(57)【要約】本発明は、生物体及び天然物の状態を、１種又は複数種の物質を混合気体中に測定することにより評価する方法であって、高真空中で分析対象の混合気体試料にイオンビームを作用させてイオンビームのイオンの内部エネルギーで試料分子をイオン化する質量分析計により測定を行い、測定で得た値の評価により該状態を判定することを特徴とする方法に関連する。さらに本発明は、高真空中で混合気体試料にイオンビームを作用させてイオンビームのイオンの内部エネルギーで試料分子をイオン化する質量分析計により１種又は複数種の主成分と１種又は複数種の副成分とを含む混合気体を分析する方法であって、少なくとも１種の主成分は０．１体積％以上の濃度範囲で測定し、また少なくとも１種の副成分は０．１体積％以下の濃度範囲で測定することを特徴とする方法に、またキャピラリー内の圧力勾配を利用して分析対象の混合気体試料から定圧の中間真空中で分子線を発生させ、該分子線から高真空中で第２分子線を発生させ、第２分子線の試料分子をイオン化するような気体試料導入系を備えた質量分析計を含む混合気体分析装置に、それぞれ関連する。
2004517340.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
環境大気中に諸物質を放出する生物体及び天然物の状態を、該諸物質のうちの１種又は複数種を混合気体中に測定することにより評価する方法であって、高真空中で分析対象の混合気体試料にイオンビームを作用させてイオンビームのイオンの内部エネルギーで試料分子をイオン化する質量分析計により測定を行い、測定で得た値の評定により該状態を評価する方法。
【請求項２】
生物体が人間又は動物である請求項１に記載の方法。
【請求項３】
混合気体が人間の呼気である請求項２に記載の方法。
【請求項４】
混合気体が主成分と副成分を含み、少なくとも１種の主成分は０．１体積％以上の濃度範囲で測定し、また少なくとも１種の副成分は０．１体積％以下の濃度範囲で測定することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
高真空中で混合気体試料にイオンビームを作用させてイオンビームのイオンの内部エネルギーで試料分子をイオン化する質量分析計により１種又は複数種の主成分と１種又は複数種の副成分とを含む混合気体を分析する方法であって、少なくとも１種の主成分は０．１体積％以上の濃度範囲で測定し、また少なくとも１種の副成分は０．１体積％以下の濃度範囲で測定する方法。
【請求項６】
少なくとも１種の主成分は１体積％以上の濃度範囲で測定し、また少なくとも１種の副成分は０．０３体積％以下の濃度範囲で測定する請求項４又は５に記載の方法。
【請求項７】
質量分析計で得たデータの評定を目的に少なくとも１種の主成分と少なくとも１種の副成分の間に相関関係を確立する請求項４、５又は６に記載の方法。
【請求項８】
試料を前処理せずに質量分析計に供給する請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
混合気体中の分子構造の異なる２種以上の物質を１回の測定で測定する請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
１種又は複数種の物質の濃度を定量的に測定する請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
蒸気圧が１０−３ミリバール以上である混合気体成分をすべて測定する請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
キャピラリー内の圧力勾配を利用して分析対象の混合気体試料から定圧の中間真空中で分子線を発生させ、該分子線から高真空中で第２分子線を発生させ、第２分子線の試料分子をイオン化するような気体導入系を備えた質量分析計を含む混合気体分析装置。
【請求項１３】
第２分子線の試料分子をイオンビームのイオンの内部エネルギーによってイオン化する請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
イオン化した分子線を八重極イオンガイド電場の力を借りて蓄積する請求項１２又は１３に記載の装置。
【請求項１５】
中間真空の圧力が０．２〜２００ミリバール好ましくは１〜１００ミリバールさらに好ましくは５〜５０ミリバールである請求項１２、１３又は１４に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、環境大気中に諸物質を放出する生物体及び天然物の状態を、該諸物質のうちの１種又は複数種を混合気体中に測定することにより評価する方法に、主成分と副成分を含む混合気体を分析する方法に、及びそれらの方法を実行するための気体試料導入系を備えた質量分析計を含む装置に関連する。
【０００２】
生物体及び天然物の状態の評価には主に侵襲的方法すなわち検査対象から試料を採取し試験所で分析するという方法が使用される。たとえば人体に関する最新の医療診断では主に血液、尿又は便を検査して臨床像や代謝障害を明らかにする。これらの方法は第１に、試料採取自体が被検者に影響を及ぼすという難点がある。第２に、医療専門家による採血といった複雑な試料採取が必要となる場合もある。加えて、試料自体の分析が熟練者だけに可能であり、またほとんどの場合、分析に多大の時間を要する。
【０００３】
さらに、胃炎を伴うピロリ菌（Ｈｅｌｉｃｏｂａｃｔｅｒ ｐｙｌｏｒｉ）感染の診断では質量分析計の使用による人間の呼気の１３Ｃ分析といった方法が知られているが、そうした方法は特定成分の測定が高度に専門化していて、しかも同成分は狭い濃度範囲でしか測定できないという難点がある。そのうえ、混合気体の分析に先立って被検者に誘発剤を摂取させたり、採取後の試料を前処理（濃縮など）したりしなければならない。
