浮遊粒子状物質の測定装置
【課題】 大気中の浮遊粒子状物質を構成する元素種類を連続自動的に分析する装置を提供する。
【解決手段】 分級器２によって粒径２．５μｍを超える粗大粒子ＣＰの全量を含む空気と、ＰＭ２．５以下の微小粒子ＦＰを含む空気とに分級し、分級された空気中の浮遊粒子状物質をフィルタ３の第１および第２の位置３ａ，３ｂに捕集する。これらを各別に蛍光Ｘ線分析器１３によって元素分析する。
【解決手段】 分級器２によって粒径２．５μｍを超える粗大粒子ＣＰの全量を含む空気と、ＰＭ２．５以下の微小粒子ＦＰを含む空気とに分級し、分級された空気中の浮遊粒子状物質をフィルタ３の第１および第２の位置３ａ，３ｂに捕集する。これらを各別に蛍光Ｘ線分析器１３によって元素分析する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大気中の浮遊粒子状物質の連続測定装置に関し、特に人の健康に影響の大きい微小浮遊粒子状物質の連続測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
大気中には、種々の粒径の浮遊粒子状物質が存在する。粒径が１０μｍ以下の浮遊粒子状物質は、人が呼吸するに際し、気道で濾過されずに、吸引され、肺に沈降することから、特に人に対する毒性が高い。このような理由で、公害対策基本法に基づく大気汚染に関する環境基準では、大気中の浮遊粒子状物質は、粒径が１０μｍ以下のものと規定されている。そして、従来からこの規定に従って、粒径１０μｍ以下の浮遊粒子状物質の重量を測定する装置が市販されている。なお、本明細書では、浮遊粒子状物質と記載するものは粒径１０μｍ以下の粒子状物質とは限らずに、大気中に浮遊する粒子状物質とする。
【０００３】
大気中の浮遊粒子状物質には図７に示すように、粒径２．５μｍ程度を境として粗大粒子（coarse particle，以下ＣＰと略すことがある）と微小粒子（fine particle，以下ＦＰと略すことがある）とが存在する。ＣＰは、海塩粒子や土壌に由来する砂塵など自然に生じるものを含んでいる。これに対し、ＦＰは工場等から排出されるばいじんやディーゼル車等の発生源から直接大気に放出される一次粒子と、硫黄酸化物（SOx）、窒素酸化物（NOx）、揮発性有機化合物（VOC）等のガス状物質が大気中で粒子状物質に変化する二次生成粒子がある。最近、都市部における大気中の浮遊粒子状物質の粒径についての人体に及ぼす疫学調査の結果、ＦＰは低濃度においても、心血管疾患、肺がん、喘息などの疾患に影響すると考えられ、ＦＰの重量濃度と死亡率が比例することがわかっている。
【０００４】
現在、連続計測が可能なのは、特許文献１記載のように一定の大気中に含まれる浮遊粒子状物質の重量の測定装置があり、１時間に一回のＦＰとＣＰの重量濃度の測定装置が市販されている。また、米国では、元素分析を行う手順として、大気採取装置により、１日に一回程度、一定流量でフィルタ上に粒子状物質を採取し、その後人手により、フィルタを実験室に持ち帰り、分析機器により元素分析が行われている。しかしながら、このような人手による方法では、せいぜい、１日に一回の時間分解能でしか観測が行えずたとえ１日に一回だとしても、大変な手間が必要となるので、人件費がかさんでしまう。さらに、それ以上の時間分解能で観測するのは現実的でない。
【０００５】
しかしながら、１日に一回の時間分解能での観測では、大気中の浮遊粒子状物質の発生源の特定、大気中での生成メカニズムや挙動の研究、また、疫学的調査を行い、その人体に対する毒性について研究を行うにしても、十分とはいえない。
【０００６】
このような背景から、さらに、連続自動による浮遊粒子状物質の元素の一斉分析装置の開発が望まれている
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−３４３３１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
大気中に浮遊する粒子状物質の発生源を特定したり、大気中での生成メカニズムや挙動を研究したり、疫学調査により毒性を評価するには、浮遊粒子状物質の重量だけではなく、粒子を構成する元素分析を行う必要がある。
【０００９】
本発明の目的は、大気中の浮遊粒子状物質を構成する元素を連続自動的に分析する装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、一定流量の試料大気を吸引し、試料大気を粗大粒子の全てを含む空気と、微小粒子のみを含む空気とに浮遊粒子状物質を分級し、テープ状フィルタに連続的に浮遊粒子状物質を捕集し、捕集した粗大粒子と微小粒子のうち少なくともいずれか一方をＸ線蛍光分析法によって測定することで、浮遊粒子状物質中の元素分析を行うことを特徴とする浮遊粒子状物質の測定装置である。
【００１１】
また本発明は、Ｘ線蛍光分析法が、２次ターゲットを用いた偏光型Ｘ線蛍光分析法であることを特徴とする。
【００１２】
また本発明は、元素分析によって、Ｎａ，Ｍｇ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｐ，Ｓ，Ｃｌ，Ｋ，Ｃａ，Ｓｃ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎのいずれの元素を含むかを特定することを特徴とする。
【００１３】
また本発明は、浮遊粒子状物質中の元素分析を行うとともに、β線質量分析法によって浮遊粒子状物質の質量を測定することを特徴とする。
【００１４】
また本発明は、一定流量の試料大気を吸引し、試料大気を粗大粒子の全てを含む空気と、微小粒子のみを含む空気とに浮遊粒子状物質を分級して、大気中で浮遊する粒子状物質を捕集する浮遊粒子捕集手段と、
浮遊粒子捕集手段による浮遊粒子状物質の捕集位置へ連続的に送給されるテープ状捕集フィルタと、
捕集フィルタ上の浮遊粒子状物質に向けてＸ線を照射するＸ線源と、
Ｘ線が照射された浮遊粒子状物質からの蛍光Ｘ線を検出する検出器と、
検出器によって検出される蛍光Ｘ線エネルギーから浮遊粒子状物質中の元素種類を特定する特定手段とを含むことを特徴とする浮遊粒子状物質の測定装置である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、試料大気を粗大粒子の全てを含む空気と、微小粒子のみを含む空気とに浮遊粒子状物質を分級し、テープ状フィルタに連続的に浮遊粒子状物質を捕集し、捕集した浮遊粒子状物質をＸ線蛍光分析法によって測定する。これにより、大気中の浮遊粒子を構成する元素種類を連続自動的に分析することが可能となり、浮遊粒子状物質の発生源特定や、大気中での生成メカニズムや挙動の研究、疫学調査による毒性の評価に役立つ。分級することで、特に分析の必要性が高いＦＰに対してより詳細に元素分析を行うことができる。
【００１６】
