CN103299184A - 分析装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种分析装置，其具有对第一点照射激光的照射单元、使分析对象物会聚到第一点的会聚单元、以及通过离子迁移率传感器分析包含第一点处激光照射后的物质的样品气体的单元。会聚单元的一例，其包括使液态的载体物质捕捉分析对象物的单元以及向第一点射出包含分析对象物的载体物质的射出单元。

Description

分析装置
技术领域
本发明涉及检测化学物质的装置。
背景技术
作为以高灵敏度检测、分析化学物质的技术，近年来，称之为场非对称性离子迁移谱仪(FAIMS)的装置引人注目。在该装置中，能够通过使施加于传感器的直流电压与交流电压变化，来用微小的过滤器检测离子化的化学物质的迁移率的变化，根据其检测结果的差异确定化学物质。
国际公开WO2006/013396号(日本特表2008-508693号)公报记载了具有至少一个包括多个电极的离子通道形状的离子过滤器的离子迁移谱仪。在该离子迁移谱仪中，根据施加于导电层的随时间而发生变化的电位，填充剂可以选择性引入离子种类。电位具有驱动电场成分和横向电场(transverseelectric field)成分，在优选的实施方式中，各个电极参与生成驱动电场和横向电场两者的成分。设备即使没有迁移气流(drift gas flow)也能使用。此外，在该文献中记载了用于制作属于谱仪的各种用途的微标度谱仪的微细加工技术。
发明内容
能够简单地检测病毒、细菌是重要的。在使用离子迁移率传感器的分析装置中，基本上无法测量含有病毒、细菌的微生物。
本发明的实施方式之一是一种分析装置，其具有：照射单元，其向第一点照射激光；会聚单元，其使分析对象物会聚到第一点；以及分析单元，其通过离子迁移率传感器分析包含第一点处激光照射后的物质的样品气体。该分析装置可以通过激光照射来破坏分析对象物。因此，即使是对于用离子迁移率传感器检测或分析微生物等来说过大的个体，也可通过激光照射分解成能够用离子迁移率传感器检测的分子并进行分析。
会聚单元可以包括：捕捉单元，其使液态的载体物质捕捉分析对象物；以及射出单元，其向第一点射出包含分析对象物的载体物质。可以使射出载体物质的时机与激光照射的时机一致，可以提高激光照射导致的分析对象物的破坏效率。射出单元可以包括射出包含分析对象物的载体物质的喷墨头。
载体物质优选包括由于激光照射而放出标记用的化学物质的标记源物质。可以将与标记用的化学物质一起通过离子迁移率传感器检测到的化学物质判断为由分析对象物衍生出的化学物质。
标记源物质的一例包括标记用的化学物质以及内含标记用的化学物质的纳米胶囊，该纳米胶囊由于激光照射而放出标记用的化学物质。可以准备对激光照射的能级有所反应的纳米胶囊，易于判断激光照射的有无和与此连锁形成的分析对象物的衍生物质。
本发明的另一个实施方式是包括以下步骤的分析方法。
·使分析对象物会聚到激光照射的第一点。
·通过离子迁移率传感器分析包含第一点处激光照射后的物质的样品气体。
本发明的又一个实施方式是包括以下步骤的分析方法。
·使液态的载体物质捕捉分析对象物。
·向第一点射出包含分析对象物的载体物质，并照射激光。其中，载体物质包括由于激光照射而放出标记用的化学物质的标记源物质。
·通过离子迁移率传感器分析包含第一点处激光照射后的物质的样品气体。
·将与标记用的化学物质一起通过离子迁移率传感器检测到的化学物质判断为由分析对象物衍生出的化学物质。
附图说明
图1是表示分析装置的概要结构的框图。
图2是分析装置的输出例，图2的(a)为包含病毒A的样本的分析例，图2的(b)为包含病毒B的样本的分析例。
图3是表示另一分析装置的概要结构的框图。
