(57)【要約】【課題】高精度の呼気診断装置を提供する。【解決手段】実施形態によれば、呼気を含む試料気体が供給される供給部と、供給部から試料気体が導入される空間を含むセル部と、空間と大気との間に設けられた排出部と、空間と排出部との間に設けられた排出配管と、空間に測定光を入射させる光源部と、空間を通過した測定光を検出する検出部と、を含む呼気診断装置が提供される。排出部は、試料気体が供給部を介して空間に導入される第１動作において空間から試料気体を大気中に流れ出させる。排出部は、試料気体が供給部を介して空間に導入されない第２動作において空間から試料気体を吸引して試料気体を大気中に排出する。第１動作において、空間は大気と排出部を介して連続している。第１動作における排出部の試料気体に対するコンダクタンスは、第１動作における排出配管の試料気体に対するコンダクタンス以上である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
呼気を含む試料気体が供給される供給部と、
前記供給部から前記試料気体が導入される空間を含むセル部と、
前記空間と大気との間に設けられた排出部と、
前記空間と排出部との間に設けられた排出配管と、
前記空間に測定光を入射させる光源部と、
前記空間を通過した前記測定光を検出する検出部と、
を備え、
前記排出部は、前記試料気体が前記供給部を介して前記空間に導入される第１動作において前記空間から前記試料気体を前記大気中に流れ出させ、
前記排出部は、前記試料気体が前記供給部を介して前記空間に導入されない第２動作において前記空間から前記試料気体を吸引して前記試料気体を前記大気中に排出し、
前記第１動作において、前記空間は前記大気と前記排出部を介して連続しており、
前記第１動作における前記排出部の前記試料気体に対するコンダクタンスは、前記第１動作における前記排出配管の前記試料気体に対するコンダクタンス以上である呼気診断装置。
【請求項２】
前記排出部は、前記第１動作において、前記空間から前記試料気体を吸引せずに前記試料気体を前記大気に流れ出させる請求項１記載の呼気診断装置。
【請求項３】
前記排出部は、前記排出配管と前記大気とを繋ぐ開口部を含み、
前記排出配管から前記大気に向かう前記試料気体の排出経路に対して垂直な平面に投影したときの前記開口部の面積は、前記平面に投影したときの前記排出配管の面積よりも大きい請求項１または２に記載の呼気診断装置。
【請求項４】
前記第１動作における前記排出部の前記試料気体に対する前記コンダクタンスは、前記第１動作における前記供給部の前記試料気体に対するコンダクタンスよりも低い請求項１〜３のいずれか１つに記載の呼気診断装置。
【請求項５】
前記第１動作における前記排出配管の前記試料気体に対する前記コンダクタンスは、前記第１動作における前記供給部の前記試料気体に対する前記コンダクタンスよりも低い請求項１〜４のいずれか１つに記載の呼気診断装置。
【請求項６】
前記排出部は、前記第２動作において回転するファンを含み、
前記第２動作における前記ファンの回転数は、前記第１動作における前記ファンの回転数よりも高い請求項１〜５のいずれか１つに記載の呼気診断装置。
【請求項７】
前記第１動作において前記ファンは回転しない請求項６記載の呼気診断装置。
【請求項８】
前記第１動作において、前記試料気体は、前記ファンの間の隙間を介して、前記空間から前記大気中に流れ出る請求項６または７に記載の呼気診断装置。
【請求項９】
前記空間の容量は、前記供給部から供給される前記試料気体の容量よりも小さい請求項１〜８のいずれか１つに記載の呼気診断装置。
【請求項１０】
前記呼気は、二酸化炭素、メタン、エタノール、アセトアルデヒド、アセトン、一酸化炭素、アンモニア及びノナナールの少なくともいずれかを含む請求項１〜９のいずれか１つに記載の呼気診断装置。
【請求項１１】
前記セル部は、
前記測定光に対して反射性の第１反射部と、
前記測定光に対して反射性の第２反射部と、
を含み、
前記第１反射部と前記第２反射部との間に前記空間が配置され、
前記測定光は、前記第１反射部と前記第２反射部とを反射して前記空間を通過する請求項１〜１０のいずれか１つに記載の呼気診断装置。
【請求項１２】
前記測定光は、０．７マイクロメートル以上１０００マイクロメートル以下の波長の成分を含む請求項１〜１１のいずれか１つに記載の呼気診断装置。
