(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
検体ガスを導入するためのガス導入口を備えるガス導入部と、
前記ガス導入部から供給される検体ガスを成分分離するためのマイクロカラムを１以上備えるガス分離部と、
前記ガス分離部により分離されたガス成分を検出するためのガス検出部とを備え、
前記１以上のマイクロカラムの内部流路の壁面に２以上の固定相が修飾され、
前記２以上の固定相のうち、前記検体ガスが最初に通過する内部流路部分の壁面に修飾される固定相は、他の固定相の材料とは異なる材料であって比誘電率が１０以上の材料からなる、水を成分分離するための固定相である、呼気分析装置。
【請求項２】
前記比誘電率が１０以上の材料は、２００以上１０００以下の平均分子量を有するポリエチレングリコールである、請求項１に記載の呼気分析装置。
【請求項３】
前記ガス分離部は、前記ガス導入部と接続される第１マイクロカラムと、前記第１マイクロカラムに接続される第２マイクロカラムとを少なくとも備え、
前記第１マイクロカラムの内部流路の壁面に、前記水を成分分離するための固定相が修飾される、請求項１または２に記載の呼気分析装置。
【請求項４】
前記第１マイクロカラムと前記第２マイクロカラムとは、切替機構により接続されており、
前記切替機構は、前記第１マイクロカラムを通過した検体ガスの一部を外部に排出するための排ガス口を備える、請求項３に記載の呼気分析装置。
【請求項５】
前記切替機構は、前記第１マイクロカラムから前記排ガス口に検体ガスの一部を排出するときに、前記第２マイクロカラムにキャリアガスを導入するためのキャリア導入口を備える、請求項４に記載の呼気分析装置。
【請求項６】
前記１以上のマイクロカラムのいずれもが、他の少なくとも１のマイクロカラムと接続されており、
前記１以上のマイクロカラムのうちのいずれか１のマイクロカラムは、他のマイクロカラムに交換できるように着脱可能である、請求項１〜５のいずれかに記載の呼気分析装置。
【請求項７】
前記マイクロカラムのうちのいずれか１のマイクロカラムは、はめ込み式で他のマイクロカラムと接続される、請求項１〜６のいずれかに記載の呼気分析装置。
【請求項８】
前記マイクロカラムのいずれか１のマイクロカラムは、他の２以上のマイクロカラムに接続される多接続マイクロカラムであり、
前記２以上のマイクロカラムのうちのいずれか１のマイクロカラムに検体ガスが流れるように、前記多接続マイクロカラムからの検体ガスの流れを切り替える切替機構を有する、請求項１〜７のいずれかに記載の呼気分析装置。
【請求項９】
前記１以上のマイクロカラムのうちの少なくとも１のマイクロカラムは、その内部流路の壁面に２以上の固定相が修飾された多相マイクロカラムである、請求項１〜８のいずれかに記載の呼気分析装置。
【請求項１０】
前記多相マイクロカラムは、その内部流路の断面が２以上の分割流路に分割されており、前記分割流路の壁面に修飾される固定相のうち、前記検体ガスが最初に通過する分割流路の壁面に修飾される固定相が前記水を成分分離するための固定相である、請求項９に記載の呼気分析装置。
【請求項１１】
前記多相マイクロカラムは、１枚の基板の表裏に内部流路が形成されたものであり、
表裏に形成された内部流路の壁面に修飾される固定相のうち、前記検体ガスが最初に通過する内部流路の壁面に修飾される固定相が前記水を成分分離するための固定相である、請求項９に記載の呼気分析装置。
【請求項１２】
前記検体ガスはアセトンを含む、請求項１〜１１のいずれかに記載の呼気分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス分析装置に関し、特に、検体ガスに微量に含まれるガス成分を高精度に検出するガス分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
わが国では人口減少・少子高齢化が進展しており、総人口に対する６５歳以上の高齢者が占める割合が急速に増加しつつある。具体的には、２０１３年になると総人口に対し約２５．２％のほぼ４人に１人が高齢者となり、２０３５年になると総人口に対し約３３．７％のほぼ３人に１人が高齢者となると言われている。高齢者ほど医療機関を利用する割合は大きいことから、今後医療の負担が大きくなることが予想される。
【０００３】
加えて、若年層においては、生活環境が著しく改善されたこと、ＩＴ技術の進展により体を動かす機会が減少したこと等の理由により、メタボリックシンドロームが問題となっており、生活習慣病等の疾病を患う若年層の人口は年々増えてきている。このように若年層においても医療を利用する機会が増えているというのが現状である。
【０００４】
このような時代の趨勢から、医療が抱える負担はここ数年で限界に達するとも言われており、医療の負担を少しでも軽減することが望まれている。近年では特に医療機関を利用する機会を未然に防ぐことができる予防医療が注目されている。
【０００５】
予防医療を充実させることにより、疾病を患うことを予防することができ、もって疾病を患う人口を減少させることができる。このような手段を用いて疾病を患う人口が減少すれば、医療の負担を軽減することができるばかりか、医療保険制度の崩壊が叫ばれている現代において、医療費を軽減することができるというメリットもある。
【０００６】
そこで、予防医療を充実させるためには、身近な機器で個人が手軽に健康管理を行なうための健康情報を得るシステムを各家庭に普及させたいところである。健康情報を得るための指標としては、血圧、血液、尿、汗、唾液、呼気等の生体試料がある。かかる生体試料には、血液における血糖値のように、疾病またはその兆候に起因して数値が変化する物質が複数含まれている。
【０００７】
このような生体試料に含まれる物質の含有率を個々に測定することにより、健康情報を得ることをもって、自己の健康状態を的確に把握することができる。このように自己の健康状態を客観的に把握することにより、疾病を早期に発見することができ、疾病を患う前に事前にそれを回避するように生活を見直すことができる。
【０００８】
上記で挙げた生体試料の中でも、特に、呼気は、疾病またはその兆候に起因して数値が変化する物質を複数含む点、迅速かつ簡便にサンプリングおよび測定ができる点、ならびに、測定対象がガスであり非侵襲で測定でき、肉体的なダメージが小さい点等から、日々測定しても苦になりにくい、まさに日々の健康管理に最も適した生体試料の一つということもできる。
【０００９】
このような利点を有するため、呼気に含まれる成分に基づいて疾病を特定するという研究が活発化している。これまでの研究で呼気と疾病との相関が見られるものとしては、たとえば肺がん患者の呼気の成分は、健常者のそれと比べて呼気の成分が一部異なっていることが明らかとなっている。
【００１０】
より具体的には、呼気中に一酸化窒素および一酸化炭素を多く含む場合、肺疾患を患っている可能性が高いことがわかっており、喘息および慢性閉塞性肺疾患（ＣＯＰＤ：Chronic Obstructive Pulmonary Diseases）の患者の呼気は、一酸化窒素および一酸化炭素が高い濃度で検出される。
【００１１】
呼気の成分と疾病との相関性が見られる別の例を挙げると、たとえば消化不良、十二指腸潰瘍等の胃腸疾患の患者の呼気は、水素が高い濃度で検出される傾向があり、脂質酸化、喘息、気管支炎等の患者の呼気は、酸化ストレスとの相関が高く、エタン、ペンタン等が高い濃度で検出される傾向がある。このように呼気に含まれる各成分の濃度を測定することにより、疾病情報の取得や健康指導を行なうことができる。
【００１２】
上記の中でも、特に呼気中のアセトンは、脂肪（脂肪酸）、タンパク質（アミノ酸）を分解したときに産出されることから、従来から糖代謝の活性度の指標として位置づけられている。断食中であって摂食していない状態のように極度に空腹であるとき、および重度の糖尿病を患っているときには、呼気中にアセトンを多く含むことが知られている。ともすれば、呼気中に含まれるアセトンの量を把握することにより、体脂肪の減少量を明確にすることができるとも考えられる。
【００１３】
体脂肪がアセトンとなって、体外に排出される詳細のメカニズムを説明すると、まず、脂肪が代謝される過程で血中にアセト酢酸、ヒドロキシ酪酸、アセトン等のケトン体が生成される。そして、生成されたケトン体のうち、アセト酢酸およびヒドロキシ酪酸は肝臓以外の臓器で再利用され、アセトンは肺を介して呼気として外部に排出される。ちなみに、脂肪の代謝は、食事制限や運動により血中グルコースが消費されて不足したときに、体内に蓄えられた体脂肪をエネルギーとして利用することにより行なわれる。
