JP2020187074A - 分析システム、便臭ガス分析システム及び呼気ガス分析システム - Google Patents

Abstract

【課題】検出感度を向上することができる分析システム、便臭ガス分析システム及び呼気ガス分析システムを提供する。【解決手段】分析システムは、サンプルガスを第１の極性にイオン化させるイオン化部と、前記サンプルガスのイオンの少なくとも一部を検出する検出器と、前記イオン化部及び前記検出器を収容する筐体と、前記筐体に前記第１の極性の電圧を印加することで、前記イオン化部と前記検出器との間で前記筐体の内側に電界を発生させる電圧印加部と、を有する。前記電界は、前記サンプルガスの通流方向に平行な第１の方向に対して直交する第２の方向の第１の成分と、前記第１の方向及び前記第２の方向に直交する第３の方向の第２の成分とを有する。【選択図】図４

Description

本発明は、分析システム、便臭ガス分析システム及び呼気ガス分析システムに関する。

電界非対称波形イオン移動度分光分析（Field Asymmetric Ion Mobility Spectrometry：ＦＡＩＭＳ）システムによる分子の検出及び分析について種々の検討が行われている。ＦＡＩＭＳシステムは、非対称の交流信号が印加される１対の電極を備えたイオンフィルタを有しており、イオン化した気体の分子をイオンフィルタに流すと、その移動度の差によって選別される。イオンフィルタを通過したイオンをイオン検出電極に衝突させ、イオン検出電極で発生した電流を検出することで、気体の成分を特定できる。

従来、一対の閉じ込め電極を用いて、イオン化されたサンプルをイオンフィルタに導くＦＡＩＭＳシステムが提案されている（特許文献１）。

しかしながら、従来のＦＡＩＭＳシステムでは、十分な検出感度を得ることが難しい。

本開示は、検出感度を向上することができる分析システム、便臭ガス分析システム及び呼気ガス分析システムを提供することを目的とする。

本開示の一態様によれば、分析システムは、サンプルガスを第１の極性にイオン化させるイオン化部と、前記サンプルガスのイオンの少なくとも一部を検出する検出器と、前記イオン化部及び前記検出器を収容する筐体と、前記筐体に前記第１の極性の電圧を印加することで、前記イオン化部と前記検出器との間で前記筐体の内側に電界を発生させる電圧印加部と、を有し、前記電界は、前記サンプルガスの通流方向に平行な第１の方向に対して直交する第２の方向の第１の成分と、前記第１の方向及び前記第２の方向に直交する第３の方向の第２の成分とを有する。

本開示によれば、検出感度を向上することができる。

イオン検出装置の一例におけるイオンの移動の軌跡を示す図である。 イオンの移動度の電界強度依存性を示す図である。 イオンフィルタで発生する電界波形の一例を示す図である。 第１の実施形態に係る分析システムの構成を示す模式図である。 第１の実施形態に係る分析システムの構成を示す断面図である。 サンプルガスが正イオン化される場合のオフセット電圧及び補償電圧の一例を示す図である。 サンプルガスが負イオン化される場合のオフセット電圧及び補償電圧の一例を示す図である。 図３に示す電界波形の一例を実現するための非対称電圧波形の一例を示す図である。 図３に示す電界波形の一例を実現するための非対称電圧波形の他の一例を示す図である。 第２の実施形態に係る分析システムの構成を示す模式図である。 第２の実施形態に係る分析システムの構成を示す断面図である。 第３の実施形態に係る分析システムの構成を示す模式図である。 実験に用いた装置を示す模式図である。 実験の結果を示す図である。 イオンフィルタの他の例を示す模式図である。

以下、本開示の実施形態について添付の図面を参照しながら説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省くことがある。

（イオン検出装置）
まず、ＦＡＩＭＳシステムに用いられるイオン検出装置の構成及び基本原理について説明する。図１は、イオン検出装置の一例におけるイオンの移動の軌跡を示す図である。図２は、イオンの移動度の電界強度依存性を示す図である。図３は、イオンフィルタで発生する電界波形の一例を示す図である。

図１に示すように、このイオン検出装置１００は、互いに対向する第１の電極１１１及び第２の電極１１２を備えたイオンフィルタ１１０と、イオンフィルタ１１０を通過した通過イオンが衝突するイオン検出電極１２０とを有する。

イオン検出装置１００は、イオン検出電極１２０にイオン電流検出回路を接続して用いられる。イオン検出電極１２０に衝突したイオンの量に応じて電流が発生し、この電流がイオン電流検出回路により検出される。なお、ここでは、ＸＹＺ３次元直交座標系を用い、被分析分子の進行方向を＋Ｚ方向とし、第１の電極１１１から第２の電極１１２が見える方向を＋Ｙ方向とし、＋Ｙ方向及び＋Ｚ方向に直交する方向を＋Ｘ方向とする。

