WO2023048076A1

WO2023048076A1 - 揮発性脂肪酸の検知方法および測定装置

Info

Publication number: WO2023048076A1
Application number: PCT/JP2022/034697
Authority: WO
Inventors: 仁川喜多; 泉一ノ瀬
Original assignee: 国立研究開発法人物質・材料研究機構
Priority date: 2021-09-21
Filing date: 2022-09-16
Publication date: 2023-03-30
Also published as: EP4407308A1; JPWO2023048076A1

Abstract

本発明は、揮発性脂肪酸を高感度に検知し、高精度に測定する方法およびそのための装置を提供する。本発明の揮発性脂肪酸の検知方法は、揮発性脂肪酸を含む可能性のある試料を、絶縁性基板上に微細な間隔で隣接配置された少なくとも２以上の電極間の電気抵抗に起因する電気特性を測定する抵抗測定装置とともに水蒸気が存在する閉空間に載置し、前記電気特性を、前記電極間近傍の空間の相対湿度が前記電極間に結露が発生する直前の湿度条件を満たすときに測定し、得られた測定結果と、所定の条件で得られた基準データとを比較する。

Description

揮発性脂肪酸の検知方法および測定装置

　本発明は揮発性脂肪酸の検知方法および測定装置に関する。

　プロピオン酸、酪酸および酢酸などの揮発性脂肪酸（ＶＦＡ：Ｖｏｌａｔｉｌｅ　Ｆａｔｔｙ　Ａｃｉｄ）は、牛などの酪農の生産性、品質向上に大いに影響を与える物質である。また、牛は食べ物を消化する際に地球温暖化を促してしまうメタンガスを大量に排出するが、この排出量は牛ルーメン（第１胃）でのＶＦＡの制御によって大幅に抑えることができるとの報告がある。
　このような背景から、ＶＦＡ、特に牛ルーメンの液状部から揮発したＶＦＡを検知し、また、定量的に測定する方法およびそのための装置が求められている。なお、本明細書において、ＶＦＡに関する「検知」とは、ＶＦＡの存在の有無を確認することを意味し、「測定」とは、ＶＦＡの量を測って求めること（定量すること）を意味するものとする。

　従来は、ＶＦＡを吸着材に吸着させて、ＶＦＡが吸着したことによる吸着材の重量変化や赤外線の吸収スペクトル変化をモニターしてＶＦＡを検知、測定する方法が試みられていた。
　しかし、この方法では検知感度や測定精度が低く、装置も比較的大きいという問題があった。なお、実用上の検知感度、測定精度としては、牛ルーメン液状部での液体で２５ｍＭ（ミリモル）が要求されている。

