JP4210181B2 - Exhalation component analyzer - Google Patents
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Description
本発明は、呼気成分分析装置に関するものである。 The present invention relates to a breath component analyzer.
従来より、ガス中の成分の定性・定量分析を行うガスクロマトグラフ装置が広く用いられており、これは被測定ガスをキャリアガスと共に、充填材が充填されているガス分離カラムに導入し、被測定ガス中に含まれる成分がガス分離カラム中の充填材との相互作用によるリテンションタイム差により分離され、この分離されたガス中成分をガス分離カラムから導出し、熱伝導度検出器(TCD)や水素炎イオン化検出器(FID)等の検出器にて検出することにより、クロマトグラムが得られるものである。 Conventionally, gas chromatograph devices that perform qualitative and quantitative analysis of components in gas have been widely used. This is done by introducing the gas to be measured together with the carrier gas into the gas separation column packed with the packing material. The components contained in the gas are separated by the retention time difference due to the interaction with the packing material in the gas separation column, and the separated components in the gas are derived from the gas separation column, and a thermal conductivity detector (TCD) A chromatogram is obtained by detecting with a detector such as a flame ionization detector (FID).
図11はこのような従来のガスクロマトグラフ装置6の一例を示すものであり、ガスボンベ7からガス流路8を介して供給されるキャリアガスが流量調整器9にて流量調整された後に、流量センサ10にて流量を検出し、更に被測定ガスのガス注入口11から注入される被測定ガスと混合され、ガス分離カラム1に導入される。
FIG. 11 shows an example of such a conventional gas chromatograph device 6. After the carrier gas supplied from the
このとき、ガス分離カラム1におけるガス中成分のリテンションタイムは温度に依存するため、ガス分離カラム1は恒温槽40内に配置されて一定温度に加熱保持され、これによりガス分離カラム1中でのガス中成分のリテンションタイムを一定に保って、正確な測定が行われるようにしている。そして、ガス分離カラム1から導出されたガスは検出器14にて検出されて、クロマトグラムが得られるようになっている。
At this time, since the retention time of the components in the gas in the
前記の恒温槽40は、ハウジング内にヒータ41とファン42とを設け、更にこのハウジングに開口量が調整可能な吸気口43及び排気口44を設けて構成されるものであり、ガス分離カラム1を加熱昇温する場合にはヒータ41に対して通電すると共にファン42を回転させてヒータ41により加熱された空気をガス分離カラム1に送り、ヒータ41への通電量や吸気口43と排気口44の開口量を調整することにより温度調整を行うものである。またガス分離カラム1の冷却時には吸気口43と排気口44の開口量を最大にしてファン42を回転させ、恒温槽40内に外気を流通させるものである。
The
従来のガスクロマトグラフ装置6では、ガス分離カラム1を一定温度に加熱保持するため前記のような恒温槽40が設けられており、このような構成の恒温槽40は小型化が困難であって、装置全体も大型化してしまうものであった。
In the conventional gas chromatograph 6, the
一方医療分野では、呼気ガスの成分分析による疾病の発見や治療効果の確認のために、ガスクロマトグラフ装置を用いた呼気成分分析装置の導入が検討されており、医療現場で使いやすいように小型の呼気成分分析装置が要望されている。 On the other hand, in the medical field, the introduction of an exhalation component analyzer using a gas chromatograph device is being studied for the purpose of finding diseases and confirming therapeutic effects by component analysis of exhaled gas. There is a need for a breath component analyzer.
これに対応して本発明者らは、図12に示すように外面にラバー状のヒータ2を密接して配設して構成したガス分離カラム1を既に提案している(例えば特許文献1参照)。このガス分離カラム1はステンレス、銅等の熱伝導性の高い金属にて形成された外筒1aと、この外筒1a内に内挿された、例えばテフロン(R)からなる内筒1bの2重筒体から形成されており、内筒1b内には固定相となる充填材を充填している。この充填材は検出対象の呼気ガスやキャリアガスの種類に応じた適宜のものが用いられる。ラバー状のヒータ2はシリコーンラバーシート等の絶縁性ラバーにて抵抗体3を絶縁したフレキシブルなヒータであり、抵抗体3がガス分離カラム1の外周面に一端側から他端側に亘って螺旋状に周回するようにして、ガス分離カラム1の外面に密着して配設される。また、このガス分離カラム1には熱電対からなる温度センサ4が設けられており、この熱電対はポリフッ化エチレン樹脂(テフロン(R)等)やガラスウール等の絶縁材にて絶縁被覆された状態でガス分離カラム1の外面に配設され、この温度センサ4にてガス分離カラム1の温度を検知するようにしている。
Corresponding to this, the present inventors have already proposed a
このガス分離カラム1を用いた呼気成分分析装置Aの例を図13に示す。この図13では、ガス分離カラム1の近傍に冷却用のファン12が配設される。
An example of an exhalation component analyzer A using this
また呼気成分分析装置A内にはカラム加熱温度調整盤(図示せず)における設定動作に従って動作する温度制御器13が設けられており、前記の温度センサ4による検知結果は温度制御器13に入力され、またヒータ2における通電量や、冷却用ファン12の駆動は、温度センサ4による検知結果に基づいて温度制御器13にて制御される。
In addition, a
