(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光イオン化検出器であって、
ガスイオン化チャンバと、少なくとも１つのイオン検知電極対と、該少なくとも１つのイオン検知電極対により生成された応答信号を増幅して増幅された信号を形成する少なくとも１つの増幅回路と、加熱素子と、を含む基板と、
紫外（ＵＶ）光ビームを前記基板内の前記ガスイオン化チャンバ内に送出する、少なくとも１つのＵＶイオン化源と、
を備え、
前記基板は、少なくとも３つの非導体層により絶縁される少なくとも４つの導体層を含み、
前記少なくとも４つの導体層が、
それぞれがイオン検知電極の組を含む第１及び第３の層と、
イオン検知電極間の電流の漏れを防ぐフェンス電極を含む第２の層と、
前記加熱素子を含む第４の層と、
を備え、
前記少なくとも３つの非導体層と前記少なくとも４つの導体層の各々が、複数の穴または複数のスロット開口により相互接続され、
前記複数の穴または前記複数のスロット開口は、前記基板を通して前記ガスイオン化チャンバを形成する空間を提供し、
前記光イオン化検出器は、脂肪族炭化水素、芳香族炭化水素、アルデヒド、ケトン、又はアルコールを検出するように構成されている光イオン化検出器。
【請求項２】
温度センサと、前記基板と作用的に関連する温度フィードバック制御回路とを更に備える、請求項１に記載の光イオン化検出器。
【請求項３】
アセトン、イソプレン、アンモニア、エタノール、メタノール、エタン、ペンタン、又はベンゼンを検出するように構成された、請求項１または２に記載の光イオン化検出器。
【請求項４】
アセトンを検出するように構成された、請求項３に記載の光イオン化検出器。
【請求項５】
前記少なくとも１つのＵＶイオン化源は、ランプドライバボード上に直接固定される、請求項１乃至４のいずれかに記載の光イオン化検出器。
【請求項６】
前記少なくとも１つのＵＶイオン化源は、ＵＶ光を、１００ｎｍから２１０ｎｍの周波数レンジで送出する、請求項１乃至５のいずれかに記載の光イオン化検出器。
【請求項７】
請求項１乃至５のいずれかに記載の光イオン化検出器を備えるシステム。
【請求項８】
圧力センサを備える請求項７に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、揮発性ガス検出器と呼気中の揮発性ガス成分を検出する方法とに関し、特に、光イオン化検出器と、光イオン化検出器を用いて呼気中の揮発性ガス成分を検出する方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
ヒト個体の呼気中に存在する揮発性ガス成分は、その個体の健康状態を表すことがある。例えば、糖尿病、腎不全、又は高コレステロールの患者の場合は、それぞれ、呼気中のアセトン、アンモニア、又はイソプレンの濃度が高い。活性酸素種は、多価不飽和脂肪酸を酸化させて、脂質ベースの遊離基を排出し、最終的には揮発性アルカン及びメタノール変性アルカンを呼気中に排出するが、これが酸化ストレスマーカーになる。したがって、呼気分析は、特定の病気を早期発見するために、信頼性が高く、非侵襲的、無痛、且つ廉価で患者をスクリーニングする一方法である。特定の病気のバイオマーカとして作用する化合物の種類及び濃度は、様々な方法によって特定可能であり、例えば、ガスクロマトグラフィ、レーザ分光、イオン移動度分光、又はセンサ技術（電気化学センサ、光イオン化センサ、半導体センサなど）のような方法によって特定可能である。呼気分析における最新の進歩は、光イオン化検出器（ＰＩＤ）を用いた、特定の病気の患者のスクリーニングである。
【０００３】
典型的なＰＩＤは、高エネルギ光子を有するイオン化源、イオン化チャンバ、及びイオン検出器を含む。ＰＩＤで、揮発性有機ガスを検出できる。ＰＩＤでは、高エネルギ光子をイオン化チャンバに誘導してガス分子と衝突させる。このとき、光子のエネルギがガス分子のイオン化ポテンシャルより大きい場合には、光子によってガス分子がイオン化される。イオン化された分子は、イオン及び電子として、電気的に検出可能である。
【０００４】
ＰＩＤベースのセンサを用いて、応答信号をイオン化の変化と相互に関連付けることが可能であるが、そのような応答信号は、他の干渉信号から悪影響を受けて信号アーチファクトを発生することがある。この信号アーチファクトには、不要な信号応答、例えば、１種類以上の干渉分子（水、エタノール、又は一酸化炭素等）から発生する応答も含まれることがある。これらの分子を、本明細書では干渉物質と称する。干渉物質は、イオン化ポテンシャルが高いため、ＵＶ光子を遮ったり吸収したりして検出器の感度を低下させることがある。従来のＰＩＤにおける懸念材料の１つが、内部電極及び外部電極から放出されたサンプル原子及び金属原子によってもたらされる汚染物質である。これらは、ＵＶランプの光窓に付着して被膜を形成して、ランプからのＵＶ光の強度を低下させることがある。この被膜は、ＰＩＤの感度を低下させるため、既知濃度の検出可能ガスのサンプルを用いてＰＩＤの再較正を行うことが必要になる。従来のＰＩＤはまた、基線電流が不安定であるという問題がある。これは、金属電極が高エネルギ光子にさらされて自由電子を放出し、これによって、イオン化可能ガスが存在しない場合でも基線電流が流れる可能性があるためである。正確な基線電流に戻すためには、或る基準を用いたＰＩＤを較正が必要になることが多い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第７５３０２５７号明細書
【発明の概要】
【０００６】
したがって、高選択性及び高効率で呼気中の化学成分を検出できるＰＩＤセンサを有することが望ましい。ＰＩＤは、エネルギ効率が良いことが望ましく、可搬用途向けに小型化が可能であり、頻繁な較正を必要とせず、周囲の揮発性ガスの濃度変化に素早く応答することが望ましい。