【００１４】
このようにアセトンは、体脂肪を燃焼する過程で生成され、しかも呼気中に含まれて排出されるため、呼気中のアセトンの濃度を測定することにより、体脂肪の燃焼状況を直接的に知ることができる。
【００１５】
ところで、呼気に含まれる複数成分の濃度を個別に測定する方法としては、従来、ガスクロマトグラフィを利用して各成分を分離した後に、熱伝導率型、水素炎イオン化、電子捕獲型、質量分析等の検出器により検出する方法が知られている。かかる検出方法によれば、ｐｐｂ−ｐｐｔレベルで高感度に各成分を検出することができるという利点を有する。
【００１６】
しかしながら、従来の呼気の測定機器、すなわちガスクロマトグラフィは、大型でかつ、重量があり、高額でもあり、しかも操作方法の習熟も必要でもあることから、各家庭に身近な機器として備えられる機器とは言えなかった。
【００１７】
また、呼気中に含まれる成分を精確に分析するためには、呼気中に大量に含まれる水蒸気を除去する必要があるが、従来の呼気の測定機器には、呼気中の水分を除去するための前処理を行なう部位を備えていないため、呼気中に微量に含まれる成分の一部は検出されにくく、精確に分析することはできなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】特開２００２−１８１６７４号公報
【特許文献２】特表２００５−５１２０６７号公報
【特許文献３】特開２００６−１４５２５４号公報
【特許文献４】特開平８−１２２３１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
このような課題を解決するための試みとして、たとえば特許文献１および特許文献２には、試料の前処理を行ない水分の除去を行なう装置が開示されている。しかし、特許文献１および特許文献２の装置は、分析装置の他に水分除去ユニットを設置する必要があるため、装置の構造が複雑化し、結果として装置全体が大型化する傾向があった。
【００２０】
また、特許文献３には、通常のガスクロマトグラフィのカラムを使用することにより、水の検出を行なう技術が開示されている。しかしながら、特許文献３の方法は、ガスクロマトグラフ装置を用いることが必須であるため、各家庭等で使用するのはほぼ実現不可能であった。
【００２１】
特許文献４には、プレカラムとメインカラムとを備えるガスクロマトグラフ質量分析装置が開示されている。特許文献４のガスクロマトグラフ質量分析装置は、予め水分のみを分離するプレカラムを用いて先に水分を分離した後に、メインカラムで各成分を成分分離するという技術である。
【００２２】
このように２つのカラムを設けることにより、たしかに成分分離の性能を高めることはでき、その形状を小型化することもできる傾向にあるが、やはり汎用的に利用できるレベルにまで小型化したものではなく、さらなる小型化が要求されている。
【００２３】
本発明は、上記のような現状に鑑みてなされたものであり、小型であって、検体ガスの成分分離の性能が高いガス分析装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明のガス分析装置は、検体ガスを導入するためのガス導入口を備えるガス導入部と、該ガス導入部から供給される検体ガスを成分分離するためのマイクロカラムを１以上備えるガス分離部と、該ガス分離部により分離されたガス成分を検出するためのガス検出部とを備え、該１以上のマイクロカラムの内部流路の壁面に２以上の固定相が修飾されることを特徴とする。
【００２５】
２以上の固定相のうちのいずれか１の固定相の材料は、他の少なくとも１の固定相の材料とは異なることが好ましい。
【００２６】
２以上の固定相のうちのいずれか１の固定相は、検体ガスの成分のうちの水を成分分離することが好ましい。
【００２７】
１以上のマイクロカラムのうちの検体ガスが導入される側の内部流路の壁面に修飾される固定相は、検体ガスの成分のうちの水を成分分離することが好ましい。
【００２８】
２以上の固定相のうちのいずれか１の固定相は、１０以上の比誘電率を有することが好ましい。
【００２９】
ガス分離部は、ガス導入部と接続される第１マイクロカラムと、該第１マイクロカラムに接続される第２マイクロカラムとを少なくとも備えることが好ましい。
【００３０】
第１マイクロカラムと第２マイクロカラムとは、切替機構により接続されており、該切替機構は、第１マイクロカラムを通過した検体ガスの一部を外部に排出するための排ガス口を備えることが好ましい。
【００３１】
切替機構は、第１マイクロカラムから排ガス口に検体ガスの一部を排出するときに、第２マイクロカラムにキャリアガスを導入するためのキャリア導入口を備えることが好ましい。
【００３２】
１以上のマイクロカラムのいずれもが、他の少なくとも１のマイクロカラムと接続されており、該１以上のマイクロカラムのうちのいずれか１のマイクロカラムは、他のマイクロカラムに交換できるように着脱可能であることが好ましい。
【００３３】
マイクロカラムのうちのいずれか１のマイクロカラムは、はめ込み式で他のマイクロカラムと接続されることが好ましい。
【００３４】
マイクロカラムのいずれか１のマイクロカラムは、他の２以上のマイクロカラムに接続される多接続マイクロカラムであり、上記の２以上のマイクロカラムのうちのいずれか１のマイクロカラムに検体ガスが流れるように、多接続マイクロカラムからの検体ガスの流れを切り替える切替機構を有することが好ましい。
【００３５】
少なくとも１のマイクロカラムは、その内部流路の壁面に２以上の固定相が修飾された多相マイクロカラムであり、該多相マイクロカラムの内部流路の壁面に修飾される固定相のうちのいずれか１の固定相の材料は、他の少なくとも１の固定相の材料とは異なることが好ましい。
【００３６】
多相マイクロカラムのうち検体ガスを導入する側の内部流路の壁面に修飾される固定相の材料は、該多相マイクロカラムの検体ガスを排出する側の内部流路の壁面に修飾される固定相の材料と異なることが好ましい。
【００３７】
多相マイクロカラムは、その内部流路の断面が２以上の分割流路に分割されており、該分割流路に修飾される固定相のうちのいずれか１の固定相の材料は、他の少なくとも１の分割流路に修飾される固定相の材料と異なることが好ましい。
【００３８】
多相マイクロカラムは、１枚の基板の表裏に内部流路が形成されたものであり、当該基板の表面側に形成された内部流路の壁面を修飾する固定相の材料は、基板の裏面側に形成された内部流路の壁面を修飾する固定相の材料と異なることが好ましい。
【００３９】
検体ガスはアセトンを含むことが好ましい。
【発明の効果】
【００４０】
本発明のガス分析装置は、上記の構成を有することにより、小型であって、検体ガスの成分分離の性能が高いという特性を有する。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】（ａ）は、本発明のガス分析装置の一例のある状態を示す模式図であり、（ｂ）は、本発明のガス分析装置の別の一状態を示す模式図である。
【図２】（ａ）は、本発明のガス分析装置に用いられるマイクロカラムの内部流路の構造の一例を示す図であり、（ｂ）は、本発明のガス分析装置に用いられるマイクロカラムの内部流路の構造の別の一例を示す図である。
【図３】本発明のガス分析装置に用いられるガス検出部の一例を示す模式的な断面図である。
【図４】本発明のガス分析装置の一例を示す模式図である。
【図５】（ａ）および（ｂ）は、第１マイクロカラムと第２マイクロカラムとを接続する切替機構を動作させる前後の拡大断面図である。
【図６】本発明のガス分析装置の一例を示す模式図である。
【図７】（ａ）および（ｂ）は、第１マイクロカラムと第２マイクロカラムとを接続する切替機構を動作させる前後の拡大断面図である。
【図８】本発明のガス分析装置の一例を示す模式図である。
【図９】本発明のガス分析装置の一例を示す模式図である。
【図１０】本発明のガス分析装置に用いられる多相マイクロカラムの内部流路の断面を模式的に示した図である。
【図１１】本発明のガス分析装置に用いられる多相マイクロカラムの内部流路の断面を模式的に示した図である。