【請求項１３】
前記測定光は、２．５マイクロメートル以上１１マイクロメートル以下の波長の成分を含む請求項１〜１２のいずれか１つに記載の呼気診断装置。
【請求項１４】
前記光源部は、半導体発光素子を含み、
前記半導体発光素子は、複数の量子井戸のサブバンドにおける電子のエネルギー緩和により前記測定光を放射する請求項１〜１３のいずれか１つに記載の呼気診断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、呼気診断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
呼気診断装置においては、呼気のガスを測定する。この測定結果より、病気の予防や早期発見が容易になる。呼気診断装置において、高精度の測定結果を得ることが望まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−１１６２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の実施形態は、高精度の呼気診断装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の実施形態によれば、呼気を含む試料気体が供給される供給部と、前記供給部から前記試料気体が導入される空間を含むセル部と、前記空間と大気との間に設けられた排出部と、前記空間と排出部との間に設けられた排出配管と、前記空間に測定光を入射させる光源部と、前記空間を通過した前記測定光を検出する検出部と、を含む呼気診断装置が提供される。前記排出部は、前記試料気体が前記供給部を介して前記空間に導入される第１動作において前記空間から前記試料気体を前記大気中に流れ出させる。前記排出部は、前記試料気体が前記供給部を介して前記空間に導入されない第２動作において前記空間から前記試料気体を吸引して前記試料気体を前記大気中に排出する。前記第１動作において、前記空間は前記大気と前記排出部を介して連続している。前記前記第１動作における前記排出部の前記試料気体に対するコンダクタンスは、前記第１動作における前記排出配管の前記試料気体に対するコンダクタンス以上である。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】実施形態に係る呼気診断装置を例示する模式図である。
【図２】実施形態に係る呼気診断装置の一部を例示する模式図である。
【図３】呼気診断装置の特性を例示する図である。
【図４】呼気診断装置の特性を例示する図である。
【図５】呼気診断装置の特性を例示する図である。
【図６】図６（ａ）〜図６（ｃ）は、実施形態に係る呼気診断装置の一部を例示する模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。  
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。  
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
【０００８】
（実施形態）  
図１は、実施形態に係る呼気診断装置を例示する模式図である。  
図１に表したように、本実施形態に係る呼気診断装置１１０は、供給部１０ｉと、セル部２０と、排出部１０ｏと、排出配管１５ｂと、光源部３０と、検出部４０と、を含む。
【０００９】
供給部１０ｉには、試料気体５０が供給される。試料気体５０は、呼気５０ａを含む。呼気５０ａは、例えば、ヒトを含む動物の呼気である。呼気５０ａには、診断の目的とする物質が含まれる。この物質は、例えば、アセトンである。例えば、糖尿病に罹患すると、呼気５０ａ中のアセトンの濃度が健康時に比べて上昇する。呼気診断装置１１０においては、物質（例えばアセトンなど）の濃度を測定することで、健康状態が診断される。物質の例については、後述する。
【００１０】
呼気５０ａを含む試料気体５０が、被検者から、供給部１０ｉに吹き込まれる。
【００１１】
セル部２０は、空間２３ｓを含む。空間２３ｓに、供給部１０ｉから試料気体５０が導入される。この例では、セル部２０は、セル２３を含む。セル２３の中に空間２３ｓが形成される。セル２３（セル部２０）と供給部１０ｉとの間に、導入配管１５ａが設けられる。供給部１０ｉに供給された試料気体５０は、導入配管１５ａを介して空間２３ｓに導入される。
