(57)【要約】  気体混合物の成分の濃度を測定する測定装置は、上記気体混合物を含むチャンバと、上記チャンバ内に光を発する光源であって、上記発せられた光は２３０ｎｍから３２０ｎｍの波長を有する、光源と、上記光源から発せられ上記気体混合物の中を伝搬した上記光の一部を検知する光センサと、を備える。プロセッサが、上記光源から発せられた上記光のうち、上記光センサで検知された一部に基づいて、上記気体混合物の上記成分の濃度を定めるよう構成されている。上記光源は、発光の中心波長が２７０ｎｍから３２０ｎｍであり、発光の線幅が５０ｎｍ未満である一つ以上のＬＥＤを含む。上記装置を用いて、糖尿病または他の健康状態を示しうる呼気中のアセトン濃度を定めてもよい。【選択図】図８
2017528704.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体混合物の成分の濃度を測定する測定装置であって、
上記気体混合物を受け入れるチャンバと、
上記チャンバ内に光を発する少なくとも一つの光源であって、上記発せられた光は２３０ｎｍから３２０ｎｍの波長を有する、光源と、
上記光源から発せられ上記チャンバ内の上記気体混合物の中を伝搬した上記光の一部を検知する少なくとも一つの光センサと、
上記光源および上記光センサと接続されたプロセッサであって、上記光源から発せられた上記光のうち、上記光センサで検知された一部に基づいて、上記気体混合物の上記成分の濃度を定めるよう構成されたプロセッサと、を備えた測定装置。
【請求項２】
上記少なくとも一つの光源は、発光の中心波長が２７０ｎｍから３２０ｎｍであり、発光の線幅が５０ｎｍ未満である発光ダイオード（ＬＥＤ）を含む、請求項１に記載の測定装置。
【請求項３】
上記少なくとも一つの光源は、発光の中心波長が２４０ｎｍから２７０ｎｍであるＬＥＤを含む第１光源と、発光の中心波長が２７０ｎｍから３００ｎｍであるＬＥＤを含む第２光源とを備え、
上記第１および第２光源の上記ＬＥＤはそれぞれ、発光の線幅が５０ｎｍ未満である、請求項１に記載の測定装置。
【請求項４】
上記少なくとも一つの光源は、AlyInxGa1-x-yN材料（0 ≦ x ≦ 1かつ0 ≦ y ≦ 1）のＬＥＤを含む、請求項２および３のいずれか一項に記載の測定装置。
【請求項５】
上記チャンバは、上記光源から上記チャンバへ光を伝える第１の窓と、上記チャンバから上記光センサへ光を伝える第２の窓とを有し、上記第１の窓と第２の窓は、交換のために取り外し可能な使い捨て窓モジュールを有する、請求項１から４のいずれか一項に記載の測定装置。
【請求項６】
上記チャンバは上記光源から上記チャンバへ光を伝える第１キャビティミラーと、上記チャンバから上記光センサへ光を伝える第２キャビティミラーとを備え、上記第１および第２キャビティミラーは一つの光キャビティを形成して上記光源から発せられた上記光の光路の長さを増す、請求項１から５のいずれか一項に記載の測定装置。
【請求項７】
上記少なくとも一つの光センサは、上記プロセッサに接続された光検知器をさらに備え、上記光検知器は、上記光源から発せられた上記光を吸収した上記気体混合物の上記成分からの蛍光に基づいて光を検知する、請求項１から６のいずれか一項に記載の測定装置。
【請求項８】
上記チャンバはミラー構造を備え、上記ミラー構造は、上記チャンバ内の光を反射して、上記光源から発せられた上記光の光路の長さを増す、請求項１から７のいずれか一項に記載の測定装置。
【請求項９】
上記チャンバは、上記チャンバの表面を熱する加熱要素を備える、請求項１から８のいずれか一項に記載の測定装置。
【請求項１０】
上記チャンバは、気体を上記チャンバ内に導入する入口弁と、気体を上記チャンバから排出する出口弁とを備え、上記入口弁および出口弁は光遮断弁である、請求項１から９のいずれか一項に記載の測定装置。
【請求項１１】
上記プロセッサは、上記気体混合物中の一つ以上のケトンの全濃度を定めるよう構成されている、請求項１から１０のいずれか一項に記載の測定装置。
【請求項１２】
上記気体混合物は呼気であり、上記プロセッサは上記呼気内の上記一つ以上のケトンの全濃度を定めるよう構成されている、請求項１１に記載の測定装置。
【請求項１３】
上記一つ以上のケトンはアセトンを含んでいる、請求項１１に記載の測定装置。
【請求項１４】
上記少なくとも一つの光源は、発光の中心波長が２４０ｎｍから２７０ｎｍであるＬＥＤを含む第１光源と、発光の中心波長が２７０ｎｍから２９０ｎｍであるＬＥＤを含む第２光源と、発光の中心波長が２９０ｎｍから３１０ｎｍであるＬＥＤを含む第３光源と、を備え、
上記第１および第２光源の上記ＬＥＤはそれぞれ、発光の線幅が３０ｎｍ未満である、請求項１に記載の測定装置。
【請求項１５】
気体混合物の成分の濃度を測定する方法であって、
基準気体をチャンバ内に導入する工程と、
光源から上記チャンバに光を発して上記基準気体内を伝搬させる工程であって、上記光源から発せられた光は２３０ｎｍから３２０ｎｍの波長を有する、工程と、
上記光源から発せられ上記チャンバ内の上記基準気体内を伝播した上記光の一部を光センサで検知し、上記光源から発せられた上記光のパワーと上記光センサに検知された上記光のパワーとの第１の比を測定する工程と、
測定気体混合物を上記チャンバ内に導入する工程と、
上記光源から上記チャンバ内に光を発して上記測定気体混合物内を伝搬させる工程と、
上記光源から発せられ上記チャンバ内の上記測定気体混合物内を伝播した上記光の一部を上記光センサで検知し、上記光源から発せられた上記光のパワーと上記光センサに検知された上記光のパワーとの第２の比を測定する工程と、
上記第１および第２の比に基づいて、上記測定気体混合物の成分の濃度を計算する工程と、を含む、方法。
【請求項１６】
気体混合物の成分の濃度を測定する方法であって、
