方法は以下の通りである。
【０２２９】
まず、マウス尿０．２ｍＬを１ｍＬのガラス製バイアル瓶に充填する。そしてバイアル瓶には窒素ガス導入口と排出口を設けた。窒素ガス導入口から窒素ガス（純度９９．９９％）を導入し、マウス尿へ吹き付けた。窒素ガスは純水１００ｍＬのバブラーを通過したものを用いた。マウス尿中の揮発性成分を含んだ窒素ガスを排出口から取り出し、試料気体２０３とした。ドーパント２０５として、０．３％酢酸（特級、Ｃａｔ−Ｎｏ．０１７−００２５６、和光純薬）をマウス尿へ混合した。
【０２３０】
試料気体２０３の容器１０１への注入速度は５００ｓｃｃｍであった。試料気体２０３の温度は室温（２２℃）であった。
【０２３１】
注入工程において試料気体２０３を容器１０１へ注入する前には、容器１０１の内部には乾燥窒素ガスを満たしておいた。
【０２３２】
注入工程において、余剰な試料気体２０３は排出口１０３を通じて排出した。
【０２３３】
注入工程において、容器１０１の内部は大気圧とした。
【０２３４】
第１凝縮液生成工程では、熱電素子により霧化電極部１０５を１５℃に冷却した。
【０２３５】
霧化電極部１０５の外周面には、熱電素子を動作した５秒後に、第１凝縮液２０４が形成された。第１凝縮液２０４の形成初期段階では直径１０μｍ以下の液滴であった。時間の経過とともに液滴は成長し、第１凝縮液２０４により霧化電極部１０５の全面が覆われた。霧化電極部１０５の外周面における第１凝縮液２０４の形成は、マイクロスコープ（ＫＥＹＥＮＣＥ社製、ＶＨ−６３００）を用いて観察した。図１３は霧化電極部１０５の外周面に、第１凝縮液２０４が形成された様子を示す写真である。第１凝縮液生成工程において、図１３に示すように、霧化電極部１０５の外周面に第１凝縮液の液滴４０１が形成された。
【０２３６】
次に、第１帯電微粒子化工程では、第１凝縮液２０４を多数の第１帯電微粒子２０６にした。第１帯電微粒子化工程は静電噴霧により行なった。なお、前述の実施の形態１でも述べたように、静電噴霧の初期段階でコロナ放電が発生するが、本発明の第１帯電微粒子化工程にはこれも含めても良い。
【０２３７】
第１帯電微粒子２０６の直径は、帯電微粒子の安定性の観点から、２ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることが好ましい。第１帯電微粒子２０６は１個ずつ単独で存在することが好ましいが、複数個が結合していても良い。なお本発明では、第１帯電微粒子２０６の形状は限定されない。球形であっても良いし、扁平形であっても良いし、紡錘形であっても良い。
【０２３８】
霧化電極部１０５と対向電極部１０６の間にはＤＣ５ｋＶを印加した。霧化電極部１０５を陰極、対向電極部１０６をＧＮＤ電極とした。霧化電極部１０５を陽極、対向電極部１０６をＧＮＤ電極としても同様の効果が得られるが、この場合には第１帯電微粒子化工程は比較的不安定であった。
【０２３９】
第１帯電微粒子化工程では、霧化電極部１０５の先端にテーラーコーンと呼ばれる円錐形の水柱が形成された。テーラーコーンの先端から、化学物質２０２を含む多数の第１帯電微粒子２０６が放出された。図１４は、テーラーコーン４０２および第１帯電微粒子２０６の生成を説明する図である。第１凝縮液２０４は、霧化電極部１０５の先端方向へと順次搬送された。図１４(ａ)に示すように、テーラーコーン４０２は霧化電極部１０５の先端に形成された。図１４（ｂ）は、図１４（ａ）のマイクロスコープ写真をトレースしたものである。テーラーコーン４０２の最先端すなわち電界が集中する場所から第１帯電微粒子２０６が放出された。本実施例では試料気体２０３を注入し始めてから７秒後にはテーラーコーン４０２が形成された。
【０２４０】
