JP7165682B2 - 揮発性化合物の検出および定量用光学装置 - Google Patents

Description

本発明は、アルコールなどの揮発性化合物を検出及び定量し、血中アルコール濃度（level）の形でアルコールを測定する光学装置に関する。

自動車運転者のアルコール摂取は社会にとって大きな課題である。フランスでは、２０１５年の死亡事故の１／３近くがアルコールによるもので、その結果、道路での死亡の主な原因の一つとなっている。この数は、毎年１０００人より多くが死亡したことを表している。夜間の過剰なアルコール摂取は死亡事故の半数に関与している。

このため、特に若い運転手に関しては、特定の州ではアルコール摂取が禁止されており、または、少なくとも厳しく制限されている。

道路利用者の血中アルコール含有量を確認するために、多数の測定および確認装置、特に呼吸器が知られている。これらの装置は、個体（individual）の呼気（breath exhaled）に含まれるエタノール含有量を測定することにより、一定範囲の血中アルコール含有量を測定することができる。

これらの呼吸器の中で、化学呼吸器及び電子呼吸器は、特に際立っている。

化学呼吸器は、重クロム酸カリウム、硫酸及びエタノールの間で起こる酸化還元の原理に従って動作する。従って、これは有機化学の具体的な応用である。実際、脱脂綿の緑／青の着色が反応の最後に観察される。従って、エタノールと重クロム酸カリウムはともに反応し、検査（test）は陽性である。これらの検査は、それ自体は安価であるが、単回使用である。さらに、これらの検査の有効期間は限られている。最後に、これらの検査は、実際には血中アルコール含有量の指標となり、測定精度が低い。

電子呼吸器は、これらの短所（drawback）のいくつかを解決することを可能にする。

電子呼吸器は、エタノール感受性電気化学センサの形態で製造された半導体検出器によって、吐き出された肺胞の空気を分析する。電子呼吸器の場合、呼吸中のエタノール分子の存在が比較的高いときに電流が発生する。従って、電流の強度は、呼気中のエタノールの量に関係している。次に、半導体は、発生した電流をマイクロプロセッサに送り、マイクロプロセッサがそれを評価し、ディスプレイ上で読み取り可能な測定値に変換する。

電子呼吸器は信頼性が高く正確である。これらは、様々な道路利用者に繰り返し使用することができ、利用者の口に接触することを意図した小さなプラスチック製マウスピースのみが使い捨てであり、単回使用である。

しかし、これらの電子呼吸器は、必要な精度を達成するために非常に複雑で高価である。さらに、これらの応答時間は非常に弱く、典型的には３秒～５秒である。

本発明の目的は、良好な測定信頼性を示す半導体電子呼吸器の再利用可能で安価な代替物を提供することである。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、
－ 反射率が被検空気（atmosphere to be tested）に含まれるエタノール含有量の関数として変化する、高感度反射素子（sensitive reflective element）であって、
・ 基板（substrate）と、
・ 厚さが２５０ｎｍを超える、特に４００ｎｍ～１２００ｎｍであり、平均細孔径が２ｎｍ未満であり、空隙率（porosity）が２５％未満である、微孔性疎水性ゾル－ゲルシリカを含む感受性層（sensitive layer）であって、特に、エタノールで充填されていてもされていなくてもよい被検空気、より具体的には、個体の呼気の存在下に置くことを意図した感受性層と、
を含む高感度反射素子、
－ 入射角の下で感受性層を照らすように配置された単色または準単色光源、
－ 検出角の下で反射素子によって反射された強度を測定するための光検出器、
並びに
－ 反射素子によって反射された強度から、血中アルコール含有量に対応するパラメータを推定するように構成された処理演算ユニット、
を含む、揮発性化合物の検出及び定量用光学装置を提供する。

本発明によれば、アルコール等の揮発性化合物を検出及び定量するための光学装置、特に、個体の血中アルコール含有量を検出するために、効率的で感度が高く応答時間に優れた血中アルコール含有量測定装置を得ることができる。

また、本発明に係る装置は、以下の特徴の１つ以上を単独でまたは組み合わせて有することができる。

感受性層は、構造化剤、特にＣＴＡＢ、ＤＴＡＢまたはＦ１２７を含まないことが可能である。

一態様によれば、基板は、２５０ｎｍ～１５００ｎｍの波長に対して、１．８よりも大きい、好ましくは２．５よりも大きい、特に３よりも大きい屈折率を有する。

基板は、例えば、半導体材料、特にシリコンで構成される。

入射角及び検出角はそれぞれ、特に３０°～７５°である。

光源の波長は単色であり、反射素子の反射スペクトルの２つの強め合う及び弱め合う干渉ピーク間の変曲(inflection)（Ｉ_１、Ｉ_２、Ｉ_３）の波長に関する位置と一致するように入射角で選択される。

光源の波長は、５００ｎｍ～１０００ｎｍである。

感受性層は、５００ｎｍ～１０００ｎｍの波長に対して、１．２～１．６、特に１．３～１．４の屈折率を有する。

検出装置は、また、以下のものを含むこともできる。
－ 反射率が被検空気に含まれる含水量の関数として変化する、追加の高感度反射素子、
－ 検出角の下で追加の高感度反射素子によって反射された強度を測定するための追加の光検出器、
－ 一方では反射素子によって、他方では追加の高感度反射素子によって、反射された強度から、被検空気中の水分の影響を考慮しつつ、血中アルコール含有量に対応するパラメータを推定するように構成されている処理演算ユニット。

