JP2015155803A - 呼気診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高精度の測定が安定して可能な呼気診断装置を提供する。【解決手段】実施形態によれば、供給部と、光源部と、セル部と、検出部と、第１フィルタと、第２フィルタと、を含む呼気診断装置が提供される。供給部は、呼気を含む試料気体が供給される。光源部は、測定光を出射する。セル部は、測定光に対して反射性の第１反射部及び第２反射部を含む。供給部から導入された試料気体が第１反射部と第２反射部との間の空間に導入される。検出部は、空間に試料気体が導入された状態において第１反射部及び第２反射部で反射して空間を通過した測定光を検出する。第１フィルタは、供給部とセル部との間の試料気体の導入経路上に設けられ粒子を捕獲する。第２フィルタは、導入経路上において第１フィルタとセル部との間に設けられ第１フィルタの吸湿性よりも高い吸湿性を有する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、呼気診断装置に関する。

呼気診断装置においては、呼気中のガスを測定する。測定結果により、病気の予防や早期発見が容易になる。呼気診断装置において、高精度の測定結果を安定して得ることが望まれる。

特開２０１３−１１６２０号公報

本発明の実施形態は、高精度の測定が安定して可能な呼気診断装置を提供する。

本発明の実施形態によれば、供給部と、光源部と、セル部と、検出部と、第１フィルタと、第２フィルタと、を含む呼気診断装置が提供される。前記供給部は、呼気を含む試料気体が供給される。前記光源部は、測定光を出射する。前記セル部は、前記測定光に対して反射性の第１反射部及び第２反射部を含む。前記供給部から導入された前記試料気体が前記第１反射部と前記第２反射部との間の空間に導入される。前記検出部は、前記空間に前記試料気体が導入された状態において前記第１反射部及び前記第２反射部で反射して前記空間を通過した前記測定光を検出する。前記第１フィルタは、前記供給部と前記セル部との間の前記試料気体の導入経路上に設けられ粒子を捕獲する。前記第２フィルタは、前記導入経路上において前記第１フィルタと前記セル部との間に設けられ前記第１フィルタの吸湿性よりも高い吸湿性を有する。

実施形態に係る呼気診断装置を例示する模式図である。 水の飽和水蒸気量を例示するグラフ図である。 図３（ａ）及び図３（ｂ）は、実施形態に係る呼気診断装置の一部を例示する模式的断面図である。 実施形態に係る別の呼気診断装置を例示する模式図である。 図５（ａ）〜図５（ｃ）は、実施形態に係る呼気診断装置の一部を例示する模式図である。

以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

（実施形態）
図１は、実施形態に係る呼気診断装置を例示する模式図である。
図１に表したように、実施形態に係る呼気診断装置１１０は、供給部１０ｉと、光源部３０と、セル部２０（容器部）と、検出部４０と、第１フィルタ１１と、第２フィルタ１２と、を含む。

供給部１０ｉには、試料気体５０が供給される。試料気体５０は、呼気５０ａを含む。呼気５０ａは、例えば、ヒトを含む動物の呼気である。

光源部３０は、測定光３０Ｌを出射する。この例では、光源部３０は、半導体発光素子３０ａと、駆動部３０ｂと、を含む。駆動部３０ｂは、半導体発光素子３０ａに電気的に接続される。駆動部３０ｂは、半導体発光素子３０ａに、発光のための電力を供給する。後述するように、半導体発光素子３０ａとして、例えば、量子カスケードレーザが用いられる。半導体発光素子３０ａの例については、後述する。

測定光３０Ｌは、呼気５０ａに含まれる物質に吸収される波長を含む。測定光３０Ｌは、赤外光（赤外線）を含む。測定光３０Ｌは、例えば、０．７マイクロメートル（μｍ）以上１０００μｍ以下である。測定光３０Ｌは、例えば、２．５μｍ以上１１μｍ以下でも良い。

セル部２０は、第１反射部２１と、第２反射部２２と、を含む。第１反射部２１及び第２反射部２２は、測定光３０Ｌに対して反射性である。

供給部１０ｉから導入された試料気体５０は、第１反射部２１と第２反射部２２との間の空間２３ｓに導入される。

例えば、セル部２０は、例えば、セル２３（容器）をさらに含む。例えば、セル２３により、空間２３ｓが形成される。第１反射部２１と第２反射部２２との間に空間２３ｓの少なくとも一部が配置される。

測定光３０Ｌは、空間２３ｓに試料気体５０が導入された状態において、例えば、空間２３ｓを通過する。例えば、測定光３０Ｌは、第１反射部２１と第２反射部２２とで反射して、第１反射部２１と第２反射部２２との間（空間２３ｓ）を複数回往復する。測定光３０Ｌの一部が、試料気体５０に含まれる物質により吸収される。測定光３０Ｌのうちの、物質に特有の波長の成分が吸収される。吸収の程度は、物質の濃度に依存する。

検出部４０は、空間２３ｓに試料気体５０が導入された状態において空間２３ｓを通過した測定光３０Ｌを検出する。

検出部４０には、例えば、フォトダイオード、ＭＣＴ（ＨｇＣｄＴｅ）、サーモパイル、または、焦電素子などが用いられる。実施形態において、検出部４０は任意である。この例では、処理部４５が設けられている。処理部４５は、検出部４０で得られた検出信号（例えば電気信号）を処理する。

