JP7018404B2 - 分析装置、分析システム、分析方法、及びプログラム - Google Patents
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Description
本発明の一見地に係る分析装置は、質量濃度測定部と、元素分析部と、発生源関連信号出力部と、を備える。質量濃度測定部は、粒子状物質の質量濃度を測定する。元素分析部は、粒子状物質に含まれる元素を分析する。発生源関連信号出力部は、質量濃度測定部における質量濃度の測定結果と、元素分析部における粒子状物質に含まれる元素の分析結果と、に基づいて、粒子状物質の発生源に関する信号を出力する。なお、「質量濃度測定部における質量濃度の測定結果」は、質量濃度測定部により出力されるか、算出されるか、又は得られた質量濃度を意味する。また、「元素分析部における粒子状物質に含まれる元素の分析結果」は、元素分析部による分析の結果として出力されるか又は得られた粒子状物質に含まれる元素を意味する。
これにより、粒子状物質の質量濃度と元素分析結果との2つの情報に基づいて、粒子状物質の発生源に関する信号をより精度よく出力できる。
これにより、複雑な計算などを必要とすることなく、より簡単に粒子状物質の発生源に関する信号を出力できる。
これにより、粒子状物質がどの方向から分析装置に到達したかを推定して、より簡単に発生源に関する信号を出力できる。
これにより、分析対象とした元素を特定できなかった場合に、異なる元素を分析対象とできる。
これにより、粒子状物質に含まれる元素をより精度よく分析できる。
これにより、分析装置にて得られた実測データにおいて通常とは異なる状態が発生していることを通知できる。
この場合、質量濃度測定部は、第1位置に存在する捕集領域に捕集された粒子状物質の質量濃度を測定する。また、元素分析部は、第1位置から第2位置へと移動された捕集領域に捕集された粒子状物質に含まれる元素を分析する。
これにより、粒子状物質の質量濃度測定と元素分析とを所定の周期毎に実行して、所定の周期毎に、粒子状物質の発生源に関する信号を出力できる。
これにより、分析装置は、事象発生情報に示された事象により発生した粒子状物質に対して最適な測定条件及び/又は分析アルゴリズムにて、当該粒子状物質を分析できる。
◎粒子状物質の質量濃度を測定するステップ。
◎粒子状物質に含まれる元素を分析するステップ。
◎質量濃度の測定結果と、粒子状物質に含まれる元素の分析結果と、に基づいて、粒子状物質の発生源に関する信号を出力するステップ。
これにより、粒子状物質の質量濃度と元素分析結果との2つの情報に基づいて、より精度よく粒子状物質の発生源に関する信号を出力できる。
(1)分析装置の概要
以下、第1実施形態に係る分析装置100について説明する。第1実施形態に係る分析装置100は、粒子状物質の発生源に関する信号(例えば、警報のための信号など)を出力する装置である。したがって、分析装置100は、例えば、危険な粒子状物質の発生源又はその近傍に配置される。例えば、交通量が多い道路(幹線道路、高速道路など)沿い又はその近傍、粒子状物質を発生する可能性がある工場地帯又はその近傍に配置される。
次に、第1実施形態に係る分析装置100の構成について、図1を用いて説明する。図1は、分析装置の構成を示す図である。
分析装置100は、捕集フィルタ1を備える。捕集フィルタ1は、例えば、高分子材料(ポリエチレンなど)の不織布にて形成された補強層上に、微小粒子状物質FP(例えば、粒径が2.5μm以下の粒子状物質)(粒子状物質の一例)を捕集可能な孔を有する多孔質のフッ素樹脂系材料にて形成された捕集層(捕集領域と呼ぶこともある)を積層して形成された、テープ状の部材である。捕集フィルタ1としては、例えば、1層のガラスフィルタ、1層のフッ素樹脂系材料のフィルタなどの他のフィルタを用いることもできる。
β線源51は、第1位置P1の測定領域にβ線を照射する。β線検出器53は、第1位置P1の捕集領域に捕集された微小粒子状物質FPを透過したβ線の強度を測定する。
記憶部92は、制御部9を構成するコンピュータシステムの記憶領域の一部であり、分析装置100にて必要な各種データを記憶する。
