JP6432985B2 - 吸着装置及び分析装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、吸着装置及び分析装置に関する。

現在、代謝反応及び生化学的病態メカニズム等を、呼気中に含まれる揮発性物質の濃度とその変動とから明らかにする研究が進んでいる。

例えば、呼気中のエタン、ペンタン及び過酸化水素（Ｈ₂Ｏ₂）は、酸化ストレスとの相関が高い。呼気中のこれらの濃度が高くなると、脂質酸化、喘息又は気管支炎という症状が現れてくる。

また、呼気中の一酸化窒素（ＮＯ）、一酸化炭素（ＣＯ）及びＨ₂Ｏ₂は、肺疾患との相関が高い。呼気中のこれらの濃度が高くなると、喘息又は慢性閉塞性肺炎の症状が見られる。

呼気中の水素（Ｈ₂）及び炭素同位体（¹³Ｃ）は、胃腸疾患との相関が高い。呼気中のこれらの濃度が高くなると、消化不良、胃炎又は十二指腸潰瘍の症状が見られる。

また、呼気中のアセトンは、代謝異常との相関が高い。呼気中のアセトン濃度が高くなると、糖尿病の症状が見られる。他方、健康なヒトと比較して呼気中のアセトン濃度が低いヒトは、メタボリック症候群の傾向が見られる。

上述した関係は、痛みを伴わない簡便的な早期病床診断への応用が期待されている。しかしながら、呼気中に含まれる揮発性物質の濃度は、ppm（parts per million）からppb（parts per billion）レベルである。それ故、呼気成分を定量分析するためには、高い分解能を持つ分析装置が必要となる。

この分析手法の一つとして、金属錯体が特定の分子を選択的に吸着する性質を利用した技術が知られている。例えば、或るマンガンフタロシアニンは、アセトンに対する吸着能が高い。カーボンナノチューブからなる導電性基体は、このマンガンフタロシアニンで表面修飾すると、マンガンフタロシアニンのアセトン吸着量に応じて電気伝導度が変化する。従って、このマンガンフタロシアニンで表面修飾した導電性基体を備えたセンサは、呼気中のアセトン濃度の測定に利用可能である。

しかしながら、金属錯体は、化学構造が類似した分子に対してほぼ等しい吸着能を示す。また、導電性基体の表面が平坦でない場合には、この表面を金属錯体により均一に修飾することは困難である。不均一な表面修飾は、正確な測定を困難にする。

他の分析手法として、金属酸化物からなる半導体を利用した技術が知られている。この技術では、金属酸化物を加熱した状態で、酸素を吸着させる。雰囲気中に一酸化炭素や炭化水素などの還元性物質が混入すると、金属酸化物に吸着した酸素と、還元性物質との間で反応が生じ、金属酸化物表面に吸着した酸素が減少する。これに伴い、金属酸化物の比抵抗が小さくなる。この手法は、このような現象を利用している。

この手法は、検知時間が短く、還元性物質が低濃度であったとしても高い感度を示す。しかしながら、この手法では、雰囲気中に複数の還元性物質が含まれる場合、複雑な構成が必要となる。

特開２０１０−１０７３１０号公報 特開２０１５−７６２５号公報

本発明が解決しようとする課題は、高い精度で且つ短時間での分析が可能な分析装置を実現可能とすることにある。

実施形態によれば、基材と、前記基材に接合され、前記基材とともに中空構造を形成している封止部材とを含み、前記中空構造の内部空間と外部空間とを各々が連絡する第１及び第２貫通孔が設けられたセルと、前記内部空間において前記基材から伸び、互いから離れて位置した複数のカーボンナノチューブ束と、前記基材に設けられたヒータとを具備し、前記基材はシリコンからなり、前記封止部材はガラスからなる吸着装置が提供される。

他の実施形態によれば、前記吸着装置と、前記吸着装置を支持する支持体と、測定対象としての流体とパージガスとを前記第１貫通孔へと導く第１流路と、ガス中の１以上の物質を定量する測定装置と、前記第２貫通孔と前記測定装置又は外部とを連絡する第２流路と、前記第１流路に取り付けられた１以上の第１バルブと、前記第２流路に取り付けられた１以上の第２バルブとを具備した分析装置が提供される。

実施形態に係る分析装置を概略的に示す図。 分析時のヒータの温度変化を示すグラフ。 図１の分析装置が含んでいる吸着装置の平面図。 図３の吸着装置のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図。 図３及び図４の吸着装置の分解斜視図。 図３乃至図５の吸着装置に含まれるヒータの平面図。 図３乃至図５の吸着装置が含んでいるカーボンナノチューブ束を概略的に示す斜視図。 カーボンナノチューブ束の配置と呼気の流れとの関係の一例を概略的に示す平面図。 比較例に係る分析装置の一部を概略的に示す図。 変形例に係る吸着装置を概略的に示す図。

以下、実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、同様又は類似した機能を発揮する構成要素には全ての図面を通じて同一の参照符号を付し、重複する説明は省略する。

図１に示す分析装置１は、呼気に含まれる特定成分、例えば揮発性有機化合物の濃度を分析するための装置である。ここで、検体は、典型的にはヒトの呼気であるが、ヒトを除く動物の呼気であってもよい。また、揮発性有機化合物は、例えば、エタン、ペンタン又はアセトンである。

分析装置１は、吸着装置２と、支持体３と、導管５ａ乃至５ｄと、測定装置６と、第１バルブ７ａ及び７ｂと、第２バルブ８とを含んでいる。

吸着装置２は、中空構造を有しているセル２０と、このセル２０を加熱するヒータ２３とを含んでいる。このセル２０には、内部空間と外部空間とを連絡する一対の貫通孔が設けられている。このセル２０の内部空間には、複数のカーボンナノチューブ束が収容されている。これらカーボンナノチューブ束は、呼気中の１以上の物質、即ち、上記成分を物理吸着する。吸着装置２の詳細な構造については、後で説明する。

支持体３は、吸着装置２を着脱可能に支持している。支持体３は、支持体本体３１と、これに内蔵された電源（図示せず）とを含んでいる。支持体３は、この電源に電気的に接続された一対の電極３２ａ及び３２ｂを更に含んでいる。これら電極３２ａ及び３２ｂは、ヒータ２３に電気的に接続されている。

