JP2014232051A - 皮膚ガス測定装置および皮膚ガス測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】装用型のデバイスで皮膚ガスの変移を短い測定間隔でモニタリング可能とする皮膚ガス測定装置及び皮膚ガス測定方法を提供する。【解決手段】本発明の皮膚ガス測定装置は、皮膚表面と密着させる開口部を持つ皮膚ガス捕集空間と、前記皮膚表面から前記皮膚ガス捕集空間に放出される皮膚ガス成分を吸着して濃縮し、かつ前記吸着した皮膚ガス成分を相対的に低い温度で脱離可能である多孔質材料と、前記多孔質材料を加熱する加熱部とを含む、皮膚ガス捕集部と、前記加熱された多孔質材料から脱離した前記皮膚ガス成分を測定する皮膚ガス測定部、とを備えることを特徴とする、皮膚ガス測定装置である。【選択図】図１

Description

本発明は、一般的には生体の皮膚表面から放出されるガス（以下「皮膚ガス」とも記載される。）成分（以下「皮膚ガス成分」とも記載される。）の測定、具体的には前記皮膚ガス成分を捕集・濃縮して測定する、皮膚ガス測定装置および皮膚ガス測定方法に関するものである。

近年、国民医療費は増加の一途を辿り、疾病の発生や進行を未然に防ぐ「予防医療」が注目を集めている。予防医療を成功させるためには、いつでもどこでも簡単・手軽に自身の健康状態を詳細に検査・確認できる測定デバイスと、個人差を考慮したサービス（健康アドバイス等）の実現が望まれる。これまで、脈拍や血圧、心拍数、活動量や歩数などを測定することで自身の健康状態を簡易的に検査・確認することが一般的であった。これらは主に加速度計などの物理センサを用いた測定デバイスであるが、物理センサだけでは得られにくい生体情報も存在する。例えば医療機関等では、血液や尿、リンパ液、髄液等の生体サンプルを採取して測定することで、物理センサだけでは得られにくい生化学的な生体情報を取得し、健康状態の検査・確認や病気の診断に利用している。しかし、これらの生体サンプルは、医療従事者ではない一般の個々人（ユーザー）が採取するには技術的な困難が伴ったり、採取の際に感染するリスクが伴ったり、人体への侵襲や精神的な負担が伴ったりするため、簡単・手軽な測定には適していない。

採取が容易で感染リスクが無く、人体への侵襲や精神的な負担が伴わない生体サンプルの一つとして、呼気ガスや皮膚ガス等の生体ガスが挙げられる。生体ガスは、血液などの液体サンプルと同様に、個人差を反映した生体情報の宝庫であり、生体ガス中に含まれる特定のガス成分の有無や濃度を測定することで、健康状態に関する情報が得られることが知られている。そして、生体ガスの中でも皮膚ガスは、その捕集・測定に際しては、呼気ガスと比較して、捕集装置等へ吹きかけるといった能動的な動作が必要ないという点、さらに皮膚からの放出（成分、量等）は自らの意思で変更したりコントロールしたりすることができないという点などから、呼気ガスを測定するよりも正確に生体ガスの成分検出や濃度を測定できる可能性がある。さらに皮膚ガスは、生体の様々な部位の皮膚表面から、常時、身体状態や環境の変化に応じて、種々の成分が種々の濃度で放出されているものであることから、特定の望む部位の皮膚表面からの皮膚ガスを、意識することなく測定することで健康管理が実現できるものと期待される。これは例えば、腕時計に代表される皮膚に接して身につけるタイプのデバイス（以下、「装用型デバイス」とも記載される。）にかかる皮膚ガス測定装置を搭載出来れば、前記デバイスを身につけているだけで、常時測定・無意識測定による健康管理が実現できるものと期待される。

しかし、皮膚表面から放出される、身体状態と関連付けられる皮膚ガス成分（例えばアセトン、水素、一酸化炭素、メタン、硫化水素、イソプレン、トリメチルアミン、アンモニア、メタノール、アセトアルデヒド、エタノール、一酸化窒素、ホルムアルデヒド、ノニナール等）の放出量は、一般に、ｎｇ・ｃｍ^−２・ｍｉｎ^−１オーダー以下の極微少量である。そのため、皮膚表面から放出される皮膚ガス成分をそのまま測定することが困難であるため、対象とする皮膚ガス成分を濃縮して測定する技術に関して、従来から検討がなされている。

例えば、特許文献１、２では、採取した皮膚ガス成分を濃縮し、その後濃縮された皮膚ガス成分をガスクロマトグラフィ装置等を用いて測定する手法が開示されている。しかしこの技術は皮膚ガス成分を濃縮するために液体窒素等の寒剤を用いるものであり、かかる寒剤は気化するため一般に長期保存は困難であり、また凍傷や爆発の危険性もあるため取り扱いには習熟したスキルを必要とするものである。従ってかかる方法を、装用型デバイスに適用することは、技術的にも安全性の点でも適した手法ではない。

また多孔質材料を用いて皮膚ガス成分を吸着させて濃縮し、前記多孔質材料を加熱することで濃縮した皮膚ガス成分を脱離させ、測定する手法が知られている。多孔質材料は、加熱と自然冷却を可逆的に繰り返し行うことができ、天然物だけでなく種々の人工合成物が安価に製造可能なことから注目されている。例えば、特許文献３では多孔質材料に皮膚ガス成分を吸着・濃縮し、濃縮した皮膚ガス成分を脱離させてイオン移動度センサで測定する手法が開示されている。特許文献４では皮膚ガス成分を多孔質材料に吸着・濃縮し、濃縮した皮膚ガス成分を脱離させて、ガスクロマトグラフィ装置で測定する手法が開示されている。また特許文献５では、多孔質材料に皮膚ガス成分を吸着・濃縮し、濃縮した皮膚ガス成分を脱離させて、特定波長の光により測定する手法が開示されている。しかし、これら先行技術文献を含めてこれまで、（特定の）皮膚ガス成分の濃縮のための好適な多孔質材料の選択、及びさらに好ましい条件下で脱離させるための好適な脱離条件（例えば脱離温度）の選択に対する指標や具体的な条件が全く開示されていない。