【図１２】実施例Ａ１のガス分離部を用いて成分分離したガス成分をＧＣＭＳにより検出して得たクロマトグラムである。
【図１３】比較例Ａ１のガス分離部を用いて成分分離したガス成分をＧＣＭＳにより検出して得たクロマトグラムである。
【図１４】比較例Ａ２のガス分離部を用いて成分分離したガス成分をＧＣＭＳにより検出して得たクロマトグラムである。
【図１５】実施例１のガス分析装置に対し、検体ガスを導入したときの抵抗変化の出力を示したグラフである。
【図１６】比較例２のガス分析装置に対し、検体ガスを導入したときの抵抗変化の出力を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。図面や以下の記述中で示す構成は、例示であって、本発明の範囲は、図面や以下の記述中で示すものに限定されない。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。また、本願の図面において、長さ、幅、厚さ等の寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜に変更されており、実際の寸法関係を表してはいない。
【００４３】
（実施の形態１）
＜ガス分析装置＞
図１（ａ）は、本実施の形態のガス分析装置の一例のある状態を示す模式図であり、図１（ｂ）は、（ａ）のガス分析装置の別の一状態を示す模式図である。本実施の形態のガス分析装置は、図１（ａ）に示されるように、検体ガスを導入するためのガス導入口１１を備えるガス導入部１０と、該ガス導入部１０から供給される検体ガスを成分分離するためのマイクロカラムを２つ備えるガス分離部２０と、該ガス分離部２０により分離されたガス成分を検出するためのガス検出部５０とを備えることを特徴とする。
【００４４】
そして、上記の２つのマイクロカラムのうち、ガス導入部１０と接続されるマイクロカラムのことを第１マイクロカラム２１とし、第１マイクロカラム２１に接続されるマイクロカラムのことを第２マイクロカラム３１とすると、第１マイクロカラム２１の内部流路２２の壁面に修飾される固定相の材料は、第２マイクロカラム３１の内部流路３２の壁面に修飾される固定相の材料とは異なることを特徴とする。
【００４５】
このように第１マイクロカラム２１および第２マイクロカラム３１の壁面に修飾される固定相の材料がそれぞれ相異なることにより、第１マイクロカラム２１で成分分離した検体ガスをさらに第２マイクロカラム３１で成分分離できることから、ガス分析装置の検出精度を高めることができる。以下においては、検体ガスとして呼気を用いた場合の本実施の形態のガス分析装置の動作の一例を図１（ａ）および図１（ｂ）を参照して説明する。
【００４６】
本実施の形態のガス分析装置の図１（ａ）に示される状態（以下においてこの状態のことを「第１状態」とも記す）において、呼気は、ガス採取部４０の導入口から導入されて、ガス導入口１１から第１流路１２を通じてガス収容部１９に供給される。そして、ガス収容部１９から第２流路１３、ガス排出口１４を通じてガス採取部４０に排出される。ここでの呼気の流速は、気流発生手段２５により制御される。
【００４７】
一方、第１状態において、キャリアガスを供給する第３流路１５は、ガス分離部２０の第１マイクロカラム２１と接続されている第４流路１６に直接接続される。そして、調圧手段１７により流速を調整したキャリアガスが第３流路１５から第４流路１６を流れ、さらにガス分離部２０の第１マイクロカラム２１の順に流れる。
【００４８】
次に、第１状態から流路切替手段１８を用いて、ガス収容部の接続先を第１流路１２および第２流路１３から第３流路１５および第４流路１６に切り替えることにより、図１（ｂ）に示される第２状態とする。かかる第２状態では、図１（ｂ）に示されるように、第３流路１５とガス収容部１９と第４流路１６とを接続する。このように第１状態から第２状態に切り替えることにより、第１流路１２から導入されたガス収容部１９内の呼気が第３流路１５から供給されるキャリアガスとともに、第４流路１６を通じてガス分離部２０の第１マイクロカラム２１に供給される。
【００４９】
ガス分離部２０に供給された呼気は、第１マイクロカラム２１の内部流路２２の壁面の固定相と吸脱着が繰り返されるが、呼気の成分ごとに吸脱着のし易さが異なる。このため固定相によく吸着する成分ほど移動速度が遅くなり、固定相にあまり吸着しない成分ほど移動速度が早くなるというように、呼気を成分分離することができる。
【００５０】
ここで、第１マイクロカラム２１の壁面には、呼気の成分のうちの水を成分分離するための固定相が修飾されることが好ましい。従来から呼気に含まれる各成分を検出する上で、呼気中の水分は、検出を阻害する最有力の成分であった。しかし、このように第１マイクロカラム２１の内部流路２２に水を成分分離するための固定相を修飾することにより、呼気に含まれる水を効率的に成分分離することができる。なお、固定相を構成する材料の詳細は後述する。
【００５１】
このように第１マイクロカラム２１により水を成分分離した呼気は、第２マイクロカラム３１に供給されて、さらに成分分離がなされる。そして、第２マイクロカラム３１で成分分離された呼気の各成分がガス検出部５０に導入される。かかる各成分をガス検出部５０のガスセンサ５１により感知する。呼気がガス分析装置に導入されてから、ガスセンサ５１がガス成分を感知するまでの時間を保持時間という。当該保持時間は呼気の成分により固有の値を示し、かかる保持時間に基づいて、ガス成分の同定が行なわれる。本実施の形態のガス分析装置は、このようにして呼気のガス成分を検出する。以下において、本実施の形態のガス分析装置を構成する各部をより詳細に説明する。
【００５２】
＜ガス導入部＞
本実施の形態において、ガス導入部１０は、呼気の一部をガス分離部２０に供給するために設けられるものである。このようなガス導入部１０は、図１に示されるような構造のみに限られるものではなく、たとえばガス分離部２０に呼気を供給する流路に切換口が備わっていることが好ましい。ガス導入部１０は、該切換口を動作させることにより、ガス分離部２０に供給する呼気の流速を調整することができるものであれば、いかなる構造のものであっても良い。
【００５３】
このようにガス導入部１０が、上記のような構造を有することにより、検出に不要な呼気を外部に排出しつつ、検出に必要な呼気のみをガス分離部２０に供給することができる。ガス導入部１０の一例として、以下に図１（ａ）および図１（ｂ）を用いて説明する。
【００５４】
図１（ａ）に示されるガス導入部１０は、ガス導入口１１から呼気を導入するための第１流路１２と、導入した呼気の一部をガス排出口１４から排出するための第２流路１３とを有するとともに、第１流路１２と第２流路１３とを接続し、かつ呼気を保持するためのガス収容部１９がさらに接続される。
【００５５】
一方、ガス導入部１０は、上記の第１流路１２および第２流路１３とは別の流路として、キャリアガスを導入するための第３流路１５と、ガス分離部２０に呼気を供給するための第４流路１６とを備える。ただし、図１（ａ）に示される第１状態においては、第３流路１５と第４流路１６とは、ガス収容部１９を介することなく直接接続されている。このため、第３流路１５に導入されるキャリアガスは、第４流路１６を通じてガス分離部２０に供給される。第１状態では、呼気がガス分離部２０に供給されることはなく、第１流路１２から導入された呼気は、ガス収容部１９を通過して、その一部がガス収容部１９に保持されるとともに、残部は第２流路１３を通じてガス排出口１４から排出される。
【００５６】
（流路切替手段）
流路切替手段１８は、ガス収容部１９が第１流路１２および第２流路１３に接続されている第１状態から、ガス収容部１９が第３流路１５および第４流路１６に接続されている第２状態に切り替えるためにガス導入部１０に設けられるものである。流路切替手段１８により、図１（ａ）に示される第１状態から図１（ｂ）に示される第２状態に切り替えられる。第２状態では、上記の第１状態でガス収容部１９に保持された呼気が、第３流路１５から供給されるキャリアガスとともに第４流路１６に流れ、該第４流路１６からガス分離部２０に供給される。
【００５７】
そして、第２状態において、ガス収容部１９に呼気がなくなったとき、またはガス分離部２０に呼気が十分に供給されたとき、流路切替手段１８により第２状態から第１状態に切り替える。第２状態から第１状態に切り替わると、第１流路１２からガス収容部１９に再び呼気が導入される。このように第１状態と第２状態とを交互に切り替えることにより、適切な流量の呼気を適切なタイミングでガス分離部２０に導入することができる。
