JP4611155B2

JP4611155B2 - 電気移動度分級装置及び微粒子成分の計測システム

Info

Publication number: JP4611155B2
Application number: JP2005254044A
Authority: JP
Inventors: 祥啓出口; 伸幸田中
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry; Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry; Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2005-09-01
Filing date: 2005-09-01
Publication date: 2011-01-12
Anticipated expiration: 2025-09-01
Also published as: JP2007064893A

Description

本発明はガス中の微量元素成分を計測する電気移動度分級装置及び微粒子成分の計測システムに関する。

近年、半導体製造プロセスにおける粒子汚染の抑制、大気中における酸性雨やスモッグ等の発生機構の解明、および量子ナノ（ｎａｎｏ）材料の開発等に関連して、大気等の雰囲気中に浮遊する粉塵やミスト等の微粒子が注目を集めている。
この微粒子成分の分析装置としては、質量分析装置等、測定試料である粒子状物質をイオン化させたのちに分析を行うものがある。このような質量分析装置としては、例えば、後記の特許文献１に記載されているような、飛行時間型質量分析計（ＴＯＦＭＳ：Ｔｉｍｅ−ｏｆ−ｆｌｉｇｈｔｍａｓｓｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）が知られている。
ところで、微粒子は量的に極微量なため、採取したガスを濃縮した後に化学分析により分析を行っているのが、微粒子の粒径毎に分級する必要があり、従来では微粒子に電荷をかけて、帯電した微粒子を電気移動度の違いを利用して粒径毎に分級して取り出す電気移動度分級装置が知られている（詳細については例えば非特許文献１参照）。

この電気移動度分級装置を用いた粒子数の計測及び質量分析のシステムを図１０に示す。図１０に示すように、従来の計測システム１００では、計測ガス１０１中の微粒子を帯電させる荷電装置１０２と、電荷が付与された後の荷電微粒子１０３を電気移動度の違いを利用して粒径毎に分級して取り出す電気移動度分級装置１０４と、該電気移動度分級装置１０４で分級した後の所定粒径の分級粒子１０３ａの粒子数を計測する粒子数計測装置１０５と、所定粒径の微粒子をイオン化させたのちに分析を行う質量分析装置１０６とを具備するものである（特許文献１）。

図１１に前記電気移動度分級装置の一例を示す。図１１に示すように、電気移動度分級装置１０４は、帯電した荷電微粒子１０３を導入する分級装置本体１１２内に配設され、所定粒径の微粒子を分級粒子１０３ａとして排出する環状スリット１１３を有すると共に高電圧源１１４に接続されてなるロッド１１５と、前記分級装置本体１１２内を循環するシースガス１１６と、分級された分級粒子１０３ａを排出する分級管１１７とから構成されており、ここで分級された所定粒径の分級粒子１０３ａを前述した粒子数計測装置１０５及び質量分析装置１０６に供給して分析している。

特開平１０−２８８６０２号公報Ｅ.Ｏ.ＫｎｕｔｓｏｎａｎｄＫ.Ｔ.Ｗｈｉｔｂｙ: "ＡｅｒｏｓｏｌＣｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｂｙＥｌｅｃｔｒｉｃＭｏｂｉｌｉｔｙ: Ａｐｐａｒａｔｕｓ, Ｔｈｅｏｒｙ, ａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ", J.ＡｅｒｏｓｏｌＳｃｉ. , １９７５,Ｖｏｌ.６,ｐｐ.４４３−４５１

しかしながら、図１１に示すように、前記電気移動度分級装置１０４を用いて分級する際に、帯電された粒子の細かな微粒子が分級装置本体１１０内に配設されるロッド１１５に付着成分１２０として付着するという問題がある。この結果、該付着成分１２０からの気化したガス成分が不純物として、後流側における質量分析装置１０６に混入し、その成分評価の信頼性が低下するという問題がある。すなわち、付着成分１２０由来の揮発性成分が混入する結果、分析対象である分級粒子そのものに付着又は含有されている純粋な化学成分の同定及び定量が困難であるという問題がある。