【０００４】
混合気体分析の分野では、質量分析計を使用する多様な方法が、たとえばガスクロマトグラフと質量分析計とのカップリング（ＧＣ／ＭＳ）などが知られている。そうした方法は、異なる濃度範囲の数種の成分を測定する方法としては大いに時間がかかり、また費用もかかるのが難点である。
【０００５】
従って、環境大気中に諸物質を放出する生物体及び天然物の状態を評価するための、公知の先行技術方法のそうした難点を免れるような方法を提供することが本発明の課題である。
【０００６】
混合気体の主成分と副成分の迅速な測定を可能にするような混合気体分析方法を提供することもまた本発明の課題である。
【０００７】
本発明の更なる課題は、前述の方法を実行するうえで好適でありかつ成分の濃度範囲が広い混合気体試料の迅速な分析を可能にするような混合気体分析装置を提供することである。
【０００８】
本発明は、高真空中で分析対象の混合気体試料にイオンビームを作用させてイオンビームのイオンの内部エネルギーで試料分子をイオン化するような質量分析計を使用すれば以上の諸課題を解決することができるという発見に基づく。
【０００９】
本発明は従って、環境大気中に諸物質を放出する生物体及び天然物の状態を、該諸物質のうちの１種又は複数種を混合気体の成分として測定することにより評価する第１の方法であって、高真空中で分析対象の混合気体試料にイオンビームを作用させてイオンビームのイオンの内部エネルギーで試料分子をイオン化する質量分析計で該測定を行い、測定で得た値の評定により該状態を評価することを特徴とする方法を提供する。
【００１０】
本方法を使用すれば、生きた及び死んだ生物体とその部分の状態並びにあらゆる種類の天然物の状態を評価することができる。天然物は本発明では、果実、野菜、食肉、牛乳などの天然物、天然生産方法により得られるワイン、ビール、チーズ、食用油などの産物、及び天然物の加工によって得られるコーヒー豆、燻製ハムなどの産物をいう。
【００１１】
混合気体は本発明では、室温で気体である主成分だけでなく、主成分により形成される気相中に存在する他成分をも含む諸物質の混合体をいう。
【００１２】
高真空中で分析対象の混合気体試料にイオンビームを作用させてイオンビームのイオンの内部エネルギーで試料分子をイオン化する質量分析計はたとえば欧州特許第０２９０７１１号明細書、同０２９０７１２号明細書及び独国特許第１９６２８０９３号明細書で開示されている。これらの明細書の開示は参照指示により本書に組み込まれる。
【００１３】
本方法は検査対象の生物体又は天然物から試料を人為的に採取する必要がなく、従って該生物体又は天然物を傷つけずに済むという利点がある。従ってこれは非侵襲的方法である。更なる利点として本方法による試料分析の所要時間は数分程度にすぎない。加えて、本方法には混合気体の数種の成分を測定する際に個別測定成分の分析を妨げるような妨害を実質的に受けないという利点もある。
【００１４】
本方法は好ましい実施態様では、人間及び動物の状態の評価に使用する。この場合、被検者から血液試料などの試料を採取する必要はないという利点が特に注目される。というのは、そうした試料採取を行うには熟練者、たとえば人間の場合なら医師が必要となるからである。加えて、そうした試料採取は人間や動物に不快感を及ぼす。それに対して非侵襲的な本方法では、試料採取は第１に不快感を及ぼすことがなく、第２に非熟練者又は被検者本人にも可能であるという利点がある。
【００１５】
本方法は更なる好ましい実施態様では、人間の呼気を混合気体として使用する。これには、第１に試料採取がごく簡単にできる、第２に呼気に含まれる諸物質は被検者の状態について実に多数の臨床像や代謝過程の点から所見を下すことを可能にするという利点がある。
【００１６】
さらに、分析対象の混合気体は主成分と副成分を含み主成分濃度は副成分濃度の１０倍以上、好ましくは５０倍以上、さらに好ましくは１００倍以上であるのが好ましい。
【００１７】
本発明の更なる好ましい実施態様では、分析対象の混合気体は主成分と副成分を含み、少なくとも１種の主成分は０．１体積％以上好ましくは１体積％以上の濃度範囲で測定し、また少なくとも１種の副成分は０．１体積％以下好ましくは０．０３体積％以下の濃度範囲で測定する。
【００１８】
さらに好ましくは、質量分析計で得られたデータの評価を目的に少なくとも１種の主成分と少なくとも１種の副成分の間に相関関係を確立する。これはたとえば１種又は複数種の副成分の測定を１種又は複数種の主成分の測定で校正することにより確立することができる。
【００１９】
本発明の更なる好ましい実施態様では、混合気体試料を前処理せずに質量分析計に供給する。これは、第１に試料測定の所要時間を極力短くし、第２に試料の濃縮といった前処理ステップに伴う追加費用を削れるという利点をもたらす。
【００２０】
さらに好ましくは、本方法では混合気体中の分子構造の異なる２種以上の物質を１回の測定で測定する。
【００２１】
更なる好ましい実施態様では、本方法により混合気体中の１種又は複数種の物質の濃度を定量的に測定する。本方法は高真空中で分析対象の混合気体試料にイオンビームを作用させてイオンビームのイオンの内部エネルギーで試料分子をイオン化する質量分析計による測定を含むため、被測定物質の量は検出シグナルに正比例し、従って簡単に定量的検出が行える。定量的測定には、生物体及び天然物の状態に関して広範な所見を下すことを可能にするという利点もある。特に、多数の測定値を連続的に取る場合には諸物質の濃度変化を、従って生物体又は天然物の状態の変化を確認することができる。
【００２２】
さらに好ましくは、少なくとも１種の主成分及び少なくとも１種好ましくは複数種の副成分の濃度を定量的に測定する。この好ましい実施態様では質量分析計のデータの評価に際して、被測定副成分の濃度を１種又は複数種の被測定主成分の濃度で校正するのが好ましい。
