化学物质浓缩器以及化学物质检测器的制作方法

本公开涉及对样品中包含的化学物质进行浓缩的化学物质浓缩器以及化学物质检测器。

背景技术：

关于对气体中的化学物质进行浓缩的技术，例如专利文献1公开了一种对化学物质进行吸附的吸附分离系统。吸附分离系统由吸附剂材料、和具有具备导热性纤丝的单元壁的并行流通路径构成。吸附剂材料设置在并行流通路径的单元内。此外，吸附剂材料与导热性纤丝直接接触。

气体中的化学物质被单元内的吸附剂材料吸附。另一方面，被吸附的化学物质由于沿着导热性纤丝的热移动而从吸附剂材料脱离。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特表2013-540573号公报

技术实现要素：

化学物质浓缩器具备：流路，构成为包含化学物质的样品在流动方向上流动；和单元壁，将流路划分成多个吸附单元。多个吸附单元各自具有：相互隔离地配置于单元壁的第一和第二电极、以及对化学物质进行吸附的吸附件。吸附件包含金属氧化物。吸附件配置在与第一和第二电极接触的位置，使得第一和第二电极经由吸附件而电连接。

该化学物质浓缩器能够使得被吸附件吸附的化学物质充分地脱离。

附图说明

图1是实施方式中的化学物质浓缩器的立体图。

图2是图1所示的化学物质浓缩器的线II-II处的剖视图。

图3是图2所示的化学物质浓缩器的线III-III处的剖视图。

图4是图2所示的化学物质浓缩器的线IV-IV处的剖视图。

图5是实施方式中的化学物质浓缩器的放大剖视图。

图6是实施方式中的另一化学物质浓缩器的剖视图。

图7是实施方式中的又一化学物质浓缩器的剖视图。

图8是实施方式中的又一化学物质浓缩器的放大剖视图。

图9是实施方式中的又一化学物质浓缩器的剖视图。

图10是实施方式中的又一化学物质浓缩器的剖视图。

图11A是实施方式中的又一化学物质浓缩器的立体图。

图11B是图11A所示的化学物质浓缩器的剖视图。

图12是实施方式中的化学物质检测器的立体图。

具体实施方式

以下，利用附图来详细地说明本公开的实施方式所涉及的化学物质浓缩器以及化学物质检测器。另外，以下说明的实施方式均表示本公开的优选的一具体例。因此，以下的实施方式所示的数值、形状、材料、构成要素、构成要素的配置以及连接方式等只是一例，并不是限定本公开的主旨。由此，关于以下的实施方式中的构成要素之中、表示本发明的最上位概念的独立权利要求中未记载的构成要素，作为任意的构成要素来说明。

此外，各图为示意图，不一定是严格意义上的图示。在各图中，对于实质上相同的构造赋予相同的符号，重复的说明将省略或简化。

图1是实施方式中的化学物质浓缩器20的立体图。化学物质浓缩器20对样品100中包含的化学物质101进行浓缩。在实施方式中，样品100为气体。化学物质101的浓缩例如作为检测过程中的样品100的前处理，为了提高化学物质101的浓度而进行。

作为样品100，例如有人、动物的呼气、车、工厂的废气等。作为化学物质101，例如有酮类、胺类、醇类、芳香族烃类、醛类、酯类、有机酸、硫化氢、甲硫醇、二硫化物等挥发性有机化合物。

图2是图1所示的化学物质浓缩器20的线II-II处的剖视图。图3是图2所示的化学物质浓缩器20的线III-III处的剖视图。图4是图2所示的化学物质浓缩器20的线IV-IV处的剖视图。

化学物质浓缩器20具有：流路21，包含化学物质101的样品100在流动方向D20上流动；和单元壁23，将流路21划分成多个吸附单元22。流路21形成于基板24。

基板24例如由树脂材料、半导体材料或者金属等构成。

图5是化学物质浓缩器20的放大剖视图，将吸附单元22放大来示意性地表示。多个吸附单元22被设置在流路21内的单元壁23划分。在多个吸附单元22的各个吸附单元22中，单元壁23具有壁面231和壁面232。壁面231隔着吸附单元22而与壁面232对置。

在吸附单元22的内部配置电极25、26和吸附件27。

电极25设置在壁面231上。电极26设置在壁面232上。电极25、26在吸附单元22内相互隔离地配置。电极25、26例如由金、铜、铂、碳等导电材料构成。电极25、26可以由相同的材料构成，也可以由不同的材料构成。