本発明はまた、上記で定義された、揮発性化合物を検出及び定量するための光学装置用の高感度反射素子を製造するための方法に関し、
－ ＴＥＯＳ及びＭＴＥＯＳを、ＰｒＯＨ、塩酸及び水で構成される溶液に溶解して、ゾル－ゲル溶液を調製する、
－ 感受性層を得るために、前記ゾル－ゲル溶液を、４０％～９０％、特に５０％～６０％の相対湿度下で、基板上に堆積させる、
－ 感受性層を、２５０℃～４５０℃、特に３５０℃の温度で、５分より長い時間、特に１０分間、焼成工程に供する、
ことを特徴とする。

前記方法は、以下の特徴の１つ以上を単独で又は組み合わせて有することができる。
感受性層の厚さは、例えば２５０ｎｍより厚く、特に４００ｎｍ～１２００ｎｍである。

本発明はまた、上記で定義された、揮発性化合物を検出及び定量するための光学装置用の高感度反射素子に関し、前記反射素子が、
－ 基板、並びに
－ 厚さが２５０ｎｍより厚く、特に４００ｎｍ～１２００ｎｍであり、平均細孔径が２ｎｍ未満であり、空隙率が２５％未満である、微孔性疎水性ゾル－ゲルシリカを含む感受性層であって、特に、エタノールで充填されていてもされていなくてもよい被検空気、より具体的には、個体の呼気の存在下に置くことを意図した感受性層、
を含むことを特徴とする。

高感度反射素子の反射率は、被検空気に含まれるエタノール含有量の関数として変化する。

本発明はまた、上記で定義された、揮発性化合物を検出及び定量するための光学検出装置の製造方法に関し、
－ 高感度反射素子を形成するために、基板上に感受性層を堆積する、
－ 高感度反射素子の反射スペクトルを測定する、
－ 光源の波長は、単色または準単色であり、反射素子の反射スペクトルの変曲の波長に関する位置と一致するように、反射素子への光線の入射角で選択される、
ことを特徴とする。

この方法の一態様によれば、基板は、例えば、１．８～４、特に２．５～３．５の屈折率を有し、感受性層は、２５０ｎｍを超える厚さ、特に４００ｎｍ～１２００ｎｍの厚さを有し、１．２～１．６、より具体的には１．３～１．４の屈折率を有し、光源の波長は、５００ｎｍ～１０００ｎｍである。

別の態様によれば、反射素子は、上記で定義した方法に従って製造される。

本発明はまた、被検空気中の揮発性化合物を検出及び定量するための光学的検出方法に関し、以下の工程を含むことを特徴とする：
－ 反射率が被検空気に含まれるエタノール含有量の関数として変化する、上記で定義された高感度反射素子によって反射された強度を測定する、
－ 反射率が被検空気に含まれる含水量の関数として変化する、上記で定義された追加の高感度反射素子によって反射された強度を測定する、
－ エタノールが存在しない場合に測定された２つの強度の時間微分が同じである所定の関心時間帯において、測定された２つの強度の時間微分の差を求めて、検量線との相関を行い、被検空気に含まれるエタノールを定量する。

光源の波長は、高感度反射素子の反射スペクトルの２つの強め合う及び弱め合う干渉ピーク間の変曲の波長に関する位置と一致するように選択される。

他の利点及び特徴は、本発明の説明、及び以下の図を読むことで明らかになるであろう。
図１は、本発明による揮発性化合物の検出及び定量、特に血中アルコール含有量の測定のための装置の簡略図を示す。 図２Ａは、図１の装置の検出部分の拡大概略図を示す。 図２Ｂは、フレネル方程式を説明するための概略図を示す。 図３は、湿潤空気（moist air）中のエタノール濃度の関数としての反射光信号の強度を表す測定パラメータを示すグラフである。 図４は、２つの異なる厚さについて、波長の関数としての反射率を示すグラフである。 図５は、所定の厚さの層が所定の値だけ屈折率の変化を受ける場合の、所定の厚さの層に対する波長の関数としての反射強度の変化をグラフで示す。 図６は、本発明による揮発性化合物の検出および定量、特に血中アルコール含有量の測定のための装置の別の実施形態を概略的に示す図である。 図７は、時間の関数としての測定パラメータをグラフで示す。 図８は、図７の測定パラメータの処理を時間の関数としてグラフに示す。 図９は、一方ではエタノール含有量と、他方では図８に従って処理された測定値との間の相関曲線を示す。

すべての図において、同一の要素には同一の参照番号が付されている。
以下の実装は例である。説明は１つまたは複数の実施形態を参照しているが、これは必ずしも各参照が同じ実施形態に関連すること、またはその特徴が単一の実施形態のみに適用されることを意味しない。様々な実施形態の単純な特徴は、他の実装を提供するために、組み合わせおよび／または交換することもできる。

図１は、特に血中アルコール含有量を測定する観点から、揮発性化合物を検出及び定量するための光学検出装置３の側面図を概略的に示している。

この光学装置３は、被検空気の流れ、特に息を吐き出す個体１４からの肺胞の流れを受けることを意図した入口１３を有する測定チャンバ１１を含む。

この測定チャンバ１１は、例えば、プラスチックで構成することができ、その寸法は、例えば、個体１４によって吐き出される平均容積よりも僅かに小さい容積を含むように選択され、その結果、血中アルコール含有量チェックの間に、個体１４はチャンバ１１に吹き込み、チャンバ１１に含まれる空気は、吐き出す個体１４からの肺胞空気で完全に置き換えられる。

