JP2011163818A - ガス分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型で簡易な構造を有するとともに、検体ガスの成分分離の性能が高いガス分析装置を提供する。
【解決手段】本発明のガス分析装置は、検体ガスを導入するためのガス導入口を備えるガス導入部と、ガス導入部から供給される検体ガスを成分分離するためのマイクロカラムを備えるガス分離部と、ガス分離部により分離されたガス成分を検出するガス検出部とを備え、マイクロカラムは、その内部流路の壁面に固定相が修飾されており、該固定相は、３０℃での比誘電率が１０以上の極性材料からなることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガス分析装置に関し、特に、検体ガスに微量に含まれるガス成分を高精度に検出するガス分析装置に関する。

わが国では人口減少・少子高齢化が進展しており、総人口に対する６５歳以上の高齢者が占める割合が急速に増加しつつある。具体的には、２０１３年になると総人口に対し約２５．２％のほぼ４人に１人が高齢者となり、２０３５年になると総人口に対し約３３．７％のほぼ３人に１人が高齢者となると言われている。高齢者ほど医療機関を利用する割合は大きいことから、今後医療の負担が大きくなることが予想される。

加えて、若年層においては、生活環境が著しく改善されたこと、ＩＴ技術の進展により体を動かす機会が減少したこと等の理由により、メタボリックシンドロームが問題となっており、生活習慣病等の疾病を患う若年層の人口は年々増えてきている。このように若年層においても医療を利用する機会が増えているというのが現状である。

このような時代の趨勢から、医療が抱える負担はここ数年で限界に達するとも言われており、医療の負担を少しでも軽減することが望まれている。近年では特に医療機関を利用する機会を未然に防ぐことができる予防医療が注目されている。

予防医療を充実させることにより、疾病を患うことを予防することができ、もって疾病を患う人口を減少させることができる。このような手段を用いて疾病を患う人口が減少すれば、医療の負担を軽減することができるばかりか、医療保険制度の崩壊が叫ばれている現代において、医療費を軽減することができるというメリットもある。

そこで、予防医療を充実させるためには、身近な機器で個人が手軽に健康管理を行なうための健康情報を得るシステムを各家庭に普及させたいところである。健康情報を得るための指標としては、血圧、血液、尿、汗、唾液、呼気等の生体試料がある。かかる生体試料には、血液における血糖値のように、疾病またはその兆候に起因して数値が変化する物質が複数含まれている。

このような生体試料に含まれる物質の含有率を個々に測定することにより、健康情報を得ることをもって、自己の健康状態を的確に把握することができる。このように自己の健康状態を客観的に把握することにより、疾病を早期に発見することができ、疾病を患う前に事前にそれを回避するように生活を見直すことができる。

上記で挙げた生体試料の中でも、特に、呼気は、疾病またはその兆候に起因して数値が変化する物質を複数含む点、迅速かつ簡便にサンプリングおよび測定ができる点、ならびに、測定対象がガスであり非侵襲で測定でき、肉体的なダメージが小さい点等から、日々測定しても苦になりにくい、まさに日々の健康管理に最も適した生体試料の一つということもできる。

このような利点を有するため、呼気に含まれる成分に基づいて疾病を特定するという研究が活発化している。これまでの研究で呼気と疾病との相関が見られるものとしては、たとえば肺がん患者の呼気の成分は、健常者のそれと比べて呼気の成分が一部異なっていることが明らかとなっている。

より具体的には、呼気中に一酸化窒素および一酸化炭素を多く含む場合、肺疾患を患っている可能性が高いことがわかっており、喘息および慢性閉塞性肺疾患（ＣＯＰＤ：Chronic Obstructive Pulmonary Diseases）の患者の呼気は、一酸化窒素および一酸化炭素が高い濃度で検出される。

呼気の成分と疾病との相関性が見られる別の例を挙げると、たとえば消化不良、十二指腸潰瘍等の胃腸疾患の患者の呼気は、水素が高い濃度で検出される傾向があり、脂質酸化、喘息、気管支炎等の患者の呼気は、酸化ストレスとの相関が高く、エタン、ペンタン等が高い濃度で検出される傾向がある。このように呼気に含まれる各成分の濃度を測定することにより、疾病情報の取得や健康指導を行なうことができる。

上記の中でも、特に呼気中のアセトンは、脂肪（脂肪酸）、タンパク質（アミノ酸）を分解したときに産出されることから、従来から糖代謝の活性度の指標として位置づけられている。断食中であって摂食していない状態のように極度に空腹であるとき、および重度の糖尿病を患っているときには、呼気中にアセトンを多く含むことが知られている。ともすれば、呼気中に含まれるアセトンの量を把握することにより、体脂肪の減少量を明確にすることができるとも考えられる。

体脂肪がアセトンとなって、体外に排出される詳細のメカニズムを説明すると、まず、脂肪が代謝される過程で血中にアセト酢酸、ヒドロキシ酪酸、アセトン等のケトン体が生成される。そして、生成されたケトン体のうち、アセト酢酸およびヒドロキシ酪酸は肝臓以外の臓器で再利用され、アセトンは肺を介して呼気として外部に排出される。ちなみに、脂肪の代謝は、食事制限や運動により血中グルコースが消費されて不足したときに、体内に蓄えられた体脂肪をエネルギーとして利用することにより行なわれる。

このようにアセトンは、体脂肪を燃焼する過程で生成され、しかも呼気中に含まれて排出されるため、呼気中のアセトンの濃度を測定することにより、体脂肪の燃焼状況を直接的に知ることができる。

ところで、呼気に含まれる複数成分の濃度を個別に測定する方法としては、従来、ガスクロマトグラフィを利用して各成分を分離した後に、熱伝導率型、水素炎イオン化、電子捕獲型、質量分析等の検出器により検出する方法が知られている。かかる検出方法によれば、ｐｐｂ−ｐｐｔレベルで高感度に各成分を検出することができるという利点を有する。

しかしながら、従来の呼気の測定機器、すなわちガスクロマトグラフィは、大型でかつ、重量があり、高額でもあり、しかも操作方法の習熟も必要でもあることから、各家庭に身近な機器として備えられるものとは言えなかった。