この図13に示される呼気成分分析装置Aの動作を次に説明する。まず電源を投入して測定動作の開始を設定し、ガスボンベ7からガス流路8内にキャリアガスを供給すると共にガス注入口11から被測定ガスである呼気ガスを注入すると、ガス流路8に供給されたキャリアガスの流量がニードルバルブのような流量調整器9にて調整され、流量センサ10による検知によりキャリアガスの流通とその流量が確認された後に、ガス注入口11から供給された呼気ガスがキャリアガスと混合される。この混合ガスはガス分離カラム1に導入されて、ガス分離カラム1内部の固定相を通過することにより固定相との相互作用によってガス中成分が分離されて、ガス分離カラム1から導出される。次いで、ガス分離カラム1から導出されたガス中成分が検出器14にて検出され、この検出情報が制御部15に入力されて解析され、クロマトグラムが得られるものであり、またこの検出結果が表示部16にて表示されるものである。
Next, the operation of the breath component analyzer A shown in FIG. 13 will be described. First, the power is turned on to set the start of the measurement operation. When the carrier gas is supplied from the
この測定動作中においては、ガス分離カラム1は温度制御器13による制御により、所定の温度となるようにヒータ2への通電がなされて、加熱される。このとき温度制御器13は温度センサ4による検知結果を基にして、ヒータ2への通電量を制御し、また必要に応じてファン12を駆動することにより、ガス分離カラム1を所定の温度に加熱保持する。このため、ガス分離カラム1におけるガス中成分のリテンションタイムを一定に保って、正確な測定が行われる。
During the measurement operation, the
前記のように図13で示す呼気成分分析装置Aに用いるガス分離カラム1は前記のようなヒータ2にて加熱保持されるため、従来における恒温槽40のような大がかりな装置構成が必要とされなくなり、ガス分離カラム1を一定温度に加熱保持するための加熱手段の構成を小型化して、装置全体の小型化が可能となるものである。
上述の呼気成分分析装置では、検出器14の検出出力に現れたピークのリテンションタイムをもとに、呼気ガスに含まれるガス成分の種類を判別しているので、リテンションタイムが同じ場合又は近接している場合はガス成分の種類を判別できないという問題があった。 In the exhalation component analyzer described above, the type of the gas component contained in the exhalation gas is determined based on the peak retention time appearing in the detection output of the detector 14, so the retention time is the same or close. However, there is a problem that the type of gas component cannot be determined.
本発明は上記問題点に鑑みて為されたものであり、その目的とするところは、リテンションタイム(保持時間)が同じ又は近接している時でもガス成分の種類を判別できる呼気成分分析装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide an expiration component analyzer that can determine the type of gas component even when the retention time (retention time) is the same or close. It is to provide.
上記目的を達成するために、請求項1の発明は、ガス成分に応じて流動遅延を生じさせる部材を充填したガス分離カラムと、該ガス分離カラムの吸気側からガス分離カラム内に呼気ガスを含むキャリアガスを供給する呼気ガス供給手段と、半導体ガスセンサを用いて構成され、前記ガス分離カラムの排気側に設けられて、排気側に順次現れる呼気ガスのガス成分を検出する検出手段と、呼気ガスに含まれる検出対象の複数種類のガス成分のリテンションタイム、複数種類の前記ガス成分の各々に対する検出手段の検出出力のピーク波形、及び検出手段の検出出力の出力値に対応した前記各ガス成分の濃度データが予め登録された記憶手段と、記憶手段に登録されたデータをもとに検出手段の検出出力に現れる1乃至複数のピークの各々に、リテンションタイムが各ピークの出現時間に略等しいガス成分のピーク波形を照合することによってガス成分の種類を識別するとともに、検出出力の出力値に対応した各ガス成分の濃度データから当該ガス成分のガス濃度を測定するガス成分測定手段と、を備えて成ることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the invention of
請求項2の発明は、請求項1の発明において、呼気ガスに含まれる不変成分のリテンションタイムの変動量を基準として、呼気ガスに含まれる検出対象のガス成分のリテンションタイムの変動を補正する手段を備えて成ることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the means for correcting the variation in the retention time of the gas component to be detected contained in the expiratory gas on the basis of the variation in the retention time of the invariant component contained in the expiratory gas. It is characterized by comprising.
請求項3の発明は、請求項1又は2の発明において、前記呼気ガス供給手段が、空気をキャリアガスとして前記ガス分離カラムの吸気側からガス分離カラム内にガス流路を介して圧送するエアーポンプと、前記エアーポンプと前記ガス分離カラムとの間の前記ガス流路に設けられ、該ガス流路内の前記キャリアガス中に呼気ガスを供給するガス供給口と、前記ガス供給口の上流側に設けられ、前記エアーポンプが前記ガス分離カラムへ供給する単位時間当たりのキャリアガス量に比して十分大きな所定量のキャリアガスを保持するバッファタンクとで構成されることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, the expiratory gas supply means pressure-feeds air from the intake side of the gas separation column into the gas separation column via a gas flow path using air as a carrier gas. A pump, a gas supply port provided in the gas flow path between the air pump and the gas separation column, for supplying exhaled gas into the carrier gas in the gas flow path, and upstream of the gas supply port And a buffer tank that holds a predetermined amount of carrier gas sufficiently larger than the amount of carrier gas per unit time that the air pump supplies to the gas separation column.
