WO2012124269A1 - 窒素酸化物濃度測定装置 - Google Patents

窒素酸化物濃度測定装置 Download PDF

Info

Publication number
WO2012124269A1
WO2012124269A1 PCT/JP2012/001388 JP2012001388W WO2012124269A1 WO 2012124269 A1 WO2012124269 A1 WO 2012124269A1 JP 2012001388 W JP2012001388 W JP 2012001388W WO 2012124269 A1 WO2012124269 A1 WO 2012124269A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
light
concentration
amount
nitrogen oxide
oxide concentration
Prior art date
Application number
PCT/JP2012/001388
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
秀司 三木
資浩 田中
真也 越智
吉福 小池
Original Assignee
パナソニックヘルスケア株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by パナソニックヘルスケア株式会社 filed Critical パナソニックヘルスケア株式会社
Priority to EP12757765.8A priority Critical patent/EP2685241A4/en
Priority to JP2013504540A priority patent/JPWO2012124269A1/ja
Publication of WO2012124269A1 publication Critical patent/WO2012124269A1/ja
Priority to US14/022,725 priority patent/US20140037506A1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/59Transmissivity
    • G01N21/61Non-dispersive gas analysers
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/75Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated
    • G01N21/77Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator
    • G01N21/78Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator producing a change of colour
    • G01N21/783Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator producing a change of colour for analysing gases
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/27Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands using photo-electric detection ; circuits for computing concentration
    • G01N21/274Calibration, base line adjustment, drift correction
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/0004Gaseous mixtures, e.g. polluted air
    • G01N33/0009General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment
    • G01N33/0027General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector
    • G01N33/0036General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector specially adapted to detect a particular component
    • G01N33/0037NOx
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02ATECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A50/00TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE in human health protection, e.g. against extreme weather
    • Y02A50/20Air quality improvement or preservation, e.g. vehicle emission control or emission reduction by using catalytic converters