基準気体をチャンバ内に導入する工程と、
第１光源および第２光源から上記チャンバ内に光を発して上記基準気体内を伝搬させる工程であって、上記第１光源および第２光源から発せられた光はおのおの、２３０ｎｍから３２０ｎｍの波長を有する、工程と、
上記第１光源および第２光源から発せられ上記チャンバ内の上記基準気体内を伝播した上記光の一部を少なくとも一つの光センサで検知する工程と、
上記第１光源から発せられた上記光のパワーと上記光センサに検知された上記第１光源からの上記光のパワーとの第１の比を測定し、上記第２光源から発せられた上記光のパワーと上記光センサに検知された上記第２光源からの上記光のパワーとの第２の比を測定する工程と、
測定気体混合物を上記チャンバ内に導入する工程と、
上記第１光源および第２光源から上記チャンバ内に光を発して上記測定気体混合物内を伝搬させる工程と、
上記第１光源および第２光源から発せられ上記チャンバ内の上記測定気体混合物内を伝播した上記光の一部を上記少なくとも一つの光センサで検知する工程と、
上記第１光源から発せられた上記光のパワーと上記光センサに検知された上記第１光源からの上記光のパワーとの第３の比を測定し、上記第２光源から発せられた上記光のパワーと上記光センサに検知された上記第２光源からの上記光のパワーとの第４の比を測定する工程と、
上記第１、第２、第３、および第４の比に基づいて、上記気体混合物の成分の濃度を計算する工程と、を含む、方法。
【請求項１７】
気体混合物の成分の濃度を測定する方法であって、
基準気体をチャンバ内に導入する工程と、
第１光源、第２光源、および第３光源から上記チャンバ内に光を発して上記基準気体内を伝搬させる工程であって、上記第１光源、第２光源、および第３光源から発せられた光はおのおの、２３０ｎｍから３２０ｎｍの波長を有する、工程と、
上記第１光源、第２光源、および第３光源から発せられ上記チャンバ内の上記基準気体内を伝播した上記光の一部を少なくとも一つの光センサで検知する工程と、
上記第１光源から発せられた上記光のパワーと上記光センサに検知された上記第１光源からの上記光のパワーとの第１の比を測定し、上記第２光源から発せられた上記光のパワーと上記光センサに検知された上記第２光源からの上記光のパワーとの第２の比を測定し、上記第３光源から発せられた上記光のパワーと上記光センサに検知された上記第３光源からの上記光のパワーとの第３の比を測定する工程と、
測定気体混合物を上記チャンバ内に導入する工程と、
上記第１光源、第２光源、および第３光源から上記チャンバ内に光を発して上記測定気体混合物内を伝搬させる工程と、
上記第１光源、第２光源、および第３光源から発せられ上記チャンバ内の上記測定気体混合物内を伝播した上記光の一部を上記少なくとも一つの光センサで検知する工程と、
上記第１光源から発せられた上記光のパワーと上記光センサに検知された上記第１光源からの上記光のパワーとの第４の比を測定し、上記第２光源から発せられた上記光のパワーと上記光センサに検知された上記第２光源からの上記光のパワーとの第５の比を測定し、上記第３光源から発せられた上記光のパワーと上記光センサに検知された上記第３光源からの上記光のパワーとの第６の比を測定する工程と、
上記第１、第２、第３、第４、第５、および第６の比に基づいて、上記気体混合物の成分の濃度を計算する工程と、を含む、方法。
【請求項１８】
上記基準気体は空気である、請求項１５から１７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１９】
上記測定気体混合物は呼気であり、濃度が測定される上記測定気体混合物の上記成分はケトンである、請求項１５から１８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２０】
上記ケトンの濃度の測定は、上記気体混合物または基準気体内の一つ以上の他の気体成分の濃度にさらに基づいており、上記一つ以上の他の気体成分の濃度は、センサ測定値、ユーザー特徴、および環境特徴の少なくとも一つによって定められる、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
上記ケトンの濃度を、糖尿病の診断、ケトアシドーシスの診断、脂肪燃焼測定、および減量管理の少なくとも一つに用いる工程をさらに含む、請求項１９および２０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２２】
ユーザーの行動についてアドバイスを出す工程をさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は気体混合物を分析するための装置に関し、特に、呼気中の成分を分析するための装置に関する。より具体的には、本発明は、糖尿病を診断または管理するため、あるいは脂肪燃焼をモニタリングするために、呼気中のアセトン濃度を測定するシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
医学的診断のために呼気分析を用いることは、活発な研究努力が行われているテーマである。分子レベルでの病原的変化を検出する能力に加えて、非侵襲的、かつリアルタイム性を有する測定は、呼気分析の主な利点である。
【０００３】
ヒトの呼気中の特定のバイオマーカーの濃度は、特定の病気の兆候に関連しうる。例えば、呼気中の高アセトン濃度は、糖尿病および脂肪燃焼のバイオマーカーであることが知られている。非糖尿病患者の呼気は、通常約０．５ｐｐｍ（１００万分率）のアセトンを含有している。１型および２型糖尿病患者には、約０．８から４．０ｐｐｍの高平均呼気アセトン濃度が存在することが分かっている。呼気中のアセトン濃度と血糖値との間にはいくつか相関関係があることが示唆されてきた。
【０００４】