導管５ａ及び５ｃ並びに第１バルブ７ａ及び７ｂは、測定対象である流体とパージガスとを第１貫通孔へと導く第１流路を構成している。パージガスとしては、例えば、ヘリウム、水素又は窒素ガスを用いることができる。

第１バルブ７ａは、２つの流入口と１つの流出口とを備え、一方の流入口と流出口とが連絡した状態と、他方の流入口と流出口とが連絡した状態との間での切り替えを、電気的制御のもとで行うことが可能な電動バルブである。また、第１バルブ７ｂは、１つの流入口と１つの流出口とを備え、流入口と流出口とが連絡した状態と、その連絡が遮断された状態との間での切り替えを、電気的制御のもとで行うことが可能な電動バルブである。

第１貫通孔には、導管５ａの一端が接続されている。導管５ａの他端には、第１バルブ７ｂの流出口が接続されている。第１バルブ７ｂの流入口には、導管５ｃの一端が接続されている。導管５ｃの他端には、第１バルブ７ａの流出口が接続されている。第１バルブ７ａの第１流入口には、導管５ｅの一端が接続されている。導管５ｅの他端には、測定対象の供給源９が接続されている。第１バルブ７ａの第２流入口には、導管５ｆの一端が接続されている。導管５ｆの他端には、パージガス源１０が接続されている。

導管５ｂ及び５ｄ並びに第２バルブ８は、第２貫通孔と測定装置６又は測定装置６の外部とを連絡する第２流路を構成している。

第２バルブ８は、１つの流入口と２つの流出口とを備え、流入口と一方の流出口とが連絡した状態と、流入口と他方の流出口とが連絡した状態と、流入口が２つの流出口のどちらとも連絡していない状態との間での切り替えを、電気的制御のもとで行うことが可能な電動バルブである。

第２貫通孔には、導管５ｂの一端が接続されている。導管５ｂの他端には、第２バルブ８の流入口が接続されている。第２バルブ８の第１流出口には、導管５ｄの一端が接続されている。導管５ｄの他端には、測定装置６が接続されている。第２バルブ８の第２流出口には、導管５ｇの一端が接続されている。導管５ｇの他端は、測定装置６の外部に通じている。

測定装置６は、カーボンナノチューブ束から脱着させた上記１以上の物質を定量する。測定装置６は、例えば、水素炎イオン化型検出器、熱伝導度型検出器、レーザー式ガス分析計、ガスクロマトグラフ、ガスクロマトグラフ質量分析計又はフーリエ変換赤外分光光度計である。

コントローラ１１は、後述する第１乃至第５動作を順次行うように、ヒータ２３の稼働状態と、第１バルブ７ａ及び７ｂ並びに第２バルブ８の状態とを制御する。また、コントローラ１１は、支持体本体３１に内蔵される電源に接続されている。コントローラ１１は、一対の電極３２ａ及び３２ｂへの電力の供給を更に制御する。

以下、この分析装置１による分析を、図１及び図２を参照しながら説明する。

図２は、図１の吸着装置２に含まれるヒータ２３の温度変化を示すグラフである。横軸は時間を示し、縦軸は温度（℃）を示している。ここで説明する方法では、第１乃至第５動作を順次行う。図２のＴ１乃至Ｔ５は、第１乃至第５動作を行う期間を表している。

第１動作は、ヒータ２３を稼働させず、測定対象である流体及びパージガスのうち測定対象である流体のみを第１貫通孔へ導くき、第２貫通孔を介してセル２０中のガスを測定装置６の外部に排出することを含んでいる。即ち、第１バルブ７ａにおいて、第１流入口と測定対象の供給源９とを連絡させ、第１バルブ７ｂを開く。これにより、測定対象の供給源９から導管５ｅ、第１バルブ７ａ、導管５ｃ、第１バルブ７ｂ及び導管５ａを介して、セル２０の内部空間へ呼気を供給する。これとともに、第２バルブ８において、第２流出口と測定装置６の外部とを連絡させる。これにより、セル２０の内部空間から導管５ｂ、第２バルブ８、導管５ｇを介してセル２０中のガスを測定装置６の外部へと排出する。

呼気がセル２０の内部空間を流通すると、カーボンナノチューブ束は、呼気中に含まれる物質の一部を吸着する。カーボンナノチューブ束が十分な量の物質を吸着した後、第２動作を行う。

第２動作は、測定対象である流体及びパージガスの何れもセル２０の内部空間へ供給せず、第２貫通孔と測定装置６及びその外部との連絡を遮断し、ヒータ２３を稼働させて、セル２０を第１温度まで昇温することを含んでいる。即ち、第１バルブ７ａにおいて、第２流入口とパージガス源１０とを連絡させ、第１バルブ７ｂを閉じる。そして、第２バルブ８において、第１流出口と測定装置６とを連絡させず、第２流出口と測定装置６の外部とも連絡させない。これにより、セル２０の内部空間への呼気の供給及びセル２０の内部空間からのガスの排出を停止する。

呼気が含んでいる成分の多くは、窒素、酸素、二酸化炭素及び水蒸気である。測定対象である揮発性有機化合物の濃度は、呼気全体の１％以下に過ぎない。測定する際に、ガスが測定対象外の物質を多量に含んでいると、検出対象について得られる信号に対してノイズが大きくなり、高精度の測定が妨げられる。特に、この分析装置１では、水が測定精度に及ぼす影響が大きい。

セル２０の内部空間を第１温度まで昇温させると、水分子同士を結び付けている力が弱まる。その結果、水分子がカーボンナノチューブ束から脱着し易くなる。第１温度は、例えば、１００℃である。