イオンは、電界Ｅの環境下では次の（１）式で示される移動速度Ｖで移動する。ここで、Ｋは、該イオンの移動度である。
Ｖ＝Ｋ×Ｅ ・・・ （１）

ところで、イオンの移動度には電界強度依存性がある。そして、この電界強度依存性は、イオンの種類によって異なっている。図２には、一例として、種類が異なる３つのイオン（イオン１１、イオン１２、イオン１３）における移動度の電界強度依存性が示されている。なお、図２では、分かりやすくするため、各イオンの移動度が電界強度０で等しくなるように正規化されている。

３つのイオン（イオン１１、イオン１２、イオン１３）の移動度は、電界強度が９ｋＶ／ｃｍ以下の低電界強度ではほぼ変化なしである。電界強度が約１０ｋＶ／ｃｍから増すにつれてイオンの種類固有の特性が移動度に現れる。イオン１１の移動度は、電界強度が増加するに従って大きく増加し、正の高電界（Ｅｍａｘ）で最大となる。イオン１２の移動度は電界強度によらずほとんど変化しない。イオン１３の移動度は、緩やかに減少する。このように三者三様の特性を示している。イオンフィルタ１１０は、低電界強度での移動度と高電界強度での移動度との違いを利用してイオンの選別を行う。

図１には、イオンフィルタ１１０の第１の電極１１１と第２の電極１１２との間における３つのイオン（イオン１１、イオン１２、イオン１３）の移動の軌跡が示されている。なお、ここでは、分かりやすくするため、便宜的に、第１の電極１１１及び第２の電極１１２を導電体でできた平行平板としている。

第１の電極１１１と第２の電極１１２との間に発生する電界の波形を非対称電界波形とすることによって、任意のイオン（図１では、イオン１２）のみをイオン検出電極１２０に到達させることができる。

図３には、第１の電極１１１と第２の電極１１２との間に発生させる電界波形の一例が示されている。この電界波形は、正の高電界（Ｅｍａｘ）と負の低電界（Ｅｍｉｎ）を交互に繰り返している。そして、高電界の期間（ｔ１）は低電界の期間（ｔ２）よりも短く、ｔ１とｔ２との比は１：３〜１：５である。このように電界波形は、上下に関して非対称である。この非対称電界波形は、時間平均電界が零であり、次の（２）式が成り立つように設定されている。
｜Ｅｍａｘ｜×ｔ１＝｜Ｅｍｉｎ｜×ｔ２ ・・・ （２）

すなわち、図３における領域２１の面積と領域２２の面積が一致するように設定されている。

なお、以下では、次の（３）式に示されるように、｜Ｅｍａｘ｜×ｔ１の値、及び｜Ｅｍｉｎ｜×ｔ２の値をβとする。
｜Ｅｍａｘ｜×ｔ１＝｜Ｅｍｉｎ｜×ｔ２＝β ・・・ （３）

ところで、高電界の期間（ｔ１）に、イオンがＹ軸方向に関して移動する速度（Ｖｕｐ）は、次の（４）式で示される。ここで、Ｋ（Ｅｍａｘ）は、高電界（Ｅｍａｘ）のときのイオンの移動度である。
Ｖｕｐ＝Ｋ（Ｅｍａｘ）×｜Ｅｍａｘ｜ ・・・ （４）

例えば、｜Ｅｍａｘ｜が約１０ｋＶ／ｃｍ以上の場合、３つのイオン（イオン１１、イオン１２、イオン１３）では、イオン毎に移動度が異なるので、３つのイオンの移動速度（Ｖｕｐ）は三者三様に異なる。すなわち、図１に示されるように、高電界の期間（ｔ１）では、３つのイオンの移動軌跡の傾斜は互いに異なっている。

そして、高電界の期間（ｔ１）に、イオンがＹ軸方向に関して移動した距離である変位（ｙｕｐ）は、次の（５）式で示される。
ｙｕｐ＝Ｖｕｐ×ｔ１ ・・・ （５）

一方、低電界の期間（ｔ２）に、イオンがＹ軸方向に関して移動する速度（Ｖｄｏｗｎ）は、次の（６）式で示される。ここで、Ｋ（Ｅｍｉｎ）は、低電界（Ｅｍｉｎ）のときのイオンの移動度である。
Ｖｄｏｗｎ＝−Ｋ（Ｅｍｉｎ）×｜Ｅｍｉｎ｜ ・・・ （６）