Definitions

  • the present invention relates to a nitrogen oxide concentration measuring apparatus for measuring a gas concentration such as nitric oxide which serves as an index indicating the degree of bronchial inflammation due to asthma or the like.
  • NO nitric oxide
  • the measurement result of exhaled NO concentration is used as an index indicating the degree of respiratory tract infection due to asthma and allergies, which have been increasing in recent years, so that non-invasive disease diagnosis that does not burden patients can be performed.
  • the NO gas concentration in exhaled breath is 2 ppb to 20 ppb in a normal person, but is known to increase about 3 times during airway inflammation such as asthma and allergy. Therefore, by measuring exhaled NO gas, it can be used as a treatment guideline for asthma such as determination of the degree of airway inflammation of a patient and determination of the dosage of an asthma drug.
  • a chemiluminescence NO measuring device that detects NO light emitted by reacting NO contained in the exhaled breath with ozone under reduced pressure has been used.
  • this chemiluminescence method has a problem that expensive peripheral devices such as an ozone generator are required and maintenance is difficult.
  • Patent Document 1 a detection film made of a polymer in which porphyrin is dispersed is formed on an alumina substrate, reflected light of light irradiated on the detection film is detected as detection light, and the detection film comes into contact with a measurement gas. It describes a technique for calculating the concentration of a measurement gas based on changes in detection light before and after.
  • Patent Document 3 discloses a sensor module that includes an exhaust temperature sensor of a vehicle and a control unit that corrects variations in sensitivity between lots of exhaust temperature sensors.
  • the conventional nitrogen oxide concentration measuring apparatus has the following problems. That is, the nitrogen oxide concentration measuring device disclosed in the above publication detects a material (alumina) that reflects light to detect reflected light and detects transmitted light as a base material for a sensor for measuring NO concentration. In order to achieve this, materials that transmit light (for example, non-woven fabric made of paper (cellulose) or PET (Polyethylene terephthalate)) are used. If the porphyrin solution is dropped under the same conditions, the sensitivity may vary from sensor to sensor due to the thickness of the substrate.
  • a material alumina
  • materials that transmit light for example, non-woven fabric made of paper (cellulose) or PET (Polyethylene terephthalate)
  • the porphyrin solution is dropped under the same conditions, the sensitivity may vary from sensor to sensor due to the thickness of the substrate.
  • An object of the present invention is to provide a nitrogen oxide concentration measuring apparatus capable of measuring the concentration of nitrogen oxides such as NO with high accuracy while suppressing detection errors due to sensitivity variations among sensors. .
  • the nitrogen oxide concentration measuring device of the present invention measures the concentration of nitrogen oxides by irradiating light onto a sensor in which a metal complex of porphyrin or a derivative thereof is distributed on a substrate to detect the amount of light of a predetermined wavelength.
  • the nitrogen oxide concentration measuring apparatus for performing the above-described process includes a light source unit, a light detection unit, and a control unit.
  • the light source unit emits light to the nitrogen oxide concentration measurement sensor.
  • the light detection unit detects the amount of light having a predetermined wavelength among light transmitted or reflected by the nitrogen oxide concentration measurement sensor.
  • the control unit corrects the detection result in the light detection unit so that the amount of light having a predetermined wavelength output from the light detection unit during exposure to zero gas matches the calibration value.
  • the block diagram which shows the structure of the nitrogen oxide concentration measuring apparatus which concerns on one Embodiment of this invention.
  • the graph which shows the absorption spectrum of the NO concentration measuring sensor used in the nitrogen oxide concentration measuring apparatus of FIG.
  • the schematic diagram which shows the manufacturing method of the NO concentration measurement sensor used in the nitrogen oxide concentration measuring apparatus of FIG. FIG. 1 shows a correlation between the 415 nm light amount detected during zero gas calibration and the NO detection sensitivity of the NO concentration measurement sensor in the 415 nm light amount detection unit of the nitrogen oxide concentration measurement apparatus of FIG. 1 under the conditions of NO concentrations of 10 ppb, 100 ppb, and 500 ppb.
  • the graph which shows the correlation straight line to represent The graph which shows the relationship between the inclination of the correlation straight line shown in FIG. 5, and the output of a differential arithmetic processing part.
  • the block diagram which shows the structure of the nitrogen oxide concentration measuring apparatus which concerns on other embodiment of this invention.
  • the flowchart of NO concentration measurement in a nitrogen oxide concentration measuring apparatus A calibration curve showing the relationship between the concentration signal and the NO concentration.
  • the graph which shows the concentration signal obtained using each NO concentration measurement sensor about the initial stage signal obtained using three different NO concentration measurement sensors, and the gas containing NO of a known density
  • the block diagram which shows the structure of the nitrogen oxide concentration measuring apparatus which concerns on one Embodiment of this invention. 15 is a graph showing variations in NO sensitivity before feedback control of the NO concentration measuring sensor with respect to the 415 nm light amount detected by the 415 nm light amount detecting unit of the nitrogen oxide concentration measuring apparatus in FIG. 15 under the conditions of NO concentration of 20 ppb, 100 ppb, and 200 ppb. .
  • FIG. 24 Graph showing the sensor sensitivity when exposed to 250ppb concentration of NO 2.
  • the graph which shows the result of having performed inclination correction
  • (A) to (c) are graphs showing the results of dividing the graph of FIG. 24 into A, B, and C zones and performing inclination correction in each zone.
  • nitrogen oxide concentration measuring devices 10, 110, and 210 will be described as examples of the nitrogen oxide concentration measuring device of the present invention.
  • Emodiment 1 A nitrogen oxide concentration measuring apparatus 10 according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS.
  • the output value from the current / voltage conversion circuit 16d shown in FIG. 1 means the voltage value (V) corresponding to the light amount of 415 nm wavelength
  • the output value from the differential arithmetic processing unit 18 Means a voltage value (V) corresponding to sensitivity.
  • the nitrogen oxide concentration measuring apparatus 10 introduces exhaled breath into a chamber 13 in which a nitrogen monoxide (NO) concentration measuring sensor 30 is loaded, and the NO concentration measuring sensor 30 By detecting the change in light intensity at the peak wavelength of the absorption spectrum that changes depending on the degree of reaction between the supported metal complex of porphyrin (CoT (dtBu) PP) (see FIG. 2) and NO, It is a device that measures the concentration of NO contained. As shown in FIG. 1, the nitrogen oxide concentration measuring apparatus 10 according to the present embodiment introduces exhaled breath into a chamber 13 in which a nitrogen monoxide (NO) concentration measuring sensor 30 is loaded, and the NO concentration measuring sensor 30 By detecting the change in light intensity at the peak wavelength of the absorption spectrum that changes depending on the degree of reaction between the supported metal complex of porphyrin (CoT (dtBu) PP) (see FIG. 2) and NO, It is a device that measures the concentration of NO contained. As shown in FIG.
  • the nitrogen oxide concentration measuring apparatus 10 includes a zero gas calibration unit 99, an LED light source (light source unit) 11, a constant current drive circuit 12, a chamber 13, a lens 14, a dichroic mirror 15, and a 415 nm light amount detection.
  • Unit (light detection unit, first detection unit) 16, 435 nm light amount detection unit (light detection unit, second detection unit) 17, differential calculation processing unit 18, sensitivity correction processing unit (control unit) 19, and storage unit 20 It has.
  • the zero gas calibration unit 99 calibrates the output of the differential arithmetic processing unit 18 for 0 ppb by flowing 0 ppb of gas to the NO concentration measurement sensor 30 provided in the chamber 13.
  • the LED light source 11 irradiates light to the NO concentration measurement sensor 30 provided in the chamber 13 under predetermined conditions.
  • the constant current drive circuit 12 is a circuit that determines a current value applied to the LED light source 11, and adjusts the amount of light emitted from the LED light source 11 by changing the applied current value.
  • the constant current drive circuit 12 applies an initialization current of 700 mA to the LED light source 11 when the NO concentration measurement sensor 30 is initialized, and applies a measurement current of 40 mA when measuring the NO concentration.
  • the initialization means that in the manufacturing stage of the NO concentration measurement sensor 30, a porphyrin solution is dropped on the base material 31 (see FIG. 4) and dried, and then cobalt which is the central metal of the porphyrin is added. This refers to the process of reducing from trivalent to divalent.
  • the NO concentration measuring sensor 30 carrying porphyrin will be described in detail later.
  • the chamber 13 is a housing in which the NO concentration measurement sensor 30 is set, and has a gas inlet 13a through which exhaled air or the like is introduced and a gas outlet 13b through which the gas is discharged.
  • the lens 14 guides the light emitted from the LED light source 11 and transmitted through the NO concentration measurement sensor 30 set in the chamber 13 to the dichroic mirror 15 disposed in the subsequent stage.
  • the dichroic mirror 15 reflects light having a specific wavelength (425 nm or more in the present embodiment) among transmitted light of the NO concentration measurement sensor 30 received via the lens 14 and transmits light having other wavelengths. Thereby, light with a specific wavelength (435 nm or more) can be separated from the transmitted light.
  • the 415 nm light quantity detection unit 16 takes out light having a wavelength near 415 nm from the light transmitted through the dichroic mirror 15 and detects the light quantity (hereinafter referred to as 415 nm light quantity). As shown in FIG. 1, the 415 nm light amount detection unit 16 includes a band pass filter (BPF) 16a, a lens 16b, a photodiode (PD) 16c, and a current / voltage conversion circuit 16d.
  • BPF band pass filter
  • PD photodiode
  • the band pass filter 16a transmits only light having a wavelength in the vicinity of 415 nm out of the light transmitted through the dichroic mirror 15.
  • the lens 16b guides the light in the vicinity of 415 nm that has passed through the bandpass filter 16a to the photodiode 16c disposed at the subsequent stage.
  • the photodiode 16c converts the light near 415 nm transmitted from the lens 16b into a current signal and outputs the current signal.
  • the current / voltage conversion circuit 16d converts the electrical signal sent from the photodiode 16c from a current value to a voltage value, and outputs the voltage value to the differential calculation processing unit 18 and the sensitivity correction processing unit 19.
  • the 435 nm light quantity detection unit 17 extracts light having a wavelength near 435 nm from the light reflected by the dichroic mirror 15 and detects the light quantity (hereinafter referred to as 435 nm light quantity). As shown in FIG. 1, the 435 nm light quantity detection unit 17 includes a band pass filter (BPF) 17a, a lens 17b, a photodiode (PD) 17c, and a current / voltage conversion circuit 17d.
  • BPF band pass filter
  • PD photodiode
  • the bandpass filter 17a transmits only light having a wavelength near 435 nm from the light reflected by the dichroic mirror 15.
  • the lens 17b guides the light near 435 nm transmitted through the bandpass filter 17a to the photodiode 17c disposed at the subsequent stage.
  • the photodiode 17c converts light near 435 nm sent from the lens 17b into a current signal and outputs the current signal.
  • the current / voltage conversion circuit 17d converts the current signal sent from the photodiode 17c from a current value to a voltage value, and outputs the voltage value to the differential calculation processing unit 18 and the sensitivity correction processing unit 19.
  • the differential calculation processing unit 18 converts the 415 nm light amount and 435 nm light amount (detection) converted into voltage values in the current / voltage conversion circuit 16d on the 415 nm light amount detection unit 16 side and the current / voltage conversion circuit 17d on the 435 nm light amount detection unit 17 side. (Sensitivity) difference is output.
  • the porphyrin carried on the above-described NO concentration measuring sensor 30 has an absorption point such as the light intensity at the peak wavelengths (415 nm and 435 nm) of the absorption spectrum, as shown in FIG. 3, depending on the degree of reaction with NO. Changes in the opposite direction. For example, when the NO concentration in exhaled breath introduced into the chamber 13 increases, the 415 nm light amount increases and the 435 nm light amount decreases. On the other hand, when the NO concentration in the exhaled breath introduced into the chamber 13 decreases, the 415 nm light amount decreases and the 435 nm light amount increases. In FIG.
  • the alternate long and short dash line indicates a transmission spectrum curve in which most cobalt in the detection region is divalent
  • the broken line indicates a transmission spectrum curve in which most cobalt in the detection region is trivalent
  • the solid line indicates detection. It is a transmission spectrum curve in a state where almost the same number of divalent cobalt and trivalent cobalt in the region are mixed.
  • both the 415 nm light amount and the 435 nm light amount are detected and the difference value is output in this way, thereby removing the common-mode noise and the voltage value (differential output value) resulting from the NO concentration. ) Increases. Therefore, for example, as compared with the case where only the amount of light of 415 nm is detected and the NO concentration is measured, it becomes easier to detect a minute change, and the detection sensitivity can be improved.
  • the sensitivity correction processing unit 19 receives respective outputs from the current / voltage conversion unit 16d on the 415 nm light amount detection unit 16 side and the differential calculation processing unit 18.
  • the sensitivity correction processing unit 19 is connected to a storage unit 20 that stores information necessary for NO concentration measurement and correction.
  • the storage unit 20 includes calibration data for converting the differential output value (voltage value) output from the differential arithmetic processing unit 18 into an NO concentration value, and differential output based on a 415 nm light amount described in detail later. Sensitivity correction information used for the correction is stored in advance.
  • the calibration data is data (formula or graph) showing the relationship between a standard substance whose amount and activity are known in advance and measurement data for the standard substance, and the amount and concentration of the substance, Used in quantitative experiments and tests to determine activity. Since the calibration data used in this embodiment is general, detailed description is omitted here.
  • the correlation straight line shown in FIG. 5 indicates that the zero-gas calibration is followed by introducing NO at concentrations of 10 ppb, 100 ppb, and 500 ppb into the chamber 13, and the change in the differential output at each 415 nm light amount and each NO concentration during zero gas calibration for a plurality of sensors.
  • the amount of change in the differential output of the NO concentration measurement sensor 30 increases when the amount of light at 415 nm decreases regardless of the NO concentration.
  • the change amount of the differential output of the NO concentration measurement sensor 30 decreases.
  • the light amount of 415 nm is large. This means that the amount of light absorption at 415 nm is small, and the amount of change in differential output decreases because a relatively small amount of porphyrin reacts with NO. Conversely, the fact that the amount of light at 415 nm is small means that light absorption at 415 nm This means that the amount of the differential output is increased because a relatively large amount of porphyrin has reacted with NO.
  • FIG. 6 is a graph showing the relationship between the slope of this correlation line and the amount of change in the differential output.
  • the amount of change in the differential output on the horizontal axis of the graph of FIG. 6 increases as the NO concentration increases and decreases as the NO concentration decreases, and thus has a strong correlation with the NO concentration.
  • the sensitivity correction processing unit 19 that has obtained the differential output from the differential calculation processing unit 18 uses the above equation (2) or the value based on the graph of FIG. By applying the numerical value on the horizontal axis, the value of the slope of the correlation line on the vertical axis can be obtained.
  • the NO concentration correction processing using the above formulas (1) and (2) (or the graphs of FIGS. 5 and 6) will be described in detail later.
  • the NO concentration measurement sensor 30 used in the nitrogen oxide concentration measurement apparatus 10 of the present embodiment is a transmission type sensor that transmits the irradiation light of the LED light source 11 described above, and a portion where the light is transmitted is shown in FIG. Porphyrin (CoT (dtBu) PP) is supported.
  • the NO concentration measurement sensor 30 is formed on, for example, a porphyrin (CoT (CoT (CoT (N)) shown in FIG. It is manufactured by dropping 10 ⁇ l of a solution having a concentration of 5E-5 mol / L obtained by dissolving dtBu) PP) in a solvent such as chloroform (special grade reagent) from a dropping nozzle having an inner diameter of 200 ⁇ m.
  • a porphyrin CoT (CoT (CoT (N) shown in FIG. It is manufactured by dropping 10 ⁇ l of a solution having a concentration of 5E-5 mol / L obtained by dissolving dtBu) PP) in a solvent such as chloroform (special grade reagent) from a dropping nozzle having an inner diameter of 200 ⁇ m.
  • a nonwoven fabric using PET fibers or a nonwoven fabric using cellulose fibers for example, FILTER PAPER grade 514A manufactured by ADVANTEC
  • a Musashi engineering company make shot master (with height control apparatus) can be used, for example.
  • the NO concentration measuring sensor 30 is used under the following conditions with respect to the height of the dropping nozzle, the discharge speed of the porphyrin, the discharge amount, and the like. Manufacturing. This is because if the aggregation state of porphyrin changes each time, the degree of correlation deteriorates and the sensitivity variation correction effect decreases.
  • FIG. 8 shows the variation in NO sensitivity when the dropping nozzle height is changed.
  • the horizontal axis represents the 415 nm light amount
  • the vertical axis represents 100 ppb NO sensitivity
  • the NO sensitivity in a 100 ppb NO concentration environment is shown for each drop nozzle height.
  • the dropping nozzle heights of ⁇ 40 ⁇ m, 0 ⁇ m, +50 ⁇ m, and ⁇ 20 ⁇ m shown in FIG. 8 are distances indicating the height from the surface of the base material 31 to the tip of the dropping nozzle, and the minus ( ⁇ ) value is as follows. This means that the nozzle tip is indented into the surface of the substrate 1.
  • the results of the dropping nozzle heights of 0 ⁇ m and ⁇ 20 ⁇ m show less variation than the other heights.
  • the horizontal axis represents the nozzle position
  • the vertical axis represents the R 2 value representing the degree of correlation
  • a graph representing the degree of correlation between the NO sensitivity and the 415 nm light amount in a 100 ppb NO concentration environment is shown.
  • the height of the dropping nozzle is preferably ⁇ 25 to 25 ⁇ m. It has been experimentally known that a sufficient sensitivity variation correction effect can be obtained when the R 2 value is 0.9 or more.
  • the LED light source 11 is in a state in which exhaled breath is introduced by an asthmatic patient or the like into the chamber 13 in which the NO concentration measuring sensor 30 is set. From the transmitted light of the light irradiated to the NO concentration measurement sensor 30, the change in the amount of light of a specific wavelength (415 nm, 435 nm) is detected, and using the differential output and the 415 nm light amount, The differential output (NO concentration value) is corrected using the correlation straight line shown in FIG.
  • Nitrogen oxide concentration measuring apparatus of the present embodiment 10 first, the 415 nm light quantity detection unit 16 detects the 415 nm light quantity in the light transmitted through the portion of the NO concentration measurement sensor 30 carrying the porphyrin in the state where the calibration zero gas is introduced into the chamber 13. The detection result is sent to the sensitivity correction processing unit 19 as a voltage value.
  • the differential calculation processing unit 18 subtracts the voltage value indicating the 435 nm light amount from the voltage value indicating the 415 nm light amount, calculates a difference value (differential output), and outputs it to the sensitivity correction processing unit 19.
  • exhaled air is introduced into the chamber 13, and the 415 nm light amount and 435 nm light amount of the light transmitted through the porphyrin-supported portion of the NO concentration measurement sensor 30 are converted into the 415 nm light amount detection unit 16 and the 435 nm light amount detection unit 17. And detect each.
  • the 415 nm light amount detection unit 16 and the 435 nm light amount detection unit 17 output the detection result as a voltage value to the differential operation processing unit 18, and the differential operation processing unit 18 indicates the 435 nm light amount from the voltage value indicating the 415 nm light amount.
  • the voltage value is subtracted, a difference value (differential output) is calculated and output to the sensitivity correction processing unit 19.
  • the sensitivity correction processing unit 19 receives the differential output value (voltage value) received from the differential calculation processing unit 18 and the sensitivity correction information stored in the storage unit 20 (in the present embodiment, the above formula ( 2)), the value of the slope of the correlation line shown in FIG. 5 is calculated. Specifically, the sensitivity correction processing unit 19 substitutes the value of the differential output as the value x in the above formula (2), and calculates the y value (the slope of the correlation line in FIG. 5).
  • sensitivity correction information for calculating the slope of the correlation line an equation may be used as in this embodiment, or a table showing the relationship between the differential output and the slope of the correlation line, or FIG. The graph shown can also be used.
  • the sensitivity correction processing unit 19 receives the voltage value indicating the 415 nm light amount received from the current / voltage conversion unit 16d of the 415 nm light amount detection unit 16 with respect to the calibration zero gas, and the preset 415 nm light amount shown in FIG.
  • the differential output is corrected based on the reference value and the y value (slope of the correlation line) calculated based on the mathematical expression (2).
  • FIG. 7 illustrates a straight line having a slope when the NO concentration is 100 ppb. However, since the magnitude of the slope changes in accordance with the NO concentration, the slope calculated by the equation (2) is actually used. It is assumed that the differential output is corrected using the correlation straight line.
  • the correction process will be described using a graph. As shown in FIG. 7, it is as if the measurement point is moved with respect to a preset reference value of 415 nm light amount along the correlation line. The measurement result is corrected as if the absorption amount has not changed.
  • the correction value is calculated by substituting 0.328 V, which is substantially in the center of the correlation line shown in FIG.
  • the voltage value (about 0.881) indicating the sensitivity after correction is calculated from the voltage value before correction (about 0.831) indicating the sensitivity at the point.
  • the sensitivity correction processing unit 19 can convert the corrected voltage value 0.0881 into a NO concentration using a calibration data line, and obtain a corrected NO concentration value.
  • the detection sensitivity for each NO concentration measuring sensor 30 due to variations in the amount of porphyrin absorption in the NO concentration measuring sensor 30 or the like. Can be suppressed. That is, by performing the correction control, it is possible to equivalently perform measurement with a constant amount of porphyrin absorption in the NO concentration measurement sensor 30. As a result, it is possible to perform highly accurate NO concentration measurement by correcting the sensitivity variation caused by variations in the porphyrin absorption amount for each NO concentration measurement sensor 30.
  • the measurement of the NO concentration it is possible to measure the NO concentration by detecting, for example, only a change in the amount of light of 415 nm without detecting the light of the two types of wavelengths.
  • two light detection units first and second light detection units are provided to detect the amount of change in the 415 nm light amount and the 435 nm light amount, respectively. It is preferable to take the difference value and measure the NO concentration.
  • an NO concentration measurement sensor carrying a porphyrin containing another metal as the central metal may be used. Even in this case, the NO concentration can be measured by detecting the amount of change in light of a predetermined wavelength that changes in response to NO.
  • a sensor including a base material that reflects irradiation light can be used.
