JP2009533676A - 手持ち式ガス検知器およびガス検知方法 - Google Patents

Abstract

ガス検知器は、標的ガスとの反応の結果として変化する少なくとも１つの光学的性質を有する所定量のセンサー材料と、センサー材料の前記少なくとも１つの光学的性質の強度を測定するために動作可能な測光装置とを含む。この反応は、少なくとも１つの光学的性質の強度の大きさと、ガス試料中の標的ガスの濃度との間に１対１の関係が存在する反応であり、それによって、所定体積のガス試料がセンサー材料の特定領域上を通過した後の前記少なくとも１つの光学的性質の強度の測定された大きさから、ガス試料中の標的ガスの濃度を求めることができる。

Description

本出願は、２００６年４月１３日に出願された米国仮出願第６０／７９１，７４３号明細書の利益を主張し、この記載内容全体があらゆる目的で本明細書に援用される。

本発明は、ガス試料中の標的ガスの存在を検知するためのガス検知装置および方法に関し、特に、空気試料中の毒性工業化学物質を検知するためのガス検知装置およびガス検知方法に関する。

気体試料中の特定の気体材料（「標的」ガス）の存在を検知するガス検知器では、標的ガスとの反応の結果１つ以上の光学的性質が変化するセンサー材料が長く使用されてきた。このようなガス検知器の代表は、Ｄｒａｅｇｅｒ Ｓａｆｅｔｙ ＡＧ ＆ Ｃｏ．ＫＧａＡ，Ｌｕｅｂｅｃｋ，Ｇｅｒｍａｎｙ製造販売の「Ｄｒａｅｇｅｒ チューブ」として知られる装置である。

典型的な実施の１つにおいては、ハウジング内または基体上に適宜形成され密閉された検出チャネルに沿ってセンサー材料が分布している。たとえば、センサー材料は、基体中の溝に沿って配置された細長いストリップの形態をとることもできるし、管状部材にコーティングされたライニングとしての形態をとることもできる。気体試料は、ある時間にわたってチャネル内に時間を測定しながら供給することもできるし、一定体積を導入することもできる。

気体試料がチャネル内を進むと、試料中に存在するあらゆる標的ガスは、徐々にセンサー材料と化学的に相互作用する。この標的ガスとセンサー材料との間の相互作用によって、センサー材料の１つ以上の光学的性質が変化する。したがって、光学的性質の変化を示すセンサー材料の物理的な程度（たとえば、チャネルに沿った距離）を利用することで、標的ガスの濃度が求められる。この距離は、分光光度計などの測光装置を使用して容易に求めることができる。

このような典型的な従来技術の実施における動作原理は、図１Ａ〜１Ｄに示される定型化された概略図から理解することができる。図１Ａ〜１Ｄにおいて、センサー材料Ｓは、チャネル入口Ｉからチャネル出口Ｅまでの検出チャネルＣの所定部分にわたって延在する細長いストライプの形態で配置されている。未使用（未反応）のセンサー材料Ｓは点描で示されている。

濃度が未知の標的ガスＴ（ドットで示される）を含有する気体試料Ｇが、チャネルＣの入口Ｉに導入される。チャネルを通過する試料Ｔの体積が増加すると、徐々に標的ガスＴに曝露するセンサー材料Ｓの表面領域が増加し、その領域中の利用可能の実質的にすべてのセンサー材料がガスと反応するまで曝露が続く。したがって、センサーＳの領域が増加すると、標的ガスＴとの化学反応のために、その少なくとも１つの光学的性質（たとえば、反射強度）が徐々に変化する。この光学的性質が徐々に変化する様子が、図１Ｂ〜１Ｃにおいて網掛けの密度および領域の増加によって示されている。最終的に、反応した領域内のセンサー材料Ｓは飽和し、さらなる光学的性質の変化は起こらなくなる。

最終的に、試料Ｇの全体積がチャネル全体を通過した後、変化した光学的性質を示すセンサーＳの長さＬが測定される。この長さＬ（図１Ｄ）から、試料Ｇ中の標的ガスＴの濃度が求められる。

以上から理解されるように、標的ガスの濃度は、変化した光学的性質を有するセンサー材料部分の物理的程度から較正されるので、上述の種類の従来技術のガス検知器は、センサー材料がチャネルの長さの比較的広範囲を占める必要がある。これには物理的な空間が必要となる。さらに、試験中の試料の全体積が、チャネルの全長を通過できる必要があり、その後で、変化した光学的性質を有するセンサー材料部分全体を測定できるようになる。これには時間を要する。これらの必要条件の両方が欠点となると考えられる。

したがって、複数種類のガスを短時間で検知でき、迅速に結果を得ることができる比較的小型のガス検知装置が必要とされていると考えられる。特に手持ち式とすることができるこのような検知器が必要とされている。