また、呼気中に含まれる成分を精確に分析するためには、呼気中に大量に含まれる水蒸気を除去する必要があるが、従来の呼気の測定機器には、呼気中の水分を除去するための前処理を行なう部位を備えていないため、呼気中に微量に含まれる成分の一部は検出されにくく、精確に分析することはできなかった。

特開２００２−１８１６７４号公報 特表２００５−５１２０６７号公報 特開２００６−１４５２５４号公報

このような課題を解決するための試みとして、たとえば特許文献１および特許文献２には、試料の前処理を行ない水分の除去を行なう装置が開示されている。しかし、特許文献１および特許文献２の装置は、分析装置の他に水分除去ユニットを設置する必要があるため、装置の構造が複雑化し、結果として装置全体が大型化する傾向があった。

また、特許文献３には、通常のガスクロマトグラフィのカラムを使用することにより、水の検出を行なう技術が開示されている。しかしながら、特許文献３の方法は、ガスクロマトグラフ装置を用いることが必須であるため、各家庭等で使用するのはほぼ実現不可能であった。

本発明は、上記のような現状に鑑みてなされたものであり、小型で簡易な構造を有するとともに、検体ガスの成分分離の性能が高いガス分析装置を提供することを目的とする。

本発明のガス分析装置は、ガス導入口から検体ガスが導入されるガス導入部と、ガス導入部から供給される検体ガスを成分分離するためのマイクロカラムを備えるガス分離部と、ガス分離部により分離されたガス成分を検出するガス検出部とを備え、マイクロカラムは、その内部流路の壁面に固定相が修飾されており、該固定相は、３０℃での比誘電率が１０以上の極性材料からなることを特徴とする。

極性材料は、２００以上１０００以下の平均分子量を有するポリエチレングリコールからなることが好ましい。内部流路の内径をＤとし、固定相の厚みをｔとすると、０．００５≦ｔ／Ｄ≦０．０２であることが好ましい。固定相は、その厚みが１μｍ以上２μｍ以下であることが好ましい。検体ガスは、アセトンを含むことが好ましい。

ガス検出部は、その内部に検出ガスを検出するためのガスセンサを有し、該ガスセンサは、ガス分離部により分離されたガス成分の出口の近傍に設置することが好ましい。

本発明のガス分析装置は、上記の構成を有することにより、小型で簡易な構造を有するとともに、検体ガスの成分分離を精確に行なうことができ、もって微量に含まれるガス成分を高精度に検出するという効果を有する。

（ａ）は、本発明のガス分析装置の一例のある状態を示す模式図であり、（ｂ）は、本発明のガス分析装置の別の一状態を示す模式図である。 （ａ）は、本発明のガス分析装置の一例のある状態を示す模式図であり、（ｂ）は、本発明のガス分析装置の別の一状態を示す模式図である。 本発明のガス分析装置に用いられるガス検出部の一例を示す模式的な断面図である。 （ａ）は、固定相を修飾する前の内部流路の断面をデジタルマイクロスコープにより撮影した画像であり、（ｂ）は、固定相を修飾した後の内部流路の断面をデジタルマイクロスコープにより撮影した画像である。 実施例Ａ１のマイクロカラムに対し、アセトン／エタノール／水の混合気体を導入したときに得られたクロマトグラムである。 実施例Ａ２のマイクロカラムに対し、アセトン／エタノール／水の混合気体を導入したときに得られたクロマトグラムである。 実施例Ａ３のマイクロカラムに対し、アセトン／エタノール／水の混合気体を導入したときに得られたクロマトグラムである。 実施例Ａ４のマイクロカラムに対し、アセトン／エタノール／水の混合気体を導入したときに得られたクロマトグラムである。 実施例Ａ５のマイクロカラムに対し、アセトン／エタノール／水の混合気体を導入したときに得られたクロマトグラムである。 比較例Ａ１のマイクロカラムに対し、アセトン／エタノール／水の混合気体を導入したときに得られたクロマトグラムである。 ガスセンサが検出した抵抗変化の出力を示すグラフである。 実施例３のガス分析装置に対し、０．０４ＭＰａの圧力で検体ガスを導入したときの抵抗変化の出力を示すグラフである。 実施例３のガス分析装置に対し、０．１１ＭＰａの圧力で検体ガスを導入したときの抵抗変化の出力を示すグラフである。 実施例３のガス分析装置に対し、０．２６ＭＰａの圧力で検体ガスを導入したときの抵抗変化の出力を示すグラフである。 実施例４のガス分析装置に対し、１ｐｐｍのアセトンを含む検体ガスを導入したときの抵抗変化の出力を示すグラフである。 実施例４のガス分析装置に対し、１ｐｐｍのエタノールを含む検体ガスを導入したときの抵抗変化の出力を示すグラフである。 実施例４のガス分析装置に対し、１ｐｐｍのエタノールと１ｐｐｍのアセトンとを含む検体ガスを導入したときの抵抗変化の出力を示すグラフである。 実施例４のガス分析装置に対し、検体ガスとして呼気を導入したときの抵抗変化の出力を示すグラフである。 実施例Ａ１のマイクロカラムを用いて混合ガスを分離したときの成分分離の経時変化を示すグラフである。 実施例Ａ２のマイクロカラムを用いて混合ガスを分離したときの成分分離の経時変化を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。図面や以下の記述中で示す構成は、例示であって、本発明の範囲は、図面や以下の記述中で示すものに限定されない。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。また、本願の図面において、長さ、幅、厚さ等の寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜に変更されており、実際の寸法関係を表してはいない。

＜＜ガス分析装置＞＞
図１（ａ）は、本発明のガス分析装置の一例のある状態を示す模式図であり、図１（ｂ）は、（ａ）のガス分析装置の別の一状態を示す模式図である。本発明のガス分析装置は、図１（ａ）に示されるように、検体ガスを導入するためのガス導入口１１を備えるガス導入部１０と、ガス導入部１０から供給される検体ガスを成分分離するためのマイクロカラム２１を備えるガス分離部２０と、該ガス分離部２０により分離されたガス成分を検出するガス検出部３０とを備え、マイクロカラム２１は、その内部流路２２の壁面に固定相が修飾されており、当該固定相は、３０℃での比誘電率が１０以上の極性材料からなることを特徴とする。