吸附件27对样品100中包含的化学物质101进行吸附。

吸附件27具有导电性，配置在与电极25、26接触的位置，使得电极25、26经由吸附件27而相互电连接。电极25、26与用于向电极25、26供给电流的电源装置连接。

吸附件27是具有导电性的多个纳米线271的集合体。纳米线271例如由导电性的金属氧化物形成。在纳米线271之间设置有空隙272。气体的样品100中包含的化学物质101在通过空隙272的期间吸附于多个纳米线271的表面。由多个纳米线271形成的吸附件27具有大的表面积，因此能够效率良好地吸附化学物质101。

此外，纳米线271具有与电极25接触的端部271A和与电极26接触的端部271B。由此，通过电极25、26而向纳米线271供给电流。

吸附件27由因施加电流而发热的材料形成。即，从电极25以及电极26流动电流，从而吸附件27发出焦耳热。

具有导电性的纳米线271例如由SnO₂、ZnO、In₂O₃、In_2-xSn_xO₃(例如，0.1≤x≤0.2)、NiO、CuO、TiO2、SiO₂等金属氧化物、Al、Ag、Au、Pd、Pt等金属、碳或者硅等导电材料构成。作为由碳构成的纳米线271，例如可以利用碳纳米管。

此外，纳米线271可以由表面被金属氧化物覆盖的树脂等形成。如此，通过被导电性的金属氧化物覆盖，从而吸附件27具有导电性。

如此，吸附件27由具有导电性、且具有高效地发生由焦耳效应引起的自加热的程度的电阻值的材料形成。

在前述的以往的吸附分离系统中，化学物质101经由吸附剂材料接受来自导热性纤丝的热。在经由了吸附剂材料的热的移动中产生热损失，因此化学物质101未被效率良好地加热。因此，在以往的吸附分离系统中，存在被吸附剂材料吸附的化学物质101无法充分脱离的情况。

在实施方式中的化学物质浓缩器20之中，通过吸附件27发出的热，能够对被吸附件27吸附的化学物质101直接加热。因而，化学物质浓缩器20对化学物质101加热时的热损失变小。

化学物质浓缩器20构成为具有由多个吸附单元22构成的吸附部211，在各个吸附单元22中进行化学物质101的吸附以及脱离。设置在各个吸附单元22内的电极25、26与用于向电极25、26供给电流的电源装置连接。

由此，在多个吸附单元22的各个单元中，被吸附件27吸附的化学物质101由于吸附件27的发热而从吸附件27脱离。因此，化学物质浓缩器20能够使已吸附的化学物质101效率良好且充分地从吸附件27脱离，从而使样品100中的化学物质101高效地浓缩。

此外，流路21被划分成多个吸附单元22，从而能够减小各个吸附件27。例如，在实施方式中，流路21在纳米线271延伸的高度方向上被划分成三个，从而形成在流路21内的纳米线271的长度成为未被划分的流路21上配置的纳米线的长度的约3分之1。多个吸附单元22的高度方向的长度可以彼此相同，也可以彼此不同。与多个吸附单元22的高度方向成直角的宽度方向的长度可以彼此相同，也可以彼此不同。

在利用液相生长法、气相生长法来形成纳米线271的情况下，若纳米线271变长，则形成纳米线271所需的时间变长。因而，不将流路21划分成多个吸附单元22的化学物质浓缩器的生产效率不高。

另一方面，实施方式中的化学物质浓缩器20在划分了流路21的吸附单元22各自的内部配置纳米线271，纳米线271短。因此，制造化学物质浓缩器20所花费的时间被缩短。

若多个纳米线271变长，则多个纳米线271的长度、粗度的偏差也变大，因此难以将吸附件27控制为给定的大小。纳米线271的粗度、长度影响吸附件27的空隙272的大小等。纳米线271的尺寸的偏差关系到吸附件27的吸附性能的劣化。

此外，纳米线271的长度影响纳米线271的发热所需的消耗电力。具体而言，纳米线271越长则电阻越大，因此发热所需的消耗电力也变大。

如以上，通过划分流路21的吸附单元22所设置的纳米线271，吸附件27以及化学物质浓缩器20的性能得以提高。因此，优选化学物质浓缩器20由分别配置有纳米线271的多个吸附单元22构成。纳米线271的长度优选为1μm以上且100μm以下。优选多个吸附单元22之中的一个吸附单元22所配置的多个纳米线271的长度与其他吸附单元22所配置的多个纳米线271的长度相同，但也可以不同。纳米线271的直径优选为10nm以上且1μm以下。优选多个吸附单元22之中的一个吸附单元22所配置的多个纳米线271的直径与其他吸附单元22所配置的多个纳米线271的直径相同，但也可以不同。优选多个吸附单元22的各一个吸附单元22所配置的多个纳米线271的长度彼此相同，但也可以不同。优选多个吸附单元22的各一个吸附单元22所配置的多个纳米线271的直径彼此相同，但也可以不同。