例えば、｜Ｅｍｉｎ｜が約５ｋＶ／ｃｍ以下の場合、３つのイオン（イオン１１、イオン１２、イオン１３）では、移動度がほぼ同一であるので、３つのイオンの移動速度（Ｖｄｏｗｎ）はほぼ同一である。すなわち、図１に示されるように、低電界の期間（ｔ２）では、３つのイオンの移動軌跡の傾斜はほぼ同じである。

そして、低電界の期間（ｔ２）に、イオンがＹ軸方向に関して移動した距離である変位（ｙｄｏｗｎ）は、次の（７）式で示される。
ｙｄｏｗｎ＝Ｖｄｏｗｎ×ｔ２ ・・・ （７）

非対称電界波形の１周期（Ｔ）内では、イオンは、＋Ｚ方向に移動しつつ、期間（ｔ１）の間に＋Ｙ方向に移動し、期間（ｔ２）の間に−Ｙ方向に移動する。

そこで、図１に示されるように、ジグザグ運動を繰り返しながら第１の電極１１１に向かうもの（イオン１１）と、ジグザグ運動を繰り返しながら第２の電極１１２に向かうもの（イオン１３）と、＋Ｙ方向の変位と−Ｙ方向の変位とが釣り合い、イオン検出電極１２０に向かうもの（イオン１２）とに分類される。

ところで、非対称電界波形における１周期（Ｔ）での、イオンのＹ軸方向に関する平均変位（ΔｙＲＦ）は、次の（８）式で表される。
ΔｙＲＦ＝ｙｕｐ＋ｙｄｏｗｎ
＝Ｋ（Ｅｍａｘ）×｜Ｅｍａｘ｜×ｔ１−Ｋ（Ｅｍｉｎ）×｜Ｅｍｉｎ｜×ｔ２ ・・・ （８）

そして、上記（８）式は、上記（３）式を用いて次の（９）式のように表すことができる。
ΔｙＲＦ＝β｛Ｋ（Ｅｍａｘ）−Ｋ（ｍｉｎ）｝ ・・・ （９）

ここで、Ｋ（Ｅｍａｘ）−Ｋ（ｍｉｎ）をΔＫとおくと、上記（９）式は次の（１０）式のように表される。
ΔｙＲＦ＝βΔＫ ・・・ （１０）

βは第１の電極１１１と第２の電極１１２との間に印加される非対称電界で決まる定数である。そこで、非対称電界波形の１周期（Ｔ）あたりのイオンのＹ軸方向に関する変位は、低電界（Ｅｍｉｎ）での移動度と高電界（Ｅｍａｘ）での移動度の差分であるΔＫに依存する。

キャリアガスだけがイオンをＺ軸方向に移送させると仮定すると、イオンが第１の電極１１１と第２の電極１１２との間に滞在しているときの、該イオンのＹ軸方向に関する変位（Ｙ）は、次の（１１）式で示される。ここで、ｔｒｅｓは、イオンが第１の電極１１１と第２の電極１１２との間に滞在している平均時間（平均イオン滞在時間）である。

平均イオン滞在時間ｔｒｅｓは、次の（１２）式で表される。ここで、Ａはイオンフィルタ１１０におけるイオンパスの断面積、ＬはＺ軸方向に関する電極の長さ（電極深さ）、Ｑはキャリアガスの容積流量である。Ｖはイオンフィルタ１１０の容積（＝Ａ×Ｌ）である。

上記（１１）式は、上記（１２）式及び上記（３）式を用いて、次の（１３）式のように表すことができる。ここで、Ｄは非対称電界波形のデューティであり、Ｄ＝ｔ１／Ｔである。

非対称電界波形における高電界（Ｅｍａｘ）、イオンフィルタ１１０におけるイオンパスの容積（Ｖ）、非対称電界波形のデューティ（Ｄ）、及びキャリアガスの容積流量（Ｑ）について、すべてのイオン種に対して同一の値を用いると、上記（１３）式から、変位（Ｙ）は、イオン種固有の低電界（Ｅｍｉｎ）での移動度と高電界（Ｅｍａｘ）での移動度との差分ΔＫに比例することがわかる。

なお、図１ではイオン１２の変位（Ｙ）が最小であり、イオン１２のみがイオン検出電極１２０に到達しているが、デューティ（Ｄ）を変化させることによってイオン１２とは異なるΔＫを有するイオンをイオン検出電極１２０に到達させることができる。さらに、デューティ（Ｄ）を小刻みに変化させていくことで、ΔＫが異なる様々なイオンの有無や量を検出することができる。

デューティ（Ｄ）を一定としながら、高電界（Ｅｍａｘ）と低電界（Ｅｍｉｎ）との差である分散電圧（ＶＤＦ）を変化させることでも、ΔＫが異なる様々なイオンの有無や量を検出することができる。