【０００７】
本発明は、呼気サンプル中に存在する揮発性ガスを検知できるＰＩＤ及び関連センサシステムに関し、且つ、これらのセンサを作製及び使用する方法に関する。これらのＰＩＤ又はセンサシステムを使用することにより、高選択性及び高効率に関連する問題が解決する。
【０００８】
一実施形態では、光イオン化検出器（ＰＩＤ）が、ガスイオン化チャンバ、少なくとも１つのイオン検知電極対、及び少なくとも１つの増幅回路を含む基板と、紫外（ＵＶ）光ビームをガスイオン化チャンバ内に送出するＵＶイオン化源と、を備える。
【０００９】
別の実施形態では、光イオン化検出器（ＰＩＤ）が、ガスイオン化チャンバ、少なくとも１つのイオン検知電極対、及び加熱素子を含む基板と、紫外（ＵＶ）光ビームをガスイオン化チャンバ内に送出するＵＶイオン化源と、温度センサと、基板と作用的に関連する温度フィードバック制御回路と、を備える。
【００１０】
別の実施形態では、ガス混合物中の化合物を測定するシステムが、光イオン化検出器（ＰＩＤ）及び圧力センサを備える。ＰＩＤは、少なくとも１つの紫外（ＵＶ）イオン化源と、ガスイオン化チャンバ、少なくとも１つのイオン検知電極対、及び少なくとも１つの増幅回路を含む基板と、を備える。
【００１１】
本発明の方法の一例では、光イオン化検出器（ＰＩＤ）により、呼気サンプル中の化合物を測定する方法が、呼気サンプルを光イオン化検出器内に誘導するステップと、紫外（ＵＶ）光ビームを送出して呼気サンプルを貫通させるステップと、呼気サンプルをイオン化するステップと、呼気サンプル中の化合物の量を検出するステップと、を含む。
【００１２】
同様の符号で同様のパーツを示した添付図面を参照しながら下記の詳細な説明を読めば、本発明のこれら及びその他の特徴、態様、及び利点の理解が深まるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】集積回路増幅器を含む、本発明の光イオン化検出器（ＰＩＤ）の非限定的な実施形態の概略上面図である。
【図２】一体化されたヒータ及び温度センサを含む、本発明のＰＩＤの非限定的な実施形態の概略上面図である。
【図３Ａ】交互積層配列の基板の概略断面図である。
【図３Ｂ】交互積層配列の基板の概略断面図である。
【図３Ｃ】交互積層配列の基板の概略断面図である。
【図３Ｄ】交互積層配列の基板の概略断面図である。
【図３Ｅ】交互積層配列の基板の概略断面図である。
【図３Ｆ】交互積層配列の基板の概略断面図である。
【図４Ａ】穴を有する第１、第２、及び第３の層を含むＰＩＤ基板設計の一例の概略上面図である。
【図４Ｂ】穴を有する第４の層を含む同じＰＩＤ基板設計の概略上面図である。
【図５Ａ】スロット開口を有する第１、第２、及び第３の層を含むＰＩＤ基板設計の一例の概略上面図である。
【図５Ｂ】スロット開口を有する第４の層を含む同じＰＩＤ基板設計の上面図である。
【図６Ａ】穴を有する第１の層を含むＰＩＤ基板設計の一例の概略上面図である。
【図６Ｂ】穴を有する第２の層を含むＰＩＤ基板設計の一例の概略上面図である。
【図６Ｃ】穴を有する第３の層を含むＰＩＤ基板設計の一例の概略上面図である。
【図６Ｄ】穴を有する第４の層を含むＰＩＤ基板設計の一例の概略上面図である。
【図７Ａ】相互にスタックされたイオン検知電極を有する第１、第２、及び第３の層を含むＰＩＤ基板設計の一例の概略上面図である。
【図７Ｂ】相互にスタックされたイオン検知電極を有する第４の層を含む同じＰＩＤ基板設計の概略上面図である。
【図８Ａ】穴を有し、フェンス電極として機能するヒータを含む第１の層を含むＰＩＤ基板設計の一例の概略上面図である。
【図８Ｂ】穴を有し、フェンス電極として機能するヒータを含む第２の層を含むＰＩＤ基板設計の一例の概略上面図である。
【図８Ｃ】穴を有し、フェンス電極として機能するヒータを含む第３の層を含むＰＩＤ基板設計の一例の概略上面図である。
【図８Ｄ】穴を有し、フェンス電極として機能するヒータを含む第４の層を含むＰＩＤ基板設計の一例の概略上面図である。
【図９Ａ】スロット開口を有し、フェンス電極として機能するヒータを含む第１の層を含むＰＩＤ基板設計の一例の概略上面図である。
【図９Ｂ】スロット開口を有し、フェンス電極として機能するヒータを含む第２の層を含むＰＩＤ基板設計の一例の概略上面図である。
【図９Ｃ】スロット開口を有し、フェンス電極として機能するヒータを含む第３の層を含むＰＩＤ基板設計の一例の概略上面図である。
【図９Ｄ】スロット開口を有し、フェンス電極として機能するヒータを含む第４の層を含むＰＩＤ基板設計の一例の概略上面図である。
【図１０Ａ】長尺の集積回路基板にスロット開口を有し、第２の層においてヒータを含む第１の層を含むＰＩＤ基板設計の一例の概略上面図である。
【図１０Ｂ】長尺の集積回路基板にスロット開口を有し、第２の層においてヒータを含む第２の層を含むＰＩＤ基板設計の一例の概略上面図である。
【図１０Ｃ】長尺の集積回路基板にスロット開口を有し、第２の層においてヒータを含む第３の層を含むＰＩＤ基板設計の一例の概略上面図である。
【図１０Ｄ】長尺の集積回路基板にスロット開口を有し、第２の層においてヒータを含む第４の層を含むＰＩＤ基板設計の一例の概略上面図である。
【図１１】本発明のＰＩＤの較正グラフである。
【図１２】食事摂取前の３人の異なる被験者から採取した呼気サンプルの各種成分を測定する、本発明のＰＩＤの信号出力のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明のＰＩＤの１つ以上の実施形態は、呼気中に存在する揮発性ガス又は化合物の光イオン化検出に用いられる。実施形態によっては、ＰＩＤをシステム内で使用することもある。
【００１５】
