气体测定器及气体测定方法

技术领域

本公开涉及气体测定器及气体测定方法。

背景技术

专利文献1公开一种气体测定器。该气体测定器基于加热时的金属氧化物半导体的电阻值来测定样本气体中所包含的对象气体。对象气体包括甲苯及甲醛等挥发性有机化合物。

专利文献1：日本特开2020-041833号公报。

发明内容

作为对象气体的气味成分的化合物存在包含一对光学异构体的情况。光学异构体也被称为镜像异构体。光学异构体具有处于相互镜像关系的分子构造。光学异构体例如包含d体及l体。光学异构体中各自的熔点、沸点、密度这样的物理性质以及基本化学性质相同，并且生理作用不同。生理作用例如是指味觉或嗅觉等。因此，为了辨别气味，需要辨别d体和l体。然而，光学异构体的物理性质及化学性质相互相同，因此专利文献1中记载的气体测定器有可能无法辨别d体和l体。本公开提供一种能够辨别光学异构体的气体测定器。

本公开的一个侧面所涉及的气体测定器具备气体室、气体检测部、照射部、旋光测定部以及输出部。向气体室导入包含对象气体的样本气体。气体检测部检测已导入至气体室的样本气体中包含的对象气体。照射部使用偏振器向已导入至气体室的样本气体照射偏振光。旋光测定部使用检偏器测定从照射部向样本气体照射的偏振光与透过了样本气体的偏振光之间的旋光性。输出部将由气体检测部检测到的对象气体的信息、和由旋光测定部测定到的偏振光的旋光性信息建立关联并输出。

在该气体测定器中，由气体检测部检测样本气体中包含的对象气体。由此，在气体室中检测对象气体。从照射部照射的偏振光透过样本气体。偏振光的透过样本气体前后的旋光性由旋光测定部测定。在构成对象气体的气体分子具有光学异构体的情况下，在d体和l体中旋光性相互不同，因此旋光的旋转方向在d体及l体的每一个中不同。因此，偏振光的旋光性信息中包含由d体或l体中的哪一个光学异构体构成对象气体的信息。通过由气体检测部检测的对象气体的信息和偏振光的旋光性信息建立关联，而在构成对象气体的气体分子中包含光学异构体的情况下，能够辨别对象气体中包含d体或l体中的哪一个光学异构体。因此，该气体测定器能够辨别光学异构体。

在一个实施方式中，也可以旋光测定部及气体检测部由一个半导体传感器构成。也可以一个半导体传感器构成为对光及气体中的任意一者都进行响应。该情况下，气体测定器与旋光测定部及气体检测部分别由不同的传感器构成的情况相比，能够实现简易的结构。

在一个实施方式中，也可以气体测定器具备分光部。也可以分光部将向样本气体照射的偏振光分光为多个偏振光。也可以旋光测定部测定从照射部向样本气体照射的偏振光与由分光部分光并透过了样本气体的多个偏振光中的每一个之间的旋光性。该情况下，从照射部向样本气体照射的偏振光由分光部分光为波长分别不同的多个偏振光。光学异构体的旋光性根据偏振光的波长而不同。因此，该气体测定器与测定基于单一波长的偏振光的旋光性的情况相比，能够更加详细地辨别光学异构体。

在一个实施方式中，也可以气体测定器具备气体导入部及气流控制部。也可以气体导入部在气体室内形成样本气体的气体流动。也可以气流控制部具有供样本气体通过的多个开口。也可以气体检测部检测通过了气流控制部的开口的样本气体中包含的对象气体。该情况下，通过多个开口的整流作用，样本气体的流动方向和样本气体的流量稳定。因此，气体测定器能够实现对象气体的稳定检测。

在一个实施方式中，也可以气流控制部将透过了样本气体的偏振光分光为多个偏振光。也可以旋光测定部测定从照射部向样本气体照射的偏振光与由气流控制部分光并透过了样本气体的多个偏振光中的每一个之间的旋光性。该情况下，气流控制部具有分光部的功能，因此该气体测定器与分别独立地具有气流控制部和分光部的结构相比，能够实现简易的结构。