また、イオン検出装置１００において、ΔＫが異なる様々なイオン種を検出する方法として、非対称電界波形に低強度のＤＣ電界を重畳する方法がある。この方法によると、期間（ｔ１）及び期間（ｔ２）でのＹ軸方向に関する変位量を変化させることができる。そこで、第１の電極１１１又は第２の電極１１２に接触せずにイオン検出電極１２０に到達することができるイオン種を連続的に変えることができる。なお、非対称電界波形に重畳するＤＣ電界は補償電圧（compensation voltages：ＣＶ）とよばれている。この方法では、補償電圧を掃引してΔＫが異なる様々なイオン種の有無や量を検出する。

前述の分散電圧及び補償電圧を様々な値で組み合わせた条件でイオン検出量のデータを取ることによって、様々なイオン種の有無をより正確に分析することが可能となる。

ところで、イオン検出電極１２０に到達する前に第１の電極１１１又は第２の電極１１２に接触したイオンは、中和されてイオンでなくなり検出されない。

このようにして、イオン検出装置１００により、イオンを選択的に検出することができる。

イオンフィルタ１１０には、イオナイザ等によりイオン化した分子が供給されるところ、イオン化した分子がイオンフィルタ１１０に到達する前に、イオンフィルタ１１０を収容する筐体等に吸収されることがある。このような吸収が生じると、イオン検出電極１２０に到達するイオンの量が減少し、十分な検出感度が得られないことがある。

（第１の実施形態）
次に、第１の実施形態について説明する。第１の実施形態は、ＦＡＩＭＳシステムを応用した分析システムに関する。図４は、第１の実施形態に係る分析システムの構成を示す模式図である。図５は、第１の実施形態に係る分析システムの構成を示す断面図である。図５は、図４中のＩ−Ｉ線に沿った断面図に相当する。

第１の実施形態に係る分析システム１は、イオナイザ１３０と、イオンフィルタ１１０と、イオン検出電極１２０とを有する。イオナイザ１３０と、イオンフィルタ１１０と、イオン検出電極１２０とは筐体１５１に収容されている。筐体１５１の入口１７１から出口１７２に向けて、イオナイザ１３０と、イオンフィルタ１１０と、イオン検出電極１２０とがこの順に並んで配置されている。イオンフィルタ１１０は、第１の電極１１１と、第２の電極１１２とを有する。筐体１５１は導電性を備える。筐体１５１は、例えば金属製である。筐体１５１と第１の電極１１１との間に、筐体１５１と第１の電極１１１とを互いから電気的に絶縁する絶縁体１１３が設けられ、筐体１５１と第２の電極１１２との間に、筐体１５１と第２の電極１１２とを互いから電気的に絶縁する絶縁体１１４が設けられている。分析システム１は、更に、イオン電流検出回路１６１と、非対称波形信号発生回路１６２と、補償電圧発生回路１６３と、バイアス電圧発生回路１６４と、を有する。入口１７１から出口１７２に向かう方向が第１の方向の一例であり、第１の電極１１１から第２の電極１１２が見える方向が第２の方向の一例であり、これらに直交する方向が第３の方向の一例である。

イオナイザ１３０は、例えば、放射性元素、コロナ放電、紫外線又は触媒等により、サンプルガスをイオン化する。イオナイザ１３０はイオン化部の一例である。イオンフィルタ１１０は、イオン化したサンプルガスの一部を選択的に通過させる。イオン検出電極１２０に衝突したイオンの量に応じて電流が発生し、この電流がイオン電流検出回路１６１により検出される。

非対称波形信号発生回路１６２は、図３に示す非対称電界波形の一例を実現するための非対称電圧波形の信号を第１の電極１１１及び第２の電極１１２に供給する。第１の電極１１１には、非対称波形信号発生回路１６２から信号Ｐ１が供給され、第２の電極１１２には、非対称波形信号発生回路１６２から信号Ｐ２が供給される。補償電圧発生回路１６３は、オフセット電圧及び補償電圧を第１の電極１１１及び第２の電極１１２に供給する。第１の電極１１１には、補償電圧発生回路１６３から信号ＣＶ１が供給され、第２の電極１１２には、補償電圧発生回路１６３から信号ＣＶ２が供給される。

ここで、オフセット電圧及び補償電圧について説明する。図６は、サンプルガスが正イオン化される場合のオフセット電圧及び補償電圧の一例を示す図である。図７は、サンプルガスが負イオン化される場合のオフセット電圧及び補償電圧の一例を示す図である。

