(57)【要約】  従来の冷却凝縮機構を有する呼気分析装置は、凝縮液収集容器の取り扱いが煩雑である上に時間を要した。  本発明は、呼気分析装置を用いて呼気を分析する方法であって、前記呼気分析装置は、容器と、呼気の注入口と、呼気の排出口と、冷却部と、電極部と、対向電極部と、化学物質検出部を備え、前記呼気は水蒸気と揮発性有機化合物を含み、前記揮発性有機化合物の分子量は１５以上５００以下であって、前記方法は、前記呼気を前記注入口から前記容器へ注入する注入工程と、前記冷却部により前記電極部を冷却して前記電極部の外周面に前記呼気を凝縮する凝縮工程と、凝縮された前記呼気を帯電微粒子化する帯電微粒子化工程と、前記帯電微粒子を前記化学物質検出部へ静電気力により回収する回収工程と、回収された前記帯電微粒子に含まれる揮発性有機化合物を検出する検出工程とを包含する。
2009057256.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
呼気分析装置を用いて呼気を分析する方法であって、
前記呼気分析装置は、
容器と、
前記容器の一端に設けられた呼気の注入口と、
前記容器の他端に設けられた呼気の排出口と、
前記容器の内部に設けられた冷却部と、
前記冷却部の近傍に設けられた電極部と、
前記容器の内部に設けられた対向電極部と、
前記対向電極の近傍に設けられた化学物質検出部を備え、
前記呼気は水蒸気と揮発性有機化合物を含み、
前記方法は、
前記呼気を前記注入口から前記容器へ注入する注入工程と、
前記冷却部により前記電極部を冷却して前記電極部の外周面に前記呼気を凝縮する凝縮工程と、
凝縮された前記呼気を帯電微粒子化する帯電微粒子化工程と、
前記帯電微粒子を前記化学物質検出部へ静電気力により回収する回収工程と、
回収された前記帯電微粒子に含まれる揮発性有機化合物を検出する検出工程と
を包含する呼気分析方法。
【請求項２】
前記揮発性有機化合物の分子量は、１５以上５００以下であることを特徴とする請求項１に記載の呼気分析方法
【請求項３】
前記容器は、閉鎖可能であることを特徴とする請求項１に記載の呼気分析方法。
【請求項４】
前記冷却部は、熱電素子であることを特徴とする請求項１に記載の呼気分析方法。
【請求項５】
前記電極部は、前記冷却部により水蒸気の結露点以下に冷却されることを特徴とする請求項１に記載の呼気分析方法。
【請求項６】
前記電極部と前記冷却部とは、直接または熱伝導体を介して接触していることを特徴とする請求項１に記載の呼気分析方法。
【請求項７】
前記電極部は陰極、前記対向電極部は陽極であることを特徴とする請求項１に記載の呼気分析方法。
【請求項８】
前記帯電微粒子は水および呼気成分を含むことを特徴とする請求項１に記載の呼気分析方法。
【請求項９】
前記化学物質検出部は、前記帯電微粒子により帯電する電荷を除去する機構を有することを特徴とする請求項１に記載の呼気分析方法。
【請求項１０】
前記化学物質検出部は、接地されることを特徴とする請求項１に記載の呼気分析方法。
【請求項１１】
前記化学物質検出部は前記容器から分離可能であることを特徴とする請求項１に記載の呼気分析方法。
【請求項１２】
前記帯電微粒子化工程は、静電霧化であることを特徴とする請求項１に記載の呼気分析方法。
【請求項１３】
前記帯電微粒子化工程において、前記電極部と前記対向電極部の間を流れる電流に応じて、前記電極部と前記対向電極部との間の電圧印加を制御することを特徴とする請求項１に記載の呼気分析方法。
【請求項１４】
前記回収工程において、前記対向電極に対して前記化学物質検出部へ電圧を印加することを特徴とする請求項１に記載の呼気分析方法。
【請求項１５】
前記電極部に付着した化学物質を除去するには、前記電極部を加熱することを特徴とする請求項１に記載の呼気分析方法。
【請求項１６】
前記電極部を加熱して化学物質を除去するには、前記熱電素子を用いることを特徴とする請求項１または請求項１４に記載の呼気分析方法。
【請求項１７】
前記電極部に付着した化学物質を、前記呼気以外の気体の気流により除去することを特徴とする請求項１に記載の呼気分析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、呼気中に含まれる種々の成分を静電霧化によって濃縮して分析する呼気分析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
呼気中には水、窒素、酸素、二酸化炭素のほか、代謝成分や揮発性有機化合物、揮発性硫黄化合物などの微量成分が含まれる。例えば、アルコール、ケトン、アルデヒド、アミン、芳香族炭化水素、脂肪酸、イソプレン、メルカプタン等やそれらの誘導体などである。【０００３】
この呼気中に含まれる微量成分と疾病の間に何らかの関連があると考えられている。疾病と呼気中の成分に相関関係があるとの研究成果も公表されている（非特許文献１、非特許文献２、非特許文献３、非特許文献４）。血液検査と異なり被験者に身体的、精神的な苦痛を与えることなく検査できるため、診断、術後経過の観察、治療方針の決定など医療分野への応用が期待されている。【０００４】
しかし、疾病との関連性を示唆されている呼気成分の濃度は、通常ｐｐｍからｐｐｔのオーダーであって、極めて微量である（非特許文献４）。【０００５】
そのため従来の呼気分析装置では、呼気を冷却凝縮する方法や、呼気成分をトラップ剤へ捕捉／濃縮する方法などの公知技術によって、効率よく分析するという手法が採用されていた。【０００６】
例えば呼気を冷却凝縮する方法として、熱電素子を使った方法がよく知られている（特許文献１）。図１１は特許文献１で記載されている呼気冷却凝縮装置を示す。【０００７】
呼気冷却凝縮装置では、被験者が吹き込んだ呼気を冷却しその凝縮液を採取する。呼気冷却凝縮装置は、呼気通過管９１１、凝縮液収集容器９０４、および熱電素子９０３を備えている。熱電素子９０３と凝縮液収集容器９０４とは熱伝体９０２によって接続されている。呼気通過管９１１と凝縮液収集容器９０４とは着脱自在に固定されている。呼気通過管９１１には一方弁が２つ設けられた逆流防止具９０８が設けられ、且つ吹き込んだ呼気の量を測定する流量計９１６が設けられている。【０００８】
図１１に示した呼気冷却凝縮装置は、分析に必要な量の凝縮液を得るまでに時間を要するものの、比較的簡便に装置を扱うことができるため、一般的に用いられている装置の一つである。【０００９】
また別の手法として、静電噴霧を用いた濃縮方法の例が特許文献２によって開示されている。これは、不揮発性の希薄生体分子溶液を静電噴霧することで、ミスト中の溶媒を気化し濃縮を行なう方法であり、呼気中に含まれる不揮発性成分の濃縮にも利用できる。図１２に特許文献２で記載されている生体分子溶液の濃縮手段を示す。【００１０】
図１２に示す静電噴霧装置によって、巨大生体分子を含む不揮発性物質の堆積物が得られる。この堆積物は、不揮発性物質の堆積物の他の物質への相互作用を測定するために使用される。なお、特許文献２では、生体分子の静電噴霧法による堆積は、希薄生体分子溶液の微量濃縮の手段として利用できることも開示されている。
【非特許文献１】ＴＨＥ  ＬＡＮＣＥＴ  ３５３巻  ｐｐ．１９３０−１９３３（１９９９）
【非特許文献２】ＡＮＡＬＹＴＩＣＡＬ  ＢＩＯＣＨＥＭＩＳＴＲＹ  ２４７巻  ｐｐ．２７２−２７８  （１９９７）
【非特許文献３】Ｔｈｅ  Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｃａｒｄｉｏｌｏｇｙ  ｐｐ．１５９３−１５９４  （２００４）
【非特許文献４】Ｒｅｓｐｉｒａｔｏｒｙ  Ｐｈｙｓｉｏｌｏｇｙ＆Ｎｅｕｒｏｂｉｏｌｏｇｙ  １４５巻  ｐｐ．２９５−３００（２００５）
【特許文献１】特開２００４−３６１１６０公報（第６頁、図１）
【特許文献２】特表２００２−５１１７９２公報（第３１頁第１２〜１３行目、第７８頁、図９）
【特許文献３】米国特許出願公開第２００４／０２１０１５４号明細書（特に００５４段落）
【特許文献４】特開２００７−０３３３８８号公報（特に０００２〜０００５段落）
【特許文献５】特許第３９５２０５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献１および特許文献２に記載の従来装置はいずれも、凝縮液蓄積容器（図１１中の凝縮液収集容器９０４および図１２中の液体容器１００５）を有しており、その中に多量の呼気凝縮液を蓄積しなければならなかった。【００１２】
すなわち特許文献１に記載の例では、容量が２０ｍＬ〜２００ｍＬの凝縮液収集容器９０４を冷却し、容器側壁に凝縮した液滴を容器底部へ落下させ蓄積していた。【００１３】
また、特許文献２に記載の例では、容器の中の液体へ電圧を印加するために、電極が液体に十分浸るまで、容器を多量の呼気凝縮液で満たさなければならなかった。【００１４】
このように多量の呼気凝縮液を得るためには、かなりの時間を要するという課題を有していた。そのため、例えば緊急を要する救急患者に対して迅速な呼気分析が困難であった。【００１５】
それに加えて多量の呼気凝縮液を得るには、呼気を大量に収集しなければならないという課題もあった。そのため、患者、高齢者、乳幼児など健常人に比べて体力的な面で利用者にとって、身体的、精神的負担も大きかった。【００１６】
本発明は、前記従来の課題を解決し、短時間かつ簡便に呼気凝縮液を生成し、呼気を分析する方法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】
【００１７】
前記従来の課題を解決する本発明は、呼気分析装置を用いて呼気を分析する方法であって、前記呼気分析装置は、容器と、前記容器の一端に設けられた呼気の注入口と、前記容器の他端に設けられた呼気の排出口と、前記容器の内部に設けられた冷却部と、前記冷却部の近傍に設けられた電極部と、前記容器の内部に設けられた対向電極部と、前記対向電極の近傍に設けられた化学物質検出部を備え、前記呼気は水蒸気と揮発性有機化合物を含み、前記方法は、前記呼気を前記注入口から前記容器へ注入する注入工程と、前記冷却部により前記電極部を冷却して前記電極部の外周面に前記呼気を凝縮する凝縮工程と、凝縮された前記呼気を帯電微粒子化する帯電微粒子化工程と、前記帯電微粒子を前記化学物質検出部へ静電気力により回収する回収工程と、回収された前記帯電微粒子に含まれる揮発性有機化合物を検出する検出工程とを包含する。【００１８】
本発明において、前記揮発性有機化合物の分子量は１５以上５００以下であることが好ましい。【００１９】
本発明において、前記容器は閉鎖可能であることが好ましい。【００２０】
本発明において、前記冷却部は熱電素子であることが好ましい。【００２１】
本発明において、前記電極部は前記冷却部により水蒸気の結露点以下に冷却されることが好ましい。【００２２】
本発明において、前記電極部と前記冷却部とは、直接または熱伝導体を介して接触していることが好ましい。【００２３】
本発明において、前記電極部は陰極、前記対向電極部は陽極であることが好ましい。【００２４】
本発明において、前記帯電微粒子は水および呼気成分を含むことが好ましい。【００２５】
本発明において、前記化学物質検出部は前記帯電微粒子により帯電する電荷を除去する機構を有することが好ましい。【００２６】
本発明において、前記化学物質検出部は接地されることが好ましい。【００２７】
本発明において、前記化学物質検出部は前記容器から分離可能であることが好ましい。【００２８】
本発明において、前記帯電微粒子化工程は静電霧化であることが好ましい。【００２９】
本発明において、前記帯電微粒子化工程において、前記電極部と前記対向電極部の間を流れる電流に応じて、前記電極部と前記対向電極部との間の電圧印加を制御することが好ましい。【００３０】
本発明において、前記回収工程において、前記対向電極に対して前記化学物質検出部へ電圧を印加することが好ましい。【００３１】
本発明において、前記電極部に付着した化学物質を除去するには、前記電極部を加熱することが好ましい。【００３２】
本発明において、前記電極部を加熱して化学物質を除去するには、前記熱電素子を用いることが好ましい。【００３３】
本発明において、前記電極部に付着した化学物質を、前記呼気以外の気体の気流により除去することが好ましい。【００３４】
本発明の上記目的、他の目的、特徴および利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。
【発明の効果】
【００３５】
本発明の呼気分析方法によれば、短時間で、冷却した電極部の外周面に呼気凝縮液を生成できる。また効率的に呼気成分を化学物質検出部へ捕集することができる。その結果として、分析に要する時間を大幅に短縮できるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１における呼気分析装置の模式図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態１における呼気分析装置の動作を示す説明図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態２における呼気分析装置の模式図である。
【図４】図４は、凝縮工程における電極部表面の顕微鏡写真である。
【図５】図５は、帯電微粒子化工程の説明図である。
【図６】図６は、帯電微粒子化工程における電極部先端の説明図および顕微鏡写真である。
【図７】図７は、本発明の回収工程における第２電極部の顕微鏡写真である。
【図８】図８は、本発明の検出工程における呼気の分析例である。
【図９】図９は、本発明の検出工程における呼気の分析例である。
【図１０】図１０は、本発明の検出工程における呼気の分析例である。
【図１１】図１１は、従来の呼気分析装置の模式図である。
【図１２】図１２は、従来の呼気分析装置の模式図である。
【符号の説明】
【００３７】
１００  呼気分析装置
１０１  容器
１０２  注入口
１０３  排出口
１０４  冷却部
１０５  電極部
１０６  対向電極部
１０７  化学物質検出部
１０８ａ、１０８ｂ  バルブ
２０１  水蒸気
２０２ａ、２０２ｂ  呼気成分
２０３  呼気
２０４  凝縮液
２０５  帯電微粒子
３０１  マウスピース
３０２  唾液トラップ
３０３  放熱部
３０４  接続部
３０５  温度センサ
３０６  湿度センサ
３０７  逆止弁
３０８  ポンプ
３０９  制御部
３１０  表示部
４０１  凝縮液
５０１  テーラーコーン
５０２  凝縮液
５０３  帯電微粒子
６０１  テーラーコーン
６０２  帯電微粒子
７０１  第２電極部
７０２  凝縮液
７０３  凝結体
９０１  呼気冷却凝縮装置
９０２  熱伝体
９０３  熱電素子
９０４  凝縮液収集容器
９０５  キャップ
９０６  呼気導入パイプ
９０７  呼気排出用の開口
９０８  逆流防止具
９０９  吐出逆止弁
９１０  吸入逆止弁
９１１  呼気通過管
９１２  マウスピース
９１３  唾液トラップ
９１４  保温材
９１５  電気ヒータ
９１６  流量計
９１７  表示器
１００１  Ｘ−Ｙステージ
１００２  基体
１００３  蛋白質スポット
１００４  誘電体グリッド
１００５  液体容器
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。【００３９】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における呼気分析装置の模式図である。【００４０】
本実施の形態において、呼気分析装置１００は以下の構成からなる。【００４１】
容器１０１は隔壁によって外部と仕切られる。隔壁を通じて外部との物質の出入りは行なわれない。容器１０１の形状は、直方体でも良いし、多面体、紡錘形、球形、流路状でも良い。容器１０１の容積は、呼気の総流入量に比べて十分小さいことが好ましい。たとえば呼気の総流入量が３００ｃｃの場合には、容器の容積は６ｃｃ以下が好ましい。容器１０１の材料は、吸着ガスや内蔵ガスの少ないものが望ましい。【００４２】
容器１０１の材料は、ステンレス、アルミ、銅などの金属類でも良いし、石英ガラス、ホウ珪酸ガラス、窒化シリコン、アルミナ、シリコンカーバイドなど無機物でも良いし、表面に二酸化シリコン、窒化シリコン、酸化タンタルなどの絶縁体薄膜が形成されたシリコン基板を用いても良い。またはこれらを２種類以上組み合わせても良い。【００４３】
容器１０１の材料は、アクリル樹脂やポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエステル、フッ素樹脂、ＰＤＭＳなどが好ましい。容器１０１の材料がプラスチックである場合、容器１０１の内壁には金属薄膜をコーティングすることがより好ましい。金属薄膜としてはアルミ薄膜が安価でガスバリア性に優れるため最も好ましいが、他の金属薄膜でも良い。またはこれらを２種類以上組み合わせても良い。なお、容器１０１は、堅固であることが好ましいが、エアーバック、バルーン、フレキシブルチューブ、シリンジなどのように柔軟もしくは可動性があっても良い。【００４４】
