KR20130100057A - 샘플링 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 피부에 샘플링 측이 면하도록 장착되는 칩 형상의 샘플링 장치로서, 샘플링 측에 면한, 0.1 내지 1000nm의 범위의 구멍 직경의 다공질의 흡착층을 가지는 샘플링 장치를 제공한다. 흡착층의 일예는, 중심 구멍 직경이 다른 적어도 3개의 다공질층으로서, 샘플링 측으로부터 중심 구멍 직경이 큰 순번으로 적층되어 있는 다공질층을 포함하는 것이다. 샘플링 장치는 또한 흡착층을 통하여 흡인하는 층을 포함하는 것이 바람직하다.

Description

샘플링 장치{SAMPLING APPARATUS}

본 발명은, 화학물질 등을 샘플링하는 장치에 관한 것이다.

고감도로 화학물질을 검출, 분석하는 기술로서, 최근 필드 비대칭성 이온이동도 분광계(ＦＡＩＭＳ)라고 불리는 장치가 주목을 모으고 있다. 이 장치에서는, 센서에 인가하는 직류 전압과 교류 전압을 변화시킴으로써, 이온화된 화학물질의 이동도의 변화를, 미세한 필터에 의해 검출하고, 그 검출 결과의 차이에 의해 화학물질을 특정하는 것이 가능하다.

국제공개 ＷＯ2006/013396호(일본 특허공표 2008-508693호) 공보에는, 복수의 전극을 가지는 적어도 1개의 이온 채널의 형상의 이온 필터를 가지는 이온이동도 분광계에 대해서 기재되어 있다. 이 이온이동도 분광계에서는, 도전층에 인가되는 시간변화하는 전위에 따라, 충전제가 이온종을 선택적으로 넣을 수 있다. 전위는, 구동전계 성분 및 횡(橫)전계 성분을 가지며, 바람직한 실시 형태에 있어서, 전극의 각각은, 구동전계 및 횡전계의 양쪽의 성분을 생성하는데 관여한다. 디바이스는, 드리프트가스 플로우가 없어도 이용할 수 있다. 더욱이, 이 문헌에는, 분광계의 다양한 용도인 마이크로스케일 분광계를 제작하기 위한 미세가공 기술에 대해서 기재되어 있다.

국제공개ＷＯ2006/013396호(일본 특허공표 2008-508693호)공보

인간이나 동물의 몸(신체, 생체)으로부터 방출되는 냄새의 성분, 예를 들면, 피부호흡에 포함되는 성분이 암이나 그 밖의 질병에 의해 변화하는 것이 알려져 있다. 암이나 그 밖의 병의 초기 상태나 질병의 진행 상태를 판단하기 위해서, 생체로부터 방출되는, 생체(生體)유래의 화학물질을 분석하는 것은 유용하다.

본 발명의 1 양태는, 피부에 샘플링 측이 면(面)하도록 장착되는 칩형상의 샘플링 장치이다. 이 샘플링 장치는, 샘플링 측에 면한, 0.1 내지 1000ｎｍ의 범위의 구멍 직경의 다공질의 흡착층을 가진다. 이온이동도 센서 등에 의해 직접 생체로부터 방출되는 화학물질을 측정하는 대신에, 이 샘플링 장치를 생체에 장착하고, 생체로부터 방출되는 화학물질을 일시적으로 샘플링 장치에 흡착시킬 수 있다. 이 때문에, 피부로부터 방출되는 생체유래의 화학물질을 샘플링 장치에 모은 후, 이온이동도 센서 등에 의해 생체유래의 화학물질을 분석할 수 있다. 또한, 분자, 세균, 바이러스, 세포의 흡착에 적합한 구멍 직경의 다공질의 흡착층에 의해, 분석 대상을, 샘플링의 단계에서 선택 및/또는 농축시킬 수 있다.

본 발명의 다른 양태의 하나는, 이하의 스텝을 포함하는 방법, 예를 들면, 측정 방법 혹은 진단 방법이다.

·샘플링 장치의 샘플링 측을 피부에 면해서 장착하고, 생체로부터 방출되는 화학물질을 흡착층으로 채취하는 것.

·피부로부터 떼어낸 샘플링 장치를 가열하고, 샘플링 장치로부터 방출되는 생체유래의 화학물질을 이온이동도 센서로 분석하는 것.

흡착층은, 중심 구멍 직경(중심 세공(細孔) 직경, 평균 구멍 직경)이 다른 적어도 3개의 다공질층이며, 샘플링 측으로부터 평균 구멍 직경이 큰 순번으로 적층되어 있는 다공질층을 포함하는 것이 바람직하다. 분석 대상의 화학물질, 예를 들면 분자의 흡착에 적합한 평균 구멍 직경을 포함하는 다공질층을, 그보다도 평균 구멍 직경이 큰 다공질층과, 평균 구멍 직경이 작은 다공질층에 의해 사이에 끼움으로써, 분석 대상의 화학물질을 선택적으로 농축하기 쉽다.

더욱이, 흡착층의 비(非)샘플링 측에 통과 유량을 제어하는 유량제어층을 사이에 두고 흡인층을 설치하는 것이 바람직하다. 흡인층은, 흡착층을 통과하여 산소 및 질소의 적어도 어느 하나를 흡인하는 층이다. 흡인층에 의해, 샘플링 측으로부터 비샘플링 측을 향하는 공기의 흐름을 형성할 수 있으므로, 분석 대상의 화학물질을 샘플링 측의 표면으로부터 흡착층의 내부로 끌어들여 흡착할 수 있다. 이 때문에, 흡착층 내에, 분석 대상의 화학물질이 농축되기 쉽다.