一実施形態として、発生源関連信号出力部95は、微小粒子状物質FPの発生源に関する信号を、警告ランプや警告音発生装置の制御回路などに出力してもよい。これにより、例えば、危険な微小粒子状物質FPが発生していた場合に、警告ランプを点灯するか、又は、警告音を発生できる。または、発生源関連信号出力部95は、ネットワークを介して分析装置100と接続された機器に、発生源に関する通知(例えば、警告)をしてもよい。
その他、元素選択部96は、予め決められた元素のリストを表示し、当該リストに含まれる元素を選択可能となっていてもよい。
次に、第1実施形態に係る分析装置100を用いた微小粒子状物質FPの分析動作について説明する。以下においては、微小粒子状物質FPの発生源を推定する分析動作について、図3のフローチャートを用いて説明する。
分析装置100において分析を開始する前に、元素分析部93に捕集した微小粒子状物質FPに含まれる元素の分析を行うために必要な各種データを取得する(ステップS1)。
一実施形態として、例えば、分析装置100の付近にある、微小粒子状物質FPの発生源となる(複数の)施設から収集した微小粒子状物質FPを由来特定粒子状物質とし、当該微小粒子状物質FPの蛍光X線プロファイルを分析装置100にて測定したときのデータを、基準プロファイルPとして記憶部92に記憶できる。
さらに、標準物質の蛍光X線プロファイルと、施設から実際に発生していた微小粒子状物質FPの蛍光X線プロファイルと、を共に基準プロファイルPとして記憶部92に記憶してもよい。
これにより、例えば、ユーザが元素選択部96を用いて分析対象の元素を選択した時に、捕集した微小粒子状物質FPの蛍光X線プロファイル(実測プロファイルMP)とフィッティングすべき基準プロファイルPを予め限定できる。
まず、分析装置100を用いて、所定の時間毎に微小粒子状物質FPの捕集と、当該微小粒子状物質FPの質量濃度の測定と、当該微小粒子状物質FPに含まれる元素の分析と、を実行する。また、捕集と、質量濃度の測定と、元素の分析を実行中の風向を、分析装置100又はその近傍に設けられた風向計(図示せず)により測定する。
上記の捕集、質量濃度の測定、元素の分析、及び風向の測定を、長期間に亘って繰り返し実行して、有意な相関データDが作成されるよう、多くのデータを収集することが好ましい。
なお、図4では、相関係数の大小は、表(行列)にて示される相関データの各要素の着色の濃淡(相関係数が大きいほど濃くなっている)により表している。また、図4の相関データDにおいて、二点鎖線にて囲った部分では、負の相関係数が算出されている。
例えば、特定の発生源から発生する微小粒子状物質FPに含まれる元素を分析すべき元素として選択することにより、当該特定の発生源からの微小粒子状物質FPの発生状況をモニターできる。
微小粒子状物質FPの捕集中、制御指令部91は、β線源51から第1位置P1へβ線を照射させ、β線の強度を示すβ線検出信号を測定データMDとしてβ線検出器53から取り込んで記憶部92に記憶する。質量濃度算出部94は、当該β線検出信号の大きさに基づいて、第1位置P1に存在する捕集領域における微小粒子状物質FPの捕集量を算出する。
例えば、記憶部92に記憶されている基準プロファイルPと実測プロファイルMPとを、これらのプロファイルに基づいて、最小二乗法又は最尤法などを用いてデータフィッティングし、実測プロファイルMPと最も一致した基準プロファイルPに含まれる元素が、捕集された微小粒子状物質FPにも含まれていると判定する。
本実施形態では、上記のステップS2において元素分析部93にて分析すべき元素を選択しているので、ステップS7においてより早く元素を分析できる。
例えば、算出された質量濃度の増減の傾向と、元素選択部96にて選択した元素の含有量の増減との傾向が同じ場合(例えば、質量濃度が増加したときに、選択された元素の含有量が増加している場合)には、発生源関連信号出力部95は、捕集した微小粒子状物質FPが、当該選択された元素を含む微小粒子状物質FPを発生する特定の発生源から発生したと推定できる。この場合には、発生源関連信号出力部95は、捕集した微小粒子状物質FPが選択した特定の発生源から発生していることを、ディスプレイ97に表示できる。