一態様において、本発明は：
（ａ）標的ガスとの反応の結果として変化する少なくとも１つの光学的性質を有する所定量のセンサー材料と、
（ｂ）センサー材料の前記少なくとも１つの光学的性質の強度を測定するために動作可能な測光装置とを含むガス検知器であって、
前記反応が、少なくとも１つの光学的性質の強度と、ガス試料中の標的ガスの濃度との間に１対１の関係が存在する反応であり、
それによって、所定体積のガス試料がセンサー材料の特定領域上を通過した後の前記少なくとも１つの光学的性質の強度の測定された大きさから、ガス試料中の標的ガスの濃度を求めることができるガス検知器に関する。

特定の一実施形態においては、本発明のガス検知器は、それぞれが標的ガスとの反応の結果として変化する少なくとも１つの光学的性質を有する２つ以上のセンサー材料が取り付けられた基体を含む検知器カートリッジを含む。これらのセンサー材料は、同じ材料の場合もあるし、異なる材料の場合もある。各センサー材料の反応は、少なくとも１つの光学的性質の強度と、ガス試料中の標的ガスの濃度との間に１対１の関係が存在する反応であり、そのため、所定体積のガス試料が各センサー材料の特定の領域上を通過した後の前記少なくとも１つの光学的性質の強度の測定された大きさから、ガス試料中の各標的ガスの濃度を求めることができる。

本発明の検知器は、検知器カートリッジに空気試料を供給するための空気サンプリングシステムと、各センサー材料の前記少なくとも１つの光学的性質の強度変化を測定するための測光装置とをさらに含む。各センサー材料の前記少なくとも１つの光学的性質の強度変化の大きさによりガス試料中の標的ガスの濃度を観察者に表示する表示装置も提供される。

別の一態様において、本発明は、ガス試料中の標的ガスの検知方法であって：
（ａ）標的ガスを有するガス試料をセンサー材料の特定領域に接触させるステップであって、センサー材料が、標的ガスとの反応の結果として変化する少なくとも１つの光学的性質を有し、このセンサー材料の反応が、少なくとも１つの光学的性質の強度の大きさと、ガス試料中の標的ガスの濃度との間に１対１の関係が存在する反応であり、それによって、所定体積のガス試料が各センサー材料の特定領域上を通過した後の前記少なくとも１つの光学的性質の強度の測定された大きさから、ガス試料中の標的ガスの濃度を求めることができるステップと、
（ｂ）標的ガスと接触した結果としてのセンサー材料の前記少なくとも１つの光学的性質の変化を測定するステップと、
（ｃ）所定体積のガス試料がセンサー材料の特定領域上を通過した後の前記少なくとも１つの光学的性質の強度の測定された大きさから、ガス試料中の標的ガスの濃度を求めるステップとを含む方法に関する。

装置および方法の両方の態様において、それぞれが異なる標的ガスに対して反応性である複数の異なるセンサー材料が、ガス試料中の標的ガスと接触して反応する位置に配置されることによって本発明を実施することができる。本発明の装置および方法は、空気試料中の毒性工業化学物質の検知に特に有用である。好ましくは、本発明のガス検知器は手持ち式ガス検知器である。

本出願の一部を形成する添付の図面と関連する以下の詳細な説明から、本発明がより十分に理解できるであろう。

以下の詳細な説明全体で、すべての図面中の類似の参照記号は類似の要素を意味する。

図２は、参照記号１０で全体的に示される本発明によるガス検知器の基本的な構造的および機能的要素を示す定型化された概略図である。

検知器１０は、流動チャネル１４が中に形成された基体１２を含む。流動チャネル１４は入口１５および出口１６を有する。

センサー材料のプラーク１８が、チャネル１４に沿った、基体１２の所定位置に配置されている。センサー材料のプラーク１８の拡大平面図が図３Ａ〜３Ｄに示されている。プラーク１８は、チャネル１４の表面領域の全体または一部の所定部分、あるいはチャネル１４の体積の全体または一部の所定部分を占めることができる。プラーク１８は、プラークが占めるチャネル１４の表面上に実質的に均一に分布し反応に利用可能である所定量のセンサー材料を含有する。

プラーク１８中のセンサー材料は、異なる濃度の所定の標的ガスに曝露すると、少なくとも１つの光学的性質が変化することによって反応するあらゆる種類の材料であってよい。たとえば、材料から反射される放射線強度によって現れる、紫外領域、可視領域、または赤外領域のスペクトルの光の１つ以上の波長を吸収または反射するプラーク１８中のセンサー材料の能力は、迅速な監視が可能な材料の光学的性質の１つである。他の有用な光学的性質としては、蛍光または化学発光反応性が挙げられるが、これらに限定されるものではない。前述の従来技術の検知器中に使用される材料が、本発明のセンサー材料として有用である。

後に明らかにするように、プラーク１８の領域上に分散した所定量のセンサー材料は、ガス試料中の対象濃度範囲の標的ガスに曝露すると、センサー材料の反応が起こるように選択される。好ましい場合では、プラークの大きさは、わずかな局所的ばらつきを除けば、この反応がセンサー材料の領域の実質的に全表面上で実質的に起こるような大きさとなる。

