試料気体収集方法
本発明の試料気体収集方法は、閉鎖可能な容器１０１と、前記容器の一端に設けられた注入口１０２と、前記容器の他端に設けられた排出口１０３と、前記容器の内部に設けられた霧化電極部１０４と、前記霧化電極部の近傍に設けられた第一冷却部１０５と、前記容器の内部に設けられた対向電極部１０６と、前記対向電極の近傍に設けられた針状の収集電極部１０７と、前記収集電極部の近傍に設けられた第二冷却部１０８を備える。
前記試料気体は、冷却凝縮された後、帯電微粒子化される。帯電微粒子化された試料気体は前記収集電極部１０７へ静電気力により収集された後、冷却凝縮される。以上の方法により収集電極上での溶液の広がりを抑制できる。
前記試料気体は、冷却凝縮された後、帯電微粒子化される。帯電微粒子化された試料気体は前記収集電極部１０７へ静電気力により収集された後、冷却凝縮される。以上の方法により収集電極上での溶液の広がりを抑制できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料気体中を静電噴霧によって電極上へ効率的に収集する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＤＮＡや抗体、たんぱく質などの各種化学物質を含む微量溶液を基板上へ堆積するために、静電噴霧を利用することは広く知られている。
【０００３】
たとえば、特許文献１に示された従来の静電噴霧装置は、不揮発性の希薄生体分子溶液を基板表面上でスポットまたはフィルム状にする装置である。図１４に従来の静電噴霧装置を示す。たんぱく質溶液で満たされた毛管５０５と誘電体層５０４との間に数ｋＶの高電圧を印加することで、毛管５０５の先端からたんぱく質溶液のミストが基板５０２に向かって噴霧される。
【０００４】
図１４に示す静電噴霧装置は、基板５０２上に設けられた誘電体層５０４の導電性を制御、もしくは誘電体層５０４に孔を設けることで、局所的な電界を作り、所望の位置に物質溶液を堆積していた。この方法は、ＤＮＡやたんぱく質をスポット状あるいはフィルム状に基板へ配列した、いわゆるＤＮＡチップやプロテインチップを製造するには一定の効果が得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２００２−５１１７９２公報（第７８頁、図９、その他第３１頁 第１２〜１３行目、図３、図４、図１９）
【特許文献２】特許第３９５２０５２号公報
【特許文献３】特開平０７−１９０９９０号公報（特に図３）
【特許文献４】特開平０７−２７０２８５号公報（特に段落番号０００１、０００８）
【特許文献５】米国特許出願公開第２００４／０２１０１５４号明細書（特に００５４段落）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来方法のように収集側の電極が平面状の基板であると、静電噴霧された溶液は当該電極上で全面に広がってしまうという課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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て試料気体を収集する方法であって、前記静電噴霧装置は、閉鎖可能な容器と、前記容器の一端に設けられた試料気体の注入口と、前記容器の他端に設けられた試料気体の排出口と、前記容器の内部に設けられた霧化電極部と、前記霧化電極部の近傍に設けられた第一冷却部と、前記容器の内部に設けられた対向電極部と、前記対向電極の近傍に設けられた針状の収集電極部と、前記収集電極部の近傍に設けられた第二冷却部とを備え、前記方法は、前記試料気体を前記注入口から前記容器へ注入する注入工程と、前記第一冷却部により前記霧化電極部を冷却する第一冷却工程と、前記霧化電極部の外周面で前記試料気体を第一凝縮液にする第一凝縮工程と、前記第一凝縮液を静電噴霧により帯電微粒子にする帯電微粒子化工程と、前記対向電極部に対して前記収集電極部へ電圧を印加する電圧印加工程と、前記第二冷却部により前記収集電極部を冷却する第二冷却工程と、前記収集電極部の先端近傍で前記帯電微粒子を第二凝縮液にする第二凝縮工程とを順に包含する。
【０００８】
なお、前記注入工程は、少なくとも前記帯電微粒子化工程を開始するまでに終了することが好ましい。
【０００９】
また、前記収集電極部の先端は下方を向いていることが好ましい。
【００１０】
さらに、前記収集電極部は、前記第二冷却部により水蒸気の結露点以下に冷却されることが好ましい。
【００１１】
また、前記第二冷却部は、熱電素子であることが好ましい。
【００１２】
さらに、前記熱電素子に印加する直流電圧の極性を反転させることで、前記第二冷却部の冷却面を発熱面に変えることが好ましい。
【００１３】
また、前記収集電極部を加熱して、第二凝縮液を蒸発させることが好ましい。
【００１４】
さらに、前記対向電極部は水蒸気の結露点以上であることが好ましい。
【００１５】
また、前記帯電微粒子は水および前記試料気体の成分を含むことが好ましい。
【００１６】
さらに、前記試料気体の成分は揮発性有機化合物であることが好ましい。
【００１７】
さらに、前記揮発性有機化合物の分子量は１５以上５００以下であることが好ましい。
【００１８】
また、前記収集電極部は、前記帯電微粒子により帯電する電荷を除去する機構を有することが好ましい。
【００１９】
さらに、前記収集電極部は、接地可能であることが好ましい。
【００２０】
また、前記収集電極部の先端に、前記第二凝縮液を保持する貯留部を備えていることが好ましい。
【００２１】
さらに、前記収集電極部の先端に、化学物質検出部を備えていることが好ましい。
【００２２】
また、生体分子分析装置は請求項１に記載の試料気体収集方法を用いることが好ましい。
【００２３】
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】
【００２４】
本発明の試料気体収集方法によれば、静電噴霧された溶液を針状の収集電極部の先端近傍へ集中させるので、静電噴霧された溶液が収集電極部の全面へ広がるのを抑制できる。また、収集電極部へ電圧を印加した後に収集電極部を冷却するので、静電噴霧された溶液が収集電極部の全面へ広がるのを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施の形態１における静電噴霧装置の模式図である。
【図２】本発明の実施の形態１における試料気体の収集方法を示す説明図である。
【図３】本発明の実施の形態１における試料気体の収集方法を示す説明図である。
【図４】本発明の実施の形態１における試料気体の収集方法を示す説明図である。
【図５】本発明の実施の形態２における試料気体の収集方法を示す説明図である。
【図６】本発明の実施の形態２における試料気体の収集方法を示す説明図である。
【図７】本発明の実施の形態２における試料気体の収集方法を示す説明図である。
【図８】本発明の実施の形態３における試料気体の収集方法を示す説明図である。
【図９】本発明の実施の形態３における試料気体の収集方法を示す説明図である。
【図１０】本発明の実施の形態３における試料気体の収集方法を示す説明図である。
【図１１】テーラーコーンおよび帯電微粒子の生成を説明する図である。
【図１２】第二凝縮工程における収集電極部１０７の様子を表した説明図および光学顕微鏡写真である。
【図１３】第二凝縮液の分析結果を示す図である。
【図１４】従来の静電噴霧装置の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２７】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における静電噴霧装置の模式図である。
【００２８】
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。
【００２９】
容器１０１は隔壁によって外部と仕切られ、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。また容器１０１の寸法について、容器１０１の容積は試料気体の総流入量に比べて十分小さいことが好ましい。たとえば試料気体の総流入量が３００ｃｃの場合には、容器の容積は６ｃｃ以下が好ましい。さらに容器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。ステンレスやアルミなどの金属が最も好ましいが、ガラス、シリコンなどの他の無機材料でもよいし、アクリルやポリエチレンテレフタレート、テフロン（登録商標）などのプラスチックでもよい。また、これらを組み合わせて容器を構成しても良い。なお容器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もしくは可動性があっても良い。
【００３０】
注入口１０２は容器１０１の一端に設けられている。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を設ける位置について、試料気体が容器１０１の内部へすみやかに注入される場所であれば良い。たとえば容器１０１が直方体の場合には、注入口１０２は容器１０１の隅よりも面中央部が好ましい。なお本発明は、注入口１０２の形状、寸法、材料を限定しない。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。さらに注入口１０２は一箇所であっても良いし、複数箇所でも良い。
【００３１】
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を設ける位置については、容器１０１を満たした試料気体のうち余剰分が容器１０１から排出される場所であれば良い。なお本発明は、排出口１０３の形状、寸法、材料を限定しない。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。さらに排出口１０３は一箇所であっても良いし、複数箇所でも良い。
【００３２】
霧化電極部１０４は、容器１０１の内部に設けられている。霧化電極部１０４は、容器１０１の内部にあって試料気体に接触する位置にあれば良い。例えば、図１に示すように容器１０１の底部中央に設けられていることが好ましい。なお、霧化電極部１０４と容器１０１との接する面積は小さいほうが熱伝導を抑えられるため好ましい。
【００３３】
霧化電極部１０４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以下が好ましい。また、針の直径は０．５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下が好ましい。針の直径は先端から根元まで同一でも良いし、根元よりも先端の方が細くなっていてもよい。針の数は１本であることが好ましいが、複数あっても良い。
【００３４】
さらに、霧化電極部１０４の材料は良熱伝導材料が好ましく、金属であることが最も好ましい。具体的には銅、真鍮、アルミ、ニッケル、タングステンなどの単体金属でも良いし、これらを二種類以上組み合わせたステンレスのような合金や金属間化合物であっても良い。さらにこれらの霧化電極部１０４の表面を保護するために、金、白金など化学的に安定な金属薄膜や他の良熱伝導材料で被覆しても良い。
【００３５】
第一冷却部１０５は、霧化電極部１０４の近傍に設けられている。第一冷却部１０５により霧化電極部１０４を冷却する。なお、第一冷却部１０５は熱電素子であることが最も好ましいが、水のような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。第一冷却部１０５の冷却面の表面積は、大きいほど効率よく霧化電極部１０４を冷却することができる。したがって、第一冷却部１０５の大きさを霧化電極部１０４との接触面積を最大にするようにしても良いし、第一冷却部１０５の冷却面の外周面に凹凸加工を施しても良いし、第一冷却部１０５の冷却面の外周面に多孔体を設けても良い。第一冷却部１０５は、１つでも良いし、複数でも良い。
【００３６】
なお、第一冷却部１０５は霧化電極部１０４に直接接触していることが好ましく、熱伝導性シート、熱伝導性樹脂、金属板、グリースなど熱伝導体を介して接触させても良い。また第一冷却部１０５と霧化電極部１０４は常時接触していることが好ましいが、適宜、物理的または熱的に分離できても良い。
【００３７】
対向電極部１０６は、霧化電極部１０４に相対するように設けられている。対向電極部１０６は霧化電極部１０４と対になって静電噴霧するために用いられる。対向電極部１０６と霧化電極部１０４の先端の距離は、３ｍｍ以上４ｍｍ以下であることが好ましい。対向電極部１０６の形状は円環状が最も好ましい。図１において円環状の対向電極部１０６は断面で表してある。針状の霧化電極部１０４の延長線上に円環状の対向電極部１０６の中心があることが最も好ましい。なお、対向電極部１０６の形状は長方形、台形など多角形でも良く、帯電微粒子が通過する貫通孔のようなスリット１０６ａが開いていれば良い。なお、本発明において対向電極部１０６の厚みは限定しない。さらに本発明において、貫通孔の断面積、形状、数は限定しない。
【００３８】
対向電極部１０６の材料は金属であることが好ましい。具体的には鉄、銅、亜鉛、クロム、アルミ、ニッケル、タングステンなどの単体金属でも良いし、これらを二種類以上組み合わせたステンレス又は真鍮のような合金、金属間化合物であっても良い。さらにこの対向電極部１０６の表面を保護するために、金、白金などの化学的に安定な金属薄膜や他の良熱伝導材料で被覆しても良い。
【００３９】
収集電極部１０７は対向電極部１０６の近傍に設けられている。また、収集電極部１０７と霧化電極部１０４の間に対向電極部１０６が設けられていることが好ましい。さらに、収集電極部１０７と対向電極部１０６の貫通孔と霧化電極部１０４は、ほぼ一直線上に設けられていることが好ましい。対向電極部１０７は容器１０１の天井に設けられていることが好ましく、霧化電極部１０４は容器１０１の底部に設けられていることが好ましく、対向電極部１０６は収集電極部１０７と霧化電極部１０４の間に設けられていることが好ましい。収集電極部１０７は静電噴霧された帯電微粒子を静電気力により収集するために用いられる。
【００４０】
収集電極部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以下が好ましい。また、針の直径は０．５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下が好ましい。針の直径は、先端から根元まで同一でも良いし、根元よりも先端の方が細くなっていてもよい。なお、本発明において、収集電極部１０７の先端から対向電極部１０６までの距離は限定しない。さらに、収集電極部１０７の材料は良熱伝導材料が好ましく、金属であることが最も好ましい。具体的にはステンレス、銅、真鍮、アルミ、ニッケル、タングステンなどの単体金属でも良いし、これら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。また、これらの収集電極部１０７の表面を保護するために、金、白金などの化学的に安定な金属薄膜や他の良熱伝導材料で被覆しても良い。
【００４１】
なお、収集電極部１０７の最先端の形状は電界が集中することが好ましいので、円錐形でも良いし、四角錐形でも良いし、三角錐形でも良いし、他の先鋭な形状でも良い。また、針状の収集電極部１０７は中実であることが最も好ましいが、パイプのように中空であっても良い。収集電極部１０７は１つであっても良いし、複数あっても良い。
【００４２】
さらに、収集電極部１０７の先端は下方を向いていることが好ましい。収集電極部１０７の先端を下方へ向けることで、静電噴霧された溶液が重力により先端へ移動しやすいので好ましい。
【００４３】
第二冷却部１０８は、収集電極部１０７の近傍に設けられている。第二冷却部１０８は収集電極部１０７を冷却するために用いられる。なお、第二冷却部１０８は熱電素子であることが最も好ましいが、水のような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。第二冷却部１０８の冷却面の表面積は、大きいほど効率よく収集電極部１０７を冷却することができる。したがって第二冷却部１０８の大きさを収集電極部１０７との接触面積を最大にするようにしても良いし、第二冷却部１０８の冷却面の外周面に凹凸加工を施しても良いし、第二冷却部１０８の冷却面の外周面に多孔体を設けても良い。第二冷却部１０８は、１つでも良いし、複数でも良い。
【００４４】
なお、第二冷却部１０８は収集電極部１０７に直接接触していることが好ましく、熱伝導性シート、熱伝導性樹脂、金属板、グリースなど熱伝導体を介して接触させても良い。また第二冷却部１０８と収集電極部１０７は常時接触していることが好ましいが、適宜、物理的または熱的に分離できても良い。
【００４５】
また、第二冷却部１０８と第一冷却部１０５は独立に制御できることが最も好ましいが、第一冷却部１０５と第二冷却部１０８をひとつにしても良い。第一冷却部１０５と第二冷却部１０８の大きさ、種類、数量は同じでも良いし、異なっていても良い。
【００４６】
注入口１０２および排出口１０３には、バルブ１０９ａおよびバルブ１０９ｂが設けられていることが好ましい。これらのバルブ１０９ａおよび１０９ｂにより容器１０１を閉鎖可能にすることが好ましい。なお、本発明ではバルブ１０９ａおよび１０９ｂの材料、位置、種類を限定しない。さらに、注入口１０２および排出口１０３のコンダクタンスが十分小さければ容器１０１は閉鎖しているのとほぼ同様の効果が得られる。
【００４７】
図２〜図４は、本発明の実施の形態１における試料気体の収集方法を示す説明図である。なお、図２〜図４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。