１つ以上の実施形態では、ＰＩＤは、ガスイオン化チャンバ、少なくとも１つのイオン検知電極対、及び少なくとも１つの増幅回路を含む基板と、ＵＶ光ビームをガスイオン化チャンバ内に送出するＵＶイオン化源と、を備える。
【００１６】
この基板は更に、加熱素子を含む。加熱素子は、ＰＩＤの温度を安定させ、ＰＩＤ内の結露を防ぐ。加熱素子は、薄膜ヒータ、加熱パッド、固体ヒータ、フィラメントヒータ、加熱テープ、又は加熱素子を有する任意のヒータであってよい。一般に、加熱素子は、ＰＩＤのイオン化チャンバの温度をほぼ一定に保ち、流入ガスの結露を防ぐ。通常動作時、加熱素子はイオン化チャンバを約３００℃まで加熱するが、ＰＩＤに流入するガスの温度より高温（例えば、４０〜５０℃）であれば、結露を防ぐには十分である。加熱素子がない場合は、ＰＩＤが周囲空気よりも低温のときに、湿気によって光窓や電極が結露する可能性がある。光窓が結露すると、ＵＶ光が遮られ、電極が結露すると、電極間に漏れ電流が発生する。加熱素子は、イオン化チャンバの光窓及び電極を加熱して結露を防ぐ。更に、加熱素子及び温度センサが、温度フィードバック制御ループにより、ＰＩＤを最適又は一定の動作温度に保ち、温度変化に起因するＰＩＤの基線信号又はゼロ信号の変動を無くすことが可能である。一実施形態では、加熱素子及びイオン検知電極が基板と一体化している。
【００１７】
基板は更に、温度センサを含む。この温度センサは、ＰＩＤ内の温度変化を検知するのに有用である。基板は更に、温度フィードバック制御回路を含む。温度センサ、温度フィードバック制御回路、及び加熱素子を作用的に関連して存在させることによって、ＰＩＤの温度が所望の動作温度と異なる場合に、温度センサの出力及び温度設定点に基づいてエラー信号が生成される。温度フィードバック制御回路は、このエラー信号に基づいて加熱素子を起動又はオフにすることにより、ＰＩＤの温度を、予め設定された温度点に保持する。
【００１８】
別の実施形態では、ＰＩＤが、ガスイオン化チャンバ、少なくとも１つのイオン検知電極対、及び加熱素子を含む基板と、ＵＶ光ビームをガスイオン化チャンバ内に送出するＵＶイオン化源と、温度センサと、基板と作用的に関連する温度フィードバック制御回路とを備える。この実施形態では、ＰＩＤに更に増幅回路を備えてよい。
【００１９】
電極対が基板上に配置され、この電極対がガスイオン化チャンバと結合される。一実施形態では、電極対が増幅回路上に配置され、この電極対がガスイオン化チャンバと結合される。電極の非限定例としては、くし形電極、イオン検知電極、光電子放出電極、放電電極等がある。実施形態によっては、２つの電極対が存在してもよい。この２つの電極対のうち、一方の対をイオン化分子の測定に用い、他方の対を光電子放出電流の監視に用いることができる。イオン検出器の電極の形状は、様々であってよい。電極の構成例としては、くし形電極、組み合わせ電極、分離電極、平行板電極、単層電極、多層電極等がある。多層電極には、導体層と誘電体層とを交互に含み得る。多層電極の実施形態によっては、電極が、複数の導体層から作られたり複数の誘電体層から作られたりする。基板には更に、基板電流干渉（substrate current interference）を無くすために、イオン検知電極対の間に１つ以上の電極を含めてよい。イオン検知電流対の間で使用するこの電極を、本明細書ではフェンス電極とも称する。フェンス電極は、２つのイオン検知電極の間のイオン漏れを防ぐ。
【００２０】
２つの電極の間の漏れ電流に起因する干渉は、基板電流干渉（substrate current interference）とよばれている。この電流は、電圧が高い場合に、電極の表面又はエッジから漏れる。イオン検知電極は、絶縁基板上に２つの導体を配置して形成される。検知動作時には、２つの電極の間にバイアス電圧を印加して、ガスサンプルのイオン電流を測定する（本明細書では、これらの電極をイオン電流測定電極として用いる）。しかし、絶縁基板の表面を漏れ電流が流れる可能性がある。この漏れ電流は、イオン電流に対する干渉を引き起こす。漏れ電流を減らす一方法は、２つのイオン検知電極の間に第３の電極を使用することである。第３の電極をグラウンド又は特定の電圧源に接続することにより、漏れ電流は、２つの測定電極に到達せずに、第３の電極を通ってグラウンド又は特定の電圧源に流れることになる。
【００２１】
イオン検知電極は、ＵＶ光子がイオン化可能ガス分子と衝突した際に形成される正イオンを引き付ける。また、イオン検知電極と作用的に関連する電位計がある。イオン検知電極は、イオン電流を測定し、電位計は、このイオン電流を電圧に変換する。この電圧は、イオン濃度に正比例する。イオン濃度は、ガスサンプル中に存在する化合物の当量の測定値を与える。ＵＶ光子が光電子放出電流と衝突すると、電子が遊離する可能性があるが、これらの電子は、通常は光電子放出電極に引き付けられて戻り、イオン検知電極間の基線電流に寄与しない。光電子放出電極は、電子の数を測定する。電子の数は、ＵＶランプの状態を表す。
【００２２】
基板は、１つ以上の導体層、誘電体層、又は導体層と誘電体層とを組み合わせたものから作製される。基板は、金属、セラミック、ガラス、ポリマー、又はこれらを組み合わせたものから作製される。一実施形態では、基板は、シリコン、ゲルマニウム、シリコンカーバイド、シリコン窒化物、アルミニウム窒化物、アルミニウムリン化物、ボロン窒化物、ボロンリン化物、及びこれらを組み合わせたものから成る群から選択される半導体材料から作製される。基板は、例えば、セラミック基板、プリント回路基板、又はシリコン基板であってよい。セラミックベースの多層基板は、低温同時焼結セラミック技術により形成可能である。一実施形態では、基板はプリント回路基板である。基板の上面に導体層を付着させ、パターニングを行うことにより、イオン検知電極が形成される。基板の上面又は基板の底面には、加熱素子を設けてもよい。一実施形態では、基板の導体層を加熱素子として機能させる。