注入口１０２は容器１０１の一端に設けられている。注入口１０２は容器１０１へ呼気を注入するために用いられる。注入口１０２を設ける位置については、呼気が容器１０１の内部へすみやかに注入される場所であれば、どこでも良い。たとえば容器１０１が直方体の場合には、注入口１０２は角部よりも面中央部に位置することが好ましい。なお本発明では、注入口１０２の形状、寸法、材料は限定されない。注入口１０２は、図１に示すように一本の管状であっても良いし、途中に分岐を有していても良い。さらに注入口１０２は、一箇所であっても良いし、複数箇所でも良い。【００４５】
排出口１０３は、容器１０１の他端に設けられている。排出口１０３は、容器１０１から余剰な呼気を排出するために用いられる。排出口１０３を設ける位置は、余剰な呼気を容器１０１から排出できる場所であれば良い。なお本発明では、排出口１０３の形状、寸法、材料は限定されない。排出口１０３の形状は図１に示すように直管状であっても良いし、途中に分岐を設けても良い。さらに排出口１０３は一箇所であっても良いし、複数箇所でも良い。【００４６】
冷却部１０４は、容器１０１の内部に設けられている。冷却部１０４を設けることにより、水蒸気の結露点以下まで冷却できるため、水蒸気および揮発性有機化合物を凝縮することができる。冷却部１０４は、熱電素子であることが最も好ましい。また、冷却部１０４は、水のような冷媒を使ったヒートパイプでも良いし、空気熱交換素子でも良いし、冷却ファンでも良い。効率よく呼気を冷却するために、冷却部１０４の表面積を大きくしても良いし、冷却部１０４の表面に凹凸加工を施しても良いし、冷却部１０４の表面に多孔体を設けても良い。冷却部１０４の位置は、容器１０１の底部であることが最も好ましい。冷却部１０４の位置は、側部や天井部でも良いし、これらを組み合わせて複数の冷却部１０４を設けても良い。【００４７】
本発明の実施の形態において、冷却部１０４として熱電素子を用いる場合、熱電素子の放熱部には放熱フィンを設けても良い。あるいは熱電素子の放熱部を水冷しても良いし、空冷しても良いし、別の熱電素子で冷却しても良いし、他の冷却方法を用いても良い。またこれらを２種類以上組み合わせても良い。【００４８】
電極部１０５は、容器１０１の内部にあって冷却部１０４の近傍に設けられている。電極部１０５は、冷却部１０４に直接接触していても良いし、熱伝導性シート、熱伝導性樹脂、金属板、グリースなど熱伝導体を介して接触させても良い。【００４９】
電極部１０５は、冷却部１０４によって水蒸気の結露点以下に冷却されることが好ましい。一般に呼気は温度３４℃、湿度９５％と言われる。呼気中の水蒸気および揮発性有機化合物を結露させるために、電極部１０５の温度は、０℃以上３０℃以下であることが好ましい。電極部１０５の温度は、０℃以上１５℃以下であることがより好ましい。電極部１０５の温度は、電極部１０５の全体にわたり均一であることが好ましいが、異なっていてもよい。【００５０】
電極部１０５の材料は、金属であることが最も好ましい。電極部１０５の材料は、シリコン、カーボンナノチューブでも良いし、グラファイト、フラーレン、ナノコーン、カーボンペースト、グラッシーカーボンなどの炭素材料でも良いし、ＰＥＤＯＴ；ＰＳＳ、ペンタセン、ポリアニリン、ポリアセチレン、ポリピロールなどの有機導電ポリマーでも良い。さらに、酸化錫（ＩＴＯ）、ポリシリコンなどの無機導電性材料でも良いし、有機銀のような有機金属でも良いし、エミッターとして用いられる他の材料であっても良い。【００５１】
電極部１０５は、１つでも良いし、複数あっても良い。電極部１０５は、直線的に一次元に配列しても良い。電極１０５は、円周状、放物線状、楕円周状、正方格子状、斜方格子状、最密充填格子状、放射状、ランダム状などのように二次元に配列しても良い。電極部１０５は球面状、放物曲面状、楕円曲面状などのように三次元に配列しても良い。【００５２】
電極部１０５の形状は、針状であることが好ましい。速やかに水蒸気の結露点以下へ電極部１０５を冷却するために、電極部１０５の長さは、３ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることが好ましい。電極部１０５の材料は、良熱伝導材料が好ましく、金属であることが最も好ましい。具体的にはステンレス、銅、真鍮、アルミ、ニッケル、タングステンなどの単体金属でも良いし、これらを二種類以上組み合わせた合金や金属間化合物であっても良い。さらにこれらの電極部１０５の表面を金、白金、アルミなどの金属薄膜で被覆しても良い。【００５３】
対向電極部１０６は、電極部１０５に相対するように設けられている。対向電極部１０６の形状は、円環状であることが最も好ましい。対向電極部１０６の形状は、長方形、台形など多角形でも良い。対向電極部１０６の材料は、金属であることが好ましい。具体的にはステンレス、銅、真鍮、アルミ、ニッケル、タングステンなどの単体金属でも良いし、これらを二種類以上組み合わせた合金や金属間化合物であっても良い。さらにこれらの電極部１０５の表面を金、白金、アルミなどの金属薄膜で被覆しても良い。【００５４】
電極部１０５は陰極であって、かつ対向電極部１０６は陽極であることが好ましい。電極部１０５と対向電極部１０６の間に印加する電圧は、固定値であっても良いし、可変値でも良い。可変値は帯電微粒子化の状況に応じて制御されることが好ましい。帯電微粒子化の状況は、電極部１０５と対向電極１０６の間を流れる電流値でモニターしても良いし、電極部１０５と化学物質検出部１０７の間を流れる電流値でモニターしても良いし、専用電極対を設けて電流値をモニターしても良い。【００５５】
化学物質検出部１０７は、対向電極部１０６の近傍に設けられている。化学物質検出部１０７は、ガスクロマトグラフでも良いし、他の化学物質検出器を用いても良い。例えば、ＭＯＳＦＥＴ（金属―酸化物―半導体電界効果トランジスタ）、ＩＳＦＥＴ（イオン感応型電界効果トランジスタ），バイポーラトランジスタ、有機薄膜トランジスタ、オプトード、金属酸化物半導体センサ、水晶マイクロバランス（ＱＣＭ）、表面弾性波（ＳＡＷ）素子、固体電解質ガスセンサ、電気化学電池センサ、表面波プラズモン共鳴（ＳＰＲ）、ラングミュアブロジェット膜（ＬＢ膜）センサなどのセンサでも良い。化学物質検出部１０７は、高速液体クロマトグラフ、質量分析装置、核磁気共鳴装置などでも良い。化学物質検出部１０７は、図１に示すように１箇所でも良いし、複数箇所でも良い。さらに複数の化学物質検出部を設ける場合、同一種類でもよいし複数種類でも良い。【００５６】
本発明の実施の形態において、化学物質検出部１０７は、化学物質に対して選択的に感応する電界効果トランジスタを用いても良い。電界効果トランジスタは、シリコンやガリウムヒ素、カーボンナノチューブ、シリコンナノワイヤなどの無機半導体材料を用いて作製しても良い。電界効果トランジスタは、ペンタセン、ポリチオフェン、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳなどの有機半導体材料を用いて作製しても良い。有機半導体材料を用いて有機電気化学トランジスタを作製しても良い。なお本発明では、電界効果トランジスタの材料、寸法、数、製造方法は限定されない。【００５７】
化学物質検出部１０７は、除電されることが好ましい。たとえば呼気が負に帯電している場合、化学物質検出部１０７は負に帯電する。この帯電量が過剰になるとき、化学物質検出部１０７の動作に多大な影響を及ぼすため、除電できるようにすることが好ましい。なお、除電は、常時行なっても良いし、適宜行なっても良い。【００５８】
化学物質検出部１０７は、接地することにより除電することが好ましい。化学物質検出部１０７は、イオナイザーにより除電することが好ましい。【００５９】
化学物質検出部１０７は、容器１０１から分離可能であることが好ましい。化学物質検出部１０７を分離した後、化学物質検出部１０７を洗浄することが好ましい。化学物質検出部１０７をディスポーザブルにしても良い。なぜなら、前回の測定履歴を気にすることなく清浄な状態で化学物質を検出できるためである。【００６０】
注入口１０２および排出口１０３には、バルブ１０８ａおよびバルブ１０８ｂが設けられていることが好ましい。これらのバルブ１０８ａおよび１０８ｂにより、容器１０１を閉鎖可能にすることが好ましい。なお本発明では、バルブ１０８ａおよび１０８ｂの材料、位置、種類は限定されない。さらに、注入口１０２および排出口１０３のコンダクタンスが小さくしても良い。【００６１】
本発明の実施の形態において、注入口１０２および排出口１０３には、呼気の流れを制御する制御弁を設けても良い。制御弁は、逆止弁でも良いし、ストップバルブでも良い。【００６２】
本発明の実施の形態において、注入口１０２および排出口１０３には、呼気の流量を計測する計測器を設けても良い。計測器は積算流量計でも良いし、マスフローメータでも良いし、他の流量計測器でも良い。【００６３】
図２は、本発明の実施の形態１における呼気分析装置の動作を示す説明図である。図２において、図１と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。【００６４】
注入工程では、水蒸気２０１と呼気成分２０２ａ、２０２ｂからなる呼気２０３が、注入口１０２を通じて、容器１０１へ注入される。図２（ａ）は注入工程を表す。容器１０１の内部が呼気２０３によって満たされたかどうかを判別するには、化学物質検出部１０７を用いても良いし、化学物質検出部１０７とは別の化学物質検出部を用いても良い。化学物質検出部１０７は一つでも良いし、複数でも良い。【００６５】
注入工程では、注入口１０２側から加圧して注入することが好ましいが、排出口１０３側を減圧して注入しても良い。【００６６】
注入工程では、注入口１０２側を加圧する場合、ダイアフラムポンプやペリスタティックポンプやシリンジポンプなど電動ポンプを用いて注入しても良いし、シリンジやスポイドを使って手動で注入しても良いし、吐息でそのまま注入しても良い。【００６７】
注入工程では、排出口１０３側を減圧する場合、ダイアフラムポンプやペリスタティックポンプやシリンジポンプなど電動ポンプにより注入しても良いし、シリンジにより手動で注入しても良い。【００６８】
注入工程では、呼気２０３を容器１０１へ注入する前に、容器１０１の内部を清浄な空気で満たすことが好ましい。容器１０１の内部を、乾燥窒素やその他の不活性ガスでみたしても良いし、呼気と同程度の湿度を有する標準ガスや、較正用ガスで満たしても良い。【００６９】
注入工程では、余剰な呼気２０３は排出口１０３から排出される。簡便のため図２（ａ）において呼気成分２０２ａ、２０２ｂは２種類だけ記載しているが、一般的に２種類以上の成分を含む。【００７０】
凝縮工程では、冷却部１０４により、電極部１０５が水蒸気の結露点以下に冷却される。その結果、電極部１０５の外周面において、呼気中の水蒸気やその他の呼気成分２０２ａ、２０２ｂを含む凝縮液２０４が形成される。図２（ｂ）および図２（ｃ）は凝縮工程を表す。図２（ｂ）は凝縮工程の初期段階を表す。図２（ｂ）は、電極部１０５の外周面における凝縮液２０４の形成を表している。図２（ｃ）は、凝縮工程の進行段階を表す。図２（ｃ）は、電極部１０５の外周面における凝縮液２０４による被覆を表す。【００７１】
なお、凝縮工程では、凝縮液２０４の量が過剰にならないよう、冷却部１０４の温度を制御することが好ましい。【００７２】
帯電微粒子化工程では、凝縮液２０４から多数の帯電微粒子２０５を形成する。図２（ｄ）は帯電微粒子化工程を表す。帯電微粒子の形態は、分子１個〜数十個からなるクラスタであっても良いし、分子数十〜数百個からなる微粒子であっても良いし、数百個以上からなる液滴であっても良い。またはこれらの２種類以上が混在していても良い。【００７３】
帯電微粒子には、電気的に中性な分子の他に、呼気成分分子由来のイオンまたはラジカルが含まれていても良い。またはこれらが混在していても良い。帯電微粒子は、マイナスに荷電していることがより好ましいが、プラスに荷電していても良い。【００７４】
帯電微粒子は、水および呼気成分を含んでいることが好ましい。帯電微粒子中の水と呼気成分の比率は、呼気と同じでも良いし、異なっていても良い。【００７５】
帯電微粒子化工程では、帯電微粒子化するために静電霧化を用いることが好ましい。静電霧化の原理は次のとおりである。電極部１０５と対向電極部１０６の間に印加された電圧によって、電極部１０５先端へ凝縮液２０４が搬送される。クーロン引力により、対向電極部１０６に向かって、凝縮液２０４の液面が円錐状に盛り上がる。さらに凝縮が進んだ時、凝縮液先端における電荷の集中により、クーロン力が増大する。クーロン力が水の表面張力を超える時、凝縮液２０４が分裂、飛散して、帯電微粒子を形成する。【００７６】
なお、静電霧化を行う際、コロナ放電が発生することがある。呼気中の相対湿度が低い場合や、電極部１０５の外周面に十分凝縮液が生成されていない場合である。コロナ放電は帯電微粒子化工程に含めても良い。【００７７】
帯電微粒子化工程では、電極部１０５と対向電極部１０６の間を流れる電流に応じて、電極部１０５と対向電極部１０６との間の電圧印加を制御することが好ましい。例えば、帯電微粒子の過剰生成やコロナ放電などが原因で、電極部１０５と対向電極部１０６の間に過剰な電流が流れる時、電極部１０５と対向電極部１０６との間の電圧印加を一旦中断することが好ましい。電極部１０５と対向電極部１０６との間の印加電圧を小さくしても良い。その原因が除去され次第、電圧印加を再開しても良い。【００７８】
帯電微粒子２０５の直径は、帯電微粒子の安定性の観点から、２ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることが好ましい。【００７９】
帯電微粒子２０５に付加される帯電量は、微粒子１個あたり電荷素量（１．６ｘ１０-19Ｃ）と同量であることが最も好ましい。帯電微粒子２０５に付加される帯電量は、電荷素量より大きいことが好ましい。【００８０】
回収工程では、帯電微粒子２０５を化学物質検出部１０７へ回収する。図２（ｅ）は回収工程を表す。回収工程では、静電気力により帯電微粒子２０５を回収することが好ましい。対向電極部１０６に対して化学物質検出部１０７へ電圧を印加することが好ましい。帯電微粒子２０５が負の電荷を持つ場合、対向電極部１０６に対して化学物質検出部１０７へ直流正電圧を印加することが好ましい。電圧印加は、連続的であることが好ましいが、パルス的でも良い。【００８１】
検出工程では、帯電微粒子に含まれる揮発性有機化合物を、化学物質検出部１０７によって検出する。検出工程では、揮発性有機化合物の定量を行なうことが好ましいが、化学物質の存在のみを検出しても良い。検出工程では、あらかじめ較正しておいた化学物質検出部を用いることが好ましい。なお本発明では、較正方法は限定されない。【００８２】
揮発性有機化合物は、ケトン類、アミン類、アルコール類、芳香族炭化水素類、アルデヒド類、エステル類、有機酸、硫化水素、メチルメルカプタン、ジスルフィドなどであることが好ましい。揮発性有機化合物は、アルカン、アルケン、アルキン、ジエン、脂環式炭化水素、アレン、エーテル、カルボニル、カルバニオ、タンパク、多核芳香族、複素環、有機誘導体、生物分子、代謝物、イソプレン、イソプレノイドおよびその誘導体などでも良い。【００８３】
揮発性有機化合物の分子量は、（１）揮発の容易さ、（２）呼気中に含まれる得る化合物、という観点から、１５以上５００以下が好ましく、３０以上４００以下がより好ましい。【００８４】
世界保健機関（ＷＨＯ）によると、（広義の）揮発性有機化合物は、超揮発性有機化合物（ＶＶＯＣ、沸点０℃〜５０−１００℃）、揮発性有機化合物（ＶＯＣ、沸点５０−１００℃〜２４０−２６０℃）、半揮発性有機化合物（ＳＶＯＣ、沸点２４０−２６０℃〜３８０−４００℃）、粒子状物質（ＰＯＭ、沸点３８０℃以上）に分類される。代表的なＶＶＯＣは、ホルムアルデヒド（分子量３０、沸点−１９．２℃）、アセトアルデヒド（分子量４４、沸点２０．２℃）、ジクロロメタン（分子量８５、沸点４０℃）である。代表的なＶＯＣは、トルエン（分子量９２、沸点１１０．７℃）、キシレン（分子量１０６、沸点１４４℃）、ベンゼン（分子量７８、沸点８０．１℃）、スチレン（分子量１０４、沸点１４５．１℃）などである。代表的なＳＶＯＣは、リン酸トリブチル(分子量２６６、沸点２８９℃)、フタル酸ジオクチル（分子量３９１、沸点３７０℃）などである。本発明では、単に揮発性有機化合物といえば、広義の揮発性有機化合物を意味し、ＶＶＯＣ、ＶＯＣ、ＳＶＯＣ、ＰＯＭなどを含む。【００８５】
揮発性有機化合物の沸点は、−１６０℃以上４００℃以下が好ましい。【００８６】
温度変動、湿度変動、妨害物質の存在、電磁ノイズなど誤差要因を低減するため、容器１０１の内部に、補正用の化学物質検出部を設けても良い。化学物質検出部と補正用の化学物質検出部を差動で動作させて誤差要因を低減してもよい。【００８７】
