流体分離装置、気体分離装置及びそれを用いた検出装置
【課題】 分離膜を用いることなく流体試料または気体試料から特定の流体又は特定の気体を分離させることができる流体分離装置、気体分離装置及びそれを用いた検出装置を提供すること。
【解決手段】 流体分離装置１２は、第１流体試料Ａを保持する保持部材１００と、保持部材に特定波長の光を照射する光源１１０と、を有する。第１流体試料Ａが特定物質を含むとき、特定物質が特定波長帯域の光を吸収する吸収率の最大値Ｌ１と、特定物質以外の第１流体試料中の他の物質が特定波長帯域の光を吸収する吸収率Ｌ２は、Ｌ１＞Ｌ２を満足し、かつ、保持部材が特定波長帯域の光を吸収する吸収率Ｌ３は、Ｌ３＜Ｌ１を満足する。
【解決手段】 流体分離装置１２は、第１流体試料Ａを保持する保持部材１００と、保持部材に特定波長の光を照射する光源１１０と、を有する。第１流体試料Ａが特定物質を含むとき、特定物質が特定波長帯域の光を吸収する吸収率の最大値Ｌ１と、特定物質以外の第１流体試料中の他の物質が特定波長帯域の光を吸収する吸収率Ｌ２は、Ｌ１＞Ｌ２を満足し、かつ、保持部材が特定波長帯域の光を吸収する吸収率Ｌ３は、Ｌ３＜Ｌ１を満足する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体分離装置、気体分離装置及びそれを用いた検出装置等に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、医療診断や飲食物の検査などに用いられるセンサーの需要が増大しており、小型でかつ高感度にセンシング可能なセンサー技術の開発が求められている。特に気体を検出する分野では半導体センサーによる測定法をはじめ、水晶発振子マイクロバランス測定法、表面プラズモン共鳴を利用したセンサーを用いた測定法などが提案されている。
【０００３】
これら測定法は測定部へ検出物質が付着することで生じる電気的・機械的・光学的特性の変化により検出を行うが、検出対象の物質以外によっても特定の変化が生じてしまう。したがって、複数の物質が含まれるような混合気体から特定の物質を検出することは困難で、混合気体から検出物質を分離することが必要とされる。
また一方で、ラマン分光のような物質の同定が可能な測定法も用いられる。この測定方法では物質に励起光を照射した際に、励起光から物質の分子振動エネルギーに対応する分の波長がシフトした散乱光（ラマン散乱光）を分光検出し、分子指紋スペクトルを得る。この分子指紋スペクトルの形状は物質ごと固有であるため、測定対象物質を同定することが可能となる。しかし、混合物の測定ではこの指紋スペクトルは重畳し、その解析は大変困難になる。
【０００４】
したがって、これらの測定を行う前に、混合気体から特定の気体を分離させる装置が必要とされている。
【０００５】
混合流体物から特定の流体を分離する方法として、分離膜を用いた方法がある（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２００３−５３０９９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１の技術によれば、流体混合物が吸着された多孔質吸着材を加熱し、吸着材と接する分離膜が流体混合物中の特定の物質を透過することで、流体混合物中から特定物質を分離している。
【０００８】
しかし、分離膜として使用する材料として、特定の物質を選択的に透過する材料を適切に選ぶ必要がある。また、検出すべき物質の種類によっては、適当な分離膜を確保できないこともある。
【０００９】
本発明の幾つかの態様は、分離膜を用いることなく流体試料または気体試料から特定の流体又は特定の気体を分離させることができる流体分離装置、気体分離装置及びそれを用いた検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
（１）本発明の一態様は、
第１流体試料を保持する保持部材と、
前記保持部材に特定波長の光を照射する光源と、
を有し、
前記第１流体試料が特定物質を含むとき、前記特定物質が前記特定波長帯域の光を吸収する吸収率Ｌ１と、前記特定物質以外の前記第１流体試料中の他の物質が前記特定波長帯域の光を吸収する吸収率Ｌ２は、Ｌ１＞Ｌ２を満足し、かつ、
前記保持部材が前記特定波長帯域の光を吸収する吸収率Ｌ３は、Ｌ３＜Ｌ１を満足する流体分離装置に関する。
【００１１】
本発明の一態様によれば、第１流体試料が保持された保持部材に対して光源から特定波長の光を照射すると、第１流体試料が特定物質を含むときには、主として特定物質が光エネルギーを吸収するので、保持部材からは特定物質が選択時に脱離する。第１流体試料中の特定物質以外の物質は、光エネルギーの吸収が特定物質よりも少ない。しかも、保持部材も光エネルギーの吸収が特定物質よりも少ないので、第１流体試料中の特定物質以外の物質が保持部材を介してエネルギーを付与されることが少ないからである。こうして、第１流体試料から特定物質の濃度又は分圧を高めて分離することができる。
【００１２】
（２）本発明の一態様では、Ｌ１−Ｌ２≧６０％で、かつ、Ｌ１−Ｌ３≧６０％とすることができる。特定波長の光に対する吸収率の差を上記の通り設定することで、第１流体試料から特定物質を分離する精度を高めることができる。
【００１３】
（３）本発明の一態様では、前記光源は、発光波長を可変とすることができる。こうすると、様々な特定物質に固有の特定波長の光を照射することができ、汎用性が高まる。
【００１４】
（４）本発明の一態様では、前記保持部材が収容される筐体と、前記筐体に設けられ導入口と、前記筐体に設けられた排気口と、前記筐体に接続された流路と、前記導入口または前記排気口の少なくとも一方に設けられたファンと、前記導入口、前記排気口及び前記流路にそれぞれ設けられた開閉弁と、をさらに有することができる。
【００１５】
こうすると、導入口及び排気口を開放し、流路を閉鎖した状態で、ファンを駆動することで、筐体内に第１流体試料を導入することができる。次に、ファンの駆動を停止すると共に導入口及び排気口を共に閉鎖することで、第１流体試料を保持部材に保持させることができる。さらにその後に、光源から特定波長の光を保持部材に照射することで、第１流体試料から特定物質を分離することができる。
【００１６】
（５）本発明の他の態様は、
前記第１流体試料が導入され、前記第１流体試料が前記特定物質を含むとき、前記第１流体試料より特定物質を分離して、前記特定物質の濃度を高めた第２流体試料を生成する（１）〜（４）のいずれかに記載の流体分離装置と、
前記第２流体試料が前記特定物質を含むとき、前記第２流体試料から前記特定物質を検出する検出部と、
を有する検出装置に関する。
【００１７】
本発明の他の態様では、上述した流体分離装置を検出部と接続することで、特定物質の濃度を高めた第２流体試料を検出部に導くことができ、検出部での検出精度を高めることができる。
【００１８】
（６）本発明のさらに他の態様は、
第１気体試料を吸着する吸着材と、
前記吸着材に特定波長の光を照射する光源と、
を有し、
前記第１気体試料が特定物質を含むとき、前記光源から前記特定波長の光を前記吸着材に照射することで、前記吸着材から脱離された第２気体試料中の前記特定物質の分圧を、前記第１気体試料中の前記特定物質の分圧よりも高くする気体分離装置に関する。
【００１９】
本発明のさらに他の態様では、保持部材を吸着材として吸着材に第１気体試料を吸着し、特定波長の光を吸着材に照射して、吸着材から特定物質を選択的に脱離させることができる。
【００２０】
（７）本発明のさらに他の態様は、
前記第１気体試料が導入され、前記第１気体試料が前記特定物質を含むとき、前記第１気体試料より前記特定物質を分離して、前記特定物質の分圧を高めた前記第２気体試料を生成する（６）に記載の気体分離装置と、
前記第２気体試料が前記特定物質を含むとき、前記第２気体試料から前記特定物質を検出する検出部と、
を有する検出装置に関する。本発明のさらに他の態様では、上述した気体離装置を検出部と接続することで、特定物質の分圧を高めた第２気体試料を検出部に導くことができ、検出部での検出精度を高めることができる。
【００２１】
（８）本発明のさらに他の態様は、
第１流体試料が導入され、前記第１流体試料が特定物質を含むとき、前記第１流体試料より前記特定物質を分離して、前記特定物質の濃度を高めた第２流体試料を生成する流体分離装置と、
前記第２流体試料が前記特定物質を含むとき、前記第２流体試料から前記特定物質を検出する検出部と、
を有し、
前記流体分離装置は、
前記第１流体試料を保持する保持部材と、
発光波長が可変であり、前記保持部材より前記特定物質を脱離させる波長の光を前記保持部材に照射する光源と、
を有する検出装置に関する。
【００２２】