請求項4の発明は、請求項1又は2の発明において、前記呼気ガス供給手段が、非接続時には閉成される接続部を備え、前記ガス分離カラムの吸気側に一端が連結されたガス流路の他端に連結連通させることで、内部に密封したキャリアガスを前記ガス流路側へ供給する容積可変の袋状タンクと、前記ガス分離カラムの排気側に設けられ、該ガス分離カラムの吸気側に対して排気側を負圧にする吸引用のエアーポンプと、前記ガス分離カラムの吸気側と前記袋状タンクとの間に設けられ、キャリアガス中に呼気ガスを供給するガス供給口とで構成されることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the gas flow according to the first or second aspect, wherein the expiratory gas supply means includes a connecting portion that is closed when not connected, and one end is connected to the intake side of the gas separation column. By connecting and communicating with the other end of the path, a variable volume bag-like tank for supplying a carrier gas sealed inside to the gas flow path side, and an exhaust side of the gas separation column are provided, and an intake air of the gas separation column is provided. An air pump for suction that makes the exhaust side negative with respect to the side, a gas supply port that is provided between the intake side of the gas separation column and the bag-like tank, and supplies exhaled gas into the carrier gas; It is characterized by comprising.
請求項5の発明は、請求項3の発明において、前記バッファタンクの吸気側を大気に開放し、排気側を前記エアーポンプの吸気側に連結するとともに、前記エアーポンプが前記ガス分離カラム側へ供給する必要キャリアガス流量を超える余剰キャリアガスを前記バッファタンクへ戻すガス流路を前記エアーポンプの排気側と前記バッファタンクとの間に設けていることを特徴とする。 According to a fifth aspect of the invention, in the third aspect of the invention, the intake side of the buffer tank is opened to the atmosphere, the exhaust side is connected to the intake side of the air pump, and the air pump is moved to the gas separation column side. A gas flow path is provided between the exhaust side of the air pump and the buffer tank to return excess carrier gas exceeding the necessary carrier gas flow to be supplied to the buffer tank.
請求項6の発明は、請求項3又は4の発明において、ガス吸着物質やガス分解触媒の何れか一方若しくは両方をガス浄化物質として用いているガス浄化装置を前記ガス供給口より上流側のガス流路に設けていることを特徴とする。 According to a sixth aspect of the present invention, in the third or fourth aspect of the present invention, a gas purification apparatus using either one or both of a gas adsorbing material and a gas decomposition catalyst as a gas purification material is a gas upstream of the gas supply port. It is provided in the flow path.
請求項7の発明は、請求項3乃至6の何れか1つの発明において、前記ガス供給口の上流近傍のガス流路若しくは前記検出手段の下流近傍のガス流路内に、流量を検出する流量センサを備え、該流量センサの検出出力の変化に基づいて呼気ガスの供給を検出する手段を備えていることを特徴とする。 According to a seventh aspect of the present invention, in any one of the third to sixth aspects of the present invention, a flow rate for detecting a flow rate in a gas flow path near the upstream of the gas supply port or a gas flow path near the downstream of the detection means. It is characterized by comprising a sensor and means for detecting the supply of exhaled gas based on a change in the detection output of the flow sensor.
請求項8の発明は、請求項7の発明において、前記ガス分離カラムに供給するキャリアガスの流量を、呼気ガスの供給検出後にガス分離効率の向上や分析時間を短縮するように変化させる手段を備えていることを特徴とする。 According to an eighth aspect of the present invention, in the seventh aspect of the invention, there is provided means for changing the flow rate of the carrier gas supplied to the gas separation column so as to improve the gas separation efficiency and shorten the analysis time after detecting the supply of the expiration gas. It is characterized by having.
以上説明したように、一般的なガスクロマトグラフではリテンションタイムが同じであれば、ガス成分の種類を識別するのは不可能であるが、検出手段を半導体ガスセンサで構成した場合は検出出力のピーク波形が非対称の波形となり、且つガス成分の種類に応じてピーク波形が異なっており、請求項1の発明では検出出力に現れた1乃至複数のピークの各々に、リテンションタイムが各ピークの出現時間に略等しいガス成分のピーク波形を照合することによってガス成分の種類を特定しているので、リテンションタイムが同じ場合でもガス成分の種類を確実に識別することができ、且つ、検出出力の出力値に対応した各ガス成分の濃度データから当該ガス成分のガス濃度を測定することができる。 As described above, in general gas chromatographs, if the retention time is the same, it is impossible to identify the type of gas component. However, if the detection means is a semiconductor gas sensor, the peak waveform of the detection output Is an asymmetric waveform, and the peak waveform differs depending on the type of gas component. In the first aspect of the present invention, the retention time corresponds to the appearance time of each peak. Since the types of gas components are identified by collating peak waveforms of substantially equal gas components, the types of gas components can be reliably identified even when the retention time is the same, and the output value of the detection output The gas concentration of each gas component can be measured from the corresponding concentration data of each gas component.