图4是示意性地表示对射出的液滴照射激光的情形的图。
图5是分析装置的输出例，图5的(a)为背景，图5的(b)为检测到标记物质的例子，图5的(c)为衍生物质与标记物质一起被检测到的例子。
图6是表示分析装置的处理的概要的流程图。
具体实施方式
图1示出了分析装置的一例。该分析装置10包括：取样单元(取样管)11，其采集室内的空气(样品气体)21；锥状的导向叶片(guide vane)(会聚单元)12，其将样品气体21引导成会聚到被激光照射的第一点TP；激光枪(照射单元)33，其向第一点TP照射激光31；以及激光驱动装置35，其驱动激光枪33来输出激光31。分析装置10还包括：供给通路13，其使激光照射后的样品气体21通过微型过滤器14和离子化单元16而供给至离子迁移率传感器18；以及排气泵19，其抽吸样品气体21。
离子迁移率传感器(离子迁移谱仪，Ion Mobility Spectrometry)18基于迁移率之差将被离子化单元16离子化的化学物质(分子)以谱(离子电流、离子强度)的方式进行输出。该分析装置10包括称之为非对称电场离子迁移谱仪(FAIMS，Field Asymmetric wave Ion Mobility Spectrometry)或微分型离子迁移谱仪(DMS，Differential Ion Mobility Spectrometry)的离子迁移率传感器18。这种谱仪(传感器，以下称为FAIMS)18在电场沟道18a中形成以高压-低压变化的非对称电场，向该非对称电场输入离子化的分子流。而且，通过电极18b测量通过非对称电场的离子电流。作为市售的袖珍型FAIMS，可列举出SIONEX公司的micro DMx、OWLSTONE公司的FAIMS设备。
离子化单元16的一例是使用镍的同位素(Ni63)的间接离子化单元。可以是使用电晕放电的离子化单元，也可以是使用UV的直接离子化单元。
分析装置10还包括控制装置，典型而言为个人计算机(PC)40。利用PC40进行分析装置10的控制和通过FAIMS传感器18获得的数据的分析。PC40包括CPU41、内存42、硬盘等存储器43和将它们连接的总线44等构成计算机的一般硬件资源。PC40还包括控制分析装置10来分析数据的分析单元45。分析单元45可以作为ASIC(专用集成电路)或LSI(大规模集成电路)等半导体器件而提供，也可以作为CPU41中运行的程序(程序产品)而提供。分析单元45包括控制激光驱动装置35、FAIMS传感器18等的控制器46以及分析FAIMS传感器18的数据的分析仪47。分析单元45也可以包括经由适当的传感器取得FAIMS传感器18的温度、湿度、气压等环境条件来校正由FAIMS传感器18获得的数据的功能。
在该分析装置10中，使取样管11中流动的样品气体21集中(会聚)到由导向叶片12限定的场所(面积)中，对其会聚的点TP照射激光。因此，可以通过激光31将样品气体21中含有的病毒和/或细菌等、以及样品气体21中含有的细胞、其它蛋白质等高分子进行破坏(分解)。激光枪33只要能够选择性切断细胞、蛋白质等特定的结合强度弱的部分即可，可以是紫外线激光器、X射线激光器等通过激光将适当的能量赋予样品气体21的激光器。破坏所得到的物质与样品气体21一起通过微型过滤器14在离子化单元16中离子化，用FAIMS传感器18检测。
图2中示出了通过FAIMS传感器18获得的谱的若干个例子。图2的(a)是对含有病毒A的样品气体21照射激光31时所获得的谱，图2的(b)是对含有病毒B的样品气体21照射激光31时所获得的谱。通过使FAIMS传感器18的补偿电压Vc变化时的离子电流(离子强度)Ic来表示谱。