また本発明によれば、２次ターゲットを用いた偏光型Ｘ線蛍光分析法によって元素分析を行う。
【００１７】
これにより、検出結果に影響するノイズを小さくすることができ、元素分析を高精度で行うことができる。
【００１８】
また本発明によれば、元素分析によって、軽元素であるＮａ，Ｍｇ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｐ，Ｓ，Ｃｌ，Ｋ，Ｃａ，Ｓｃ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎのいずれの元素を含むかを特定することができる。
【００１９】
また本発明によれば、浮遊粒子状物質中の元素分析を行うとともに、β線質量分析法によって浮遊粒子状物質の質量を測定する。
これにより、捕集した同じサンプルで元素分析と質量分析を行うことができる。
【００２０】
また本発明によれば、浮遊粒子捕集手段が一定流量の試料大気を吸引し、浮遊粒子状物質の捕集位置へ連続的に送給されるテープ状捕集フィルタによって大気中で浮遊する粒子状物質を捕集する。その際、試料大気は、粗大粒子の全てを含む空気と、微小粒子のみを含む空気とに浮遊粒子状物質を分級される。
【００２１】
捕集フィルタ上の浮遊粒子状物質に向けてＸ線を照射し、Ｘ線が照射された浮遊粒子状物質からの蛍光Ｘ線を検出器が検出する。特定手段は、検出器によって検出される蛍光Ｘ線エネルギーから浮遊粒子状物質中の元素種類を特定する。
【００２２】
これにより、大気中の浮遊粒子状物質を構成する元素種類を連続自動的に分析することが可能となり、浮遊粒子状物質の発生源特定や、大気中での生成メカニズムや挙動の研究、疫学調査による毒性の評価に役立つ。分級することで、特に分析の必要性が高いＦＰに対してより詳細に元素分析を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明を実施の形態によって、より具体的に説明する。
図１は、本発明の実施の一形態である浮遊粒子状物質の連続測定装置１の構成を示す外観図である。
【００２４】
装置外部に露出したサンプルインレットから吸引によって取り込まれた試料大気は、バーチャルインパクタ分級器２によってＣＰの全てを含む空気と、ＦＰのみを含む空気とに分級され、ＦＰのみを含む空気は、テープ状のフッ素系メンブランフィルタ３の第１の位置３ａによって濾過され、第１フィルタ４、第１流量制御部５、第１流量センサ６を通って外部へ排気される。テープフィルタには一般的にガラスフィルタが用いられるが、水分を保持し易く、後述のＸ線蛍光分析およびβ線質量分析の分析結果に影響を与えてしまうため、本発明では、フッ素系メンブランフィルタを採用している。
【００２５】
第１流量センサ６の出力は、ＣＰＵ（不図示）に送られ、予め入力された第１流量になるように、第１流量制御部５によって制御される。
【００２６】
一方、分級器２で分級されたＣＰの全てを含む空気は、テープフィルタ３の第２の位置３ｂによって濾過され、温度センサ７、圧力センサ８、第２フィルタ９、第２流量制御部１０、第２流量センサ１１を通って外部へ排気される。第２流量センサ１１の流量が予め定められた第２流量になるように第２流量制御部１０によって制御される。分級器２は、吸引ポンプ１２によって吸引されて試料大気を吸引する。
【００２７】
これによって、フィルタ３の第１の位置３ａおよび第２の位置３ｂには、連続的に分級されたＦＰとＣＰとが各別に捕集される。
【００２８】
テープフィルタ３は、テープ送給機構１２によって連続的に一定の送り速度で送給され、ＦＰおよびＣＰが捕集された第１の位置３ａおよび第２の位置３ｂは、蛍光Ｘ線分析器１３（以下では単に分析器という）に送られる。
【００２９】
分析器１３は、テープフィルタ３がその内部を移動するとともに測定中に内部を真空状態に保持する分析部１４と、テープフィルタ３の第１の位置３ａおよび第２の位置３ｂに捕集されたＦＰおよびＣＰにＸ線を照射するＸ線源１５と、Ｘ線が照射されたＦＰおよびＣＰからの蛍光Ｘ線を検出する検出器１６と、テープフィルタ３を支持するステージ１７とを有する。
【００３０】
本発明においては、分析器３は、２次ターゲットを用いた偏光型Ｘ線蛍光分析器であることが望ましい。具体的には、単結晶グラファイトの２次ターゲット１８を用いてＢｒａｇｇ反射偏光構造としナトリウム（Ｎａ）から亜鉛（Ｚｎ）までの軽元素の測定が可能な分級器３を用いる。ナトリウム（Ｎａ）から亜鉛（Ｚｎ）までの軽元素とは、具体的には、Ｎａ，Ｍｇ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｐ，Ｓ，Ｃｌ，Ｋ，Ｃａ，Ｓｃ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎであって、２次ターゲットを用いた偏光型Ｘ線蛍光分析によってこれらの軽元素のいずれの元素を含むかを特定することができる。
【００３１】
偏光型Ｘ線蛍光分析は、検出したスペクトルに対するノイズが小さく、軽元素を分析するにあたって高精度で分析を行うことができる。
【００３２】
２次ターゲット１８を、単結晶グラファイトからＣｏ，Ｃｕに変更することで、Ａｓ，Ｓｅ，Ｍｏなどの中重元素についての元素分析が可能であり、単結晶グラファイトからＭｏ，Ａｌ2Ｏ3に変更することで、Ｃｄ，Ｓｎ，Ｈｇなどの重元素についての元素分析が可能である。
【００３３】
分析器３は、Ｘ線源１５としては、空冷式ＰｄターゲットのＸ線管（５０ｋＶ，２ｍＡ，出力５０Ｗ）を用い、検出器１６としては、ＳＳＤＤ（Super Silicon Drift Detector）を用いたエネルギー分散型Ｘ線蛍光分析器である。
【００３４】
図２は、分析器３の光学系を示す概略図である。Ｘ線源１５であるＸ線管から出射されたＸ線は、まず２次ターゲット１８でＢｒａｇｇ反射して、テープフィルタ３の捕集位置（試料スポット）に捕集されているＦＰおよびＣＰに照射される。照射されたＸ線によってＦＰおよびＣＰを構成する各元素では外殻からの電子の遷移が起こり元素に固有の波長（固有のエネルギー）を有する蛍光Ｘ線が放射される。放射された蛍光Ｘ線のエネルギーが、検出器１６であるＳＳＤＤで検出され、ＦＰおよびＣＰを構成する元素が特定される。
【００３５】
連続してテープフィルタ３の第１および第２の位置３ａ，３ｂに空気を透過させていると、第１および第２の位置３ａ，３ｂ上に捕集された浮遊粒子状物質の量が次第に増え、空気を透過できなくなるので、一定時間毎、たとえば１時間毎に、テープ送給機構１２によってテープフィルタ３が一定の長さ分だけ分析器３に送給されて分析され、分級器２には、テープフィルタ３の新たな捕集位置が設定され、捕集が行われる。
【００３６】
フィルタ３の浮遊粒子状物質を捕集する第１の位置３ａおよび第２の位置３ｂは、それぞれたとえば直径８ｍｍおよび直径５ｍｍの円形である。