また請求項2の発明では、キャリアガスの流量変動があっても、呼気中のガス成分のリテンションタイムを補正することができ、その結果これら呼気中のガス成分の分析が行える。 According to the second aspect of the present invention, even when the flow rate of the carrier gas varies, the retention time of the gas components in the expiration can be corrected, and as a result, the gas components in the expiration can be analyzed.
請求項3の発明では、エアーポンプで吸気する空気からなるキャリアガス中に雑ガス成分が含まれていてもバッファタンクによって雑ガス成分を希釈してガス分離カラムへ送ることができ、そのため雑ガスによって起きる検出手段の検出出力のベースラインの変動を抑制することができ、ベースラインの変動による成分分析への影響を少なくして信頼性の高い測定が行える呼気成分分析装置を提供できる。
In the invention of
請求項4の発明では、キャリアガスとして清浄な空気のみをガス分離カラムへ送ることができ、そのため雑ガスの影響を受けて起きる検出手段の検出出力のベースラインの変動を無くすことができ、その結果ベースラインの変動による成分分析への影響が無くなり、信頼性の高い測定が行える呼気成分分析装置を提供できる。
In the invention of
請求項5の発明では、ガス分離カラムへ送り込むキャリアガスの流量に比して大きな吸気量を持つ汎用の安価なエアーポンプを利用することが可能となり、且つ、余剰ガスをバッファタンクへ戻すことで、エアーポンプの負荷を低減できて、エアーポンプの寿命を延ばすことができる。 In the invention of claim 5, it is possible to use a general-purpose inexpensive air pump having a large intake amount compared to the flow rate of the carrier gas fed into the gas separation column, and returning the excess gas to the buffer tank. The load of the air pump can be reduced and the life of the air pump can be extended.
請求項6の発明では、雰囲気中に高濃度の雑ガスが含まれる場合や、長期的に雑ガスが雰囲気中に存在し、バッファタンクで希釈しきれない場合にあっても、キャリアガスに残留している雑ガスを確実に除去することができ、その結果これら雑ガスによってベースラインが変動するのを防止できる。 According to the sixth aspect of the present invention, even when a high-concentration miscellaneous gas is contained in the atmosphere or when the miscellaneous gas exists in the atmosphere for a long time and cannot be fully diluted in the buffer tank, it remains in the carrier gas. The miscellaneous gases that are present can be reliably removed, and as a result, the baseline can be prevented from fluctuating due to these miscellaneous gases.
請求項7の発明では、リテンションタイムを決める基準となる呼気ガス注入のタイミングの検出を自動的に行え、その結果呼気ガスのガス成分のリテンションタイムを確実に決定でき、ガス成分の分析を信頼性の高いものとすることができる。 According to the seventh aspect of the present invention, it is possible to automatically detect the timing of exhalation gas injection as a reference for determining the retention time, and as a result, to reliably determine the retention time of the gas component of the exhalation gas, and to analyze the gas component with reliability. Can be high.
請求項8の発明では、リテンションタイムが遅いガス成分であっても、検出時間を早くして検出出力のピークを鋭いものとし、濃度換算を正確にすることができる。
In the invention of
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(実施形態1)
図2は本実施形態の呼気成分分析装置Aの流路構成図を示しており、本実施形態では大気に連通した小孔からなる吸気口20aを開口するととに、排気口20b及び帰還口20cとを開口したボトル状のバッファタンク20と、前記排気口20bにガス流路21を介して吸気側を接続したエアーポンプPと、エアーポンプPによりバッファタンク20を介して大気より吸気され加圧された空気がキャリアガスとしてガス流路22を介して圧送されてくるガス分離カラム1と、このエアーポンプPの排気側からガス分離カラム1の吸気側までのガス流路22の間に挿入されたガス浄化装置23と、ガス浄化装置23の排気側からガス分離カラム1の吸気側までのガス流路22の間に挿入されたニードルバルブからなる流量調整器24と、ガス流路22内の圧力変化を検出するために設けた流量センサ25と、ガス分離カラム1の吸気側に設けられて被測定ガスである呼気ガスをキャリアガス内に注入して供給するガス注入口26と、エアーポンプPの排気側からガス浄化装置23までのガス流路22の設けられた分岐部27と、バッファタンク20の帰還口20cに連結された帰還用ガス流路29と分岐部27との間に挿入された流速を制御する流量調整器28とで構成され、ガス分離カラム1の大気に連通する排気口内に半導体ガスセンサからなる検出器30を備えている。
(Embodiment 1)