本公开的另一侧面所涉及的气体测定方法具备以下(1)～(5)的步骤。该气体测定方法起到与上述的气体测定器相同的效果。

(1)向气体室导入包含对象气体的样本气体的导入步骤。

(2)检测已导入至气体室的样本气体中包含的对象气体的气体检测步骤。

(3)向已导入至气体室的样本气体照射偏振光的照射步骤。

(4)测定向样本气体照射的偏振光与透过了样本气体的偏振光之间的旋光性的光检测步骤。

(5)将在气体检测步骤中检测到的对象气体的信息、和在光检测步骤中检测到的偏振光的旋光性信息建立关联并输出的输出步骤。

根据本公开，能够辨别光学异构体。

附图说明

图1是表示一个实施方式所涉及的气体测定器的剖面结构图。

图2的(a)是表示d体(+)柠檬烯的结构式。图2的(b)是表示l体(－)柠檬烯的结构式。

图3是表示一个实施方式所涉及的气体测定器的动作的流程图。

图4是表示实施方式所涉及的气体测定器的变形例的剖面结构图。

图5是表示实施方式所涉及的气体测定器的变形例的剖面结构图。

图6是表示实施方式所涉及的气体测定器的变形例的剖面结构图。

图7是表示实施方式所涉及的气体测定器的变形例的剖面结构图。

具体实施方式

以下，参照附图对本公开的实施方式进行说明。此外，在以下说明中，对同一或相当的要素标注同一附图标记，不重复进行重复的说明。附图的尺寸比例并非一定与说明的尺寸比例一致。“上”“下”“左”“右”的用语是基于图示的状态的用语，是为了方便的用语。

[气体测定器]

图1是表示一个实施方式所涉及的气体测定器1的剖面结构图。图1所示的气体测定器1检测对象气体。对象气体例如是大气中包含的气味成分。对象气体中包含的气体成分可以是光学异构体。以下，作为对象气体的一个例子，对柠檬烯(C

如图1所示，气体测定器1具备在其内部划分气体室S的壳体10。在壳体10设置吸气部11及排气部12。吸气部11及排气部12与气体室S连通。作为一个例子，包含对象气体的样本气体能够从吸气部11导入至气体室S。样本气体只要是包含对象气体的气体即可，不特别限定。例如，样本气体也可以是大气等。已导入至气体室S的样本气体能够从排气部12排出。

在吸气部11设置气体导入部13。气体导入部13向气体室S导入样本气体，在气体室S内形成样本气体的气体流动。气体导入部13例如是泵、压缩机或者送风机。

气体测定器1具备气体检测部20、照射部30、旋光测定部40、输出部50以及控制部60。气体检测部20、照射部30以及旋光测定部40配置于壳体10的内部。气体检测部20是检测对象气体的气体传感器。气体检测部20可以仅针对对象气体选择性地进行响应，也可以对包括对象气体在内的多种气体进行响应。气体检测部20输出对象气体的信息作为检测结果。对象气体的信息例如是气体种类、浓度等。气体检测部20也可以以对象气体的浓度阈值为基准地输出对象气体的有无作为对象气体的信息。气体检测部20可以是半导体式、电化学式、石英振子式等中的任意一种气体传感器。以下，作为气体检测部20的一个例子，对针对对象气体选择性地进行响应的半导体式气体传感器进行说明。半导体式气体传感器由半导体传感器构成。对象气体的种类及对象气体的浓度作为电信号被检测。

作为一个例子，半导体传感器是由多个传感器阵列构成的电位型传感器。半导体传感器中也可以设置感应膜。设置了感应膜的半导体传感器将对象气体作为电信号进行检测。感应膜例如包含聚苯胺(PANI)。感应膜也可以由多个感应膜构成。作为一个例子，感应膜由添加了十二烷基苯磺酸钠(SDBS)的感应膜、添加了甲磺酸(MSA)的感应膜、以及添加了γ-环糊精(γ-CD)的感应膜构成。