【００２３】
基板は、単層でも多層でもよい。多層基板には、導体層と誘電体（又は非導体）層とを交互に含んでよい。実施形態によっては、多層基板が、複数の導体層又は複数の誘電体層を含む。多層基板は、第１の層、第２の層、第３の層、及び第４の層を含み得る。非限定的な一実施形態では、基板が５つ以上の層を含む。一実施形態では、基板の第１の層が、イオン検知電極対、増幅回路、及び少なくとも１つのイオン化チャンバを少なくとも含む。基板の第２の層は、ＵＶランプに接続された電極対、及びＵＶランプを保持するランプホルダを含み得、このランプホルダは基板に接続されている。別の実施形態では、基板の第１の層が更に、基板上に加熱素子を含む。基板の第１の層が、基板上に温度センサを含み得る。その他、実施形態によっては、基板の第２の層が、基板上に加熱素子及び温度センサを含み得る。多層基板は、２つ以上の導体層の間に１つ以上のギャップ又はチャネルを有し得る。イオン化チャンバは、基板上の２つの誘電体層の間の１つ以上のギャップ又はチャネルの中に形成可能である。
【００２４】
基板は、穴又は開口スロットの配列を含む。これらの穴又は開口スロットは、分子をイオン化するための空間を提供し、ガスイオン化チャンバとして構成されている。穴又は開口スロットはまた、各層間の接続ピンとしても機能する。開口スロットの形状は、主に矩形である。実施形態によっては、基板が、最上層及び最下層に穴又はスロット開口がある複数の層を含む。それらの実施形態では、中間層に空間があり、これがガスイオン化チャンバを形成する。ガスは、穴又はスロット開口を通って空間に達し、ＵＶ光ビームがガス内を垂直方向に通過する。この結果、ガス分子のイオン化が行われる。ガスイオン化チャンバは、イオン電流を測定するイオン検知電極を含み得る。ガスイオン化チャンバは更に、ガスイオン化チャンバに入る被制御ガス流を調整するディフューザを含む。
【００２５】
ＵＶイオン化源は、紫外ランプ（ＵＶランプ）、又は発光ダイオード（ＬＥＤ）である。一実施形態では、ＵＶイオン化源は、ランプドライバボード上に直接固定される。ＵＶイオン化源は、ＵＶ光を、約１００ｎｍから２１０ｎｍの周波数レンジで送出する。ＵＶランプが外部電界によって励起されると、ＵＶ光ビームの形であり得るＵＶ放射線が生成される。ＵＶ光ビームは、ガス流の経路に垂直なガスイオン化チャンバ内に誘導される。実施形態によっては、ＵＶイオン化源が基板に直接固定される。実施形態によっては、呼気サンプル中に存在する様々な化合物に対して、複数のＵＶランプを選択的に用いる。呼気中の様々な化合物は、ＰＩＤポテンシャルが様々であるため、低エネルギＵＶランプ、及び／又は様々なＵＶランプを組み合わせたものを用いることにより、固有の選択性を示す。ＵＶイオン化源は、複数のエネルギレベルのＵＶ光を選択的に提供することが可能である。ＵＶイオン化源は、８．４ｅＶ、９．６ｅＶ、９．８ｅＶ、１０ｅＶ、１０．２ｅＶ、１０．６ｅＶ、又は１１．６ｅＶのＵＶランプ、又はこれらのＵＶランプのうちの複数種類を組み合わせたものから選択される。ガスの種類が異なれば放出波長も異なるので、イオン化エネルギも異なる。ＵＶランプに使用する代表的な不活性ガスは、クリプトン、キセノン、及びアルゴンである。例えば、クリプトンのイオン化エネルギは、約１０〜１０．６ｅＶの範囲にあり、キセノンのイオン化エネルギは、約８．４〜９．６ｅＶの範囲にあり、アルゴンのイオン化エネルギは、１１．７ｅＶである。
【００２６】
従来のＰＩＤ用ガス放電ＵＶランプは、２つのプレートを収容した密封ガラスエンベロープである。これらのプレートからガラスエンベロープの外に延びるリードを介して、これらのプレートに印加される高電圧が、エンベロープに閉じ込められたガス中にグロー放電プロセスを生じる。このグロー放電プロセスで発生したＵＶ光子が、エンベロープの光窓から出て、ＰＩＤのイオン化チャンバを照らす。
【００２７】
このＵＶイオン化源がイオン化チャンバ内のガスをイオン化し、これらのイオンがイオン検知電極で測定されることで、応答信号が発生する。イオン検知電極上のイオン濃度の変化に応じて応答信号を発生させ、制御に対して応答信号を検出することができる。各化合物のイオン化の程度は、イオン化エネルギに対して様々であり、各化合物をイオン化させるとイオンが発生することで、各化合物を表す応答信号が発生する。
【００２８】
ＰＩＤは更に、直流（ＤＣ）電圧源を備える。このＤＣ電圧源は、イオン検知電極に対して高電圧を発生させる。イオン検知電極は、１０〜２００ＶのＤＣ電圧を供給する高電圧ＤＣ源に接続されている。
【００２９】
典型的なＰＩＤは、イオンを検知して、ピコアンペアからマイクロアンペアオーダーの信号出力を発生させる。この微弱電流を正確に測定するために、電流増幅器を用いて、信号を記録可能な十分な大きさの電圧信号に増幅する。ＰＩＤは、少なくとも１つの増幅回路を備え、増幅回路は、イオン検知電極で発生した応答信号を増幅して増幅信号を形成する。この増幅信号を、ＰＩＤと作用的に関連して存在可能な処理装置に送信する。この少なくとも１つの増幅回路は、インピーダンス変換増幅回路又は電流−電流増幅回路から選択される。インピーダンス変換増幅器は、電流を電圧に変換して、その信号を増幅する。インピーダンス変換増幅器を形成する一方法は、高利得演算増幅器を抵抗帰還で使用することである。インピーダンス変換利得は、帰還抵抗によって決まる。バイアス電圧（Ｖｂ１等）が、演算増幅器の正端子に印加されて、基線出力電圧を決定する。高感度用途の場合は、ガードリングを追加して漂遊漏れ電流を低減することにより、増幅器に向かう信号が破損しないようにすることができる。
【００３０】