第１帯電微粒子化工程では、霧化電極部１０５と対向電極部１０６の間に流れる電流をモニターした。過剰な電流が流れた場合には、霧化電極部１０５と対向電極部１０６との間の電圧印加を中断または印加電圧を減少させた。
【０２４１】
第２帯電微粒子化工程では、第１帯電微粒子２０６と試料気体２０３を混合した。第２帯電微粒子化工程を行なうために、対向電極部１０６および容器１０１の内壁に向けて、試料気体２０３を衝突させた。対向電極部１０６および容器１０１の内壁へ試料気体２０３を衝突させることにより、第１帯電微粒子２０６と試料気体２０３を効率的に混合できる。試料気体２０３の容器１０１への注入速度は５００ｓｃｃｍであった。
【０２４２】
回収工程では、化学物質回収部１０７へ、第１帯電微粒子２０６および第２帯電微粒子３１１を静電気力により回収した。対向電極部１０６に対して化学物質回収部１０７へ、＋５００Ｖの電圧を印加した。回収工程は、注入工程、第１凝縮液生成工程、第１帯電微粒子化工程、第２帯電微粒子化工程と並行して行なった。第１帯電微粒子２０６および第２帯電微粒子３１１の寿命の観点から、第１帯電微粒子化工程と第２帯電微粒子化工程を開始後、遅くとも１０分以内に回収工程を行なうことが好ましい。
【０２４３】
回収工程では、化学物質回収部１０７において、第１帯電微粒子２０６および第２帯電微粒子３１１を冷却凝縮した。化学物質回収部１０７の温度は１５℃であった。注入工程を開始後６分後には、化学物質回収部１０７において１．５μＬの回収液２０７を得た。なお、回収した帯電微粒子は、液状にすることが最も好ましいが、霧状のままでもよい。第１帯電微粒子２０６と第２帯電微粒子３１１は、水溶液やゲルに溶解しても良い。
【０２４４】
図１５は、化学物質回収部１０７における回収液２０７のマイクロスコープ写真である。化学物質回収部１０７の外周面に、回収液２０７の液滴を観察できた。
【０２４５】
回収工程では、得られた回収液２０７をハミルトンシリンジ（８０２Ｎ ２５μＬ ＨＡＭＩＬＴＯＮ）により１μＬ採取した。採取した回収液２０７をガスクロマトグラフィ装置へ導入し、化学物質２０２の分析を行なった。
【０２４６】
ガスクロマトグラフィ装置はＧＣ−４０００（ジーエルサイエンス）を用いた。分析カラムにはキャピラリカラム（Ｉｎｅｒｔ Ｃａｐ Ｐｕｒｅ ＷＡＸ）を用いた。キャピラリカラムの内径は０．２５ｍｍ、長さは３０ｍ、ｄｆは０．２５μｍであった。キャリアガスはヘリウムであった。オーブン温度は開始温度４０℃、昇温速度４℃／分、最終温度２００℃とした。インジェクション温度および水素炎イオン化検出器（ＦＩＤ）温度はそれぞれ２５０℃とした。
【０２４７】
図１６は、回収液２０７を分析した結果を示す。図１６において、濃縮前と記載されたクロマトグラムは、２５μＬの試料気体２０３を分析した結果である。図１６において、濃縮後（ドーパントなし）と記載されたクロマトグラムは、ドーパント２０５を試料気体２０３に混合せずに、静電噴霧装置１００を動作させて得た１μＬの回収液２０７を分析した結果である。図１６において、濃縮後（ドーパントあり）と記載されたクロマトグラムは、ドーパント２０５を試料気体２０３へ混合して、静電噴霧装置１００を動作させて得た１μＬの回収液２０７を分析した結果である。図１６において、濃縮前のクロマトグラムのピークよりも濃縮後（ドーパントなし）のクロマトグラムのピークの方が大きい場合があった。この結果は、試料気体２０３に含まれる化学物質２０２が濃縮されていることを表している。図１６において、濃縮前のクロマトグラムのピークよりも濃縮後（ドーパントなし）のクロマトグラムのピークの方が大きかった。この結果は、試料気体２０３に含まれる化学物質２０２が濃縮されていることを表している。図１６において、濃縮前のクロマトグラムのピークよりも濃縮後（ドーパントあり）のクロマトグラムのピークの方が大きかった。この結果は、試料気体２０３に含まれる化学物質２０２が濃縮されていることを表している。試料気体２０３へドーパント２０５を加えた場合は、試料気体２０３へドーパント２０５を加えない場合に比べて、より濃縮される化学物質２０２があった。