FIG. 2 shows a flow path configuration diagram of the exhalation component analyzer A of the present embodiment. In this embodiment, when the
ここでガス分離カラム1に流すキャリアガスは10cc/min程度であるので、本実施形態では、バッファタンク20として流量に比して十分大きな容量、例えば1000cc程度のタンクを用い、大気から取り入れた空気をバッファタンク20内の空気で希釈することにより検出器30の検出出力のベースラインの変動を抑えるようになっている。
Here, since the carrier gas flowing through the
ガス浄化装置23は、雰囲気中の高濃度の雑ガスや長期的に亘り存在したり、大気中に含まれる雑ガスがバッファタンク20で希釈されきれない場合に、これら雑ガスを除去するためのものであって、活性炭、シリカゲルなどのガス吸着物質、酸化触媒などのガス分解触媒の一方或いは両方を用いている。特にガス分解触媒としては白金或いは白金パラジュームのような貴金属触媒を担持した燃焼触媒(ヒータなどで150℃〜200℃に加熱する)を用い、ハニカム構造、粒状などその構造は何でも良い。尚ガス吸着物質を単独で用いた場合には、図2の位置に限定されず、バッファタンク20とエアーポンプPとの間やバッファタンク20の上流側に設けても良い。またガス分解触媒(燃焼触媒)を単独或いはガス吸着物質と合わせて用いる場合にはバッファタンク20とエアーポンプPとの間に設けるのが好ましい。ガス分解触媒はガス注入口26よりも上流側であれば、どの場所に設けても良く、ガス浄化装置23を複数箇所に設けても良い。
The
また、ガス分離カラム1は上述した図12に示す構造のものを用いて呼気成分分析装置Aの小型化を図っている。
Further, the
図1は本実施形態の回路構成図を示しており、このブロックでは電源部31と、カラムヒータ制御部32と、演算処理部33と、表示部34と、流量計測部35とからなり、電源部31は電源スイッチ(図示せず)がオンされると、AC電源からエアーポンプPの駆動用電源電圧と、各部33〜35の動作用電源電圧+Vとを生成する機能を備えている。
FIG. 1 shows a circuit configuration diagram of this embodiment. In this block, a
カラムヒータ制御部32は、ガス分離カラム1の巻装しているヒータ2の温度をサーミスタからなる温度センサ4の検出温度に基づいてPID制御部32aが位相制御部32bを通じてヒータ2の通電電力を制御し、ガス分離カラム1の温度を予め設定した所定温度に保つようになっている。
In the column
演算処理部33は、流量センサ25の検出出力を流量計測部35から取り込み、この検出出力に基づいて流量変化を検出してこの検出によりガス注入口26からの呼気ガスの注入タイミングを検出する判定処理機能及び流量センサ25の検出出力によってガス流路22内のキャリアガスの流量を計算する演算機能と、半導体ガスセンサからなる検出器30のヒータ30aの通電を制御することにより検出器30の温度サイクルに検出器30の感ガス体のヒートクリーニングのための高温期間と感ガス体の検出出力の取り込み期間である低温期間とを交互に設定する制御機能と、低温期間で取り込んだ検出出力と注入タイミングの検出とに基づいて検出ガス成分の分析及び定量決定を行う分析処理機能と、ガス分離カラム1の温度を温度センサ4の検出信号より求める機能とを備えるとともに、表示部34に表示データ送出する機能を備えている。
The
表示部34は液晶表示器とコントローラから構成され、演算処理部33からの表示データによって、キャリアガスの流量、分析処理機能によって求められた検出ガス成分の分析結果や定量値、更にガス分離カラム1の温度を表示するようになっている。
The
流量センサ25は、負特性サーミスタと白金コイルとを備えた風速センサを用いて構成される。この流量センサ25はガス流路22内に白金コイルと負特性サーミスタとを臨ませるようにして配置され、上流側に配置された白金コイルに電圧を印加してガス流路22内のキャリアガスを加熱する。そして、白金コイルによって加熱されたキャリアガスの温度を負特性サーミスタで検知しており、一定量のキャリアガスがガス流路22内に流れているときには、負特性サーミスタが検知する温度は一定温度になるが、キャリアガスの流量(流速)が変化すると検知温度が変化し、またその後流量が安定すると流量(流速)に対応した一定温度に保たれるもので、その検知出力は流量計測部35でA/D変換された後、演算処理部33に取り込まれ、演算処理部33はその検知温度から流量に換算することでキャリアガスの流量を監視するようになっている。
The
而して電源スイッチをオンして、呼気成分分析装置Aを動作させると、エアーポンプPがバッファタンク20を介して大気から空気を吸気し、この吸気した空気をキャリアガスとして分岐部27を介してガス流路22側に流量調整器24で調整された流量分だけ圧送する。この時、余剰の空気たるキャリアガスは流量調整器28及び帰還用ガス流路29を介してバッファタンク20に戻される。
Thus, when the power switch is turned on to operate the exhalation component analyzer A, the air pump P sucks air from the atmosphere via the
一方、ガス流路22側に送られるキャリアガスはガス浄化装置23を通ることで、バッファタンク20で希釈しきれない雑ガス成分が除去され、清浄なキャリアガスとして流量調整器24を介してガス分離カラム1へ送られ、最終的には大気に放出される。
On the other hand, the carrier gas sent to the
キャリアガスの流量は上述の流量センサ25によって常時検出されており、演算処理部33はこの流量センサ25の検知出力に基づいて、上述のように流量に換算し、その換算結果を表示部34により表示する。
The flow rate of the carrier gas is constantly detected by the
このようにしてキャリアガスをガス分離カラム1内へ送っている状態で、ガス注入口26に検出対象の呼気ガスを注入する打ち込み操作を行うと、呼気ガスが注入されることで、ガス流路22内の流速(流量)が瞬間的に減少することになる。
When a driving operation for injecting an exhalation gas to be detected into the