衛生上の理由から、例えば、チャンバ１１の入口１３にスナップ留めすることにより取り付ける単回使用のマウスピース（不図示）の入口を設ける。

入口１３を有する反対側のチャンバ１１の後壁は、肺胞空気用の出口１６を含む。

図１では、チャンバ１１は、単純な平行六面体（parallelepipedal）形状を有するが、特に入口１３を介して流入する流れを完全に混合できるようにするために、他の形状を構想することができる。従って、チャンバ１１は、流入する流れを完全に混合するために旋回流を生成するためのディフレクタ（不図示）を含むことができる。同じ効果は、例えば、チャンバ１１の壁の特定の形状、例えば、渦巻きの形状によっても得ることができる。

一実施形態（development）によれば、出口１６に、チャンバ１１内の空気をパージできるようにするために、例えば電動モータによって動く送風機を設置することが可能である。これは、測定後に、装置３を再び可能な限り迅速に動作させるためには、雰囲気を、例えば、エタノールを含まない周囲の空気で置換する必要があるからである。

この場合、測定チャンバ１１の壁は、例えば、周囲光による測定の混乱のリスクを減らすために、周囲がチャンバ１１内に侵入できるのを防ぐように、特に黒い、例えば、カーボンブラックでチャージされたポリ（メタクリル酸メチル）またはポリカーボネートのような、不透明材料で構成される。

さらに、チャンバ１１の内壁に光吸収コーティングを設けて、周囲光による測定の混乱のリスクをさらに低減することが可能である。

チャンバ１１の内部には、被検空気に含まれるエタノール含有量に応じて反射率が変化する高感度反射素子２１と、高感度反射素子２１を入射角の下で照らすように配置された単色光源２３と、高感度反射素子２１からの反射強度を測定する光検出器２５とが配置されている。

例えば、単色光源２３および光検出器２５は、チャンバ１１の一方の壁上にあり、高感度反射素子２１は、チャンバ１１の反対側の壁上にある。

もちろん、光検出器２５が反射素子２１によって反射された光を検出できるのであれば、他のアセンブリも可能である。

単色光源２３は、例えばレーザ、特にレーザダイオードまたはＬＥＤである。その波長は、例えば２５０ｎｍ～１２００ｎｍ程度である。光源２３は、単色の光束を連続的にまたはパルス状に放射することができる。

光検出器２５は、例えばカメラ等の高感度反射素子２１によって反射された強度を測定することが可能な任意の撮像装置であることができる。好ましい一実施形態によれば、光検出器２５は、シリコンフォトダイオードである。

高感度反射素子２１は、この反射素子２１で反射された光強度の検出により人の血中アルコール含有量を測定することができるように、息を吐き出す個体１４からの肺胞の流れで構成される雰囲気中のエタノール含有量を測定するために、チャンバ１１内の被検空気中に含まれるエタノール含有量の関数として比例的に変化する反射率を有する。

この効果のために、図２により詳細に示されるように、高感度反射素子２１は、基板２７及び感受性層２９を含む。

基板２７は、４００ｎｍ～１５００ｎｍの波長に対して、屈折率、特に１．８より大きい、好ましくは２．５より大きい、特に好ましくは３．４より大きい屈折率を有する。

一実施形態によれば、基板２７は、半導体材料、特にシリコンから構成される。あるいは、基板２７はまたガラスで構成されてもよく、その裏面、すなわち光源２３及び光検出器２５の反対側の面は、例えば、特にミラータイプの金属コーティングのために反射性である。

この基板２７上には、厚さが２５０ｎｍを超える、特に４００ｎｍ～１２００ｎｍであり、平均細孔径が２ｎｍ未満であり、空隙率が２５％未満である、微孔性のゾル－ゲルシリカの感受性層２９が堆積される。微孔性感受性層２９は、少なくとも部分的に疎水性にされている。特に、感受性層２９の到達可能な（accessible）微細孔は、本質的に疎水性である。

従って、感受性層２９は、個体１４の血中アルコール含有量を得るような方法で、この被検空気中に含まれるエタノール量の測定のため、反射素子２１によって反射される光強度を可能な限り修正することを可能にするために、エタノールが充填されていてもされていなくてもよい被検空気、より具体的には個体１４から吐き出される息、すなわち、水蒸気で飽和された肺胞空気の存在下に配置されることが意図されている。

これは、アルコール摂取後には、後者（アルコール）が血液中に移行して全身に広がるため、個体１４が吐き出した肺胞空気に含まれるエタノールを測定することで、その存在を検出し、血中アルコール含有量を測定できるためである。

光源２３からの光線は、本例では、エタノールで充填されていてもされていなくてもよい被検空気、より具体的には個体１４から吐き出される息の存在下で、反射素子２１の感受性層２９上に直接向けられる。光線は光検出器２５に向かって反射され、エタノールの存在下では、反射素子２１の屈折率が変化し、少し後で説明するように反射光の強度を測定することにより、血中アルコール含有量を推定することが可能となる。

さらに、検出装置３は、その動作を制御する光検出器２５と光源２３とに接続され、感受性層２９で反射された強度から血中アルコール含有量に対応するパラメータを推定するように構成された処理演算ユニット３１を備える。処理演算ユニット３１には、例えば、測定した血中アルコール含有量を表示する表示ユニット３３も接続されている。