【００１２】
排出部１０ｏは、空間２３ｓと、大気１０ｘと、の間に設けられる。大気１０ｘは、呼気診断装置１１０の外側である。
【００１３】
排出配管１５ｂは、空間２３ｓと排出部１０ｏとの間に設けられる。セル部２０の空間２３ｓの中の試料気体５０は、排出配管１５ｂを介して排出部１０ｏに導入される。その試料気体５０は、排出部１０ｏにより、大気１０ｘに排出される。
【００１４】
光源部３０は、空間２３ｓに測定光３０Ｌを入射させる。検出部４０は、空間２３ｓを通過した測定光３０Ｌを検出する。例えば、試料気体５０中の呼気５０ａに含まれる物質（例えばアセトンなど）により、測定光３０Ｌが吸収される。測定光３０Ｌの吸収は、物質の濃度に応じて変化する。検出部４０により、測定光３０Ｌを検出することで、目的とする物質の濃度が測定できる。この結果に基づいて診断が行われる。
【００１５】
この例では、光源部３０は、半導体発光素子３０ａと、駆動部３０ｂと、を含む。駆動部３０ｂは、半導体発光素子３０ａに電気的に接続される。駆動部３０ｂは、半導体発光素子３０ａに、発光のための電力を供給する。後述するように、半導体発光素子３０ａとして、例えば、量子カスケードレーザ（ＱＣＬ）が用いられる。半導体発光素子３０ａの例については、後述する。
【００１６】
測定光３０Ｌは、呼気５０ａに含まれる物質に吸収される波長を含む。測定光３０Ｌは、赤外光（赤外線）を含む。測定光３０Ｌは、例えば、０．７マイクロメートル（μｍ）以上１０００μｍ以下である。測定光３０Ｌは、例えば、２．５μｍ以上１１μｍ以下でも良い。
【００１７】
この例では、セル部２０は、第１反射部２１と、第２反射部２２と、を含む。第１反射部２１及び第２反射部２２は、測定光３０Ｌに対して反射性である。
【００１８】
供給部１０ｉから導入された試料気体５０は、第１反射部２１と第２反射部２２との間の空間２３ｓに導入される。第１反射部２１と第２反射部２２との間に空間２３ｓの少なくとも一部が配置される。
【００１９】
測定光３０Ｌは、空間２３ｓに試料気体５０が導入された状態において、例えば、空間２３ｓを通過する。例えば、測定光３０Ｌは、第１反射部２１と第２反射部２２とで反射して、第１反射部２１と第２反射部２２との間（空間２３ｓ）を複数回往復する。測定光３０Ｌの一部が、試料気体５０に含まれる物質により吸収される。測定光３０Ｌのうちの、物質に特有の波長の成分が吸収される。吸収の程度は、物質の濃度に依存する。
【００２０】
検出部４０は、例えば、空間２３ｓに試料気体５０が導入された状態において空間２３ｓを通過した測定光３０Ｌを検出する。
【００２１】
検出部４０には、例えば、フォトダイオードなどが用いられる。実施形態において、検出部４０は任意である。
【００２２】
この例では、処理部４５がさらに設けられている。処理部４５は、検出部４０で検出された信号を処理して、所望の結果を導出する。
【００２３】
この例では、筐体１０ｗがさらに設けられている。筐体１０ｗ中に、例えば、セル部２０、光源部３０、検出部４０、導入配管１５ａ及び排出配管１５ｂが格納される。
【００２４】
この例では、測定光３０Ｌの光路上において、光源部３０とセル部２０との間に、第１光学部品３６ａが設けられている。光路上において、セル部２０と検出部４０との間に、第２光学部品３６ｂが設けられている。これらの光学部品は、例えば、集光光学素子を含む。これらの光学部品に、フィルタを用いても良い。これらの光学部品に、光スイッチを用いても良い。光学部品は必要に応じて設けられ、省略しても良い。
【００２５】
呼気診断装置１１０においては、測定動作（第１動作）と、排出動作（第２動作）と、が行われる。
【００２６】
測定動作においては、試料気体５０が供給部１０ｉを介して空間２３ｓに導入される。測定動作においては、空間２３ｓに測定光３０Ｌが照射され、試料気体５０を通過した測定光３０Ｌが検出される。
【００２７】
排出動作においては、試料気体５０が供給部１０ｉを介して空間２０ｓに導入されない。排出動作は、例えば、測定動作の後に行われる。排出動作は、例えば、測定動作の前に行われる。測定動作において空間２３ｓに導入された試料気体５０が、排出動作において、大気に排出される。これにより、空間２３ｓは初期化される。これにより、次の測定動作が可能になる。