国際公開第２０１６／１３５４４号

　本発明の課題は、ＶＦＡを高感度に検知し、高精度に測定する方法およびそのための装置を提供することである。

　発明者は、結露が発生する直前の湿度環境で微細な間隔を有する電極間の電気抵抗に起因する電気特性を測定すると、試料に含まれるＶＦＡを高い感度で検知し、また、高精度に定量できることを見出し、本発明を想到した。
　本発明の構成を以下に示す。
（構成１）
　揮発性脂肪酸を含む可能性のある試料を、絶縁性基板上に微細な間隔で隣接配置された少なくとも２以上の電極間の電気抵抗に起因する電気特性を測定する抵抗測定装置とともに水蒸気が存在する閉空間に載置し、
　前記電気特性を、前記電極間近傍の空間の相対湿度が前記電極間に結露が発生する直前の湿度条件を満たすときに測定し、
　得られた測定結果と、所定の条件で得られた基準データとを比較することを含む、揮発性脂肪酸の検知方法。
（構成２）
　前記基準データは、前記試料を用いて前記電極間近傍の空間の相対湿度が前記電極間に結露が発生しない湿度条件にあるときに前記電気特性を測定して得られたデータ、または、揮発性脂肪酸を含まない基準試料または一定の割合で揮発性脂肪酸を含む基準試料を用いて前記電極間近傍の空間の相対湿度が前記電極間に結露が発生する直前の湿度条件を満たすときに測定して得られたデータである、構成１記載の揮発性脂肪酸の検知方法。
（構成３）
　前記湿度条件は、前記相対湿度が８０％以上１００％未満である、構成１または構成２記載の揮発性脂肪酸の検知方法。
（構成４）
　前記湿度条件は、前記相対湿度が８０％以上９５％以下である、構成３記載の揮発性脂肪酸の検知方法。
（構成５）
　前記電極は、絶縁性基板上の少なくとも一部の領域において第１の細線電極と第２の細線電極が交互に並置された構成を有する、構成１から４の何れか１項記載の揮発性脂肪酸の検知方法。
（構成６）
　前記第１の細線電極と前記第２の細線電極は、一定の間隔を有して交互に並置されている、構成５記載の揮発性脂肪酸の検知方法。
（構成７）
　前記間隔は、１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である、構成６記載の揮発性脂肪酸の検知方法。
（構成８）
　少なくとも前記第１の細線電極の露出面の一部には第１の金属が形成され、少なくとも前記第２の細線電極の露出面の一部には前記第１の金属とは異なる第２の金属が形成されており、
　前記第１の細線電極と前記第２の細線電極の間を流れる電流を測定する、構成５から７の何れか１項記載の揮発性脂肪酸の検知方法。
（構成９）
　前記第１の金属は金、白金、銀、チタンおよびこれらの合金、並びに炭素からなる群から選択される、構成８に記載の揮発性脂肪酸の検知方法。
（構成１０）
　前記第２の金属は銀、銅、鉄、亜鉛、ニッケル、コバルト、アルミニウム、スズ、クロム、モリブデン、マンガン、マグネシウムおよびこれらの合金からなる群から選択される、構成８または９に記載の揮発性脂肪酸の検知方法。
（構成１１）
　前記絶縁性基板の表面は親水性である、構成１から１０の何れか１項記載の揮発性脂肪酸の検知方法。
（構成１２）
　前記相対湿度を、前記抵抗測定装置と熱的に接続された温度調整装置によって制御する、構成１から１１の何れか１項記載の揮発性脂肪酸の検知方法。
（構成１３）
　前記温度調整装置はペルチェ素子である、構成１２記載の揮発性脂肪酸の検知方法。
（構成１４）
　前記試料の形態は水溶液である、構成１から１３の何れか１項記載の揮発性脂肪酸の検知方法。
（構成１５）
　抵抗測定装置、湿度測定手段、データ抽出手段およびデータ解析手段を具備し、
　前記抵抗測定装置は、絶縁性基板上に微細な間隔で隣接配置された少なくとも２以上の電極を有し、前記電極間の電気抵抗に起因する電気特性を測定し、その結果を出力する装置であり、
　前記湿度測定手段は、前記抵抗測定装置に隣接して配置され、前記抵抗測定装置の電極間近傍の空間の相対湿度を測定し、その結果を出力する手段であり、
　前記データ抽出手段は、前記湿度測定手段によって測定された相対湿度が所定の湿度条件を満たすときに、前記抵抗測定装置からの出力データを抽出する手段であり、
　前記データ解析手段は、前記データ抽出手段によって抽出されたデータを予め求めておいた検量線データと比較し、その結果を出力する手段である、揮発性脂肪酸の測定装置。
（構成１６）
　前記電極は、絶縁性基板上の少なくとも一部の領域において第１の細線電極と第２の細線電極が交互に並置された構成を有する、構成１５記載の揮発性脂肪酸の測定装置。
（構成１７）
　前記第１の細線電極と前記第２の細線電極は、一定の間隔を有して交互に並置されている、構成１６記載の揮発性脂肪酸の測定装置。
（構成１８）
　前記間隔は、１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である、構成１７記載の揮発性脂肪酸の測定装置。
（構成１９）
　少なくとも前記第１の細線電極の露出面の一部には第１の金属が形成され、少なくとも前記第２の細線電極の露出面の一部には前記第１の金属とは異なる第２の金属が形成されており、
　前記抵抗測定装置は、前記第１の細線電極と前記第２の細線電極の間を流れる電流を測定し、その結果を出力する、構成１６から１８の何れか１項記載の揮発性脂肪酸の測定装置。
（構成２０）
　前記湿度測定手段は、電極間の電気抵抗に基づいて湿度を求める湿度測定電極を具備し、かつ前記湿度測定電極を構成する材料は、前記第１の細線電極または前記第２の細線電極を構成する材料と同じである、構成１６から１９の何れか１項記載の揮発性脂肪酸の測定装置。

　本発明によれば、ＶＦＡを高感度に検知し、高精度に測定する方法およびそのための装置を提供することが可能になる。

本発明のＶＦＡの検知、測定装置の構成を説明する構成概要図である。抵抗測定装置（ガルバニ型センサー）の構成を説明する構造図で、（ａ）は平面視図、（ｂ）は断面図である。抵抗測定装置がガルバニ型センサーである場合の動作原理を説明する説明図である。本発明のＶＦＡの検知、測定方法を説明するための説明図である。試作したＶＦＡの検知、測定システムを用いて得られたセンサー出力と白金抵抗の時間変化を基に本発明の方法を説明する説明図である。図５に示したセンサー出力のプロピオン酸濃度依存性を示す特性図である。図５に示したセンサー出力のプロピオン酸濃度依存性を示す特性図である。

＜コンセプト＞
　本発明のＶＦＡの検知、測定方法では、ＶＦＡを含む可能性のある試料を抵抗測定装置とともに水蒸気が存在する閉空間に載置し、当該抵抗測定装置に備えられた電極間近傍の空間の相対湿度が、当該電極間に結露が発生する直前の湿度条件を満たすときに、当該抵抗測定装置からの出力をモニターする。

　ここで、抵抗測定装置は、絶縁性基板上に微細な間隔で隣接配置された少なくとも２以上の電極間の電気抵抗に起因する電気特性（電気抵抗、導電率、電流値の何れか）を測定するものとし、上記抵抗測定装置からの出力は、当該電気特性の測定結果であるものとする。
　このような抵抗測定装置の具体例としては、絶縁性基板上に、外気（本発明においては上記閉空間内の水蒸気雰囲気が意図される）に接するように露出した２以上の電極を有し、かつそれらの電極材料として少なくとも２以上の異種の金属が用いられており、当該電極間に流れるガルバニー電流を測定するガルバニ型センサーを挙げることができる。そのようなガルバニ型センサーは、例えば特許文献１に開示がある。
　また、絶縁性基板上に、外気に接するように露出した２以上の電極を有し、かつそれらの電極が同一材料からなり、当該電極間に電圧を印加して電極間に流れる電流、あるいはブリッジ回路を設けてその回路から抵抗値を測定する抵抗測定センサーなどを挙げることもできる。
　この中で、ガルバニ型センサーは、小型で外部電源を必ずしも要しないという特徴があり、特に好んで用いることができる。本発明のＶＦＡの検知、測定方法において抵抗測定装置としてガルバニ型センサーを用いる態様の詳細は後述する。