【００２３】
更なる好ましい実施態様では、本方法は室温での蒸気圧が少なくとも１０−３ミリバールである物質だけの測定に使用する。さらに、蒸気圧が１０−３ミリバール以上である混合気体成分はすべて測定するのが好ましい。
【００２４】
本発明の更なる好ましい実施態様では、分析対象の混合気体は主成分が大気の主成分と実質的に同じである。さらに好ましくは、分析対象の混合気体は主成分の濃度もまた大気又は人間の呼気の主成分の濃度と実質的に同じである。
【００２５】
本発明の更なる好ましい実施態様では、質量分析計での検出に際し分子量が５００以下好ましくは２００以下である分析対象の混合気体の成分をすべて定量的に検出する。
【００２６】
本発明の更なる好ましい実施態様では、高真空中で試料分子に作用するイオンビームが原子イオンビームを含む。
【００２７】
さらに好ましくは、イオンビームが基底電子状態にあるイオン及び／又は選択的に励起された準安定状態にあるイオンを含む。
【００２８】
本発明の更なる好ましい実施態様では、高真空中で試料分子に作用するイオンビームがイオン化エネルギーの異なる少なくとも２つのイオンビームを含む。
【００２９】
本発明の更なる好ましい実施態様では、高真空中で試料分子に作用するイオンビームが水銀イオンビームを含む。
【００３０】
本発明の更なる好ましい実施態様では、高真空中で試料分子に作用するイオンビームが水銀イオンビームのほかに、さらにクリプトンイオンビーム及び／又はキセノンイオンビームを含む。
【００３１】
さらに好ましくは、異なるイオンビームが高真空中で試料分子に連続的に作用する。
【００３２】
本方法はイオン化エネルギーが１７電子ボルト未満の物質の測定に使用するのが好ましい。
【００３３】
本発明はさらに、高真空中で分析対象の混合気体試料にイオンビームを作用させてイオンビームのイオンの内部エネルギーで試料分子をイオン化する質量分析計により１種又は複数種の主成分と１種又は複数種の副成分とを含む混合気体を分析する第２の方法であって、少なくとも１種の主成分は０．１体積％以上好ましくは１体積％以上の濃度範囲で測定し、また少なくとも１種の副成分は０．１体積％以下好ましくは０．０３体積％以下の濃度範囲で測定することを特徴とする方法を提供する。
【００３４】
本方法は、混合気体の主成分と副成分の高速同時測定を可能にしもって該混合気体について広範囲の所見を下すことを可能にするという利点をもたらす。
【００３５】
好ましい実施態様では質量分析計で得たデータの評定を目的に少なくとも１種の主成分と少なくとも１種の副成分の間に相関関係を確立する。これはたとえばデータの評価が副成分データを主成分データに照らして標準化することにより行えるという利点をもたらす。さらに、たとえば主成分比率は不良試料の推断と除外を可能にする。
【００３６】
本方法の更なる好ましい実施態様は本発明の第１の方法に関して説明した実施態様であり、それは第２の方法にもあてはまる。
【００３７】
本発明はさらに、キャピラリー内の圧力勾配を利用して分析対象の混合気体試料から中間真空の圧力が一定に保たれたその中間真空中で分子線を発生させ、該分子線から高真空中で第２分子線を発生させ、第２分子線の試料分子をイオン化するような気体試料導入系を備えた質量分析計を含む混合気体分析装置を提供する。
【００３８】
本装置は、質量分析計の高真空分析部に到達する第２分子線が定粒子密度を有するという利点をもたらす。これにより第２試料分子線の粘性が一定に保たれる。加えて、本装置は高密度の第２試料分子線を実現するが、それにより試料分子線へのイオンビーム作用に必要な単一衝撃条件が同時に広く行き渡る。従って、質量分析計の感度をまずｐｐｂの範囲まで高め、同時に混合気体の成分を体積％の範囲で測定することが可能である。
【００３９】
さらに、本装置の気体試料導入系は混合気体試料に含まれる成分に対して不活性であり、新試料の測定に先立って系を洗浄処理する必要がない。
【００４０】
第２分子線の試料分子のイオン化はイオンビームのイオンの内部エネルギーによって行うのが好ましい。
【００４１】
本装置の好ましい実施態様では、高真空中で試料分子に作用するイオンビームがイオン化エネルギーの異なる少なくとも２つのイオンビームを含む。
【００４２】
本装置の更なる好ましい実施態様では、高真空中で試料分子に作用するイオンビームが原子イオンビームを含む。
【００４３】
さらに好ましくは、イオンビームが基底電子状態にあるイオン及び／又は選択的に励起された準安定状態にあるイオンを含む。
【００４４】
本装置の更なる好ましい実施態様では、高真空中で試料分子に作用するイオンビームが水銀イオンビームを含む。
【００４５】
本発明の更なる好ましい実施態様では、高真空中で試料分子に作用するイオンビームが水銀イオンビームのほかに、さらにクリプトンイオンビーム及び／又はキセノンイオンビームを含む。
【００４６】
さらに好ましくは、異なるイオンビームが高真空中で試料分子に連続的に作用する。
【００４７】
本発明の更なる好ましい実施態様では、イオン化した分子線を八重極イオンガイド電場の力を借りて蓄積する。
【００４８】
さらに好ましくは、中間真空の圧力は０．２〜２００ミリバール好ましくは１〜１００ミリバールさらに好ましくは５〜５０ミリバールとする。
【００４９】
好ましくは、高真空の圧力は１０−７ミリバール以下とする。
【００５０】
中間真空中の分子線は質量分析計に供給される混合気体と中間真空との間の圧力勾配を用いて発生させるのが好ましくいが、該混合気体の圧力は５００ミリバール以上であるのが好ましい。
【００５１】
本発明の両方法は本装置の使用を含むのが好ましい。
【００５２】
以下、本発明の若干の用途分野を説明する。
