JP7251306B2 - 分析システム、便臭ガス分析システム、呼気ガス分析システム及び分析方法 - Google Patents

Description

本発明は、分析システム、便臭ガス分析システム、呼気ガス分析システム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、気体の成分を推定できる。

従来、イオン強度の２次元表現の中に存在するピークの連続性等に基づいて化学物質を推定する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、サンプルガスに含まれる分子を高精度に推定することが難しい。

本開示は、サンプルガスに含まれる分子の推定の精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、呼気ガス分析システム及び分析方法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、イオナイザと、前記イオナイザで生じたイオンを用いてサンプルガスをイオン化させるイオン－分子反応部と、前記サンプルガスのイオンの一部を選択的に通過させるイオンフィルタと、前記イオンフィルタを通過した前記サンプルガスのイオンを検出する検出器と、前記検出器による検出結果に基づいて、前記サンプルガスに含まれる分子を推定する推定部と、を有し、前記イオンフィルタは、第１の電極と第２の電極とを有し、前記第１の電極及び前記第２の電極に複数の組み合わせの分散電圧及び補償電圧が印加され、前記第１の電極と前記第２の電極との間の電界の強さにより、通過させるイオンを選択し、前記推定部は、前記検出器による検出結果の、前記サンプルガスの前記イオン－分子反応部における飛行時間への依存性に基づいて、前記分子を推定し、前記検出結果は、前記飛行時間ごとに、前記補償電圧と前記分散電圧と前記イオンの検出強度との関係を示すマッピングデータを含み、前記推定部は、前記飛行時間ごとの前記マッピングデータから共通の前記分散電圧における前記補償電圧に対する前記イオンの検出強度の複数のピークを抽出し、前記複数のピークにおける前記イオンの検出強度の前記飛行時間への依存性に基づいて、前記分子を推定する。

本開示によれば、サンプルガスに含まれる分子の推定の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。 分散電圧及び補償電圧の組み合わせとイオン検出量との関係の一例を示す模式図である。 マッピングデータを示す模式図（その１）である。 マッピングデータを示す模式図（その２）である。 マッピングデータを示す模式図（その３）である。 図５中の破線で示す分散電圧における、補償電圧とイオン検出量との関係を示す図である。 図６中の破線で示す分散電圧における、補償電圧とイオン検出量との関係を示す図である。 図７中の破線で示す分散電圧における、補償電圧とイオン検出量との関係を示す図である。 図９に示す出力スペクトルから得られる３つの分布を示す図である。 飛行時間と信号強度比との関係を示す図である。 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。 制御部の構成を示す図である。 制御部による処理の内容を示すフローチャートである。 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４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５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６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７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。

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２の電極１１２から第１の電極１１１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。

例えば、分散電圧は０Ｖ～２５０Ｖ範囲を１０Ｖごとに変化させ、補償電圧は－６Ｖ～＋６Ｖ範囲を０．１Ｖごとに変化させるとすると、分散電圧は２６値、補償電圧は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。図４は、分散電圧及び補償電圧の組み合わせとイオン検出量との関係の一例を示す模式図である。図４では、イオンが検出される範囲を曲線で描いているが、この範囲内でイオン検出量が相違する。以下、図４に示すような分散電圧及び補償電圧の組み合わせとイオン検出量との関係のデータをマッピングデータということがある。マッピングデータには、分散電圧及び補償電圧の組み合わせに対するイオン検出量の値が示される。

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、複数のイオンうちから一部のイオンを検出することができる。すなわち、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。

一般に、マッピングデータはイオン種ごとに相違する。従って、マッピングデータを詳細に解析することができれば、イオン種を推定することができる。但し、サンプルガスに複数の成分が含まれている場合、マッピングデータを解析するだけでは、各成分を高精度で推定することは困難である。

その一方で、本願発明者らによる鋭意検討の結果、サンプルガスはイオナイザからイオンフィルタまでの飛行中にイオン－分子反応によりイオン化されるところ、マッピングデータはイオナイザからイオンフィルタまでの飛行時間に依存することが明らかになった。そこで、本開示では、マッピングデータの、イオナイザからイオンフィルタまでの飛行時間への依存性に基づいて、サンプルガスに含まれる分子を推定する。

