JP7087445B2 - 分析装置及び分析方法 - Google Patents

Description

本発明は、分析装置及び分析方法に関する。

電界非対称波形イオン移動度分光分析（Field Asymmetric Ion Mobility Spectrometry：ＦＡＩＭＳ）システムによる化学物質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、イオン化した化学物質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化学物質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、化学物質を特定できる。

従来、ＦＡＩＭＳシステムに関し、分析性能の向上等を目的として種々の分析装置が提案されている。

しかしながら、従来のＦＡＩＭＳシステムでは、大量の気体を用いなければ高精度の分析を行うことができない。従って、分析しようとする気体を大量に準備できない場合、適切な分析を行うことができない。

本発明は、微量の被分析気体の分析精度を向上することができる分析装置及び分析方法を提供することを目的とする。

分析装置の一態様は、筐体と、前記筐体内に気体を吸入する吸入部の第１の開閉手段と、前記筐体内から気体を排気する排気部の第２の開閉手段と、前記筐体内で前記第１の開閉手段と前記第２の開閉手段との間に設けられたイオン化部及びイオン検出装置と、前記第１の開閉手段と前記イオン化部との間の第１の空間と、前記イオン検出装置と前記第２の開閉手段との間の第２の空間と、を繋ぐ気体経路上に設けられた第３の開閉手段と、前記筐体内の記載の流量を測定する流量測定手段または気体の取り込み開始からカウントする時間計測手段と、前記第１の開閉手段、前記第２の開閉手段、および前記第３の開閉手段の開閉動作を制御する制御手段と、を有し、前記筐体内で被分析気体を循環させて、前記被分析気体の分析を行うときに、前記制御手段は、前記流量測定手段または前記時間計測手段の出力値に応じて、前記第１の開閉手段、前記第２の開閉手段、および前記第３の開閉手段を制御することを特徴とする。

本発明によれば、微量の被分析気体の分析精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。 参考例に係るＦＡＩＭＳ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装置の構成を示す模式図である。 第２の実施形態に係る分析装置の構成を示す模式図である。 第２の実施形態に係る分析装置の動作を示す模式図である。 第３の実施形態に係る分析装置の構成を示す模式図である。 第３の実施形態に係る分析装置の動作を示す模式図である。

（イオン検出装置）
先ず、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、イオン検出電極１２０を第１の電極１１１及び第２の電極１１２から電気的に絶縁する固体の絶縁材１３０とを有する。イオン検出装置１００が絶縁材１３０を含まなくてもよい。

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２の電極１１２から第１の電極１１１が見える方向を＋Ｙ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（ＶＤＦ）及び補償電圧（ＣＶ）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。

（参考例）
次に、ＦＡＩＭＳシステムの参考例について説明する。図４は、参考例に係るＦＡＩＭＳシステムの構成を示す模式図である。

この参考例に係るＦＡＩＭＳシステム９００は、筐体９０１内に入れられたイオン化部９２０及びイオン検出装置１００を含む。筐体９０１のイオン化部９２０側の端部に吸入部９１０が設けられ、イオン検出装置１００側の端部に排気部９３０が設けられている。ＦＡＩＭＳシステム９００は、更に、筐体９０１内の気流を制御するポンプ９４０を含む。

吸入部９１０は、被分析ガスを吸引する。イオン化部９２０はイオナイザ９２１を含んでおり、吸入部９１０が吸引した被分析ガスの分子をイオン化する。イオン化された被分析ガスのうちイオンフィルタ１１０を通過した分子がイオン検出装置１００により検出される。ポンプ９４０は、吸入部９１０から被分析ガスを吸入し、排気部９３０に向かって一定流量で排気できるように筐体９０１内の気流を制御する。

ここで、ＦＡＩＭＳシステム９００を用いた分析方法の例について説明する。この例では、図３の非対称電界波形の分散電圧（ＶＤＦ）及び補償電圧（ＣＶ）の両方を変化させた二次元の条件でイオン検出量のデータを取ることとする。

例えば、分散電圧（ＶＤＦ）は０Ｖ～２５０Ｖ範囲を１０Ｖごとに変化させ、補償電圧（ＣＶ）は－６Ｖ～＋６Ｖ範囲を０．１Ｖごとに変化させるとすると、分散電圧（ＶＤＦ）は２６値、補償電圧（ＣＶ）は１２１値となり、３１４６条件によるイオン検出量のデータが取れる。このデータを多変量解析等の手法を用いて気体分析を行うと、様々なイオン種の有無や同定をより正確に分析することが可能となる。