【００５３】
人間の呼気は主成分の窒素、酸素、水及びＣＯ２だけでなく、４００種超の揮発性物質をも含む。窒素と酸素は呼気の９０％超を占め、ＣＯ２は約５％を占め、また水の濃度は３７℃で最高４０ミリグラム／リットルであろう。一方、呼気中の他の揮発性物質は大部分が副成分として存在し、主成分の濃度を著しく下回る。しかし、呼気の副成分こそが、人間の健康状態又は人体中の代謝過程について幅広い結論を導き出すことを可能にする。
【００５４】
たとえば呼気中のメタン濃度の上昇は小腸での大腸菌の異常増殖に起因する場合があり、小腸内で産生されたメタンは血流を経て肺に達し、呼気として放出される。また、高メタン濃度はある種の栄養不良に起因する場合もある。
【００５５】
糖尿病では呼気中のアセトン濃度が上昇する。
【００５６】
体内のがん細胞は呼気中のアルデヒド濃度を高める場合がある。
【００５７】
肝炎患者では、呼気中のプロパノール／エタノール比が約１０倍高くなる。
【００５８】
呼気中のペンタン値は体内リパーゼ活性の変化とそれに伴う疾患の指標である。たとえばリューマチ性炎症、高濃度酸素の吸入に由来する肺損傷、心筋梗塞患者及び呼吸器がん患者ではペンタン値の上昇が検出される。呼気中のペンタン値はまた、統合失調症や多発性硬化症に伴って上昇する場合もある。さらに、被検者の年齢と呼気中ペンタン値との間には線形関係が確認されている。
【００５９】
統合失調症患者では、呼気中ＣＳ２及びＨ２Ｓ値の上昇も確認されている。
【００６０】
炎症巣を生じさせる細菌負荷は呼気中ＮＯ値を上昇させる。
【００６１】
胃腸管疾患では呼気ＮＯ及びＮＯ２値の変化が確認されている。
【００６２】
呼気ＮＯ値は喘息患者でも上昇する。
【００６３】
溶血性疾患たとえば新生児溶血性疾患では、呼気ＣＯ値が上昇する。
【００６４】
肺がん患者では、ある種の揮発性有機化合物の値が上昇する。
【００６５】
喫煙者では呼気中の２，５−ジメチルフラン値が上昇する。
【００６６】
さらに、口腔及び鼻咽喉性の口臭や肝性口臭では呼気成分の強烈な変化が確認されるはずである。これらの疾患では口からと鼻からの人間の呼気の比較測定により、口腔、咽頭腔又は鼻腔内に局所的な原因が存在するのか、それとも別の疾患が存在するのかを確認することができる。
【００６７】
脂質分解の亢進に伴い体内脂肪酸供給が高まれば呼気中ケトン値が上昇しよう。これは空腹やインスリン欠乏（糖尿病）など種々の原因が考えられる。
【００６８】
ケトン尿症でもケトン体（アセト酢酸、Ｒ３ヒドロキシ酪酸、アセトン）濃度の上昇が確認される。これは脂質代謝障害の結果として起こる肝臓内グリコーゲン欠乏に起因する。糖尿病性昏睡、絶食状態又はアルコール中毒などに伴うケトアシドーシスでは、呼気中のプロピオン酸及び酪酸濃度の上昇を確認することができる。
【００６９】
慢性腎不全や尿毒症では、たとえば呼気中フェノール値の上昇を認めることができる。
【００７０】
人体内細菌の代謝産物たとえばＣＯ２やＨ２（大腸菌の場合）又はＨ２Ｓ （変形菌の場合）も呼気中に検出することができる。特にクロストリジウム（ガス壊疽菌）感染では、揮発性脂肪酸が検出可能である。
【００７１】
リポタンパク質含有食品の摂取後は、アセトン及びＮＨ３値が摂取前よりも低くなるが、その回復は徐々にしか進行しない。食品摂取直後はエタノール値の上昇を確認することができる。イソプレンと及びメタノール値は実質的に不変のままである。
【００７２】
特定の糖に対する不耐性では、そうした糖を摂取した後の被検者で呼気中Ｈ２値の上昇を確認することができる。
【００７３】
疲労倦怠ではイソプレン値の上昇が確認される。
【００７４】
精神向上薬を使用すると呼気中のアミン化合物の数が増すであろう。従って本方法を使用すれば、たとえばパイロット、列車機関士又はバス運転手を乗務前に検査することができる。
【００７５】
たとえば一流スポーツ選手が試合前にドーピング剤を摂取した場合にもその呼気成分がドーピング剤非摂取選手と比較して変化するので、試合前にスポーツ選手をドーピング検査することができる。
【００７６】
本方法は以上のように人体の各種の臨床像や代謝障害の診断に使用することができる。
【００７７】
加えて、本方法は医薬摂取後の生物体の代謝のモニタリング、治療処置のモニタリングたとえば治癒過程の継続的チェック、及びある物質を一定（高）用量投与して該物質に対する生体の反応を追跡調査する誘発試験のモニタリングに使用することができる。
【００７８】
本方法は人間の呼気の分析に限定されない。試料は人間の異質の混合気体たとえば汗、及び尿、血液、便及び他体液の気相から採取することもできる。
【００７９】
試料採取は被検者がたとえば汗の分析を目的に填綿で汗を吸い取るという方法で行うこともできる。後は填綿上の気相を分析する。
【００８０】
さらに、本方法は各種天然物の品質管理に使用し、たとえば該天然物上の気相中に特定の気相物質が存在すれば該天然物の分解の徴候とすることができる。たとえば生鮮食肉上の気相の分析では、まず乳酸が検出され、次いで熟成の進行に伴いＮＨ３が上昇し、最後にＳ化合物が確認される。
【００８１】
本方法の用途としてはさらに、たとえばＢＳＥにかかった動物の、呼気成分の変化による検出なども考えられる。
【００８２】
本発明の更なる用途分野は、人間の呼気の分析による診断の可能性を記述しているＢ． Ｋｒｏｔｏｓｚｙｎｓｋｉ ｅｔ ａｌ．， Ｊ． Ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈ， Ｓｃｉ． １５ （１９７７） ２３９−２４４の論文に由来する。同論文の開示は参照指示により本書に組み込まれる。
【００８３】
以上の用途例が示唆するように生物体及び天然物の状態は通常、ある種の疾病の有無といった特定の問題との関連で評価されよう。従って、本方法ではそうした特定の問題に関連する重要成分を混合気体中に測定するのが好ましい。