（分子の推定）
ここで、マッピングデータの飛行時間への依存性と、飛行時間への依存性から分子を推定するメカニズムとについて説明する。

図５～図７は、同一のサンプルガスに対し、飛行時間を異ならせて作成したマッピングデータを示す模式図である。図５は、飛行時間が０．００５３秒の場合のマッピングデータを示し、図６は、飛行時間が０．００４７秒の場合のマッピングデータを示し、図５は、飛行時間が０．００４２秒の場合のマッピングデータを示す。飛行時間が相違すると、サンプルガスのイオン化される程度も相違するため、マッピングデータも相違する。

マッピングデータには、サンプルガスに含まれる分子の特徴が現れているが、マッピングデータそのものから抽出することは容易ではない。そこで、例えば、予め定められている所定の分散電圧における、補償電圧とイオン検出量との関係（出力スペクトル）を抽出し、この関係（出力スペクトル）から複数のピークを特定し、各ピークにおけるイオン検出量を算出する。例えば、図５～図７中の破線で示す分散電圧が所定の分散電圧である。図８～図１０は、それぞれ図５～図７中の破線で示す分散電圧における、補償電圧とイオン検出量との関係を示す図である。図８～図１０に示すように、これらの例では、いずれも３つのピークが現れている。つまり、図８～図１０に示す分布は、３つの分布を合成した合成分布とみなすことができる。そこで、これら３つのピークを含む合成分布を、３つの分布に分解し、各分布におけるピーク面積を算出する。そして、各ピークのピーク面積の総和に対する、各ピークの個々のピーク面積の比を信号強度比として算出する。

図１１に、一例として、図９に示す出力スペクトルから得られる３つの分布を示す。図１１の上段に図９に示す出力スペクトルの一部を拡大して示し、図１１の下段に３つの分布を示す。例えば、便宜上、３つのピークのうち最も補償電圧が小さいピークをピークＰ１とし、次に補償電圧が小さいピークをピークＰ２とし、最も補償電圧が大きいピークをピークＰ３とする。そして、ピークＰ１～Ｐ３のそれぞれについて信号強度比を算出する。図８又は図１０に示す出力スペクトルに関しても同様に、ピークＰ１～Ｐ３のそれぞれについて信号強度比を算出する。このようにして、３つの飛行時間のそれぞれについてピークＰ１～Ｐ３の信号強度比が得られる。

図１２は、飛行時間と信号強度比との関係を示す図である。図１２に示すように、飛行時間と信号強度比との関係は、ピークＰ１～Ｐ３のそれぞれについて、一次関数で近似することができる。例えば、ピークＰ１の一次近似の傾きは－２７５．８であり、ピークＰ２の一次近似の傾きは－１７８．６９であり、ピークＰ３の一次近似の傾きは４５４．４９である。これら傾きは分子に固有である。従って、図１２から得られる傾きの値から、サンプルガスに含まれる分子の種類を推定することができる。

（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１３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。

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－分子反応部１４０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－分子反応部１４０と、イオンフィルタ１１０と、イオン検出電極１２０とは筐体１５０に収容されている。分析システム１は、更に制御部１８０を有する。制御部１８０は、例えば筐体１５０の外部に設けられる。

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、水分子（Ｈ_２Ｏ）を陽イオン又は陰イオンにイオン化させる。イオン－分子反応部１４０は、イオナイザ１３０で生じたイオンを用いてサンプルガスをイオン化させる。例えば、イオン－分子反応部１４０では、イオン化した水がサンプルガスに衝突し、電荷がサンプルガスに移動し、サンプルガスがイオン化する。イオンフィルタ１１０は、サンプルガスのイオン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により検出される。イオン電流検出回路は、例えば制御部１８０に含まれる。イオン電流検出回路がイオン検出電極１２０と制御部１８０との間に接続されていてもよい。

例えば、サンプルガスの通流方向におけるイオン－分子反応部１４０の長さは１×１０^－３ｍ～１×１０^－２ｍ程度である。また、サンプルガスの通流方向におけるイオンフィルタ１１０の長さは１×１０^－４ｍ～１×１０^－２ｍ程度であり、イオンフィルタ１１０の第１の電極１１１と第２の電極１１２との間の距離は１×１０^－５ｍ～１×１０^－３ｍ程度である。筐体１５０は、例えば導電性を有していることが好ましく、イオン検出電極１２０にて検出するイオンと同じ極性の電位にあることが好ましい。

制御部１８０はイオナイザ１３０と、イオン－分子反応部１４０と、イオンフィルタ１１０に電圧を印加する電圧源１１３とを制御する。制御部１８０は、イオン検出電極１２０による検出結果に基づいてサンプルガスに含まれる分子を推定する。制御部１８０は推定部の機能を含む。図１４は、制御部１８０の構成を示す図である。