標的ガスとセンサー材料との間の反応は、少なくとも１つの光学的性質の強度の大きさと、ガス試料中の標的ガスの濃度との間に１対１の関係が存在するような反応である。したがって、所定体積のガス試料が特定の量のセンサー材料上を通過した後の前記少なくとも１つの光学的性質の強度の測定された大きさから、ガス試料中の標的ガスの濃度を求めることができる。

センサー材料の光学的性質の強度（たとえば、反射強度）の変化を検出するために、参照記号２０によって全体的に示されている測光装置が配置される。測光装置２０は、１つ以上の選択波長の呼び掛け放射線をプラーク１８に向けるために配置された光源２２を含む。実際には、後に明らかにするように、ある波長スペクトルにわたる呼び掛け放射線を使用することが望ましい場合もある。

たとえば、プラークが標的ガスと反応することによる光学的性質の強度変化が最大となる波長または波長範囲を使用することが望ましい場合がある。

プラーク１８から反射した放射線によって、電荷結合ダイオードアレイなどの好適な電子画像形成装置２４上に電子画像１８’が形成される。電子画像１８’から得られる、プラーク１８からの反射強度を表す電子信号がライン２６上で発生する。

比較器２８によって、反射強度信号２６がライン３０上の基準強度信号と比較される。基準強度信号は、対象となる分析時間より早く、標的ガスとの最初の反応が起こるより前の時点で測定されたセンサー材料から得ることができる。

所定体積のガス試料が特定の量のセンサー材料上を通過した後の強度の測定された大きさを表す信号（基準強度信号との比較として）が、比較器２８からライン３４上に発生される。ライン３４上の信号は、標的ガスの濃度に関する較正値のテーブルを測定強度に対応させるために使用される。このテーブルは記憶装置３６中に格納される。試料中の標的ガスＴの濃度を示す情報は、モニターまたはその他の表示装置３８上で観察者に表示される。

ガス検知器１０の動作原理は、図４と関連させて図３Ａ〜３Ｄを参照することによってより十分に理解できるであろう。

ある濃度の標的ガスＴを含有する所定体積のガス試料Ｇをチャネル１４中に導入する前の、センサー材料のプラーク１８は、図３Ａに概略的に示されるように見ることができる。未使用のセンサー材料のプラーク１８の所定の光学的性質（たとえば、反射強度）は、ある初期値（たとえば、１００％）を有する。この光学的性質の大きさは、この初期条件（すなわち、ゼロ濃度の標的ガス）の場合、図４の点Ａで定量的に示されている。

未使用のセンサー材料のプラーク１８（図３Ａ）が、第１の濃度Ｃ₁の標的ガスを含有する所定体積のガス試料に曝露すると仮定する。この濃度においては、反応に利用可能なセンサー材料の一部のみが標的ガスと反応する。このことは、センサー材料の表面領域上で増加する陰影で概略的に示されている（図３Ｂ）。この標的ガスとの反応のために、センサー材料の反射強度が低下する（たとえば、図４中の点Ｂで示されるように７０％まで）。

しかし、未使用のセンサー材料のプラーク１８（図３Ａ）が、より高い第２の濃度Ｃ₂の標的ガスを含有する同じ所定体積のガス試料に曝露すると、反応に利用可能なセンサー材料のより大きな部分がこの濃度の標的ガスと反応する。このことは、図３Ｃ中のセンサー材料の表面領域上の陰影で概略的に示されている。このより高い濃度Ｃ₂の標的ガスは、センサー材料の表面領域の陰影の増加で表されるように、反応の程度が増加している。その結果、センサー材料から反射された放射線の強度が低下する（たとえば、図４中の点Ｃで示されるように５５％まで）。

未使用のセンサー材料のプラーク１８（図３Ａ）が、実質的に高い濃度Ｃ₃の標的ガスを含有する同じ所定体積のガス試料に曝露すると、プラーク中の利用可能なすべてのセンサー材料が標的ガスと反応する。このことは、センサー材料上の最も濃い陰影で概略的に示されている（図３Ｄ）。センサー材料から反射された放射線の強度は最小値まで低下する（たとえば、図４中の点Ｄで示されるように４２％まで）。このセンサーは濃度Ｃ₃で飽和するので、未使用のプラーク１８（図３Ａ）をより高濃度Ｃ₄またはＣ₅に曝露しても、実質的に同じ結果となり（図３Ｄ）、反射強度のさらなる低下は起こらない（図４中の点ＥおよびＦ）。

点Ａ〜Ｄを有する図４の領域中では、測定強度と、所定体積のガス試料中の標的ガスの濃度との間に１対１の対応が存在することが確認できる。本発明は、この１対１の対応を利用する。「１対１の対応」とは、各強度値に関連して、唯一の特定の標準ガス濃度値が存在することを意味する。この説明の目的で光学的性質（強度）の変化が実質的に直線状に示されているが、このような直線関係は必ずしも必要ではないことに留意されたい。

点Ｄ〜Ｆを有する図４の領域中では、ある範囲の標的ガス濃度にわたって、同じ強度値となっている。図４の曲線のこの領域は、標的ガスの濃度を検知するための従来技術によって使用されるセンサー領域の飽和領域を表している。