チャンバ１１内の空気が、個体１４からの肺胞空気で置換されると、肺胞に含まれる可能性のあるエタノールは、感受性層２９によって吸着されるが、水の吸着は、感受性層２９の主に疎水性の性質のため、最小限に抑えられる。

このエタノールの可逆的吸着により、感受性層２９の誘電率が可逆的に変化(modification)し、感受性層の屈折率が変化する。実際、単純化するために、屈折率は誘電率の平方根のように変化する。

本発明の特定の一実施形態によれば、本発明者らは、水蒸気飽和雰囲気（moisture－saturated atmosphere）の存在下では、反射素子の反射率指数の修正がより大きくなることを観察した。

本発明の別の実施形態によれば、含水量が制御される媒体中で装置を使用することが有利であろう。

基板２７の存在を考慮しないフレネル方程式（図２Ｂ参照）を用いた単純化したアプローチによれば、以下のように表現することができる。

式中、
－ Ｒｓは入射偏光ｓに対する反射率を表し、
－ Ｒｐは入射偏光ｐに対する反射率を表し、
－ Ｒは非偏光の場合の反射率を表し、
－ θ_ｉは入射波の角度を表し、
－ θ_ｔは透過波の角度を表し、
－ θ_ｒは高感度反射素子２１の法線に対する光線の検出角度であり、
－ ｎ_１は空気の屈折率であり、ｎ_１＝１＝定数であり、
－ ｎ_２は被検空気に含まれるエタノール含有量の関数として変化する感受性層２９の屈折率である。

この式において、ｎ_２のみが被検空気中に含まれるエタノール含有量の関数として変化し、ｎ_１、θ_１、θ_２は一定であると仮定すると、屈折率ｎ_２の増加に伴って反射率が直線的に減少すると推定できる。屈折率ｎ_２は、感受性層２９に吸着されたエタノール含有量に比例して変化することがわかっている。

基板２７の存在を考慮に入れた複素（complex）フレネル方程式（これについては後でもう少し詳細に説明する）では、同様の結果が得られる。すなわち、屈折率ｎ_２が感受性層２９に吸着されたエタノール含有量に比例して変化する。

入射角及び検出角θ_１、θ_２は、例えば、それぞれ３０°～７５°の間である。θ_１及びθ_２は（直接反射の場合）等しくてもよいが、必ずしもそうではない。

図３は、光検出器２５の出口における測定電圧を示す測定値を表すグラフであり、湿潤空気に含まれるエタノール濃度の関数として反射される強度に対応するパラメータを表す。

２つの大きさの間には強い直線的相関性があり、特に検出装置３を用いて血中アルコール含有量を測定するために、簡単な較正で、被検空気中の揮発性化合物（この場合エタノール）を定量することができる。

息の場合、呼気は水分で飽和している（含水率は１００％に等しい）ので、含水量の関数として測定値を補正する必要はない。

ただし、ドリフトの特定の場合によっては、水分に敏感な第二のセンサを用いて補正を行うことができ、これについては後述する。

また、吸着プロセスは可逆的であり、検出装置３の応答時間は数秒未満であるので、なおさら、検出装置３は特に繰り返し使用に適している。

以下、微孔性疎水性ゾル－ゲルシリカで構成される感受性層２９の特性及びその製造方法について詳細に説明する。

この層は、２５０ｎｍを超える厚さ、特に４００ｎｍ～１２００ｎｍの厚さを有する。

平均細孔径は２ｎｍ未満である。

平均細孔径は、例えば、American Chemical Society，2005．Langmuir：ACS journal of surfaces and colloid，2005，21，12362－71に掲載されたセドリック・ボワシエール等の論文「環境エリプソメトリックポロシメトリーによって評価されるメソポーラス薄膜の空隙率と機械的特性」に詳細に記載されている体積分析の既知の方法によって決定することができる。

基板２７上に配置された感受性層２９の細孔容積は２５％以下である。これは、多孔質層の体積における細孔の体積分率である。

基板２７上に配置された感受性層２９の到達可能な細孔の表面積は、１４０ｃｍ^２／ｃｍ^２より大きい。

多孔質層の到達可能な細孔の表面積は、以下のようにして測定される：
全到達可能細孔表面積Ｓの（ｓ＝１ｃｍ^２の表面積の単位に関連する）ｃｍ^２／ｃｍ^２での計算：
Ｓ＝４^＊Ｖ^＊ｅ^＊ｓ／Ｄ
式中、
－Ｖは細孔容積であり、例えば２５％以下であり、
－ｅは疎水性多孔質層７の厚さであり、例えば４００ｎｍ～１０００ｎｍ、特に５００ｎｍ～７００ｎｍであり、
－Ｄは平均細孔径であり、例えば２ｎｍ以下であり、
－ｓ単位表面積１ｃｍ^２である。

一実施形態によれば、感受性層２９は、構造化剤を添加せずに、すなわち、材料が組織化できる鉱物または有機的性質の化学種を添加せずに製造される。通常の構造化剤の例としては、特に、ＣＴＡＢ（ヘキサデシルトリメチルアンモニウムブロマイド）、ＤＴＡＢ（デシルトリメチルアンモニウムブロマイド）またはＦ１２７（Ｐｌｕｒｏｎｉｃ Ｆ１２７（［ＰＥＯ］_１０６－［ＰＯ］_７０－［ＰＥＯ］_１０６）トリブロック共重合体）が挙げられる。