本発明のさらに他の態様によれば、光源からの発光波長を、特定物質の種類に応じて特定物質に固有の波長に可変することができるので、検出部での精度の高い検出を複数の特定物質に対して適用することができ、汎用性が高まる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一態様に係る検出装置のブロック図である。
【図２】第１流体試料中の分離対象物質であるアセトンの赤外線吸収スペクトルを示す特性図である。
【図３】第１流体試料中の分離対象物質以外の物質であるエタノールの赤外線吸収スペクトルを示す特性図である。
【図４】第１流体試料中の分離対象物質以外の物質である水の赤外線吸収スペクトルを示す特性図である。
【図５】保持部材である珪酸アルミニウムの赤外線吸収スペクトルを示す特性図である。
【図６】特定波長の光を発する光源の一例を示す図である。
【図７】図６の光源に用いられるファブリペロー型フィルターを示す図である。
【図８】図７に示すフィルターの透過特性を示す図である。
【図９】保持部材の取付構造を示す図である。
【図１０】図１０（Ａ）は吸引部と光学デバイスの拡大断面図、図１０（Ｂ）及び図１０（Ｃ）は光学デバイスでの増強電場の形成を示す断面図及び平面図である。
【図１１】アセトンのラマンシフトを示す特性図である。
【図１２】検出部の全体概要を示すブロック図である。
【図１３】表面増強赤外分光法に用いられる光学デバイスの概略説明図である。
【図１４】図１３の光学デバイスに入射する赤外線の特性図である。
【図１５】図１３の光学デバイスにて反射される赤外線の特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお以下に説明する本実施形態は特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。
【００２５】
１．検出装置の基本構成
以下、本発明の一実施形態を、前置処理として流体分離装置と検出部とを備えた検出装置について説明する。
【００２６】
図１は、本実施形態の検出装置の構成例を示す。図１において、検出装置１０は、大別して、検出部１１と、検出部１１の前置処理部として機能する流体（気体）分離装置１２とを有する。流体分離装置１２は、複数種の液体（例えば水または水蒸気等）、気体（例えばアセトン、エタノール等）が混合された第１流体試料Ａが導入され、第１流体試料Ａから特定物質（試料分子、分離対象物質）を分離して、第１流体試料よりも試料分子の濃度または分圧よりも高い第２流体試料Ｂを生成する。この第２流体試料Ｂが流体分離装置１２より検出部１１に導出される。
【００２７】
検出部１１は、例えば、光学デバイス２０と、吸引部４０と、光源５０と、光検出部６０とを、筐体７０内に有する。光学デバイス２０と、光源５０及び／又は光検出部６０との間に、光学系３０を設けることができる。光学デバイス２０は、光源５０からの光が照射されることで、光学デバイス２０と接触する流体試料中の例えば特定物質（試料分子、分離対象物質）を反映した光を出射するものである。
【００２８】
吸引部４０は、例えば排気ファン４５０により第２流体試料Ｂを光学デバイス２０に吸引する。光源５０は、例えば光学系３０を構成する例えばハーフミラー３２０と対物レンズ３３０を介して、光学デバイス２０に光を照射する。光検出部６０は、光学デバイス２０に保持された特定物質（試料分子、分離対象物質）が反映された光を、ハーフミラー３２０及び対物レンズ３３０を介して検出する。検出部１１に詳細については後述する。
【００２９】
２．流体分離装置
２．１．流体分離装置の概要
流体分離装置１２について、図１を参照して説明する。この流体分離装置１２は、第１流体試料Ａを保持する保持部材１００と、保持部材１００に光を照射する光源１１０とを有する。具体的には、少なくとも保持部材１００が配置されるチャンバー（筐体）１２０が設けられている。なお、光源１１０はチャンバー１２０内に設けてもよいが、これに限定されない。光源１１０の発光波長に対して透明な材質の窓を介して、チャンバー１２０の外部に設けた光源１１０の光をチャンバー１２０内部に導入しても良い。
【００３０】
チャンバー１２０には、チャンバー１２０に第１流体試料Ａを導入する導入口１２１と、チャンバー１２０内に滞留させた流体を排気する排気口１２２と、保持部材１００から脱離される第２流体試料Ｂを検出部１１に送出する流路１２３とが設けられている。導入口１２１側には、第１流体試料Ａをチャンバー１２０へ送り込む導入ファン１３１と、導入口１１１を開閉する導入弁１４１が設けけられている。排気口１２２側には、排気口１２２を開閉する排気弁１４２が設けられている。流路１２３には、第２流体試料Ｂを検出部１１へ送出する導入ファン１３１と、流路１２３を開閉する流路弁１４３が設けけられている。なお、導入ファン１３１に代えて、排気口１２２に排気ファンを設けても良い。また、流路ファン１３３は排除しても良い。検出部１１が有する排気ファン４５０により流体分離装置１２内の流体試料を検出部１２に送出できるからである。
【００３１】
先ず、流路弁１４３を閉鎖し。導入弁１４１及び排気弁１４２を開放し、導入ファン１３１を駆動する。それにより、導入口１２１より第１流体試料Ａがチャンバー１２０内に導入される。その後、導入弁１４１及び排気弁１４２が閉鎖される。
【００３２】
チャンバー１２０内に配置された保持部材１００は、後述する通り例えば多孔質の吸着材を好適に用いることができ、チャンバー１２０内に導入された第１流体試料Ａを吸着することができる。
【００３３】
光源１１０は、保持部材１００に特定波長帯域の光、特に赤外線帯域の光を保持部材１００に対して照射する。この特定波長帯域の光とは、保持部材１００に保持された第１流体試料Ａ中の特定物質（試料分子、分離対象物質）に対して吸収率の高い波長の光である。また、特定波長帯域の光は、保持部材１００や第１流体試料Ａ中の特定物質（試料分子、分離対象物質）以外の流体による吸収率が低いものである。それにより、保持部材１００に保持された試料分子に効率的にエネルギーを付与し、試料分子を保持部材１００より脱離させる。試料分子の脱離によって、チャンバー１２０内には特定物質（試料分子、分離対象物質）の濃度または分圧が高い第２流体試料Ｂが生成される。
【００３４】
その後、流路弁１４３を開放し、流路ファン１３３を駆動して、流路１２３を介して、脱離した試料分子の濃度又は分圧が高められた第２流体試料Ｂを検出部１１に送出する。
【００３５】
２．２．流体分離動作の原理
分子を構成する原子は、その質量や相互位置、結合の強さなどに応じた振動を絶えず繰り返しており、これにより分子全体の重心移動や回転が生じる。このうち、双極子モーメントが変化するような振動では、電磁波と分子の間で相互作用を生じる。このような振動を有する分子に、光源１１０から特定波長帯域の光、特に赤外光を照射する。そうすると、赤外光の振動周期と原子の振動周期とが一致しない場合、赤外光は分子に吸収されず、そのまま透過する。しかし、外光の振動周期と原子の振動周期とが一致した場合には、赤外光は分子に吸収され、振動は基底状態から励起状態に変化する。したがって、物質はその分子構造により、吸収する赤外光の波長が異なる。
【００３６】
図２は、アセトン（ＣＨ３−ＣＯ−ＣＨ３）による赤外光の吸収スペクトルを示す特性図であり、横軸は波数（ｃｍ−１）を示し、縦軸は透過率を示す。図２に示すように、アセトンは１７４２ｃｍ−１にＣ＝Ｏ基に起因する特徴的な吸収ピークを有する。
【００３７】
図３はエタノール（ＣＨ３−ＣＨ２−ＯＨ）による赤外光の吸収スペクトルを示し、図４に水（Ｈ２Ｏ）による赤外光の吸収スペクトルを示す。図２〜図４の比較により明らかな通り、アセトンが吸収する１７４２ｃｍ−１の赤外光は、でエタノール及び水に対しては、透過率が８０％以上であり、ほとんど吸収されない。したがって、これら３種の物質が混合した気体に、１７４２ｃｍ−１の赤外光を入射すると、アセトンにのみに対して、脱離に必要なエネルギーを選択的に与えることができる。これにより、３種の混合流体から、特定の流体分子を分離できることが分かる。
【００３８】
次に、保持部材１００の赤外光に対する吸収率を検討する。本装置に用いられる保持部材１００は、第１流体試料Ａを保持できれば材質、形状は問わず、例えば上述の通り多孔質体を好適に用いることができる。この種の保持部材１００として、例えば、酸化アルミニウム類（ボーキサイト、アルミナ、珪酸アルミニウム）、ケイ酸塩（シリカゲル）、活性炭（骨炭、木炭、石炭）、ベンナイト、白土、ケイソウ土類（フラースアース、ベンナイト、酸処理白土、ケイソウ土）、ハイドロタルサイト類（ハイドロタルサイト）又はイオン交換樹脂（フェノール・ホルムアルデヒド樹脂、アミン・ホルムアルデヒド樹脂）の一種または二種以上の混合物を挙げることができる。
【００３９】
例えば、珪酸アルミニウムは無機多孔質物質であり、ガス等に対する吸着材として使用されている。図５は、珪酸アルミニウムの赤外吸収スペクトルを示す。珪酸アルミニウムは２８００ｃｍ−１〜１７００ｃｍ−１の赤外光において高い透過率を有していることがわかる。