【００２８】
例えば、排出部１０ｏは、測定動作において、空間２３ｓから、試料気体５０を大気１０ｘ中に流れ出させる。
【００２９】
例えば、排出部１０ｏは、排出動作において、空間２３ｓから、試料気体５０を吸引して、試料気体５０を大気１０ｘ中に排出する。
【００３０】
排出部１０ｏには、例えば、ファンが用いられる。排出動作においては、ファンを動作させて、空間２３ｓ内の試料気体５０が、大気１０ｘに向けて、強制排出される。
【００３１】
例えば、測定動作においては、ファンを動作させずに、供給部１０ｉから供給された試料気体５０は、空間２３ｓに導入される。空間２３ｓ内に存在していた気体が、空間２３ｓに導入された試料気体５０により押し出される。押し出された試料気体５０が、排出配管１５ｂ及び排出部１０ｏを介して、大気１０ｘ中に流れ出る。
【００３２】
例えば、測定動作において、空間２３ｓは、大気１０ｘと、排出部１０ｏを介して連続している。すなわち、空間２３ｓは、開放系である。
【００３３】
例えば、排出部１０ｏに真空ポンプを用いる参考例がある。この場合には、排出配管１５ｂと排出部１０ｏとの間に、例えば弁が設けられる。この場合には、空間２３ｓは、大気１０ｘと連続していない。空間２３ｓは、密閉系である。この参考例においては、真空ポンプ及び弁などの部品が必要である。このため、装置の小型化が困難である。
【００３４】
本実施形態に係る呼気診断装置１１０においては、開放系の空間２３ｓが設けられる。部品が少なく、小型化が容易である。
【００３５】
本実施形態において、測定動作における供給部１０ｉの試料気体５０に対するコンダクタンスを第１コンダクタンスＧ１とする。測定動作における排出部１０ｏの試料気体５０に対するコンダクタンスを第２コンダクタンスＧ２とする。測定動作における排出配管１５ｂの試料気体５０に対するコンダクタンスを第３コンダクタンスＧ３とする。
【００３６】
実施形態においては、排出部１０ｏの第２コンダクタンスＧ２は、排出配管１５ｂの第３コンダクタンス以上である。これにより、測定動作において、空間２３ｓから排出配管１５ｂに流れ出た気体は、排出部１０ｏを介して、大気１０ｘに効率良く流れ出る。
【００３７】
測定時においては。例えば、被験者の吹き込む息により、試料気体５０が、空間２３ｓに送り込まれる。これにより、空間２３ｓ内に予め存在していた気体が、試料気体５０により置換される。第２コンダクタンスＧ２を第３コンダクタンスＧ３以上にすることで、置換が効率的に行われる。
【００３８】
実施形態において、例えば、第２コンダクタンスＧ２（測定動作における排出部１０ｏの試料気体５０に対するコンダクタンス）は、第１コンダクタンスＧ１（排出動作における供給部１０ｉの試料気体５０に対するコンダクタンス）よりも低くても良い。これにより、試料気体５０は、空間２３ｓ内に蓄積し易くなる。
【００３９】
実施形態において、例えば、第３コンダクタンスＧ３（測定動作における排出配管１５ｂの試料気体５０に対するコンダクタンス）は、第１コンダクタンスＧ１（測定動作における供給部１０ｉの試料気体５０に対するコンダクタンス）よりも低くても良い。これにより、試料気体５０は、空間２３ｓ内に蓄積し易くなる。
【００４０】
例えば、排出部１０ｏを設けることで、測定動作の前に、空間２３ｓ内を初期状態にすることができる。これにより、測定動作においては、空間２３ｓは、目的とする試料気体５０で充満される。これにより、高精度の検出が可能になる。実施形態によれば、高精度の呼気診断装置を提供できる。
【００４１】
さらに、弁や真空ポンプなどの部品が省略でき、小型化が容易である。第２コンダクタンスＧ２を第３コンダクタンスＧ３以上にすることで、置換が効率的に行われ、使いやすくなる。被検者の息による置換が効率的になり、被検者の負担が軽減される。
【００４２】
一方、排出動作においては、排出部１０ｏは、空間２３ｓから試料気体５０を吸引する。これにより、排出動作の効率が高まる。装置を簡単に初期状態にすることができる。使い易くなる。
【００４３】
一方、例えば、排出部１０ｏは、測定動作において、空間２３ｓから試料気体５０を吸引せずに、試料気体５０を大気１０ｘに流れ出させる。測定動作において動力を使用しないで、被検者の息により、置換が行われる。被検者の測定時の違和感が軽減できる。
【００４４】