本発明の好ましい一実施形態によれば、感受性層２９は、ゾル－ゲル法によって調製され、この場合、ゾル－ゲル感受性層２９は、より疎水性にされた少なくとも１つの金属酸化物、優先的には、理想的に５０モル％のメチルトリエトキシシラン（ＭＴＥＯＳ）の使用、およびシリカ前駆体として用いられるテトラエチルオルトシリケート（ＴＥＯＳ）の使用を通して、より疎水性になるシリカを含む。ポストグラフト化またはシリカのメチル化前駆体である他の薬剤の使用による他の調製経路を想定することができ、それらは当業者には周知である。

この感受性層２９は、例えば基板２７の片面だけに堆積されている。

好ましい一実施形態によれば、感受性層２９の調製に使用される溶媒は、２－プロパノール（ＰｒＯＨ）である。特に、溶媒はエタノール（ＥｔＯＨ）を含まない。

次いで、感受性層２９に安定化処理を施し、その目的は、ＭＴＥＯＳおよびＴＥＯＳ前駆体のメチル化ＳｉＯ_２（または、金属酸化物を用いる場合にはメチル化オキソ金属単位）への縮合（condensation）による無機ネットワークの固化（consolidation）、並びに縮合から生成される揮発性化合物、例えば、ＭＴＥＯＳおよびＴＥＯＳ前駆体の縮合中に生成される水の除去による多孔性の形成である。この安定化処理は、通常、熱処理、例えば２００℃～４００℃、特に３５０℃の温度での焼成である。これにより、ナノメートルサイズの細孔が生じる。

この安定化処理は、例えばアンモニア蒸気による、気相化学処理と、それに続く浸出によっても得ることができる。

感受性層２９は、吸着されたエタノールの関数として屈折率の変化を示す。この変動は、血中アルコール含有量の測定範囲において約数％であることができ、特に約０～１％の間であることができる。

基板２７は、処理の条件に耐える能力、および感受性層２９との（イオンコバレント型の）強い化学結合の形成を可能にする表面化学を有する能力に応じて選択される。

上述したように、基板２７はシリコンで構成されることができる。

これにより、非常に小さいサイズの細孔および約１０～２０体積％の空隙率がもたらされるが、吸着されたエタノールの関数としての屈折率のより大きな変動が生じる。この変動は、血中アルコール含有量の測定範囲において約数％であることができ、特に約０～１％の間であることができる。

本発明の一例によれば、微孔性シリカ膜を、テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）／ＭＴＥＯＳ（メチルトリエトキシシラン）／ＨＣｌ／Ｈ_２Ｏ／ＰｒＯＨをそれぞれ０．５／０．５／０．１７／４／５．８のモル比で含む溶液から調製する。平均細孔径は２ｎｍ未満である。

微孔性膜は、０．５ｍｏｌのＴＥＯＳ及び０．５ｍｏｌのＭＴＥＯＳから得られ、これらはまず、５．８ｍｏｌの２－プロパノール（ＰｒＯＨ）、０．１７ｍｏｌの塩酸及び４ｍｏｌの水から構成される混合物に溶解される。

この溶液は、例えば、使用前に、周囲温度で少なくとも２４時間撹拌することができる。一変形例によれば、溶液を約３０分間、７０℃で加熱し、次いで数時間、特に３～５時間、周囲温度で静置する。

ＴＥＯＳおよびＭＴＥＯＳに基づく溶液は、他の金属酸化物、特にＴｉ，Ａｌ，Ｚｒ，Ｚｎ，Ｃａ，Ｍｇおよび／またはＦｅの酸化物の、他のタイプの金属酸化物（有機金属、有機金属系、塩）の前駆体と、任意の比率で組み合わせることができる。

次いで、感受性層２９を得るために、基板２７上に、例えば液体堆積（スピンコーティング、スプレー、インクジェット印刷、またはディップコーティング）により、例えば基板２７の片面のみに、前述の溶液のゾル－ゲル膜を堆積する。

厚さの均一性のために、ディップコーティングの場合が好ましい。

ディップコーティングの場合の引抜き速度は、感受性層２９の厚さを制御することを可能にし、層の厚さを所望の値に調整するために、通常０．００１ｍｍ／ｓ～２０ｍｍ／ｓである。

基板２７上への感受性層２９の堆積は、良好なエタノール吸着性を有する層を得るために、好ましくは１０％～９９％、さらにより好ましくは５０％～９０％の相対湿度下で行う。

次いで、基板２７および感受性層２９を含む高感度反射素子２５を、２５０℃～４５０℃の温度、理想的には３５０℃で、５分より長い時間、特に１０分間、焼成する。

この熱処理により、ＴＥＯＳ及びＭＴＥＯＳがシリカへ縮合して、感受性層２９が安定化及び固化し、得られる細孔の平均径が２ｎｍ未満となる空隙率を生成することができる。

ＴＥＯＳ及びＭＴＥＯＳの共縮合により得られた膜の場合、良好な疎水性を確保するために、無水トルエンに２０ｖｏｌ％で溶解したヘキサメチルジシラザンの混合物中に、反射素子２５を７２時間浸漬することによりポストメチル化を行うことができる。次に、反射素子２５を再び３５０℃で１０分間熱処理する。

血中アルコール含有量の検出装置３は、光源２３によって放射される入射強度の関数として、高感度反射素子２５の反射強度を測定することにより動作する。

較正後、検出装置３の測定チャンバ１１内に吐き出される個体１４の血中アルコール含有量を精度良く、信頼性良く、再現性良く測定することができ、従って、揮発性化合物を全般的に定量することができる。