【００４０】
このように、保持部材１００として例えば珪酸アルミニウムを用いると、この保持部材１００は１７４２ｃｍ−１の赤外光を吸収しない。このため、保持部材１００に光源１１０から１７４２ｃｍ−１の赤外光を照射しても、保持部材１００は加熱されない。つまり、保持部材１００は、吸着した分離対象物質（本例の場合、アセトン）以外の物質に熱を伝えず、分離対象物質のみにエネルギーを選択的に与えて、分離対象物質を脱離させることができる。
【００４１】
図２〜図５に基づいて、次のことが分かる。つまり、第１流体試料Ａが特定物質（例えばアセトン）を含むとき、特定物質が特定波長（例えば１７４２ｃｍ−１）の光を吸収する吸収率Ｌ１と、特定物質以外の第１流体試料中の他の物質（例えばエタノールや水）が特定波長帯域の光を吸収する吸収率Ｌ２は、Ｌ１＞Ｌ２を満足し、かつ、保持部材が特定波長帯域の光を吸収する吸収率Ｌ３は、Ｌ３＜Ｌ１を満足する。
【００４２】
図２〜図５に基づくとさらに、特定物質が特定波長（例えば１７４２ｃｍ−１）の光を吸収する吸収率Ｌ１は、Ｌ１＞９０％（図２参照）である。特定物質以外の第１流体試料中の他の物質が特定波長帯域の光を吸収する吸収率Ｌ２は、Ｌ２＞２０％である（図３及び図４参照）。保持部材が特定波長帯域の光を吸収する吸収率Ｌ３は、Ｌ３＜２０％（図５参照）。このことを踏まえると、Ｌ１−Ｌ２≧６０％で、かつ、Ｌ１−Ｌ３≧６０％であり、さらに好ましくはＬ１−Ｌ２≧７０％で、かつ、Ｌ１−Ｌ３≧７０％である。
【００４３】
２．３．発光波長が可変である光源
図６は、発光波長が可変である光源１１０を示している。図６において、この光源１１０は、分離対象物質が吸収する波長を含む広帯域の光を照射するランプ例えばカーボンランプ１１１が電源１１２に接続されている。ランプ１１１を保持する筐体１１３には、と、出射光をコリメートするためのレンズ１１４と、光学フィルター１１５と、ビームダンパー１１６と、ミラー１１７が保持されている。
【００４４】
光学フィルター１１５は、分離対象物質が吸収し、分離対象物質以外の物質が吸収しない波長にフィルタリングする。ビームダンパー１１６は、光学フィルター１１５で反射された光を遮光する。ミラー１１７は、光学フィルター１１５を通過した光を保持部材１００に向けて反射させる。
【００４５】
光学フィルター１１５は特定の波長を通過させるバンドパス型を用いる。物質に対して分離性能を上げるには、分離対象物質が吸収する波長のみを通過させることが望ましい。このため、通過させる波長帯はごく狭いほうが望ましく、そのピーク半値幅は１００ｃｍ−１以下が良い。
【００４６】
このような光学フィルター１１５の一つとして、ファブリペロー型のフィルターを挙げることができる。図７にファブリペロー型フィルターの構造例を示す。この光学フィルター１１５は、波長λにおいて屈折率ｎ１の高屈折率材１１５Ａと、屈折率ｎ２の低屈折率材１１５Ｂの２種の誘電体材料を、それぞれ膜厚λ／４ｎ１、λ／４ｎ２で積層した誘電体ミラーの間に、屈折率nの材料１１５Ｃをλ／４ｎの整数倍の膜厚である欠陥層を設けた構造である。この光学フィルター１１５は、波長λにおいて急峻な高い透過率ピークを示す。
【００４７】
このフィルター１１５を、保持部材１００に照射する赤外光の波長に対して透明な材料、たとえばシリコン、ゲルマニウム、酸化アルミニウム、石英、ゲルマニウム、セレン化亜鉛、硫化亜鉛、塩化ナトリウム、塩化カリウム、フッ化カルシウム、酸化マグネシウム、カルコゲナイトガラス等を用いて構成する。
【００４８】
例えば、ゲルマニウム(Ｇｅ、波長１７４２ｃｍ−１において屈折率ｎ＝１．７２３)と酸化マグネシウム(ＭｇＯ、波長１７４２ｃｍ−１において屈折率ｎ＝４．０１６)で、各膜厚ｄ＝４ｎ／λで、交互に２ペア積層した２つの誘電体ミラーの間に、ｄ＝２ｎ／λの厚さの欠陥層Ｇｅを挟んで光学フィルター１１５を形成する。この構造について、図８に透過特性を示す。図８では透過波長帯の半値幅は１０ｃｍ−１以下である。
【００４９】
また、光学フィルター１１５はチャンバー１２０に対して着脱可能に取り付けることができる。これにより分離対象物質を変更する際には分離対象物質の吸収ピークと光学フィルター１１５の透過率ピークを一致させるように、光学フィルター１１５の交換することで対応できる。これに代えて、例えばエタロンのように、分光波長を可変できる光学フィルターを採用してもよい。
【００５０】
２．４．着脱自在な保持部材
図９に保持部材１００の取付機構を示す。チャンバー１２０に対してスライド移動可能なスライダー１０１上に流体試料が通過できる例えばメッシュ状のバスケット１０２が固定され、保持部材１００がバスケット１０２に設置される。スライダー１０１がチャンバー１２０に当接する部分にシール材１０３が配置され、スライダー１０１がシール材１０３を挟んで押え金具１０４により閉鎖固定する。これにより、気密状態で保持部材１００をチャンバー１２０内に設置できる。また、押え金具１０４を解除すれば、スライダー１０１を引き出して保持部材１００を交換できる。
【００５１】
３．光検出の原理と構造の一例
図１０（Ａ）〜図１０（Ｃ）を用いて、流体分離装置１２より創出される第２流体試料（混合流体）Ｂ中の特定物質を反映した光検出原理の一例として、ラマン散乱光の検出原理の説明図を示す。図１０（Ａ）に示すように、光学デバイス２０に吸着される第２流体試料Ｂ中の検出対象の試料分子１に入射光（振動数ν）が照射される。一般に、入射光の多くは、レイリー散乱光として散乱され、レイリー散乱光の振動数ν又は波長は入射光に対して変化しない。入射光の一部は、ラマン散乱光として散乱され、ラマン散乱光の振動数（ν−ν’及びν＋ν’）又は波長は、試料分子１の振動数ν’（分子振動）が反映される。つまり、ラマン散乱光は、検出対象の試料分子１を反映した光である。入射光の一部は、試料分子１を振動させてエネルギーを失うが、試料分子１の振動エネルギーがラマン散乱光の振動エネルギー又は光エネルギーに付加されることもある。このような振動数のシフト（ν’）をラマンシフトと呼ぶ。図１１に、試料分子の一例としてアセトンのラマンシフトを示す。
【００５２】
図１０（Ｂ）は、図１及び図１０（Ａ）の光学デバイス２０の拡大図である。図１０（Ａ）に示すように入射光が基板２００の平坦面から入射される場合、基板２００は入射光に対して透明な材料が用いられる。光学デバイス２０は、基板２００上の第１構造として、誘電体から成る複数の凸部２１０を有する。本実施形態では、入射光に対して透明な誘電体としての石英、水晶、硼珪酸ガラスなどのガラスまたはシリコン等で形成された基板２００上に、レジストを形成し、そのレジストを例えば遠紫外線（ＤＵＶ）フォトリソグラフィー法を用いてパターン化している。パターン化されたレジストにより基板２００をエッチングすることで、例えば図１０（Ｃ）に示すように複数の凸部２１０が二次元的に配置される。なお、基板２００と凸部２１０とを異なる材料で形成しても良い。
【００５３】
複数の凸部２１０上の第２構造として、複数の凸部２１０には、例えばＡｕまたはＡｇ等の金属ナノ粒子（金属微粒子）２２０が例えば蒸着、スパッタ等により形成される。結果として、光学デバイス２０は、１〜１０００ｎｍの凸部を有する金属ナノ構造を有することができる。１〜１０００ｎｍの凸部を有する金属ナノ構造とは、基板２００の上面を当該サイズの凸部構造（基板材で）を持つように加工する他に、基板上に当該サイズの金属微粒子を蒸着・スパッタ等で固着させる、または、基板上にアイランド構造を有する金属膜を形成する等の方法でも形成できる。
【００５４】
図１０（Ｂ）及び図１０（Ｃ）に示すように、二次元パターン状の金属ナノ粒子２２０に入射光が入射された領域２４０では、隣り合う金属ナノ粒子２２０間のギャップＧに、増強電場２３０が形成される。特に、入射光の波長よりも小さな金属ナノ粒子２２０に対して入射光を照射する場合、入射光の電場は、金属ナノ粒子２２０の表面に存在する自由電子に作用し、共鳴を引き起こす。これにより、自由電子による電気双極子が金属ナノ粒子２２０内に励起され、入射光の電場よりも強い増強電場２３０が形成される。これは、局在表面プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ：Localized Surface Plasmon Resonance）とも呼ばれる。この現象は、入射光の波長よりも小さな１〜１０００ｎｍの凸部を有する金属ナノ粒子２２０等の電気伝導体に特有の現象である。
【００５５】
図１０（Ａ）〜図１０（Ｃ）では、光学デバイス２０に入射光を照射した時に表面増強ラマン散乱(ＳＥＲＳ: Surface Enhanced Raman Scattering)が生ずる。つまり、増強電場２３０に試料分子１が入り込むと、その試料分子１によるラマン散乱光は増強電場２３０で増強されて、ラマン散乱光の信号強度は、強くなる。このような表面増強ラマン散乱では、試料分子１が微量であっても、検出感度を高めることができる。