【０２４８】
また、図１７は図１６の分析結果の一部を拡大した図である。図１７には、ドーパント２０５のクロマトグラムをリファレンスとして記載した。静電噴霧装置１００により、試料気体２０３中の化学物質２０２を濃縮した。試料気体２０３へドーパント２０５を混合することにより、試料気体２０３中の化学物質２０２をより効率的に濃縮した。試料気体２０３へドーパント２０５を混合した場合、試料気体２０３の化学物質２０２を１２５０倍に濃縮した。
【０２４９】
回収工程では、化学物質回収部１０７を容器１０１から取り外した。取り外した化学物質回収部１０７をメタノールで洗浄した。
【０２５０】
回収工程では、化学物質２０２を除去するために、霧化電極部１０５を加熱した。霧化電極部１０５の加熱には、熱電素子を用いた。なお、この熱電素子は第１凝縮液生成工程において霧化電極部１０５を冷却した時と同一のものを用いた。霧化電極部１０５を加熱する時、熱電素子に加える電圧の極性は、霧化電極部１０５を冷却した時と反転した。
【０２５１】
回収工程では、化学物質２０２を除去するために、霧化電極部１０５は乾燥窒素ガスの気流下で行った。これにより迅速に霧化電極部１０５から化学物質２０２の除去を行なうことができた。乾燥窒素ガスは注入口１０３から導入した。
【０２５２】
回収工程では、化学物質回収部１０７の除電を行なった。除電は化学物質回収部１０７を接地することで行なった。
【０２５３】
第１帯電微粒子化工程および第２帯電微粒子化工程において、霧化電極部１０５と対向電極部１０６の間に流れる電流をモニターした。過剰な電流が流れた時には、霧化電極部１０５と対向電極部１０６の間の電圧印加を中断した。
【０２５４】
なお、容器１０１を設けた場合と、容器１０１を設けない場合を比較したところ、容器１０１を設けた方がより効率的に試料気体２０３を濃縮できた。
【０２５５】
本実施例に示すように、ネブライザガスおよび一次イオン発生用ガスを用いずとも、静電噴霧装置により、簡便かつ効率的に化学物質を濃縮できた。
【０２５６】
（実施例２）
本実施例では、実施例１と同じ構成要素については説明を省略する。
【０２５７】
本実施例において実施例１と相違する点は、ドーパント２０５の種類が異なる点である。本実施例において、酢酸よりも電子親和力が大きいとされる酸素をドーパント２０５として用いた。また、本実施例において実施例１と相違する点は、試料気体２０３へのドーパント２０５の混合方法である。試料気体２０３へドーパント２０５を混合するために、ドーパント容器を用いた。
【０２５８】
次に静電噴霧装置１００の操作手順を説明する。
【０２５９】
注入工程では、試料気体２０３を注入口１０２から容器１０１へ注入した。試料気体２０３として、マウス尿からの揮発性成分を含む窒素ガスを用いた。試料気体２０３の調製方法は以下の通りである。まず、マウス尿０．２ｍＬを１ｍＬのガラス製バイアル瓶に充填する。そしてバイアル瓶には窒素ガス導入口と排出口を設けた。窒素ガス導入口から窒素ガス（純度９９．９９％）を導入し、マウス尿へ吹き付けた。窒素ガスは純水１００ｍＬのバブラーを通過したものを用いた。窒素ガスの流速は４９５ｓｃｃｍであった。マウス尿中の揮発性成分を含んだ窒素ガスを排出口から取り出し、試料気体２０３とした。
【０２６０】
ドーパント容器により酸素ガスを試料気体２０３へ混合した。酸素ガスの流量は５ｓｃｃｍであった。
【０２６１】
試料気体２０３およびドーパント２０５の温度は室温（２２℃）であった。
【０２６２】
注入工程において試料気体２０３を容器１０１へ注入する前には、容器１０１の内部には乾燥窒素ガスを満たしておいた。
【０２６３】