ところで、１条件を０．５秒で分析すると仮定すると、３１４６回データを分析するためには２６分程度必要であり、被分析ガスは３１４６回の全条件で分析を完了するまで流し続けなければならない。一方、正確な分析を行うためには、被分析ガスをある程度の流量以上で流す必要があり、その値は非対称波形信号の周波数、分散電圧（ＶＤＦ）の最大値、及びフィルタの電極間の間隔と気流方向の長さとで決まるアスペクト比に依存するが、ここでは、１Ｌ／分と仮定する。そうすると、２６分間の分析を行うためには、２６Ｌの被分析ガスが必要となる。例えば、シックハウス症候群対策の検査としてある建物の部屋の空気中に存在する揮発性有機化合物（ＶＯＣ）を分析するといった場合は、被分析ガスとしての部屋内の空気は大量にあり、また時間によって構成成分が変化しにくいため、高精度で分析することができる。しかしながら、分析対象によっては、２６Ｌもの被分析ガスが用意できない場合もある。また、仮に用意できるとしても、被分析ガスが生じる場所と分析装置の場所とが離れている場合には、被分析ガスの輸送運搬に伴う支障が生じる場合もある。

本発明者らはこのような知見に基づいて下記の種々の実施形態に想到した。

以下、本発明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。

（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装置に関する。図５は、第１の実施形態に係る分析装置の構成を示す模式図である。

第１の実施形態に係る分析装置２００は、筐体２０１内に入れられたイオン化部２２０及びイオン検出装置１００を含む。筐体２０１のイオン化部２２０側の端部に吸入部２１０が設けられ、イオン検出装置１００側の端部に排気部２３０が設けられている。分析装置２００は、更に、筐体２０１内の気流を制御するポンプ２４０を含む。

吸入部２１０は吸入弁としてバルブＶ１を含み、被分析ガスを筐体２０１内に吸引する。

イオン化部２２０はイオナイザ２２１を含んでおり、吸入部２１０が吸引した被分析ガスをイオン化する。イオナイザ２２１の構成は限定されず、^６３Ｎｉ等の放射性元素が用いられてもよく、コロナ放電機構又は紫外線光照射機構等が用いられてもよい。

イオン検出装置１００では、上述のように、イオナイザ２２１によりイオン化された被分析ガスのうち、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。

排気部２３０は排気弁としてバルブＶ２を含み、筐体２０１内の気体を排出する。

ポンプ２４０は、吸入部２１０から排気部２３０に向かって筐体２０１内を被分析ガスが一定流量で流れるように気流を制御する。

分析装置２００は、更に、吸入部２１０内のバルブＶ１の後方の第１の空間２１５と、排気部２３０内のバルブＶ２の前方の第２の空間２３５とを繋ぐガス経路を有し、このガス経路上に排気吸引接続弁としてのバルブＶ３を含む。

このように構成された分析装置２００では、バルブＶ３を閉じた状態でバルブＶ１及びＶ２を開き、筐体２０１内に被分析ガスを取り込む。そして、予め設定したある量の被分析ガスが筐体２０１内に取り込まれると、バルブＶ３を開き、バルブＶ１及びＶ２を閉じる。この状態でポンプ２４０を稼働させることによって、被分析ガスが筐体２０１内で循環する。筐体２０１の内部が循環部に相当する。例えば、設定は図示しない操作部を介して行われる。操作部は、分析装置２００に設けられていてもよく、また、分析装置２００と接続可能な外部機器であるパーソナルコンピュータ（ＰＣ）や、タブレット端末／スマートフォンなどの情報端末から操作することも可能である。この場合、ｗｉ－ｆｉ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、ＲＦＩＤ、ＮＦＣなどの無線通信を利用することができる。

分析装置２００によれば、筐体２０１の容積と同程度の量の被分析ガスが準備できれば、複数回の分析を行うことができる。この複数回の分析の間では種々の条件を変更することが可能であり、様々なデータを取得することができる。条件としては、例えば、分散電圧（ＶＤＦ）又は補償電圧（ＣＶ）を変更することができる。非対称電界波形の周波数及びデューティ（Ｄ）を変更してもよい。被分析ガスの温度、気圧、流速又は流量を変更してもよい。更に、条件を一定に保ったまま複数回の分析を行い、分析結果を平均化することによってノイズや分析精度のばらつきなどを改善することも可能である。例えば、１回のみの分析に対して、Ｎ回の分析結果を平均化することで、分析ばらつきを１／√Ｎに改善することができる。