照射部30例如由光源及偏振器31构成。光源例如是钠灯。此外，光源也可以是水银灯、卤素灯或者LED。

偏振器31是使在规定的振动方向上振动的偏振光透过的光学元件。偏振器31例如是偏光板。在本实施方式中，作为一个例子，偏振器31设置于照射部30。由光源产生的光向偏振器31入射。偏振器31从该光中使偏振光L透过。经由偏振器31向样本气体照射偏振光L。如上所述，照射部30使用偏振器31向已导入至气体室S的样本气体照射偏振光。此外，偏振器31也可以从光源分离地设置，并不需要和光源一起作为物理上的一个设备一体地设置。

旋光测定部40例如由检偏器41、编码器以及光传感器构成。检偏器41是使在规定的振动方向上振动的偏振光透过的光学元件。检偏器41设置为能够以与偏振光L的光路平行的旋转轴为中心旋转。检偏器41例如是偏光板。检偏器41也可以是和偏振器31同一结构的偏光板。也可以检偏器41支承于旋转机构，并且检偏器41的旋转角度由编码器测定。通过检偏器41旋转，来变更能够透过检偏器41的光的振动方向。在本实施方式中，作为一个例子，检偏器41及编码器设置于旋光测定部40。透过了样本气体的偏振光L向检偏器41入射。偏振光L在满足振动方向的条件的情况下透过检偏器41。向旋光测定部40照射透过了检偏器41的偏振光L。此外，检偏器41及编码器也可以从光传感器分离地设置，并不需要和光传感器一起作为一个设备一体地设置。

构成旋光测定部40的光传感器例如包括将光作为电信号进行检测的光电元件。光传感器检测透过了检偏器41的偏振光。透过了检偏器41的偏振光具有由检偏器41的旋转角度及旋转方向表现的旋光性。检偏器41的旋转角度示出透过了样本气体的偏振光L的旋光方向及旋光角。旋光角由以透过偏振器31的偏光板的偏振光L的振动方向为基准的检偏器41的旋转角度表现。

例如，首先设定经由偏振器31向样本气体照射的偏振光L的振动方向作为基准角。也可以设定使偏振器31的朝向和检偏器41的朝向一致的状态作为基准角。在检偏器41位于基准角时，编码器的角度设定为0度。

透过了样本气体及检偏器41的偏振光L向旋光测定部40入射。此时，以将光作为电信号进行检测的光传感器的输出成为最大的方式，调整检偏器41的旋转角度。光传感器的输出成为最大的检偏器41的旋转角度示出经由偏振器31向样本气体照射的偏振光L与透过了样本气体及检偏器41的偏振光L之间的旋光性。这样，基于检偏器41的旋转位置(旋转角度)及旋光测定部40的测定结果，测定向样本气体照射的偏振光L与透过了样本气体的偏振光L之间的旋光性。如上所述，旋光测定部40使用检偏器41测定从照射部30向样本气体照射的偏振光L与透过了样本气体的偏振光L之间的旋光性。

作为一个例子，设置于检偏器41的编码器检测旋光测定部40的输出成为最大时的检偏器41的旋转角度及旋转方向。取得由编码器检测到的检偏器41的旋转角度及旋转方向作为偏振光L的旋光性信息。这样，偏振光L的旋光性也可以包含旋光性的大小(程度)及旋光方向等旋光性信息。旋光性的大小可以是检偏器41的旋转角度自身，也可以是从检偏器41的旋转角度导出的数值等。从检偏器41的旋转角度导出的数值例如是比旋光度。偏振光L的旋光性信息也可以是示出d体、l体中的任意一者的信息。此外，作业者等也可以测定将光作为电信号进行检测的旋光测定部40的光传感器的输出成为最大时的检偏器41的旋转角度及旋转方向。

旋光测定部40及气体检测部20也可以构成为一个半导体传感器。即，如图1所示，也可以在同一基板上配置旋光测定部40及气体检测部20，构成一个半导体传感器。该情况下，一个半导体传感器构成为对光及气体中的任意一者都进行响应。