排出部１０ｏの開口部１６が設けられる。開口部１６は、排出配管１５ｂと大気１０ｘとを繋ぐ。開口部１６の面積は、第２コンダクタンスＧ２が高くなるように設定される。
【００４５】
例えば、図１に例示したように、排出配管１５ｂから大気１０ｘに向かう試料気体５０の経路を、排出経路１５ｐとする。排出経路１５ｐに対して垂直な平面に投影したときの開口部１６の面積は、十分に大きく設定される。
【００４６】
図２は、実施形態に係る呼気診断装置の一部を例示する模式図である。  
図２は、排出部１０ｏを例示している。  
図２に表したように、排出部１０ｏには、ファン１０ｆが用いられる。ファン１０ｆが設けられていたい部分が、開口部１６となる。開口部１６は、十分に大きくされる。例えば、排出配管１５ｂから大気１０ｘに向かう試料気体５０の排出経路１５ｐに対して垂直な平面に投影したときの開口部１６の面積は、その平面に投影したときの排出配管１５ｂの面積よりも大きい。これにより、第２コンダクタンスＧ２が高くできる。
【００４７】
例えば、排出部１０ｏは、ファン１０ｆを含む。ファン１０ｆは、排出動作において回転する。例えば、測定動作においては、ファン１０ｆは、回転しなくても良い。ファン１０ｆにより設けられる開口部１６を介して、試料気体５０が、流出しても良い。または、測定動作においては、ファン１０ｆの回転数は、少ない。
【００４８】
例えば、排出動作におけるファン１０ｆの回転数は、測定動作におけるファン１０ｆの回転数よりも高い。または、測定動作において、ファン１０ｆは回転しない。すなわち、測定動作において、試料気体５０は、ファン１０ｆの間の隙間（開口部１６）を介して、空間２３ｓから大気１０ｘ中に流れ出る。
【００４９】
実施形態において、空間２３ｓの容量は、供給部１０ｉから供給される試料気体５０の容量よりも小さい。これにより、測定動作において、空間２３ｓは、試料気体５０により十分に置換され、高い測定精度が得られる。
【００５０】
図３は、呼気診断装置の特性を例示する図である。
【００５１】
図３の横軸は、時間ｔである。縦軸は、検出部４０で検出される光強度Ｉｎｔである。図３において、第１時刻ｔ１において、呼気５０ａの吹き込みが開始される。第２時刻ｔ２において、排気動作が開始される。第１時刻ｔ１と第２時刻ｔ２との間の期間に、試料気体５０を通過する測定光３０Ｌの光強度Ｉｎｔが検出されるすなわち、第１動作が実施されて、呼気の測定が行われる。第１時刻ｔ１よりも前における光強度Ｉｎｔと、第１動作における光強度Ｉｎｔと、の差異が、光吸収量Ａｂに対応する。
【００５２】
測定の図３において、条件ｓｐ１においては、排出部１０ｏの排出動作におけるヘッドは４００パスカル（Ｐａ）以上である。条件ｓｐ２においては、ヘッドは２００Ｐａである。
【００５３】
図３に例示したように、ヘッドが２００Ｐａである場合（第２条件ｓｐ２）、第２時刻ｔ２の後で、光強度Ｉｎｔが初期値に戻るまでの時間が長い。この場合、測定のインターバルが長くなり、使い難い。これに対して、ヘッドが４００Ｐａ以上の場合（第１条件ｓｐ１）においては、光強度Ｉｎｔが初期値に戻るまでの時間が短い。実施形態において、ヘッドは、例えば、４００Ｐａ以上であることが望ましい。
【００５４】
図４は、呼気診断装置の特性を例示する図である。  
図４において、第３条件ｓｐ３においては、開口部１６の面積は、排出配管１５ｂの面積よりも大きい。第４条件ｓｐ４においては、開口部１６の面積は、排出配管１５ｂの面積よりも小さい。
【００５５】
図４に表したように、開口部１６の面積が排出配管１５ｂの面積よりも小さい場合（第４条件ｓｐ４）、光強度Ｉｎｔが初期値に戻るまでの時間が長い。このため、測定のインターバルが長くなり、使い難い。これに対して、開口部１６の面積が排出配管１５ｂの面積よりも大きい場合（第３条件ｓｐ３）、光強度Ｉｎｔが初期値に戻るまでの時間が短い。すなわち、排気が速やかに行われる。
【００５６】
図５は、呼気診断装置の特性を例示する図である。  
図５において、第５条件ｓｐ５においては、排出部１０ｏの試料気体５０に対するコンダクタンスは、供給部１０ｉの試料気体５０に対するコンダクタンスよりも低い。第６条件ｓｐ６においては、排出部１０ｏの試料気体５０に対するコンダクタンスは、供給部１０ｉの試料気体５０に対するコンダクタンスよりも高い。
【００５７】