基板には、フィルタリング回路を設けてよい。フィルタリング回路で、測定ノイズを減らすことができる。信号にノイズが発生する原因となるのは、基板電流干渉、温度変動、湿度干渉、電磁干渉、容量結合、誘導結合、又は他の電気化学干渉である。基板電流干渉を減らすには、電極対の一方の電極を、グラウンド又は電圧源に接続する。この電極は、漏れ電流を無くす。温度変動は、温度に起因するノイズを発生させる可能性があるが、温度フィードバック制御回路を用いることによってこのノイズを除去できる。加熱素子を用いることにより、湿度に起因するノイズを除去できる。加熱素子は、ＰＩＤの内部温度を維持して結露しにくくする。ＰＩＤを金属シールドの内部にパッケージすることにより、電磁干渉を除去できる。容量結合又は誘導結合によって発生するノイズを最小化するには、増幅器を用いる。イオン検知電極の近傍に増幅器を配置することにより、電気化学干渉その他の干渉を低減できる。ｐｐｂ以下からｐｐｍのレンジの低濃度のターゲット分子を測定する場合、イオン電流は非常に微弱である。測定ノイズや干渉があると、そのような微弱な電流の測定に影響を及ぼす可能性がある。ノイズや干渉を減らす一方法は、イオン検知電極の近傍に増幅回路を設けて、結合ノイズ及び干渉を最小限に抑えることである。ノイズを大幅に減らすことにより、顕著でクリアな信号を発生させることができるので、各種化合物のイオン化分子の正確な測定が可能になる。
【００３１】
ＰＩＤは、ガス混合物中に存在する化合物、揮発性ガス、又は揮発性有機化合物（ＶＯＣ）を検出する。例えば、ＰＩＤは、呼気サンプル中に存在する化合物、揮発性ガス、又は揮発性有機化合物（ＶＯＣ）を検出する。ＰＩＤは、脂肪族炭化水素、芳香族炭化水素、アルデヒド、ケトン、又はアルコールを検出するように構成されている。ＰＩＤは、アセトン、イソプレン、アンモニア、エタノール、メタノール、エタン、ペンタン、又はベンゼンを検出するように構成されている。或る特定の実施形態では、ＰＩＤは、アセトンを検出するように構成されている。ＰＩＤを用いて呼気中の化合物の選択的検出を行うには、異なる複数のＵＶランプを組み合わせて用い、他の化合物の干渉の寄与分を除去又は補償してもよい。特定の化合物だけを採取してＰＩＤ検出器に誘導することによって干渉を防ぐ採取方法も実施可能である。この採取方法は、メンブレンベース、プリコンセントレータトラップベース、又は他のタイプの分離方法（例えば、ガスクロマトグラフィ、又はガスフィルタ）であってよいが、或る種の半分離方法が有効な場合もある。例えば、プリコンセントレータトラップベースの一方法の場合、アセトンは、Ｃａｒｂｏｔｒａｐ  Ｘでトラップ可能だが、より大きい分子は、この材料ではトラップされない。別のシナリオとして、他の殆どの干渉物質がトラップされている間に、対象の検体を保持することなく、選択したプリコンセントレータトラップに流すことが可能である。例えば、アセトンは、Ｃａｒｂｏｔｒａｐ  Ｙ及びＣａｒｂｏｔｒａｐ  Ｂを通過するが、Ｃａｒｂｏｔｒａｐ  Ｙ及びＣａｒｂｏｔｒａｐ  Ｂは、Ｃ５〜Ｃ２０の長さの炭素鎖を有する広範囲のＶＯＣをトラップすることが可能である。
【００３２】
ガス混合物中の化合物を測定するシステムは、ＰＩＤ及び圧力センサを備える。本システムは更に、ガス混合物中の化合物の量を表すセンサ応答パターンを生成するように構成された処理装置を備える。ＰＩＤは、基板と、ＵＶ光ビームをガスイオン化チャンバ内に送出するＵＶイオン化源とを備える。基板は、ガスイオン化チャンバ、少なくとも１つのイオン検知電極対、及び少なくとも１つの増幅回路を含む。代替実施形態では、ガス混合物中の化合物を測定するシステムは、基板を備えたＰＩＤ、圧力センサ、及び処理装置を備える。基板は、ＵＶ光ビームをガスイオン化チャンバ内に送出するＵＶイオン化源と、温度センサと、基板と作用的に関連する温度フィードバック制御回路と、を含む。本実施形態では、基板は、ガスイオン化チャンバ、少なくとも１つのイオン検知電極対、及び少なくとも１つの加熱素子を含む。
【００３３】
呼気サンプルの圧力を測定する場合は、圧力測定レンジが０〜３０水柱インチである絶対圧力センサを用いる。圧力センサを用いるのは、ＰＩＤの対象となる呼気サンプルに、圧力一定の正常な吹き込みパターンをもたせるためである。正確なデータが生成されるように、測定中は圧力一定が望ましい。ＰＩＤ内の２箇所での差分圧力測定に基づいて呼気サンプルの流量を測定する場合は、０〜１水柱インチのレンジを有する差分圧力センサを用いる。流量測定の目的は、正確な測定のために、十分な量の呼気をＰＩＤに供給することである。典型的には、呼気終末呼気だけが適正なイオン濃度を含んでいるが、或る一定量の呼気サンプルが通過した後の呼気サンプルの流量とＰＩＤ信号とを監視することにより、この呼気終末呼気を捕捉可能である。呼気サンプルの初期死体積は、ユーザの年齢、健康状態、及び他の関連するパラメータに応じて異なる可能性がある。本システムは更に、ガス混合物の流れを調整するディフューザを備える。このディフューザは、ガスイオン化チャンバと結合されている。上記の少なくとも１つのイオン検知電極対は、アセトン検知電極である。本システムは更に、ガス流量センサを備える。ガス流量センサは、ガスがガスイオン化チャンバを通過している間のガスの流量を検出するように構成されている。
【００３４】
本システムは更に、ＣＯ2センサを備える。ＣＯ2測定は、呼気分析の重要な側面である。ＣＯ2濃度のレベルによって、本システムの様々なパラメータが決定される。例えば、ユーザの呼気が本システムにおける終末呼気に達し得るかどうかが、ＣＯ2濃度によって決まる。呼気終末呼気の所望のＣＯ2濃度は、５％前後である。このように、ＣＯ2センサによって、正確な呼気終末測定が可能になる。ＣＯ2センサを用いる第２の目的は、異なる被験者の間で測定データを比較する際の正規化パラメータを与えることである。被験者（ヒト個体）ごとに代謝量及び肺換気量が異なるため、呼気中のＶＯＣ濃度も異なる。したがって、絶対ＶＯＣ濃度データを比較するのは困難である。しかし、呼気ＣＯ2濃度で濃度を正規化すれば、呼気分析用途のための大規模データベースにおいて比較を確立することが可能である。