病毒、细菌、高分子蛋白质等难以达到相对于质量(分子量)而言的充分的离子化，用FAIMS传感器18不容易检测。然而，通过对它们照射激光，可以分解为可离子化程度的分子量的物体，可以用FAIMS18对它们进行检测。分析单元45的分析仪47分析由FAIMS传感器18获得的数据，与存储器43等中保存的病毒库中登记的化学物质比较，根据由病毒分解衍生出的化学物质(衍生物质)，探索或推断破坏前的病毒。
病毒、细菌等微生物和蛋白质等高分子(以下称为微生物等)具有存在某种规则性的分子结构、DNA结构。因此，在以一定条件照射激光来破坏的情况下，微生物等的化学键弱的部分被破坏，生成极具特征的化学物质(衍生物质)。因此，由FAIMS传感器18分析微生物等被破坏的样品气体21所得到的谱大多变得独特，可以通过验证谱中含有的化学物质来推断微生物。
图3中示出了分析装置的另一例。该分析装置50包括取样单元51，其从室内等抽吸一次样品气体21；以及会聚单元52，其使一次样品气体21中含有的分析对象物、即微生物等会聚到被激光照射的第一点TP。取样单元51包括抽吸喷嘴51a和取样泵51b。
会聚单元52包括：捕捉单元53，所述捕捉单元53使由取样泵51b采集的一次样品气体21通过液态的载体物质29，来使载体物质29捕捉一次样品气体21中含有的微生物等22；射出单元54，所述射出单元54向第一点TP射出含有微生物等的载体物质29；以及泵59，所述泵59将载体物质29输送到射出单元54。
液态的载体物质29典型地为水，在捕捉单元53中，通过使一次样品气体21在水中鼓泡，来使一次样品气体21中含有的微生物等22浓缩到水29中。捕捉单元53包括将微生物等22与水29混合的容器53b以及将水29提供给容器53b的管线53a。通过确保在容器53b中某种程度的滞留时间，同时从供给管线53a提供对容器53b的内部定期更换的程度的水29，虽然有可能产生少许时间差，但是能够使室内等的微生物等22的状况以接近实时的状态反映在作为载体物质的水29中。
载体物质29还包括标记源物质60。标记源物质60包括标记用的化学物质和内含该化学物质的纳米胶囊。纳米胶囊由于激光照射而被加热，达到规定的温度时溶解，放出内含的标记用的化学物质。纳米胶囊优选具有与作为分析对象的微生物等22相同程度的大小，例如是直径为0.1μm～几μm、优选1nm～1000nm左右、更为优选1nm～100nm的微胶囊、亚微米胶囊或尺寸比这更小的胶囊，其制造方法有若干种。例如，作为使用界面聚合法的代表性方法，有使用多异氰酸酯的聚氨酯胶囊和三聚氰胺-甲醛树脂胶囊。在由聚氨酯形成的胶囊的情况下，预先将多异氰酸酯与多羟基化合物两者同时溶解在油相中，将其在保护胶体水溶液中乳化分散，进一步升温，发生反应，从而形成胶囊壁。在由三聚氰胺-甲醛树脂形成的胶囊的情况下，使用水可溶性的三聚氰胺-甲醛预聚物。在保护胶体水溶液中乳化分散有溶解了染料前体的油的水包油(O/W)乳液中，添加该预聚物水溶液，在弱酸性区域(pH3～6)中加热搅拌时，高分子沉积于O/W界面，从而获得纳米胶囊。作为保护胶体，可以使用具有起着促进三聚氰胺-甲醛树脂的缩聚反应的酸催化剂的功能的物质(例如，苯乙烯磺酸系聚合物、苯乙烯与马来酸酐的共聚物、乙烯与马来酸酐的共聚物、阿拉伯树胶、聚丙烯酸等)。
优选的是标记物质能够包含在纳米胶囊中且在纳米胶囊溶解时气化的物质。更为优选的是，标记物质是在通过FAIMS传感器18测量用激光分解微生物等22所得到的衍生物质时峰不重复的物质。标记物质的一例是挥发性高的烃化合物或芳香族化合物等。
射出装置54包括向第一点TP射出含有标记源物质60和微生物等22的载体物质(水)29的喷墨头55以及驱动喷墨头55的头驱动装置56。