  • a substrate that reflects light such as alumina, silicon, silicon carbide, gallium arsenide, ceramic, plastic, or metal, can be used as the sensor substrate.
  • a detection film containing porphyrin and having no base material may be used as the NO concentration measurement sensor.
  • the same effect as described above can be obtained by measuring the amount of light at the peak wavelength of the absorption spectrum that changes due to the reaction with NO. .
  • the nitrogen oxide concentration measuring device 110 is a device that measures the concentration of nitric oxide (NO) contained in exhaled breath of an asthmatic patient or the like. As will be described later, in this embodiment, the NO concentration measurement is performed based on the amount of light transmitted through the NO concentration measurement sensor 130. Details of the NO concentration measurement sensor 130 will be described later.
  • NO nitric oxide
  • the nitrogen oxide concentration measuring apparatus 110 includes a mouthpiece 111, a NO scrubber 112, a zero scrubber 113, a dryer 114, a chamber 115, valves 116 and 117, a compressor 119, and pipes connecting the respective parts.
  • the first path 181, the second path 182, and the third path 183 are formed by the pipe and the valves 116 and 117.
  • the first path 181 extends from the compressor 119 to the chamber 115 through the zero scrubber 113 and the dryer 114.
  • One end of the second path 182 is connected to the NO scrubber 112, and the other end is connected to the mouthpiece 111 via the valve 116.
  • the third path 183 extends from the mouthpiece 111 to the chamber 115 through the dryer 114 without passing through the zero scrubber 113.
  • the nitrogen oxide concentration measuring device 110 may include a flow rate measuring device that measures the flow rate or pressure of exhaled air and the atmosphere, a pressure gauge, a thermometer that detects temperature, and the like.
  • the mouthpiece 111 is formed so that the user can hit the mouth and breathe in.
  • the NO scrubber 112 has a hole for taking in air.
  • the NO scrubber 112 is configured to remove NO from the atmosphere by including, for example, potassium permanganate or activated carbon.
  • the zero scrubber 113 includes, for example, potassium permanganate and activated carbon, and is configured to remove NO from exhaled air that is blown from the mouthpiece 111. Note that the NO scrubber 112 and the zero scrubber 113 may be realized by a single scrubber.
  • the dryer 114 includes, for example, silica gel, and is configured to dehumidify exhaled breath.
  • the chamber 115 is a housing in which the NO concentration measurement sensor 130 is set, and has a gas inlet 115a through which exhaled air or the like is introduced and a gas outlet 115b through which the gas is discharged.
  • the nitrogen oxide concentration measuring apparatus 110 further includes an LED light source 121, a constant current driving circuit 122, a lens 123, a dichroic mirror 124, a 415 nm transmitted light amount detecting unit 125, a 435 nm transmitted light amount detecting unit 126, a differential.
  • An amplifier circuit 127, a control unit 128, and a storage unit 129 are provided.
  • the LED light source 121 irradiates light to the NO concentration measurement sensor 130 provided in the chamber 115 under a predetermined condition.
  • the constant current drive circuit 122 adjusts the amount of light emitted from the LED light source 121 to the NO concentration measurement sensor 130 by changing the current value applied to the LED light source 121 under the control of the control unit 128.
  • the lens 123 and the dichroic mirror 124 are arranged in this order between the chamber 115 and the 415 nm transmitted light amount detection unit 125 and the 435 nm transmitted light amount detection unit 126.
  • the dichroic mirror 124 transmits light in the vicinity of 415 nm among the transmitted light from the NO concentration measurement sensor 130 received via the lens 123 and reflects light of other wavelengths.
  • the 415 nm transmitted light amount detection unit 125 is disposed on the path of light transmitted through the dichroic mirror 124. As shown in FIG. 10, the 415 nm transmitted light amount detection unit 125 includes a band pass filter (BPF) 125a, a lens 125b, a photodiode (PD) 125c, and a current / voltage conversion circuit 125d.
  • BPF band pass filter
  • PD photodiode
  • 125d current / voltage conversion circuit
  • the band pass filter 125a is an optical filter that transmits only light in the vicinity of 415 nm. That is, the band pass filter 125a separates the 415 nm light from the light transmitted through the NO concentration measurement sensor 130 and the dichroic mirror 124 and guides it to the lens 125b.
  • the lens 125b guides the 415 nm light transmitted through the bandpass filter 125a to the photodiode 125c.
  • the photodiode 125c outputs a current having a magnitude corresponding to the amount of received light.
  • the current / voltage conversion circuit 125d converts the current sent from the photodiode 125c into a voltage and outputs the voltage to the differential amplifier circuit 127 and the control unit 128.
  • the 415 nm transmitted light amount detection unit 125 extracts 415 nm light from the light transmitted through the NO concentration measurement sensor 130 and detects the light amount.
  • the 435 nm transmitted light amount detection unit 126 is disposed on the path of light that has passed through the NO concentration measurement sensor 130 and has been reflected by the dichroic mirror 124. As shown in FIG. 10, the 435 nm transmitted light amount detection unit 126 includes a band pass filter 126a, a lens 126b, a photodiode 126c, and a current / voltage conversion circuit 126d.
  • the band pass filter 126a transmits only light around 435 nm.
  • the lens 126b guides the light transmitted through the band pass filter 126a to the photodiode 126c.
  • the photodiode 126c outputs a current having a magnitude corresponding to the amount of received light.
  • the current / voltage conversion circuit 126d converts the electrical signal sent from the photodiode 126c from a current value to a voltage value, and outputs the voltage value to the differential amplifier circuit 127.
  • the 435 nm transmitted light amount detection unit 126 extracts the 435 nm light from the light transmitted through the NO concentration measurement sensor 130 and detects the light amount.
  • the differential amplifier circuit 127 has a difference D () between the voltage value output from the 415 nm transmitted light amount detection unit 125 (that is, the signal V i ) and the voltage value output from the 435 nm transmitted light amount detection unit 126 (that is, the signal V ii ). V i ⁇ V ii ) is output to the control unit 128.
  • the control unit 128 controls the operation of each unit of the nitrogen oxide concentration measuring apparatus 110 and performs concentration calculation and the like.
  • the storage unit 129 stores data such as a calibration curve selection table and a calibration curve. The operation of the nitrogen oxide concentration measuring apparatus 110 will be described later.
  • the NO concentration measurement sensor 130 includes a base material and a metal complex of porphyrin or a derivative thereof supported on the base material (hereinafter sometimes simply referred to as “metal complex”).
  • the base material may be a reflective material such as alumina, or a material that allows light to pass through, such as a woven fabric, a nonwoven fabric, or a porous material formed of a polymer such as polyester, polypropylene, cellulose, or glass fiber.
  • a nonwoven fabric is a structure composed of fibers entangled without being woven, and in this specification, paper is also included in the nonwoven fabric. Examples of polyester include PET (polyethylene terephthalate). It is preferable that the metal complex has penetrated into the base material. For example, the metal complex may be immersed in the base material, or the NO concentration measurement sensor may be formed by a mixture of the metal complex and the base material.
  • the porphyrin derivative includes a substance in which an arbitrary substituent is bonded to the porphyrin skeleton.
  • the substituent include a hydrocarbon group such as an alkyl group, an alkylene group, and an aryl group which may be branched; an alkoxy group such as a methoxy group and an ethoxy group; a halogen group; a hydroxy group; an amino group; an imino group; A carbonyl group etc. are mentioned.
  • the NO concentration measurement sensor 130 includes a non-woven fabric and a metal complex carried on the non-woven fabric (that is, soaked into the non-woven fabric). Further, the NO concentration measuring sensor 130 is a CoT (dtBu) PP shown in FIG. 2 as a metal complex, that is, a Co complex of a porphyrin derivative having a tertiary butyl group (t-Bu) located at the 3,5-position of the phenyl group. Is provided.
  • CoT (dtBu) PP has an absorption peak in the vicinity of 415 nm to 420 nm when the valence of cobalt is 2 (Co (II)).
  • the valence of cobalt changes from divalent to trivalent (Co (III)) by exposure to NO.
  • Co (III) has an absorption peak in the vicinity of 435 nm to 440 nm.
  • the NO concentration is determined by comparing the amount of light transmitted at a predetermined wavelength from the NO concentration measurement sensor 130 before exposure to the gas to be detected with the amount of light transmitted at a predetermined wavelength from the NO concentration measurement sensor 130 after exposure. Can be measured.
  • the differences D1 and D2 between the signal corresponding to the transmitted light amount of 415 nm and the signal corresponding to the transmitted light amount of 435 nm are acquired before and after exposure of the NO concentration measuring sensor 130 to the detected gas. Further, the NO concentration is obtained based on the difference (D2 ⁇ D1) between the differences D1 and D2 and the calibration curve.
  • the wavelength of light used for detection can be changed depending on the configuration of the porphyrin or its derivative (type of substituent) and the metal element. That is, 415 nm is an example of the first wavelength, and 435 nm is an example of the second wavelength.
  • the nitrogen oxide concentration measuring apparatus 110 of the present embodiment initializes the NO concentration measuring sensor 130 to a cobalt (II) state before measuring the nitrogen oxide concentration. That is, the initialization means that the NO concentration measurement sensor 130 is not exposed to the detection target substance.
  • the central metal of the complex is cobalt, and as described above, the NO concentration is measured based on the change of the valence of cobalt from divalent to trivalent.
  • cobalt changes from Co (II) to Co (III) when the NO concentration measurement sensor 130 reacts with O 2 or nitrogen oxides in the atmosphere. Such a change reduces detection accuracy. Therefore, cobalt is reduced to Co (II) by initialization before exposure to the gas to be detected.
  • the initialization is executed by applying heat or light to the NO concentration measurement sensor 130.
  • the first path 181 is opened by the valves 116 and 117. That is, the compressor 119, the zero scrubber 113, and the dryer 114 are connected.
  • the atmospheric air sent by the compressor 119 is dehumidified by the zero scrubber 113, further dehumidified by the dryer 114, and enters the chamber 115.
  • the NO concentration measurement sensor 130 is exposed to the atmosphere from which NO has been removed.
  • the third path 183 is opened by the valves 116 and 117.
  • the breath enters the chamber 115 through the mouthpiece 111 and the dryer 114. Since exhalation does not pass through the zero scrubber 113 at this time, exhalation includes NO.
  • Exhaled air corresponds to the gas to be measured, and zero gas is a calibration gas for calibrating 0 ppb.
  • the third path 183 from the mouthpiece 111 to the chamber 115 without passing through the zero scrubber 113 is a measured gas exposure path for exposing the NO concentration measurement sensor 130 to the measured gas, and passes from the compressor 119 through the zero scrubber 113.
  • the first path 181 to the chamber 115 is a zero gas exposure path that exposes the NO concentration measurement sensor 130 to zero gas.
  • step S1 In the state where the NO concentration measurement sensor 130 is disposed in the chamber 115, initialization is performed as shown in FIG. 12 (step S1). Next, zero gas is introduced into the chamber 115 (step S2).
  • the initial signal V0 is acquired while the NO concentration measurement sensor 130 in the chamber 115 is exposed to zero gas (step S3). Specifically, it is as follows. First, when a current is applied from the constant current driving circuit 122 to the LED light source 121, the NO concentration measurement sensor 130 exposed to zero gas is irradiated with light.
  • the light transmitted through the NO concentration measurement sensor 130 passes through the lens 123 and enters the dichroic mirror 124.
  • the incident light is separated into light in the vicinity of 415 nm and other light by the dichroic mirror 124.
  • the light that has passed through the dichroic mirror 124 (that is, light in the vicinity of 415 nm) is incident on the 415 nm transmitted light amount detection unit 125, of which 415 nm light is transmitted through the bandpass filter 125a and guided to the photodiode 125c through the lens 125b. .
  • the current value output according to the amount of light received by the photodiode 125 c is converted into a voltage value by the current / voltage conversion circuit 125 d and output to the control unit 128.
  • the voltage signal thus generated is referred to as an initial signal V0.
  • the initial signal V0 corresponds to the amount of 415 nm light that has passed through the NO concentration measurement sensor 130 when exposed to zero gas.
  • control unit 128 selects one calibration curve to be used for conversion to concentration (that is, calibration) from the calibration curves I to III (FIG. 13) stored in the storage unit 129 (see FIG. 13). Step S4).
  • Calibration curves I to III are examples of a plurality of calibration information.
  • the calibration curves I to III have different correspondences between the NO concentration and the concentration signal. That is, the NO concentration corresponding to a certain concentration signal in at least a part of the calibration curve I is different from the NO concentration corresponding to the concentration signal in the calibration curve II or III. The same can be said for the calibration curves II and III.
  • the calibration information is not limited to three, and the number thereof may be changed.
  • the calibration curves I to III can be obtained experimentally.
  • the storage unit 129 further stores at least one threshold for selecting a calibration curve.
  • the storage unit 129 stores two threshold values 0.11 and 0.13.
  • the storage unit 29 stores the following calibration curve selection table.
  • the calibration curve I is selected, if the initial signal is 0.11 V or more and less than 0.13, the calibration curve II is selected, and if the initial signal is 0.13 or more.
  • Calibration curve III is selected (step S4).
  • the initial signal V0 generated as described above is output as the signal V i 1 to the differential amplifier circuit 127.
  • the light reflected by the dichroic mirror 124 that is, transmitted light other than near 415 nm enters the bandpass filter 126 a of the 435 nm transmitted light amount detection unit 126.
  • the 435 nm light that has passed through the band pass filter 126a is guided to the photodiode 126c through the lens 126b.
  • the current value output according to the amount of light received by the photodiode 126c is converted into a voltage value (that is, the signal V ii 1) by the current / voltage conversion circuit 126d.
  • the signal V ii 1 is output to the differential amplifier circuit 127.
  • exhalation that is, a gas to be measured is introduced into the chamber 115 (step S6).
  • the absorption spectrum of the metal complex contained in the NO concentration measurement sensor 130 fluctuates due to NO in the exhalation, and the amount of 415 nm light that passes through the NO concentration measurement sensor 130 increases and passes through the NO concentration measurement sensor 130.
  • the amount of light at 435 nm decreases.
  • the amount of change in the 415 nm light amount and the 435 nm light amount that passes through the NO concentration measurement sensor 130 depends on the amount of change in the NO concentration from the zero gas to the measurement gas.
  • the second difference D2 (V i 2 ⁇ V ii 2) is acquired (step S7).
  • a signal V i 2 that is a voltage corresponding to the 415 nm light amount transmitted through the NO concentration measurement sensor 130 is acquired by the 415 nm transmitted light amount detection unit 125
  • the signal V ii 2 which is a voltage corresponding to the 435 nm light amount transmitted through the NO concentration measurement sensor 130, is acquired by the 435 nm transmitted light amount detection unit 126.
  • the differential amplifier circuit 127 outputs the second difference D2 (V i 2 ⁇ V ii 2) to the control unit 128.
  • control unit 128 obtains the density signal C by obtaining the difference (D2-D1) between the first difference D1 and the second difference D2 (step S8).
  • the control unit 128 obtains the NO concentration (ppb) corresponding to the concentration signal C thus obtained from the calibration curve selected in step S4 (step S9).
  • the control unit 128 functions as a calibration information selection unit and a concentration determination unit.
  • the NO concentration measurement sensor 130 includes a base material that is infiltrated with a metal complex, such as a woven fabric, a non-woven fabric, or a porous body, variations in sensitivity are likely to occur even if manufactured under the same conditions. As a result, even if the exhaled breath contains the same concentration of NO, there is a possibility that different concentration values may be output as measurement results due to variations in sensitivity of the NO concentration measuring sensor.
  • a metal complex such as a woven fabric, a non-woven fabric, or a porous body
  • Such variation in sensitivity of the NO concentration measurement sensor correlates with the amount of transmitted light of the NO concentration measurement sensor before exposure to NO. That is, the smaller the transmitted light amount before exposure to NO, that is, the smaller the initial signal intensity, the greater the sensitivity (that is, the greater the amount of change in transmitted light amount for the same NO concentration), and the transmitted light amount before exposure to NO. The larger the value, the smaller the sensitivity (that is, the smaller the amount of change in the transmitted light amount for the same NO concentration).
  • the nitrogen oxide concentration measuring apparatus 110 of the present embodiment can suppress variations in measurement results by selecting different calibration curves according to the initial signal intensity.
  • the initial signal may be obtained from light having a wavelength other than 415 nm.
  • the base material of the NO concentration measurement sensor may be configured to reflect light, and the nitrogen oxide concentration measurement device detects the reflected light amount, not the transmitted light amount from the NO concentration measurement sensor.
  • a substrate that reflects light such as alumina, silicon, silicon carbide, gallium arsenide, ceramic, plastic, or metal, can be used as the sensor substrate.
  • a base material is not an essential structure.
  • the concentration is measured based on the change in the light amount of two types of wavelengths of 415 nm and 435 nm.
  • the nitrogen oxide concentration measuring device may be configured to measure the concentration based only on the change in the light amount of a single wavelength. That is, in the above-described embodiment, the 415 nm transmitted light amount detection unit 125 and the 435 nm transmitted light amount detection unit 126 are provided as the light detection units, but the present invention is not limited to this.
  • Calibration curves I to III are examples of calibration information. Four or more types of calibration information may be prepared, and the number of calibration curve selection thresholds can be changed according to the number of calibration information. It is considered that accurate measurement becomes possible as the number of types of calibration information and the number of threshold values increase.
  • the LED light source 121 is provided as a light irradiation part, the LED light source provided with the peak of a some wavelength (415 nm and 435 nm), or the some LED light source corresponding to a different wavelength May be provided.
  • FIG. 4 shows a part of the manufacturing process of the NO concentration measuring sensor 130 of this experimental example.
  • a cellulose fiber nonwoven fabric ADVANTEC FILTER PAPER grade 514A was cut into 10 mm ⁇ 15 mm scissors, dried in an atmosphere of 130 ° C. and 1.5 Hr, and used as the substrate 31.
  • Powder CoT (dtBu) PP was dissolved in chloroform (special grade reagent) to obtain a 5E-5 mol / L metal complex solution.
  • the metal complex solution was dropped onto the base material 31 under the conditions of a discharge amount: 10 ⁇ l, a discharge speed: 20 seconds, and a nozzle diameter of the dropping nozzle: ⁇ 200 using a shot master (with height control device) manufactured by Musashi Engineering.
  • the NO concentration measuring sensor was manufactured by changing the dropping nozzle height (the height from the surface of the base material 31 to the dropping nozzle).
  • the present inventors suppressed the variation in sensitivity of the NO concentration measurement sensor.
  • the height of the dropping nozzle is preferably -25 ⁇ m to 25 ⁇ m.
  • three NO concentration measurement sensors A to C manufactured with a nozzle height of 0 ⁇ m were used.
  • the compressed air from the gas cylinder 001 was increased to 2850 ml / min and introduced into the chamber as zero gas.
  • a signal representing the transmitted light amount of 415 nm at that time was obtained as an initial signal.
  • (+) NO gas is a gas containing NO, and is a gas to be measured that is used as simulated exhalation in this experimental example.
  • the mixing ratio of NO and compressed air was changed, and the NO concentration was adjusted to 100 ppb, 300 ppb, 500 ppb, 700 ppb, and 1000 ppb at a total flow rate of 3 L / min, and each (+) NO gas was sent into the chamber.
  • the mixing ratio of NO and compressed air is changed in the same manner, and the NO concentration is 10 ppb, 30 ppb, 50 ppb, or 70 ppb so that the total flow rate is 3 L / min. +) NO gas was prepared and fed into the chamber.
  • FIG. 14 is a graph showing the relationship between the concentration signal obtained by each NO concentration measurement sensor and the initial signal. As shown in FIG. 14, it was found that the slope increases as the actual NO concentration increases. That is, it was found that accurate concentration measurement was difficult with a single calibration curve.
  • the concentration signal of the NO concentration measurement sensor A is the calibration curve I
  • the concentration signal of the NO concentration measurement sensor B is the calibration curve II
  • the concentration signal of the NO concentration measurement sensor C is the calibration curve. Applying to III, the NO concentration was calculated.
  • the output value from the current / voltage conversion circuit 216d shown in FIG. 15 means a voltage value (V) corresponding to a detected light amount of 415 nm wavelength, and a differential with respect to a predetermined NO concentration change amount.
  • the amount of change in the output value from the arithmetic processing unit 218 means a voltage value (V) corresponding to sensitivity.
  • the nitrogen oxide concentration measuring apparatus 210 introduces exhaled air into a chamber 213 in which a nitrogen monoxide (NO) (nitrogen oxide) concentration measuring sensor 230 is loaded.
  • NO nitrogen monoxide
  • the amount of light at the peak wavelength of the absorption spectrum that changes depending on the degree of reaction between porphyrin (CoT (dtBu) PP) (see FIG. 2) carried on the concentration measuring sensor 230 and NO is detected, and the breathing of an asthma patient or the like is detected. It is a device that measures the concentration of NO contained. As shown in FIG.
  • the nitrogen oxide concentration measuring apparatus 210 includes an LED light source (light source unit) 211, a constant current drive circuit 212, a chamber 213, a lens 214, a dichroic mirror 215, and a 415 nm light amount detection unit (light detection unit). , First detection unit) 216, 435 nm light amount detection unit (light detection unit, second detection unit) 217, differential operation processing unit 218, control unit 219, and storage unit 220.
  • the LED light source 211 irradiates light to the NO concentration measuring sensor 230 provided in the chamber 213 under a predetermined condition.
  • the constant current drive circuit 212 is a circuit that determines a current value applied to the LED light source 211. By changing the applied current value, the amount of light emitted from the LED light source 211 (hereinafter referred to as LED light amount). .).
  • the constant current drive circuit 212 is connected to the control unit 219, and the measured current value is adjusted by feedback control based on a detected light amount of 415 nm wavelength, which will be described later.
  • the constant current drive circuit 212 applies an initialization current of 200 mA to the LED light source 211 when the NO concentration measurement sensor 230 is initialized, and measures 25 mA at the first application when measuring the NO concentration. A current is applied, and thereafter the measurement current is applied while being adjusted by feedback control.
  • initialization refers to the trivalent distribution of cobalt, which is the central metal of porphyrin, after a porphyrin solution is dropped on the substrate 31 (see FIG. 4) in the manufacturing stage of the NO concentration measurement sensor 230. This refers to the treatment of reducing oxygen bonded to divalent to bivalent.
  • the NO concentration measuring sensor 230 carrying porphyrin will be described in detail later.
  • the chamber 213 is a housing in which the NO concentration measurement sensor 230 is set, and has a gas inlet 213a through which exhaled air or the like is introduced and a gas outlet 213b through which the gas is discharged.
  • the lens 214 guides the light emitted from the LED light source 211 and transmitted through the NO concentration measurement sensor 230 set in the chamber 213 to the dichroic mirror 215 arranged at the subsequent stage.
  • the dichroic mirror 215 transmits light in the vicinity of a specific wavelength (415 nm in the present embodiment) among the transmitted light of the NO concentration measurement sensor 230 received via the lens 214, and reflects light of other wavelengths. As a result, only light having a specific wavelength (415 nm) can be extracted from the transmitted light.