制御部１８０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１８１、ＲＯＭ（Read Only Memory）１８２、ＲＡＭ（Random Access Memory）１８３及び補助記憶部１８４を備える。ＣＰＵ１８１、ＲＯＭ１８２、ＲＡＭ１８３及び補助記憶部１８４は、いわゆるコンピュータを構成する。制御部１８０の各部は、バス１８５を介して相互に接続されている。

ＣＰＵ１８１は、補助記憶部１８４に格納された各種プログラム（例えば、分子推定プログラム）を実行する。

ＲＯＭ１８２は不揮発性の主記憶デバイスである。ＲＯＭ１８２は、補助記憶部１８４に格納された各種プログラムを、ＣＰＵ１８１が実行するために必要な各種プログラム、データ等を格納する。具体的には、ＲＯＭ１８２は、ＢＩＯＳ（Basic Input/Output System）やＥＦＩ（Extensible Firmware Interface）等のブートプログラムなどを格納する。

ＲＡＭ１８３は、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）やＳＲＡＭ（Static Random Access Memory）等の揮発性の主記憶デバイスである。ＲＡＭ１８３は、補助記憶部１８４に格納された各種プログラムがＣＰＵ１８１によって実行される際に展開される作業領域として機能する。

補助記憶部１８４は、ＣＰＵ１８１により実行される各種プログラムと、各種プログラムがＣＰＵ１８１によって実行されることで生成される各種データとを格納する補助記憶デバイスである。

制御部１８０は、このようなハードウェア構成を備えており、次のような処理を行う。図１５は、制御部１８０による処理の内容を示すフローチャートである。

まず、制御部１８０は、サンプルガスのイオン－分子反応部１４０の飛行時間を第１の飛行時間とし、マッピングデータを作成する（ステップＳ１）。つまり、図５～図７に示すようなマッピングデータを作成する。

次いで、制御部１８０は、マッピングデータのピーク解析を行う（ステップＳ２）。例えば、予め定められている所定の分散電圧における、補償電圧とイオン検出量との関係を抽出し、この関係から複数のピークを特定し、各ピークにおけるピーク面積及び信号強度比を算出する。つまり、図８～図１０に示すような出力スペクトルから信号強度比を算出する。

その後、制御部１８０は、予め設定されている全ての飛行時間についてのピーク解析が終了しているか判断し（ステップＳ３）、終了していなければ、飛行時間を変更し（ステップＳ４）、ステップＳ１に戻る。

一方、終了していれば、制御部１８０は、信号強度比の飛行時間依存性を解析する（ステップＳ５）。つまり、図１２に示すような一次近似を行い、各ピークについて、飛行時間に対する信号強度比の変化の傾きを算出する。

続いて、制御部１８０は、ステップＳ５で算出した傾きを、予め準備してある分子毎の傾きと照合し、各ピークに対応する分子を特定し、当該分子がサンプルガスに含まれているものと推定する（ステップＳ６）。

第１の実施形態によれば、サンプルガスに含まれる分子を容易かつ高精度に推定することができる。

（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１６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。

第２の実施形態に係る分析システム２は、筐体１５０内でイオン検出電極１２０のサンプルガスの下流側に、ポンプ２０１と、流量センサ２０２とを有する。ポンプ２０１の駆動力が強くなるほど、サンプルガスの流量が大きくなると共に流速が高くなり、イオン－分子反応部１４０での飛行時間が短くなる。流量センサ２０２は、サンプルガスの流量を検出し、制御部１８０に出力する。制御部１８０は、流量センサ２０２による検出結果を監視しながらポンプ２０１の制御を行うことで、イオン－分子反応部１４０でのサンプルガスの飛行時間を調整する。他の構成は第１の実施形態と同様である。

第２の実施形態によっても、サンプルガスに含まれる分子を容易かつ高精度に推定することができる。

第２の実施形態において、ポンプ２０１若しくは流量センサ２０２又はこれらの両方が筐体１５０内でイオナイザ１３０のサンプルガスの上流側に設けられていてもよい。

（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１７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、筐体１５０内でイオン検出電極１２０のサンプルガスの下流側に、流量センサ２０２を有する。分析システム３は、更に、筐体１５０内でイオナイザ１３０のサンプルガスの上流側に、ガス源３０１を有する。ガス源３０１は、例えば、乾燥空気又は窒素ガス等のドリフトガスをサンプルガスと共にイオン－分子反応部１４０に供給する。ガス源３０１からのガス圧が大きくなるほど、サンプルガスの流量が大きくなると共に流速が高くなり、イオン－分子反応部１４０での飛行時間が短くなる。ガス源３０１からのガス圧は、例えば２×１０^５Ｐａ（２ｂａｒ）程度である。流量センサ２０２は、サンプルガスの流量を検出し、制御部１８０に出力する。制御部１８０は、流量センサ２０２による検出結果を監視しながらガス源３０１の制御を行うことで、イオン－分子反応部１４０でのサンプルガスの飛行時間を調整する。他の構成は第１の実施形態と同様である。