本発明の実施の形態において、上述の注入工程から検出工程までの少なくとも２つ以上の工程は同時に行なわれてもよい。すなわち、例えば凝縮工程と帯電微粒子化工程が同時に行なわれても良い。またはそれぞれの工程を順序立てて行なっても良い。【００８８】
本発明の実施の形態において、電極部１０５に付着した化学物質を除去するために、電極部１０５を加熱することが好ましい。電極部１０５を加熱する時に、容器１０１へ清浄なガスを注入しても良い。電極部１０５付着した化学物質を除去するために、他の方法を組み合わせても良い。【００８９】
本発明の実施の形態において、電極部１０５を加熱して化学物質を除去するために、熱電素子を用いることが好ましい。熱電素子は、容易に冷却面と加熱面を反転できるので、便利である。凝縮工程および化学物質を除去する時に同一の熱電素子を兼用すれば、分析装置の小型化にも寄与できる。電極部１０５に付着した化学物質が除去されたことを検出するために、化学物質検出部１０７を用いても良い。電極部１０５に付着した化学物質が除去されたことを検出するために、電極部１０５の外周面に検出部を設けても良いし、他の公知技術を用いても良い。【００９０】
本発明の実施の形態において、電極部１０５に付着した化学物質は、呼気以外の気体の気流により除去することが好ましい。気体は乾燥窒素ガスであることが好ましい。気体は化学物質検出部の較正用ガスであることが好ましい。【００９１】
本発明の実施の形態では、電極部１０５を冷却することにより、電極部１０５の外周面に呼気凝縮液を得ることが特徴の一つである。つまり、従来の分析方法では、電極部が単なる電圧印加のための手段でしかなかった。そのために、呼気凝縮液を保持するには凝縮液蓄積容器を別途設けなければならなかった。しかし前述のように、凝縮液蓄積容器へ呼気凝縮液を蓄積するには相当な時間を要する。そこでこれを解決するために、本発明では、電極部１０５に２つの役割を持たせたことに特色がある。すなわち、電極部１０５は、（１）電圧印加のための電極、（２）呼気凝縮液を保持する手段を兼ねる。これにより、呼気分析に必要な凝縮液の量を大幅に削減できる上に、分析時間を短縮できる。【００９２】
なお本発明の実施の形態は、従来の静電霧化を利用したマイナスイオンミスト発生装置の形態とは基本的に異なる。すなわち、従来のマイナスイオンミスト発生装置は、帯電微粒子の直径が数ｎｍ〜数十ｎｍと非常に小さい。したがって、帯電微粒子は空気中に１０分間程度の長時間浮遊する。また帯電微粒子の拡散性が高い。これらのマイナスイオンミストの性質は、肌や毛髪の保湿器、脱臭器へ適用するには、大きな利点となる。しかし、本発明のような分析装置ではこの性質は欠点となる。なぜなら、帯電微粒子の浮遊性、拡散性により、検出対象である化学物質はむしろ希釈されてしまうためである。希釈を防ぐために、本発明では、閉鎖可能な容器の内部に静電霧化機構を設け、化学物質を含んだ帯電微粒子を静電気力によって効率的に回収する。それが本発明のもう一つの特色である。【００９３】
（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２における呼気分析装置の模式図である。図３において、図１と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。【００９４】
本発明の実施の形態において、図３において、注入口１０２の近傍には、マウスピース３０１と唾液トラップ３０２が設けられている。【００９５】
マウスピース３０１は、呼気を容器１０１へ容易に注入できるため、呼気分析装置の操作を簡便にできる。マウスピース３０１は衛生上、使い捨てにすることが好ましい。マウスピース３０１は、シリコーンラバーで形成されることが好ましい。なお本発明では、マウスピース３０１の材質、寸法、形状を限定されない。【００９６】
唾液トラップ３０２は、呼気とともに唾液が容器１０１へ混入してしまうことを抑制する。唾液トラップ３０２は、唾液のみならず口から排出される唾、痰、食べ物の残りカス、埃などをトラップしても良い。【００９７】
本発明の実施の形態において、冷却部１０４の一端に放熱部３０３が設けられている。放熱部３０３は、容器１０１の外部に設けてあることが好ましい。放熱部３０３は、放熱フィンであることが最も好ましい。放熱部３０３は、冷却ファンでも良いし、水冷管でも良いし、その他の冷却手段でも良い。また、これらを２種類以上組み合わせても良い。【００９８】
本発明の実施の形態において、電極部１０５の一部に接続部３０４が設けられている。接続部３０４は、冷却部１０４と電極部１０５を接続する部材であって、接続部３０４を通じて熱伝導する。電極部１０５は、接続部３０４を介して加熱しても良い。なお本発明では、接続部３０４の形状、寸法、材質は限定されない。【００９９】
本発明の実施の形態において、冷却部１０４の近傍には温度センサ３０５が設けられている。温度センサ３０５を設けることにより、凝縮の具合を制御することができる。すなわち冷却部１０４近傍の温度を所望の温度に保持することにより、凝縮液の量を自由自在に制御できる。温度センサ３０５は、電極部１０５の近傍に設けてもよい。温度センサ３０５は、接続部３０４の近傍に設けてもよい。温度センサ３０５は、注入口１０２の近傍に設けても良い。温度センサ３０５は、容器１０１の内部に設けても良い。温度センサ３０５は１つでも良いし、複数個設けても良い。【０１００】
本発明の実施の形態において、温度センサ３０５は、熱電対が最も好ましい。温度センサ３０５は、抵抗温度センサでも良いし、赤外温度センサでも良いし、他の温度センサでも良い。温度センサ３０５は、１種類でも良いし、複数種類でも良い。温度センサ３０５は、注入される呼気の温度を計測しても良い。【０１０１】
本発明の実施の形態において、呼気分析装置１００には湿度センサ３０６が設けられている。注入される呼気の湿度は個々人によって異なるため、湿度センサ３０６を設けることが好ましい。湿度センサ３０６により呼気の飽和水蒸気量、露点などを算出できるので、冷却部１０４および電極部１０５の設定温度、成分分析データの解析などに有用である。なお本発明では、湿度センサ３０６の種類、数量、位置は限定されない。【０１０２】
本発明の実施の形態において、排出口１０３の近傍には逆止弁３０７が設けられている。逆止弁３０７を設けることにより、呼気注入時に誤って大気などが容器１０１の中へ混入するのを防止する。逆止弁３０７は、注入口１０２の近傍に設けても良い。逆止弁３０７はダイアフラムでも良いし、チャッキバルブでも良いし、他の逆流防止具を用いても良い。【０１０３】
本発明の実施の形態において、逆止弁３０７の近傍にはポンプ３０８が設けられている。ポンプ３０８は、呼気を容器１０１へ注入するのを補助する。特に呼気を吐き出す力の弱い患者や高齢者、乳幼児への使途には好適である。ポンプ３０８は、ダイアフラムポンプでも良いし、シリンジポンプでも良いし、真空管などでも良い。ポンプ３０８は、容器１０１内を清浄にするためのガスを、注入するために用いても良い。ポンプ３０８には、流量調整用のバルブが付置されていても良い。【０１０４】
本発明の実施の形態において、化学物質検出部１０７には、検出対象である化学物質に対して選択的に応答する感応膜を設けても良い。なお本発明では、感応膜の種類、数量、配置、寸法は限定されない。たとえば感応膜の材料として、金属酸化物、白金、パラジウムなどの無機化合物を用いても良いし、分子インプリントによる鋳型ポリマーを用いても良いし、有機半導体材料、デオキシリボ核酸（ＤＮＡ）、リボ核酸（ＲＮＡ）、酵素、生体膜、受容体タンパク、抗体、オリゴヌクレオチドなどを用いても良いし、ラングミュア‐ブロジェット膜（ＬＢ膜）、脂質二重膜を用いても良い。またはこれらの複数種類を組み合わせても良い。【０１０５】
本発明の実施の形態において、化学物質検出部１０７には、制御部３０９および表示部３１０が設けられている。制御部３０９は、化学物質検出部１０７の電気的および機械的な制御を行なう部位である。制御部３０９には、化学物質検出部１０７で計測された値を解析する解析部を設けても良い。解析部は、主成分分析、絶対値表現分析、判別分析、因子分析、クラスタ分析、コンジョイント分析など多変量解析を行なっても良いし、多回帰解析など他の統計解析を行なっても良い。表示部３１０は、化学物質検出部１０７で計測した値を表示することが好ましい。表示部３１０は、制御部３０９で得た値をそのまま表示しても良いし、解析した値を表示しても良い。【０１０６】
本発明の実施の形態において、呼気分析装置１００には電磁シールドを設けることが好ましい。電磁シールドを設けることにより、外部からの電磁ノイズを遮蔽することができるので、微弱な信号を検知できる。【０１０７】
（実施例１）
容器１０１は、厚み０．５ｍｍの透明アクリル樹脂板により作製した。容器１０１は、３２ｍｍ×１７ｍｍ×１２ｍｍの直方体とした。凝縮液の形成過程を観察するために、容器１０１を透明体により作製することが好ましい。容器１０１は一体成型しても良い。【０１０８】
注入口１０２は、容器１０１の一端に直径３ｍｍの貫通穴を形成した後、外径３ｍｍのシリコーンチューブを接続することにより形成した。なお本発明では、注入口１０２の形成方法は限定されない。容器１０１を一体成型すると同時に、注入口１０２を形成しても良いし、切削加工で形成しても良いし、ドライエッチング、ホットエンボス、ナノインプリントなど他の一般的な方法で形成しても良い。【０１０９】
排出口１０３は、容器１０１の他端に直径３ｍｍの貫通穴を形成した後、外径３ｍｍのシリコーンチューブを接続することにより形成した。なお本発明では、排出口１０３の形成方法は限定されない。容器１０１を一体成型すると同時に排出口１０３を形成しても良いし、切削加工で形成しても良いし、ドライエッチング、ホットエンボス、ナノインプリントなど他の一般的な方法で形成しても良い。【０１１０】
冷却部１０４として容器１０１の内部に熱電素子を設けた。熱電素子の大きさは１４ｍｍ×１４ｍｍ×１ｍｍであった。熱電素子の最大吸熱は０．９Ｗであった。熱電素子の最大温度差は６９℃であった。熱電素子には放熱フィンを設けた。熱電素子の冷却面は、セラミックス材で被覆した。セラミックス材はその表面に微細な凹凸や多孔体構造を有するため、接触する物体を効率的に冷却できる。なお、本実施例では１箇所に熱電素子を設けたが、複数箇所に熱電素子を設けても良い。【０１１１】
電極部１０５として、容器１０１の内部にあって冷却部１０４の近傍に、ステンレス製針を設けた。電極部１０５の長さは、３ｍｍであった。電極部１０５の直径は、最も太い部分で０．７９ｍｍ、最も細い部分で０．５ｍｍであった。電極部１０５の先端には直径０．７２ｍｍの球を設け、安定して帯電微粒子化工程を行なえるようにした。電極部１０５は、ステンレス板を介して、冷却部１０４の熱電素子と接触させた。ステンレス板の大きさは、１０ｍｍ×１０ｍｍ×１ｍｍであった。ステンレス板と熱電素子とは良熱伝導性の樹脂により接触させた。【０１１２】
対向電極部１０６は、電極部１０５の先端から３ｍｍ離れたところに設けた。対向電極部１０６の形状は、外径１２ｍｍ、内径８ｍｍ、厚さ０．４７ｍｍの円環状であった。対向電極部１０６の材質はステンレスであった。【０１１３】
化学物質検出部１０７は、冷却可能な電極と、シリンジと、ガスクロマトグラフで構成した。化学物質検出部１０７の一部は、熱電素子で冷却した。熱電素子の大きさは、１４ｍｍ×１４ｍｍ×１ｍｍであった。熱電素子の最大吸熱は、０．９Ｗであった。熱電素子の最大温度差は６９℃であった。熱電素子には放熱フィンを設けた。ガスクロマトグラフはジーエルサイエンス社製のＧＣ−４０００を用いた。【０１１４】
注入口１０２および排出口１０３には、それぞれバルブ１０８ａおよびバルブ１０８ｂを設けた。バルブ１０８ａおよびバルブ１０８ｂとしてボールバルブを用いた。【０１１５】
次に呼気分析装置の操作手順を説明する。【０１１６】
注入工程では、呼気モデルガスを注入口１０２から容器１０１へ注入した。本実施例において容器１０１の容積は６．５ｍＬであって、成人の肺活量（２０００〜４０００ｃｃ程度）に比べて十分小さく、呼気モデルガスを数秒間噴き込めば、容器１０１の中は呼気モデルガスで充満されたとみなせる。【０１１７】
呼気モデルガスは、乾燥窒素ガスを水および酢酸０．３％水溶液へ導入し、バブリングして得た。乾燥窒素ガスの流量は５００ｓｃｃｍであった。呼気モデルガスの温度は２５℃であった。この呼気モデルガスを用いた理由は、（ａ）実際の呼気成分中に酢酸成分が含まれていること（非特許文献４  ２９７頁）、（ｂ）揮発性有機化合物であること、および（ｃ）本発明の呼気分析装置の効果を再現性よく定量的に評価するためには実際の呼気よりも入手し易いこと、である。【０１１８】
注入工程では、容器１０１へ呼気モデルガスを注入する前に、容器１０１の内部を乾燥窒素ガスで満たした。【０１１９】
注入工程では、余剰な呼気モデルガスは排出口１０３を通じて排出した。【０１２０】
凝縮工程では、熱電素子により電極部１０５を冷却した。電極部１０５の温度は動作前に２６℃であったが、３０秒後には１５℃まで低下した。電極部１０５の温度は、Ｋタイプの熱電対により測定した。【０１２１】
熱電素子を動作し始めて５秒後に、電極部１０５の外周面において凝縮液が形成された。初期段階では、凝縮液は直径１０μｍ以下の液滴状であった。時間の経過とともに、液滴状の凝縮液は成長して、分析に十分な液量を得た。電極部１０５での凝縮液の形成は、マイクロスコープ（ＫＥＹＥＮＣＥ社製、ＶＨ−６３００）を用いて観察した。図４は、電極部１０５の外周面に呼気凝縮液が形成された様子を表す。図４に示すように電極部１０５の外周面に凝縮液４０１が形成された。【０１２２】
帯電微粒子化工程では、凝縮液を多数の帯電微粒子にした。帯電微粒子化は、静電霧化により行なった。なお、本発明の帯電微粒子化をコロナ放電により行なってもよい。【０１２３】
帯電微粒子の直径は、帯電微粒子の安定性の観点から、２ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることが好ましい。帯電微粒子は、１個ずつ単独で存在することが好ましい。帯電微粒子は、複数個の結合体で存在しても良い。なお本発明では、微粒子化された呼気の形状は限定されない。球形であっても良いし、扁平形であっても良いし、紡錘形であっても良い。【０１２４】
電極部１０５と対向電極部１０６の間にはＤＣ５ｋＶを印加した。この時、電極部１０５を陰極、対向電極部１０６を陽極とした。電極部１０５を陽極、対向電極１０６を陰極としても同様の効果が得られるが、帯電微粒子化工程は比較的不安定であった。【０１２５】
帯電微粒子化工程では、電極部１０５の先端に、テーラーコーンと呼ばれる円錐形の水柱が形成された。その水柱の先端から、化学物質を含む多数の帯電微粒子が放出された。図５は、テーラーコーンおよび帯電微粒子の生成を説明する図である。テーラーコーン５０１を形成する凝縮液５０２は、電極部１０５の先端方向へ、順次搬送された。テーラーコーン５０１の最先端すなわち電界の集中する場所から、帯電微粒子５０３が形成された。【０１２６】
図６に、呼気凝縮液により形成したテーラーコーンを示す。呼気モデルガスを注入し始めてから７秒後に、テーラーコーン６０１が形成された。【０１２７】
帯電微粒子化工程では、電極部１０５と対向電極部１０６の間に流れる電流を計測した。過剰な電流が流れた場合には、電極部１０５と対向電極部１０６との間の電圧印加を中断または印加電圧を減少させた。【０１２８】
回収工程では、帯電微粒子を化学物質検出部１０７へ静電気力により回収した。対向電極１０６に対して化学物質検出部１０７へ＋５００Ｖの電圧を印加した。なお本発明では、印加電圧の大きさを限定されない。帯電微粒子の寿命の観点から、回収工程は帯電微粒子工程と同時に行なうことが最も好ましく、遅くとも帯電微粒子工程開始１０分後までに回収工程を行なうことが好ましい。【０１２９】
静電気力により回収された帯電微粒子は、再び冷却凝縮して液状にした。回収した帯電微粒子は、液状にすることが最も好ましいが、霧状のままでもよい。液体状にするには、帯電微粒子を冷却凝縮しても良いし、水溶液やゲルに溶解しても良い。【０１３０】
化学物質検出部１０７は、冷却可能な電極と、シリンジと、ガスクロマトグラフから構成されるが、図７は、その冷却可能な電極、すなわち第２電極部７０１の外周面において、帯電微粒子が再び冷却凝縮される様子を表す。冷却凝縮の様子は、マイクロスコープ（ＫＥＹＥＮＣＥ社製、ＶＨ−６３００）を用いて観察した。【０１３１】
図７（ａ）は、第２電極部７０１の温度を１２℃にした時の、冷却凝縮の様子を表す。第２電極部７０１の外周面に、凝縮液７０２が形成された。図７（ｂ）は、第２電極部７０１の温度を２２℃にした時の、冷却凝縮の様子を表す。第２電極部７０１の外周面に、凝縮液７０２は形成されなかった。図７（ｃ）は、第２電極部７０１の温度を−５℃にした時の、冷却凝縮の様子を表す。第２電極部７０１の外周面に、凝縮液７０２が凝結した凝結体７０３が形成された。【０１３２】
【表１】