【００４８】
まず、注入工程では水２０１と化学物質２０２ａ、２０２ｂからなる試料気体２０３が注入口１０２を通じて容器１０１へ注入される。図２（ａ）は注入工程を表す。なお容器１０１の内部が試料気体２０３によって満たされたかどうかを判別するために、容器１０１の内部に試料気体検出部を設けても良い。その試料気体検出部は一つでも良いし、複数でも良い。なお、本発明において試料気体検出部の種類、位置は限定しない。
【００４９】
また、注入工程において試料気体２０３の注入手段は、注入口１０２側から加圧して注入することが好ましいが、排出口１０３側を減圧して注入しても良い。
【００５０】
さらに、注入工程において試料気体２０３を容器１０１へ注入する前に、容器１０１の内部には清浄な空気が満たされていることが好ましい。なお、容器１０１の内部には乾燥窒素やその他の不活性ガスが満たされていても良いし、試料気体と同程度の湿度を有する標準ガスや、較正用ガスが満たされていても良い。
【００５１】
また、注入工程において余剰な試料気体２０３は排出口１０３から排出される。
【００５２】
注入工程における試料気体２０３の注入と排出は、バルブ１０９ａおよびバルブ１０９ｂで制御される。また注入口１０２には、容器１０１への異物混入を防ぐためのトラップを設けても良い。
【００５３】
なお、簡便のため図２（ａ）において化学物質２０２ａ、２０２ｂは２種類だけ記載しているが、試料気体２０３は２種類以上の成分を含んでいても良い。
【００５４】
次に、第一冷却工程では、第一冷却部１０５により霧化電極部１０４が冷却される。図２（ｂ）は第一冷却工程を表す。なお、図２（ｂ）において、第一冷却部１０５が霧化電極部１０４を冷却する様子を表すために、第一冷却部１０５に接続される直流電源で表示した。しかし本発明では、第一冷却工程は第一冷却部１０５へ直流電源が接続されることに限定しない。
【００５５】
前記注入工程の後で第一冷却工程を行うことにより、試料気体以外の冷却凝縮を抑えることができる。第一冷却工程では霧化電極部１０４以外の部分、たとえば容器１０１も冷却されないよう、熱伝導を小さくすることが好ましい。熱伝導を小さくするために、霧化電極部１０４と容器１０１との接触面積を小さくすることが最も好ましい。あるいは霧化電極部１０４と容器１０１との接触部に熱伝導係数の小さい材料を介在させても良い。
【００５６】
次に第一凝縮工程では、冷却された霧化電極部１０４の外周面において、水２０１と化学物質２０２ａと化学物質２０２ｂを含む第一凝縮液２０４が形成される。図２（ｃ）は第一凝縮工程を表す。
【００５７】
なお、この第一凝縮工程では、第一凝縮液２０４の量が過剰にならないよう、第一冷却部１０５により霧化電極部１０４の温度を適宜制御することが好ましい。
【００５８】
次に帯電微粒子化工程では、第一凝縮液２０４から多数の帯電微粒子２０５を形成する。図３（ａ）は帯電微粒子化工程を表す。なお帯電微粒子の形態は、分子が数千個からなる微粒子であることが最も好ましいが、１個〜数百個からなるクラスタであっても良いし、数万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。
【００５９】
また、帯電微粒子２０５には、電気的に中性な分子の他に、化学物質由来のイオンまたはラジカルが含まれていても良い。またはこれらが混在していても良い。帯電微粒子２０５は負に帯電していることがより好ましいが、正に帯電していても良い。
【００６０】
帯電微粒子化する方法は、静電噴霧が最も好ましい。ここで、静電噴霧の原理を簡単に説明しておく。霧化電極部１０４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１０４先端へ第一凝縮液２０４が搬送される。クーロン引力により第一凝縮液２０４の液面が対向電極部１０６方向へ円錐状に盛り上がる。この盛り上がった円錐状の液体はテーラーコーンと呼ばれている。さらに霧化電極部１０４の外周面で凝縮が進むと、円錐状の第一凝縮液２０４が成長して、第一凝縮液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一凝縮液２０４が分裂、飛散して、帯電微粒子２０５を形成する。以上が静電噴霧の原理である。
【００６１】
帯電微粒子化工程において、霧化電極部１０４と対向電極部１０６の間には４ｋＶ以上６ｋＶ以下の電圧が印加されることが好ましい。
【００６２】
なお、本発明は帯電微粒子２０５の直径を限定しないが、帯電微粒子の安定性の観点から２ｎｍ以上３０ｎｍ以下が好ましい。
【００６３】
帯電微粒子２０５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）と同量であることが最も好ましいが、電荷素量より大きくても良い。
【００６４】
次に電圧印加工程では、対向電極部１０６に対して収集電極部１０７へ電圧を印加する。図３（ｂ）は電圧印加工程を表す。元来、直径２ｎｍ以上３０ｎｍ程度の帯電微粒子２０５は静電気力により反発するため拡散しやすいが、収集電極部１０７の形状を針状にすることで、帯電微粒子２０５の大半は静電気力の集中により収集電極部１０７の先端近傍へ容易に集まる。なお、帯電微粒子２０５が負の電荷を持つ場合、対向電極部１０６に対して収集電極部１０７に直流正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。
【００６５】
次に第二冷却工程では、第二冷却部１０８により収集電極部１０７が冷却される。図３（ｃ）は第二冷却工程を表す。前記電圧印加工程の後で第二冷却工程を行うことにより、収集電極部１０７の先端近傍へ集中する帯電微粒子２０５を冷却することができる。
【００６６】
次に第二凝縮工程では、収集電極部１０７の先端近傍で大半の帯電微粒子２０５が凝縮され、第二凝縮液２０６が生成される。図４は第二凝縮工程を表す。第二凝縮工程の結果、第二凝縮液２０６が収集電極部１０７の全面に広がるのを抑制できる。
【００６７】
なお、本発明の実施の形態において、収集電極部１０７は、第二冷却部１０８によって水蒸気の結露点以下に冷却されることが好ましい。収集電極部１０７の近傍に温度計を設けて、収集電極部１０７の温度を計測しても良い。また収集電極部１０７の温度を制御しても良い。
【００６８】
また、本発明の実施の形態において、収集電極部１０７を加熱して、第二凝縮液２０６を蒸発させることが好ましい。加熱時の収集電極部１０７の温度は、水の結露点以上が好ましい。これにより、不要時に試料気体が収集電極部１０７へ凝縮するのを防止できる。
【００６９】
さらに、本発明の実施の形態において、熱電素子に印加する電圧の極性を反転させることで、第二冷却部１０８の冷却面を発熱面に変えることが好ましい。これにより、収集電極部１０７を加熱することができるため、第二凝縮液２０６を簡便に蒸発させることができる。
【００７０】
また、本発明の実施の形態において、対向電極部１０６は水蒸気の結露点以上であることが好ましい。対向電極部１０６を水蒸気の結露点以上に保つことにより、対向電極部１０６の外周面に帯電微粒子２０５が凝縮されるのを抑制できる。対向電極部１０６を水蒸気の結露点以上に保つため、対向電極部１０６に加熱機構を設けても良い。
【００７１】
帯電微粒子２０５は、水２０１および試料気体の成分である化学物質２０２ａ、２０２ｂを含んでいることが好ましい。帯電微粒子中の水と試料気体の成分の重量比率は、試料気体中の水と試料気体の成分の重量比率と同じでも良いし、異なっていても良い。
【００７２】
また、本実施の形態において、試料気体の成分は揮発性有機化合物（特に、分子量１５以上５００以下の揮発性有機化合物）であることが好ましい。揮発性有機化合物は、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い。あるいは、これらの物質またはアルカン、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、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でも良い。
【００７３】
さらに、本発明の実施の形態において、収集電極部１０７は、除電されることが好ましい。たとえば帯電微粒子２０５が負に帯電している場合、収集電極部１０７へ試料気体成分が収集されるにつれ、収集電極部１０７は負に帯電する。この帯電量が過剰な場合、収集電極部１０７の先端付近に帯電微粒子２０５を収集するのに困難を生じるので、除電できるようにすることが好ましい。なお、除電は、常時行なっても良いし、適宜行なっても良い。
【００７４】
また、本発明の実施の形態において、収集電極部１０７は、接地可能であることが好ましい。なお、本発明では接地方法を限定しない。
【００７５】
さらに、本発明の実施の形態において、収集電極部１０７の先端に、第二凝縮液２０６を保持する貯留部を備えていることが好ましい。収集電極部１０７の先端に貯留部を設けることにより、収集電極部１０７の全面に第二凝縮液２０６が広がるのを抑制できる。貯留部として収集電極部１０７の先端に凹凸構造を設けても良い。凹凸構造を設けることにより、液体との接触面積を増加やし、第二凝縮液２０６を保持できる。また貯留部の形状は球形でも良いし、紡錘形でも良いし、その他の多角体形でも良い。貯留部が球形の場合、その直径は１ｍｍ以上２ｍｍ以下であることが好ましい。また、貯留部として、多孔質体、ナノフォーム、ゲルなどの吸水手段を設けても良い。あるいは収集電極１０７の先端の外周面を親水処理しても良い。親水処理として、ガラスや酸化チタンなどの親水材料を成膜しても良いし、シラノール基やカルボキシル基、アミノ基、リン酸基などの親水基を末端にもつ有機分子を吸着もしくは結合させても良い。
【００７６】
さらに、本発明の実施の形態において、収集電極部１０７の先端に化学物質検出部を備えていることが好ましい。なお、化学物質検出部は、ガスクロマトグラフでも良いし、他の化学物質検出器を用いても良い。例えば、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）センサなどのセンサでも良い。あるいは、高速液体クロマトグラフ、質量分析装置、核磁気共鳴装置、ＬＣ−ＩＴ−ＴＯＦＭＳ、ＳＨＩＦＴ−ＭＳなどでも良い。また化学物質検出部は１箇所でも良いし、複数箇所でも良い。さらに複数の化学物質検出部を設ける場合、同一種類でもよいし複数種類を組み合わせても良い。なお収集電極部１０７と化学物質検出部の間には第二凝縮液２０６を搬送する手段が設けられていても良い。
【００７７】
また、本発明の実施の形態において、試料気体収集方法を生体分子分析装置に用いても良い。生体分子はケトン類、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い。あるいは、これらの物質またはアルカン、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、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でも良いし、その他の生体由来の有機化合物でも良い。
【００７８】
本発明の実施の形態では、収集側の電極で凝縮液が広がらないように、電圧印加工程により針状の収集電極部１０７の先端近傍へ帯電微粒子２０５を集中させた後、第二冷却工程を行なうことで、第二凝縮工程において第二凝縮液２０６を得ることができる。電圧印加工程の後に第二冷却工程を行なうことで、第二冷却工程の後に電圧印加工程を行なう場合よりも、第二凝縮液２０６の濃度を高めることができる。
【００７９】
なお、本発明の実施の形態は、静電噴霧を利用した従来のマイナスイオンミスト発生装置の形態とは大きく異なる。すなわち、従来のマイナスイオンミスト発生装置は、帯電微粒子の直径が数ｎｍ〜数十ｎｍと非常に小さい。そのためナノメータサイズの帯電微粒子は（１）空気中に１０分間程度と比較的長時間浮遊する、（２）拡散性が高い、という性質を持つ。これらのマイナスイオンミストの性質は肌や毛髪の保湿器、脱臭器へ適用するには大きな利点となる。しかし、これらの性質は本発明の目的である化学物質の収集には欠点となる。したがって通常は、化学物質を収集するために、ナノメータサイズの帯電微粒子を生成する静電噴霧法を利用するという発想は生まれない。しかし、本実施の形態に記載した方法を用いれば、たとえナノメータサイズの帯電微粒子が浮遊性や拡散性を有していても、効率的に化学物質を収集することができる。
【００８０】
さらに、本発明の実施の形態において、容器１０１の材料にプラスチックを用いる場合、テフロン（登録商標）が最も好ましく、アクリル樹脂やポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエステル、フッ素樹脂、ＰＤＭＳなどでも良い。また、容器１０１の材料にプラスチックを用いる場合、容器１０１の内壁には金属薄膜をコーティングすることがより好ましい。金属薄膜はアルミ薄膜が安価でガスバリア性に優れるため最も好ましいが、他の金属薄膜でも良い。またはこれらを２種類以上組み合わせても良い。
【００８１】
また、本発明の実施の形態において、容器１０１の材料に無機材料を用いる場合、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の無機物でも良いし、シリコン表面に二酸化シリコン、窒化シリコン、酸化タンタルなどの絶縁体薄膜を形成したものを用いても良い。またはこれらを２種類以上組み合わせても良い。
【００８２】
さらに、注入口１０２および排出口１０３に設けたバルブ１０９ａおよびバルブ１０９ｂは、試料気体の流れを制御する制御弁を設けても良いし、制御弁は逆止弁でも良いし、ストップバルブでも良い。
【００８３】
また、注入口１０２および排出口１０３には試料気体の流量を計測する計測器を設けても良い。計測器は積算流量計でも良いし、マスフローメータでも良いし、他の流量計測器を用いても良い。
【００８４】
さらに、注入工程では、注入口１０２側を加圧する場合、ダイアフラムポンプやペリスタティックポンプやシリンジポンプなど電動ポンプを用いて注入しても良いし、シリンジやスポイドを使って手動で注入しても良い。
【００８５】
また、注入工程では、排出口１０３側を減圧する場合、ダイアフラムポンプやペリスタティックポンプやシリンジポンプなど電動ポンプを用いて注入しても良いし、シリンジを使って手動で注入しても良い。
【００８６】
さらに、第一冷却部１０５および第二冷却部１０８の放熱部には放熱フィンを設けても良い。あるいは放熱部を水冷しても良いし、空冷しても良いし、熱電素子で冷却しても良いし、他の冷却方法を用いても良い。またこれらを２種類以上組み合わせても良い。
【００８７】
また、霧化電極部１０４には金属を用いることが最も好ましいが、他の良電気伝導性、良熱伝導性を示す材料でも良い。
【００８８】
さらに、本発明の実施の形態において、霧化電極部１０４は１つでも良いし、複数あっても良い。霧化電極部１０４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。
【００８９】
また、収集電極部１０７には金属を用いることが最も好ましいが、他の良電気伝導性、良熱伝導性を示す材料でも良い。
【００９０】
また、本発明の実施の形態において、収集電極部１０７は１つでも良いし、複数あっても良い。収集電極部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。
【００９１】
（実施の形態２）
図５〜図７は、本発明の実施の形態２における試料気体の収集方法を示す説明図である。図５〜図７において、図１〜図４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。
【００９２】
まず、注入工程では水２０１と化学物質２０２ａ、２０２ｂからなる試料気体２０３が注入口１０２を通じて容器１０１へ注入される。図５（ａ）は注入工程を表す。なお容器１０１の内部が試料気体２０３によって満たされたかどうかを判別するために、容器１０１の内部に試料気体検出部を設けても良い。その試料気体検出部は一つでも良いし、複数でも良い。なお、本発明において試料気体検出部の種類、位置は限定しない。
【００９３】
また、注入工程において試料気体２０３の注入手段は、注入口１０２側から加圧して注入することが好ましいが、排出口１０３側を減圧して注入しても良い。
【００９４】
さらに、注入工程において試料気体２０３を容器１０１へ注入する前に、容器１０１の内部には清浄な空気が満たされていることが好ましい。なお、容器１０１の内部には乾燥窒素やその他の不活性ガスが満たされていても良いし、試料気体と同程度の湿度を有する標準ガスや、較正用ガスが満たされていても良い。
【００９５】
また、注入工程において余剰な試料気体２０３は排出口１０３から排出される。
【００９６】
注入工程における試料気体２０３の注入、排出はバルブ１０９ａ、バルブ１０９ｂで制御される。また注入口１０２には、容器１０１への異物混入を防ぐためのトラップを設けても良い。
【００９７】
なお、簡便のため図５（ａ）において化学物質２０２ａ、２０２ｂは２種類だけ記載しているが、試料気体２０３は２種類以上の成分を含んでいても良い。
【００９８】
次に、第一冷却工程では、第一冷却部１０５により霧化電極部１０４が冷却される。図５（ｂ）は第一冷却工程を表す。なお、前記注入工程の後で第一冷却工程を行うことにより、試料気体以外の冷却凝縮を抑えることができる。第一冷却工程では霧化電極部１０４以外の部分、たとえば容器１０１も冷却されないよう、熱伝導を小さくすることが好ましい。熱伝導を小さくするために、霧化電極部１０４と容器１０１との接触面積を小さくすることが最も好ましい。あるいは霧化電極部１０４と容器１０１との接触部に熱伝導係数の小さい材料を介在させても良い。