この場合には、発生源関連信号出力部95は、例えば、捕集した微小粒子状物質FPが選択した特定の発生源とは異なる発生源から発生していることを、ディスプレイ97に表示できる。または、当該事項を、ネットワークを介して接続された他の装置などに通知してもよい。
これにより、例えば、ユーザは、元素選択部96を用いて、現在選択された元素とは異なる元素を分析すべき元素とできる。
その他、白色(灰色)が多く含まれる場合には、野焼きが行われた場所、又は、セメント工場又はビルの解体現場などのセメント粉の発生場所を、発生源と特定できる。また、黒色が多く含まれる場合には、燃料(石油、石炭など)の燃焼場所を発生源と特定できる。さらに、赤茶色(赤系の色)が多く含まれる場合には、銅及び/又は(酸化)鉄の発生場所を発生源と特定できる。
例えば、画像IMに黒色が多く含まれているとの情報を受信した場合には、燃料の燃焼場所が発生源と推定されているので、バナジウム(V)を分析対象とできる。赤系の色が多く含まれるとの情報を受信した場合には、銅(Cu)、鉄(Fe)を分析対象とできる。白色(灰色)又は黄色が多く含まれるとの情報を受信した場合には、野焼きの灰、黄砂、土壌、及び/又はセメントに含まれるカルシウム(Ca)、アルミニウム(Al)、シリコン(Si)、カリウム(K)などを分析対象とできる。
図5は、元素分析結果、質量濃度、及び相関データに基づいた発生源の推定方法の一例を示す図である。
また、相関データDを用いることにより、得られた質量濃度及び元素分析結果と風向との間の相関係数の値の大小の比較といった比較的単純な方法により、複雑な計算などを必要とすることなく、微小粒子状物質FPの発生源をより簡単に推定できる。
第1実施形態に係る分析装置100は、例えば、交通量が多い道路沿い、又は、工場地帯内の所定の位置から工場地帯外の所定の位置までの間に、複数台設置されていてもよい。当該複数台の分析装置100は、図6Aに示すように、例えば、ネットワーク(Wi-Fiなどの無線ネットワーク、有線の広域通信網(光通信網、ISDN網、固定電話網など))などにより互いに通信可能に接続されて、分析システム200aを形成してもよい。図6Aは、第2実施形態に係る分析システムの構成の一例を示す図である。
例えば、ほぼ同一の元素組成を有する微小粒子状物質FPが複数の分析装置100において検出された場合には、当該複数の分析装置100を、当該微小粒子状物質FPの質量濃度の測定値の大きい順(質量濃度が高い方から低い方)になぞっていくことにより、当該微小粒子状物質FPの飛来経路及び飛来方向を正確に推定できる。
この場合には、例えば、当該サーバ101が収集した情報に基づいて、粒子状物質の発生源に関する信号を出力するか否かを決定してもよい。または、例えば、各分析装置100がサーバ101から他の分析装置100のデータをダウンロードし、当該ダウンロードしたデータも用いて、粒子状物質の発生源に関する信号を出力してもよい。
上記の第1実施形態では、発生源関連信号出力部95は、微小粒子状物質FPの発生源を推定し、ディスプレイ97にその推定結果を出力していた。その他、第3実施形態に係る発生源関連信号出力部95’は、捕集された微小粒子状物質FPが「定常状態」とは異なる状態となったときに警告(例えば、警告ランプを点灯させる信号、警告音を発生させる信号)を出力してもよい。
なお、発生源関連信号出力部95’以外の分析装置100の構成は、第1実施形態と同様であるので、ここでは説明を省略する。
その他、特定の工場で捕集された微小粒子状物質FPの質量濃度及び元素分析結果の実測値、標準物質の質量濃度及び元素分析結果の分析装置100での実測値、などを用いることができる。
この場合に、発生源関連信号出力部95’は、例えば、定常データと、分析装置100を用いて所定の時間毎に得られた(元素a、b、c、及びdの元素含有量と質量濃度の)実測データとのχ二乗判定等の多変量解析(例えば、主成分分析、因子分析、クラスター分析、など)を行い、当該判定結果が所定の値以下(図7の例では0.6以下)のときに、現在取得されている実測データが定常状態とは異なると判定する。
図7は、定常データと実測データの一例を示す図である。
または、ネットワークを介して接続された他の機器に、上記の警告を通知する信号を出力してもよい。