呼気診断装置１１０においては、呼気５０ａを含む試料気体５０に測定光３０Ｌを照射し、呼気５０ａに含まれている物質による測定光３０Ｌの吸収が測定される。これにより、呼気５０ａに含まれる物質の濃度が測定される。物質は、例えば、アセトンである。例えば、糖尿病に罹患すると、呼気５０ａ中のアセトンの濃度が健康時に比べて上昇する。呼気診断装置１１０においては、物質（例えばアセトンなど）の濃度を測定することで、健康状態が診断される。物質の例については、後述する。

呼気診断装置１１０においては、供給部１０ｉから導入された試料気体５０は、導入経路１５を通じてセル部２０に導入される。導入経路１５は、供給部１０ｉとセル部２０との間に設けられる。一方、セル部２０に導入された試料気体５０は、排出部１０ｏを通じて外部に排出される。

本実施形態においては、第１フィルタ１１は、導入経路１５上に設けられる。すなわち、第１フィルタ１１は、導入経路１５上において、供給部１０ｉとセル部２０との間に配置される。第１フィルタ１１は、粒子を捕獲する。第１フィルタ１１は、例えば、パーティクルフィルタである。

第２フィルタ１２は、導入経路１５上において、第１フィルタ１１とセル部２０との間に設けられる。第２フィルタ１２は、第１フィルタ１１の吸湿性よりも高い吸湿性を有する。第２フィルタ１２は、例えば、水分フィルタである。

例えば、第１フィルタ１１は、粒子捕獲部１１ｐと、第１導入口１１ｉと、第１流出口１１ｏと、を含む。粒子捕獲部１１ｐは、粒子を捕獲する。第１導入口１１ｉは、粒子捕獲部１１ｐと供給部１０ｉとの間に設けられる。第１導入口１１ｉに、試料気体５０が導入される。第１流出口１１ｏは、粒子捕獲部１１ｐと第２フィルタ１２との間に設けられる。第１流出口１１ｏから試料気体５０が流出する。

例えば、第２フィルタ１２は、吸湿部１２ｐと、第２導入口１２ｉと、第２流出口１２ｏと、を含む。吸湿部１２ｐは、吸湿性を有する。第２導入口１２ｉは、吸湿部１２ｐと第１フィルタ１１との間に設けられる。第２導入口１２ｉに、試料気体５０が導入される。第２流出口１２ｏは、吸湿部１２ｐとセル部２０との間に設けられる。第２流出口１２ｏから、試料気体５０が流出する。

この例では、供給部１０ｉと、第１フィルタ１１の第１導入口１１ｉと、が、第１配管１５ａにより接続されている。セル部２０と、排出部１０ｏと、が、第２配管１５ｂにより接続されている。第１フィルタ１１の第１流出口１１ｏと、第２フィルタ１２の第２導入口１２ｉと、が、第３配管１５ｃにより接続されている。第２フィルタ１２の第２流出口１２ｏと、セル部２０と、が、第４配管１５ｄにより接続されている。例えば、導入経路１５は、第１配管１５ａ、第３配管１５ｃ、及び、第４配管１５ｄを含む。

この例では、筐体１０ｗがさらに設けられている。筐体１０ｗ中に、例えば、セル部２０、光源部３０、検出部４０、導入経路１５、第１フィルタ１１及び第２フィルタ１２が格納される。

この例では、測定光３０Ｌの光路上において、光源部３０とセル部２０との間に、第１光学素子３６ａが設けられている。光路上において、第１光学素子３６ａとセル部２０との間に第２光学素子３６ｂが設けられている。光路上において、セル部２０と検出部４０との間に、第３光学素子３６ｃが設けられている。これらの光学素子は、例えば、集光光学素子及びコリメート光学素子の少なくともいずれかを含む。これらの光学素子に、フィルタを用いても良い。これらの光学素子に、光スイッチを用いても良い。光学素子は必要に応じて設けられ、省略しても良い。

本実施形態においては、試料気体５０は、まず、粒子を捕獲する第１フィルタ１１を通過する。粒子は、例えば、ゴミや花粉などである。第１フィルタ１１を通過することで、試料気体５０に含まれる不要な粒子の量が低減する。そして、試料気体５０は、第１フィルタ１１を通過した後に、第２フィルタ１２を通過する。第２フィルタ１２においては、試料気体５０中の水分が捕獲され、試料気体５０の湿度が低下する。湿度が低下した試料気体５０が空間２３ｓに導入される。

すなわち、粒子の量と湿度とが低減した試料気体５０が空間２３ｓに導入される。これにより、呼気５０ａに含まれる物質（測定対象）の濃度を精度良く安定して測定できる。

例えば、試料気体５０に花粉やゴミなどの粒子が含まれ、粒子が測定のための空間２３ｓに導入されると、粒子に測定光３０Ｌが照射される。すなわち、測定対象とする物質ではない粒子に測定光３０Ｌが照射される。例えば、吸収及び散乱の少なくともいずれかが生じるこれにより、透過する光量が変化し正しい測定結果が得られない。