このような極性材料からなる固定相をマイクロカラム２１の内部流路２２の壁面に設けることにより、検体ガスを成分分離することができ、もってガス分析装置の検出精度を高めることができる。以下においては、本発明のガス分析装置の動作の一例を図２（ａ）および図２（ｂ）を参照して説明する。

図２（ａ）は、本発明のガス分析装置の一例のある状態を示す模式図であり、図２（ｂ）は、本発明のガス分析装置の別の一状態を示す模式図である。本発明のガス分析装置において、図２（ａ）に示される状態（以下においてこの状態のことを「第１状態」とも記す）では、検体ガスは、ガス採取部４０の導入口から導入されて、ガス導入口１１から第１流路１２を通じてガス収容部１９に供給される。そして、ガス収容部１９から第２流路１３、ガス排出口１４を通じてガス採取部４０に排出される。このような検体ガスの流速は、気流発生手段２５により制御される。

一方、第１状態において、キャリアガスを供給する第３流路１５は、ガス分離部２０のマイクロカラム２１と接続されている第４流路１６に直接接続される。そして、調圧手段１７により流速を調整したキャリアガスが第３流路１５から第４流路１６を流れ、さらにガス分離部２０のマイクロカラム２１の順に流れる。

次に、第１状態から流路切替機構１８を用いて第１流路１２、第２流路１３、第３流路１５、および第４流路１６の接続先を切り替えることにより、図２（ｂ）に示される第２状態とする。かかる第２状態では、図２（ｂ）に示されるように、第３流路１５とガス収容部１９と第４流路１６とを接続する。このように第１状態から第２状態に切り替えることにより、第１流路１２から導入されたガス収容部１９内の検体ガスが第３流路１５から供給されるキャリアガスとともに、第４流路１６を通じてガス分離部２０のマイクロカラム２１に供給される。

ガス分離部２０に供給された検体ガスは、マイクロカラム２１の内部流路２２の壁面の固定相と吸脱着が繰り返されるが、検体ガスの成分ごとに吸脱着のし易さが異なる。このため固定相によく吸着する成分ほど移動速度が遅くなり、固定相にあまり吸着しない成分ほど移動速度が早くなるというように、検体ガスを成分分離することができる。

検体ガスがガス分離部２０を通過することにより、成分分離された検体ガスの各ガス成分は順次、ガス検出部３０に導入される。かかる各成分をガス検出部３０のガスセンサ３１により感知する。検体ガスがガス分析装置に導入されてから、ガスセンサ３１がガス成分を感知するまでの時間を保持時間という。当該保持時間は検体ガスの成分により固有の値を示し、かかる保持時間に基づいて、ガス成分の同定が行なわれる。本発明のガス分析装置は、このようにして検体ガスのガス成分を検出する。以下において、本発明のガス分析装置を構成する各部をより詳細に説明する。

＜ガス導入部＞
本発明において、ガス導入部１０は、検体ガスの一部をガス分離部２０に供給するために設けられるものである。このようなガス導入部１０は、図１に示されるような構造のみに限られるものではなく、たとえばガス分離部２０に検体ガスを供給する流路に切換口が備わっていることが好ましい。ガス導入部１０は、該切換口を動作させることにより、ガス分離部に供給する検体ガスの流速を調整することができるものであれば、いかなる構造のものであっても良い。ガス導入部１０の一例として、以下に図２（ａ）および図２（ｂ）を用いて説明する。

図２（ａ）に示されるガス導入部１０は、ガス導入口１１から検体ガスを導入するための第１流路１２と、導入した検体ガスの一部をガス排出口１４から排出するための第２流路１３とを有するとともに、第１流路１２と第２流路１３とを接続し、かつ検体ガスを保持するためのガス収容部１９をさらに備える。

一方、ガス導入部１０は、第１流路１２および第２流路１３とは別の流路として、キャリアガスを導入するための第３流路１５と、ガス分離部２０に検体ガスを供給するための第４流路１６とを備える。ただし、図２（ａ）に示される第１状態においては、第３流路１５と第４流路１６とは、ガス収容部１９を介することなく直接接続されている。このため、第３流路１５に導入されるキャリアガスは、第４流路１６を通じてガス分離部２０に供給される。第１状態では、検体ガスがガス分離部２０に供給されることはなく、第１流路１２から導入された検体ガスは、ガス収容部１９を通過して、その一部がガス収容部１９に保持されるとともに、残部は第２流路１３を通じてガス排出口１４から排出される。

（流路切替機構）
流路切替機構１８は、ガス収容部１９が第１流路１２および第２流路１３に接続されている第１状態から、ガス収容部１９が第３流路１５および第４流路１６に接続されている第２状態に切り替えるためにガス導入部１０に設けられるものである。流路切替機構１８により、図２（ａ）に示される第１状態から図２（ｂ）に示される第２状態に切り替えられる。第２状態では、上記の第１状態でガス収容部１９に保持された検体ガスが、第３流路１５から供給されるキャリアガスとともに第４流路１６に流れ、該第４流路１６からガス分離部２０に供給される。

そして、第２状態において、ガス収容部１９に検体ガスがなくなったとき、またはガス分離部２０に検体ガスが十分に供給されたとき、流路切替機構１８により第２状態から第１状態に切り替える。第２状態から第１状態に切り替わると、第１流路１２からガス収容部１９に再び検体ガスが導入される。このように第１状態と第２状態とを交互に切り替えることにより、適切な流量の検体ガスを適切なタイミングでガス分離部２０に導入することができる。

なお、図２（ｂ）に示される第２状態においては、第１流路１２と第２流路１３とはガス収容部１９を介することなく、直接接続されている。このため、第２状態において第１流路１２に導入される検体ガスは、第２流路１３を通じてガス採取部４０に排出される。

（調圧手段）
第３流路１５は、調圧手段１７を備えることが好ましい。このような調圧手段１７を備えることにより第３流路１５を流れるキャリアガスの流速を制御することができる。このようにキャリアガスの流速を制御することにより、ガス分離部２０に一定流量の検体ガスをキャリアガスとともに供給することができる。

