化学物質検出方法及び装置

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【発明の名称】	化学物質検出方法及び装置
【発明者】	【氏名】丸尾和幸
【要約】	【課題】大気中に存在する環境汚染物質などの化学物質を同定し或いはその濃度を測定する化学物質検出方法及び装置に関し、ダイオキシンなど不純物粒子に付着した形で発生する化学物質を含め、種々の化学物質を高感度で且つリアルタイムに測定しうる化学物質検出方法及び装置を提供する。【解決手段】不純物に付着した検出対象物質を分解し、検査対象物質に特有な化学物質を不純物から脱離させる化学物質分解手段１０と、化学物質を検出する化学物質検出手段３０と、化学物質を化学物質検出手段３０に選択的に導入するフィルタ５０とを有し、化学物質の検出結果に基づいて検査対象物質を間接的に検出する。

【特許請求の範囲】
【請求項１】不純物に付着した検出対象物質を分解し、前記検査対象物質に特有な化学物質を前記不純物から脱離させる化学物質分解手段と、前記化学物質を検出する化学物質検出手段と、前記化学物質を前記化学物質検出手段に選択的に導入するフィルタとを有し、前記化学物質の検出結果に基づいて前記検査対象物質を間接的に検出することを特徴とする化学物質検出装置。
【請求項２】不純物に付着した検出対象物質を分解し、前記検査対象物質に特有な化学物質を前記不純物から脱離させる化学物質分解手段と、前記化学物質を検出する化学物質検出手段とを有し、前記化学物質の検出結果に基づいて前記検査対象物質を間接的に検出することを特徴とする化学物質検出装置。
【請求項３】請求項１又は２記載の化学物質検出装置において、前記化学物質分解手段は、前記検出対象物質に紫外線を照射するための紫外線発生装置であることを特徴とする化学物質検出装置。
【請求項４】請求項１又は２記載の化学物質検出装置において、前記化学物質分解手段は、前記検出対象物質をプラズマに曝すためのプラズマ発生装置であることを特徴とする化学物質検出装置。
【請求項５】請求項４記載の化学物質検出装置において、前記プラズマ発生装置は、高圧の電圧パルスによりプラズマを発生することを特徴とする化学物質検出装置。
【請求項６】請求項４記載の化学物質検出装置において、前記プラズマ発生装置は、マイクロ波によりプラズマを発生することを特徴とする化学物質検出装置。
【請求項７】請求項１乃至６のいずれか１項に記載の化学物質検出装置において、前記化学物質検出手段は、前記化学物質を含む雰囲気に赤外線を照射する赤外光源と、前記雰囲気から出射された前記赤外線を検出する赤外線検出器とを有し、検出された前記赤外線の吸光量に基づいて前記化学物質を検出することを特徴とする化学物質検出装置。
【請求項８】請求項１乃至６のいずれか１項に記載の化学物質検出装置において、前記化学物質検出手段は、前記化学物質を付着させる赤外透過基板と、前記赤外透過基板に赤外線を入射する赤外光源と、前記赤外透過基板内部を多重反射した後に前記赤外透過基板より出射される前記赤外線を検出する赤外線検出器とを有し、検出された前記赤外線の吸光量に基づいて前記化学物質を検出することを特徴とする化学物質検出装置。
【請求項９】請求項８記載の化学物質検出装置において、前記赤外透過基板に紫外線を照射することにより前記赤外透過基板の表面を洗浄する紫外線照射装置を更に有することを特徴とする化学物質検出装置。
【請求項１０】請求項７乃至９のいずれか１項に記載の化学物質検出装置において、前記化学物質検出手段は、前記赤外線検出器により検出された前記赤外線を分光分析する分光分析器を更に有し、前記化学物質の種類を同定し及び／又は前記化学物質の量を定量化することを特徴とする化学物質検出装置。
【請求項１１】不純物に付着した検出対象物質を分解し、前記検査対象物質に特有な化学物質を前記不純物から脱離させ、脱離した前記化学物質を検出し、前記化学物質の検出結果に基づいて前記検査対象物質を間接的に検出することを特徴とする化学物質検出方法。
【請求項１２】請求項１１記載の化学物質検出方法において、脱離した前記化学物質を前記不純物から分離した後に検出することを特徴とする化学物質検出方法。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、大気中に存在する環境汚染物質などの化学物質を同定し或いはその濃度を測定する化学物質検出方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、ダイオキシン類による環境汚染の問題など、大気中の微量な化学物質に起因する環境汚染が関心を集めている。このため、大気中の微量な化学物質を検出し、物質同定、濃度測定を行う、いわゆる環境モニタシステムの必要性が高まっている。
【０００３】大気中に存在する化学物質を測定する従来の方法としては、ＴＥＮＡＸなどの多孔質物質に測定気体を吸着させ、これを熱して吸着した化学物質を放出し、質量分析計によって化学物質成分の同定・定量化を行う方法（加熱脱離ＧＣ－ＭＳ：Gas Chromatography-Mass Spectroscopy）などが用いられている。
【０００４】また、大気中の化学物質を測定する他の方法として、測定気体に赤外線を照射し、吸収スペクトルを分光分析する、いわゆるＦＴ－ＩＲ（Fourier TransformInfrared Spectroscopy）がある。赤外線の吸収スペクトルは物質に固有なため、赤外吸収スペクトルを解析することにより、測定気体中の化学物質を同定し、濃度を定量化することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、加熱脱離ＧＣ－ＭＳを用いた従来の方法は、測定に数十時間を要するため、測定のリアルタイム性に欠けるものであった。また、ＧＣ－ＭＳ投入用のカラム作成作業は研究室などで行う必要があり、環境をその場測定することができず、測定結果を環境管理にフィードバックすることが困難であった。
【０００６】また、ダイオキシンなどの一定の化学物質は、ゴミ焼却場から排出される煙などの不純物粒子に付着した形で発生するため、これら化学物質の検出にＧＣ－ＭＳを利用する場合、煙を集塵し、これに硫酸処理などの化学的処理を繰り返して適用した後に質量分析にかけるという煩雑な処理が必要であった。