【００３５】
本システムは更に、ＰＩＤと作用的に関連して存在する制御装置を備える。制御装置は主に、ＰＩＤの温度に応じて、温度フィードバック制御ユニット及び加熱素子を調整する。制御装置はまた、加熱素子を用いて、湿度及び結露を低減するように本システムを制御する。
【００３６】
呼気サンプル中の化合物をＰＩＤで測定する一方法は、呼気サンプルを採取するステップと、呼気サンプルをＰＩＤに誘導するステップと、ＵＶ光ビームを送出して呼気サンプルを貫通させるステップと、呼気サンプルをイオン化するステップと、呼気サンプル中の化合物の量を検出するステップと、を含む。本方法は更に、センサ応答パターンを生成する。センサ応答パターンは、呼気サンプル中に存在する各化合物の量を定量化する。本方法は更に、ＰＩＤ内部の温度を維持するために、加熱素子を用いてＰＩＤを加熱するステップを含む。本方法は更に、ＰＩＤ内に設けられた温度センサでＰＩＤの温度を測定するステップを含む。本方法は更に、温度センサ及び加熱素子を用いて温度フィードバック制御メカニズムを制御する。
【００３７】
ここで図１及び図２を参照すると、ＰＩＤセンサ１の異なる２つの実施形態が図示されている。ＰＩＤセンサ１は、イオン化チャンバ４、ＰＩＤのイオン検知電極６、及び加熱素子８を含む一体型基板構造１０を採用している。一実施形態では、基板１０が、厚さが少なくとも０．１ｍｍのセラミックで作製されている。ＰＩＤは、紫外（ＵＶ）光ビームをガスイオン化チャンバ内に送出するＵＶイオン化源２を備える。図１の実施形態では、ＰＩＤは、増幅器又は増幅回路１２を備えている。図２の実施形態では、ＰＩＤは、温度センサ１４及び温度フィードバック制御回路１６を備えている。
【００３８】
図３Ａから図３Ｆは、基板１０の交互積層配列の断面図である。基板の一例は、４つの導体層と３つの非導体層とを含む。第１、第２、第３、及び第４の導体層をそれぞれ、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、及びＬ４で示した。この４つの導体層は、３つの非導体層によって電気的に絶縁されている。図３Ａでは、Ｌ１及びＬ３がイオン検知電極６を含み、その間に存在する層Ｌ２がフェンス電極２０を含む。フェンス電極２０は、イオン検知電極間の電流の漏れを防ぐ。Ｌ４は、加熱素子（ヒータ）８を含む。図３Ｂでは、Ｌ１及びＬ３がイオン検知電極６であり、その間に層Ｌ２がフェンス電極２０として存在する。Ｌ４は、温度センサ２２を含む。図３Ｃでは、Ｌ１及びＬ２がＵＶモニタ１８を含み、Ｌ３及びＬ４がイオン検知電極６を含み、Ｌ４が更に温度センサ２２を含む。図３Ｄでは、Ｌ１はＵＶモニタ１８を含み、Ｌ２及びＬ４がイオン検知電極６を含み、その間にある層Ｌ３が加熱素子８を含む。図３Ｅでは、Ｌ１がＵＶモニタ１８を含み、Ｌ２が加熱素子８を含み、Ｌ３がイオン検知電極６を含み、Ｌ４が温度センサ２２を含む。図３Ｆは、検出器の一設計の断面図である。第１の導体層Ｌ１は温度センサ２２として使用され、第２の層Ｌ２及び第３の層Ｌ３はイオン検出器６として使用され、第４の層Ｌ４は加熱素子８として使用される。
【００３９】
図４Ａ及び図４Ｂは、穴を有する基板を含むＰＩＤ  １の上面図である。ＰＩＤは、集積回路基板２８を含む。基板１０の各層は、図４Ａ及び図４Ｂに示したように、穴２４によって相互接続されている。穴の大きさは、約０．１から１ｍｍの範囲である。どの２つの穴も、エッジ間距離は、０．１から０．５ｍｍである。或る特定の実施形態では、どの２つの穴もエッジ間距離が０．３ｍｍである。各層は、１つ以上の接続ピン２６を含む。図４Ａは、３つの層Ｌ１、Ｌ２、及びＬ３を示しており、３つの層Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の全ての表面に加熱素子（ヒータ）が設けられており、これらの加熱素子が穴を介して直列に接続されている。加熱素子は、長い、曲がりくねった設計であり、長さは約１ｍであってよい。図４Ｂは層Ｌ４を示している。層Ｌ４は、加熱素子８及び温度フィードバック制御回路１６を含む。
【００４０】
図５Ａ及び図５Ｂは、スロット開口を有する基板を含むＰＩＤ  １の上面図である。一例では、これらのスロットが矩形形状である。ＰＩＤは、集積回路基板２８を含む。基板の各層は、図５Ａ及び図５Ｂに示したように、スロット開口３０によって相互接続されている。一例では、各スロットの長さは８ｍｍである。或る特定の実施形態では、スロットのエッジと集積回路基板のエッジとの間の距離は、約２ｍｍである。各層は、１つ以上の接続ピン２６を含む。ＰＩＤは集積回路基板２８を含み、集積回路基板２８は、長さが１６ｍｍ、幅が１２ｍｍである。図５Ａは、３つの層Ｌ１、Ｌ２、及びＬ３を示しており、３つの層Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の全ての表面に加熱素子（ヒータ）が設けられており、これらの加熱素子は、層間相互接続を介して直列に接続されている。図５Ｂは、層Ｌ４を示しており、層Ｌ４は、加熱素子８及び温度フィードバック制御回路１６を含む。
【００４１】