このような調圧手段１７により制御される検体ガスの流速は、特に限定されずいかなる速度であってもよいが、１０ｃｍ／ｓｅｃ以上１００ｃｍ／ｓｅｃ以下であることが好ましい。ただし、内部流路の長さおよび断面積によって、その好ましい流速は異なり、たとえば内部流路の長さが１０ｍで断面積が０．０４ｍｍ²であるときには、上記の流速の数値範囲の中でも１０ｃｍ／ｓｅｃ以上５０ｃｍ／ｓｅｃ以下であることがより好ましく、さらに好ましくは１０ｃｍ／ｓｅｃ以上３０ｃｍ／ｓｅｃ以下である。一方、内部流路の長さが１７ｍで断面積が０．０４ｍｍ²であるときには、４０ｃｍ／ｓｅｃ以上９０ｃｍ／ｓｅｃ以下であることがより好ましく、さらに好ましくは５０ｃｍ／ｓｅｃ以上７０ｃｍ／ｓｅｃ以下である。検体ガスの流速が１０ｃｍ／ｓｅｃ未満であると、ガス検出までに要する時間が長くなり、装置のスペック上好ましくない。検体ガスの流速が１００ｃｍ／ｓｅｃを超えると、流速が早すぎることにより、後のガス分離部２０で検体ガスを成分分離しにくい傾向がある。

このような調圧手段１７としては、気体の圧力を調整することができるものであればどのようなものを用いてもよく、たとえばコンプレッサー、バルブ、ポンプ、レギュレータ、ガスボンベ等を用いることができる。コンプレッサー、ポンプ等を用いる場合、加圧した空気を減圧弁にて調整した上でガス分離部２０に検体ガスを供給することができる。なお、キャリアガスとしては、たとえばヘリウム等の不活性ガスあるいは空気等を用いることができる。

（ガス採取部）
本発明のガス分析装置において、図２（ａ）に示されるように、ガス採取部４０をガス導入口１１およびガス排出口１４に接続することが好ましい。このようにガス採取部４０を接続することにより、検体ガスをガス導入口１１に効率的に導入することができるとともに、検体ガスを収容するスペースを設けることができる。

しかも、このようなガス採取部のスペースは、検体ガスが、ガス採取部４０、第１流路１２、ガス収容部１９、および第２流路１３を循環する循環経路としての役割もなす。

ガス採取部４０の導入口にはマウスピース、マスク等のように口をあて検体ガスを直接導入することができるようなものを有することが好ましい。このようにマウスピース、マスク等を有することにより、ガス採取部４０に検体ガスを導入しやすい。

そして、ガス採取部４０は、検体ガスの入口および出口に逆止弁４１を備えることが好ましい。このようにガス採取部４０が逆止弁４１を備えることにより、検体ガスの一部はガス採取部から排出されるが、その残部は、ガス採取部４０、第１流路１２、ガス収容部１９、および第２流路１３内に循環させることができる。

なお、図２（ａ）および図２（ｂ）においては、ガス採取部４０を用いてガス導入部１０に検体ガスを導入する場合を例示しているが、ガス導入部１０に検体ガスを導入する方法は、ガス採取部４０のみに限られるものではなく、ガス導入口１１にバッグを直接接続してガス導入部１０に検体ガスを導入してもよい。

（気流発生手段）
ガス導入口１１またはガス排出口１４のいずれか一方もしくは両方に気流発生手段２５を設けることが好ましい。このように気流発生手段２５を備えることにより、ガス採取部４０、第１流路１２、ガス収容部１９、および第２流路１３を検体ガスが循環するようにすることができるとともに、これを流れる検体ガスの流速を制御することができる。なお、気流発生手段２５により制御される検体ガスの流速は、特に限定されずいかなる速度であってもよいが、１ｍＬ／ｍｉｎ以上１０ｍＬ／ｍｉｎ以下であることが好ましい。

＜ガス分離部＞
本発明において、ガス分離部２０は、ガス導入部１０から導入された検体ガスに含まれる各種ガス成分を成分分離するために設けられるものであり、具体的には、ガス分離部２０に備えられるマイクロカラム２１により検体ガスの成分分離を行なうことを特徴とする。マイクロカラム２１を用いることにより、ガス分析装置の小型化および軽量化を達成することができる。

ここで、「マイクロカラム」とは、マイクロオーダーの幅および深さを有する微細な流路を備えるチップ状のクロマトグラフィカラムを意味するものである。このようなマイクロカラムの外形は、特に限定されるものではなく、たとえばＳｉウェハー等の基板を用いて、その外形が縦横数ｍｍ〜数十ｃｍで、その厚みを数ｍｍ〜数ｃｍ程度とすることができる。

なお、検出ガスの「成分分離」とは、検体ガスを構成する全ての成分を各成分ごとに分離する場合はもちろん、検体ガスを構成する成分のうちのいずれか１の成分を、他の少なくとも１の成分から分離する場合も含まれるものとする。すなわち、検体ガスが３以上の成分を含む場合、３以上の成分のうちの少なくとも１の成分が他の２以上の成分から分離されている限り、検体ガスの成分分離の効果は得られており、本発明の範囲に含まれるものとする。

ガス分離部２０には、マイクロカラム以外のクロマトグラフィカラムとして、固定相をコーティングした担体を充填したパックドカラム、内壁に固定相が塗布されたキャピラリーカラム等を用いることも考えられるが、これらのクロマトグラフィカラムは、温度を制御するために大きな恒温槽を備える必要があり、ガス分析装置自体が大型化することになりかねず、所期の目的に反することになるため好ましくない。

本発明において、マイクロカラム２１は、その内部流路２２の壁面に固定相が修飾されており、該固定相は、３０℃での比誘電率が１０以上の極性材料からなることを特徴とする。このような１０以上の比誘電率を有する極性材料は、強極性であることにより、特に水のような極性物質の流速を著しく遅らせることができ、もって検体ガスを成分分離することができる。

このような１０以上の比誘電率を有する極性材料としては、たとえば平均分子量が１０００以下のポリエチレングリコールの他、エチレングリコール、プロピレングリコール、ポリプロピレングリコール等を挙げることができる。なお、固定相を構成する材料の比誘電率は、誘電率測定装置を用いて算出された値を採用するものとする。