【０００７】また、ＦＴ－ＩＲを用いた測定では、煙粒子が赤外線を吸収、或いは、乱反射してしまい、目的の化学物質のスペクトルが正しく或いは高感度に得られないことがあった。
【０００８】本発明の目的は、ダイオキシンなど不純物粒子に付着した形で発生する化学物質を含め、種々の化学物質を高感度で且つリアルタイムに測定しうる化学物質検出方法及び装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記目的は、不純物に付着した検出対象物質を分解し、前記検査対象物質に特有な化学物質を前記不純物から脱離させる化学物質分解手段と、前記化学物質を検出する化学物質検出手段と、前記化学物質を前記化学物質検出手段に選択的に導入するフィルタとを有し、前記化学物質の検出結果に基づいて前記検査対象物質を間接的に検出することを特徴とする化学物質検出装置によって達成される。
【００１０】また、上記目的は、不純物に付着した検出対象物質を分解し、前記検査対象物質に特有な化学物質を前記不純物から脱離させる化学物質分解手段と、前記化学物質を検出する化学物質検出手段とを有し、前記化学物質の検出結果に基づいて前記検査対象物質を間接的に検出することを特徴とする化学物質検出装置によっても達成される。
【００１１】また、上記の化学物質検出装置において、前記化学物質分解手段は、前記検出対象物質に紫外線を照射するための紫外線発生装置であってもよい。
【００１２】また、上記の化学物質検出装置において、前記化学物質分解手段は、前記検出対象物質をプラズマに曝すためのプラズマ発生装置であってもよい。
【００１３】また、上記の化学物質検出装置において、前記プラズマ発生装置は、高圧の電圧パルスによりプラズマを発生するようにしてもよい。
【００１４】また、上記の化学物質検出装置において、前記プラズマ発生装置は、マイクロ波によりプラズマを発生するようにしてもよい。
【００１５】また、上記の化学物質検出装置において、前記化学物質検出手段は、前記化学物質を含む雰囲気に赤外線を照射する赤外光源と、前記雰囲気から出射された前記赤外線を検出する赤外線検出器とを有し、検出された前記赤外線の吸光量に基づいて前記化学物質を検出するようにしてもよい。
【００１６】また、上記の化学物質検出装置において、前記化学物質検出手段は、前記化学物質を付着させる赤外透過基板と、前記赤外透過基板に赤外線を入射する赤外光源と、前記赤外透過基板内部を多重反射した後に前記赤外透過基板より出射される前記赤外線を検出する赤外線検出器とを有し、検出された前記赤外線の吸光量に基づいて前記化学物質を検出するようにしてもよい。
【００１７】また、上記の化学物質検出装置において、前記赤外透過基板に紫外線を照射することにより前記赤外透過基板の表面を洗浄する紫外線照射装置を更に有するようにしてもよい。
【００１８】また、上記の化学物質検出装置において、前記化学物質検出手段は、前記赤外線検出器により検出された前記赤外線を分光分析する分光分析器を更に有し、前記化学物質の種類を同定し及び／又は前記化学物質の量を定量化するようにしてもよい。
【００１９】また、上記目的は、不純物に付着した検出対象物質を分解し、前記検査対象物質に特有な化学物質を前記不純物から脱離させ、脱離した前記化学物質を検出し、前記化学物質の検出結果に基づいて前記検査対象物質を間接的に検出することを特徴とする化学物質検出方法によっても達成される。
【００２０】また、上記の化学物質検出方法において、脱離した前記化学物質を前記不純物から分離した後に検出するようにしてもよい。
【００２１】
【発明の実施の形態】［本発明の原理］本発明による化学物質検出方法及び装置の原理について図１乃至図４を用いて説明する。
【００２２】図１は本発明による化学物質検出方法及び装置の原理を示す概略図、図２はプラズマ発生装置の一例を示す図、図３はフーリエ変換赤外分光装置の一例を示す図、図４はクロロフェノールによる赤外線吸収スペクトルを示すグラフである。
【００２３】図１に示すように、本発明による化学物質検出装置は、不純物に付着した検出対象物質を分解して検出対象物質から特定の化学物質を脱離させる化学物質分解手段１０と、このように脱離した当該特定の化学物質を選択するフィルタ５０と、フィルタ５０を透過した当該特定の化学物質を検出し、検出した当該特定の化学物質の量に基づいて、不純物に付着した検出対象物質の量を算出する化学物質検出手段３０と、を有することに主たる特徴がある。
【００２４】以下、本発明による化学物質検出方法及び装置の各構成部分について個々に詳述する。なお、以下の説明では、ゴミ焼却場などにおいて発生するダイオキシンを検出する場合を例に本発明を説明する。但し、本発明による化学物質検出方法及び装置により測定可能な化学物質はダイオキシンに限られるものではなく、他の環境汚染物質、例えば、構造式【００２５】
【化１】

【００２６】で示されるポリクロロジベンゾフラン（ＰＣＤＦ）、構造式【００２７】
【化２】

【００２８】で示されるＰＣＢ類などにおいても同様に適用することができる。
【００２９】（ａ）化学物質分解手段１０ダイオキシンは、正式にはポリクロロジベンゾ－パラ－ジオキシン（polychlorodibenzo-p-dioxin）といい、構造式【００３０】
【化３】

【００３１】で示される構造を有している。構造式［化３］中の１～４及び６～９の位置には、最高８個までの塩素原子が入ることが可能で、塩素の総数と位置とによって７５個の異性体が存在する。これら異性体を総称してダイオキシン類、或いは、単にダイオキシンと呼んでいる。
【００３２】ダイオキシン類は、主にゴミ焼却場の焼却灰として発生し、多くは焼却場から発生する煙粒子に付着した形で排出される。煙粒子はその分子量が１０⁶～１０⁸ほどであるの対し、ダイオキシン類の分子量は３００程度であるので、ダイオキシン類を正確に定量化するには煙分子から分離することが望ましい。