糖尿病は、世界的な公衆衛生にとって最も難しい問題の１つである。糖尿病は、糖をエネルギー源として使用する体の能力に影響を与える慢性疾患であり、結果的に、血中に高血糖値をもたらす。糖尿病の患者は、インスリンを生成しない（インスリン欠乏性：１型）、またはインスリンの生成が不十分または無効である（インスリン抵抗性：２型）のいずれかである。インスリン抵抗または欠乏の結果として、ヒトの体は、エネルギー源として糖を使うことができず、そのため、インスリンの代わりに、体は蓄えた脂肪やタンパク質を分解することに頼ることになる。この代替的な燃料源は、最終的に、高アセトン濃度を含む、血中の高ケトン濃度となる。ヒトの呼気中のアセトン濃度は、血中のアセトン濃度に単調に関連する。
【０００５】
現在利用可能な治療法が存在しないため、糖尿病は生涯にわたる管理が必要である。１型糖尿病の場合、上記の管理として、頻繁なインスリン注射、またはインスリンポンプを用いたインスリンの連続的な注入によって、血糖値を安全な値内に保つことが含まれる。２型糖尿病に関しては、投薬、食餌療法、および運動、あるいは必要であればインスリン注射を組み合わせて血糖値を管理する。
【０００６】
さらに、血中のアセトン値が非常に高い場合、糖尿病性ケトアシドーシス（ＤＫＡ）として知られている生命に関わる状態が発現しうる。この状態が治療されない場合、糖尿病性昏睡に至ったり、死に至ることさえあり得る。糖尿病性ケトアシドーシスは、１型糖尿病患者の糖尿病に関する全入院の約５０％を占める。
【０００７】
血糖値を管理し、ＤＫＡを防ぐために、糖尿病患者は、頻繁に（通常、１日に４から１０回）血糖を測定し、時には、血中ケトン値を測定する必要がある。この測定は、検査する必要があるたびに、患者が自分の指を刺す必要がある、痛みを伴う面倒な処置によって得られる少量の血液サンプルを用いて行われる。
【０００８】
同様の処置は診断やスクリーニングに用いることができる。初期診断においては、ケトンおよび／またはグルコースの存在について、尿サンプルを検査することができる。この検査は、特異性は高いが、感度が非常に低く、概して不便である。
【０００９】
要約すると、現在の糖尿病診断および管理の方法または処置は、概して、低感度かつ不便であり、患者にとって痛みを伴うものであり、時間と費用がかかるものである。したがって、糖尿病の診断および管理のための効果的な非侵襲的方法を発見するために、世界中で多大な努力が行われている。
【００１０】
ヒトの呼気中のアセトン濃度の測定は、糖尿病の診断方法および糖尿病の管理方法として利用することが可能である。しかしながら、低濃度のアセトン（通常、０．１から１０ｐｐｍの範囲）を測定する必要があること、およびヒトの呼気中に数百の異なる揮発性有機化合物（ＶＯＣ）が存在することから、現在、糖尿病用の持ち運び可能な信頼性が高いアセトン呼気分析器は市場にない。
【００１１】
非糖尿病患者にとっては、呼気中の高アセトンは、主に、体の新陳代謝に必要な炭水化物の不十分な摂取の結果としての脂肪燃焼によるものである（O.B. Crofford et al., Acetone in breath and blood, Trans Am Clin Climatol Assoc. 1977; 88: 128−139）。したがって、患者が減量中である場合、呼気中の高アセトンは減量の成功にとって非常に有用な指標であり、患者を励ますために利用することができる。
【００１２】
従来の呼気分析は、水素炎イオン化、イオン移動度分光計、および質量分析計等の検出方法と組み合わせたガスクロマトグラフィーを使用して行われる。このような方法は、熟練の技師だけでなく、大きくて高価な装置が必要であるため、リアルタイムの臨床現場即時検査（ポイントオブケア：point-of-care testing）に適していない。
【００１３】
最近、紫外（ＵＶ）または近赤外（ＮＩＲ）波長の光を用いて、呼気中のアセトン濃度を測定するために、キャビティリングダウン分光法が用いられた（Wang et al, US20040137637 A1（２００４年７月１５日公開）;Wang et al., Measurement Science and Technology 19 105604（２００８年８月２７日公開））。この技術は、高価な要素であるレーザーを、特にＵＶおよびＮＩＲ周波数において用いることが必要である。
【００１４】
Graham et al., WO2011117572A1（２００９年９月２９日公開）は、共振光キャビティを用いて呼気中のアセトンを検出するために、広帯域ＮＩＲ光源を使用することを教示している。この構成は、アセトンが特徴的な吸収を示すＮＩＲ波長における呼気の吸収スペクトル（すなわち、呼気中の吸収の、波長に対する依存）を測定することにより、呼気中のアセトン濃度を測定する。アセトンの特定の吸収帯の波長範囲より著しく広い波長範囲にわたって光を発する広帯域ＮＩＲ光源が選択される。そして、波長可変フィルタ、分光計、または格子等の高価な要素を使用して、吸収スペクトルが測定される。残念なことに、呼気中のその他多数の成分（ＶＯＣや水蒸気など）は、上記の波長における測定を困難にする赤外光の強吸収を示し、吸収に干渉する傾向がある。
【００１５】
金属酸化膜半導体（ＭＯＳ）センサをアセトンの検出に使用することは可能であるが、ＭＯＳセンサは、感度が低いだけでなく、その検出の仕組みがあまり理解されていない。より重要なことは、ＭＯＳセンサが、空気中および呼気中に存在する他の揮発性有機化合物による吸収の干渉を受けることであり、これによって、ＭＯＳセンサの特異性が低下する（Kanan et al., Sensors 2009, 9, 8158-8196、２００９年１０月１６日公開）。
【００１６】