【００３７】
特に都市部における測定時には、ＣＰを含む空気と、ＦＰを含む空気とでは流量が異なるとともに、含まれる粒子濃度も異なるので、分析時に最適な感度となるように、フィルタに捕集する面積（直径）を設定することが好ましい。それぞれの捕集面積の比を直径の比で考えると、ＦＰの捕集位置の直径をＤｆとし、ＣＰの捕集位置の直径をＤｃとしたとき、Ｄｆ／Ｄｃが１．２〜１．８となるように設定することが好ましい。たとえば上記のように、第１の位置３ａ（ＦＰの捕集位置）の直径Ｄｆを８ｍｍに設定し、第２の位置３ｂ（ＣＰの捕集位置）の直径Ｄｃを５ｍｍに設定する。このときのＤｆ／Ｄｃ＝１．６である。さらに、Ｘ線蛍光分析におけるＦＰとＣＰの測定積算時間は、それぞれ最適となるように設定することが可能で、たとえばＦＰの測定では１０分間、ＣＰでは２０分間に設定することが好ましい。
【００３８】
フィルタ３は、テープ状であり供給ロール１９に巻かれた状態で供給され、複数のガイドローラによって、第１の位置３ａおよび第２の位置３ｂに供給され、複数のガイドローラを経て、巻取ローラ２０に巻取られる。
【００３９】
Ｘ線蛍光分析の校正においては、ＮＩＳＴ（National Institute of Standards &
Technology）で規定された標準物質があり、テープフィルタ３を取り外し、この標準物質を測定位置に挿入することが可能に構成されている。標準物質としては、たとえば、
Standard Reference Material 2783を使用することができる。
【００４０】
標準物質を測定することにより、Ｘ線蛍光分析器３から出力される測定値（カウント値）に基づいて各元素の重量に換算することができる。
【００４１】
また、テープフィルタ３の第１の位置３ａおよび第２の位置３ｂのＦＰおよびＣＰをＸ線蛍光分析するためには、測定位置に到着した順に、すなわち、まず第２の位置３ｂ、次に第１の位置３ａに対して測定を行う。Ｘ線蛍光分析を行うにはたとえば、最短でも２分の測定時間が必要であり、第２の位置３ｂに捕集された粒子に対する測定を行っている間、テープフィルタ３の送給が停止することになる。
【００４２】
しかし、分級部器２には、新たな捕集位置をセットする必要があるので、分析器１３による分析中であっても分析器１３より上流側ではテープフィルタ３が送給されることが好ましい。そのため、本発明の連続測定装置１には、分級部器２と分析器１３との間にテープ待機機構２１を設けている。
【００４３】
テープ待機機構２１は、テープフィルタ３の送給方向に対して垂直方向に移動可能なローラ２２を備える。このローラ２２がテープフィルタ３の裏面側からテープフィルタ３を、鉛直上向きに持ち上げることで、テープフィルタ３の迂回路を発生させる。
【００４４】
巻取ローラ２０が停止することにより、分析器１３内でのテープフィルタ３の送給は停止され、測定が行われる。一方、テープ待機機構２１によってテープフィルタ３が迂回することで、供給ロール１９からの供給を停止することなく、分級器２への送給が行われる。したがって、分析器１３によるＸ線蛍光分析中であってもテープフィルタ３を分級器２に送給して新たにＦＰおよびＣＰの捕集を行うことができる。
【００４５】
Ｘ線蛍光分析が終了すると、ローラ２２が鉛直下方に移動するとともに、巻取ローラ２０がテープフィルタ３を巻き取ることで、テープ待機機構２１から下流側ではテープフィルタ３が移動し、迂回していた分のテープフィルタ３が分析器１３へ送給される。これによってテープフィルタ３の第１の位置３ａに対するＸ線蛍光分析を行うことができる。
【００４６】
次に、本実施の形態で用いたバーチャルインパクタ分級器２の構成およびフィルタ３の第１の位置３ａおよび第２の位置３ｂを透過する空気量について説明する。図３は、バーチャルインパクタ分級器２の構成を説明するための断面図である。バーチャルインパクタ分級器２は、ノズル部４０と、集気部４５と、外管部５０とから構成される。ノズル部４０は、空気を噴出し、内径Ｄ0を有する円形の噴出口４１と、噴出口４１に連なり、長さＴの円筒部４２と、円筒部４２に連なる縮管部４３とから成り、空気がスムーズに噴出口４１から噴出される。集気部４５は、ノズル部４１の軸線と同一の軸線と、前記Ｄ0よりも大きい内径Ｄ1とを有する円筒状の隔壁４６によって囲まれ、噴出口４１と隔壁４６の先端とは長さＳの間隔で対峙している。外管部５０は、隔壁４６より充分大きい内径の外管５１によって囲まれ、排出口を有している。排出口５２および集気部４５は、吸引ポンプ１２に接続され、噴出口４１から噴出された空気Ｑ0をＱ1と（Ｑ0−Ｑ1）との割合に分配する。噴出口４１から噴出される空気がレイノズル数約１０，０００に相当する線速（２０，０００〜２５，０００ｍ／ｍｉｎ）で噴出されると、空気中の微粒子６０は、流線に沿って流れ、前記空気の流量割合に応じて外管部５０（主流）と集気部４５（二次流）とに配分される。これに対し粗粒子６１は、その慣性力のため、ほとんど全部二次流に入る。前記Ｄ1／Ｄ0，Ｓ／Ｄ0，Ｔ／Ｄ0，Ｑ1／Ｑ0を適当に定めれば、ＣＰのほとんど全部が二次流に入る分級器２を得ることができる。Ｄ0＝３．９１２ｍｍ，Ｄ1／Ｄ0＝１．２８，Ｓ／Ｄ0＝１．０，Ｔ／Ｄ0＝２．０，Ｑ0＝２７．７ｌ／ｍｉｎ，Ｑ1／Ｑ0＝０．１０の条件でバーチャルインパクタ分級器２を運転して、粒子径１〜１０μｍの浮遊粒子状物質を含む空気を分級した。結果を図４に示す。図４に示すように、前記条件でバーチャルインパクタ分級器２を運転したとき、粒径２．５μｍで完全に分級されるものではないが、主流と二次流との分級曲線が、大略粒径２．５μｍの位置で交わり、大略粒径２．５μｍで分級されている。分級が正確に行われるために、第１および第２流量センサ６，１１で、分級器２で主流および二次流の空気流量が監視され、これが予め定めた量、すなわち（Ｑ0−Ｑ1）およびＱ1になるように、第１および第２流量制御部５，１０で制御される。
【００４７】
実際に演算される浮遊粒子状物質の量は、空気量Ｑ0に対するＦＰ全量（以下、ＰＭ２．５量という）、ＦＰ中の元素状炭素量（以下、ＰＭ２．５Ｃ量という）および全浮遊粒子状物質量（以下、ＴＳＰ量という）であり、これは先に計算されたＦＰ量、ＦＰＣ量（ＦＰ中の元素状炭素量）およびＣＰ量から、次の式１で計算される。
ＰＭ２．５＝Ｑ0／（Ｑ0−Ｑ1）×ＦＰ
ＰＭ２．５Ｃ＝Ｑ0／（Ｑ0−Ｑ1）×ＦＰＣ …（１）
ＴＳＰ＝ＦＰ＋ＣＦ
【００４８】
空気中のＰＭ２．５，ＰＭ２．５Ｃ，ＴＳＰの空気中の含有量を算出するために１分間に流れた空気量Ｑ0を基準状態、たとえば０℃１気圧に換算する場合と、その場の温度と気圧における体積に換算する場合とがある。第１および第２流量センサ６，１１が熱線式センサの場合、１分毎の基準状態の０℃１気圧流量に換算された出力がされているので、その場の気温と気圧における体積に換算する場合、気圧センサ１０２と気温センサ１０３によって得られたデータを元に演算する。これらの計算はＣＰＵ１００の演算部で行われ、その結果は記録装置１０１に記録される。