【００５６】
以下の表面増強ラマン散乱にて説明する試料分子１の「吸着」という現象は、試料分子１が金属ナノ粒子２２０に衝突する衝突分子の数（分圧）が支配的である現象であり、物理吸着及び化学吸着の一方又は双方を含む。「脱離」は外力により吸着を解除することを意味する。吸着エネルギーは試料分子１の運動エネルギーに依存し、ある値を乗り越えると衝突して「吸着」現象を呈し、吸着には外力は不要である。一方、脱離には外力が必要である。また、光学デバイス２０に第２流体試料Ｂを吸引することとは、換言すると、その内部に光学デバイス２０を配置した流路に吸引流を生じさせることで、第２流体試料Ｂを光デバイス２０に接触させることである。
【００５７】
４．検出装置の具体的な構成
図１２は、本実施形態の検出装置の具体的な構成例を示す。図１２に示される検出装置１０も、図１に示す光学デバイス２０と、光学系３０と、吸引部４０と、光源５０と、光検出部６０とを有している。
【００５８】
図１２において、光源５０は例えばレーザーであり、小型化の観点から好ましくは垂直共振型面発光レーザーを用いることができるが、これに限定ざれない。
【００５９】
光源５０からの光は、光学系３０を構成するコリメーターレンズ３１０により平行光にされる。コリメーターレンズ３１０の下流に偏光制御素子を設け、直線偏光に変換しても良い。ただし、光源５０として例えば面発光レーザーを採用し、直線偏光を有する光を発光可能であれば、偏光制御素子を省略することができる。
【００６０】
コリメーターレンズ３１０により平行光された光は、ハーフミラー（ダイクロイックミラー）３２０により光学デバイス２０の方向に導かれ、対物レンズ３３０で集光され、光学デバイス２０に入射する。光学デバイス２０には、図１０（Ａ）〜図１０（Ｃ）に示す金属ナノ粒子２２０が形成される。光学デバイス２０から例えば表面増強ラマン散乱によるレイリー散乱光及びラマン散乱光が放射される。光学デバイス２０からのレイリー散乱光及びラマン散乱光は、対物レンズ３３０を通過し、ハーフミラー３２０によって光検出部６０の方向に導かれる。
【００６１】
光学デバイス２０からのレイリー散乱光及びラマン散乱光は、集光レンズ３４０で集光されて、光検出部６０に入力される。光検出部６０では先ず、光フィルター６１０に到達する。光フィルター６１０（例えばノッチフィルター）によりラマン散乱光が取り出される。このラマン散乱光は、さらに分光器６２０を介して受光素子６３０にて受光される。分光器６２０は、例えばファブリペロー共振を利用したエタロン等で形成されて通過波長帯域を可変とすることができる。分光器６２０を通過する光の波長は、制御部７１により制御（選択）することができる。受光素子６３０によって、試料分子１に特有のラマンスペクトルが得られ、得られたラマンスペクトルと予め保持するデータと照合することで、試料分子１を特定することができる。
【００６２】
吸引部４０は、吸引口４００と排出口４１０との間に誘導部４２０を有する。試料分子１を含む第２流体試料Ｂは、吸引口４００（搬入口）から誘導部４２０の内部に導入され、排出口４１０から誘導部４２０の外部に排出される。吸引口４００側に除塵フィルター４０１を設けることができる。図１２では、検出装置１０は、ファン４５０を排出口４１０付近に有し、ファン４５０を作動させると、誘導部４２０の吸引流路４２１、光学デバイス２０付近の流路４２２及び排出流路４２３内の圧力（気圧）が低下する。これにより、試料分子１と共に第２流体試料Ｂが誘導部４２０に吸引される。第２流体試料Ｂは、吸引流路４２１を通り、光学デバイス２０付近の流路４２２を経由して排出流路４２３から排出される。このとき、試料分子１の一部が光学デバイス２０の表面（電気伝導体）に吸着する。
【００６３】
検出対象物質である試料分子１は、例えば麻薬やアルコールや残留農薬等の希薄な分子や、ウイルス等の病原体等を想定することができ、特に本実施形態はこれらの試料分子１をリアルタイムで検出するのに適している。
【００６４】
検出装置１０は、筐体７０を有し、筐体７０内に例えば光学系３０、光源５０及び光検出部６０を有する。さらに、検出装置１０は、カバー７１を有し、カバー７１は光学デバイス２０等を格納することができる。
【００６５】
なお、上記のように本実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できる。
【００６６】
本発明の検出装置は、ＳＥＲＳ強度を検出するものに限らない。例えば、表面増強赤外分光法（ＳＥＩＲＡＳ：Surface Enhanced Infrared Absorption Spectroscopy）を用いることができる。この場合、図１２に示す光学デバイス２０を図１３に示す光学デバイス１７０に置き換える。この光学デバイス１７０は、例えば直角プリズム１７１の底面に金属薄膜１７２を形成したものである。直角プリズム１７１は、例えばＣａＦ２等の赤外線を通過させる材料で形成される。金属薄膜１７２の材料はＡｇ，Ｃｕ等の金属薄膜であれば良い。
【００６７】
図１４に示す特性を有するＰ偏光の赤外線ＩＲ１を、例えば第１反射ミラー１８０にて反射させて、光学デバイス１７０に対して金属薄膜１７２の法線Ｌに対して角度θで入射させる。入射赤外線ＩＲ１を金属薄膜１７２で全反射させて得られる反射赤外線ＩＲ２には、その界面から試料側に少しもぐり込んだ位置で反射されるエバネッセント波が存在し、それにより試料分子や標準分子のスペクトルを計測できる。この反射赤外線ＩＲ２の特性を図１５に示す。反射赤外線ＩＲ２は、第２反射ミラー１８１で反射されて、図１２等に示す光検出部６０に入射される。
【符号の説明】
【００６８】
１ 特定物質、１０ 検出装置、１１ 検出部、１２ 流体分離装置、２０，１７０ 光学デバイス、３０ 光学系、４０ 吸引部、５０ 光源、６０ 光検出部、１００ 保持部材、１１０ 光源、１２０ 筐体、Ａ 第１流体（気体）試料、Ｂ 第２流体（気体）試料
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体分離装置、気体分離装置及びそれを用いた検出装置等に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、医療診断や飲食物の検査などに用いられるセンサーの需要が増大しており、小型でかつ高感度にセンシング可能なセンサー技術の開発が求められている。特に気体を検出する分野では半導体センサーによる測定法をはじめ、水晶発振子マイクロバランス測定法、表面プラズモン共鳴を利用したセンサーを用いた測定法などが提案されている。
【０００３】
これら測定法は測定部へ検出物質が付着することで生じる電気的・機械的・光学的特性の変化により検出を行うが、検出対象の物質以外によっても特定の変化が生じてしまう。したがって、複数の物質が含まれるような混合気体から特定の物質を検出することは困難で、混合気体から検出物質を分離することが必要とされる。
また一方で、ラマン分光のような物質の同定が可能な測定法も用いられる。この測定方法では物質に励起光を照射した際に、励起光から物質の分子振動エネルギーに対応する分の波長がシフトした散乱光（ラマン散乱光）を分光検出し、分子指紋スペクトルを得る。この分子指紋スペクトルの形状は物質ごと固有であるため、測定対象物質を同定することが可能となる。しかし、混合物の測定ではこの指紋スペクトルは重畳し、その解析は大変困難になる。
【０００４】
したがって、これらの測定を行う前に、混合気体から特定の気体を分離させる装置が必要とされている。
【０００５】
混合流体物から特定の流体を分離する方法として、分離膜を用いた方法がある（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２００３−５３０９９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１の技術によれば、流体混合物が吸着された多孔質吸着材を加熱し、吸着材と接する分離膜が流体混合物中の特定の物質を透過することで、流体混合物中から特定物質を分離している。
【０００８】
しかし、分離膜として使用する材料として、特定の物質を選択的に透過する材料を適切に選ぶ必要がある。また、検出すべき物質の種類によっては、適当な分離膜を確保できないこともある。
【０００９】
本発明の幾つかの態様は、分離膜を用いることなく流体試料または気体試料から特定の流体又は特定の気体を分離させることができる流体分離装置、気体分離装置及びそれを用いた検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
（１）本発明の一態様は、
第１流体試料を保持する保持部材と、
前記保持部材に特定波長の光を照射する光源と、
を有し、