　発明者は、ＶＦＡが水蒸気雰囲気に存在する状態で、抵抗測定装置の電極間の電気抵抗に起因する電気特性を、当該電極間近傍の空間の相対湿度が電極間に結露が発生する直前の湿度条件を満たすときに測定すると、当該抵抗測定装置からの出力は、当該雰囲気中のＶＦＡの濃度に依存したものとなり、高感度にＶＦＡを検知し、また高精度に定量できることを見出した。
　一方、抵抗測定装置の電極間に結露が発生した状態で当該電極間の電気抵抗に起因する電気特性を測定すると、電極間が全て水とＶＦＡからなる液体で埋まるまで抵抗測定装置からの出力が安定せず、その出力は当該雰囲気中のＶＦＡの濃度と相関しなかった。また、抵抗測定装置の電極間が全て水とＶＦＡからなる液体で埋まった状態でも、ＶＦＡに対する検知感度、測定精度は高くないという問題があった。
　ここで、抵抗測定装置の電極間に結露が発生する直前の湿度条件としては、数多くの実験を通じたＶＦＡの検知感度および測定精度の観点から、当該抵抗測定装置の電極間近傍の空間の相対湿度が８０％以上１００％未満であることが好ましく、当該相対湿度が８０％以上９５％以下であることがより好ましい。抵抗測定装置の電極間近傍の空間とは、抵抗測定装置が載置されている閉空間において、少なくとも当該装置の電極が接する外気を含む空間を意味し、典型的には、当該装置の周囲の雰囲気を含む空間が意図される。具体的には、例えば、任意の湿度測定手段を、抵抗測定装置に隣接して閉空間に配置することにより、当該抵抗測定装置の電極間近傍の空間の相対湿度を測定することが可能である。

　本発明によるＶＦＡの検知、測定は、以下のメカニズムによると考えられる。
　抵抗測定装置の電極間近傍の空間の相対湿度が当該電極間に結露が発生する直前の湿度条件を満たすときに測定すると、抵抗測定装置によって目的の電気特性が測定される場所、すなわち、抵抗測定装置の電極間の絶縁性基板露出面上に、水蒸気由来の水分子と、試料から揮発して閉空間内の雰囲気に漂うＶＦＡが共吸着する。そして、電離して生じたプロトン（Ｈ^＋）がキャリアになって、それが水分子や吸着ＶＦＡを介してホッピング的に動いて電極間の電気抵抗（導電率と言い換えてもよい）が変化する。言い換えると、抵抗測定装置の電極間に結露が発生する直前の湿度条件では、当該電極間の絶縁性基板露出面上に、雰囲気中の水蒸気の凝縮現象が生じるまでには至らないものの、当該露出面上は、水蒸気由来の水分子の吸着現象が多く（頻繁に）生じ得る状態にあると言うことができる。通常、このような状態は、ある特定の一時点（瞬間的）というよりは、ある一定の時間範囲（時間間隔）において生じるものであると考えられる。本発明では、この現象を利用して、上記条件で得られた測定結果と、同じ試料を用いて上記相対湿度が上記電極間に結露が発生しない湿度条件にあるときに電極間の電気抵抗を測定して得られたデータとを比較することで、当該試料中のＶＦＡを検知することができる。あるいは、上記条件で得られた測定結果と、ＶＦＡを含まない基準試料または一定の割合でＶＦＡを含む基準試料を用いて上記条件で（すなわち、上記相対湿度が上記電極間に結露が発生する直前の湿度条件を満たすときに）電極間の電気抵抗を測定して得られたデータとを比較することにより、上記試料中のＶＦＡを検知することも可能である。さらに、上述したプロトンの量はＶＦＡの量に大きく、かつ単調に依存するため、検量線を用いることによって上記試料中のＶＦＡの量を求める（定量する）ことが可能になる。しかも、これは一種の界面現象の応用のため、装置構成がコンパクトでありながらも高い検知感度と測定精度を得やすい。なお、電極間の絶縁性基板露出面上に水分子をより多く吸着させるために、絶縁性基板の表面は親水性であることが好ましい。表面が親水性の絶縁性基板を用いると水分子とＶＦＡの共吸着が促進され、ＶＦＡの検知感度および測定精度が上がるとともに、抵抗測定装置からの出力の安定性や出力データの再現性も向上する。ここで、表面が親水性であるとは、当該表面における水の接触角が０°以上５０°以下であることをいう。

　一方、抵抗測定装置の電極間に結露が発生する湿度条件で当該電極間の電気抵抗を測定すると、電極間に液滴は形成されるが、その液滴の形成過程によって電気特性（電気抵抗）が左右され、確率論に沿った挙動となるため、抵抗測定装置からの出力データの再現性が取れず、試料中に含まれるＶＦＡを正確に検知することが難しく、ＶＦＡの量の大小も捉え切らないものとなる。