また、筐体２０１内に取り込まれた気体は筐体２０１内に密封されるため、その組成は変化せず一定である。従って、安定的に正確に分析することが可能である。

分析装置２００が、下記の第２の実施形態に係る分析装置と同様に、除電装置を有していてもよい。

（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装置に関する。図６は、第２の実施形態に係る分析装置の構成を示す模式図である。

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。そして、マーカ成分の濃度は、吐き始めの呼気中よりも吐き終わりの呼気中で高くなる。これは、肺の中で吸い込んだ空気と肺の毛細血管との間でガス置換が行われており、マーカ成分の濃度が濃い呼気は肺の深い部分に存在するためである。第２の実施形態は、このような吐き終わりの呼気の分析に好適である。

第２の実施形態に係る分析装置３００は、分析装置２００の構成に加えて、バルブＶ１、Ｖ２及びＶ３の開閉を制御する制御部２５１、筐体２０１内の被分析ガスの流量を測定する流量センサ２５２、及びイオン化したガス分子を中和する除電装置２６０を含む。他の構成は分析装置２００と同様である。

次に、分析装置３００の動作について説明する。図７は、第２の実施形態に係る分析装置の動作を示す模式図である。

まず、制御部２５１が、制御信号Ｓ１をバルブＶ１に供給し、制御信号Ｓ２をバルブＶ２に供給し、制御信号Ｓ３をバルブＶ３に供給し、吸入弁であるバルブＶ１及び排気弁であるバルブＶ２を開き、排気吸入接続弁であるバルブＶ３を閉じる（ステップＳ２０１）。

次いで、吸入部２１０から筐体２０１内への呼気の挿入を開始する（ステップＳ２０２）。このとき、ポンプ２４０を稼働させずに、被験者が吸入部２１０から筐体２０１に呼気を吹き込む。吸入部２１０から吹き込まれた呼気は筐体２０１内を徐々に充満してゆき、それまで存在していた空気は呼気によって排気部２３０から押し出される。

被験者が呼気を吹き込み続けると、被験者の肺にあった呼気はやがて無くなり、被験者は吐き終わる。流量センサ２５２は筐体２０１内を流れる気体の流量を継続して測定し、流量センサ２５２が吐き終わりを検知すると（ステップＳ２０３）、そのことが制御部２５１に通知される。吐き終わりは、例えば、筐体２０１内を流れる気体の流量が第１の閾値を超えた後で第１の閾値未満の第２の閾値を下回ることで検知することができる。すなわち、呼気の吹き込みが開始されることで流量が第１の閾値を超え、呼気の吹き込みが終了すると流量が第２の閾値を下回る。第１の閾値及び第２の閾値は被験者の肺活量等に応じて設定すればよい。例えば、設定は図示しない操作部を介して行われる。操作部は、分析装置３００に設けられていてもよく、また、分析装置３００と接続可能な外部機器であるＰＣや、タブレット端末／スマートフォンなどの情報端末から操作することも可能である。この場合、ｗｉ－ｆｉ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、ＲＦＩＤ、ＮＦＣなどの無線通信を利用することができる。

制御部２５１は、吐き終わりの通知を受けると、制御信号Ｓ１、Ｓ２及びＳ３を出力し、バルブＶ１及びバルブＶ２を閉じ、バルブＶ３を開く（ステップＳ２０４）。この結果、被験者の吐き終わりの呼気を被分析ガスとして筐体２０１内に封入することができる。上述のように、吐き終わりの呼気は吐き始めの呼気よりもマーカ物質を高濃度で含んでいるため、被験者が疾病を患っていれば、当該マーカ物質を検出しやすい。

その後、イオン検出装置１００の初期設定として、分散電圧ＶＤＦを最小値ＶＤＦ（ｍｉｎ）に設定し（ステップＳ２１１）、補償電圧ＶＣＯＭＰを最小値ＶＣＯＭＰ（ｍｉｎ）に設定する（ステップＳ２１２）。