化学物质浓缩器20可以具有对吸附件27进行冷却的冷却部28。通过对吸附件27进行冷却，从而吸附件27能够效率良好地吸附更多的化学物质101。冷却部28例如设置在形成有流路21的基板24的下表面。冷却部28例如为珀耳帖元件、空冷元件、水冷元件等。

另外，冷却部28只要能够对吸附件27进行冷却即可，可以设置在任何地方。例如，冷却部28可以设置在流路21的内部或者吸附单元22的内部。

此外，也可以在单元壁23设置沿着样品100流动的流动方向D20延伸的多个贯通孔29。

贯通孔29构成为使样品100通过。由此，贯通孔29能够降低化学物质浓缩器20的压力损失。因此，即便是流路21的压力损失大的情况，样品100也能够不停滞地在流路21内流动。由于对吸附件27持续供给样品100，因此能够吸附更多的化学物质101。

在因外部的压力而使样品100通过流路21的情况下，在与流动方向D20垂直的面内产生流速分布。具体而言，在与流动方向D20垂直的面内，与周边即流路21的壁附近相比，流路21的中央附近的流速具有变大的趋势。贯通孔29是考虑该情况而设置的。即，优选流路21的壁附近所设置的贯通孔29的孔径比远离流路21的壁的流路21的中央附近所设置的贯通孔29的孔径小。由此，能够减小在与流动方向D20垂直的面内产生的流速差。作为更优选的结构，能够使得在与流动方向D20垂直的面内产生的流速变得均匀。

此外，作为减小与流动方向D20垂直的面内的流速分布的另一方法，也可以使得流路21的壁附近所设置的贯通孔29的每单位面积的数量比远离流路21的壁23的流路21的中央附近所设置的贯通孔29的每单位面积的数量多。此外，也可以改变贯通孔29的每单位面积的数量以及孔径这两方。具体而言，流路21的壁附近的贯通孔29与流路21的中央附近的贯通孔29相比，可以每单位面积的数量多且孔径也大。如此，贯通孔29设置为使样品100遍布多个吸附单元22。

另外，贯通孔29是考虑在流路21内流动作为气体的样品100时的压力损失而设置的。因此，在化学物质浓缩器20中流路21的压力损失充分小的情况下，也可以不在单元壁23设置贯通孔29。

图6是实施方式中的另一化学物质浓缩器20A的剖视图。在图6中，对于与图1至图5所示的化学物质浓缩器20相同的部分赋予相同的参照编号。在化学物质浓缩器20A中，流路21被单元壁23划分成多个吸附单元22和多个空腔单元30，在空腔单元30的内部，电极25、26和吸附件27均未设置。空腔单元30构成为使样品100通过，能够降低化学物质浓缩器20的流路21的压力损失。如此，空腔单元30具有与图1至图5所示的化学物质浓缩器20的贯通孔29同样的作用。

化学物质浓缩器20A可以进一步具有图1至图5所示的化学物质浓缩器20的贯通孔29。

图7是实施方式中的又一化学物质浓缩器20B的剖视图。在图7中，对于与图1至图5所示的化学物质浓缩器20相同的部分赋予相同的参照编号。在化学物质浓缩器20B中，多个吸附单元22构成蜂窝构造。通过吸附单元22构成蜂窝构造，从而流路21中流动的样品100在多个吸附单元22中均匀地流动。因此，吸附于各吸附单元22的化学物质101的量不易根据场所而产生偏倚。因而，化学物质浓缩器20B能够效率良好地吸附化学物质101。此外，在吸附单元22的壁面与吸附件27之间形成有使样品100通过的间隙22G，因此构成蜂窝构造的吸附单元22能够降低流动样品100时的流路21的压力损失。

另外，吸附件27的材料不限于纳米线271。例如，吸附件27可以由具有导电性的多孔质体构成。多孔质体例如利用与纳米线的材料相同的材料来构成。吸附剂27可以由一种材料构成，也可以由多种材料构成。

图8是实施方式中的又一化学物质浓缩器20C的放大剖视图。在图8中，对于与图1至图5所示的化学物质浓缩器20相同的部分赋予相同的参照编号。图8所示的化学物质浓缩器20C取代图1至图5所示的化学物质浓缩器20的流路21的多个吸附单元22而被划分成多个吸附单元42。