【００５８】
なお、図１（ｂ）に示される第２状態においては、第１流路１２と第２流路１３とはガス収容部１９を介することなく、直接接続されている。このため、第２状態において第１流路１２に導入される呼気は、第２流路１３を通じてガス採取部４０に排出される。
【００５９】
（調圧手段）
第３流路１５は、調圧手段１７を備えることが好ましい。調圧手段１７を備えることにより第３流路１５を流れるキャリアガスの流速を制御することができる。このようにキャリアガスの流速を制御することにより、ガス分離部２０に一定流量の呼気をキャリアガスとともに供給することができる。
【００６０】
このような調圧手段１７により制御される呼気の流速は、特に限定されずいかなる速度であってもよいが、１０ｃｍ／ｓｅｃ以上１００ｃｍ／ｓｅｃ以下であることが好ましい。ただし、内部流路の長さおよび断面積によって、その好ましい流速は異なり、たとえば内部流路の長さが１０ｍで断面積が０．０４ｍｍ2であるときには、上記の流速の数値範囲の中でも１０ｃｍ／ｓｅｃ以上５０ｃｍ／ｓｅｃ以下であることがより好ましく、さらに好ましくは１０ｃｍ／ｓｅｃ以上３０ｃｍ／ｓｅｃ以下である。一方、内部流路の長さが１７ｍで断面積が０．０４ｍｍ2であるときには、４０ｃｍ／ｓｅｃ以上９０ｃｍ／ｓｅｃ以下であることがより好ましく、さらに好ましくは５０ｃｍ／ｓｅｃ以上７０ｃｍ／ｓｅｃ以下である。呼気の流速が１０ｃｍ／ｓｅｃ未満であると、ガス検出までに要する時間が長くなり、装置のスペック上好ましくない。呼気の流速が１００ｃｍ／ｓｅｃを超えると、流速が早すぎることにより、後のガス分離部で呼気を成分分離しにくい傾向がある。
【００６１】
このような調圧手段１７としては、気体の圧力を調整することができるものであればどのようなものを用いてもよく、たとえばコンプレッサー、バルブ、ポンプ、レギュレータ、ガスボンベ等を用いることができる。コンプレッサー、ポンプ等を用いる場合、加圧した空気を減圧弁にて調整した上でガス分離部２０に呼気を供給することができる。なお、キャリアガスとしては、たとえばヘリウム等の不活性ガスあるいは空気等を用いることができる。
【００６２】
（ガス採取部）
本実施の形態のガス分析装置において、図１（ａ）に示されるように、ガス採取部４０をガス導入口１１およびガス排出口１４に接続することが好ましい。このようにガス採取部４０を接続することにより、呼気をガス導入口１１に効率的に導入することができるとともに、呼気を収容するスペースを設けることができる。
【００６３】
しかも、このようなガス採取部４０は、呼気がガス採取部４０、第１流路１２、ガス収容部１９、および第２流路１３を循環する循環経路としての役割も果たす。
【００６４】
ガス採取部４０の導入口にはマウスピース、マスク等のように口をあて呼気を直接導入することができるようなものを有していることが好ましい。このようにマウスピース、マスク等を有することにより、ガス採取部４０に呼気を導入しやすい。
【００６５】
そして、ガス採取部４０は、呼気の入口および出口に逆止弁４１を備えることが好ましい。このようにガス採取部４０が逆止弁４１を備えることにより、呼気の一部はガス採取部から排出されるが、その残部は、ガス採取部４０、第１流路１２、ガス収容部１９、および第２流路１３内に循環させることができる。
【００６６】
なお、図１（ａ）および図１（ｂ）においては、ガス採取部４０を用いてガス導入部１０に呼気を導入する場合を例示しているが、ガス導入部１０に呼気を導入する方法は、ガス採取部４０のみに限られるものではなく、ガス導入口１１にバッグを直接接続してガス導入部１０に呼気を導入してもよい。
【００６７】
（気流発生手段）
ガス導入口１１またはガス排出口１４のいずれか一方もしくは両方に気流発生手段２５を設けることが好ましい。このように気流発生手段２５を備えることにより、ガス採取部４０、第１流路１２、ガス収容部１９、および第２流路１３を呼気が循環するようにすることができるとともに、これを流れる呼気の流速を制御することができる。なお、気流発生手段２５により制御される呼気の流速は、特に限定されずいかなる速度であってもよいが、１ｍＬ／ｍｉｎ以上１０ｍＬ／ｍｉｎ以下であることが好ましい。
【００６８】
＜ガス分離部＞
本実施の形態において、ガス分離部２０は、ガス導入部１０から導入された呼気に含まれる各種ガス成分を成分分離するために設けられるものであり、具体的には、ガス分離部２０に備えられる第１マイクロカラム２１および第２マイクロカラム３１により呼気の成分分離を行なうことを特徴とする。なお、以下において、単に「マイクロカラム」と記す場合は、第１マイクロカラムおよび第２マイクロカラムの両方を含む概念である。
【００６９】
第１マイクロカラム２１および第２マイクロカラム３１のように、２つのマイクロカラムを用いることにより、ガス分析装置の小型化および軽量化を達成しつつ、その呼気中の検出したい成分の検出精度を高めることができる。これは、第１マイクロカラム２１で呼気中の不要な成分を成分分離した後に、第２マイクロカラム３１でさらなる成分分離を行なうことができるからである。以下においては、２つのマイクロカラムを備えるガス分離部を説明するが、３以上のマイクロカラムを備える場合も本発明の効果が得られることは言うまでもない。
【００７０】
ここで、「マイクロカラム」とは、マイクロオーダーの幅および深さを有する微細な流路を備えるチップ状のクロマトグラフィカラムを意味するものである。このようなマイクロカラムの外形は、特に限定されるものではなく、たとえばＳｉウェハー等の基板を用いて、その外形が縦横数ｍｍ〜数十ｃｍで、その厚みを数ｍｍ〜数ｃｍ程度とすることができる。
【００７１】
なお、検出ガスの「成分分離」とは、呼気を構成する全ての成分を各成分ごとに分離する場合はもちろん、呼気を構成する成分のうちのいずれか１の成分を、他の少なくとも１の成分から分離する場合も含まれるものとする。すなわち、呼気が３以上の成分を含む場合、３以上の成分のうちの少なくとも１の成分が他の２以上の成分から分離されている限り、呼気の成分分離は達成されており、本発明の範囲に含まれる。
【００７２】
ガス分離部２０には、マイクロカラム以外のクロマトグラフィカラムとして、固定相をコーティングした担体を充填したパックドカラム、内壁に固定相が塗布されたキャピラリーカラム等を用いることも考えられるが、これらのクロマトグラフィカラムは、温度を制御するために大きな恒温槽を備える必要があり、ガス分析装置自体が大型化することになりかねず、所期の目的に反することになるため好ましくない。
【００７３】
また、マイクロカラムの内部流路の幅および深さ（高さ）はそれぞれ、たとえば１００〜３００μｍ程度とすることができる。マイクロカラムの内部流路の幅および深さは、目的成分の種類やマイクロカラムに導入される呼気の流量などを考慮して決定されることが好ましい。
【００７４】
また、内部流路２２は、その長さが３ｍ以上２０ｍ以下であることが好ましい。内部流路２２の長さが３ｍ未満であると、呼気の成分分離を十分に行なうことができず、内部流路２２の長さが２０ｍを超えると、測定に要する時間が長時間となるため好ましくない。
【００７５】
図２（ａ）は、本実施の形態のマイクロカラムにおける内部流路の構造の一形態を示した図であり、図２（ｂ）は、本実施の形態のマイクロカラムにおける内部流路の構造の別の一形態を示した図である。マイクロカラムの内部流路の構造は、図１（ａ）に示されるような蛇形流路の構造のみに限られるものではなく、たとえば図２（ａ）に示されるような円のスパイラル状の内部流路の構造であってもよく、図２（ｂ）に示されるように四角のスパイラル状の内部流路の構造であってもよい。また、第１マイクロカラムおよび第２マイクロカラムにそれぞれ異なる構造の内部流路を備えるマイクロカラムを用いてもよい。
【００７６】
本実施の形態において、第１マイクロカラム２１は、その内部流路２２の壁面に固定相が修飾されており、該固定相は、３０℃での比誘電率が１０以上の極性材料からなることが好ましい。比誘電率が１０以上の極性材料は、強極性であることにより、呼気に含まれる成分のうちの水を効率的に成分分離することができる。すなわち、このような比誘電率を有する固定相は、その極性が高いことにより、特に水のような極性物質の流速を顕著に遅らせることができる。