【００３３】ダイオキシン類は単体で固体結晶であるので、この構造を保持したまま煙粒子から分離して測定に供するのは困難である。しかし、ダイオキシンに高エネルギーを加えることにより、反応式【００３４】
【化４】

【００３５】で示される分解反応や、反応式【００３６】
【化５】

【００３７】で示される分解反応が生ずることが知られている。
【００３８】［化４］で示される反応は、ダイオキシンに紫外線を照射することにより生ずるものであり、紫外線の照射によってダイオキシンから塩素が脱離する。したがって、脱離した塩素を検出することにより、間接的にダイオキシンを検出することが可能となる。
【００３９】反応式［化４］で示される反応を発生させるための化学物質分解手段としては、煙粒子に紫外線を照射する紫外線照射光源を適用することができる。紫外線照射光源としては、ダイオキシンの塩素の結合エネルギーよりも大きなエネルギーを有する光源を適用する。例えば、Ｘｅ（キセノン）エキシマ光、１８５ｎｍと２５４ｎｍの発光波長を有する低圧水銀灯、１７２ｎｍの発光波長を有する誘電体バリア放電エキシマランプなどの紫外線光源を適用することができる。このようなエネルギーを有する光の照射により、Ｃ－Ｃｌ結合を解離し、煙粒子に付着しているダイオキシンから塩素ガスを分離することができる。
【００４０】また、反応式［化５］で示される反応は、ダイオキシンにプラズマのエネルギーを与えることにより生ずるものであり、煙粒子をプラズマに曝すことによってダイオキシンが分解してクロロフェノールという物質が発生する。クロロフェノールは常温では液体であるが沸点が１７５℃であり、プラズマ環境では気化して煙粒子から脱離する。したがって、脱離したクロロフェノールを検出することにより、間接的にダイオキシンを検出することが可能となる。
【００４１】ダイオキシンにプラズマのエネルギーを与えて反応式［化５］で示される反応を発生させるための化学物質分解手段１０としては、例えば、図２に示すようなプラズマ発生装置を適用することができる。なお、プラズマとは、自由に動きうる電子とイオンとが十分に存在し、巨視的には電荷の総和が零であるような気体のことである。プラズマは、原子に束縛されていた電子がエネルギーを得て電離することによって発生するため、基本的に高い温度（電子温度、イオン温度、気体温度）をもっている。したがって、核融合、レーザー、化学的活性化など、さまざまなエネルギー源として応用されている。
【００４２】本発明においては、空気中の窒素や酸素をプラズマ化してこのエネルギーで不純物中の化学物質を分解・脱離する。例えば、図２に示すように、対向する平板電極２０、２２を設け、電極２０、２２間に接続された高電圧交流電源２４によって高電圧交流電界を印加することにより、これら電極間にプラズマ２６を発生させることができる。発生するプラズマのエネルギーは、電源電圧、電極間距離などのパラメータによって決定される。
【００４３】プラズマを発生させる方法・装置は多数存在するが、大気圧（１気圧）程度の気体中で比較的容易に発生させるには、上述のような高電圧交流電源を使用する方法やマイクロ波を使用する方法が好ましい。本発明においてはいずれの方法をも適用することができる。
【００４４】（ｂ）化学物質検出手段３０化学物質検出手段３０は、ダイオキシンから分離された特定の化学物質、例えば塩素やクロロフェノールを検出し、この濃度からダイオキシンの濃度を算出するものである。
【００４５】化学物質を検出する手段には、前述のＧＣ－ＭＳガスクロマトグラフィーをはじめとする様々な手段が考えられるが、測定のリアルタイム性等を考慮すると、赤外線を用いた検出方法を用いるのが望ましい。そこで、本発明では、赤外光の吸収スペクトルを解析して特定の物質を検出するフーリエ変換赤外分光法（Fourier Transform Infrared Spectroscoopy:ＦＴ－ＩＲ）を利用する。
【００４６】ＦＴ－ＩＲは、原理的には図３に示すように、検出対象気体に赤外線を照射する赤外光源３２と、検出対象気体を通過した赤外線を検出して分光分析する分光分析器３４とによって実現される。特定の化学物質が混入した検出対象気体中に赤外線を入射すると、その物質が赤外線を吸収し、出力光に吸収スペクトルが発生する。この吸収スペクトルは照射された化学物質によって固有である。したがって、検出対象気体に赤外線を照射し、出力光を分光し、吸収スペクトルを分析することにより、検出対象気体の中に特定の化学物質があるかどうかを判断することができる。
【００４７】例えば、ダイオキシンが分解して生ずるクロロフェノールは、構造式【００４８】
【化６】

【００４９】で表されるが、これに赤外線を照射すると図４に示すような吸収スペクトルが得られる。その逆に、ゴミ焼却場からの焼却灰をプラズマに曝した気体に赤外線を照射して得られた吸収スペクトルが図４のようになれば、もとの焼却灰はダイオキシンを含んでいると判断することが可能となる。
【００５０】また、赤外線を検出対象気体に直接照射する方法のほか、検出対象気体中に曝露した赤外透過結晶基板内に赤外線を入射し、この基板中を多重内部反射させ、基板から出射した光を検出・分光分析する検出方法を用いてもよい。このような検出手法については、例えば、特願平１１－２３１４９５号明細書に詳述されている。多重内部反射ＦＴ－ＩＲを用いることにより、気体中に直接赤外線を照射するよりも高い感度で特定の化学物質を検出することができる。
【００５１】なお、ＦＴ－ＩＲによれば、上述のように特定の化学物質の量を検出することが可能なほか、化学物質の種類を同定し或いはその量を算出することもできる。ＦＴ－ＩＲを用いた物質の同定や定量化については、例えば、特願平１１－９５８５３号明細書、特願平１１－２３１４９５号明細書等に詳述されている。また、ＦＴ－ＩＲについては、例えば田隈三生編著「ＦＴ－ＩＲの基礎と実際第２版」（東京化学同人）に詳述されている。
【００５２】（ｃ）フィルタ５０前述の通り、煙粒子はその分子量が１０⁶～１０⁸ほどであるの対し、ダイオキシン類の分子量は３００程度である。したがって、煙粒子に直接赤外線を照射した場合、ほとんどの赤外線を煙粒子が吸収してしまい、ダイオキシンの吸収スペクトルを観察することができなくなる虞がある。したがって、ダイオキシンを感度よく測定するためには、ダイオキシンから分離した特定の化学物質（例えば、クロロフェノール）を煙分子から分離した後に測定することが望ましい。