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【０１３３】
（表１）は、第２電極部７０１の温度と、凝縮液７０２の液量の関係を表す。凝縮液７０２の液量は、６分間の回収工程により得られた量とした。なお、第２電極７０１の温度を−５℃とした時、凝縮液７０２は凝結したため、液量を０とした。第２電極部７０１の温度が０℃以下の時、凝縮液７０２は凝結した。したがって第２電極部７０１の温度は、０℃以上１８℃以下であることが好ましい。凝縮液７０２を短時間に得られるので、第２電極部７０１の温度は、０℃以上７℃以下であることがより好ましい。なお、凝結した凝縮液７０２は、加温することにより、再び液化してもよい。【０１３４】
回収工程では、第２電極部７０１の温度を１２℃にして、帯電微粒子を冷却凝縮した。得られた１μＬの凝縮液７０２をシリンジにより採取し、ガスクロマトグラフへ導入した。【０１３５】
検出工程では、ガスクロマトグラフへ導入された呼気凝縮液を分析した。図８は呼気成分すなわち酢酸を分析した例を示す。縦軸は、酢酸のガスクロマトグラムのピーク面積を表す。ピーク面積が大きいほど、酢酸の濃度が高いことを意味する。リファレンスとして０．３％の酢酸水溶液を示した（図８の左側棒グラフ）。比較のため、静電霧化を用いずに呼気を冷却凝縮しただけの例を示した（図８の中側棒グラフ）。静電霧化を用いて呼気を分析した用いた場合（図８の右側棒グラフ）には、静電霧化を用いない場合に比べて、約２倍の濃縮効果が得られた。この結果は、同じ量の呼気成分を収集するための時間が、従来装置に比べて約半分ですむことを意味しており、本発明により効率的に呼気を分析できることを示している。【０１３６】
なお、検出条件は以下のとおりであった。分析カラムにはキャピラリカラム（ＴＣ−ＦＦＡＰ，ジーエルサイエンス社製）を用いた。キャピラリカラムの内径は０．５３ｍｍ、長さは３０ｍであった。キャリアガスはヘリウムであった。オーブン温度は１６０℃とした。インジェクション温度および水素炎イオン化検出器（ＦＩＤ）温度はそれぞれ２５０℃であった。【０１３７】
検出工程の後、容器１０１から化学物質検出部１０７を取り外した。取り外された化学物質検出部１０７をメタノールにより洗浄した。【０１３８】
検出工程の後、電極部１０５に付着した化学物質を除去するため、電極部１０５を加熱した。電極部１０５を熱電素子により加熱した。熱電素子は、凝縮工程において電極部１０５を冷却した時と同一のものを用いた。電極部１０５を加熱する時、熱電素子に加える電圧の極性は、電極部１０５を冷却した時の極性と反転した。【０１３９】
電極部１０５を加熱して付着した化学物質を除去するため、電極部１０５を乾燥窒素ガスの気流に曝した。これにより迅速に電極部１０５から化学物質の除去を行なうことができた。乾燥窒素ガスは注入口１０２から導入した。【０１４０】
帯電微粒子化工程または回収工程において、化学物質検出部１０７の除電を行なった。化学物質検出部１０７を接地することにより除電した。【０１４１】
帯電微粒子化工程において、対向電極部１０６と電極部１０５の間に流れる電流をモニターした。過剰な電流が流れた時には、電極部１０５と対向電極部１０６の間の電圧印加を中断した。【０１４２】
図９は、容器１０１を設けた場合と、容器１０１を設けない場合の呼気分析の結果を示す。閉鎖可能な容器１０１を設けた場合が、容器１０１を設けない場合よりも、効率的に呼気を分析できた。従来装置を使用した場合、凝縮液を得るために１０分以上を要した。しかし本実施例では、呼気の注入開始から検出工程を含めて実質的な所要時間は約３分であった。その結果、分析に要する時間を短縮できた。【０１４３】
従来の冷却凝縮装置を用いると凝縮液収集容器の操作を伴うため、多くの時間を要する。しかし本発明によると、従来の冷却凝縮のみで呼気分析を行う場合に比べて、呼気成分を効率的に濃縮できることから、分析時間を短縮することができた。【０１４４】
（実施例２）
本実施例ではヒトの呼気を分析した。本実施例において、呼気分析装置は実施例１と同じものを用いたため、呼気分析装置の説明を省略する。【０１４５】
呼気分析装置の操作手順を次に説明する。【０１４６】
注入工程では、注入口１０２から容器１０１へ呼気を注入した。まず、呼気をサンプラーバッグ（容積１Ｌ、アルミコーティング）へ５００ｍＬ採取した。その後、呼気をサンプラーバッグから注入口１０２を通じて、容器１０１へ注入した。【０１４７】
注入工程では、容器１０１へ呼気を注入する前に、容器１０１の内部を乾燥窒素ガスで満たした。【０１４８】
注入工程では、余剰な呼気は排出口１０３を通じて排出した。【０１４９】
凝縮工程では、熱電素子により電極部１０５を冷却した。電極部１０５の温度は動作前に２６℃であったが、３０秒後には１５℃まで低下した。電極部１０５の温度測定は、Ｋタイプの熱電対で行った。【０１５０】
熱電素子動作開始５秒後に、電極部１０５の外周面において凝縮液が形成され始めた。初期段階では、凝縮液は直径１０μｍ以下の液滴状であった。時間の経過とともに、液滴状の凝縮液は成長して、分析に十分な液量を得た。【０１５１】
帯電微粒子化工程では、凝縮液を多数の帯電微粒子にした。帯電微粒子化は静電霧化で行なった。なお、前述の実施の形態１でも述べたように、静電霧化の初期段階で、コロナ放電が発生するが、本発明の帯電微粒子化工程にはこれも含めても良い。【０１５２】
帯電微粒子の直径は、帯電微粒子の安定性の観点から、２ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることが好ましい。帯電微粒子は、１個ずつ単独で存在することが好ましい。帯電微粒子は、複数個が結合体で存在しても良い。なお本発明では、微粒子化された呼気の形状を限定されない。球形であっても良いし、扁平形であっても良いし、紡錘形であっても良い。【０１５３】
電極部１０５と対向電極部１０６の間にはＤＣ５ｋＶを印加した。この時、電極部１０５を陰極、対向電極部１０６を陽極とした。電極部１０５を陽極、対向電極１０６を陰極としても同様の効果が得られるが、帯電微粒子化工程は比較的不安定であった。【０１５４】
帯電微粒子化工程では、電極部１０５の先端に、テーラーコーンと呼ばれる円錐形の水柱が形成された。その水柱の先端から、化学物質を含む多数の帯電微粒子が放出された。【０１５５】
呼気を注入し始めてから７秒後に、テーラーコーン６０１が形成された。【０１５６】
帯電微粒子化工程では、電極部１０５と対向電極部１０６の間に流れる電流を計測した。過剰な電流が流れた場合には、電極部１０５と対向電極部１０６との間の電圧印加を中断または印加電圧を減少させた。【０１５７】
回収工程では、帯電微粒子を化学物質検出部１０７へ静電気力により回収した。対向電極１０６に対して化学物質検出部１０７へ＋５００Ｖの電圧を印加した。なお本発明では、印加電圧の大きさは限定されない。帯電微粒子の寿命の観点から、回収工程は帯電微粒子工程と同時に行なうことが最も好ましく、遅くとも帯電微粒子工程開始１０分後までに回収工程を行なうことが好ましい。【０１５８】
静電気力により回収された帯電微粒子は、再び冷却凝縮して液状にした。なお、回収した帯電微粒子は、液状にすることが最も好ましいが、霧状のままでもよい。液体状にするには、帯電微粒子を冷却凝縮しても良いし、水溶液やゲルに溶解しても良い。【０１５９】
回収工程では、第２電極部７０１の温度を１２℃にして、帯電微粒子を冷却凝縮した。得られた１μＬの凝縮液７０２をシリンジにより採取し、ガスクロマトグラフへ導入した。【０１６０】
検出工程では、ガスクロマトグラフへ導入された呼気凝縮液を分析した。図１０は呼気を分析した例を示す。呼気中に含まれる揮発性有機化合物を検出した。【０１６１】
なお、検出条件は以下のとおりであった。分析カラムにはキャピラリカラム（ＴＣ−ＦＦＡＰ，ジーエルサイエンス社製）を用いた。キャピラリカラムの内径は０．５３ｍｍ、長さは３０ｍであった。キャリアガスはヘリウムであった。オーブン温度は１６０℃とした。インジェクション温度および水素炎イオン化検出器（ＦＩＤ）温度はそれぞれ２５０℃であった。【０１６２】
呼気の注入開始から検出工程を含めて実質的な所要時間は約３分であった。本発明によると、短時間かつ簡便にヒトの呼気の分析ができた。【０１６３】
（実施例３）
容器１０１は、厚み４ｍｍのアルミ板により作製した。容器１０１は、３４ｍｍ×３４ｍｍ×２０ｍｍの直方体とした。【０１６４】
注入口１０２は、容器１０１の一端に、外径３．１７ｍｍ、長さ５０ｍｍのステンレス管を接続することにより形成した。【０１６５】
排出口１０３は、容器１０１の他端に、外径３．１７ｍｍ、長さ５０ｍｍのステンレス管を接続することにより形成した。【０１６６】
冷却部１０４として熱電素子を容器１０１の内部に設けた。熱電素子の大きさは１４ｍｍ×１４ｍｍ×１ｍｍであった。熱電素子の最大吸熱は０．９Ｗであった。熱電素子の最大温度差は６９℃であった。熱電素子には放熱フィンを設けた。熱電素子の冷却面は、セラミックス材で被覆した。セラミックス材はその表面に微細な凹凸や多孔体構造を有するため、接触する物体を効率的に冷却することができる。なお、本実施例では１箇所に熱電素子を設けたが複数箇所に熱電素子を設けても良い。【０１６７】
電極部１０５として、容器１０１の内部にあって冷却部１０４の近傍に、ステンレス製針を設けた。電極部１０５の長さは、３ｍｍであった。電極部１０５の直径は、最も太い部分で０．７９ｍｍ、最も細い部分で０．５ｍｍであった。電極部１０５の先端には直径０．７２ｍｍの球を設け、安定して帯電微粒子化工程を行なえるようにした。電極部１０５は、ステンレス板を介して、冷却部１０４の熱電素子と接触させた。ステンレス板の大きさは、１０ｍｍ×１０ｍｍ×１ｍｍであった。なお、ステンレス板と熱電素子とは良熱伝導性の樹脂で接触させた。【０１６８】
対向電極部１０６は、電極部１０５の先端から３ｍｍ離れたところに設けた。対向電極部１０６の形状は、外径１２ｍｍ、内径８ｍｍ、厚さ０．４７ｍｍの円環状であった。対抗電極部１０６の材質はステンレスであった。【０１６９】
化学物質検出部１０７は、冷却可能な電極と、シリンジと、ガスクロマトグラフで構成した。化学物質検出部１０７の一部は、熱電素子で冷却した。熱電素子の大きさは、１４ｍｍ×１４ｍｍ×１ｍｍであった。熱電素子の最大吸熱は、０．９Ｗであった。熱電素子の最大温度差は６９℃であった。熱電素子には放熱フィンを設けた。ガスクロマトグラフはジーエルサイエンス社製のＧＣ−４０００を用いた。【０１７０】
注入口１０２および排出口１０３には、それぞれバルブ１０８ａおよびバルブ１０８ｂを設けた。バルブ１０８ａおよびバルブ１０８ｂとしてボールバルブを用いた。【０１７１】
次に呼気分析装置の操作手順を説明する。【０１７２】
注入工程では、呼気モデルガスを注入口１０２から容器１０１へ注入した。本実施例において容器１０１の容積は６．５ｍＬであって、成人の肺活量（２０００〜４０００ｃｃ程度）に比べて十分小さく、呼気モデルガスを数秒間吹き込めば、容器１０１の中は呼気モデルガスで充満されたとみなすことができる。【０１７３】
呼気モデルガスは、乾燥窒素ガスを水および有機溶液（酢酸（分子量６０．０５）、２−プロパノール（分子量６０．１０）、キシレン（分子量１０６．１７）、サリチル酸メチル（分子量１５２．１５）、メントール（分子量１５６．２７））へ導入し、バブリングして得た。乾燥窒素ガスの流量は５００ｓｃｃｍであった。なお、上記の有機溶液はいずれも揮発性有機化合物である。【０１７４】
注入工程では、容器１０１へ呼気モデルガスを注入する前に、容器１０１の内部を乾燥窒素ガスで満たした。【０１７５】
注入工程では、余剰な呼気モデルガスは排出口１０３を通じて排出した。【０１７６】
凝縮工程では、熱電素子により電極部１０５を冷却した。電極部１０５の温度は動作前に２６℃であったが、３０秒後には１５℃まで低下した。電極部１０５の温度は、Ｋタイプの熱電対により測定した。【０１７７】
熱電素子を動作し始めて５秒後に、電極部１０５の外周面において凝縮液が形成された。めた。初期段階では、凝縮液は直径１０μｍ以下の液滴状であった。時間の経過とともに、液滴状の凝縮液は成長して、分析に十分な液量を得た。【０１７８】
帯電微粒子化工程では、凝縮液を多数の帯電微粒子にした。帯電微粒子化は、静電霧化により行なった。なお、本発明の帯電微粒子化をコロナ放電により行なってもよい。【０１７９】
帯電微粒子の直径は、帯電微粒子の安定性の観点から、２ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることが好ましい。帯電微粒子は、１個ずつ単独で存在することが好ましい。帯電微粒子は、複数個が結合体で存在しても良い。なお本発明では、微粒子化された呼気の形状を限定されない。球形であっても良いし、扁平形であっても良いし、紡錘形であっても良い。【０１８０】
電極部１０５と対向電極部１０６の間にはＤＣ５ｋＶを印加した。この時、電極部１０５を陰極、対向電極部１０６を陽極とした。電極部１０５を陽極、対向電極１０６を陰極としても同様の効果が得られるが、帯電微粒子化工程は比較的不安定であった。【０１８１】
帯電微粒子化工程では、電極部１０５の先端に、テーラーコーンと呼ばれる円錐形の水柱が形成された。その水柱の先端から、化学物質を含む多数の帯電微粒子が放出された。【０１８２】
呼気モデルガスを注入し始めてから７秒後に、テーラーコーン６０１が形成された。【０１８３】
帯電微粒子化工程では、電極部１０５と対向電極部１０６の間に流れる電流を計測した。過剰な電流が流れた場合には、電極部１０５と対向電極部１０６との間の電圧印加を中断または印加電圧を減少させた。【０１８４】
回収工程では、帯電微粒子を化学物質検出部１０７へ静電気力により回収した。対向電極１０６に対して化学物質検出部１０７へ＋５００Ｖの電圧を印加した。なお本発明では、印加電圧の大きさは限定されない。帯電微粒子の寿命の観点から、回収工程は帯電微粒子工程と同時に行なうことが最も好ましく、遅くとも帯電微粒子工程開始１０分後までに回収工程を行なうことが好ましい。【０１８５】
静電気力により回収された帯電微粒子は、再び冷却凝縮して液状にした。なお、回収した帯電微粒子は、液状にすることが最も好ましいが、霧状のままでもよい。液体状にするには、帯電微粒子を冷却凝縮しても良いし、水溶液やゲルに溶解しても良い。【０１８６】
回収工程では、第２電極部７０１の温度を１２℃にして、帯電微粒子を冷却凝縮した。得られた１μＬの凝縮液７０２をシリンジにより採取し、ガスクロマトグラフへ導入した。【０１８７】
検出工程では、ガスクロマトグラフへ導入された呼気凝縮液を分析した。【０１８８】
【表２】
2009057256.tif 000004
【０１８９】
（表２）は、揮発性有機化合物、すなわち酢酸、２−プロパノール、キシレン、サリチル酸メチル、メントールおよびスクラレオールを分析した例を表す。（表２）において、濃縮比とは、単位体積あたりの呼気モデルガスに含まれる揮発成分の濃度に対する、凝縮液７０２に含まれる揮発成分の濃度の比である。【０１９０】
（表２）に示すように、いずれの揮発性有機化合物についても濃縮効果が得られ、効率的に呼気を分析できることを示している。揮発性有機化合物の分子量は、１２以上５００以下が好ましく、３０以上３００以下がより好ましい。【０１９１】
なお、検出条件は以下のとおりであった。分析カラムにはキャピラリカラム（ＩＮＥＲＴＣＡＰ  ＰＵＲＥ  ＷＡＸ、ジーエルサイエンス社製）を用いた。キャピラリカラムの内径は０．２５ｍｍ、長さは３０ｍであった。キャリアガスはヘリウムであった。オーブン温度は１６０℃とした。インジェクション温度および水素炎イオン化検出器（ＦＩＤ）温度はそれぞれ２５０℃であった。【０１９２】
本実施例において、揮発性有機化合物を容易に濃縮できることを示した。この結果から、本発明によれば、短時間かつ簡便に呼気分析ができる。【０１９３】
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施の形態が明らかである。したがって、上記説明は例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造および／または機能の詳細を実質的に変更できる。
【産業上の利用可能性】
【０１９４】
本発明にかかる呼気分析方法は、短時間で簡便な測定が可能な呼気分析装置へ適用可能であり、呼気診断装置、ストレス計測器などの医療分野、ヘルスケア分野などへ利用することができる。
【図１】
2009057256.tif 000005
【図２】
2009057256.tif 000006
【図３】
2009057256.tif 000007
【図４】
2009057256.tif 000008
【図５】
2009057256.tif 000009
【図６】
2009057256.tif 000010
【図７】
2009057256.tif 000011
【図８】
2009057256.tif 000012
【図９】
2009057256.tif 000013
【図１０】
2009057256.tif 000014