図５に表したように、排出部１０ｏのコンダクタンスが供給部１０ｉのコンダクタンスよりも高い場合（第６条件ｓｐ６）、測定動作中（第１時刻ｔ１と第２時刻ｔ２との間の期間）において、光強度Ｉｎｔが安定しない。これは、セル部２０に導入された試料気体５０が、過度に排気され、セル部２０内に試料気体５０が十分に留まらないことが原因であると考えられる。これに対して、排出部１０ｏコンダクタンスが供給部１０ｉのコンダクタンスよりも低い場合（第５条件ｓｐ５）、測定動作中に光強度は安定する。正確な測定値が得られる。
【００５８】
実施形態において、測定の対象となる物質の例について説明する。  
物質は、例えば、二酸化炭素同位体である。この場合、例えば、ピロリ菌に関する情報が得られる。物質は、例えば、メタンである。この場合、例えば、腸内嫌気性菌に関する情報が得られる。物質は、例えば、エタノールである。この場合、例えば、飲酒に関する情報が得られる。物質は、例えば、アセトアルデヒドである。この場合、例えば、飲酒代謝産物及び肺がんに関する情報が得られる。物質は、例えば、アセトンである。この場合、例えば、糖尿病に関する情報が得られる。物質は、例えば、一酸化窒素である。この場合、例えば、ぜんそくに関する情報が得られる。物質は、例えば、アンモニアである。この場合、例えば、肝炎に関する情報が得られる。物質は、例えば、ノナナールである。この場合、例えば、肺がんに関する情報が得られる。実施形態において、呼気５０ａに含まれる測定対象の物質は任意である。
【００５９】
以下、光源部３０の例について説明する。  
図６（ａ）〜図６（ｃ）は、実施形態に係る呼気診断装置の一部を例示する模式図である。  
図６（ａ）は、模式的斜視図である。図６（ｂ）は、図６（ａ）のＡ１−Ａ２線断面図である。図６（ｃ）は、光源部３０の動作を例示する模式図である。  
この例では、光源部３０として、半導体発光素子３０ａが用いられる。半導体発光素子３０ａとして、レーザが用いられる。この例では、量子カスケードレーザが用いられる。
【００６０】
図６（ａ）に表したように、半導体発光素子３０ａは、基板３５と、積層体３１と、第１電極３４ａと、第２電極３４ｂと、誘電体層３２（第１誘電体層）と、絶縁層３３（第２誘電体層）と、を含む。
【００６１】
第１電極３４ａと、第２電極３４ｂと、の間に基板３５が設けられる。基板３５は、第１部分３５ａと、第２部分３５ｂと、第３部分３５ｃと、を含む。これらの部分は、１つの面内に配置される。この面は、第１電極３４ａから第２電極３４ｂに向かう方向に対して交差する（例えば平行）である。第１部分３５ａと第２部分３５ｂとの間に、第３部分３５ｃが配置される。
【００６２】
第３部分３５ｃと第１電極３４ａとの間に積層体３１が設けられる。第１部分３５ａと第１電極３４ａとの間、及び、第２部分３５ｂと第１電極３４ａとの間に、誘電体層３２が設けられる。誘電体層３２と第１電極３４ａとの間に絶縁層３３が設けられる。
【００６３】
積層体３１は、ストライプの形状を有している。積層体３１は、リッジ導波路ＲＧとして機能する。リッジ導波路ＲＧの２つの端面がミラー面となる。積層体３１において放出された光３１Ｌは、端面（光出射面）から出射する。光３１Ｌは、赤外線レーザ光である。光３１Ｌの光軸３１Ｌｘは、リッジ導波路ＲＧの延在方向に沿う。
【００６４】
図６（ｂ）に表したように、積層体３１は、例えば、第１クラッド層３１ａと、第１ガイド層３１ｂと、活性層３１ｃと、第２ガイド層３１ｄと、第２クラッド層３１ｅと、を含む。これらの層は、基板３５から第１電極３４ａに向かう方向に沿って、この順で並ぶ。第１クラッド層３１ａの屈折率及び第２クラッド層３１ｅの屈折率のそれぞれは、第１ガイド層３１ｂの屈折率、活性層３１ｃの屈折率、及び、第２ガイド層３１ｄの屈折率のそれぞれよりも低い。活性層３１ｃで生じた光３１Ｌは、積層体３１内に閉じ込められる。第１ガイド層３１ｂと第１クラッド層３１ａとを合わせて、クラッド層と呼ぶ場合がある。第２ガイド層３１ｄと第２クラッド層３１ｅとを合わせて、クラッド層と呼ぶ場合がある。
【００６５】
積層体３１は、光軸３１Ｌｘに対して垂直な第１側面３１ｓａ及び第２側面３１ｓｂを有する。第１側面３１ｓａと第２側面３１ｓｂとの間の距離３１ｗ（幅）は、例えば５μｍ以上２０μｍ以下である。これにより、例えば、水平横方向モードの制御が容易となり、出力の向上が容易になる。距離３１ｗが過度に長いと、水平横方向モードにおいて高次モードを生じ易くなり、出力を高めにくい。