　なお、予め電極間の絶縁性基板露出面上に水の層を形成しておいて、そこに試料から揮発したＶＦＡを溶解させ、電極間の導電率を測る方法も考えられるが、この方法では、水に対するＶＦＡの溶解度が高くないことなどから高い検知感度や測定精度を得にくく、また装置も大型になりやすいという問題がある。

＜ＶＦＡの検知、測定装置＞
　本発明のＶＦＡの検知、測定装置の構成を図１に示す。
　本発明のＶＦＡの検知、測定装置１０１は、抵抗測定装置１１、湿度測定手段１２、データ抽出手段１３およびデータ解析手段１４を有する。
　抵抗測定装置１１および湿度測定手段１２からの出力データは、信号線１５を介してデータ抽出手段１３に送られる。また、データ抽出手段１３によって抽出された、所定の湿度条件を満たすときの、抵抗測定装置１１からの出力データは、別の信号線を介してデータ解析手段１４に送られ、そのデータは、データ解析手段１４にて、予め求めておいた検量線データなどと比較され、試料１６におけるＶＦＡの存在の有無の確認、および／あるいはＶＦＡの定量が行われる。ここで、抵抗測定装置１１および湿度測定手段１２は、試料１６とともに水蒸気が存在する閉空間１７に配置される。

　抵抗測定装置１１は、図２（ａ）の平面視図に示すように、基板（絶縁性基板）２１、第１の細線電極２２、第２の細線電極２３、第１の電極（第１の集電極）２４および第２の電極（第２の集電極）２５を有する。第１の細線電極２２と第２の細線電極２３は、絶縁性基板２１上に微細な間隔で隣接配置されている。抵抗測定装置１１は、第１の細線電極２２と第２の細線電極２３の間の電気抵抗に起因する電気特性を測定する。
　ここで、第１の細線電極２２と第２の細線電極２３は、絶縁性基板２１上の少なくとも一部の領域において交互に並置された構成を有することが好ましい。このような構成であると、第１の細線電極２２と第２の細線電極２３との対向する面が広くなって、ＶＦＡに対する感度が高くなり、また得られる結果の安定性（再現性）も高くなる。
　また、第１の細線電極２２と第２の細線電極２３は、一定の間隔を有して交互に並置されている、すなわち図２（ｂ）の断面図におけるｄ_１とｄ_２の値が等しく、かつ面内分布もない（面内で一定である）ことが好ましい。この間隔が一定であると、上述した本発明によるＶＦＡの検知、測定のメカニズムが効果的に機能し、第１の細線電極２２と第２の細線電極２３の間の電気抵抗の変化が急峻になって検知感度が向上し、測定精度も高くなる。

　また、第１の細線電極２２と第２の細線電極２３を同じ導電性材料として、両電極間に第１の電極２４および第２の電極２５を介して電圧を印加して、第１の電極２４と第２の電極２５との間に流れる電流を測定して電気抵抗を測定する抵抗測定センサーとしてもよいし、第１の細線電極２２と第２の細線電極２３を異なる金属で構成し、第１の電極２４と第２の電極２５との間に流れるガルバニー電流を測定して電気抵抗を測定するガルバニ型センサーとしてもよい。なお、第１の細線電極２２と第１の電極２４は同じ導電性材料で構成しても異なる導電性材料で構成してもよい。第２の細線電極２３と第２の電極２５についても同様である。

　以下、抵抗測定装置１１がガルバニ型センサーである場合を例にして、より詳細に抵抗測定装置１１について説明する。
　ガルバニ型センサー１１は、図３に示すように、異なる金属（金属Ａ、Ｂ）からなる第１の細線電極２２および第２の細線電極２３が絶縁性基板上に並置されており、この細線電極対の電極に跨って水滴などの導電性の液滴が触れると、ガルバニー電流が電極間に流れる現象を利用した電流検知型のセンサーである。

　ガルバニ型センサー１１は、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、第１の金属からなる第１の細線電極２２と、第１の金属とは異なる第２の金属または半導体からなる第２の細線電極２３とが絶縁性基板上２１に並置されている。言い換えると、第１の細線電極２２と第２の細線電極２３は、絶縁性基板上２１に微細な間隔で隣接配置されている。ここで、第１の細線電極２２と第２の細線電極２３との間の間隔（すなわち、図２（ｂ）におけるｄ_１とｄ_２の値）は、ＶＦＡを高い感度で検知し、また、高い精度で測定する観点から、１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下が好ましい。

　絶縁性基板２１としては、その表面に酸化膜（ＳｉＯ_２膜）が形成されたシリコン基板などを好んで用いることができるが、シリコン基板に限るものではなく、例えばポリカーボネートなどのプラスチックや、ゴムその他の多様な絶縁材料を用いることもできる。また、基板本体は金属等の導電体であっても、その上に絶縁性の塗装や被覆等を形成することにより、第１の細線電極２２および第２の細線電極２３との関係において絶縁性を有する形式の基板も、本願では「絶縁性基板」の範疇に含む。

