(57)【要約】  試料ガスに特定の成分が他の成分よりも多く含まれている場合に、検出結果には当該特定の成分の吸収スペクトルが支配的に表れてしまい、他の成分の吸収スペクトルが表れにくい。ガス分析装置であって、試料ガスを収容するメインチャンバと、試料ガスに化学処理をして少なくとも既知の成分を残した処理ガスを収容する参照チャンバと、メインチャンバおよび参照チャンバのそれぞれに赤外光を入射する光源と、メインチャンバおよび参照チャンバからそれぞれ出射した赤外光を検出する１つまたは複数の検出器とを備える。
2016063918.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料ガスを収容するメインチャンバと、
前記試料ガスに化学処理をして少なくとも既知の成分を残した処理ガスを収容する参照チャンバと、
前記メインチャンバおよび前記参照チャンバのそれぞれに赤外光を入射する光源と、
前記メインチャンバおよび前記参照チャンバからそれぞれ出射した赤外光を検出する１つまたは複数の検出器と
を備えるガス分析装置。
【請求項２】
前記参照チャンバに連結され、前記試料ガスからＨ２ＯおよびＣＯ２を含む前記既知の成分を残した前記処理ガスを生成する処理部をさらに備える請求項１に記載のガス分析装置。
【請求項３】
前記光源からの赤外光を、前記メインチャンバに入射する赤外光と前記参照チャンバに入射する赤外光とに分離する分離器をさらに備える請求項１または２に記載のガス分析装置。
【請求項４】
前記光源から前記メインチャンバを通過して前記検出器までの赤外線の光路長と、前記光源から前記参照チャンバを通過して前記検出器までの赤外線の光路長と、が異なっており、一の前記検出器において時分割で前記メインチャンバおよび前記参照チャンバから出射した赤外光を検出する請求項３に記載のガス分析装置。
【請求項５】
前記メインチャンバを通過する光路長は、前記参照チャンバを通過する光路長よりも長い請求項４に記載のガス分析装置。
【請求項６】
前記メインチャンバおよび前記参照チャンバが減圧されている請求項１から５のいずれか１項に記載のガス分析装置。
【請求項７】
前記光源から出射する赤外光の波数が可変である請求項１から６のいずれか１項に記載のガス分析装置。
【請求項８】
前記光源は、スペクトル線幅がドップラー幅よりも狭い赤外光を出射する請求項７に記載のガス分析装置。
【請求項９】
前記光源は、レーザ光を発するレーザ源と、前記レーザ光により発振する光パラメトリック発振器と、前記光パラメトリック発振器の外側に配され、発振した赤外光を前記スペクトル線幅で掃引する干渉フィルタとを有する請求項８に記載のガス分析装置。
【請求項１０】
前記光パラメトリック発振器から発振する波数が可変である請求項９に記載のガス分析装置。
【請求項１１】
前記メインチャンバからの検出結果と、前記参照チャンバからの検出結果とに基づいて、前記試料ガスの成分を分析する分析部をさらに備える請求項１から１０のいずれか１項に記載のガス分析装置。
【請求項１２】
前記分析部は、前記参照チャンバからの検出結果を前記メインチャンバからの検出結果から差し引くことで、前記メインチャンバからの検出結果から前記既知の成分からの寄与を分離する請求項１１に記載のガス分析装置。
【請求項１３】
前記分析部は、前記参照チャンバからの検出結果に基づいて、前記メインチャンバに入射した赤外光の波数を同定する請求項１１または１２に記載のガス分析装置。
【請求項１４】
前記光源からの赤外光をさらに分割して、周囲雰囲気を通過して、前記検出器に導く光学系をさらに備え、
前記分析部は、前記周囲雰囲気からの検出結果に基づいて前記メインチャンバに入射した赤外光の強度を正規化する請求項１１から１３のいずれか１項に記載のガス分析装置。
【請求項１５】
ガスの吸収スペクトルのプロファイルと当該ガスの発生要因とを対応付けて格納した要因格納部をさらに備え、
前記分析部は、前記メインチャンバおよび前記参照チャンバの検出結果に基づいて、前記要因格納部を参照することにより、前記試料ガスの発生要因を特定する請求項１１から１４のいずれか１項に記載のガス分析装置。
【請求項１６】
試料ガスを収容したメインチャンバに赤外光を入射する段階と、
前記メインチャンバから出射した赤外光を検出する段階と、
前記試料ガスに化学処理をして少なくとも既知の成分を残した処理ガスを収容した参照チャンバに赤外線を入射する段階と、
前記参照チャンバから出射した赤外光を検出する段階と、
前記メインチャンバからの検出結果と、前記参照チャンバからの検出結果とに基づいて、前記試料ガスの成分を分析する段階と
を備えるガス分析方法。
【請求項１７】
既知の発生要因で生物から発生した試料ガスに透過させた赤外光の吸収スペクトルを取得し、前記吸収スペクトルと前記発生要因とを対応付けて格納したデータベース。
【請求項１８】
未知の発生要因で生物から発生した試料ガスに赤外光を透過させる段階と、
前記試料ガスを透過した赤外光の吸収スペクトルを検出する段階と、
請求項１７に記載のデータベースに格納されている前記吸収スペクトルと、前記検出する段階で検出された前記吸収スペクトルとの合致度に基づいて、前記データベースに格納されている前記発生要因を同定する段階と