第３動作は、ヒータ２３を稼働させてセル２０の内部空間の温度を第１温度に保ったまま、測定対象である流体及びパージガスのうちパージガスのみを第１貫通孔へ導き、第２貫通孔を介してセル２０中のガスを測定装置６の外部に排出することを含んでいる。即ち、第１バルブ７ａにおいて、第２流入口とパージガス源１０とを連絡させ、第１バルブ７ｂを開く。これにより、パージガス源１０から導管５ｆ、第１バルブ７ａ、導管５ｃ、第１バルブ７ｂ及び導管５ａを介してセル２０の内部空間へパージガスを供給する。これとともに、第２バルブ８において、第２流出口と測定装置６の外部とを連絡する。その結果、測定対象外の物質を含有したガスが、セル２０の内部空間から導管５ｂ、第２バルブ８、導管５ｇを介して測定装置６の外部へと排出される。これにより、カーボンナノチューブ束が吸着している測定対象外の物質、特に水を、セル２０の内部空間から除去する。

第４動作は、測定対象である流体及びパージガスのうち何れもセル２０の内部空間へ供給せず、第２貫通孔と測定装置６及びその外部との連絡を遮断し、ヒータ２３を稼働させて、セル２０の温度を第１温度から第２温度へと昇温することを含んでいる。即ち、第１バルブ７ａにおいて、第２流入口とパージガス源１０とを連絡させ、第１バルブ７ｂを閉じる。また、第２バルブ８において、第１流出口と測定装置６とを連絡させず、第２流出口と測定装置６の外部とも連絡させない。そして、セル２０の内部空間の温度を第１温度から第２温度へ昇温する。第２温度は、例えば、３００℃である。なお、セル２０の内部空間には、パージガスが残留している。この残留ガスは、セル２０の内部空間内の熱伝導を助ける。

カーボンナノチューブ束は、上記物質を化学吸着している訳ではなく、物理吸着しているだけである。それ故、カーボンナノチューブ束を第２温度まで加熱すると、カーボンナノチューブ束は、吸着している測定対象物質のほぼ全量を脱着する。この脱着を生じさせると、セル２０の内部空間内のガス中での測定対象物質の濃度は、呼気中の測定対象物質の濃度と比較して高くなる。

第５動作は、ヒータ２３を稼働させてセル２０の温度を第２温度に保ったまま、測定対象である流体及びパージガスのうちパージガスのみを第１貫通孔へ導き、第２貫通孔を介してセル２０中のガスを測定装置６に排出することを含んでいる。即ち、第１バルブ７ａにおいて、第２流入口とパージガス源１０とを連絡させ、第１バルブ７ｂを開く。これにより、パージガス源１０から導管５ｆ、第１バルブ７ａ、導管５ｃ、第１バルブ７ｂ及び導管５ａを介してセル２０の内部空間へパージガスを供給する。これとともに、第２バルブ８において、第１流出口と測定装置６とを連絡させる。このようにして、上記測定対象物質を高濃度で含有したガスを、セル２０の内部空間から導管５ｂ、第２バルブ８及び導管５ｄを介して測定装置６へと送り出す。測定装置６は、上記ガスが含んでいる上記物質を定量する。

このようにして、この分析装置１では、上記物質の濃度を高めたガスを測定装置６へ供給する。そのため、例えば、測定装置６の分析精度が低くても、十分に高い精度で定量分析することができる。また、測定装置６は、精度が低くてもよいので、寸法が小さく、安価なものを使用することができる。

また、カーボンナノチューブ束は、上記物質を化学吸着している訳ではなく、物理吸着しているだけである。それ故、吸着装置２は、繰り返し使用することができる。なお、吸着装置２は、１回の分析毎に新品に交換してもよい。

更に、吸着装置２では、金属錯体などによる化学吸着ではなく、カーボンナノチューブ束による物理吸着を利用するので、金属錯体による表面修飾などに起因した不均一を生じない。それ故、分析精度がこの不均一性の影響を受けることはない。

なお、第４及び第５動作を行う代わりに、上述した第４動作を以下のように変更し、第５動作を省略してもよい。

具体的には、第４動作において、測定対象である流体及びパージガスのうちパージガスのみを第１貫通孔へ導くとともに、前記第２貫通孔を介して前記セル中のガスを前記測定装置に排出しながら、ヒータ２３を稼働させて、セル２０の温度を第１温度から第２温度へと昇温することを含んでいる。即ち、第１バルブ７ａにおいて、第２流入口とパージガス源１０とを連絡させ、第１バルブ７ｂを開く。これにより、パージガス源１０から導管５ｆ、第１バルブ７ａ、導管５ｃ、第１バルブ７ｂ及び導管５ａを介してセル２０の内部空間へパージガスを供給する。これとともに、第２バルブ８において、第１流出口と測定装置６とを連絡させる。そして、この状態でヒータ２３を稼働させて、セル２０の温度を第１温度から第２温度へと昇温する。このようにして、上記測定対象物質を高濃度で含有したガスを、セル２０の内部空間から導管５ｂ、第２バルブ８及び導管５ｄを介して測定装置６へと送り出す。測定装置６は、上記ガスが含んでいる上記物質を定量する。

この変形例では、カーボンナノチューブ束が吸着した全成分を測定装置６へと同時に供給する代わりに、これら成分を、脱着し易さに応じて測定装置６へと順次供給する。従って、例えば、測定装置６としてカラムを含んでいるものを使用することなしに、個々の成分について定性及び定量が可能である。このように、この変形例によれば、簡単な構成で定性及び定量分析を行うことができる。

図１では、第１バルブ７ａ及び７ｂ並びに第２バルブ８として、モータを用いて制御を行う電動バルブを用いたが、これらのバルブは、電磁バルブであってもよい。

また、第１バルブとして第１バルブ７ａ及び７ｂの２つのバルブを用いたが、第１バルブは、第１バルブ７ａ及び７ｂの機能を併せ持つ１つのバルブであってもよい。

更に、第２バルブ８として、１つの流入口と２つの流出口とを備えたバルブを用いたが、第２バルブは、１つの流入口と１つの流出口とを備えたバルブを用いてもよい。この場合、第２バルブの流出口は、導管５ｄへと接続する。また、第２バルブ８は、第１バルブ７ａ及び７ｂと同様に、２つのバルブであってもよい。

なお、この分析装置１には、セル２０の内部空間の温度を測定する温度センサを含んでいてもよい。この場合、コントローラ１１は、温度センサの出力に基づいて、電極３２ａ及び３２ｂに供給する電力を制御することができる。