　第１の細線電極２２は第１の電極２４に繋がれ、第２の細線電極２３は第２の電極２５に繋がれており、第１の電極２４および第２の電極２５に繋がれた電気配線（図示なし）を介して、データ抽出手段１３に電気信号が伝わるようになっている。ここで、第１の電極２４および第２の電極２５にアンプを繋げてガルバニー電流を増幅してデータ抽出手段１３に電気信号を伝えるようにしてもよい。
　第１の細線電極２２と第２の細線電極２３の間は空間でもよいし、そこに絶縁物が埋め込まれていてもよい。ここで、絶縁物が埋め込まれている場合は、水分子が吸着しやすいようにその表面が親水性であることが好ましい。

　第１の細線電極２２および第２の細線電極２３の材料として、それぞれ、第１の金属と、それとは電気化学ポテンシャルの異なる第２の金属を用い、その金属間が水分子とＶＦＡによる一定以上の密度の共吸着状態になると、電離して生じたプロトン（Ｈ^＋）がキャリアになって、それが水分子や吸着ＶＦＡを介してホッピング的に動いて電極間とガルバニ作用を生じることによりガルバニー電流が流れる。

　ここで、第１の細線電極２２と第２の細線電極２３が近接して対向している部分の長さを長くすると電池容量が増大するので、ガルバニー電流の増大に有効である。したがって、これらの細線電極を長い距離に渡って互いにほぼ平行に配置することが好ましい。このような細線電極同士を平行に配置することで、細線電極間の近接部分の長さ（以下、併走距離と称する）を増大させる構成としては、例えば、櫛形構造や、二重渦巻き構造を挙げることができる。その他、一定の平面領域内で２つの配線の併走距離をできるだけ長くするための構造自体は半導体素子分野等で良く知られているので、そのような構造も必要に応じて採用してもよい。なお、本発明において、「細線電極を基板上に並置する」とは、基板上に置かれる複数の細線電極の相互の向きを特定するものではなく、細線電極を基板の同一平面上に離間させて配置することをいう。

　第１の細線電極２２の材料としては、第１の細線電極２２をカソードとする場合、例えば、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、チタン（Ｔｉ）およびこれらの合金、並びに炭素（Ｃ）およびその同素体を挙げることができる。第２の細線電極２３の材料としては、第２の細線電極２３をアノードとする場合、例えば、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）、亜鉛（Ｚｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、アルミニウム（Ａｌ）、スズ（Ｓｎ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、マンガン（Ｍｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）およびこれらの合金を挙げることができる。ただし、第１の細線電極２２として銀およびその合金を用いる場合には、第２の細線電極２３の材料としては銀およびその合金以外を用いる。

　当然ながら、ガルバニ型センサー１１の出力（ガルバニー電流値）は、第１の細線電極２２と第２の細線電極２３に用いる金属材料の組合せに依存する。例えば銀／鉄と金／銀とでは、銀／鉄の組み合わせの方が同じ面積当たりの腐食速度が大きいため、得られるガルバニー電流値が大きくなる。一方で、金／銀の方は、電極の消耗が少ないため長寿命になる。ここで、銀はガルバニ型センサー１１にカビが発生するのを防ぐ効果があるので、第１の細線電極２２または第２の細線電極２３として用いることが好ましい。なお、第１の電極２４は第１の細線電極２２と、第２の電極２５は第２の細線電極２３と同じ材料とすると、ガルバニ型センサー１１の製造工程が簡単化されるので好ましい。

　なお、ガルバニ型センサー１１において繰り返しガルバニー電流が流れると、第２の細線電極２３であるアノード電極の金属がイオン化することでアノード電極（第２の細線電極）が次第に消耗する。
　細線電極の敷設密度を維持したままでこの問題に対処するには、例えばアノード電極を厚くしたり、あるいはアノード電極の幅を広くし、その代わりにカソード電極（第１の細線電極）の幅を狭くする等すればよい。また、細線電極間の間隔を非常に短くした場合には、アノード電極の消耗による細線電極間の間隔のわずかな増大が電気抵抗（ガルバニー電流）の測定結果に与える影響が大きくなる。このような影響が問題になる場合には、例えば、アノード電極の金属の消耗が原理的にはガルバニー電流の時間積分に比例することを利用して測定結果に対して補償演算を行うという測定系全体としての対策も可能である。

　湿度測定手段１２は、抵抗測定装置１１に隣接して配置されており、抵抗測定装置１１において電気特性（抵抗測定装置１１がガルバニ型センサーである場合にはガルバニー電流）を測定する部分（以下、同様の文脈においては単に「測定部」とも称する。）の近傍、つまり、抵抗測定装置１１が有する２以上の細線電極間近傍の相対湿度を測定する手段である。そのような湿度測定手段としては、高分子やセラミックスなどの乾湿材が吸収する水分の量を電気抵抗として測る抵抗変化型の湿度センサー、乾湿応答材料として高分子膜などを用いた静電容量式の湿度センサー、および飽和水蒸気環境として温度をモニターして換算湿度を求める温度センサーと湿度換算システムを用いる方式などを挙げることができる。
　ここで、試料１６と、抵抗測定装置１１および湿度測定手段１２を同じ閉空間環境に載置してＶＦＡの検知、測定を行う場合は、抵抗測定装置１１の第１の細線電極２２および第２の細線電極２３の近くに白金電極を置き、当該白金電極の抵抗値から温度をモニターして、換算湿度を求める方式を好んで用いることができる。特に、抵抗測定装置１１の第１の細線電極２２あるいは第２細線電極２３として白金を用いる場合には、上記方式を採用した湿度測定手段１２の温度計測部を抵抗測定装置１１に容易に設けることが可能になり、本発明のＶＦＡの検知、測定装置全体の小型化やコスト低減を行えるという長所がある。