흡인층의 전형적인 예는 내부가 음압(負壓)이 된 층이다. 흡인층이, 산소 및 질소의 적어도 어느 하나를 흡착하는 물질, 예를 들면, 적당한 구멍 직경의 제올라이트(몰레큘라 시브, molecular sieves)을 포함하고 있어도 좋다. 또한, 흡인층이, 산소 또는 질소의 적어도 어느 하나와 반응하는 물질, 예를 들면, 산화물이나 질화물을 실온 혹은 체온 근방에서 비교적 효율적으로 형성하는 물질을 포함하고 있어도 좋다.

다공질층의 전형적인 것은, 졸-겔법 등에 의해 제조되는, 구멍 직경의 분산이 작은 다공질 유리층이다.

도 1은, 샘플러의 개략 구성을 나타내는 도면.
도 2는, 샘플러로부터 방출되는 화학물질을 검출하는 시스템을 나타내는 블록도.
도 3은, 분석 방법의 개략을 나타내는 플로우 챠트.
도 4는, 다른 샘플러에 의해 샘플링하는 모양을 나타내는 도면.
도 5는, 샘플러로부터 화학물질을 방출시키는 모양을 나타내는 도면.
도 6은, 다른 방법에 의해 샘플러로부터 화학물질을 방출시키는 도면.
도 7은, 또 다른 샘플러에 의해 샘플링하는 모양을 나타내는 도면.
도 8은, 샘플러로부터 화학물질을 방출시키는 모양을 나타내는 도면.
도 9는, 샘플러를 속옷에 장착한 상태를 나타내는 도면.

도 1에, 샘플링 장치(샘플러)의 개요를 나타내고 있다. 이 샘플러(10)는, 베이스(11)와, 베이스(11)의 표면(샘플링측)(18)에 적당한 방법에 의해 고정된 다공질의 흡착층(20)을 포함한다. 다공질의 흡착층(20)의 일예는, 평균 구멍 직경(중심 구멍 직경, 중심 세공 직경)이 0.1ｎｍ~10ｎｍ, 더욱 바람직하게는, 0.3ｎｍ~5ｎｍ, 한층 바람직하게는 0.5ｎｍ~2ｎｍ 정도의 범위의 어느 하나의 다공을 구비한 다공질 유리 비즈(21) 또는 제올라이트가 베이스(11)의 샘플링측(18)에 유지된 것이다. 이 샘플러(10)는, 샘플링측(18)이 생체의 피부(31)에 면하도록 적당한 방법으로 장착된다. 샘플러(10)를 장착하는 전형적인 방법은, 속옷에 샘플러(10)를 부착하거나, 테이프로 샘플러(10)를 피부(31)에 접착하거나 하는 것이다.

피부호흡 등에 의해 피부(31)로부터 방출되는 냄새(악취)의 요인은, 탄화수소 화합물, 특히 방향족 탄화수소 화합물을 포함하는 방향족 화합물이라고 생각된다. 이들 방향족 화합물로 분자량이 1ｋＤａ이하 정도의 분자의 대부분의 직경(최대 길이)은, 0.5ｎｍ~1.수ｎｍ정도이다. 예를 들면, 벤젠 고리의 직경은 0.5ｎｍ~0.6ｎｍ이며, 흡착층(20)의 구멍 직경은, 방향족 화합물이 1 또는 수 개가 들어갈 정도의 크기인 것이 바람직하다.

이 샘플러(10)는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 피부(31)로부터 방출되는 Ａ~F의 물질 중, 물질 A~D, 예를 들면, 크실렌, 톨루엔, 에틸 벤젠, 스티렌 등의 비교적 저분자량의 방향족 화합물을 흡착하는데 적합하다. 한편, 물질 E, F, 예를 들면, 펩티드나 소(小)분자 단백과 같은 분자량이 5ｋＤａ~수100ｋＤａ이며 분자의 직경(최대 길이)이 3ｎｍ~10수ｎｍ의 고분자는 흡착되기 어렵다. 또한, 산소, 질소, 이산화탄소라고 하는 지름이 0.4ｎｍ 이하의 분자도 흡착되기 어려우며, 악취(체취)의 성분을 선택적으로 흡착하여, 농축할 수 있다.

한편, 분자량이 수ｋＤａ~수100ｋＤａ정도이며 분자직경이 약3ｎｍ~10수ｎｍ의 펩티드나 소분자 단백 등의 고분자를 표적(흡착 대상물)으로 하는 샘플러(10)라면, 중심 직경이 10ｎｍ~20ｎｍ정도의 다공질 유리를 구비한 흡착층(20)을 포함하는 샘플러인 것이 바람직하다. 또한, 분자량이 수1000ｋＤａ이며 분자직경이 20수ｎｍ~30수ｎｍ와 같은 더욱 큰 고분자를 표적으로 하는 샘플러(10)라면, 중심직경이 25~30수ｎｍ의 다공질 유리를 구비한 흡착층(20)을 포함하는 샘플러인 것이 바람직하다. 한편, 제올라이트(몰레큘라시브)나, 졸-겔법 등에 의해 제조되는 다공질 유리는, 중심 직경 또는 평균 직경에 대한 세공의 직경의 분포는 작지만, ±50%정도의 확대가 있는 경우가 있다. 따라서, 샘플링할 대상의 분자(화학물질)의 직경에 대하여, 세공 직경의 분포도 평가해서 흡착 물질의 중심 직경을 판단하는 것이 바람직하다.