【００５３】煙分子からダイオキシンから分離した特定の化学物質を分離する手段として、図１に示すように、化学物質分解手段１０と化学物質検出手段３０との間に、フィルタ５０を設けることが有効である。
【００５４】化学物質分解手段１０を設置する分解室１２と化学物質検出手段３０を設置する検出室１４とをフィルタ５０によって仕切り、検出室１４に対して分解室１２を陽圧にし、或いは、分解室１２に対して検出室１４を陰圧にすることにより、分解室１２の気体がフィルタ５０を通って検出室１４側に流れる。したがって、フィルタ５０として、煙粒子のような分子量がきわめて大きな粒子を通さず、クロロフェノールのような分子量の小さな粒子を通す物質を適用する。一般的に煙粒子は直径が１μｍ以上あるので、例えばメッシュ粗さが１μｍの撥油性の防塵マスクなどに使われているようなフィルタを適用する。これにより、ダイオキシンから分離された特定の化学物質のみを検出室１４に選択的に導入することができる。なお、検出室１４に対して分解室１２を陽圧にするには、例えば検出室１２内に焼却ガスを導入する検査対象導入手段１６を設ければよく、また、分解室１２に対して検出室１４を陰圧にするには、例えば検出室１４内のガスを排出する排気手段１８を設ければよい。
【００５５】なお、ダイオキシンの検出感度を高めるためにはフィルタ５０を設けることが望ましいが、煙粒子による赤外線の吸収が少ないなど、ダイオキシンから分離した特定の化学物質による赤外吸収スペクトルを十分に得ることができる場合には、必ずしもフィルタ５０を設ける必要はない。
【００５６】［第１実施形態］本発明の第１実施形態による化学物質検出方法及び装置について図５を用いて説明する。図５は本実施形態による化学物質測定方法及び装置を示す概略図である。
【００５７】はじめに、本実施形態による化学物質測定装置について図５を用いて説明する。
【００５８】本実施形態による化学物質測定装置は、ゴミ焼却灰や焼却ガスなどの不純物に含まれる測定対象物質（例えばダイオキシン）を分解して特定の化学物質（例えば塩素）を脱離させる分解室１２と、焼却ガスに含まれる測定対象物質を分解して得られた特定の化学物質を検出する検出室１４とを有し、分解室１２と検出室１４との間が、煙粒子のような分子量の大きな物質を遮るフィルタ５０により仕切られている。
【００５９】分解室１２には、検査対象であるゴミ焼却灰や焼却ガスなどの不純物を導入する検査対象導入手段１６が設けられている。分解室１２内には、測定対象物質を分解して特定の化学物質を脱離させるための紫外線光源２８が設けられている。
【００６０】検出室１４内には、赤外光源３２と、分光分析器３４とを有し、焼却ガスに含まれる測定対象物質を分解して得られた特定の化学物質を検出するためのフーリエ変換赤外分光装置が設けられている。検出室１４には、また、検出室内のガスを排出する排気手段１８が設けられている。
【００６１】このように、本実施形態による化学物質検出装置は、ダイオキシンなどの検査対象物質を分解して特定の化学物質を脱離させる化学物質分解手段として紫外線光源２８を適用し、検査対象物質から脱離した特定の化学物質を検出する化学物質検出手段としてフーリエ変換赤外分光装置を適用したものである。
【００６２】このようにして化学物質検出装置を構成することにより、煙粒子に吸着されたダイオキシンは、紫外線光源２８から出射された紫外線に曝されて［化４］の分解反応によって塩素を発生する。したがって、このように発生した塩素の量をフーリエ変換赤外分光装置により検出することで、塩素の発生源であるダイオキシンの量を測定することができる。
【００６３】また、フーリエ変換赤外分光装置を化学物質検出手段として適用することにより、測定対象物質が不明な場合にも、その物質を同定し或いはその量を算出することが可能である。
【００６４】次に、本実施形態による化学物質測定方法について説明する。
【００６５】まず、検査対象であるゴミ焼却灰や焼却ガスなどの不純物を、検査対象導入手段１６により分解室１２に導入する。
【００６６】次いで、紫外線光源２８から紫外線を発生し、分解室１２内に導入されたゴミ焼却灰或いは焼却ガスに照射する。これにより、ゴミ焼却灰或いは焼却ガスなどに付着したダイオキシンが[化４]の分解反応にしたがって分解され、塩素が発生する。
【００６７】このとき、検出室１４に対して分解室１２を陽圧にし、或いは、分解室１２に対して検出室１４を陰圧にすることにより、分解室１２の気体がフィルタ５０を通って検出室１４側に流れる。ところが、フィルタ５０は、煙粒子のような分子量がきわめて大きな粒子を通さず、塩素のような分子量の小さな粒子のみを通すので、ダイオキシンから分離された塩素を煙粒子に対して選択的に検出室１４に導入することができる。
【００６８】次いで、フーリエ変換赤外分光装置により、検出室１４内の不純物の分析を行う。分光装置の赤外光源３２から発せられた赤外線はダイオキシンより発生した塩素によって特定波長域において吸収される。したがって、検出室１４内を通過した赤外線の赤外吸収スペクトルを分析することにより、塩素の量を検出することができ、その結果、塩素の発生源であるダイオキシンの有無或いはダイオキシンの量を算定することができる。
【００６９】この際、検出室１４内には分子量の大きな煙粒子は存在しないので、煙粒子による検出感度の劣化は生じない。
【００７０】このように、本実施形態によれば、煙粒子に吸着しているダイオキシンを分解し、これによって発生される特有の化学物質を選択的に検出系に導入して検出し、これによってダイオキシンを間接的に検出するので、煙粒子の影響を受けることなく高感度でダイオキシンを検出することができる。
【００７１】また、ＦＴ－ＩＲを用いた検出系は、測定にリアルタイム性があるので、従来のＧＣ－ＭＳを用いた測定方法と比較して検出時間を大幅に短縮することができる。代表的な測定例で示すと、従来の測定方法では１ヶ月程度の測定時間が必要であるのに対し、本発明によれば１０分程度の測定時間でダイオキシンの検出を行うことができる。