　データ抽出手段１３は、湿度測定手段１２によって測定された相対湿度が所定の湿度条件を満たすときに、抵抗測定装置１１からの出力データを抽出し、データ解析手段１４に送る機能を有する。
　ここで、相対湿度に関する所定の湿度条件としては、前述のように、相対湿度８０％以上１００％未満が好ましく、８０％以上９５％以下がより好ましい。言い換えると、データ抽出手段１３が抵抗測定装置１１からの出力データを抽出する際の、湿度測定手段１２によって測定される抵抗測定装置１１の電極間近傍の空間の相対湿度は、８０％以上１００％未満が好ましく、８０％以上９５％以下がより好ましい。上記相対湿度がこの湿度条件を満たしていると、高い感度でＶＦＡを検知し、また、高い精度でＶＦＡを測定することができる。

　データ解析手段１４は、データ抽出手段１３を介して送られてきた抵抗測定装置１１の出力データ（抵抗測定装置１１がガルバニ型センサーである場合にはガルバニー電流の測定データ）と、予め求めておいた検量線データなどとを比較して当該出力データに対応するＶＦＡの量を出力する、あるいは、所定の閾値と比較して当該出力データを得た試料１６におけるＶＦＡの有無を出力する。

　本発明によるＶＦＡの検知、測定の具体的な態様を、図４を用いてさらに説明する。
　図４に示すＶＦＡの検知、測定システムでは、土台４１上に、ＶＦＡ水溶液からなる試料１６が、抵抗測定装置１１とともに、アクリルボックスなどによって作られた閉空間１７に載置されており、試料１６から蒸散された水（水蒸気）３１とＶＦＡ３２が、抵抗測定装置１１の測定部（少なくとも電極を含む部分）に到達可能に構成されている。また、閉空間１７には、湿度測定手段１２が、抵抗測定装置１１に隣接して配置されており、抵抗測定装置１１の電極間近傍の相対湿度を測定可能に構成されている。ここで、図４に示すシステムでは、抵抗測定装置１１の下部に温度調整装置４２を配置して抵抗測定装置１１と温度調整装置４２を熱的に接続し、温度調整装置４２により、抵抗測定装置１１の温度調整、より正確に言うと抵抗測定装置１１の測定部の温度調整を行うことで当該測定部に存在する電極間近傍の空間の相対湿度を制御可能に構成することが好ましい。温度調整装置４２としてはペルチェ素子などを挙げることができる。また、熱伝導効率を上げるために、温度調整装置４２と抵抗測定装置１１とはヒートポンプで繋がれて、熱的に接続されていることが好ましい。

　このようにＶＦＡの検知、測定システムを構成すると、湿度測定手段１２で抵抗測定装置１１の電極間近傍の空間の相対湿度をモニターしながら、温度調整装置４２による温度調整によって、抵抗測定装置１１の測定部に存在する電極間近傍の相対湿度を、当該電極間に結露が発生する直前の湿度条件を満たすようにする、具体的に言うと、当該相対湿度が８０％以上１００％未満となるように、あるいは、当該相対湿度が８０％以上９５％以下になるように、効率的に制御することができる。

　試料１６と抵抗測定装置１１の測定部は閉空間１７に置かれているので、平衡状態でこのシステムを使用すると、試料１６から蒸散した水３１とＶＦＡ３２は抵抗測定装置１１の測定部に共吸着し、しかも当該測定部に存在する電極間近傍の空間の相対湿度が所望の範囲（当該電極間に結露が発生する直前の湿度条件）に制御されているため、高い感度と高い精度でＶＦＡを検知、測定することが可能になる。
　なお、図４には、データ抽出手段１３およびデータ解析手段１４が図示されていないが、抵抗測定装置１１および湿度測定手段１２からの出力データを、データ抽出手段１３を介してデータ解析手段１４に送るようにすればよい。

（実施例１）
　実施例１では、図４に示したＶＦＡの検知、測定システムを作製してその特性を調べた結果を述べる。
　但し、当然ながら、本発明はこのような特定の形式に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲は特許請求の範囲により規定されるものであることに注意されたい。

　抵抗測定装置１１は、図２に示すような絶縁性基板２１上に第１の細線電極２２と第２の細線電極２３が櫛型状に並行して配置されたガルバニ型センサーとした。ここで、第１の細線電極２２の材料はアルミニウム、第２の細線電極２３の材料は金とした。第１の細線電極２２も第２の細線電極２３も線幅は２μｍ、その高さは２００ｎｍ、長さは１３００μｍであり、第１の細線電極２２と第２の細線電極２３の間隔は５００ｎｍである。第１の細線電極２２と第２の細線電極２３からなるペアの数は９２個である。