【００７７】
比誘電率が１０以上の極性材料としては、たとえば平均分子量が１０００以下のポリエチレングリコールの他、エチレングリコール、プロピレングリコール、ポリプロピレングリコール等を挙げることができる。なお、固定相を構成する材料の比誘電率は、誘電率測定装置を用いて算出された値を採用するものとする。また、第２マイクロカラム３１の内部流路３２の壁面に修飾する固定相としては、たとえば５％フェニルメチルシリコーン（商品名：ＳＥ５２（ジーエルサイエンス株式会社製））等を用いることができる。
【００７８】
固定相が有する極性が強いほど、呼気の各成分ごとの極性差がマイクロカラム中を流れる呼気の流速に差をもたらし、呼気を成分分離しやすいものと考えられる。そして、固定相の極性の強弱は、その材料の誘電率の高低により決定されるという関係から、固定相を構成する材料は、１１以上の比誘電率を有することがより好ましく、さらに好ましくは１３以上の比誘電率を有することである。固定相を構成する材料の比誘電率が１０未満であると、呼気中の水を成分分離することができないため好ましくない。
【００７９】
ここで、呼気中の水を成分分離するのに有効な固定相の材料としては、２００以上１０００以下の平均分子量を有するポリエチレングリコール（以下においては「ＰＥＧ」とも記する）を用いることがより好ましい。ＰＥＧは、その平均分子量が多いほど粘度が上昇するとともに、その極性が小さくなる傾向にあり、平均分子量が小さいほど粘度が低下するとともに、その極性が強くなる傾向がある。このため、ＰＥＧの粘度と極性とのバランスの観点からは、３０℃での比誘電率が１３．７４である平均分子量が６００程度のＰＥＧ（ＰＥＧ６００）を用いることがさらに好ましい。
【００８０】
ポリエチレングリコールの平均分子量が２００未満であると、その粘度が低いことによりマイクロカラムの内部流路２２の壁面に保持されにくく、ポリエチレングリコールの平均分子量が１０００を超えると、十分な極性を有しないことから、呼気の分離能が低下する傾向がある。また、第１マイクロカラム２１は、温度制御手段を備えていることが好ましい。温度制御手段を備えることにより、マイクロカラムの温度を一定に保つことができ、より精確に成分分離を行なうことができる。
【００８１】
上記のような第１マイクロカラム２１により、まず呼気中の水分を成分分離した後に、第２マイクロカラム３１により、第１マイクロカラム２１では十分に成分分離できなかった成分をさらに成分分離することができる。このように第２マイクロカラム３１の内部流路を修飾する固定相は、成分分離したい所望の成分に合わせて固定相の材料を選択することができる。すなわち、呼気中に含まれるアルコールを検出したい場合、芳香族化合物を検出したい場合、炭化水素化合物を検出したい場合等のように、検出したい成分によって適切な固定相の材料を選択することが好ましい。
【００８２】
たとえば、呼気中のアルコールを成分分離するという観点から、ジグリセロール（Ｄｉｇｌｙｃｅｒｏｌ）等を固定相の材料に用いることが好ましい。また、呼気中の芳香族化合物を成分分離するという観点から、ＳｉｐｏｎａｔｅＤＳ−１０（信和化工株式会社製）等を固定相の材料に用いることが好ましく、炭化水素化合物を成分分離するという観点からスクアレン（Squalane）等を固定相の材料に用いることが好ましい。
【００８３】
また、呼気を成分分離する性能を高めるという観点から、マイクロカラムの内部流路の壁面に修飾される固定相の厚みは、１μｍ以上２μｍ以下であることが好ましい。
【００８４】
ここで、固定相の厚みは、マイクロカラムの内部流路の壁面に固定相を修飾したマイクロカラムの断面を、マイクロスコープを用いて観察したときの画像に基づいて直接測定することにより算出されたものを採用する。
【００８５】
＜マイクロカラムの作製＞
本実施の形態における、マイクロカラムの作製方法を具体的な一例を挙げて説明する。まず、Ｓｉウェハー等の基板表面にフォトリソグラフィ技術を用いて、エッチング加工、ブラスト加工等の微細加工を行なうことにより連続した溝を形成する。
【００８６】
ついで、連続した溝を形成した基板とガラス板とを、基板の溝形成面側がガラス板に対向するように陽極接合などの手法により気密に接合する。次に、形成された内部流路の一端に未修飾のキャピラリーガラスを取り付け、マイクロカラムの内部流路内に固定相を溶解させた溶液を充填する。その後、その溶媒を除去することによりマイクロカラムの内部流路の内壁に固定相を修飾する。
【００８７】
＜検体ガス＞
本実施の形態のガス分析装置を用いて成分分離される検体ガスは、アセトンを含むことが好ましい。従来のガス分析装置では、水中に微量に含まれるアセトンを効率的に成分分離することが困難であり、たとえ成分分離できたとしても、その成分分離の精度は十分なものではなかった。しかし、本実施の形態のガス分析装置ではかかる従来の課題を一掃し、短時間で検体ガス中の水を成分分離し得る。このような検体ガスとして、たとえば呼気を用いることができる。
【００８８】
＜ガス検出部＞
ガス検出部５０は、ガス分離部２０で分離されたガス成分を順次検出するための部位であり、ガスセンサを用いることが好ましい。本実施の形態において、ガス検出部５０は、化学物質を検出するためのガスセンサ５１を有する。かかるガスセンサ５１としては、半導体センサ、電気化学式ガスセンサ、ＱＣＭ、ＦＩＤ等を用いることができる。この中でも、安価で入手しやすいという観点から、半導体センサを用いることが好ましい。
【００８９】
図３は、本実施の形態のガス分析装置に用いられるガス検出部の一例を示す模式的な断面図である。本実施の形態において、ガスセンサ５１は、図３に示されるように、ガス分離部により分離されたガス成分の出口の近傍に設置することが好ましい。このようにガス成分の出口の近傍にガスセンサ５１を設置することにより、目的成分の検出感度を高めることができる。ここで、「ガス成分の出口近傍」とは、ガス成分の出口から０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下の範囲にガスセンサ５１が位置することを意味する。なお、ガス分離部２０の第２マイクロカラムの内部流路と、ガス検出部５０とはキャピラリーガラスチューブ５５により接続されている。
【００９０】
ガス分離部２０とガス検出部５０とは、キャピラリーガラスチューブ５５を用いて接続するが、キャピラリーガラスチューブの管径が小さいため、キャピラリーガラスチューブ５５のガス成分の出口とガスセンサ５１とが離れていると、ガスセンサ５１が呼気を感知しにくい傾向にあるため好ましくない。
【００９１】
ガスセンサ５１は、導線等を介してデジタルマルチメータなどの信号受信機構（図示せず）に接続されることが好ましい。このような信号受信機構は、ガスセンサ５１がガス成分を検出すると、ガスセンサ５１の定抵抗の電圧値の変化を信号変化として受信する必要がある。
【００９２】
さらに、信号受信機構はコンピュータに接続されていることが好ましい。ここでのコンピュータとは、信号受信機構が検出した信号データの蓄積し、該信号データをクロマトグラムに変換し、かつその変換したデータの表示を行なうもののことをいう。なお、コンピュータが流路切替手段の動作を制御する機能を有しており、かかるコンピュータにより第１状態と第２状態とを切り替える制御を行なってもよい。
【００９３】
（実施の形態２）
図４は、本実施の形態のガス分析装置の一例を示す模式図である。本実施の形態のガス分析装置は、図４に示されるように、実施の形態１のガス分析装置に対し、排ガス口３６を備える切替機構３５を用いて、第１マイクロカラム２１と第２マイクロカラム３１とを接続したことが異なる他は、実施の形態１と同様のものである。
【００９４】
このように第１マイクロカラム２１と第２マイクロカラム３１とを接続するために切替機構３５を設け、かかる切替機構３５が呼気の一部を外部に排出する排ガス口３６を備えることにより、呼気のうちの検出に不要な呼気の成分を排ガス口３６から外部に排出することができ、以って呼気のうちの検出に必要な呼気の成分のみを検出することができる。
【００９５】
本実施の形態のガス分析装置の動作をより具体的に説明する。まず、ガス導入部１０を通じてガス分離部２０の第１マイクロカラム２１に呼気が導入されると、呼気中の水は第１マイクロカラム２１の固定相により流速が制御されて遅くなり、水以外の成分が先に第１マイクロカラム２１から第２マイクロカラム３１に供給される。