を備えるメタボローム解析方法。
【請求項１９】
対象疾患にかかっている生体から発生した試料ガスに赤外光を透過させる段階と、
前記試料ガスを透過した赤外光の吸収スペクトルを検出する段階と
を備え、
複数の前記対象疾患ごとに、前記透過させる段階と前記検出する段階とを繰り返すガス分析方法。
【請求項２０】
前記吸収スペクトルを前記対象疾患に対応付けてデータベースに格納する段階をさらに備える請求項１９に記載のガス分析方法。
【請求項２１】
前記複数の対象疾患は、気管支喘息、肺がん、肺疾患、腎不全、肺炎、ピロリ菌、糖尿病、肥満および胃腸不全から選択される１以上の疾患を含む請求項１９または２０に記載のガス分析方法。
【請求項２２】
請求項２０または２１に記載のガス分析方法によって得られたデータベース。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス分析装置、ガス分析方法、メタボローム解析方法およびデータベースに関する。
【背景技術】
【０００２】
人体の呼気、燃焼機関の排ガス等に特定の成分が含まれているか否かを判断する方法として、当該成分に固有の吸収スペクトルに対応する赤外線を試料ガスに通過させて、吸収の有無を検出する、赤外分光分析によるガス分析方法がある（例えば特許文献１を参照）。
特許文献１  特開２００６−３００７６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
試料ガスに特定の成分が他の成分よりも多く含まれている場合に、検出結果には当該特定の成分の吸収スペクトルが支配的に表れてしまい、他の成分の吸収スペクトルが表れにくいという課題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の第１の態様においては、ガス分析装置であって、試料ガスを収容するメインチャンバと、試料ガスに化学処理をして少なくとも既知の成分を残した処理ガスを収容する参照チャンバと、メインチャンバおよび参照チャンバのそれぞれに赤外光を入射する光源と、メインチャンバおよび参照チャンバからそれぞれ出射した赤外光を検出する１つまたは複数の検出器とを備える。【０００５】
本発明の第２の態様においては、ガス分析方法であって、試料ガスを収容したメインチャンバに赤外光を入射する段階と、メインチャンバから出射した赤外光を検出する段階と、試料ガスに化学処理をして少なくとも既知の成分を残した処理ガスを収容した参照チャンバに赤外線を入射する段階と、参照チャンバから出射した赤外光を検出する段階と、メインチャンバからの検出結果と、参照チャンバからの検出結果とに基づいて、試料ガスの成分を分析する段階とを備える。【０００６】
本発明の第３の態様においては、データベースであって、既知の発生要因で生物から発生した試料ガスに透過させた赤外光の吸収スペクトルを取得し、吸収スペクトルと発生要因とを対応付けて格納した。【０００７】
本発明の第４の態様においては、メタボローム解析方法であって、未知の発生要因で生物から発生した試料ガスに赤外光を透過させる段階と、試料ガスを透過した赤外光の吸収スペクトルを検出する段階と、上記データベースに格納されている吸収スペクトルと、検出する段階で検出された吸収スペクトルとの合致度に基づいて、データベースに格納されている発生要因を同定する段階とを備える。【０００８】
なお、上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施形態にかかるガス分析装置１０の概略図を示す。
【図２】光源１４０の概略を示す。
【図３】メインチャンバ１００の概略断面図である。
【図４】要因格納部１９４に格納される情報の一例を示す。
【図５】ガス分析装置１０でのガスの分析の動作を示すフローチャートである。
【図６】ガス分析の動作で得られる吸収スペクトルの一例を模式的に示す。
【図７】他の光源２４０の概略を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００１１】
本実施形態では、呼気、皮膚ガス等の測定対象のガスの成分ロスを極力抑えることができ、さらに測定のメインとなるチャンバのガスの成分を分解させることなく、網羅的に高感度計測できる手法として赤外線吸収分光法を採用する。
【００１２】
図１は、本実施形態にかかるガス分析装置１０の概略図を示す。ガス分析装置１０は、光源１４０と、光学系１８０と、メインチャンバ１００と、参照チャンバ１２０と、検出器１９０と、制御装置１９８とを有する。
【００１３】
光源１４０は、メインチャンバ１００および参照チャンバ１２０のそれぞれに入射する赤外光を出射する。光源１４０から出射される赤外光の波数は可変であって、制御装置１９８からの制御に基づいて波数掃引される。
【００１４】
光学系１８０は、第１分離器１８２、第２分離器１８４、第１反射鏡１８６および第２反射鏡１８８を有する。第１分離器１８２は、光源１４０から出射された赤外光をメインチャンバ１００に入射する赤外光と、第２分離器１８４に入射する赤外光とに分離する。分離の強度は予め定められた比率に設定される。例えば、メインチャンバ１００と第２分離器１８４の強度比は１：２の比率で設定される。