さらに、本願発明者の検討によると、第１反射部２１及び第２反射部２２の表面に粒子が付着する場合があり、例えば、反射部の反射率が低下し透過する光量が変化する。このために測定結果の精度が劣化することが分かった。

さらに、呼気５０ａを含む試料気体５０が、測定のための空間２３ｓに導入されると、結露が生じる場合があることが分かった。例えば、第１反射部２１の表面、及び、第２反射部２２の表面の少なくともいずれかに、水の粒子が付着する。結露が生じると、例えば、測定光３０Ｌにおいて、反射部の反射率が低下し、透過する光量が変化する。このため、測定結果が不正確になる。

さらに、第１反射部２１及び第２反射部２２に多層構造体を用いる場合がある。これにより、赤外光の測定光３０Ｌに対して所望の高反射率が得やすくなる。特に、赤外波長において使用できる材料は、吸湿性の高い材料が多く、高湿度中で劣化しやすいことが分かった。第１反射部２１及び第２反射部２２が劣化すると、測定結果の精度が劣化する。

実施形態においては、第１フィルタ１１及び第２フィルタ１２を用いることで、呼気５０ａに含まれる物質（測定対象）の濃度を精度良く安定して測定できる。

実施形態においては、供給部１０ｉと第２フィルタ１２との間に、第１フィルタ１１を設ける。これにより、試料気体５０においては、まず粒子が捕獲される。粒子の量が減少した試料気体５０が第２フィルタ１２に導入される。これにより、第２フィルタ１２への粒子付着による第２フィルタ１２の吸湿性が、粒子によって劣化することが抑制される。さらに、例えば、大量の粒子が第２フィルタ１２に導入されると、第２フィルタ１２における水の吸着性能が劣化する。さらに、第２フィルタ１２において、気体に対するコンダクタンスが劣化する。

本実施形態においては、第１フィルタ１１を供給部１０ｉ側に配置し、粒子の量が低減した後の試料気体５０を第１フィルタ１２に導入する。これにより、第２フィルタ１２の吸湿性及びコンダクタンスなどを含む特性の劣化が抑制できる。
本実施形態によれば、高精度の検出が安定して可能になる。

さらに、第１フィルタ１１を第２フィルタ１２と供給部１０ｉとの間に配置することで、例えば、第２フィルタ１２に含まれる異物（粒子）が第１フィルタ１１で捕獲される。すなわち、第１フィルタ１１は、第２フィルタ１２に含まれる粒子を捕獲可能である。例えば、粒子の逆流が第１フィルタ１１により抑制できる。

例えば、第２フィルタ１２としてシリカゲルなどを用いる場合がある。第１フィルタ１１を用いることで、シリカゲルの粒子が、供給部１０ｉを介して、被検者に向かって流入することが抑制できる。すなわち、実施形態によれば、高精度の検出が安定して可能になることに加えて、安全性が向上する。

実施形態において、例えば、第１フィルタ１１は、例えば、微粒子体（例えば、ポーラスフィルタ）を含む。第１フィルタ１１は、例えば、管状体を含む。管状体は、例えば、中空の糸状体である。第１フィルタ１１は、例えば、網目体を含む。網目体においては、例えば、複数の糸状体が交差して配置されている。

例えば、第１フィルタ１１において、第１流出口１１ｏにおいて、試料気体５０中に含まれる粒径が１μｍ以上１０００μｍ以下の粒子の濃度を第１濃度とする。第１導入口１１ｉにおいて、試料気体５０中に含まれる粒径が１μｍ以上１０００μｍ以下の粒子の濃度を第２濃度とする。第１濃度は、例えば、第２濃度の１０００分の１以下である。第１濃度は、例えば、第２濃度の１００００分の１以下であることがさらに望ましい。

第２濃度の第１濃度に対する比が高いと、粒子の除去性能（捕獲性能）が高い。この比が過度に高いと、第１フィルタ１１における気体のコンダクタンスが過度に低くなる場合がある。このため、第２濃度の第１濃度に対する比は、５０以下であることが望ましい。

第２フィルタ１２は、例えば、シリカゲルを含む。第２フィルタ１２は、例えば、ゼオライトを含む。第２フィルタ１２は、例えば、フッ素系樹脂を含んでも良い。これらを用いることで、水を吸着することができる。

例えば、第１フィルタ１１は、複数の孔を有する多孔部材を含んでもよい。一方、第２フィルタ１２は、複数の粒子を含んでも良い。このとき、第１フィルタ１１における複数の孔の平均の大きさは、第２フィルタ１２における複数の粒子の平均の大きさよりも小さいことが望ましい。これにより、第２フィルタ１２の複数の粒子は、第１フィルタ１１によって捕獲される。これにより、第２フィルタ１２の粒子が供給部１０ｉに流れ出ること（逆流）が抑制できる。

例えば、第１フィルタ１１における複数の孔の平均の大きさは、第２フィルタ１２における複数の粒子の平均の大きさの１／５以下である。例えば、複数の孔の平均の大きさは、２μｍ以下である。複数の粒子の平均の大きさは、１０μｍ以下である。