その他の呼気アセトン検出法として、Massick, US7790467B1（２０１０年９月７日発行）が挙げられる。これは、アセトンとハロゲン化水素との間の反応副生成物を検出するために、赤外光を発するダイオードレーザーを使用することに基づく間接的方法を説明している。Goldstein et al., US6479019B1（２００２年１１月１２日発行）は、光の吸収または透過がアセトンやその他の化学物質等の標的気体分子との反応の作用である、化学光学センサを説明している。これらの方法は、複雑であるか、検出限度が低いか、あるいは特異性が低いかのいずれかである。
【００１７】
上記の呼気分析方法の多くに見られる重要な問題は、周囲空気中または呼気中のいずれかに存在するその他のＶＯＣの干渉である。そのような干渉は、呼気分析器の感度および特異性に影響する。
【００１８】
その他の関連する先行技術は、特許出願Harely, US20100061885 A1（２０１０年３月１１日公開）であり、これは、ＬＥＤを含むＵＶ光源を使用してオゾン濃度を測定するための装置を説明している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１９】
【特許文献１】US20040137637 A1, Wang et al.,  ２００４年７月１５日公開
【特許文献２】WO2011117572A1, Graham et al.,  ２００９年９月２９日公開
【特許文献３】US7790467B1, Massick,  ２０１０年９月７日発行
【特許文献４】US6479019B1, Goldstein et al.,  ２００２年１１月１２日発行
【特許文献５】US20100061885 A1, Harely,  ２０１０年３月１１日公開
【非特許文献】
【００２０】
【非特許文献１】O.B. Crofford et al., Acetone in breath and blood, Trans Am Clin Climatol Assoc. 1977; 88: 128−139
【非特許文献２】Wang et al., Measurement Science and Technology 19 105604（２００８年８月２７日公開）
【非特許文献３】Kanan et al., Sensors 2009, 9,8158-8196、２００９年１０月１６日公開
【発明の概要】
【００２１】
本発明の一態様は、気体混合物の成分の濃度を測定する測定装置である。例示的な実施形態では、上記測定装置は、上記気体混合物を受け入れるチャンバと、上記チャンバ内に光を発する少なくとも一つの光源であって、上記発せられた光は２３０ｎｍから３２０ｎｍの波長を有する、光源と、上記光源から発せられ上記チャンバ内の上記気体混合物の中を伝搬した上記光の一部を検知する少なくとも一つの光センサと、上記光源から発せられた上記光のうち、上記光センサで検知された一部に基づいて、上記気体混合物の上記成分の濃度を定めるよう構成されたプロセッサと、を備える。
【００２２】
本発明の他の一態様は、気体混合物の成分の濃度を測定する第一の方法である。例示的な実施形態では、上記第一の方法は、基準気体をチャンバ内に導入する工程と、光源から上記チャンバに光を発して上記基準気体内を伝搬させる工程であって、上記光源から発せられた光は２３０ｎｍから３２０ｎｍの波長を有する、工程と、上記光源から発せられ上記チャンバ内の上記基準気体内を伝播した上記光の一部を光センサで検知し、上記光源から発せられた上記光のパワーと上記光センサに検知された上記光のパワーとの第１の比を測定する工程と、測定気体混合物を上記チャンバ内に導入する工程と、上記光源から上記チャンバ内に光を発して上記測定気体混合物内を伝搬させる工程と、上記光源から発せられ上記チャンバ内の上記測定気体混合物内を伝播した上記光の一部を上記光センサで検知し、上記光源から発せられた上記光のパワーと上記光センサに検知された上記光のパワーとの第２の比を測定する工程と、上記第１および第２の比に基づいて、上記測定気体混合物の成分の濃度を計算する工程と、を含む。
【００２３】
本発明の他の一態様は、気体混合物の成分の濃度を測定する第二の方法である。例示的な実施形態では、上記第二の方法は、基準気体をチャンバ内に導入する工程と、第１光源および第２光源から上記チャンバ内に光を発して上記基準気体内を伝搬させる工程であって、上記第１光源および第２光源から発せられた光はおのおの、２３０ｎｍから３２０ｎｍの波長を有する、工程と、上記第１光源および第２光源から発せられ上記チャンバ内の上記基準気体内を伝播した上記光の一部を少なくとも一つの光センサで検知する工程と、上記第１光源から発せられた上記光のパワーと上記光センサに検知された上記第１光源からの上記光のパワーとの第１の比を測定し、上記第２光源から発せられた上記光のパワーと上記光センサに検知された上記第２光源からの上記光のパワーとの第２の比を測定する工程と、測定気体混合物を上記チャンバ内に導入する工程と、上記第１光源および第２光源から上記チャンバ内に光を発して上記測定気体混合物内を伝搬させる工程と、上記第１光源および第２光源から発せられ上記チャンバ内の上記測定気体混合物内を伝播した上記光の一部を上記少なくとも一つの光センサで検知する工程と、上記第１光源から発せられた上記光のパワーと上記光センサに検知された上記第１光源からの上記光のパワーとの第３の比を測定し、上記第２光源から発せられた上記光のパワーと上記光センサに検知された上記第２光源からの上記光のパワーとの第４の比を測定する工程と、上記第１、第２、第３、および第４の比に基づいて、上記気体混合物の成分の濃度を計算する工程と、を含む。
【００２４】