【００８４】
本方法では好ましくは少なくとも２種の、さらに好ましくは少なくとも３種の、そして最も好ましくは少なくとも５種の重要成分を測定する。さらに好ましくは、多くとも２０種の、特に好ましくは多くとも１０種の重要成分を測定する。
【００８５】
以下、更なる好ましい詳細を参照しながら本発明の方法と装置について説明する。本明細書の詳細な説明は主に人間の呼気の分析に関連する。
【００８６】
試料採取と質量分析計への試料の供給は第１に、分析対象の混合気体が存在する気体スペースと質量分析計との間に直接的な連絡を形成するようにして行うことができる。人間の呼気の場合には、これはＷＯ ９９／２０１７７に記載の要領で、呼吸マスクを用いて行なうことができる。
【００８７】
被検者の呼気はこの呼吸マスクを通じて質量分析計に直接供給される。供給される混合気体の変化に対する質量分析計の応答時間はミリ秒台であるため、これは被検者の呼気成分のオンラインリアルタイムデータの獲得を可能にする。たとえば被検者の体内で急速に進行する物質代謝たとえば分解し易い医薬の急速な分解などを直接観測することができる。
【００８８】
この方法（オンライン方式）はたとえば救急医療の現場で、たとえば容態の急変を検出するために用いることができる。オンライン方式の更なる用途はたとえば誘発試験後の代謝過程のリアルタイムモニタリングなどであろう。
【００８９】
また試料採取は、被検者と質量分析計が時間的、空間的に互いに隔てられている場合に、呼気試料をまず好適な容器に保存するようにして行うこともできる。この場合、保存には容量２０ミリリットルのガラス製バイアルを使用するのが好ましい。
【００９０】
そうしたバイアルは第１にきわめて費用効果的で、１回限りの使用に適するという利点がある。加えて、不活性という点で他の気体保存システムに比べて卓越しており、オートサンプラーにも楽に対応する。
【００９１】
試料採取は被検者が、一様に（好ましくは鼻から）息を吸い通常のストローでバイアル中に、バイアル底の上約１〜２センチメートルの位置に息を吐き出して行う。次いでバイアルを気密に密閉する。密閉はクリンプキャップを使用して、試料採取後のガラス製バイアルにしっかりと圧着させて行うのが好ましい。被検者による呼気後バイアルを密閉するまでの数秒という時間は被検者が吐き出した混合気体に組成の変化などの悪影響を何ら及ぼさないことが確認されている。
【００９２】
クリンプキャップは好ましくは、バイアル内部（すなわち吐き出された混合気体）とキャップとの直接接触部を完全にテフロンで被覆するような構造とする。ガラス製バイアルの口は、その上縁が円錐状に外側に傾斜した形となるように設計するのが有利である。あとはブチルゴム製アウターリングを包含するようにクリンプキャップを形成すれば、該リングがバイアルの円錐状外壁に弾性的に付着して密閉機能を果たすようにすることができる。こうした好ましい実施態様のガラス製バイアル密閉方式は被検者が吐き出した混合気体に対する最大限の不活性を保証する。
【００９３】
被検者の所在地点の環境大気の組成と該環境大気のコンタミネーションの有無を確認しうるようにするため、被検者の呼気を詰めたガラス製試料バイアルとは別に、被検者の呼気と接触していない第２バイアルを被検者環境中で密閉して基準バイアルとする。
【００９４】
被検者の呼気は密閉ガラス製バイアルに数日間、変質をきたすことなく保存することができる。これは、たとえば試料を主治医から分析試験所に送るときなどに便利である。この試料採取方法はオフライン方式ともいい、簡単なので非熟練者にもできるという利点がある。
【００９５】
天然物の状態を判定する場合にも同様に、オフライン又はオンラインで試料採取することができる。たとえばオフライン方式では、バイアルを検査対象天然物の直上の気相としばらく接触させてから密閉すればよい。
【００９６】
質量分析計に試料を供給するには、試料をまずたとえばオートサンプラーにセットする。これはたとえば、７０本の試料バイアルと基準バイアルからなる７０個の試料の全自動サンプリングが可能なように改良した改良型の“Ｓｔｅｐ−Ｆｏｕｒ Ｂａｓｉｃ ５４０ Ｍｉｌｌｉｎｇ”タイプのＣＮＣシステムでもよい。
【００９７】
試料は質量分析計に供給する前に、好ましくは室温よりも高い温度に、さらに好ましくは６５℃に加熱する。これには、一方では試料分析の再現性を高め、他方では水溶性極性化合物すなわち呼気水分中の溶存化合物を気相化し易くするという利点がある。
【００９８】
混合気体はオートサンプラーよりも高温のホットキャピラリーを経て、キャピラリーよりもさらに高温の気体試料導入系に至る。気体のキャピラリー通過量は約５ミリリットル／分以下である。質量分析計の気体試料導入系は圧力及び粘性変動を補償するように構成して、質量分析計の分析部に常に同じ密度で粒子が注入されるようにする。
【００９９】
混合気体試料の分析にはイオンビームが高真空中で試料分子に作用する質量分析計を使用する。このタイプの質量分析計は個別検出質量の定量的濃度値を得るための校正を必要としない。従って絶対濃度が直接表示される。本発明の質量分析計はさらに、１０−７体積％（ｐｐｂ）〜１０２体積％の濃度範囲すなわち１０９の範囲で質量の濃度の線形測定を可能にする。これは測定済み質量の量が測定から直接得られることを意味する。
【０１００】
混合気体の諸成分は質量分析計で分子量に応じて検出する。この目的のために、気体試料を高真空室に導入し、イオンに変換してから、電磁場で質量に応じて選別し粒子計数器で計数する。
【０１０１】