베이스(11)의 일예는, 부직포, 폴리머 시트 등이다. 베이스(11)의 샘플링 측(18)에, 제올라이트나 다공질 유리 등의 흡착 물질(21)을 압착하거나 접착하거나 함으로써, 베이스(11)의 샘플링 측(18)에 흡착층(20)을 구비한 샘플러(10)를 제조할 수 있다. 이 샘플러(10)를 체표면, 전형적으로는 피부(31)에 면하도록 몇분 내지 몇시간, 장착함으로써, 인체 또는 동물의 신체(생체)로부터 방출되는 생체유래의 화학물질(체취성분)을 샘플링할 수 있다.

도 2에, 샘플러(10)로 샘플링한 화학물질을 분석하는 분석 시스템의 개요를 나타내고 있다. 이 분석 시스템(50)은, 샘플러(10)로부터 샘플링된 화학물질을 방출시키는 챔버(51)와, 화학물질을 검출하는 센서(53)와, 샘플러(10)로부터 방출된 화학물질을 재분석하기 위하여 축적하는 리시버시스템(60)과, 분석용의 제어장치, 전형적으로는 퍼스널 컴퓨터(ＰＣ)(70)를 포함한다.

센서(53)의 전형적인 것은, 이온이동도 센서(이온이동도 분광계, Ion Mobility Spectrometry)이며, 공기 중의 물질(분자)을 이온화하고, 이온화된 분자의 이동도의 차이에 근거하는 스펙트럼(이온 전류, 이온 강도)을 출력한다. 이 분석 시스템(50)은, 비대칭 전계 이온이동도 스펙트로미터(ＦＡＩＭＳ, Field Asymmetric waveform Ion Mobility Spectrometry) 또는 미분형 전기이동도 스펙트로미터(ＤＭＳ, Differential Ion Mobility Spectrometry)라고 불리고 있는 이온이동도 센서(53)를 구비하고 있다. 이러한 종류의 스펙트로미터(센서, 이하에 있어서는 ＦＡＩＭＳ)(53)는, 고압-저압으로 변화되는 비대칭 전계에 이온화한 분자류(分子流)를 입력하고, 이온의 전계이동도에 근거해서 이들을 필터링한 결과를 출력한다. 시판되고 있는 콤팩트한 ＦＡＩＭＳ로서는, ＳＩＯＮＥＸ(자이오넥스)사의 ｍｉｃｒｏＤＭｘ, ＯＷＬＳＴＯＮＥ(오울스톤)사의 ＦＡＩＭＳ 디바이스를 들 수 있다.

ＦＡＩＭＳ(53)은, 상류에 배치된 이온화 유닛(52)에 의해 이온화된 화학물질을 검출한다. 이온화 유닛(52)의 일예는, 니켈의 동위체(Ｎｉ63)를 이용한 간접 이온화 유닛이다. 코로나 방전을 이용한 이온화 유닛이어도 좋고, ＵＶ를 이용한 직접 이온화 유닛이어도 좋다.

샘플러(10)로부터 샘플링한 생체유래의 화학물질을 방출시키는 챔버(51)는 샘플러(10)를 출납가능한 구조의 밀폐형의 용기이다. 챔버(51)의 내부에는, 샘플러(10)의 샘플링측(표면)(18)과 반대측의 비샘플링측(이면)(19)을 가열하는 히터(58)와, 방출 온도를 제어하는 온도 컨트롤러(57)가 설치되어 있다. 컨트롤러(57)는, 샘플러(10)를 가열하는 히터(58)의 출력을 제어함으로써, 샘플러(10)의 온도(온도 센서를 설치해 두어도 좋다)를 제어하고, 일시적으로 샘플러(10)에 유지되어 있는 생체유래의 화학물질(화학성분, 가스 분자)의 릴리스(release)를 제어한다. 예를 들면, 저온이면, 분자량이 작은 것, 혹은 분자 사이즈가 작은 것이 먼저 샘플러(10)로부터 출력되며, 온도를 상승시킴으로써 분자량이 큰 것, 혹은 분자 사이즈가 큰 것이 순차 샘플러(10)로부터 출력된다. 온도를 보다 양호한 정밀도로 제어하기 위해서, 히터(58)는 복수의 발열 소자를 구비한 것이어도 좋으며, 예를 들면, 라인 서멀 헤드(line thermal head)를 이용할 수 있다.

분석 시스템(50)은, 또한, 챔버(51)에 캐리어 가스(전형적으로는 드라이 에어)(51a)를 도입해서 생체유래의 화학물질(예를 들면, A~D)을 ＦＡＩＭＳ센서(53)로 반송하는 캐리어 가스 공급 펌프(블로워, 팬)(55)와, 챔버(51)와 ＦＡＩＭＳ센서(53)와의 사이에 배치된 필터(파티클 필터)(59)를 포함한다.

리시버시스템(60)은, ＦＡＩＭＳ센서(53)의 배기를 격납하는 복수의 리시버(61)와, 배기를 격납하는 복수의 리시버(61)를 선택하는 등의 라인 전환을 행하는 밸브 그룹(65)과, 배기용의 펌프(팬, 블로워)(66)와, 재순환용의 펌프(팬, 블로워)(67)를 포함한다. 각 리시버(61)는, 분석 시작 전에 진공 펌프 혹은 배기용 펌프(66) 등에 의해 음압(負壓)으로 되어 있다. 챔버(51)의 내부에서 가열된 샘플러(10)로부터 방출되는 화학물질(A~D)의 종류는 샘플러(10)가 가열된 온도에 의해 변화된다. 그 모양을 ＦＡＩＭＳ센서(53)의 출력에 의해 확인하고(프리애널리시스, pre-analysis), 밸브(65)를 전환함으로써, 각각의 리시버(61)에 방출된 화학물질을 적당한 그룹으로 나누어 축적한다.