  • the 415 nm light amount detection unit 216 takes out light having a wavelength of 415 nm from the light transmitted through the dichroic mirror 215 and detects the light amount (hereinafter referred to as 415 nm light amount). As shown in FIG. 15, the 415 nm light quantity detection unit 216 includes a band pass filter (BPF) 216a, a lens 216b, a photodiode (PD) 216c, and a current / voltage conversion circuit 216d.
  • BPF band pass filter
  • PD photodiode
  • the band-pass filter 216a transmits light having a wavelength near 415 nm from the light transmitted through the dichroic mirror 215.
  • the lens 216b guides light around 415 nm transmitted through the bandpass filter 216a to the photodiode 216c disposed at the subsequent stage.
  • the photodiode 216c converts the light around 415 nm transmitted from the lens 216b into an electrical signal and outputs the electrical signal.
  • the current / voltage conversion circuit 216d converts the electrical signal sent from the photodiode 216c from a current value to a voltage value, and outputs the voltage value to the differential operation processing unit 218 and the control unit 219.
  • the 435 nm light quantity detection unit 217 takes out light having a wavelength of 435 nm reflected by the dichroic mirror 215 and detects the light quantity (hereinafter referred to as 435 nm light quantity). As shown in FIG. 15, the 435 nm light quantity detection unit 217 includes a band pass filter (BPF) 217a, a lens 217b, a photodiode (PD) 217c, and a current / voltage conversion circuit 217d.
  • BPF band pass filter
  • PD photodiode
  • the band pass filter 217a transmits light having a wavelength near 435 nm reflected by the dichroic mirror 215.
  • the lens 217b guides the light around 435 nm transmitted through the bandpass filter 217a to the photodiode 217c disposed at the subsequent stage.
  • the photodiode 217c converts the light around 435 nm transmitted from the lens 217b into an electrical signal and outputs the electrical signal.
  • the current / voltage conversion circuit 217d converts the electrical signal sent from the photodiode 217c from a current value to a voltage value, and outputs it to the differential operation processing unit 218 and the control unit 219.
  • the differential arithmetic processing unit 218 includes a difference between the 415 nm light amount and the 435 nm light amount converted into voltage values in the current / voltage conversion circuit 216d on the 415 nm light amount detection unit 216 side and the current / voltage conversion circuit 217d on the 435 nm light amount detection unit 217 side. Is output.
  • the porphyrin supported on the NO concentration measuring sensor 230 described above has light absorption at 415 nm and 435 nm, which are the peak wavelengths of the absorption spectrum, as shown in FIG. 3 according to the degree of reaction with NO. It changes in the opposite direction with For example, when the NO concentration in exhaled breath introduced into the chamber 213 increases, the 415 nm light amount increases and the 435 nm light amount decreases. On the other hand, when the NO concentration in the exhaled breath introduced into the chamber 213 decreases, the 415 nm light amount increases and the 435 nm light amount decreases. In FIG.
  • the alternate long and short dash line is the transmission spectrum curve of divalent cobalt
  • the broken line is the transmission spectrum curve of trivalent cobalt
  • the solid line is the spectrum when divalent cobalt and trivalent cobalt are mixed. It is a curve which shows.
  • the amount of change in the voltage value (differential output value) due to the NO concentration increases. To do. Therefore, for example, compared with a case where only the amount of light of 415 nm is detected and the NO concentration is measured, it becomes easier to detect a minute change and the detection sensitivity can be improved.
  • the control unit 219 receives outputs from the current / voltage conversion unit 216d and the differential calculation processing unit 218 on the 415 nm light amount detection unit 216 side.
  • the control unit 219 is connected to a storage unit 220 that stores information (formula, calibration curve, etc.) necessary for NO concentration measurement.
  • the control unit 219 is connected to a constant current drive circuit 212 that adjusts the LED light amount of the LED light source 211, and performs feedback control based on a 415 nm light amount described later.
  • the storage unit 220 stores a mathematical expression (or calibration curve) or the like for converting the differential output value (voltage value) output from the differential calculation processing unit 218 into a NO concentration value.
  • the control unit 219 converts the voltage value into the concentration value by substituting the differential output of the 415 nm light amount and the 435 nm light amount into a mathematical formula or the like stored in the storage unit 220 to calculate the NO concentration value. be able to.
  • the calibration curve is a graph showing the relationship between a standard substance whose amount and activity are known in advance and measurement data for the standard substance, and a quantitative determination for determining the quantity, concentration, activity, etc. of the substance. Used in experimental experiments and inspections.
  • the calibration curve used in the present embodiment is a graph created by collecting the same data using a plurality of NO concentration measurement sensors 230 when conditions are determined and using the average value (see, for example, FIG. 19). ).
  • Such a calibration curve is shown as a graph that varies depending on the substrate, the porphyrin concentration, the dripping condition of the porphyrin solution, and other conditions, and FIG. 19 is merely an example.
  • the NO concentration measuring sensor 230 used in the nitrogen oxide concentration measuring apparatus 210 of the present embodiment is a transmission type sensor that transmits the irradiation light of the LED light source 211 described above, and a portion where the light is transmitted is shown in FIG. Porphyrin (CoT (dtBu) PP) is supported.
  • the NO concentration measurement sensor 230 is formed on a base material 31 made of, for example, paper (cellulose) or PET (Polyethylene terephthalate) fiber nonwoven fabric, for example, porphyrin (CoT (dtBu) PP shown in FIG. 2. ) Is dissolved in a solvent such as chloroform (special grade reagent) or the like, and a solution having a concentration of 1E-3 mol / L to 1E-6 mol / L is dropped from a dropping nozzle having an inner diameter of 50 ⁇ m to 1 mm by 0.5 ⁇ l to 30 ⁇ l. Is done.
  • a solvent such as chloroform (special grade reagent) or the like
  • the concentration of the porphyrin solution is determined by the light absorption amount that varies depending on the material, thickness, basis weight, etc. of the sensor substrate, and is a concentration at which the light absorption amount at 415 nm or 435 nm is 30% to 80%.
  • the nozzle diameter is less than 50 ⁇ m, the manufacturing cost becomes high, and depending on the dropping time and the dropping amount, the internal pressure becomes high and there is a possibility of liquid leakage.
  • it exceeds 1 mm there exists a concern of the density
  • a PET fiber nonwoven fabric or a cellulose fiber nonwoven fabric for example, FILTER PAPER grade 514A manufactured by ADVANTEC
  • a Musashi engineering shot master for example, a Musashi engineering shot master (with height control apparatus) can be used, for example.
  • the NO concentration measurement sensor 230 is manufactured under the following conditions with respect to the height of the dropping nozzle, the discharge speed of the porphyrin, the discharge amount, and the like.
  • the height of the dropping nozzle was 5 ⁇ m
  • the discharge amount was 10 ⁇ l
  • the discharge speed was 20 seconds
  • the nozzle diameter of the dropping nozzle was ⁇ 200
  • the substrate was paper (FILTER®PAPER® grade 514A manufactured by ADVANTEC).
  • FIG. 8 shows the variation in NO sensitivity when the height of the dropping nozzle is changed.
  • the horizontal axis represents the amount of light of 415 nm
  • the vertical axis represents the 100 ppb NO sensitivity
  • the NO sensitivity under the NO sensitivity environment of 100 ppb is shown for each height of the dropping nozzle.
  • the dropping nozzle heights of ⁇ 40 ⁇ m, 0 ⁇ m, +50 ⁇ m, and ⁇ 20 ⁇ m shown in FIG. 8 are distances indicating the height from the surface of the base material 31 to the tip of the dropping nozzle, and the minus ( ⁇ ) value is as follows. This means that the nozzle tip is indented into the surface of the base material 31.
  • FIG 9 shows a graph representing the correlation between the NO sensitivity and 415nm light amount in the NO concentration environment of 100 ppb.
  • the height of the dropping nozzle is preferably ⁇ 25 ⁇ m to 25 ⁇ m.
  • the LED light source 211 is in a state where an exhaled breath is introduced by an asthmatic patient or the like into a chamber 213 in which an NO concentration measuring sensor 230 is set.
  • the amount of light having a specific wavelength (415 nm, 435 nm) among the transmitted light irradiated to the NO concentration measurement sensor 230 is detected, and the voltage value of the differential output is stored in the storage unit 220.
  • the NO concentration is calculated using a mathematical formula and a calibration curve.
  • the present embodiment at the time of NO concentration measurement, in order to suppress a decrease in measurement accuracy due to variations in sensitivity of the NO concentration measurement sensor 230, temperature characteristics of the LED light source 211, changes in light quantity due to aging, and the like, 219 performs feedback control for adjusting the LED light amount emitted from the LED light source 211 so that the 415 nm light amount (voltage value) output from the 415 nm light amount detection unit 216 when the initial NO concentration gas is introduced is constant.
  • each of the plurality of NO concentration measurement sensors 230 is irradiated with light of the same LED light amount from the LED light source 211 to measure each 415 nm light amount.
  • FIG. 16 it is known from experimental results that the NO detection sensitivity of the NO concentration measurement sensor 230 before the feedback control varies greatly regardless of the NO concentration. Specifically, for example, at a concentration of 100 ppb NO, it can be seen that the amount of light at 415 nm varies in the range of about 1.4 V to about 2.3 V, and the NO detection sensitivity also varies in the range of 0.023 V to 0.036 V.
  • the CV value indicating the degree (ratio) of the sensor sensitivity variation of 15 NO concentration measurement sensors 230 with respect to the average value is 6.43%.
  • Met the degree (ratio) of the sensor sensitivity variation of 15 NO concentration measurement sensors 230 with respect to the average value.
  • a correlation line indicating the relationship between the 415 nm light amount and the NO detection sensitivity when the NO concentration is 20 ppb and 200 ppb is also shown by a graph. As shown in FIG. 16, it can be seen that the slope of this correlation line changes when the NO concentration changes.
  • the LED current value applied to the LED light source 211 (LED light amount emitted from the LED light source 211). It has been found from experimental results that the NO detection sensitivity changes with the increase / decrease. Specifically, as shown in FIG. 17, when the LED current value is increased to 25 mA and 30 mA, the NO detection sensitivity decreases to 0.052 (V) and 0.044 (V). Conversely, when the LED current value is reduced to 20 mA and 15 mA, the NO detection sensitivity increases to 0.064 (V) and 0.081 (V).
  • the relationship between the LED current value and the NO detection sensitivity has a correlation as shown in FIG. That is, it can be seen from the experimental results shown in FIG. 17 that the amount of light emitted from the LED light source 211 can be controlled and the NO detection sensitivity can be controlled to some extent by adjusting the LED current value.
  • the constant current driving circuit is set so that the 415 nm light amount at the initial NO concentration gas introduction detected by the 415 nm light amount detection unit 216 has a constant value.
  • the LED light amount irradiated from the LED light source 211 via 212 is feedback-controlled.
  • Example 1 In the nitrogen oxide concentration measuring apparatus 210 of the present embodiment, using the configuration shown in FIG. 20, first, the porphyrin of the NO concentration measuring sensor 230 was supported in the state where Air with an NO concentration of 0 ppb was introduced into the chamber 213. Of the light transmitted through the portion, the 415 nm light quantity is detected by the 415 nm light quantity detection unit 216.
  • the 415 nm light amount detection unit 216 outputs the detection result to the control unit 219.
  • the control unit 219 feedback-controls the LED light amount emitted from the LED light source 211 so that the detected voltage value indicating the 415 nm light amount becomes a preset target value.
  • the constant current drive circuit 212 changes the LED light source 211 so that the 415 nm light amount (voltage value) at the time of introducing the 0 ppb concentration NO gas becomes a predetermined target value (for example, 1.0 V). The current value applied to the control is controlled.
  • Such feedback control may be performed so that a certain value (for example, 1.0 V) as a target value is reached by a single feedback, or the target value is gradually divided into a plurality of times. You may perform feedback control so that it may approach.
  • a certain value for example, 1.0 V
  • the control unit 219 controls the constant current driving circuit 212 so that the corrected LED current for substantially matching the 415 nm light amount and the target value is applied to the LED light source 211.
  • the differential output in the 415 nm light quantity detection unit 216 at the time of introducing the 0 ppb NO concentration gas and at the time of exhalation is calculated using the equation corresponding to the calibration curve stored in the storage unit 220 in advance, the NO concentration value (ppb) Is converted to
  • the NO concentration value obtained here is obtained as a measurement result in a state in which the variation in the NO detection sensitivity shown in FIG. 18 is suppressed by the feedback control described above, and therefore acquired as a highly accurate corrected NO concentration. Can do.
  • the feedback control of the LED light amount is performed based on the 415 nm light amount, thereby causing a variation in the thickness of the base material 231 in the NO concentration measuring sensor 230. It is possible to suppress variations in detection sensitivity for each NO concentration measurement sensor 230 due to variations in the amount of porphyrin impregnated. That is, by performing the correction control, it is possible to equivalently perform measurement with a constant amount of porphyrin absorption in the NO concentration measurement sensor 230.
  • the 415 nm light amount becomes a target constant value.
  • the NO concentration can be measured in a state in which such variation is absorbed.
  • the NO sensitivity may be calculated by detecting the amount of light having a 435 nm wavelength that reacts in a phase opposite to that of the 415 nm wavelength.
  • Example 2 In the present embodiment, using the configuration shown in FIG. 21, first, among the light that has passed through the portion of the NO concentration measurement sensor 230 on which the porphyrin is carried in the state where Air with an NO concentration of 0 ppb is introduced into the chamber 213, The 415 nm light quantity is detected by the 415 nm light quantity detection unit 216.
  • the 415 nm light amount detection unit 216 outputs the detection result to the control unit 219.
  • the control unit 219 feedback-controls the LED light amount emitted from the LED light source 211 so that the detected voltage value indicating the 415 nm light amount becomes a preset target value.
  • the constant current drive circuit 212 changes the LED light source 211 so that the 415 nm light amount (voltage value) at the time of introducing the 0 ppb concentration NO gas becomes a predetermined target value (for example, 1.0 V). The current value applied to the control is controlled.
  • Such feedback control may be performed so that a certain value (for example, 1.0 V) as a target value is reached by a single feedback, or the target value is gradually divided into a plurality of times. You may perform feedback control so that it may approach.
  • a certain value for example, 1.0 V
  • the control unit 219 controls the constant current driving circuit 212 so that the corrected LED current for substantially matching the 415 nm light amount and the target value is applied to the LED light source 211.
  • the detected output is converted into a NO concentration value (ppb) using a mathematical expression corresponding to a calibration curve stored in advance in the storage unit 220.
  • ppb a NO concentration value
  • the NO sensitivity is calculated based on the output difference between before and after exhalation (NO exposure) with a light quantity of another wavelength (435 nm).
  • the 415 nm light amount becomes a target constant value.
  • the NO concentration can be measured in a state in which such variation is absorbed.
  • the output of the light of 415 nm wavelength before and after the introduction (NO exposure) of the light of 415 nm wavelength is controlled so that the amount of LED light emitted from the LED light source 211 is always constant by feedback control of the light amount at the 0 ppb NO concentration of 435 nm wavelength.
  • the NO sensitivity may be calculated based on the difference.
  • Example 3 In the present embodiment, using the configuration shown in FIG. 22, first, among the light transmitted through the portion of the NO concentration measurement sensor 230 on which the porphyrin is supported in the state where Air with an NO concentration of 0 ppb is introduced into the chamber 213, The 415 nm light quantity is detected by the 415 nm light quantity detection unit 216.
  • the 415 nm light amount detection unit 216 outputs the detection result to the control unit 219.
  • the control unit 219 feedback-controls the LED light amount emitted from the LED light source 211 so that the detected voltage value indicating the 415 nm light amount becomes a preset target value.
  • the constant current drive circuit 212 changes the LED light source 211 so that the 415 nm light amount (voltage value) at the time of introducing the 0 ppb concentration NO gas becomes a predetermined target value (for example, 1.0 V). The current value applied to the control is controlled.
  • Such feedback control may be performed so that a certain value (for example, 1.0 V) as a target value is reached by a single feedback, or the target value is gradually divided into a plurality of times. You may perform feedback control so that it may approach.
  • a certain value for example, 1.0 V
  • the control unit 219 controls the constant current driving circuit 212 so that the corrected LED current for substantially matching the 415 nm light amount and the target value is applied to the LED light source 211.
  • the sum of the absolute values of the detected variations of the 415 nm light amount and the 435 nm light amount, or the differential output is set to the NO concentration value (ppb) using an equation corresponding to a calibration curve stored in the storage unit 220 in advance. Converted.
  • the NO sensitivity is calculated based on the output difference between before and after exhalation (NO exposure) of the light quantity of two wavelengths (415 nm and 435 nm).
  • the 415 nm light amount becomes a target constant value.
  • the NO concentration can be measured in a state in which such variation is absorbed. Further, the NO concentration can be measured by reducing the common mode noise of 415 nm and 435 nm.
  • the NO sensitivity is calculated based on the output difference between the light amount of 415 nm wavelength and the light amount of 435 nm wavelength before and after the introduction of exhalation, not based on the output difference between the light amount of 435 nm wavelength and the light amount of 415 nm wavelength before and after the introduction of exhalation. Also good.
  • Example 4 In the present embodiment, similarly to the third embodiment, by using the configuration shown in FIG. 22, the light amount of the 415 nm wavelength output from the current / voltage conversion circuit 216d of the 415 nm light amount detection unit 216 is always constant. Based on the sum of the absolute value of the output difference (differential output) before and after exhalation introduction (NO exposure) between the light amount of 415 nm wavelength and the light amount of 435 nm wavelength while feedback controlling the LED light amount of the LED light source 211, the NO sensitivity is adjusted. calculate.
  • the LED light amount of the LED light source 211 is feedback controlled so that the light amount of the 435 nm wavelength output from the current / voltage conversion circuit 217d of the 435 nm light amount detection unit 217 is always constant.
  • the NO sensitivity may be calculated based on the sum of the absolute values of the output difference (differential output) before and after exhalation introduction (NO exposure) between the light amount of 435 nm and the light amount of 435 nm wavelength.
  • an NO concentration measurement sensor carrying a porphyrin containing another metal as the central metal may be used. Even in this case, the NO concentration can be measured by detecting the amount of change in the absorption spectrum of light having a predetermined wavelength by reacting with NO.
  • a sensor including a base material that reflects irradiation light can be used.
  • a substrate that reflects light such as alumina, silicon, silicon carbide, gallium arsenide, ceramic, plastic, or metal, can be used as the sensor substrate.
  • the same effect as described above can be obtained by measuring the amount of light at the peak wavelength of the absorption spectrum that changes due to the reaction with NO. .
  • the nitrogen oxide concentration measuring apparatus of the present invention has been described by taking an example of measuring the concentration of NO (nitrogen monoxide) contained in exhaled breath.
  • the present invention is not limited to this.
  • the nitrogen oxide concentration measuring apparatus of the present invention can also measure the concentration of nitrogen dioxide.
  • FIG. 23 is a graph showing sensor sensitivity by exposure to 250 ppb NO 2 .
  • the nitrogen oxide concentration measuring apparatus of the present invention can detect a reaction with respect to nitrogen dioxide similarly to nitrogen monoxide. Therefore, the nitrogen oxide concentration measuring apparatus of the present invention can measure not only the NO concentration but also the NO 2 concentration.
  • Example 5 In the present embodiment, as shown in FIG. 24, an example in which the sensitivity variation is corrected will be described using a graph showing the relationship between the 415 nm light amount detected by the 415 nm light amount detection unit and the 100 ppb NO sensitivity.
  • the inclination correction is performed in each zone in which the horizontal axis (415 nm light amount) of the graph is divided into a plurality of zones. An example will be described.
  • the zone is divided into A zone, B zone, and C zone, and as shown in FIGS. 25 (a) to 25 (c), in each zone, Tilt correction was performed.
  • the graph of FIG. 25A is the A zone shown in the graph of FIG. 24
  • the graph of FIG. 25B is the B zone shown in the graph of FIG. 24
  • the graph of FIG. 25C is the graph of FIG. Each corresponds to the C zone shown.
  • the CV value of the sensitivity variation in each zone is A zone: 2.15%, Bane: 3.12%, C zone: 2 It was 96%. That is, when the inclination correction is performed on the measurement result included in the graph divided into three on the horizontal axis, the CV value is 2 as compared with the original inclination correction data (CV value: 5.42%) that is not divided. It was found that the accuracy of sensitivity correction can be drastically improved from .15% to 3.12%.
  • each of the zones A to C is independent. It was found that the sensitivity variation can be suppressed by using the calibration curve.
  • Example 6 As an application example of the feedback correction described in the third embodiment, an example in which this feedback correction is performed in each zone obtained by dividing the horizontal axis (415 nm light amount) of the graph into a plurality will be described.
  • the output of 415 nm (for example, the horizontal axis shown in FIG. 24) at the time of zero gas exposure is divided into three zones A, B, and C, and the measurement results in the respective zones are obtained.
  • feedback control was performed so that the amount of light at a wavelength of 415 nm was A zone: 0.16 V, B zone: 0.185 V, and C zone: 0.21 V, and 100 ppb NO sensitivity was measured again.
  • the CV values in each zone were A zone: 2.19%, B zone: 2.51%, and C zone: 1.86%. That is, the CV value is 1.86% to 2.19% compared to the original non-divided tilt correction data (CV value: 5.42%), which can dramatically improve the sensitivity correction accuracy. I understood that I could do it.
  • the nitrogen oxide concentration measurement device of the present invention performs highly accurate measurement of nitrogen oxide concentration by suppressing detection errors caused by variations in sensitivity for each sensor, temperature characteristics of the light source section, and light quantity changes due to aging. Therefore, the present invention can be widely applied to sensors that measure the concentration of nitrogen oxides.
  • Nitrogen oxide concentration measuring device 11 LED light source (light source part) 12 constant current drive circuit 13 chamber 13a gas inlet 13b gas outlet 14 lens 15 dichroic mirror 16 415 nm light quantity detector (light detector, first detector) 16a Band pass filter 16b Lens 16c Photodiode 16d Current / voltage conversion circuit 17 435 nm light quantity detection unit (light detection unit, second detection unit) 17a Bandpass Filter 17b Lens 17c Photodiode 17d Current / Voltage Conversion Circuit 18 Differential Operation Processing Unit 19 Control Unit 20 Storage Unit 30 NO Concentration Measurement Sensor 31 Base Material 110 Nitrogen Oxide Concentration Measurement Device 111 Mouthpiece 112 NO Scrubber 113 Zero Scrubber 114 Dryer 115 Chamber 115a Gas inlet 115b Gas outlet 116 Valve 117 Valve 118 Valve 119 Compressor 121 LED light source 122 Constant current drive circuit 123 Lens 124 Dichroic mirror 125 415 nm transmitted light amount detection unit 125a Band pass filter 125b Lens 125c