次に、吸着装置２について、図３乃至図８を参照しながら詳細に説明する。

図３乃至図５に示すように、吸着装置２は、吸着装置本体２１及び封止部材２２を含むセル２０と、ヒータ２３とを含んでいる。

吸着装置本体２１は、図７に示すように、基材２１１と、複数のカーボンナノチューブ束２１２ａ乃至２１２ｄとを含んでいる。

基材２１１は、例えば薄板状である。基材２１１は、硬質であってもよく、可撓性であってもよい。基材２１１の材料としては、例えば、シリコン、ガラス、酸化マグネシウム、サファイア、又は酸化アルミニウムを使用することができる。ここでは、一例として、基材２１１はシリコン基板であるとする。基材２１１としてシリコン基板を使用した場合、吸着装置本体２１の製造に、例えば、半導体プロセスで利用されている技術及び装置を利用することができる。

カーボンナノチューブ束２１２ａ乃至２１２ｄは、基材２１１の一方の主面から伸びている。ここでは、カーボンナノチューブ束２１２ａ乃至２１２ｄは、基材２１１の一方の主面に対して略垂直な方向に延びている。カーボンナノチューブ束２１２ａ乃至２１２ｄの各々は、真っ直ぐに伸びていてもよく、撓んでいてもよい。

カーボンナノチューブ束２１２ａ乃至２１２ｄの各々は、その長さ方向に各々が伸びた多数のカーボンナノチューブからなる。カーボンナノチューブは、例えば、シングルウォールチューブである。カーボンナノチューブは、アームチェアチューブ、ジグザグチューブ、及びカイラルチューブの何れであってもよい。

カーボンナノチューブの長さは、例えば、５０μｍ乃至１００μｍの範囲内にある。カーボンナノチューブの直径は、例えば、１０ｎｍ乃至１００ｎｍの範囲内にある。また、カーボンナノチューブ束２１２ａ乃至２１２ｄの各々において、カーボンナノチューブ間の距離は、例えば、１０ｎｍ乃至１００ｎｍの範囲内にある。

カーボンナノチューブ束２１２ａ乃至２１２ｄの各々の径は、例えば、１μｍ乃至１００μｍの範囲内にある。カーボンナノチューブ束２１２ａ乃至２１２ｄの高さは、例えば、５０μｍ乃至１００μｍの範囲内にある。

カーボンナノチューブ束２１２ａ乃至２１２ｄは、互いから離れて位置している。カーボンナノチューブ束２１２ａ乃至２１２ｄ間の距離は、例えば、１μｍ乃至１００μｍの範囲内にある。

カーボンナノチューブ束２１２ａ乃至２１２ｄは、基材２１１上の複数の単位領域から伸びている。これら単位領域の各々は、放射状に配置された複数のサブ領域からなる。具体的には、単位領域の各々は、複数のサブ領域からなり、典型的には回転対称性を有している。各サブ領域は、回転軸から外側へ向けて伸びた形状を有している。

ここでは、図８に示すように、単位領域２１１０の各々は、放射状に配置された複数のサブ領域２１１０ａ乃至２１１０ｄからなる。サブ領域２１１０ａ乃至２１１０ｄの各々は、単位領域２１１０の中心から外側へ向けて伸びた形状、具体的には、単位領域２１１０の中心側の端が反対側の端と比較して曲率半径がより小さい液滴形状を有している。サブ領域２２１０ａの長さ方向Ｄａは、サブ領域２１１０ｃの長さ方向Ｄｃに対して平行である。サブ領域２２１０ｂの長さ方向Ｄｂは、サブ領域２１１０ｄの長さ方向Ｄｄに対して平行である。方向Ｄａ及びＤｃは、方向Ｄｂ及びＤｄに対して垂直である。

方向Ｄａ乃至Ｄｄは、それぞれ、サブ領域２１１０ａ乃至２１１０ｄに対して垂直な方向から見た場合に、直線Ｌに対して傾いている。この場合、方向Ｄａが直線Ｌに対して成す角度θａは、例えば、０°より大きく且つ９０°未満の範囲内とする。また、この場合、方向Ｄｂが直線Ｌに対して成す角度θｂは、例えば、９０°より大きく且つ１８０°未満の範囲内とする。更に、この場合、方向Ｄｃが直線Ｌに対して成す角度θｃは、例えば、１８０°より大きく且つ２７０°未満の範囲内とする。そして、この場合、方向Ｄｄが直線Ｌに対して成す角度θｄは、例えば、２７０°より大きく且つ３６０°未満の範囲内とする。ここでは、角度θａ、θｂ、θｃ及びθｄは、それぞれ、４５°、１３５°、２２５°及び３１５°である。

なお、直線Ｌは、図３乃至図５に示す貫通孔ＴＨ１及びＴＨ２の開口のうち、吸着装置２の内部空間側に位置した開口の中心を通る直線である。方向Ｄａ乃至Ｄｄは、それぞれ、サブ領域２１１０ａ乃至２１１０ｄに対して垂直な方向から見た場合に、直線Ｌに対して傾いていなくてもよい。また、サブ領域２１１０ａ乃至２１１０ｄは、単位領域２１１０の中心から外側へ向けて伸びた形状を有していなくてもよい。

カーボンナノチューブ束２１２ａ乃至２１２ｄは、それらの高さ全体に亘り、高さ方向に垂直な断面の形状が、サブ領域２１１０ａ乃至２１１０ｄの形状とそれぞれほぼ等しい。図８に示す単位領域２１１０は、基材２１１上で縦横に配列している。図３乃至図５に示すように、カーボンナノチューブ束２１２ａ乃至２１２ｄから各々がなる単位構造２１２も、単位領域２１１０の配列に対応して基材２１１上で縦横に配列している。

ここでは、単位領域２１１０の各々を４つのサブ領域２１１０ａ乃至２１１０ｄで構成しているが、単位領域２１１０の各々は、２つ、３つ、又は５つ以上のサブ領域で構成してもよい。或いは、単位領域２１１０の各々は、連続した１つの領域であってもよい。