一般的に知られていることは、多孔質材料は、排ガス用のフィルタ等にも利用されることが多く、吸着されて濃縮されたガス成分を十分に脱離（脱着）させるため、十分高い温度として例えば５００℃といった高温加熱条件下で脱離させることが通例である。しかし脱離温度が５００℃などの非常に高温度となる一般的な条件下では、多孔質材料の加熱と自然冷却に長時間を要し、短い測定間隔での皮膚ガス変移モニタリングができないという点、多孔質材料の加熱に要する消費電力も大きくなるという点、さらにユーザーの安全性・安心性の確保・配慮といった点などにおいて、特に装用型デバイスに適用する場合には大きな問題があった。

特開２００４−５３５７１号公報 特開２００９−６９１３７号公報 ＷＯ２０１２／０５６７２９号公報 特開２０１２−１９４０８８号公報 特開２００５−１４７９６２号公報

本発明は、前記従来技術の問題点を解消する皮膚ガス測定装置、及び皮膚ガス測定方法を提供する。特に、本発明の皮膚ガス測定装置、及び皮膚ガス測定方法は、装用型のデバイスに搭載し、安全に安心して、皮膚ガスを常時かつ無意識に測定することを可能にし、それにより健康管理が実現できる皮膚ガス測定装置、及び皮膚ガス測定方法を提供する。

本発明者らは、前記従来技術の問題点を解決すべく鋭意研究した結果；（ｉ）測定対象とする皮膚ガス成分が、多孔質材料に十分吸着されて濃縮され、かつ許容される温度まで前記多孔質材料を加熱することで、前記吸着された皮膚ガス成分を十分脱離させ、続いて前記脱離させた皮膚ガス成分を測定することを可能にする前記多孔質材料を選択する指標（特に前記多孔質材料の種類、親疎水度、結晶構造、細孔径等を適切に選択することが重要であること）を見出すことに成功し、（ｉｉ）さらに、かかる指標を用いることで、具体的に、短時間で皮膚ガス成分を（選択的に）吸着させて望ましい程度濃縮し、一般的な条件として５００℃などの従来用いられる脱離温度の半分以下、又は１／３程度といった高温ではない条件下で、短時間加熱することで十分に脱離させ、前記皮膚ガス成分を望ましい精度で測定することを可能とする好適な多孔質材料を見出し、本発明を完成した。

即ち、本発明は、（特定の）皮膚ガス成分を、好適な時間で十分吸着して濃縮し、従来の一般的な条件として使用されてきた温度よりも十分低い、ユーザーの安全性・安心性を満たす加熱温度でも、好適な時間で、十分脱離させて続く測定を可能にする、多孔質材料に関する。さらに本発明は、かかる多孔質材料を用いることを特徴とする皮膚ガス測定装置又は皮膚ガス測定方法に関する。

即ち本発明の皮膚ガス測定装置は、
皮膚表面と密着させる開口部を持つ皮膚ガス捕集空間と、
前記皮膚表面から前記皮膚ガス捕集空間に放出される皮膚ガス成分を吸着して濃縮し、かつ前記吸着した皮膚ガス成分を相対的に低い温度で脱離可能である多孔質材料と、
前記多孔質材料を加熱する加熱部とを含む、皮膚ガス捕集部と、
前記加熱された多孔質材料から脱離した前記皮膚ガス成分を測定する皮膚ガス測定部、とを備えることを特徴とする皮膚ガス測定装置である。

ここで本発明において、「相対的に低い温度」とは、以下具体的に詳しく説明されるように、前記多孔質材料について吸着ガス成分を脱離させるために従来使用されている加熱温度と比較して低い温度を意味する。

さらに本発明の皮膚ガス測定装置は、前記多孔質材料が、疎水性が高いことを特徴とする、皮膚ガス測定装置である。

さらに本発明の皮膚ガス測定装置は、前記多孔質材料の細孔径が、前記皮膚ガス成分の分子径と同等から３倍以内であることを特徴とする、皮膚ガス測定装置である。

さらに本発明の皮膚ガス測定装置は、前記多孔質材料が、ゼオライトであることを特徴とする、皮膚ガス測定装置である。

さらに本発明の皮膚ガス測定装置は、前記ゼオライトのＳｉＯ_２／Ａｌ_２Ｏ_３［ｍｏｌ／ｍｏｌ］の値が少なくとも１０以上であることを特徴とする、皮膚ガス測定装置である。

また本発明の皮膚ガス測定装置は、前記皮膚ガス成分が、アセトンまたはアセトンと分子径が同等な分子であることを特徴とする、皮膚ガス測定装置である。

また本発明の皮膚ガス測定装置は、前記多孔質材料はゼオライトで、その細孔径は前記皮膚ガス成分の分子径と同等から３倍以内であり、さらに前記ゼオライトのＳｉＯ_２／Ａｌ_２Ｏ_３［ｍｏｌ／ｍｏｌ］の値が１００以上であることを特徴とする、皮膚ガス測定装置である。

また本発明の皮膚ガス測定方法は、
皮膚表面と密着させた開口部から皮膚ガス捕集空間内に、前記皮膚表面から放出された皮膚ガス成分を導入するステップと、
前記導入された皮膚ガス成分を多孔質材料に吸着させて濃縮するステップと、
前記多孔質材料に吸着された前記皮膚ガス成分を相対的に低い温度で加熱して脱離させるステップと、
脱離させた前記皮膚ガス成分の濃度または量を測定するステップとを有する、皮膚ガス測定方法である。

ここで「相対的に低い温度」は上で定めた「相対的に低い温度」と同じ意味を持つ。

本発明によれば、多孔質材料に吸着・濃縮した皮膚ガス成分を一般的な条件下よりも低い（相対的に低い）温度で脱離させることが可能となり、多孔質材料の加熱・自然冷却に要する時間が短くなるため、短い測定間隔での皮膚ガス変移モニタリングが可能となる。また、多孔質材料を加熱するための消費電力も低く抑えられるため、デバイスの小型化や長時間駆動が容易となる。さらに、デバイスの安全・安心性が向上する。