【００９６】
このようにして第１マイクロカラム２１により呼気中の水が成分分離されて、呼気中の水以外の成分が先に第２マイクロカラム３１に供給される。そして、呼気中の水が未だ第２マイクロカラム２１に供給される前に、切替機構３５を動作させることにより、検出に不要な呼気中の主に水を排ガス口３６から外部に排出させることができる。このように排ガス口３６から呼気のうちの主に水を排出することにより、第２マイクロカラム３１の成分分離の性能を高めることができる。
【００９７】
ここで、排ガス口３６から検体ガスを排出するときの切替機構の動作を図５（ａ）および図５（ｂ）を用いて説明する。図５（ａ）は、本実施の形態のガス分析装置に用いられる切替機構を拡大したものを示す図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）の切替機構の検体ガスを排ガス口から排出するときの状態を示す図である。
【００９８】
本実施の形態において、図５（ａ）のように、第１マイクロカラムの内部流路２２が排ガス口３６に接続されていないときには、第１マイクロカラムの内部流路２２から第２マイクロカラムの内部流路３２に呼気を供給する。一方、図５（ｂ）のように、第１マイクロカラムの内部流路２２が排ガス口３６に接続されているときには、排ガス口３６を通じて第１マイクロカラムの内部流路２２から外部に呼気の一部を排出する。
【００９９】
（実施の形態３）
図６は、本実施の形態のガス分析装置の一例を示す模式図である。本実施の形態のガス分析装置は、図６に示されるように、実施の形態２のガス分析装置の切替機構に、さらにキャリア導入口３７を備えることが異なる他は、実施の形態２と同様のものである。本実施の形態のように、切替機構３５がキャリア導入口３７を備えることにより、キャリア導入口３７を通じ、第１マイクロカラム２１を経ずに第２マイクロカラム３１にキャリアガスを直接導入することができる。そして、第２マイクロカラム３１にキャリアガスを直接導入することにより、第２マイクロカラム３１を流れる検体ガスの流速を早めることができる。
【０１００】
ここで、本実施の形態のガス分析装置において、排ガス口３６から検体ガスを排出するときの切替機構の動作を図７（ａ）および図７（ｂ）を用いて説明する。図７（ａ）は、本実施の形態のガス分析装置に用いられる切替機構を拡大したものを示す図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）の切替機構の検体ガスを排ガス口に排出させるときの状態を示す図である。
【０１０１】
本実施の形態において、図７（ａ）に示される状態のように、第１マイクロカラム２１が排ガス口３６に接続されていないときには、第１マイクロカラム２１から第２マイクロカラム３１に呼気を供給することができる。そして、呼気中の水が未だ第２マイクロカラム２１に供給される前に、切替機構３５を動作させることにより、検出に不要な呼気中の水のみを排ガス口３６から外部に排出させることができる。なお、図７（ａ）に示される状態においても、検体ガスがキャリア導入口３７に流れないように、キャリア導入口３７からキャリアが導入されている。
【０１０２】
一方、図７（ｂ）のように、第１マイクロカラムの内部流路２２と排ガス口３６とが接続されているときには、排ガス口３６を通じて第１マイクロカラムの内部流路２２から外部に呼気の一部を排出するとともに、キャリア導入口３７から第２マイクロカラムの内部流路３２にキャリアガスを供給することができる。これにより第１マイクロカラムの内部流路２２から排ガス口３６を通じて外部に不要な検体ガスを排出しつつ、検出を要する検体ガスを第２マイクロカラムの内部流路３２からガス検出部５０に導入することができる。
【０１０３】
ここで、キャリア導入口３７を通じて第２マイクロカラムの内部流路３２にキャリアガスを直接導入することができることから、第２マイクロカラムの内部流路３２を流れる呼気の流速を低下しにくくすることができる。これにより本実施の形態のガス分析装置は、小型であって測定に要する時間が短時間であり、かつ検出精度が高いものとなる。
【０１０４】
（実施の形態４）
本実施の形態のガス分析装置は、第２マイクロカラムが他のマイクロカラムと交換できるように、第１マイクロカラムに対し、はめ込み式で接続されることが異なる他は、実施の形態１と同一の形態である。すなわち、本実施の形態のガス分析装置は、図１（ａ）および図１（ｂ）に示される実施の形態１のガス分析装置と外観的には同一のものである。
【０１０５】
このように第２マイクロカラムがはめ込み式で第１マイクロカラムに接続されることにより、第２マイクロカラムが第１マイクロカラムに着脱可能であり、第２マイクロカラムを他の固定相が修飾されている他のマイクロカラムに交換することができる。これによりたとえば第２マイクロカラムの成分分離の性能が衰えたときに容易に交換し得る他、成分分離したい検体ガスの成分に合わせて、より適切な固定相が修飾された内部流路を有する他のマイクロカラムに交換し得る等のメリットがある。なお、第２マイクロカラムは必ずしも第１マイクロカラムに対し、はめ込み式で接続されていなくてもよく、着脱可能な接続方法であればいかなる方法であってもよい。
【０１０６】
（実施の形態５）
図８は、本実施の形態のガス分析装置の一例を示す模式図である。本実施の形態のガス分析装置は、図８に示されるように、第１マイクロカラムが２つの第２マイクロカラム３１に接続されている多接続マイクロカラムである他は、実施の形態１と同一の形態である。
【０１０７】
このような多接続マイクロカラムは、図８に示されるように、切替機構３５を介して２つの第２マイクロカラム３１のうちのいずれにも接続されており、切替機構３５により検体ガスの流れを２つの第２マイクロカラム３１のうちのいずれかに切り替えることができる。このように２つの第２マイクロカラム３１を備えることにより、多接続マイクロカラムで一旦成分分離した検体ガスをそれぞれ別々の第２マイクロカラム３１に供給した後に、さらにそれぞれの第２マイクロカラム３１で成分分離をすることができる。このように多接続マイクロカラムを含むことにより、ガス分離部２０の成分分離の性能を高めることができる。
【０１０８】
なお、本実施の形態においては、２つの第２マイクロカラムを設ける場合を説明したが、このような形態のみに限られるものではなく、３以上の第２マイクロカラムを備えていてもよく、多接続マイクロカラムに接続される個数は特に限定されない。
【０１０９】
（実施の形態６）
図９は、本実施の形態のガス分析装置の一例を示す模式図である。本実施の形態のガス分析装置は、実施の形態１〜５のガス分離部のように２つのマイクロカラムを備えるものではなく、図９に示されるように、ガス分離部２０に１つの多相マイクロカラム７１を備えることを特徴とする。ここで、「多相マイクロカラム」とは、１つのマイクロカラムの内部流路の壁面に２以上の固定相を修飾したものを意味する。
【０１１０】
本実施の形態の多相マイクロカラム７１において、検体ガスを導入する側の内部流路７２の壁面に修飾される固定相の材料が、多相マイクロカラム７１の検体ガスを排出する側の内部流路７２の壁面に修飾される固定相の材料と異なることを特徴とする。
【０１１１】
すなわちたとえば、検体ガスが多相マイクロカラム７１に供給された場合、多相マイクロカラム７１の内部流路７２の前段部分で検体ガスの成分のうちの特に水を分離しやすい固定相を備え、多相マイクロカラム７１の内部流路７２の後段部分で検体ガスの成分のうちのたとえばエタノールを分離しやすい固定相を備えるようにすることができる。このように内部流路７２の壁面に修飾される固定相の材料が、内部流路７２の前後で異なることにより、前段部分で成分分離できる成分と、後段部分で成分分離できる成分とを異ならしめることができ、もって検体ガスの成分分離の性能を高めることができる。
【０１１２】
（実施の形態７）
本実施の形態のガス分析装置は、実施の形態６の多相マイクロカラムと同様の蛇型流路の構造であるが、その内部流路に修飾される固定相の配置が異なることを特徴とする。図１０は、本実施の形態の多相マイクロカラムの内部流路の断面を模式的に示した図である。本実施の形態の多相マイクロカラムは、図１０に示されるように、内部流路７２が上下の２つの分割流路に分割されており、上側の分割流路９５の壁面に修飾される固定相の材料が、下側の分割流路９４の壁面に修飾される固定相の材料と異なることを特徴とする。