【００９９】
第一凝縮工程では、冷却された霧化電極部１０４の外周面において、水２０１および化学物質２０２ａ、２０２ｂを含む第一凝縮液２０４が形成される。図５（ｃ）は第一凝縮工程を表す。
【０１００】
なお、この第一凝縮工程では、第一凝縮液２０４の量が過剰にならないよう、第一冷却部１０５により霧化電極部１０４の温度を適宜制御することが好ましい。
【０１０１】
本実施の形態において、第一凝縮工程により第一凝縮液２０４が十分形成されたとき、バルブ１０９ａおよびバルブ１０９ｂを閉じる。これ以降、容器１０１と外部との間で気体は出入りしない。したがって、容器１０１内の気流は抑えられる。
【０１０２】
次に帯電微粒子化工程では、第一凝縮液２０４から多数の帯電微粒子２０５を形成する。図６（ａ）は帯電微粒子化工程を表す。なお帯電微粒子の形態は、分子が数千個からなる微粒子であることが最も好ましいが、１個〜数百個からなるクラスタであっても良いし、数万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。
【０１０３】
図６（ａ）において、バルブ１０９ａおよびバルブ１０９ｂが黒く塗られているのは、閉じていることを表している。
【０１０４】
また、帯電微粒子２０５には、電気的に中性な分子の他に、化学物質由来のイオンまたはラジカルが含まれていても良い。またはこれらが混在していても良い。帯電微粒子２０５はマイナスに荷電していることがより好ましいが、プラスに荷電していても良い。
【０１０５】
帯電微粒子化工程において、霧化電極部１０４と対向電極部１０６の間には４ｋＶ以上６ｋＶ以下の電圧が印加されることが好ましい。
【０１０６】
なお、本発明は帯電微粒子２０５の直径を限定しないが、帯電微粒子の安定性の観点から２ｎｍ以上３０ｎｍ以下が好ましい。
【０１０７】
帯電微粒子２０５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）と同量であることが最も好ましいが、電荷素量より大きくても良い。
【０１０８】
次に電圧印加工程では、対向電極部１０６に対して収集電極部１０７へ電圧を印加する。図６（ｂ）は電圧印加工程を表す。元来、直径２ｎｍ以上３０ｎｍ程度の帯電微粒子２０５は静電気力により反発するため拡散しやすいが、収集電極部１０７の形状を針状にすることで、帯電微粒子２０５の大半は静電気力の集中により収集電極部１０７の先端近傍へ容易に集まる。なお、帯電微粒子２０５が負の電荷を持つ場合、対向電極部１０６に対して収集電極部１０７に直流正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。
【０１０９】
次に第二冷却工程では、第二冷却部１０８により収集電極部１０７が冷却される。図６（ｃ）は第二冷却工程を表す。前記電圧印加工程の後で第二冷却工程を行うことにより、収集電極部１０７の先端近傍へ集中する帯電微粒子２０５を冷却することができる。
【０１１０】
第二凝縮工程では、収集電極部１０７の先端近傍で大半の帯電微粒子２０５が凝縮され、第二凝縮液２０６が生成される。図７は第二凝縮工程を表す。第二凝縮工程の結果、第二凝縮液２０６が収集電極部１０７の全面に広がるのを抑制できる。
【０１１１】
なお、本実施の形態において、帯電微粒子化工程以降、容器１０１は閉鎖されている。したがって、試料気体２０３の流入時に発生する気流により帯電微粒子２０５の運動が擾乱されるのを防ぐ。なぜなら、帯電微粒子２０５は主に静電気力で運動することが好ましいためである。その結果、収集電極部１０７の先端へ帯電微粒子２０５を集めやすくなる。
【０１１２】
（実施の形態３）
図８〜図１０は、本発明の実施の形態３における試料気体の収集方法を示す説明図である。図８〜図１０において、図１〜図４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。
【０１１３】
まず、注入工程では水２０１と化学物質２０２ａ、２０２ｂからなる試料気体２０３が注入口１０２を通じて容器１０１へ注入される。図８（ａ）は注入工程を表す。なお容器１０１の内部が試料気体２０３によって満たされたかどうかを判別するために、容器１０１の内部に試料気体検出部を設けても良い。その試料気体検出部は一つでも良いし、複数でも良い。なお、本発明において試料気体検出部の種類、位置は限定しない。
【０１１４】
また、注入工程において試料気体２０３の注入手段は、注入口１０２側から加圧して注入することが好ましいが、排出口１０３側を減圧して注入しても良い。
【０１１５】
さらに、注入工程において試料気体２０３を容器１０１へ注入する前に、容器１０１の内部には清浄な空気が満たされていることが好ましい。なお、容器１０１の内部には乾燥窒素やその他の不活性ガスが満たされていても良いし、試料気体と同程度の湿度を有する標準ガスや、較正用ガスが満たされていても良い。
【０１１６】
また、注入工程において余剰な試料気体２０３は排出口１０３から排出される。
【０１１７】
注入工程における試料気体２０３の注入、排出はバルブ１０９ａ、バルブ１０９ｂで制御される。また注入口１０２には、容器１０１への異物混入を防ぐためのトラップを設けても良い。
【０１１８】
なお、簡便のため図８（ａ）において化学物質２０２ａ、２０２ｂは２種類だけ記載しているが、試料気体２０３は２種類以上の成分を含んでいても良い。
【０１１９】
本実施の形態において、注入工程により試料気体２０３が容器１０１で均一に満たされた後、バルブ１０９ａおよびバルブ１０９ｂを閉じる。これにより容器１０１と外部との間で気体は出入りしない。
【０１２０】
次に、第一冷却工程では、第一冷却部１０５により霧化電極部１０４が冷却される。図８（ｂ）は第一冷却工程を表す。なお、前記注入工程の後で第一冷却工程を行うことにより、試料気体以外の冷却凝縮を抑えることができる。第一冷却工程では霧化電極部１０４以外の部分、たとえば容器１０１も冷却されないよう、熱伝導を小さくすることが好ましい。熱伝導を小さくするために、霧化電極部１０４と容器１０１との接触面積を小さくすることが最も好ましい。あるいは霧化電極部１０４と容器１０１との接触部に熱伝導係数の小さい材料を介在させても良い。
【０１２１】
第一凝縮工程では、冷却された霧化電極部１０４の外周面において、水２０１および化学物質２０２ａ、２０２ｂを含む第一凝縮液２０４が形成される。図８（ｃ）は第一凝縮工程を表す。
【０１２２】
なお、この第一凝縮工程では、第一凝縮液２０４の量が過剰にならないよう、第一冷却部１０５により霧化電極部１０４の温度を適宜制御することが好ましい。
【０１２３】
次に帯電微粒子化工程では、第一凝縮液２０４から多数の帯電微粒子２０５を形成する。図９（ａ）は帯電微粒子化工程を表す。なお帯電微粒子の形態は、分子が数千個からなる微粒子であることが最も好ましいが、１個〜数百個からなるクラスタであっても良いし、数万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。
【０１２４】
また、帯電微粒子２０５には、電気的に中性な分子の他に、化学物質由来のイオンまたはラジカルが含まれていても良い。またはこれらが混在していても良い。帯電微粒子２０５はマイナスに荷電していることがより好ましいが、プラスに荷電していても良い。
【０１２５】
帯電微粒子化工程において、霧化電極部１０４と対向電極部１０６の間には４ｋＶ以上６ｋＶ以下の電圧が印加されることが好ましい。
【０１２６】
なお、本発明は帯電微粒子２０５の直径を限定しないが、帯電微粒子の安定性の観点から２ｎｍ以上３０ｎｍ以下が好ましい。
【０１２７】
帯電微粒子２０５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）と同量であることが最も好ましいが、電荷素量より大きくても良い。
【０１２８】
なお、本実施の形態において、第一冷却工程以後、容器１０１は閉鎖されている。したがって、帯電微粒子２０５は容器１０１の外部へ流失しない。
【０１２９】
次に電圧印加工程では、対向電極部１０６に対して収集電極部１０７へ電圧を印加する。図９（ｂ）は電圧印加工程を表す。元来、直径２ｎｍ以上３０ｎｍ程度の帯電微粒子２０５は静電気力により反発するため拡散しやすいが、収集電極部１０７の形状を針状にすることで、帯電微粒子２０５の大半は静電気力の集中により収集電極部１０７の先端近傍へ容易に集まる。なお、帯電微粒子２０５が負の電荷を持つ場合、対向電極部１０６に対して収集電極部１０７に直流正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。
【０１３０】
次に第二冷却工程では、第二冷却部１０８により収集電極部１０７が冷却される。図９（ｃ）は第二冷却工程を表す。前記電圧印加工程の後で第二冷却工程を行うことにより、収集電極部１０７の先端近傍へ集中する帯電微粒子２０５を冷却することができる。
【０１３１】
第二凝縮工程では、収集電極部１０７の先端近傍で大半の帯電微粒子２０５が凝縮され、第二凝縮液２０６が生成される。図１０は第二凝縮工程を表す。第二凝縮工程の結果、第二凝縮液２０６が収集電極部１０７の全面に広がるのを抑制できる。
【０１３２】
なお、試料気体２０３は、電気的に中性であるから、針状の収集電極部１０７の先端のみならず側面においても、帯電微粒子化されず直接に凝縮液となる。しかし、本発明の実施の形態では第一冷却工程以後、容器１０１は閉鎖されているので、新たな試料気体２０３の流入はない。したがって、試料気体２０３が直接、収集電極部１０７上で凝縮液となる割合は少なくなり、収集電極部１０７の全面に広がるのを抑制する。
【０１３３】
さらに、本発明の実施の形態において、帯電微粒子２０５は容器１０１から流出しない。このとき、容器１０１の中の帯電微粒子２０５の数は多くなるため、収集電極部１０７の先端に第二凝縮液２０６が集まる。その結果、収集電極部１０７全体に広がるのを抑制
する。
【０１３４】
（実施例１）
容器１０１は厚み０．５ｍｍの透明アクリル樹脂板で作製した。容器１０１は３２ｍｍｘ１７ｍｍｘ１２ｍｍの直方体とした。容器１０１を透明体で作製することは、凝縮液の形成過程が観察できるためより好ましい。また容器１０１は一体成型しても良い。
【０１３５】
注入口１０２は、容器１０１の一端に直径３ｍｍの貫通穴を形成し、外径３ｍｍのシリコーンチューブを接続した。なお、本発明では注入口１０２の形成方法を限定しない。容器１０１を一体成型するときに同時に形成しても良いし、切削加工で形成しても良いし、ドライエッチング、ホットエンボス、ナノインプリントなど他の一般的な形成方法を用いても良い。
【０１３６】
排出口１０３は容器１０１の他端に直径３ｍｍの貫通穴を形成し、外径３ｍｍのシリコーンチューブを接続した。なお、本発明では排出口１０３の形成方法を限定しない。容器１０１を一体成型するときに同時に形成しても良いし、切削加工で形成しても良いし、ドライエッチング、ホットエンボス、ナノインプリントなど他の一般的な形成方法を用いても良い。
【０１３７】
霧化電極部１０４としてステンレス製針を、容器１０１の内部に設けた。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、安定して帯電微粒子化工程を行なえるようにした。さらに球の最先端には直径１００μｍの半球状の突起を設けた。霧化電極部１０４の一端には電圧印加用の導線を接続した。なお、霧化電極部１０４を、容器１０１の底部に設けた。また、霧化電極部１０４の先端部が上方を向くように、設けた。
【０１３８】
第一冷却部１０５として熱電素子を霧化電極部１０４の近傍に設けた。熱電素子の大きさは１４ｍｍｘ１４ｍｍｘ１ｍｍであった。最大吸熱は０．９Ｗ、最大温度差は６９℃の熱電素子を用いた。熱電素子の冷却面は、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。なお、第一冷却部１０５と霧化電極部１０４は熱伝導性ペーストを介して接続した。
【０１３９】
対向電極部１０６は、霧化電極部１０４の先端から３ｍｍ離れたところに設けた。対向電極部１０６の形状は外径１２ｍｍ、内径８ｍｍ、厚さ０．４７ｍｍの円環状のステンレス板を用いた。対向電極部１０６の一端には電圧印加用の導線を接続した。
【０１４０】
収集電極部１０７としてステンレス製針を対向電極部１０６の近傍に設けた。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の球を設けた。さらに球の最先端には直径１００μｍの半球状の突起を設けた。なお、収集電極部１０７の先端は下方へ向けて設置した。収集電極部１０７の一端には電圧印加用の導線を接続した。
【０１４１】
第二冷却部１０８として熱電素子を収集電極部１０７の近傍に設けた。熱電素子の大きさは１４ｍｍｘ１４ｍｍｘ１ｍｍであった。最大吸熱は０．９Ｗ、最大温度差は６９℃の熱電素子を用いた。熱電素子の冷却面は、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。なお、第二冷却部１０８と収集電極部１０７は熱伝導性ペーストを介して接続した。
【０１４２】
次に、静電噴霧装置の操作手順を説明する。
【０１４３】
注入工程では、試料気体を注入口１０２から容器１０１へ注入した。本実施例において容器１０１の容積は６．５ｍＬであって、５００ｍＬ／分の流速で試料気体を注入した。
【０１４４】
なお、本実施例においては、試料気体として、乾燥窒素ガスを水および酢酸０．３％水溶液へ順次導入し、バブリングして得たガスを用いた。
【０１４５】
注入工程において試料気体を容器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。
【０１４６】
また、注入工程において余剰な試料気体は排出口１０３を通じて排出した。
【０１４７】
次に、第一冷却工程として、熱電素子により霧化電極部１０４を冷却した。霧化電極部１０４の温度は動作前に２６℃であったが、３０秒後には１５℃まで低下した。なお、霧化電極部１０４の温度測定はＫタイプの熱電対を用いて行った。霧化電極部１０４の温度は水の結露点以下に冷却されることが好ましい。
【０１４８】
そして、第一凝縮工程において、霧化電極部１０４の外周面には熱電素子動作開始５秒後に第一凝縮液２０４が形成され始めた。第一凝縮液２０４の形成初期段階では直径１０μｍ以下の液滴であるが、時間の経過とともに液滴は成長し、熱電素子動作開始１０秒後には十分な液量を得た。なお、霧化電極部１０４における第一凝縮液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。
【０１４９】
次に、帯電微粒子化工程として、第一凝縮液２０４を多数の帯電微粒子２０５にした。帯電微粒子化２０５は静電噴霧で行なった。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、本発明の帯電微粒子化工程にはこれも含めても良い。
【０１５０】
帯電微粒子２０５の安定性の観点から、帯電微粒子２０５の直径は２ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることが好ましい。帯電微粒子２０５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。
【０１５１】
なお、帯電微粒子化工程において、霧化電極部１０４と対向電極部１０６の間にはＤＣ５ｋＶを印加した。この時、霧化電極部１０４を陰極、対向電極部１０６を陽極とした。霧化電極部１０４を陽極、対向電極１０６を陰極としても同様の効果が得られるが、帯電微粒子化工程は比較的不安定であった。
【０１５２】
帯電微粒子化工程では、霧化電極部１０４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、その水柱の先端から化学物質を含む多数の帯電微粒子が放出された。図１１はテーラーコーンおよび帯電微粒子の生成を説明する図である。テーラーコーン３０１を形成する第一凝縮液３０２は霧化電極部１０４の先端方向へと順次搬送された。テーラーコーン３０１の最先端すなわち電界が集中する場所から帯電微粒子３０３が形成された。
【０１５３】
なお、帯電微粒子化工程では、霧化電極部１０４と対向電極部１０６の間に流れる電流を計測した。過剰な電流が流れた場合には、霧化電極部１０４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。
【０１５４】
次に電圧印加工程では、対向電極部１０６と収集電極部１０７の間にＤＣ５００Ｖを印加した。電圧印加工程により、帯電微粒子２０５を収集電極部１０７の先端近傍へ静電気力により収集することができる。なお本実施例では、対向電極部１０６に対して収集電極部１０７に正電圧を印加した。対向電極部１０６と収集電極部１０７の間に印加する電圧の大きさは、０Ｖ以上５ｋＶ以下が好ましく、０Ｖ以上５００Ｖ以下がより好ましい。なお、帯電微粒子２０５が負に帯電している場合、収集電極部１０７へ正電圧を印加することが最も好ましい。
【０１５５】
次に、第二冷却工程として、収集電極部１０７を第二冷却部１０８で冷却した。収集電極部１０７の温度は動作前に２６℃であったが、３０秒後には１５℃まで低下した。なお、収集電極部１０７の温度測定はＫタイプの熱電対を用いて行った。また、収集電極部１０７の温度は水の結露点以下に冷却されることが好ましい。第二冷却工程を電圧印加工程の後で行なうことにより、収集電極部１０７の先端近傍で大半の帯電微粒子２０５を冷却することができる。
【０１５６】