図１は、本発明の一実施形態による皮膚ガス測定装置を説明するための構成例である。 図２は、本発明の実施例１で用いた、ＳｉＯ_２／Ａｌ_２Ｏ_３［ｍｏｌ／ｍｏｌ］、と結晶構造、細孔径が異なる５種類のゼオライトの性質をまとめた表である。 図３は、本発明の実施例１で測定した、５種類のゼオライトのアセトン吸着率を示すグラフである。 図４は、本発明の実施例１で測定した、５種類のゼオライトのアセトン脱離率を示すグラフである。 図５は、本発明の実施例２で測定した、ハイシリカゼオライト３９０ＨＵＡの薄膜による皮膚アセトンの濃縮の結果を示すグラフである。 図６は、本発明の皮膚ガス測定方法を示す図である。

本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
（皮膚ガス測定装置）
図１は、本発明における皮膚ガス測定装置の実施形態の一構成例を示す。この実施態様では、本発明の皮膚ガス測定装置は、皮膚ガス測定部１００、皮膚ガス捕集部１０１、皮膚ガス濃縮部１０２、多孔質材料１０３、加熱部１０４及び開口部１０６からなる。

まず皮膚表面１０５から放出される皮膚ガス成分は、皮膚表面と密着した開口部１０６から皮膚ガス捕集部１０１により一定時間捕集される。捕集された皮膚ガス成分は、皮膚ガス捕集部１０１内に存在する皮膚ガス濃縮部１０２の多孔質材料１０３に吸着されて濃縮される。その後、皮膚ガス成分が吸着された多孔質材料１０３を加熱部１０４により加熱することで皮膚ガス成分を脱離させる。次に脱離した皮膚ガス成分は皮膚ガス測定部１００に導入され、皮膚ガス成分の量又はそれらの濃度が測定される。これらの各工程の詳細については後述する。

本発明の皮膚ガス測定装置が対象とする皮膚ガス成分は、皮膚表面から放出される全ての皮膚ガス成分が含まれる。本発明の皮膚ガス測定装置の対象となる皮膚ガス成分は特に、身体状態（健康、疾患、睡眠、休息、運動など）と関連付けられる皮膚ガス成分を含み、無機成分（例えば水、水素、アンモニア、一酸化炭素、二酸化炭素、一酸化窒素、硫化水素等）及び種々の有機成分（例えばアセトン、メタノール、エタノール、メタン、イソプレン、トリメチルアミン、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、ノニナール等）が含まれる。特に有機成分はその分子サイズのみならず、分子極性、置換基の性質など複雑な化学的、物理的性質を有するものである。さらに本発明の皮膚ガス測定装置の対象となる皮膚表面から放出される皮膚ガス成分には、生体内由来のガス成分だけでなく、生体外由来（環境由来）のガス成分をも含む。例えば、労働環境や生活環境中に含まれる種々の人工的なガス成分が呼吸、経皮吸収された後、皮膚表面から放出される皮膚ガス成分が挙げられる。具体的には化学薬品を扱う事業所や研究室で、有機溶媒（ベンゼン、トルエンなど）や塩素系溶剤などに暴露された場合に、これらの成分が皮膚表面から放出されることが知られている。

皮膚ガス捕集部１０１は開口部１０６を有し、当該開口部１０６は、皮膚表面１０５に密着させることで閉空間を形成し、皮膚表面１０５から放出される皮膚ガス成分を皮膚ガス捕集部１０１内に滞留させることを可能にする。ここで、開口部１０６の形状、寸法（面積）については特に制限はなく、測定される皮膚ガスの捕集部分の皮膚の形状、大きさに応じて、皮膚表面１０５に密着させて閉空間を形成し得る形状、大きさを適宜選択することができる。さらに装用型デバイスに使用する場合には、装用型デバイスの形状、大きさに適合するように選択することができる。前記開口部１０６の材質は特に限定されるものではないが、皮膚と密着させるものであることから、生体との適合性や親和性に優れる材料からなるもの、例えばハイドロキシアパタイトやシリコン、セラミックス等が望ましい。また皮膚表面１０５の形状が３次元的に凹凸等の平面形状でない場合には、密着性を維持するために前記開口部１０６の材料は柔軟材料であることが好ましい。前記開口部１０６は場合により、単一の開口部であってもよく、又はいくつかの仕切りを用いて複数の開口部１０６としてもよく、皮膚表面から効果的に皮膚ガスを捕集することを可能にする。

さらに皮膚ガス捕集部１０１は、皮膚表面１０５から放出された皮膚ガス成分を吸着しない材料であり、かつ皮膚ガス成分測定に影響を与えるガス成分を放出しない材料で作られていることが好ましい。又は皮膚ガス捕集部１０１の内壁が前記材料でコーティングされていることが望ましい。これらの材料は、例えば、テフロン（登録商標）やガラス、ポリフッ化ビニル樹脂等が望ましいが、これらに限定されるものではない。

皮膚ガス捕集部１０１内に滞留した皮膚ガス成分は、皮膚ガス捕集部１０１内に存在する皮膚ガス濃縮部１０２の多孔質材料１０３に吸着される。ここで本発明に使用可能な多孔質材料は、皮膚ガス成分を吸着し、さらに脱離（脱着）させる材料である。従って、本発明で使用可能な多孔質材料は、かかる性質を示す材料であれば、特に限定はなく、従来のかかる性質を有することが知られた天然物由来、合成物、又はこれらの混合物が含まれる。また本発明で使用される多孔質材料１０３は、以下説明する指針に基づき、新たに合成される新規多孔質材料も含む。具体的には、本発明の多孔質材料１０３は、例えばゼオライト、多孔質ガラス、シリカ、アルミナ、活性炭、分子ふるいカーボン等を含むが、これらに限定されるものではない。

多孔質材料は名の通り多くの孔を有する物質で、例えばゼオライトはケイ素およびアルミニウムの周りに４つの酸素が規則正しく３次元的に連結した結晶構造を持つ規則性多孔体であり、その結晶構造によっておおよその大きさが決まるナノスケールの細孔を有する。この細孔を通過できる分子を多孔質材料の内部に吸着するため、細孔より大きい分子径を有する分子は吸着できない「分子ふるい作用」を示す。本発明の多孔質材料は、この「分子ふるい作用」により、細孔径を適切に選択することで、対象とする皮膚ガス成分を選択的に吸着・濃縮することが可能となる。多孔質材料の結晶構造及び細孔径は種々の方法で実測、又は推定することが可能である。