【００７２】なお、上記実施形態では化学物質分解装置として紫外線光源２８を用いたが、例えば図２に示すようなプラズマ発生装置を用いてもよい。
【００７３】また、上記実施形態では、赤外光源３２及び分光分析器３４をともに検出室１４内に載置しているが、赤外光源３２及び／又は分光分析器３４を検出室１４外に配置し、赤外光源３２から出射された赤外線を赤外線透過窓を通して検出室１４内に導入し、或いは、赤外線透過窓を通して検出室１４内から赤外線を出射して分光分析器３４に導入するようにしてもよい。
【００７４】また、上記実施形態では、分光分析器を用いて赤外線を分析したが、必ずしも分光分析器を設ける必要はない。例えば、検出する化学物質の赤外線吸収帯域が明らかな場合、当該吸収帯域の赤外線を選択的に検出するようにすれば、検出した赤外線の強度によって当該化学物質の量を定量化することができる。
【００７５】［第２実施形態］本発明の第２実施形態による化学物質測定方法及び装置について図６を用いて説明する。図５に示す第１実施形態による化学物質測定方法及び装置と同一の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡略にする。図６は本実施形態による化学物質測定方法及び装置を示す概略図である。
【００７６】図６に示すように、本実施形態による化学物質測定方法は、図５に示す第１実施形態による化学物質測定装置の分解室１２と検出室１４との間に、フィルタ５０を設けていないことに特徴がある。
【００７７】フィルタ５０は、検出室１４内に分子量の大きな煙粒子が導入されるのを抑止し、測定光である赤外線が煙粒子により吸収されて検出感度が低下することを防止するためのものであるが、煙粒子による赤外線の吸収が少ないなど、ダイオキシンから分離した塩素による赤外吸収スペクトルを十分に得ることができる場合には必ずしもフィルタ５０を設ける必要はない。このように化学物質測定装置を構成することにより、装置構成を簡略にすることができる。
【００７８】このように、本実施形態によれば、分解室１２と検出室１４とをフィルタ５０により仕切る必要がないので、装置構成を簡略にすることができる。
【００７９】［第３実施形態］本発明の第３実施形態による化学物質測定方法及び装置について図７を用いて説明する。図７は本実施形態による化学物質測定方法及び装置を示す概略図である。
【００８０】はじめに、本実施形態による化学物質測定装置について図７を用いて説明する。
【００８１】本実施形態による化学物質測定装置は、ゴミ焼却灰や焼却ガスなどの不純物に含まれる測定対象物質（例えばダイオキシン）を分解して特定の化学物質（例えばクロロフェノール）を脱離させる分解室１２と、焼却ガスに含まれる測定対象物質を分解して得られた特定の化学物質を検出する検出室１４とを有し、分解室１２と検出室１４との間が、煙粒子のような分子量の大きな物質を遮るフィルタ５０により仕切られている。
【００８２】分解室１２には、検査対象であるゴミ焼却灰や焼却ガスなどの不純物を導入する検査対象導入手段１６が設けられている。分解室１２内には、ゴミ焼却灰や焼却ガスに含まれる測定対象物質を分解して特定の化学物質を脱離させるためのプラズマを発生するプラズマ発生装置が設けられている。プラズマ発生装置は、対向して配置された一対の電極２０、２２により構成され、これら電極２０、２２間には高電圧交流電源２４が接続されている。
【００８３】検出室１４には、赤外光源３２と、分光分析器３４とを有し、焼却ガスに含まれる測定対象物質を分解して得られた特定の化学物質を検出するためのフーリエ変換赤外分光装置が設けられている。検出室１４には、また、検出室１４内のガスを排出する排気手段１８が設けられている。
【００８４】このように、本実施形態による化学物質検出装置は、ダイオキシンなどの検査対象物質を分解して特定の化学物質を脱離させる化学物質分解手段としてプラズマ発生装置を適用し、検査対象物質から脱離した特定の化学物質を検出する化学物質検出手段としてフーリエ変換赤外分光装置を適用したものである。
【００８５】このようにして化学物質検出装置を構成することにより、煙粒子に吸着されたダイオキシンは、プラズマ発生装置により発生されたプラズマに曝されて［化５］の分解反応によってクロロフェノールを発生する。したがって、このように発生したクロロフェノールの量をフーリエ変換赤外分光装置により検出することで、クロロフェノールの発生源であるダイオキシンの有無或いはダイオキシンの量を測定することができる。
【００８６】また、フーリエ変換赤外分光装置を化学物質検出手段として適用することにより、測定対象物質が不明な場合にも、その物質を同定し或いはその量を算出することが可能である。
【００８７】次に、本実施形態による化学物質測定方法について説明する。
【００８８】まず、検査対象であるゴミ焼却灰や焼却ガスなどの不純物を、検査対象導入手段に１６より分解室１２に導入する。
【００８９】次いで、プラズマ発生装置により、分解室１２内にプラズマ２６を発生させる。例えば、実効電圧１０ｋＶ、周波数１ｋＨｚの交流電圧を電極２０、２２間に印加することにより、大気圧においても放電が起こり、プラズマ２６が発生する。これにより、ゴミ焼却灰或いは焼却ガスなどに付着したダイオキシンが[化５]の分解反応にしたがって分解され、クロロフェノールが発生される。
【００９０】このとき、検出室１４に対して分解室１２を陽圧にし、或いは、分解室１２に対して検出室１４を陰圧にすることにより、分解室１２の気体がフィルタ５０を通って検出室側に流れる。ところが、フィルタ５０は、煙粒子のような分子量がきわめて大きな粒子を通さず、クロロフェノールのような分子量の小さな粒子のみを通すので、ダイオキシンから分離されたクロロフェノールを煙粒子に対して選択的に検出室１４に導入することができる。
【００９１】次いで、フーリエ変換赤外分光装置により、検出室１４内の不純物の分析を行う。分光装置の赤外光源３２から発せられた赤外線はダイオキシンより発生したクロロフェノールによって特定波長域において吸収される。したがって、赤外吸収スペクトルを分析することにより、クロロフェノールの量を検出することができ、その結果、クロロフェノールの発生源であるダイオキシンの量を算定することができる。