第二凝縮工程において、収集電極部１０７の先端近傍へ帯電微粒子２０５を凝縮させ、第二凝縮液２０６を得た。なお、収集電極部１０７の温度は第二凝縮液２０６の生成量に応じて適宜制御することが好ましい。また帯電微粒子２０５の寿命の観点から、遅くとも帯電微粒子工程開始１０分後までに第二凝縮工程を開始することが好ましい。
【０１５７】
図１２（ａ）および図１２（ｂ）は、それぞれ第二凝縮工程における収集電極部１０７の様子を表した説明図および最先端部の光学顕微鏡写真である。図１２（ａ）および図１２（ｂ）が示すように、収集電極部１０７の先端近傍に第二凝縮液４０１を収集することができた。なお、第二凝縮液４０１自身にも静電気力が加わり、液滴が広がるのを抑制した。さらに、収集電極部１０７の先端は下方を向いて設けられているために、第二凝縮液４０１に重力が加わり、液滴が広がるのを抑制した。
【０１５８】
第二凝縮工程の後、収集電極部１０７の先端近傍には第二凝縮液２０６が約１μＬ蓄積できた。注入工程から第二凝縮工程までの所要時間は２分間であった。
【０１５９】
なお、第二凝縮液２０６の中に酢酸が含まれていることを確かめるため、第二凝縮液２０６をシリンジで採取し、ガスクロマトグラフ分析を行なった。分析にはジーエルサイエンス社製のＧＣ−４０００を用いた。
【０１６０】
図１３は第二凝縮液２０６の分析結果である。縦軸は酢酸のガスクロマトグラムのピーク面積を表しており、ピーク面積が大きいほど第二凝縮液２０６中に含まれる酢酸の濃度が高いことを意味する。横軸は、対向電極部１０６に対して収集電極部１０７へ印加する電圧Ｖｃである。なお収集電圧Ｖｃの符号は、対向電極部を陰極、収集電極部を陽極とした場合には正とする。
【０１６１】
図１３が示すように、第二凝縮液２０６には酢酸が含まれていた。また、収集電圧Ｖｃが大きくなるほど、第二凝縮液２０６中の酢酸の濃度は増大する傾向にあり、Ｖｃ＝０ＶとＶｃ＝５００Ｖを比べると、第二凝縮液２０６中の酢酸濃度は約２倍となり、本発明により、静電噴霧された溶液が濃縮されるという副次的な効果があることも分かった。
【０１６２】
図１３の結果によると、電圧印加工程の後で第二冷却工程を行なうことは、より効率的であることを示している。Ｖｃ＝５００Ｖでの結果は、電圧印加工程の後に第二冷却工程を行なうことに対応する。Ｖｃ＝０Ｖでの結果は、第二冷却工程の後に電圧印加工程を行なうことに対応する。電圧印加工程の後に第二冷却工程を行なう場合、第二冷却工程の後に電圧印加工程を行なう場合に比べて、第二凝縮液２０６の濃度は高かった。したがって、第二冷却工程を電圧印加工程の後に行なうことが好ましい。
【０１６３】
なお、分析条件は以下のとおりであった。分析カラムにはキャピラリカラムを用いた。キャピラリカラムの内径は０．５３ｍｍ、長さは３０ｍ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１６０℃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℃であった。
【０１６４】
分析後は、収集電極部１０７を容器１０１から取り外し、メタノールで洗浄した。
【０１６５】
また、収集電極部１０７に付着した第二凝縮液２０６を除去するために、収集電極部１０７を加熱した。収集電極部１０７の加熱には、熱電素子を用いた。なお、この熱電素子は第二冷却工程において収集電極部１０７を冷却した時と同種類のものを用いた。収集電極部１０７を加熱する時、熱電素子に加える電圧の極性は、収集電極部１０７を冷却した時と反転した。
【０１６６】
さらに、帯電微粒子化工程または電圧印加工程において、収集電極部１０７の除電を行なった。除電は収集電極部１０７を接地することで行なった。
【０１６７】
また、注入工程から第二凝縮工程に至るまで、対向電極部１０６の温度は水の結露点以上に保った。これにより対向電極部１０６の外周面に凝縮液が生成する現象は見られなかった。
【０１６８】
（実施例２）
実施例１と同じ構成要素について説明を省略し、静電噴霧装置の操作手順のみを説明する。
【０１６９】
注入工程では、試料気体を注入口１０２から容器１０１へ注入した。本実施例において容器１０１の容積は６．５ｍＬであって、５００ｍＬ／分の流速で試料気体を注入した。
【０１７０】
なお、本実施例においては、試料気体として、乾燥窒素ガスを水および酢酸０．３％水溶液へ順次導入し、バブリングして得たガスを用いた。
【０１７１】
注入工程において試料気体を容器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。
【０１７２】
また、注入工程において余剰な試料気体は排出口１０３を通じて排出した。
【０１７３】
次に、第一冷却工程として、熱電素子により霧化電極部１０４を冷却した。霧化電極部１０４の温度は動作前に２６℃であったが、３０秒後には１５℃まで低下した。なお、霧化電極部１０４の温度測定はＫタイプの熱電対を用いて行った。霧化電極部１０４の温度は水の結露点以下に冷却されることが好ましい。
【０１７４】
そして、第一凝縮工程において、霧化電極部１０４の外周面には熱電素子動作開始５秒後に第一凝縮液２０４が形成され始めた。第一凝縮液２０４の形成初期段階では直径１０μｍ以下の液滴であるが、時間の経過とともに液滴は成長し、熱電素子動作開始１０秒後には十分な液量を得た。なお、霧化電極部１０４における第一凝縮液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。
【０１７５】
帯電微粒子化工程を開始する前に、注入口１０２および排出口１０３に設けられている、バルブ１０９ａおよび１０９ｂを閉じた。これにより容器１０１への試料気体２０３の注入工程を終了した。
【０１７６】
次に、帯電微粒子化工程として、第一凝縮液２０４を多数の帯電微粒子２０５にした。帯電微粒子化２０５は静電噴霧で行なった。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、本発明の帯電微粒子化工程にはこれも含めても良い。
【０１７７】
帯電微粒子２０５の安定性の観点から、帯電微粒子２０５の直径は２ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることが好ましい。帯電微粒子２０５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。
【０１７８】
なお、帯電微粒子化工程において、霧化電極部１０４と対向電極部１０６の間にはＤＣ５ｋＶを印加した。この時、霧化電極部１０４を陰極、対向電極部１０６を陽極とした。
【０１７９】
帯電微粒子化工程では、霧化電極部１０４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、その水柱の先端から化学物質を含む多数の帯電微粒子が放出された。
【０１８０】
なお、帯電微粒子化工程では、霧化電極部１０４と対向電極部１０６の間に流れる電流を計測した。過剰な電流が流れた場合には、霧化電極部１０４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。
【０１８１】
次に、電圧印加工程では、対向電極部１０６と収集電極部１０７の間にＤＣ５００Ｖを印加した。電圧印加工程により、帯電微粒子２０５を収集電極部１０７の先端近傍へ静電気力により収集することができる。なお本実施例では、対向電極部１０６に対して収集電極部１０７に正電圧を印加した。対向電極部１０６と収集電極部１０７の間に印加する電圧の大きさは、０Ｖ以上５ｋＶ以下が好ましく、０Ｖ以上５００Ｖ以下がより好ましい。なお、帯電微粒子２０５が負に帯電している場合、収集電極部１０７へ正電圧を印加することが最も好ましい。
【０１８２】
次に、収集電極部１０７を第二冷却部１０８で冷却した。収集電極部１０７の温度は動作前に２６℃であったが、３０秒後には１５℃まで低下した。なお、収集電極部１０７の温度測定はＫタイプの熱電対を用いて行った。また、収集電極部１０７の温度は水の結露点以下に冷却されることが好ましい。
【０１８３】
第二凝縮工程において、収集電極部１０７の先端近傍へ帯電微粒子２０５を凝縮させ、第二凝縮液２０６を得た。なお、収集電極部１０７の温度は第二凝縮液２０６の生成量に応じて適宜制御することが好ましい。また帯電微粒子２０５の寿命の観点から、遅くとも帯電微粒子工程開始１０分後までに第二凝縮工程を開始することが好ましい。
【０１８４】
第二凝縮工程の後、収集電極部１０７の先端近傍には第二凝縮液２０６が約１μＬ蓄積できた。
【０１８５】
（実施例３）
実施例１と同じ構成要素について説明を省略し、静電噴霧装置の操作手順のみを説明する。
【０１８６】
注入工程では、試料気体を注入口１０２から容器１０１へ注入した。本実施例において容器１０１の容積は６．５ｍＬであって、５００ｍＬ／分の流速で試料気体を注入した。
【０１８７】
なお、本実施例においては、試料気体として、乾燥窒素ガスを水および酢酸０．３％水溶液へ順次導入し、バブリングして得たガスを用いた。
【０１８８】
注入工程において試料気体を容器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。
【０１８９】
また、注入工程において余剰な試料気体は排出口１０３を通じて排出した。
【０１９０】
第一冷却工程を開始する前に、注入口１０２および排出口１０３のそれぞれに設けられている、バルブ１０９ａおよび１０９ｂを閉じた。これにより容器１０１への試料気体２０３の注入工程を終了した。
【０１９１】
次に、第一冷却工程として、熱電素子により霧化電極部１０４を冷却した。霧化電極部１０４の温度は動作前に２６℃であったが、３０秒後には１５℃まで低下した。なお、霧化電極部１０４の温度測定はＫタイプの熱電対を用いて行った。霧化電極部１０４の温度は水の結露点以下に冷却されることが好ましい。
【０１９２】
そして、第一凝縮工程において、霧化電極部１０４の外周面には熱電素子動作開始５秒後に第一凝縮液２０４が形成され始めた。第一凝縮液２０４の形成初期段階では直径１０μｍ以下の液滴であるが、時間の経過とともに液滴は成長し、熱電素子動作開始１０秒後には十分な液量を得た。なお、霧化電極部１０４における第一凝縮液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。
【０１９３】
次に、帯電微粒子化工程として、第一凝縮液２０４を多数の帯電微粒子２０５にした。帯電微粒子化２０５は静電噴霧で行なった。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、本発明の帯電微粒子化工程にはこれも含めても良い。
【０１９４】
帯電微粒子２０５の安定性の観点から、帯電微粒子２０５の直径は２ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることが好ましい。帯電微粒子２０５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。
【０１９５】
なお、帯電微粒子化工程において、霧化電極部１０４と対向電極部１０６の間にはＤＣ５ｋＶを印加した。この時、霧化電極部１０４を陰極、対向電極部１０６を陽極とした。
【０１９６】
帯電微粒子化工程では、霧化電極部１０４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、その水柱の先端から化学物質を含む多数の帯電微粒子が放出された。
【０１９７】
なお、帯電微粒子化工程では、霧化電極部１０４と対向電極部１０６の間に流れる電流を計測した。過剰な電流が流れた場合には、霧化電極部１０４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。
【０１９８】
次に、電圧印加工程では、対向電極部１０６と収集電極部１０７の間にＤＣ５００Ｖを印加した。電圧印加工程により、帯電微粒子２０５を収集電極部１０７の先端近傍へ静電気力により収集することができる。なお本実施例では、対向電極部１０６に対して収集電極部１０７に正電圧を印加した。対向電極１０６と収集電極部１０７の間に印加する電圧の大きさは、０Ｖ以上５ｋＶ以下が好ましく、０Ｖ以上５００Ｖ以下がより好ましい。なお、帯電微粒子２０５が負に帯電している場合、収集電極部１０７へ正電圧を印加することが最も好ましい。
【０１９９】
次に、収集電極部１０７を第二冷却部１０８で冷却した。収集電極部１０７の温度は動作前に２６℃であったが、３０秒後には１５℃まで低下した。なお、収集電極部１０７の温度測定はＫタイプの熱電対を用いて行った。また、収集電極部１０７の温度は水の結露点以下に冷却されることが好ましい。
【０２００】
第二凝縮工程において、収集電極部１０７の先端近傍へ帯電微粒子２０５を凝縮させ、第二凝縮液２０６を得た。なお、収集電極部１０７の温度は第二凝縮液２０６の生成量に応じて適宜制御することが好ましい。また帯電微粒子２０５の寿命の観点から、遅くとも帯電微粒子工程開始１０分後までに第二凝縮工程を開始することが好ましい。
【０２０１】
第二凝縮工程の後、収集電極部１０７の先端近傍には第二凝縮液２０６が約１μＬ蓄積できた。
【０２０２】
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】
【０２０３】
本発明にかかる試料気体収集方法は、収集電極上において静電噴霧された溶液が広がるのを抑制できるため、試料気体中の微量な成分を分析しなければならない用途に適している。たとえば、大気汚染や水質汚濁のモニタリング装置や、バイオマーカ分析装置などであって、環境分野、化学工業分野、食品分野、医療分野などへ応用することができる。
【符号の説明】
【０２０４】
１００ 静電噴霧装置
１０１ 容器
１０２ 注入口
１０３ 排出口
１０４ 霧化電極部
１０５ 第一冷却部
１０６ 対向電極部
１０６ａ スリット
１０７ 収集電極部
１０８ 第二冷却部
１０９ａ、１０９ｂ バルブ
２０１ 水
２０２ａ、２０２ｂ 化学物質
２０３ 試料気体
２０４ 第一凝縮液
２０５ 帯電微粒子
２０６ 第二凝縮液
３０１ テーラーコーン
３０２ 第一凝縮液
３０３ 帯電微粒子
４０１ 第二凝縮液
５０１ Ｘ−Ｙステージ
５０２ 基板
５０３ 蛋白質スポット
５０４ 誘電体層
５０５ 毛管
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料気体中を静電噴霧によって電極上へ効率的に収集する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＤＮＡや抗体、たんぱく質などの各種化学物質を含む微量溶液を基板上へ堆積するために、静電噴霧を利用することは広く知られている。
【０００３】
たとえば、特許文献１に示された従来の静電噴霧装置は、不揮発性の希薄生体分子溶液を基板表面上でスポットまたはフィルム状にする装置である。図１４に従来の静電噴霧装置を示す。たんぱく質溶液で満たされた毛管５０５と誘電体層５０４との間に数ｋＶの高電圧を印加することで、毛管５０５の先端からたんぱく質溶液のミストが基板５０２に向かって噴霧される。
【０００４】
図１４に示す静電噴霧装置は、基板５０２上に設けられた誘電体層５０４の導電性を制御、もしくは誘電体層５０４に孔を設けることで、局所的な電界を作り、所望の位置に物質溶液を堆積していた。この方法は、ＤＮＡやたんぱく質をスポット状あるいはフィルム状に基板へ配列した、いわゆるＤＮＡチップやプロテインチップを製造するには一定の効果が得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２００２−５１１７９２公報（第７８頁、図９、その他第３１頁 第１２〜１３行目、図３、図４、図１９）
【特許文献２】特許第３９５２０５２号公報
【特許文献３】特開平０７−１９０９９０号公報（特に図３）
【特許文献４】特開平０７−２７０２８５号公報（特に段落番号０００１、０００８）
【特許文献５】米国特許出願公開第２００４／０２１０１５４号明細書（特に００５４段落）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来方法のように収集側の電極が平面状の基板であると、静電噴霧された溶液は当該電極上で全面に広がってしまうという課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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て試料気体を収集する方法であって、前記静電噴霧装置は、閉鎖可能な容器と、前記容器の一端に設けられた試料気体の注入口と、前記容器の他端に設けられた試料気体の排出口と、前記容器の内部に設けられた霧化電極部と、前記霧化電極部の近傍に設けられた第一冷却部と、前記容器の内部に設けられた対向電極部と、前記対向電極の近傍に設けられた針状の収集電極部と、前記収集電極部の近傍に設けられた第二冷却部とを備え、前記方法は、前記試料気体を前記注入口から前記容器へ注入する注入工程と、前記第一冷却部により前記霧化電極部を冷却する第一冷却工程と、前記霧化電極部の外周面で前記試料気体を第一凝縮液にする第一凝縮工程と、前記第一凝縮液を静電噴霧により帯電微粒子にする帯電微粒子化工程と、前記対向電極部に対して前記収集電極部へ電圧を印加する電圧印加工程と、前記第二冷却部により前記収集電極部を冷却する第二冷却工程と、前記収集電極部の先端近傍で前記帯電微粒子を第二凝縮液にする第二凝縮工程とを順に包含する。
【０００８】
なお、前記注入工程は、少なくとも前記帯電微粒子化工程を開始するまでに終了することが好ましい。
【０００９】
また、前記収集電極部の先端は下方を向いていることが好ましい。
【００１０】
さらに、前記収集電極部は、前記第二冷却部により水蒸気の結露点以下に冷却されることが好ましい。