サンプルガスが正イオン化される場合、例えば、信号ＣＶ１の電圧は、一定（ここでは５０Ｖ）のオフセット電圧である。サンプルガスが負イオン化される場合、例えば、信号ＣＶ１の電圧は、一定（ここでは−５０Ｖ）のオフセット電圧である。例えば、信号ＣＶ２の電圧は、信号ＣＶ１と同じオフセット電圧に、最大で±６Ｖの補償電圧をコードと共に変化させて重畳した電圧である。

なお、補償電圧の範囲は±６Ｖに限定されず、分析目的によって±１０Ｖ又は±２Ｖ等の任意の範囲とすることができる。また、変化させるステップ電圧も所望の分解能を考慮して任意の値に設定すればよい。

次に、非対称電圧波形の信号について説明する。図８は、図３に示す電界波形の一例を実現するための非対称電圧波形の一例を示す図である。図８に示す例では、電圧が一定（ここでは０Ｖ）の信号Ｐ１を第１の電極１１１に供給し、図３の非対称波形電界と等しい周期Ｔ、パルス幅ｔ１、ｔ２を有する高周波波形信号Ｐ２を第２の電極１１２に供給する。高周波波形信号Ｐ２の振幅は、Ｅｍａｘ〜Ｅｍｉｎに対応するＶｍａｘ〜−Ｖｍｉｎである。

図４に示すように、信号Ｐ１及びＰ２はコンデンサを介して、それぞれ第１の電極１１１及び第２の電極１１２に供給される。このため、非対称電圧波形の交流成分だけが第１の電極１１１及び第２の電極１１２に伝えられる。また、信号ＣＶ１及びＣＶ２は抵抗を介して、それぞれ第１の電極１１１及び第２の電極１１２に供給される。従って、第１の電極１１１に印加される信号の平均電圧は信号ＣＶ１の電圧となり、第２の電極１１２に印加される信号の平均電圧は信号ＣＶ２の電圧となる。

バイアス電圧発生回路１６４は、筐体１５１にバイアス電圧Ｖｂを印加する。バイアス電圧発生回路１６４は、サンプルガスが正イオン化される場合、正のバイアス電圧Ｖｂ、例えば＋５０Ｖを筐体１５１に印加し、サンプルガスが負イオン化される場合、負のバイアス電圧Ｖｂ、例えば−５０Ｖを筐体１５１に印加する。

第１の実施形態に係る分析システム１では、入口１７１からサンプルガスが筐体１５１内に導入される。筐体１５１内に導入されたサンプルガスはイオナイザ１３０によりイオン化される。イオンフィルタ１１０の作用により、イオン化されたサンプルガスの少なくとも一部がイオン検出電極１２０に到達し、イオン検出電極１２０に衝突したイオンの量に応じて電流が発生し、この電流がイオン電流検出回路１６１により検出される。また、サンプルガスは出口１７２から外部に排出される。

イオナイザ１３０がサンプルガスを正イオン化する場合、バイアス電圧発生回路１６４により筐体１５１に正のバイアス電圧Ｖｂが印加され、イオナイザ１３０がサンプルガスを負イオン化する場合、バイアス電圧発生回路１６４により筐体１５１に負のバイアス電圧Ｖｂが印加される。このとき、図５に示すように、サンプルガスの流路から見て、第２の方向の両側及び第３の方向の両側に筐体１５１が存在する。従って、筐体１５１の周辺には、第２の方向の第１の成分と第３の方向の第２の成分との両方を有する電界が生じる。そして、サンプルガスのイオンの極性とバイアス電圧Ｖｂの極性とが同一であるため、サンプルガスのイオンは筐体１５１から電気的に斥力を受け、筐体１５１の内部の空間の中央を流れやすく、筐体１５１には接触しにくくなる。このため、第１の実施形態によれば、十分な量のイオンをイオン検出電極１２０に到達させることができ、検出感度を向上することができる。

なお、イオナイザ１３０がコロナ放電によりサンプルガスをイオン化する場合、バイアス電圧Ｖｂがコロナ放電電極の電圧（例えば＋５ｋＶ又は−５ｋＶ）に近いほど、筐体１５１への接触を抑制しやすい。その一方で、バイアス電圧Ｖｂが高すぎて放電が生じると、正確な分析が困難になりやすい。通常、数十Ｖから百Ｖ程度にすると放電は生じず、またバイアス電圧発生回路１６４を実現しやすい。このため、バイアス電圧Ｖｂは±数十Ｖから±百Ｖ程度であることが好ましい。

また、本願発明者らの実験によると、イオナイザ１３０の放電電極の電圧と、バイアス電圧Ｖｂと、イオンフィルタ１１０のオフセット電圧と、イオン検出電極１２０の電位との間に、下記の関係が成り立つ場合に、特に優れた感度が得られる。