【００６６】
誘電体層３２の屈折率は、活性層３１ｃの屈折率よりも低い。これにより、誘電体層３２により、光軸３１Ｌｘに沿ってリッジ導波路ＲＧが形成される。
【００６７】
図６（ｃ）に表したように、活性層３１ｃは、例えば、カスケード構造を有する。カスケード構造においては、例えば、第１領域ｒ１と、第２領域ｒ２と、が交互に積層される。単位構造ｒ３は、第１領域ｒ１及び第２領域ｒ２を含む。複数の単位構造ｒ３が設けられる。
【００６８】
例えば、第１領域ｒ１には、第１障壁層ＢＬ１と、第１量子井戸層ＷＬ１と、が設けられる。第２領域には、第２障壁層ＢＬ２が設けられる。例えば、別の第１領域ｒ１ａには、第３障壁層ＢＬ３と、第２量子井戸層ＷＬ２と、が設けられる。別の第２領域ｒ２ａに、第４障壁層ＢＬ４が設けられる。
【００６９】
第１領域ｒ１においては、第１量子井戸層ＷＬ１のサブバンド間光学遷移が生じる。これにより、例えば、３μｍ以上１８μｍ以下の波長の光３１Ｌａが放出される。
【００７０】
第２領域ｒ２においては、第１領域ｒ１から注入されたキャリアｃ１（例えば電子）のエネルギーは、緩和可能である。
【００７１】
量子井戸層（例えば第１量子井戸層ＷＬ１）において、井戸幅ＷＬｔは、例えば、５ｎｍ以下である。井戸幅ＷＬｔがこのように狭いとき、エネルギー準位が離散して、例えば、第１サブバンドＷＬａ（高準位Ｌｕ）及び第２サブバンドＷＬｂ（低準位Ｌｌ）などを生じる。第１障壁層ＢＬ１から注入されたキャリアｃ１は、第１量子井戸層ＷＬ１に効果的に閉じ込められる。
【００７２】
高準位Ｌｕから低準位Ｌｌへキャリアｃ１が遷移するときに、エネルギー差（高準位Ｌｕと低準位Ｌｌとの差）に対応する光３１Ｌａが放出される。すなわち、光学遷移が生じる。
【００７３】
同様に、別の第１領域ｒ１ａの第２量子井戸層ＷＬ２において、光３１Ｌｂが放出される。実施形態において量子井戸層は、波動関数が重なり合う複数の井戸を含んでも良い。複数の量子井戸層のそれぞれの高準位Ｌｕが、互いに同じでも良い。複数の量子井戸層のそれぞれの低準位Ｌｌが、互いに同じでも良い。
【００７４】
例えば、サブバンド間光学遷移は、伝導帯及び価電子帯のいずれかにおいて生じる。例えば、ｐｎ接合によるホールと電子との再結合は必要ではない。例えば、ホール及び電子のいずれかのキャリアｃ１により光学遷移が生じて、光が放出される。
【００７５】
活性層３１ｃにおいて、例えば、第１電極３４ａと、第２電極３４ｂと、の間に印加される電圧により、障壁層（例えば第１障壁層ＢＬ１）を介して、キャリアｃ１（例えば電子）が量子井戸層（例えば第１量子井戸層ＷＬ１）へ注入される。これにより、サブバンド間光学遷移を生じる。
【００７６】
第２領域ｒ２は、例えば、複数のサブバンドを有する。サブバンドは、例えば、ミニバンドである。サブバンドにおけるエネルギー差は、小さい。サブバンドにおいて、連続エネルギーバンドに近いことが好ましい。この結果、キャリアｃ１（電子）のエネルギーが緩和される。
【００７７】
第２領域ｒ２では、例えば、光（例えば３μｍ以上１８μｍ以下の波長の赤外線）は、実質的に放出されない。第１領域ｒ１の低準位Ｌｌのキャリアｃ１（電子）は、第２障壁層ＢＬ２を通過して、第２領域ｒ２へ注入され、緩和される。キャリアｃ１は、カスケード接続された別の第１領域ｒ１ａへ注入される。この第１領域ｒ１ａにおいて、光学遷移が生じる。
【００７８】
カスケード構造では、複数の単位構造ｒ３のそれぞれにおいて光学遷移が生じる。これにより、活性層３１ｃの全体において、高い光出力を得ることが容易になる。
【００７９】
このように、光源部３０は、半導体発光素子３０ａを含む。半導体発光素子３０ａは、複数の量子井戸（例えば、第１量子井戸層ＷＬ１及び第２量子井戸層ＷＬ２など）のサブバンドにおける電子のエネルギー緩和により、測定光３０Ｌを放射する。
【００８０】
量子井戸層（例えば第１量子井戸層ＷＬ１及び第２量子井戸層ＷＬ２など）には、例えば、ＧａＡｓが用いられる。例えば、障壁層（例えば、第１〜第４障壁層ＢＬ１〜ＢＬ４など）には、例えば、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０＜ｘ＜１）が用いられる。このとき、例えば、基板３５としてＧａＡｓを用いると、量子井戸層及び障壁層において、良好な格子整合が得られる。