単位領域２１１０と単位構造２１２との間には、図７に示す下地層２１３が介在している。下地層２１３は、バリア層２１３ａと触媒層２１３ｂとを含んでいる。

バリア層２１３ａは、触媒層２１３ｂを構成している材料が基材２１１へと拡散するのを抑制する。バリア層２１３ａは、例えば、アルミナ、二酸化シリコン、五酸化タンタル、又は酸化ハフニウムからなる。バリア層２１３ａは、単位領域２１１０と単位構造２１２との間にのみ存在しているが、基材２１１の主面全体を覆うように設けてもよい。バリア層２１３ａは省略することができる。

触媒層２１３ｂは、カーボンナノチューブ生成のシード及びその成長を促進する触媒としての役割を果たす。触媒層２１３ｂは、単位領域２１１０と単位構造２１２との間にのみ存在している。触媒層２１３ｂは、例えば、鉄、ニッケル及びコバルトなどの金属からなる。

封止部材２２は、例えば薄板状である。封止部材２２は、硬質であってもよく、可撓性であってもよい。ここでは、一例として、封止部材２２はガラス板であるとする。封止部材２２としてガラス板を使用した場合、後述する凹部や貫通孔の形成が容易である。また、基材２１１としてシリコン基板を使用し、封止部材２２としてガラス板を使用した場合、接着剤なしでそれらを接合することができる。

図５に示すように、封止部材２２は、その一方の主面に、凹部ＲＳ１乃至ＲＳ３と、溝ＧＲ１及びＧＲ２とを有している。凹部ＲＳ３は、凹部ＲＳ１と凹部ＲＳ２との間に位置している。溝ＧＲ１は、凹部ＲＳ１と凹部ＲＳ３とを連絡している。溝ＧＲ２は、凹部ＲＳ１と凹部ＲＳ２とを連絡している。

ここでは、２つの溝ＧＲ１で凹部ＲＳ１と凹部ＲＳ３とを連絡しているが、凹部ＲＳ１と凹部ＲＳ３とを連絡する溝ＧＲ１の数は、１であってもよく、３以上であってもよい。また、ここでは、２つの溝ＧＲ２で凹部ＲＳ２と凹部ＲＳ３とを連絡しているが、凹部ＲＳ２と凹部ＲＳ３とを連絡する溝ＧＲ２の数は、１であってもよく、３以上であってもよい。

封止部材２２は、凹部ＲＳ３の底面が単位構造２１２と向き合うように基材２１１に接合されている。封止部材２２は、図４に示すように、基材２１１とともに中空構造を形成している。具体的には、この中空構造において、図５に示す凹部ＲＳ１乃至ＲＳ３は、それぞれ、図３及び図４に示すチャンバＣＨ１乃至ＣＨ３を形成している。図５に示す溝ＧＲ１及びＧＲ２は、それぞれ、図３に示すように、チャンバＣＨ１及びＣＨ３を連絡する流路ＦＰ１、及び、チャンバＣＨ２及びＣＨ３を連絡する流路ＦＰ２を構成している。なお、単位構造２１２は、チャンバＣＨ３内に位置している。

図５に示すように、封止部材２２は、凹部ＲＳ１及びＲＳ２の底部に対応した位置に、第１貫通孔ＴＨ１及び第２貫通孔ＴＨ２を有している。貫通孔ＴＨ１は、チャンバＣＨ１を吸着装置２の外部空間と連絡している。貫通孔ＴＨ２は、チャンバＣＨ２を吸着装置２の外部空間と連絡している。貫通孔ＴＨ１の数は２以上であってもよい。また、貫通孔ＴＨ２の数も２以上であってもよい。

封止部材２２には、凹部ＲＳ１乃至ＲＳ３並びに溝ＧＲ１及びＧＲ２を設けなくてもよい。即ち、封止部材２２の基材２１１と向き合う面は、平坦であってもよい。この場合、例えば、基材２１１の封止部材２２と向き合う面に、凹部ＲＳ１乃至ＲＳ３並びに溝ＧＲ１及びＧＲ２を設ける。そして、カーボンナノチューブ束２１２ａ乃至２１２ｄは、凹部ＲＳ３の底面に配置する。

ヒータ２３は、基材２１１の主面のうち、セル２０の外面に相当する面に設けられている。ヒータ２３は、基材２１１の主面のうち、セル２０の内面に相当する面に設けてもよい。或いは、ヒータ２３は、封止部材２２の主面のうち、セル２０の内面又は外面に相当する面に設けてもよい。

ヒータ２３は、図４に示すように、発熱体２３１を含んでいる。発熱体２３１は、例えば、抵抗発熱体である。発熱体２３１としては、例えば、パターニングされた金属層を使用することができる。発熱体２３１は、例えば、図６に示すように、基材２１１上にパルス波状に形成する。発熱体２３１の材料としては、例えば、銅などの金属又は合金を使用することができる。発熱体２３１は、一端が電極３２ａと接触し、他端が電極３２ｂと接触している。

この吸着装置２は、例えば、以下の方法によって製造する。
先ず、基材２１１上に、発熱体２３１を形成する。発熱体２３１は、例えば、マスクを用いたスパッタリング法により形成する。或いは、発熱体２３１は、スパッタリング法により形成し、これをパターニングして形成する。或いは、発熱体２３１は、印刷により形成してもよい。次いで、必要に応じて、発熱体２３１を保護する絶縁層を形成する。ヒータ２３は、このように基材２１１上に形成してもよく、基材２１１とは別に形成しておき、基材２１１に貼り付けてもよい。

次に、基材２１１の他方の主面に、図７に示すバリア層２１３ａ及び触媒層２１３ｂをこの順に形成する。バリア層２１３ａ及び触媒層２１３ｂの各々は、例えば、マスクを用いたスパッタリング法により形成する。次いで、例えば、化学気相堆積（ＣＶＤ）法により、カーボンナノチューブを生成及び成長させる。触媒層２１３ｂの存在により、カーボンナノチューブの生成及び成長は、触媒層２１３ｂの位置で選択的に生じる。その結果、カーボンナノチューブ束２１２ａ乃至２１２ｄが得られる。