注入工程において、余剰な試料気体２０３は排出口１０３を通じて排出した。
【０２６４】
注入工程において、容器１０１の内部は大気圧とした。
【０２６５】
第１凝縮液生成工程では、熱電素子により霧化電極部１０５を１５℃に冷却した。
【０２６６】
霧化電極部１０５の外周面には、熱電素子を動作した５秒後に、第１凝縮液２０４が形成された。第１凝縮液２０４の形成初期段階では直径１０μｍ以下の液滴であった。時間の経過とともに液滴は成長し、第１凝縮液２０４により霧化電極部１０５の全面が覆われた。
【０２６７】
次に、第１帯電微粒子化工程では、第１凝縮液２０４を多数の第１帯電微粒子２０６にした。第１帯電微粒子化工程は静電噴霧により行なった。なお、前述の実施の形態１でも述べたように、静電噴霧の初期段階で、コロナ放電が発生するが、本発明の第１帯電微粒子化工程にはこれも含めても良い。
【０２６８】
第１帯電微粒子２０６の直径は、帯電微粒子の安定性の観点から、２ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることが好ましい。第１帯電微粒子２０６は１個ずつ単独で存在することが好ましいが、複数個が結合していても良い。なお本発明では、第１帯電微粒子２０６の形状を限定しない。球形であっても良いし、扁平形であっても良いし、紡錘形であっても良い。
【０２６９】
霧化電極部１０５と対向電極部１０６の間にはＤＣ５ｋＶを印加した。霧化電極部１０５を陰極、対向電極部１０６をＧＮＤ電極とした。霧化電極部１０５を陽極、対向電極部１０６をＧＮＤ電極としても同様の効果が得られるが、この場合には第１帯電微粒子化工程は比較的不安定であった。
【０２７０】
第１帯電微粒子化工程では、霧化電極部１０５の先端にテーラーコーンと呼ばれる円錐形の水柱が形成された。テーラーコーンの先端から、化学物質２０２を含む多数の第１帯電微粒子２０６が放出された。テーラーコーン４０２の最先端すなわち電界が集中する場所から第１帯電微粒子２０６が放出された。本実施例では試料気体２０３を注入し始めてから７秒後にはテーラーコーン４０２が形成された。
【０２７１】
第１帯電微粒子化工程では、霧化電極部１０５と対向電極部１０６の間に流れる電流をモニターした。過剰な電流が流れた場合には、霧化電極部１０５と対向電極部１０６との間の電圧印加を中断または印加電圧を減少させた。
【０２７２】
第２帯電微粒子化工程では、第１帯電微粒子２０６と試料気体２０３を混合した。第２帯電微粒子化工程を行なうために、対向電極部１０６および容器１０１の内壁に向けて、試料気体２０３を衝突させた。対向電極部１０６および容器１０１の内壁へ試料気体２０３を衝突させることにより、第１帯電微粒子２０６と試料気体２０３を効率的に混合できる。試料気体２０３の容器１０１への注入速度は５００ｓｃｃｍであった。
【０２７３】
回収工程では、化学物質回収部１０７へ、第１帯電微粒子２０６および第２帯電微粒子３１１を静電気力により回収した。対向電極部１０６に対して化学物質回収部１０７へ＋５００Ｖの電圧を印加した。回収工程は、注入工程、第１凝縮液生成工程、第１帯電微粒子化工程、第２帯電微粒子化工程と並行して行なった。第１帯電微粒子２０６および第２帯電微粒子３１１の寿命の観点から、第１帯電微粒子化工程と第２帯電微粒子化工程を開始後、遅くとも１０分以内に回収工程を行なうことが好ましい。
【０２７４】
回収工程では、化学物質回収部１０７において、第１帯電微粒子２０６および第２帯電微粒子３１１を冷却凝縮した。化学物質回収部１０７の温度は１５℃であった。注入工程を開始後６分後には、化学物質回収部１０７において１．５μＬの回収液２０７を得た。なお、回収した帯電微粒子は、液状にすることが最も好ましいが、霧状のままでもよい。液体状にするには、帯電微粒子を冷却凝縮しても良いし、水溶液やゲルに溶解しても良い。