例えば、第２フィルタ１２は、第１反射部２１及び第２反射部２２で結露が生じないように、試料気体５０中の湿度を低下させる。

図２は、水の飽和水蒸気量を例示するグラフ図である。
図２の横軸は、温度Ｔ（℃）である。縦軸は、水蒸気量Ｍｗ（ｇ／ｍ^３）である。
図２に表したように、温度Ｔが３６℃のときに、飽和水蒸気量Ｍｗｓは、約４３ｇ／ｍ^３である。一方、温度Ｔが２０℃のときに、飽和水蒸気量Ｍｗｓは、約１７ｇ／ｍ^３である。水蒸気量は、例えば、水蒸気濃度である。

例えば、呼気５０ａの温度が３６℃であり、呼気５０ａに含まれる水蒸気の濃度が９０％であるとする。このとき、呼気５０ａ中の水蒸気量Ｍｗは、約４０ｇ／ｍ^３である。一方、第１反射部２１及び第２反射部２２の温度Ｔが２０℃とする。図２に例示した特性から、水蒸気量Ｍｗを１７ｇ／ｍ^３以下にすることで、第１反射部２１及び第２反射部２２で結露の発生が抑制できることが分かる。

すなわち、例えば、第２フィルタ１２の第２導入口１２ｉにおける水蒸気量Ｍｗが約４０ｇ／ｍ^３であるときに、第２フィルタ１２の第２流出口１２ｏにおいては、水蒸気量Ｍｗは、１７ｇ／ｍ^３以下とする。これにより、結露が抑制できる。

例えば、第２フィルタ１２から出た試料気体５０に含まれる水の濃度は、第１反射部２１の温度における飽和水蒸気量以下である。これにより、第１反射部２１での結露が抑制できる。

実施形態において、第１フィルタ１１においても水の一部が除去される。第１フィルタ１１を通過した後の試料気体５０の温度は低下する。これらの特性を考慮して、第２フィルタ１２の特性を設定しても良い。

例えば、第２流出口１２ｏにおける試料気体５０中の湿度を第１湿度とする。第２導入口１２ｉにおける試料気体５０の湿度を第２湿度とする。第１湿度は、例えば、第２湿度の０．６倍以下であることが望ましい。第１湿度は、第２湿度の０．５倍以下であることがさらに望ましい。第１湿度は、第２湿度の０．４３倍以下であることがさらに望ましい。

以下、反射部の例について説明する。
図３（ａ）及び図３（ｂ）は、実施形態に係る呼気診断装置の一部を例示する模式的断面図である。
図３（ａ）は、第１反射部２１を例示する。図３（ｂ）は、第２反射部２２を例示する。

図３（ａ）に表したように、第１反射部２１は、第１膜２１ａと、第２膜２１ｂと、を含む。第１膜２１ａは、第１反射率を有する。第２膜２１ｂは、第２反射率を有する。第２反射率は、第１反射率とは異なる。第２膜２１ｂは、第１反射部２１から第２反射部２２に向かう積層方向Ｄｓに沿って、第１膜２１ａと積層される。

この例では、複数の第１膜２１ａが設けられ、複数の第２膜２１ｂが設けられる。複数の第１膜２１ａと複数の第２膜２１ｂとは、交互に配置される。

同様に、図３（ｂ）に表したように、第２反射部２２は、第３膜２２ａと、第４膜２２ｂと、を含む。第３膜２２ａは、第３反射率を有する。第４膜２２ｂは、第４反射率を有する。第４反射率は、第３反射率とは異なる。第４膜２２ｂは、積層方向Ｄｓに沿って、第３膜２２ａと積層される。

この例では、複数の第３膜２２ａが設けられ、複数の第４膜２２ｂが設けられる。複数の第３膜２２ａと複数の第４膜２２ｂとは、交互に配置される。

例えば、第１膜２１ａ及び第３膜２２ａの少なくともいずれかは、ＬａＦ_３、ＢａＦ_２、ＣｅＦ_３、ＨｆＦ_３、ＹＦ_３、ＰｂＦ_２、ＴｈＦ_４、ＣａＦ_２、Ｙ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ、Ｇｅ、ＫＢｒ、ＮａＣｌ、臭塩化タリウム（ＫＲＳ−５）、臭ヨウ化タリウム（ＫＲＳ−６）及びＳｉの少なくともいずれかを含む。
例えば、第２膜２１ｂ及び第４膜２２ｂの少なくともいずれかは、ＬａＦ_３、ＢａＦ_２、ＣｅＦ_３、ＨｆＦ_３、ＹＦ_３、ＰｂＦ_２、ＴｈＦ_４、ＣａＦ_２、Ｙ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ、Ｇｅ、ＫＢｒ、ＮａＣｌ、臭塩化タリウム（ＫＲＳ−５）、臭ヨウ化タリウム（ＫＲＳ−６）及びＳｉの少なくともいずれかを含む。

これにより、赤外領域において、高い反射率が得られる。吸収が抑制できる。これにより、反射の回数が多い場合においても、測定の精度が高く維持できる。

第１反射部２１の測定光３０Ｌに対する反射率は、例えば９０％以上９９．９９９％以下である。第２反射部２２の測定光３０Ｌに対する反射率は、９０％以上９９．９９９％以下である。