第３の実施形態によっても、サンプルガスに含まれる分子を容易かつ高精度に推定することができる。また、ドリフトガスとして乾燥空気又は窒素ガスを用いることで環境変動の影響を軽減することができる。

第３の実施形態において、流量センサ２０２が筐体１５０内でイオナイザ１３０のサンプルガスの上流側に設けられていてもよい。

（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態について説明する。第４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１８は、第４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４の実施形態に係る分析システム４は、サンプルガスの通流方向でイオナイザ１３０の位置を調整し、イオナイザ１３０のイオンフィルタ１１０からの距離を調整する距離調整機構４０１を有する。イオナイザ１３０の位置がイオンフィルタ１１０に近づくほど、イオン－分子反応部１４０のサンプルガスの通流方向の長さが短くなり、飛行時間が短くなる。制御部１８０は、距離調整機構４０１を通じてイオナイザ１３０の位置を制御することで、イオン－分子反応部１４０でのサンプルガスの飛行時間を調整する。他の構成は第１の実施形態と同様である。

第４の実施形態によっても、サンプルガスに含まれる分子を容易かつ高精度に推定することができる。

イオナイザ１３０の位置を固定し、イオンフィルタ１１０の位置を調整し、イオナイザ１３０のイオンフィルタ１１０からの距離を調整するようにしてもよい。

（第５の実施形態）
次に、第５の実施形態について説明する。第５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１９は、第５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５の実施形態に係る分析システム５では、筐体１５０が、イオン－分子反応部１４０の周囲で一部が重なり合う第１の筐体５０１Ａと第２の筐体５０１Ｂとを有する。第１の筐体５０１Ａと第２の筐体５０１Ｂとの重なり合う部分の長さが短くなるほど、イオン－分子反応部１４０のサンプルガスの通流方向の長さが短くなり、飛行時間が短くなる。制御部１８０は、第１の筐体５０１Ａと第２の筐体５０１Ｂとの重なり合う部分の長さを制御することで、イオン－分子反応部１４０でのサンプルガスの飛行時間を調整する。他の構成は第１の実施形態と同様である。

第５の実施形態によっても、サンプルガスに含まれる分子を容易かつ高精度に推定することができる。

（第６の実施形態）
次に、第６の実施形態について説明する。第６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２０は、第６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６の実施形態に係る分析システム６は、筐体１５０内で、イオン－分子反応部１４０のサンプルガスの通流方向に対する断面積を調整する断面積調整機構６０１を有する。イオン－分子反応部１４０の断面積が小さくなるほど、サンプルガスの流速が高くなり、飛行時間が短くなる。制御部１８０は、断面積調整機構６０１を通じてイオン－分子反応部１４０の断面積を制御することで、イオン－分子反応部１４０でのサンプルガスの飛行時間を調整する。他の構成は第１の実施形態と同様である。

第６の実施形態によっても、サンプルガスに含まれる分子を容易かつ高精度に推定することができる。

（第７の実施形態）
次に、第７の実施形態について説明する。第７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２１は、第７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７の実施形態に係る分析システム７は、筐体１５０内に、３個のイオナイザ１３０Ａ、１３０Ｂ及び１３０Ｃを有する。イオナイザ１３０Ａ～１３０Ｃがイオナイザ群７０１に含まれる。サンプルガスの通流方向において、イオナイザ１３０Ｂはイオナイザ１３０Ｃの下流側に設けられ、イオナイザ１３０Ａはイオナイザ１３０Ｂの下流側に設けられている。制御部１８０の制御により、イオナイザ１３０Ａ～１３０Ｃのうちの１つが動作し、他の２つは動作しない。動作するイオナイザがイオンフィルタ１１０に近くにあるほど、イオン－分子反応部１４０でのサンプルガスの飛行時間が短くなる。制御部１８０は、動作させるイオナイザを選択することで、イオン－分子反応部１４０でのサンプルガスの飛行時間を調整する。他の構成は第１の実施形態と同様である。