분석 시스템(50)의 제어 및 ＦＡＩＭＳ센서(53)에 의해 얻어지는 데이터의 해석은 ＰＣ(70)로 행해진다. ＰＣ(70)는, ＣＰＵ(71), 메모리(72), 하드디스크 등의 스토리지(73) 및 이들을 접속하는 버스(74) 등의, 컴퓨터를 구성하는 일반적인 하드웨어 자원을 포함한다. 더욱이, ＰＣ(70)는, 분석 시스템(50)을 제어하고, 데이터를 해석하는 해석 유닛(75)을 포함한다. 해석 유닛(75)은, ＡＳＩＣ 혹은 ＬＳＩ 등의 반도체 디바이스로서 제공되어도 좋고, ＣＰＵ(71)에서 실행되는 프로그램(프로그램 제품)으로서 제공되어도 좋다. 해석 유닛(75)은, 분석 시스템(50)의 ＦＡＩＭＳ센서(53), 펌프(55, 66, 67), 밸브(65), 온도 컨트롤러(57) 등을 제어하는 시스템 컨트롤러(76)와, ＦＡＩＭＳ센서(53)의 데이터를 해석하는 애널라이저(77)를 포함한다. 해석 유닛(75)은, ＦＡＩＭＳ센서(53)의 온도, 습도, 기압 등의 환경조건을 적당한 센서를 통하여 취득하고, ＦＡＩＭＳ센서(53)로부터 얻어진 데이터를 보정하는 기능을 포함하고 있어도 좋다.

도 3에, 분석 시스템(50)에 있어서, 샘플러(10)로부터 얻어진 화학물질을 분석하는 과정을 나타내고 있다. 우선, 스텝 80에 있어서, 샘플러(10)를, 그 샘플링 측(18)이 피부에 면하도록 인체 혹은 동물의 몸에 장착하고, 생체로부터 방출되는 화학물질을 샘플러(10)의 흡착층(20)으로 채취한다. 스텝 91에 있어서, 피부로부터 분리한 샘플러(10)를 분석 시스템(50)의 챔버(51)에 세팅하고, 스텝 92에 있어서, 샘플러(10)의 비샘플링 측(19)을 히터(58)에 의해 가열한다. 스텝 93에 있어서, 샘플러(10)로부터 방출되는 생체유래의 화학물질(A~D)을 이온이동도 센서인 ＦＡＩＭＳ센서(53)로 예비분석한다. 이 예비분석에 있어서는, 해석 유닛(75)이, 샘플러(10)의 가열 온도에 의해 방출되는 화학물질이 있다는 것을 ＦＡＩＭＳ센서(53)의 출력에 의해 확인하고, 이후의 해석에 있어서, ＦＡＩＭＳ센서(53)의 출력(스펙트럼)의 피크가 중복되거나 하는 것이 비교적 적어지도록, 방출되는 온도에 따라, 생체유래의 화학물질을 복수의 리시버(61)로 나누어 일시적으로 격납한다.

샘플러(10)로부터 생체유래의 화학물질이 일단 방출되면, 스텝 94에 있어서, 리시버(61)를 전환하면서, 리시버(61)에 일시적으로 격납되어 있었던 화학물질(캐리어 가스를 포함한다)을 ＦＡＩＭＳ센서(53)로 재순환시켜, 생물유래의 화학물질을 더욱 상세하게 분석한다. 해석 유닛(75)은, 스토리지(73)에 격납되어 있는 화학물질 라이브러리나, 인터넷 등의 컴퓨터 네트워크를 통하여 액세스가능한 다른 데이터베이스 혹은 라이브러리를 이용하여, 다양한 피팅 방법, 시뮬레이티드 어닐링법, 평균장(平均場) 어닐링법, 유전적 알고리즘, 뉴럴 네트워크 등의 방법을 이용하여, 샘플러(10)가 샘플링한 생체유래의 화학물질을 분석한다. 더욱이 스텝 95에 있어서 분석한 결과를 ＰＣ(70)의 표시 기능을 이용하여 출력한다. ＰＣ(70)로부터 컴퓨터 워크를 통하여 다른 컴퓨터에 출력을 송신해도 좋다.

도 4에, 다른 샘플링 장치의 개략구성을 나타내고 있다. 이 샘플링 장치(샘플러)(100)는, 베이스(110)의 샘플링측(18)에 적층된 복수의 다공질층(121~125)을 포함하는 흡착층(120)을 가진다. 복수의 다공질층(121~125)은, 각각 다른 중심 구멍 직경(중심 세공 직경, 평균 구멍 직경)의 다공을 구비하고 있으며, 이들의 다공질층(다공질막)(121~125)이 샘플링측(18)으로부터 비샘플링측(베이스측)(19)을 향하여, 중심 구멍 직경이 큰 순번으로 적층되어 있다. 예를 들면, 최상층의 다공질층(121)의 중심 구멍 직경은 30ｎｍ, 2층째의 다공질층(124)의 중심 구멍 직경은 10ｎｍ, 3층째의 다공질층(123)의 중심 구멍 직경은 2.0ｎｍ, 4층째의 다공질층 (124)의 중심 구멍 직경은 0.6ｎｍ, 5층째(최하층)의 다공질층(125)의 중심 구멍 직경은 0.4ｎｍ이다. 한편, 이들의 구멍 직경은 예시에 지나지 않는다.