本発明の他の一態様は、医学的診断のためにアセトン濃度を定める呼気分析の方法である。例示的な実施形態では、呼気分析の上記方法は、基準気体をチャンバ内に導入する工程と、光源から上記チャンバに光を発して上記基準気体内を伝搬させる工程であって、上記光源から発せられた光は２３０ｎｍから３２０ｎｍの波長を有する、工程と、上記光源から発せられ上記チャンバ内の上記基準気体内を伝播した上記光の一部を光センサで検知し、上記光源から発せられた上記光のパワーと上記光センサに検知された上記光のパワーとの第１の比を測定する工程と、呼気を上記チャンバ内に導入する工程と、上記光源から上記チャンバ内に光を発して上記呼気内を伝搬させる工程と、上記光源から発せられ上記チャンバ内の上記呼気内を伝播した上記光の一部を上記光センサで検知し、上記光源から発せられた上記光のパワーと上記光センサに検知された上記光のパワーとの第２の比を測定する工程と、上記第１および第２の比に基づいて、上記呼気中のアセトンの濃度を計算する工程と、を含む。
【００２５】
上述の目的および関連する目的を達成するために、本発明は、以下に十分に説明され、請求項に詳細に示された特徴を備えている。下記の説明および添付の図面は、本発明のいくつかの例示的な実施形態を詳細に述べている。しかしながら、これらの実施形態は、本発明の原理が利用される種々の方法のわずかを示しているに過ぎない。本発明のその他の目的、利点、および新規な特徴は、図面と合わせて検討することで、以下の本発明の詳細な説明から明らかになるであろう。さらに、請求項に定義されるような本発明の精神および範囲から逸脱することなく、本発明に対して、種々の修正、追加、変更を行ってもよいことが、当業者に理解されるであろう。
【発明が解決しようとする課題】
【００２６】
従来の糖尿病の診断および管理方法の欠点、および先行技術の呼気アセトンセンサの限界および問題を考慮すると、呼気中のアセトン検出等の非侵襲的処置によって正確な糖尿病の診断をもたらすことのできる、安価で携帯可能な、使い勝手のよい装置が本技術で必要とされている。さらに、感度の限界、およびその他のＶＯＣの干渉を克服するための、そのようなアセトン呼気分析器が本技術で必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
本発明は、高精度かつ低コストで、気体混合物中のアセトンを含む分子の濃度を測定する装置および方法を含んでいる。上記装置は、呼気中のアセトン濃度を測定するのに適しており、糖尿病の診断、ケトアシドーシスの診断、脂肪燃焼のモニタリング、および減量管理に利用することができる。
【００２８】
本発明の一態様においては、チャンバ内の気体混合物中のアセトン濃度は、分光検出器を必要とせずに、１つ以上の単純な光検出器を使用して、２３０ｎｍから３２０ｎｍの波長を有する１つ以上の固体深ＵＶ光源（例えばＬＥＤ）によって発せられた光の上記気体中の吸収強度によって測定される。
【００２９】
本発明の一態様においては、上記装置は、２７０から３２０ｎｍの範囲、好ましくは２８５から３２０ｎｍの範囲の中心発光波長を有する１つ以上のＬＥＤを含んでいるため、他の気体が存在する場合でも、非常に優れた精度をもたらす。特に、呼気および／または周囲空気中に存在する二酸化炭素や酸素のように、他の方法によるならば深ＵＶ光の吸収に基づくアセトン測定の精度を低減させるような気体が存在する場合でも、非常に優れた精度をもたらす。
【００３０】
本発明の他の態様においては、上記装置は、２４０から２７０ｎｍの範囲の第１の中心発光波長を有する１つ以上のＬＥＤと、２７０から３００ｎｍの範囲の第２の中心発光波長を有する１つ以上のＬＥＤとを含んでいる。本発明の他の態様においては、上記装置は、２４０から２７０ｎｍの範囲の第１の中心発光波長を有する１つ以上のＬＥＤと、２７０から２９０ｎｍの範囲の第２の中心発光波長を有する１つ以上のＬＥＤと、２９０から３１０ｎｍの範囲の第３の中心発光波長を有する１つ以上のＬＥＤとを含んでいる。本発明の他の態様においては、上記装置は、２００から２４０ｎｍの範囲の第１の中心発光波長を有する１つ以上のＬＥＤと、２４０から２７０ｎｍの範囲の第２の中心発光波長を有する１つ以上のＬＥＤと、２７０から３００ｎｍの範囲の第３の中心発光波長を有する１つ以上のＬＥＤとを有する。２つまたは３つの中心発光波長を用いることによって、呼気および／または周囲空気にオゾンや二酸化硫黄のような、他の方法によるならば深ＵＶ光の吸収に基づくアセトン測定の精度を低減させるような気体が存在する場合でも、非常に優れた精度のアセトン濃度測定をもたらす。
【発明の効果】
【００３１】
本発明は、先行技術からは示唆されない多数の利点を提供する。特に、本発明は、分光計を必要とせずに、固体ＵＶ光源（例えばＬＥＤ）を含む単純な装置による光吸収を用いたアセトン濃度の正確な測定をもたらす。本発明のいくつかの態様は、酸素、二酸化炭素、二酸化硫黄、オゾン等の干渉する分子が存在する場合でも、信頼性の高いアセトン濃度測定を提供する装置および動作方法を初めて提供する。従来の構成は、２６６ｎｍの狭帯域発光波長を有する複雑なレーザー源を使用する。この先行技術は、上述したすべての気体分子の干渉に関連する問題を見出してもいないし解決してもいない。特に、従来の装置は、信頼性の高い結果を得るために、適切な第１、第２、または第３の中心発光波長を有する１つ以上のＬＥＤを使用していない。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
添付の図面において、同様の参照番号は、同様の部品または特徴を示す。
【図１】気体混合物中のアセトン濃度を測定するための装置の図である。
【図２】アセトンの吸収断面積のグラフである。
【図３】オゾンの吸収断面積のグラフである。
【図４】二酸化硫黄の吸収断面積のグラフである。
【図５】気体混合物中のアセトン濃度を測定するための装置の図である。
【図６】２つの波長における吸収を利用したアセトン測定における１００万分率（ｐｐｍ）レベルの誤差を示す等高線グラフである。