【００１１】
また、前記第二冷却部は、熱電素子であることが好ましい。
【００１２】
さらに、前記熱電素子に印加する直流電圧の極性を反転させることで、前記第二冷却部の冷却面を発熱面に変えることが好ましい。
【００１３】
また、前記収集電極部を加熱して、第二凝縮液を蒸発させることが好ましい。
【００１４】
さらに、前記対向電極部は水蒸気の結露点以上であることが好ましい。
【００１５】
また、前記帯電微粒子は水および前記試料気体の成分を含むことが好ましい。
【００１６】
さらに、前記試料気体の成分は揮発性有機化合物であることが好ましい。
【００１７】
さらに、前記揮発性有機化合物の分子量は１５以上５００以下であることが好ましい。
【００１８】
また、前記収集電極部は、前記帯電微粒子により帯電する電荷を除去する機構を有することが好ましい。
【００１９】
さらに、前記収集電極部は、接地可能であることが好ましい。
【００２０】
また、前記収集電極部の先端に、前記第二凝縮液を保持する貯留部を備えていることが好ましい。
【００２１】
さらに、前記収集電極部の先端に、化学物質検出部を備えていることが好ましい。
【００２２】
また、生体分子分析装置は請求項１に記載の試料気体収集方法を用いることが好ましい。
【００２３】
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】
【００２４】
本発明の試料気体収集方法によれば、静電噴霧された溶液を針状の収集電極部の先端近傍へ集中させるので、静電噴霧された溶液が収集電極部の全面へ広がるのを抑制できる。また、収集電極部へ電圧を印加した後に収集電極部を冷却するので、静電噴霧された溶液が収集電極部の全面へ広がるのを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施の形態１における静電噴霧装置の模式図である。
【図２】本発明の実施の形態１における試料気体の収集方法を示す説明図である。
【図３】本発明の実施の形態１における試料気体の収集方法を示す説明図である。
【図４】本発明の実施の形態１における試料気体の収集方法を示す説明図である。
【図５】本発明の実施の形態２における試料気体の収集方法を示す説明図である。
【図６】本発明の実施の形態２における試料気体の収集方法を示す説明図である。
【図７】本発明の実施の形態２における試料気体の収集方法を示す説明図である。
【図８】本発明の実施の形態３における試料気体の収集方法を示す説明図である。
【図９】本発明の実施の形態３における試料気体の収集方法を示す説明図である。
【図１０】本発明の実施の形態３における試料気体の収集方法を示す説明図である。
【図１１】テーラーコーンおよび帯電微粒子の生成を説明する図である。
【図１２】第二凝縮工程における収集電極部１０７の様子を表した説明図および光学顕微鏡写真である。
【図１３】第二凝縮液の分析結果を示す図である。
【図１４】従来の静電噴霧装置の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２７】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における静電噴霧装置の模式図である。
【００２８】
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。
【００２９】
容器１０１は隔壁によって外部と仕切られ、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。また容器１０１の寸法について、容器１０１の容積は試料気体の総流入量に比べて十分小さいことが好ましい。たとえば試料気体の総流入量が３００ｃｃの場合には、容器の容積は６ｃｃ以下が好ましい。さらに容器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。ステンレスやアルミなどの金属が最も好ましいが、ガラス、シリコンなどの他の無機材料でもよいし、アクリルやポリエチレンテレフタレート、テフロン（登録商標）などのプラスチックでもよい。また、これらを組み合わせて容器を構成しても良い。なお容器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もしくは可動性があっても良い。
【００３０】
注入口１０２は容器１０１の一端に設けられている。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を設ける位置について、試料気体が容器１０１の内部へすみやかに注入される場所であれば良い。たとえば容器１０１が直方体の場合には、注入口１０２は容器１０１の隅よりも面中央部が好ましい。なお本発明は、注入口１０２の形状、寸法、材料を限定しない。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。さらに注入口１０２は一箇所であっても良いし、複数箇所でも良い。
【００３１】
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を設ける位置については、容器１０１を満たした試料気体のうち余剰分が容器１０１から排出される場所であれば良い。なお本発明は、排出口１０３の形状、寸法、材料を限定しない。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。さらに排出口１０３は一箇所であっても良いし、複数箇所でも良い。
【００３２】
霧化電極部１０４は、容器１０１の内部に設けられている。霧化電極部１０４は、容器１０１の内部にあって試料気体に接触する位置にあれば良い。例えば、図１に示すように容器１０１の底部中央に設けられていることが好ましい。なお、霧化電極部１０４と容器１０１との接する面積は小さいほうが熱伝導を抑えられるため好ましい。
【００３３】
霧化電極部１０４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以下が好ましい。また、針の直径は０．５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下が好ましい。針の直径は先端から根元まで同一でも良いし、根元よりも先端の方が細くなっていてもよい。針の数は１本であることが好ましいが、複数あっても良い。
【００３４】
さらに、霧化電極部１０４の材料は良熱伝導材料が好ましく、金属であることが最も好ましい。具体的には銅、真鍮、アルミ、ニッケル、タングステンなどの単体金属でも良いし、これらを二種類以上組み合わせたステンレスのような合金や金属間化合物であっても良い。さらにこれらの霧化電極部１０４の表面を保護するために、金、白金など化学的に安定な金属薄膜や他の良熱伝導材料で被覆しても良い。
【００３５】
第一冷却部１０５は、霧化電極部１０４の近傍に設けられている。第一冷却部１０５により霧化電極部１０４を冷却する。なお、第一冷却部１０５は熱電素子であることが最も好ましいが、水のような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。第一冷却部１０５の冷却面の表面積は、大きいほど効率よく霧化電極部１０４を冷却することができる。したがって、第一冷却部１０５の大きさを霧化電極部１０４との接触面積を最大にするようにしても良いし、第一冷却部１０５の冷却面の外周面に凹凸加工を施しても良いし、第一冷却部１０５の冷却面の外周面に多孔体を設けても良い。第一冷却部１０５は、１つでも良いし、複数でも良い。
【００３６】
なお、第一冷却部１０５は霧化電極部１０４に直接接触していることが好ましく、熱伝導性シート、熱伝導性樹脂、金属板、グリースなど熱伝導体を介して接触させても良い。また第一冷却部１０５と霧化電極部１０４は常時接触していることが好ましいが、適宜、物理的または熱的に分離できても良い。
【００３７】
対向電極部１０６は、霧化電極部１０４に相対するように設けられている。対向電極部１０６は霧化電極部１０４と対になって静電噴霧するために用いられる。対向電極部１０６と霧化電極部１０４の先端の距離は、３ｍｍ以上４ｍｍ以下であることが好ましい。対向電極部１０６の形状は円環状が最も好ましい。図１において円環状の対向電極部１０６は断面で表してある。針状の霧化電極部１０４の延長線上に円環状の対向電極部１０６の中心があることが最も好ましい。なお、対向電極部１０６の形状は長方形、台形など多角形でも良く、帯電微粒子が通過する貫通孔のようなスリット１０６ａが開いていれば良い。なお、本発明において対向電極部１０６の厚みは限定しない。さらに本発明において、貫通孔の断面積、形状、数は限定しない。
【００３８】
対向電極部１０６の材料は金属であることが好ましい。具体的には鉄、銅、亜鉛、クロム、アルミ、ニッケル、タングステンなどの単体金属でも良いし、これらを二種類以上組み合わせたステンレス又は真鍮のような合金、金属間化合物であっても良い。さらにこの対向電極部１０６の表面を保護するために、金、白金などの化学的に安定な金属薄膜や他の良熱伝導材料で被覆しても良い。
【００３９】
収集電極部１０７は対向電極部１０６の近傍に設けられている。また、収集電極部１０７と霧化電極部１０４の間に対向電極部１０６が設けられていることが好ましい。さらに、収集電極部１０７と対向電極部１０６の貫通孔と霧化電極部１０４は、ほぼ一直線上に設けられていることが好ましい。対向電極部１０７は容器１０１の天井に設けられていることが好ましく、霧化電極部１０４は容器１０１の底部に設けられていることが好ましく、対向電極部１０６は収集電極部１０７と霧化電極部１０４の間に設けられていることが好ましい。収集電極部１０７は静電噴霧された帯電微粒子を静電気力により収集するために用いられる。
【００４０】
収集電極部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以下が好ましい。また、針の直径は０．５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下が好ましい。針の直径は、先端から根元まで同一でも良いし、根元よりも先端の方が細くなっていてもよい。なお、本発明において、収集電極部１０７の先端から対向電極部１０６までの距離は限定しない。さらに、収集電極部１０７の材料は良熱伝導材料が好ましく、金属であることが最も好ましい。具体的にはステンレス、銅、真鍮、アルミ、ニッケル、タングステンなどの単体金属でも良いし、これら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。また、これらの収集電極部１０７の表面を保護するために、金、白金などの化学的に安定な金属薄膜や他の良熱伝導材料で被覆しても良い。
【００４１】
なお、収集電極部１０７の最先端の形状は電界が集中することが好ましいので、円錐形でも良いし、四角錐形でも良いし、三角錐形でも良いし、他の先鋭な形状でも良い。また、針状の収集電極部１０７は中実であることが最も好ましいが、パイプのように中空であっても良い。収集電極部１０７は１つであっても良いし、複数あっても良い。
【００４２】
さらに、収集電極部１０７の先端は下方を向いていることが好ましい。収集電極部１０７の先端を下方へ向けることで、静電噴霧された溶液が重力により先端へ移動しやすいので好ましい。
【００４３】
第二冷却部１０８は、収集電極部１０７の近傍に設けられている。第二冷却部１０８は収集電極部１０７を冷却するために用いられる。なお、第二冷却部１０８は熱電素子であることが最も好ましいが、水のような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。第二冷却部１０８の冷却面の表面積は、大きいほど効率よく収集電極部１０７を冷却することができる。したがって第二冷却部１０８の大きさを収集電極部１０７との接触面積を最大にするようにしても良いし、第二冷却部１０８の冷却面の外周面に凹凸加工を施しても良いし、第二冷却部１０８の冷却面の外周面に多孔体を設けても良い。第二冷却部１０８は、１つでも良いし、複数でも良い。
【００４４】
なお、第二冷却部１０８は収集電極部１０７に直接接触していることが好ましく、熱伝導性シート、熱伝導性樹脂、金属板、グリースなど熱伝導体を介して接触させても良い。また第二冷却部１０８と収集電極部１０７は常時接触していることが好ましいが、適宜、物理的または熱的に分離できても良い。
【００４５】
また、第二冷却部１０８と第一冷却部１０５は独立に制御できることが最も好ましいが、第一冷却部１０５と第二冷却部１０８をひとつにしても良い。第一冷却部１０５と第二冷却部１０８の大きさ、種類、数量は同じでも良いし、異なっていても良い。
【００４６】
注入口１０２および排出口１０３には、バルブ１０９ａおよびバルブ１０９ｂが設けられていることが好ましい。これらのバルブ１０９ａおよび１０９ｂにより容器１０１を閉鎖可能にすることが好ましい。なお、本発明ではバルブ１０９ａおよび１０９ｂの材料、位置、種類を限定しない。さらに、注入口１０２および排出口１０３のコンダクタンスが十分小さければ容器１０１は閉鎖しているのとほぼ同様の効果が得られる。
【００４７】
図２〜図４は、本発明の実施の形態１における試料気体の収集方法を示す説明図である。なお、図２〜図４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。
【００４８】
まず、注入工程では水２０１と化学物質２０２ａ、２０２ｂからなる試料気体２０３が注入口１０２を通じて容器１０１へ注入される。図２（ａ）は注入工程を表す。なお容器１０１の内部が試料気体２０３によって満たされたかどうかを判別するために、容器１０１の内部に試料気体検出部を設けても良い。その試料気体検出部は一つでも良いし、複数でも良い。なお、本発明において試料気体検出部の種類、位置は限定しない。
【００４９】
また、注入工程において試料気体２０３の注入手段は、注入口１０２側から加圧して注入することが好ましいが、排出口１０３側を減圧して注入しても良い。
【００５０】
さらに、注入工程において試料気体２０３を容器１０１へ注入する前に、容器１０１の内部には清浄な空気が満たされていることが好ましい。なお、容器１０１の内部には乾燥窒素やその他の不活性ガスが満たされていても良いし、試料気体と同程度の湿度を有する標準ガスや、較正用ガスが満たされていても良い。
【００５１】
また、注入工程において余剰な試料気体２０３は排出口１０３から排出される。
【００５２】
注入工程における試料気体２０３の注入と排出は、バルブ１０９ａおよびバルブ１０９ｂで制御される。また注入口１０２には、容器１０１への異物混入を防ぐためのトラップを設けても良い。
【００５３】
なお、簡便のため図２（ａ）において化学物質２０２ａ、２０２ｂは２種類だけ記載しているが、試料気体２０３は２種類以上の成分を含んでいても良い。
【００５４】
次に、第一冷却工程では、第一冷却部１０５により霧化電極部１０４が冷却される。図２（ｂ）は第一冷却工程を表す。なお、図２（ｂ）において、第一冷却部１０５が霧化電極部１０４を冷却する様子を表すために、第一冷却部１０５に接続される直流電源で表示した。しかし本発明では、第一冷却工程は第一冷却部１０５へ直流電源が接続されることに限定しない。
【００５５】
前記注入工程の後で第一冷却工程を行うことにより、試料気体以外の冷却凝縮を抑えることができる。第一冷却工程では霧化電極部１０４以外の部分、たとえば容器１０１も冷却されないよう、熱伝導を小さくすることが好ましい。熱伝導を小さくするために、霧化電極部１０４と容器１０１との接触面積を小さくすることが最も好ましい。あるいは霧化電極部１０４と容器１０１との接触部に熱伝導係数の小さい材料を介在させても良い。
【００５６】
次に第一凝縮工程では、冷却された霧化電極部１０４の外周面において、水２０１と化学物質２０２ａと化学物質２０２ｂを含む第一凝縮液２０４が形成される。図２（ｃ）は第一凝縮工程を表す。
【００５７】
なお、この第一凝縮工程では、第一凝縮液２０４の量が過剰にならないよう、第一冷却部１０５により霧化電極部１０４の温度を適宜制御することが好ましい。
【００５８】
次に帯電微粒子化工程では、第一凝縮液２０４から多数の帯電微粒子２０５を形成する。図３（ａ）は帯電微粒子化工程を表す。なお帯電微粒子の形態は、分子が数千個からなる微粒子であることが最も好ましいが、１個〜数百個からなるクラスタであっても良いし、数万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。
【００５９】
また、帯電微粒子２０５には、電気的に中性な分子の他に、化学物質由来のイオンまたはラジカルが含まれていても良い。またはこれらが混在していても良い。帯電微粒子２０５は負に帯電していることがより好ましいが、正に帯電していても良い。
【００６０】
帯電微粒子化する方法は、静電噴霧が最も好ましい。ここで、静電噴霧の原理を簡単に説明しておく。霧化電極部１０４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１０４先端へ第一凝縮液２０４が搬送される。クーロン引力により第一凝縮液２０４の液面が対向電極部１０６方向へ円錐状に盛り上がる。この盛り上がった円錐状の液体はテーラーコーンと呼ばれている。さらに霧化電極部１０４の外周面で凝縮が進むと、円錐状の第一凝縮液２０４が成長して、第一凝縮液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一凝縮液２０４が分裂、飛散して、帯電微粒子２０５を形成する。以上が静電噴霧の原理である。
【００６１】
帯電微粒子化工程において、霧化電極部１０４と対向電極部１０６の間には４ｋＶ以上６ｋＶ以下の電圧が印加されることが好ましい。
【００６２】