前記第１流体試料が特定物質を含むとき、前記特定物質が前記特定波長帯域の光を吸収する吸収率Ｌ１と、前記特定物質以外の前記第１流体試料中の他の物質が前記特定波長帯域の光を吸収する吸収率Ｌ２は、Ｌ１＞Ｌ２を満足し、かつ、
前記保持部材が前記特定波長帯域の光を吸収する吸収率Ｌ３は、Ｌ３＜Ｌ１を満足する流体分離装置に関する。
【００１１】
本発明の一態様によれば、第１流体試料が保持された保持部材に対して光源から特定波長の光を照射すると、第１流体試料が特定物質を含むときには、主として特定物質が光エネルギーを吸収するので、保持部材からは特定物質が選択時に脱離する。第１流体試料中の特定物質以外の物質は、光エネルギーの吸収が特定物質よりも少ない。しかも、保持部材も光エネルギーの吸収が特定物質よりも少ないので、第１流体試料中の特定物質以外の物質が保持部材を介してエネルギーを付与されることが少ないからである。こうして、第１流体試料から特定物質の濃度又は分圧を高めて分離することができる。
【００１２】
（２）本発明の一態様では、Ｌ１−Ｌ２≧６０％で、かつ、Ｌ１−Ｌ３≧６０％とすることができる。特定波長の光に対する吸収率の差を上記の通り設定することで、第１流体試料から特定物質を分離する精度を高めることができる。
【００１３】
（３）本発明の一態様では、前記光源は、発光波長を可変とすることができる。こうすると、様々な特定物質に固有の特定波長の光を照射することができ、汎用性が高まる。
【００１４】
（４）本発明の一態様では、前記保持部材が収容される筐体と、前記筐体に設けられ導入口と、前記筐体に設けられた排気口と、前記筐体に接続された流路と、前記導入口または前記排気口の少なくとも一方に設けられたファンと、前記導入口、前記排気口及び前記流路にそれぞれ設けられた開閉弁と、をさらに有することができる。
【００１５】
こうすると、導入口及び排気口を開放し、流路を閉鎖した状態で、ファンを駆動することで、筐体内に第１流体試料を導入することができる。次に、ファンの駆動を停止すると共に導入口及び排気口を共に閉鎖することで、第１流体試料を保持部材に保持させることができる。さらにその後に、光源から特定波長の光を保持部材に照射することで、第１流体試料から特定物質を分離することができる。
【００１６】
（５）本発明の他の態様は、
前記第１流体試料が導入され、前記第１流体試料が前記特定物質を含むとき、前記第１流体試料より特定物質を分離して、前記特定物質の濃度を高めた第２流体試料を生成する（１）〜（４）のいずれかに記載の流体分離装置と、
前記第２流体試料が前記特定物質を含むとき、前記第２流体試料から前記特定物質を検出する検出部と、
を有する検出装置に関する。
【００１７】
本発明の他の態様では、上述した流体分離装置を検出部と接続することで、特定物質の濃度を高めた第２流体試料を検出部に導くことができ、検出部での検出精度を高めることができる。
【００１８】
（６）本発明のさらに他の態様は、
第１気体試料を吸着する吸着材と、
前記吸着材に特定波長の光を照射する光源と、
を有し、
前記第１気体試料が特定物質を含むとき、前記光源から前記特定波長の光を前記吸着材に照射することで、前記吸着材から脱離された第２気体試料中の前記特定物質の分圧を、前記第１気体試料中の前記特定物質の分圧よりも高くする気体分離装置に関する。
【００１９】
本発明のさらに他の態様では、保持部材を吸着材として吸着材に第１気体試料を吸着し、特定波長の光を吸着材に照射して、吸着材から特定物質を選択的に脱離させることができる。
【００２０】
（７）本発明のさらに他の態様は、
前記第１気体試料が導入され、前記第１気体試料が前記特定物質を含むとき、前記第１気体試料より前記特定物質を分離して、前記特定物質の分圧を高めた前記第２気体試料を生成する（６）に記載の気体分離装置と、
前記第２気体試料が前記特定物質を含むとき、前記第２気体試料から前記特定物質を検出する検出部と、
を有する検出装置に関する。本発明のさらに他の態様では、上述した気体離装置を検出部と接続することで、特定物質の分圧を高めた第２気体試料を検出部に導くことができ、検出部での検出精度を高めることができる。
【００２１】
（８）本発明のさらに他の態様は、
第１流体試料が導入され、前記第１流体試料が特定物質を含むとき、前記第１流体試料より前記特定物質を分離して、前記特定物質の濃度を高めた第２流体試料を生成する流体分離装置と、
前記第２流体試料が前記特定物質を含むとき、前記第２流体試料から前記特定物質を検出する検出部と、
を有し、
前記流体分離装置は、
前記第１流体試料を保持する保持部材と、
発光波長が可変であり、前記保持部材より前記特定物質を脱離させる波長の光を前記保持部材に照射する光源と、
を有する検出装置に関する。
【００２２】
本発明のさらに他の態様によれば、光源からの発光波長を、特定物質の種類に応じて特定物質に固有の波長に可変することができるので、検出部での精度の高い検出を複数の特定物質に対して適用することができ、汎用性が高まる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一態様に係る検出装置のブロック図である。
【図２】第１流体試料中の分離対象物質であるアセトンの赤外線吸収スペクトルを示す特性図である。
【図３】第１流体試料中の分離対象物質以外の物質であるエタノールの赤外線吸収スペクトルを示す特性図である。
【図４】第１流体試料中の分離対象物質以外の物質である水の赤外線吸収スペクトルを示す特性図である。
【図５】保持部材である珪酸アルミニウムの赤外線吸収スペクトルを示す特性図である。
【図６】特定波長の光を発する光源の一例を示す図である。
【図７】図６の光源に用いられるファブリペロー型フィルターを示す図である。
【図８】図７に示すフィルターの透過特性を示す図である。
【図９】保持部材の取付構造を示す図である。
【図１０】図１０（Ａ）は吸引部と光学デバイスの拡大断面図、図１０（Ｂ）及び図１０（Ｃ）は光学デバイスでの増強電場の形成を示す断面図及び平面図である。
【図１１】アセトンのラマンシフトを示す特性図である。
【図１２】検出部の全体概要を示すブロック図である。
【図１３】表面増強赤外分光法に用いられる光学デバイスの概略説明図である。
【図１４】図１３の光学デバイスに入射する赤外線の特性図である。
【図１５】図１３の光学デバイスにて反射される赤外線の特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお以下に説明する本実施形態は特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。
【００２５】
１．検出装置の基本構成
以下、本発明の一実施形態を、前置処理として流体分離装置と検出部とを備えた検出装置について説明する。
【００２６】
図１は、本実施形態の検出装置の構成例を示す。図１において、検出装置１０は、大別して、検出部１１と、検出部１１の前置処理部として機能する流体（気体）分離装置１２とを有する。流体分離装置１２は、複数種の液体（例えば水または水蒸気等）、気体（例えばアセトン、エタノール等）が混合された第１流体試料Ａが導入され、第１流体試料Ａから特定物質（試料分子、分離対象物質）を分離して、第１流体試料よりも試料分子の濃度または分圧よりも高い第２流体試料Ｂを生成する。この第２流体試料Ｂが流体分離装置１２より検出部１１に導出される。
【００２７】
検出部１１は、例えば、光学デバイス２０と、吸引部４０と、光源５０と、光検出部６０とを、筐体７０内に有する。光学デバイス２０と、光源５０及び／又は光検出部６０との間に、光学系３０を設けることができる。光学デバイス２０は、光源５０からの光が照射されることで、光学デバイス２０と接触する流体試料中の例えば特定物質（試料分子、分離対象物質）を反映した光を出射するものである。
【００２８】
吸引部４０は、例えば排気ファン４５０により第２流体試料Ｂを光学デバイス２０に吸引する。光源５０は、例えば光学系３０を構成する例えばハーフミラー３２０と対物レンズ３３０を介して、光学デバイス２０に光を照射する。光検出部６０は、光学デバイス２０に保持された特定物質（試料分子、分離対象物質）が反映された光を、ハーフミラー３２０及び対物レンズ３３０を介して検出する。検出部１１に詳細については後述する。
【００２９】
２．流体分離装置
２．１．流体分離装置の概要
流体分離装置１２について、図１を参照して説明する。この流体分離装置１２は、第１流体試料Ａを保持する保持部材１００と、保持部材１００に光を照射する光源１１０とを有する。具体的には、少なくとも保持部材１００が配置されるチャンバー（筐体）１２０が設けられている。なお、光源１１０はチャンバー１２０内に設けてもよいが、これに限定されない。光源１１０の発光波長に対して透明な材質の窓を介して、チャンバー１２０の外部に設けた光源１１０の光をチャンバー１２０内部に導入しても良い。
【００３０】