図４は、実施形態に係る別の呼気診断装置を例示する模式図である。
図４に表したように、本実施形態に係る呼気診断装置１１０ａにおいては、第１反射部２１及び第２反射部２２が省略されている。呼気診断装置１１０ａにおいても、高精度の測定が安定して可能な呼気診断装置が提供できる。

実施形態において、測定の対象となる物質の例について説明する。
物質は、例えば、二酸化炭素同位体である。この場合、例えば、ピロリ菌に関する情報が得られる。物質は、例えば、メタンである。この場合、例えば、腸内嫌気性菌に関する情報が得られる。物質は、例えば、エタノールである。この場合、例えば、飲酒に関する情報が得られる。物質は、例えば、アセトアルデヒドである。この場合、例えば、飲酒代謝産物及び肺がんに関する情報が得られる。物質は、例えば、アセトンである。この場合、例えば、糖尿病に関する情報が得られる。物質は、例えば、一酸化窒素である。この場合、例えば、ぜんそくに関する情報が得られる。物質は、例えば、アンモニアである。この場合、例えば、肝炎に関する情報が得られる。物質は、例えば、ノナナールである。この場合、例えば、肺がんに関する情報が得られる。実施形態において、呼気５０ａに含まれる測定対象の物質は任意である。

第１フィルタ１１及び第２フィルタ１２は、測定対象のこれらの物質を透過させる。すなわち、第１フィルタ１１及び第２フィルタ１２は、二酸化炭素、メタン、エタノール、アセトアルデヒド、アセトン、一酸化炭素、アンモニア及びノナナールの少なくともいずれかに対して透過性である。第１フィルタ１１及び第２フィルタ１２は、さらに、アセトン、ノナナール等のＶＯＣ（揮発性有機化合物）に対して透過性である。これらの物質が、フィルタを通過して、空間２３ｓに導入され、測定が行われる。

以下、光源部３０の例について説明する。
図５（ａ）〜図５（ｃ）は、実施形態に係る呼気診断装置の一部を例示する模式図である。
図５（ａ）は、模式的斜視図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）のＡ１−Ａ２線断面図である。図５（ｃ）は、光源部３０の動作を例示する模式図である。
この例では、光源部３０として、半導体発光素子３０ａが用いられる。半導体発光素子３０ａとして、レーザが用いられる。この例では、量子カスケードレーザが用いられる。

図５（ａ）に表したように、半導体発光素子３０ａは、基板３５と、積層体３１と、第１電極３４ａと、第２電極３４ｂと、誘電体層３２（第１誘電体層）と、絶縁層３３（第２誘電体層）と、を含む。

第１電極３４ａと、第２電極３４ｂと、の間に基板３５が設けられる。基板３５は、第１部分３５ａと、第２部分３５ｂと、第３部分３５ｃと、を含む。これらの部分は、１つの面内に配置される。この面は、第１電極３４ａから第２電極３４ｂに向かう方向に対して交差する（例えば平行）である。第１部分３５ａと第２部分３５ｂとの間に、第３部分３５ｃが配置される。

第３部分３５ｃと第１電極３４ａとの間に積層体３１が設けられる。第１部分３５ａと第１電極３４ａとの間、及び、第２部分３５ｂと第１電極３４ａとの間に、誘電体層３２が設けられる。誘電体層３２と第１電極３４ａとの間に絶縁層３３が設けられる。

積層体３１は、ストライプの形状を有している。積層体３１は、リッジ導波路ＲＧとして機能する。リッジ導波路ＲＧの２つの端面がミラー面となる。積層体３１において放出された光３１Ｌは、端面（光出射面）から出射する。光３１Ｌは、赤外線レーザ光である。光３１Ｌの光軸３１Ｌｘは、リッジ導波路ＲＧの延在方向に沿う。

図５（ｂ）に表したように、積層体３１は、例えば、第１クラッド層３１ａと、第１ガイド層３１ｂと、活性層３１ｃと、第２ガイド層３１ｄと、第２クラッド層３１ｅと、を含む。これらの層は、基板３５から第１電極３４ａに向かう方向に沿って、この順で並ぶ。第１クラッド層３１ａの屈折率及び第２クラッド層３１ｅの屈折率のそれぞれは、第１ガイド層３１ｂの屈折率、活性層３１ｃの屈折率、及び、第２ガイド層３１ｄの屈折率のそれぞれよりも低い。活性層３１ｃで生じた光３１Ｌは、積層体３１内に閉じ込められる。第１ガイド層３１ｂと第１クラッド層３１ａとを合わせて、クラッド層と呼ぶ場合がある。第２ガイド層３１ｄと第２クラッド層３１ｅとを合わせて、クラッド層と呼ぶ場合がある。

積層体３１は、光軸３１Ｌｘに対して垂直な第１側面３１ｓａ及び第２側面３１ｓｂを有する。第１側面３１ｓａと第２側面３１ｓｂとの間の距離３１ｗ（幅）は、例えば５μｍ以上２０μｍ以下である。これにより、例えば、水平横方向モードの制御が容易となり、出力の向上が容易になる。距離３１ｗが過度に長いと、水平横方向モードにおいて高次モードを生じ易くなり、出力を高めにくい。