続いて、ポンプ２４０を稼働させ、筐体２０１内に封入した被分析ガスを一定の流量で循環させながら、イオン検出電極１２０に接続されたイオン電流検出回路にてイオン電流を測定する（ステップＳ２１３）。そして、第２の電極１１２に印加する電圧に関し、補償電圧ＶＣＯＭＰが所定の最大値ＶＣＯＭＰ（ｍａｘ）を超えていなければ（ステップＳ２１４）、補償電圧ＶＣＯＭＰを電圧ＶＳＴＥＰ１だけインクリメントする（ステップＳ２１５）。補償電圧ＶＣＯＭＰが最大値ＶＣＯＭＰ（ｍａｘ）を超えるまで、ステップＳ２１３～Ｓ２１５の処理を継続する。

補償電圧ＶＣＯＭＰが所定の最大値ＶＣＯＭＰ（ｍａｘ）を超えると（ステップＳ２１４）、分散電圧ＶＤＦを電圧ＶＳＴＥＰ２だけインクリメントし、補償電圧ＶＣＯＭＰをＶＣＯＭＰ（ｍｉｎ）に再設定する（ステップＳ２１６）。そして、分散電圧ＶＤＦが所定の最大値ＶＤＦ（ｍａｘ）を超えるまで、ステップＳ２１３～Ｓ２１７の処理を継続する。

分散電圧ＶＤＦが所定の最大値ＶＤＦ（ｍａｘ）を超えると、被分析ガスの分析を終了し、ポンプ２４０を停止し、バルブＶ１及びＶ２を開く。

イオン検出電極１２０を通過した被分析ガスはポンプ２４０を通過し、バルブＶ３を通じてイオナイザ２２１に再び供給される。イオン化された分子は、第１の電極１１１及び第２の電極１１２を備えたＦＡＩＭＳフィルタ並びにイオン検出電極１２０によりほとんど中和される。また、イオン化されたままイオン検出電極１２０を通過した分子があっても、除電装置２６０により中和される。

第２の実施形態に係る分析装置３００によっても分析装置２００と同様の効果を得ることができる。例えば、筐体２０１の容積と同程度の量の呼気が準備できれば、複数回の分析を行うことができ、筐体２０１内に密閉した呼気をポンプ２４０によって一定の流量で循環させながら様々なデータを取って疾病との関係を分析することができる。すなわち、上述のように、分散電圧ＶＤＦ及び補償電圧ＶＣＯＭＰを変化させながら種々のデータを取得することができる。また、温度、気圧等の条件を変えてデータを取ることで、より詳しく被験者の呼気を分析することも可能である。呼気は、シックハウス症候群対策の検査で用いられる室内の空気のように大量に準備することができないが、本実施形態によれば高精度で呼気の分析を行うことができる。また、分析期間中に被分析ガスの濃度が変動しないので、より正確な分析が可能となる。

更に、流量センサ２５２により測定される流量の変化に基づいてバルブＶ１～Ｖ３の開閉が制御されるため、被験者等の使用者自身の判断でバルブの開閉等による呼気の閉じ込めを行う場合と比較して、サンプリングのばらつきを低減することができる。

（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装置に関する。図８は、第３の実施形態に係る分析装置の構成を示す模式図である。

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言われる。

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。便が発する便臭ガスは微量であるため、大量の被分析ガスを準備することはできない。また、時間の経過に伴って便から揮発する成分量が変化し、その変化は減少傾向である。従って、呼気に含まれるマーカ成分の分析には吐き終わりの呼気が適しているのに対し、便臭ガスの分析には、排便直後の便が発するものが適している。第３の実施形態は、このような排便直後の便が発する便臭ガスの分析に好適である。

第３の実施形態に係る分析装置４００は、分析装置２００の構成に加えて、バルブＶ１、Ｖ２及びＶ３の開閉を制御する制御部３５１、タイマー３５２及び除電装置２６０を含む。他の構成は分析装置２００と同様である。

次に、分析装置４００の動作について説明する。図９は、第３の実施形態に係る分析装置の動作を示す模式図である。

まず、被験者の排便完了を検出すると（ステップＳ３０１）、タイマー３５２のカウントを開始する（ステップＳ３０２）。排便の完了は、例えば、被験者による入力操作により検出することができる。また、種々のセンサを用いて検出してもよい。タイマー３５２はカウントを開始すると、そのことが制御部３５１に通知される。