高真空中で混合気体試料の分子線に作用するイオンビームは水銀イオンビームを含むのが好ましい。水銀イオンビームは、測定対象化合物の９０％余りをイオン化するに足る１０．４電子ボルトのイオン化エネルギーをもつ。この場合、呼気主成分のＮ２やＯ２はイオン化されず、呼気副成分だけが選択的にイオン化され、検出される。これは存在量が１０−７体積％以下の微量成分の定量的測定さえも可能にする。加えて、水銀イオンビームはごく少数の化合物をフラグメント化するだけである。
【０１０２】
Ｎ２とＣＯ、又はホルムアルデヒドとＮＯ、又はＣＯ２とＮＯ２のように異なる分子でも分子量は同じという場合があるので、質量分析計は異なるイオン化レベルすなわち少なくとも２つの主イオンビームを使用し、同質量の異分子を識別しうるようにするのが好ましい。この識別は、各分子がイオン化する際のイオン化エネルギーは個別に異なることを原理とする。
【０１０３】
水銀イオンビームはクリプトンイオンビーム及び／又はキセノンイオンビームと併用するのがさらに好ましい。異なるイオンビームは測定時に任意の順序で使用することができる。
【０１０４】
従って、１３．９電子ボルトのエネルギーもつクリプトンイオンビームはたとえば質量が同じでもイオン化エネルギーがそれぞれ１４．２電子ボルトと１３．７電子ボルトというように異なるＮ２とＣＯの識別に使用することができる。
【０１０５】
更なる分離効果は定義済みフラグメントイオンの形成によって得られる。たとえば同じ質量の分子であるメタノールとＯ２はキセノンイオンビーム（１２．２電子ボルト）でイオン化して質量３２のＯ２＋イオンと質量３１のＣＨ３Ｏ−イオンを形成することにより識別される。さらに高級な炭化水素は、たとえば水銀イオンビーム（１０．４電子ボルト）により生成される１０電子ボルト台のイオン化エネルギーを必要とする。
【０１０６】
混合気体試料の測定はイオン化後の分子量が５００以下好ましくは２００以下のすべての質量の濃度を定量的に測定することにより行われる。
【０１０７】
被検者の呼気試料については、質量分析計により２００の可能質量の測定で１００の質量が検出された。これらの質量はこれまでに次の化合物と関連付けることができた： 二酸化炭素、一酸化炭素、水、エタノール、イソプレン、メタン、アセトン、アンモニア、ギ酸、酢酸、アセトアルデヒド、アセチレン、アセトニトリル、ベンゼン、メチルアミン、ホルムアルデヒド、硫化水素、亜硝酸、メタノール、酸素、プロパノール、トルエン、メチル基、エチル基、一酸化窒素、水付加物としてのプロトン化水、アセチル基、ホルミル基、ホルムアルデヒド＊プロトン化水、ピリジン、ペンタン、シクロペンタン、メチルエチルケトン、プロピオン酸、酪酸、メチルメルカプタン、エチレン、一酸化二窒素、プロパン及び二酸化硫黄。
【０１０８】
これらの物質は個別に、群単位で、又は一括して定性的及び定量的に測定することができるが、測定に際して個別測定成分間に妨害は存在しない、すなわちある成分の定量的測定が他成分の存在によって妨げられることはない。
【０１０９】
本方法には各種の化合物たとえば酸や塩基、極性及び無極性物質を１回の測定で同時に測定することができるという利点がある。
【０１１０】
呼気試料の分析で特に重要なのは試料の妥当性確認、すなわちコンタミネーションが起きた試料または他の理由で使えない試料の検出又は廃棄である。この目的のために、試料のＣＯ２値をまず確認する。混合気体試料がバイアルから取り出される６５℃の温度ではＣＯ２値は通常、約２〜３．５体積％である。このＣＯ２値は正常な呼気試料では約１０％の変動範囲に限られることが既に確認されている。従って実測ＣＯ２値がこの正常範囲を有意に逸脱する場合には、試料バイアルの密封又は取り扱いが不適切であったか、又は被検者が息の吐き出し方を誤ったために肺の呼気が試料に含まれなかったと想定されることになる。
【０１１１】
被検者周辺の（被検者の呼気を含まない）環境大気を封入した第２の基準バイアルを分析すれば、どのような物質が環境大気のコンタミネーションを引き起こしたかを確認することができる。従って、特定物質によるコンタミネーションがひどすぎる場合にはそうした試料もまた廃棄することができる。
【０１１２】
前述の基準又は更なる基準による測定の妥当性確認は特に医療診断の分野ではきわめて重要である。というのは、それによって試料の品質が明確にされ、誤った測定を行う、ひいては被検者の状態について誤った所見を下すリスクが大幅に低下するからである。ＣＯ２の測定だけでなくＮ２、Ｏ２、Ｈ２Ｏなどの呼気主成分の測定も日課として行うことができる。
【０１１３】
測定作業は各試料バイアル及び基準バイアルについて少なくとも５回繰り返し（５サイクル）、その平均値を求める。２００の質量を測定する場合、１サイクルの所要時間は約１分である。
【０１１４】
測定作業では試料バイアル、基準バイアルの順で測定を行い、各測定サイクルの結果から平均値を求める。
【０１１５】
基準バイアルの測定により被検者環境大気のコンタミネーションが明らかとなった場合には、試料を廃棄するか、又は呼気試料中のコンタミネーション成分量を（試料バイアル−基準バイアルの）差から求めることができる。この方法ならバイアル中のコンタミネーションを排除することが可能になる。というのは、コンタミネーション濃度が等しければその差はゼロであり、呼気とコンタミネーションからなる結果は実際の呼気値に対応するからである。
【０１１６】
ある種の環境大気コンタミネーション成分は肺で吸収されるためその呼気中濃度が環境大気中濃度を下回る場合もある。そうしたコンタミネーションは、一般に環境大気中濃度がある値を超えると肺では吸収しきれなくなる。従って、コンタミネーション濃度に対応させて呼気を測定すると破過曲線が得られる。
【０１１７】