【図７】本発明の実施例において、光源を使用する、気体混合物中のアセトン濃度を測定するために使用される装置の図である。
【図８】本発明に係る装置を使用する、呼気中のアセトン濃度を測定する方法を示したフローチャートである。
【図９】本発明の実施例において、第１光源および第２光源を使用する、気体混合物中のアセトン濃度を測定するために使用される装置の図である。
【図１０】本発明に係る装置を使用する、呼気中のアセトン濃度を測定する方法を示したフローチャートである。
【図１１】本発明の実施例において、光源を使用する、気体混合物中のアセトン濃度を測定するために使用される装置の図である。
【図１２】本発明の実施例において、光源を使用する、気体混合物中のアセトン濃度を測定するために使用される装置の図である。
【図１３】本発明の実施例において、光源を使用する、気体混合物中のアセトン濃度を測定するために使用される装置の図である。
【図１４】本発明の実施例において、光源を使用する、気体混合物中のアセトン濃度を測定するために使用される装置の図である。
【図１５】弁の図である。
【図１６】可動要素を有する弁の図である。
【図１７】酸素および二酸化炭素の吸収断面積のグラフである。
【図１８】本発明の一実施形態に係る装置の出力の例である。
【図１９】本発明の実施例において、光源を使用する、気体混合物中のアセトン濃度を測定するために使用される装置の図である。
【図２０】本発明の実施例において、光源を使用する、気体混合物中のアセトン濃度を測定するために使用される装置の図である。
【図２１】本発明の実施例において、第１光源、第２光源、および第３光源を使用する、気体混合物中のアセトン濃度を測定するために使用される装置の図である。
【図２２】例示的な第１光源、第２光源、および第３光源のスペクトルのグラフである。
【図２３】本発明の一実施形態に係る装置の出力の例である。
【図２４】本発明の一実施形態に係る装置を使用する、アセトン濃度測定の結果の例である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
本発明は、高精度かつ低コストで、気体混合物中のアセトンを含む分子の濃度を検出および／または測定する装置および方法を提供する。本発明の一態様においては、アセトン濃度は、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）等の１つ以上のＵＶ光源から発せられた光の吸収強度から測定される。
【００３４】
気体混合物中の光の吸収は、通常、光に対する気体混合物の吸収係数、および光が気体内を伝播する際の経路の長さに依存する。波長λおよび初期強度Ｉ０を有する光が、波長依存吸収係数α(λ)を有する気体混合物内を伝播する場合、光強度Ｉ１は、ランベルト・ベールの法則により、気体を通る光路の長さＬに依存する。
【数１】
2017528704.tif 000003
【００３５】
波長依存吸収係数α(λ)は、気体混合物中の気体分子の濃度、および気体分子の吸収断面積に依存する。気体分子の波長依存吸収断面積がσ(λ)である、濃度ｎを有する１種類の気体分子を含有する気体について、吸収係数は以下の通りである。
【数２】
2017528704.tif 000004
【００３６】
したがって、気体分子の吸収断面積および気体を通る光の経路の長さが既知であるという前提ならば、光強度Ｉ０およびＩ１を測定することによって気体の濃度ｎを測定することが可能である。吸収断面積は、公開されたデータベースから容易に得ることができ、経路の長さ、すなわち有効な経路の長さは、測定可能な装置の特性である。
【００３７】
２種類以上の気体分子を含有する気体混合物について、当該気体混合物の吸収係数は、各種類の気体分子に関連する吸収係数の合計から測定可能である。例えば、気体混合物が、吸収断面積σi(λ)および濃度ｎｉをそれぞれ有するＮ種類の異なる分子を含有する場合、吸収係数は以下の通りである。
【数３】
2017528704.tif 000005
【００３８】
気体混合物中の第１の気体の濃度を測定するために光の吸収強度を利用する正確なセンサを製造するうえでの大きな課題は、第１の気体以外の気体が、光の吸収に寄与してしまうことである。この問題は、「交差感度」または「干渉」と称される。この問題に対する先行技術の解決策は、高スペクトル分解能によって、気体混合物の吸収スペクトルを測定および分析することである。吸収スペクトルとは、気体混合物による光の吸収の、当該光の波長に対する依存の測定値である。第１の気体の吸収スペクトルの１つ以上の特定の特性は、気体混合物の吸収スペクトルにおいて識別することが可能であり、第１の気体の濃度は、気体混合物の他の（未確認の）気体の顕著な交差感度を受けずに測定可能である。上記方法の特徴は、吸収スペクトルにおいて測定され分析されている波長範囲が、第１の気体の吸収スペクトルにおける１つ以上の特性によって定まる波長範囲より広いことである。これは、広帯域光源や、高スペクトル分解能を有する分光計等の複雑な光学設計および要素を必要とする。
【００３９】
本発明は、複雑な光学設計および要素を必要とせずに、深ＵＶ光の吸収を利用した、気体混合物中のアセトン濃度の正確な測定を提供する。本発明の一態様においては、ＬＥＤ等の光源によって発せられる深ＵＶ光の吸収強度を、分光計を必要とせずに、気体混合物中のアセトン濃度を測定するために使用することができる。したがって、本発明の一態様は、気体混合物の成分の濃度を測定するための測定装置である。例示的な実施形態においては、上記測定装置は、上記気体混合物を受け入れるチャンバと、上記チャンバ内に光を発する光源であって、上記発せられた光は２３０ｎｍから３２０ｎｍの波長を有する、光源と、上記光源から発せられ上記気体混合物の中を伝搬した上記光の一部を検知する光センサと、を備える。プロセッサが、上記光源から発せられた上記光のうち、上記光センサで検知された一部に基づいて、上記気体混合物の上記成分の濃度を定めるよう構成されている。上記光源は、発光の中心波長が２７０ｎｍから３２０ｎｍであり、発光の線幅が５０ｎｍ未満である一つ以上のＬＥＤを含む。上記装置を用いて、糖尿病または他の健康状態を示しうる呼気中のアセトン濃度を定めてもよい。