　基板２１としては、Ｓｉウェハ上に厚さ１００ｎｍの熱酸化膜が形成されたものを用いた。基板２１の平坦部での水の接触角は３３°であって、表面は親水性である。
　湿度測定手段１２としては、白金電極の抵抗値から温度をモニターし、そこから換算湿度を求めるものとした。
　温度調整装置４２としてはペルチェ素子を用いた。
　試料１６としては、濃度を５段階（０ｍＭ、１０ｍＭ、２０．７ｍＭ、１００ｍＭおよび２０７ｍＭ）に設定したプロピオン酸水溶液を用いた。水溶液の量はすべて共通で各々５０ｍＬである。
　ポリプロピレン樹脂ボックスによって閉空間１７を設けた。閉空間１７内の容量は４３０ｍＬであり、試料１６を収容した容器と抵抗測定装置１１との最短距離は約３ｃｍである。

　実験結果を図５に示す。抵抗測定装置（ガルバニ型センサー）１１からの出力（センサー出力）の記録を開始した時点を０（ゼロ）ｓとし、経過時間９００ｓ、１８００ｓのところで温度調整装置４２により、絶縁性基板裏面よりセンサーの測定部の温度を変え（降下させ）、センサーの電極間近傍の空間の湿度を制御した。経過時間１９００ｓ以降では結露が発生していることを目視（接写カメラ）で確認している。経過時間１９００ｓ以前のセンサー出力のうち、特に出力の安定性が高い時間範囲として、経過時間６００－８００ｓのところをゾーン１ａ、経過時間１５００－１７００ｓのところをゾーン１ｂとすると、湿度測定手段の白金電極の抵抗値（白金抵抗値）から、ゾーン１ａの相対湿度は８５％、ゾーン１ｂの相対湿度は９２％と見積もられ、上述した、抵抗測定装置の電極間に結露が発生する直前の湿度条件の好ましい範囲内にあることが確認された。
　結露が発生した経過時間１９００ｓ以降では、センサー出力は、その大小関係がプロピオン酸の濃度に応じたものとはなっておらず、その挙動も確率論的な不規則なものになっていることがわかる。具体的には、プロピオン酸濃度が０ｍＭの試料と１０ｍＭの試料は、経過時間約１９５０ｓ以降のセンサー出力がほぼ同じとなり、２０．７ｍＭの試料は、経過時間１９００ｓ以降のセンサー出力が１００ｍＭの試料および２０７ｍＭの試料を上回り、経過時間約２３００ｓ以降では、１００ｍＭの試料でのセンサー出力が２０７ｍＭの試料でのセンサー出力を上回っている。

　一方、結露直前のゾーン１ａおよびゾーン１ｂでは、センサー出力はプロピオン酸の濃度と単調な相関関係がある。ゾーン１ａ（相対湿度８５％）におけるセンサー出力のプロピオン酸濃度依存性を図６に、ゾーン１ｂ（相対湿度９２％）におけるそれを図７に示す。両図とも、プロピオン酸濃度約２０ｍＭのところに変曲点が認められる。ゾーン１ａでは、プロピオン酸濃度２０ｍＭ以下で急峻、２０ｍＭ以上で比較的緩やかな特性曲線となり、ゾーン１ｂでは、プロピオン酸濃度２０ｍＭ以下で急峻、２０ｍＭ以上で飽和的な特性曲線となっている。この特性曲線から、１０ｍＭというような低濃度のプロピオン酸（ＶＦＡ）が十分高いリニアリティをもって検知、測定できていることがわかる。

　なお、ここではプロピオン酸水溶液の濃度で評価したが、気体中のプロピオン酸の相対濃度とその分圧は、ラワールの法則を用いて換算することができる。換算した結果を表１に示す。ここで、「相対」とは水（水蒸気）に対する比を表す。
　表１に示すように、水溶液の形態である試料に含まれるプロピオン酸は、閉空間中の水蒸気雰囲気において、水溶液中の濃度と相関する相対濃度および分圧で存在すると考えることができるため、本実施例で試作したシステムによって、ＶＦＡの高感度な検知および高精度な測定が実現できたと言える。

　本発明によれば、ＶＦＡを高感度に検知し、高精度に測定する方法およびそのための装置が提供される。
　ＶＦＡは、背景技術の項で述べたように、牛などの酪農の生産性、品質向上に大いに影響を与える物質であり、また牛による食べ物の消化を介したメタンガスの排出にも大いに関係がある物質である。したがって、ＶＦＡを高感度に検知し、高精度に測定し、その結果をフィードバックすれば、酪農の生産性、品質は大いに改善され、地球温暖化抑止にも大いに寄与すると考えられる。
　また、ＶＦＡを高感度に検知し、高精度に測定する本発明の方法は、嫌気性細菌の活性を定量的に評価することに繋がり、飼料生産における品質管理、メタン発酵槽のモニタリング、最終処分場（ランドフィル）のオペレーション管理、水田や湖水の環境管理など、微生物分解でＶＦＡを発生する様々なケースでの幅広い活用も期待できる。

１１：抵抗測定装置（ガルバニ型センサー）
１２：湿度測定手段
１３：データ抽出手段
１４：データ解析手段
１５：信号線
１６：試料
１７：閉空間
２１：基板（絶縁性基板）
２２：第１の細線電極
２３：第２の細線電極
２４：第１の電極（第１の集電極）
２５：第２の電極（第２の集電極）
３１：水（水蒸気）
３２：ＶＦＡ
４１：土台
４２：温度調整装置（ペルチェ素子）
１０１：ＶＦＡの検知、測定装置