输出部50将由气体检测部20检测到的对象气体的信息、和由旋光测定部40检测到的偏振光L的旋光性信息建立关联并输出。建立关联是指使已建立关联的信息成为能够参照或能够识别与对象气体的信息对应的偏振光L的旋光性信息的状态。输出包括存储于存储器等磁记录介质、光记录介质，而不仅是显示于显示器、纸介质。例如，输出部50将对象气体的浓度和旋光的大小及旋光方向建立关联并输出。对象气体的浓度是对象气体的信息的一个例子。旋光的大小及旋光方向是偏振光L的旋光性信息的一个例子。输出部50也可以将对象气体的种类和表示d体、l体中的任意一者的信息建立关联并输出。例如，输出部50也可以输出示出(+)柠檬烯或(－)柠檬烯中的任意一者的信息。输出部50也可以基于示出(+)柠檬烯或(－)柠檬烯中的任意一者的信息，输出示出柠檬气味(或橙子气味)或者薄荷气味中的任意一者的信息。这样判定气味并输出的情况也包含于将对象气体的信息和偏振光L的旋光性信息建立关联并输出的形态。作为一个例子，控制部60包括处理器、存储器、晶体振荡器以及A/D转换器。例如，气体检测部20、照射部30、旋光测定部40以及输出部50能够由控制部60控制。

此外，在上述实施方式中，对在旋光测定部40设置编码器的一个例子进行了说明，但编码器也可以设置于照射部30。该情况下，基于偏振器31的旋转位置(旋转角度)及旋光测定部40的测定结果，测定向样本气体照射的偏振光L与透过了样本气体的偏振光L之间的旋光性。

[气体测定器的动作]

图3是表示实施方式所涉及的气体测定方法的一个例子的流程图。图3所示的流程图的工序示出气体测定器1的动作。作为一个例子，对象气体是柠檬烯。

如图3所示，首先，气体测定器1导入包含对象气体的样本气体(导入步骤S10)。例如气体测定器1的控制部60使样本气体从吸气部11向气体室S导入。作为具体的一个例子，控制部60使气体测定器1的气体导入部13动作，向气体室S导入包含对象气体的大气。

接下来，气体测定器1检测已导入至气体室S的样本气体中包含的对象气体(气体检测步骤S20)。例如气体测定器1的控制部60使气体检测部20动作，检测已导入至气体室S的大气中包含的对象气体的浓度作为对象气体的信息。接下来，气体测定器1向已导入气体室S的样本气体照射偏振光L(照射步骤S30)。例如气体测定器1的控制部60使照射部30动作，对已导入至气体室S的大气照射偏振光L。

接下来，气体测定器1测定向样本气体照射的偏振光L与透过了样本气体的偏振光L之间的旋光性(光检测步骤S40)。例如气体测定器1的控制部60一边使检偏器41旋转一边使旋光测定部40动作，检测旋光性的大小及旋光方向作为偏振光L的旋光性信息。作为具体的一个例子，控制部60一边使检偏器41旋转一边使旋光测定部40动作，使编码器检测旋光测定部40的输出成为最大时的检偏器41的旋转角度。

最后，气体测定器1将在气体检测步骤S20中检测到的对象气体的信息、和在光检测步骤S40中检测到的偏振光L的旋光性信息建立关联并输出(输出步骤S50)。例如，气体测定器1的控制部60使输出部50动作，使对象气体的浓度和旋光的大小及旋光方向显示于显示器。以上，图3所示的流程图结束。

[实施方式的总结]

在气体测定器1中，向气体室S导入大气，由气体检测部20检测大气中包含的柠檬烯。由此，在气体室S中检测柠檬烯。在气体室S中，由柠檬烯产生的旋光通过旋光测定部40检测。在柠檬烯的光学异构体的(+)柠檬烯和(－)柠檬烯中，旋光性相互不同，因此旋光的旋转方向在(+)柠檬烯及(－)柠檬烯的每一个中不同。因此，由旋光测定部40检测到的偏振光L的旋光性信息中包含示出是(+)柠檬烯及(－)柠檬烯中的哪一种光学异构体的信息。在旋光方向为右旋光(顺时针)的情况下，检测到(+)柠檬烯。在旋光方向为左旋光(逆时针)的情况下，检测(－)到柠檬烯。这样，气体测定器1能够辨别处于光学异构体(镜像异构体)的关系的柠檬烯。