【００４０】
図１を参照すると、本発明は、分析対象の気体混合物を含むチャンバ１と、約λの中心波長を有する光をどれも発する１つ以上の深ＵＶ光発光装置を含む光源２と、光源２から発せられた深ＵＶ光のパワーを当該光が気体混合物内を伝播したあとに測定するために使用可能な１つ以上の感光装置を含む光検出器３と、を備えている。光源２は、例えばＬＥＤ等の固体深ＵＶ光発光装置を含むことが好ましい。光検出器３は、例えば光ダイオード等の固体感光装置を含むことが好ましい。
【００４１】
アセトンの吸収断面積のスペクトルのグラフを図２に示す。アセトンは、約２３０ｎｍから３２０ｎｍの波長の広範囲にわたって最も強く深ＵＶ光を吸収し、約２７５ｎｍでピークとなる。本発明の特徴は、光源２が発する光のスペクトル線幅を、アセトンが深ＵＶ光を強く吸収する波長の幅よりも狭くしうるので、分光計や他の複雑な波長測定装置が必要でなくなることである。
【００４２】
例えば、光源２は、５０ｎｍ以下の線幅の光を発することができる。上記光のスペクトル線幅は、光に存在する波長範囲の基準である。本開示においては、スペクトル線幅は、光のスペクトルの半値全幅（ＦＷＨＭ）として定義される。例えば、スペクトル線幅は、通常の最小２乗誤差法を利用するスペクトルに適したガウス関数のＦＷＨＭに等しい。この場合、光の中心波長（λ）は、上記ガウス関数の中心波長として定義されてもよい。
【００４３】
本発明の一態様は、アセトン濃度測定が正確かつ信頼性の高いものとなるように、アセトン以外の気体混合物中の気体による深ＵＶ光の吸収が、装置の設計および／または動作方法に考慮されることである。第１の実施例においては、呼気中のアセトン濃度が測定されるように、気体混合物は呼気である。この場合に、正確かつ信頼性の高いセンサの設計を得るために、本発明者らは、センサの設計および／または動作方法において、二酸化炭素（ＣＯ２）および酸素（Ｏ２）による深ＵＶ光の吸収を考慮することが非常に重要であることを発見した。二酸化炭素および酸素のおおよその吸収断面積のグラフを図１７に示す。２４０ｎｍから３００ｎｍの波長範囲について、科学文献に報告されている酸素の吸収断面積は多くの種類がある。本発明者らは、本発明の利点をもたらすために、図１７にグラフ化した酸素の吸収断面積を利用できることを発見した。しかしながら、他の吸収断面積の値も使用可能である。二酸化炭素と酸素は、共に、２４０ｎｍから３００ｎｍの波長における吸収が弱い。しかしながら、これらの気体は、気体混合物中において比較的高濃度（例えば３０％もの濃度）で存在しうるため、場合によっては、正確かつ信頼性の高いセンサの設計を得るために、上記気体によるＵＶ光の全吸収を考慮すべきである。
【００４４】
正確なセンサを得るためには、光検出器３に入射する光の強度を低下させる他の原因も考慮する必要がある。こうした他の損失としては、気体分子による光の散乱や、光学窓等の光学要素による光の反射、吸収、散乱が挙げられる。
[0045]
本発明は、上記の課題を克服し、下記に説明する具体的な工程を介して、図１に示すコアセンサ構造に基づいた呼気中のアセトン濃度の正確な測定を可能にする。
【００４５】
本説明において、数学的計算を簡略化するため、下記の数学的近似法を行っている。
【数４】
2017528704.tif 000006
【００４６】
この近似法は、異なる気体の吸収係数が低い場合に適しているが、本発明の実施において必ずしも用いなくてよい。
【００４７】
方程式１から４により、光検出器３への入射光の光パワー（Ｉ１）を、第１の窓への入射光の光パワー（Ｉ０）で割った比率が、下記式によって得られる。
【数５】
2017528704.tif 000007
【００４８】
上記方程式では、酸素、二酸化炭素、およびアセトンによる呼気中の深ＵＶ光の吸収が明示的に考慮されており、εはその他のすべての損失を示している。こうしたさらなる損失としては、気体分子による光の散乱、光学要素による光の反射、吸収、散乱、および光検出器の収集立体角が挙げられる。ｎＣＯ２、ｎＯ２、ｎＡｃは、それぞれ、呼気中の二酸化炭素、酸素、およびアセトンの濃度である。
【００４９】
方程式５に含まれる多くのパラメータ（特に、ｎＣＯ２、ｎＯ２、ｎＡｃ、ε）は、一般的に知られていない。
【数６】
2017528704.tif 000008
【００５０】
の測定からアセトン濃度ｎＡｃを測定するために、チャンバ１に基準気体を導入して付加的な基準測定を行ってもよい。基準気体は、窒素等の純気体や、周囲空気等の気体混合物であってもよい。
【００５１】
基準気体について以下が当てはまる。
【数７】
2017528704.tif 000009
【００５２】
方程式５と同様に、ｎ’ＣＯ２、ｎ’Ｏ２、およびｎ’Ａｃはそれぞれ、基準気体中の二酸化炭素、酸素、およびアセトンの濃度であり、ε'はその他のすべての損失を示している。
【００５３】
チャンバ１内の基準気体は、大気圧（１ａｔｍ）にほぼ等しい圧力であってもよく、あるいは、大気圧より高い、または低い圧力であってもよい。例えば、チャンバ１内の基準気体は、１０−５ａｔｍから１００ａｔｍの間の圧力であってもよい。基準気体として周囲空気を用いることは、センサの使用を単純化し、動作コストを低下させるうえで非常に有利である。大気圧より低い圧力の基準気体を用いることは、基準気体への吸収が（大気圧の基準気体と比較して）減少し、それによって基準気体の性質に関係なく、高精度でε'が測定されるため、センサの精度を改善するうえで有利となりうる。