【００１５】
第２分離器１８４は、第１分離器１８２から出射された赤外光を参照チャンバ１２０に入射する赤外光と、周囲雰囲気を通過して検出器１９０に入射する赤外光とに分離する。分離の強度は予め定められた比率に設定されている。例えば、参照チャンバ１２０と検出器１９０の強度比は１：１に設定される。
【００１６】
第１反射鏡１８６は、メインチャンバ１００から出射された赤外光を検出器１９０に向けて反射する。第２反射鏡１８８は、参照チャンバ１２０から出射された赤外光を検出器１９０へ向けて反射する。
【００１７】
メインチャンバ１００には配管１１４が連結されている。メインチャンバ１００は、配管１１４から導入された試料ガス２０を収容する。試料ガス２０の一例は人体の呼気である。
【００１８】
配管１１４は二股に分かれており、処理部１３０にも連結されている。処理部１３０は、配管１１４を介して導入された試料ガス２０に化学処理をして少なくとも既知の成分を残した処理ガス３０を生成する。既知の成分の例はＣＯ２およびＨ２Ｏであり、その場合の処理部１３０の例は白金酸化触媒である。加熱された白金酸化触媒の処理部１３０を通すことにより、試料ガス２０に含まれていた揮発性の有機化合物が酸化されて、ＣＯ２およびＨ２Ｏが生成される。よって、処理ガス３０には有機化合物がほとんど残らず、ＣＯ２およびＨ２Ｏが大きな成分を占める。
【００１９】
処理部１３０はさらに配管１２６を介して参照チャンバ１２０に連結されている。参照チャンバ１２０は、配管１２６を介して導入された処理ガス３０を収容する。
【００２０】
検出器１９０には、メインチャンバ１００から出射した赤外光が第１反射鏡１８６を介して入射されるとともに、参照チャンバから出射した赤外光が第２反射鏡１８８を介して入射される。さらに検出器１９０は、第２分離器１８４で分離されて、いずれのチャンバも通過せずに周囲雰囲気を通過してきた赤外光も入射される。これらは異なるタイミングで入射し、検出部１９０はそれぞれを別個に検出する。検出器１９０の一例は、赤外線に感度を有するＭＣＴ検出器であり、入射強度に応じた検出信号を出力する。
【００２１】
制御装置１９８は、分析部１９２、要因格納部１９４および制御部１９６を有する。分析部１９２は、検出器１９０から検出信号が入力され、メインチャンバ１００からの検出結果と、参照チャンバ１２０からの検出結果とに基づいて、試料ガス２０の成分を分析する。要因格納部１９４には、ガスの吸収スペクトルのプロファイルと当該ガスの発生要因とを対応付けて格納しており、分析部１９２に参照される。制御部１９６は、分析部１９２と同期して光源１４０の発光および波数掃引を制御する。
【００２２】
図２は、光源１４０の概略を示す。光源１４０は、レーザ光を発するレーザ源１５０と、レーザ光により発振する光パラメトリック発振器１６０と、光パラメトリック発振器１６０の外側に配され、発振した赤外光を波数掃引する干渉フィルタ１７０とを有する。
【００２３】
レーザ源１５０の一例は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザである。レーザ源１５０は波長λ０のポンプ光を出射する。ポンプ光は数ｎｓ程度のパルス光であることが好ましい。レーザ源１５０がＮｄ：ＹＡＧレーザの場合に、例えば、パルス幅が８ｎｍで波長が１０６４ｎｍのパルス光を出射する。この場合に、注入同期法を用いて波長を安定させることが好ましい。
【００２４】
光パラメトリック発振器１６０は、一対の反射鏡１６２、１６４とその間に配されたＬｉＮｂＯ３等の非線形結晶１６６とを有する。レーザ源１５０からのポンプ光により非線形結晶１６６で励起された波数ｋ１の励起光、が一対の反射鏡１６２、１６４の間で反射を繰り返す。これにより、位相が整合しかつ強度が高いパルス光が生成され、出射される。当該パルス光のスペクトル線幅は数ｃｍ−１程度である。
【００２５】
光パラメトリック発振器１６０から発振する波数は可変である。例えば、励起光の波数ｋ１は非線形結晶１６６の温度に依存するので、当該温度を制御することにより波数ｋ１を制御することできる。Ｎｄ：ＹＡＧレーザの１０６４ｎｍをポンプ光とした場合、ＬｉＮｂＯ３を非線形結晶１６６とする光パラメトリック発振器１６０において、２８００ｃｍ−１から３０００ｃｍ−１（３．３μｍから３．５μｍ）の範囲で波数ｋ１を変えることができる。
【００２６】
干渉フィルタ１７０の一例は、ファブリペロ干渉フィルタであって、一対の反射鏡１７２、１７４と、それらの一方の反射鏡１７４を駆動することで反射鏡１７２、１７４の間隔を調整するＰＺＴ１７６とを有する。一対の反射鏡１７２、１７４の間隔に応じて、光パラメトリック発振器１６０から入射する数ｃｍ−１のスペクトル線幅を有する波数ｋ１の赤外光に含まれる、さらに細い０．００１ｃｍ−１程度のスペクトル線幅の波数ｋ２の赤外光を抽出して出射する。当該スペクトル線幅は、気体分子の吸収スペクトルのドップラー幅よりも狭いことが好ましく、１／１０以下であることがより好ましい。これにより、検出の分解能を高くすることができる。
【００２７】