吸附单元42由单元壁23划分。单元壁23具有相互对置的壁面231、232。

在吸附单元42中，电极43、电极44以及吸附件45形成在壁面231上。即，电极43、电极44以及吸附件45设置在形成吸附单元42的单元壁23的同一面上。电极43、44在与流动方向D20成直角的方向上排列。

根据该结构，能够稳定地对电极43和吸附件45进行电连接，能够稳定地对电极44和吸附件45进行电连接，能够提高化学物质浓缩器20C的可靠性。此外，通过将电极43、44和吸附件45形成在同一面上，从而能够以简单的制造工艺来制造化学物质浓缩器20C。

纳米线451具有端部451A和与端部451A相反的一侧的端部451B。纳米线451在壁面231、232之间沿着与壁面231、232交叉的方向延伸，在实施方式中，与壁面231、232实质上成直角地延伸。纳米线451的端部451A与端部451B相比更接近壁面231，端部451B与端部451A相比更接近壁面232。纳米线451的端部451A与电极43、44连接。在多个纳米线451的接近壁面231的端部451B中，多个纳米线451部分性地相互接合从而构成了接合部452。由此，能够在纳米线451中沿着壁面231流动电流。另外，接合部452也可以不是壁面231的附近。例如，多个纳米线451部分性地相互接合的接合部452可以设置在壁面232的附近或者纳米线451的端部451A、451B之间的中央。

此外，在吸附件45与壁面232之间形成有空间46，吸附件45与壁面232分离而不与壁面232接触。空间46能够防止吸附件45发出的热传递给壁面232导致的损失。

另外，电极43以及电极44可以沿着流路21的流动方向D20排列。

化学物质浓缩器20C可以具有设置在电极43、44的各个电极与壁面231之间的隔热层48。同样，如图5所示，化学物质浓缩器20可以具有设置在电极26与壁面232之间的隔热层48B、和设置在电极25与壁面231之间的隔热层48A。隔热层48A也可以设置在吸附件27与壁面231之间。通过隔热层48A、38B能够减小从吸附件27、45传递给壁面231、232的热，能够抑制热损失。

图9是实施方式中的又一化学物质浓缩器20D的剖视图。在图9中，对于与图1至图5所示的化学物质浓缩器20相同的部分赋予相同的参照编号。图9所示的化学物质浓缩器20D取代图1至图5所示的化学物质浓缩器20的电极25、26而具备加热部25D，加热部25D设置于多个吸附单元22的各个吸附单元，构成为对吸附件27进行加热，并且设置于壁面231。吸附件27的纳米线271与加热部25D相接。加热部25D例如由铂的电极图案构成。吸附件27(纳米线271)与吸附单元22的壁面232分离。

在图9所示的化学物质浓缩器20D中，吸附件27的纳米线271由加热部25D加热从而使得被吸附件27吸附的化学物质脱离。在化学物质浓缩器20D中，吸附件27(纳米线271)可以不是自加热型，能够从更多种的材料之中选择吸附件27的材料。

图10是实施方式中的又一化学物质浓缩器20E的剖视图。在图10中，对于与图1至图5所示的化学物质浓缩器20相同的部分赋予相同的参照编号。图10所示的化学物质浓缩器20E取代图1至图5所示的化学物质浓缩器20的电极25、26而在多个吸附单元22的外部具备设置于基板24的加热部25E。加热部25E构成为经由基板24而对吸附件27(纳米线271)进行加热。吸附件27的纳米线271与壁面231相接。加热部25D例如由铂的电极图案构成。吸附件27(纳米线271)与吸附单元22的壁面232分离。

在图10所示的化学物质浓缩器20E中，吸附件27的纳米线271通过加热部25E并经由基板24而被加热，从而使得被吸附件27吸附的化学物质脱离。在化学物质浓缩器20E中，吸附件27(纳米线271)可以不是自加热型，能够从更多种的材料之中选择吸附件27的材料。

在利用液相生长来形成纳米线271的情况下，难以制成长的纳米线271。在图10所示的化学物质浓缩器20E中，多个吸附单元22被配置为使纳米线271在纳米线271延伸的高度方向上层叠。

图11A是实施方式中的又一化学物质浓缩器210的立体图。在图11A中，对于与图1至图5所示的化学物质浓缩器20相同的部分赋予相同的参照编号。

化学物质浓缩器210具有设置在流路21内的多个吸附部211(211A、211B)。吸附部211A、211B各自具有多个吸附单元22。多个吸附部211A、211B在流路21内沿着作为气体的样品100的流动方向D20相互隔离地配置。样品100在流动方向D20上流动。化学物质浓缩器210通过具有多个吸附部211A、211B，从而能够由多个吸附部211A、211B吸附多量的化学物质101。