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By The Use Of Chemical Reactions (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

 窒素酸化物濃度測定装置は、ポルフィンまたはその誘導体の金属錯体を基材に分布させたセンサに光を照射して所定の波長の光の量を検出して窒素酸化物濃度の測定を行う窒素酸化物濃度測定装置であって、窒素酸化物濃度測定センサに対して光を照射する光源部と、窒素酸化物濃度測定センサにおいて透過あるいは反射した光のうち所定の波長を有する光の量を検出する光検出部と、ゼロガスに暴露中に光検出部から出力される所定の波長の光の量を較正値に合わせるように光検出部における検出結果を補正する制御部と、を備えている。

Description

窒素酸化物濃度測定装置
 本発明は、喘息等による気管支の炎症の程度を示す指標となる一酸化窒素等のガス濃度を測定する窒素酸化物濃度測定装置に関する。
 一酸化窒素(以下、NOと言う。)は、筋弛緩因子の本体として発見されて以来、NOの生理作用が明らかになったことで、NO濃度の測定結果が、神経情報伝達物質や感染症の程度を示す指標として利用されている。
 特に、呼気中のNO濃度の測定結果を、近年増え続ける喘息やアレルギーによる気道感染の程度を示す指標として用いることで、患者に負担をかけない非侵襲での疾病の診断が可能になるとして注目されている。呼気中のNOガス濃度は、正常人では2ppb~20ppbであるが、喘息やアレルギーなどの気道炎症時には約3倍に増大することが知られている。そのため、呼気NOガスを測定することで、患者の気道炎症の程度の判定や、喘息治療薬の投薬量の決定など喘息の治療指針に利用できる。
 従来、呼気中に含まれるNOの濃度測定方法では、患者の呼気中に含まれるNOを減圧下でオゾンと反応させて、その際に発する光を検出する化学発光法NO測定器を用いていた。しかしながら、この化学発光法では、オゾン発生装置など高価な周辺装置が必要な上、保守管理が難しいという問題がある。
 そのため、喘息患者が、病院、もしくは自宅で毎日NOの濃度を測定して、喘息の自己管理を行うためには、安価かつ小型で、ガス選択性に優れ、高感度な呼気中NO濃度測定装置が必要とされる。
 例えば、特許文献1には、ポルフィリンを分散した高分子からなる検知膜をアルミナ基板上に形成し、検知膜に照射した光の反射光を検出光として検出し、検知膜が測定ガスに接触する前後の検出光の変化に基づいて測定ガスの濃度を計算する技術について記載されている。
 また、特許文献2では、ポルフィリンを検知膜として用いたNO濃度測定センサとして、基板上にコバルトを中心金属とするポルフィリンを担持させたものが用いられている。
 さらに、特許文献3には、車の排気温センサと、排気温センサのロット間での感度のバラつきを補正する制御部と、を備えるセンサモジュールが開示されている。
特開平10-62350号公報 国際公開第2010/061536号 特開平9-264768号公報
 しかしながら、上記従来の窒素酸化物濃度測定装置では、以下に示すような問題点を有している。
 すなわち、上記公報に開示された窒素酸化物濃度測定装置では、NO濃度を測定するためのセンサの基材として、反射光を検出するために光を反射させる材料(アルミナ)や、透過光を検出するために光を透過させる材料(例えば、紙(セルロース)やPET(Polyethylene terephthalate)を繊維とする不織布)を用いているが、特に、紙や不織布のように繊維を編んだ不均質な基材を用いた場合には、同じ条件でポルフィリン溶液を滴下しても、基材の厚み等に起因してセンサごとに感度がバラついてしまうおそれがある。この結果、ポルフィリン濃度の高いセンサと低いセンサとで光の吸収量に差が生じるため、センサの感度バラつきが発生し、患者の呼気に同じ濃度のNOが含まれている場合でも、異なる濃度値が測定結果として出力されるおそれがある。
 本発明の課題は、センサごとの感度のバラつきによる検出誤差を抑制して、高精度にNO等の窒素酸化物の濃度を測定することが可能な窒素酸化物濃度測定装置を提供することにある。
 本発明の窒素酸化物濃度測定装置は、ポルフィリンまたはその誘導体の金属錯体を基材に分布させたセンサに光を照射して所定の波長の光の量を検出して窒素酸化物の濃度の測定を行う窒素酸化物濃度測定装置であって、光源部と、光検出部と、制御部と、を備えている。光源部は、窒素酸化物濃度測定センサに対して光を照射する。光検出部は、窒素酸化物濃度測定センサにおいて透過あるいは反射した光のうち、所定の波長を有する光の量を検出する。制御部は、ゼロガスに暴露中に光検出部から出力される所定の波長の光の量を較正値に合わせるように、光検出部における検出結果を補正する。
本発明の一実施形態に係る窒素酸化物濃度測定装置の構成を示すブロック図。 図1の窒素酸化物濃度測定装置において用いられるNO濃度測定センサに担持されるポルフィリン(CoTPP)の構造を示す図。 図1の窒素酸化物濃度測定装置において用いられるNO濃度測定センサの吸収スペクトルを示すグラフ。 図1の窒素酸化物濃度測定装置において用いられるNO濃度測定センサの製造方法を示す模式図。 NO濃度が10ppb,100ppb,500ppbの条件下において、図1の窒素酸化物濃度測定装置の415nm光量検出部においてゼロガス較正時に検出される415nm光量とNO濃度測定センサのNO検出感度との相関関係を表す相関直線を示すグラフ。 図5に示す相関直線の傾きと差動演算処理部の出力との関係を示すグラフ。 NO濃度が100ppbの条件下において、図1の窒素酸化物濃度測定装置における測定値の補正方法を示すグラフ。 100ppbのNO濃度環境下におけるNO感度と滴下ノズルの高さとの関係を表すグラフ。 100ppbのNO濃度環境下におけるNO感度とゼロガス較正時の415nm光量との相関関係を表すグラフ。 本発明の他の実施形態に係る窒素酸化物濃度測定装置の構成を示すブロック図。 窒素酸化物濃度測定装置の詳細な構成を示すブロック図。 窒素酸化物濃度測定装置におけるNO濃度測定のフローチャート。 濃度信号とNO濃度との関係を示す検量線。 異なる3つのNO濃度測定センサを用いて得られた初期信号、及び既知の濃度のNOを含有するガスについて各NO濃度測定センサを用いて得られた濃度信号を示すグラフ。 本発明の一実施形態に係る窒素酸化物濃度測定装置の構成を示すブロック図。 NO濃度が20ppb、100ppb、200ppbの条件下において、図15の窒素酸化物濃度測定装置の415nm光量検出部において検出される415nm光量に対するNO濃度測定センサのフィードバック制御前のNO感度のバラつきを示すグラフ。 NO濃度が100ppbの条件下において、図15のLED光源のLED電流値を変化させたときのNO検出感度の変化を示すグラフ。 図16に示すNO濃度測定センサごとの測定結果を、一定の415nm光量の値(1.0V)に集めたときのフィードバック制御後のNO感度のバラつきを示すグラフ。 NO感度(V)からNO濃度(ppb)を算出するための検量線の一例を示すグラフ。 本発明の実施例1に係る窒素酸化物濃度測定装置の構成を示すブロック図。 本発明の実施例2に係る窒素酸化物濃度測定装置の構成を示すブロック図。 本発明の実施例3,4に係る窒素酸化物濃度測定装置の構成を示すブロック図。 250ppb濃度のNO2を暴露した際のセンサ感度を示すグラフ。 415nm光量に対する100ppbNO感度の測定結果に対して傾き補正を行った結果を示すグラフ。 (a)~(c)は、図24のグラフをA,B,Cゾーンに3分割し、それぞれのゾーンにおいて傾き補正を行った結果を示すグラフ。
 以下の各実施形態においては、本発明の窒素酸化物濃度測定装置の一例として、窒素酸化物濃度測定装置10,110,210について説明する。
 [実施形態1]
 本発明の一実施形態に係る窒素酸化物濃度測定装置10について、図1~図9を用いて説明すれば以下の通りである。
 なお、本実施形態では、図1に示す電流・電圧変換回路16dからの出力値は415nm波長の光量に相当する電圧値(V)を意味しており、差動演算処理部18からの出力値は感度に相当する電圧値(V)を意味するものとする。
 [窒素酸化物濃度測定装置10の構成]
 本実施形態に係る窒素酸化物濃度測定装置10は、図1に示すように、一酸化窒素(NO)濃度測定センサ30が装填されたチャンバ13内に呼気を導入し、NO濃度測定センサ30に担持されたポルフィリンのCo金属錯体(CoT(dtBu)PP)(図2参照)とNOとの反応の程度によって変化する吸収スペクトルのピーク波長の光量変化を検出して、喘息患者等の呼気中に含まれるNO濃度の測定を行う装置である。そして、窒素酸化物濃度測定装置10は、図1に示すように、ゼロガス較正部99、LED光源(光源部)11、定電流駆動回路12、チャンバ13、レンズ14、ダイクロイックミラー15、415nm光量検出部(光検出部、第1検出部)16、435nm光量検出部(光検出部、第2検出部)17、差動演算処理部18、感度補正処理部(制御部)19、および記憶部20を備えている。
 ゼロガス較正部99は、チャンバ13内に設けられたNO濃度測定センサ30に対して、0ppbのガスを流すことで、0ppbに対する差動演算処理部18の出力を較正する。
 LED光源11は、チャンバ13内に設けられたNO濃度測定センサ30に対して、所定の条件下において光を照射する。
 定電流駆動回路12は、LED光源11へ印加される電流値を決める回路であって、印加する電流値を変化させることで、LED光源11から照射される光の量を調整する。本実施形態では、定電流駆動回路12は、LED光源11に対して、NO濃度測定センサ30のイニシャライズ時に700mAのイニシャライズ電流を印加するとともに、NO濃度を測定する際には40mAの測定電流を印加する。なお、本実施形態において、イニシャライズとは、NO濃度測定センサ30の製造段階において、基材31(図4参照)上にポルフィリン溶液を滴下して乾燥させた後、ポルフィリンの中心金属であるコバルトを3価から2価に還元する処理をいう。ポルフィリンが担持されたNO濃度測定センサ30については、後段にて詳述する。
 チャンバ13は、内部にNO濃度測定センサ30がセットされる筐体であって、呼気等が導入されるガス導入口13aとこれを排出するガス排出口13bとを有している。
 レンズ14は、LED光源11から照射されチャンバ13内にセットされたNO濃度測定センサ30を透過した光を、後段に配置されたダイクロイックミラー15へと導く。
 ダイクロイックミラー15は、レンズ14を介して受け取ったNO濃度測定センサ30の透過光のうち、特定の波長(本実施形態では425nm以上)の光を反射し、その他の波長の光を透過する。これにより、透過光の中から特定の波長(435nm以上)の光を分離することができる。
 415nm光量検出部16は、ダイクロイックミラー15を透過した光の中から、415nm近傍の波長の光を取り出してその光量(以下、415nm光量と示す。)を検出する。そして、415nm光量検出部16は、図1に示すように、バンドパスフィルタ(BPF)16a、レンズ16b、フォトダイオード(PD)16c、および電流・電圧変換回路16dを有している。
 バンドパスフィルタ16aは、ダイクロイックミラー15を透過してきた光の中から、415nm近傍の波長の光だけを透過させる。
 レンズ16bは、バンドパスフィルタ16aを透過した415nm近傍の光を、後段に配置されたフォトダイオード16cへ導く。
 フォトダイオード16cは、レンズ16bから送られてきた415nm近傍の光を電流信号に変換して出力する。
 電流・電圧変換回路16dは、フォトダイオード16cから送られてきた電気信号を、電流値から電圧値に変換して、差動演算処理部18および感度補正処理部19に出力する。
 435nm光量検出部17は、ダイクロイックミラー15において反射した光から435nm近傍の波長の光を取り出してその光量(以下、435nm光量と示す。)を検出する。そして、435nm光量検出部17は、図1に示すように、バンドパスフィルタ(BPF)17a、レンズ17b、フォトダイオード(PD)17c、および電流・電圧変換回路17dを有している。
 バンドパスフィルタ17aは、ダイクロイックミラー15において反射された光から435nm近傍の波長の光だけを透過させる。
 レンズ17bは、バンドパスフィルタ17aを透過した435nm近傍の光を、後段に配置されたフォトダイオード17cへ導く。
 フォトダイオード17cは、レンズ17bから送られてきた435nm近傍の光を電流信号に変換して出力する。
 電流・電圧変換回路17dは、フォトダイオード17cから送られてきた電流信号を、電流値から電圧値に変換して、差動演算処理部18および感度補正処理部19に出力する。
 差動演算処理部18は、415nm光量検出部16側の電流・電圧変換回路16dと435nm光量検出部17側の電流・電圧変換回路17dとにおいて電圧値に変換された415nm光量、435nm光量(検出感度)の差分を出力する。
 ここで、上述したNO濃度測定センサ30に担持されたポルフィリンは、NOとの反応の程度に応じて、図3に示すように、吸収スペクトルのピーク波長(415nmと435nm)の光量ガ等吸収点をもって逆方向へ変化する。例えば、チャンバ13に導入された呼気中のNO濃度が上がると、415nm光量は上昇し、435nm光量は減少する。一方、チャンバ13に導入された呼気中のNO濃度が下がると、415nm光量は減少し、435nm光量は上昇する。なお、図3において、一点鎖線は検知領域内にあるほとんどのコバルトが2価の状態の透過スペクトル曲線、破線は検知領域内にあるほとんどのコバルトが3価の状態の透過スペクトル曲線、実線は検知領域内にある2価のコバルトと3価のコバルトがほぼ同数混在している状態の透過スペクトル曲線である。
 本実施形態では、このように415nm光量、435nm光量の光量の双方を検出してその差分値を出力することで、同相ノイズを除去するとともに、NO濃度に起因する電圧値(差動出力の値)の変化量が増大する。よって、例えば、415nm光量だけを検出してNO濃度を測定する場合と比較して、より微小な変化を検出しやすくなり、検出感度を向上させることができる。
 感度補正処理部19は、415nm光量検出部16側の電流・電圧変換部16d、および差動演算処理部18からそれぞれの出力が入力される。また、感度補正処理部19には、NO濃度測定や補正に必要な情報を記憶する記憶部20が接続されている。
 記憶部20は、差動演算処理部18から出力された差動出力の値(電圧値)をNO濃度値に変換するための較正データや、後段にて詳述する415nm光量に基づく差動出力の補正に用いられる感度補正情報が予め保存されている。
 なお、上記較正データとは、予め量・活性等のわかっている標準物質と、それに対する測定データとの間の関係を示したデータ(数式、あるいはグラフ)であって、物質の量や濃度、活性などを求める定量的実験・検査で用いられる。本実施形態で用いられる較正データは、一般的なものであるため、ここでは詳しい説明を省略する。
 (記憶部20に記憶された情報)
 ここで、記憶部20に記憶されている情報のうち、415nm光量に基づく差動出力の補正に用いられる感度補正情報について説明すれば以下の通りである。
 すなわち、実験結果から、複数のNO濃度測定センサ30の特定のNO濃度に対する差動出力の変化量とゼロガス較正時のコバルトの2価の状態を示す波長(本実施形態では415nm)の光量との間には相関関係があり、これをグラフで示した場合、図5に示すように、実験結果をプロットした点を最小二乗法によって直線で示すと、比較的強い相関を持ちながら、ほぼ直線状の相関を示すことが分かった。そして、この相関直線は、例えば、100ppbのNO濃度の場合では、以下の数式(1)によって表される。そして、その相関の度合いは、R2=0.9465と、強い相関となった。
   y=-0.2486x+0.1668・・・・・(1)
 図5に示す相関直線は、ゼロガス較正後、10ppb,100ppb,500ppbの濃度のNOをチャンバ13内に導入して、複数のセンサに対するゼロガス較正時の415nm光量と各NO濃度における差動出力の変化量との相関関係を示したグラフであって、各相関直線は、NO濃度に関わらず、415nm光量が小さくなった場合には、NO濃度測定センサ30の差動出力の変化量は上昇し、415nm光量が大きくなった場合には、NO濃度測定センサ30の差動出力の変化量は低下することを示している。
 このような相関関係となる要因としては、以下のような理由が考えられる。
 つまり、NO濃度測定センサ30の光が透過する部分における基材の厚みやポルフィリン溶液濃度、ポルフィリン溶液の滴下量等がばらつくことによるポルフィリン担持量がばらついている場合において、415nm光量が大きいということは415nmの光吸収量が小さいことを意味し、相対的に少量のポルフィリンがNOと反応したために差動出力の変化量が減っており、逆に、415nm光量が小さいということは、415nmの光吸収量が大きいことを意味し、相対的に多くのポルフィリンがNOと反応したために差動出力の変化量が増えていることを意味する。
 このため、図5に示すように、同じ濃度(100ppb)のNOを導入した場合でも、NO濃度測定センサ30の光が透過する部分における基材31が厚くポルフィリンの担持量が多いとNO検出感度が高くなり、逆に、NO濃度測定センサ30の光が透過する部分における基材31の厚みが薄くポルフィリンの担持量が少ないとNO検出感度が低くなってしまう。これにより、NO濃度測定センサ30ごとの基材31の厚みや繊維の編み具合等によるポルフィリンの担持量のバラつきに起因して、NO濃度測定センサ30ごとのNO検出感度にバラつきが生じているものと考えられる。
 また、図5に示す相関直線は、実験結果によって、NO濃度によってその傾きが変化することが分かっている。
 図6は、この相関直線の傾きと差動出力の変化量との関係を示したグラフである。
 ここで、図6のグラフの横軸の差動出力の変化量は、NO濃度が高くなると上昇し、NO濃度が低くなると低下することから、NO濃度と強い相関がある。そして、このグラフにおいて、NO濃度別(10ppb,30ppb,100ppb,300ppb,1000ppb)の差動出力の変化量と各NO濃度における相関直線の傾きの関係を求めた実験結果は、R2=0.9968と強い相関関係を示しており、相関直線を最小二乗法によって求めると、
   y=-2.5152x-0.0186・・・・・(2)
で表される直線となる。具体的には、図6に示すグラフは、NO濃度が低い場合には相関直線の傾きが小さく、NO濃度が高い場合には相関直線の傾きが大きくなることを示している。
 よって、実際のNO濃度測定時には、差動演算処理部18からの差動出力を得た感度補正処理部19は、上記数式(2)を用いて、あるいは図6のグラフに基づいてその値を横軸の数値に当てはめて、縦軸の相関直線の傾きの値を求めることができる。
 なお、上記数式(1)および(2)(あるいは、図5および図6のグラフ)を利用したNO濃度の補正処理については、後段にて詳述する。
 [NO濃度測定センサ30]
 本実施形態の窒素酸化物濃度測定装置10で用いられるNO濃度測定センサ30は、上述したLED光源11の照射光を透過させる透過型のセンサであって、光が透過する部分に図2に示すポルフィリン(CoT(dtBu)PP)が担持されている。
 また、NO濃度測定センサ30は、図4に示すように、例えば、紙(セルロース)やPET(Polyethylene terephthalate)繊維を用いた不織布からなる基材31に、例えば、図2に示すポルフィリン(CoT(dtBu)PP)の粉末を、クロロホルム(試薬特級)等の溶剤に溶かした5E-5mol/L濃度の溶液を、内径200μmの滴下ノズルから10μlずつ滴下して製造される。
 基材31としては、例えば、PET繊維を用いた不織布やセルロース系繊維を用いた不織布(例えばADVANTEC社製FILTER PAPER グレード514A等)を用いることができる。
 また、ポルフィリン溶液を基材31上に滴下する液体吐出装置としては、例えば、武蔵エンジニアリング社製ショットマスター(高さ制御装置付)を用いることができる。
 本実施形態では、ポルフィリンを毎回同程度の凝集状態で基材31に浸透させるために、滴下ノズルの高さ、ポルフィリンの吐出速度、吐出量等について、以下のような条件でNO濃度測定センサ30を製造する。ポルフィリンの凝集状態が毎回変わると、相関の度合いが悪化し、感度バラつき補正効果が下がるからである。
 具体的には、滴下ノズルの高さ:0~5μm、吐出量:10μl、吐出速度:20秒、滴下ノズルのノズル径:φ200、基材:紙(グレード514A)とした。
 図8では、滴下ノズル高さを変えた場合のNO感度のバラつきを示した。図8には、横軸を415nm光量、縦軸を100ppbNO感度とし、100ppbのNO濃度環境下におけるNO感度を滴下ノズルの高さごとに示している。なお、図8に示す滴下ノズル高さ-40μm、0μm、+50μm、-20μmとは、基材31の表面から滴下ノズル先端までの高さを示す距離であって、マイナス(-)の値については、基材1の表面にノズル先端がめり込んだ状態を意味している。
 このグラフから分かるように、滴下ノズルの高さ0μm、-20μmの結果が、他の高さよりもバラつきが小さいことが分かる。
 図9には、横軸をノズル位置、縦軸を相関の度合いを表すR2値とし、100ppbのNO濃度環境下におけるNO感度と415nm光量との相関の高さを表すグラフを示している。
 このグラフから分かるように、R2値を0.9以上とするためには、滴下ノズルの高さは、-25~25μmであることが好ましい。なお、R2値が0.9以上になれば、十分な感度バラつき補正効果が得られることが、実験により分かっている。
 以上の条件下においてポルフィリン溶液を滴下して製造することで、NO濃度測定センサ30ごとのポルフィリンの凝集状態の変化による感度バラつきを抑制することができる。そして、以下の補正制御との組み合わせによって、感度バラつきを最小限とすることができる。
 <NO濃度の測定と測定値の補正制御>
 本実施形態の窒素酸化物濃度測定装置10では、図1に示すように、NO濃度測定センサ30が内部にセットされたチャンバ13内に、喘息患者等が呼気を導入した状態で、LED光源11からNO濃度測定センサ30に対して照射された光の透過光のうち、特定の波長(415nm,435nm)の光の量の変化を検出し、それらの差動出力と415nm光量とを用いて、図5に示す相関直線を利用して、差動出力(NO濃度値)の補正を行う。
 ここでは、上記構成を用いて呼気中に含まれるNO濃度を実際に測定し、その測定値を補正するまでの制御の流れについて以下で具体的に説明する
 本実施形態の窒素酸化物濃度測定装置10では、まず、チャンバ13内に較正用のゼロガスが導入された状態でNO濃度測定センサ30のポルフィリンが担持された部分を透過した光のうち、415nm光量を、415nm光量検出部16において検出し、その検出結果を電圧値として感度補正処理部19に対して送る。
 次に、差動演算処理部18では、415nm光量を示す電圧値から435nm光量を示す電圧値を減算し、差分値(差動出力)を算出して感度補正処理部19に対して出力する。
 次に、チャンバ13内に呼気を導入し、NO濃度測定センサ30のポルフィリンが担持された部分を透過した光のうち、415nm光量と435nm光量とを、415nm光量検出部16と435nm光量検出部17とでそれぞれ検出する。
 415nm光量検出部16および435nm光量検出部17は、その検出結果を電圧値として差動演算処理部18へと出力し、差動演算処理部18では、415nm光量を示す電圧値から435nm光量を示す電圧値を減算し、差分値(差動出力)を算出して感度補正処理部19に対して出力する。
 次に、感度補正処理部19は、差動演算処理部18から受け取った差動出力の値(電圧値)と、記憶部20に記憶されている感度補正情報(本実施形態では、上記数式(2))とに基づいて、図5に示す相関直線の傾きの値を算出する。具体的には、感度補正処理部19は、差動出力の値を上記数式(2)のxの値として代入し、y値(図5の相関直線の傾き)を算出する。
 なお、相関直線の傾きを算出するための感度補正情報としては、本実施形態のように数式を用いてもよいし、差動出力と相関直線の傾きとの関係を示すテーブル、あるいは図6に示すグラフを用いることもできる。
 次に、感度補正処理部19は、較正用ゼロガスに対して415nm光量検出部16の電流・電圧変換部16dから受けとった415nm光量を示す電圧値と、図7に示す予め設定されている415nm光量の基準値、および数式(2)に基づいて算出されたy値(相関直線の傾き)とに基づいて、差動出力の補正を行う。なお、差動出力の補正値は、下記の式によって求められる。
   (差動出力の補正値)=差動出力-(相関直線の傾き)×(ゼロガス較正時の415nm光量-415nm光量の基準値)
 図7では、NO濃度が100ppbの場合の傾きを持つ直線を例示しているが、実際には、NO濃度に応じて傾きの大きさは変化するため、数式(2)によって算出された傾きを持つ相関直線を利用して差動出力の補正を行うものとする。
 ここで、この補正処理についてグラフを用いて説明すると、図7に示すように、相関直線に沿って、予め設定されている415nm光量の基準値に対して、測定点を移動させることで、あたかも吸収量が変化していないかのように、測定結果を補正することになる。なお、本実施形態では、一例として、図7に示す相関直線のほぼ中央に当たる0.328Vを目標値として数式の値xに代入することで、補正値を算出しており、補正値は、測定点における感度を示す補正前の電圧値(約0.831)から補正後の感度を示す電圧値(約0.881)として算出される。
 次に、感度補正処理部19は、補正後の電圧値0.0881を、較正データ線を用いてNO濃度に換算し、補正後のNO濃度値を得ることができる。
 本実施形態の窒素酸化物濃度測定装置10では、以上のような補正制御を実施することにより、NO濃度測定センサ30におけるポルフィリンの吸収量のバラつき等に起因するNO濃度測定センサ30ごとの検出感度のバラつきを抑制することができる。つまり、上記補正制御を実施することにより、NO濃度測定センサ30におけるポルフィリンの吸収量等が一定での測定を等価的に実施することができる。
 この結果、NO濃度測定センサ30ごとのポルフィリンの吸収量のバラつき等に起因して生じる感度のバラつきを補正して、高精度なNO濃度測定を実施することができる。
 [他の実施形態]
 以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
 (A)
 上記実施形態では、中心金属としてコバルトを含むポルフィリンを担持させたNO濃度測定センサを用いて、415nm光量および435nm光量を検出することでNO濃度の測定を実施した例を挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限定されるものではない。
 NO濃度の測定としては、上記2種類の波長の光を検出することなく、例えば、415nm光量の変化だけを検出して、NO濃度の測定を実施することも可能である。
 ただし、検出感度を容易に増大できるという面では、上記実施形態のように、2つの光検出部(第1・第2光検出部)を備え、415nm光量および435nm光量の変化量をそれぞれ検出し、その差分値を取ってNO濃度を測定することが好ましい。
 (B)
 上記実施形態では、中心金属としてコバルトを含むポルフィリンを担持させたNO濃度測定センサを用いてNO濃度の測定を実施した例を挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限定されるものではない。
 例えば、中心金属として他の金属を含むポルフィリンを担持させたNO濃度測定センサを用いてもよい。
 この場合でも、NOと反応して変化する所定の波長の光の変化量を検出することで、NO濃度の測定を実施することができる。
 (C)
 上記実施形態では、中心金属としてコバルトを含むポルフィリンを担持させたNO濃度測定センサに対して照射された光の透過光を検出して、NO濃度を測定する例を挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限定されるものではない。
 例えば、照射光を反射する基材を含むセンサを用いることも可能である。
 この場合には、センサの基材として、アルミナやシリコン、シリコンカーバイト、ガリウム砒素、セラミック、プラスチック、金属等の光を反射する基材を用いることができる。
 (D)
 上記実施形態では、紙やセルロース繊維からなる基材31にポルフィリンを担持させたNO濃度測定センサを用いた例を挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限定されるものではない。
 例えば、NO濃度測定センサとして、ポルフィリンを含み、基材を持たない検知膜を用いてもよい。あるいは、PET繊維のようなセルロース以外の繊維による不織布を基材とするセンサを用いてもよい。
 (E)
 上記実施形態では、ポルフィリン(CoT(dtBu)PP)を含むNO濃度測定センサ30を用いてNO濃度を測定する例を挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限定されるものではない。
 例えば、ポルフィリンの誘導体の金属錯体を含むNO濃度測定センサを用いた場合でも、NOとの反応によって変化する吸収スペクトルのピーク波長の光量を測定することで、上記と同様の効果を得ることができる。
 [実施形態2]