図６Ａから図６Ｄは、穴を有する集積回路基板２８を含むＰＩＤ  １の上面図である。基板の各層は、穴２４によって相互接続されている。各層は、１つ以上の接続ピン２６を含む。図６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、及び６Ｄは、異なる４つの層Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、及びＬ４をそれぞれ示しており、４つの層の全ての表面に加熱素子（ヒータ）が設けられており、これらの加熱素子は、層間相互接続を介して直列に接続されている。図６Ｄは層Ｌ４を示しており、層Ｌ４は更に、温度フィードバック制御回路１６を含む。スロット開口を有する場合も、同様の設計が行われる。
【００４２】
図７Ａ及び図７Ｂは、穴を有する集積回路基板２８を含むＰＩＤ  １の上面図である。図７Ａは、３つの層Ｌ１、Ｌ２、及びＬ３を示しており、３つの層Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の全ての表面に加熱素子（ヒータ）が設けられており、これらの加熱素子は、層間相互接続を介して直列に接続されている。加熱素子は、長い、曲がりくねった設計であり、長さは約１ｍであってよい。図７Ｂは、層Ｌ４を示しており、層Ｌ４は、加熱素子８及び温度フィードバック制御回路１６を含む。スロット開口を有する場合も、同様の設計が行われる。
【００４３】
図８Ａから図８Ｄは、穴を有する集積回路基板２８を含むＰＩＤ  １の上面図である。図８Ａ、８Ｂ、８Ｃ、及び８Ｄは、異なる４つの層Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、及びＬ４をそれぞれ示している。４つの層の全ての表面に加熱素子（ヒータ）が設けられており、これらの加熱素子は、層間相互接続を介して直列に接続されている。Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、及びＬ４では、加熱素子は、フェンス電極としても動作する。層Ｌ３では、加熱素子は、長い、曲がりくねった設計であり、長さは約１ｍであってよい。図８Ｄは層Ｌ４を示している。層Ｌ４は更に、温度フィードバック制御回路１６を含む。図８Ａの電極は、直線電極である。図９Ａから図９Ｄに示したスロット開口を有する場合も、同様の設計が行われる。様々な設計の集積回路基板を有する、別の幾つかのＰＩＤの例を、図１０Ａから図１０Ｄに示す。図１０Ａから図１０Ｄの設計は、上述のものと同様であるが、集積回路基板２８が上述のものより長尺となっている。この集積回路基板は、長さが約３８ｍｍ、幅が約１２ｍｍである。
【実施例】
【００４４】
図５に示したようなイオン検知電極対を用いて、イオン化電流を測定した。インピーダンス変換増幅器を用いて、イオン電流を電圧に変換した。取得した信号を、Ｌａｂｖｉｅｗソフトウェアを用いて分析した。ＰＩＤの機能性を評価するために、ヒトの呼気による試験を実施した。呼気サンプル試験では、ガス管に直接接続したバクテリアフィルタマウスピース（Ｖａｃｕｍｅｄ  ＭＱ３０３）を通してヒトからサンプルを採取した。呼気中に存在する水分によって結露が生じることがある。結露を避けるために、ＰＩＤセンサチップを内蔵オンチップヒータで約８０℃まで加熱した。
【００４５】
[実施例１]
ヒトの呼吸において、呼吸時のガス流量又は圧力は、人によって異なる。別々にいくつかの試験を行った結果、呼気流量は、２〜１５Ｌ／分の範囲で変動する可能性のあることがわかった。流量が変化すると、その影響がＰＩＤセンサの基線信号（アセトンがない場合の背景信号）に及び、イオンの測定が不正確になる。試験では、ガス流量を１Ｌ／分から２０Ｌ／分まで変化させると、ＰＩＤの基線電圧が最大７０ｍＶ変化することがあった。基線の変化の原因は、部分的には、流入ガスがランプ及びセンサ電極に直接当たったことであると考えられる。結果的に幾つかの影響があるが、それらは例えば、イオン化ゾーンにおける温度、流量、相対位置、及び湿度の急激な変動である。これらのいずれか又はこれらが組み合わさって、センサの基線電圧の変化を引き起こした可能性もある。この問題を緩和するために、ガスディフューザプレートを設計して、ガスチャンバ内の、ＰＩＤセンサの直前に実装した。この「Ｉ」形ディフューザは、流入ガスを２つの支流に分割して、ガス流がセンサ電極に直接当たらないようにする。幾つかの試験では、この方法により、１Ｌ／分から２０Ｌ／分までの流量範囲に対して、基線電圧の変動を約６ｍＶにまで低減することができた。
【００４６】
較正に際し、ＰＩＤセンサを、様々なアセトン濃度の無水アセトン−窒素ガス混合物にさらした。図１１は、１０ｅＶのＵＶランプを使用した場合のＰＩＤセンサの較正データを示しており、信号ピークは、様々なアセトン濃度におけるセンサの出力電圧を示している。参照符号の３４、３６、３８、及び４０はそれぞれ、アセトン濃度が０．１ｐｐｍ、０．５ｐｐｍ、１ｐｐｍ、及び２ｐｐｍの場合の信号ピークである。
【００４７】
[実施例２]
脂質代謝では、アセトアセテートの脱カルボキシル化によってアセトンが生成される。これは、ヒトの呼気中で最も豊富な内因性化合物の１つである。健康な被験者のアセトンの量は、約０．２〜１０ｐｐｍの範囲であり、コントロール不良の糖尿病の患者のアセトンの量はそれより多い。一日の間の異なる２つの時刻に３人のヒト個体からサンプルを採取することにより、幾つか試験を実施した。ガス管に直接接続したバクテリアフィルタマウスピース（Ｖａｃｕｍｅｄ  ＭＱ３０３）を通して、各ヒト個体から２つの呼気サンプルを採取した。ヒトの呼気からの結露を防ぐために、ＰＩＤセンサを事前に７９℃まで加熱した。一方のサンプルは、昼食の約１時間前に採取した。もう一方のサンプルは、昼食の約１時間後に採取した。図１２及び表１は、ＰＩＤで検出された呼気アセトンのセンサ応答パターン（出力電圧）を示す。昼食前（図１２）及び昼食後（データは図示せず）に取得した信号を比較すると、表１に示すように、呼気アセトン濃度は昼食後に約２０％低下した。（図１２のプロットにおける）センサ出力（ボルト単位）は、呼気サンプル中に存在したアセトンの量（ｐｐｍ単位）を表している。この結果は、食後に脂質代謝が減るという一般認識と一致しているが、アセトンの量は、呼気アセトンの典型的な範囲に収まる。各信号ピークからのゆっくりした低下（テール）は、ガス管内の残留ガスの排出が遅いためである可能性があり、この試験のベンチトップセットアップでは、ガス管は約５フィート（内径４ｍｍ、体積にして最大１９ｍＬ）である。結果として、ＰＩＤは、呼気サンプルの様々なガス混合物中に存在する各種化合物の量を定量化することができた。