이 샘플러(100)의 흡착층(120)에 있어서는, 고분자 단백 등의 분자량이 수 1000ｋＤａ의 분자는 최상층(121)에서 흡착되고, 펩티드, 비교적 저분자 단백 등의 분자량이 수10~수100ｋＤａ의 분자는 제 2 층(122)에서 흡착되어, 체취의 주요한 요인이 되는, 분자량이 수ｋＤａ 혹은 그 이하의 비교적 긴 사슬형상의 탄화수소 화합물이나 방향족 화합물은 제 3 층(123) 및 제 4 층(124)에서 흡착된다. 또한, 공기 중의 주성분인 질소 및 산소는, 최하층(제 5 층)(125)에서 흡착되는 것도 있지만, 대부분의 것은 제 5 층(125)을 통과한다. 따라서, 이 샘플러(100)에 있어서는, 제 3 층(123) 및 제 4 층(124)에서 샘플링할 표적인 분자가 선택적으로 흡착된다.

이 흡착층(120)은 5층 구조이지만, 4층 이하이어도 좋고, 6층 이상이어도 좋다. 단, 샘플링할 대상(표적)이 되는 분자를 적당한 다공질층에 선택적으로 흡착시켜, 농축하기 위해서는, 그 전후(상하)에, 표적이 되는 분자가 투과하는 구멍 직경의 다공질층과 표적이 되는 분자가 투과하지 않는 구멍 직경의 다공질층을 배치하는 것이 바람직하다. 따라서, 흡착층(120)은, 중심 구멍 직경이 다른 적어도 3개의 다공질층에 의해 구성되며, 이들의 다공질층이, 샘플링측(18)으로부터 중심 구멍 직경이 큰 순번으로 적층되어 있는 것이 바람직하다.

각 다공질층(121~125)의 재질은 공통되어 있어도 좋고, 달라도 좋다. 다공질층(다공질막)(121~125)의 일예는, 다공질 유리, 제올라이트(몰레큘라시브, 몰레큘라시브스)이다. 제올라이트는, 0.1~수ｎｍ정도의 비교적 정밀도가 좋은 다공을 구비한 다공질층을 제공할 수 있다. 다공질 유리는, 1~수100ｎｍ정도의 비교적 정밀도가 좋은 다공을 구비한 다공질층을 제공할 수 있다. 다공질층은, 또한 적당한 소재로 충분한 투과율을 구비한 폴리머 시트, 예를 들면 테프론(등록상표) 시트 등이어도 좋다.

각 다공질층(121~125)의 두께는, 1㎛~5mm 정도인 것이 바람직하고, 1㎛~1mm 정도인 것이 더욱 바람직하고, 5~500㎛ 정도인 것이 한층 바람직하다. 각 다공질층의 두께는, 특히 한정되지 않지만, 얇으면 흡착 면적의 확보가 어려워지고, 지나치게 두꺼우면 다공의 가공 등의 제조비용이 과대해진다. 또한, 지나치게 두꺼우면, 흡착층(120)의 강성이 지나치게 높아지므로 피부에 장착했을 때의 피트감이 저감한다.

흡착층(120)을 지지하는 베이스(베이스층)(110)는, 샘플링측(18)으로부터, 유량제어층(112)과, 흡인층(115)을 포함한다. 유량제어층(112)은 흡착층(120)과 공기가 유통할 정도의 버퍼(buffer, 틈새)(111)를 두고 배치된 기본적으로는 불투과층이며, 예를 들면, 금속박막층이다. 유량제어층(112)에는, 단속(斷續)적으로 미세한 개구(113)가 설치되어 있다. 이 개구(113)는, 예를 들면, ＭＥＭＳ등에 의해 형성되어 있으며, 통과하는 유량이 양호한 정밀도로 제어가능하게 되어 있다. 개구(113)는, 산소 및 질소 등의 공기의 주성분인 분자가 막히지 않고 통과할 정도의 사이즈가 바람직하고, 예를 들면, 직경이 0.4ｎｍ정도 이상의 사이즈인 것이 바람직하다. 한편, 개구(113)는 트랩을 목적으로 하지 않으므로, 유량제어가 가능하다면 특히 상한은 없다. 그렇지만, 유량제어를 고려하면, 개구(113)는, 1~10ｎｍ정도인 것이 바람직하다.

흡인층(115)은, 유량제어층(112)으로 제어된 유량에 의해, 흡착층(120)을 통해서 산소 및 질소의 적어도 어느 하나를 흡인하는 힘을 발생시키는 층(버퍼, 영역, 공간)이다. 이 샘플러(100)에 있어서는, 흡인층(115)은, 미리 음압으로 된 저압력실이며, 기압차이(압력차이)에 의해 제어된 유량으로 흡착층(120)을 통하여, 산소 및 질소를 포함하는 공기를 흡인한다.