【図１１】
2009057256.tif 000015
【図１２】
2009057256.tif 000016
【手続補正書】
【提出日】平成20年12月9日(2008.12.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
呼気分析装置を用いて呼気を分析する方法であって、
前記呼気分析装置は、
容器と、
前記容器の一端に設けられた呼気の注入口と、
前記容器の他端に設けられた呼気の排出口と、
前記容器の内部に設けられた冷却部と、
前記冷却部の近傍に設けられた電極部と、
前記容器の内部に設けられた対向電極部と、
前記対向電極の近傍に設けられた化学物質検出部を備え、
前記呼気は水蒸気と揮発性有機化合物を含み、
前記方法は、
前記呼気を前記注入口から前記容器へ注入する注入工程と、
前記冷却部により前記電極部を冷却して前記電極部の外周面に前記呼気を凝縮する凝縮工程と、
凝縮された前記呼気を帯電微粒子化する帯電微粒子化工程と、
前記帯電微粒子を前記化学物質検出部へ静電気力により回収する回収工程と、
回収された前記帯電微粒子に含まれる揮発性有機化合物を検出する検出工程と
を包含する呼気分析方法。
【請求項２】
前記揮発性有機化合物の分子量は、１５以上５００以下であることを特徴とする請求項１に記載の呼気分析方法
【請求項３】
前記容器は、閉鎖可能であることを特徴とする請求項１に記載の呼気分析方法。
【請求項４】
前記冷却部は、熱電素子であることを特徴とする請求項１に記載の呼気分析方法。
【請求項５】
前記電極部は、前記冷却部により水蒸気の結露点以下に冷却されることを特徴とする請求項１に記載の呼気分析方法。
【請求項６】
前記電極部と前記冷却部とは、直接または熱伝導体を介して接触していることを特徴とする請求項１に記載の呼気分析方法。
【請求項７】
前記電極部は陰極、前記対向電極部は陽極であることを特徴とする請求項１に記載の呼気分析方法。
【請求項８】
前記帯電微粒子は水および呼気成分を含むことを特徴とする請求項１に記載の呼気分析方法。
【請求項９】
前記化学物質検出部は、前記帯電微粒子により帯電する電荷を除去する機構を有することを特徴とする請求項１に記載の呼気分析方法。
【請求項１０】
前記化学物質検出部は、接地されることを特徴とする請求項１に記載の呼気分析方法。
【請求項１１】
前記化学物質検出部は前記容器から分離可能であることを特徴とする請求項１に記載の呼気分析方法。
【請求項１２】
前記帯電微粒子化工程は、静電霧化であることを特徴とする請求項１に記載の呼気分析方法。
【請求項１３】
前記帯電微粒子化工程において、前記電極部と前記対向電極部の間を流れる電流に応じて、前記電極部と前記対向電極部との間の電圧印加を制御することを特徴とする請求項１に記載の呼気分析方法。
【請求項１４】
前記回収工程において、前記対向電極に対して前記化学物質検出部へ電圧を印加することを特徴とする請求項１に記載の呼気分析方法。
【請求項１５】
前記電極部に付着した化学物質を除去するには、前記電極部を加熱することを特徴とする請求項１に記載の呼気分析方法。
【請求項１６】
前記電極部を加熱して化学物質を除去するには、前記熱電素子を用いることを特徴とする請求項１または請求項１４に記載の呼気分析方法。
【請求項１７】
前記電極部に付着した化学物質を、前記呼気以外の気体の気流により除去することを特徴とする請求項１に記載の呼気分析方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、呼気中に含まれる種々の成分を静電霧化によって濃縮して分析する呼気分析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
呼気中には水、窒素、酸素、二酸化炭素のほか、代謝成分や揮発性有機化合物、揮発性硫黄化合物などの微量成分が含まれる。例えば、アルコール、ケトン、アルデヒド、アミン、芳香族炭化水素、脂肪酸、イソプレン、メルカプタン等やそれらの誘導体などである。
【０００３】
この呼気中に含まれる微量成分と疾病の間に何らかの関連があると考えられている。疾病と呼気中の成分に相関関係があるとの研究成果も公表されている（非特許文献１、非特許文献２、非特許文献３、非特許文献４）。血液検査と異なり被験者に身体的、精神的な苦痛を与えることなく検査できるため、診断、術後経過の観察、治療方針の決定など医療分野への応用が期待されている。
【０００４】
しかし、疾病との関連性を示唆されている呼気成分の濃度は、通常ｐｐｍからｐｐｔのオーダーであって、極めて微量である（非特許文献４）。
【０００５】
そのため従来の呼気分析装置では、呼気を冷却凝縮する方法や、呼気成分をトラップ剤へ捕捉／濃縮する方法などの公知技術によって、効率よく分析するという手法が採用されていた。
【０００６】
例えば呼気を冷却凝縮する方法として、熱電素子を使った方法がよく知られている（特許文献１）。図１１は特許文献１で記載されている呼気冷却凝縮装置を示す。
【０００７】
呼気冷却凝縮装置では、被験者が吹き込んだ呼気を冷却しその凝縮液を採取する。呼気冷却凝縮装置は、呼気通過管９１１、凝縮液収集容器９０４、および熱電素子９０３を備えている。熱電素子９０３と凝縮液収集容器９０４とは熱伝体９０２によって接続されている。呼気通過管９１１と凝縮液収集容器９０４とは着脱自在に固定されている。呼気通過管９１１には一方弁が２つ設けられた逆流防止具９０８が設けられ、且つ吹き込んだ呼気の量を測定する流量計９１６が設けられている。
【０００８】
図１１に示した呼気冷却凝縮装置は、分析に必要な量の凝縮液を得るまでに時間を要するものの、比較的簡便に装置を扱うことができるため、一般的に用いられている装置の一つである。
【０００９】
また別の手法として、静電噴霧を用いた濃縮方法の例が特許文献２によって開示されている。これは、不揮発性の希薄生体分子溶液を静電噴霧することで、ミスト中の溶媒を気化し濃縮を行なう方法であり、呼気中に含まれる不揮発性成分の濃縮にも利用できる。図１２に特許文献２で記載されている生体分子溶液の濃縮手段を示す。
【００１０】
図１２に示す静電噴霧装置によって、巨大生体分子を含む不揮発性物質の堆積物が得られる。この堆積物は、不揮発性物質の堆積物の他の物質への相互作用を測定するために使用される。なお、特許文献２では、生体分子の静電噴霧法による堆積は、希薄生体分子溶液の微量濃縮の手段として利用できることも開示されている。
【非特許文献１】ＴＨＥ  ＬＡＮＣＥＴ  ３５３巻  ｐｐ．１９３０−１９３３（１９９９）
【非特許文献２】ＡＮＡＬＹＴＩＣＡＬ  ＢＩＯＣＨＥＭＩＳＴＲＹ  ２４７巻  ｐｐ．２７２−２７８  （１９９７）
【非特許文献３】Ｔｈｅ  Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｃａｒｄｉｏｌｏｇｙ  ｐｐ．１５９３−１５９４  （２００４）
【非特許文献４】Ｒｅｓｐｉｒａｔｏｒｙ  Ｐｈｙｓｉｏｌｏｇｙ＆Ｎｅｕｒｏｂｉｏｌｏｇｙ  １４５巻  ｐｐ．２９５−３００（２００５）
【特許文献１】特開２００４−３６１１６０公報（第６頁、図１）
【特許文献２】特表２００２−５１１７９２公報（第３１頁第１２〜１３行目、第７８頁、図９）
【特許文献３】米国特許出願公開第２００４／０２１０１５４号明細書（特に００５４段落）
【特許文献４】特開２００７−０３３３８８号公報（特に０００２〜０００５段落）
【特許文献５】特許第３９５２０５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献１および特許文献２に記載の従来装置はいずれも、凝縮液蓄積容器（図１１中の凝縮液収集容器９０４および図１２中の液体容器１００５）を有しており、その中に多量の呼気凝縮液を蓄積しなければならなかった。
【００１２】
すなわち特許文献１に記載の例では、容量が２０ｍＬ〜２００ｍＬの凝縮液収集容器９０４を冷却し、容器側壁に凝縮した液滴を容器底部へ落下させ蓄積していた。
【００１３】
また、特許文献２に記載の例では、容器の中の液体へ電圧を印加するために、電極が液体に十分浸るまで、容器を多量の呼気凝縮液で満たさなければならなかった。
【００１４】
このように多量の呼気凝縮液を得るためには、かなりの時間を要するという課題を有していた。そのため、例えば緊急を要する救急患者に対して迅速な呼気分析が困難であった。
【００１５】
それに加えて多量の呼気凝縮液を得るには、呼気を大量に収集しなければならないという課題もあった。そのため、患者、高齢者、乳幼児など健常人に比べて体力的な面で利用者にとって、身体的、精神的負担も大きかった。
【００１６】
本発明は、前記従来の課題を解決し、短時間かつ簡便に呼気凝縮液を生成し、呼気を分析する方法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】
【００１７】
前記従来の課題を解決する本発明は、呼気分析装置を用いて呼気を分析する方法であって、前記呼気分析装置は、容器と、前記容器の一端に設けられた呼気の注入口と、前記容器の他端に設けられた呼気の排出口と、前記容器の内部に設けられた冷却部と、前記冷却部の近傍に設けられた電極部と、前記容器の内部に設けられた対向電極部と、前記対向電極の近傍に設けられた化学物質検出部を備え、前記呼気は水蒸気と揮発性有機化合物を含み、前記方法は、前記呼気を前記注入口から前記容器へ注入する注入工程と、前記冷却部により前記電極部を冷却して前記電極部の外周面に前記呼気を凝縮する凝縮工程と、凝縮された前記呼気を帯電微粒子化する帯電微粒子化工程と、前記帯電微粒子を前記化学物質検出部へ静電気力により回収する回収工程と、回収された前記帯電微粒子に含まれる揮発性有機化合物を検出する検出工程とを包含する。
【００１８】
本発明において、前記揮発性有機化合物の分子量は１５以上５００以下であることが好ましい。
【００１９】
本発明において、前記容器は閉鎖可能であることが好ましい。
【００２０】
本発明において、前記冷却部は熱電素子であることが好ましい。
【００２１】
本発明において、前記電極部は前記冷却部により水蒸気の結露点以下に冷却されることが好ましい。
【００２２】
本発明において、前記電極部と前記冷却部とは、直接または熱伝導体を介して接触していることが好ましい。
【００２３】
本発明において、前記電極部は陰極、前記対向電極部は陽極であることが好ましい。
【００２４】
本発明において、前記帯電微粒子は水および呼気成分を含むことが好ましい。
【００２５】
本発明において、前記化学物質検出部は前記帯電微粒子により帯電する電荷を除去する機構を有することが好ましい。
【００２６】
本発明において、前記化学物質検出部は接地されることが好ましい。
【００２７】
本発明において、前記化学物質検出部は前記容器から分離可能であることが好ましい。
【００２８】
本発明において、前記帯電微粒子化工程は静電霧化であることが好ましい。
【００２９】
本発明において、前記帯電微粒子化工程において、前記電極部と前記対向電極部の間を流れる電流に応じて、前記電極部と前記対向電極部との間の電圧印加を制御することが好ましい。
【００３０】
本発明において、前記回収工程において、前記対向電極に対して前記化学物質検出部へ電圧を印加することが好ましい。
【００３１】
本発明において、前記電極部に付着した化学物質を除去するには、前記電極部を加熱することが好ましい。
【００３２】
本発明において、前記電極部を加熱して化学物質を除去するには、前記熱電素子を用いることが好ましい。
【００３３】
本発明において、前記電極部に付着した化学物質を、前記呼気以外の気体の気流により除去することが好ましい。
【００３４】
本発明の上記目的、他の目的、特徴および利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。
【発明の効果】
【００３５】
本発明の呼気分析方法によれば、短時間で、冷却した電極部の外周面に呼気凝縮液を生成できる。また効率的に呼気成分を化学物質検出部へ捕集することができる。その結果として、分析に要する時間を大幅に短縮できるという効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００３７】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における呼気分析装置の模式図である。
【００３８】
本実施の形態において、呼気分析装置１００は以下の構成からなる。
【００３９】
容器１０１は隔壁によって外部と仕切られる。隔壁を通じて外部との物質の出入りは行なわれない。容器１０１の形状は、直方体でも良いし、多面体、紡錘形、球形、流路状でも良い。容器１０１の容積は、呼気の総流入量に比べて十分小さいことが好ましい。たとえば呼気の総流入量が３００ｃｃの場合には、容器の容積は６ｃｃ以下が好ましい。容器１０１の材料は、吸着ガスや内蔵ガスの少ないものが望ましい。
【００４０】
容器１０１の材料は、ステンレス、アルミ、銅などの金属類でも良いし、石英ガラス、ホウ珪酸ガラス、窒化シリコン、アルミナ、シリコンカーバイドなど無機物でも良いし、表面に二酸化シリコン、窒化シリコン、酸化タンタルなどの絶縁体薄膜が形成されたシリコン基板を用いても良い。またはこれらを２種類以上組み合わせても良い。
【００４１】
容器１０１の材料は、アクリル樹脂やポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエステル、フッ素樹脂、ＰＤＭＳなどが好ましい。容器１０１の材料がプラスチックである場合、容器１０１の内壁には金属薄膜をコーティングすることがより好ましい。金属薄膜としてはアルミ薄膜が安価でガスバリア性に優れるため最も好ましいが、他の金属薄膜でも良い。またはこれらを２種類以上組み合わせても良い。なお、容器１０１は、堅固であることが好ましいが、エアーバック、バルーン、フレキシブルチューブ、シリンジなどのように柔軟もしくは可動性があっても良い。
【００４２】
注入口１０２は容器１０１の一端に設けられている。注入口１０２は容器１０１へ呼気を注入するために用いられる。注入口１０２を設ける位置については、呼気が容器１０１の内部へすみやかに注入される場所であれば、どこでも良い。たとえば容器１０１が直方体の場合には、注入口１０２は角部よりも面中央部に位置することが好ましい。なお本発明では、注入口１０２の形状、寸法、材料は限定されない。注入口１０２は、図１に示すように一本の管状であっても良いし、途中に分岐を有していても良い。さらに注入口１０２は、一箇所であっても良いし、複数箇所でも良い。
【００４３】
排出口１０３は、容器１０１の他端に設けられている。排出口１０３は、容器１０１から余剰な呼気を排出するために用いられる。排出口１０３を設ける位置は、余剰な呼気を容器１０１から排出できる場所であれば良い。なお本発明では、排出口１０３の形状、寸法、材料は限定されない。排出口１０３の形状は図１に示すように直管状であっても良いし、途中に分岐を設けても良い。さらに排出口１０３は一箇所であっても良いし、複数箇所でも良い。
【００４４】
冷却部１０４は、容器１０１の内部に設けられている。冷却部１０４を設けることにより、水蒸気の結露点以下まで冷却できるため、水蒸気および揮発性有機化合物を凝縮することができる。冷却部１０４は、熱電素子であることが最も好ましい。また、冷却部１０４は、水のような冷媒を使ったヒートパイプでも良いし、空気熱交換素子でも良いし、冷却ファンでも良い。効率よく呼気を冷却するために、冷却部１０４の表面積を大きくしても良いし、冷却部１０４の表面に凹凸加工を施しても良いし、冷却部１０４の表面に多孔体を設けても良い。冷却部１０４の位置は、容器１０１の底部であることが最も好ましい。冷却部１０４の位置は、側部や天井部でも良いし、これらを組み合わせて複数の冷却部１０４を設けても良い。
【００４５】
本発明の実施の形態において、冷却部１０４として熱電素子を用いる場合、熱電素子の放熱部には放熱フィンを設けても良い。あるいは熱電素子の放熱部を水冷しても良いし、空冷しても良いし、別の熱電素子で冷却しても良いし、他の冷却方法を用いても良い。またこれらを２種類以上組み合わせても良い。
【００４６】
電極部１０５は、容器１０１の内部にあって冷却部１０４の近傍に設けられている。電極部１０５は、冷却部１０４に直接接触していても良いし、熱伝導性シート、熱伝導性樹脂、金属板、グリースなど熱伝導体を介して接触させても良い。
【００４７】
電極部１０５は、冷却部１０４によって水蒸気の結露点以下に冷却されることが好ましい。一般に呼気は温度３４℃、湿度９５％と言われる。呼気中の水蒸気および揮発性有機化合物を結露させるために、電極部１０５の温度は、０℃以上３０℃以下であることが好ましい。電極部１０５の温度は、０℃以上１５℃以下であることがより好ましい。電極部１０５の温度は、電極部１０５の全体にわたり均一であることが好ましいが、異なっていてもよい。
【００４８】