例えば、レーザ源１５０の１０６４ｎｍをポンプ光としてＬｉＮｂＯ３を非線形結晶１６６とする光パラメトリック発振器１６０から発振されたパルス光を用いる場合に、光パラメトリック発振器１６０の波数掃引と干渉フィルタ１７０の波数掃引とを同期させることにより、干渉フィルタ１７０から、２８００ｃｍ−１から３０００ｃｍ−１のうちの任意の波数ｋ２の赤外光を０．００１ｃｍ−１程度のスペクトル線幅で出射することができる。
【００２８】
干渉フィルタ１７０が、光パラメトリック発振器１６０の外側に配されているので、光パラメトリック発振器１６０から出射された赤外光を干渉させることになり、出力を安定させることができる。また、干渉フィルタ１７０、および光パラメトリック発振器１６０へのダメージを軽減することができる。
【００２９】
図３は、メインチャンバ１００の概略断面図である。メインチャンバ１００の一例は、非点収差Ｈｅｒｒｉｏｔ式マルチセルである。
【００３０】
メインチャンバ１００は、気密で円筒の本体１０２と、本体１０２に試料ガス２０を導入する吸気口１１０と、本体１０２から試料ガス２０を排気する排気口１１２とを有する。吸気口１１０および排気口１１２には直径０．５ｍｍ程度のピンホールを設けてもよい。これに代えてまたはこれに加えて、吸気口１１０および排気口１１２に弁を設けて、赤外線による計測中は当該弁を閉めて試料ガス２０を保持してもよい。
【００３１】
メインチャンバ１００は長手方向の両端にそれぞれ反射鏡１０４、１０８を有する。一方の反射鏡１０４には開口１０６が設けられている。当該開口１０６から入射した強度Ｉ０の赤外光は、反射鏡１０４、１０８の間で反射を繰り返し、強度Ｉ１で開口１０６から出射する。反射の回数すなわち光路長は、開口１０６への入射角度および反射鏡１０４、１０８の鏡面形状で設定することでき、例えば数十ｍから２００ｍ程度に設定される。
【００３２】
なお、メインチャンバ１００は測定中には減圧されていることが好ましい。気体分子ごとの吸収スペクトルは、常温下よりも減圧下の方が狭い。減圧下では０．０１ｃｍ−１程度であるドップラー幅になる。よって、減圧することで、複数の分子のそれぞれの吸収スペクトルの重なりを小さくし、感度および分解能を高めることができる。よってメインチャンバ１００は、例えば数ｔｏｒｒから数十ｔｏｒｒ程度に減圧されることが好ましい。
【００３３】
参照チャンバ１２０の構成は以下の点を除き、メインチャンバ１００の構成と同じなので図示を省略する。上記の通り、参照チャンバ１２０には処理部１３０が連結され、処理ガス３０が収容される。また、参照チャンバ１２０における赤外線の光路長はメインチャンバ１００の光路長と異なっていることが好ましく、参照チャンバ１２０の光路長よりもメインチャンバ１００の光路長の方が長いことがより好ましい。この場合に、光路長差は、パルス光が当該光路長差で時間的に分離して一つの検出器１９０に入射するように設定される。例えば、パルス光の時間幅が８ｎｓの場合に参照チャンバの光路長を５０ｍに設定し、メインチャンバの光路長を１００ｍに設定する。なお、メインチャンバ１００内の光路長と参照チャンバ１２０内の光路長に代えてまたは加えて、他の光路で光路長差を設けてもよい。
【００３４】
図４は、要因格納部１９４に格納される情報の一例を示す。図４に示す例では、ガスの吸収スペクトルのプロファイルの一例として、呼気に含まれる揮発性の有機化合物である対象ガス名と当該対象ガスの吸収領域を示す情報とが格納されている。さらに、これらに対応付けてガスの発生要因の一例としての病名等が格納されている。
【００３５】
なお、図４に示す例に加えて、対象ガスの強度についての情報が格納されもよい。この場合には、特定の病気の患者から発する呼気の吸収スペクトルのプロファイルがイメージデータ等として格納され、当該プロファイルに当該病気の病名が対応付けられてもよい。当該プロファイルは、同じ病気の複数の患者からの呼気の吸収スペクトルを平均化したものであってもよい。その場合には、吸収スペクトルのピークに対応する対象ガスを特定しなくてもよく、したがって対象ガス名の情報を省略してもよい。
【００３６】
吸収スペクトルのプロファイルは、処理部１３０で残される既知の成分の吸収スペクトルが差し引かれた状態のものであることが好ましい。これにより、ガスの発生要因に固有の揮発性の有機化合物の吸収スペクトルを際立たせることができる。なお、要因格納部１９４はさらに、当該既知の成分の吸収スペクトルの情報も格納している。
【００３７】
図５は、ガス分析装置１０でのガス分析の動作（Ｓ１０）を示すフローチャートである。以下、呼気を試料ガス２０の一例とし、揮発性の有機化合物を酸化させてＣＯ２およびＨ２Ｏを生成する処理を処理部１３０による処理の一例として説明する。
【００３８】
図６は、ガス分析の動作（Ｓ１０）で得られる吸収スペクトルの一例を模式的に示す。図６の（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、メインチャンバ１００で得られる吸収スペクトル、参照チャンバ１２０で得られる吸収スペクトルである。（ｃ）は、（ａ）の吸収スペクトルから（ｂ）の吸収スペクトルを引いたものである。
【００３９】