｜イオナイザ１３０の放電電極の電圧｜
＞｜バイアス電圧Ｖｂ｜
≧｜イオンフィルタ１１０のオフセット電圧｜
＞｜イオン検出電極１２０の電位｜

筐体１５１の内壁面が構成するサンプルガスの流路の断面形状は四角形（図５参照）に限定されず、円形等の他の形状であってもよい。また、筐体１５１が一体的に形成されている必要はなく、周方向で複数の部位が、ねじ、接着等によって組み合わされていてもよい。筐体１５１は、周方向に連続する環状に形成されていることが好ましい。つまり、筐体１５１は、サンプルガスの流路を四方から隈なく囲んでいることが好ましい。

なお、非対称電圧波形の信号は図８に示す例に限定されない。図９は、図３に示す電界波形の一例を実現するための非対称電圧波形の他の一例を示す図である。図９に示す例では、図３の非対称波形電界と等しい周期Ｔ、パルス幅ｔ１、ｔ２を有する高周波波形信号Ｐ１を第１の電極１１１に供給し、図３の非対称波形電界と等しい周期Ｔ、パルス幅ｔ１、ｔ２を有する高周波波形信号Ｐ２を第２の電極１１２に供給する。高周波波形信号Ｐ１の振幅は、Ｖｍｉｎ／２〜−Ｖｍａｘ／２であり、高周波波形信号Ｐ２の振幅は、Ｖｍａｘ／２〜−Ｖｍｉｎ／２である。このような非対称電圧波形の信号を用いても図３に示す電界波形の一例を実現することができる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。第２の実施形態は、ＦＡＩＭＳシステムを応用した分析システムに関する。図１０は、第２の実施形態に係る分析システムの構成を示す模式図である。図１１は、第２の実施形態に係る分析システムの構成を示す断面図である。図１１は、図１０中のＩ−Ｉ線に沿った断面図に相当する。

第２の実施形態に係る分析システム２は、導電性を備えた筐体１５１に代えて、絶縁性を備えた筐体１５２を有する。筐体１５２は、例えば樹脂製である。第１の電極１１１及び第２の電極１１２は筐体１５２の内壁面上に設けられており、第１の実施形態に係る分析システム１に含まれる絶縁体１１３及び１１４は、分析システム２に含まれない。第１の電極１１１及び第２の電極１１２の入口１７１側において、筐体１５２の内壁面上にバイアス電極２０１が設けられている。バイアス電極２０１は、例えば、少なくともイオナイザ１３０と第１の電極１１１及び第２の電極１１２との間で、筐体１５２の内壁面の全周を覆うように形成されている。バイアス電圧発生回路１６４は、筐体１５２ではなくバイアス電極２０１にバイアス電圧Ｖｂを印加する。第２の実施形態では、筐体１５２が枠部の一例であり、筐体１５２とバイアス電極２０１とを合わせて筐体とみなすことができる。他の構成は第１の実施形態と同様である。

第２の実施形態に係る分析システム２では、イオナイザ１３０がサンプルガスを正イオン化する場合、バイアス電圧発生回路１６４によりバイアス電極２０１に正のバイアス電圧Ｖｂが印加され、イオナイザ１３０がサンプルガスを負イオン化する場合、バイアス電圧発生回路１６４によりバイアス電極２０１に負のバイアス電圧Ｖｂが印加される。従って、イオン化されたサンプルガスはバイアス電極２０１から電気的に斥力を受け、バイアス電極２０１及び筐体１５２には接触しにくくなる。このため、第２の実施形態によれば、十分な量のイオンをイオン検出電極１２０に到達させることができ、検出感度を向上することができる。

分析システム２では、バイアス電極２０１は、周方向に連続する環状に形成されていることが好ましい。つまり、バイアス電極２０１は、サンプルガスの流路を四方から隈なく囲んでいることが好ましい。

また、バイアス電極２０１は、少なくとも、イオナイザ１３０とイオンフィルタ１１０との間で筐体１５２の内壁面に設けられていることが好ましい。

バイアス電極２０１は、例えば、金属箔である。バイアス電極２０１を金属蒸着法又はめっき法により形成してもよい。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。第３の実施形態は、ＦＡＩＭＳシステムを応用した分析システムに関する。図１２は、第３の実施形態に係る分析システムの構成を示す模式図である。

第３の実施形態に係る分析システム３は、全体が導電性を備えた筐体１５１に代えて、出口１７２側に絶縁性を備えた絶縁部１５３Ａを含み、入口１７１側に導電性を備えた導電部１５３Ｂを含む筐体１５３を有する。絶縁部１５３Ａは、例えば樹脂製であり、導電部１５３Ｂは、例えば金属製である。導電部１５３Ｂには、信号ＣＶ１が供給されるように補償電圧発生回路１６３が接続されており、分析システム１に含まれるバイアス電圧発生回路１６４は、分析システム２に含まれていない。他の構成は第１の実施形態と同様である。