電極部１０５の材料は、金属であることが最も好ましい。電極部１０５の材料は、シリコン、カーボンナノチューブでも良いし、グラファイト、フラーレン、ナノコーン、カーボンペースト、グラッシーカーボンなどの炭素材料でも良いし、ＰＥＤＯＴ；ＰＳＳ、ペンタセン、ポリアニリン、ポリアセチレン、ポリピロールなどの有機導電ポリマーでも良い。さらに、酸化錫（ＩＴＯ）、ポリシリコンなどの無機導電性材料でも良いし、有機銀のような有機金属でも良いし、エミッターとして用いられる他の材料であっても良い。
【００４９】
電極部１０５は、１つでも良いし、複数あっても良い。電極部１０５は、直線的に一次元に配列しても良い。電極１０５は、円周状、放物線状、楕円周状、正方格子状、斜方格子状、最密充填格子状、放射状、ランダム状などのように二次元に配列しても良い。電極部１０５は球面状、放物曲面状、楕円曲面状などのように三次元に配列しても良い。
【００５０】
電極部１０５の形状は、針状であることが好ましい。速やかに水蒸気の結露点以下へ電極部１０５を冷却するために、電極部１０５の長さは、３ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることが好ましい。電極部１０５の材料は、良熱伝導材料が好ましく、金属であることが最も好ましい。具体的にはステンレス、銅、真鍮、アルミ、ニッケル、タングステンなどの単体金属でも良いし、これらを二種類以上組み合わせた合金や金属間化合物であっても良い。さらにこれらの電極部１０５の表面を金、白金、アルミなどの金属薄膜で被覆しても良い。
【００５１】
対向電極部１０６は、電極部１０５に相対するように設けられている。対向電極部１０６の形状は、円環状であることが最も好ましい。対向電極部１０６の形状は、長方形、台形など多角形でも良い。対向電極部１０６の材料は、金属であることが好ましい。具体的にはステンレス、銅、真鍮、アルミ、ニッケル、タングステンなどの単体金属でも良いし、これらを二種類以上組み合わせた合金や金属間化合物であっても良い。さらにこれらの電極部１０５の表面を金、白金、アルミなどの金属薄膜で被覆しても良い。
【００５２】
電極部１０５は陰極であって、かつ対向電極部１０６は陽極であることが好ましい。電極部１０５と対向電極部１０６の間に印加する電圧は、固定値であっても良いし、可変値でも良い。可変値は帯電微粒子化の状況に応じて制御されることが好ましい。帯電微粒子化の状況は、電極部１０５と対向電極１０６の間を流れる電流値でモニターしても良いし、電極部１０５と化学物質検出部１０７の間を流れる電流値でモニターしても良いし、専用電極対を設けて電流値をモニターしても良い。
【００５３】
化学物質検出部１０７は、対向電極部１０６の近傍に設けられている。化学物質検出部１０７は、ガスクロマトグラフでも良いし、他の化学物質検出器を用いても良い。例えば、ＭＯＳＦＥＴ（金属―酸化物―半導体電界効果トランジスタ）、ＩＳＦＥＴ（イオン感応型電界効果トランジスタ），バイポーラトランジスタ、有機薄膜トランジスタ、オプトード、金属酸化物半導体センサ、水晶マイクロバランス（ＱＣＭ）、表面弾性波（ＳＡＷ）素子、固体電解質ガスセンサ、電気化学電池センサ、表面波プラズモン共鳴（ＳＰＲ）、ラングミュアブロジェット膜（ＬＢ膜）センサなどのセンサでも良い。化学物質検出部１０７は、高速液体クロマトグラフ、質量分析装置、核磁気共鳴装置などでも良い。化学物質検出部１０７は、図１に示すように１箇所でも良いし、複数箇所でも良い。さらに複数の化学物質検出部を設ける場合、同一種類でもよいし複数種類でも良い。
【００５４】
本発明の実施の形態において、化学物質検出部１０７は、化学物質に対して選択的に感応する電界効果トランジスタを用いても良い。電界効果トランジスタは、シリコンやガリウムヒ素、カーボンナノチューブ、シリコンナノワイヤなどの無機半導体材料を用いて作製しても良い。電界効果トランジスタは、ペンタセン、ポリチオフェン、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳなどの有機半導体材料を用いて作製しても良い。有機半導体材料を用いて有機電気化学トランジスタを作製しても良い。なお本発明では、電界効果トランジスタの材料、寸法、数、製造方法は限定されない。
【００５５】
化学物質検出部１０７は、除電されることが好ましい。たとえば呼気が負に帯電している場合、化学物質検出部１０７は負に帯電する。この帯電量が過剰になるとき、化学物質検出部１０７の動作に多大な影響を及ぼすため、除電できるようにすることが好ましい。なお、除電は、常時行なっても良いし、適宜行なっても良い。
【００５６】
化学物質検出部１０７は、接地することにより除電することが好ましい。化学物質検出部１０７は、イオナイザーにより除電することが好ましい。
【００５７】
化学物質検出部１０７は、容器１０１から分離可能であることが好ましい。化学物質検出部１０７を分離した後、化学物質検出部１０７を洗浄することが好ましい。化学物質検出部１０７をディスポーザブルにしても良い。なぜなら、前回の測定履歴を気にすることなく清浄な状態で化学物質を検出できるためである。
【００５８】
注入口１０２および排出口１０３には、バルブ１０８ａおよびバルブ１０８ｂが設けられていることが好ましい。これらのバルブ１０８ａおよび１０８ｂにより、容器１０１を閉鎖可能にすることが好ましい。なお本発明では、バルブ１０８ａおよび１０８ｂの材料、位置、種類は限定されない。さらに、注入口１０２および排出口１０３のコンダクタンスが小さくしても良い。
【００５９】
本発明の実施の形態において、注入口１０２および排出口１０３には、呼気の流れを制御する制御弁を設けても良い。制御弁は、逆止弁でも良いし、ストップバルブでも良い。
【００６０】
本発明の実施の形態において、注入口１０２および排出口１０３には、呼気の流量を計測する計測器を設けても良い。計測器は積算流量計でも良いし、マスフローメータでも良いし、他の流量計測器でも良い。
【００６１】
図２は、本発明の実施の形態１における呼気分析装置の動作を示す説明図である。図２において、図１と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
【００６２】
注入工程では、水蒸気２０１と呼気成分２０２ａ、２０２ｂからなる呼気２０３が、注入口１０２を通じて、容器１０１へ注入される。図２（ａ）は注入工程を表す。容器１０１の内部が呼気２０３によって満たされたかどうかを判別するには、化学物質検出部１０７を用いても良いし、化学物質検出部１０７とは別の化学物質検出部を用いても良い。化学物質検出部１０７は一つでも良いし、複数でも良い。
【００６３】
注入工程では、注入口１０２側から加圧して注入することが好ましいが、排出口１０３側を減圧して注入しても良い。
【００６４】
注入工程では、注入口１０２側を加圧する場合、ダイアフラムポンプやペリスタティックポンプやシリンジポンプなど電動ポンプを用いて注入しても良いし、シリンジやスポイドを使って手動で注入しても良いし、吐息でそのまま注入しても良い。
【００６５】
注入工程では、排出口１０３側を減圧する場合、ダイアフラムポンプやペリスタティックポンプやシリンジポンプなど電動ポンプにより注入しても良いし、シリンジにより手動で注入しても良い。
【００６６】
注入工程では、呼気２０３を容器１０１へ注入する前に、容器１０１の内部を清浄な空気で満たすことが好ましい。容器１０１の内部を、乾燥窒素やその他の不活性ガスでみたしても良いし、呼気と同程度の湿度を有する標準ガスや、較正用ガスで満たしても良い。
【００６７】
注入工程では、余剰な呼気２０３は排出口１０３から排出される。簡便のため図２（ａ）において呼気成分２０２ａ、２０２ｂは２種類だけ記載しているが、一般的に２種類以上の成分を含む。
【００６８】
凝縮工程では、冷却部１０４により、電極部１０５が水蒸気の結露点以下に冷却される。その結果、電極部１０５の外周面において、呼気中の水蒸気やその他の呼気成分２０２ａ、２０２ｂを含む凝縮液２０４が形成される。図２（ｂ）および図２（ｃ）は凝縮工程を表す。図２（ｂ）は凝縮工程の初期段階を表す。図２（ｂ）は、電極部１０５の外周面における凝縮液２０４の形成を表している。図２（ｃ）は、凝縮工程の進行段階を表す。図２（ｃ）は、電極部１０５の外周面における凝縮液２０４による被覆を表す。
【００６９】
なお、凝縮工程では、凝縮液２０４の量が過剰にならないよう、冷却部１０４の温度を制御することが好ましい。
【００７０】
帯電微粒子化工程では、凝縮液２０４から多数の帯電微粒子２０５を形成する。図２（ｄ）は帯電微粒子化工程を表す。帯電微粒子の形態は、分子１個〜数十個からなるクラスタであっても良いし、分子数十〜数百個からなる微粒子であっても良いし、数百個以上からなる液滴であっても良い。またはこれらの２種類以上が混在していても良い。
【００７１】
帯電微粒子には、電気的に中性な分子の他に、呼気成分分子由来のイオンまたはラジカルが含まれていても良い。またはこれらが混在していても良い。帯電微粒子は、マイナスに荷電していることがより好ましいが、プラスに荷電していても良い。
【００７２】
帯電微粒子は、水および呼気成分を含んでいることが好ましい。帯電微粒子中の水と呼気成分の比率は、呼気と同じでも良いし、異なっていても良い。
【００７３】
帯電微粒子化工程では、帯電微粒子化するために静電霧化を用いることが好ましい。静電霧化の原理は次のとおりである。電極部１０５と対向電極部１０６の間に印加された電圧によって、電極部１０５先端へ凝縮液２０４が搬送される。クーロン引力により、対向電極部１０６に向かって、凝縮液２０４の液面が円錐状に盛り上がる。さらに凝縮が進んだ時、凝縮液先端における電荷の集中により、クーロン力が増大する。クーロン力が水の表面張力を超える時、凝縮液２０４が分裂、飛散して、帯電微粒子を形成する。
【００７４】
なお、静電霧化を行う際、コロナ放電が発生することがある。呼気中の相対湿度が低い場合や、電極部１０５の外周面に十分凝縮液が生成されていない場合である。コロナ放電は帯電微粒子化工程に含めても良い。
【００７５】
帯電微粒子化工程では、電極部１０５と対向電極部１０６の間を流れる電流に応じて、電極部１０５と対向電極部１０６との間の電圧印加を制御することが好ましい。例えば、帯電微粒子の過剰生成やコロナ放電などが原因で、電極部１０５と対向電極部１０６の間に過剰な電流が流れる時、電極部１０５と対向電極部１０６との間の電圧印加を一旦中断することが好ましい。電極部１０５と対向電極部１０６との間の印加電圧を小さくしても良い。その原因が除去され次第、電圧印加を再開しても良い。
【００７６】
帯電微粒子２０５の直径は、帯電微粒子の安定性の観点から、２ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００７７】
帯電微粒子２０５に付加される帯電量は、微粒子１個あたり電荷素量（１．６ｘ１０-19Ｃ）と同量であることが最も好ましい。帯電微粒子２０５に付加される帯電量は、電荷素量より大きいことが好ましい。
【００７８】
回収工程では、帯電微粒子２０５を化学物質検出部１０７へ回収する。図２（ｅ）は回収工程を表す。回収工程では、静電気力により帯電微粒子２０５を回収することが好ましい。対向電極部１０６に対して化学物質検出部１０７へ電圧を印加することが好ましい。帯電微粒子２０５が負の電荷を持つ場合、対向電極部１０６に対して化学物質検出部１０７へ直流正電圧を印加することが好ましい。電圧印加は、連続的であることが好ましいが、パルス的でも良い。
【００７９】
検出工程では、帯電微粒子に含まれる揮発性有機化合物を、化学物質検出部１０７によって検出する。検出工程では、揮発性有機化合物の定量を行なうことが好ましいが、化学物質の存在のみを検出しても良い。検出工程では、あらかじめ較正しておいた化学物質検出部を用いることが好ましい。なお本発明では、較正方法は限定されない。
【００８０】
揮発性有機化合物は、ケトン類、アミン類、アルコール類、芳香族炭化水素類、アルデヒド類、エステル類、有機酸、硫化水素、メチルメルカプタン、ジスルフィドなどであることが好ましい。揮発性有機化合物は、アルカン、アルケン、アルキン、ジエン、脂環式炭化水素、アレン、エーテル、カルボニル、カルバニオ、タンパク、多核芳香族、複素環、有機誘導体、生物分子、代謝物、イソプレン、イソプレノイドおよびその誘導体などでも良い。
【００８１】
揮発性有機化合物の分子量は、（１）揮発の容易さ、（２）呼気中に含まれる得る化合物、という観点から、１５以上５００以下が好ましく、３０以上４００以下がより好ましい。
【００８２】
世界保健機関（ＷＨＯ）によると、（広義の）揮発性有機化合物は、超揮発性有機化合物（ＶＶＯＣ、沸点０℃〜５０−１００℃）、揮発性有機化合物（ＶＯＣ、沸点５０−１００℃〜２４０−２６０℃）、半揮発性有機化合物（ＳＶＯＣ、沸点２４０−２６０℃〜３８０−４００℃）、粒子状物質（ＰＯＭ、沸点３８０℃以上）に分類される。代表的なＶＶＯＣは、ホルムアルデヒド（分子量３０、沸点−１９．２℃）、アセトアルデヒド（分子量４４、沸点２０．２℃）、ジクロロメタン（分子量８５、沸点４０℃）である。代表的なＶＯＣは、トルエン（分子量９２、沸点１１０．７℃）、キシレン（分子量１０６、沸点１４４℃）、ベンゼン（分子量７８、沸点８０．１℃）、スチレン（分子量１０４、沸点１４５．１℃）などである。代表的なＳＶＯＣは、リン酸トリブチル(分子量２６６、沸点２８９℃)、フタル酸ジオクチル（分子量３９１、沸点３７０℃）などである。本発明では、単に揮発性有機化合物といえば、広義の揮発性有機化合物を意味し、ＶＶＯＣ、ＶＯＣ、ＳＶＯＣ、ＰＯＭなどを含む。
【００８３】
揮発性有機化合物の沸点は、−１６０℃以上４００℃以下が好ましい。
【００８４】
温度変動、湿度変動、妨害物質の存在、電磁ノイズなど誤差要因を低減するため、容器１０１の内部に、補正用の化学物質検出部を設けても良い。化学物質検出部と補正用の化学物質検出部を差動で動作させて誤差要因を低減してもよい。
【００８５】
本発明の実施の形態において、上述の注入工程から検出工程までの少なくとも２つ以上の工程は同時に行なわれてもよい。すなわち、例えば凝縮工程と帯電微粒子化工程が同時に行なわれても良い。またはそれぞれの工程を順序立てて行なっても良い。
【００８６】
本発明の実施の形態において、電極部１０５に付着した化学物質を除去するために、電極部１０５を加熱することが好ましい。電極部１０５を加熱する時に、容器１０１へ清浄なガスを注入しても良い。電極部１０５付着した化学物質を除去するために、他の方法を組み合わせても良い。
【００８７】
本発明の実施の形態において、電極部１０５を加熱して化学物質を除去するために、熱電素子を用いることが好ましい。熱電素子は、容易に冷却面と加熱面を反転できるので、便利である。凝縮工程および化学物質を除去する時に同一の熱電素子を兼用すれば、分析装置の小型化にも寄与できる。電極部１０５に付着した化学物質が除去されたことを検出するために、化学物質検出部１０７を用いても良い。電極部１０５に付着した化学物質が除去されたことを検出するために、電極部１０５の外周面に検出部を設けても良いし、他の公知技術を用いても良い。
【００８８】
本発明の実施の形態において、電極部１０５に付着した化学物質は、呼気以外の気体の気流により除去することが好ましい。気体は乾燥窒素ガスであることが好ましい。気体は化学物質検出部の較正用ガスであることが好ましい。
【００８９】
本発明の実施の形態では、電極部１０５を冷却することにより、電極部１０５の外周面に呼気凝縮液を得ることが特徴の一つである。つまり、従来の分析方法では、電極部が単なる電圧印加のための手段でしかなかった。そのために、呼気凝縮液を保持するには凝縮液蓄積容器を別途設けなければならなかった。しかし前述のように、凝縮液蓄積容器へ呼気凝縮液を蓄積するには相当な時間を要する。そこでこれを解決するために、本発明では、電極部１０５に２つの役割を持たせたことに特色がある。すなわち、電極部１０５は、（１）電圧印加のための電極、（２）呼気凝縮液を保持する手段を兼ねる。これにより、呼気分析に必要な凝縮液の量を大幅に削減できる上に、分析時間を短縮できる。
【００９０】
なお本発明の実施の形態は、従来の静電霧化を利用したマイナスイオンミスト発生装置の形態とは基本的に異なる。すなわち、従来のマイナスイオンミスト発生装置は、帯電微粒子の直径が数ｎｍ〜数十ｎｍと非常に小さい。したがって、帯電微粒子は空気中に１０分間程度の長時間浮遊する。また帯電微粒子の拡散性が高い。これらのマイナスイオンミストの性質は、肌や毛髪の保湿器、脱臭器へ適用するには、大きな利点となる。しかし、本発明のような分析装置ではこの性質は欠点となる。なぜなら、帯電微粒子の浮遊性、拡散性により、検出対象である化学物質はむしろ希釈されてしまうためである。希釈を防ぐために、本発明では、閉鎖可能な容器の内部に静電霧化機構を設け、化学物質を含んだ帯電微粒子を静電気力によって効率的に回収する。それが本発明のもう一つの特色である。
【００９１】