 本発明の他の実施形態に係る窒素酸化物濃度測定装置110について、図10~図14を用いて説明すれば以下の通りである。
 [窒素酸化物濃度測定装置110の構成]
 本実施形態に係る窒素酸化物濃度測定装置110は、喘息患者等の呼気中に含まれる一酸化窒素(NO)濃度の測定を行う装置である。後述するように、本実施形態では特にNO濃度測定センサ130の透過光量に基づいてNO濃度測定が行われる。NO濃度測定センサ130の詳細については後述する。
 図10に示すように、窒素酸化物濃度測定装置110は、マウスピース111、NOスクラバ112、ゼロスクラバ113、ドライヤ114、チャンバ115、バルブ116及び117、コンプレッサ119並びに各部を繋ぐ管を備える。
 管並びにバルブ116及び117によって、第1経路181、第2経路182、第3経路183が形成される。第1経路181は、コンプレッサ119から、ゼロスクラバ113、ドライヤ114を通って、チャンバ115まで至る。第2経路182の一端は、NOスクラバ112に接続されており、他端がバルブ116を介してマウスピース111に接続されている。第3経路183は、マウスピース111から、ゼロスクラバ113を通らずに、ドライヤ114を通って、チャンバ115まで至る。
 なお、図示しないが、窒素酸化物濃度測定装置110は、呼気及び大気の流量又は圧力を測定する流量測定器、圧力計、温度を検出する温度計等を備えてもよい。
 マウスピース111は、使用者が口を当てて息を吹き込むことができるように形成されている。
 NOスクラバ112は、大気を取り込む孔を有している。NOスクラバ112は、例えば過マンガン酸カリウムや活性炭を備えることで、大気からNOを除くように構成されている。
 ゼロスクラバ113は、例えば過マンガン酸カリウムや活性炭を備えることで、マウスピース111から吹き込まれる呼気からNOを除くように構成されている。尚、NOスクラバ112とゼロスクラバ113とが、単一のスクラバで実現されてもよい。
 ドライヤ114は、例えばシリカゲルを備えることで、呼気を除湿するように構成されている。
 チャンバ115は、その内部にNO濃度測定センサ130がセットされる筐体であって、呼気等が導入されるガス導入口115aとこれを排出するガス排出口115bとを有している。
 コンプレッサ119は、大気をゼロスクラバ113に送り込む。
 図11に示すように、窒素酸化物濃度測定装置110はさらに、LED光源121、定電流駆動回路122、レンズ123、ダイクロイックミラー124、415nm透過光量検出部125、435nm透過光量検出部126、差動増幅回路127、制御部128、および記憶部129を備えている。
 LED光源121は、チャンバ115内に設けられたNO濃度測定センサ130に対して、所定の条件下において光を照射する。
 定電流駆動回路122は、制御部128の制御の下、LED光源121に印加する電流値を変化させることで、LED光源121からNO濃度測定センサ130に照射される光量を調整する。
 レンズ123及びダイクロイックミラー124は、チャンバ115と415nm透過光量検出部125及び435nm透過光量検出部126との間に、この順に配置される。ダイクロイックミラー124は、レンズ123を介して受け取ったNO濃度測定センサ130からの透過光のうち、415nm付近の光を透過し、その他の波長の光を反射する。
 415nm透過光量検出部125は、ダイクロイックミラー124を透過した光の進路上に配置される。415nm透過光量検出部125は、図10に示すように、バンドパスフィルタ(BPF)125a、レンズ125b、フォトダイオード(PD)125c、および電流/電圧変換回路125dを備える。
 バンドパスフィルタ125aは、415nm付近の光だけを透過させる光学フィルタである。すなわち、バンドパスフィルタ125aは、NO濃度測定センサ130及びダイクロイックミラー124を透過した光から415nm光を分離して、レンズ125bへ導く。
 レンズ125bは、バンドパスフィルタ125aを透過した415nm光を、フォトダイオード125cへ導く。
 フォトダイオード125cは、受光量に応じた大きさの電流を出力する。
 電流/電圧変換回路125dは、フォトダイオード125cから送られてきた電流から電圧に変換して、差動増幅回路127および制御部128に出力する。
 以上の構成により、415nm透過光量検出部125は、NO濃度測定センサ130を透過した光の中から、415nm光を取り出してその光量を検出する。
 435nm透過光量検出部126は、NO濃度測定センサ130を透過し、ダイクロイックミラー124で反射された光の進路上に配置される。そして、435nm透過光量検出部126は、図10に示すように、バンドパスフィルタ126a、レンズ126b、フォトダイオード126c、および電流/電圧変換回路126dを備える。
 バンドパスフィルタ126aは、435nm付近の光だけを透過させる。
 レンズ126bは、バンドパスフィルタ126aを透過した光をフォトダイオード126cへ導く。
 フォトダイオード126cは、受光量に応じた大きさの電流を出力する。
 電流/電圧変換回路126dは、フォトダイオード126cから送られてきた電気信号を、電流値から電圧値に変換して、差動増幅回路127に出力する。
 以上の構成により、435nm透過光量検出部126は、NO濃度測定センサ130を透過した光の中から、435nm光を取り出してその光量を検出する。
 差動増幅回路127は、415nm透過光量検出部125から出力された電圧値(すなわち信号Vi)と、435nm透過光量検出部126から出力された電圧値(すなわち信号Vii)との差分D(Vi-Vii)を制御部128に出力する。
 制御部128は、窒素酸化物濃度測定装置110の各部の動作を制御し、また濃度算出等を行う。
 記憶部129には、後述するように、検量線選択用テーブル及び検量線等のデータが保存される。
 窒素酸化物濃度測定装置110の動作については、後述する。
 [NO濃度測定センサ130]
 NO濃度測定センサ130は、基材と、基材に担持された、ポルフィリン又はその誘導体の金属錯体(以下、単に「金属錯体」と称することがある)とを備える。
 基材は、アルミナ等の反射材であってもよいし、ポリエステル、ポリプロピレン、セルロース等のポリマー又はガラス繊維等で形成された織布、不織布、多孔体等の、光を通すことのできる素材であってもよい。不織布は、織られずに絡まった繊維で構成された構造物であり、本明細書では紙も不織布に包含される。ポリエステルとして、例えばPET(ポリエチレンテレフタレート)が挙げられる。金属錯体は、基材中に入り込んでいることが好ましい。例えば、金属錯体は基材中に浸み込んでいてもよいし、金属錯体と基材材料との混合物によってNO濃度測定センサが形成されていてもよい。
 金属錯体としては、窒素酸化物に暴露されることでその透過スペクトル(吸収スペクトルと言い換えてもよい)が変化するものが用いられる。
 ポルフィリンの誘導体は、ポルフィリン骨格に任意の置換基が結合した物質を包含する。置換基としては、分岐してもよいアルキル基、アルキレン基、及びアリール基等の炭化水素基;メトキシ基及びエトキシ基等のアルコキシ基;ハロゲン基;ヒドロキシ基;アミノ基;イミノ基;ニトロ基;カルボニル基等が挙げられる。
 金属錯体において、ポルフィリンと配位結合を形成する金属としては、コバルト、鉄、マグネシウム、ニッケル、亜鉛、バナジウム等が挙げられる。
 本実施形態では、NO濃度測定センサ130は、不織布と、不織布に担持された(つまり不織布に染み込んだ)金属錯体とを備える。また、NO濃度測定センサ130は、金属錯体として、図2に示すCoT(dtBu)PP、すなわちフェニル基の3,5位に位置するターシャリーブチル基(t-Bu)を有するポルフィリン誘導体のCo錯体を備える。
 図3に示すように、CoT(dtBu)PPは、コバルトの価数が2であるとき(Co(II))、415nm~420nm付近に吸光ピークを有する。コバルトの価数は、NOに暴露することで二価から三価(Co(III))に変化する。Co(III)は、435nm~440nm付近に吸収ピークを有する。CoT(dtBu)PPを備えるNO濃度測定センサ130が被検出ガスに暴露されたとき、被検出ガス中のNO濃度変化量が大きければ、吸収スペクトルの変化は大きく、NO濃度変化量が小さければ、吸収スペクトルの変化は小さい。
 よって、被検出ガスに暴露する前のNO濃度測定センサ130からの所定波長の透過光量と、暴露した後のNO濃度測定センサ130からの所定波長の透過光量とを比較することで、NO濃度を測定することができる。
 本実施形態では、後述するように、415nm透過光量に対応する信号と435nm透過光量に対応する信号との差分D1及びD2がNO濃度測定センサ130の被検出ガス暴露の前後で取得される。さらにこの差分D1及びD2の差分(D2-D1)と、検量線とに基づいて、NO濃度が求められる。
 なお、ポルフィリン又はその誘導体の構成(置換基の種類)及び金属元素に応じて、検出に用いられる光の波長は変更可能である。つまり、415nmは、第1波長の一例であり、435nmは第2波長の一例である。
 後述するように、本実施形態の窒素酸化物濃度測定装置110は、窒素酸化物濃度の測定の前に、NO濃度測定センサ130をコバルト(II)の状態にイニシャライズする。つまり、イニシャライズとは、NO濃度測定センサ130を検出対象物質に暴露していない状態とすることである。本実施形態では、錯体の中心金属はコバルトであり、上述したように、コバルトの価数の二価から三価への変化に基づいてNO濃度が測定される。しかし、被検出ガスに暴露しなくても、NO濃度測定センサ130が大気中のO2又は窒素酸化物等と反応することでコバルトはCo(II)からCo(III)に変化する。このような変化は、検出精度を低下させる。よって、被検出ガスに暴露する前に、イニシャライズによって、コバルトがCo(II)に還元される。
 イニシャライズは、NO濃度測定センサ130に熱又は光を加えることで実行される。
 [窒素酸化物濃度測定装置110の動作]
 (1)呼気の取り込み
 使用者の呼気は以下のように取り込まれる。なお、バルブ116~118による経路の切り換えは、制御部128の制御の下で行われる。
 まず、バルブ116及び117によって第1経路181が開通する。つまり、コンプレッサ119、ゼロスクラバ113、及びドライヤ114が接続される。コンプレッサ119によって送り込まれた大気は、ゼロスクラバ113によってNOを除かれ、さらにドライヤ114で除湿されて、チャンバ115に入る。こうして、NOが除かれた大気にNO濃度測定センサ130が暴露される。
 次に、バルブ116によってマウスピース111とNOスクラバ112とが接続された状態で、使用者がマウスピース111から息を吸い込むと、NOスクラバ112によってNOが除去された大気が、第2経路182を介して使用者に吸い込まれる。
 次に、バルブ116及び117によって第3経路183が開通する。この状態で使用者がマウスピース111に呼気を吹き込むと、マウスピース111及びドライヤ114を介してチャンバ115に呼気が入る。このときの呼気はゼロスクラバ113を通らないので、呼気にはNOが含まれる。
 以下、NOが除かれた大気をゼロガス、マウスピース111を介して吹き込まれた呼気を、以下単に「呼気」と称する。呼気は被測定ガスに該当し、ゼロガスは0ppbを較正するための較正ガスである。
 つまり、マウスピース111からゼロスクラバ113を通らずにチャンバ115に至る第3経路183は、被測定ガスにNO濃度測定センサ130を暴露する被測定ガス暴露経路であり、コンプレッサ119からゼロスクラバ113を通ってチャンバ115に至る第1経路181は、ゼロガスにNO濃度測定センサ130を暴露するゼロガス暴露経路である。
 (2)濃度測定
 窒素酸化物濃度測定装置110のNO濃度測定動作について、図12を参照して説明する。
 チャンバ115内にNO濃度測定センサ130が配置された状態で、図12に示すように、イニシャライズが行われる(ステップS1)。
 次に、ゼロガスがチャンバ115に導入される(ステップS2)。
 チャンバ115内のNO濃度測定センサ130がゼロガスに暴露されている間に、初期信号V0が取得される(ステップS3)。具体的には以下の通りである。まず、定電流駆動回路122からLED光源121に電流が印加されることで、ゼロガスに暴露されているNO濃度測定センサ130に対して、光が照射される。
 照射された光のうち、NO濃度測定センサ130を透過した光は、レンズ123を通ってダイクロイックミラー124に入射する。入射した光は、ダイクロイックミラー124によって415nm近傍の光とそれ以外の光とに分離される。
 ダイクロイックミラー124を透過した光(つまり415nm近傍の光)は、415nm透過光量検出部125に入射し、そのうち415nm光がバンドパスフィルタ125aを透過し、レンズ125bを介して、フォトダイオード125cに導かれる。フォトダイオード125cが受光量に応じて出力した電流値は、電流/電圧変換回路125dによって電圧値に変換され、制御部128に出力される。こうして生成された電圧信号を、初期信号V0と称する。初期信号V0は、ゼロガス暴露時にNO濃度測定センサ130を透過した415nm光量に対応する。
 制御部128は、初期信号に基づいて、記憶部129に記憶された検量線I~III(図13)の中から、濃度への変換(つまり較正)に用いる1個の検量線を選択する(ステップS4)。
 検量線I~IIIは、複数の較正情報の一例である。検量線I~IIIは、それぞれ、NO濃度と濃度信号との対応関係が異なる。つまり、検量線Iの少なくとも一部において、ある濃度信号に対応するNO濃度と、検量線II又はIIIにおいて、その濃度信号に対応するNO濃度は異なる。検量線II及びIIIについても、同様のことが言える。なお、較正情報は3つに限定されるものではなく、その数は変更されてもよい。検量線I~IIIは、実験的に求めることができる。
 記憶部129はさらに、検量線選択用の閾値を少なくとも1つ記憶する。本実施形態では、記憶部129は、2つの閾値0.11及び0.13を記憶する。具体的には、記憶部29は、下記の検量線選択テーブルを記憶する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 
 つまり、初期信号が0.11V未満であれば検量線Iが選択され、初期信号が0.11V以上0.13未満であれば検量線IIが選択され、初期信号が0.13以上であれば検量線IIIが選択される(ステップS4)。
 上述した通り生成された初期信号V0は、差動増幅回路127に信号Vi1として出力される。
 一方、NO濃度測定センサ130を透過した光のうち、ダイクロイックミラー124に反射された光(つまり415nm近傍以外の透過光)は、435nm透過光量検出部126のバンドパスフィルタ126aに入射する。バンドパスフィルタ126aを通過した435nm光は、レンズ126bを介して、フォトダイオード126cに導かれる。フォトダイオード126cが受光量に応じて出力した電流値は、電流/電圧変換回路126dによって電圧値(すなわち信号Vii1)に変換される。信号Vii1は、差動増幅回路127に出力される。
 差動増幅回路127は、制御部128に、第1差分D1(=Vi1-Vii1)を制御部128に出力する(ステップS5)。
 次に、呼気、つまり被測定ガスがチャンバ115に導入される(ステップS6)。呼気内のNOによって、上述したように、NO濃度測定センサ130の含有する金属錯体の吸収スペクトルが変動し、NO濃度測定センサ130を透過する415nm光量が増大し、NO濃度測定センサ130を透過する435nm光量が減少する。NO濃度測定センサ130を透過する415nm光量及び435nm光量の変化量は、ゼロガスから被測定ガスへのNO濃度の変化量に依存する。
 次に、第2差分D2(Vi2-Vii2)が取得される(ステップS7)。具体的には、呼気に暴露されたNO濃度測定センサ130に対して、NO濃度測定センサ130を透過した415nm光量に対応する電圧である信号Vi2が415nm透過光量検出部125により取得され、NO濃度測定センサ130を透過した435nm光量に対応する電圧である信号Vii2が435nm透過光量検出部126によって取得される。差動増幅回路127は、制御部128に、第2差分D2(Vi2-Vii2)を出力する。
 次に、制御部128が、第1差分D1と第2差分D2との差分(D2-D1)を取得することで、濃度信号Cを取得する(ステップS8)。
 制御部128は、こうして得られた濃度信号Cに対応するNO濃度(ppb)を、ステップS4で選択された検量線から求める(ステップS9)。
 以上に説明したように、制御部128は、較正情報選択部及び濃度決定部として機能する。
 [効果]
 個々のNO濃度測定センサ130間には、金属錯体量のバラつき等に起因して、NOに対する感度(NO濃度の変化量に対する透過光量の変化量)にバラつきが生じる。このバラつきは、初期信号のバラつきに表れる。よって、初期信号に基づいて検量線を選択することで、NO濃度測定センサ130の感度のバラつきによる測定誤差を抑制することができる。
 特に、NO濃度測定センサ130が、織布、不織布及び多孔質体等の、金属錯体が染み込む基材を備える場合、同じ条件で製造しても、感度のバラつきが生じやすい。その結果、呼気に同じ濃度のNOが含まれている場合でも、NO濃度測定センサの感度バラつきによって異なる濃度値が測定結果として出力されるおそれがある。
 また、このようなNO濃度測定センサは、金属錯体を均質に担持させることは非常に困難であり、たとえ均質に担持させることができた場合でも、基材(例えば、紙等)の厚み又は目付量のバラつき等に起因して、NO濃度測定センサにおける金属錯体の含浸量の面内バラつきが生じることにより、NO濃度測定センサごとに感度のバラつきが生じ易い。
 このようなNO濃度測定センサの感度のバラつきは、NOに暴露する前のNO濃度測定センサの透過光量と相関する。すなわち、NOに暴露する前の透過光量が小さいほど、つまり初期信号強度が小さいほど感度は大きくなり(つまり、同じNO濃度に対する透過光量の変化量は大きくなり)、NOに暴露する前の透過光量が大きいほど、感度は小さくなる(つまり、同じNO濃度に対する透過光量の変化量は小さくなる)。
 仮に感度の異なるNO濃度測定センサを用いて、同じ検量線で濃度を算出すると、濃度測定結果のバラつきは大きくなる。
 本実施形態の窒素酸化物濃度測定装置110は、初期信号強度に応じて異なる検量線を選択することで、測定結果のバラつきを抑制することができる。
 [他の実施形態]
 (1)初期信号は、415nm以外の波長の光から得られてもよい。
 (2)NO濃度測定センサの基材は、光を反射するように構成されていてもよく、窒素酸化物濃度測定装置は、NO濃度測定センサからの透過光量からでなく、反射光量を検出することで種々の信号を得るように構成されていてもよい。この場合には、センサの基材として、アルミナやシリコン、シリコンカーバイト、ガリウム砒素、セラミック、プラスチック、金属等の光を反射する基材を用いることができる。また、基材は必須の構成ではない。
 (3)上記実施形態では、415nm及び435nmの2種類の波長の光量の変化に基づいて、濃度が測定される。ただし、窒素酸化物濃度測定装置は、単一の波長の光量の変化のみに基づいて、濃度を測定するように構成されていてもよい。つまり、上記実施形態では、光検出部として、415nm透過光量検出部125及び435nm透過光量検出部126が設けられているが、本発明はこれに限定されるものではない。
 (4)検量線I~IIIは、較正情報の一例である。較正情報は4種類以上準備されてもよいし、検量線選択用の閾値の数も、較正情報の数に合わせて変更可能である。較正情報の種類及び閾値の数が多いほど、精確な測定が可能になると考えられる。
 (5)本実施形態では、光照射部として、LED光源121が設けられているが、複数の波長(415nmと435nm)のピークを備えたLED光源、または、異なる波長に対応した複数のLED光源が設けられてもよい。
 [実験例]
 (a)NO濃度測定センサ130の製造
 図4に、本実験例のNO濃度測定センサ130の製造過程の一部を示す。
 セルロース繊維不織布ADVANTEC社製FILTER PAPER グレード514Aを10mm×15mmサイズにハサミで切断し、130℃1.5Hr雰囲気にて乾燥して、基材31として用いた。
 粉末CoT(dtBu)PPを、クロロホルム(試薬特級)に溶解して、5E-5mol/Lの金属錯体溶液を得た。
 武蔵エンジニアリング製ショットマスター(高さ制御装置付)を用いて、吐出量:10μl、吐出速度:20秒、滴下ノズルのノズル径:φ200の条件で、基材31へ金属錯体溶液を滴下した。
 滴下ノズルの高さを最適化するために、滴下ノズル高さ(基材31の表面から滴下ノズルまでの高さ)を変えて、NO濃度測定センサを作製した。得られたNO濃度測定センサを用いて既知の濃度のNOを含有するガスに対する各NO濃度測定センサの感度を比較したところ、本発明者等は、NO濃度測定センサの感度のバラつきを抑制するには、滴下ノズルの高さは、-25μm~25μmが好ましいことを見出した。
 以下の実験では、ノズル高さを0μmとして製造した3つのNO濃度測定センサA~Cを用いた。
 (b)イニシャライズ及びNO濃度測定
 以下のガスボンベを用いて、実験を行った。
ガスボンベ001:圧縮Air
ガスボンベ002:2.038ppmNO Base Gas N2
ガスボンベ003:0.206ppmNO Base Gas N2
 上述の通り製造されたNO濃度測定センサをチャンバ内にセットし、100ml/分の流量の圧縮Airをガスボンベ001からチャンバ内に送り込みながら、光によるイニシャライズを実施した。
 イニシャライズ終了後、ガスボンベ001からの圧縮Airを2850ml/分に増量し、ゼロガスとして、チャンバ内に導入した。その際の415nm透過光量を表す信号を、初期信号として得た。
 測定電流の印加開始から40秒後に、ガスボンベ002より約2ppmNOを150ml/分で15秒間、導入されるゼロガスに追加及び混合することにより、合計3L/分、試験NO濃度100ppbの(+)NOガスを作り、チャンバ内に送り込んだ。なお、(+)NOガスとは、NOを含有するガスであり、本実験例において擬似呼気として用いられる被測定ガスである。
 (+)NOガス導入直前のゼロガス導入5秒間と(+)NOガス導入中及び(+)NOガス導入後のゼロガス導入15秒間の合計35秒間に渡って、415nm及び435nm透過光量を0.2秒ごとに測定し、第1差分D1(=Vi1-Vii1)及び第2差分D2(Vi2-Vii2)取得し、第1差分D1と第2差分D2との差分(D2-D1)を取得することで、濃度信号を取得した。
 さらに、NOと圧縮Airとの混合比を変更し、合計3L/分の流量でNO濃度を100ppb、300ppb、500ppb、700ppb、1000ppbに調整し、それぞれ(+)NOガスとしてチャンバ内に送りこんだ。また、ガスボンベ003とガスボンベ001を使用して同様にNOと圧縮Airとの混合比を変更し、合計3L/分の流量となる様に、10ppb、30ppb、50ppb、又は70ppbのNO濃度を有する(+)NOガスを調製しチャンバ内に送り込んだ。
 図14は、各NO濃度測定センサで得られた濃度信号と、初期信号との関係を示すグラフである。図14に示すように、実際のNO濃度が増加するに従って、傾きが大きくなっていくことがわかった。つまり、単一の検量線では、正確な濃度測定が困難であることがわかった。
 そこで、上述の検量線選択用テーブルに基づいて、NO濃度測定センサAの濃度信号を検量線I,NO濃度測定センサBの濃度信号を検量線II,NO濃度測定センサCの濃度信号を検量線IIIに当てはめて、NO濃度を算出した。
 上述したA~Cの3個のNO濃度測定センサと合わせて、計15個のNO濃度測定センサについて、実験を行った。その結果、単一の検量線に基づいて濃度を測定した場合、濃度の変動係数(CV値)は6%以上であったが、3種類の検量線を用いて濃度を測定した場合、CV値は4%以下と小さく抑えられた。
 [実施形態3]
 本発明のさらに他の実施形態に係る窒素酸化物濃度測定装置210について、図15~図19を用いて説明すれば以下の通りである。
 なお、本実施形態では、図15に示す電流・電圧変換回路216dからの出力値は415nm波長の検出光量に相当する電圧値(V)を意味しており、所定のNO濃度変化量に対する差動演算処理部218からの出力値の変化量は感度に相当する電圧値(V)を意味するものとする。
 [窒素酸化物濃度測定装置210の構成]
 本実施形態に係る窒素酸化物濃度測定装置210は、図15に示すように、一酸化窒素(NO)(窒素酸化物)濃度測定センサ230が装填されたチャンバ213内に呼気を導入し、NO濃度測定センサ230に担持されたポルフィリン(CoT(dtBu)PP)(図2参照)とNOとの反応の程度によって変化する吸収スペクトルのピーク波長の光量を検出して、喘息患者等の呼気中に含まれるNO濃度の測定を行う装置である。そして、窒素酸化物濃度測定装置210は、図15に示すように、LED光源(光源部)211、定電流駆動回路212、チャンバ213、レンズ214、ダイクロイックミラー215、415nm光量検出部(光検出部、第1検出部)216、435nm光量検出部(光検出部、第2検出部)217、差動演算処理部218、制御部219、および記憶部220を備えている。
 LED光源211は、チャンバ213内に設けられたNO濃度測定センサ230に対して、所定の条件下において光を照射する。
 定電流駆動回路212は、LED光源211へ印加される電流値を決める回路であって、印加する電流値を変化させることで、LED光源211から照射される光の量(以下、LED光量と示す。)を調整する。また、定電流駆動回路212は、制御部219と接続されており、後述する415nm波長の検出光量に基づくフィードバック制御によって、測定電流値を調整される。
 本実施形態では、定電流駆動回路212は、LED光源211に対して、NO濃度測定センサ230のイニシャライズ時に200mAのイニシャライズ電流を印加するとともに、NO濃度を測定する際の最初の印加時には25mAの測定電流を印加し、その後はフィードバック制御によって測定電流を調整しながら印加する。なお、本実施形態において、イニシャライズとは、NO濃度測定センサ230の製造段階において、基材31(図4参照)上にポルフィリン溶液を滴下した後、ポルフィリンの中心金属であるコバルトの3価に配位結合した酸素を2価に還元する処理をいう。ポルフィリンが担持されたNO濃度測定センサ230については、後段にて詳述する。
 チャンバ213は、内部にNO濃度測定センサ230がセットされる筐体であって、呼気等が導入されるガス導入口213aとこれを排出するガス排出口213bとを有している。
 レンズ214は、LED光源211から照射されチャンバ213内にセットされたNO濃度測定センサ230を透過した光を、後段に配置されたダイクロイックミラー215へと導く。
 ダイクロイックミラー215は、レンズ214を介して受け取ったNO濃度測定センサ230の透過光のうち、特定の波長(本実施形態では415nm)近傍の光を透過し、その他の波長の光を反射する。これにより、透過光の中から特定の波長(415nm)の光だけを取り出すことができる。
 415nm光量検出部216は、ダイクロイックミラー215を透過した光の中から、415nmの波長の光を取り出してその光量(以下、415nm光量と示す。)を検出する。そして、415nm光量検出部216は、図15に示すように、バンドパスフィルタ(BPF)216a、レンズ216b、フォトダイオード(PD)216c、および電流・電圧変換回路216dを有している。
 バンドパスフィルタ216aは、ダイクロイックミラー215を透過してきた光の中から、415nm付近の波長の光を透過させる。
 レンズ216bは、バンドパスフィルタ216aを透過した415nm付近の光を、後段に配置されたフォトダイオード216cへ導く。
 フォトダイオード216cは、レンズ216bから送られてきた415nm付近の光を電気信号に変換して出力する。
 電流・電圧変換回路216dは、フォトダイオード216cから送られてきた電気信号を、電流値から電圧値に変換して、差動演算処理部218および制御部219に出力する。
 435nm光量検出部217は、ダイクロイックミラー215において反射した435nmの波長の光を取り出してその光量(以下、435nm光量と示す。)を検出する。そして、435nm光量検出部217は、図15に示すように、バンドパスフィルタ(BPF)217a、レンズ217b、フォトダイオード(PD)217c、および電流・電圧変換回路217dを有している。
 バンドパスフィルタ217aは、ダイクロイックミラー215において反射された435nm付近の波長の光を透過させる。
 レンズ217bは、バンドパスフィルタ217aを透過した435nm付近の光を、後段に配置されたフォトダイオード217cへ導く。
 フォトダイオード217cは、レンズ217bから送られてきた435nm付近の光を電気信号に変換して出力する。
 電流・電圧変換回路217dは、フォトダイオード217cから送られてきた電気信号を、電流値から電圧値に変換して、差動演算処理部218および制御部219に出力する。
 差動演算処理部218は、415nm光量検出部216側の電流・電圧変換回路216dと435nm光量検出部217側の電流・電圧変換回路217dとにおいて電圧値に変換された415nm光量、435nm光量の差分を出力する。