固定相が有する極性が強いほど、検体ガスの各成分ごとの極性差がマイクロカラム中を流れる検体ガスの流速に差をもたらし、検体ガスを成分分離しやすいものと考えられる。そして、固定相の極性が強いほど、その材料の比誘電率が高くなる傾向がある。このような比誘電率と極性との関係によると、固定相を構成する材料は１１以上の比誘電率を有することがより好ましく、さらに好ましくは１３以上の比誘電率を有することである。固定相を構成する材料の比誘電率が１０未満であると、検体ガスを成分分離することができないため好ましくない。

ここで、検体ガスの各成分を分離するのに有効な固定相の材料としては、２００以上１０００以下の平均分子量を有するポリエチレングリコール（以下においては「ＰＥＧ」とも記す）を用いることがより好ましい。ＰＥＧは、その平均分子量が多いほど粘度が上昇するとともに、その極性が小さくなる傾向にあり、平均分子量が小さいほど粘度が低下するとともに、その極性が強くなる傾向がある。このため、ＰＥＧの粘度と極性とのバランスの観点からは、３０℃での比誘電率が１３．７である平均分子量が６００程度のＰＥＧ（ＰＥＧ６００）を用いることがさらに好ましい。

ポリエチレングリコールの平均分子量が２００未満であると、その粘度が低いことによりマイクロカラムの内部流路２２の壁面に保持されにくく、ポリエチレングリコールの平均分子量が１０００を超えると、十分な極性を有しないことから、検体ガスの分離能が低下する傾向がある。

ここで、内部流路２２の幅をＤとし、固定相の厚みをｔとすると、０．００５≦ｔ／Ｄ≦０．０２であることが好ましい。内部流路２２の幅と固定相の厚みとをこのような数値範囲を満たすようにすることにより、検体ガスを成分分離する効率を高めることができる。また、マイクロカラムは、温度制御手段を備えていてもよい。温度制御手段を備えることにより、マイクロカラムの温度を一定に保つことができ、より精確に成分分離を行なうことができる。

また、検体ガス中の成分ごとの分離能を優れたものにするという観点から、固定相の厚みは１μｍ以上２μｍ以下であることが好ましい。

ここで、固定相の厚みは、マイクロカラムの内部流路の壁面に固定相を修飾したマイクロカラムの断面を、マイクロスコープを用いて観察したときの画像に基づいて直接測定することにより算出されたものを採用する。

また、マイクロカラムの内部流路の幅および深さ（高さ）はそれぞれ、たとえば１００〜３００μｍ程度とすることができる。マイクロカラムの内部流路の幅および深さは、目的成分の種類やマイクロカラムに導入される検体ガスの流量などを考慮して決定されることが好ましい。

また、内部流路２２は、その長さが３ｍ以上２０ｍ以下であることが好ましい。内部流路２２の長さが３ｍ未満であると、検体ガスの成分分離を十分に行なうことができず、内部流路２２の長さが２０ｍを超えると、測定に要する時間が長時間となるため好ましくない。

＜マイクロカラムの作製＞
本発明において、マイクロカラムを作製する方法を具体的な一例を挙げて説明すると、まず、Ｓｉウェハー等の基板表面にフォトリソグラフィ技術を用いて、ブラスト加工等の微細加工を行なうことにより連続した溝を形成する。

ついで、連続した溝を形成した基板とガラス板とを、基板の溝形成面側がガラス板に対向するように陽極接合などの手法により気密に接合する。次に、形成された内部流路２２の一端に未修飾のキャピラリーガラスを取り付け、マイクロカラムの内部流路内に固定相を溶解させた溶液を充填する。その後、その溶媒を除去することによりマイクロカラムの内部流路２２の内壁に固定相を修飾する。

＜検体ガス＞
本発明のガス分析装置を用いて成分分離される検体ガスは、アセトンを含むことが好ましい。従来のガス分析装置では、水中に微量に含まれるアセトンを効率的に分離することが困難であり、たとえ分離できたとしても、その分離の精度は十分なものではなかった。しかし、本発明のガス分析装置ではかかる従来の課題を一掃し得るものだからである。

＜ガス検出部＞
ガス検出部３０は、ガス分離部２０で分離されたガス成分を順次検出するための部位であり、ガスセンサ３１を用いることが好ましい。本発明において、ガス検出部３０は、化学物質を検出するためのガスセンサ３１を有する。かかるガスセンサ３１としては、半導体センサ、電気化学式ガスセンサ、ＱＣＭ、ＦＩＤ等を用いることができる。これらのセンサの中でも、安価で入手しやすいという観点から、半導体センサを用いることが好ましい。

図３は、本発明のガス分析装置に用いられるガス検出部の一例を示す模式的な断面図である。本発明において、ガスセンサ３１は、図３に示されるように、ガス分離部２０により分離されたガス成分の出口の近傍に設置することが好ましい。このようにガス成分の出口の近傍にガスセンサ３１を設置することにより、目的成分の検出感度を高めることができる。ここで、「ガス成分の出口近傍」とは、ガス成分の出口から０．５ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の範囲にガスセンサ３１が位置することを意味する。なお、図３における「２１」は、マイクロカラムを延長したものを便宜的にマイクロカラムとして示したものであり、実際にはたとえばキャピラリーガラスチューブが用いられる。

ガス分離部２０とガス検出部３０とは、キャピラリーガラスチューブを用いて接続するが、キャピラリーガラスチューブの管径が小さいため、キャピラリーガラスチューブのガス成分の出口とガスセンサ３１とが離れていると、ガスセンサ３１が検体ガスを感知しにくい傾向にあるため好ましくない。

ガスセンサ３１は、導線等を介してデジタルマルチメータなどの信号受信機構（図示せず）に接続されることが好ましい。このような信号受信機構は、ガスセンサ３１がガス成分を検出すると、ガスセンサ３１の定抵抗の電圧値の変化を信号変化として受信するものである必要がある。

さらに、信号受信機構はコンピュータに接続されていることが好ましい。ここでのコンピュータとは、信号受信機構が検出した信号データの蓄積し、該信号データをクロマトグラムに変換し、かつその変換したデータの表示を行なうもののことをいう。なお、コンピュータが流路切替機構の機能を有しており、第１状態と第２状態とを切り替える制御を行なってもよい。

以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

（実施例Ａ１）
本実施例では、以下の手順によりマイクロカラムを作製した。まず、ガス分離部２０として、幅が１００μｍであって深さが１００μｍの内部流路２２を１００μｍの間隔で蛇行状に形成したものを作製した。