なお、本発明は帯電微粒子２０５の直径を限定しないが、帯電微粒子の安定性の観点から２ｎｍ以上３０ｎｍ以下が好ましい。
【００６３】
帯電微粒子２０５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）と同量であることが最も好ましいが、電荷素量より大きくても良い。
【００６４】
次に電圧印加工程では、対向電極部１０６に対して収集電極部１０７へ電圧を印加する。図３（ｂ）は電圧印加工程を表す。元来、直径２ｎｍ以上３０ｎｍ程度の帯電微粒子２０５は静電気力により反発するため拡散しやすいが、収集電極部１０７の形状を針状にすることで、帯電微粒子２０５の大半は静電気力の集中により収集電極部１０７の先端近傍へ容易に集まる。なお、帯電微粒子２０５が負の電荷を持つ場合、対向電極部１０６に対して収集電極部１０７に直流正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。
【００６５】
次に第二冷却工程では、第二冷却部１０８により収集電極部１０７が冷却される。図３（ｃ）は第二冷却工程を表す。前記電圧印加工程の後で第二冷却工程を行うことにより、収集電極部１０７の先端近傍へ集中する帯電微粒子２０５を冷却することができる。
【００６６】
次に第二凝縮工程では、収集電極部１０７の先端近傍で大半の帯電微粒子２０５が凝縮され、第二凝縮液２０６が生成される。図４は第二凝縮工程を表す。第二凝縮工程の結果、第二凝縮液２０６が収集電極部１０７の全面に広がるのを抑制できる。
【００６７】
なお、本発明の実施の形態において、収集電極部１０７は、第二冷却部１０８によって水蒸気の結露点以下に冷却されることが好ましい。収集電極部１０７の近傍に温度計を設けて、収集電極部１０７の温度を計測しても良い。また収集電極部１０７の温度を制御しても良い。
【００６８】
また、本発明の実施の形態において、収集電極部１０７を加熱して、第二凝縮液２０６を蒸発させることが好ましい。加熱時の収集電極部１０７の温度は、水の結露点以上が好ましい。これにより、不要時に試料気体が収集電極部１０７へ凝縮するのを防止できる。
【００６９】
さらに、本発明の実施の形態において、熱電素子に印加する電圧の極性を反転させることで、第二冷却部１０８の冷却面を発熱面に変えることが好ましい。これにより、収集電極部１０７を加熱することができるため、第二凝縮液２０６を簡便に蒸発させることができる。
【００７０】
また、本発明の実施の形態において、対向電極部１０６は水蒸気の結露点以上であることが好ましい。対向電極部１０６を水蒸気の結露点以上に保つことにより、対向電極部１０６の外周面に帯電微粒子２０５が凝縮されるのを抑制できる。対向電極部１０６を水蒸気の結露点以上に保つため、対向電極部１０６に加熱機構を設けても良い。
【００７１】
帯電微粒子２０５は、水２０１および試料気体の成分である化学物質２０２ａ、２０２ｂを含んでいることが好ましい。帯電微粒子中の水と試料気体の成分の重量比率は、試料気体中の水と試料気体の成分の重量比率と同じでも良いし、異なっていても良い。
【００７２】
また、本実施の形態において、試料気体の成分は揮発性有機化合物（特に、分子量１５以上５００以下の揮発性有機化合物）であることが好ましい。揮発性有機化合物は、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い。あるいは、これらの物質またはアルカン、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、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でも良い。
【００７３】
さらに、本発明の実施の形態において、収集電極部１０７は、除電されることが好ましい。たとえば帯電微粒子２０５が負に帯電している場合、収集電極部１０７へ試料気体成分が収集されるにつれ、収集電極部１０７は負に帯電する。この帯電量が過剰な場合、収集電極部１０７の先端付近に帯電微粒子２０５を収集するのに困難を生じるので、除電できるようにすることが好ましい。なお、除電は、常時行なっても良いし、適宜行なっても良い。
【００７４】
また、本発明の実施の形態において、収集電極部１０７は、接地可能であることが好ましい。なお、本発明では接地方法を限定しない。
【００７５】
さらに、本発明の実施の形態において、収集電極部１０７の先端に、第二凝縮液２０６を保持する貯留部を備えていることが好ましい。収集電極部１０７の先端に貯留部を設けることにより、収集電極部１０７の全面に第二凝縮液２０６が広がるのを抑制できる。貯留部として収集電極部１０７の先端に凹凸構造を設けても良い。凹凸構造を設けることにより、液体との接触面積を増加やし、第二凝縮液２０６を保持できる。また貯留部の形状は球形でも良いし、紡錘形でも良いし、その他の多角体形でも良い。貯留部が球形の場合、その直径は１ｍｍ以上２ｍｍ以下であることが好ましい。また、貯留部として、多孔質体、ナノフォーム、ゲルなどの吸水手段を設けても良い。あるいは収集電極１０７の先端の外周面を親水処理しても良い。親水処理として、ガラスや酸化チタンなどの親水材料を成膜しても良いし、シラノール基やカルボキシル基、アミノ基、リン酸基などの親水基を末端にもつ有機分子を吸着もしくは結合させても良い。
【００７６】
さらに、本発明の実施の形態において、収集電極部１０７の先端に化学物質検出部を備えていることが好ましい。なお、化学物質検出部は、ガスクロマトグラフでも良いし、他の化学物質検出器を用いても良い。例えば、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）センサなどのセンサでも良い。あるいは、高速液体クロマトグラフ、質量分析装置、核磁気共鳴装置、ＬＣ−ＩＴ−ＴＯＦＭＳ、ＳＨＩＦＴ−ＭＳなどでも良い。また化学物質検出部は１箇所でも良いし、複数箇所でも良い。さらに複数の化学物質検出部を設ける場合、同一種類でもよいし複数種類を組み合わせても良い。なお収集電極部１０７と化学物質検出部の間には第二凝縮液２０６を搬送する手段が設けられていても良い。
【００７７】
また、本発明の実施の形態において、試料気体収集方法を生体分子分析装置に用いても良い。生体分子はケトン類、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い。あるいは、これらの物質またはアルカン、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、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でも良いし、その他の生体由来の有機化合物でも良い。
【００７８】
本発明の実施の形態では、収集側の電極で凝縮液が広がらないように、電圧印加工程により針状の収集電極部１０７の先端近傍へ帯電微粒子２０５を集中させた後、第二冷却工程を行なうことで、第二凝縮工程において第二凝縮液２０６を得ることができる。電圧印加工程の後に第二冷却工程を行なうことで、第二冷却工程の後に電圧印加工程を行なう場合よりも、第二凝縮液２０６の濃度を高めることができる。
【００７９】
なお、本発明の実施の形態は、静電噴霧を利用した従来のマイナスイオンミスト発生装置の形態とは大きく異なる。すなわち、従来のマイナスイオンミスト発生装置は、帯電微粒子の直径が数ｎｍ〜数十ｎｍと非常に小さい。そのためナノメータサイズの帯電微粒子は（１）空気中に１０分間程度と比較的長時間浮遊する、（２）拡散性が高い、という性質を持つ。これらのマイナスイオンミストの性質は肌や毛髪の保湿器、脱臭器へ適用するには大きな利点となる。しかし、これらの性質は本発明の目的である化学物質の収集には欠点となる。したがって通常は、化学物質を収集するために、ナノメータサイズの帯電微粒子を生成する静電噴霧法を利用するという発想は生まれない。しかし、本実施の形態に記載した方法を用いれば、たとえナノメータサイズの帯電微粒子が浮遊性や拡散性を有していても、効率的に化学物質を収集することができる。
【００８０】
さらに、本発明の実施の形態において、容器１０１の材料にプラスチックを用いる場合、テフロン（登録商標）が最も好ましく、アクリル樹脂やポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエステル、フッ素樹脂、ＰＤＭＳなどでも良い。また、容器１０１の材料にプラスチックを用いる場合、容器１０１の内壁には金属薄膜をコーティングすることがより好ましい。金属薄膜はアルミ薄膜が安価でガスバリア性に優れるため最も好ましいが、他の金属薄膜でも良い。またはこれらを２種類以上組み合わせても良い。
【００８１】
また、本発明の実施の形態において、容器１０１の材料に無機材料を用いる場合、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の無機物でも良いし、シリコン表面に二酸化シリコン、窒化シリコン、酸化タンタルなどの絶縁体薄膜を形成したものを用いても良い。またはこれらを２種類以上組み合わせても良い。
【００８２】
さらに、注入口１０２および排出口１０３に設けたバルブ１０９ａおよびバルブ１０９ｂは、試料気体の流れを制御する制御弁を設けても良いし、制御弁は逆止弁でも良いし、ストップバルブでも良い。
【００８３】
また、注入口１０２および排出口１０３には試料気体の流量を計測する計測器を設けても良い。計測器は積算流量計でも良いし、マスフローメータでも良いし、他の流量計測器を用いても良い。
【００８４】
さらに、注入工程では、注入口１０２側を加圧する場合、ダイアフラムポンプやペリスタティックポンプやシリンジポンプなど電動ポンプを用いて注入しても良いし、シリンジやスポイドを使って手動で注入しても良い。
【００８５】
また、注入工程では、排出口１０３側を減圧する場合、ダイアフラムポンプやペリスタティックポンプやシリンジポンプなど電動ポンプを用いて注入しても良いし、シリンジを使って手動で注入しても良い。
【００８６】
さらに、第一冷却部１０５および第二冷却部１０８の放熱部には放熱フィンを設けても良い。あるいは放熱部を水冷しても良いし、空冷しても良いし、熱電素子で冷却しても良いし、他の冷却方法を用いても良い。またこれらを２種類以上組み合わせても良い。
【００８７】
また、霧化電極部１０４には金属を用いることが最も好ましいが、他の良電気伝導性、良熱伝導性を示す材料でも良い。
【００８８】
さらに、本発明の実施の形態において、霧化電極部１０４は１つでも良いし、複数あっても良い。霧化電極部１０４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。
【００８９】
また、収集電極部１０７には金属を用いることが最も好ましいが、他の良電気伝導性、良熱伝導性を示す材料でも良い。
【００９０】
また、本発明の実施の形態において、収集電極部１０７は１つでも良いし、複数あっても良い。収集電極部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。
【００９１】
（実施の形態２）
図５〜図７は、本発明の実施の形態２における試料気体の収集方法を示す説明図である。図５〜図７において、図１〜図４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。
【００９２】
まず、注入工程では水２０１と化学物質２０２ａ、２０２ｂからなる試料気体２０３が注入口１０２を通じて容器１０１へ注入される。図５（ａ）は注入工程を表す。なお容器１０１の内部が試料気体２０３によって満たされたかどうかを判別するために、容器１０１の内部に試料気体検出部を設けても良い。その試料気体検出部は一つでも良いし、複数でも良い。なお、本発明において試料気体検出部の種類、位置は限定しない。
【００９３】
また、注入工程において試料気体２０３の注入手段は、注入口１０２側から加圧して注入することが好ましいが、排出口１０３側を減圧して注入しても良い。
【００９４】
さらに、注入工程において試料気体２０３を容器１０１へ注入する前に、容器１０１の内部には清浄な空気が満たされていることが好ましい。なお、容器１０１の内部には乾燥窒素やその他の不活性ガスが満たされていても良いし、試料気体と同程度の湿度を有する標準ガスや、較正用ガスが満たされていても良い。
【００９５】
また、注入工程において余剰な試料気体２０３は排出口１０３から排出される。
【００９６】
注入工程における試料気体２０３の注入、排出はバルブ１０９ａ、バルブ１０９ｂで制御される。また注入口１０２には、容器１０１への異物混入を防ぐためのトラップを設けても良い。
【００９７】
なお、簡便のため図５（ａ）において化学物質２０２ａ、２０２ｂは２種類だけ記載しているが、試料気体２０３は２種類以上の成分を含んでいても良い。
【００９８】
次に、第一冷却工程では、第一冷却部１０５により霧化電極部１０４が冷却される。図５（ｂ）は第一冷却工程を表す。なお、前記注入工程の後で第一冷却工程を行うことにより、試料気体以外の冷却凝縮を抑えることができる。第一冷却工程では霧化電極部１０４以外の部分、たとえば容器１０１も冷却されないよう、熱伝導を小さくすることが好ましい。熱伝導を小さくするために、霧化電極部１０４と容器１０１との接触面積を小さくすることが最も好ましい。あるいは霧化電極部１０４と容器１０１との接触部に熱伝導係数の小さい材料を介在させても良い。
【００９９】
第一凝縮工程では、冷却された霧化電極部１０４の外周面において、水２０１および化学物質２０２ａ、２０２ｂを含む第一凝縮液２０４が形成される。図５（ｃ）は第一凝縮工程を表す。
【０１００】
なお、この第一凝縮工程では、第一凝縮液２０４の量が過剰にならないよう、第一冷却部１０５により霧化電極部１０４の温度を適宜制御することが好ましい。
【０１０１】
本実施の形態において、第一凝縮工程により第一凝縮液２０４が十分形成されたとき、バルブ１０９ａおよびバルブ１０９ｂを閉じる。これ以降、容器１０１と外部との間で気体は出入りしない。したがって、容器１０１内の気流は抑えられる。
【０１０２】
次に帯電微粒子化工程では、第一凝縮液２０４から多数の帯電微粒子２０５を形成する。図６（ａ）は帯電微粒子化工程を表す。なお帯電微粒子の形態は、分子が数千個からなる微粒子であることが最も好ましいが、１個〜数百個からなるクラスタであっても良いし、数万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。
【０１０３】
図６（ａ）において、バルブ１０９ａおよびバルブ１０９ｂが黒く塗られているのは、閉じていることを表している。
【０１０４】
また、帯電微粒子２０５には、電気的に中性な分子の他に、化学物質由来のイオンまたはラジカルが含まれていても良い。またはこれらが混在していても良い。帯電微粒子２０５はマイナスに荷電していることがより好ましいが、プラスに荷電していても良い。
【０１０５】
帯電微粒子化工程において、霧化電極部１０４と対向電極部１０６の間には４ｋＶ以上６ｋＶ以下の電圧が印加されることが好ましい。
【０１０６】
なお、本発明は帯電微粒子２０５の直径を限定しないが、帯電微粒子の安定性の観点から２ｎｍ以上３０ｎｍ以下が好ましい。
【０１０７】
帯電微粒子２０５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）と同量であることが最も好ましいが、電荷素量より大きくても良い。
【０１０８】
次に電圧印加工程では、対向電極部１０６に対して収集電極部１０７へ電圧を印加する。図６（ｂ）は電圧印加工程を表す。元来、直径２ｎｍ以上３０ｎｍ程度の帯電微粒子２０５は静電気力により反発するため拡散しやすいが、収集電極部１０７の形状を針状にすることで、帯電微粒子２０５の大半は静電気力の集中により収集電極部１０７の先端近傍へ容易に集まる。なお、帯電微粒子２０５が負の電荷を持つ場合、対向電極部１０６に対して収集電極部１０７に直流正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。
【０１０９】
次に第二冷却工程では、第二冷却部１０８により収集電極部１０７が冷却される。図６（ｃ）は第二冷却工程を表す。前記電圧印加工程の後で第二冷却工程を行うことにより、収集電極部１０７の先端近傍へ集中する帯電微粒子２０５を冷却することができる。
【０１１０】
第二凝縮工程では、収集電極部１０７の先端近傍で大半の帯電微粒子２０５が凝縮され、第二凝縮液２０６が生成される。図７は第二凝縮工程を表す。第二凝縮工程の結果、第二凝縮液２０６が収集電極部１０７の全面に広がるのを抑制できる。
【０１１１】
なお、本実施の形態において、帯電微粒子化工程以降、容器１０１は閉鎖されている。したがって、試料気体２０３の流入時に発生する気流により帯電微粒子２０５の運動が擾乱されるのを防ぐ。なぜなら、帯電微粒子２０５は主に静電気力で運動することが好ましいためである。その結果、収集電極部１０７の先端へ帯電微粒子２０５を集めやすくなる。
【０１１２】
（実施の形態３）
図８〜図１０は、本発明の実施の形態３における試料気体の収集方法を示す説明図である。図８〜図１０において、図１〜図４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。
【０１１３】
まず、注入工程では水２０１と化学物質２０２ａ、２０２ｂからなる試料気体２０３が注入口１０２を通じて容器１０１へ注入される。図８（ａ）は注入工程を表す。なお容器１０１の内部が試料気体２０３によって満たされたかどうかを判別するために、容器１０１の内部に試料気体検出部を設けても良い。その試料気体検出部は一つでも良いし、複数でも良い。なお、本発明において試料気体検出部の種類、位置は限定しない。
【０１１４】