チャンバー１２０には、チャンバー１２０に第１流体試料Ａを導入する導入口１２１と、チャンバー１２０内に滞留させた流体を排気する排気口１２２と、保持部材１００から脱離される第２流体試料Ｂを検出部１１に送出する流路１２３とが設けられている。導入口１２１側には、第１流体試料Ａをチャンバー１２０へ送り込む導入ファン１３１と、導入口１１１を開閉する導入弁１４１が設けけられている。排気口１２２側には、排気口１２２を開閉する排気弁１４２が設けられている。流路１２３には、第２流体試料Ｂを検出部１１へ送出する導入ファン１３１と、流路１２３を開閉する流路弁１４３が設けけられている。なお、導入ファン１３１に代えて、排気口１２２に排気ファンを設けても良い。また、流路ファン１３３は排除しても良い。検出部１１が有する排気ファン４５０により流体分離装置１２内の流体試料を検出部１２に送出できるからである。
【００３１】
先ず、流路弁１４３を閉鎖し。導入弁１４１及び排気弁１４２を開放し、導入ファン１３１を駆動する。それにより、導入口１２１より第１流体試料Ａがチャンバー１２０内に導入される。その後、導入弁１４１及び排気弁１４２が閉鎖される。
【００３２】
チャンバー１２０内に配置された保持部材１００は、後述する通り例えば多孔質の吸着材を好適に用いることができ、チャンバー１２０内に導入された第１流体試料Ａを吸着することができる。
【００３３】
光源１１０は、保持部材１００に特定波長帯域の光、特に赤外線帯域の光を保持部材１００に対して照射する。この特定波長帯域の光とは、保持部材１００に保持された第１流体試料Ａ中の特定物質（試料分子、分離対象物質）に対して吸収率の高い波長の光である。また、特定波長帯域の光は、保持部材１００や第１流体試料Ａ中の特定物質（試料分子、分離対象物質）以外の流体による吸収率が低いものである。それにより、保持部材１００に保持された試料分子に効率的にエネルギーを付与し、試料分子を保持部材１００より脱離させる。試料分子の脱離によって、チャンバー１２０内には特定物質（試料分子、分離対象物質）の濃度または分圧が高い第２流体試料Ｂが生成される。
【００３４】
その後、流路弁１４３を開放し、流路ファン１３３を駆動して、流路１２３を介して、脱離した試料分子の濃度又は分圧が高められた第２流体試料Ｂを検出部１１に送出する。
【００３５】
２．２．流体分離動作の原理
分子を構成する原子は、その質量や相互位置、結合の強さなどに応じた振動を絶えず繰り返しており、これにより分子全体の重心移動や回転が生じる。このうち、双極子モーメントが変化するような振動では、電磁波と分子の間で相互作用を生じる。このような振動を有する分子に、光源１１０から特定波長帯域の光、特に赤外光を照射する。そうすると、赤外光の振動周期と原子の振動周期とが一致しない場合、赤外光は分子に吸収されず、そのまま透過する。しかし、外光の振動周期と原子の振動周期とが一致した場合には、赤外光は分子に吸収され、振動は基底状態から励起状態に変化する。したがって、物質はその分子構造により、吸収する赤外光の波長が異なる。
【００３６】
図２は、アセトン（ＣＨ３−ＣＯ−ＣＨ３）による赤外光の吸収スペクトルを示す特性図であり、横軸は波数（ｃｍ−１）を示し、縦軸は透過率を示す。図２に示すように、アセトンは１７４２ｃｍ−１にＣ＝Ｏ基に起因する特徴的な吸収ピークを有する。
【００３７】
図３はエタノール（ＣＨ３−ＣＨ２−ＯＨ）による赤外光の吸収スペクトルを示し、図４に水（Ｈ２Ｏ）による赤外光の吸収スペクトルを示す。図２〜図４の比較により明らかな通り、アセトンが吸収する１７４２ｃｍ−１の赤外光は、でエタノール及び水に対しては、透過率が８０％以上であり、ほとんど吸収されない。したがって、これら３種の物質が混合した気体に、１７４２ｃｍ−１の赤外光を入射すると、アセトンにのみに対して、脱離に必要なエネルギーを選択的に与えることができる。これにより、３種の混合流体から、特定の流体分子を分離できることが分かる。
【００３８】
次に、保持部材１００の赤外光に対する吸収率を検討する。本装置に用いられる保持部材１００は、第１流体試料Ａを保持できれば材質、形状は問わず、例えば上述の通り多孔質体を好適に用いることができる。この種の保持部材１００として、例えば、酸化アルミニウム類（ボーキサイト、アルミナ、珪酸アルミニウム）、ケイ酸塩（シリカゲル）、活性炭（骨炭、木炭、石炭）、ベンナイト、白土、ケイソウ土類（フラースアース、ベンナイト、酸処理白土、ケイソウ土）、ハイドロタルサイト類（ハイドロタルサイト）又はイオン交換樹脂（フェノール・ホルムアルデヒド樹脂、アミン・ホルムアルデヒド樹脂）の一種または二種以上の混合物を挙げることができる。
【００３９】
例えば、珪酸アルミニウムは無機多孔質物質であり、ガス等に対する吸着材として使用されている。図５は、珪酸アルミニウムの赤外吸収スペクトルを示す。珪酸アルミニウムは２８００ｃｍ−１〜１７００ｃｍ−１の赤外光において高い透過率を有していることがわかる。
【００４０】
このように、保持部材１００として例えば珪酸アルミニウムを用いると、この保持部材１００は１７４２ｃｍ−１の赤外光を吸収しない。このため、保持部材１００に光源１１０から１７４２ｃｍ−１の赤外光を照射しても、保持部材１００は加熱されない。つまり、保持部材１００は、吸着した分離対象物質（本例の場合、アセトン）以外の物質に熱を伝えず、分離対象物質のみにエネルギーを選択的に与えて、分離対象物質を脱離させることができる。
【００４１】
図２〜図５に基づいて、次のことが分かる。つまり、第１流体試料Ａが特定物質（例えばアセトン）を含むとき、特定物質が特定波長（例えば１７４２ｃｍ−１）の光を吸収する吸収率Ｌ１と、特定物質以外の第１流体試料中の他の物質（例えばエタノールや水）が特定波長帯域の光を吸収する吸収率Ｌ２は、Ｌ１＞Ｌ２を満足し、かつ、保持部材が特定波長帯域の光を吸収する吸収率Ｌ３は、Ｌ３＜Ｌ１を満足する。
【００４２】
図２〜図５に基づくとさらに、特定物質が特定波長（例えば１７４２ｃｍ−１）の光を吸収する吸収率Ｌ１は、Ｌ１＞９０％（図２参照）である。特定物質以外の第１流体試料中の他の物質が特定波長帯域の光を吸収する吸収率Ｌ２は、Ｌ２＞２０％である（図３及び図４参照）。保持部材が特定波長帯域の光を吸収する吸収率Ｌ３は、Ｌ３＜２０％（図５参照）。このことを踏まえると、Ｌ１−Ｌ２≧６０％で、かつ、Ｌ１−Ｌ３≧６０％であり、さらに好ましくはＬ１−Ｌ２≧７０％で、かつ、Ｌ１−Ｌ３≧７０％である。
【００４３】
２．３．発光波長が可変である光源
図６は、発光波長が可変である光源１１０を示している。図６において、この光源１１０は、分離対象物質が吸収する波長を含む広帯域の光を照射するランプ例えばカーボンランプ１１１が電源１１２に接続されている。ランプ１１１を保持する筐体１１３には、と、出射光をコリメートするためのレンズ１１４と、光学フィルター１１５と、ビームダンパー１１６と、ミラー１１７が保持されている。
【００４４】
光学フィルター１１５は、分離対象物質が吸収し、分離対象物質以外の物質が吸収しない波長にフィルタリングする。ビームダンパー１１６は、光学フィルター１１５で反射された光を遮光する。ミラー１１７は、光学フィルター１１５を通過した光を保持部材１００に向けて反射させる。
【００４５】
光学フィルター１１５は特定の波長を通過させるバンドパス型を用いる。物質に対して分離性能を上げるには、分離対象物質が吸収する波長のみを通過させることが望ましい。このため、通過させる波長帯はごく狭いほうが望ましく、そのピーク半値幅は１００ｃｍ−１以下が良い。
【００４６】
このような光学フィルター１１５の一つとして、ファブリペロー型のフィルターを挙げることができる。図７にファブリペロー型フィルターの構造例を示す。この光学フィルター１１５は、波長λにおいて屈折率ｎ１の高屈折率材１１５Ａと、屈折率ｎ２の低屈折率材１１５Ｂの２種の誘電体材料を、それぞれ膜厚λ／４ｎ１、λ／４ｎ２で積層した誘電体ミラーの間に、屈折率nの材料１１５Ｃをλ／４ｎの整数倍の膜厚である欠陥層を設けた構造である。この光学フィルター１１５は、波長λにおいて急峻な高い透過率ピークを示す。
【００４７】
このフィルター１１５を、保持部材１００に照射する赤外光の波長に対して透明な材料、たとえばシリコン、ゲルマニウム、酸化アルミニウム、石英、ゲルマニウム、セレン化亜鉛、硫化亜鉛、塩化ナトリウム、塩化カリウム、フッ化カルシウム、酸化マグネシウム、カルコゲナイトガラス等を用いて構成する。
【００４８】
例えば、ゲルマニウム(Ｇｅ、波長１７４２ｃｍ−１において屈折率ｎ＝１．７２３)と酸化マグネシウム(ＭｇＯ、波長１７４２ｃｍ−１において屈折率ｎ＝４．０１６)で、各膜厚ｄ＝４ｎ／λで、交互に２ペア積層した２つの誘電体ミラーの間に、ｄ＝２ｎ／λの厚さの欠陥層Ｇｅを挟んで光学フィルター１１５を形成する。この構造について、図８に透過特性を示す。図８では透過波長帯の半値幅は１０ｃｍ−１以下である。
【００４９】