체취의 성분인 화학물질은, 샘플러(100)의 표면(샘플링 측의 면)에는 흡착되지만, 흡착층(120)의 내부에는 브라운 운동 등의 자발적인 움직임으로는 침입하기 어렵다. 따라서, 이 샘플러(100)에 있어서는, 흡인층(115)을 설치하여, 강제적, 그렇지만 제어된 유량으로 공기를 흡착층(120)의 내부로 흡인하고, 그것과 함께 화학물질을 흡착층(120)의 내부로 유도하도록 하고 있다. 흡착층(120)은, 상술한 바와 같이, 다공질층의 다층구조이며, 흡착층(120)의 내부의 흡착 면적은, 흡착층(120)의 샘플링측(18)의 표면(129)의 표면적에 비하면 대단히 크다. 따라서, 생체유래의 화학물질을 흡착층(120)의 내부로 유도함으로써, 다량인 화학물질을 흡착할 수 있고, 생체유래의 화학물질을 흡착층(120)의 소정의 층(121~125)에 농축할 수 있다.

도 4는, 샘플러(100)에 의해 생체유래의 화학물질(201~203)을 샘플링하고 있는 모양을 모식적으로 나타내고 있다. 흡인층(115)은 미리 음압으로 되어 있고, 흡착층(120)의 샘플링 측(18)의 표면(129)은 불투과성의 시트, 예를 들면, 금속 시트(미도시)에 의해 덮여 있다. 따라서, 우선, 금속 시트를 벗겨낸 뒤, 도 1에서 설명한 것과 같은 방법에 의해, 샘플러(100)의 샘플링 측(18)을 피부를 향해서 인체 등에 장착한다. 흡착층(120)은, 중심 구멍 직경이 다른 다공질층(121~125)을 포함하므로, 비교적 사이즈(직경 또는 길이)가 큰 단백질 등의 화학물질(201)은, 상층, 예를 들면 최상층(121) 또는 제2 층(122)에 흡착된다. 방향족 화합물 등의 중간의 사이즈의 화학물질(202)은 제 3 층(123) 또는 제 4 층(124)에서 흡착된다. 산소, 질소, 이산화탄소 등의 사이즈가 작은 화학물질은, 제 5 층(125)에서 흡착되거나, 또는, 제 5 층(125)을 투과하여, 흡인층(115)에 흡인된다.

체취는 시간과 함께 변화되는 경우가 있어, 질병을 판단하는 요소가 되는 화학물질 등의 흡인 대상인 화학물질이 항상 방출된다고는 할 수 없다. 따라서, 유량제어층(112)은, 흡인층(115)으로부터 기인하는 흡인력을 몇분 내지 몇시간정도 유지할 수 있도록, 개구(113)를 통과하는 유량을 조정한다. 흡인 시간이 부족할 경우에는, 흡인층(115)에 외부의 진공탱크(vacuum tank)를 장착하거나, 진공펌프(vacuum pump)를 장착하거나 하는 것도 가능하다.

또한, 이 샘플러(100)에 있어서는, 흡인층(115)과 유량제어층(112)에 의해, 샘플링 시간이 제어된다. 즉, 흡인층(115)에 의한 흡인력이 종료할 때까지가 샘플링 시간이며, 샘플러(100)의 샘플링 시간을 자동적으로 일정하게 제어하는 것이 가능하게 된다. 이 때문에, 환자 등의 샘플러(100)를 장착하는 자가, 샘플링 시간을 관리할 필요가 없어지고, 손쉽게 인체 등의 생체로부터의 화학물질을, 양호한 정밀도로 채취할 수 있다.

도 5는, 샘플러(100)로 샘플링한 생체유래의 화학물질(201~203)을 방출시키고 있는 상태를 나타내고 있다. 도 2에 나타낸 분석 시스템의 챔버(51)에 세팅한 상태이다. 샘플링이 종료하면 흡인층(115)은, 공기로 채워져 있는 상태가 된다. 샘플러(100)의 비샘플링 측(이면)(19)을 히터(58)에 의해 가열(가온)함으로써, 흡인층(115) 내부의 공기가 팽창한다. 흡인층(115)으로부터 공기가 유량제어층(112)을 통과해서 흡착층(120)으로 흘러나가며, 흡착층(120)에 흡착되어 있던 화학물질 (201~203)을 샘플러(100)의 밖으로 밀어낸다.

도 6은, 샘플러(100)로 샘플링된 화학물질을 방출하는 다른 방법을 나타내고 있다. 본 예에서는, 챔버(51)에 세팅하기 전에, 흡착층(120)의 최상층(121) 및 제 2 층(122)을 제거하고 있다. 따라서, 챔버(51)의 내부에서 샘플러(100)를 가열해도, 최상층(121) 및 제 2 층(122)에 캣치된 비교적 분자량이 큰 화학물질(201)은 방출되지 않고, 이 샘플러(100)의 샘플링 대상인 중간(中) 정도의 분자량(중간 정도의 사이즈)의 화학물질(202)이 방출된다. 따라서, 분석 시스템(50)에서는, 샘플러(100)의 샘플링 대상인 방향족 화합물 등의 체취의 요인이 되는 화학물질을 주로 분석하는 것이 가능하게 된다. 이 때문에, 분석 시간을 단축할 수 있으며, 분석 정밀도를 향상시킬 수 있다.