第７の実施形態によっても、サンプルガスに含まれる分子を容易かつ高精度に推定することができる。

なお、第２～第７の実施形態から任意に選択される２以上を組み合わせて分析システムを構成してもよい。

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、４、５、６、７ 分析システム
１１０：イオンフィルタ
１２０：イオン検出電極
１３０、１３０Ａ、１３０Ｂ、１３０Ｃ：イオナイザ
１４０：イオン－分子反応部
１５０：筐体
１８０：制御部
２０１：ポンプ
２０２：流量センサ
３０１：ガス源
４０１：距離調整機構
５０１Ａ：第１の筐体
５０１Ｂ：第２の筐体
６０１：断面積調整機構
７０１：イオナイザ群

国際公開第２０１２／０５６７０９号

Claims (11)

1. イオナイザと、
   前記イオナイザで生じたイオンを用いてサンプルガスをイオン化させるイオン－分子反応部と、
   前記サンプルガスのイオンの一部を選択的に通過させるイオンフィルタと、
   前記イオンフィルタを通過した前記サンプルガスのイオンを検出する検出器と、
   前記検出器による検出結果に基づいて、前記サンプルガスに含まれる分子を推定する推定部と、
   を有し、
   前記イオンフィルタは、第１の電極と第２の電極とを有し、前記第１の電極及び前記第２の電極に複数の組み合わせの分散電圧及び補償電圧が印加され、前記第１の電極と前記第２の電極との間の電界の強さにより、通過させるイオンを選択し、
   前記推定部は、前記検出器による検出結果の、前記サンプルガスの前記イオン－分子反応部における飛行時間への依存性に基づいて、前記分子を推定し、
   前記検出結果は、前記飛行時間ごとに、前記補償電圧と前記分散電圧と前記イオンの検出強度との関係を示すマッピングデータを含み、
   前記推定部は、前記飛行時間ごとの前記マッピングデータから共通の前記分散電圧における前記補償電圧に対する前記イオンの検出強度の複数のピークを抽出し、前記複数のピークにおける前記イオンの検出強度の前記飛行時間への依存性に基づいて、前記分子を推定することを特徴とする分析システム。
2. 前記イオナイザ、前記イオン－分子反応部、前記イオンフィルタ及び前記検出器を収容する筐体を有することを特徴とする請求項１に記載の分析システム。
3. 前記イオン－分子反応部における前記サンプルガスの流量を変化させるポンプを有す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. 前記イオン－分子反応部における前記サンプルガスの流量を変化させるガス源を有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－分子反応部における前記サンプルガスの流量を検出する流量センサを有することを特徴とする請求項３又は４に記載の分析システム。
6. 前記イオナイザの前記イオンフィルタからの距離を調整する距離調整機構を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の分析システム。
7. 前記イオン－分子反応部の前記サンプルガスの通流方向に対する断面積を調整する断面積調整機構を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の分析システム。
8. 前記イオナイザを複数有し、
   複数の前記イオナイザの前記イオンフィルタからの距離が互いに相違することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の分析システム。
9. 請求項１乃至８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。
10. 請求項１乃至８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。
11. イオナイザと、
    前記イオナイザで生じたイオンを用いてサンプルガスをイオン化させるイオン－分子反応部と、
    前記サンプルガスのイオンの一部を選択的に通過させるイオンフィルタと、
    前記イオンフィルタを通過した前記サンプルガスのイオンを検出する検出器と、
    を有する分析装置を用い、
    前記イオンフィルタは、第１の電極と第２の電極とを有し、前記第１の電極及び前記第２の電極に複数の組み合わせの分散電圧及び補償電圧が印加され、前記第１の電極と前記第２の電極との間の電界の強さにより、通過させるイオンを選択し、
    前記検出器による検出結果の、前記サンプルガスの前記イオン－分子反応部における飛行時間への依存性に基づいて、前記サンプルガスに含まれる分子を推定し、
    前記検出結果は、前記飛行時間ごとに、前記補償電圧と前記分散電圧と前記イオンの検出強度との関係を示すマッピングデータを含み、
    前記飛行時間ごとの前記マッピングデータから共通の前記分散電圧における前記補償電圧に対する前記イオンの検出強度の複数のピークを抽出し、前記複数のピークにおける前記イオンの検出強度の前記飛行時間への依存性に基づいて、前記分子を推定することを特徴とする分析方法。

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