また、光学フィルター１１５はチャンバー１２０に対して着脱可能に取り付けることができる。これにより分離対象物質を変更する際には分離対象物質の吸収ピークと光学フィルター１１５の透過率ピークを一致させるように、光学フィルター１１５の交換することで対応できる。これに代えて、例えばエタロンのように、分光波長を可変できる光学フィルターを採用してもよい。
【００５０】
２．４．着脱自在な保持部材
図９に保持部材１００の取付機構を示す。チャンバー１２０に対してスライド移動可能なスライダー１０１上に流体試料が通過できる例えばメッシュ状のバスケット１０２が固定され、保持部材１００がバスケット１０２に設置される。スライダー１０１がチャンバー１２０に当接する部分にシール材１０３が配置され、スライダー１０１がシール材１０３を挟んで押え金具１０４により閉鎖固定する。これにより、気密状態で保持部材１００をチャンバー１２０内に設置できる。また、押え金具１０４を解除すれば、スライダー１０１を引き出して保持部材１００を交換できる。
【００５１】
３．光検出の原理と構造の一例
図１０（Ａ）〜図１０（Ｃ）を用いて、流体分離装置１２より創出される第２流体試料（混合流体）Ｂ中の特定物質を反映した光検出原理の一例として、ラマン散乱光の検出原理の説明図を示す。図１０（Ａ）に示すように、光学デバイス２０に吸着される第２流体試料Ｂ中の検出対象の試料分子１に入射光（振動数ν）が照射される。一般に、入射光の多くは、レイリー散乱光として散乱され、レイリー散乱光の振動数ν又は波長は入射光に対して変化しない。入射光の一部は、ラマン散乱光として散乱され、ラマン散乱光の振動数（ν−ν’及びν＋ν’）又は波長は、試料分子１の振動数ν’（分子振動）が反映される。つまり、ラマン散乱光は、検出対象の試料分子１を反映した光である。入射光の一部は、試料分子１を振動させてエネルギーを失うが、試料分子１の振動エネルギーがラマン散乱光の振動エネルギー又は光エネルギーに付加されることもある。このような振動数のシフト（ν’）をラマンシフトと呼ぶ。図１１に、試料分子の一例としてアセトンのラマンシフトを示す。
【００５２】
図１０（Ｂ）は、図１及び図１０（Ａ）の光学デバイス２０の拡大図である。図１０（Ａ）に示すように入射光が基板２００の平坦面から入射される場合、基板２００は入射光に対して透明な材料が用いられる。光学デバイス２０は、基板２００上の第１構造として、誘電体から成る複数の凸部２１０を有する。本実施形態では、入射光に対して透明な誘電体としての石英、水晶、硼珪酸ガラスなどのガラスまたはシリコン等で形成された基板２００上に、レジストを形成し、そのレジストを例えば遠紫外線（ＤＵＶ）フォトリソグラフィー法を用いてパターン化している。パターン化されたレジストにより基板２００をエッチングすることで、例えば図１０（Ｃ）に示すように複数の凸部２１０が二次元的に配置される。なお、基板２００と凸部２１０とを異なる材料で形成しても良い。
【００５３】
複数の凸部２１０上の第２構造として、複数の凸部２１０には、例えばＡｕまたはＡｇ等の金属ナノ粒子（金属微粒子）２２０が例えば蒸着、スパッタ等により形成される。結果として、光学デバイス２０は、１〜１０００ｎｍの凸部を有する金属ナノ構造を有することができる。１〜１０００ｎｍの凸部を有する金属ナノ構造とは、基板２００の上面を当該サイズの凸部構造（基板材で）を持つように加工する他に、基板上に当該サイズの金属微粒子を蒸着・スパッタ等で固着させる、または、基板上にアイランド構造を有する金属膜を形成する等の方法でも形成できる。
【００５４】
図１０（Ｂ）及び図１０（Ｃ）に示すように、二次元パターン状の金属ナノ粒子２２０に入射光が入射された領域２４０では、隣り合う金属ナノ粒子２２０間のギャップＧに、増強電場２３０が形成される。特に、入射光の波長よりも小さな金属ナノ粒子２２０に対して入射光を照射する場合、入射光の電場は、金属ナノ粒子２２０の表面に存在する自由電子に作用し、共鳴を引き起こす。これにより、自由電子による電気双極子が金属ナノ粒子２２０内に励起され、入射光の電場よりも強い増強電場２３０が形成される。これは、局在表面プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ：Localized Surface Plasmon Resonance）とも呼ばれる。この現象は、入射光の波長よりも小さな１〜１０００ｎｍの凸部を有する金属ナノ粒子２２０等の電気伝導体に特有の現象である。
【００５５】
図１０（Ａ）〜図１０（Ｃ）では、光学デバイス２０に入射光を照射した時に表面増強ラマン散乱(ＳＥＲＳ: Surface Enhanced Raman Scattering)が生ずる。つまり、増強電場２３０に試料分子１が入り込むと、その試料分子１によるラマン散乱光は増強電場２３０で増強されて、ラマン散乱光の信号強度は、強くなる。このような表面増強ラマン散乱では、試料分子１が微量であっても、検出感度を高めることができる。
【００５６】
以下の表面増強ラマン散乱にて説明する試料分子１の「吸着」という現象は、試料分子１が金属ナノ粒子２２０に衝突する衝突分子の数（分圧）が支配的である現象であり、物理吸着及び化学吸着の一方又は双方を含む。「脱離」は外力により吸着を解除することを意味する。吸着エネルギーは試料分子１の運動エネルギーに依存し、ある値を乗り越えると衝突して「吸着」現象を呈し、吸着には外力は不要である。一方、脱離には外力が必要である。また、光学デバイス２０に第２流体試料Ｂを吸引することとは、換言すると、その内部に光学デバイス２０を配置した流路に吸引流を生じさせることで、第２流体試料Ｂを光デバイス２０に接触させることである。
【００５７】
４．検出装置の具体的な構成
図１２は、本実施形態の検出装置の具体的な構成例を示す。図１２に示される検出装置１０も、図１に示す光学デバイス２０と、光学系３０と、吸引部４０と、光源５０と、光検出部６０とを有している。
【００５８】
図１２において、光源５０は例えばレーザーであり、小型化の観点から好ましくは垂直共振型面発光レーザーを用いることができるが、これに限定ざれない。
【００５９】
光源５０からの光は、光学系３０を構成するコリメーターレンズ３１０により平行光にされる。コリメーターレンズ３１０の下流に偏光制御素子を設け、直線偏光に変換しても良い。ただし、光源５０として例えば面発光レーザーを採用し、直線偏光を有する光を発光可能であれば、偏光制御素子を省略することができる。
【００６０】
コリメーターレンズ３１０により平行光された光は、ハーフミラー（ダイクロイックミラー）３２０により光学デバイス２０の方向に導かれ、対物レンズ３３０で集光され、光学デバイス２０に入射する。光学デバイス２０には、図１０（Ａ）〜図１０（Ｃ）に示す金属ナノ粒子２２０が形成される。光学デバイス２０から例えば表面増強ラマン散乱によるレイリー散乱光及びラマン散乱光が放射される。光学デバイス２０からのレイリー散乱光及びラマン散乱光は、対物レンズ３３０を通過し、ハーフミラー３２０によって光検出部６０の方向に導かれる。
【００６１】
光学デバイス２０からのレイリー散乱光及びラマン散乱光は、集光レンズ３４０で集光されて、光検出部６０に入力される。光検出部６０では先ず、光フィルター６１０に到達する。光フィルター６１０（例えばノッチフィルター）によりラマン散乱光が取り出される。このラマン散乱光は、さらに分光器６２０を介して受光素子６３０にて受光される。分光器６２０は、例えばファブリペロー共振を利用したエタロン等で形成されて通過波長帯域を可変とすることができる。分光器６２０を通過する光の波長は、制御部７１により制御（選択）することができる。受光素子６３０によって、試料分子１に特有のラマンスペクトルが得られ、得られたラマンスペクトルと予め保持するデータと照合することで、試料分子１を特定することができる。
【００６２】
吸引部４０は、吸引口４００と排出口４１０との間に誘導部４２０を有する。試料分子１を含む第２流体試料Ｂは、吸引口４００（搬入口）から誘導部４２０の内部に導入され、排出口４１０から誘導部４２０の外部に排出される。吸引口４００側に除塵フィルター４０１を設けることができる。図１２では、検出装置１０は、ファン４５０を排出口４１０付近に有し、ファン４５０を作動させると、誘導部４２０の吸引流路４２１、光学デバイス２０付近の流路４２２及び排出流路４２３内の圧力（気圧）が低下する。これにより、試料分子１と共に第２流体試料Ｂが誘導部４２０に吸引される。第２流体試料Ｂは、吸引流路４２１を通り、光学デバイス２０付近の流路４２２を経由して排出流路４２３から排出される。このとき、試料分子１の一部が光学デバイス２０の表面（電気伝導体）に吸着する。
【００６３】
検出対象物質である試料分子１は、例えば麻薬やアルコールや残留農薬等の希薄な分子や、ウイルス等の病原体等を想定することができ、特に本実施形態はこれらの試料分子１をリアルタイムで検出するのに適している。
【００６４】