検出装置３はまた、これまで知られている電子呼吸器と比較して、非常にかさばらず、応答時間が速く、低コストであるという事実で異なっており、同時に優れた測定信頼性を可能にする。また、湿潤空気中のエタノール約０．０２ｍｇ／Ｌという低い閾値で、少量のエタノールを正確に検出することも可能である。

検出装置３の感度は、感受性層２９の厚さ及び光源２３の波長を適宜選択することによって最適化することもできる。

実際に、検出装置３の動作の基礎を説明するために、単純化したフレネル方程式が上に示された。

実際には、これらのフレネル方程式は、複素項を積分し（すなわち、複素数ｉをｉ^２＝－１で含む項を積分する）、基板２７も考慮に入れる。これらの方程式は、コンピュータによってデジタル的に解かれる。

図４は、感受性層２９の２００ｎｍ（曲線１００）および７００ｎｍ（曲線１０２）の二つの異なる厚さについて、ｎｍでの波長λの関数としての反射率を示すグラフを表す。

これらの曲線は、基板２７の存在を考慮に入れた複素フレネル方程式のデジタル解によって得られた。

可視スペクトルにおいて、より薄い感受性層２９に対応する曲線１００は、ただ１つの強め合う干渉ピークＭ１を示すのに対して、より厚い感受性層２９に対応する曲線１０２は、３つの強め合う干渉ピークＭ’１、Ｍ’２及びＭ’３並びに３つの弱め合う干渉ピークＤ’１、Ｄ’２及びＤ’３を示すことに留意されたい。様々なピークの波長に関する位置は、入射角θ_ｉの関数として変化させることができる。

薄い層の反射の場合、より厚い層の方がより薄い層よりも強め合う及び弱め合う干渉ピークが細い（narrow）という事実は、それ自体既知の現象である。

ただし、賢明なことに、これらの反射率スペクトルから、検出装置３の感度を高めることが可能な１つまたは複数の波長を推測することができる。

実際、図５は、所定の厚さ７００ｎｍの層が、所定の値０．０１だけ屈折率の変化を受ける場合の、当該層の波長の関数としての反射強度の変化をグラフ上に示す。

強め合う干渉ピークＭ’１、Ｍ’２又はＭ’３と、弱め合う干渉ピークＤ’１、Ｄ’２及びＤ’３との変曲点に位置する図４の矢印の位置の１つに対応する波長λ_１、λ_２、λ_３について、高感度での最適解析を可能にする異なる強度の最大値が与えられ、これらの変曲点は、図４のスペクトルにおいて、例えばＩ_１、Ｉ_２及びＩ_３として示されることに留意されたい。

実際には、干渉の数が位置合わせを困難にする値を超えることなく、厚さｅは、（図４のように）反射スペクトルの変曲ゾーンの傾斜を強化するのに十分に大きく選択される。

したがって、波長範囲４００ｎｍ～８００ｎｍにおいて、少なくとも２つ、多くても３つ又は４つの強め合う干渉ピークを有することを可能にする厚さｅを選択することが賢明であることが分かる。

また、感受性層２９の厚さｅが厚すぎると、平衡時間が長くなりすぎて、検出装置３の使用者にとって障害となるおそれがある。

光源２３の波長は単色又は準単色で固定されているので、入射角は、スペクトルの変曲の波長に関する位置が光源２３の波長と一致するように調整される。

検出装置３は、例えば、１．８＜ｎ_３＜４、特に２．５＜ｎ_３＜３．５の屈折率ｎｓを有する基板２７の層と、５００ｎｍ～３０００ｎｍ、特に４００ｎｍ～１０００ｎｍの厚さを有しかつ５００ｎｍ～１０００ｎｍの光源２３の波長λに対して、１．２＜ｎ_２＜１．６、より具体的には１．３＜ｎ_２＜１．４の屈折率ｎ_２を有する感受性層２９とを有する。

上述の方法によれば、基板２７上に堆積された感受性層３の反射率の測定に基づいて、光学検出装置３の感度を最適化することができる。

本願出願人は、特定の化合物に高感度な層２９と、特に揮発性化合物、特に揮発性有機化合物、特にアルデヒドまたは芳香族化合物を含む反射率測定による検出に適した基板２７とを含む同様の原理に基づく光学検出装置３に対して独立した保護を求めることができることを宣言する。

したがって、検出装置３の感度は、特に、一方では感受性層の厚さ、もう一方では入射角に合わせた波長を適宜選択することにより、高めることができることがわかる。

アルコールの検出と同様の原理で、エタノール以外の化合物の検出装置を製造することができる。この場合、感受性層２３は、まず、エタノール以外の化合物、例えば揮発性有機化合物（ＶＯＣｓ）、特にアルデヒドおよび／または芳香族化合物に対して感受性および特異性を有するのに適したものでなければならない。

特に図３に関連して上述したように、エタノールを含む呼気の場合には、含水率は１００％であり、光検出器２５の出口での測定電圧と湿潤空気中に含まれるエタノール濃度との間に直線的相関性を観測することができた。

ただし、特定のより一般的な場合には、含水率が１００％とは異なる場合があり、良好な測定精度を維持するためには、水分の影響を考慮に入れた補正が必要と考えられる。さらに、外気温は、測定結果にも影響を及ぼし、また、例えば、光源２３または検出器２５の自然老化に対応するドリフトにも影響を及ぼし得ることに留意されたい。