図３および４の以上の説明が、実際に観測される強度に関して示されていることは理解されよう。しかし、特定のセンサー材料の場合、標的ガスおよび光学的性質の強度の増加または減少のいずれかは、プロットを基準にして発生および機能することができる。観測された強度の縮小（減少）が基準として使用される場合、図３Ａは、減少０と表現され、図３Ｂは３０％減少と表現され、図３Ｃは４５％減少と表現され、図３Ｄは５８％減少と表現される。

本発明によると、所定体積のガス試料が特定量のセンサー材料上を通過することによって発生した光学的性質の強度変化の大きさは、所定体積のガス試料中の既知濃度の標準ガスで較正される。標的濃度を強度低下と関連づける較正値のテーブルが記憶装置３６に格納される。その後、使用時に、その特定量のセンサー材料の光学的性質の変化を使用することで、同じ所定体積のガス試料中の標的ガスの未知濃度を求めることができる。

光学的性質の変化を使用して標的ガスの未知濃度が求められるので、比較的小さな領域のセンサー材料および比較的短い時間のみが必要となる。これによって、標的ガスの濃度を比較的短時間で示すように動作可能な小型で好ましくは手持ち式の装置を実現するための本発明を具体化した検知器１０が可能となる。

図５は、参照記号１００によって全体的に示されている手持ち式ガス検知装置の一実施形態の非常に定型化された分解斜視図を示しており、これは図２〜４と関連して説明した本発明の機能的要素および動作原理を具体化したものである。図２中の要素に対応する構造的および機能的要素が同じ参照記号で示されている。図５中に示される手持ち式ガス検知装置の描写は、構造および／または使用に好都合となるあらゆる種類の方法で修正できることは理解されよう。

検知装置１００は、耐久性プラスチックなどのあらゆる好適な材料で製造されたハウジング１０２を含み、このため検知器１００は工場の現場などの過酷な環境中で使用することができる。図５に概略的に示されるように、ハウジング１０２は、使用者が手Ｈで好都合に把持できるような大きさである。ハウジング１０２は、検知器１００中に含まれる種々の機能性モジュールを受け入れるために形成されたくぼみ１０６Ａ〜１０６Ｅを有する。

検知器１００の主要な機能的要素は、前述したように基体１２である。基体１２は、好ましくはシリコンから製造することができるが、あらゆる好適なポリマー、ガラス、またはその他の材料を使用することができる。基体１２には、参照記号１４によって全体的に示される１つ以上のチャネルが内部に形成されている。図５〜７に示される実施形態においては、基体１２には、３つのチャネル１４Ａ、１４Ｂ、および１４Ｃのネットワークが内部に形成されている。あらゆる好都合な数のチャネル１４を基体１２上に設けることができる。各チャネルは、フォトリソグラフィなどのあらゆる従来の微細加工技術によって製造される。好ましくは、チャネル１４Ａ、１４Ｂ、および１４Ｃはシリコン基体のエッチングによって形成される。

図６に最もよく示されているように、各チャネル１４Ａ、１４Ｂ、および１４Ｃは、それぞれの入口１５Ａ、１５Ｂ、および１５Ｃ、ならびに対応する出口１６Ａ、１６Ｂ、および１６Ｃを有する。各チャネル１４Ａ、１４Ｂおよび１４Ｃは、チャネル入口と出口との間に配置されたそれぞれの検知領域１１７Ａ、１１７Ｂ、１１７Ｃを有する。各チャネルの検知領域１１７は、それぞれが所定量のセンサー材料を内部に有する１つ以上のプラーク１８を有する。特に図示されているように、チャネル１４Ａは１つのみのプラーク１８Ａを含み、一方チャネル１４Ｂおよび１４Ｃは、それぞれ２つのプラーク１８Ｂ−１、１８Ｂ−２および１８Ｃ−１、１８Ｃ−２を含む。あらゆる好都合な数のプラークを特定のチャネル中に設けることができる。

センサー材料のプラーク１８は、所望のあらゆる方法で配列することができる。特定の１つのチャネル中に配置された異なるセンサー材料のプラークは、それぞれ異なる標的ガスに対して反応性であってよい。

特定の標的ガスに対して反応性である個別のセンサー材料のプラークは、同じチャネルまたは異なるチャネル中に配置することができ、それによって同じ標的ガスを異なる濃度範囲で検知することができる。このような場合、センサー材料は異なる数の反応部位を有することができる。複数の異なる濃度範囲のためのセンサー材料が同じチャネル内に配置される場合、特定のプラークの上流にあるプラークとの標的ガスの反応を考慮するために、下流のプラークの較正をある程度調節する必要があることにも留意されたい。

あるいは、それぞれが同じ標的ガスに対して反応性である異なるセンサー材料のプラークを、異なるチャネル中に配置することによって、同じ標的ガスを異なる濃度範囲で検知することができる。