検出装置１０は、筐体７０を有し、筐体７０内に例えば光学系３０、光源５０及び光検出部６０を有する。さらに、検出装置１０は、カバー７１を有し、カバー７１は光学デバイス２０等を格納することができる。
【００６５】
なお、上記のように本実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できる。
【００６６】
本発明の検出装置は、ＳＥＲＳ強度を検出するものに限らない。例えば、表面増強赤外分光法（ＳＥＩＲＡＳ：Surface Enhanced Infrared Absorption Spectroscopy）を用いることができる。この場合、図１２に示す光学デバイス２０を図１３に示す光学デバイス１７０に置き換える。この光学デバイス１７０は、例えば直角プリズム１７１の底面に金属薄膜１７２を形成したものである。直角プリズム１７１は、例えばＣａＦ２等の赤外線を通過させる材料で形成される。金属薄膜１７２の材料はＡｇ，Ｃｕ等の金属薄膜であれば良い。
【００６７】
図１４に示す特性を有するＰ偏光の赤外線ＩＲ１を、例えば第１反射ミラー１８０にて反射させて、光学デバイス１７０に対して金属薄膜１７２の法線Ｌに対して角度θで入射させる。入射赤外線ＩＲ１を金属薄膜１７２で全反射させて得られる反射赤外線ＩＲ２には、その界面から試料側に少しもぐり込んだ位置で反射されるエバネッセント波が存在し、それにより試料分子や標準分子のスペクトルを計測できる。この反射赤外線ＩＲ２の特性を図１５に示す。反射赤外線ＩＲ２は、第２反射ミラー１８１で反射されて、図１２等に示す光検出部６０に入射される。
【符号の説明】
【００６８】
１ 特定物質、１０ 検出装置、１１ 検出部、１２ 流体分離装置、２０，１７０ 光学デバイス、３０ 光学系、４０ 吸引部、５０ 光源、６０ 光検出部、１００ 保持部材、１１０ 光源、１２０ 筐体、Ａ 第１流体（気体）試料、Ｂ 第２流体（気体）試料
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１流体試料を保持する保持部材と、
前記保持部材に特定波長の光を照射する光源と、
を有し、
前記第１流体試料が特定物質を含むとき、前記特定物質が前記特定波長帯域の光を吸収する吸収率Ｌ１と、前記特定物質以外の前記第１流体試料中の他の物質が前記特定波長帯域の光を吸収する吸収率Ｌ２は、Ｌ１＞Ｌ２を満足し、かつ，
前記保持部材が前記特定波長帯域の光を吸収する吸収率Ｌ３は、Ｌ３＜Ｌ１を満足することを特徴とする流体分離装置。
【請求項２】
請求項１において、
Ｌ１−Ｌ２≧６０％で、かつ、Ｌ１−Ｌ３≧６０％であることを特徴とする流体分離装置。
【請求項３】
請求項１または２において、
前記光源は、発光波長が可変であることを特徴とする流体分離装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかにおいて、
前記保持部材が収容される筐体と、
前記筐体に設けられ導入口と、
前記筐体に設けられた排気口と、
前記筐体に接続された流路と、
前記導入口または前記排気口の少なくとも一方に設けられたファンと、
前記導入口、前記排気口及び前記流路にそれぞれ設けられた開閉弁と、
をさらに有することを特徴とする流体分離装置。
【請求項５】
前記第１流体試料が導入され、前記第１流体試料が前記特定物質を含むとき、前記第１流体試料より特定物質を分離して、前記特定物質の濃度を高めた第２流体試料を生成する請求項１乃至４のいずれかに記載の流体分離装置と、
前記第２流体試料が前記特定物質を含むとき、前記第２流体試料から前記特定物質を検出する検出部と、
を有することを特徴とする検出装置。
【請求項６】
第１気体試料を吸着する吸着材と、
前記吸着材に特定波長の光を照射する光源と、
を有し、
前記第１気体試料が特定物質を含むとき、前記光源から前記特定波長の光を前記吸着材に照射することで、前記吸着材から脱離された第２気体試料中の前記特定物質の分圧を、前記第１気体試料中の前記特定物質の分圧よりも高くすることを特徴とする気体分離装置。
【請求項７】
前記第１気体試料が導入され、前記第１気体試料が前記特定物質を含むとき、前記第１気体試料より前記特定物質を分離して、前記特定物質の分圧を高めた前記第２気体試料を生成する請求項６に記載の気体分離装置と、
前記第２気体試料が前記特定物質を含むとき、前記第２気体試料から前記特定物質を検出する検出部と、
を有することを特徴とする検出装置。
【請求項８】
第１流体試料が導入され、前記第１流体試料が特定物質を含むとき、前記第１流体試料より前記特定物質を分離して、前記特定物質の濃度を高めた第２流体試料を生成する流体分離装置と、
前記第２流体試料が前記特定物質を含むとき、前記第２流体試料から前記特定物質を検出する検出部と、
を有し、
前記流体分離装置は、
前記第１流体試料を保持する保持部材と、
発光波長が可変であり、前記保持部材より前記特定物質を脱離させる波長の光を前記保持部材に照射する光源と、
を有することを特徴とする検出装置。
【請求項１】
第１流体試料を保持する保持部材と、
前記保持部材に特定波長の光を照射する光源と、
を有し、
前記第１流体試料が特定物質を含むとき、前記特定物質が前記特定波長帯域の光を吸収する吸収率Ｌ１と、前記特定物質以外の前記第１流体試料中の他の物質が前記特定波長帯域の光を吸収する吸収率Ｌ２は、Ｌ１＞Ｌ２を満足し、かつ，
前記保持部材が前記特定波長帯域の光を吸収する吸収率Ｌ３は、Ｌ３＜Ｌ１を満足することを特徴とする流体分離装置。
【請求項２】
請求項１において、
Ｌ１−Ｌ２≧６０％で、かつ、Ｌ１−Ｌ３≧６０％であることを特徴とする流体分離装置。
【請求項３】
請求項１または２において、
前記光源は、発光波長が可変であることを特徴とする流体分離装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかにおいて、
前記保持部材が収容される筐体と、
前記筐体に設けられ導入口と、
前記筐体に設けられた排気口と、
前記筐体に接続された流路と、
前記導入口または前記排気口の少なくとも一方に設けられたファンと、
前記導入口、前記排気口及び前記流路にそれぞれ設けられた開閉弁と、
をさらに有することを特徴とする流体分離装置。
【請求項５】
前記第１流体試料が導入され、前記第１流体試料が前記特定物質を含むとき、前記第１流体試料より特定物質を分離して、前記特定物質の濃度を高めた第２流体試料を生成する請求項１乃至４のいずれかに記載の流体分離装置と、
前記第２流体試料が前記特定物質を含むとき、前記第２流体試料から前記特定物質を検出する検出部と、
を有することを特徴とする検出装置。
【請求項６】
第１気体試料を吸着する吸着材と、
前記吸着材に特定波長の光を照射する光源と、
を有し、
前記第１気体試料が特定物質を含むとき、前記光源から前記特定波長の光を前記吸着材に照射することで、前記吸着材から脱離された第２気体試料中の前記特定物質の分圧を、前記第１気体試料中の前記特定物質の分圧よりも高くすることを特徴とする気体分離装置。
【請求項７】
前記第１気体試料が導入され、前記第１気体試料が前記特定物質を含むとき、前記第１気体試料より前記特定物質を分離して、前記特定物質の分圧を高めた前記第２気体試料を生成する請求項６に記載の気体分離装置と、
前記第２気体試料が前記特定物質を含むとき、前記第２気体試料から前記特定物質を検出する検出部と、
を有することを特徴とする検出装置。
【請求項８】
第１流体試料が導入され、前記第１流体試料が特定物質を含むとき、前記第１流体試料より前記特定物質を分離して、前記特定物質の濃度を高めた第２流体試料を生成する流体分離装置と、
前記第２流体試料が前記特定物質を含むとき、前記第２流体試料から前記特定物質を検出する検出部と、
を有し、
前記流体分離装置は、
前記第１流体試料を保持する保持部材と、
発光波長が可変であり、前記保持部材より前記特定物質を脱離させる波長の光を前記保持部材に照射する光源と、
を有することを特徴とする検出装置。
【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１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１３−１３８４０（Ｐ２０１３−１３８４０Ａ）
【公開日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４７０９４（Ｐ２０１１−１４７０９４）
【出願日】平成２３年７月１日（２０１１．７．１）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月１日（２０１１．７．１）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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