【００９２】この際、検出室１４内には分子量の大きな煙粒子は存在しないので、煙粒子による検出感度の劣化は生じない。
【００９３】このように、本実施形態によれば、煙粒子に吸着しているダイオキシンを分解し、これによって発生される特有の化学物質を選択的に検出系に導入して検出し、これによってダイオキシンを間接的に検出するので、煙粒子の影響を受けることなく高感度でダイオキシンを検出することができる。
【００９４】また、ＦＴ－ＩＲを用いた検出系は、測定にリアルタイム性があるので、従来のＧＣ－ＭＳを用いた測定方法と比較して検出時間を大幅に短縮することができる。代表的な測定例で示すと、従来の測定方法では１ヶ月程度の測定時間が必要であるのに対し、本発明によれば１０分程度の測定時間でダイオキシンの検出を行うことができる。
【００９５】なお、上記実施形態では化学物質分解装置として図２に示すようなプラズマ発生装置を用いたが、第１実施形態のように紫外線光源２８を適用してもよい。また、他のプラズマ発生装置を適用することもできる。
【００９６】［第４実施形態］本発明の第４実施形態による化学物質測定方法及び装置について図８を用いて説明する。図７に示す第３実施形態による化学物質測定方法及び装置と同一の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡略にする。図８は本実施形態による化学物質測定方法及び装置を示す概略図である。
【００９７】図８に示すように、本実施形態による化学物質測定方法は、図７に示す第３実施形態による化学物質測定装置の分解室１２と検出室１４との間に、フィルタ５０を設けていないことに特徴がある。
【００９８】フィルタ５０は、検出室１４内に分子量の大きな煙粒子が導入されるのを抑止し、測定光である赤外線が煙粒子により吸収されて検出感度が低下することを防止するためのものであるが、煙粒子による赤外線の吸収が少ないなど、ダイオキシンから分離した塩素による赤外吸収スペクトルを十分に得ることができる場合には必ずしもフィルタ５０を設ける必要はない。このように化学物質測定装置を構成することにより、装置構成を簡略にすることができる。
【００９９】このように、本実施形態によれば、分解室１２と検出室１４とをフィルタ５０により仕切る必要がないので、装置構成を簡略にすることができる。
【０１００】［第５実施形態］本発明の第５実施形態による化学物質測定方法及び装置について図９を用いて説明する。図９は本実施形態による化学物質測定方法及び装置を示す概略図である。
【０１０１】はじめに、本実施形態による化学物質測定装置について図９を用いて説明する。
【０１０２】〔１〕化学物質測定装置の全体構成本実施形態による化学物質測定装置は、ゴミ焼却灰や焼却ガスなどの不純物に含まれる測定対象物質（例えばダイオキシン）を分解して特定の化学物質（例えばクロロフェノール）を脱離させる分解室１２と、焼却ガスに含まれる測定対象物質を分解して得られた特定の化学物質を検出する検出室１４とを有し、分解室１２と検出室１４との間が、煙粒子のような分子量の大きな物質を遮るフィルタ５０により仕切られている。
【０１０３】分解室１２には、検査対象であるゴミ焼却灰や焼却ガスなどの不純物を導入する検査対象導入手段１６が設けられている。分解室１２内には、ゴミ焼却灰や焼却ガスに含まれる測定対象物質を分解して特定の化学物質を脱離させるためのプラズマを発生するプラズマ発生装置が設けられている。プラズマ発生装置は、対向して配置された一対の電極２０、２２により構成され、これら電極２０、２２間には高電圧交流電源２４が接続されている。
【０１０４】検出室１４には、検出室１４内に導入された化学物質を吸着して測定に供するための赤外透過基板４０と、赤外透過基板４０表面に付着した物質を除去して表面状態を初期化するための紫外線光源４２と、赤外透過基板４０内に赤外線を入射して多重内部反射させるための赤外光源３２と、赤外透過基板４０内部を多重反射した後に出射した透過赤外線を分光分析して赤外透過基板４０に付着した化学物質を検出する分光分析器３４が設けられている。検出室１４には、また、検出室１４内のガスを排出する排気手段１８が設けられている。
【０１０５】このように、本実施形態による化学物質検出装置は、ダイオキシンなどの検査対象物質を分解して特定の化学物質を脱離させる化学物質分解手段としてプラズマ発生装置を適用し、検査対象物質から脱離した特定の化学物質を検出する化学物質検出手段として多重内部反射ＦＴ－ＩＲ装置を適用したものである。
【０１０６】このようにして化学物質検出手段を構成することにより、検出室１４内に導入された化学物質の検出感度を大幅に高めることができる。
【０１０７】以下、多重内部反射ＦＴ－ＩＲを適用した化学物質検出手段の各構成部分について説明する。なお、化学物質検出手段の各構成部分については、例えば、特願平１１－９５８５３号明細書、特願平１１－２３１４９５号明細書に詳述されている。本発明による化学物質検出装置には、これら明細書に記載の種々の構成部分を適用することが可能である。
【０１０８】（ａ）赤外透過基板４０赤外透過基板４０は、前述の通り、測定対象である化学物質を吸着して測定に供するためのものであり、被測定対象物質の分子振動に対応する波長域の光を透過する材料であることが必要である。代表的な汚染物質である有機物質の基本振動に対応する波数域は、５００ｃｍ^-1（波長２０μｍ）～５０００ｃｍ^-1（波長２μｍ）程度の赤外・近赤外域である。したがって、赤外透過基板４０を構成する材料はこれら波数域（波長域）の光を透過しうる赤外透過物質群のなかから選択する。例えば、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）は、透過波長域が約０．６～１３μｍ程度ときわめて広い赤外透過波長域を有しており、赤外透過基板４０を構成する一材料として選択することができる。