まず、メインチャンバ１００を減圧して、試料ガス２０として人体からの呼気を導入する（Ｓ１００）。メインチャンバ１００は、減圧状態を保ったまま試料ガス２０を収容して保持する。
【００４０】
呼気を処理部１３０に導入し、揮発性の有機化合物を酸化させてＣＯ２およびＨ２Ｏを生成する。これにより、有機化合物がほとんど残らず、ＣＯ２およびＨ２Ｏが大きな成分を占める処理ガス３０が生成される（Ｓ１０２）。参照チャンバ１２０を減圧して、当該処理ガス３０を導入する（同ステップ）。参照チャンバ１２０は、減圧状態を保ったまま処理ガス３０を収容して保持する。
【００４１】
光源１４０から、メインチャンバ１００、参照チャンバ１２０および周囲雰囲気を通過する光路に赤外線を入射する（Ｓ１０４）。最初は、制御部１９６が、掃引する最小または最大の波数となるように、光パラメトリック発振器１６０の非線形結晶１６６の温度および干渉フィルタ１７０の反射鏡１７２、１７４間の間隔を設定する。その後、当該ステップＳ１０４が繰り返される毎に、制御部１９６が、非線形結晶１６６の温度および反射鏡１７２、１７４間の間隔を変化させて異なる波数の赤外光を光源１４０から出射させる。これにより、波数掃引が行われる。
【００４２】
検出器１９０は、周囲雰囲気を通過した赤外線、参照チャンバ１２０から出射した赤外線、および、メインチャンバ１００から出射した赤外線をそれぞれ検出する（Ｓ１０５）。この場合に、検出部１９０には光路差に応じた時間差をもって赤外線が順次入射し、検出部１９０はそれらを時分割で別個に検出する。検出器１９０は、それぞれの赤外線の強度Ｉ０、Ｉｒｅｆ、Ｉ１に応じた検出信号を分析部１９２に出力する。
【００４３】
分析部１９２は検出結果を自身のメモリ等に記録する（Ｓ１０６）。この場合に、分析部１９２は、メインチャンバ１００の強度Ｉ１および参照チャンバ１２０からの強度Ｉｒｅｆを、周囲雰囲気からの強度Ｉ０で除算することで正規化し、上記ステップＳ１０４で光源に設定した波数に対応付けて記録する。
【００４４】
ガス分析装置１０は、波数掃引が終了するまで、上記ステップＳ１０４からＳ１０６の動作を繰り返す（Ｓ１０８：Ｎｏ）。波数掃引が終了した場合に（Ｓ１０８：Ｙｅｓ）、当該波数領域にわたる吸収スペクトルが得られる。
【００４５】
分析部１９２は、メモリ等に記録された検出結果の波数を校正する（Ｓ１１０）。この場合に、分析部１９２は、参照チャンバ１２０からの検出結果のうち吸収スペクトルのピークに対応するものを特定する。分析部１９２は、吸収スペクトルのピークに対応する検出結果に対応付けられている波数を取得し、要因格納部１９４に格納されている既知の気体の吸収スペクトルのピークのうち、当該検出結果に対応付けられている波数に最も近い吸収スペクトルのピークの波数を同定し、当該検出結果に対応付けられている波数をこれに置き換える。さらに、分析部１９２は、吸収スペクトルのピークに対応しない当該検出結果については、ピークに対応して校正された波数を利用して、波数を校正する。例えば、隣接する二つのピークに対応してそれぞれ校正された波数の内挿により、その間の波数に対応する検出結果についての波数を校正する。内挿に代えて、制御部１９６が設定している波数掃引の速度を取得し、すでに校正されたピークの波数から経過した掃引時間を当該速度に乗算することで、波数を校正してもよい。
【００４６】
図６に模式的に示される通り、参照チャンバ１２０からの検出結果に基づいて、既知のＣＯ２の吸収スペクトルのピークの波数ｋａが同定され、これにより、同じパルス光から分離して得られたメインチャンバ１００の検出結果の波数がｋａに同定されている。同様に、参照チャンバ１２０からの検出結果に基づいて、既知のＨ２Ｏの吸収スペクトルのピークの波数ｋｂが同定され、これにより、同じパルス光から分離して得られたメインチャンバ１００の検出結果の波数がｋｂに同定されている。なお、図６にはＣＯ２とＨ２Ｏの吸収スペクトルが一つずつ示されているが、これは説明の都合上であって、ＣＯ２とＨ２Ｏは複数の吸収スペクトルを有しており、それらの吸収スペクトルの個々に適用できる。
【００４７】
分析部１９２は、参照チャンバ１２０からの検出結果をメインチャンバ１００からの検出結果から差し引く（Ｓ１１２）。これにより、分析部１９２は、メインチャンバ１００からの検出結果から既知の成分からの寄与を分離する。
【００４８】
図６に模式的に示されている通り、メインチャンバ１００の吸収スペクトルである（ａ）から、参照チャンバ１２０の吸収スペクトルである（ｂ）を差し引くことにより、吸収スペクトル（ｃ）が得られる。当該吸収スペクトル（ｃ）からは、既知の成分であるＣＯ２およびＨ２Ｏからの寄与が分離され、分析の対象となる揮発性の有機化合物の吸収スペクトルが顕著に表れる。
【００４９】
分析部１９２は、ステップＳ１１２の結果得られた吸収スペクトルと、要因格納部１９４に格納されている吸収スペクトルのプロファイルとを比較して、試料ガス２０の発生要因を特定する（Ｓ１１４）。この場合に図４に示されているように、要因格納部１９４が対象ガスの吸収領域を示す情報を格納している場合に、分析部１９２は、ステップＳ１１２で得られた吸収スペクトルのピークが対象ガスの吸収領域にあるか否かを対象ガスごとに判断する。分析部１９２は、ステップＳ１１２で得られた吸収スペクトルのピークが対象ガスの吸収領域にある場合の当該対象ガスに対応付けられた病名等を、発生要因として特定してディスプレイ等に出力する。以上により当フローチャートの動作が終了する。