この瞬間的な減少によって流量センサ25の負特性サーミスタの検知温度が瞬間的に上昇することになる。この瞬間的な検知温度の変化は図3に示す流量センサ25の検知出力Bのレベルと予め設定している基準レベルLとの比較により演算処理部33で検知され、この検知されたタイミングで呼気ガスが注入されたと判断し、このタイミングに基づいて検出器30で検出されるガス成分のリテンションタイムを計測する。つまり従来は呼気ガスを注入するタイミングの検出を作業者が手動スイッチの操作で行っていたのを、本実施形態では自動化することで、正確な検出が行えるようになっている。
This instantaneous decrease instantaneously increases the temperature detected by the negative characteristic thermistor of the
ここで、本実施形態の呼気成分分析装置Aを用いて呼気ガスに含まれるガス成分から疾病を発見したり、治療効果を確認する場合は、疾病や治療の種類によって検出対象のガス成分の種類が予め決まっており、例えば糖尿病患者、肝臓病患者、アルコール中毒治療剤の投与患者では、それぞれ、呼気ガス中のアセトン、CH3SH,CS2を検出することで、疾病の発見や治療効果の確認に役立てている。そこで、本装置では演算処理部33のメモリ33aに、呼気ガスに含まれる検出対象の複数種類のガス成分のリテンションタイム、前記のガス成分の各々に対する検出器30の検出出力のピーク値に対応した各ガス成分の濃度データを示す検量線データ(図4参照)、及び検出器30の検出出力のピーク値を「1」としたときの各ガス成分に対するピーク波形を示す規格化曲線のデータ(図5参照)とを予め登録してある。
Here, in the case where a disease is discovered from the gas component contained in the exhalation gas using the exhalation component analyzer A of the present embodiment or the therapeutic effect is confirmed, the type of the gas component to be detected depends on the type of the disease or treatment. For example, in diabetic patients, liver disease patients, and alcohol-administered patients, for example, by detecting acetone, CH 3 SH, and CS 2 in exhaled gas, the detection of disease and the effect of treatment can be achieved. Useful for confirmation. Therefore, in this apparatus, the
尚図4では横軸をガス濃度(ppb)、縦軸を検出器30の出力変化(mV)としたとき、検出器30の出力YがY=aX^bと表される。また図4中の直線Iはアセトン、直線IIはCH3SH、直線IIIはCS2をそれぞれ示している。また図4の検量線データではピーク高さで検量線を求めているが、ピーク高さの替わりにピーク面積を用いても良い。
In FIG. 4, when the horizontal axis is the gas concentration (ppb) and the vertical axis is the output change (mV) of the
また図5のピーク曲線Cは人であれば誰でも呼気中に含むCO2 やO2のような不変成分(呼気のバックグランドとなる成分)、ピーク曲線Dはアセトン、ピーク曲線EはCH3SH、ピーク曲線FはCS2に対応し、夫々のピークになる時間がリテンションタイムとなる。 In addition, the peak curve C in FIG. 5 is invariable components (components that become the background of exhalation) such as CO 2 and O 2 contained in exhaled air, peak curve D is acetone, and peak curve E is CH 3. The SH and peak curve F correspond to CS 2 and the time when each peak is reached is the retention time.
従って演算処理部33は、ガス分離カラム1から出てくるガスを検出する検出器30の検出出力に現れる1乃至複数のピークについて、前記ガス注入タイミングから各々のピークの発生タイミングまでの時間(出現時間)を測定することで当該検出ガス成分のリテンションタイムを計測するとともに、そのリテンションタイムと検出されたピークの波形形状をメモリ33aに登録してあるデータと照合して検出ガス成分を判定し、またそのときの検出出力のピーク値から検出ガス成分の濃度(定量値)を判定し、その決定結果を表示部34で表示するのである。
Accordingly, the
ここで、演算処理部33のメモリ33aに記憶させるデータの中で、呼気ガスに含まれる検出対象のガス成分に対する検出器30の検出出力のピーク波形、すなわち検出出力のピーク値を1としたときのピーク形状を示す規格化曲線データは、検出器30を半導体ガスセンサで構成する場合に特に必要になるものである。検出器30をPID(光電離検出器)やFID(水素炎イオン化検出器)で構成した通常のガスクロマトグラフ装置では、検出出力のピーク波形は図6に示すような正規分布曲線(ガウス曲線)となる。これは、ガス分離カラム1に注入されたガス成分はキャリアーガス中で正規分布しており、検出器30に到達するガス濃度も正規分布に従って増減するので、物理センサであるPIDやFIDの出力はガス濃度の変化に従った出力となるからである。しかしながら、検出器30を半導体ガスセンサで構成した場合には、検出器30の検出出力のピーク波形が正規分布曲線とならない場合がある。その理由は、半導体ガスセンサの表面と検出対象のガス成分の吸着及び離脱速度にある。つまり半導体ガスセンサでは、その表面と試料ガスの化学変化を利用してガスを検出しており、その反応速度はガスの吸着時と離脱時とで異なり、またガス種によっても異なるからである。図5の規格化曲線からも分かるように、検出器30に到達したガス成分のガス濃度が増加する場合、すなわちガスの吸着が起こる場合の反応は速やかで、検出器30に到達したガス成分のガス濃度変化に追従して検出出力が変化しているが、ガス濃度が減少する場合、すなわちガスが離脱する場合の反応速度が遅いため、検出器30の出力変化がガス濃度変化に追従することができず、テーリングとなって現れるのである。また検出出力の波形はガス種によって異なり、図5でCとFの波形は反応速度が遅いためテーリングが非常に大きくなっている。また通常、保持時間(リテンションタイム)が長いガスほど検出出力のピークがブロードになるが、ガスFの波形は、Fよりも保持時間が長いガスDの波形よりブロードなピークとなる。これもガスFのガスセンサ表面での反応が遅いためである。