【０１１３】
このように１つの内部流路に２本の分割流路を設ける場合、ガス導入部１０から導入される検体ガスは、まず上側の分割流路９５を通過した後に、下側の分割流路９４に流れるように内部流路７２が形成される。このように１つの内部流路７２に２つの分割流路を有する本実施の形態のガス分析装置は、その形状を大型化することなく、検体ガスの成分分離の性能を高めることができる。なお、下側の分割流路９４に流れてから上側の分割流路９５を流れるような構造であってもよいことは言うまでもない。
【０１１４】
本実施の形態においては、内部流路を上下の２つに分割したものを説明したが、内部流路の分割は上下のみに限られるものではなく、左右に分割してもよいし、上中下というような３段構造の分割流路を有していてもよい。すなわち、多相マイクロカラムは、その内部流路の断面が２以上の分割流路に分割されており、該分割流路に修飾される固定相のうちのいずれか１の固定相の材料は、他の少なくとも１の分割流路に修飾される固定相の材料と異なるものである限り、本発明の範囲に含まれる。
【０１１５】
＜マイクロカラムの作製＞
本実施の形態において、マイクロカラムの作製方法を具体的な一例を挙げて説明する。まず、Ｓｉウェハー等の基板９３を準備し、かかる基板９３の表面にフォトリソグラフィ技術を用いて、エッチング加工、ブラスト加工等の微細加工を行なうことにより連続した溝を形成する。
【０１１６】
次に、形成された溝の底面がエッチングされないようにマスクした後に、その溝の上部の側壁のみをさらにエッチングにより除去し、階段状の内部流路を形成する。そして、内部流路の側壁が階段状となっている段上の部分に接着剤を塗布した後に、溝の底面に形成されたマスクを除去する。そして、内部流路の側壁が階段状となっている段上に、分割基板９６を貼り合わせることにより、下側の分割流路９４を形成する。
【０１１７】
次いで、形成された下側の分割流路９４の一端に未修飾のキャピラリーガラスを取り付け、下側の分割流路９４の壁面に固定相を溶解させた溶液を充填する。その後、その溶媒を除去することにより、マイクロカラムの下側の分割流路９４の壁面に固定相を修飾する。
【０１１８】
そして、下側の分割流路９４が形成された基板９３とガラス板９７とを、基板９３の溝を形成した面側がガラス板９７に対向するように陽極接合などの手法により気密に接合することにより、上側の分割流路９５を形成する。
【０１１９】
次に、形成された上側の分割流路９５の一端に未修飾のキャピラリーガラスを取り付け、マイクロカラムの上側の分割流路９５内に固定相を溶解させた溶液を充填する。その後、その溶媒を除去することによりマイクロカラムの上側の分割流路９５の壁面に固定相を修飾する。以上のようにして、上下の分割流路のそれぞれに異なる組成の固定相を修飾し、本実施の形態のガス分離部に用いられる多相マイクロカラムを作製する。
【０１２０】
（実施の形態８）
本実施の形態のガス分析装置は、実施の形態６の多相マイクロカラムと同様の蛇型流路の構造であるが、基板の表裏の両面に内部流路が形成されており、表裏に形成される内部流路に修飾される固定相が異なることを特徴とする。
【０１２１】
図１１は、本実施の形態の多相マイクロカラムの内部流路の断面を模式的に示した図である。本実施の形態の多相マイクロカラムは、図１１に示されるように、１枚の基板８３の表裏に内部流路が形成されたものであり、基板８３の表面側に形成された内部流路８５の壁面を修飾する固定相の材料は、基板８３の裏面側に形成された内部流路８４の壁面を修飾する固定相の材料と異なることを特徴とする。
【０１２２】
このように１枚の基板８３に２本の内部流路を設ける場合、ガス導入部からガス分離部に導入される検体ガスは、まず表面側の内部流路８５を通過した後に、裏面側の内部流路８４に流れるように形成される。このように１枚の基板８３に２つの内部流路を有する本実施の形態のガス分析装置は、その形状を大型化することなく、検体ガスの成分分離の性能を高めることができる。なお、裏面側の内部流路８４を通過してから、表面側の内部流路８５を通過する場合であってもよい。
【０１２３】
＜マイクロカラムの作製＞
本実施の形態において、マイクロカラムを作製する方法を具体的な一例を挙げて説明すると、まず、Ｓｉウェハー等の基板８３の表面にフォトリソグラフィ技術を用いて、エッチング加工、ブラスト加工等の微細加工を行なうことにより連続した溝を形成する。
【０１２４】
ついで、連続した溝を形成した基板８３とガラス板８７とを、基板８３の溝を形成した面側がガラス板８７に対向するように陽極接合などの手法により気密に接合する。次に、基板８３の表面側に形成された内部流路８５の一端に未修飾のキャピラリーガラスを取り付け、表面側の内部流路８５に固定相を溶解させた溶液を充填する。その後、その溶媒を除去することによりマイクロカラムの内部流路８５の内壁に固定相を修飾する。
【０１２５】
次に、基板８３の裏面側にも、上記と同様の微細加工を行なうことにより、基板８３の裏面側の内部流路８４を形成する。そして、基板８３の裏面側の内部流路８４には、基板８３の表面側に形成された内部流路８５の壁面に修飾された固定相とは異なる材料の固定相を修飾する。以上のようにして、本実施の形態のガス分離部に用いられる多相マイクロカラムを作製する。
【０１２６】
本発明において上記で好適な実施形態を説明したガス分析装置は、上記に限定されるものではなく、上記以外の構成とすることもできる。
【０１２７】
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【０１２８】
（実施例Ａ１）
本実施例では、以下の手順によりガス分離部２０を作製した。まず、幅が１００μｍであって、その深さが１００μｍの内部流路を１００μｍの間隔で蛇行状に形成した第１マイクロカラム２１および第２マイクロカラム３１を作製した。以下においては、第１マイクロカラム２１の作製の手順を具体的に述べる。
【０１２９】
まず、シリコンウエハに対し、幅が１００μｍであって、深さが１００μｍの蛇行状の溝を１００μｍの間隔で、フォトリソグラフィ加工をした後にブラスト加工を行なって形成した。このようにして形成された内部流路２２の全長は８ｍであった。そして、シリコン基板の溝を形成した側に対し、ガラス板を陽極接合を用いて密着させ、４ｃｍ四方にダイシングした。
【０１３０】
この内部流路２２の導入口および排出口に、外径が０．３５ｍｍであり、内径が０．２５ｍｍであって、その内径の表面が未修飾のキャピラリーガラスを取り付けた。
【０１３１】
一方、平均分子量が６００であって、３０℃での比誘電率が１３．７４のポリエチレングリコール（ＰＥＧ６００：ジーエルサイエンス株式会社製）をアセトンに溶解させた１％アセトン溶液を準備した。かかる１％アセトン溶液をガス分離部２０の第１マイクロカラム２１の導入口から導入し、その内部流路２２内にアセトン溶液を充填した。
【０１３２】
そして、ラバービータを用いて８０℃に昇温した後に１０分間保持することにより、内部流路２２内のアセトンをほとんど蒸発させた。このようにしてアセトンをほぼ蒸発させた後に、溶媒トラップを有するダイヤフラム型ドライ真空ポンプＤＡ−１５Ｄ（アルバック機工株式会社製）を内部流路２２の導入口側に接続した。
【０１３３】
この真空ポンプを数十分間稼動させて、内部流路２２内の溶媒を完全に除去することにより、内部流路２２の壁面に、ＰＥＧ６００からなる固定相を備える第１マイクロカラム２１を形成した。このようにして作製した第１マイクロカラム２１の断面をマイクロスコープで観察し、その固定相の厚みを実測したところ、固定相の厚みは１．０μｍであることが明らかとなった。
【０１３４】
第１マイクロカラム２１の内部流路の壁面に修飾される固定相の組成が異なる他は、第１マイクロカラム２１の作製方法と同一の工程により、第２マイクロカラム３１を作製した。すなわち、第２マイクロカラム３１の内部流路３２の壁面に形成する固定相には、５％フェニルメチルシリコーン（商品名：ＳＥ５２（ジーエルサイエンス株式会社製））をペンタン／塩化メチレンに溶解させた１．０％溶液を用いた。
【０１３５】
上記のようにして作製された第１マイクロカラム２１と第２マイクロカラム３１とをキャピラリーガラスチューブを用いて接続することにより、実施例Ａ１のガス分離部２０を作製した。