呼気試料の測定では、一方では水不溶性又は難水溶性物質たとえばＣＯ２などの検出濃度は第１サイクルから最終サイクルへと連続的に低下することが既に確認されている。これは試料をバイアルから取り出すとこれらの物質のバイアル中濃度が低下するためである。他方では、水と水溶性物質の検出濃度はどの測定サイクルでもほぼ一定であることが確認されている。その理由として、バイアルのガラス壁に吸着していた水／水溶性物質が試料取り出し後に、これらの成分の元の濃度を回復すると考えられる。したがって、これらの成分にとってはガラス製バイアル内にある種の貯留機構が存在することになる。こうした確認からは呼気試料の妥当性確認のための更なる基準が成立する。というのは試料の分析挙動が以上の説明と異なるとすれば、呼気試料が適正に採取されなかったか又は別の理由で不良化したことになるからである。従ってそうした試料は識別し、随意に廃棄することができる。
【０１１８】
データの評価は、諸成分の質量又は化学的性質に関する実測定量値を特定成分の正常値と比較して行う。これにより特定被検者の呼気成分量の正常値からの偏差を確認することができる。こうして、特定成分の正常範囲外の値から被検者の健康状態について種々の結論を下すことができる。
【０１１９】
正常値はたとえば、人間の呼気の正常状態を決定することを目的としたきわめて多数の被検者を対象とする連続的な測定によって求めることができる。正常値は文献値があれば文献値でもよい。正常値は一般に一定の範囲を含む。
【０１２０】
諸成分に関する実測定量値は混合気体の一主成分好ましくはＣＯ２の値に照らして標準化するのが好ましい。標準化により、個別成分量の、被検者ごとの実際の呼気量に対する関係が得られる。これには成分量の異なる被検者間の比較や同一被検者の時差比較が可能になるという利点がある。
【０１２１】
さらに、標準化で求めた値を人間の被検者で判明している最大値で割って、個別成分に関する値が０〜１の範囲内で得られるようにするのが好ましい。これにより評価専門家（医師）にとって評価はさらに単純化、明確化する。
【０１２２】
さらに、個別成分の実測値の間に相関関係を確立しある種の臨床像が得られるようにするのが好ましい。たとえばエタノール／プロパノール比が得られれば肝炎感染の可能性について所見が下せる。
【０１２３】
本方法の格別の利点は、全成分をある質量範囲内で測定することによりきわめて多様な臨床像及び代謝過程について総合的に検討しうることである。たとえば統合失調症患者では呼気中のペンタン量とＨ２Ｓ及びＣＳ２量が共に上昇することが知られているので、これらの成分が同時に測定されれば、これらの成分の一方の量だけが上昇するような他の臨床像は排除することができる。
【０１２４】
観測可能な代謝過程は同化過程と異化過程の両方であろう。本方法にはさらに、非熟練者にも実行可能であり費用の節約につながるという利点もある。
【０１２５】
測定値の評価はＥＤＰを援用して行うと有利である。
【０１２６】
本装置の一実施態様は気体取込み系を含み、該取込み系は気体導入用のフレキシブルキャピラリー３を備えるが、該キャピラリーは内径２５０ミクロンの石英ガラス製であるのが好ましく、また１／４インチのテフロンチューブ内に収納する。該テフロンチューブは電熱線をさらに収納する。キャピラリー３は試料バイアル１からのサンプリング用のカニューレ１に接続する。有孔板５に至るまでの種々の構成部品は気体の流れの向きに温度を逓増させる。試料バイアル１は６５℃に、カニューレ２は８５℃に、また気体導入用キャピラリー３は１００℃にそれぞれ加熱するのが好ましい。これは試料バイアルから質量分析計に至るまでの全系内で凝結が起こるのを防ぎ、また効率的な気体導入を確実にする。さらに、小さなキャピラリー径はごく少量の気体を試料バイアルから取り出すことを可能にする。そこで化合物の数次第で数秒間から１５分間の範囲となりうる測定作業時には、真空勾配を生じさせて個別成分の蒸気圧に応じて選択的濃度上昇を、従って検出限界の改善を図る。該気体取込み系は、分析対象の混合気体に対して不活性であり、記憶効果をまったく及ぼさないという利点がある。従って、新しい試料を分析するために系を洗浄処理する必要はない。
【０１２７】
キャピラリー３内の気体流量は５ミリリットル／分以下に制限するのが好ましい。サンプリング前の試料バイアルが大気圧であれば有孔板の手前の領域の圧力は約７００ミリバールとする。オートサンプラーシステムを使用する場合には目的の試料バイアルへのカニューレ２の誘導はロボットが行う。
【０１２８】
さらに、有孔板５の手前の領域には気体開閉弁４を設け、ゼロガスと校正ガスとを、好ましくは１．５バール以下の圧力まで添加できるようにする。しかし、全ガス流は逆拡散よりも大きくなければならない。
【０１２９】
好ましくは３００ミクロン径を有するレーザー加工有孔板５の後の領域では、ポンプ９により、好ましくは固有圧力０．２〜２００ミリバールの二段式オイルフリー真空ポンプにより約２００ミリバールの圧力を生成する。
【０１３０】
こうして、カニューレ２がほぼ大気圧の試料バイアル１に挿入されると、分析対象の混合気体は気体導入用キャピラリー３を通じて負圧方向に有孔板５へと導かれ、それにより第１分子線６が有孔板５の後の中間真空室２４中に生成される。この分子線６は、やはり石英ガラス製のもう１つのキャピラリー１０の手前の領域では層流をなす。
【０１３１】
中間真空室２４内では、このスペースに二次空気又は不活性ガスを流入させることができる比例制御弁８により約２００ミリバールの圧力が一定値に厳密に保持される。比例制御弁８は中間真空室２４内の圧力を精密に、かつ気体の組成と無関係に、測定する容量性絶対圧力センサー７で制御するのが好ましい。これは、同じ試料バイアルからの繰返し測定などに際して発生する試料分子線６の圧力変動を確実に補償し、キャピラリー１０内で試料分子流の粘性の変化がまったく起こらないようにする。こうして定粒子密度の試料分子流がもう１つのキャピラリー１０に入る。
【０１３２】