【００４９】
図５は、本発明の他の実施形態である浮遊粒子状物質の連続測定装置１の構成を示す外観図である。
【００５０】
本実施形態では、上記の実施形態に、β線質量分析法によって浮遊粒子状物質の質量を測定する質量測定部７０を追加して設けたことを特徴としている。図１に示した連続測定装置１と同じ動作を行う部位については、同じ参照符号を付して説明を省略する。
【００５１】
質量測定部７０は、分級器２と一体に設けられ、分級直後にテープフィルタ３の第１の位置３ａおよび第２の位置３ｂに捕集されたＦＰおよびＣＰの質量分析を行う。
【００５２】
テープフィルタ３の第１の位置３ａおよび第２の位置３ｂには、第１β線源７１および第２β線源７２からβ線が照射され、透過したβ線量が、たとえば１分毎に連続的に検出される。検出結果は、第１プリアンプおよび第２プリアンプを通してＣＰＵ１００に入力される。
【００５３】
第１および第２β線検出器(シンチレーションカウンタ)７３，７４の検出結果と、フィルタ上の浮遊粒子状物質の量との関係は、式２で計算される。
Ｉj＝Ｉj-1ｅｘｐ（−μΧ） (Χ：カイ) …（２）
【００５４】
ここにＩjは、ある瞬間に浮遊粒子状物質を捕集したフィルタを透過したβ線量であり、Ｉj-1はその１分前の同じ量である。μは比例定数であり、Χはフィルタの単位面積当たりの捕集浮遊粒子状物質の量（ｍｇ／ｃｍ2）である。μはβ線源に固有の値であり、標準物質によって予めｃｍ2／ｍｇの単位で求められる。
【００５５】
式２を変形して、式３を得る。
Χ＝−ｌｎ（Ｉj／Ｉj-1）／μ …（３）
【００５６】
式３からＩjとＩj-1との比を求めることによって、たとえば１分間に捕集されたフィルタの単位面積当たりの浮遊粒子状物質の量が計算でき、これに第１の位置３ａの面積（これは第２の位置３ｂの面積に等しく、直径が１１ｍｍの場合、約０．９５ｃｍ2となる）を掛ければ、１分間に捕集された浮遊粒子状物質の量（ｍｇ／ｍｉｎ）が算出できる。
【００５７】
このように、β線質量分析法によって浮遊粒子状物質の質量を測定するとともに、Ｘ線蛍光分析法によって浮遊粒子状物質の元素分析を行うことができる。
【００５８】
図６は、図１に示す浮流粒子状物質の連続測定装置１を用いて、大気中の浮遊粒子状物質を２４時間連続測定した結果の一例を示すグラフである。
【００５９】
横軸が時刻を示し、縦軸が捕集量を示している。Ｘ線蛍光分析の捕集量は、カウント値で示し、β線質量分析の捕集量は、取り込み大気単位体積当たりの質量で示している。
Ｘ線蛍光分析およびβ線質量分析の両方を１時間毎に行った。
【００６０】
グラフは、上から４つが元素分析結果で、下の２つが質量分析の結果である。元素分析については、上から順にＳ（硫黄）の結果、Ａｌ（アルミニウム）およびＣａ（カルシウム）の結果、Ｓ（硫黄）およびＫ（カリウム）の結果、Ｎａ（ナトリウム）およびＭｇ（マグネシウム）の結果を示している。質量分析については、上から順にＴＰＳ−ＰＭ２．５およびＰＭ１０−ＰＭ２．５の結果、ＰＭ２．５およびＰＭ１．０の結果を示している。
【００６１】
このように、本発明の連続測定装置１を用いることで、軽元素の元素分析と、質量分析を行うことが可能となり、ＦＰおよびＣＰの発生源や有害性の判断を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の実施の一形態である浮遊粒子状物質の連続測定装置１の構成を示す外観図である。
【図２】分析器３の光学系を示す概略図である。
【図３】バーチャルインパクタ分級器２の断面図である。
【図４】バーチャルインパクタ分級器２による分級の一例を示すグラフである。
【図５】本発明の他の実施形態である浮遊粒子状物質の連続測定装置１の構成を示す外観図である。
【図６】図１に示す浮流粒子状物質の連続測定装置１を用いて、大気中の浮遊粒子状物質のＦＰ中の元素を２４時間連続測定した結果の一例を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６３】
１ 浮遊粒子状物質測定装置
２ バーチャルインパクタ分級器
３ テープフィルタ
３ａ 第１の位置
３ｂ 第２の位置
１３ 蛍光Ｘ線分析器
１４ 分析部
１５ Ｘ線源
１６ 検出器
１７ ステージ
７０ 質量測定部７０
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大気中の浮遊粒子状物質の連続測定装置に関し、特に人の健康に影響の大きい微小浮遊粒子状物質の連続測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
大気中には、種々の粒径の浮遊粒子状物質が存在する。粒径が１０μｍ以下の浮遊粒子状物質は、人が呼吸するに際し、気道で濾過されずに、吸引され、肺に沈降することから、特に人に対する毒性が高い。このような理由で、公害対策基本法に基づく大気汚染に関する環境基準では、大気中の浮遊粒子状物質は、粒径が１０μｍ以下のものと規定されている。そして、従来からこの規定に従って、粒径１０μｍ以下の浮遊粒子状物質の重量を測定する装置が市販されている。なお、本明細書では、浮遊粒子状物質と記載するものは粒径１０μｍ以下の粒子状物質とは限らずに、大気中に浮遊する粒子状物質とする。
【０００３】
大気中の浮遊粒子状物質には図７に示すように、粒径２．５μｍ程度を境として粗大粒子（coarse particle，以下ＣＰと略すことがある）と微小粒子（fine particle，以下ＦＰと略すことがある）とが存在する。ＣＰは、海塩粒子や土壌に由来する砂塵など自然に生じるものを含んでいる。これに対し、ＦＰは工場等から排出されるばいじんやディーゼル車等の発生源から直接大気に放出される一次粒子と、硫黄酸化物（SOx）、窒素酸化物（NOx）、揮発性有機化合物（VOC）等のガス状物質が大気中で粒子状物質に変化する二次生成粒子がある。最近、都市部における大気中の浮遊粒子状物質の粒径についての人体に及ぼす疫学調査の結果、ＦＰは低濃度においても、心血管疾患、肺がん、喘息などの疾患に影響すると考えられ、ＦＰの重量濃度と死亡率が比例することがわかっている。
【０００４】
現在、連続計測が可能なのは、特許文献１記載のように一定の大気中に含まれる浮遊粒子状物質の重量の測定装置があり、１時間に一回のＦＰとＣＰの重量濃度の測定装置が市販されている。また、米国では、元素分析を行う手順として、大気採取装置により、１日に一回程度、一定流量でフィルタ上に粒子状物質を採取し、その後人手により、フィルタを実験室に持ち帰り、分析機器により元素分析が行われている。しかしながら、このような人手による方法では、せいぜい、１日に一回の時間分解能でしか観測が行えずたとえ１日に一回だとしても、大変な手間が必要となるので、人件費がかさんでしまう。さらに、それ以上の時間分解能で観測するのは現実的でない。