すべてのプラーク１８が、反応に利用可能な所定量のセンサー材料を有する。センサー材料は、センサー材料が占めるチャネル内に実質的に均一に分布している。センサー材料は、適切な感度の検知を行うために、高表面積のマイクロ粒子またはナノ粒子（たとえばシリカ）に取り付けることによって反応に利用することができる。これらの高表面積構造は、エアロゲル、クレーによって補助されたミクロンスケールまたはナノスケールのシリカの凝集体、あるいはその他の酸化物材料であってよい。

センサー分子を高表面積シリカ粒子に結合させるために使用することができるカップリング化学反応の例が図９Ａ〜９Ｃに示されており、これらでは黄色指示染料のｐ−エトキシフェニル−アジ−α−ヒドロキシナフトエ酸（ＰＥＮ）が高表面積シリカ粒子に結合される。ＰＥＮの構造は図９Ａに示されている。図９Ｂに示されるように、ＰＥＮは、脂肪族鎖を延長し鎖末端にＳｉＣｌ₃を取り付けることで修飾される。この修飾では、基本的な電子構造は残り、反応化学は変化しない。次に、修飾ＰＥＮ分子を高表面積シリカと接触させる。図９Ｃに示されるように、修飾ＰＥＮ分子のクロロ−シラン基が、高表面積シリカの表面上のＯＨ基の水素と反応することで、ＰＥＮ分子がシリカに結合する。

ほぼ長方形の形状で示されているが、センサー材料のプラーク１８が、プラークが配置される個別のチャネルと一致したあらゆる所望の形状であってよいことは理解できよう。

典型的には、センサー材料のプラーク１８は、約１ミリメートル以下の平面的な長さおよび幅の寸法を有する。好ましくは、プラークの寸法は５０〜１００マイクロメートルの範囲内である。

各チャネルは、それぞれの前処理領域１１９Ａ、１１９Ｂ、および１１９Ｂをさらに含む。前処理領域は、チャネルの検知領域１１７とチャネル入口１５との中間に配置される。前処理領域１１９Ａ〜１１９Ｃは、それぞれ、チャネル内のセンサープラークの性能を妨害する気体試料中のあらゆるガスを除去するのに有効なフィラーまたは反応性材料１２２Ａ〜１２２Ｃを含有する。

図示される配列においては、各チャネルは、その入口１５において入口マニホールド１２４に連絡している。図５に概略的に示されるように、入口マニホールドは試料供給ライン１２５に接続される。それぞれのチャネルの出口端は出口流路１２６に接続される。出口流路１２６は、ハウジング１０２内に設けられた排気口１２６Ｖを介して排気される。

個別の入口および／または出口をチャネルに設けることが可能なことは、本発明の意図の範囲内である。各チャネルの検知領域は実質的に直線状で示され、前処理領域は曲がりくねって示されているが、チャネルの種々の領域および全体としてのチャネルは、所望のあらゆる形状を有することが可能なことも理解されよう。

図５および７に見られるように、基体１２は、ハウジング１０２のくぼみ１０６Ａの中に着脱自在に挿入可能な使い捨てのカートリッジモジュール１２８内に保持される。別の一実施形態においては、カートリッジモジュール１２８は、検知器ハウジング１０２の収容領域上に表面取り付けすることができる。いずれの場合も、使用後に使用済みカートリッジモジュールをハウジングから取り外し、新しいカートリッジを次の試験に使用することを考慮している。

図７に示されるように、基体１２は、カートリッジモジュール１２８の基部１２８Ｂにあらゆる好都合な方法で固定される。カートリッジモジュールのカバー１２８Ｃは、基体１２の表面１２Ｓに接触しており、それによって中にあるチャネル１４が互いに分離される。カートリッジモジュール１２８の全体の寸法は、典型的には１平方インチ（６．４５平方ｃｍ）程度である。

標的ガスの存在が試験されるガス試料は、ハウジング１０２中のくぼみ１０６Ｂ中に取り付けられるサンプリングモジュール１３２（図５）によって収集され基体１２に供給される。サンプリングモジュール１３２は、ガス試料（たとえば、周囲空気）を、検知器カートリッジモジュール１２８中の試料供給ライン１２５に供給する定量ポンプ１３２Ｐを含む。そこから、ガス試料は基体１２上の入口マニホールド１２４に送られる。サンプリングモジュール１３２は、所定の閾値を超える粒子、たとえば５０〜１００マイクロメートルを超える粒子を除去する大きさの濾材１３２Ｆを含む。

ガス試料を検知器カートリッジモジュール１２８中に連続的に計量供給することによって、所定体積の気体試料がカートリッジ中に導入される。所定の一定体積は、所定の時間間隔で計量供給することによって導入することができる。

基体１２１上のセンサー材料のプラーク１８の光学的性質の強度は、測光計モジュール１３６を使用して測定される。測光計モジュール１３６は、ハウジング１０２中に設けられたくぼみ１０６Ｃの中に収容される。測光計モジュール１３６は、コリメーティングレンズ１３８を介して呼び掛け放射線が基体１２に向かうように動作する光源２２を含む。