誘電体層３２の屈折率は、活性層３１ｃの屈折率よりも低い。これにより、誘電体層３２により、光軸３１Ｌｘに沿ってリッジ導波路ＲＧが形成される。

図５（ｃ）に表したように、活性層３１ｃは、例えば、カスケード構造を有する。カスケード構造においては、例えば、第１領域ｒ１と、第２領域ｒ２と、が交互に積層される。単位構造ｒ３は、第１領域ｒ１及び第２領域ｒ２を含む。複数の単位構造ｒ３が設けられる。

例えば、第１領域ｒ１には、第１障壁層ＢＬ１と、第１量子井戸層ＷＬ１と、が設けられる。第２領域には、第２障壁層ＢＬ２が設けられる。例えば、別の第１領域ｒ１ａには、第３障壁層ＢＬ３と、第２量子井戸層ＷＬ２と、が設けられる。別の第２領域ｒ２ａに、第４障壁層ＢＬ４が設けられる。

第１領域ｒ１においては、第１量子井戸層ＷＬ１のサブバンド間光学遷移が生じる。これにより、例えば、３μｍ以上１８μｍ以下の波長の光３１Ｌａが放出される。

第２領域ｒ２においては、第１領域ｒ１から注入されたキャリアｃ１（例えば電子）のエネルギーは、緩和可能である。

量子井戸層（例えば第１量子井戸層ＷＬ１）において、井戸幅ＷＬｔは、例えば、５ｎｍ以下である。井戸幅ＷＬｔがこのように狭いとき、エネルギー準位が離散して、例えば、第１サブバンドＷＬａ（高準位Ｌｕ）及び第２サブバンドＷＬｂ（低準位Ｌｌ）などを生じる。第１障壁層ＢＬ１から注入されたキャリアｃ１は、第１量子井戸層ＷＬ１に効果的に閉じ込められる。

高準位Ｌｕから低準位Ｌｌへキャリアｃ１が遷移するときに、エネルギー差（高準位Ｌｕと低準位Ｌｌとの差）に対応する光３１Ｌａが放出される。すなわち、光学遷移が生じる。

同様に、別の第１領域ｒ１ａの第２量子井戸層ＷＬ２において、光３１Ｌｂが放出される。実施形態において量子井戸層は、波動関数が重なり合う複数の井戸を含んでも良い。複数の量子井戸層のそれぞれの高準位Ｌｕが、互いに同じでも良い。複数の量子井戸層のそれぞれの低準位Ｌｌが、互いに同じでも良い。

例えば、サブバンド間光学遷移は、伝導帯及び価電子帯のいずれかにおいて生じる。例えば、ｐｎ接合によるホールと電子との再結合は必要ではない。例えば、ホール及び電子のいずれかのキャリアｃ１により光学遷移が生じて、光が放出される。

活性層３１ｃにおいて、例えば、第１電極３４ａと、第２電極３４ｂと、の間に印加される電圧により、障壁層（例えば第１障壁層ＢＬ１）を介して、キャリアｃ１（例えば電子）が量子井戸層（例えば第１量子井戸層ＷＬ１）へ注入される。これにより、サブバンド間光学遷移を生じる。

第２領域ｒ２は、例えば、複数のサブバンドを有する。サブバンドは、例えば、ミニバンドである。サブバンドにおけるエネルギー差は、小さい。サブバンドにおいて、連続エネルギーバンドに近いことが好ましい。この結果、キャリアｃ１（電子）のエネルギーが緩和される。

第２領域ｒ２では、例えば、光（例えば３μｍ以上１８μｍ以下の波長の赤外線）は、実質的に放出されない。第１領域ｒ１の低準位Ｌｌのキャリアｃ１（電子）は、第２障壁層ＢＬ２を通過して、第２領域ｒ２へ注入され、緩和される。キャリアｃ１は、カスケード接続された別の第１領域ｒ１ａへ注入される。この第１領域ｒ１ａにおいて、光学遷移が生じる。

カスケード構造では、複数の単位構造ｒ３のそれぞれにおいて光学遷移が生じる。これにより、活性層３１ｃの全体において、高い光出力を得ることが容易になる。

このように、光源部３０は、半導体発光素子３０ａを含む。半導体発光素子３０ａは、複数の量子井戸（例えば、第１量子井戸層ＷＬ１及び第２量子井戸層ＷＬ２など）のサブバンドにおける電子のエネルギー緩和により、測定光３０Ｌを放射する。

量子井戸層（例えば第１量子井戸層ＷＬ１及び第２量子井戸層ＷＬ２など）には、例えば、ＧａＡｓが用いられる。例えば、障壁層（例えば、第１〜第４障壁層ＢＬ１〜ＢＬ４など）には、例えば、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０＜ｘ＜１）が用いられる。このとき、例えば、基板３５としてＧａＡｓを用いると、量子井戸層及び障壁層において、良好な格子整合が得られる。