しかし多孔質材料の選択は、対象分子の好適な吸着・脱離のためには、結晶構造と細孔径による吸着への適合性のみで選択するだけでは十分でないことが本発明者により見出された。即ち、後述する実施例で示されるように、細孔径と対象分子の分子径とが近い場合には、対象分子が強く吸着されすぎてしまい、対象分子を脱離させるために必要なエネルギーが大きくなりすぎ、以下説明する脱離させるための温度（脱離温度）が高くなってしまったり、脱離のための加熱時間が非常に長くなってしまったりという問題が生じる。一方で、細孔径が対象分子の分子径と比較して大きすぎると、対象分子以外の不要な分子も吸着・濃縮し、対象分子への選択性が損なわれ、対象とする皮膚ガス成分の測定に悪影響を与え得るという問題が生じる。従って、本発明において好適に使用される多孔質材料の結晶構造・細孔径は、濃縮対象分子の分子径とほぼ同等から数倍程度以内、特には３倍以内の細孔径を有するものであることが望ましい。この指針を用いて好ましい範囲の細孔径を有する多孔質材料を選択（又は設計）することで、対象となる皮膚ガス成分を迅速に（選択的に）吸着して濃縮し、かつ以下説明する適切な脱離温度で皮膚ガス成分を迅速に放出することが可能となる。

さらに本発明では、後述する実施例で示されるように、多孔質材料の選択のための他の指針として、前記結晶構造と細孔径による選択のみならず、それに組み合わせて多孔質材料の親疎水性（親水性、疎水性）もまた重要であることが本発明者により見出された。即ち多孔質材料の親疎水性を制御することで、細孔径が同程度であっても（即ち対象分子の分子径と同程度の細孔径であっても）、対象分子への脱離性を大きく改善できることが見出された。例えば本発明の多孔質材料としてゼオライトを使用する場合には、ＳｉＯ_２とＡｌ_２Ｏ_３の含有比率を変えることで親疎水性をコントロールすることができる。ゼオライトの親疎水性は一般的にＳｉＯ_２／Ａｌ_２Ｏ_３［ｍｏｌ／ｍｏｌ］の値で評価され、この値が低いほど親水性を示し、高いほど疎水性を示す。本発明の多孔質材料の親疎水性は、例えば吸着される対象分子の分子構造に基づく種々の計算又は実測値に応じて適宜、設計・選択することが可能である。一般的に皮膚ガス成分（例えばアセトン、エタノールなどの有機分子）は、後述する実施例にて示すように、細孔径の大きさが同等である場合でも、ＳｉＯ_２／Ａｌ_２Ｏ_３［ｍｏｌ／ｍｏｌ］の値が高いほど、吸着させた対象分子を脱離できる温度（脱離温度）がより低い温度となる。従ってより低い脱離温度で迅速に吸着された皮膚ガス成分を脱離させるためには、多孔質材料の疎水性は高いことが望ましい。なお、多孔質材料の疎水性が高いことは、皮膚表面から汗や水蒸気が多量に放出されていることから、水分を吸着せずに皮膚ガス成分を吸着するという観点からも望ましい。具体的に本発明で好ましく使用される多孔質材料としてゼオライトの場合は、例えばＳｉＯ_２／Ａｌ_２Ｏ_３［ｍｏｌ／ｍｏｌ］の値は少なくとも１０以上、好ましくは１００以上であることが望ましい。この指針を用いて前記好ましい範囲の親疎水性を有する多孔質材料を選択（又は設計）することで、対象となる皮膚ガス成分が、細孔径と同程度の分子径を有する皮膚ガス成分であっても、より低い脱離温度で迅速に皮膚ガス成分を脱離することが可能となる。

これまで説明したように、本発明で好ましく使用される多孔質材料は、その結晶構造、細孔径、親疎水性を適宜選択・設計することで、吸着される対象分子の望ましい吸着性のみならず、その望ましい脱離性をも同時に満たすものを選択・設計することが可能となる。以上を踏まえ、前記説明した指針を考慮すると、例えば、濃縮対象とする皮膚ガス成分をアセトン（分子径４．６Å）とした場合、市販製品の１つとして、東ソー株式会社製のハイシリカゼオライト３９０ＨＵＡが望ましい多孔質材料１０３の一つとして選択できる。これは結晶構造がＹ型で細孔径７．４Å（アセトン分子径の約１．６倍）、ＳｉＯ_２／Ａｌ_２Ｏ_３［ｍｏｌ／ｍｏｌ］の値が５００である。このようにして選択された多孔質材料を用いた例は、以下の実施例で具体的に示される。

なお、皮膚ガス捕集部１０１内の多孔質材料１０３は１種類である必要はなく、測定する皮膚ガス成分の数や種類に応じて複数種類を混合して又は別にして備えても良い。これにより、複数の皮膚ガス成分の同時測定、段階的測定、より高感度の測定などが可能になる。

また場合により、皮膚ガス捕集部１０１内には、皮膚表面１０５から生じる水蒸気や汗などの水分を除去または抑制する水分除去・抑制機構を有していてもよい。具体的には、例えば、吸水剤、除湿剤、乾燥剤、小型送風装置、のいずれか、またはこれらの組み合わせによって構成される。発生した水分を除去するための吸水剤、除湿剤、乾燥剤としては、例えば、Ａ型ゼオライトやポリアクリル酸ナトリウム、シリカゲル、酸化カルシウム、塩化カルシウム、活性炭、紙片、繊維等が使用できるが、これらに限定されるものではない。また、例えば、小型送風装置にて皮膚表面に風を吹き掛けることで、皮膚表面を乾燥させ、水分が発生しにくい状態を作り出してもよい。これにより、対象分子の測定に影響を与え得る水分を除去することができる。

さらに本発明では、皮膚ガス成分を多孔質材料に吸着させる時間、放出させる時間についても特に制限はないが、本発明の皮膚ガス装置による測定の精度及び測定（又はモニター）の間隔に応じて適宜設定することが可能である。装用型のデバイスに搭載し、皮膚ガス成分を常時かつ無意識に測定することを可能にし、それにより健康管理を実現するためには、それぞれ数分から数時間の範囲で測定間隔を設定することが好ましい。