この場合、測定信号の別の代替処理を伴う新たな実施形態が提案される。

図６には、図１と同様に、個体１４が息を吐き出すことにより息を吹きかける測定チャンバ１１が示されている。もちろん、より広い範囲では、層が検出される揮発性化合物に敏感である限り、揮発性化合物、特に揮発性有機化合物ＶＯＣの任意の流れを測定チャンバ１１に導入することができる。

光源２３Ａは、図１の光源２３に対応する。光検出器２５Ａは、図１の光検出器２５に対応し、高感度反射素子２１Ａは、図１の高感度反射器２１に対応する。

この実施形態では、光学検出装置３はまた、追加の高感度反射素子２１Ｂを含む。この反射器２１Ｂは、反射器２１Ａと同じ方法および同じプロトコルに従って製造され、唯一の違いは、ＴＥＯＳ前駆体が１００％と、ＭＴＥＯＳ前駆体が０％使用されていることである。

追加の高感度反射素子２１Ｂは、追加の光源２３Ｂに照射され、反射光は、追加の光検出器２５Ｂによって検出される。追加の光源２３Ｂ、追加の反射素子２３Ｂ、および追加の光検出器２５Ｂの間のアセンブリは、あらゆる点で、光源２３Ａ、反射素子２３Ａ、および光検出器２５Ａのアセンブリ、したがって、図１に関して説明したアセンブリと同様である。入射角と検出角のみが異なっていてもよい。

一変形例によれば、１つの光源のみを使用し、同じ光源によって照射されるように反射素子を並べて配置する。

この場合、上述したように、反射器２１Ａの感受性層２９は疎水性を有し、一方、１００％ＴＥＯＳゾル－ゲル溶液で構成される反射器２１Ｂの感受性層は親水性である。この結果、反射器２１Ｂは、エタノールを吸収しない（または実質的に吸収しない）こととなり、その屈折率の変化は、被検空気中の水分のみの関数となる。したがって、光検出器２５Ｂの出力における測定信号は、含水量のみの関数として変化する。

図７は、時間の関数として、反射素子２１Ａによって反射された光の強度に対応する、測定信号２５０Ａ、例えば電圧と、反射素子２１Ａによって反射された光の強度に対応する、測定信号２５０Ｂ、例えば電圧とをグラフ上に示す。

時点ｔ１において、時点ｔ２までの２０ｓ間に、水蒸気をチャンバ１１内に注入した。２つの光検出器２５Ａ及び２５Ｂでは、反射強度が急激に低下することが分かる。次いで、注入を停止した後、測定信号２５０Ａ及び２５０Ｂが増加し、これは、周囲雰囲気との再平衡に対応する。

時点ｔ３において、時点ｔ４までの２０ｓの間、水蒸気と０．９２ｍｇ／Ｌのエタノールとの混合物をチャンバ１１内に注入した。２つの光検出器２５Ａ及び２５Ｂでは、反射強度が急激に低下することが分かるが、反射素子２１Ａからの反射光を測定する光検出器２５Ａではより顕著である。次いで、注入を停止した後、測定信号２５０Ａ及び２５０Ｂが増加し、これは、周囲雰囲気との再平衡に対応する。

エタノール含有量を得るためには、測定信号を以下の方法で処理する必要がある。

光検出器２５Ａの経時的な測定信号の変化をＵ_２５Ａ（ｔ）とし（したがって、これは曲線２５０Ａに対応する）、光検出器２５Ｂの経時的な測定信号の変化をＵ_２５Ｂ（ｔ）とする（したがって、これは曲線２５０Ｂに対応する）。

この場合、測定した２つの強度の時間微分の差を求める。

この操作の結果を図８に示す。

ｔ１とｔ２の間にエタノールが存在しない場合、測定された２つの強度の時間微分が同じである、所定の関心時間帯とも呼ばれるΔｔの持続期間の平坦域（plateau）が観察される。

ｔ３とｔ４の間のエタノール含有量を測定するために、ｆ（ｔ）の平均は、所定の関心時間帯の間で決定される。

この実施形態は、水分の影響を考慮に入れるだけでなく、外気温、呼気の存在下での設置条件、及び光学検出装置３を構成する各種部品の自然な経時変化と関連するドリフトも考慮に入れた補正が可能であるため、より堅牢であると考えることができる。

Claims (17)