【００５０】
本実施形態によれば、参照チャンバ１２０を用いて波数を同定することにより、光源１４０に波数の揺らぎ等があっても、メインチャンバ１００の吸収スペクトルを波数について正確に検出することができる。また、参照チャンバ１２０の検出結果をメインチャンバ１００の検出結果から差し引くことにより、分析の対象とする揮発性の有機化合物の吸収スペクトルを際立たせることができる。
【００５１】
また、広い帯域で波数掃引できるので、試料ガス２０に含まれる複数種類の揮発性の有機化合物の吸収スペクトルを検出することができる。さらに、メインチャンバ１００および参照チャンバ１２０を減圧し、かつ、干渉フィルタ１７０を用いて細いスペクトル線幅の赤外光を用いるので、高い分解能で吸収スペクトルを検出することができる。例えば、吸収スペクトルがドップラー幅程度になるように減圧した状態で、当該ドップラー幅の１／１０のスペクトル線幅の赤外光を用いることにより、波数掃引で当該吸収スペクトルに対して１０点の検出値が得られる。
【００５２】
さらに、光源１４０からの同じパルス光について、メインチャンバ１００および参照チャンバ１２０のいずれも透過しないパルス光も検出して強度を正規化することにより、光源１４０での強度の揺らぎを打ち消すことができる。なお、強度の揺らぎが小さい等の場合には、メインチャンバ１００および参照チャンバ１２０のいずれも透過しないパルス光を検出しなくてもよい。
【００５３】
なお、要因格納部１９４に格納されている吸収スペクトルのプロファイルが対象ガスの吸収領域と強度とを有している場合には、ステップＳ１１４において、吸収領域と強度とについて、ステップＳ１１２の結果得られた吸収スペクトルのプロファイルとのマッチングを行って、より近いプロファイルに対応した発生要因を特定してもよい。
【００５４】
図７は、他の光源２４０の概略を示す。光源２４０は、レーザ源２５０と、光パラメトリック発振器２６０と、反射鏡２９０、２９２と、光パラメトリック発振器２８０と、干渉フィルタ２７０とを備える。
【００５５】
レーザ源２５０の一例は、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザである。レーザ源２５０は波長λ２のポンプ光を出射する。ポンプ光は数ｎｓ程度のパルス光であることが好ましい。レーザ源２５０がＮｄ：ＹＶＯ４レーザの場合に、例えば、パルス幅が８ｎｍで波長が５３２ｎｍの第二高調波のパルス光を出射する。この場合に、注入同期法を用いて波長を安定させることが好ましい。
【００５６】
光パラメトリック発振器２６０は、一対の反射鏡２６２、２６４とその間に配されたＬｉＮｂＯ３等の非線形結晶２６６とを有する。図２の光パラメトリック発振器１６０と同様の原理により、波長λ２のパルス光が生成され、出射される。また、光パラメトリック発振器２６０も、光パラメトリック発振器１６０と同様に、発振する波数が可変である。例えば、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザの５３２ｎｍをポンプ光とした場合、１．９μｍから２．２μｍの範囲で波長を変えることができる。
【００５７】
光パラメトリック発振器２６０から出射したパルス光は、反射鏡２９０、２９２により光路が折り曲げられ、後段の光パラメトリック発振器２８０にポンプ光として入射する。ここで、反射鏡２９０、２９２は装置全体がパルス光の進行方向に沿って長くなることを避けるために用いられている。よって、光源２４０、光パラメトリック発振器２６０、２８０および干渉フィルタ２７０を直線上に並べる場合には用いられなくてもよい。
【００５８】
光パラメトリック発振器２８０も、一対の反射鏡２８２、２８４とその間に配された非線形結晶２８６とを有する。非線形結晶２８６の一例はＺｎＧｅＰ２である。前段の光パラメトリック発振器２６０から入射されるパルス光をポンプ光として、波数ｋ４のパルス光が生成され、出射される。光パラメトリック発振器２８０から出射される赤外光のスペクトル幅は０．４ｃｍ−１程度である。
【００５９】
光パラメトリック発振器２８０も、発振する波数が可変である。例えば、前段の光パラメトリック発振器２６０からのポンプ光が１．９μｍから２．２μｍまで可変の場合に、光パラメトリック発振器２８０では、１０００ｃｍ−１から２０００ｃｍ−１（５μｍから１０μｍ）の範囲で波数を変えることができる。
【００６０】
干渉フィルタ２７０は、一対の反射鏡２７２、２７４と、ＰＺＴ２７６とを有する。当該干渉フィルタ２７０の構成および機能は、干渉フィルタ１７０と同様であるので説明を省略する。
【００６１】