【０００５】
しかしながら、１日に一回の時間分解能での観測では、大気中の浮遊粒子状物質の発生源の特定、大気中での生成メカニズムや挙動の研究、また、疫学的調査を行い、その人体に対する毒性について研究を行うにしても、十分とはいえない。
【０００６】
このような背景から、さらに、連続自動による浮遊粒子状物質の元素の一斉分析装置の開発が望まれている
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−３４３３１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
大気中に浮遊する粒子状物質の発生源を特定したり、大気中での生成メカニズムや挙動を研究したり、疫学調査により毒性を評価するには、浮遊粒子状物質の重量だけではなく、粒子を構成する元素分析を行う必要がある。
【０００９】
本発明の目的は、大気中の浮遊粒子状物質を構成する元素を連続自動的に分析する装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、一定流量の試料大気を吸引し、試料大気を粗大粒子の全てを含む空気と、微小粒子のみを含む空気とに浮遊粒子状物質を分級し、テープ状フィルタに連続的に浮遊粒子状物質を捕集し、捕集した粗大粒子と微小粒子のうち少なくともいずれか一方をＸ線蛍光分析法によって測定することで、浮遊粒子状物質中の元素分析を行うことを特徴とする浮遊粒子状物質の測定装置である。
【００１１】
また本発明は、Ｘ線蛍光分析法が、２次ターゲットを用いた偏光型Ｘ線蛍光分析法であることを特徴とする。
【００１２】
また本発明は、元素分析によって、Ｎａ，Ｍｇ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｐ，Ｓ，Ｃｌ，Ｋ，Ｃａ，Ｓｃ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎのいずれの元素を含むかを特定することを特徴とする。
【００１３】
また本発明は、浮遊粒子状物質中の元素分析を行うとともに、β線質量分析法によって浮遊粒子状物質の質量を測定することを特徴とする。
【００１４】
また本発明は、一定流量の試料大気を吸引し、試料大気を粗大粒子の全てを含む空気と、微小粒子のみを含む空気とに浮遊粒子状物質を分級して、大気中で浮遊する粒子状物質を捕集する浮遊粒子捕集手段と、
浮遊粒子捕集手段による浮遊粒子状物質の捕集位置へ連続的に送給されるテープ状捕集フィルタと、
捕集フィルタ上の浮遊粒子状物質に向けてＸ線を照射するＸ線源と、
Ｘ線が照射された浮遊粒子状物質からの蛍光Ｘ線を検出する検出器と、
検出器によって検出される蛍光Ｘ線エネルギーから浮遊粒子状物質中の元素種類を特定する特定手段とを含むことを特徴とする浮遊粒子状物質の測定装置である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、試料大気を粗大粒子の全てを含む空気と、微小粒子のみを含む空気とに浮遊粒子状物質を分級し、テープ状フィルタに連続的に浮遊粒子状物質を捕集し、捕集した浮遊粒子状物質をＸ線蛍光分析法によって測定する。これにより、大気中の浮遊粒子を構成する元素種類を連続自動的に分析することが可能となり、浮遊粒子状物質の発生源特定や、大気中での生成メカニズムや挙動の研究、疫学調査による毒性の評価に役立つ。分級することで、特に分析の必要性が高いＦＰに対してより詳細に元素分析を行うことができる。
【００１６】
また本発明によれば、２次ターゲットを用いた偏光型Ｘ線蛍光分析法によって元素分析を行う。
【００１７】
これにより、検出結果に影響するノイズを小さくすることができ、元素分析を高精度で行うことができる。
【００１８】
また本発明によれば、元素分析によって、軽元素であるＮａ，Ｍｇ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｐ，Ｓ，Ｃｌ，Ｋ，Ｃａ，Ｓｃ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎのいずれの元素を含むかを特定することができる。
【００１９】
また本発明によれば、浮遊粒子状物質中の元素分析を行うとともに、β線質量分析法によって浮遊粒子状物質の質量を測定する。
これにより、捕集した同じサンプルで元素分析と質量分析を行うことができる。
【００２０】
また本発明によれば、浮遊粒子捕集手段が一定流量の試料大気を吸引し、浮遊粒子状物質の捕集位置へ連続的に送給されるテープ状捕集フィルタによって大気中で浮遊する粒子状物質を捕集する。その際、試料大気は、粗大粒子の全てを含む空気と、微小粒子のみを含む空気とに浮遊粒子状物質を分級される。
【００２１】
捕集フィルタ上の浮遊粒子状物質に向けてＸ線を照射し、Ｘ線が照射された浮遊粒子状物質からの蛍光Ｘ線を検出器が検出する。特定手段は、検出器によって検出される蛍光Ｘ線エネルギーから浮遊粒子状物質中の元素種類を特定する。
【００２２】
これにより、大気中の浮遊粒子状物質を構成する元素種類を連続自動的に分析することが可能となり、浮遊粒子状物質の発生源特定や、大気中での生成メカニズムや挙動の研究、疫学調査による毒性の評価に役立つ。分級することで、特に分析の必要性が高いＦＰに対してより詳細に元素分析を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明を実施の形態によって、より具体的に説明する。
図１は、本発明の実施の一形態である浮遊粒子状物質の連続測定装置１の構成を示す外観図である。
【００２４】
装置外部に露出したサンプルインレットから吸引によって取り込まれた試料大気は、バーチャルインパクタ分級器２によってＣＰの全てを含む空気と、ＦＰのみを含む空気とに分級され、ＦＰのみを含む空気は、テープ状のフッ素系メンブランフィルタ３の第１の位置３ａによって濾過され、第１フィルタ４、第１流量制御部５、第１流量センサ６を通って外部へ排気される。テープフィルタには一般的にガラスフィルタが用いられるが、水分を保持し易く、後述のＸ線蛍光分析およびβ線質量分析の分析結果に影響を与えてしまうため、本発明では、フッ素系メンブランフィルタを採用している。
【００２５】
第１流量センサ６の出力は、ＣＰＵ（不図示）に送られ、予め入力された第１流量になるように、第１流量制御部５によって制御される。
【００２６】
一方、分級器２で分級されたＣＰの全てを含む空気は、テープフィルタ３の第２の位置３ｂによって濾過され、温度センサ７、圧力センサ８、第２フィルタ９、第２流量制御部１０、第２流量センサ１１を通って外部へ排気される。第２流量センサ１１の流量が予め定められた第２流量になるように第２流量制御部１０によって制御される。分級器２は、吸引ポンプ１２によって吸引されて試料大気を吸引する。