具体的には、４インチのシリコンウェハに対し、幅が１００μｍであって、深さが１００μｍの蛇行状の溝を１００μｍの間隔で、フォトリソグラフィ加工をした後にブラスト加工を行なうことにより形成した。そして、シリコン基板の溝を形成した側に対し、４インチ四方のガラス板を陽極接合を用いて密着させた。その後、ダイシングすることにより、４ｃｍ四方のマイクロカラムを作成した。

このようにして形成された内部流路２２の全長は９ｍであった。このガス分離部２０の内部流路２２の導入口および排出口に、外径が０．３５ｍｍであり、内径が０．２５ｍｍであって、その内径の表面が未修飾キャピラリーガラスを取り付けた。

一方、平均分子量が６００であって、３０℃での比誘電率が１３．７４のポリエチレングリコール（ＰＥＧ６００：ジーエルサイエンス株式会社製）をアセトンに溶解させた１．０％アセトン溶液を準備した。かかる１．０％アセトン溶液をガス分離部２０のマイクロカラムの導入口から導入し、内部流路内にアセトン溶液を充填した。

そして、ホットプレートを用いてガス分離部２０を８０℃に昇温した後に１０分間保持することにより、内部流路２２内のアセトンをほとんど蒸発させた。このようにしてアセトンをほぼ蒸発した後に、溶媒トラップを有するダイヤフラム型ドライ真空ポンプＤＡ−１５Ｄ（アルバック機工株式会社製）を内部流路２２の導入口側に接続した。

この真空ポンプを数十分間稼動させて、内部流路２２内の溶媒を完全に除去することにより、マイクロカラムの内部流路２２の壁面に、ＰＥＧ６００からなる固定相を備えるガス分離部２０を形成した。このようにして作製したガス分離部２０の断面をマイクロスコープで観察し、その固定相の厚みを実測したところ、固定相の厚みは１．０μｍであることが明らかとなった。図４（ａ）は、固定相を修飾する前の内部流路の断面をマイクロスコープにより撮影した画像である。図４（ｂ）は、固定相を修飾した後の内部流路の断面をマイクロスコープにより撮影した画像である。

（実施例Ａ２）
本実施例のマイクロカラムは、実施例Ａ１のマイクロカラムに対し、固定相を構成する材料が平均分子量が２００であって、その比誘電率が１８．４３のポリエチレングリコール（ＰＥＧ２００：ジーエルサイエンス株式会社製））であることを除き、実施例Ａ１と同様の方法により作製した。

（実施例Ａ３）
本実施例のマイクロカラムは、実施例Ａ１のマイクロカラムに対し、６ｃｍ四方のマイクロカラムであって、内部流路の幅が２００μｍ、深さが２００μｍの蛇行状の溝を２００μｍの間隔で形成したもの（内部流路の長さが約１０ｍ）を用いたことを除き、実施例Ａ１と同様の方法により作製した。

（実施例Ａ４）
本実施例のマイクロカラムは、実施例Ａ１のマイクロカラムに対し、８ｃｍ四方のマイクロカラムであって、内部流路の幅が２００μｍ、深さが２００μｍの蛇行状の溝を２００μｍの間隔で形成したもの（内部流路の長さが約１７ｍ）を用いたことを除き、実施例Ａ１と同様の方法により作製した。

（実施例Ａ５）
本実施例のマイクロカラムは、実施例Ａ１のマイクロカラムに対し、６ｃｍ四方であって、内部流路の幅が２００μｍ、深さが２００μｍの蛇行状の溝を２００μｍの間隔で形成したマイクロカラム（内部流路の長さが約１０ｍ）を用いたこと、および固定相を構成する材料として平均分子量が１０００であって、その比誘電率が９．０５のポリエチレングリコール（ＰＥＧ１０００：ジーエルサイエンス株式会社製）を用いたことを除き、実施例Ａ１と同様の方法により作製した。

（比較例Ａ１）
比較例Ａ１のマイクロカラムは、実施例Ａ１のマイクロカラムに対し、平均分子量が２００００であって、その比誘電率が７．７のポリエチレングリコール（ＰＥＧ２０Ｍ：ジーエルサイエンス株式会社製））からなる固定相を用いたことを除き、実施例Ａ１と同様の方法により作製した。ちなみに、ＰＥＧ２０Ｍは、一般に市販の強極性キャピラリーカラムに使用されるものである。

＜内部流路の長さと固定相の材料の検討＞
実施例Ａ１〜Ａ５および比較例Ａ１のように、マイクロカラムの内部流路の長さおよび固定相の材料を変更すると、その分離能がどのように異なるかをガスクロマトグラフ質量分析計（製品名：ＪＭＳ−Ｋ９（日本電子株式会社製））に取り付けて検討した。具体的には、アセトン／エタノール／水が１：１：１００の混合比率の混合液体をＧＣＭＳに導入し、ＧＣＭＳにより各ガス成分を検出した。

図５は、実施例Ａ１で作製したマイクロカラムに対し、アセトン／エタノール／水の混合気体を導入したときにＧＣＭＳを用いて検出したクロマトグラムである。図５の縦軸は、検出された成分のピーク強度を示しており、図５の横軸は、その成分を検出するのに要した保持時間（分）を示している。

図５のクロマトグラムから明らかなように、実施例Ａ１のマイクロカラムは、空気の保持時間が１分２０秒、アセトンの保持時間が１分４５秒、エタノールの保持時間が２分３０秒、水の保持時間が４分３０秒から５分５０秒の間であることがわかる。このことから実施例Ａ１のマイクロカラムは、アセトン／エタノール／水の混合気体を成分分離できることがわかった。

同様に、図６〜図９は、実施例Ａ２〜Ａ５で作製したマイクロカラムに対し、アセトン／エタノール／水の混合気体を導入したときにＧＣＭＳを用いて検出したクロマトグラムである。図６〜図９に示される結果から、実施例Ａ２〜Ａ５のマイクロカラムは、アセトン／エタノール／水の混合気体のうちの少なくともアセトンを成分分離できることがわかった。