Here, in the data stored in the
このように検出器30の各ガス成分に対する検出出力のピーク波形が正規分布曲線とならず、またガス成分の種類によってピーク波形が異なるため、複数のガス成分が混在した混合ガスに対する検出出力から個々のガス成分を分離して正確に検出するためには、検出対象のガス成分の各々について検出出力のピーク波形をメモリ33aに登録しておくことが必要である。
Thus, the peak waveform of the detection output for each gas component of the
而して演算処理部33では、検出出力のピークのリテンションタイムとメモリ33aに登録してある各ガス成分のリテンションタイムのデータとを照合するとともに、検出出力のピークとメモリ33aに登録してあるピーク波形のデータとを照合しており、リテンションタイムの照合とピーク波形の照合とを併用することでガス成分の種類を特定することができ、さらにこのときの検出出力のピーク値又は面積からガス成分の濃度(定量値)を求めているのであるが、各ガス成分の検出出力のピーク値又は面積を算出する際には、各検出出力のピーク値又は面積の和が検出器30の検出出力の波形データと一致するように、個々のガス成分の検出出力のピーク値又は面積を決定している。ここで、図7(a)のaが検出器30の検出出力の波形、同図(c)のc,d,e,fはそれぞれ演算処理により求めたCO2やO2等の不変成分、アセトン、CH3SH,CS2の各分離波形、同図(b)のbは分離波形c,d,e,fを足し合わせた波形であり、実際の検出出力の波形aと分離波形の合成波形bとはよく一致している。また、図7の分離波形c,d,e,fは、メモリ33aに登録された図5の規格化曲線C,D,E,Fによく一致している。
Thus, the
ところでキャリアガスの流量が何らかの原因で変化した場合、リテンションタイムが変動し、分析処理などが不確かとなる。そこで検出器30の検出出力のピークが最初に発現するガス成分が、CO2,O2 等の誰でも呼気中に含む不変成分であることに着目し、このガス成分のリテンションタイムを基準として、その後に発現する検出出力のピークに対応するリテンションタイムが前記基準とどれだけずれているかを演算処理部33で計算し、その計算結果に基づいて上述のH2S,CH3SH,(CH3)2Sのリテンションタイムを補正することで、キャリアガスの流量変動による影響を除去するようにしても良い。
By the way, when the flow rate of the carrier gas changes for some reason, the retention time fluctuates, and the analysis processing and the like become uncertain. Therefore, paying attention to the fact that the gas component in which the peak of the detection output of the
(実施形態2)
前記実施形態1ではエアーポンプPの上流側にバッファタンク20を設け、余剰空気をバッファタンク20に帰す構成であったが、本実施形態は図8に示すようにバッファタンク20を流量調整器24とガス注入口26との間のガス流路22内に挿入し、エアーポンプPは吸気側から直接空気を吸い込み、吸い込んだ空気を流量調整器24で流量を調整した後キャリアガスとしてバッファタンク20を介してガス分離カラム1へ送り込むようにしたものである。尚エアーポンプPの吸気能力が大きい場合には余剰空気を大気へ排出するようにする。またバッファタンク20をエアーポンプPの上流側に設けても勿論良い。
(Embodiment 2)
In the first embodiment, the
その他の構成は実施形態1に準ずるものであるので、図示及び説明を省略する。 Since other configurations are the same as those in the first embodiment, illustration and description thereof are omitted.
(実施形態3)
ところで、上述のリテンションタイムはキャリアガス流量に依存するので、当然キャリアガスの流量が多いほど早くなり、またガス成分によってはガス分離カラム1から出てくる時間が大変遅いものがある。このような場合時間がかかると共に検出出力のピークがブロードになって濃度換算が不正確になる。
(Embodiment 3)
By the way, since the above-mentioned retention time depends on the carrier gas flow rate, naturally, the higher the carrier gas flow rate, the faster the retention time, and depending on the gas component, there are cases where the time taken out from the
そこで本実施形態ではリテンションタイムの遅いガス種の検出時間を早く、また検出出力のピークを鋭くするために、前記のガス注入検出時から所定のパターンでキャリアガスの流量を増加させる制御を行うようにしたものである。 Therefore, in the present embodiment, control is performed to increase the flow rate of the carrier gas in a predetermined pattern from the time of the gas injection detection in order to make the detection time of the gas type having a low retention time early and sharpen the peak of the detection output. It is a thing.