異なる波長の光を反射させることによって、個別のセンサー材料は特定の標的ガスの存在に応答する。

基体１２から反射された光は、集光レンズ１４２によって集められる。それぞれのプラーク１８Ａ、１８Ｂ−１、１８Ｂ−２、１８Ｃ−１、１８Ｃ−２から反射した光は、電荷結合ダイオードアレイ２４などの電子画像形成装置２４の所定の領域１８Ａ’、１８Ｂ−１’、１８Ｂ−２’、１８Ｃ−１’、１８Ｃ−２’の上に画像を形成する。特定のセンサー材料のプラークに対応する電子画像形成装置２４の表面上の各画像形成領域１８’は、あらゆる所定の数（１つ以上）のピクセル位置を有することができる。

可能性のある種々の標的ガスの検知に必要と考えられるスペクトルを含むために、光源２２には、それぞれが所定の波長の光を基体に照明する複数の発光ダイオードを使用して実装することができる。電子画像面のこれらの種々の領域から得られた信号は、基体上の対応するセンサー材料のプラークから反射した光の強度を表す。あるいは、全範囲の光源２２と電子画像形成装置２４との間の光路中にフィルターホイールを介在させる。特に、基体表面上のプラーク１８と画像形成装置２４との間の反射光路中にフィルタホイールを介在させる。複数の発光ダイオードまたはフィルタホイールを使用することによって、反射信号の信号対雑音比が改善される。

特定のセンサー材料のプラーク１８を代表する信号は、特定のプラーク１８に対応する電子画像形成装置２４上のピクセル位置から誘導される強度値の合計に基づくことができる。誘導された信号は、エレクトロニクスモジュール１４８に送られる。エレクトロニクスモジュール１４８は、ハウジング内のくぼみ１０６Ｄ内に収容される。エレクトロニクスモジュール１４８は、図２と関連して説明した機能性要素２８〜３６によって実施される機能を行うプログラムにより動作するコンピューターを含む。

エレクトロニクスモジュール１４８内のコンピューターによって実行されるコンピュータープログラム１６０の流れ図を図８に示す。前述したように、センサー材料のプラークが、ある波長スペクトルにわたって放射線に呼び掛けられることが望ましい。プログラムの機能ブロック１６２〜１７２は、Ｍ個の波長の範囲にわたってガス試料中の対象標的ガスの検知を行う方法ステップを示している。Ｍ個の波長のそれぞれにおける各未使用プラークからの背景強度を使用して、反射強度を比較する基準スペクトルを規定する。Ｍ個の波長にわたってプログラムがループすることで、反射強度スペクトルが基準スペクトルと比較され、試料中の標的ガスの濃度が評価される。

エレクトロニクスモジュール１４８の出力は、くぼみ１０６Ｅ内に収容されるヒューマンインタフェースまたは表示装置３８に送られる。

濃度を強度変化に関連づける較正値のテーブルの作成は、以下の実施例によって理解することができる。実施例の構造的および機能的要素に対応する図５〜７の参照記号は括弧内に示している。

シリコンウエハ（１２）をウェットエッチングすることによって、内部に１０個のチャネル（たとえば、１４Ａ）を形成した。このウエハは、直径１００ミリメートル（１００ｍｍ）で、厚さが２分の１ミリメートル（０．５ｍｍ）であった。各チャネルは、長さ約９０ミリメートル（９０ｍｍ）、幅４ミリメートル（４ｍｍ）、および深さ１０分の４ミリメートル（０．４ｍｍ）であった。ガラスカバー（１２８Ｃ）は、ダイヤモンドポイントで加工して、各チャネルの入口に通じる孔を形成した。ウエハ中にすべてのチャネルに共通の入口マニホールドを形成した。各チャネルは別々の出口ポートを有した。

検出材料のプラーク（１８）を、対象の１つのチャネル中に配置した。検出材料は、Ｄｒａｅｇｅｒ Ｓａｆｅｔｙ ＡＧ ＆ Ｃｏ．ＫＧａＡ，Ｌｕｅｂｅｃｋ，Ｇｅｒｍａｎｙ製造販売の封入されたアンモニア２〜５０ｐｐｍのＤｒａｅｇｅｒ ＣＭＳ^TMチューブから入手した。カバーをウエハ表面上に高温で陽極接合して、チャネルを封止した。Ｕｐｃｈｕｒｃｈ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ，Ｏａｋ Ｈａｒｂｏｒ，Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ ９８２７７より入手可能なＮａｎｏｐｏｒｔ^TM圧縮管継手を使用して、好適な入口および出口の管継手を得た。

検知器を６０×６０センチメートル（６０ｃｍ×６０ｃｍ）光学台上に取り付け、以前はＢａｕｓｃｈ ａｎｄ Ｌｏｍｂ，Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ，Ｒｏｃｈｅｓｔｅｒ，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋより入手可能であった３１−３５−３０可視光源（２２）を使用して照明した。