（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２における呼気分析装置の模式図である。図３において、図１と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
【００９２】
本発明の実施の形態において、図３において、注入口１０２の近傍には、マウスピース３０１と唾液トラップ３０２が設けられている。
【００９３】
マウスピース３０１は、呼気を容器１０１へ容易に注入できるため、呼気分析装置の操作を簡便にできる。マウスピース３０１は衛生上、使い捨てにすることが好ましい。マウスピース３０１は、シリコーンラバーで形成されることが好ましい。なお本発明では、マウスピース３０１の材質、寸法、形状を限定されない。
【００９４】
唾液トラップ３０２は、呼気とともに唾液が容器１０１へ混入してしまうことを抑制する。唾液トラップ３０２は、唾液のみならず口から排出される唾、痰、食べ物の残りカス、埃などをトラップしても良い。
【００９５】
本発明の実施の形態において、冷却部１０４の一端に放熱部３０３が設けられている。放熱部３０３は、容器１０１の外部に設けてあることが好ましい。放熱部３０３は、放熱フィンであることが最も好ましい。放熱部３０３は、冷却ファンでも良いし、水冷管でも良いし、その他の冷却手段でも良い。また、これらを２種類以上組み合わせても良い。
【００９６】
本発明の実施の形態において、電極部１０５の一部に接続部３０４が設けられている。接続部３０４は、冷却部１０４と電極部１０５を接続する部材であって、接続部３０４を通じて熱伝導する。電極部１０５は、接続部３０４を介して加熱しても良い。なお本発明では、接続部３０４の形状、寸法、材質は限定されない。
【００９７】
本発明の実施の形態において、冷却部１０４の近傍には温度センサ３０５が設けられている。温度センサ３０５を設けることにより、凝縮の具合を制御することができる。すなわち冷却部１０４近傍の温度を所望の温度に保持することにより、凝縮液の量を自由自在に制御できる。温度センサ３０５は、電極部１０５の近傍に設けてもよい。温度センサ３０５は、接続部３０４の近傍に設けてもよい。温度センサ３０５は、注入口１０２の近傍に設けても良い。温度センサ３０５は、容器１０１の内部に設けても良い。温度センサ３０５は１つでも良いし、複数個設けても良い。
【００９８】
本発明の実施の形態において、温度センサ３０５は、熱電対が最も好ましい。温度センサ３０５は、抵抗温度センサでも良いし、赤外温度センサでも良いし、他の温度センサでも良い。温度センサ３０５は、１種類でも良いし、複数種類でも良い。温度センサ３０５は、注入される呼気の温度を計測しても良い。
【００９９】
本発明の実施の形態において、呼気分析装置１００には湿度センサ３０６が設けられている。注入される呼気の湿度は個々人によって異なるため、湿度センサ３０６を設けることが好ましい。湿度センサ３０６により呼気の飽和水蒸気量、露点などを算出できるので、冷却部１０４および電極部１０５の設定温度、成分分析データの解析などに有用である。なお本発明では、湿度センサ３０６の種類、数量、位置は限定されない。
【０１００】
本発明の実施の形態において、排出口１０３の近傍には逆止弁３０７が設けられている。逆止弁３０７を設けることにより、呼気注入時に誤って大気などが容器１０１の中へ混入するのを防止する。逆止弁３０７は、注入口１０２の近傍に設けても良い。逆止弁３０７はダイアフラムでも良いし、チャッキバルブでも良いし、他の逆流防止具を用いても良い。
【０１０１】
本発明の実施の形態において、逆止弁３０７の近傍にはポンプ３０８が設けられている。ポンプ３０８は、呼気を容器１０１へ注入するのを補助する。特に呼気を吐き出す力の弱い患者や高齢者、乳幼児への使途には好適である。ポンプ３０８は、ダイアフラムポンプでも良いし、シリンジポンプでも良いし、真空管などでも良い。ポンプ３０８は、容器１０１内を清浄にするためのガスを、注入するために用いても良い。ポンプ３０８には、流量調整用のバルブが付置されていても良い。
【０１０２】
本発明の実施の形態において、化学物質検出部１０７には、検出対象である化学物質に対して選択的に応答する感応膜を設けても良い。なお本発明では、感応膜の種類、数量、配置、寸法は限定されない。たとえば感応膜の材料として、金属酸化物、白金、パラジウムなどの無機化合物を用いても良いし、分子インプリントによる鋳型ポリマーを用いても良いし、有機半導体材料、デオキシリボ核酸（ＤＮＡ）、リボ核酸（ＲＮＡ）、酵素、生体膜、受容体タンパク、抗体、オリゴヌクレオチドなどを用いても良いし、ラングミュア‐ブロジェット膜（ＬＢ膜）、脂質二重膜を用いても良い。またはこれらの複数種類を組み合わせても良い。
【０１０３】
本発明の実施の形態において、化学物質検出部１０７には、制御部３０９および表示部３１０が設けられている。制御部３０９は、化学物質検出部１０７の電気的および機械的な制御を行なう部位である。制御部３０９には、化学物質検出部１０７で計測された値を解析する解析部を設けても良い。解析部は、主成分分析、絶対値表現分析、判別分析、因子分析、クラスタ分析、コンジョイント分析など多変量解析を行なっても良いし、多回帰解析など他の統計解析を行なっても良い。表示部３１０は、化学物質検出部１０７で計測した値を表示することが好ましい。表示部３１０は、制御部３０９で得た値をそのまま表示しても良いし、解析した値を表示しても良い。
【０１０４】
本発明の実施の形態において、呼気分析装置１００には電磁シールドを設けることが好ましい。電磁シールドを設けることにより、外部からの電磁ノイズを遮蔽することができるので、微弱な信号を検知できる。
【０１０５】
（実施例１）
容器１０１は、厚み０．５ｍｍの透明アクリル樹脂板により作製した。容器１０１は、３２ｍｍ×１７ｍｍ×１２ｍｍの直方体とした。凝縮液の形成過程を観察するために、容器１０１を透明体により作製することが好ましい。容器１０１は一体成型しても良い。
【０１０６】
注入口１０２は、容器１０１の一端に直径３ｍｍの貫通穴を形成した後、外径３ｍｍのシリコーンチューブを接続することにより形成した。なお本発明では、注入口１０２の形成方法は限定されない。容器１０１を一体成型すると同時に、注入口１０２を形成しても良いし、切削加工で形成しても良いし、ドライエッチング、ホットエンボス、ナノインプリントなど他の一般的な方法で形成しても良い。
【０１０７】
排出口１０３は、容器１０１の他端に直径３ｍｍの貫通穴を形成した後、外径３ｍｍのシリコーンチューブを接続することにより形成した。なお本発明では、排出口１０３の形成方法は限定されない。容器１０１を一体成型すると同時に排出口１０３を形成しても良いし、切削加工で形成しても良いし、ドライエッチング、ホットエンボス、ナノインプリントなど他の一般的な方法で形成しても良い。
【０１０８】
冷却部１０４として容器１０１の内部に熱電素子を設けた。熱電素子の大きさは１４ｍｍ×１４ｍｍ×１ｍｍであった。熱電素子の最大吸熱は０．９Ｗであった。熱電素子の最大温度差は６９℃であった。熱電素子には放熱フィンを設けた。熱電素子の冷却面は、セラミックス材で被覆した。セラミックス材はその表面に微細な凹凸や多孔体構造を有するため、接触する物体を効率的に冷却できる。なお、本実施例では１箇所に熱電素子を設けたが、複数箇所に熱電素子を設けても良い。
【０１０９】
電極部１０５として、容器１０１の内部にあって冷却部１０４の近傍に、ステンレス製針を設けた。電極部１０５の長さは、３ｍｍであった。電極部１０５の直径は、最も太い部分で０．７９ｍｍ、最も細い部分で０．５ｍｍであった。電極部１０５の先端には直径０．７２ｍｍの球を設け、安定して帯電微粒子化工程を行なえるようにした。電極部１０５は、ステンレス板を介して、冷却部１０４の熱電素子と接触させた。ステンレス板の大きさは、１０ｍｍ×１０ｍｍ×１ｍｍであった。ステンレス板と熱電素子とは良熱伝導性の樹脂により接触させた。
【０１１０】
対向電極部１０６は、電極部１０５の先端から３ｍｍ離れたところに設けた。対向電極部１０６の形状は、外径１２ｍｍ、内径８ｍｍ、厚さ０．４７ｍｍの円環状であった。対向電極部１０６の材質はステンレスであった。
【０１１１】
化学物質検出部１０７は、冷却可能な電極と、シリンジと、ガスクロマトグラフで構成した。化学物質検出部１０７の一部は、熱電素子で冷却した。熱電素子の大きさは、１４ｍｍ×１４ｍｍ×１ｍｍであった。熱電素子の最大吸熱は、０．９Ｗであった。熱電素子の最大温度差は６９℃であった。熱電素子には放熱フィンを設けた。ガスクロマトグラフはジーエルサイエンス社製のＧＣ−４０００を用いた。
【０１１２】
注入口１０２および排出口１０３には、それぞれバルブ１０８ａおよびバルブ１０８ｂを設けた。バルブ１０８ａおよびバルブ１０８ｂとしてボールバルブを用いた。
【０１１３】
次に呼気分析装置の操作手順を説明する。
【０１１４】
注入工程では、呼気モデルガスを注入口１０２から容器１０１へ注入した。本実施例において容器１０１の容積は６．５ｍＬであって、成人の肺活量（２０００〜４０００ｃｃ程度）に比べて十分小さく、呼気モデルガスを数秒間噴き込めば、容器１０１の中は呼気モデルガスで充満されたとみなせる。
【０１１５】
呼気モデルガスは、乾燥窒素ガスを水および酢酸０．３％水溶液へ導入し、バブリングして得た。乾燥窒素ガスの流量は５００ｓｃｃｍであった。呼気モデルガスの温度は２５℃であった。この呼気モデルガスを用いた理由は、（ａ）実際の呼気成分中に酢酸成分が含まれていること（非特許文献４  ２９７頁）、（ｂ）揮発性有機化合物であること、および（ｃ）本発明の呼気分析装置の効果を再現性よく定量的に評価するためには実際の呼気よりも入手し易いこと、である。
【０１１６】
注入工程では、容器１０１へ呼気モデルガスを注入する前に、容器１０１の内部を乾燥窒素ガスで満たした。
【０１１７】
注入工程では、余剰な呼気モデルガスは排出口１０３を通じて排出した。
【０１１８】
凝縮工程では、熱電素子により電極部１０５を冷却した。電極部１０５の温度は動作前に２６℃であったが、３０秒後には１５℃まで低下した。電極部１０５の温度は、Ｋタイプの熱電対により測定した。
【０１１９】
熱電素子を動作し始めて５秒後に、電極部１０５の外周面において凝縮液が形成された。初期段階では、凝縮液は直径１０μｍ以下の液滴状であった。時間の経過とともに、液滴状の凝縮液は成長して、分析に十分な液量を得た。電極部１０５での凝縮液の形成は、マイクロスコープ（ＫＥＹＥＮＣＥ社製、ＶＨ−６３００）を用いて観察した。図４は、電極部１０５の外周面に呼気凝縮液が形成された様子を表す。図４に示すように電極部１０５の外周面に凝縮液４０１が形成された。
【０１２０】
帯電微粒子化工程では、凝縮液を多数の帯電微粒子にした。帯電微粒子化は、静電霧化により行なった。なお、本発明の帯電微粒子化をコロナ放電により行なってもよい。
【０１２１】
帯電微粒子の直径は、帯電微粒子の安定性の観点から、２ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることが好ましい。帯電微粒子は、１個ずつ単独で存在することが好ましい。帯電微粒子は、複数個の結合体で存在しても良い。なお本発明では、微粒子化された呼気の形状は限定されない。球形であっても良いし、扁平形であっても良いし、紡錘形であっても良い。
【０１２２】
電極部１０５と対向電極部１０６の間にはＤＣ５ｋＶを印加した。この時、電極部１０５を陰極、対向電極部１０６を陽極とした。電極部１０５を陽極、対向電極１０６を陰極としても同様の効果が得られるが、帯電微粒子化工程は比較的不安定であった。
【０１２３】
帯電微粒子化工程では、電極部１０５の先端に、テーラーコーンと呼ばれる円錐形の水柱が形成された。その水柱の先端から、化学物質を含む多数の帯電微粒子が放出された。図５は、テーラーコーンおよび帯電微粒子の生成を説明する図である。テーラーコーン５０１を形成する凝縮液５０２は、電極部１０５の先端方向へ、順次搬送された。テーラーコーン５０１の最先端すなわち電界の集中する場所から、帯電微粒子５０３が形成された。
【０１２４】
図６に、呼気凝縮液により形成したテーラーコーンを示す。呼気モデルガスを注入し始めてから７秒後に、テーラーコーン６０１が形成された。
【０１２５】
帯電微粒子化工程では、電極部１０５と対向電極部１０６の間に流れる電流を計測した。過剰な電流が流れた場合には、電極部１０５と対向電極部１０６との間の電圧印加を中断または印加電圧を減少させた。
【０１２６】
回収工程では、帯電微粒子を化学物質検出部１０７へ静電気力により回収した。対向電極１０６に対して化学物質検出部１０７へ＋５００Ｖの電圧を印加した。なお本発明では、印加電圧の大きさを限定されない。帯電微粒子の寿命の観点から、回収工程は帯電微粒子工程と同時に行なうことが最も好ましく、遅くとも帯電微粒子工程開始１０分後までに回収工程を行なうことが好ましい。
【０１２７】
静電気力により回収された帯電微粒子は、再び冷却凝縮して液状にした。回収した帯電微粒子は、液状にすることが最も好ましいが、霧状のままでもよい。液体状にするには、帯電微粒子を冷却凝縮しても良いし、水溶液やゲルに溶解しても良い。
【０１２８】
化学物質検出部１０７は、冷却可能な電極と、シリンジと、ガスクロマトグラフから構成されるが、図７は、その冷却可能な電極、すなわち第２電極部７０１の外周面において、帯電微粒子が再び冷却凝縮される様子を表す。冷却凝縮の様子は、マイクロスコープ（ＫＥＹＥＮＣＥ社製、ＶＨ−６３００）を用いて観察した。
【０１２９】
図７（ａ）は、第２電極部７０１の温度を１２℃にした時の、冷却凝縮の様子を表す。第２電極部７０１の外周面に、凝縮液７０２が形成された。図７（ｂ）は、第２電極部７０１の温度を２２℃にした時の、冷却凝縮の様子を表す。第２電極部７０１の外周面に、凝縮液７０２は形成されなかった。図７（ｃ）は、第２電極部７０１の温度を−５℃にした時の、冷却凝縮の様子を表す。第２電極部７０１の外周面に、凝縮液７０２が凝結した凝結体７０３が形成された。
【０１３０】
【表１】
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【０１３１】
（表１）は、第２電極部７０１の温度と、凝縮液７０２の液量の関係を表す。凝縮液７０２の液量は、６分間の回収工程により得られた量とした。なお、第２電極７０１の温度を−５℃とした時、凝縮液７０２は凝結したため、液量を０とした。第２電極部７０１の温度が０℃以下の時、凝縮液７０２は凝結した。したがって第２電極部７０１の温度は、０℃以上１８℃以下であることが好ましい。凝縮液７０２を短時間に得られるので、第２電極部７０１の温度は、０℃以上７℃以下であることがより好ましい。なお、凝結した凝縮液７０２は、加温することにより、再び液化してもよい。
【０１３２】
回収工程では、第２電極部７０１の温度を１２℃にして、帯電微粒子を冷却凝縮した。得られた１μＬの凝縮液７０２をシリンジにより採取し、ガスクロマトグラフへ導入した。
【０１３３】
検出工程では、ガスクロマトグラフへ導入された呼気凝縮液を分析した。図８は呼気成分すなわち酢酸を分析した例を示す。縦軸は、酢酸のガスクロマトグラムのピーク面積を表す。ピーク面積が大きいほど、酢酸の濃度が高いことを意味する。リファレンスとして０．３％の酢酸水溶液を示した（図８の左側棒グラフ）。比較のため、静電霧化を用いずに呼気を冷却凝縮しただけの例を示した（図８の中側棒グラフ）。静電霧化を用いて呼気を分析した用いた場合（図８の右側棒グラフ）には、静電霧化を用いない場合に比べて、約２倍の濃縮効果が得られた。この結果は、同じ量の呼気成分を収集するための時間が、従来装置に比べて約半分ですむことを意味しており、本発明により効率的に呼気を分析できることを示している。
【０１３４】
なお、検出条件は以下のとおりであった。分析カラムにはキャピラリカラム（ＴＣ−ＦＦＡＰ，ジーエルサイエンス社製）を用いた。キャピラリカラムの内径は０．５３ｍｍ、長さは３０ｍであった。キャリアガスはヘリウムであった。オーブン温度は１６０℃とした。インジェクション温度および水素炎イオン化検出器（ＦＩＤ）温度はそれぞれ２５０℃であった。
【０１３５】
検出工程の後、容器１０１から化学物質検出部１０７を取り外した。取り外された化学物質検出部１０７をメタノールにより洗浄した。
【０１３６】
検出工程の後、電極部１０５に付着した化学物質を除去するため、電極部１０５を加熱した。電極部１０５を熱電素子により加熱した。熱電素子は、凝縮工程において電極部１０５を冷却した時と同一のものを用いた。電極部１０５を加熱する時、熱電素子に加える電圧の極性は、電極部１０５を冷却した時の極性と反転した。
【０１３７】
電極部１０５を加熱して付着した化学物質を除去するため、電極部１０５を乾燥窒素ガスの気流に曝した。これにより迅速に電極部１０５から化学物質の除去を行なうことができた。乾燥窒素ガスは注入口１０２から導入した。
【０１３８】
帯電微粒子化工程または回収工程において、化学物質検出部１０７の除電を行なった。化学物質検出部１０７を接地することにより除電した。