Claims

　揮発性脂肪酸を含む可能性のある試料を、絶縁性基板上に微細な間隔で隣接配置された少なくとも２以上の電極間の電気抵抗に起因する電気特性を測定する抵抗測定装置とともに水蒸気が存在する閉空間に載置し、
　前記電気特性を、前記電極間近傍の空間の相対湿度が前記電極間に結露が発生する直前の湿度条件を満たすときに測定し、
　得られた測定結果と、所定の条件で得られた基準データとを比較することを含む、揮発性脂肪酸の検知方法。
　前記基準データは、前記試料を用いて前記電極間近傍の空間の相対湿度が前記電極間に結露が発生しない湿度条件にあるときに前記電気特性を測定して得られたデータ、または、揮発性脂肪酸を含まない基準試料または一定の割合で揮発性脂肪酸を含む基準試料を用いて前記電極間近傍の空間の相対湿度が前記電極間に結露が発生する直前の湿度条件を満たすときに測定して得られたデータである、請求項１記載の揮発性脂肪酸の検知方法。
　前記湿度条件は、前記相対湿度が８０％以上１００％未満である、請求項１または２記載の揮発性脂肪酸の検知方法。
　前記湿度条件は、前記相対湿度が８０％以上９５％以下である、請求項３記載の揮発性脂肪酸の検知方法。
　前記電極は、絶縁性基板上の少なくとも一部の領域において第１の細線電極と第２の細線電極が交互に並置された構成を有する、請求項１から４の何れか１項記載の揮発性脂肪酸の検知方法。
　前記第１の細線電極と前記第２の細線電極は、一定の間隔を有して交互に並置されている、請求項５記載の揮発性脂肪酸の検知方法。
　前記間隔は、１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である、請求項６記載の揮発性脂肪酸の検知方法。
　少なくとも前記第１の細線電極の露出面の一部には第１の金属が形成され、少なくとも前記第２の細線電極の露出面の一部には前記第１の金属とは異なる第２の金属が形成されており、
　前記第１の細線電極と前記第２の細線電極の間を流れる電流を測定する、請求項５から７の何れか１項記載の揮発性脂肪酸の検知方法。
　前記第１の金属は金、白金、銀、チタンおよびこれらの合金、並びに炭素からなる群から選択される、請求項８記載の揮発性脂肪酸の検知方法。
　前記第２の金属は銀、銅、鉄、亜鉛、ニッケル、コバルト、アルミニウム、スズ、クロム、モリブデン、マンガン、マグネシウムおよびこれらの合金からなる群から選択される、請求項８または９記載の揮発性脂肪酸の検知方法。
　前記絶縁性基板の表面は親水性である、請求項１から１０の何れか１項記載の揮発性脂肪酸の検知方法。
　前記相対湿度を、前記抵抗測定装置と熱的に接続された温度調整装置によって制御する、請求項１から１１の何れか１項記載の揮発性脂肪酸の検知方法。
　前記温度調整装置はペルチェ素子である、請求項１２記載の揮発性脂肪酸の検知方法。
　前記試料の形態は水溶液である、請求項１から１３の何れか１項記載の揮発性脂肪酸の検知方法。
　抵抗測定装置、湿度測定手段、データ抽出手段およびデータ解析手段を具備し、
　前記抵抗測定装置は、絶縁性基板上に微細な間隔で隣接配置された少なくとも２以上の電極を有し、前記電極間の電気抵抗に起因する電気特性を測定し、その結果を出力する装置であり、
　前記湿度測定手段は、前記抵抗測定装置に隣接して配置され、前記抵抗測定装置の電極間近傍の空間の相対湿度を測定し、その結果を出力する手段であり、
　前記データ抽出手段は、前記湿度測定手段によって測定された相対湿度が所定の湿度条件を満たすときに、前記抵抗測定装置からの出力データを抽出する手段であり、
　前記データ解析手段は、前記データ抽出手段によって抽出されたデータを予め求めておいた検量線データと比較し、その結果を出力する手段である、揮発性脂肪酸の測定装置。
　前記電極は、絶縁性基板上の少なくとも一部の領域において第１の細線電極と第２の細線電極が交互に並置された構成を有する、請求項１５記載の揮発性脂肪酸の測定装置。
　前記第１の細線電極と前記第２の細線電極は、一定の間隔を有して交互に並置されている、請求項１６記載の揮発性脂肪酸の測定装置。
　前記間隔は、１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である、請求項１７記載の揮発性脂肪酸の測定装置。
　少なくとも前記第１の細線電極の露出面の一部には第１の金属が形成され、少なくとも前記第２の細線電極の露出面の一部には前記第１の金属とは異なる第２の金属が形成されており、
　前記抵抗測定装置は、前記第１の細線電極と前記第２の細線電極の間を流れる電流を測定し、その結果を出力する、請求項１６から１８の何れか１項記載の揮発性脂肪酸の測定装置。
　前記湿度測定手段は、電極間の電気抵抗に基づいて湿度を求める湿度測定電極を具備し、かつ前記湿度測定電極を構成する材料は、前記第１の細線電極または前記第２の細線電極を構成する材料と同じである、請求項１６から１９の何れか１項記載の揮発性脂肪酸の測定装置。