図１０は、比較例Ａ１のマイクロカラムに対し、アセトン／エタノール／水の混合気体を導入したときに得られたクロマトグラムである。図１０のクロマトグラムでは、アセトンとエタノールと水との保持時間が重複しており、アセトン／エタノール／水の混合気体を成分分離できないことが明らかとなった。

このように実施例Ａ１〜Ａ５のマイクロカラムが混合気体を成分分離できたのに対し、比較例Ａ１のマイクロカラムが混合気体を成分分離できなかった理由はおそらく、マイクロカラムの長さおよびその固定相を構成する組成に起因するものと考えられる。すなわち、マイクロカラムの内部流路の全長が１０ｍ程度であり、従来使用されているキャピラリーカラムの３０ｍ程度の長さに比して、その全長が短いため、１０未満の低い比誘電率であるＰＥＧ２０Ｍでは、固定相としての機能を十分に果たし得ず、十分に分離できなかったものと推測される。

（実施例１）
本実施例では、以下の手順により、図１に示されるガス分析装置を作製した。ガス分離部２０としては、上記の実施例Ａ１のマイクロカラムを用いた。ガス導入部１０としては、ガスクロマトグラフ用手動ガスサンプラー（ジーエルサイエンス株式会社製）を用いた。ここで、ガスクロマトグラフ用手動ガスサンプラー（以下、「ガスサンプラー」とも記する）は、検体ガスを導入するための第１流路１２と、導入した検体ガスの一部をガス排出口から排出するための第２流路１３と、キャリアガスを導入するための第３流路１５と、ガス分離部２０に検体ガスを供給するための第４流路１６と、検体ガスを保持するためのガス収容部１９とを有するものである。

一方、ガスサンプラーの第４流路１６とガス分離部２０とを１／１６×０．２５ レデューシングユニオンを用いて接続した。これによりガスサンプラーの第３流路１５から導入されたキャリアガスを、第４流路１６を通じてガス分離部２０のマイクロカラム２１に導入した。

次に、ガス分離部２０のマイクロカラム２１に対し、キャピラリーチューブの一端を挿入することにより接続した。一方、キャピラリーチューブの他端を、ガス検出部３０のガスセンサ３１の近傍、すなわちキャピラリーチューブの他端とガスセンサ３１とが１．５ｍｍとなるように接続することにより、ガス検出部３０を作製した。このようにしてガス分析装置を作製した。

（実施例２〜５）
実施例２〜５では、実施例Ａ１のマイクロカラムを上記の実施例Ａ２〜Ａ５のマイクロカラムに代えたことを除いては、実施例１と同様の方法により実施例２〜５のガス分析装置を作製した。

（比較例１）
比較例１では、実施例Ａ１のマイクロカラムを比較例Ａ１のマイクロカラムに代えたことを除いては実施例１と同様の方法により比較例１のガス分析装置を作製した。

＜検体ガスの検出＞
実施例４で作製したガス分析装置の半導体センサを用いて、アセトンを検出することができるかを確認した。具体的には、アセトンを空気で薄めてその濃度を１００ｐｐｂ、２５０ｐｐｂ、５００ｐｐｂ、１０００ｐｐｂ、および
（１）検体ガス：アセトン４８００ｐｐｂとしたものを検体ガスとしてガス導入部から導入した。
（２）検体ガスの注入量：５０μＬ
（３）キャリアガス：空気、導入圧力０．２６ＭＰａ
（４）マイクロカラムの温度：室温（２５℃）
図１１は、ガスセンサが検出した抵抗変化の出力をグラフ化したグラフである。図１１に示されるように、アセトン濃度を増大させるにつれて、その抵抗比が一次関数的に減少している。このことから、本実施例のガス分析装置は、アセトンを精確に検出できることが明らかである。

＜検体ガスの流速と成分分離能との関係＞
実施例３で作製したガス分析装置を用いて、マイクロカラムに導入する検体ガスの流量を変更したときの成分分離の性能を確認した。具体的には、マイクロカラムに検体ガスを導入する流量を調整するためにニードルバルブを準備した。そして、ニードルバルブによりマイクロカラムに検体ガスを導入する圧力を、０．０４ＭＰａ、０．１１ＭＰａ、および０．２６ＭＰａの三段階に調節し、各圧力でのマイクロカラムの成分分離の性能を確認した。なお、検体ガスとしては、１ｐｐｍのエタノールと１ｐｐｍのアセトンとを含有し、清浄エアーをベースガスとするものを用いた。

図１２〜図１４は、それぞれ０．０４ＭＰａ、０．１１ＭＰａ、および０．２６ＭＰａの圧力で検体ガスを導入したときのガスセンサの抵抗変化の出力を示すグラフである。図１２〜図１４のグラフからも明らかなように、圧力を０．０４ＭＰａまたは０．１１ＭＰａで検体ガスを導入すると、アセトンとエタノールとを成分分離できたのに対し、圧力を０．２６ＭＰａで導入すると、アセトンとエタノールとを成分分離できなかった。このことから、マイクロカラムを用いて成分分離をするためには、そのマイクロカラムに導入する圧力のファクターも考慮する必要があることが明らかとなった。

＜混合ガスの検出＞
実施例４のガス分析装置が、エタノールとアセトンとを混合した検体ガスを導入したときにどのように検出するかを確認した。具体的には、アセトンを１ｐｐｍ含む窒素ガスと、エタノールを１ｐｐｍ含む清浄エアーとをそれぞれ別々にガス分析装置に導入し、それぞれの検出に要する保持時間を測定した。次に、１ｐｐｍのエタノールおよび１ｐｐｍのアセトンを含有する清浄エアーをガス分析装置に導入し、どのように検出されるかを確認した。

なお、上記のいずれの検体ガスを導入する場合でも、導入してから１分後に第１状態から第２状態に切り替えて、第２状態を２秒間保持した後に第１状態に切り替えるという動作を行なって、検体ガスをマイクロカラムに導入した。このときに検体ガスの導入にかける圧力を、０．２６ＭＰａとした。

図１５は、アセトンを１ｐｐｍ含む窒素ガスを導入したときの抵抗変化の出力を示したグラフである。図１５のグラフでは、１分４８秒の時点で抵抗変化のピークが示されていることから、導入してから１分後に流路切替機構を動作させた時間分を差し引いて、アセトンの保持時間が４８秒であることがわかった。