【０１０９】赤外透過基板４０の形状は、例えば図９に示すように、端面の傾きを４５°に設定することが望ましい。こうすることで、赤外透過基板４０内部への赤外線の入射効率を高めることができるとともに、赤外線を赤外透過基板４０内部で多重反射させることができる。また、特願平１１－９５８５３号明細書に示されているように、３００ｍｍシリコンウェーハのような端部形状を有する基板を適用することもできる。
【０１１０】赤外透過基板４０を構成しうる他の材料としては、例えば、砒化ガリウム（ＧａＡｓ：透過波長域１．０～１８μｍ）、シリコン（Ｓｉ：透過波長域１．２～６μｍ）、臭化カリウム（ＫＢｒ：透過波長域０．４～２２μｍ）、塩化カリウム（ＫＣｌ：透過波長域０．３～１５μｍ）、フッ化バリウム（ＢａＦ₂：透過波長域０．２～５μｍ）、臭化セシウム（ＣｓＢｒ：透過波長域０．５～３０μｍ）、ゲルマニウム（Ｇｅ：透過波長域２～１８μｍ）、フッ化リチウム（ＬｉＦ：透過波長域０．２～５μｍ）、フッ化カルシウム（ＣａＦ₂：透過波長域０．２～８μｍ）、サファイア（Ａｌ₂Ｏ₃：透過波長域０．３～５μｍ）、ヨウ化セシウム（ＣｓＩ：透過波長域０．５～２８μｍ）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ₂：透過波長域０．２～６μｍ）、臭化タリウム（ＫＲＳ－５：透過波長域０．６～２８μｍ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ：透過波長域０．７～１１μｍ）などがある。
【０１１１】（ｂ）赤外光源３２赤外光源３２としては、有機分子の分子振動に対応する２～２５μｍ帯域の赤外線を発する光源を適用することができる。例えば、フィラメントとしてのシリコンカーバイド（ＳｉＣ）やニクロム線に電流を印加して発する熱線を光源として用いることができる。ＳｉＣグローバ灯などのＳｉＣを用いた光源は、１．１～２５μｍ帯域の赤外線を発し、且つ、空気中でむき出しで使用しても焼損がないという特徴がある。
【０１１２】また、光源の効率を高め、赤外光の強度を大きくするために適当な形状の反射板を設けてもよい。例えば、同一出願人による特願平１１－９５８５３号明細書に記載の種々の赤外光源を適用することができる。
【０１１３】（ｃ）分光分析器３４赤外透過基板４０内部に入射した赤外線が多重内部反射するとき、基板表面で光線が反射するときに滲み出る光（エヴァネッセント光）の周波数成分が基板表面の汚染物質の分子振動周波数と一致していると共鳴吸収される。したがって、入射赤外線を赤外透過基板４０の内部で多重反射させることで、その赤外線には基板表面状態の情報が反映される。赤外透過基板４０から出射した赤外線の赤外吸収スペクトルを分析することにより、有機汚染物質の種類と量を特定することができる。
【０１１４】図４はクロロフェノールが付着した赤外透過基板４０において多重内部反射した後に検出された赤外線をフーリエ変換分光して得られた吸光スペクトルを示すグラフである。図示するように、特定の有機汚染物質の分子振動に対応する波数域にピークが観察されることでクロロフェノールであると特定することができ、また、ピーク強度からその付着量を算出することができる。なお、クロロフェノールの場合、赤外透過基板４０の表面におよそ５×１０¹¹分子／ｃｍ²以上付着した場合に、図４に示すような吸光スペクトルとして検出することができた。
【０１１５】なお、、ＦＴ－ＩＲ装置の代わりに回折格子（グレーティング）による赤外分光計を用いてもよい。
【０１１６】（ｄ）紫外線光源４２本発明による化学物質検出装置は赤外透過基板４０の表面に吸着された化学物質の同定と定量化を行うことでゴミ焼却灰や焼却ガスなどの環境雰囲気中の汚染物質を測定するものであるが、赤外透過基板４０に吸着される汚染物質の量は時間の経過によって飽和する。このため、大気中の汚染物質濃度の変化を長い時間にわたって調査する必要があるときは、赤外透過基板４０の表面に付着した汚染物質を定期的に除去する洗浄工程が必要となる。
【０１１７】本実施形態による化学物質検出装置では、基板に吸着した化学物質の洗浄手段として紫外線光源４２を設けている。紫外線光源４２は、赤外透過基板４０の表面に付着した化学物質を解離・蒸発させるためのものであり、付着した化学物質の結合エネルギーよりも大きなエネルギーを有する光を発生する光源とする。例えば、Ｘｅ（キセノン）エキシマ光、１８５ｎｍと２５４ｎｍの発光波長を有する低圧水銀灯、１７２ｎｍの発光波長を有する誘電体バリア放電エキシマランプなどの紫外線光源を適用することができる。このようなエネルギーを有する光の照射により、Ｃ－Ｃ、Ｃ－Ｈ、Ｃ－Ｏなどの有機汚染物質の結合を解離し、赤外透過基板１０の表面から除去或いは蒸発させることができる。
【０１１８】なお、紫外線光源４２に付随的な構成として、紫外線光源４２から発せられた紫外光を効率よく赤外透過基板４０に照射するための反射鏡（図示せず）を設けてもよい。例えば、特願平１１－２３１４９５号明細書に記載のような断面形状が楕円である反射鏡を適用することで、紫外線光源４２から発せられた紫外光を効率よく赤外透過基板４０の両面に照射することができる。
【０１１９】また、化学物質の除去には、他の化学的・物理的除去方法を用いてもよい。なお、本実施形態による化学物質検出装置では赤外透過基板４０の上面と下面の両方で反射と吸収が起こるため、基板の両面を洗浄する必要がある。
【０１２０】（ｅ）演算・表示手段（図示せず）
分光装置により得られたスペクトルの測定データは、演算・表示手段に送られ、化学物質の特定や量の算出が行われる。
【０１２１】化学物質の種類と検量線は別途データベースとして演算・表示手段の記憶部に蓄えられており、測定データはそれらのデータを参照して定量化される。
【０１２２】また、演算・表示手段には、赤外透過基板４０の表面に吸着した化学物質の量と環境雰囲気中の汚染物質の量との関係がデータベースとして蓄えられており、検出された赤外透過基板４０表面の汚染物質の量から環境雰囲気中の汚染物質の濃度を算出することができる。
【０１２３】このようにして解析された結果は、必要に応じて表示装置（図示せず）に表示することができる。
【０１２４】〔２〕化学物質測定方法本実施形態による化学物質測定方法について説明する。