在气体测定器1中，旋光测定部40及气体检测部20能够由一个半导体传感器构成。由此，实现气体测定器1的简易的结构。

[变形例]

图4是表示实施方式所涉及的气体测定器的变形例的剖面结构图。图4所示的气体测定器1A和图1所示的气体测定器1比较，在具备分光部70这一点不同，其他相同。以下，以不同点为中心进行说明，省略重复的说明。

经由偏振器31向样本气体照射的偏振光L向分光部70入射。分光部70将已入射的偏振光L分光为多个偏振光LS。分光部70例如是棱镜。照射部30及分光部70配置为隔着气体室S地和旋光测定部40相对。从偏振器31射出的偏振光L向分光部70入射。入射至分光部70的偏振光L被分光为多个偏振光LS。多个偏振光LS是波长相互不同的偏振光。多个偏振光LS在透过样本气体后向旋光测定部40入射。

检测经由偏振器31向样本气体照射的偏振光L与由分光部70分光并透过了样本气体及检偏器41的多个偏振光LS中的每一个之间的旋光性。例如，多个偏振光LS的每一个向旋光测定部40的多个区域入射。该多个区域可以是分别按波长不同的多个偏振光LS分割的区域。该多个区域也可以是比多个偏振光LS更细地分割的区域。在该多个区域配置上述的多个传感器阵列。以区域为单位(以多个偏振光的每个为单位)检测经由偏振器31向样本气体照射的偏振光L与透过了样本气体的多个偏振光LS中的每一个之间的旋光性。该多个区域的传感器阵列分别检测与波长不同的多个偏振光LS中的每一个对应的旋光。作为结果，气体测定器1A能够通过简易的结构提供分别测定对象气体相对于波长不同的多个偏振光LS的旋光性的功能。例如，该多个区域的传感器阵列中包含的一组传感器阵列能够进行与规定波长的旋光性相应的输出。该多个区域的传感器阵列中包含的另一组传感器阵列能够进行与另一波长的旋光性相应的输出。由此，气体测定器1A能够作为单独的测定器，提供测定与不同波长的偏振光LS相应的旋光性的功能。

根据气体测定器1A，经由偏振器31向样本气体照射的偏振光L由分光部70分别分光为波长不同的多个偏振光LS。光学异构体的旋光性根据偏振光的波长而不同。这样，在气体测定器1A中，检测与波长不同的多个偏振光LS中的每一个对应的旋光性。因此，气体测定器1A能够更加详细地辨别光学异构体。

根据气体测定器1A，偏振光L透过分光部70并被分光为波长分别不同的多个偏振光LS。对象气体所吸收的光的波长根据对象气体的种类而不同。旋光测定部40测定透过了对象气体的光的旋光，因此气体测定器1A能够基于透过对象气体的光的波长和旋光来进行气体分析。

图5是表示实施方式所涉及的气体测定器的变形例的剖面结构图。图5所示的气体测定器1B和图4所示的气体测定器1A比较，配置分光部70的位置不同，其他相同。以下，以不同点为中心进行说明，省略重复的说明。

在气体测定器1B中，分光部70配置为隔着气体室S地和照射部30及旋光测定部40相对。从照射部30经由偏振器31射出的偏振光L在透过样本气体后向分光部70入射。入射至分光部70的偏振光L被分光为多个偏振光LS。多个偏振光LS是波长相互不同的偏振光。多个偏振光LS在透过样本气体后透过检偏器41向旋光测定部40入射。

在气体测定器1B中，偏振光L在透过样本气体后向分光部70入射。偏振光L在由分光部70分光为多个偏振光LS后进一步向样本气体入射。因此，和气体测定器1A相比，在气体测定器1B中，偏振光L、LS透过样本气体的光路长较长。因此，气体测定器1B和气体测定器1A相比，能够准确地测定旋光性。因此，气体测定器1B能够更加详细地辨别光学异构体。

图6是表示实施方式所涉及的气体测定器的变形例的剖面结构图。图6所示的气体测定器1C和图1所示的气体测定器1比较，在具备气流控制部80这一点不同，其他相同。以下，以不同点为中心进行说明，省略重复的说明。