【００２７】
これによって、フィルタ３の第１の位置３ａおよび第２の位置３ｂには、連続的に分級されたＦＰとＣＰとが各別に捕集される。
【００２８】
テープフィルタ３は、テープ送給機構１２によって連続的に一定の送り速度で送給され、ＦＰおよびＣＰが捕集された第１の位置３ａおよび第２の位置３ｂは、蛍光Ｘ線分析器１３（以下では単に分析器という）に送られる。
【００２９】
分析器１３は、テープフィルタ３がその内部を移動するとともに測定中に内部を真空状態に保持する分析部１４と、テープフィルタ３の第１の位置３ａおよび第２の位置３ｂに捕集されたＦＰおよびＣＰにＸ線を照射するＸ線源１５と、Ｘ線が照射されたＦＰおよびＣＰからの蛍光Ｘ線を検出する検出器１６と、テープフィルタ３を支持するステージ１７とを有する。
【００３０】
本発明においては、分析器３は、２次ターゲットを用いた偏光型Ｘ線蛍光分析器であることが望ましい。具体的には、単結晶グラファイトの２次ターゲット１８を用いてＢｒａｇｇ反射偏光構造としナトリウム（Ｎａ）から亜鉛（Ｚｎ）までの軽元素の測定が可能な分級器３を用いる。ナトリウム（Ｎａ）から亜鉛（Ｚｎ）までの軽元素とは、具体的には、Ｎａ，Ｍｇ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｐ，Ｓ，Ｃｌ，Ｋ，Ｃａ，Ｓｃ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎであって、２次ターゲットを用いた偏光型Ｘ線蛍光分析によってこれらの軽元素のいずれの元素を含むかを特定することができる。
【００３１】
偏光型Ｘ線蛍光分析は、検出したスペクトルに対するノイズが小さく、軽元素を分析するにあたって高精度で分析を行うことができる。
【００３２】
２次ターゲット１８を、単結晶グラファイトからＣｏ，Ｃｕに変更することで、Ａｓ，Ｓｅ，Ｍｏなどの中重元素についての元素分析が可能であり、単結晶グラファイトからＭｏ，Ａｌ2Ｏ3に変更することで、Ｃｄ，Ｓｎ，Ｈｇなどの重元素についての元素分析が可能である。
【００３３】
分析器３は、Ｘ線源１５としては、空冷式ＰｄターゲットのＸ線管（５０ｋＶ，２ｍＡ，出力５０Ｗ）を用い、検出器１６としては、ＳＳＤＤ（Super Silicon Drift Detector）を用いたエネルギー分散型Ｘ線蛍光分析器である。
【００３４】
図２は、分析器３の光学系を示す概略図である。Ｘ線源１５であるＸ線管から出射されたＸ線は、まず２次ターゲット１８でＢｒａｇｇ反射して、テープフィルタ３の捕集位置（試料スポット）に捕集されているＦＰおよびＣＰに照射される。照射されたＸ線によってＦＰおよびＣＰを構成する各元素では外殻からの電子の遷移が起こり元素に固有の波長（固有のエネルギー）を有する蛍光Ｘ線が放射される。放射された蛍光Ｘ線のエネルギーが、検出器１６であるＳＳＤＤで検出され、ＦＰおよびＣＰを構成する元素が特定される。
【００３５】
連続してテープフィルタ３の第１および第２の位置３ａ，３ｂに空気を透過させていると、第１および第２の位置３ａ，３ｂ上に捕集された浮遊粒子状物質の量が次第に増え、空気を透過できなくなるので、一定時間毎、たとえば１時間毎に、テープ送給機構１２によってテープフィルタ３が一定の長さ分だけ分析器３に送給されて分析され、分級器２には、テープフィルタ３の新たな捕集位置が設定され、捕集が行われる。
【００３６】
フィルタ３の浮遊粒子状物質を捕集する第１の位置３ａおよび第２の位置３ｂは、それぞれたとえば直径８ｍｍおよび直径５ｍｍの円形である。
【００３７】
特に都市部における測定時には、ＣＰを含む空気と、ＦＰを含む空気とでは流量が異なるとともに、含まれる粒子濃度も異なるので、分析時に最適な感度となるように、フィルタに捕集する面積（直径）を設定することが好ましい。それぞれの捕集面積の比を直径の比で考えると、ＦＰの捕集位置の直径をＤｆとし、ＣＰの捕集位置の直径をＤｃとしたとき、Ｄｆ／Ｄｃが１．２〜１．８となるように設定することが好ましい。たとえば上記のように、第１の位置３ａ（ＦＰの捕集位置）の直径Ｄｆを８ｍｍに設定し、第２の位置３ｂ（ＣＰの捕集位置）の直径Ｄｃを５ｍｍに設定する。このときのＤｆ／Ｄｃ＝１．６である。さらに、Ｘ線蛍光分析におけるＦＰとＣＰの測定積算時間は、それぞれ最適となるように設定することが可能で、たとえばＦＰの測定では１０分間、ＣＰでは２０分間に設定することが好ましい。
【００３８】
フィルタ３は、テープ状であり供給ロール１９に巻かれた状態で供給され、複数のガイドローラによって、第１の位置３ａおよび第２の位置３ｂに供給され、複数のガイドローラを経て、巻取ローラ２０に巻取られる。
【００３９】
Ｘ線蛍光分析の校正においては、ＮＩＳＴ（National Institute of Standards &
Technology）で規定された標準物質があり、テープフィルタ３を取り外し、この標準物質を測定位置に挿入することが可能に構成されている。標準物質としては、たとえば、
Standard Reference Material 2783を使用することができる。
【００４０】
標準物質を測定することにより、Ｘ線蛍光分析器３から出力される測定値（カウント値）に基づいて各元素の重量に換算することができる。
【００４１】
また、テープフィルタ３の第１の位置３ａおよび第２の位置３ｂのＦＰおよびＣＰをＸ線蛍光分析するためには、測定位置に到着した順に、すなわち、まず第２の位置３ｂ、次に第１の位置３ａに対して測定を行う。Ｘ線蛍光分析を行うにはたとえば、最短でも２分の測定時間が必要であり、第２の位置３ｂに捕集された粒子に対する測定を行っている間、テープフィルタ３の送給が停止することになる。
【００４２】
しかし、分級部器２には、新たな捕集位置をセットする必要があるので、分析器１３による分析中であっても分析器１３より上流側ではテープフィルタ３が送給されることが好ましい。そのため、本発明の連続測定装置１には、分級部器２と分析器１３との間にテープ待機機構２１を設けている。
【００４３】
テープ待機機構２１は、テープフィルタ３の送給方向に対して垂直方向に移動可能なローラ２２を備える。このローラ２２がテープフィルタ３の裏面側からテープフィルタ３を、鉛直上向きに持ち上げることで、テープフィルタ３の迂回路を発生させる。
【００４４】
巻取ローラ２０が停止することにより、分析器１３内でのテープフィルタ３の送給は停止され、測定が行われる。一方、テープ待機機構２１によってテープフィルタ３が迂回することで、供給ロール１９からの供給を停止することなく、分級器２への送給が行われる。したがって、分析器１３によるＸ線蛍光分析中であってもテープフィルタ３を分級器２に送給して新たにＦＰおよびＣＰの捕集を行うことができる。
【００４５】