よって、雰囲気中に浮遊する微粒子に付着又は含有されている化学成分のみを連続してしかも高感度で計測できる装置が望まれている。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、微粒子に付着又は含有する化学成分のみの分析を良好に行うことができる電気移動度分級装置及び微粒子成分の計測システムを提供することを課題とする。

上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、帯電した微粒子を電気移動度に応じて粒径毎に分級する電気移動度分級装置であって、帯電した微粒子を導入する第１の分級装置本体内に配設され、所定粒径の微粒子を排出する第１のスリットを有すると共に第１の高電圧源に接続されてなる第１のロッドと、第１の分級装置本体内を循環するシースガスと、分級された微粒子を排出する第１の分級管と、前記第１の分級管内に配設され、所定粒径の微粒子を排出すると共に第２の高電圧源に接続されてなる第２のスリットを有する第２のロッドと、分級された微粒子を排出する第２の分級管と、を具備することを特徴とする電気移動度分級装置にある。

第２の発明は、第１の発明において、第１又は第２の分級管の中心に第３の高電圧源に接続されてなる内筒を有することを特徴とする電気移動度分級装置にある。

第３の発明は、第１又は２の発明において、前記微粒子成分は、ガス中の粒径が１００ｎｍ以下のナノ粒子であることを特徴とする電気移動度分級装置にある。

第４の発明は、第１乃至第３のいずれか一つの電気移動度分級装置と、前記電気移動度分級装置から分級された微粒子の化学成分を分析する微粒子成分計測装置とを具備することを特徴とする微粒子成分の計測システムにある。

本発明の電気移動度分級装置によれば、分級する際における付着成分由来の気化物の影響を排除することができる。そして、この電気移動度分級装置を用いることにより、微粒子由来の揮発性有機化合物の分析が可能となる。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

本発明による実施例１に係る電気移動度分級装置について、図面を参照して説明する。
図１は、実施例１に係る電気移動度分級装置を示す概略図である。図１に示すように、実施例１に係る電気移動度分級装置１０Ａは、図示しない荷電装置により電荷が付与された荷電微粒子１１を含む測定ガス１２中の当該荷電微粒子１１を電気移動度に応じて粒径毎に分級する電気移動度分級装置であって、前記荷電微粒子１１を導入する第１の分級装置本体１３−１内に配設され、所定粒径の分級粒子１１ａを排出する第１の環状スリット１４−１を有すると共に第１の高電圧源１５−１に接続されてなる第１のロッド１６−１と、第１の分級装置本体１３−１内を循環するシースガス１７と、分級された分級粒子１１ａを排出する第１の分級管１８−１とからなる第１の電気移動度分級部１９−１と、第１の電気移動度分級部１９−１の第１の分級管１８−１から連通管２０を介して供給された分級粒子１１ａを導入する第２の分級装置本体１３−２内に配設され、所定粒径の微粒子を排出する第２の環状スリット１４−２を有すると共に高電圧源１５−２に接続されてなる第２のロッド１６−２と、第２の分級装置本体１３−２内を循環するシースガス１７と、分級された分級粒子１１ａを排出する第２の分級管１８−２とからなる第２の電気移動度分級部１９−２と、を具備するものである。

また、本実施例では環状スリットを用いて分級しているが、スリット形状は特に限定されるものではない。
また、本実施例では連通管２０で第１の電気移動度分級部１９−１と第２の電気移動度分級部１９−２とを連結しているが、第１の分級管１８−１を第２の分級装置本体１３−２に直接連結するようにしてもよい。

前記装置において、前記荷電微粒子１１を含む測定ガス１２を第１の分級装置本体１３−１内に導入すると、前記第１の高電圧源１５−１からの所定の電圧をかけることで、その粒径により、第１の環状スリット１４−１から第１の分級管１８−１に分離される。
この際、付着成分１２０が第１のロッド１６−１の周囲に付着するが、シースガス１７に同伴された分級粒子１１ａは第２の分級装置本体１３−２でさらにシースガスにより希釈されつつ分級されるので、付着成分からの揮発物の影響を最小限とすることができる。
なお、従来の分級粒子１１ａの数を計測するために、第１の分級管１８−１から配管２１が図示しない粒子数計測装置につながれている。