1. 揮発性化合物を検出および定量するための光学装置であって、
   － 反射率が個体（１４）の呼気に含まれるエタノール量の関数として変化する、高感度反射素子（２１）であって、
   ・ 基板（２７）と、
   ・ 厚さが２５０ｎｍを超え、平均細孔径が２ｎｍ未満であり、空隙率が２５％未満である、微孔性疎水性ゾル－ゲルシリカを含む感受性層（２９）であって、前記個体（１４）の呼気の存在下に置かれる感受性層（２９）と、
   を含む高感度反射素子（２１）、
   － 入射角の下で前記感受性層（２９）を照らすように配置された単色または準単色光源（２３）、
   － 検出角の下で前記高感度反射素子（２１）からの反射強度を測定するための光検出器（２５）、
   並びに
   － 前記高感度反射素子（２１）からの反射強度から、血中アルコール含有量に対応するパラメータを推定するように構成された処理演算ユニット（３１）、
   を含み、
   前記光源（２３）の波長が単色であり、前記光源の波長（２３）が前記高感度反射素子（２１）の反射スペクトルの２つの強め合うおよび弱め合う干渉ピーク間の変曲点（Ｉ _１ 、Ｉ _２ 、Ｉ _３ ）に対応する波長となるように、前記入射角を調整する、
   揮発性化合物の検出および定量用光学装置。
2. 前記感受性層（２９）が、ＣＴＡＢ、ＤＴＡＢまたはＦ１２７を含まないことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記基板（２７）が、２５０ｎｍ～１５００ｎｍの間の波長に対して、２．５より大きい屈折率を有することを特徴とする、請求項１または２に記載の装置。
4. 前記基板（２７）が、半導体材料から構成されることを特徴とする、請求項１～３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記入射角および前記検出角が、それぞれ３０°～７５°の間であることを特徴とする、請求項１～４のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記光源（２３）の波長が５００ｎｍ～１０００ｎｍの間であることを特徴とする、請求項１～５のいずれか一項に記載の装置。
7. 前記感受性層（２９）が、５００ｎｍ～１０００ｎｍの間の波長に対して、１．２～１．６の間の屈折率を有することを特徴とする、請求項１～６のいずれか一項に記載の装置。
8. － 反射率が前記個体（１４）の呼気に含まれる水分量の関数として変化する、追加の高感度反射素子（２１Ｂ）、
   － 検出角の下で前記追加の高感度反射素子（２１Ｂ）からの反射強度を測定するための追加の光検出器（２５Ｂ）、
   をさらに含み、
   前記処理演算ユニット（３１）が、一方では前記高感度反射素子（２１）からの反射強度から、他方では前記追加の高感度反射素子（２１Ｂ）からの反射強度から、前記個体（１４）の呼気中の水分の影響を考慮しつつ、血中アルコール含有量に対応するパラメータを推定するように構成されていることを特徴とする、請求項１～７のいずれか一項に記載の装置。
9. 請求項１～８のいずれか一項に記載の揮発性化合物の検出および定量用光学装置（３）のための高感度反射素子（２１）を製造する方法であって、
   － ＴＥＯＳおよびＭＴＥＯＳを、ＰｒＯＨ、塩酸および水で構成される溶液に溶解して、ゾル－ゲル溶液を調製する、
   － 感受性層（２９）を得るために、前記ゾル－ゲル溶液を、４０％～９０％の間の相対湿度下で、基板（２７）上に堆積する、
   － 前記感受性層（２９）を、２５０℃～４５０℃の間の温度で、５分より長い時間、焼成工程に供する、
   ことを特徴とする高感度反射素子（２１）の製造方法。
10. 前記感受性層（２９）の厚さが、２５０ｎｍを超えることを特徴とする、請求項９に記載の高感度反射素子（２１）の製造方法。
11. 請求項１～８のいずれか一項に記載の揮発性化合物の検出および定量用光学装置（３）のための高感度反射素子（２１）であって、
    － 基板（２７）、並びに
    － 厚さが２５０ｎｍを超え、平均細孔径が２ｎｍ未満であり、空隙率が２５％未満である、微孔性疎水性ゾル－ゲルシリカを含む感受性層（２９）であって、個体（１４）の呼気の存在下に置かれる感受性層（２９）、
    を含むことを特徴とする、高感度反射素子（２１）。
12. 前記個体（１４）の呼気に含まれるエタノール量の関数として変化する反射率を有することを特徴とする、請求項１１に記載の高感度反射素子（２１）。
13. 請求項１～８のいずれか一項に記載の揮発性化合物の検出および定量用光学検出装置（３）を製造する方法であって、
    － 高感度反射素子（２１）を形成するために、基板（２７）上に感受性層（２９）を堆積する、
    － 前記高感度反射素子（２１）の反射スペクトルを測定する、
    － 光源（２３）の波長が、単色、または準単色であり、前記光源（２３）の波長が前記高感度反射素子（２１）の反射スペクトルの変曲点（Ｉ_１、Ｉ_２、Ｉ_３）に対応する波長となるように、前記高感度反射素子（２１）に対する光線の入射角を調整する、
    ことを特徴とする光学検出装置（３）の製造方法。
14. 前記基板（２７）が、１．８～４の間の屈折率を有し、
    前記感受性層（２９）が、２５０ｎｍを超える厚さを有し、１．２～１．６の間の屈折率を有し、
    前記光源（２３）の波長が、５００ｎｍ～１０００ｎｍの間であることを特徴とする、請求項１３に記載の製造方法。
15. 前記高感度反射素子（２１）が、請求項９または１０に記載の方法に従って製造されることを特徴とする、請求項１３または１４に記載の製造方法。
16. 個体（１４）の呼気中の揮発性化合物を検出および定量するための光学的検出方法であって、
    － 反射率が前記個体（１４）の呼気に含まれるエタノール量の関数として変化する、請求項１～７のいずれか一項に記載の高感度反射素子（２１）からの反射強度を測定する工程、
    － 反射率が前記個体（１４）の呼気に含まれる水分量の関数として変化する、請求項８に記載の追加の高感度反射素子（２１Ｂ）からの反射強度を測定する工程、
    － エタノールが存在しない場合に測定された２つの強度の時間微分が同じである所定の関心時間帯（Δｔ）において、測定された２つの強度の時間微分の差を求めて、検量線（２５２）との相関を行い、前記個体（１４）の呼気に含まれるエタノールを定量する工程、
    を含むことを特徴とする、光学的検出方法。
17. 前記光源（２３）の波長が、前記高感度反射素子（２１）の反射スペクトルの２つの強め合う及び弱め合う干渉ピーク間の変曲点（Ｉ_１、Ｉ_２、Ｉ_３）に対応する波長となるように調整されることを特徴とする、請求項１６に記載の光学的検出方法。

Images