【０１２５】まず、検査対象であるゴミ焼却灰や焼却ガスなどの不純物を、検査対象導入手段に１６より分解室１２に導入する。
【０１２６】次いで、プラズマ発生装置により、分解室１２内にプラズマ２６を発生させる。例えば、実効電圧１０ｋＶ、周波数１ｋＨｚの交流電圧を電極間２０、２２に印加することにより、大気圧においても放電が起こり、プラズマ２６が発生する。これにより、ゴミ焼却灰或いは焼却ガスなどに付着したダイオキシンが[化５]の分解反応にしたがって分解され、クロロフェノールが発生する。
【０１２７】このとき、検出室１４に対して分解室１２を陽圧にし、或いは、分解室１２に対して検出室１４を陰圧にすることにより、分解室１２の気体がフィルタ５０を通って検出室１４側に流れる。ところが、フィルタ５０は、煙粒子のような分子量がきわめて大きな粒子を通さず、クロロフェノールのような分子量の小さな粒子のみを通すので、ダイオキシンから分離されたクロロフェノールを煙粒子に対して選択的に検出室１４に導入することができる。
【０１２８】検出室１４に導入されたクロロフェノールは、検出室１４内におかれた赤外透過基板４０の表面に吸着される。
【０１２９】次いで、化学物質検出手段により、赤外透過基板に付着したクロロフェノールの定量化を行う。
【０１３０】まず、赤外光源３２から発せられた赤外線を、赤外透過基板４０内に入射する。赤外透過基板４０内に入射された赤外線は、赤外透過基板４０の表裏の表面において多重内部反射されると同時に赤外透過基板４０の表面に吸着しているクロロフェノールの情報を累積してプロービングし、赤外透過基板４０の外部に出射される。
【０１３１】次いで、赤外透過基板４０から出射された赤外線を、分光分析器３４により分光分析した後、図示しない演算・表示手段によってクロロフェノールの定量化を行い、クロロフェノールの量からクロロフェノールの発生源であるダイオキシンの有無或いはダイオキシンの量を算定する。
【０１３２】この際、検出室１４内には分子量の大きな煙粒子は存在しないので、煙粒子による検出感度の劣化は生じない。
【０１３３】次いで、必要に応じて、紫外線光源４２から発せられた紫外線を赤外透過基板４０に照射することにより赤外透過基板４０の表面に吸着している汚染物質を除去し、基板表面の初期化を行う。
【０１３４】次いで、必要に応じて上記測定を繰り返し行い、環境雰囲気中の汚染物質の経時変化等を測定する。
【０１３５】このように、本実施形態によれば、煙粒子に吸着しているダイオキシンを分解し、これによって発生される特有の化学物質を選択的に検出系に導入して検出し、これによってダイオキシンを間接的に検出するので、煙粒子の影響を受けることなく高感度でダイオキシンを検出することができる。
【０１３６】また、ＦＴ－ＩＲを用いた検出系は、測定にリアルタイム性があるので、従来のＧＣ－ＭＳを用いた測定方法と比較して検出時間を大幅に短縮することができる。代表的な測定例で示すと、従来の測定方法では１ヶ月程度の測定時間が必要であるのに対し、本発明によれば１０分程度の測定時間でダイオキシンの検出を行うことができる。また、検出系に多重内部反射ＦＴ－ＩＲを適用するので、ダイオキシンの検出感度を大幅に向上することができる。
【０１３７】なお、上記実施形態では化学物質分解装置として図２に示すようなプラズマ発生装置を用いたが、第１実施形態のように紫外線光源２８を適用してもよい。また、他のプラズマ発生装置を適用することもできる。
【０１３８】また、上記実施形態では、分光分析器を用いて赤外線を分析したが、必ずしも分光分析器を設ける必要はない。例えば、検出する化学物質の赤外線吸収帯域が明らかな場合、当該吸収帯域の赤外線を選択的に検出するようにすれば、検出した赤外線の強度によって当該化学物質の量を定量化することができる。
【０１３９】［第６実施形態］本発明の第６実施形態による化学物質測定方法及び装置について図１０を用いて説明する。図９に示す第５実施形態による化学物質測定方法及び装置と同一の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略し或いは簡略にする。図１０は本実施形態による化学物質測定方法及び装置を示す概略図である。
【０１４０】図１０に示すように、本実施形態による化学物質測定方法は、図９に示す第５実施形態による化学物質測定装置の分解室１２と検出室１４との間に、フィルタ５０を設けていないことに特徴がある。
【０１４１】フィルタ５０は、検出室１４内に分子量の大きな煙粒子が導入されるのを抑止し、測定光である赤外線が煙粒子により吸収されて検出感度が低下することを防止するためのものであるが、煙粒子による赤外線の吸収が少ないなど、ダイオキシンから分離した塩素による赤外吸収スペクトルを十分に得ることができる場合には必ずしもフィルタ５０を設ける必要はない。このように化学物質測定装置を構成することにより、装置構成を簡略にすることができる。
【０１４２】このように、本実施形態によれば、分解室１２と検出室１４とをフィルタ５０により仕切る必要がないので、装置構成を簡略にすることができる。
【０１４３】
【発明の効果】以上の通り、本発明によれば、煙粒子に吸着している測定対象物質（例えばダイオキシン）を分解し、これによって発生される特有の化学物質を選択的に検出系に導入して検出し、これによって測定対象物質を間接的に検出するので、煙粒子の影響を受けることなく高感度で測定対象物質を検出することができる。
【０１４４】また、ＦＴ－ＩＲを用いた検出系を適用することによりリアルタイムで測定が可能となるので、従来のＧＣ－ＭＳを用いた測定方法と比較して検出時間を大幅に短縮することができる。また、検出系に多重内部反射ＦＴ－ＩＲを適用することにより測定対象物質の検出感度を大幅に向上することができる。

【出願人】	【識別番号】３９０００５１７５【氏名又は名称】株式会社アドバンテスト
【出願日】	平成１２年１月６日（２０００．１．６）
【代理人】	【識別番号】１０００８７４７９【弁理士】【氏名又は名称】北野好人
【公開番号】	特開２００１－１９４３０６（Ｐ２００１－１９４３０６Ａ）
【公開日】	平成１３年７月１９日（２００１．７．１９）
【出願番号】	特願２０００－９６３（Ｐ２０００－９６３）