ここで、第１の高電圧源１５−１に印加する電圧と分級できる粒子の粒径（ｎｍ）との関係を図２に示す。図２に示すように、１０〜１００ｎｍの任意の粒径を分級することができる。例えば２０ｎｍ程度の粒子を分級する場合には、約５０〜８０Ｖの電圧を印加するようにすればよい。

このように分級された分級粒子１１ａを２回の分級を行う結果、例えば粒子に付着している化学成分（例えばアントラセン）を分析する場合において、第１の分級部１９−１の第１のロッド１６−１の周囲に付着した付着成分１２０から気化した化学成分（例えばナフタレン）は不純物となるが、例えば第１の分級管１８−１から供給される導入ガス量は約０．３Ｌであるのに対し、第２の分級部１９−２において供給されるシースガス１７の量は約３Ｌであるので、第２の分級部１９−２において大量のシースガス１７で分級することになり、ガス成分を極めて低減することができる。これにより、分級粒子１１ａ由来の化学成分のみを計測することとなる。

また、第１の分級部１９−１の分級精度を５０ｎｍ±１ｎｍとした場合において、第２の分級部１９−２の分級精度を第１の分級部１９−１と同一又はそれよりもやや悪い分級精度（例えば５０ｎｍ±５ｎｍ）とすることで、第２の分級部１９−２の第２のロッド１６−２に付着する付着成分が軽減されることとなる。

このように、従来の分級装置においては、粒子のみの数を計測していたので、付着成分が存在しても何等問題はなかったが、近年のように粒子に付着しているガス成分を分析する場合には、分級部を少なくとも２台設けるようにすることで、分析精度の向上を図ることができる。

本発明による実施例２に係る電気移動度分級装置について、図面を参照して説明する。
図３は、実施例２に係る電気移動度分級装置を示す概略図である。なお、実施例１の装置に係る構成部材と同一の部材には同一符号を付してその説明は省略する。
図３に示すように、実施例２に係る電気移動度分級装置１０Ｂは、第１の分級部１９−１と第２の分級部１９−２とを連通する前記連通管２０の周囲に加熱部２２を設けたものである。なお、第１及び第２の高電圧源１５−１、１５−２は省略している（以下同様。）。
前記加熱部２２を設置することにより、分級された分級粒子１１ａに付着している測定対象成分以外の成分を除去することができる。
一例として計測対象の化学物質の脱離温度と回収率との関係を図４に示す。
例えば、分級粒子１１ａ中の特定成分であるクリセンを分析する場合において、該クリセンよりも低揮発成分のフルオランテンを加熱部２２において加熱（９０℃）により除去することにより、特定の成分（クリセン）を残すことができる。

このように、加熱部２２を連通管２０に設置することにより、第２の分級部１９−２に導入される分級粒子１１ａに含有されている計測対象外の化学物質を除去することができ、分級粒子に当初から付着されているガス成分のみを分析する際の分析精度が向上する。
なお、第２の分級部１９−２に供給するシースガス１７を層流とすることにより、分離した計測対象成分の積極的な排出が可能となる。また、一度粒子の外部に揮発したガスについては、粒子への再付着は少ないものとなる。

本発明による実施例３に係る電気移動度分級装置について、図面を参照して説明する。
図５は、実施例３に係る電気移動度分級装置を示す概略図である。図６はその要部拡大図である。なお、実施例１の装置に係る構成部材と同一の部材には同一符号を付してその説明は省略する。
図５及び図６に示すように、実施例３に係る電気移動度分級装置１０Ｃは、第２の分級部１９−２の第２の分級管１８−２内の中心に第３の高電圧源１５−３に接続されてなる内筒３１を設けたものである。
なお、図中符号３２はシースガス１７の排出管である。
第２の分級管１８−２の中心に内筒３１を設けることにより、第２の分級管１８−２内での微粒子の付着を防止すると共に、後流に設けた分析装置への粒子導入効率を高めるようにしている。