气流控制部80具有供样本气体通过的多个开口。多个开口构成格子状的格栅。气流控制部80配置于气体检测部20的前段、即气体检测部20与样本气体的气流之间。由此，通过了气流控制部80的开口的样本气体到达至气体检测部20。样本气体在到达至气体检测部20之前由气流控制部80的开口整流。由此，到达至气体检测部20的样本气体的流动方向和样本气体的流量稳定。因此，气体测定器1C能够实现对象气体的稳定的检测。

气流控制部80也可以通过多个开口的开闭来控制朝向气体检测部20的样本气体的流动。气流控制部80包括MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)致动器。多个开口通过MEMS致动器的动作而开闭。例如可以在朝向气体检测部20的样本气体的流动较多的情况下，控制为多个开口关闭，在朝向气体检测部20的样本气体的流动较少的情况下，控制为多个开口打开。

气流控制部80能够控制朝向气体检测部20的气体分子的分子量。在多个开口构成等间隔的比较窄的空间时，气体分子按朝向穿过多个开口的方向的动能从大到小的顺序穿过多个开口。例如，分子量较大较重的气体分子能够以比较早的顺序到达至气体检测部20。

在多个开口构成等间隔的比较宽的空间时，气体分子与朝向穿过多个开口的方向的动能无关地穿过多个开口。和多个开口构成等间隔的比较窄的空间相比，分子量较小较轻的气体分子能够以比较早的顺序到达至气体检测部20。此外，也可以在多个开口对光学异构体中的一方实施具有选择性的涂布。如上所述，气体测定器1C能够进行基于气体分子的旋光性和气体分子的分子量这两个特性的气体分析。气体测定器1C能够进行包含多个种类的对象气体的混合气的气体分析。

图7是表示实施方式所涉及的气体测定器的变形例的剖面结构图。图7所示的气体测定器1D和图1所示的气体测定器1比较，在具备气流控制部81这一点不同，其他相同。以下，以不同点为中心进行说明，省略重复的说明。

作为一个例子，气流控制部81配置于气体检测部20及旋光测定部40的前段、即气体检测部20及旋光测定部40与样本气体的气流之间。由此，通过了气流控制部81的多个开口的样本气体到达至气体检测部20，并且透过了样本气体的偏振光L经由气流控制部81及检偏器41向旋光测定部40入射。气流控制部81将入射至气流控制部81的偏振光L分光为多个偏振光LS。被气流控制部81分光的多个偏振光LS在透过检偏器41后向旋光测定部40入射。气流控制部81例如由硅(Si)等含有透光性的材料构成。气流控制部81也可以由树脂或石英形成。这样，气流控制部81具有上述的分光部70的功能和气流控制部80的功能。即，构成格子状的格栅的多个开口能够具有上述的分光部70的功能。

检测经由偏振器31向样本气体照射的偏振光L与透过样本气体并由气流控制部81分光的多个偏振光LS中的每一个之间的旋光性。这样，气体测定器1D的气流控制部81具有分光部70的功能和气流控制部80的功能，因此能够实现简易的结构。气体测定器1D能够进行基于气体分子相对于多个波长的旋光性和气体分子的分子量的气体分析。

以上，对各种例示性的实施方式进行了说明，但本公开并不限定于上述实施方式，也可以进行各种省略、置换以及变更。

例如，在气体室S中封入有样本气体的情况下，气体测定器1也可以不具备气体导入部13。预先在气体室S中填充有样本气体的情况下，气体测定器1也可以不具备气体导入部13。气体导入部13也可以设置于排气部12。该情况下，气体导入部13具有吸入样本气体的功能。

气体测定器也可以具备透明的气体吸附材料。透明的气体吸附材料配置于气体室。作为一个例子，透明的气体吸附材料是硅胶。样本气体吸附于透明的气体吸附材料。在吸附于透明的气体吸附材料的样本气体中，气体分子的密度提高。在具备透明的气体吸附材料的结构中，从照射部照射的偏振光透过吸附了样本气体的透明的气体吸附材料。