上記の第1実施形態では、相関データDは、微小粒子状物質FPに含まれる元素、当該微小粒子状物質FPの質量濃度、及び/又は、風向データの相関関係を表すものであった。しかしながら、相関データDに他のデータを関連付けることができる。分析装置100に備わる各構成要素の構成及び機能は、上記の第1~第3実施形態と同じであるため、ここでは説明を省略する。
(1)第5実施形態における対象元素の定量方法
第5実施形態においては、複数の元素を含む微小粒子状物質FPを元素分析する際に、微弱な蛍光X線のスペクトルピークにおいてもスペクトルピークの重複を考慮して、より正確な元素分析結果を取得する。第5実施形態において、分析装置100に備わる各構成要素の構成及び機能は、スペクトルピークの重複を考慮する以外は上記の第1~第4実施形態と同じであるため、ここでは説明を省略する。
捕集フィルタ1に捕集された微小粒子状物質FPの実測プロファイルMPを取得(ステップS71’)後、制御部9及び/又はサーバ101は、実測プロファイルMPのピーク位置から微小粒子状物質FPに含まれる元素を特定する(ステップS72’)。
同様に、元素Cについて分離したスペクトルの強度と、元素Cの含有量とスペクトル強度との関係を表した検量線と、を用いて、元素Cを定量する。
一方、実測プロファイルMPに含まれるスペクトルピークの重複の影響が大きく、実測プロファイルMPを用いて定量すると含有量が想定を超えて多い結果となる場合には、実測プロファイルMPから各対象元素のスペクトルを分離してスペクトルピークの重複を解消し、当該分離したスペクトルを用いて対象元素の定量を実行できる。その結果、上記のスペクトルピークの重複による影響を最小限にして、より精度よく対象元素を定量できる。
本実施形態の変形例として、複数の対象元素を既知の含有量(濃度)にて含む物質のスペクトルと、当該既知の含有量と、その他の既知の情報(例えば、測定条件)と、を学習データとして、制御部9及び/又はサーバ101に学習させて、未知のスペクトル(実測プロファイルMP)から各対象元素の定性及び定量結果を算出できるような学習済みモデルを制御部9及び/又はサーバ101に形成してもよい。
以上、本発明の複数の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。特に、本明細書に書かれた複数の実施形態及び変形例は必要に応じて任意に組み合せ可能である。
例えば、図3のフローチャートに示す各ステップの順番及び/又は処理内容は、発明の要旨を逸脱しない範囲で変更してもよい。例えば、ステップS5の質量濃度の算出と、ステップS6~S7の元素分析とは入れ替わってもよい。また、上記の第1実施形態~第5実施形態は、必要に応じて、任意に組み合わせることができる。
基準プロファイルPは、所定の周期にて連続して取得された複数の蛍光X線プロファイルにて構成されていてもよい。例えば、由来特定粒子状物質を黄砂とした基準プロファイルPは、初期段階で取得された蛍光X線プロファイルには硫黄(S)に対応するピークが含まれるが、所定の時間以降に取得された蛍光X線プロファイルにはシリコン(Si)に対応するピークも含まれるようになる。
この場合には、元素分析部93は、例えば、連続して取得した複数の実測プロファイルMPと基準プロファイルPとを比較して、連続して取得した複数の実測プロファイルMPにて見られるピーク(元素)の時間的変化と、基準プロファイルPにて見られる対応するピーク(元素)の時間的変化とがほぼ同一であれば、捕集された微小粒子状物質FPは、当該基準プロファイルPに関連付けられた由来特定粒子状物質と由来が同じ(含まれる元素が同じ)と判定できる。
元素分析部93は、連続して取得した複数の微小粒子状物質FPからの蛍光X線プロファイルを平均して、実測プロファイルMPを算出してもよい。
200a、200b 分析システム
1 捕集フィルタ
1a 送り出しリール
1b 巻き取りリール
3 捕集部
31 吸引ポンプ
33 排出口
35 吸引口
5 捕集量測定部
51 β線源
53 β線検出器
7 分析部
71 X線源
73 検出器
9 制御部
91 制御指令部
92 記憶部
93 元素分析部
94 質量濃度算出部
95、95' 発生源関連信号出力部
96 元素選択部
97 ディスプレイ
11 カメラ
101 サーバ
A 大気
D 相関データ
EL 元素リスト
FP 微小粒子状物質
MD 測定データ