さらに本発明においては皮膚ガス濃縮部１０２での濃縮率（濃縮の程度）についても特に制限はないが、続く皮膚ガス測定部１００の測定感度及び測定時間などから、少なくとも５倍から１００倍程度の濃縮率が好ましい。

また皮膚ガス濃縮部１０２の多孔質材料１０３の形状、サイズ、量についても特に制限はない。前記皮膚ガス捕集部１０１に捕集された皮膚ガス成分を、前記説明した望ましい時間内に十分吸着し、かつ望ましい時間内に十分放出し得る形状、サイズ、量が存在すればよい。多孔質材料の形状は、例えば粉末状、粒子状、懸濁物、分散物、成形化などがあり得る。粉末状、粒子状で使用する場合には、カラム状などの適切な形状の容器に充填して、前記捕集空間内の皮膚ガス成分を吸着させることが可能である。また懸濁物、分散物の形状で使用する場合には、適切な媒体（液体、固体）内に懸濁又は分散させて使用することが可能である。また成形化して使用することは、多孔質材料を好適なバインダーなどの添加物を用いて特定形状に成形して得られた成形体を使用することを含む。又はさらに成形した後、成形物を焼成処理して得られた成形体として使用することを含む。かかる成形物は、多孔質材料としての性質を維持し、かつ機械的、熱的強度が補強されることとなり、好ましい。本発明において１つの好ましい実施態様では、皮膚ガス濃縮部１０２が多孔質材料１０３を含む薄膜形状に成形することである。これは従来の技術を利用することで可能である。例えば上で説明した好ましいゼオライトを多孔質材料として用いる場合、適切なバインダーと共にスラリー化し、適切な手段で基板上に薄膜化した後、焼成することで、前記基板上に多孔質材料の薄膜を形成することができる。本発明において薄膜化のために好ましく使用可能な基板には、限定されるものではないが例えば、種々の形状のガラス、セラミックス、金属などが挙げられる。具体的にはシリコンウェハが挙げられる。また薄膜化のために本発明において好ましく使用可能なバインダーは、限定されるものではないが例えば、無機粉末スラリーを形成するために使用される種々の有機、又は無機材料又はこれらの混合物が挙げられる。具体的には無機材料としてはコロイダルシリカが挙げられ、有機材料としては種々の変性セルロースが挙げられる。また薄膜の寸法（厚さ、縦横寸法）、前記基板の選択（材料、柔軟性などの機械的特性）は、使用の目的により適宜設定することができる。例えば、前記薄膜の厚さは数μｍから数ミリメートルの範囲であり得る。本発明の皮膚ガス測定装置を装用型デバイスに適用する場合、多孔質材料を薄膜化して使用することは、装用型デバイスを小型化・軽量化することを可能にすることから好ましい。またバインダーに他の種々の性能を付加するための添加剤を含むことも可能である。例えば、耐熱性、耐水性や機械的応力を改善するための添加剤が挙げられる。

さらに皮膚ガス捕集部１０１内には、皮膚ガスが吸着した多孔質材料１０３から、皮膚ガス成分を脱離させるために、相対的に低い温度で加熱する加熱部１０４を含む。ここで相対的に低い温度とは、多孔質材料で通常吸着成分を脱離させるために適用される温度よりも低い温度を意味する。具体的には前記加熱温度は、上で説明された指針を用いて選択された多孔質材料について、従来吸着成分を脱離させるために通常適用されてきた温度の約１／２又は１／３程度で十分であることが本発明者により見出された。例えばゼオライト全般の汎用的使用では脱離温度が５００℃程度であるが、これと比較して、本発明の指針により選択された多孔質材料では、対象となる皮膚ガスの脱離のための加熱温度は２５０℃以下、又は２００℃以下で十分であることが本発明者により見出された。また脱離の温度が高いほど脱離率が上がり脱離に要する時間は短くなることから、高い脱離率で脱離される場合には前記の範囲の上限が好ましいが、許容される最大の加熱温度は、装用型のデバイスに搭載し、ユーザーが安全に安心して、皮膚ガスを常時かつ無意識に測定することを可能とする温度であることも考慮されるべきである。これらの点を考慮すると、加熱温度は２５０℃程度を上限とすることが好ましい。またさらに加熱温度の上限は、各皮膚ガス成分の吸着脱離平衡を実際に測定し、これに基づき、望ましい脱離率が得られる温度を推定することでさらに好適化することも好ましい。これにより、ユーザーに対してより安心、安全な皮膚ガス測定装置となる。

ユーザーに対しての安全、安心をさらに考慮して、多孔質材料１０３や加熱部１０４が皮膚に触れたり、皮膚に影響を与えたりすることがないようデバイス設計を行うことも好ましい。例えば皮膚ガス濃縮部１０２は皮膚表面１０５から離れた位置に配置されることが望ましい。あるいは、皮膚ガス成分の吸着や脱離に影響を与えない範囲で皮膚ガス濃縮部１０２の一部または全体に熱シールドや断熱材、遮熱材等を配置しても良い。熱シールドや断熱材、遮熱材としては、例えばアルミニウム箔や鋼板、グラスウール、発泡ガラス、発泡ゴム等が使用できるが、これらに限定されるものではない。

加熱部１０４の加熱手段は特に制限されるものではないが、多孔質材料１０３を所望の温度まで加熱できるものであれば特に制限はない。例えばセラミック製のヒーター、電気抵抗ヒーター、マイクロ波照射による加熱が可能である。また、多孔質材料１０３が薄膜形成される場合には、電気抵抗ヒーターを前記多孔質材料薄膜上に印刷することや、ミクロ加工することで、多孔質材料表面又は内部に設けることが可能となる。またゼオライトなどの多孔質材料は熱伝導性が低いものが一般的に多いことから、加熱部１０４からの加熱エネルギーを効率的に多孔質材料１０３の内部へ伝達するため、多孔質材料１０３を熱伝導性の優れた材料と共に用いることも好ましい。熱伝導性の優れた材料としては、金属材料、炭素材料、セラミック材料などが挙げられる。具体的にはこれらの熱伝導性の優れた材料で多孔質材料を挟み込む、包埋する、又は熱伝導性の優れた材料の粉末又は粒子と混合して使用することが含まれる。これらにより加熱部１０４の加熱が多孔質材料１０３により迅速に伝達され、効率的な脱離を可能にする。これらにより本発明の皮膚ガス測定装置を装用型デバイスに適用する場合、装用型デバイスをより省エネ化、小型化・軽量化することを可能にすることから好ましい。