分析装置50还包括：密闭式室57，其包括喷墨头55射出液滴的第一点TP；以及激光枪(激光照射单元)33，其向室57内的第一点TP照射激光31。激光枪33由头驱动装置56控制，使得与喷墨头55同步地照射激光31。
分析装置50还包括将载气24供给至室57的泵(风扇、吹风机)58a以及对供给至室57的载气24进行过滤的微型过滤器58b。在室57的内部，包含微生物等22和标记源物质60的载体物质29的液滴29a由于照射激光31而蒸发以及被破坏。含有被破坏的物质的载气(二次样品气体)25与上述分析装置同样地通过微型过滤器14在离子化单元16中离子化，利用FAIMS传感器18进行分析。
图4中示意性地示出了在室57的内部通过激光31照射载体物质29的液滴29a的情形。液滴29a从喷墨头55中射出时，与射出的时机同步地在第一点TP处从激光枪33照射激光31使得照到液滴29a。当激光31照到液滴29a时，皮升或飞升单位的构成液滴29a的载体物质29蒸发，激光31照到液体29a中含有的标记源物质60和微生物等22，使它们溶解或分解。
标记源物质60的纳米胶囊61由通过所照射的激光31的能量而迅速溶解或破坏的材料构成。因此，激光31照射时，纳米胶囊61溶解，纳米胶囊61中包含的标记物质62被放出。同时，微生物等22也由于激光31而破坏或分解，形成由微生物等22衍生出的化学物质(衍生物质)26。它们与载气(典型地为空气)24一起作为第二次样品气体25从室57放出。
激光枪33可以按皮秒或飞秒单位照射激光。通过照射飞秒脉冲激光，能够不使微生物等22蒸发或升华而以更良好的精度使分子破坏、飞散，使得生成衍生物质。另外，与MALDI法(基质辅助激光解吸/电离法)同样地，在载体物质29中加入吸收激光而蒸发的辅助剂例如金属粉末，从而可以抑制微生物等22由于激光而蒸发。
图5中示出了在PC40的分析单元45中获得的FAIMS传感器18的输出(谱)的若干个例子。图5的(a)的谱为背景的一例，可见到表示空气中水分的峰(RIP)P1。图5的(b)的谱是向载体物质的液滴29a照射激光31时获得的第二次样品气体25的一例。出现了激光31照射于液滴29a中含有的标记源物质60而放出标记物质62所得到的峰P2。
图5的(c)的谱是向载体物质的液滴29a照射激光31时获得的第二次样品气体25的另一例。除了出现对液滴29a中含有的标记源物质60照射激光31而产生的标记物质62的峰P2以外，还出现了对微生物等22照射激光31而产生的衍生物质(碎片)的化学物质的峰P3和P4。
图3所示的分析单元45包括将与标记用的化学物质的峰P2一起通过FAIMS传感器18检测到的化学物质的峰P3和P4判断为由分析对象物的微生物等22衍生出的化学物质的功能(功能单元)48。因此，分析单元45的分析仪47中，如果判断功能48判断为由微生物等22形成的化学物质的峰，则根据该峰P3和P4推断化学物质，推断出在一次样品气体21中含有包含这些化学物质的微生物等22。
分析仪47使用存储器43中保存的化学物质库、可通过因特网等计算机网络进行访问的其它数据库或程序库，用各种拟合方法、模拟退火法(simulatedannealing)、平均场退火法(mean field annealing)、基因算法(geneticalgorithm)、神经网络(Neural network)等方法来分析化学物质，推断衍生出化学物质的微生物等22。此外，在分析装置50的构成中，对于与分析装置10共同的部分标注相同的附图标记，并省略说明。
图6是表示在分析装置50中分析样品气体的处理的概要的流程图。在步骤81中，采集包含作为分析对象物的微生物等22的一次样品气体21，在捕捉单元53中捕捉到液态的载体物质(水29)中。接着，在步骤82中，通过包括喷墨头55的射出单元54，向第一点TP射出包含微生物等22的载体物质，与该时机同步地，在步骤83中，激光枪33向第一点TP照射激光31。