Ｘ線蛍光分析が終了すると、ローラ２２が鉛直下方に移動するとともに、巻取ローラ２０がテープフィルタ３を巻き取ることで、テープ待機機構２１から下流側ではテープフィルタ３が移動し、迂回していた分のテープフィルタ３が分析器１３へ送給される。これによってテープフィルタ３の第１の位置３ａに対するＸ線蛍光分析を行うことができる。
【００４６】
次に、本実施の形態で用いたバーチャルインパクタ分級器２の構成およびフィルタ３の第１の位置３ａおよび第２の位置３ｂを透過する空気量について説明する。図３は、バーチャルインパクタ分級器２の構成を説明するための断面図である。バーチャルインパクタ分級器２は、ノズル部４０と、集気部４５と、外管部５０とから構成される。ノズル部４０は、空気を噴出し、内径Ｄ0を有する円形の噴出口４１と、噴出口４１に連なり、長さＴの円筒部４２と、円筒部４２に連なる縮管部４３とから成り、空気がスムーズに噴出口４１から噴出される。集気部４５は、ノズル部４１の軸線と同一の軸線と、前記Ｄ0よりも大きい内径Ｄ1とを有する円筒状の隔壁４６によって囲まれ、噴出口４１と隔壁４６の先端とは長さＳの間隔で対峙している。外管部５０は、隔壁４６より充分大きい内径の外管５１によって囲まれ、排出口を有している。排出口５２および集気部４５は、吸引ポンプ１２に接続され、噴出口４１から噴出された空気Ｑ0をＱ1と（Ｑ0−Ｑ1）との割合に分配する。噴出口４１から噴出される空気がレイノズル数約１０，０００に相当する線速（２０，０００〜２５，０００ｍ／ｍｉｎ）で噴出されると、空気中の微粒子６０は、流線に沿って流れ、前記空気の流量割合に応じて外管部５０（主流）と集気部４５（二次流）とに配分される。これに対し粗粒子６１は、その慣性力のため、ほとんど全部二次流に入る。前記Ｄ1／Ｄ0，Ｓ／Ｄ0，Ｔ／Ｄ0，Ｑ1／Ｑ0を適当に定めれば、ＣＰのほとんど全部が二次流に入る分級器２を得ることができる。Ｄ0＝３．９１２ｍｍ，Ｄ1／Ｄ0＝１．２８，Ｓ／Ｄ0＝１．０，Ｔ／Ｄ0＝２．０，Ｑ0＝２７．７ｌ／ｍｉｎ，Ｑ1／Ｑ0＝０．１０の条件でバーチャルインパクタ分級器２を運転して、粒子径１〜１０μｍの浮遊粒子状物質を含む空気を分級した。結果を図４に示す。図４に示すように、前記条件でバーチャルインパクタ分級器２を運転したとき、粒径２．５μｍで完全に分級されるものではないが、主流と二次流との分級曲線が、大略粒径２．５μｍの位置で交わり、大略粒径２．５μｍで分級されている。分級が正確に行われるために、第１および第２流量センサ６，１１で、分級器２で主流および二次流の空気流量が監視され、これが予め定めた量、すなわち（Ｑ0−Ｑ1）およびＱ1になるように、第１および第２流量制御部５，１０で制御される。
【００４７】
実際に演算される浮遊粒子状物質の量は、空気量Ｑ0に対するＦＰ全量（以下、ＰＭ２．５量という）、ＦＰ中の元素状炭素量（以下、ＰＭ２．５Ｃ量という）および全浮遊粒子状物質量（以下、ＴＳＰ量という）であり、これは先に計算されたＦＰ量、ＦＰＣ量（ＦＰ中の元素状炭素量）およびＣＰ量から、次の式１で計算される。
ＰＭ２．５＝Ｑ0／（Ｑ0−Ｑ1）×ＦＰ
ＰＭ２．５Ｃ＝Ｑ0／（Ｑ0−Ｑ1）×ＦＰＣ …（１）
ＴＳＰ＝ＦＰ＋ＣＦ
【００４８】
空気中のＰＭ２．５，ＰＭ２．５Ｃ，ＴＳＰの空気中の含有量を算出するために１分間に流れた空気量Ｑ0を基準状態、たとえば０℃１気圧に換算する場合と、その場の温度と気圧における体積に換算する場合とがある。第１および第２流量センサ６，１１が熱線式センサの場合、１分毎の基準状態の０℃１気圧流量に換算された出力がされているので、その場の気温と気圧における体積に換算する場合、気圧センサ１０２と気温センサ１０３によって得られたデータを元に演算する。これらの計算はＣＰＵ１００の演算部で行われ、その結果は記録装置１０１に記録される。
【００４９】
図５は、本発明の他の実施形態である浮遊粒子状物質の連続測定装置１の構成を示す外観図である。
【００５０】
本実施形態では、上記の実施形態に、β線質量分析法によって浮遊粒子状物質の質量を測定する質量測定部７０を追加して設けたことを特徴としている。図１に示した連続測定装置１と同じ動作を行う部位については、同じ参照符号を付して説明を省略する。
【００５１】
質量測定部７０は、分級器２と一体に設けられ、分級直後にテープフィルタ３の第１の位置３ａおよび第２の位置３ｂに捕集されたＦＰおよびＣＰの質量分析を行う。
【００５２】
テープフィルタ３の第１の位置３ａおよび第２の位置３ｂには、第１β線源７１および第２β線源７２からβ線が照射され、透過したβ線量が、たとえば１分毎に連続的に検出される。検出結果は、第１プリアンプおよび第２プリアンプを通してＣＰＵ１００に入力される。
【００５３】
第１および第２β線検出器(シンチレーションカウンタ)７３，７４の検出結果と、フィルタ上の浮遊粒子状物質の量との関係は、式２で計算される。
Ｉj＝Ｉj-1ｅｘｐ（−μΧ） (Χ：カイ) …（２）
【００５４】
ここにＩjは、ある瞬間に浮遊粒子状物質を捕集したフィルタを透過したβ線量であり、Ｉj-1はその１分前の同じ量である。μは比例定数であり、Χはフィルタの単位面積当たりの捕集浮遊粒子状物質の量（ｍｇ／ｃｍ2）である。μはβ線源に固有の値であり、標準物質によって予めｃｍ2／ｍｇの単位で求められる。
【００５５】
式２を変形して、式３を得る。
Χ＝−ｌｎ（Ｉj／Ｉj-1）／μ …（３）
【００５６】
式３からＩjとＩj-1との比を求めることによって、たとえば１分間に捕集されたフィルタの単位面積当たりの浮遊粒子状物質の量が計算でき、これに第１の位置３ａの面積（これは第２の位置３ｂの面積に等しく、直径が１１ｍｍの場合、約０．９５ｃｍ2となる）を掛ければ、１分間に捕集された浮遊粒子状物質の量（ｍｇ／ｍｉｎ）が算出できる。
【００５７】
このように、β線質量分析法によって浮遊粒子状物質の質量を測定するとともに、Ｘ線蛍光分析法によって浮遊粒子状物質の元素分析を行うことができる。
【００５８】
図６は、図１に示す浮流粒子状物質の連続測定装置１を用いて、大気中の浮遊粒子状物質を２４時間連続測定した結果の一例を示すグラフである。
【００５９】
横軸が時刻を示し、縦軸が捕集量を示している。Ｘ線蛍光分析の捕集量は、カウント値で示し、β線質量分析の捕集量は、取り込み大気単位体積当たりの質量で示している。
Ｘ線蛍光分析およびβ線質量分析の両方を１時間毎に行った。
【００６０】
グラフは、上から４つが元素分析結果で、下の２つが質量分析の結果である。元素分析については、上から順にＳ（硫黄）の結果、Ａｌ（アルミニウム）およびＣａ（カルシウム）の結果、Ｓ（硫黄）およびＫ（カリウム）の結果、Ｎａ（ナトリウム）およびＭｇ（マグネシウム）の結果を示している。質量分析については、上から順にＴＰＳ−ＰＭ２．５およびＰＭ１０−ＰＭ２．５の結果、ＰＭ２．５およびＰＭ１．０の結果を示している。
【００６１】