【０２７５】
回収工程では、得られた回収液２０７をハミルトンシリンジ（８０２Ｎ ２５μＬ ＨＡＭＩＬＴＯＮ）により１μＬ採取した。採取した回収液２０７をガスクロマトグラフィ装置へ導入し、化学物質２０２の分析を行なった。
【０２７６】
ガスクロマトグラフィ装置はＧＣ−４０００（ジーエルサイエンス）を用いた。分析カラムにはキャピラリカラム（Ｉｎｅｒｔ Ｃａｐ Ｐｕｒｅ ＷＡＸ）を用いた。キャピラリカラムの内径は０．２５ｍｍ、長さは３０ｍ、ｄｆは０．２５μｍであった。キャリアガスはヘリウムであった。オーブン温度は開始温度４０℃、昇温速度４℃／分、最終温度２００℃とした。インジェクション温度および水素炎イオン化検出器（ＦＩＤ）温度はそれぞれ２５０℃とした。
【０２７７】
回収液２０７を分析した結果を図１８に示す。図１８において、濃縮前と記載されたクロマトグラムは、２５μＬの試料気体２０３を分析した結果であり、濃縮後（窒素１００％）と記載されたクロマトグラムは、ドーパント２０５を試料気体２０３に混合せずに、静電噴霧装置１００を動作させて得た１μＬの回収液２０７を分析した結果である。また、図１８において、濃縮後（窒素：酸素＝９９：１）と記載されたクロマトグラムは、ドーパント２０５を試料気体２０３へ混合して、静電噴霧装置１００を動作させて得た１μＬの回収液２０７を分析した結果である。
【０２７８】
図１８において、濃縮前のクロマトグラムのピークよりも濃縮後（窒素１００％）のクロマトグラムのピークの方が大きい場合があった。この結果は、試料気体２０３に含まれる化学物質２０２が濃縮されていることを表している。濃縮前のクロマトグラムのピークよりも濃縮後（窒素１００％）のクロマトグラムのピークの方が大きかったが、この結果は、試料気体２０３に含まれる化学物質２０２が濃縮されていることを表している。また、濃縮前のクロマトグラムのピークよりも濃縮後（窒素：酸素＝９９：１）のクロマトグラムのピークの方が大きかったが、この結果は、試料気体２０３に含まれる化学物質２０２が濃縮されていることを表している。
【０２７９】
試料気体２０３へドーパント２０５を加えた場合は、試料気体２０３へドーパント２０５を加えない場合に比べて、より濃縮される化学物質２０２があった。試料気体２０３へドーパント２０５を混合した場合、試料気体２０３の化学物質２０２を１７００倍に濃縮した。
【０２８０】
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施の形態が明らかである。したがって、上記説明は例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造および／または機能の詳細を実質的に変更できる。
【産業上の利用可能性】
【０２８１】
本発明にかかる試料気体濃縮方法は、簡便で効率的な極微量分析が可能な質量分析装置へ適用可能である。生体分子分析装置、大気汚染物質分析装置など環境、食品、住宅、自動車、警備分野などへ利用することができる。呼気診断装置、ストレス計測器などの医療分野、ヘルスケア分野などへ利用することができる。
【符号の説明】
【０２８２】
１ 一次イオン発生用Ａｒガス
２ 試料ガス
１０ ＡＰＩＭＳ
１１ 質量分析部
１５ イオン発生部
１９ 針電極
３０ 混合部
１００ 静電噴霧装置
１０１ 容器
１０２ 注入口
１０３ 排出口
１０４ 冷却部
１０５ 霧化電極部
１０６ 対向電極部
１０７ 化学物質回収部
１０８ 第２冷却部
１０９ 供給部
１１０ バルブ
１１１ ミキサー
１１２ａ、１１２ｂ バルブ
２０１ 水蒸気
２０２、２０２ａ、２０２ｂ 化学物質
２０３ 試料気体
２０４ 第１凝縮液
２０５ ドーパント
２０６ 第１帯電微粒子
２０７ 回収液
３０１ 蝶番
３０２ 障壁
３０３ 放熱部
３０４ 断熱部
３０５ 絶縁部
３０６ 第２絶縁部