在步骤84中，通过FAIMS传感器18分析包含激光照射后的物质的二次样品气体25。在步骤85中，如果检测到标记物质62，则判断功能48将与标记用的化学物质62一起检测到的化学物质的峰P3和P4判断为由微生物等22衍生出的化学物质，在步骤86中，分析仪47由化学物质推断一次样品气体21中含有的微生物等22。而且，PC40在步骤87中使用PC40的显示功能输出推断出的微生物等22，或者经由因特网等计算机网络输出到外部的机器等中。
此外，在上文中说明了在包含标记源物质的液态的载体物质29中捕捉微生物等22的例子，但载体物质29本身也可以不是水，而是有机溶剂等产生气味的标记物质。并且，载体物质29也可以由于激光照射而蒸发从而转换为标记物质。另外，包含微生物等的样品气体的取样并非一定是实时的，也可以使用适当的取样器在时间或空间上远离分析装置的场所进行取样。
在食品加工领域、医学领域、乳畜业领域等众多领域中，检测、分析各种病毒和细菌是非常重要的。然而，目前，作为FAIMS传感器的应用对象，由于微生物等的确定是很困难的，因此多数不在测量对象内。根据本发明，以下优点是不可估量的，即能够实时或在接近实时的时间防止食品污染、院内感染和院内污染，确定其它医用领域中的病毒、细菌。
在上述分析装置中，使用FAIMS传感器等离子迁移率传感器，可以实时或者在接近实时的极短时间内检测微生物等的存在，推断微生物等的种类。并且，该分析装置除了使样品气体中含有的病毒和细菌破坏(分解)，还使蛋白质等高分子破坏(分解)，由此能够通过离子迁移率传感器容易地进行检测。因此，可以与其它化学物质同样地，根据离子迁移率等由离子迁移率传感器获得的信息，表征多种病毒、细菌、蛋白质等。另外，通过构筑包含所表征的信息的数据库，可以用软件推断多种病毒、细菌、蛋白质等，从而可以确定它们。

Claims (7)

1.一种分析装置，其具有：
照射单元，其向第一点照射激光；
会聚单元，其使分析对象物会聚到所述第一点；以及
分析单元，其通过离子迁移率传感器分析包含所述第一点处激光照射后的物质的样品气体。
2.根据权利要求1所述的分析装置，所述会聚单元包括：
捕捉单元，其使液态的载体物质捕捉所述分析对象物；以及
射出单元，其向所述第一点射出包含所述分析对象物的载体物质。
3.根据权利要求2所述的分析装置，
所述载体物质包括由于激光照射而放出标记用的化学物质的标记源物质。
4.根据权利要求3所述的分析装置，所述标记源物质包括：
所述标记用的化学物质；以及
内含所述标记用的化学物质的纳米胶囊，所述纳米胶囊由于激光照射而放出所述标记用的化学物质。
5.根据权利要求2～4中的任一项所述的分析装置，
所述射出单元包括射出包含所述分析对象物的载体物质的喷墨头。
6.一种分析方法，包括如下步骤：
使分析对象物会聚到激光照射的第一点；以及
通过离子迁移率传感器分析包含所述第一点处激光照射后的物质的样品气体。
7.一种分析方法，包括如下步骤：
使液态的载体物质捕捉分析对象物；以及
向第一点射出包含所述分析对象物的所述载体物质，并照射激光，
其中，所述载体物质包括由于激光照射而放出标记用的化学物质的标记源物质，
所述分析方法还包括如下步骤：
通过离子迁移率传感器分析包含所述第一点处激光照射后的物质的样品气体；以及
将与所述标记用的化学物质一起通过所述离子迁移率传感器检测到的化学物质判断为由所述分析对象物衍生出的化学物质。
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C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20130911