도 7에, 또 다른 샘플링 장치의 예를 나타내고 있다. 이 샘플링 장치(샘플러)(101)의 기본적인 구성은, 상술한 샘플러(100)와 동일하며, 다층의 다공질층 (121~125)을 포함하는 흡착층(120)과, 베이스(지지층)(110)를 포함한다. 베이스(110)는, 유량제어층(112)과, 흡인층(115)을 포함하며, 흡인층(115)은, 산소 및/또는 질소를 흡착하도록 설계된 흡인용의 몰레큘라시브(제올라이트)층(130)을 포함한다. 예를 들면, 질소흡착용의 몰레큘라시브로서는, ＬｉＬＳＸ형(Ｌｉ·LowSilica·Ｘ형)이며 구멍 직경이 0.3~0.4ｎｍ의 제올라이트 등이 공지이다. 흡인용의 몰레큘라시브층(130)은, 상부의 흡착층(120)에 의해 샘플링할 대상이 되는 화학물질(분자)은 흡착되어 있으므로, 산소 및/또는 질소에 대한 선택성이 거의 요구되지 않고, 공기 중에 포함되는 기체에 대한 흡착력이 높은 것이면 된다. 따라서, 제올라이트(몰레큘라시브)에 한하지 않고, 활성탄 등의 다른 흡착 물질을 이용한 층이어도 좋다.

또한, 흡인층(115)은, 흡인용의 흡착제의 층(130) 대신에, 혹은 이와 함께, 산소 및/또는 질소와 화학반응하고, 산소 및/또는 질소를 소비하는 반응층이어도 좋다. 산소를 소비하는 층으로서는 철 등의 산화되기 쉬운 금속을 주성분으로 하는 산화 반응층을 들 수 있다. 질소를 소비하는 층으로서는, 질화물을 형성하는 층을 들 수 있고, 예를 들면, 플러렌(fullerenes) 등을 촉매로 한 암모니아 제조 프로세스를 자율적으로 행하는 층이 알려져 있다.

도 8에, 샘플러(101)로 샘플링된 화학물질을 방출하는 방법의 일예를 나타내고 있다. 본 예에서는, 챔버(51)에 세팅하기 전에, 흡착층(120)으로부터 베이스(110)를 제거하고 있다. 따라서, 챔버(51)의 내부에서 샘플러(101)를 가열해도, 베이스(110)에 흡인된 성분은 방출되지 않는다. 따라서, 분석 시스템(50)에서는, 샘플러(101)의 샘플링 대상인 방향족 화합물 등의 체취의 요인이 되는 화학물질을 주로 분석하는 것이 가능하게 된다. 이 때문에, 분석 시간을 단축할 수 있으며, 분석 정밀도를 향상시킬 수 있다.

도 9에, 여성용의 속옷에 샘플러(10, 100 또는 101)(이하에서는 10)를 장착한 모양을 나타내고 있다. 속옷, 예를 들면 브래지어(300)에 샘플러(10)를 부착하고, 샘플러(10)의 샘플링 측(18)이 유두 또는 그 근방의 피부에 면하도록 장착함으로써, 유두 근방으로부터 방출되는 생체유래의 화학물질을 샘플링할 수 있다. 유방암을 발증(發症)하면, 냄새를 수반하는 화학물질(마커)이 방출되는 것이 알려져 있다. 따라서, 마커 물질을 샘플러(10)로 샘플링하고, 분석 시스템(50)에 의해 분석함으로써, 유방암의 유무를 간단히, 또한 양호한 정밀도로 판단할 수 있는 가능성이 있다. 또, 샘플러(10)를 포함하는 브래지어(300)를, 단시간, 예를 들면, 몇분 내지 몇시간에 걸쳐 장착하는 것만으로 유방암의 유무를 양호한 정밀도로 판단할 수 있게 함으로써, 인체의 부담을 경감할 수 있다고 하는 효과도 얻어진다.

인간이나 동물의 호기(呼氣), 인후(咽喉), 기타 환부 주변의 피부호흡에 포함되는 화학물질(화학성분, 분자, 조성)을 분석 시스템에 의해 직접 측정하려고 하면, 일정한 샘플 유량을 유지해야 한다는 문제나, 장시간, 예를 들면, 24시간에 걸친 연속 측정이 어렵다고 하는 문제가 있다. 특히, 펫 등의 동물의 경우에는, 얌전하게 분석 시스템에 연결되어 있는 것은 곤란하다. 또한, 분석 시스템 그 자체를 인체나 동물의 몸에 부착하는 것도, 현재 상태에서는 어렵다.

더욱이, 인간이나 동물의 호기, 인후, 그 밖의 환부주변의 피부호흡에 포함되는 화학물질은, 극히 미량이며, 정확한 측정이 어렵다고 하는 문제도 있다. 그렇지만, ＦＡＩＭＳ센서 등과 같이, ｐｐｂ, ｐｐｔ오더 혹은 그 이하의 극히 높은 정밀도로 초미량의 화학물질을 특정하는 것이나 분석하는 것이 가능하게 되고 있어, 암이나 그 밖의 질병에 의해 발생하는 마커(marker) 물질이라고 불리는 화학물질을 특정함으로써, 병의 초기 상태나 질병의 진행 상태가 판명되게 되고 있다. 따라서, 상기에 개시한 샘플러(10)는, 그러한 초미량의 생체유래의 화학물질을 샘플링하는데 적합하다.