以上、光源２４０では、２段の光パラメトリック発振器２６０、２８０を用いるので、当該光源２４０から出力される赤外光をより広帯域化することができる。例えば、１０００ｃｍ−１から２０００ｃｍ−１のうちの任意の波数ｋ５の赤外光を０．００１ｃｍ−１程度のスペクトル線幅で出射することができる。当該光源２４０は、上記光源１４０と切り替えて使われてもよい。両方を切り替えて使うことにより、１０００ｃｍ−１から３０００ｃｍ−１までの範囲の吸収スペクトルを検出することができる。
【００６２】
なお、図５のステップＳ１０８の時点で、または、ステップＳ１１２の時点でガス分析装置１０が検出結果を出力し、以降のステップを実験者が実行してもよい。さらに、ステップＳ１０６における正規化は、ステップＳ１０８で掃引が終了した後に行われてもよい。ステップＳ１１０の波数の校正は、ステップＳ１０５で赤外光を検出した後、または、ステップＳ１０６で検出結果を記録した後であって、ステップＳ１０８の前に都度行われてもよい。
【００６３】
処理部１３０の他の例として、特定の化合物と特異的に反応するフィルタを設けてもよい。例えば、処理部１３０にアルデヒドと特異的に反応するフィルタを設けてもよい。この場合には、処理ガス３０にはアルデヒドがほとんど含まれないので、メインチャンバ１００の検出結果と参照チャンバ１２０の検出結果とを比較することにより、参照チャンバ１２０の方には現れない吸収スペクトルは、アルデヒドに由来するものであることが分かる。同様に、処理部１３０に酸性物質を中和するフィルタを設けてもよく、この場合には上記比較により、参照チャンバ１２０の方には現れない吸収スペクトルは、酸性の物質に由来するものであることが分かる。試料ガス２０の特定の成分からＣＯ２等の既知の成分が生成された場合に当該既知の成分の量が増えるが、揮発性の有機化合物等の他の成分に比べてもともと非常に大きいので、メインチャンバ１００の検出結果から差し引く場合でも大きな影響は与えない。
【００６４】
上記実施形態においては１個の検出器１９０が時分割でメインチャンバ１００、参照チャンバ１２０および周囲雰囲気からの赤外光をそれぞれ検出する。しかしながら、メインチャンバ１００、参照チャンバ１２０および周囲雰囲気からの赤外光のそれぞれに対応して、複数の検出器が設けられてもよい。
【００６５】
試料ガス２０と、当該試料ガス２０で特定される発生要因として、人体の呼気と病名とを例示した。しかしながら、ガス分析装置１０は、他の試料ガス２０および発生要因に対して適用することができる。以下、応用例を例示する。
【００６６】
医療用途として、試料ガス２０を人体が発するガスである皮膚ガス、直腸ガス、手術の患部から出るガスとすることができる。この場合に、発生要因として、病気、ドラッグ、ドーピング、ウイルス感染症等を特定することができる。当該医療用途に用いる場合に、ガス分析装置１０は病院で用いられる他、ドーピングの有無の特定の場合には運動競技会場で、ウイルス感染症の有無の特定の場合には空港で用いられてもよい。
【００６７】
農業、林業、漁業、畜産用途として、試料ガス２０を植物から出るガス、魚から出るガス、動物から出るガスとすることができる。植物としては、例えば、穀物、野菜、果物、花、豆類などの農産物、林産物、およびそれらの加工品、特に加工食品が挙げられる。魚としては、例えば、魚介類、海棲哺乳類などの海産物、淡水産物、養殖水産物、天然水産物、およびそれらの加工品、特に加工食品が挙げられる。動物としては、哺乳動物、鳥類などの畜産物、およびそれらの加工品、特に加工食品が挙げられる。
【００６８】
この場合に、発生要因として、病気、育成状態、生産地の特定、農薬の有無、鮮度、作物の熟成状態を特定することができる。食品管理として、試料ガス２０を食品、飲料等から出るガスとすることで、ブランドの真贋、発酵食品の発酵成熟状態を特定することができる。さらに、ワイン、日本酒等の醸造酒の熟成状態を特定してもよい。特にワインはセパージュが多様であり、また、ブショネや温度変化による劣化のリスクを伴うので、当該ワインからのガスによりセパージュを同定したり、ブショネ等の劣化の有無を判定してもよい。食品管理用途に用いられる場合には、食料倉庫内でガス分析装置１０が用いられてもよい。
【００６９】
試料ガス２０を室内環境内のガスとすることで、アレルゲン等の人体に影響を与える化合物の有無を特定することができる。試料ガス２０を自動車や工場の排気ガスとすることで、当該排気ガスのモニタリングをすることができる。
【００７０】
試料ガス２０を被災地の瓦礫の周囲のガスとすることで、人体または動物の呼気に含まれる成分をマーカーとして、生存者、生存動物の発見に用いることができる。貨物船に当該ガス分析装置１０を積んで海洋を航行することで、メタンハイドレード等の資源の探索に用いることできる。
【００７１】
上記いずれの応用例においても、当該要因が発生していることが明らかなサンプルからのガスについて、ガス分析装置１０を用いて吸収スペクトルのプロファイルを取得して要因格納部１９４に格納しておいて図５の動作を行うことが好ましい。これにより、当該プロファイルに含まれる吸収スペクトルのピークがいずれの化合物に由来するかを特定しなくても、試料ガス２０に対して当該要因が発生しているか否かを知ることができる。この場合に、当該プロファイルは、複数のサンプルについて平均されたものであることが好ましい。
【００７２】