このように、本発明の連続測定装置１を用いることで、軽元素の元素分析と、質量分析を行うことが可能となり、ＦＰおよびＣＰの発生源や有害性の判断を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の実施の一形態である浮遊粒子状物質の連続測定装置１の構成を示す外観図である。
【図２】分析器３の光学系を示す概略図である。
【図３】バーチャルインパクタ分級器２の断面図である。
【図４】バーチャルインパクタ分級器２による分級の一例を示すグラフである。
【図５】本発明の他の実施形態である浮遊粒子状物質の連続測定装置１の構成を示す外観図である。
【図６】図１に示す浮流粒子状物質の連続測定装置１を用いて、大気中の浮遊粒子状物質のＦＰ中の元素を２４時間連続測定した結果の一例を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６３】
１ 浮遊粒子状物質測定装置
２ バーチャルインパクタ分級器
３ テープフィルタ
３ａ 第１の位置
３ｂ 第２の位置
１３ 蛍光Ｘ線分析器
１４ 分析部
１５ Ｘ線源
１６ 検出器
１７ ステージ
７０ 質量測定部７０
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一定流量の試料大気を吸引し、試料大気を粗大粒子の全てを含む空気と、微小粒子のみを含む空気とに浮遊粒子状物質を分級し、テープ状フィルタに連続的に浮遊粒子状物質を捕集し、捕集した粗大粒子と微小粒子のうち少なくともいずれか一方をＸ線蛍光分析法によって測定することで、浮遊粒子状物質中の元素分析を行うことを特徴とする浮遊粒子状物質の測定装置。
【請求項２】
Ｘ線蛍光分析法が、２次ターゲットを用いた偏光型Ｘ線蛍光分析法であることを特徴とする請求項１記載の浮遊粒子状物質の測定装置。
【請求項３】
元素分析によって、Ｎａ，Ｍｇ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｐ，Ｓ，Ｃｌ，Ｋ，Ｃａ，Ｓｃ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎのいずれの元素を含むかを特定することを特徴とする請求項１または２記載の浮遊粒子状物質の測定装置。
【請求項４】
浮遊粒子状物質中の元素分析を行うとともに、β線質量分析法によって浮遊粒子状物質の質量を測定することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の浮遊粒子状物質の測定装置。
【請求項５】
一定流量の試料大気を吸引し、試料大気を粗大粒子の全てを含む空気と、微小粒子のみを含む空気とに浮遊粒子状物質を分級して、大気中で浮遊する粒子状物質を捕集する浮遊粒子捕集手段と、
浮遊粒子捕集手段による浮遊粒子状物質の捕集位置へ連続的に送給されるテープ状捕集フィルタと、
捕集フィルタ上の浮遊粒子状物質に向けてＸ線を照射するＸ線源と、
Ｘ線が照射された浮遊粒子状物質からの蛍光Ｘ線を検出する検出器と、
検出器によって検出される蛍光Ｘ線エネルギーから浮遊粒子状物質中の元素種類を特定する特定手段とを含むことを特徴とする浮遊粒子状物質の測定装置。
【請求項１】
一定流量の試料大気を吸引し、試料大気を粗大粒子の全てを含む空気と、微小粒子のみを含む空気とに浮遊粒子状物質を分級し、テープ状フィルタに連続的に浮遊粒子状物質を捕集し、捕集した粗大粒子と微小粒子のうち少なくともいずれか一方をＸ線蛍光分析法によって測定することで、浮遊粒子状物質中の元素分析を行うことを特徴とする浮遊粒子状物質の測定装置。
【請求項２】
Ｘ線蛍光分析法が、２次ターゲットを用いた偏光型Ｘ線蛍光分析法であることを特徴とする請求項１記載の浮遊粒子状物質の測定装置。
【請求項３】
元素分析によって、Ｎａ，Ｍｇ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｐ，Ｓ，Ｃｌ，Ｋ，Ｃａ，Ｓｃ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎのいずれの元素を含むかを特定することを特徴とする請求項１または２記載の浮遊粒子状物質の測定装置。
【請求項４】
浮遊粒子状物質中の元素分析を行うとともに、β線質量分析法によって浮遊粒子状物質の質量を測定することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の浮遊粒子状物質の測定装置。
【請求項５】
一定流量の試料大気を吸引し、試料大気を粗大粒子の全てを含む空気と、微小粒子のみを含む空気とに浮遊粒子状物質を分級して、大気中で浮遊する粒子状物質を捕集する浮遊粒子捕集手段と、
浮遊粒子捕集手段による浮遊粒子状物質の捕集位置へ連続的に送給されるテープ状捕集フィルタと、
捕集フィルタ上の浮遊粒子状物質に向けてＸ線を照射するＸ線源と、
Ｘ線が照射された浮遊粒子状物質からの蛍光Ｘ線を検出する検出器と、
検出器によって検出される蛍光Ｘ線エネルギーから浮遊粒子状物質中の元素種類を特定する特定手段とを含むことを特徴とする浮遊粒子状物質の測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００８−２６１７１２（Ｐ２００８−２６１７１２Ａ）
【公開日】平成２０年１０月３０日（２００８．１０．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１０４２６２（Ｐ２００７−１０４２６２）
【出願日】平成１９年４月１１日（２００７．４．１１）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成１７年度、独立行政法人科学技術振興機構、革新技術開発研究事業委託研究、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受けるもの）
【出願人】（５９１０８１３２１）紀本電子工業株式会社 (19)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１０月３０日（２００８．１０．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年４月１１日（２００７．４．１１）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成１７年度、独立行政法人科学技術振興機構、革新技術開発研究事業委託研究、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受けるもの）
【出願人】（５９１０８１３２１）紀本電子工業株式会社 (19)
【Ｆターム（参考）】
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