本発明の皮膚ガス測定装置はさらに、皮膚ガス測定部１００を含む。皮膚ガス測定部１００は、多孔質材料１０３から加熱されて脱離された皮膚ガス成分を測定する。多孔質材料１０３から加熱されて脱離された皮膚ガス成分を皮膚ガス測定部１００へ導入する方法・手段については特に制限がなく、多孔質材料から加熱されて脱離された皮膚ガス成分の少なくとも一部が、皮膚ガス測定部１００に導入される方法・手段であればよい。例えば多孔質材料１０３と皮膚ガス測定部１００の間に適切な閉空間を設けることで多孔質材料１０３から加熱されて脱離された皮膚ガス成分が前記閉空間内に保持され皮膚ガス測定部１００で測定される。又は多孔質材料を加熱して脱離された皮膚ガス成分の少なくとも一部を適切な導入手段（管など）で集めて皮膚ガス測定部１００へ導入させることも可能である。

皮膚ガス測定部１００は、皮膚ガス測定部１００に導入された対象皮膚ガス成分を検出し、その量または濃度を測定する検出装置（センサ）を含む。かかる検出装置は、皮膚ガス測定部１００に導入された対象皮膚ガス成分を検出し、その量または濃度を測定する装置であれば特に制限はない。皮膚ガスが非常に多種類の成分を含み得る点、及び本発明の皮膚ガス測定装置の応用の特徴（短い測定間隔での皮膚ガス変移モニタリングを可能とし、消費電力も低く、デバイスの小型化や長時間駆動が容易）を考慮すると、半導体ガスセンサの使用が好ましい。具体的には、多孔質材料１０３に濃縮された皮膚ガス成分であるアセトン、水素、一酸化炭素、メタン、硫化水素、イソプレン、トリメチルアミン、アンモニア、メタノール、アセトアルデヒド、エタノール、一酸化窒素、ホルムアルデヒド、ノニナール等の生体から発せられる各種ガス成分を測定する半導体式ガスセンサから構成される。なお、対象となる皮膚ガス成分は、上述した皮膚ガス成分に限られず、生体の皮膚表面から放出される皮膚ガス成分であれば良い。また、皮膚ガス測定部１００は、半導体式ガスセンサに限定されるものではなく、カーボンナノチューブ型センサ、グラフェン型センサ、電気化学式センサ、光ファイバー型センサ、薄膜型センサ、ＭＥＭＳ熱伝導式センサ、弾性表面波センサ、マイクロ熱電式センサ、接触燃焼式センサ、起電力変化方式センサ、光学式センサ等であってもよく、皮膚ガス成分を測定可能な何れか適切なセンサであっても良い。また、皮膚ガス測定部１００は、特定の１ガス成分のみを測定するセンサであっても良いし、複数種類のセンサをアレイ状に配置し、複数の異なる皮膚ガス成分を測定できるような構成であっても良い。この場合、皮膚ガス測定部１００は、アレイ状に配置されることに限定されるものではない。また、小型化したガスクロマトグラフィーチップ等を用いて複数の皮膚ガス成分を測定できるようにしてもよい。なお、皮膚ガス測定部１００は、皮膚ガス捕集部１０１内に配置されていても良い。

また皮膚ガス測定部１００は、好ましくは検出された成分の量または濃度決定のための判断、計算を行う手段を備える。例えば、情報を記憶するメモリや、計算するためのプロセッサーが含まれる。これらは皮膚ガス測定部１００の内部に設けることも可能であり、又別に外部に設けることも可能である。さらには、以下説明するように、本発明の皮膚ガス測定装置を装備するデバイスに設けることも可能である。
（皮膚ガス測定方法）
本発明の皮膚ガス測定方法は、皮膚表面と密着させた開口部から皮膚ガス捕集空間内に、前記皮膚表面から放出された皮膚ガス成分を導入するステップと、前記導入された皮膚ガス成分を多孔質材料に吸着させて濃縮するステップと、前記多孔質材料に吸着された前記皮膚ガス成分を相対的に低い温度で加熱して脱離させるステップと、脱離させた前記皮膚ガス成分の濃度または量を測定するステップとを有する。

本発明の皮膚ガス測定方法を図６に基づき説明する。図６のステップＳ６０１で、皮膚表面と密着させた開口部から形成される閉空間内に、皮膚から放出される皮膚ガスが皮膚ガス捕集空間内に捕集される。ステップＳ６０２で、前記捕集された皮膚ガス成分が多孔質材料に吸着される。ここで前記多孔質材料は、上で説明した本発明の皮膚ガス測定装置で好適に使用される多孔質材料の使用が好ましい。ステップＳ６０３で、前記多孔質材料に吸着された皮膚ガス成分を、前記多孔質材料を加熱することで脱離させる。さらに、ステップＳ６０４で、前記脱離された皮膚ガス成分を測定する。ここで本発明の皮膚ガス測定方法で使用可能な多孔質材料、加熱手段、加熱温度、測定手段については上記詳細な説明を参照できる。

本発明の皮膚ガス測定方法により、ユーザーが安全に安心して、皮膚ガス成分を常時かつ無意識に測定することを可能にする。
（本発明の皮膚ガス測定装置を含む装用型デバイス）
本発明の皮膚ガス測定装置は、種々の装用型デバイスに搭載することで、前記デバイスを常時携帯しても、安全に安心して、皮膚ガスを常時かつ無意識に測定することを可能にし、それにより健康管理を実現可能にする。

このために、本発明の皮膚ガス測定装置は表示部を備えていてもよい。前記表示部に表示する内容は特に限定されないが、ユーザーデータ、測定日時、温度、湿度などの測定条件データ、及び前記皮膚ガス成分の測定結果などを表示することが好ましい。ユーザーはこの表示により、常に、安全、安心して皮膚ガス成分の変化を観察しモニターすることができる。