また、注入工程において試料気体２０３の注入手段は、注入口１０２側から加圧して注入することが好ましいが、排出口１０３側を減圧して注入しても良い。
【０１１５】
さらに、注入工程において試料気体２０３を容器１０１へ注入する前に、容器１０１の内部には清浄な空気が満たされていることが好ましい。なお、容器１０１の内部には乾燥窒素やその他の不活性ガスが満たされていても良いし、試料気体と同程度の湿度を有する標準ガスや、較正用ガスが満たされていても良い。
【０１１６】
また、注入工程において余剰な試料気体２０３は排出口１０３から排出される。
【０１１７】
注入工程における試料気体２０３の注入、排出はバルブ１０９ａ、バルブ１０９ｂで制御される。また注入口１０２には、容器１０１への異物混入を防ぐためのトラップを設けても良い。
【０１１８】
なお、簡便のため図８（ａ）において化学物質２０２ａ、２０２ｂは２種類だけ記載しているが、試料気体２０３は２種類以上の成分を含んでいても良い。
【０１１９】
本実施の形態において、注入工程により試料気体２０３が容器１０１で均一に満たされた後、バルブ１０９ａおよびバルブ１０９ｂを閉じる。これにより容器１０１と外部との間で気体は出入りしない。
【０１２０】
次に、第一冷却工程では、第一冷却部１０５により霧化電極部１０４が冷却される。図８（ｂ）は第一冷却工程を表す。なお、前記注入工程の後で第一冷却工程を行うことにより、試料気体以外の冷却凝縮を抑えることができる。第一冷却工程では霧化電極部１０４以外の部分、たとえば容器１０１も冷却されないよう、熱伝導を小さくすることが好ましい。熱伝導を小さくするために、霧化電極部１０４と容器１０１との接触面積を小さくすることが最も好ましい。あるいは霧化電極部１０４と容器１０１との接触部に熱伝導係数の小さい材料を介在させても良い。
【０１２１】
第一凝縮工程では、冷却された霧化電極部１０４の外周面において、水２０１および化学物質２０２ａ、２０２ｂを含む第一凝縮液２０４が形成される。図８（ｃ）は第一凝縮工程を表す。
【０１２２】
なお、この第一凝縮工程では、第一凝縮液２０４の量が過剰にならないよう、第一冷却部１０５により霧化電極部１０４の温度を適宜制御することが好ましい。
【０１２３】
次に帯電微粒子化工程では、第一凝縮液２０４から多数の帯電微粒子２０５を形成する。図９（ａ）は帯電微粒子化工程を表す。なお帯電微粒子の形態は、分子が数千個からなる微粒子であることが最も好ましいが、１個〜数百個からなるクラスタであっても良いし、数万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。
【０１２４】
また、帯電微粒子２０５には、電気的に中性な分子の他に、化学物質由来のイオンまたはラジカルが含まれていても良い。またはこれらが混在していても良い。帯電微粒子２０５はマイナスに荷電していることがより好ましいが、プラスに荷電していても良い。
【０１２５】
帯電微粒子化工程において、霧化電極部１０４と対向電極部１０６の間には４ｋＶ以上６ｋＶ以下の電圧が印加されることが好ましい。
【０１２６】
なお、本発明は帯電微粒子２０５の直径を限定しないが、帯電微粒子の安定性の観点から２ｎｍ以上３０ｎｍ以下が好ましい。
【０１２７】
帯電微粒子２０５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）と同量であることが最も好ましいが、電荷素量より大きくても良い。
【０１２８】
なお、本実施の形態において、第一冷却工程以後、容器１０１は閉鎖されている。したがって、帯電微粒子２０５は容器１０１の外部へ流失しない。
【０１２９】
次に電圧印加工程では、対向電極部１０６に対して収集電極部１０７へ電圧を印加する。図９（ｂ）は電圧印加工程を表す。元来、直径２ｎｍ以上３０ｎｍ程度の帯電微粒子２０５は静電気力により反発するため拡散しやすいが、収集電極部１０７の形状を針状にすることで、帯電微粒子２０５の大半は静電気力の集中により収集電極部１０７の先端近傍へ容易に集まる。なお、帯電微粒子２０５が負の電荷を持つ場合、対向電極部１０６に対して収集電極部１０７に直流正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。
【０１３０】
次に第二冷却工程では、第二冷却部１０８により収集電極部１０７が冷却される。図９（ｃ）は第二冷却工程を表す。前記電圧印加工程の後で第二冷却工程を行うことにより、収集電極部１０７の先端近傍へ集中する帯電微粒子２０５を冷却することができる。
【０１３１】
第二凝縮工程では、収集電極部１０７の先端近傍で大半の帯電微粒子２０５が凝縮され、第二凝縮液２０６が生成される。図１０は第二凝縮工程を表す。第二凝縮工程の結果、第二凝縮液２０６が収集電極部１０７の全面に広がるのを抑制できる。
【０１３２】
なお、試料気体２０３は、電気的に中性であるから、針状の収集電極部１０７の先端のみならず側面においても、帯電微粒子化されず直接に凝縮液となる。しかし、本発明の実施の形態では第一冷却工程以後、容器１０１は閉鎖されているので、新たな試料気体２０３の流入はない。したがって、試料気体２０３が直接、収集電極部１０７上で凝縮液となる割合は少なくなり、収集電極部１０７の全面に広がるのを抑制する。
【０１３３】
さらに、本発明の実施の形態において、帯電微粒子２０５は容器１０１から流出しない。このとき、容器１０１の中の帯電微粒子２０５の数は多くなるため、収集電極部１０７の先端に第二凝縮液２０６が集まる。その結果、収集電極部１０７全体に広がるのを抑制
する。
【０１３４】
（実施例１）
容器１０１は厚み０．５ｍｍの透明アクリル樹脂板で作製した。容器１０１は３２ｍｍｘ１７ｍｍｘ１２ｍｍの直方体とした。容器１０１を透明体で作製することは、凝縮液の形成過程が観察できるためより好ましい。また容器１０１は一体成型しても良い。
【０１３５】
注入口１０２は、容器１０１の一端に直径３ｍｍの貫通穴を形成し、外径３ｍｍのシリコーンチューブを接続した。なお、本発明では注入口１０２の形成方法を限定しない。容器１０１を一体成型するときに同時に形成しても良いし、切削加工で形成しても良いし、ドライエッチング、ホットエンボス、ナノインプリントなど他の一般的な形成方法を用いても良い。
【０１３６】
排出口１０３は容器１０１の他端に直径３ｍｍの貫通穴を形成し、外径３ｍｍのシリコーンチューブを接続した。なお、本発明では排出口１０３の形成方法を限定しない。容器１０１を一体成型するときに同時に形成しても良いし、切削加工で形成しても良いし、ドライエッチング、ホットエンボス、ナノインプリントなど他の一般的な形成方法を用いても良い。
【０１３７】
霧化電極部１０４としてステンレス製針を、容器１０１の内部に設けた。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、安定して帯電微粒子化工程を行なえるようにした。さらに球の最先端には直径１００μｍの半球状の突起を設けた。霧化電極部１０４の一端には電圧印加用の導線を接続した。なお、霧化電極部１０４を、容器１０１の底部に設けた。また、霧化電極部１０４の先端部が上方を向くように、設けた。
【０１３８】
第一冷却部１０５として熱電素子を霧化電極部１０４の近傍に設けた。熱電素子の大きさは１４ｍｍｘ１４ｍｍｘ１ｍｍであった。最大吸熱は０．９Ｗ、最大温度差は６９℃の熱電素子を用いた。熱電素子の冷却面は、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。なお、第一冷却部１０５と霧化電極部１０４は熱伝導性ペーストを介して接続した。
【０１３９】
対向電極部１０６は、霧化電極部１０４の先端から３ｍｍ離れたところに設けた。対向電極部１０６の形状は外径１２ｍｍ、内径８ｍｍ、厚さ０．４７ｍｍの円環状のステンレス板を用いた。対向電極部１０６の一端には電圧印加用の導線を接続した。
【０１４０】
収集電極部１０７としてステンレス製針を対向電極部１０６の近傍に設けた。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の球を設けた。さらに球の最先端には直径１００μｍの半球状の突起を設けた。なお、収集電極部１０７の先端は下方へ向けて設置した。収集電極部１０７の一端には電圧印加用の導線を接続した。
【０１４１】
第二冷却部１０８として熱電素子を収集電極部１０７の近傍に設けた。熱電素子の大きさは１４ｍｍｘ１４ｍｍｘ１ｍｍであった。最大吸熱は０．９Ｗ、最大温度差は６９℃の熱電素子を用いた。熱電素子の冷却面は、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。なお、第二冷却部１０８と収集電極部１０７は熱伝導性ペーストを介して接続した。
【０１４２】
次に、静電噴霧装置の操作手順を説明する。
【０１４３】
注入工程では、試料気体を注入口１０２から容器１０１へ注入した。本実施例において容器１０１の容積は６．５ｍＬであって、５００ｍＬ／分の流速で試料気体を注入した。
【０１４４】
なお、本実施例においては、試料気体として、乾燥窒素ガスを水および酢酸０．３％水溶液へ順次導入し、バブリングして得たガスを用いた。
【０１４５】
注入工程において試料気体を容器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。
【０１４６】
また、注入工程において余剰な試料気体は排出口１０３を通じて排出した。
【０１４７】
次に、第一冷却工程として、熱電素子により霧化電極部１０４を冷却した。霧化電極部１０４の温度は動作前に２６℃であったが、３０秒後には１５℃まで低下した。なお、霧化電極部１０４の温度測定はＫタイプの熱電対を用いて行った。霧化電極部１０４の温度は水の結露点以下に冷却されることが好ましい。
【０１４８】
そして、第一凝縮工程において、霧化電極部１０４の外周面には熱電素子動作開始５秒後に第一凝縮液２０４が形成され始めた。第一凝縮液２０４の形成初期段階では直径１０μｍ以下の液滴であるが、時間の経過とともに液滴は成長し、熱電素子動作開始１０秒後には十分な液量を得た。なお、霧化電極部１０４における第一凝縮液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。
【０１４９】
次に、帯電微粒子化工程として、第一凝縮液２０４を多数の帯電微粒子２０５にした。帯電微粒子化２０５は静電噴霧で行なった。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、本発明の帯電微粒子化工程にはこれも含めても良い。
【０１５０】
帯電微粒子２０５の安定性の観点から、帯電微粒子２０５の直径は２ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることが好ましい。帯電微粒子２０５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。
【０１５１】
なお、帯電微粒子化工程において、霧化電極部１０４と対向電極部１０６の間にはＤＣ５ｋＶを印加した。この時、霧化電極部１０４を陰極、対向電極部１０６を陽極とした。霧化電極部１０４を陽極、対向電極１０６を陰極としても同様の効果が得られるが、帯電微粒子化工程は比較的不安定であった。
【０１５２】
帯電微粒子化工程では、霧化電極部１０４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、その水柱の先端から化学物質を含む多数の帯電微粒子が放出された。図１１はテーラーコーンおよび帯電微粒子の生成を説明する図である。テーラーコーン３０１を形成する第一凝縮液３０２は霧化電極部１０４の先端方向へと順次搬送された。テーラーコーン３０１の最先端すなわち電界が集中する場所から帯電微粒子３０３が形成された。
【０１５３】
なお、帯電微粒子化工程では、霧化電極部１０４と対向電極部１０６の間に流れる電流を計測した。過剰な電流が流れた場合には、霧化電極部１０４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。
【０１５４】
次に電圧印加工程では、対向電極部１０６と収集電極部１０７の間にＤＣ５００Ｖを印加した。電圧印加工程により、帯電微粒子２０５を収集電極部１０７の先端近傍へ静電気力により収集することができる。なお本実施例では、対向電極部１０６に対して収集電極部１０７に正電圧を印加した。対向電極部１０６と収集電極部１０７の間に印加する電圧の大きさは、０Ｖ以上５ｋＶ以下が好ましく、０Ｖ以上５００Ｖ以下がより好ましい。なお、帯電微粒子２０５が負に帯電している場合、収集電極部１０７へ正電圧を印加することが最も好ましい。
【０１５５】
次に、第二冷却工程として、収集電極部１０７を第二冷却部１０８で冷却した。収集電極部１０７の温度は動作前に２６℃であったが、３０秒後には１５℃まで低下した。なお、収集電極部１０７の温度測定はＫタイプの熱電対を用いて行った。また、収集電極部１０７の温度は水の結露点以下に冷却されることが好ましい。第二冷却工程を電圧印加工程の後で行なうことにより、収集電極部１０７の先端近傍で大半の帯電微粒子２０５を冷却することができる。
【０１５６】
第二凝縮工程において、収集電極部１０７の先端近傍へ帯電微粒子２０５を凝縮させ、第二凝縮液２０６を得た。なお、収集電極部１０７の温度は第二凝縮液２０６の生成量に応じて適宜制御することが好ましい。また帯電微粒子２０５の寿命の観点から、遅くとも帯電微粒子工程開始１０分後までに第二凝縮工程を開始することが好ましい。
【０１５７】
図１２（ａ）および図１２（ｂ）は、それぞれ第二凝縮工程における収集電極部１０７の様子を表した説明図および最先端部の光学顕微鏡写真である。図１２（ａ）および図１２（ｂ）が示すように、収集電極部１０７の先端近傍に第二凝縮液４０１を収集することができた。なお、第二凝縮液４０１自身にも静電気力が加わり、液滴が広がるのを抑制した。さらに、収集電極部１０７の先端は下方を向いて設けられているために、第二凝縮液４０１に重力が加わり、液滴が広がるのを抑制した。
【０１５８】
第二凝縮工程の後、収集電極部１０７の先端近傍には第二凝縮液２０６が約１μＬ蓄積できた。注入工程から第二凝縮工程までの所要時間は２分間であった。
【０１５９】
なお、第二凝縮液２０６の中に酢酸が含まれていることを確かめるため、第二凝縮液２０６をシリンジで採取し、ガスクロマトグラフ分析を行なった。分析にはジーエルサイエンス社製のＧＣ−４０００を用いた。
【０１６０】
図１３は第二凝縮液２０６の分析結果である。縦軸は酢酸のガスクロマトグラムのピーク面積を表しており、ピーク面積が大きいほど第二凝縮液２０６中に含まれる酢酸の濃度が高いことを意味する。横軸は、対向電極部１０６に対して収集電極部１０７へ印加する電圧Ｖｃである。なお収集電圧Ｖｃの符号は、対向電極部を陰極、収集電極部を陽極とした場合には正とする。
【０１６１】
図１３が示すように、第二凝縮液２０６には酢酸が含まれていた。また、収集電圧Ｖｃが大きくなるほど、第二凝縮液２０６中の酢酸の濃度は増大する傾向にあり、Ｖｃ＝０ＶとＶｃ＝５００Ｖを比べると、第二凝縮液２０６中の酢酸濃度は約２倍となり、本発明により、静電噴霧された溶液が濃縮されるという副次的な効果があることも分かった。
【０１６２】
図１３の結果によると、電圧印加工程の後で第二冷却工程を行なうことは、より効率的であることを示している。Ｖｃ＝５００Ｖでの結果は、電圧印加工程の後に第二冷却工程を行なうことに対応する。Ｖｃ＝０Ｖでの結果は、第二冷却工程の後に電圧印加工程を行なうことに対応する。電圧印加工程の後に第二冷却工程を行なう場合、第二冷却工程の後に電圧印加工程を行なう場合に比べて、第二凝縮液２０６の濃度は高かった。したがって、第二冷却工程を電圧印加工程の後に行なうことが好ましい。
【０１６３】
なお、分析条件は以下のとおりであった。分析カラムにはキャピラリカラムを用いた。キャピラリカラムの内径は０．５３ｍｍ、長さは３０ｍ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１６０℃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℃であった。
【０１６４】
分析後は、収集電極部１０７を容器１０１から取り外し、メタノールで洗浄した。
【０１６５】
また、収集電極部１０７に付着した第二凝縮液２０６を除去するために、収集電極部１０７を加熱した。収集電極部１０７の加熱には、熱電素子を用いた。なお、この熱電素子は第二冷却工程において収集電極部１０７を冷却した時と同種類のものを用いた。収集電極部１０７を加熱する時、熱電素子に加える電圧の極性は、収集電極部１０７を冷却した時と反転した。
【０１６６】
さらに、帯電微粒子化工程または電圧印加工程において、収集電極部１０７の除電を行なった。除電は収集電極部１０７を接地することで行なった。
【０１６７】
また、注入工程から第二凝縮工程に至るまで、対向電極部１０６の温度は水の結露点以上に保った。これにより対向電極部１０６の外周面に凝縮液が生成する現象は見られなかった。
【０１６８】
（実施例２）
実施例１と同じ構成要素について説明を省略し、静電噴霧装置の操作手順のみを説明する。
【０１６９】
注入工程では、試料気体を注入口１０２から容器１０１へ注入した。本実施例において容器１０１の容積は６．５ｍＬであって、５００ｍＬ／分の流速で試料気体を注入した。
【０１７０】
なお、本実施例においては、試料気体として、乾燥窒素ガスを水および酢酸０．３％水溶液へ順次導入し、バブリングして得たガスを用いた。
【０１７１】
注入工程において試料気体を容器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。
【０１７２】