特に、疾患ごとに分類された被験者の呼気、皮膚ガスの赤外線吸収スペクトルのプロファイルを、ガス分析装置１０を用いて蓄積して、サーバ上でデータベース化を行い、統計解析を行うことが好ましい。上記データベースには、吸収スペクトルのプロファイルと疾患名とが対応付けて格納される。これにより、疾患由来の呼気成分が未同定であっても、被験者の呼気、皮膚ガスの赤外線吸収スペクトルとデータベースとを比較、照合して、その合致度から統計的に疾患名を同定して、病気を診断することができる。これにより、呼気、皮膚ガス診断の確度を飛躍的に向上させ、ヘルスケアや未病診断の早期に実用化することができる。こうした分析手法およびデータベースはヘルスケアや未病診断の実用化を加速するだけでなく、得られた疾患ごとの赤外吸収スペクトルから、疾患に起因する生体生成物の同定や生体内反応、発病メカニズムの解明研究においても有益な情報を提供することができる。またこれにより、複雑なガス混合系から、疾患ごとに得られたビックデータを統計解析してヘルスケアや未病診断に利用することができる。
【００７３】
この場合に、単一成分のみから推測される疾患は複数存在することがあるので、広帯域の光源１４０を用いて複数成分を同時にモニタリングすることで、診断確度を向上させることができる。これにより、呼気、皮膚ガス成分を網羅的に分析するという、メタボローム解析を実現することができる。さらに、呼気、皮膚ガスをバイオマーカーとする非侵襲生体分析は、その簡便な方法から患者の負担軽減や医療費の抑制につながることが期待されており、健康な生活維持、また病気の前兆を早期に発見し、その後の精密検査、治療に結びつけるといった未病診断が可能となる。
【００７４】
また、本実施形態では、呼気、皮膚ガスなどの測定対象のガスの全成分の赤外吸収スペクトルを網羅的に分析して、疾患ごとに特徴的な吸収線を統計解析し、得られた吸収線情報から成分同定や生体反応・メカニズムへの詳細解明へ貢献するというトップダウン方式による研究プロセスが実行される。当該研究プロセスは、ＤＮＡ、タンパク質情報、食事、大気汚染等の環境要因から分子レベルでの生体反応、発病メカニズムの解明という従来のボトムアップ方式による研究プロセスと相互補完関係にある。これら両方の研究プロセスにより、ヘルスケア・未病診断への応用が促進される。
【００７５】
また、データベースはガス分析装置１０と一体化していてもよいし、ガス分析装置１０とは異なる場所に配され、ネットワークを経由してガス分析装置１０と接続されてもよい。データベースがネットワーク経由でガス分析装置１０に接続されている場合には、端末としてのガス分析装置１０が模倣されたとしても、病気を診断したりガス成分を同定するための根源となるプロファイルを含むアルゴリズムはデータベースに蓄積されているので、それによっては漏洩せず、適切な知財保護が図られる。
【００７６】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、請求の範囲の記載から明らかである。
【００７７】
請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
【符号の説明】
【００７８】
１０  ガス分析装置、２０  試料ガス、３０  処理ガス、１００  メインチャンバ、１０２  本体、１０４  反射鏡、１０６  開口、１０８  反射鏡、１１０  吸気口、１１２  排気口、１１４  配管、１２０  参照チャンバ、１２６  配管、１３０  処理部、１４０  光源、１５０  レーザ源、１６０  光パラメトリック発振器、１６２  反射鏡、１６４  反射鏡、１６６  非線形結晶、１７０  干渉フィルタ、１７２  反射鏡、１７４  反射鏡、１７６  ＰＺＴ、１８０  光学系、１８２  第１分離器、１８４  第２分離器、１８６  第１反射鏡、１８８  第２反射鏡、１９０  検出器、１９２  分析部、１９４  要因格納部、１９６  制御部、１９８  制御装置、２４０  光源、２５０  レーザ源、２６０  光パラメトリック発振器、２６２  反射鏡、２６４  反射鏡、２６６  非線形結晶、２７０  干渉フィルタ、２７２  反射鏡、２７４  反射鏡、２７６  ＰＺＴ、２８０  光パラメトリック発振器、２８２  反射鏡、２８４  反射鏡、２８６  非線形結晶、２９０  反射鏡、２９２  反射鏡
【図１】
2016063918.tif 000003
【図２】
2016063918.tif 000004
【図３】
2016063918.tif 000005
【図４】
2016063918.tif 000006
【図５】
2016063918.tif 000007
【図６】
2016063918.tif 000008
【図７】
2016063918.tif 000009
【国際調査報告】
2016063918.tif 000010
2016063918.tif 000011
2016063918.tif 000012
2016063918.tif 000013
2016063918.tif 000014
2016063918.tif 000015
2016063918.tif 000016
2016063918.tif 000017