【００８１】
第１クラッド層３１ａ及び第２クラッド層３１ｅは、例えば、ｎ形不純物として、Ｓｉを含む。これらの層における不純物濃度は、例えば、１×１０１８ｃｍ−３以上１×１０２０ｃｍ−３以下（例えば、約６×１０１８ｃｍ−３）である。これらの層のそれぞれの厚さは、例えば、０．５μｍ以上２μｍ以下（例えば約１μｍ）である。
【００８２】
第１ガイド層３１ｂ及び第２ガイド層３１ｄは、例えば、ｎ形不純物として、Ｓｉを含む。これらの層における不純物濃度は、例えば１×１０１６ｃｍ−３以上１×１０１７ｃｍ−３以下（例えば、約４×１０１６ｃｍ−３）である。これらの層のそれぞれの厚さは、例えば２μｍ以上５μｍ以下（例えば、３．５μｍ）である。
【００８３】
距離３１ｗ（積層体３１の幅、すなわち、活性層３１ｃの幅）は、例えば、５μｍ以上２０μｍ以下（例えば、約１４μｍ）である。
【００８４】
リッジ導波路ＲＧの長さは、例えば、１ｍｍ以上５ｍｍ以下（例えば約３ｍｍ）である。半導体発光素子３０ａ（量子カスケードレーザ）は、例えば、１０Ｖ以下の動作電圧で動作する。消費電流は、炭酸ガスレーザ装置などに比べて低い。これにより、低消費電力の動作が可能である。
【００８５】
実施形態によれば、高精度の呼気診断装置が提供できる。
【００８６】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、呼気診断装置に含まれる供給部、セル部、反射部、光源部、検出部及び処理部などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
【００８７】
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
【００８８】
その他、本発明の実施の形態として上述した呼気診断装置を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての呼気診断装置も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
【００８９】
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
【００９０】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００９１】
１０ｆ…ファン、  １０ｉ…供給部、  １０ｏ…排出部、  １０ｗ…筐体、  １０ｘ…大気、  １５ａ…導入配管、  １５ｂ…排出配管、  １５ｐ…排出経路、  １６…開口部、  ２０…セル部、  ２１、２２…第１、第２反射部、  ２３…セル、  ２３ｓ…空間、  ３０…光源部、  ３０Ｌ…測定光、  ３０ａ…半導体発光素子、  ３０ｂ…駆動部、  ３１…積層体、  ３１Ｌ、３１Ｌａ、３１Ｌｂ…光、  ３１Ｌｘ…光軸、  ３１ａ…第１クラッド層、  ３１ｂ…第１ガイド層、  ３１ｃ…活性層、  ３１ｄ…第２ガイド層、  ３１ｅ…第２クラッド層、  ３１ｓａ…第１側面、  ３１ｓｂ…第２側面、  ３１ｗ…距離、  ３２…誘電体層、  ３３…絶縁層、  ３４ａ…第１電極、  ３４ｂ…第２電極、  ３５…基板、  ３５ａ〜３５ｃ…第１〜第３部分、  ３６ａ、３６ｂ…第１、第２光学部品、  ４０…検出部、  ４５…処理部、  ５０…試料気体、  ５０ａ…呼気、  １１０…呼気診断装置、  Ａｂ…光吸収量、  ＢＬ１〜ＢＬ４…第１〜第４障壁層、  Ｇ１〜Ｇ３…第１〜第３コンダクタンス、  Ｉｎｔ…光強度、  Ｌｌ…低準位、  Ｌｕ…高準位、  ＲＧ…リッジ導波路、  ＷＬ１、ＷＬ２…第１、第２量子井戸層、  ＷＬａ…第１サブバンド、  ＷＬｂ…第２サブバンド、  ＷＬｔ…井戸幅、  ｃ１…キャリア、  ｒ１、ｒ１ａ…第１領域、  ｒ２、ｒ２ａ…第２領域、  ｒ３…単位構造、  ｓｐ１〜ｓｐｓ６…第１〜第６条件、  ｔ…時間、  ｔ１、ｔ２…第１、第２時刻
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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