また本発明の皮膚ガス測定装置はさらに通信部を備えていてもよい。前記通信部は、有線、無線を介してデータの送受信を行う通信手段を含む。前記通信部は、測定日時、温度、湿度などの測定条件データ、及び皮膚ガス成分の測定結果などを送受信可能とする。これにより、ユーザーと、ユーザーをモニターする、医師、看護師、介護者、運動インストラクターなどとの間で、前記結果を、望むならばオンラインで送受信可能となり、ユーザーへの遠隔診断、遠隔治療、遠隔指示などが可能となる。また、これらのデータを蓄積し、管理することで、ユーザーへの健康アドバイス、運動指針提供などの遠隔通信サービスなどが可能となる。

また本発明の皮膚ガス測定装置を搭載するデバイスとして、ユーザーがいつでも必要な際に使用可能なように携帯型に構成することも好ましい。例えば腕時計型（手首）、足輪型（足首）、絆創膏型（背中、腹部、顔面など）、指輪型（指）、ネックレス型（首の後ろ）、眼鏡型（こめかみ、耳付近）、イヤホン・ヘッドホン型（耳付近）、靴型（足）などが可能である。さらに携帯型の本発明の皮膚ガス測定装置を携帯電話などの携帯端末、パソコンなどに有線または無線によって接続するように構成することも可能である。この場合には、測定結果などを携帯端末、パソコンで処理、記憶、表示させることも好ましい。また、上で説明した通信部の機能を、これらの携帯端末、パソコン上で作用させることも好ましい。

以下本発明を実施例によりさらに説明する。

（実施例１）
本実施例では、代表的な多孔質材料で、特に使用が望ましいゼオライトを例に挙げて、同量のアセトンを吸着した多孔質材料であっても、親疎水度と細孔径の違いによって、加熱時に脱離されるアセトン量が異なる、原理実証実験結果を示す。

多孔質材料の一例として本実施例で評価したゼオライトは、結晶構造は同一のＹ型であるが、親疎水度が異なる、東ソー株式会社製のハイシリカゼオライト３５０ＨＵＡ、３８５ＨＵＡ、３９０ＨＵＡと、結晶構造がＺＳＭ−５型のユニオン昭和株式会社製のＨＩＳＩＶ３０００、東京大学大学院工学系研究科化学システム工学専攻大久保研究室にて化学合成したフェリエライト型のＦＥＲ−３１２（特許文献６：特許第３５７２３６５号公報）の５種類である（図２）。

なお、細孔径はＹ型が７．４Å、ＺＳＭ−５型が５．１〜５．６Å、フェリエライト型が３．５〜５．４Åであり（非特許文献１：Ｔｈｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｚｅｏｌｉｔｅ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ，"Ｄａｔａｂａｓｅ ｏｆ Ｚｅｏｌｉｔｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ"ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｉｚａ−ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．ｏｒｇ／ｄａｔａｂａｓｅｓ）、アセトンの分子径は４．６Åである。

［前処理・吸着］
アセトンを含む余分なガス成分を予め脱離させた各ゼオライト粉末５ｍｇをガスの出し入れが可能なセプタムを有する密閉バイアル瓶（体積１６．９ｍＬ）の中に入れ、窒素で希釈したアセトン純ガス（アセトン量４０．８ｎｇ）を注入して、１５分間静置した。その後、瓶内雰囲気中のアセトン量をガスクロマトグラフィ装置により測定することで、各ゼオライト粉末のアセトン吸着率を算出した結果が図３である。

図３より、瓶内雰囲気中のアセトン量は殆ど検出されず、５種類のゼオライト粉末ともに、注入したアセトンをほぼ全て吸着できていることがわかる。

［脱離］
前記でアセトンを吸着させた各ゼオライト粉末５ｍｇを、ガスの出し入れが可能なセプタムを有する密閉バイアル瓶（体積１６．９ｍＬ）の中で、従来の加熱温度の１／３や半分といった高温ではない条件下（１５０℃または２４０℃）で５分間加熱してアセトンを脱離させた。その後、瓶内雰囲気中のアセトン量をガスクロマトグラフィ装置により測定し、各ゼオライト粉末のアセトン脱離率を算出した結果が図４である。

図４より、５種類のゼオライトともに２４０℃で加熱した方がアセトン脱離率が高く、加熱温度を高くするほどアセトン脱離率が高まることがわかる。図には示していないが、加熱温度を５００℃以上とすれば、１００％近いアセトン脱離率が得られるはずである。

続いて、結晶構造が同じＹ型である３５０ＨＵＡ、３８５ＨＵＡ、３９０ＨＵＡ間の比較では、疎水性が高いゼオライトの方がアセトン脱離率が高く、より低い温度で脱離させるためには疎水性が高い方が望ましいことがわかる。また、細孔径が異なる３９０ＨＵＡ、ＨＩＳＩＶ３０００、ＦＥＲ−３１２間の比較では、細孔径が大きいゼオライトはアセトン脱離率が高く、より低い温度で脱離させるためには細孔径が大きいゼオライトの方が望ましいことがわかる。
（実施例２）
実施例１ではアセトン純ガスを吸脱着した際の基本性能評価結果を示したが、実際のヒト皮膚表面から放出されているアセトン（以降、皮膚アセトンと呼ぶ）に対しても同様に、多孔質材料で吸脱着可能であることを示す必要がある。

そこで本実施例では、東ソー株式会社製のハイシリカゼオライト３９０ＨＵＡを薄膜化したサンプル（以降、３９０ＨＵＡ薄膜と呼ぶ）を多孔質材料の一例として使用し、皮膚ガス成分の捕集時間を変えて皮膚アセトンを３９０ＨＵＡ薄膜に吸着させた後、脱離させる実証実験を行った。

［３９０ＨＵＡ薄膜作製］
３９０ＨＵＡの粉末４．４２ｇに、スノーテックス４．４２ｇ（日産化学工業株式会社）、カルボキシメチルセルロース０．３５ｇ（和光純薬工業株式会社）、超純水２０ｍＬを加え、十分に混合してスラリーを作製した。