図9は本実施形態における流路構成図であり、流量を調整する流量調整器24aと電磁弁37aとを挿入した流路22aと、流量を調整する流量調整器24bと電磁弁37bとを挿入した流路22bとを並行させるようにガス流路22内に設け、一方の流路22aを呼気ガス注入前に所定のキャリアガス流量を流す流路として用い、他方の流路22bを被呼気ガス注入後にキャリアガス増加用の流路として用いるようにしている。そして予め夫々の流量調整器24a,24bを所定の流量となるように調整し、演算処理部33は通常時には電磁弁37aを開成、電磁弁37bを閉成制御し、呼気ガス注入検出時においてはメモリ33aに予め登録している流量変化パターンに沿って電磁弁37aを閉成するとともに電磁弁37bを開成させてキャリアガスの流量を制御するようになっている。
FIG. 9 is a flow path configuration diagram in the present embodiment, in which a
ここに、流路22a、22bをバッファタンク20とエアーポンプPとの間のガス流路21に挿入しても良い。またエアーポンプPの印加電圧を制御して大気からの空気吸気量を増加させるとともに、流量調整器24を電気的に制御できるニードルバルブに置き換え、この流量調整器24の流量調整量を切り替えることでキャリアガスの流量を制御するようにしても良い。この場合エアーポンプPの印加電圧をインバータ装置などによって徐々に上げるようにすれば、キャリアガスの流量を徐々に上昇させることもできる。
Here, the
尚本実施形態の構成は、前記実施形態1或いは2に準ずるものであるので、その他の構成の図示及び説明を省略する。 The configuration of the present embodiment is similar to that of the first or second embodiment, and illustration and description of other configurations are omitted.
(実施形態4)
前記各実施形態1乃至3はバッファタンク20を用いることを前提とするが、図10に示すようにゴム引きの袋等の容量可変の袋状のタンク39に予め清浄なキャリアガス用空気を封入しておき、呼気成分分析装置Aを使用するに当たり、袋状タンク39の排気口に設けた接続部39aをガス流路22の一端に設けた被接続部に接続することで袋状タンク39内とガス流路22側とを連通させ、ガス分離カラム1の排気側に設けた吸引用のエアーポンプPで袋状タンク39内のキャリアガスを呼気ガスとともにガス分離カラム1内に吸引するようにした点に本実施形態は特徴がある。
(Embodiment 4)
Each of the first to third embodiments is based on the premise that the
ここでガス供給口(以下ガス吸引口と言う)26’は電磁弁38を介してガス流路22に連通するように設けられており、大気中の含有ガスの成分を検出する場合にはガス吸引口26’は雰囲気に開口しており、電磁弁38を手動スイッチ等の投入で開くことで負圧となっているガス流路22内に被測定ガスたる雰囲気の空気が吸引され、キャリアガスとともにガス分離カラム1内へ供給される。
Here, a gas supply port (hereinafter referred to as a gas suction port) 26 ′ is provided so as to communicate with the
一方袋状タンク39の接続部39aはガス流路22に接続しない状態では排気口が閉成されて内部の空気が外に漏れず、接続されたときに上記のように連通する開閉弁構造を備えており、本装置を使用しない状態ではタンク39は取り外しておくようになっている。また呼気ガスの成分測定を行う場合には、呼気ガスを袋などにいれてガス吸引口26’に連通連結させておけば良い。
On the other hand, the
尚前記構成以外は実施形態1乃至4の構成を用いれば良いので、ここでは図示及び説明を省略する。
Since the configurations of
1 ガス分離カラム
30 検出器
33 演算処理部
33a メモリ
1
Claims (8)
該ガス分離カラムの吸気側からガス分離カラム内に呼気ガスを含むキャリアガスを供給する呼気ガス供給手段と、
半導体ガスセンサを用いて構成され、前記ガス分離カラムの排気側に設けられて、排気側に順次現れる呼気ガスのガス成分を検出する検出手段と、
呼気ガスに含まれる検出対象の複数種類のガス成分のリテンションタイム、複数種類の前記ガス成分の各々に対する検出手段の検出出力のピーク波形、及び検出手段の検出出力の出力値に対応した前記各ガス成分の濃度データが予め登録された記憶手段と、
記憶手段に登録されたデータをもとに検出手段の検出出力に現れる1乃至複数のピークの各々に、リテンションタイムが各ピークの出現時間に略等しいガス成分のピーク波形を照合することによってガス成分の種類を識別するとともに、検出出力の出力値に対応した各ガス成分の濃度データから当該ガス成分のガス濃度を測定するガス成分測定手段と、を備えて成ることを特徴とする呼気成分分析装置。 A gas separation column packed with a member that causes a flow delay according to the gas component;
Expiratory gas supply means for supplying a carrier gas containing expiratory gas into the gas separation column from the intake side of the gas separation column;
A detection means configured using a semiconductor gas sensor, provided on the exhaust side of the gas separation column, for detecting a gas component of expiratory gas that sequentially appears on the exhaust side;
Retention times of a plurality of types of gas components to be detected contained in exhaled gas, peak waveforms of detection outputs of detection means for each of the plurality of types of gas components, and the respective gases corresponding to output values of detection outputs of detection means Storage means in which component concentration data is registered in advance;
By comparing the peak waveform of the gas component whose retention time is substantially equal to the appearance time of each peak with each of one or more peaks appearing in the detection output of the detection means based on the data registered in the storage means, the gas component And a gas component measuring means for measuring the gas concentration of each gas component from the concentration data of each gas component corresponding to the output value of the detection output. .
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