MP 実測プロファイル
P 基準プロファイル
IM 画像
P1 第1位置
P2 第2位置
P3 第3位置
Claims (13)
- 粒子状物質の質量濃度を測定する質量濃度測定部と、
前記粒子状物質に含まれる元素を分析する元素分析部と、
前記質量濃度測定部における質量濃度の測定結果と、前記元素分析部における前記粒子状物質に含まれる元素の分析結果と、に基づいて前記粒子状物質の発生源に関する信号を出力する発生源関連信号出力部と、
を備える分析装置。 - 前記粒子状物質に含まれる元素と前記粒子状物質の質量濃度との相関関係を表した相関データを記憶する記憶部をさらに備え、
前記発生源関連信号出力部は、前記相関データと、前記元素の分析結果と、前記質量濃度の測定結果と、に基づいて前記粒子状物質の発生源に関する信号を出力する、
請求項1に記載の分析装置。 - 前記相関データは、前記粒子状物質に含まれる元素及び/又は前記粒子状物質の質量濃度と風向との相関関係に関する風向データをさらに含み、
前記発生源関連信号出力部は、前記風向データに基づいて前記粒子状物質の発生源に関する信号を出力する、
請求項2に記載の分析装置。 - 発生した事象に関する事象発生情報を取得し、当該取得した事象発生情報に基づいて測定条件及び/又は分析アルゴリズムを設定する、請求項1~3のいずれかに記載の分析装置。
- 前記元素分析部にて分析すべき元素を選択する元素選択部をさらに備える、請求項1~4のいずれかに記載の分析装置。
- 現在選択されている元素が前記粒子状物質に含まれていないと判定したら、前記元素選択部は、前記現在選択されている元素とは異なる元素を前記分析すべき元素として選択する、請求項5に記載の分析装置。
- 前記元素分析部は、前記粒子状物質から発生する蛍光X線のエネルギーと当該蛍光X線の強度との関係を表した実測プロファイルと、発生の由来が特定されている由来特定粒子状物質から発生する蛍光X線のエネルギーと当該蛍光X線の強度との関係を表した基準プロファイルと、の比較に基づいて前記粒子状物質に含まれる元素を分析する、
請求項1~6のいずれかに記載の分析装置。 - 前記発生源関連信号出力部は、定常状態における前記粒子状物質に含まれる元素と質量濃度とに関する定常データと、前記元素の分析結果及び前記質量濃度の実測データと、を比較し、前記実測データが前記定常データとは非類似であると判定したら、警告のための信号を前記粒子状物質の発生源に関する信号として出力する、
請求項1に記載の分析装置。 - 前記粒子状物質を捕集可能な捕集領域を有し、長さ方向に移動することで前記捕集領域を第1位置から第2位置へ移動させる捕集フィルタと、
前記第1位置に対応するように設けられ、前記粒子状物質を前記第1位置に存在する捕集領域に捕集させる捕集部と、
をさらに備え、
前記質量濃度測定部は、前記第1位置に存在する捕集領域に捕集された前記粒子状物質の質量濃度を測定し、
前記元素分析部は、前記第1位置から前記第2位置へと移動された捕集領域に捕集された前記粒子状物質に含まれる元素を分析する、
請求項1~8のいずれかに記載の分析装置。 - 請求項1~9のいずれかに記載の分析装置と、
前記分析装置及び外部と通信可能なサーバと、
を備え、
前記分析装置の制御部及び/又は前記サーバは、発生した事象に関する事象発生情報を取得し、当該取得した事象発生情報に基づいて、前記分析装置の測定条件及び/又は分析アルゴリズムを設定する、
分析システム。 - 請求項1~9のいずれかに記載の分析装置が複数備わる分析システム。
- 粒子状物質の質量濃度を測定するステップと、
前記粒子状物質に含まれる元素を分析するステップと、
前記質量濃度の測定結果と、前記粒子状物質に含まれる元素の分析結果と、に基づいて前記粒子状物質の発生源に関する信号を出力するステップと、
を含む分析方法。 - 粒子状物質の質量濃度を測定するステップと、
前記粒子状物質に含まれる元素を分析するステップと、
前記質量濃度の測定結果と、前記粒子状物質に含まれる元素の分析結果と、に基づいて前記粒子状物質の発生源に関する信号を出力するステップと、
を含む分析方法をコンピュータに実行させるためのプログラム。
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