次に、このようにして得られた吸着装置本体２１及びヒータ２３の複合体と、別途用意した封止部材２２とを、図４に示すように接合する。これにより、セル２０とその一方の主面にヒータ２３とを含んだ構造を得る。基材２１１がシリコンからなり、封止部材２２がナトリウムイオンなどのアルカリイオンを含まないガラスからなる場合、吸着装置本体２１と封止部材２２とは、例えば、表面活性接合によって接合することができる。吸着装置本体２１と封止部材２２との接合には接着剤を使用することもできるが、それらを直接接合した場合、接着剤に含まれる成分が測定に影響を及ぼすことがない。

以上のようにして、図３乃至図５に示す吸着装置２を得る。

次に、この吸着装置２における呼気の流れ等について説明する。

吸着時には、図３などに示す貫通孔ＴＨ１を介して、セル２０の内部空間へ呼気を供給する。

貫通孔ＴＨ１を通過した呼気は、先ず、チャンバＣＨ１に到達する。チャンバＣＨ１とチャンバＣＨ３とは複数の流路ＦＰ１によって接続しているので、呼気の流れは、流路ＦＰ１によって複数の流れへと分けられる。チャンバＣＨ３には複数個所から呼気を供給するので、チャンバＣＨ３のうちチャンバＣＨ１近傍の領域において、流速に大きなばらつきを生じることはない。

これら流れは、チャンバＣＨ３において合流する。呼気がチャンバＣＨ３を通過する過程で、単位構造２１２を構成しているカーボンナノチューブ束は、呼気が含んでいる１以上の物質を吸着する。

その後、この呼気の流れは、流路ＦＰ２によって複数の流れへと分けられ、チャンバＣＨ２において合流する。チャンバＣＨ３からは複数個所から呼気を排出するので、チャンバＣＨ３のうちチャンバＣＨ２近傍の領域において、流速に大きなばらつきを生じることはない。

チャンバＣＨ２に到達した呼気は、貫通孔ＴＨ２を介して、セル２０の外部へと排出する。

脱着時には、図１などに示すヒータ２３を作動させる。図８に示すカーボンナノチューブ束２１２ａ乃至２１２ｄは、上記物質を化学吸着ではなく、物理吸着しているだけであるので、図１などに示すヒータ２３を作動させ、カーボンナノチューブ束２１２ａ乃至２１２ｄを温度まで加熱すると、図８に示すカーボンナノチューブ束２１２ａ乃至２１２ｄは、吸着している上記物質のほぼ全量を脱着する。この脱着を生じさせると、図１などに示すセル２０の内部空間内のガス中での上記物質の濃度は、呼気中の上記物質の濃度と比較して高くなる。

その後、例えば、貫通孔ＴＨ１を介してセル２０の内部空間へパージガスを供給することにより、上記物質を高い濃度で含んだガスを、貫通孔ＴＨ２を介して吸着装置２の外部へと排出する。なお、吸着時と同様に、チャンバＣＨ３内では流速に大きなばらつきを生じることはない。従って、比較的少量の不活性ガスを流通させるだけで、上記物質を高い濃度で含んだガスを排出することができる。

上記の通り、図７に示すカーボンナノチューブ束２１２ａ乃至２１２ｄの各々は、多数のカーボンナノチューブからなる。カーボンナノチューブ束２１２ａ乃至２１２ｄの各々において、カーボンナノチューブ間には隙間がある。それ故、呼気の一部は、チャンバＣＨ３を通過する際に、カーボンナノチューブ束２１２ａ乃至２１２ｄの何れかの内部を通過する。従って、カーボンナノチューブ束２１２ａ乃至２１２ｄの各々は、その表面だけでなく、内部においても、呼気中の１以上の物質を吸着する。そして、カーボンナノチューブ束２１２ａ乃至２１２ｄの各々の内部では、その表面と比較して、吸着した物質の脱着は生じ難い。従って、カーボンナノチューブ束２１２ａ乃至２１２ｄの各々は、高い吸着効率を示す。

また、カーボンナノチューブ束２１２ａ乃至２１２ｄは、互いから離れて位置させている。即ち、カーボンナノチューブ束２１２ａ乃至２１２ｄ間に隙間を設けている。それ故、カーボンナノチューブ束２１２ａ乃至２１２ｄは、呼気の流れを過剰に妨げることがない。

また、上記の通り、カーボンナノチューブ束２１２ａ乃至２１２ｄは、それらの高さ方向に垂直な断面の形状が、それぞれ、図８に示すサブ領域２１１０ａ乃至２１１０ｄの形状とほぼ等しい。図８の方向Ｄａ乃至Ｄｄは、それぞれ、サブ領域２１１０ａ乃至２１１０ｄに対して垂直な方向から見た場合に、直線Ｌに対して傾いている。そして、図３のチャンバＣＨ３における呼気の平均的な流れの方向は、図８の直線Ｌに対して平行である。このような構造を採用すると、呼気の流れが最適化され、高い吸着効率を達成できる。

そして、上記の通り、カーボンナノチューブ束２１２ａ乃至２１２ｄは、上記物質を化学吸着ではなく、物理吸着しているだけである。それ故、それらが吸着している上記物質のほぼ全量を脱着させることは容易である。

従って、この吸着装置２を使用すると、上記物質の濃度を十分に高めたガスを得ることができる。そのため、例えば、測定装置の分析精度が低くても、十分に高い精度で定量分析することができる。また、測定装置は、精度が低くてもよいので、寸法が小さく、安価なものを使用することができる。

更に、この吸着装置２を使用すると、以下に説明するように、短時間での分析が可能である。

図９は、比較例に係る分析装置１の一部を概略的に示す図である。この分析装置１では、吸着装置２ではなく、支持体３がヒータ２３を内蔵している。このような構造を採用した場合、カーボンナノチューブ束だけではなく、支持体本体３１自体も昇温させなければならない。加えて、吸着装置２と支持体３との間に微小な隙間が生じるのは避けられない。その結果、カーボンナノチューブ束を昇温するために、長い時間が必要になる。一例によれば、カーボンナノチューブ束を１００℃から３００℃へと昇温するために、約３時間の時間を必要とした。