中間真空室２４内では、好ましくは２５０ミクロンの内径を有し１００℃超好ましくは２２０℃の温度に加熱されるキャピラリー１０の一端が分子線６の領域内に位置する。キャピラリー１０の加熱は脱離時間を極力短く抑えさせる。
【０１３３】
キャピラリー１０の手前の気体ジェット圧は、中間真空室２４内の定圧に値が制御されるため、常に厳密に同じである。この集成装置は１０−７体積％までの諸成分の定量的測定を可能にする。
【０１３４】
キャピラリー１０の他端は高真空室２２内に位置するが、そこでは好ましくは少なくとも１０−７ミリバールの高真空がたとえばターボ分子ポンプ２３によって生成される。該キャピラリー端は電荷交換室１７内の八重極イオンガイド電場１６の開口の直前に位置する。試料分子線６はキャピラリー１０内に存在する圧力勾配の作用でキャピラリー１０を通って高真空室２２の電荷交換室１７に至り、それによりキャピラリー１０の端部で第２分子線１１が生成される。
【０１３５】
分子線１１イオン化用の主イオンビーム１２は、水銀、クリプトン及びキセノンの各ガス貯蔵器のうちの１つからガスを減圧的に取り出し、熱タングステン、陽極及びシャッターからなる電子衝撃源１４へと導くことにより生成される。
【０１３６】
生成した主イオンビーム１２は第１八重極イオンガイド電場１５に導くが、高分子量（主イオン）だけを導きガス貯蔵器１３内の不純物の質量は抑制して、測定物質について高Ｓ／Ｎ比を得るようにする。
【０１３７】
主イオンビーム１２を次に、あらゆる種類の分子を同様に透過させる第２八重極イオンガイド電場１６へとさらに導く。八重極イオンガイド電場１６は電荷交換帯１７を含み、そこで主イオンビーム１２が試料分子線１１に衝突する。電荷交換帯１７内では単一衝撃法により平均圧力１０−４ミリバールで試料分子イオンビーム１８を生成し、次に四重極分析部１９で試料分子をその質量電荷比に応じて分離する。次に試料分子イオンを電子的に処理しうる電子パルスへとイオン検出器２０で変換する。次いで電子パルスを取り出して計測装置２１へと回す。
【０１３８】
イオンビームを使用する質量分析計用の八重極装置はたとえば欧州特許第０２９０７１２号明細書及び独国特許第１９６２８０９３号明細書などで開示されている。これらの明細書の開示は参照指示により本書に組み込まれる。
【０１３９】
以下、実施例により本発明をさらに説明する。
実施例
【０１４０】
健康状態を確認するために、被検者９人の呼気の分析を臨床試験で行った。特定被検者の呼気試料は被検者自身が鼻で数回一様に呼吸した後、息を２〜３秒止めてからストローで、その先端が容量２０立法センチメートルのガラス製バイアルの底から１〜２センチメートル上に位置するようにして息を吐いて採取した。
【０１４１】
次にクリンパーを用いてクリンプキャップで各試料バイアルを密封した。この密封作業は被検者がバイアル中に息を吐いてから約５秒以内に行った。
【０１４２】
各試料バイアルと平行して、被検者の周囲で第２バイアル（基準バイアル）を密閉したが、基準バイアル内の環境大気は被検者の呼気と接触させないようにした。
【０１４３】
試料バイアルと基準バイアルをそれぞれオートサンプラーにセットし、少なくとも１０分間６５℃に予熱した。
【０１４４】
予熱後、まず被検者の試料バイアルを、次いでそれぞれの基準バイアルを、前述のような実施態様の本装置で測定した。各バイアルの測定は少なくとも６サイクルで行った。すなわち各バイアルの中身は少なくとも６回測定した。次に特定の質量について得られた少なくとも６回の測定値から平均値を求めた。
【０１４５】
次に環境大気のコンタミネーションを除外するために、特定の基準バイアルに関する平均値を試料バイアルの特定質量に関する平均値から差し引いた。次いで該平均値をＣＯ２値に照らして標準化するためにＣＯ２に関する平均値で割った。
【０１４６】
次に標準化した値を、きわめて多数の被検者を対象とした連続測定に基づく該特定質量に関する既知の最大値で割った。これにより個別質量ごとに０〜１の値が得られた。
【０１４７】
図２は被検者９人の測定結果のグラフである。検出質量の値は次のカラーコードに従って０〜１０２の範囲で示している：
黒                範囲０．７５〜１
ダークグレー      範囲０．５〜０．７５
ライトグレー      範囲０．２５〜０．５
白                範囲０〜０．２５
【０１４８】
グラフの行１〜９は被検者１〜９に対応し、列は特定の質量に対応する。質量を化合物に帰属させられる場合には質量の代りに化合物名を表示している。
【０１４９】
図２から被検者９の値は他の被検者とは著しく異なることがわかる。試料採取の時点では、被検者９は不明確な臨床像を示していたが、敗血性の経過すなわち細菌感染に起因する肝及び血液凝固障害を疑わせた。試料採取の数日後、被検者９は脳死状態となり、結局は死亡した。
【０１５０】
この実施例が示すように、重大な健康障害をかかえる被検者の状態は他被検者の状態との比較から判定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図１は本発明の装置の概略図である。
【図２】
図２は実施例の測定結果のグラフである。
【図２】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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2004517340.tif 000044
【国際調査報告】
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2004517340.tif 000046
2004517340.tif 000047
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