Ｐｈｏｔｏｍｅｔｒｉｘ，Ｔｕｃｓｏｎ，Ａｒｉｚｏｎａ ８５７０６より入手可能なＰｈｏｔｏｍｅｔｒｉｘ^TM Ｑｕａｎｔｉｘ ＫＡＦ １６００熱電冷却電荷結合ダイオード（ＣＣＤ）装置を電子画像形成装置（２４）として使用した。ＣＣＤ上に画像の焦点を合わせるため集光レンズ（１４２）を使用した。Ｎｉｋｏｎ ＵＳＡ，Ｍｅｌｖｉｌｌｅ，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ １１７４７より入手可能な１０５ミリメートル（１０５ｍｍ）のｆ／２．８ ＡＦ Ｍｉｃｒｏ−Ｎｉｋｋｏｒ^TMを集光レンズとして使用した。

基体上の入口マニホールドの圧縮管継手と、基体上の各チャネルの出口管継手とにガス管線を接続した。各チャネルの出口管継手は、 Ｖａｒｉａｎ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ，Ｐａｌｏ Ａｌｔｏ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ ９４３０４より入手可能なＶａｒｉａｎ ＤＳ１０２真空ポンプに接続した。

１リットルの供給プレナムを入口マニホールドに接続した。

この１リットル（１ｌ）のプレナムへの窒素パージ、および３Ｔｏｒｒ未満のベース圧力までの排気を３回行った。このマニホールドに１８Ｔｏｒｒの窒素中１００ｐｐｍのアンモニアの混合物を充填し、純窒素を加えてマニホールド内の全圧力を８５０Ｔｏｒｒとし、これは窒素中２ｐｐｍのアンモニアの有効濃度に対応した。

センサーチャネルを通過する流量は、通常２分の１（０．５）Ｔｏｒｒ−リットル／秒（ＴＬ／ｓ）とした。

画像は１２ビットグレースケールで記録した。フルスケールのほぼ半分の最大記録強度の画像が得られるように、照度、レンズのＦストップ、およびＣＣＤの露出時間を調整した。カメラからの画像取得を開始した後、プレナムを開き、０．３５秒の露出を２秒ごとに行った。３０フレームを取得した後（約１分）、プレナムを閉じた。

実験時間（カメラのフレームによって示される）にわたって検出材料の入口端付近に配置した個別のピクセルにおける初期強度に対する反射強度の低下を測定した。

結果を以下の表にまとめている。

表

図１０は、表のデータのプロットである。約１０秒以内に実質的に飽和に到達したので最初の５つのフレームのみを図１０に示している。

データ点Ｉの強度計算を以下のように行った：
初期強度がフルスケールの半分（フルスケールが２¹²＝４０９６の場合）の場合、９０ピクセルの減少が初期強度の９６パーセント（９６％）に相当する。

データ点Ｉは、２秒後に試料を通過した量Ｑのアンモニアが、９０単位の強度低下を引き起こしたことを示している。量Ｑは、約３．５×１０¹³分子のアンモニア（標的ガス）であった。

データ点ＩＩは、４秒後に試料を通過した量２Ｑのアンモニアが、３２０単位の強度低下［初期強度の８４パーセント（８４％）］を引き起こしたことを示している。

データ点ＩＩＩ、ＩＶ、およびＶは、それぞれ、６秒後、８秒後、および１０秒後に試料を通過した量３Ｑ、４Ｑ、および５Ｑのアンモニアが、対応する記載の強度の低下を引き起こしたことを示している。

これらのデータから、種々の量のアンモニア（標的ガス）が同じ所定体積のガス試料中に含まれ、そのガス試料が特定量のセンサー材料上を通過すると、唯一の対応する反射強度低下が起こることが分かる。これらのデータから、ガスのアンモニア濃度ガス（すなわち、所定の試料体積中の標的ガスの量）と、それによって生じた強度変化との間に１対１の対応が存在することが分かる。各強度値に関連する唯一の個別の標的ガス濃度値が存在する。

したがって、標的ガス濃度を、所定体積のガス試料が特定量のセンサー材料上の通過することによって生じた光学的性質の強度変化に関連づける較正値のテーブルを作成することができる。

本発明の教示の利益を有する当業者は、それらに変更を加えることができる。このような変更は、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲内にあると解釈すべきである。

典型的な従来技術のガス検知器の動作原理を説明する定型化された概略図である。 典型的な従来技術のガス検知器の動作原理を説明する定型化された概略図である。 典型的な従来技術のガス検知器の動作原理を説明する定型化された概略図である。 典型的な従来技術のガス検知器の動作原理を説明する定型化された概略図である。 本発明によるガス検知装置の基本的な構造的要素を示す定型化された概略図である。 本発明によるガス検知装置およびガス検知方法の動作原理を説明する定型化された概略図である。 本発明によるガス検知装置およびガス検知方法の動作原理を説明する定型化された概略図である。 本発明によるガス検知装置およびガス検知方法の動作原理を説明する定型化された概略図である。 本発明によるガス検知装置およびガス検知方法の動作原理を説明する定型化された概略図である。 図３Ｂおよび３Ｃに示されるように増加する試料ガス濃度への曝露（横軸）に対してプロットした図３Ａのセンサー材料の光学的性質の強度変化（縦軸）を示すグラフである。 本発明の原理を具体化する手持ち式ガス検知装置の好ましい実施を示す高度に定型化された分解斜視図である。 本発明のガス検知器中に使用される基体表面の拡大平面図である。 図５の切断線７−７におけるカートリッジモジュールの断面図である。 図５に示される検知装置のエレクトロニクスモジュール内のコンピューターによって実行されるコンピュータープログラムの流れ図である。 センサー分子を高表面積シリカ粒子に結合させるために使用することができるカップリング化学反応を示す構造である。 センサー分子を高表面積シリカ粒子に結合させるために使用することができるカップリング化学反応を示す構造である。 センサー分子を高表面積シリカ粒子に結合させるために使用することができるカップリング化学反応を示す構造である。 実施例における反射強度の低下と時間（カメラのフレームで示される）とのプロットである。