【０１３６】
（比較例Ａ１）
実施例Ａ１のガス分離部に対し、第２マイクロカラムを有しないことを除いては、実施例Ａ１と同様のものとして比較例Ａ１のガス分離部を形成した。
【０１３７】
（比較例Ａ２）
実施例Ａ１のガス分離部に対し、第１マイクロカラムを有しないことを除いては、実施例Ａ１と同様のものとして比較例Ａ２のガス分離部を形成した。
【０１３８】
＜分離能の性能評価＞
実施例Ａ１のように２つのマイクロカラムを接続した場合と、比較例Ａ１およびＡ２のガス分離部のように１つのマイクロカラムを接続した場合とで、ガス分離部の分離能がどのように異なるかをガスクロマトグラフ質量分析計（製品名：ＪＭＳ−Ｋ９（日本電子株式会社製））に取り付けて検討した。具体的には、ｎ−ペンタン、アセトン、エタノール、トルエン、および水の混合比率が１：１：１：１：１０の混合液体をＧＣＭＳに導入し、ＧＣＭＳにより各ガス成分を検出した。
【０１３９】
図１２は、実施例Ａ１で作製したガス分離部に対し、混合液体を導入したときにＧＣＭＳを用いて検出したクロマトグラムである。図１２の縦軸は、検出された成分のピーク強度を示しており、図１２の横軸は、その成分を検出するのに要した保持時間（分）を示している。
【０１４０】
図１２で示されるクロマトグラムから、ｎ−ペンタンの保持時間が３分３０秒であり、アセトンの保持時間が４分２５秒であり、エタノールの保持時間が５分３５秒であり、水の保持時間が７分４２秒であり、トルエンの保持時間が９分２２秒であることがわかる。これにより５種の混合液体を成分ごとに成分分離していることがわかった。
【０１４１】
一方、図１３は、比較例Ａ１で作製したガス分離部に対し、混合液体を導入したときにＧＣＭＳを用いて検出したクロマトグラムである。図１３で示されるクロマトグラムから、ｎ−ペンタンの保持時間が１分７秒であり、アセトンの保持時間が１分１５秒であり、エタノールの保持時間が１分４５秒であり、水の保持時間が３分４２秒であり、トルエンの保持時間が１分４２秒であることがわかる。この場合、ｎ−ペンタンとアセトンとの保持時間、およびトルエンとエタノールとの保持時間がほぼ重複しており、混合液体が成分ごとに分離できていないことが明らかである。
【０１４２】
図１４は、比較例Ａ２で作製したガス分離部に対し、混合液体を導入したときにＧＣＭＳを用いて検出したクロマトグラムである。図１４で示されるクロマトグラムから、ｎ−ペンタンの保持時間が１分４２秒であり、アセトンの保持時間が２分１５秒であり、エタノールの保持時間が２分４０秒であり、水の保持時間が１分５５秒〜２分１５秒であり、トルエンの保持時間が７分２５秒であることがわかる。この場合、アセトンと水との保持時間がほぼ重複しており、混合液体が成分ごとに分離できていないことが明らかである。
【０１４３】
このように実施例Ａ１のガス分離部が混合気体の各成分ごとに分離できたのに対し、比較例Ａ１〜Ａ２のガス分離部が混合気体の各成分ごとに分離できなかった理由は、実施例Ａ１のガス分離部が２以上の固定相を有することによるものと考えられる。すなわち、比較例Ａ１〜Ａ２のガス分離部が検体ガスを各成分ごとに分離できなかった理由は、１種の固定相が修飾された場合であったことによるものと考えられる。
【０１４４】
（実施例１）
本実施例では、実施例Ａ１で作製したガス分離部を用いてガス分析装置を作製した。まず、ガス導入部１０として、ガスクロマトグラフ用手動ガスサンプラー（ジーエルサイエンス株式会社製）を準備した。ここで、ガスクロマトグラフ用手動ガスサンプラー（以下、「ガスサンプラー」とも記する）は、検体ガスを導入するための第１流路１２と、導入した検体ガスの一部をガス排出口から排出するための第２流路１３と、キャリアガスを導入するための第３流路１５と、ガス分離部２０に検体ガスを供給するための第４流路１６と、検体ガスを保持するためのガス収容部１９とを有するものである。
【０１４５】
ガスサンプラーの第１流路１２および第２流路１３をガス採取部４０にそれぞれ接続した。ガス採取部４０の出口および入口には、それぞれ逆止弁４１を設け、逆流を防ぐようにした。第２流路１３とガス採取部４０との接続部には気流発生手段２５として小型ポンプを取り付けることにより、検体ガスが第１流路１２、ガス収容部１９、第２流路１３、およびガス採取部４０を循環するようにした。
【０１４６】
一方、ガスサンプラーの第４流路１６とガス分離部２０とを１／８×０．２５  レデューシングユニオンを用いて接続した。これによりガスサンプラーの第３流路１５から導入されたキャリアガスを、第４流路１６を通じてガス分離部２０の第１マイクロカラム２１に導入した。
【０１４７】
次に、ガス分離部２０の第２マイクロカラム３１に対し、キャピラリーチューブの一端を挿入することにより接続した。一方、キャピラリーチューブの他端を、ガス検出部５０のガスセンサ５１の近傍となるように接続することにより、ガス検出部５０を作製した。このようにして実施例１のガス分析装置を作製した。
【０１４８】
（比較例１）
比較例１では、実施例Ａ１のガス分離部を比較例Ａ１のガス分離部に代えたことを除いては実施例１と同様の方法により比較例１のガス分析装置を作製した。
【０１４９】
（比較例２）
比較例２では、実施例Ａ１のガス分離部を比較例Ａ２のガス分離部に代えたことを除いては実施例１と同様の方法により比較例２のガス分析装置を作製した。
【０１５０】
＜ガス分析装置の検出精度の比較＞
上記の実施例１および比較例２のガス分析装置のガス導入部に対し、エタノールとアセトンとを混合した検体ガスを導入し、それらの分離能を確認した。具体的には、１ｐｐｍのアセトンと、１ｐｐｍのエタノールとを含む窒素ガスを、実施例１および比較例２のガス分析装置に導入し、検出に要する保持時間を測定した。
【０１５１】
図１５は、実施例１のガス分析装置に対し、検体ガスを導入したときの抵抗変化の出力を示したグラフである。図１５のグラフによると、１９０秒と２８０秒との時点で抵抗変化のピークが見られる。ここで、１９０秒のピークがアセトンのピークであり、２８０秒のピークがエタノールのピークであると推定される。この結果から、エタノールとアセトンとを含む検体ガスを各成分ごとに検出できていることが明らかである。
【０１５２】
一方、図１６は、比較例２のガス分析装置に対し、検体ガスを導入したときの抵抗変化の出力を示したグラフである。図１６のグラフからは、１００秒の時点でのみ抵抗変化が見られる。この結果から、エタノールとアセトンとを含む検体ガスを各成分ごとに検出できていないことが明らかである。
【０１５３】
このように実施例１のガス分析装置が成分分離できたのに対し、比較例２のガス分析装置が成分分離できなかったのは、実施例１のガス分析装置のガス分離部が２つのマイクロカラムを備えることによるものと考えられる。
【０１５４】
以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、上述の各実施の形態および実施例の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。
【０１５５】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１５６】
本発明によれば、予防医療の促進に有効な、小型でかつパーソナルユースに適したガス成分検出装置を提供することができる。
【符号の説明】
【０１５７】
１０  ガス導入部、１１  ガス導入口、１２  第１流路、１３  第２流路、１４  ガス排出口、１５  第３流路、１６  第４流路、１７  調圧手段、１８  流路切替手段、１９  ガス収容部、２０  ガス分離部、２１  第１マイクロカラム、２２，３２  内部流路、２５  気流発生手段、３１  第２マイクロカラム、３５  切替機構、３６  排ガス口、３７  キャリア導入口、４０  ガス採取部、４１  逆止弁、５０  ガス検出部、５１  ガスセンサ、５５  キャピラリーガラスチューブ、７１  多相マイクロカラム、７２，８４，８５  内部流路、８３，９３  基板、８７，９７  ガラス板、９４，９５  分割流路、９６  分割基板。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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