３０７ 第２放熱部
３０８ 第２断熱部
３０９ 化学物質搬送部
３１０ 化学物質検出部
３１１ 第２帯電微粒子
３１２ 試料気体発生部
４０１ 液滴
４０２ テーラーコーン
【特許請求の範囲】
【請求項１】
静電噴霧装置を用いた化学物質濃縮方法であって、
前記静電噴霧装置は、
容器と、
前記容器に連通する試料気体の注入口と、
前記容器の一端に設けられた冷却部と、
前記冷却部の一端に設けられた霧化電極部と、
前記容器の内部に設けられた対向電極部と、
前記容器の他端に設けられた化学物質回収部と、
前記容器に連通するドーパントの供給口とを備え、
前記試料気体は水蒸気と化学物質を含み、
前記水蒸気の露点温度以下において、前記化学物質は前記水蒸気とともに凝縮液を形成する物質であって、
前記ドーパントは前記凝縮液へ溶解する物質であって、
前記ドーパントの電気親和力は水の電子親和力よりも大きく、
前記方法は、
前記注入口から前記試料気体を前記容器へ注入する注入工程と、
前記冷却部により前記霧化電極部を冷却して、前記霧化電極部の外周面において前記試料気体を第１凝縮液にする第１凝縮液生成工程と、
前記供給口から前記ドーパントを前記容器へ供給する供給工程と、
前記ドーパントを前記霧化電極部の外周面において冷却するドーパント冷却工程と、
前記第１凝縮液へ前記ドーパントを溶解する溶解工程と、
前記霧化電極部と前記対向電極部との間に電圧を印加して、前記第１凝縮液を帯電微粒子にする帯電微粒子化工程と、
前記対向電極部と前記化学物質回収部との間に電圧を印加して、前記帯電微粒子を前記化学物質回収部へ回収する回収工程と
を包含する化学物質濃縮方法。
【請求項２】
前記ドーパントは極性有機化合物であることを特徴とする請求項１に記載の化学物質濃縮方法。
【請求項３】
前記ドーパントは有機酸であることを特徴とする請求項１に記載の化学物質濃縮方法。
【請求項４】
前記ドーパントは酢酸であることを特徴とする請求項１に記載の化学物質濃縮方法。
【請求項５】
前記ドーパントは酸素であることを特徴とする請求項１に記載の化学物質濃縮方法。
【請求項６】
前記第１凝縮液中の前記ドーパントの濃度は、前記第１凝縮液中の前記化学物質の濃度よりも高いことを特徴とする請求項１に記載の化学物質濃縮方法。
【請求項７】
前記容器は試料気体が衝突する位置に障壁を備えることを特徴とする請求項１に記載の化学物質濃縮方法。
【請求項８】
前記試料気体は極性有機溶媒を含むことを特徴とする請求項１に記載の化学物質濃縮方法。
【請求項９】
前記化学物質は極性有機化合物であることを特徴とする請求項１に記載の化学物質濃縮方法。
【請求項１０】
前記化学物質は揮発性有機化合物であることを特徴とする請求項１に記載の化学物質濃縮方法。
【請求項１１】
前記帯電微粒子を赤外光により加熱することを特徴とする請求項１に記載の化学物質濃縮方法。
【請求項１２】
前記容器は光導波路を備えることを特徴とする請求項１に記載の化学物質濃縮方法。
【請求項１３】
前記静電噴霧装置に化学物質検出部を設けることを特徴とする請求項１に記載の化学物質濃縮方法。
【請求項１】
静電噴霧装置を用いた化学物質濃縮方法であって、
前記静電噴霧装置は、
容器と、
前記容器に連通する試料気体の注入口と、
前記容器の一端に設けられた冷却部と、
前記冷却部の一端に設けられた霧化電極部と、
前記容器の内部に設けられた対向電極部と、
前記容器の他端に設けられた化学物質回収部と、
前記容器に連通するドーパントの供給口とを備え、
前記試料気体は水蒸気と化学物質を含み、
前記水蒸気の露点温度以下において、前記化学物質は前記水蒸気とともに凝縮液を形成する物質であって、
前記ドーパントは前記凝縮液へ溶解する物質であって、
前記ドーパントの電気親和力は水の電子親和力よりも大きく、
前記方法は、
前記注入口から前記試料気体を前記容器へ注入する注入工程と、