この構造に対して、図１などを参照しながら説明した分析装置１では、吸着装置２自体にヒータ２３を形成している。そのため、カーボンナノチューブ束を昇温するために要する時間を、大幅に短縮することができる。一例によれば、基材２１１にヒータ２３を設置した場合、カーボンナノチューブ束を１００℃から３００℃へと昇温するために要した時間は、４６．４秒であった。また、封止部材２２にヒータ２３を設置した場合、カーボンナノチューブ束を１００℃から３００℃へと昇温するために要した時間は、４６．０秒であった。

このように、ヒータ２３を吸着装置２に設けると、カーボンナノチューブ束を昇温するために要する時間を、大幅に短縮することができる。それ故、例えば、リアルタイムでの分析が可能になる。

なお、吸着装置２には、以下の構造を採用してもよい。

図１０は、変形例に係る吸着装置２を概略的に示す図である。この構造では、図１などを参照しながら説明したセル２０に、ヒータ２３が接合されている。即ち、ヒータ２３の発熱体２３１側の面と、セル２０の基材２１１側の面とが接合されている。ヒータ２３は、発熱体２３１と基板２３２とを含んでいる。

このような変形例の吸着装置２は、例えば、以下のようにして製造する。

先ず、基板２３２上に、上述した方法と同様の方法により発熱体２３１を形成し、ヒータ２３を得る。

次いで、このヒータ２３と、別途用意したセル２０の基材２１１側とを、図１０に示すように接合する。基材２１１がシリコンからなり、基板２３２がナトリウムイオンなどのアルカリイオンを含まないガラスからなる場合、吸着装置本体２１とヒータ２３とは、例えば、表面活性接合によって接合することができる。

このような構造を採用すると、発熱体２３１は、基板２３２によって保護されるため、ヒータ２３の劣化を生じにくい。

なお、図１０を参照しながら説明したヒータ２３は、セル２０の基材２１１側に接合する代わりに、セル２０の封止部材２２側に接合してもよい。封止部材２２がナトリウムイオンなどのアルカリイオンを含まないガラスからなり、基板２３２がシリコンからなる場合、封止部材２２とヒータ２３とは、例えば、表面活性接合によって接合することができる。

以上、分析装置１及び吸着装置２を呼気の分析に利用することを説明したが、分析装置１及び吸着装置２は、呼気以外の気体の分析に利用することも可能である。例えば、分析装置１及び吸着装置２は、燃焼装置の排気ガスの分析にも利用することができる。

また、分析装置１及び吸着装置２は、液体の分析に利用することも可能である。上水及び下水などの水の分析に利用することもできる。

吸着装置２は、分析以外の目的で使用することも可能である。例えば、吸着装置２は、空気清浄器に利用して、空気中に存在するＰＭ２．５又は浮遊カビなどの大きさが１００μｍ以下の汚れを吸着させることもできる。

なお、本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
以下に、当初の特許請求の範囲に記載していた発明を付記する。
［１］
基材と、前記基材に接合され、前記基材とともに中空構造を形成している封止部材とを含み、前記中空構造の内部空間と外部空間とを各々が連絡する第１及び第２貫通孔が設けられたセルと、
前記内部空間において前記基材から伸び、互いから離れて位置した複数のカーボンナノチューブ束と、
前記基材及び前記封止部材の少なくとも一方に設けられたヒータと
を具備した吸着装置。
［２］
前記ヒータは、パターニングされた金属層である［１］に記載の吸着装置。
［３］
［１］又［２］に記載の吸着装置を支持する支持体と、
測定対象としての流体とパージガスとを前記第１貫通孔へと導く第１流路と、
ガス中の１以上の物質を定量する測定装置と、
前記第２貫通孔と前記測定装置又は外部とを連絡する第２流路と、
前記第１流路に取り付けられた１以上の第１バルブと、
前記第２流路に取り付けられた１以上の第２バルブと
を具備した分析装置。
［４］
第１乃至第５動作を順次行うように、前記ヒータの稼働状態と前記１以上の第１バルブ及び前記１以上の第２バルブの状態とを制御するコントローラを更に具備し、
前記第１動作は、前記ヒータを稼働させず、前記流体及び前記パージガスのうち前記流体のみを前記第１貫通孔へ導き、前記第２貫通孔を介して前記セル中のガスを前記外部に排出することを含み、
前記第２動作は、前記流体及び前記パージガスの何れも前記内部空間へ供給せず、前記第２貫通孔と前記測定装置及び前記外部との連絡を遮断し、前記ヒータを稼働させて、前記セルを第１温度まで昇温することを含み、
前記第３動作は、前記ヒータを稼働させて前記セルの温度を前記第１温度に保ったまま、前記流体及び前記パージガスのうち前記パージガスのみを前記第１貫通孔へ導き、前記第２貫通孔を介して前記セル中のガスを前記外部に排出することを含み、
前記第４動作は、前記流体及び前記パージガスのうち何れも前記内部空間へ供給せず、前記第２貫通孔と前記測定装置及び前記外部との連絡を遮断し、前記ヒータを稼働させて、前記セルの温度を前記第１温度から第２温度へと昇温することを含み、
前記第５動作は、前記ヒータを稼働させて前記セルの温度を前記第２温度に保ったまま、前記流体及び前記パージガスのうち前記パージガスのみを前記第１貫通孔へ導き、前記第２貫通孔を介して前記セル中のガスを前記測定装置に排出することを含んだ［３］に記載の分析装置。
［５］
第１乃至第４動作を順次行うように、前記ヒータの稼働状態と前記１以上の第１バルブ及び前記１以上の第２バルブの状態とを制御するコントローラを更に具備し、
前記第１動作は、前記ヒータを稼働させず、前記流体及び前記パージガスのうち前記流体のみを前記第１貫通孔へ導き、前記第２貫通孔を介して前記セル中のガスを前記外部に排出することを含み、
前記第２動作は、前記流体及び前記パージガスの何れも前記内部空間へ供給せず、前記第２貫通孔と前記測定装置及び前記外部との連絡を遮断し、前記ヒータを稼働させて、前記セルを第１温度まで昇温することを含み、
前記第３動作は、前記ヒータを稼働させて前記セルの温度を前記第１温度に保ったまま、前記流体及び前記パージガスのうち前記パージガスのみを前記第１貫通孔へ導き、前記第２貫通孔を介して前記セル中のガスを前記外部に排出することを含み、
前記第４動作は、前記流体及び前記パージガスのうち前記パージガスのみを前記第１貫通孔へ導くとともに、前記第２貫通孔を介して前記セル中のガスを前記測定装置に排出しながら、前記ヒータを稼働させて、前記セルの温度を前記第１温度から第２温度へと昇温することを含んだ［３］に記載の分析装置。