【０１３９】
帯電微粒子化工程において、対向電極部１０６と電極部１０５の間に流れる電流をモニターした。過剰な電流が流れた時には、電極部１０５と対向電極部１０６の間の電圧印加を中断した。
【０１４０】
図９は、容器１０１を設けた場合と、容器１０１を設けない場合の呼気分析の結果を示す。閉鎖可能な容器１０１を設けた場合が、容器１０１を設けない場合よりも、効率的に呼気を分析できた。従来装置を使用した場合、凝縮液を得るために１０分以上を要した。しかし本実施例では、呼気の注入開始から検出工程を含めて実質的な所要時間は約３分であった。その結果、分析に要する時間を短縮できた。
【０１４１】
従来の冷却凝縮装置を用いると凝縮液収集容器の操作を伴うため、多くの時間を要する。しかし本発明によると、従来の冷却凝縮のみで呼気分析を行う場合に比べて、呼気成分を効率的に濃縮できることから、分析時間を短縮することができた。
【０１４２】
（実施例２）
本実施例ではヒトの呼気を分析した。本実施例において、呼気分析装置は実施例１と同じものを用いたため、呼気分析装置の説明を省略する。
【０１４３】
呼気分析装置の操作手順を次に説明する。
【０１４４】
注入工程では、注入口１０２から容器１０１へ呼気を注入した。まず、呼気をサンプラーバッグ（容積１Ｌ、アルミコーティング）へ５００ｍＬ採取した。その後、呼気をサンプラーバッグから注入口１０２を通じて、容器１０１へ注入した。
【０１４５】
注入工程では、容器１０１へ呼気を注入する前に、容器１０１の内部を乾燥窒素ガスで満たした。
【０１４６】
注入工程では、余剰な呼気は排出口１０３を通じて排出した。
【０１４７】
凝縮工程では、熱電素子により電極部１０５を冷却した。電極部１０５の温度は動作前に２６℃であったが、３０秒後には１５℃まで低下した。電極部１０５の温度測定は、Ｋタイプの熱電対で行った。
【０１４８】
熱電素子動作開始５秒後に、電極部１０５の外周面において凝縮液が形成され始めた。初期段階では、凝縮液は直径１０μｍ以下の液滴状であった。時間の経過とともに、液滴状の凝縮液は成長して、分析に十分な液量を得た。
【０１４９】
帯電微粒子化工程では、凝縮液を多数の帯電微粒子にした。帯電微粒子化は静電霧化で行なった。なお、前述の実施の形態１でも述べたように、静電霧化の初期段階で、コロナ放電が発生するが、本発明の帯電微粒子化工程にはこれも含めても良い。
【０１５０】
帯電微粒子の直径は、帯電微粒子の安定性の観点から、２ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることが好ましい。帯電微粒子は、１個ずつ単独で存在することが好ましい。帯電微粒子は、複数個が結合体で存在しても良い。なお本発明では、微粒子化された呼気の形状を限定されない。球形であっても良いし、扁平形であっても良いし、紡錘形であっても良い。
【０１５１】
電極部１０５と対向電極部１０６の間にはＤＣ５ｋＶを印加した。この時、電極部１０５を陰極、対向電極部１０６を陽極とした。電極部１０５を陽極、対向電極１０６を陰極としても同様の効果が得られるが、帯電微粒子化工程は比較的不安定であった。
【０１５２】
帯電微粒子化工程では、電極部１０５の先端に、テーラーコーンと呼ばれる円錐形の水柱が形成された。その水柱の先端から、化学物質を含む多数の帯電微粒子が放出された。
【０１５３】
呼気を注入し始めてから７秒後に、テーラーコーン６０１が形成された。
【０１５４】
帯電微粒子化工程では、電極部１０５と対向電極部１０６の間に流れる電流を計測した。過剰な電流が流れた場合には、電極部１０５と対向電極部１０６との間の電圧印加を中断または印加電圧を減少させた。
【０１５５】
回収工程では、帯電微粒子を化学物質検出部１０７へ静電気力により回収した。対向電極１０６に対して化学物質検出部１０７へ＋５００Ｖの電圧を印加した。なお本発明では、印加電圧の大きさは限定されない。帯電微粒子の寿命の観点から、回収工程は帯電微粒子工程と同時に行なうことが最も好ましく、遅くとも帯電微粒子工程開始１０分後までに回収工程を行なうことが好ましい。
【０１５６】
静電気力により回収された帯電微粒子は、再び冷却凝縮して液状にした。なお、回収した帯電微粒子は、液状にすることが最も好ましいが、霧状のままでもよい。液体状にするには、帯電微粒子を冷却凝縮しても良いし、水溶液やゲルに溶解しても良い。
【０１５７】
回収工程では、第２電極部７０１の温度を１２℃にして、帯電微粒子を冷却凝縮した。得られた１μＬの凝縮液７０２をシリンジにより採取し、ガスクロマトグラフへ導入した。
【０１５８】
検出工程では、ガスクロマトグラフへ導入された呼気凝縮液を分析した。図１０は呼気を分析した例を示す。呼気中に含まれる揮発性有機化合物を検出した。
【０１５９】
なお、検出条件は以下のとおりであった。分析カラムにはキャピラリカラム（ＴＣ−ＦＦＡＰ，ジーエルサイエンス社製）を用いた。キャピラリカラムの内径は０．５３ｍｍ、長さは３０ｍであった。キャリアガスはヘリウムであった。オーブン温度は１６０℃とした。インジェクション温度および水素炎イオン化検出器（ＦＩＤ）温度はそれぞれ２５０℃であった。
【０１６０】
呼気の注入開始から検出工程を含めて実質的な所要時間は約３分であった。本発明によると、短時間かつ簡便にヒトの呼気の分析ができた。
【０１６１】
（実施例３）
容器１０１は、厚み４ｍｍのアルミ板により作製した。容器１０１は、３４ｍｍ×３４ｍｍ×２０ｍｍの直方体とした。
【０１６２】
注入口１０２は、容器１０１の一端に、外径３．１７ｍｍ、長さ５０ｍｍのステンレス管を接続することにより形成した。
【０１６３】
排出口１０３は、容器１０１の他端に、外径３．１７ｍｍ、長さ５０ｍｍのステンレス管を接続することにより形成した。
【０１６４】
冷却部１０４として熱電素子を容器１０１の内部に設けた。熱電素子の大きさは１４ｍｍ×１４ｍｍ×１ｍｍであった。熱電素子の最大吸熱は０．９Ｗであった。熱電素子の最大温度差は６９℃であった。熱電素子には放熱フィンを設けた。熱電素子の冷却面は、セラミックス材で被覆した。セラミックス材はその表面に微細な凹凸や多孔体構造を有するため、接触する物体を効率的に冷却することができる。なお、本実施例では１箇所に熱電素子を設けたが複数箇所に熱電素子を設けても良い。
【０１６５】
電極部１０５として、容器１０１の内部にあって冷却部１０４の近傍に、ステンレス製針を設けた。電極部１０５の長さは、３ｍｍであった。電極部１０５の直径は、最も太い部分で０．７９ｍｍ、最も細い部分で０．５ｍｍであった。電極部１０５の先端には直径０．７２ｍｍの球を設け、安定して帯電微粒子化工程を行なえるようにした。電極部１０５は、ステンレス板を介して、冷却部１０４の熱電素子と接触させた。ステンレス板の大きさは、１０ｍｍ×１０ｍｍ×１ｍｍであった。なお、ステンレス板と熱電素子とは良熱伝導性の樹脂で接触させた。
【０１６６】
対向電極部１０６は、電極部１０５の先端から３ｍｍ離れたところに設けた。対向電極部１０６の形状は、外径１２ｍｍ、内径８ｍｍ、厚さ０．４７ｍｍの円環状であった。対抗電極部１０６の材質はステンレスであった。
【０１６７】
化学物質検出部１０７は、冷却可能な電極と、シリンジと、ガスクロマトグラフで構成した。化学物質検出部１０７の一部は、熱電素子で冷却した。熱電素子の大きさは、１４ｍｍ×１４ｍｍ×１ｍｍであった。熱電素子の最大吸熱は、０．９Ｗであった。熱電素子の最大温度差は６９℃であった。熱電素子には放熱フィンを設けた。ガスクロマトグラフはジーエルサイエンス社製のＧＣ−４０００を用いた。
【０１６８】
注入口１０２および排出口１０３には、それぞれバルブ１０８ａおよびバルブ１０８ｂを設けた。バルブ１０８ａおよびバルブ１０８ｂとしてボールバルブを用いた。
【０１６９】
次に呼気分析装置の操作手順を説明する。
【０１７０】
注入工程では、呼気モデルガスを注入口１０２から容器１０１へ注入した。本実施例において容器１０１の容積は６．５ｍＬであって、成人の肺活量（２０００〜４０００ｃｃ程度）に比べて十分小さく、呼気モデルガスを数秒間吹き込めば、容器１０１の中は呼気モデルガスで充満されたとみなすことができる。
【０１７１】
呼気モデルガスは、乾燥窒素ガスを水および有機溶液（酢酸（分子量６０．０５）、２−プロパノール（分子量６０．１０）、キシレン（分子量１０６．１７）、サリチル酸メチル（分子量１５２．１５）、メントール（分子量１５６．２７））へ導入し、バブリングして得た。乾燥窒素ガスの流量は５００ｓｃｃｍであった。なお、上記の有機溶液はいずれも揮発性有機化合物である。
【０１７２】
注入工程では、容器１０１へ呼気モデルガスを注入する前に、容器１０１の内部を乾燥窒素ガスで満たした。
【０１７３】
注入工程では、余剰な呼気モデルガスは排出口１０３を通じて排出した。
【０１７４】
凝縮工程では、熱電素子により電極部１０５を冷却した。電極部１０５の温度は動作前に２６℃であったが、３０秒後には１５℃まで低下した。電極部１０５の温度は、Ｋタイプの熱電対により測定した。
【０１７５】
熱電素子を動作し始めて５秒後に、電極部１０５の外周面において凝縮液が形成された。めた。初期段階では、凝縮液は直径１０μｍ以下の液滴状であった。時間の経過とともに、液滴状の凝縮液は成長して、分析に十分な液量を得た。
【０１７６】
帯電微粒子化工程では、凝縮液を多数の帯電微粒子にした。帯電微粒子化は、静電霧化により行なった。なお、本発明の帯電微粒子化をコロナ放電により行なってもよい。
【０１７７】
帯電微粒子の直径は、帯電微粒子の安定性の観点から、２ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることが好ましい。帯電微粒子は、１個ずつ単独で存在することが好ましい。帯電微粒子は、複数個が結合体で存在しても良い。なお本発明では、微粒子化された呼気の形状を限定されない。球形であっても良いし、扁平形であっても良いし、紡錘形であっても良い。
【０１７８】
電極部１０５と対向電極部１０６の間にはＤＣ５ｋＶを印加した。この時、電極部１０５を陰極、対向電極部１０６を陽極とした。電極部１０５を陽極、対向電極１０６を陰極としても同様の効果が得られるが、帯電微粒子化工程は比較的不安定であった。
【０１７９】
帯電微粒子化工程では、電極部１０５の先端に、テーラーコーンと呼ばれる円錐形の水柱が形成された。その水柱の先端から、化学物質を含む多数の帯電微粒子が放出された。
【０１８０】
呼気モデルガスを注入し始めてから７秒後に、テーラーコーン６０１が形成された。
【０１８１】
帯電微粒子化工程では、電極部１０５と対向電極部１０６の間に流れる電流を計測した。過剰な電流が流れた場合には、電極部１０５と対向電極部１０６との間の電圧印加を中断または印加電圧を減少させた。
【０１８２】
回収工程では、帯電微粒子を化学物質検出部１０７へ静電気力により回収した。対向電極１０６に対して化学物質検出部１０７へ＋５００Ｖの電圧を印加した。なお本発明では、印加電圧の大きさは限定されない。帯電微粒子の寿命の観点から、回収工程は帯電微粒子工程と同時に行なうことが最も好ましく、遅くとも帯電微粒子工程開始１０分後までに回収工程を行なうことが好ましい。
【０１８３】
静電気力により回収された帯電微粒子は、再び冷却凝縮して液状にした。なお、回収した帯電微粒子は、液状にすることが最も好ましいが、霧状のままでもよい。液体状にするには、帯電微粒子を冷却凝縮しても良いし、水溶液やゲルに溶解しても良い。
【０１８４】
回収工程では、第２電極部７０１の温度を１２℃にして、帯電微粒子を冷却凝縮した。得られた１μＬの凝縮液７０２をシリンジにより採取し、ガスクロマトグラフへ導入した。
【０１８５】
検出工程では、ガスクロマトグラフへ導入された呼気凝縮液を分析した。
【０１８６】
【表２】
2009057256.tif 000018
【０１８７】
（表２）は、揮発性有機化合物、すなわち酢酸、２−プロパノール、キシレン、サリチル酸メチル、メントールおよびスクラレオールを分析した例を表す。（表２）において、濃縮比とは、単位体積あたりの呼気モデルガスに含まれる揮発成分の濃度に対する、凝縮液７０２に含まれる揮発成分の濃度の比である。
【０１８８】
（表２）に示すように、いずれの揮発性有機化合物についても濃縮効果が得られ、効率的に呼気を分析できることを示している。揮発性有機化合物の分子量は、１２以上５００以下が好ましく、３０以上３００以下がより好ましい。
【０１８９】
なお、検出条件は以下のとおりであった。分析カラムにはキャピラリカラム（ＩＮＥＲＴＣＡＰ  ＰＵＲＥ  ＷＡＸ、ジーエルサイエンス社製）を用いた。キャピラリカラムの内径は０．２５ｍｍ、長さは３０ｍであった。キャリアガスはヘリウムであった。オーブン温度は１６０℃とした。インジェクション温度および水素炎イオン化検出器（ＦＩＤ）温度はそれぞれ２５０℃であった。
【０１９０】
本実施例において、揮発性有機化合物を容易に濃縮できることを示した。この結果から、本発明によれば、短時間かつ簡便に呼気分析ができる。
【０１９１】
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施の形態が明らかである。したがって、上記説明は例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造および／または機能の詳細を実質的に変更できる。
【産業上の利用可能性】
【０１９２】
本発明にかかる呼気分析方法は、短時間で簡便な測定が可能な呼気分析装置へ適用可能であり、呼気診断装置、ストレス計測器などの医療分野、ヘルスケア分野などへ利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１９３】
【図１】本発明の実施の形態１における呼気分析装置の模式図である。
【図２】本発明の実施の形態１における呼気分析装置の動作を示す説明図である。
【図３】本発明の実施の形態２における呼気分析装置の模式図である。
【図４】凝縮工程における電極部表面の顕微鏡写真である。
【図５】帯電微粒子化工程の説明図である。
【図６】帯電微粒子化工程における電極部先端の説明図および顕微鏡写真である。
【図７】本発明の回収工程における第２電極部の顕微鏡写真である。
【図８】本発明の検出工程における呼気の分析例である。
【図９】本発明の検出工程における呼気の分析例である。
【図１０】本発明の検出工程における呼気の分析例である。
【図１１】従来の呼気分析装置の模式図である。
【図１２】従来の呼気分析装置の模式図である。
【符号の説明】
【０１９４】
１００  呼気分析装置
１０１  容器
１０２  注入口
１０３  排出口
１０４  冷却部
１０５  電極部
１０６  対向電極部
１０７  化学物質検出部
１０８ａ、１０８ｂ  バルブ
２０１  水蒸気
２０２ａ、２０２ｂ  呼気成分
２０３  呼気
２０４  凝縮液
２０５  帯電微粒子
３０１  マウスピース
３０２  唾液トラップ
３０３  放熱部
３０４  接続部
３０５  温度センサ
３０６  湿度センサ
３０７  逆止弁
３０８  ポンプ
３０９  制御部
３１０  表示部
４０１  凝縮液
５０１  テーラーコーン
５０２  凝縮液
５０３  帯電微粒子
６０１  テーラーコーン
６０２  帯電微粒子
７０１  第２電極部
７０２  凝縮液
７０３  凝結体
９０１  呼気冷却凝縮装置
９０２  熱伝体
９０３  熱電素子
９０４  凝縮液収集容器
９０５  キャップ
９０６  呼気導入パイプ
９０７  呼気排出用の開口
９０８  逆流防止具
９０９  吐出逆止弁
９１０  吸入逆止弁
９１１  呼気通過管
９１２  マウスピース
９１３  唾液トラップ
９１４  保温材
９１５  電気ヒータ
９１６  流量計
９１７  表示器
１００１  Ｘ−Ｙステージ
１００２  基体
１００３  蛋白質スポット
１００４  誘電体グリッド
１００５  液体容器
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2009057256.tif 000019
【図２】
2009057256.tif 000020
【図３】
2009057256.tif 000021
【図５】
2009057256.tif 000022
【図８】
2009057256.tif 000023
【図９】
2009057256.tif 000024
【図１０】
2009057256.tif 000025
【図１１】
2009057256.tif 000026
【図１２】
2009057256.tif 000027
【図４】
2009057256.tif 000028
【図６】
2009057256.tif 000029
【図７】
2009057256.tif 000030
【国際調査報告】
2009057256.tif 000031
2009057256.tif 000032
2009057256.tif 000033
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