第３の実施形態に係る分析システム３では、イオナイザ１３０がサンプルガスを正イオン化する場合、補償電圧発生回路１６３により導電部１５３Ｂに正で一定の電圧の信号ＣＶ１が供給され、イオナイザ１３０がサンプルガスを負イオン化する場合、補償電圧発生回路１６３により導電部１５３Ｂに負で一定の電圧の信号ＣＶ１が印加される。従って、イオン化されたサンプルガスは導電部１５３Ｂから電気的に斥力を受け、導電部１５３Ｂには接触しにくくなる。このため、第３の実施形態によれば、十分な量のイオンをイオン検出電極１２０に到達させることができ、検出感度を向上することができる。

なお、信号ＣＶ２は補償電圧を含み、コードに応じて変化するため、導電部１５３Ｂに供給する信号としては、信号ＣＶ１の方が好ましい。

筐体１５３に代えて筐体１５１が用いられ、筐体１５１に信号ＣＶ１が供給されるように補償電圧発生回路１６３が接続されていてもよい。

第１、第２の実施形態において、第３の実施形態のように、補償電圧発生回路１６３が筐体１５１又はバイアス電極２０１に電圧を印加してもよい。

次に、本願発明者らが行った実験について説明する。図１３は、実験に用いた装置を示す模式図である。

この実験に用いた装置４は、筐体４５０と、筐体４５０へのサンプルガスの導入部４４０と、導入部４４０と筐体４５０との間に配置されたイオナイザ４３０と、筐体４５０の出口４５１の下流側に設けられたイオン検出電極４２０とを有する。イオナイザ４３０は、筒状の正極４３１と、針状の負極４３２とを有し、正極４３１と負極４３２との間に直流の高電圧源４３３が接続されている。イオナイザ４３０はコロナ放電４３４により負イオンを発生させる。筐体４５０は金属製である。筐体４５０には、負のバイアス電圧を印加する可変のバイアス電圧源４６４が接続されている。イオン検出電極４２０には電流計４６１が接続されている。

導入部４４０から乾燥空気（Dry air）を装置４内に送り込むと、送り込まれた乾燥空気は、イオナイザ４３０及び筐体４５０を通り、筐体４５０とイオン検出電極１２０との間の隙間から放出される。放電針（負極４３２）にはＧＮＤ電極を基準に高電圧源４３３からの負の電圧（ＨＶ）を印加し、コロナ放電をさせることによって負イオンを発生させる。イオンはイオナイザ４３０とイオン検出電極４２０との間の距離Ｔの筐体４５０の中の空間を乾燥空気の流れに乗って移動し、イオン検出電極４２０に接触して外部に放出される。イオン検出電極４２０に接触したイオンは電荷をイオン検出電極４２０に放出して、放出された電荷が電流源ｉとなって流れ、電流計４６１によって測定される。電流計４６１は電流電圧変換回路（ＩＶ変換）を用いており、イオン検出電極４２０の電位はＧＮＤと同電位となっている。

この実験では、イオナイザ４３０により発生させたイオンがイオン検出電極４２０に達する量をイオン電流として測定し、筐体４５０に印加するバイアス電圧とイオン電流ｉとの関係を調べた。具体的には、導入部４４０から乾燥空気（Dry air）を１分間あたり１リットルの流量で装置４内に送り込んだ。放電針（負極４３２）には高電圧源４３３から−２．５ｋＶの電圧を印加した。また、距離Ｔは、１０ｍｍ又は２０ｍｍの２条件とした。バイアス電圧は０Ｖから−６０Ｖまで１０Ｖステップで変化させた。

この結果を図１４に示す。図１４の横軸は筐体４５０に印加したバイアス電圧を示し、縦軸はイオン電流ｉを示す。図１４に示す結果から、以下の２つのことが分かる。

（１）距離Ｔが近いほど、イオン電流ｉが大きい。

（２）イオン検出電極４２０と筐体４５０との間の電位差が大きいほど、イオン電流ｉが大きい。

本開示は（２）の特性を利用しており、負イオンであれば筐体を負の電位にすることによって、筐体よりもＧＮＤ電位である０Ｖのイオン検出電極の方にイオンが移動するように電界を発生させている。筐体の電位をマイナス側に大きくすることによってイオンに作用する電界が大きくなりイオン検出電極に達するイオン量が増加する。