制御部３５１は、カウントの開始の通知を受けると、制御部２５１が、制御信号Ｓ１、Ｓ２及びＳ３を出力し、吸入弁であるバルブＶ１及び排気弁であるバルブＶ２を開き、排気吸入接続弁であるバルブＶ３を閉じる（ステップＳ３０３）。

制御部３５１は、更に、制御信号Ｓ４をポンプ２４０に供給し、ポンプ２４０を稼働させて、吸入部２１０から筐体２０１内への便臭ガスの吸入を開始する（ステップＳ３０４）。吸入部２１０から吸入された便臭ガスは筐体２０１内を徐々に充満してゆき、それまで存在していた空気は便臭ガスによって排気部２３０から押し出される。

タイマー３５２はカウントを継続し、カウント値ｔが満杯時間ｔ１を超えると（ステップＳ３０５）、そのことが制御部３５１に通知される。満杯時間ｔ１は筐体２０１が便臭ガスで満杯になる目安の時間であり、例えば筐体２０１の容積に応じて予め設定されていてもよく、タイマー３５２がその都度算出してもよい。例えば、設定は図示しない操作部を介して行われる。操作部は、分析装置４００に設けられていてもよく、また、分析装置４００と接続可能な外部機器であるＰＣや、タブレット端末／スマートフォンなどの情報端末から操作することも可能である。この場合、ｗｉ－ｆｉ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、ＲＦＩＤ、ＮＦＣなどの無線通信を利用することができる。

制御部３５１は、カウント値が満杯時間ｔ１を超えたことの通知を受けると、制御信号Ｓ１、Ｓ２及びＳ３を出力し、バルブＶ１及びバルブＶ２を閉じ、バルブＶ３を開く（ステップＳ３０６）。この結果、便臭ガスを被分析ガスとして筐体２０１内に封入することができる。上述のように、便臭ガスの分析には、排便直後の便が発するものが好適であるため、所望の成分を検出しやすい。

その後、第２の実施形態と同様にして、ステップＳ２１１～Ｓ２１７の処理を行う。

第３の実施形態に係る分析装置４００によっても分析装置２００と同様の効果を得ることができる。例えば、筐体２０１の容積と同程度の量の便臭ガスが準備できれば、複数回の分析を行うことができ、筐体２０１内に密閉した便臭ガスをポンプ２４０によって一定の流量で循環させながら様々なデータを取って健康状態や疾病との関係を分析することができる。すなわち、上述のように、分散電圧ＶＤＦ及び補償電圧ＶＣＯＭＰを変化させながら種々のデータを取得することができる。また、温度、気圧等の条件を変えてデータを取ることで、より詳しく被験者の便臭ガスを分析することも可能である。便臭ガスは、シックハウス症候群対策の検査で用いられる室内の空気のように大量に準備することができないが、本実施形態によれば高精度で便臭ガスの分析を行うことができる。また、分析期間中に被分析ガスの濃度が変動しないので、より正確な分析が可能となる。

なお、第２の実施形態の構成で便臭ガスの取り込みを行うことも可能である。この場合は、例えば、流量センサの値を時間で積分することで筐体２０１内に便臭ガスが満杯になるタイミングの目安を検出し、サンプリング完了とすることでも実現できる。

第３の実施形態は、便臭の分析だけでなく、例えば口臭の分析にも好適である。口臭の原因となる物質の揮発性が高く、マーカ物質とは異なり、吐き始めの呼気において濃度が高くなりやすいからである。

第１～第３の実施形態において、複数の条件のうちの少なくとも一の条件で被分析ガスの分析を複数回行ってもよく、複数の条件毎に被分析ガスの分析を複数回行ってもよい。上述のように、条件には、例えば、非対称電界波形信号の周波数若しくはデューティ、若しくは、被分析ガスの温度、湿度、圧力若しくは流量、又はこれらの任意の組み合わせが含まれる。

第１～第３の実施形態において、被分析ガスを筐体２０１内に密閉した後で、イオン検出電極１２０を一時的に無効化させて被分析ガスを循環させ、この間にイオン化部２２０により被分析ガスのイオン化を複数回行ってもよい。このように被分析ガスのイオン化を複数回行うことで、イオン濃度を高めることができる。この場合、除電装置２６０もイオン検出電極１２０と同様に一時的に無効化させることが好ましく、除電装置２６０を設けなくてもよい。