【００４８】
【表１】
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比較のために、２つの市販ＰＩＤセンサ（例えば、センサ１及び２）を対照として用いたところ、ヒトの呼気の試験において異なるレベルの誤動作を示した（データは図示せず）。センサ１の応答パターン（信号）は、時間が経過しても基線に戻ることができず、データは、同じヒト個体から連続して採取された２つの別々のサンプルの間で一致しなかった。センサ２は、呼気サンプルが与えられた際に、正の信号ピークを示さずに、基線からのわずかな低下を示した（データは図示せず）。センサ１及び２は、事前の無水ガス試験では良好に機能していたので、ヒトの呼気サンプルに対してセンサが誤動作を起こしたのは、ヒトの呼気の高い湿気が原因であると考えられる。即ち、室温において呼気が結露して、センサ電極間に導電経路が形成された可能性がある。したがって、本開示のＰＩＤは、許容誤差マージンの範囲内で様々なガスの量を定量化することができた。
【００４９】
[実施例３]
ＰＩＤに好適な、様々な呼気採取方法を試験した。実験では、３通りの採取方法を試験した。それらの方法は、バクテリアフィルタマウスピースを通して直接吹き込む方法（Ｖａｃｕｍｅｄ  ＭＱ３０３）、予め採取した呼気を５Ｌの採取袋に保管する方法（ＳＫＣ）、及び予め採取した呼気を０．２５ＬのＧａＳａｍｐｌｅｒ袋に保管する方法（Ｑｕｉｎｔｒｏｎ）である。
【００５０】
５Ｌの採取袋は、他の２つの採取方法と比較して、最も一貫性のある結果を示した。５Ｌ袋は、体積が大きいので、一定時間にわたって安定したガス流をＰＩＤに供給して、安定した信号出力が得られた。直接吹き込む方法及び０．２５Ｌ袋による方法では、ガス流が止まった（吹き込みが止まった、又は袋が空になった）途端にセンサ信号の低下が見られた。袋を用いて呼気サンプルを採取する場合には、水蒸気が袋の内壁に結露しがちであり、これによって、ＰＩＤセンサチャンバに流入する水濃度が低下して、水とイオンの干渉が減ることが予想される。５Ｌ及び０．２５Ｌの袋の場合に信号振幅が小さいのは、そのためであると考えられる。０．２５Ｌのサンプルでは、信号振幅が最小になる。これは、試験セットアップの死体積が主な原因である。また、呼気試験信号及び基線が試験データより小さいことも目を引く。これは、ＵＶランプの寿命を延ばすためにＵＶランプの駆動電圧を低くした（４Ｖを３．５Ｖに下げた）ためである。駆動電圧を下げたことにより、ランプから発せられるＵＶ強度が低下し、ＰＩＤセンサの感度が４０ｍＶ／ｐｐｍから１０ｍＶ／ｐｐｍに変化した。
【００５１】
本発明の一部の特徴のみについて図示及び記述したが、当業者には多くの修正及び改変が想到可能であろう。したがって、添付の特許請求の範囲は、そうした修正及び改変も全て、本発明の概念に含まれるものとして包含するものとすることを理解されたい。
【符号の説明】
【００５２】
１  ＰＩＤセンサ
２  ＵＶランプ
４  イオン化チャンバ穴／スロット
６  イオン検知電極対
８  ヒータ
１０  基板
１２  増幅器
１４  温度センサ
１６  温度フィードバック制御回路
１８  ＵＶモニタ
２０  フェンス
２２  温度センサ
２４  穴
２６  接続ピン
２８  集積回路基板
３０  スロット
３４  アセトン濃度が０．１ｐｐｍの場合の信号ピーク
３６  アセトン濃度が０．５ｐｐｍの場合の信号ピーク
３８  アセトン濃度が１ｐｐｍの信号ピーク
４０  アセトン濃度が２ｐｐｍの場合の信号ピーク
４２  昼食前の被験者１からのヒトの呼気サンプル中のアセトン濃度ピーク
４４  昼食前の被験者２からのヒトの呼気サンプル中のアセトン濃度ピーク
４６  昼食前の被験者３からのヒトの呼気サンプル中のアセトン濃度ピーク
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
0005923284.tif 000007
【図３Ｄ】
0005923284.tif 000008
【図３Ｅ】
0005923284.tif 000009
【図３Ｆ】
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【図４Ａ】
0005923284.tif 000011
【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
0005923284.tif 000013
【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
0005923284.tif 000026
【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
0005923284.tif 000028
【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【図１１】
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【図１２】
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