一方、図１６は、エタノールを１ｐｐｍ含む清浄ガスを導入したときの抵抗変化の出力を示したグラフである。図１６のグラフでは、２分４５秒の時点で抵抗変化のピークが示されることから、エタノールの保持時間が１分４５秒であることがわかった。

図１７は、実施例４のガス分析装置に対し、１ｐｐｍのエタノールと１ｐｐｍのアセトンとを含む検体ガスを導入したときの抵抗変化の出力を示すグラフである。図１７のグラフによると、１分４９秒と、２分４６秒の時点とで抵抗変化のピークが見られる。ここで、上記の図１５および図１６の結果から、１分４９秒のピークがアセトンのピークであり、２分４６秒のピークがエタノールのピークであることがわかる。

図１７の結果によれば、エタノールとアセトンとを含む検体ガスをガス分析装置に導入した場合、エタノールとアセトンとをそれぞれ成分分離して、成分ごとに検出できることが明らかとなった。

実施例４で作製したガス分析装置に対し、呼気を導入することにより、呼気中に含まれるアセトン濃度を検出した。まず、ニードルバルブによりマイクロカラムに導入するキャリアガス（空気）の圧力を、０．２６ＭＰａに調節した。そして、呼気の循環を開始してから１分後に第１状態から第２状態に切り替えて、第２状態を２秒間保持した後に第１状態に切り替えるという動作を行なうことにより、マイクロカラムに室温の呼気５０μｌを導入した。図１８は、実施例４のガス分析装置に対し、検体ガスとして呼気を導入したときの抵抗変化の出力を示すグラフである。図１８のグラフによると、１分４８秒の時点で抵抗変化のピークが示されており、その抵抗比は０．８６であった。このことから、５０μｌの呼気中には、０．８ｐｐｍのアセトンが含まれていることが明らかとなった。

＜マイクロカラムの分離能の経時変化＞
実施例Ａ１のマイクロカラムと、実施例Ａ２のマイクロカラムとをそれぞれＧＣＭＳにて３０日間連続使用したときに、マイクロカラムの分離能がどのように変化するかを調べた。

図１９は、実施例Ａ１のマイクロカラムを用いてＧＣＭＳにて混合ガスを分離したときの成分分離の経時変化を示すグラフであり、図１９の縦軸は、各成分の保持時間（秒）を示しており、図１９の横軸は、その装置を連続使用してからの日数（日）を示している。図１９は、実施例Ａ１のマイクロカラムへの混合ガスの導入を開始してから１日目、５日目、８日目、１９日目、および２９日目に導入したときの各成分の保持時間のピークをプロットしたものである。

図１９の結果によれば、実施例Ａ１のマイクロカラム（固定相がＰＥＧ６００）は、３０日連続運転しても、そのピークの位置に大きな変動が見られないことが示されている。このことから、実施例Ａ１のマイクロカラムは、その成分分離の性能が低下しにくいことが導かれる。

図２０は、実施例Ａ２のマイクロカラムを用いて混合ガスを分離したときの成分分離の経時変化を示すグラフである。図２０は、実施例Ａ２のマイクロカラムの連続運転を開始してから９日目、１６日目、および２３日目に混合ガスを導入したときの各成分の保持時間のピークをプロットしたものである。

図２０の結果によれば、実施例Ａ２のマイクロカラム（固定相がＰＥＧ２００）は、時間とともに水の保持時間が短くなっていることがわかる。このことから、実施例Ａ２のマイクロカラムは、時間とともにその成分分離の性能が低下する傾向があることが明らかとなった。

このように実施例Ａ１のマイクロカラムが実施例Ａ２のマイクロカラムに対して、分離能が低下しにくい理由は、ＰＥＧの分子量が小さいほど極性が高い傾向があるとともに、その粘度が低い傾向にあることによるものと考えられる。すなわち、ＰＥＧ２００は分子量が低いことにより、その粘度が低いため内部流路２２の壁面に保持されにくい傾向があり、連続運転において、ＰＥＧ２００の一部が流れ出たためであると考えられる。

一方、ＰＥＧ６００を用いたマイクロカラムの分離能が低下しなかったのはおそらく、ＰＥＧ６００は極性が低いが粘性が高いために流路内壁への保持量が変化しなかったことによるものと考えられる。

本発明において上記で好適な実施形態を説明したガス分析装置は、上記に限定されるものではなく、上記以外の構成とすることもできる。

以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、上述の各実施の形態および実施例の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明によれば、予防医療の促進に有効な、小型でかつパーソナルユースに適したガス成分検出装置を提供することができる。

１０ ガス導入部、１１ ガス導入口、１２ 第１流路、１３ 第２流路、１５ 第３流路、１６ 第４流路、１７ 調圧手段、１８ 流路切替機構、１９ ガス収容部、２０ ガス分離部、２１ マイクロカラム、２２ 内部流路、２５ 気流発生手段、３０ ガス検出部、３１ ガスセンサ、４０ ガス採取部、４１ 逆止弁。

Claims (6)

1. 検体ガスを導入するためのガス導入口を備えるガス導入部と、
   前記ガス導入部から供給される検体ガスを成分分離するためのマイクロカラムを備えるガス分離部と、
   前記ガス分離部により分離されたガス成分を検出するガス検出部とを備え、
   前記マイクロカラムは、その内部流路の壁面に固定相が修飾されており、
   前記固定相は、３０℃での比誘電率が１０以上の極性材料からなる、ガス分析装置。
2. 前記極性材料は、２００以上１０００以下の平均分子量を有するポリエチレングリコールからなる、請求項１に記載のガス分析装置。
3. 前記内部流路の内径をＤとし、
   前記固定相の厚みをｔとすると、０．００５≦ｔ／Ｄ≦０．０２である、請求項１または２に記載のガス分析装置。
4. 前記固定相は、その厚みが１μｍ以上２μｍ以下である、請求項１〜３のいずれかに記載のガス分析装置。
5. 前記検体ガスは、アセトンを含む、請求項１〜４のいずれかに記載のガス分析装置。
6. 前記ガス検出部は、その内部に検出ガスを検出するためのガスセンサを有し、
   前記ガスセンサは、前記ガス分離部により分離されたガス成分の出口の近傍に設置する、請求項１〜５のいずれかに記載のガス分析装置。

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