吸附部211A的吸附件27的材料可以与吸附部211B的吸附件27的材料不同。被吸附件27吸附的化学物质101的种类根据吸附件27的材料而不同。因而，化学物质浓缩器210通过在吸附部211A、211B中使吸附件27的材料不同，从而能够使得被吸附部211A、211B吸附的化学物质101不同。根据该结构，化学物质浓缩器210能够对多个不同种类的化学物质101进行浓缩。

可以在吸附部211A与吸附部211B之间设置对样品100进行搅拌的搅拌机。搅拌机优选为管线搅拌机、螺旋搅拌机、磁力搅拌器、风扇、超声波搅拌机、碰撞壁。样品100中包含的化学物质101的组成有可能会在吸附部211A的后级产生空间上或者时间上的不均匀。通过在吸附部211A与吸附部211B之间设置对样品100进行搅拌的搅拌机，从而能够消除该不均匀。

图11B是从流动方向D20观察到的化学物质浓缩器210的剖视图。图11B示出吸附部211A的剖面，但也一并示出吸附部211B的贯通孔29。从流动方向D20观察，优选设置于吸附部211A的多个贯通孔29相对于设置于吸附部211B的多个贯通孔29偏离。由此，通过了吸附部211A的贯通孔29之后的样品100不易通过吸附部211B的贯通孔29。因此，在化学物质浓缩器210中，多量的样品100能够与吸附件27接触，能够由吸附件27吸附多量的化学物质101。多个贯通孔29的直径可以彼此相同，也可以彼此不同。

图12是实施方式中的化学物质检测器50的上表面立体图。气体的样品100在流动方向D20上流动。

化学物质检测器50具备设置在化学物质浓缩器20的后级即流动方向D20的下游侧的检测元件51。作为检测元件51，例如能够利用声表面波元件、电阻变化元件、晶体振荡器微量天平、使用了场效应晶体管的生物传感器、或者、近红外分光传感器、太赫分光传感器、光学传感器等。

化学物质检测器50由检测元件51检测被化学物质浓缩器20浓缩后的化学物质。检测元件51设置在与由多个吸附单元22构成的流路21连接的流路52内。即，被多个吸附单元22吸附后从多个吸附单元22脱离出的化学物质101由后级的检测元件51检测。

也可以在多个吸附单元22的前级或者/以及后级设置对样品100进行搅拌的搅拌机。搅拌机优选为管线搅拌机、螺旋搅拌机、磁力搅拌器、风扇、超声波搅拌机、碰撞壁。

另外，化学物质101也可以通过来自外部的压力、例如由泵、风扇等产生的压力向多个吸附单元22搬送。化学物质101可以通过扩散或者对流向多个吸附单元22搬送。被多个吸附单元22吸附后从多个吸附单元22脱离出的化学物质101也可以通过扩散或者对流向检测元件51搬送。在化学物质检测器50中，检测元件51可以设置在化学物质浓缩器20的前级、化学物质浓缩器20的与流动方向D20相反的一侧。

此外，多个吸附单元22和检测元件51的距离从检测灵敏度的观点出发优选短。多个吸附单元22和检测元件51可以相接。化学物质检测器50可以具备多个检测元件51。检测元件51可以设置在流路52的上表面，也可以设置在下表面或者侧面。

实施方式中的化学物质检测器50利用化学物质浓缩器20对样品100中的化学物质101进行浓缩，从而即便化学物质101的浓度低、或者化学物质101为微量，也能够灵敏度良好地检测化学物质101。

以上，关于一个或者多个形态涉及的化学物质浓缩器以及化学物质检测器，基于实施方式进行了说明，但本公开并不限定于该实施方式。只要不脱离本公开主旨，则对本实施方式实施了本领域技术人员可想到的各种变形而得到的方式、将不同实施方式中的构成要素组合起来构筑的方式也可以包含在一个或者多个形态的范围内。

符号说明

100 样品

101 化学物质

20、210 化学物质浓缩器

21、52 流路

22、42 吸附单元

211 吸附部

23 单元壁

231 壁面(第一壁面)

232 壁面(第二壁面)

24 基板

25、43 电极(第一电极)

26、44 电极(第二电极)

27、45 吸附件

271、451 纳米线

452 接合部

272 空隙

28 冷却部

29 贯通孔

30 空腔单元

46 空间

48A、48B 隔热层

50 化学物质检测器

51 检测元件