前記内筒３１に第３の高電圧源１５−３から電圧を印加すると、分級粒子１１ａがその中心に錐もみ状態で集中することとなり、その濃縮効率が向上することとなる。
よって、電荷をかけて分級粒子のみを中心に集めることができ、分級粒子１１ａについて実施例１では１０⁵個／Ｎｍ³しか回収できないような場合において、さらに１０⁶個／Ｎｍ³の回収ができ、実施例１に較べて１０倍の濃縮を行うことができる。

また、内筒３１と第２の分級管１８−２との関係は、特に限定されるものではないが、図６に示すように、例えば内筒３１の幅Ｄ１を第２の分級管１８−２の幅Ｄ２の１／２程度となるように設定すればよい。また、第２の分級管１８−２内に配設される内筒３１の頂部３１ａの設置位置の長さＬは、第２の環状スリット１４−２の開口から下方側に内筒３１の幅Ｄ１の５〜１０倍の長さとなるようにすればよい。

これにより、分級粒子１１ａの濃縮効率が実施例１に較べて大幅に向上することとなる。よって、付着成分の影響の除去と共に、分級粒子の回収率を向上させることができ、後流側に設置する例えば質量分析装置における分析精度の向上に寄与する。

本発明による実施例４に係る電気移動度分級装置について、図面を参照して説明する。
図７は、実施例４に係る電気移動度分級装置を示す概略図である。なお、実施例１〜３の装置に係る構成部材と同一の部材には同一符号を付してその説明は省略する。
図７に示すように、実施例４に係る電気移動度分級装置１０Ｄは、第１の分級部１９−１の第１の分級管１８−１内の中心にも第３の高電圧源１５−３に接続されてなる内筒３１を設けたものである。第１の分級管１８−１の中心に内筒３１を設けることにより、第１の分級管１８−１内での微粒子の付着を防止することができ、第２の分級部１９−２に供給する分級粒子１１ａの導入効率を高めるようにしている。

よって、電荷をかけて分級粒子のみを中心に集めることができ、第１分級部１９−１及び第２分級部１９−２においてそれぞれ濃縮することとなるので、分級粒子１１ａについて実施例１では１０⁵個／Ｎｍ³しか回収できないような場合において、さらに１０⁷個／Ｎｍ³の回収ができ、実施例３に較べて１０倍、実施例１に較べて１００倍の濃縮を行うことができる。

本発明による実施例５に係る電気移動度分級装置について、図面を参照して説明する。
図８は、実施例５に係る電気移動度分級装置を示す概略図である。
図８に示すように、実施例５に係る電気移動度分級装置１０Ｅは、帯電した微粒子を電気移動度に応じて粒径毎に分級する電気移動度分級装置であって、荷電粒子１１を含む測定ガス１２を導入する分級装置本体５１内に配設され、所定粒径の微粒子を排出する第１の環状スリット５２−１を有すると共に第１の高電圧源５３−１に接続されてなる第１のロッド５４−１と、分級装置本体５１内を循環するシースガス１７と、分級された分級粒子１１ａを排出する第１の分級管５５−１と、前記第１の分級管５５−１内に配設され、分級粒子１１ａを排出すると共に第２の高電圧源５３−２に接続されてなる第２の環状スリット５２−２を有する第２のロッド５４−２と、分級粒子１１ａを排出する第２の分級管５５−２とを具備するものである。

実施例１の電気移動度分級装置１０Ａでは、２台の分級部１９−１、１９−２を別々に設けているが、本実施例では、分級装置本体５１内に第２の環状スリット５２−２を有する第２のロッド５４−２を設置して、付着成分１２０の影響を軽減するようにしている。

前記装置において、前記荷電微粒子１１を含む測定ガス１２を分級装置本体５１内に導入すると、前記第１の高電圧源５３−１からの所定の電圧をかけることで、その粒径により、第１の環状スリット５２−１から第１の分級管５５−１に分離される。
この際、付着成分１２０が第１のロッド５４−１の周囲に付着するが、シースガス１７に同伴された分級粒子１１ａは第２の分級管５５−２の第２の環状スリット５２−２によりさらにシースガス１７により希釈されつつ分級されるので、付着成分からの揮発物の影響を最小限とすることができる。