１…分析装置、２…吸着装置、３…支持体、５ａ…導管、５ｂ…導管、５ｃ…導管、５ｄ…導管、５ｅ…導管、５ｆ…導管、５ｇ…導管、６…測定装置、７ａ…第１バルブ、７ｂ…第１バルブ、８…第２バルブ、９…測定対象の供給源、１０…パージガス源、１１…コントローラ、２０…セル、２１…吸着装置本体、２２…封止部材、２３…ヒータ、３１…支持体本体、３２ａ…電極、３２ｂ…電極、２１１…基材、２１２…単位構造、２１２ａ…カーボンナノチューブ束、２１２ｂ…カーボンナノチューブ束、２１２ｃ…カーボンナノチューブ束、２１２ｄ…カーボンナノチューブ束、２１３…下地層、２１３ａ…バリア層、２１３ｂ…触媒層、２３１…発熱体、２３２…基板、２１１０…単位領域、２１１０ａ…サブ領域、２１１０ｂ…サブ領域、２１１０ｃ…サブ領域、２１１０ｄ…サブ領域、ＣＨ１…チャンバ、ＣＨ２…チャンバ、ＣＨ３…チャンバ、Ｄａ…長さ方向、Ｄｂ…長さ方向、Ｄｃ…長さ方向、Ｄｄ…長さ方向、ＦＰ１…流路、ＦＰ２…流路、ＧＲ１…溝、ＧＲ２…溝、Ｌ…直線、ＲＳ１…凹部、ＲＳ２…凹部、ＲＳ３…凹部、ＴＨ１…貫通孔、ＴＨ２…貫通孔、θａ…角度、θｂ…角度、θｃ…角度、θｄ…角度。

Claims (5)

1. 基材と、前記基材に接合され、前記基材とともに中空構造を形成している封止部材とを含み、前記中空構造の内部空間と外部空間とを各々が連絡する第１及び第２貫通孔が設けられたセルと、
   前記内部空間において前記基材から伸び、互いから離れて位置した複数のカーボンナノチューブ束と、
   前記基材に設けられたヒータと
   を具備し、前記基材はシリコンからなり、前記封止部材はガラスからなる吸着装置。
2. 前記ヒータは、パターニングされた金属層である請求項１に記載の吸着装置。
3. 請求項１又は２に記載の吸着装置と、
   前記吸着装置を支持する支持体と、
   測定対象としての流体とパージガスとを前記第１貫通孔へと導く第１流路と、
   ガス中の１以上の物質を定量する測定装置と、
   前記第２貫通孔と前記測定装置又は外部とを連絡する第２流路と、
   前記第１流路に取り付けられた１以上の第１バルブと、
   前記第２流路に取り付けられた１以上の第２バルブと
   を具備した分析装置。
4. 第１乃至第５動作を順次行うように、前記ヒータの稼働状態と前記１以上の第１バルブ及び前記１以上の第２バルブの状態とを制御するコントローラを更に具備し、
   前記第１動作は、前記ヒータを稼働させず、前記流体及び前記パージガスのうち前記流体のみを前記第１貫通孔へ導き、前記第２貫通孔を介して前記セル中のガスを前記外部に排出することを含み、
   前記第２動作は、前記流体及び前記パージガスの何れも前記内部空間へ供給せず、前記第２貫通孔と前記測定装置及び前記外部との連絡を遮断し、前記ヒータを稼働させて、前記セルを第１温度まで昇温することを含み、
   前記第３動作は、前記ヒータを稼働させて前記セルの温度を前記第１温度に保ったまま、前記流体及び前記パージガスのうち前記パージガスのみを前記第１貫通孔へ導き、前記第２貫通孔を介して前記セル中のガスを前記外部に排出することを含み、
   前記第４動作は、前記流体及び前記パージガスのうち何れも前記内部空間へ供給せず、前記第２貫通孔と前記測定装置及び前記外部との連絡を遮断し、前記ヒータを稼働させて、前記セルの温度を前記第１温度から第２温度へと昇温することを含み、
   前記第５動作は、前記ヒータを稼働させて前記セルの温度を前記第２温度に保ったまま、前記流体及び前記パージガスのうち前記パージガスのみを前記第１貫通孔へ導き、前記第２貫通孔を介して前記セル中のガスを前記測定装置に排出することを含んだ請求項３に記載の分析装置。
5. 第１乃至第４動作を順次行うように、前記ヒータの稼働状態と前記１以上の第１バルブ及び前記１以上の第２バルブの状態とを制御するコントローラを更に具備し、
   前記第１動作は、前記ヒータを稼働させず、前記流体及び前記パージガスのうち前記流体のみを前記第１貫通孔へ導き、前記第２貫通孔を介して前記セル中のガスを前記外部に排出することを含み、
   前記第２動作は、前記流体及び前記パージガスの何れも前記内部空間へ供給せず、前記第２貫通孔と前記測定装置及び前記外部との連絡を遮断し、前記ヒータを稼働させて、前記セルを第１温度まで昇温することを含み、
   前記第３動作は、前記ヒータを稼働させて前記セルの温度を前記第１温度に保ったまま、前記流体及び前記パージガスのうち前記パージガスのみを前記第１貫通孔へ導き、前記第２貫通孔を介して前記セル中のガスを前記外部に排出することを含み、
   前記第４動作は、前記流体及び前記パージガスのうち前記パージガスのみを前記第１貫通孔へ導くとともに、前記第２貫通孔を介して前記セル中のガスを前記測定装置に排出しながら、前記ヒータを稼働させて、前記セルの温度を前記第１温度から第２温度へと昇温することを含んだ請求項３に記載の分析装置。