예를 들면, ＧＣ-ＭＳ(가스 크로마토그래피 및 질량분석법)에 의해 화학물질 분석을 행하는 경우, 수ｐｐｍ~수ｐｐｂ가 그 검출 농도범위가 된다. 서브ｐｐｂ 이하가 되면, 농축하지 않으면, 대상이 되는 화학물질의 검출이 곤란하게 된다. 극(極)저농도의 화학물질 검출을 행할 때, ＳＰＭＥ(Solid Phase Micro Extraction)라고 불리는 고상(固相) 마이크로 추출법이 이용가능하다. 액체시료·고체시료·기체시료로부터 목적으로 하는 화학물질을 선택적으로 추출하여, ＧＣ-ＭＳ에 의한 고감도 검출을 실현하는 것이다. 단, 샘플량은 적어도 100μ리터 이상은 필요하며, 추출 시간이 10~30분 정도 필요하게 된다. 또한, 복수의 마커 물질을 검출하려고 하면 복수의 ＳＰＭＥ를 준비할 필요가 있다. 더욱이, 정확한 정량 분석값을 보증하려고 하면, 샘플링 오차의 영향을 적게 할 필요가 있어, 상당수의 측정 회수가 필요하게 된다. 특히, 피부호흡이나 구강내 구취·타액(唾液) 등으로부터 암 등의 질병을 특정하려고 하면, 검체나 샘플링 매체로부터의 2차 추출 등에 의한 오차의 문제나 샘플링 시간의 문제 등, 해결해야 할 과제도 많다. 예를 들면, 환자가, 정확하게 샘플링 시간을 제어하려고 하는 경우, 트랩되는 마커 물질의 양이 변화하는 경우가 있어, 그것이 오차가 될 수 있다. 또한, 암검출이나 질병의 ＧＣ-ＭＳ분석이나 판정 처리를 생각하면, 판단에 수십 시간을 필요로 한다.

이에 대하여, 이 샘플링 장치는, 예를 들면, 다공질 유리를 이용한 것은 ＰＧＡＳ(Porous Glass Auto Sampling)라고 칭해지며, 다공질의 직경이 다른 입상(粒狀)의 포러스 글래스를 다층화해서 겹쳐 배치하고, 검체를 유량과 시간이 일정하게 되도록 제어해서 트랩한다. 포러스 글래스의 다공질 직경은, 검출할 암이나 질병의 마커 물질의 트랩 목적에 따라서, 다층화하는 종류를 변경할 수 있다. 또한, 유량제어는, 유량제어층의 음압을 제어하는 개구의 직경을 선택해서 시간을 제어하는 방식을 채용할 수 있다. 음압 측과 유량제어의 직경을 선택함으로써, 수십초~수시간까지, 검사 목적에 따라서, 샘플링 시간을 정확하게 제어할 수 있다. 화학물질을 트랩하는 방법은, 포러스 글래스가 아니더라도 좋다. 단, 흡착제로서는, 내(耐)화학물질 반응성이나 장시간 보존성, 또한, 측정 분석을 개시한 경우의 마커 물질의 단시간에서의 선택적 트랩성이나 반대로 온도를 올린 경우의 릴리스 능력을 포함하여, 응답 성능이 좋은 재질을 선택할 필요가 있다. 포러스 글래스는, 그러한 의미에서, 대단히 우수하며 필요성능의 특성을 구비하고 있다.

한편, 상기에서는, 인체나 동물의 몸에 장착하는 샘플러를 예로 설명했지만, 샘플러(샘플링 장치)는, 피부에 한하지 않고, 호기에 닿게 해서 호기에 포함되어 있는 화학물질을 샘플링해도 좋다. 또한, 생체유래의 화학물질에 한하지 않고, 컨테이너 내부나 방 내부 등에 포함되는 화학물질을 샘플링하는 것도 가능하다. 이 샘플링 장치를 이용함으로써, 간단히 화학물질을 고농도화할 수 있고, 또한, 센서 시스템(분석 시스템)과는 달리, 다른 시간, 다른 장소에서, 화학물질을 샘플링할 수 있다. 따라서, 이 샘플링 방식은, 채집의 시간적, 장소적인 제한을 벗어나고, 농도의 제한을 벗어나, 샘플링의 가능성을 확대한다. 더욱이, 이 샘플링 장치는, 화학물질에 한하지 않고, 세균, 바이러스, 세포를 캡쳐링할 수 있다. 또한, 흡착층의 재질, 미세 구멍의 사이즈 등을 변경함으로써, 채취할 대상에 대한 선택적인 능력을 부여하는 것이 가능하다.

Claims (7)

1. 피부에 샘플링측이 면하도록 장착되는 칩형상의 샘플링 장치로서, 상기 샘플링 측에 면한, 0.1 내지 1000ｎｍ의 범위의 구멍 직경의 다공질의 흡착층을 가지는 샘플링 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 흡착층은, 중심 구멍 직경이 다른 적어도 3개의 다공질층이며, 상기 샘플링 측으로부터 중심 구멍 직경이 큰 순번으로 적층되어 있는 다공질층을 포함하는, 샘플링 장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 흡착층의 비샘플링 측에 통과 유량을 제어하는 유량제어층을 사이에 두고 배치된 흡인층으로서, 상기 흡착층을 통과하여 산소 및 질소의 적어도 어느 하나를 흡인하는 흡인층을 더 가지는, 샘플링 장치.
4. 제 3항에 있어서,
   상기 흡인층은, 산소 및 질소의 적어도 어느 하나를 흡착하는 물질을 포함하는, 샘플링 장치.
5. 제 3항 또는 제 4항에 있어서,
   상기 흡인층은, 산소 또는 질소의 적어도 어느 하나와 반응하는 물질을 포함하는, 샘플링 장치.
6. 제1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 흡착층은 다공질 유리층을 포함하는, 샘플링 장치.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 샘플링 장치를 샘플링 측을 피부에 면해서 장착하고, 생체로부터 방출되는 화학물질을 상기 흡착층으로 채취하는 단계와,
   피부로부터 분리한 상기 샘플링 장치를 가열하고, 상기 샘플링 장치로부터 방출되는 생체유래의 화학물질을 이온이동도 센서로 분석하는 단계를 가지는, 방법.

Images