本実施例では装置のコンパクト化を図ることができる。
第２の分級管５５−２は少なくとも２以上とすることで希釈効率を向上させることができる。また、本実施例においても、前記した実施例３及び実施例４に示すような内筒を設置して回収効率を向上させるようにしてもよい。

本発明による実施例６に係る微粒子成分の計測システムについて、図面を参照して説明する。
図９は、実施例６に係る微粒子成分の計測システムを示す概略図である。
本実施例に係る微粒子成分の計測システム６０では、前記実施例１の電気移動度分級装置１０Ａを分級装置として用いている。本計測システム６０は、計測ガス１２中の微粒子に電荷を付与する荷電装置６１と、荷電微粒子１１を所定粒径に分級する第１の分級部１９−１と第２の分級部１９−２からなる電気移動度分級装置１０Ａと、第１の分級部１９−１で分級された前記分級粒子１１ａの数を計測する粒子数計測装置６２と、第２の分級部１９−２で分級された分級粒子１１ａをイオン化させたのちに分析を行う飛行時間型質量分析装置６３とから構成されている。

本計測システムにおいては、電気移動度分級装置１０Ａの第１の分級部１９−１で分級された分級粒子１１ａを連通管２０により第２の分級部１９−２内に供給することで、さらにシースガス１７で希釈しつつ分級することとなり、第２の分級部１９−２で発生する付着成分由来の揮発ガスの影響を解消することができる。

この結果、付着成分由来の揮発成分を排除することができ、計測対象の分級された粒子に付着又は含有している成分のみを飛行時間型質量分析装置６３にて高精度に分析を行うことができる。

以上のように、本発明に係る電気移動度分級装置は、浮遊微粒子の分析において、対象とする所定粒径の粒子本来の状態を分析することができ、例えば排ガス中のナノ粒子の組成解明に適用することができる。

実施例１に係る電気移動度分級装置の概略図である。微粒子の分級の粒径と印加電圧との関係図である。実施例２に係る電気移動度分級装置の概略図である。分析対象成分の脱離温度と回収率との関係図である。実施例３に係る電気移動度分級装置の概略図である。実施例３に係る電気移動度分級装置の要部概略図である。実施例４に係る電気移動度分級装置の概略図である。実施例５に係る電気移動度分級装置の概略図である。実施例６に係る計測システムの概略図である。従来技術に係る計測システムの概略図である。従来技術に係る電気移動度分級装置の概略図である。

符号の説明

１１荷電微粒子
１２測定ガス
１３−１第１の分級装置本体
１３−２第２の分級装置本体
１４−１第１の環状スリット
１４−２第２の環状スリット
１５−１〜１５−３第１〜第３の高電圧源
１６−１第１のロッド
１６−２第２のロッド
１７シースガス
１８−１第１の分級管
１８−２第２の分級管
１９−１第１の電気移動度分級部
１９−２第２の電気移動度分級部
２０連通管

Claims

帯電した微粒子を電気移動度に応じて粒径毎に分級する電気移動度分級装置であって、
帯電した微粒子を導入する第１の分級装置本体内に配設され、所定粒径の微粒子を排出する第１のスリットを有すると共に第１の高電圧源に接続されてなる第１のロッドと、第１の分級装置本体内を循環するシースガスと、分級された微粒子を排出する第１の分級管と、
前記第１の分級管内に配設され、所定粒径の微粒子を排出すると共に第２の高電圧源に接続されてなる第２のスリットを有する第２のロッドと、
分級された微粒子を排出する第２の分級管と、
を具備することを特徴とする電気移動度分級装置。
請求項１において、
第１又は第２の分級管の中心に第３の高電圧源に接続されてなる内筒を有することを特徴とする電気移動度分級装置。
請求項１又は２において、
前記微粒子成分は、ガス中の粒径が１００ｎｍ以下のナノ粒子であることを特徴とする電気移動度分級装置。
請求項１乃至請求項３のいずれか一つの電気移動度分級装置と、
前記電気移動度分級装置から分級された微粒子の化学成分を分析する微粒子成分計測装置とを具備することを特徴とする微粒子成分の計測システム。