図１４には負イオンに関する実験結果を示してあるが、正イオンの場合も同様の傾向の結果が得られる。その場合は極性が逆になり、イオナイザには正の電圧を印加して正イオンを発生させる。筐体の電位をプラス側に大きくすることによってイオンに作用する電界が大きくなりイオン検出電極に達するイオン量が増加する。

なお、第１の電極１１１及び第２の電極１１２の形態は平行平板に限定されない。例えば、図１５に示すように、ＭＥＭＳ工程を用いて櫛歯状に交互に配置された第１の電極１１１及び第２の電極１１２を用いてもよい。この例では、例えば、ＳＯＩ基板の支持基板を支持層５０１とし、酸化層を絶縁層５０２とし、活性層を電極層５０３と、電極層５０３に第１の電極１１１及び第２の電極１１２を形成することができる。また、支持層５０１をイオン検出電極１２０として用いることもできる。この例によれば、イオン通過面積を確保しつつ小型化することができる。

各実施形態に係る分析システムは、例えば便が発する便臭ガスの成分の分析に用いることができる。近年、腸内の細菌フローラの状態と健康状態との関係が注目されている。ヒトの腸内には数百種類もの腸内細菌が住み着いており、善玉菌、悪玉菌及び日和見菌に大別されるという。また、これらの理想的な構成比（バランス）は「２：１：７」という説がある。これら腸内細菌のバランスはヒトによっても年齢によっても変わると言われ、健康状態のバロメータにもなりえる。食生活や生活習慣の乱れ、ストレス、便秘などは悪玉菌の増殖を促し、腐敗臭のするガスを発生させ、発がん性物質を生むこともあるといわれる。そこで、便が発する便臭ガスの成分を分析して細菌フローラの状態を調べ、健康状態の把握と病気の早期発見を行う研究が行われている。各実施形態に係る分析システムは、このような便臭ガスの成分の分析に用いることができる。すなわち、実施形態のいずれかに係る分析システムを備えた便臭ガス分析システムを構成することができる。

各実施形態に係る分析システムは、例えばヒトの呼気に含まれる成分の分析に用いることもできる。近年、ヒトの呼気に含まれる微量な呼気ガス成分と疾病との関係が明らかになりつつあり、呼気中の濃度が疾病と相関をもつ呼気ガス成分はマーカ物質とよばれる。各実施形態に係る分析システムは、このような呼気ガス成分の分析に用いることもできる。すなわち、実施形態のいずれかに係る分析システムを備えた呼気ガス分析システムを構成することができる。

各実施形態に係る分析システムは、人体に有害なガスの有無の検出のための分析や、熟した食べ物が発するガスの分析等に用いることもできる。

以上、好ましい実施の形態等について詳説したが、上述した実施の形態等に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。

１、２、３ 分析システム
１１０：イオンフィルタ
１２０：イオン検出電極
１３０：イオナイザ
１５１、１５２、１５３：筐体
１５３Ａ：絶縁部
１５３Ｂ：導電部
１６１：イオン電流検出回路
１６２：非対称波形信号発生回路
１６３：補償電圧発生回路
１６４：バイアス電圧発生回路
１７１：入口
１７２：出口
２０１：バイアス電極

特許第５６９０９６３号公報

Claims (9)

1. サンプルガスを第１の極性にイオン化させるイオン化部と、
   前記サンプルガスのイオンの少なくとも一部を検出する検出器と、
   前記イオン化部及び前記検出器を収容する筐体と、
   前記筐体に前記第１の極性の電圧を印加することで、前記イオン化部と前記検出器との間で前記筐体の内側に電界を発生させる電圧印加部と、
   を有し、
   前記電界は、前記サンプルガスの通流方向に平行な第１の方向に対して直交する第２の方向の第１の成分と、前記第１の方向及び前記第２の方向に直交する第３の方向の第２の成分とを有することを特徴とする分析システム。
2. 前記筐体は、周方向に連続する環状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の分析システム。
3. 前記筐体は、導電性を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の分析システム。
4. 前記筐体は、
   絶縁性を備えた枠部と、
   前記枠部の内側に設けられた電極と、
   を有し、
   前記電圧印加部は、前記電極に前記第１の極性の電圧を印加することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の分析システム。
5. 前記イオン化部と前記検出器との間に設けられたイオンフィルタを有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の分析システム。
6. 前記筐体は、少なくとも、前記イオン化部と前記イオンフィルタとの間で導電性を備えることを特徴とする請求項５に記載の分析システム。
7. 前記電圧印加部は、前記イオンフィルタに含まれる電極にオフセット電圧を印加することを特徴とする請求項５又は６に記載の分析システム。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の分析システムを備えた便臭ガス分析システム。
9. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の分析システムを備えた呼気ガス分析システム。

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