第１クラッド層３１ａ及び第２クラッド層３１ｅは、例えば、ｎ形不純物として、Ｓｉを含む。これらの層における不純物濃度は、例えば、１×１０^１８ｃｍ^−３以上１×１０^２０ｃｍ^−３以下（例えば、約６×１０^１８ｃｍ^−３）である。これらの層のそれぞれの厚さは、例えば、０．５μｍ以上２μｍ以下（例えば約１μｍ）である。

第１ガイド層３１ｂ及び第２ガイド層３１ｄは、例えば、ｎ形不純物として、Ｓｉを含む。これらの層における不純物濃度は、例えば１×１０^１６ｃｍ^−３以上１×１０^１７ｃｍ^−３以下（例えば、約４×１０^１６ｃｍ^−３）である。これらの層のそれぞれの厚さは、例えば２μｍ以上５μｍ以下（例えば、３．５μｍ）である。

距離３１ｗ（積層体３１の幅、すなわち、活性層３１ｃの幅）は、例えば、５μｍ以上２０μｍ以下（例えば、約１４μｍ）である。

リッジ導波路ＲＧの長さは、例えば、１ｍｍ以上５ｍｍ以下（例えば約３ｍｍ）である。半導体発光素子３０ａ（量子カスケードレーザ）は、例えば、１０Ｖ以下の動作電圧で動作する。消費電流は、炭酸ガスレーザ装置などに比べて低い。これにより、低消費電力の動作が可能である。

実施形態によれば、高精度の測定が安定して可能な呼気診断装置が提供できる。

以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、呼気診断装置に含まれる供給部、セル部、反射部、光源部、検出部、処理部及びフィルタなどの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。

また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。

その他、本発明の実施の形態として上述した呼気診断装置を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての呼気診断装置も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。

その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０ｉ…供給部、 １０ｏ…排出部、 １０ｗ…筐体、 １１…第１フィルタ、 １１ｉ…第１導入口、 １１ｏ…第１流出口、 １１ｐ…粒子捕獲部、 １２…第２フィルタ、 １２ｉ…第２導入口、 １２ｏ…第２流出口、 １２ｐ…吸湿部、 １５…導入経路、 １５ａ〜１５ｄ…第１〜第４配管、 ２０…セル部、 ２１…第１反射部、 ２１ａ…第１膜、 ２１ｂ…第２膜、 ２２…第２反射部、 ２２ａ…第３膜、 ２２ｂ…第４膜、 ２３…セル、 ２３ｓ…空間、 ３０…光源部、 ３０Ｌ…測定光、 ３０ａ…半導体発光素子、 ３０ｂ…駆動部、 ３１…積層体、 ３１Ｌ、３１Ｌａ、３１Ｌｂ…光、 ３１Ｌｘ…光軸、 ３１ａ…第１クラッド層、 ３１ｂ…第１ガイド層、 ３１ｃ…活性層、 ３１ｄ…第２ガイド層、 ３１ｅ…第２クラッド層、 ３１ｓａ…第１側面、 ３１ｓｂ…第２側面、 ３１ｗ…距離、 ３２…誘電体層、 ３３…絶縁層、 ３４ａ…第１電極、 ３４ｂ…第２電極、 ３５…基板、 ３５ａ〜３５ｃ…第１〜第３部分、 ３６ａ〜３６ｃ…第１〜第３光学素子、 ４０…検出部、 ４５…処理部、 ５０…試料気体、 ５０ａ…呼気、 １１０、１１０ａ…呼気診断装置、 ＢＬ１〜ＢＬ４…第１〜第４障壁層、 Ｄｓ…積層方向、 Ｌｌ…低準位、 Ｌｕ…高準位、 Ｍｗ…水蒸気量、 Ｍｗｓ…飽和水蒸気量、 ＲＧ…リッジ導波路、 Ｔ…温度、 ＷＬ１、ＷＬ２…第１、第２量子井戸層、 ＷＬａ…第１サブバンド、 ＷＬｂ…第２サブバンド、 ＷＬｔ…井戸幅、 ｃ１…キャリア、 ｒ１、ｒ１ａ…第１領域、 ｒ２、ｒ２ａ…第２領域、 ｒ３…単位構造

Claims (20)