Claims (12)

1. （ａ）標的ガスとの反応の結果として変化する少なくとも１つの光学的性質を有する所定量のセンサー材料と、
   （ｂ）前記センサー材料の前記少なくとも１つの光学的性質の強度を測定するために動作可能な測光装置とを含むガス検知器であって、
   前記反応が、前記少なくとも１つの光学的性質の強度の大きさと、ガス試料中の前記標的ガスの濃度との間に１対１の関係が存在する反応であり、
   それによって、所定体積のガス試料がセンサー材料の特定領域上を通過した後の前記少なくとも１つの光学的性質の強度の測定された大きさから、前記ガス試料中の前記標的ガスの濃度を求めることができる、ガス検知器。
2. ガス試料中の標的ガスの存在を検知するためのガス検知器であって：
   （ａ）それぞれが標的ガスとの反応の結果として変化する少なくとも１つの光学的性質を有する２つ以上のセンサー材料が取り付けられた基体を含む検知器カートリッジであって、
   各センサー材料の前記反応が、前記少なくとも１つの光学的性質の強度の大きさと、前記ガス試料中の前記標的ガスの濃度との間に１対１の関係が存在する反応であり、それによって、所定体積のガス試料がそれぞれのセンサー材料の特定領域上を通過した後の前記少なくとも１つの光学的性質の強度の測定された大きさから、前記ガス試料中の各標的ガスの濃度を求めることができる検知器カートリッジと、
   （ｂ）空気試料を前記検知器カートリッジに供給するための空気サンプリングシステムと、
   （ｃ）各センサー材料の前記少なくとも１つの光学的性質の強度変化を測定するための測光装置と、
   （ｄ）各センサー材料の前記少なくとも１つの光学的性質の強度変化の大きさによって、前記ガス試料中の前記標的ガスの濃度を観察者に表示する表示装置とを含む、ガス検知器。
3. 前記基体が、内部に形成された少なくとも１つのチャネルを有し、前記センサー材料のそれぞれが、前記１つのチャネル中に配置される、請求項２に記載のガス検知器。
4. 前記センサー材料のそれぞれが、同じ標的ガスに応答する、請求項３に記載のガス検知器。
5. 前記センサー材料のそれぞれが、異なる標的ガスに応答する、請求項３に記載のガス検知器。
6. 前記基体が、内部に形成された複数のチャネルを有し、前記センサー材料の１つが各チャネル中に配置される、請求項２に記載のガス検知器。
7. 前記センサー材料のそれぞれが、同じ標的ガスに応答する、請求項６に記載のガス検知器。
8. 前記センサー材料のそれぞれが、異なる標的ガスに応答する、請求項６に記載のガス検知器。
9. 前記基体が、内部に形成された複数のチャネルを有し、前記センサー材料の少なくとも１つが各チャネル中に配置される、請求項２に記載のガス検知器。
10. 前記基体が、内部に形成された少なくとも１つのチャネルを有し、前記１つのチャネル中にフィルター材料が配置される、請求項２に記載のガス検知器。
11. 前記基体が、内部に形成された複数のチャネルを有し、各チャネル中にフィルター材料が配置される、請求項２に記載のガス検知器。
12. ガス試料中の標的ガスの検知方法であって：
    （ａ）標的ガスを有するガス試料をセンサー材料の特定領域に接触させるステップであって、前記センサー材料が、前記標的ガスとの反応の結果として変化する少なくとも１つの光学的性質を有し、前記センサー材料の前記反応が、前記少なくとも１つの光学的性質の強度の大きさと、前記ガス試料中の前記標的ガスの濃度との間に１対１の関係が存在する反応であり、それによって、所定体積のガス試料が各センサー材料の特定領域上を通過した後の前記少なくとも１つの光学的性質の強度の測定された大きさから、前記ガス試料中の各標的ガスの濃度を求めることができるステップと、
    （ｂ）前記標的ガスと接触した結果としての前記センサー材料の前記少なくとも１つの光学的性質の変化を測定するステップと、
    （ｃ）前記所定体積のガス試料が前記センサー材料の特定領域上を通過した後の前記少なくとも１つの光学的性質の強度の測定された大きさから、前記ガス試料中の前記標的ガスの濃度を求めるステップとを含む、方法。

Images