 ここで、上述したNO濃度測定センサ230に担持されたポルフィリンは、NOとの反応の程度に応じて、図3に示すように、吸収スペクトルのピーク波長である415nmと435nmの光量が等吸収点を持って逆方向へと変化する。例えば、チャンバ213に導入された呼気中のNO濃度が増加する場合には、415nm光量は上昇し、435nm光量は減少する。一方、チャンバ213に導入された呼気中のNO濃度が低下する場合には、415nm光量は上昇し、435nm光量は減少する。なお、図3において、一点鎖線は2価のコバルトの透過スペクトル曲線、破線は3価のコバルトの透過スペクトル曲線、実線は2価のコバルトと3価のコバルトとが混在している場合のスペクトルを示す曲線である。
 本実施形態では、このように415nm光量、435nm光量の双方を検出してその差分値を出力することで、結果として、NO濃度に起因する電圧値(差動出力の値)の変化量が増大する。よって、例えば、415nm光量だけを検出してNO濃度を測定する場合と比較して、より微小な変化を検出しやすくなって、検出感度を向上させることができる。
 制御部219は、415nm光量検出部216側の電流・電圧変換部216d、および差動演算処理部218からそれぞれの出力が入力される。また、制御部219は、NO濃度測定に必要な情報(数式、検量線等)を記憶する記憶部220に接続されている。さらに、制御部219は、LED光源211のLED光量を調整する定電流駆動回路212と接続されており、後述する415nm光量に基づくフィードバック制御を実施する。
 記憶部220は、差動演算処理部218から出力された差動出力の値(電圧値)をNO濃度値に変換するための数式(あるいは検量線)等を保存している。これにより、制御部219は、415nm光量と435nm光量との差動出力を、記憶部220に保存された数式等に代入することで、電圧値を濃度値に変換してNO濃度値を算出することができる。
 ここで、上記検量線とは、予め量・活性等のわかっている標準物質と、それに対する測定データとの間の関係を示したグラフであって、物質の量や濃度、活性などを求める定量的実験・検査で用いられる。本実施形態で用いられる検量線は、条件が決まった時点で複数のNO濃度測定センサ230を用いて同じデータを採取し、その平均値を用いて作成されるグラフである(例えば、図19参照)。なお、このような検量線は、基材やポルフィリン濃度、ポルフィリン溶液の滴下条件、その他の条件によって異なるグラフとして示されるものであり、図19はその一例に過ぎない。
 [NO濃度測定センサ230]
 本実施形態の窒素酸化物濃度測定装置210で用いられるNO濃度測定センサ230は、上述したLED光源211の照射光を透過させる透過型のセンサであって、光が透過する部分に図2に示すポルフィリン(CoT(dtBu)PP)が担持されている。
 また、NO濃度測定センサ230は、図4に示すように、例えば、紙(セルロース)やPET(Polyethylene terephthalate)繊維不織布からなる基材31に、例えば、図2に示すポルフィリン(CoT(dtBu)PP)の粉末を、クロロホルム(試薬特級)等の溶剤に溶かした1E-3mol/L~1E-6mol/L濃度の溶液を、内径50μm~1mmの滴下ノズルから0.5μl~30μlずつ滴下して製造される。
 ポルフィリン溶液の濃度は、センサ基材の材質、厚さ、目付量等に応じて変化する光の吸収量によって決定され、415nmまたは435nmの光吸収量が30%~80%になる濃度である。ノズル径は、内径50μm未満になると製作コストが高くなり、また、滴下時間と滴下量によっては内圧が高くなり、液漏れの可能性がある。また、1mmを超えると溶媒の乾燥による濃度変化や液垂れの懸念がある。
 基材31としては、例えば、PET繊維不織布やセルロース系繊維不織布(例えばADVANTEC社製FILTER PAPER グレード514A等)を用いることができる。
 また、ポルフィリン溶液を基材31上に滴下する液体吐出装置としては、例えば、武蔵エンジニアリング製ショットマスター(高さ制御装置付)を用いることができる。
 本実施形態では、ポルフィリンを均等に基材31に含浸させるために、滴下ノズルの高さ、ポルフィリンの吐出速度、吐出量等について、以下のような条件でNO濃度測定センサ230を製造する。
 具体的には、滴下ノズルの高さ:5μm、吐出量:10μl、吐出速度:20秒、滴下ノズルのノズル径:φ200、基材:紙(ADVANTEC社製FILTER PAPER グレード514A)とした。
 図8では、滴下ノズル高さを変えた場合のNO感度のバラつきを示した。横軸を415nm光量、縦軸を100ppbNO感度とし、100ppbのNO感度環境下におけるNO感度を滴下ノズルの高さごとに示している。なお、図8に示す滴下ノズル高さ-40μm、0μm、+50μm、-20μmとは、基材31の表面から滴下ノズル先端までの高さを示す距離であって、マイナス(-)の値については、基材31の表面にノズル先端がめり込んだ状態と意味している。
 このグラフから分かるように、滴下ノズルの高さ0μm、-20μmの結果が、他の高さよりもバラつきが小さいことが分かる。
 図9には、横軸をノズル位置、縦軸をバラつきの程度を表すR2値とし、100ppbのNO濃度環境下におけるNO感度と415nm光量との相関関係を表すグラフを示している。
 このグラフから分かるように、R2値を0.9以上とするためには、滴下ノズルの高さは、-25μm~25μmであることが好ましい。
 以上の条件下においてポルフィリン溶液を滴下して製造することで、NO濃度測定センサ230ごとの感度バラつきを抑制とすることができる。そして、以下の補正制御との組み合わせによって、感度バラつきを最小限とすることができる。
 <NO濃度の測定と測定値の補正制御>
 本実施形態の窒素酸化物濃度測定装置210では、図15に示すように、NO濃度測定センサ230が内部にセットされたチャンバ213内に、喘息患者等が呼気を導入した状態で、LED光源211からNO濃度測定センサ230に対して照射された光の透過光のうち、特定の波長(415nm,435nm)の光の量を検出し、その差動出力の電圧値を記憶部220に記憶させた数式や検量線を用いてNO濃度を算出する。
 また、本実施形態では、NO濃度測定時に、NO濃度測定センサ230の感度バラつきやLED光源211の温度特性や経年劣化による光量の変化等に起因する測定精度の低下を抑制するために、制御部219が、415nm光量検出部216から出力される初期NO濃度ガス導入時の415nm光量(電圧値)が一定になるようにLED光源211から照射されるLED光量を調整するフィードバック制御を実施する。
 ここで、例えば、20ppb、100ppb、200ppbのNO濃度ガスの導入下において、複数のNO濃度測定センサ230に対してLED光源211から同じLED光量の光を照射し、415nm光量を測定した際の各NO濃度測定センサ230のフィードバック制御前のNO検出感度は、図16に示すように、NO濃度に関わらず、バラつきが大きいことが実験結果から分かっている。具体的には、例えば、100ppbNO濃度では、415nm光量は、約1.4V~約2.3V、NO検出感度についても0.023V~0.036Vの範囲でばらついていることが分かる。
 なお、図16に示す実験結果では、100ppbNO濃度では、15個のNO濃度測定センサ230のセンサ感度のバラつきが平均値に対してどの程度(割合)あるかを示すCV値は、6.43%であった。また、図16では、一例として、NO濃度が20ppb、200ppbである場合の415nm光量とNO検出感度との関係を示す相関直線もグラフで示している。図16に示すように、NO濃度が変化した場合には、この相関直線の傾きが変化することが分かる。
 また、100ppbNO濃度の環境下において、同一のNO濃度測定センサ230に対して、LED光源211から光を照射すると、LED光源211に印加されるLED電流値(LED光源211から照射されるLED光量)の増減によって、そのNO検出感度が変化することが実験結果から分かっている。具体的には、図17に示すように、LED電流の値を25mA、30mAと大きくすると、NO検出感度は0.052(V),0.044(V)と低下して行く。逆に、LED電流の値を20mA、15mAと小さくすると、NO検出感度は0.064(V)、0.081(V)と上昇して行く。そして、LED電流値とNO検出感度との関係は、図17に示すような相関関係を持っている。つまり、図17に示す実験結果から、LED電流値を調整することで、LED光源211から照射される光の量を制御できるとともに、NO検出感度についてもある程度制御可能であることが分かる。
 本実施形態の窒素酸化物濃度測定装置210では、以上のことを踏まえ、415nm光量検出部216において検出される初期NO濃度ガス導入時の415nm光量が一定の値になるように、定電流駆動回路212を介してLED光源211から照射されるLED光量をフィードバック制御する。
 ここで、図16と同様の条件(100ppbNO濃度の環境下)において、図16と同じ15個のNO濃度測定センサ230に対してLED光源211から同じLED光量の光を照射し、0ppb濃度NOガス導入時の415nm光量が一定の値(図18では1.0V)になるようにフィードバック制御した結果、得られた各NO濃度測定センサ230のフィードバック制御後のNO検出感度は、図18に示すように、バラつきが小さくなることが実験結果から分かっている。具体的には、415nm光量は、約1.0Vに固定され、NO検出感度は、約0.046V~約0.052Vの範囲に収まっており、バラつきが小さくなっている。
 なお、図18に示す実験結果では、感度バラつきのCV値は2.73%となっており、図16に示すCV値(6.43%)よりも大きく改善され、再現性が向上したことが分かる。
 以上のことを踏まえ、上記構成を用いて呼気中に含まれるNO濃度を実際に測定し、その測定値を補正するまでの制御の流れについて以下で具体的に説明する。
 <実施例1>
 本実施例の窒素酸化物濃度測定装置210では、図20に示す構成を用いて、まず、チャンバ213内にNO濃度0ppbのAirが導入された状態でNO濃度測定センサ230のポルフィリンが担持された部分を透過した光のうち、415nm光量を、415nm光量検出部216において検出する。
 次に、415nm光量検出部216は、その検出結果を制御部219に対して出力する。
 次に、制御部219は、検出された415nm光量を示す電圧値が、予め設定された目標値となるようにLED光源211から照射されるLED光量をフィードバック制御する。具体的には、0ppb濃度NOガス導入時の415nm光量(電圧値)が、予め設定された一定の目標値(例えば、1.0V)になるように、定電流駆動回路212からLED光源211に対して印加される電流値を制御する。
 なお、このようなフィードバック制御は、目標値となる一定の値(例えば、1.0V)に一回のフィードバックで到達するように制御してもよいし、複数回に分けて徐々に目標値に近づけていくようにフィードバック制御してもよい。
 次に、制御部219は、フィードバック制御の結果、415nm光量と目標値とをほぼ一致させるための補正後のLED電流をLED光源211に印加するように、定電流駆動回路212を制御する。
 次に、チャンバ213内に呼気が導入された状態で、LED光源211から上記補正後のLED電流に相当する光が照射され、415nm光量検出部216において、415nm光量が検出される。
 そして、0ppbNO濃度ガス導入時と呼気導入時との415nm光量検出部216における差動出力が、記憶部220に予め記憶させていた検量線に相当する数式等を用いて、NO濃度値(ppb)に変換される。
 ここで得られたNO濃度値は、上述したフィードバック制御によって、図18に示すNO検出感度のバラつきを抑制した状態での測定結果となることから、精度の高い補正後のNO濃度として取得することができる。
 本実施形態の窒素酸化物濃度測定装置210では、以上のように、415nm光量に基づいてLED光量のフィードバック制御を実施することにより、NO濃度測定センサ230における基材231の厚みのバラつき等に起因するポルフィリンの含浸量のバラつき等によるNO濃度測定センサ230ごとの検出感度のバラつきを抑制することができる。つまり、上記補正制御を実施することにより、NO濃度測定センサ230におけるポルフィリンの吸収量等が一定での測定を等価的に実施することができる。
 また、LED光源211の温度特性、経年劣化や個体バラつき等によって同じLED電流値を印加しても照射されるLED光量にバラつきが生じている場合でも、415nm光量が目標となる一定の値になるようにLED光源211から照射されるLED光量をフィードバック制御しているため、このようなバラつきも吸収した状態でNO濃度の測定を実施することができる。
 この結果、NO濃度測定センサ230ごとのポルフィリンの吸収量のバラつきやLED光源211の温度特性や経年劣化等に起因して生じる測定誤差を補正して、高精度なNO濃度測定を実施することができる。
 なお、415nm波長の代わりに、415nm波長とは逆相に反応する435nm波長の光量を検出してNO感度を算出してもよい。
 <実施例2>
 本実施例では、図21に示す構成を用いて、まず、チャンバ213内にNO濃度0ppbのAirが導入された状態でNO濃度測定センサ230のポルフィリンが担持された部分を透過した光のうち、415nm光量を、415nm光量検出部216において検出する。
 次に、415nm光量検出部216は、その検出結果を制御部219に対して出力する。
 次に、制御部219は、検出された415nm光量を示す電圧値が、予め設定された目標値となるようにLED光源211から照射されるLED光量をフィードバック制御する。具体的には、0ppb濃度NOガス導入時の415nm光量(電圧値)が、予め設定された一定の目標値(例えば、1.0V)になるように、定電流駆動回路212からLED光源211に対して印加される電流値を制御する。
 なお、このようなフィードバック制御は、目標値となる一定の値(例えば、1.0V)に一回のフィードバックで到達するように制御してもよいし、複数回に分けて徐々に目標値に近づけていくようにフィードバック制御してもよい。
 次に、制御部219は、フィードバック制御の結果、415nm光量と目標値とをほぼ一致させるための補正後のLED電流をLED光源211に印加するように、定電流駆動回路212を制御する。
 次に、チャンバ213内に呼気が導入された状態で、LED光源211から上記補正後のLED電流に相当する光が照射され、435nm光量検出部217において、435nm光量が検出される。
 検出された出力は、記憶部220に予め記憶させていた検量線に相当する数式等を用いて、NO濃度値(ppb)に変換される。
 本実施例では、以上のように、所定の一波長(415nm)の光量を検出してフィードバック制御を実施してLED光源211から照射されるLED光量を常に一定になるように制御した状態で、別の波長(435nm)の光量の呼気導入(NO暴露)前後における出力差に基づいてNO感度を算出する。
 これにより、NO濃度測定センサ230における基材31の厚みのバラつき等に起因するポルフィリンの含浸量のバラつきによるNO濃度測定センサ230ごとの検出感度のバラつきを抑制することができる。つまり、上記フィードバック制御を実施することにより、NO濃度測定センサ230におけるポルフィリンの吸収量等が一定での測定を等価的に実施することができる。
 また、LED光源211の温度特性、経年劣化や個体バラつき等によって同じLED電流値を印加しても照射されるLED光量にバラつきが生じている場合でも、415nm光量が目標となる一定の値になるようにLED光源211から照射されるLED光量をフィードバック制御しているため、このようなバラつきも吸収した状態でNO濃度の測定を実施することができる。
 この結果、NO濃度測定センサ230ごとのポルフィリンの吸収量のバラつきやLED光源211の温度特性や経年劣化等に起因して生じる測定誤差を補正して、高精度なNO濃度測定を実施することができる。
 なお、435nm波長の0ppbNO濃度時の光量をフィードバック制御してLED光源211から照射されるLED光量を常に一定になるように制御した状態で、415nm波長の光量の呼気導入(NO暴露)前後における出力差に基づいてNO感度を算出してもよい。
 <実施例3>
 本実施例では、図22に示す構成を用いて、まず、チャンバ213内にNO濃度0ppbのAirが導入された状態でNO濃度測定センサ230のポルフィリンが担持された部分を透過した光のうち、415nm光量を、415nm光量検出部216において検出する。
 次に、415nm光量検出部216は、その検出結果を制御部219に対して出力する。
 次に、制御部219は、検出された415nm光量を示す電圧値が、予め設定された目標値となるようにLED光源211から照射されるLED光量をフィードバック制御する。具体的には、0ppb濃度NOガス導入時の415nm光量(電圧値)が、予め設定された一定の目標値(例えば、1.0V)になるように、定電流駆動回路212からLED光源211に対して印加される電流値を制御する。
 なお、このようなフィードバック制御は、目標値となる一定の値(例えば、1.0V)に一回のフィードバックで到達するように制御してもよいし、複数回に分けて徐々に目標値に近づけていくようにフィードバック制御してもよい。
 次に、制御部219は、フィードバック制御の結果、415nm光量と目標値とをほぼ一致させるための補正後のLED電流をLED光源211に印加するように、定電流駆動回路212を制御する。
 次に、チャンバ213内に呼気が導入された状態で、LED光源211から上記補正後のLED電流に相当する光が照射され、415nm光量検出部216および435nm光量検出部217において、415nm光量および435nm光量が検出される。
 検出された415nm光量および435nm光量の変動量の絶対値の和、あるいは差動出力は、記憶部220に予め記憶させていた検量線に相当する数式等を用いて、NO濃度値(ppb)に変換される。
 本実施例では、以上のように、所定の一波長(415nm)の光量を検出してフィードバック制御を実施してLED光源211から照射されるLED光量を常に一定になるように制御した状態で、2つの波長(415nmおよび435nm)の光量の呼気導入(NO暴露)前後における出力差に基づいてNO感度を算出する。
 これにより、NO濃度測定センサ230における基材31の厚みのバラつき等に起因するポルフィリンの含浸量のバラつきによるNO濃度測定センサ230ごとの検出感度のバラつきを抑制することができる。つまり、上記フィードバック制御を実施することにより、NO濃度測定センサ230におけるポルフィリンの吸収量等が一定での測定を等価的に実施することができる。
 また、LED光源211の温度特性、経年劣化や個体バラつき等によって同じLED電流値を印加しても照射されるLED光量にバラつきが生じている場合でも、415nm光量が目標となる一定の値になるようにLED光源211から照射されるLED光量をフィードバック制御しているため、このようなバラつきも吸収した状態でNO濃度の測定を実施することができる。さらに、415nmと435nmの同相ノイズを低減して、NO濃度を測定することができる。
 この結果、NO濃度測定センサ230ごとのポルフィリンの吸収量のバラつきやLED光源211の温度特性や経年劣化等に起因して生じる測定誤差を補正して、高精度なNO濃度測定を実施することができる。
 なお、NO感度の算出については、415nm波長の光量と435nm波長の光量の呼気導入前後における出力差ではなく、435nm波長の光量と415nm波長の光量の呼気導入前後における出力差に基づいて算出してもよい。
 <実施例4>
 本実施例では、上記実施例3と同様に、図22に示す構成を用いて、415nm光量検出部216の電流・電圧変換回路216dから出力される415nm波長の光量が常に一定になるように、LED光源211のLED光量をフィードバック制御しながら、415nm波長の光量と435nm波長の光量との呼気導入(NO暴露)前後における出力差の絶対値の和(差動出力)に基づいて、NO感度を算出する。
 この場合でも、上記各実施例と同様の効果を得ることができる。
 なお、上述したフィードバック制御において、435nm光量検出部217の電流・電圧変換回路217dから出力される435nm波長の光量が常に一定になるように、LED光源211のLED光量をフィードバック制御しながら、415nm波長の光量と435nm波長の光量との呼気導入(NO暴露)前後における出力差の絶対値の和(差動出力)に基づいて、NO感度を算出してもよい。
 [他の実施形態]
 以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
 (A)
 上記実施形態では、中心金属としてコバルトを含むポルフィリンを担持させたNO濃度測定センサを用いてNO濃度の測定を実施した例を挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限定されるものではない。
 例えば、中心金属として他の金属を含むポルフィリンを担持させたNO濃度測定センサを用いてもよい。
 この場合でも、NOと反応して所定の波長の光の吸収スペクトルの変化量を検出することで、NO濃度の測定を実施することができる。
 (B)
 上記実施形態では、中心金属としてコバルトを含むポルフィリンを担持させたNO濃度測定センサに対して照射された光の透過光を検出して、NO濃度を測定する例を挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限定されるものではない。
 例えば、照射光を反射する基材を含むセンサを用いることも可能である。
 この場合には、センサの基材として、アルミナやシリコン、シリコンカーバイト、ガリウム砒素、セラミック、プラスチック、金属等の光を反射する基材を用いることができる。
 (C)
 上記実施形態では、紙やセルロース繊維からなる基材31にポルフィリンを担持させたNO濃度測定センサを用いた例を挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限定されるものではない。
 例えば、NO濃度測定センサとして、ポルフィリンを含み、基材を持たない検知膜を用いてもよい。
 (D)
 上記実施形態では、ポルフィリン(CoT(dtBu)PP)を含むNO濃度測定センサ230を用いてNO濃度を測定する例を挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限定されるものではない。
 例えば、ポルフィリンの誘導体の金属錯体を含むNO濃度測定センサを用いた場合でも、NOとの反応によって変化する吸収スペクトルのピーク波長の光量を測定することで、上記と同様の効果を得ることができる。
 (E)
 上記実施形態では、本発明の窒素酸化物濃度測定装置において、呼気中に含まれるNO(一酸化窒素)濃度を測定する例を挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限定されるものではない。
 例えば、本発明の窒素酸化物濃度測定装置では、二酸化窒素の濃度測定も実施することが可能である。
 図23は、250ppbNO2暴露によるセンサ感度を示すグラフである。
 図23に示すように、本発明の窒素酸化物濃度測定装置では、二酸化窒素に対しても、一酸化窒素と同様に反応を検知することができる。よって、本発明の窒素酸化物濃度測定装置では、NO濃度だけでなく、NO2濃度の測定も実施することができる。
 <実施例5>
 本実施例では、図24に示すように、415nm光量検出部において検出された415nm光量と100ppbNO感度との関係を示すグラフを用いて、感度バラつきを補正した例について説明する。
 具体的には、本実施例では、上記実施形態1において説明した相関直線の傾き補正の応用例として、グラフの横軸(415nm光量)を複数に分割した各ゾーンにおいて、この傾き補正を実施した例について説明する。
 すわなち、本実施例では、同一条件によって34個のNO濃度測定センサを作製し、それぞれの100ppbNO感度を測定したところ、図24に示すような結果が得られた。
 ここで、全てのデータに対して傾き補正を実施した場合の感度ばらつきを示すCV値は、5.42%であった。
 次に、図24のグラフの横軸側(415nm光量)において、Aゾーン、Bゾーン、Cゾーンと3分割し、図25(a)~図25(c)に示すように、それぞれのゾーンにおいて傾き補正を行なった。
 ここでは、図25(a)のグラフが図24のグラフに示すAゾーン、図25(b)のグラフが図24のグラフに示すBゾーン、図25(c)のグラフが図24のグラフに示すCゾーン、にそれぞれ対応している。
 その結果、各ゾーンにおける感度ばらつきのCV値は、図25(a)~図25(c)に示すように、Aゾーン:2.15%、Bーン:3.12%、Cゾーン:2.96%となった。つまり、横軸において3分割したグラフに含まれる測定結果に対して傾き補正を実施したところ、分割しない元の傾き補正のデータ(CV値:5.42%)と比較して、CV値が2.15%~3.12%と、飛躍的に感度補正の精度を向上させることができることが分かった。
 すなわち、図24のグラフにおける横軸側において、415nm光量で複数のゾーンに分割し、分割された各ゾーン内において傾き補正を行った場合には、それぞれAゾーン~Cゾーンに対して、それぞれ独立の検量線を用いることにより感度バラつきを抑制することができることが分かった。
 <実施例6>
 本実施例では、上記実施形態3において説明したフィードバック補正の応用例として、グラフの横軸(415nm光量)を複数に分割した各ゾーンにおいて、このフィードバック補正を実施した例について説明する。
 すわなち、本実施例では、34個のNO濃度測定センサを作製し、それぞれの100ppbNO感度を測定し、傾き補正を行ったところ、感度ばらつきのCV値は5.42%であった。
 次に、上記実施例5と同様にして、ゼロガス暴露時の415nmの出力(例えば、図24に示す横軸)をA,B,Cという3つのゾーンに分割し、それぞれのゾーンにおける測定結果に対して415nm波長の光量が、Aゾーン:0.16V,Bゾーン:0.185V,Cゾーン:0.21Vとなるようにフィードバック制御をかけ、100ppbNO感度を再測定した。
 その結果、それぞれゾーンにおけるCV値は、Aゾーン:2.19%,Bゾーン:2.51%,Cゾーン:1.86%であった。つまり、分割しない元の傾き補正のデータ(CV値:5.42%)と比較して、CV値が1.86%~2.19%と、飛躍的に感度補正の精度を向上させることができることが分かった。
 すなわち、例えば、図24に示すようなグラフにおいて、初期ゼロガス暴露時の415nm光量(横軸)を複数のゾーンに分割し、分割された各ゾーンにおいて光量のフィードバック制御を行った場合には、それぞれのゾーンにおける測定結果に対して、それぞれ独立の検量線を用いることにより感度バラつきを抑制することができることが分かった。
 本発明の窒素酸化物濃度測定装置は、センサごとの感度のバラつきや光源部の温度特性や経年劣化による光量変化に起因する検出誤差を抑制して、高精度な窒素酸化物濃度の測定を実施することができるという効果を奏することから、窒素酸化物の濃度を測定するセンサに対して広く適用可能である。
10   窒素酸化物濃度測定装置
11   LED光源(光源部)
12   定電流駆動回路
13   チャンバ
13a  ガス導入口
13b  ガス排出口
14   レンズ
15   ダイクロイックミラー
16   415nm光量検出部(光検出部、第1検出部)
16a  バンドパスフィルタ
16b  レンズ
16c  フォトダイオード
16d  電流・電圧変換回路
17   435nm光量検出部(光検出部、第2検出部)
17a  バンドパスフィルタ
17b  レンズ
17c  フォトダイオード
17d  電流・電圧変換回路
18   差動演算処理部
19   制御部
20   記憶部
30   NO濃度測定センサ
31   基材
110 窒素酸化物濃度測定装置
111 マウスピース
112 NOスクラバ
113 ゼロスクラバ
114 ドライヤ
115 チャンバ
115a ガス導入口
115b ガス排出口
116 バルブ
117 バルブ
118 バルブ
119 コンプレッサ
121 LED光源
122 定電流駆動回路
123 レンズ
124 ダイクロイックミラー
125 415nm透過光量検出部
125a バンドパスフィルタ
125b レンズ
125c フォトダイオード
125d 電流/電圧変換回路
126  435nm透過光量検出部
126a バンドパスフィルタ
126b レンズ
126c フォトダイオード
126d 電流/電圧変換回路
127 差動増幅回路
128 制御部
129 記憶部
130 NO濃度測定センサ
181 第1経路
182 第2経路
183 第3経路
210   窒素酸化物濃度測定装置
211   LED光源(光源部)
212   定電流駆動回路
213   チャンバ
213a  ガス導入口
213b  ガス排出口
214   レンズ
215   ダイクロイックミラー
216   415nm光量検出部(光検出部、第1検出部)
216a  バンドパスフィルタ
216b  レンズ
216c  フォトダイオード
216d  電流・電圧変換回路
217   435nm光量検出部(光検出部、第2検出部)
217a  バンドパスフィルタ
217b  レンズ
217c  フォトダイオード
217d  電流・電圧変換回路
218   差動演算処理部
219   制御部
220   記憶部
230   NO濃度測定センサ