１００ イオン検出装置
１１０ イオンフィルタ
１１１ 第１の電極
１１２ 第２の電極
１２０ イオン検出電極
２００、３００、４００ 分析装置
２０１ 筐体
２１０ 吸入部
２１５ 第１の空間
２２０ イオン化部
２２１ イオナイザ
２３０ 排気部
２３５ 第２の空間
２４０ ポンプ
２５１ 制御部
２５２ 流量センサ
２６０ 除電装置
３５１ 制御部
３５２ タイマー
Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３ バルブ

特許第４８０２１０４号公報

Claims (10)

1. 筐体と、
   前記筐体内に気体を吸入する吸入部の第１の開閉手段と、
   前記筐体内から気体を排気する排気部の第２の開閉手段と、
   前記筐体内で前記第１の開閉手段と前記第２の開閉手段との間に設けられたイオン化部及びイオン検出装置と、
   前記第１の開閉手段と前記イオン化部との間の第１の空間と、前記イオン検出装置と前記第２の開閉手段との間の第２の空間と、を繋ぐ気体経路上に設けられた第３の開閉手段と、
   前記筐体内の気体の流量を測定する流量測定手段、または気体の取り込み開始からカウントする時間計測手段と、
   前記第１の開閉手段、前記第２の開閉手段、および前記第３の開閉手段の開閉動作を制御する制御手段と、
   を有し、
   前記筐体内で被分析気体を循環させて、前記被分析気体の分析を行うときに、前記制御手段は、前記流量測定手段または前記時間計測手段の出力値に応じて、前記第１の開閉手段、前記第２の開閉手段、および前記第３の開閉手段を制御する
   ことを特徴とする分析装置。
   
2. 前記イオン検出装置は、電界非対称波形イオン移動度分光分析システムのフィルタ及びイオン検出電極を有することを特徴とする請求項１に記載の分析装置。
3. 前記被分析気体の分析は、複数の条件下で行われ、前記条件は、
   前記フィルタに印加する非対称電界波形信号の周波数若しくはデューティ、若しくは、 前記被分析気体の温度、湿度、圧力若しくは流量、又は
   これらの任意の組み合わせを含むことを特徴とする請求項２に記載の分析装置。
4. 前記イオン検出電極を一時的に無効化させて前記被分析気体を循環させ、
   前記イオン検出電極を無効化させている間に前記イオン化部により前記被分析気体のイオン化を複数回行うことを特徴とする請求項２又は３に記載の分析装置。
5. 前記イオン検出装置と前記第２の開閉手段との間に除電装置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項に記載の分析装置。
6. 前記筐体内を流れる気体の流量が第１の閾値を超えた後で前記第１の閾値未満の第２の閾値を下回ると前記第１の開閉手段及び前記第２の開閉手段を閉じることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の分析装置。
7. 前記筐体内への前記被分析気体の取り込みを開始した後で、前記筐体が前記被分析気体で満たされたことに関する条件が満たされると前記第１の開閉手段及び前記第２の開閉手段を閉じることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の分析装置。
8. 請求項１乃至７の分析装置は、呼気または便のにおいを測定し分析することを特徴とする分析測定装置。
9. 筐体と、
   前記筐体内に気体を吸入する吸入部の第１の開閉手段と、
   前記筐体内から気体を排気する排気部の第２の開閉手段と、
   前記筐体内で前記第１の開閉手段と前記第２の開閉手段との間に設けられたイオン化部及びイオン検出装置と、
   前記第１の開閉手段と前記イオン化部との間の第１の空間と、前記イオン検出装置と前記第２の開閉手段との間の第２の空間と、を繋ぐ気体経路上に設けられた第３の開閉手段と、
   前記筐体内の気体の流量を測定する流量測定手段、または気体の取り込み開始からカウントする時間計測手段と、
   前記第１の開閉手段、前記第２の開閉手段、および前記第３の開閉手段の開閉動作を制御する制御手段と、
   を有する分析装置を用いた分析方法であって、
   前記筐体内で被分析気体を循環させて、複数の条件で前記被分析気体の分析を行うときに、前記制御手段は、前記流量測定手段または前記時間計測手段の出力値に応じて、前記第１の開閉手段、前記第２の開閉手段、および前記第３の開閉手段の制御する
   ことを特徴とする分析方法。
10. 分析対象が呼気または便臭の気体であることを特徴とする請求項９の分析方法。

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