作製したスラリーを８ｍｍ×８ｍｍ角のシリコンウエハー上に滴下し、２０００ｒｐｍで３０秒間スピンコートした。その後、電気炉により１００℃で３０分間加熱することでスラリーに含まれる水分を蒸発させた後、８００℃で６０分間焼成することで３９０ＨＵＡ薄膜を作製した。本方法により作製した３９０ＨＵＡ薄膜のゼオライト含有量は約４ｍｇであった。

［皮膚アセトン吸着・脱離］
作製した３９０ＨＵＡ薄膜を蓋が空いたバイアル瓶（開口部面積１．１３ｃｍ^２、体積１６．９ｍＬ）の中に入れ、瓶の開口部を被験者の皮膚表面に密着させて皮膚ガス成分を５分、１５分又は３０分間捕集した。なお、本捕集時間の間に、被験者の体動等によって、瓶の開口部が皮膚表面から離れ、皮膚ガス捕集空間の密閉性が一時的に破れてしまったとしても、３９０ＨＵＡ薄膜に吸着された皮膚ガス成分は加熱しない限り脱離しないため、測定の大きな妨げとはならない。

捕集後、皮膚ガス成分を吸着させた３９０ＨＵＡ薄膜をガスの出し入れが可能なセプタムを有する密閉バイアル瓶（体積１６．９ｍＬ）の中に入れて２４０℃で５分間加熱して、吸着させた皮膚ガス成分を脱離させた。その後、瓶内雰囲気中のアセトン量をガスクロマトグラフィ装置により測定することで、３９０ＨＵＡ薄膜から脱離したアセトン量を算出した結果が図５である。

図５より、捕集時間が増えるにつれて脱離させた皮膚アセトン量が増えており、捕集時間を長くすれば３９０ＨＵＡ薄膜に吸着・脱離する皮膚アセトン量を増加させられることがわかる。

また、捕集に使用された皮膚表面積１．１３ｃｍ^２から１分あたりに自然放出されている皮膚アセトン量の平均値を算出したところ、０．７５ｎｇであった。皮膚ガス捕集を５分間行って脱離した場合には６．３ｎｇのアセトン量が放出されることから、多孔質材料を用いずに自然放出される皮膚アセトン量をリアルタイム測定する場合と比べて、５分間捕集で８．４倍のアセトン濃縮効果が得られていることに相当する。同様に、１５分間捕集で１１．０倍、３０分間捕集で１６．１倍のアセトン濃縮効果が得られていることに相当する。

なお、前記実施例１および本実施例２の実験結果からは、一般的な条件下よりも低い温度でゼオライトから皮膚アセトンを脱離させるためには、３９０ＨＵＡの使用が最も好ましいと言えるが、その使用が３９０ＨＵＡに限定される訳ではない。皮膚アセトンの濃縮効果は多少なりとも劣るが、他のゼオライト、例えばＨＩＳＩＶ３０００や３８５ＨＵＡ、ＦＥＲ−３１２であっても、皮膚ガス捕集時間の長さや皮膚ガス測定部１００における測定器の検出限界等の性能によっては、使用できる可能性が十分にあると言える。一方、３５０ＨＵＡは皮膚アセトンの濃縮効果が殆ど得られないため、使用には好ましくない。

以上の結果により、測定対象とする皮膚ガス成分の種類や分子径に応じて、多孔質材料の種類、親疎水度、結晶構造、細孔径等を適切に選択することで、一般的な条件下よりも低い温度で多孔質材料から吸着した皮膚ガス成分を脱離させることができ、装用型のデバイスで皮膚ガス成分の変移を短い測定間隔でモニタリング可能となることが示された。

１００…皮膚ガス測定部
１０１…皮膚ガス捕集部
１０２…皮膚ガス濃縮部
１０３…多孔質材料
１０４…加熱部
１０５…皮膚表面
１０６…開口部

Claims (8)

1. 皮膚表面と密着させる開口部を持つ皮膚ガス捕集空間と、
   前記皮膚表面から前記皮膚ガス捕集空間に放出される皮膚ガス成分を吸着して濃縮し、かつ前記吸着した皮膚ガス成分を相対的に低い温度で脱離可能である多孔質材料と、
   前記多孔質材料を加熱する加熱部とを含む、皮膚ガス捕集部と、
   前記加熱された多孔質材料から脱離した前記皮膚ガス成分を測定する皮膚ガス測定部、とを備えることを特徴とする、皮膚ガス測定装置。
2. 請求項１に記載の皮膚ガス測定装置であり、前記多孔質材料は、疎水性であることを特徴とする、皮膚ガス測定装置。
3. 請求項１又は２のいずれかに記載の皮膚ガス測定装置であり、前記多孔質材料の細孔径は、前記皮膚ガス成分の分子径と同等から３倍以内であることを特徴とする、皮膚ガス測定装置。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の皮膚ガス測定装置であり、前記多孔質材料は、ゼオライトであることを特徴とする、皮膚ガス測定装置。
5. 請求項４に記載の皮膚ガス測定装置であり、前記ゼオライトのＳｉＯ_２／Ａｌ_２Ｏ_３［ｍｏｌ／ｍｏｌ］の値がすくなくとも１０以上であることを特徴とする、皮膚ガス測定装置。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の皮膚ガス測定装置であり、前記皮膚ガス成分は、アセトンまたはアセトンと分子径が同等な分子であることを特徴とする、皮膚ガス測定装置。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の皮膚ガス測定装置であり、前記多孔質材料はゼオライトで、その細孔径は前記皮膚ガス成分の分子径と同等から３倍以内であり、さらに前記ゼオライトのＳｉＯ_２／Ａｌ_２Ｏ_３［ｍｏｌ／ｍｏｌ］の値が１００以上であることを特徴とする、皮膚ガス測定装置。
8. 皮膚表面と密着させた開口部から皮膚ガス捕集空間内に、前記皮膚表面から放出された皮膚ガス成分を導入するステップと、
   前記導入された皮膚ガス成分を多孔質材料に吸着させて濃縮するステップと、
   前記多孔質材料に吸着された前記皮膚ガス成分を相対的に低い温度で加熱して脱離させるステップと、
   脱離させた前記皮膚ガス成分の濃度または量を測定するステップとを有する、皮膚ガス測定方法。

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