1. 呼気を含む試料気体が供給される供給部と、
   測定光を出射する光源部と、
   前記測定光に対して反射性の第１反射部及び第２反射部を含むセル部であって、前記供給部から導入された前記試料気体が前記第１反射部と前記第２反射部との間の空間に導入されるセル部と、
   前記空間に前記試料気体が導入された状態において前記第１反射部及び前記第２反射部で反射して前記空間を通過した前記測定光を検出する検出部と、
   前記供給部と前記セル部との間の前記試料気体の導入経路上に設けられ粒子を捕獲する第１フィルタと、
   前記導入経路上において前記第１フィルタと前記セル部との間に設けられ前記第１フィルタの吸湿性よりも高い吸湿性を有する第２フィルタと、
   を備えた呼気診断装置。
2. 前記第１フィルタは、
   前記粒子を捕獲する粒子捕獲部と、
   前記粒子捕獲部と前記供給部との間に設けられ前記試料気体が導入される第１導入口と、
   前記粒子捕獲部と前記第２フィルタとの間に設けられ前記試料気体が流出する第１流出口と、
   を含み、
   前記第１流出口における前記試料気体中に含まれる粒径が１μｍ以上１０００μｍ以下の粒子の第１濃度は、前記第１導入口における前記試料気体中に含まれる粒径が１μｍ以上１０００μｍ以下の粒子の第２濃度の１０００分の１以下である請求項１記載の呼気診断装置。
3. 前記第２フィルタから出た前記試料気体に含まれる水の濃度は、前記第１反射部の温度における飽和水蒸気量以下である請求項１または２に記載の呼気診断装置。
4. 前記第２フィルタは、
   前記吸湿性を有する吸湿部と、
   前記吸湿部と前記第１フィルタとの間に設けられ前記試料気体が導入される第２導入口と、
   前記吸湿部と前記セル部との間に設けられ前記試料気体が流出する第２流出口と、
   を含み、
   前記第２流出口における前記試料気体中の第１湿度は、前記第２導入口における前記試料気体の第２湿度の０．６倍以下である請求項１〜３のいずれか１つに記載の呼気診断装置。
5. 前記第１湿度は、前記第２湿度の０．５倍以下である請求項４記載の呼気診断装置。
6. 前記第１湿度は、前記第２湿度の０．４３倍以下である請求項４記載の呼気診断装置。
7. 前記第２フィルタは、シリカゲル、ゼオライト及びフッ素系樹脂の少なくともいずれかを含む請求項１〜６のいずれか１つに記載の呼気診断装置。
8. 前記第１フィルタは、複数の孔を有する多孔部材を含み、
   前記第２フィルタは、複数の粒子を含み、
   前記複数の孔の平均の大きさは、前記複数の粒子の平均の大きさよりも小さい請求項１〜７のいずれか１つに記載の呼気診断装置。
9. 前記複数の孔の前記平均の大きさは、前記複数の粒子の前記平均の大きさの１／５以下である請求項８記載の呼気診断装置。
10. 前記複数の孔の前記平均の大きさは、２マイクロメートル以下であり、
    前記複数の粒子の前記平均の大きさは、１０マイクロメートル以下である請求項７記載の呼気診断装置。
11. 前記第１フィルタは、前記第２フィルタに含まれる粒子を捕獲可能である請求項１〜１０のいずれか１つに記載の呼気診断装置。
12. 前記第１フィルタは、微粒子体、管状体及び網目体の少なくともいずれかを含む請求項１〜１１のいずれか１つに記載の呼気診断装置。
13. 前記第１反射部は、
    第１屈折率を有する第１膜と、
    前記第１反射部から前記第２反射部に向かう積層方向に沿って前記第１膜と積層され前記第１屈折率とは異なる第２屈折率を有する第２膜と、
    を含む請求項１〜１２のいずれか１つに記載の呼気診断装置。
14. 前記第１膜は複数設けられ、
    前記第２膜は複数設けられ、
    前記複数の第１膜と前記複数の第２膜とは、交互に配置される請求項１３記載の呼気診断装置。
15. 前記第１膜は、ＬａＦ_３、ＢａＦ_２、ＣｅＦ_３、ＨｆＦ_３、ＹＦ_３、ＰｂＦ_２、ＴｈＦ_４、ＣａＦ_２、Ｙ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ、Ｇｅ、ＫＢｒ、ＮａＣｌ、臭塩化タリウム、臭ヨウ化タリウム及びＳｉの少なくともいずれかを含み、
    前記第２膜は、ＬａＦ_３、ＢａＦ_２、ＣｅＦ_３、ＨｆＦ_３、ＹＦ_３、ＰｂＦ_２、ＴｈＦ_４、ＣａＦ_２、Ｙ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ、Ｇｅ、ＫＢｒ、ＮａＣｌ、臭塩化タリウム、臭ヨウ化タリウム及びＳｉの少なくともいずれかを含む請求項１３または１４に記載の呼気診断装置。
16. 前記第１反射部の前記測定光に対する反射率は、９０％以上９９．９９９％以下であり、
    前記第２反射部の前記測定光に対する反射率は、９０％以上９９．９９９％以下である請求項１〜１５のいずれか１つに記載の呼気診断装置。
17. 前記測定光は、０．７マイクロメートル以上１０００マイクロメートル以下の波長の成分を含む請求項１〜１６のいずれか１つに記載の呼気診断装置。
18. 前記測定光は、２．５マイクロメートル以上１１マイクロメートル以下の波長の成分を含む請求項１〜１６のいずれか１つに記載の呼気診断装置。
19. 前記光源部は、半導体発光素子を含み、
    前記半導体発光素子は、複数の量子井戸のサブバンドにおける電子のエネルギー緩和により前記測定光を放射する請求項１〜１８のいずれか１つに記載の呼気診断装置。
20. 前記第１フィルタ及び前記第２フィルタは、
    二酸化炭素、メタン、エタノール、アセトアルデヒド、一酸化炭素、アンモニア及び揮発性有機化合物の少なくともいずれかに対して透過性である請求項１〜１９のいずれか１つに記載の呼気診断装置。

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