前記冷却部により前記霧化電極部を冷却して、前記霧化電極部の外周面において前記試料気体を第１凝縮液にする第１凝縮液生成工程と、
前記供給口から前記ドーパントを前記容器へ供給する供給工程と、
前記ドーパントを前記霧化電極部の外周面において冷却するドーパント冷却工程と、
前記第１凝縮液へ前記ドーパントを溶解する溶解工程と、
前記霧化電極部と前記対向電極部との間に電圧を印加して、前記第１凝縮液を帯電微粒子にする帯電微粒子化工程と、
前記対向電極部と前記化学物質回収部との間に電圧を印加して、前記帯電微粒子を前記化学物質回収部へ回収する回収工程と
を包含する化学物質濃縮方法。
【請求項２】
前記ドーパントは極性有機化合物であることを特徴とする請求項１に記載の化学物質濃縮方法。
【請求項３】
前記ドーパントは有機酸であることを特徴とする請求項１に記載の化学物質濃縮方法。
【請求項４】
前記ドーパントは酢酸であることを特徴とする請求項１に記載の化学物質濃縮方法。
【請求項５】
前記ドーパントは酸素であることを特徴とする請求項１に記載の化学物質濃縮方法。
【請求項６】
前記第１凝縮液中の前記ドーパントの濃度は、前記第１凝縮液中の前記化学物質の濃度よりも高いことを特徴とする請求項１に記載の化学物質濃縮方法。
【請求項７】
前記容器は試料気体が衝突する位置に障壁を備えることを特徴とする請求項１に記載の化学物質濃縮方法。
【請求項８】
前記試料気体は極性有機溶媒を含むことを特徴とする請求項１に記載の化学物質濃縮方法。
【請求項９】
前記化学物質は極性有機化合物であることを特徴とする請求項１に記載の化学物質濃縮方法。
【請求項１０】
前記化学物質は揮発性有機化合物であることを特徴とする請求項１に記載の化学物質濃縮方法。
【請求項１１】
前記帯電微粒子を赤外光により加熱することを特徴とする請求項１に記載の化学物質濃縮方法。
【請求項１２】
前記容器は光導波路を備えることを特徴とする請求項１に記載の化学物質濃縮方法。
【請求項１３】
前記静電噴霧装置に化学物質検出部を設けることを特徴とする請求項１に記載の化学物質濃縮方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公表番号】特表２０１２−５１６９９１（Ｐ２０１２−５１６９９１Ａ）
【公表日】平成２４年７月２６日（２０１２．７．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５４７３９３（Ｐ２００９−５４７３９３）
【出願日】平成２１年９月８日（２００９．９．８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００９／０６５９８５
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／０９５２９８
【国際公開日】平成２２年８月２６日（２０１０．８．２６）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２４年７月２６日（２０１２．７．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月８日（２００９．９．８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００９／０６５９８５
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／０９５２９８
【国際公開日】平成２２年８月２６日（２０１０．８．２６）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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