Claims (6)

  1.  ポルフィンまたはその誘導体の金属錯体を基材に分布させた窒素酸化物濃度測定センサに光を照射して所定の波長の光の量を検出して窒素酸化物濃度の測定を行う窒素酸化物濃度測定装置であって、
     前記窒素酸化物濃度測定センサに対して光を照射する光源部と、
     前記窒素酸化物濃度測定センサにおいて透過あるいは反射した光のうち、前記所定の波長を有する光の量を検出する光検出部と、
     ゼロガスに暴露中に前記光検出部から出力される前記所定の波長の光の量を較正値に合わせるように、前記光検出部における検出結果を補正する制御部と、
    を備えている窒素酸化物濃度測定装置。
  2.  前記所定の波長の光の量と窒素酸化物濃度との関係を示す相関直線の傾きと、前記窒素酸化物濃度検出感度と、の関係を示す相関情報を予め記憶する記憶部を、
    さらに備えており、
     前記制御部は、前記光検出部において前記所定の波長の光が検出されると、前記記憶部に記憶されている前記相関情報に基づいて得られる前記相関直線の傾きを用いて、前記光検出部におけるゼロガスへの暴露中の測定値が所定の目標値になるように、前記光検出部において検出された検出結果の値を補正する、
    請求項1に記載の窒素酸化物濃度測定装置。
  3.  前記信号と窒素酸化物濃度との対応関係を表す2種類以上の較正情報から、ゼロガスへの暴露中の前記光検出部からの信号に基づいて、濃度決定に用いられる較正情報を選択する較正情報選択部を、
    さらに備えており、
     前記制御部は、前記較正情報選択部が選択した較正情報に基づいて、被測定ガス中の窒素酸化物のガス濃度を決定する、
    請求項1に記載の窒素酸化物濃度測定装置。
  4.  前記制御部は、前記較正情報選択部が選択した較正情報に基づいて、前記所定の目標値を決定する、
    請求項2に記載の窒素酸化物濃度測定装置。
  5.  前記制御部は、前記光検出部において前記所定の波長の光量が検出されると、その光量が所定の目標値になるように前記光源部から照射される光量を調整するフィードバック制御を行うとともに、前記光源部から照射された調整後の光量から前記光検出部において検出された前記フィードバック制御後の検出値に基づいて窒素酸化物濃度を測定する、
    請求項1に記載の窒素酸化物濃度測定装置。
  6.  前記制御部は、前記較正情報選択部が選択した較正情報に基づいて、前記所定の目標値を決定する、
    請求項5に記載の窒素酸化物濃度測定装置。
PCT/JP2012/001388 2011-03-11 2012-02-29 窒素酸化物濃度測定装置 WO2012124269A1 (ja)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP12757765.8A EP2685241A4 (en) 2011-03-11 2012-02-29 DEVICE FOR MEASURING AN EMBROIDERY OXIDE CONCENTRATION
JP2013504540A JPWO2012124269A1 (ja) 2011-03-11 2012-02-29 窒素酸化物濃度測定装置
US14/022,725 US20140037506A1 (en) 2011-03-11 2013-09-10 Nitrogen oxide concentration measurement device

Applications Claiming Priority (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011054713 2011-03-11
JP2011054711 2011-03-11
JP2011-054713 2011-03-11
JP2011-054711 2011-03-11
JP2011-061279 2011-03-18
JP2011061279 2011-03-18

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
US14/022,725 Continuation US20140037506A1 (en) 2011-03-11 2013-09-10 Nitrogen oxide concentration measurement device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2012124269A1 true WO2012124269A1 (ja) 2012-09-20

Family

ID=46830362

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2012/001388 WO2012124269A1 (ja) 2011-03-11 2012-02-29 窒素酸化物濃度測定装置

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20140037506A1 (ja)
EP (1) EP2685241A4 (ja)
JP (1) JPWO2012124269A1 (ja)
WO (1) WO2012124269A1 (ja)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014163720A (ja) * 2013-02-22 2014-09-08 Iwatani Internatl Corp オゾン含有ガス中のNOxガス検出方法およびその装置
JP2017150846A (ja) * 2016-02-22 2017-08-31 栗田工業株式会社 接液部材への付着物検出装置及び検出方法

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2602617A1 (en) * 2010-08-03 2013-06-12 Panasonic Healthcare Co., Ltd. Nitric oxide detecting element and process for producing same
DE102011079769A1 (de) * 2011-07-25 2013-01-31 Robert Bosch Gmbh Vorrichtung und Verfahren zur Messung der Partikelkonzentration in einem Aerosol
NZ722834A (en) 2014-02-19 2019-03-29 Mallinckrodt Hospital Products Ip Ltd Systems and methods for compensating long term sensitivity drift of electrochemical gas sensors exposed to nitric oxide
DE102014010712A1 (de) * 2014-07-19 2016-01-21 Paragon Ag "Gassensoranordnung zur Messung einer Zielgaskonzentration"
CN107665839B (zh) * 2016-07-29 2021-08-10 芝浦机械电子装置股份有限公司 处理液生成装置和使用该处理液生成装置的基板处理装置
WO2021050294A1 (en) 2019-09-10 2021-03-18 Integrated Energy Services Corporation System and method for assuring building air quality

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6311633Y2 (ja) * 1981-05-22 1988-04-05
JPH09264768A (ja) 1996-03-28 1997-10-07 Matsushita Electric Ind Co Ltd センサモジュール
JPH09281036A (ja) * 1996-04-10 1997-10-31 Seitai Hikari Joho Kenkyusho:Kk No検出方法および装置
JPH1062350A (ja) 1996-08-14 1998-03-06 Ebara Corp ガス反応性色素を用いたガス検知方法及びガス検知装置
JP2007240239A (ja) * 2006-03-07 2007-09-20 Yokogawa Electric Corp 赤外線ガス分析計
WO2010061536A1 (ja) 2008-11-26 2010-06-03 パナソニック株式会社 窒素酸化物検出エレメント、窒素酸化物検出センサとこれを使用した窒素酸化物濃度測定装置および窒素酸化物濃度測定方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6362005B1 (en) * 1997-08-29 2002-03-26 Nippon Telegraph And Telephone Corporation Nitrogen dioxide gas sensing method, nitrogen dioxide gas sensor element, and nitrogen dioxide gas sensor using the same

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6311633Y2 (ja) * 1981-05-22 1988-04-05
JPH09264768A (ja) 1996-03-28 1997-10-07 Matsushita Electric Ind Co Ltd センサモジュール
JPH09281036A (ja) * 1996-04-10 1997-10-31 Seitai Hikari Joho Kenkyusho:Kk No検出方法および装置
JPH1062350A (ja) 1996-08-14 1998-03-06 Ebara Corp ガス反応性色素を用いたガス検知方法及びガス検知装置
JP2007240239A (ja) * 2006-03-07 2007-09-20 Yokogawa Electric Corp 赤外線ガス分析計
WO2010061536A1 (ja) 2008-11-26 2010-06-03 パナソニック株式会社 窒素酸化物検出エレメント、窒素酸化物検出センサとこれを使用した窒素酸化物濃度測定装置および窒素酸化物濃度測定方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
NOBUO NAKANO ET AL.: "An Automatic Measurement of Formaldehyde in Air by a Monitoring Tape Method", JOURNAL OF THE CHEMICAL SOCIETY OF JAPAN, vol. 1998, no. 7, 10 July 1998 (1998-07-10), pages 506 - 510, XP055137251 *
See also references of EP2685241A4

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014163720A (ja) * 2013-02-22 2014-09-08 Iwatani Internatl Corp オゾン含有ガス中のNOxガス検出方法およびその装置
JP2017150846A (ja) * 2016-02-22 2017-08-31 栗田工業株式会社 接液部材への付着物検出装置及び検出方法

Also Published As

Publication number Publication date
EP2685241A1 (en) 2014-01-15
EP2685241A4 (en) 2014-11-05
JPWO2012124269A1 (ja) 2014-07-17
US20140037506A1 (en) 2014-02-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2012124269A1 (ja) 窒素酸化物濃度測定装置
JP5632611B2 (ja) 信号品質決定及び信号補正システム及び作動方法
FI80202C (fi) Foerfarande och anordning foer bestaemning av deltryck av koldioxid i pulsblod av en narkotiserad patient.
EP1883803B1 (en) Low cost apparatus for detection of nitrogen-containing gas compounds
US5733505A (en) Non-regenerating carbon monoxide sensor
JP4263488B2 (ja) 多機能エアウェイアダプタ
JP5339305B2 (ja) 窒素酸化物検出エレメント
CN111801576B (zh) 具有压力传感器和热气敏传感器的传感器装置
WO2010094967A1 (en) Apparatus and method for breath testing
KR101798972B1 (ko) 먼지의 유기원소탄소 연속 자동 측정장치
JPS5818094B2 (ja) 呼吸気中のco↓2含量を測定する装置
CA2987651A1 (en) Devices and methods for calibrating a colorimetric sensor
JP2007285842A (ja) ガス濃度測定装置
JPH05249036A (ja) ガス測定装置
JP2007285842A5 (ja)
JP2010511874A (ja) 気体モニタリングシステムにおける体積測定誤差の補償
EP1540314A1 (en) Device and system for the quantification of breath gases
US20110077544A1 (en) Method for optimizing the gas conversion rate in a respiratory gas analyzer
CN105891191B (zh) 一种在线快速检测七氟烷的装置及方法
JP3616374B2 (ja) 一酸化炭素生成率の生体内測定のための方法および装置
US20180116555A1 (en) Device for determining the concentration of at least one gas component in a breathing gas mixture
WO2012127794A1 (ja) 窒素酸化物濃度測定装置
CN110522451B (zh) 多组分气体中co弥散量的测量方法和系统
EP1226432B1 (en) Differential gas measurement, in particular for breathing-gas analysis
JP2010112908A (ja) ガスの測定方法および測定装置

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 12757765

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2013504540

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2012757765

Country of ref document: EP