また、注入工程において余剰な試料気体は排出口１０３を通じて排出した。
【０１７３】
次に、第一冷却工程として、熱電素子により霧化電極部１０４を冷却した。霧化電極部１０４の温度は動作前に２６℃であったが、３０秒後には１５℃まで低下した。なお、霧化電極部１０４の温度測定はＫタイプの熱電対を用いて行った。霧化電極部１０４の温度は水の結露点以下に冷却されることが好ましい。
【０１７４】
そして、第一凝縮工程において、霧化電極部１０４の外周面には熱電素子動作開始５秒後に第一凝縮液２０４が形成され始めた。第一凝縮液２０４の形成初期段階では直径１０μｍ以下の液滴であるが、時間の経過とともに液滴は成長し、熱電素子動作開始１０秒後には十分な液量を得た。なお、霧化電極部１０４における第一凝縮液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。
【０１７５】
帯電微粒子化工程を開始する前に、注入口１０２および排出口１０３に設けられている、バルブ１０９ａおよび１０９ｂを閉じた。これにより容器１０１への試料気体２０３の注入工程を終了した。
【０１７６】
次に、帯電微粒子化工程として、第一凝縮液２０４を多数の帯電微粒子２０５にした。帯電微粒子化２０５は静電噴霧で行なった。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、本発明の帯電微粒子化工程にはこれも含めても良い。
【０１７７】
帯電微粒子２０５の安定性の観点から、帯電微粒子２０５の直径は２ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることが好ましい。帯電微粒子２０５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。
【０１７８】
なお、帯電微粒子化工程において、霧化電極部１０４と対向電極部１０６の間にはＤＣ５ｋＶを印加した。この時、霧化電極部１０４を陰極、対向電極部１０６を陽極とした。
【０１７９】
帯電微粒子化工程では、霧化電極部１０４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、その水柱の先端から化学物質を含む多数の帯電微粒子が放出された。
【０１８０】
なお、帯電微粒子化工程では、霧化電極部１０４と対向電極部１０６の間に流れる電流を計測した。過剰な電流が流れた場合には、霧化電極部１０４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。
【０１８１】
次に、電圧印加工程では、対向電極部１０６と収集電極部１０７の間にＤＣ５００Ｖを印加した。電圧印加工程により、帯電微粒子２０５を収集電極部１０７の先端近傍へ静電気力により収集することができる。なお本実施例では、対向電極部１０６に対して収集電極部１０７に正電圧を印加した。対向電極部１０６と収集電極部１０７の間に印加する電圧の大きさは、０Ｖ以上５ｋＶ以下が好ましく、０Ｖ以上５００Ｖ以下がより好ましい。なお、帯電微粒子２０５が負に帯電している場合、収集電極部１０７へ正電圧を印加することが最も好ましい。
【０１８２】
次に、収集電極部１０７を第二冷却部１０８で冷却した。収集電極部１０７の温度は動作前に２６℃であったが、３０秒後には１５℃まで低下した。なお、収集電極部１０７の温度測定はＫタイプの熱電対を用いて行った。また、収集電極部１０７の温度は水の結露点以下に冷却されることが好ましい。
【０１８３】
第二凝縮工程において、収集電極部１０７の先端近傍へ帯電微粒子２０５を凝縮させ、第二凝縮液２０６を得た。なお、収集電極部１０７の温度は第二凝縮液２０６の生成量に応じて適宜制御することが好ましい。また帯電微粒子２０５の寿命の観点から、遅くとも帯電微粒子工程開始１０分後までに第二凝縮工程を開始することが好ましい。
【０１８４】
第二凝縮工程の後、収集電極部１０７の先端近傍には第二凝縮液２０６が約１μＬ蓄積できた。
【０１８５】
（実施例３）
実施例１と同じ構成要素について説明を省略し、静電噴霧装置の操作手順のみを説明する。
【０１８６】
注入工程では、試料気体を注入口１０２から容器１０１へ注入した。本実施例において容器１０１の容積は６．５ｍＬであって、５００ｍＬ／分の流速で試料気体を注入した。
【０１８７】
なお、本実施例においては、試料気体として、乾燥窒素ガスを水および酢酸０．３％水溶液へ順次導入し、バブリングして得たガスを用いた。
【０１８８】
注入工程において試料気体を容器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。
【０１８９】
また、注入工程において余剰な試料気体は排出口１０３を通じて排出した。
【０１９０】
第一冷却工程を開始する前に、注入口１０２および排出口１０３のそれぞれに設けられている、バルブ１０９ａおよび１０９ｂを閉じた。これにより容器１０１への試料気体２０３の注入工程を終了した。
【０１９１】
次に、第一冷却工程として、熱電素子により霧化電極部１０４を冷却した。霧化電極部１０４の温度は動作前に２６℃であったが、３０秒後には１５℃まで低下した。なお、霧化電極部１０４の温度測定はＫタイプの熱電対を用いて行った。霧化電極部１０４の温度は水の結露点以下に冷却されることが好ましい。
【０１９２】
そして、第一凝縮工程において、霧化電極部１０４の外周面には熱電素子動作開始５秒後に第一凝縮液２０４が形成され始めた。第一凝縮液２０４の形成初期段階では直径１０μｍ以下の液滴であるが、時間の経過とともに液滴は成長し、熱電素子動作開始１０秒後には十分な液量を得た。なお、霧化電極部１０４における第一凝縮液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。
【０１９３】
次に、帯電微粒子化工程として、第一凝縮液２０４を多数の帯電微粒子２０５にした。帯電微粒子化２０５は静電噴霧で行なった。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、本発明の帯電微粒子化工程にはこれも含めても良い。
【０１９４】
帯電微粒子２０５の安定性の観点から、帯電微粒子２０５の直径は２ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることが好ましい。帯電微粒子２０５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。
【０１９５】
なお、帯電微粒子化工程において、霧化電極部１０４と対向電極部１０６の間にはＤＣ５ｋＶを印加した。この時、霧化電極部１０４を陰極、対向電極部１０６を陽極とした。
【０１９６】
帯電微粒子化工程では、霧化電極部１０４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、その水柱の先端から化学物質を含む多数の帯電微粒子が放出された。
【０１９７】
なお、帯電微粒子化工程では、霧化電極部１０４と対向電極部１０６の間に流れる電流を計測した。過剰な電流が流れた場合には、霧化電極部１０４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。
【０１９８】
次に、電圧印加工程では、対向電極部１０６と収集電極部１０７の間にＤＣ５００Ｖを印加した。電圧印加工程により、帯電微粒子２０５を収集電極部１０７の先端近傍へ静電気力により収集することができる。なお本実施例では、対向電極部１０６に対して収集電極部１０７に正電圧を印加した。対向電極１０６と収集電極部１０７の間に印加する電圧の大きさは、０Ｖ以上５ｋＶ以下が好ましく、０Ｖ以上５００Ｖ以下がより好ましい。なお、帯電微粒子２０５が負に帯電している場合、収集電極部１０７へ正電圧を印加することが最も好ましい。
【０１９９】
次に、収集電極部１０７を第二冷却部１０８で冷却した。収集電極部１０７の温度は動作前に２６℃であったが、３０秒後には１５℃まで低下した。なお、収集電極部１０７の温度測定はＫタイプの熱電対を用いて行った。また、収集電極部１０７の温度は水の結露点以下に冷却されることが好ましい。
【０２００】
第二凝縮工程において、収集電極部１０７の先端近傍へ帯電微粒子２０５を凝縮させ、第二凝縮液２０６を得た。なお、収集電極部１０７の温度は第二凝縮液２０６の生成量に応じて適宜制御することが好ましい。また帯電微粒子２０５の寿命の観点から、遅くとも帯電微粒子工程開始１０分後までに第二凝縮工程を開始することが好ましい。
【０２０１】
第二凝縮工程の後、収集電極部１０７の先端近傍には第二凝縮液２０６が約１μＬ蓄積できた。
【０２０２】
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】
【０２０３】
本発明にかかる試料気体収集方法は、収集電極上において静電噴霧された溶液が広がるのを抑制できるため、試料気体中の微量な成分を分析しなければならない用途に適している。たとえば、大気汚染や水質汚濁のモニタリング装置や、バイオマーカ分析装置などであって、環境分野、化学工業分野、食品分野、医療分野などへ応用することができる。
【符号の説明】
【０２０４】
１００ 静電噴霧装置
１０１ 容器
１０２ 注入口
１０３ 排出口
１０４ 霧化電極部
１０５ 第一冷却部
１０６ 対向電極部
１０６ａ スリット
１０７ 収集電極部
１０８ 第二冷却部
１０９ａ、１０９ｂ バルブ
２０１ 水
２０２ａ、２０２ｂ 化学物質
２０３ 試料気体
２０４ 第一凝縮液
２０５ 帯電微粒子
２０６ 第二凝縮液
３０１ テーラーコーン
３０２ 第一凝縮液
３０３ 帯電微粒子
４０１ 第二凝縮液
５０１ Ｘ−Ｙステージ
５０２ 基板
５０３ 蛋白質スポット
５０４ 誘電体層
５０５ 毛管
【特許請求の範囲】
【請求項１】
静電噴霧装置を用いて試料気体を収集する方法であって、
前記静電噴霧装置は、
閉鎖可能な容器と、
前記容器の一端に設けられた試料気体の注入口と、
前記容器の他端に設けられた試料気体の排出口と、
前記容器の内部に設けられた霧化電極部と、
前記霧化電極部を冷却する第一冷却部と、
前記容器の内部に設けられ、スリットを有する対向電極部と、
前記スリットを間に挟んで前記対向電極部と対向する針状の収集電極部と、
前記収集電極部を冷却する第二冷却部とを備え、
前記方法は、
前記試料気体を前記注入口から前記容器へ注入する注入工程と、
前記第一冷却部により前記霧化電極部を冷却する第一冷却工程と、
前記霧化電極部の外周面で前記試料気体を第一凝縮液にする第一凝縮工程と、
前記第一凝縮液を静電噴霧により帯電微粒子にする帯電微粒子化工程と、
前記対向電極部に対して前記収集電極部へ電圧を印加する電圧印加工程と、
前記第二冷却部により前記収集電極部を冷却する第二冷却工程と、
前記収集電極部の先端近傍で前記帯電微粒子を第二凝縮液にする第二凝縮工程とを順に包含する試料気体収集方法。
【請求項２】
前記注入工程は、少なくとも前記帯電微粒子化工程を開始するまでに終了することを特徴とする請求項１に記載の試料気体収集方法。
【請求項３】
前記収集電極部の先端は下方を向いていることを特徴とする請求項１に記載の試料気体収集方法。
【請求項４】
前記収集電極部は、前記第二冷却部により水蒸気の結露点以下に冷却されることを特徴とする請求項１に記載の試料気体収集方法。
【請求項５】
前記第二冷却部は、熱電素子であることを特徴とする請求項１に記載の試料気体収集方法。
【請求項６】
前記熱電素子に印加する直流電圧の極性を反転させることで、前記第二冷却部の冷却面を発熱面に変えることを特徴とする請求項５に記載の試料気体収集方法。
【請求項７】
前記収集電極部を加熱して、第二凝縮液を蒸発させることを特徴とする請求項１に記載の試料気体収集方法。
【請求項８】
前記対向電極部は水蒸気の結露点以上であることを特徴とする請求項１に記載の試料気体収集方法。
【請求項９】
前記帯電微粒子は水および前記試料気体の成分を含むことを特徴とする請求項１に記載の試料気体収集方法。
【請求項１０】
前記試料気体の成分は揮発性有機化合物であることを特徴とする請求項１に記載の試料気体収集方法。
【請求項１１】
前記揮発性有機化合物の分子量は、１５以上５００以下であることを特徴とする請求項１０に記載の試料気体収集方法。
【請求項１２】
前記収集電極部は、前記帯電微粒子により帯電する電荷を除去する機構を有することを特徴とする請求項１に記載の試料気体収集方法。
【請求項１３】
前記収集電極部は、接地可能であることを特徴とする請求項１に記載の試料気体収集方法。
【請求項１４】
前記収集電極部の先端に、前記第二凝縮液を保持する貯留部を備えていることを特徴とする請求項１に記載の試料気体収集方法。
【請求項１５】
前記収集電極部の先端に、化学物質検出部を備えていることを特徴とする請求項１に記載の試料気体収集方法。
【請求項１６】
請求項１に記載の試料気体収集方法を用いた生体分子分析装置。
【請求項１】
静電噴霧装置を用いて試料気体を収集する方法であって、
前記静電噴霧装置は、
閉鎖可能な容器と、
前記容器の一端に設けられた試料気体の注入口と、
前記容器の他端に設けられた試料気体の排出口と、
前記容器の内部に設けられた霧化電極部と、
前記霧化電極部を冷却する第一冷却部と、
前記容器の内部に設けられ、スリットを有する対向電極部と、
前記スリットを間に挟んで前記対向電極部と対向する針状の収集電極部と、
前記収集電極部を冷却する第二冷却部とを備え、
前記方法は、
前記試料気体を前記注入口から前記容器へ注入する注入工程と、
前記第一冷却部により前記霧化電極部を冷却する第一冷却工程と、
前記霧化電極部の外周面で前記試料気体を第一凝縮液にする第一凝縮工程と、
前記第一凝縮液を静電噴霧により帯電微粒子にする帯電微粒子化工程と、
前記対向電極部に対して前記収集電極部へ電圧を印加する電圧印加工程と、
前記第二冷却部により前記収集電極部を冷却する第二冷却工程と、
前記収集電極部の先端近傍で前記帯電微粒子を第二凝縮液にする第二凝縮工程とを順に包含する試料気体収集方法。
【請求項２】
前記注入工程は、少なくとも前記帯電微粒子化工程を開始するまでに終了することを特徴とする請求項１に記載の試料気体収集方法。
【請求項３】
前記収集電極部の先端は下方を向いていることを特徴とする請求項１に記載の試料気体収集方法。
【請求項４】
前記収集電極部は、前記第二冷却部により水蒸気の結露点以下に冷却されることを特徴とする請求項１に記載の試料気体収集方法。
【請求項５】
前記第二冷却部は、熱電素子であることを特徴とする請求項１に記載の試料気体収集方法。
【請求項６】
前記熱電素子に印加する直流電圧の極性を反転させることで、前記第二冷却部の冷却面を発熱面に変えることを特徴とする請求項５に記載の試料気体収集方法。
【請求項７】
前記収集電極部を加熱して、第二凝縮液を蒸発させることを特徴とする請求項１に記載の試料気体収集方法。
【請求項８】
前記対向電極部は水蒸気の結露点以上であることを特徴とする請求項１に記載の試料気体収集方法。
【請求項９】
前記帯電微粒子は水および前記試料気体の成分を含むことを特徴とする請求項１に記載の試料気体収集方法。
【請求項１０】
前記試料気体の成分は揮発性有機化合物であることを特徴とする請求項１に記載の試料気体収集方法。
【請求項１１】
前記揮発性有機化合物の分子量は、１５以上５００以下であることを特徴とする請求項１０に記載の試料気体収集方法。
【請求項１２】
前記収集電極部は、前記帯電微粒子により帯電する電荷を除去する機構を有することを特徴とする請求項１に記載の試料気体収集方法。
【請求項１３】
前記収集電極部は、接地可能であることを特徴とする請求項１に記載の試料気体収集方法。
【請求項１４】
前記収集電極部の先端に、前記第二凝縮液を保持する貯留部を備えていることを特徴とする請求項１に記載の試料気体収集方法。
【請求項１５】
前記収集電極部の先端に、化学物質検出部を備えていることを特徴とする請求項１に記載の試料気体収集方法。
【請求項１６】
請求項１に記載の試料気体収集方法を用いた生体分子分析装置。
【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】
【公表番号】特表２０１１−５０１８０２（Ｐ２０１１−５０１８０２Ａ）
【公表日】平成２３年１月１３日（２０１１．１．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５４７３９４（Ｐ２００９−５４７３９４）
【出願日】平成２１年２月４日（２００９．２．４）
【特許番号】特許第４５８３５０２号（Ｐ４５８３５０２）
【特許公報発行日】平成２２年１１月１７日（２０１０．１１．１７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００９／０５２２５５
【国際公開番号】ＷＯ２００９／０９９２４３
【国際公開日】平成２１年８月１３日（２００９．８．１３）
【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２３年１月１３日（２０１１．１．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月４日（２００９．２．４）
【特許番号】特許第４５８３５０２号（Ｐ４５８３５０２）
【特許公報発行日】平成２２年１１月１７日（２０１０．１１．１７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００９／０５２２５５
【国際公開番号】ＷＯ２００９／０９９２４３
【国際公開日】平成２１年８月１３日（２００９．８．１３）
【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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