【００５４】
好ましい場合、基準気体中のアセトン濃度が０であり（またはごくわずか）、そのため方程式６を以下のように改めてもよい。
【数８】
2017528704.tif 000010
【００５５】
基準気体として周囲空気を使用した場合、通常、ｎ’Ａｃを０、またはごくわずかと仮定することは有効な近似値である。
【００５６】
方程式５および７から、我々は、呼気中のアセトン濃度について以下の式に達する。
【数９】
2017528704.tif 000011
【００５７】
ここで、ΔＯ２＝ｎ’Ｏ２−ｎＯ２、およびΔＣＯ２＝ｎ’ＣＯ２−ｎＣＯ２は、それぞれ、呼気と基準気体との間の酸素と二酸化炭素の濃度差を示している。
【００５８】
本発明者らは、多くの場合において、ε=ε'と仮定することが適切であることを確認した。呼気および基準気体中の（例えばレイリー散乱による）散乱は非常に似ているため、上記仮定は妥当である。その他の場合においては、呼気および基準気体の一般的な型に関するεとε'との間の公知の関係を確認することが可能である。
【００５９】
周囲空気は、通常、約７８％の窒素、約２１％の酸素、約０．０４％の二酸化酸素を含んでいる。しかしながら、これらの気体の濃度は、地理的位置、局所的環境、および高度の間で変化しうる。例えば、ヒトの多い建物内の周囲空気中の二酸化炭素濃度は、屋外の二酸化炭素濃度よりも高くなりうる。
【００６０】
ヒトの呼気は、通常、約７８％の窒素、約１６％の酸素、約５％の二酸化炭素を含んでいる。しかしながら、これらの気体の濃度は、吸気（すなわち環境）内の気体の濃度に応じて変わりうるし、個人個人で変わりうるし、一人の人間でも健康や運動状況に応じて変わりうる。
【００６１】
周囲空気および呼気について上述した一般的な濃度に基づいて、下記の標準的な値を算出することができる。
【数１０】
2017528704.tif 000012
ここで、関係する温度および圧力に関して、ＮＡはアボガドロ数、Ｖｍは気体（例えば理想気体）のモル体積である。これらの値、および方程式８を用いて、呼気中のアセトン濃度を、
【数１１】
2017528704.tif 000013
の計算、およびε=ε'と仮定すること、あるいはεとε'との間の公知の関係を考慮することから、決定できる。
【００６２】
本発明の一態様においては、ΔＯ２またはΔＣＯ２の適切な値は、局所的環境（例えば、地理的位置、高度、田舎か都市か、屋内か屋外か等）についてのデータ等の入力、および呼気が分析にかけられている個人（例えば、性別、年齢、健康状態、運動状況、呼吸能力等）によって決定される。本発明の他の態様においては、上記の局所的環境、または呼気が分析にかけられている個人に関する情報を必要とせずに、ΔＯ２またはΔＣＯ２の標準的な値（上述の値等）が利用される。
【００６３】
本発明のさらに他の態様においては、ΔＯ２および／またはΔＣＯ２の適切な値を提供するために、１つ以上のセンサを用いて呼気および基準気体中の酸素および二酸化炭素のうち少なくとも一方の濃度を測定してもよい。
【００６４】
方程式８を用いる際には、光源２から発せられる光に対するアセトンの吸収断面積（σＡｃ（λ））、二酸化炭素の吸収断面積（σＣＯ２（λ））、および酸素の吸収断面積（σＯ２（λ））を知ることが必要である。アセトンに関する適切な値を図２にプロットし、酸素および二酸化炭素に関する適切な値を図１７にプロットしているが、他の値を使用してもよい。したがって、σＡｃ（λ）、σＣＯ２（λ）、およびσＯ２（λ）の適切な値は、光源２から発せられる光の波長（または複数の波長）を知ることにより特定できる。
【００６５】
光源２は、例えばレーザーダイオード等のレーザー、または光ポンピングレーザー結晶を含み、レーザーダイオードによって光ポンピングされてもよい。上記レーザーは、約λの中心波長を有する光を直接発してもよい。あるいは、上記レーザーによって発せられる光は、約λの中心波長を有する光を生成するために、周波数変換工程を経てもよい。例えば、上記レーザーによって発せられる光は、第２次高調波発生等の工程によって上記光の周波数を倍にする部材中を伝播してもよい。光源２がレーザーを含む上記の場合においては、光源から発せられる光のスペクトル線幅は、２ｎｍ未満であってもよく、１ｎｍ未満であってもよい。
【００６６】
光源２は、約λの中心波長を有する光を発する広帯域発光ダイオード（ＬＥＤ）を含んでもよい。上記の場合においては、上記光のスペクトル線幅は、５ｎｍから４０ｎｍの間であってもよい。
【００６７】
光源２は、第１の波長を有する光を、約λの中心波長を有する光に変換する蛍光材料を含んでもよい。例えば、光源２は、第１の波長を有する光を生成するために、レーザーまたはＬＥＤを含んでもよい。そして、第１の波長を有する光は、第１の波長を有する光が蛍光材料に吸収され、約λの中心波長を有する光が蛍光材料から発せられるように、蛍光材料を照射してもよい。
【００６８】
好ましい場合においては、光源２から発せられる約λの中心波長を有する光は、５０ｎｍ以下のスペクトル線幅を有している。より好ましい場合においては、スペクトル線幅は５０ｎｍ以下かつ５ｎｍ以上である。さらに好ましい場合においては、スペクトル線幅は３０ｎｍ以下かつ５ｎｍ以上である。さらにより好ましい場合においては、スペクトル線幅は約１０ｎｍである。
【００６９】
下記に説明する理由により低コストかつ高性能を有する装置を提供することから、上記の例で述べたスペクトル線幅を有する光を用いることが有利である。簡略化された検出システムを用いて、標的分子（例えば、本例のアセトン）の濃度を極めて明確に測定するために、スペクトル線幅は、好ましくは５０ｎｍ以下であるべきである。光源２から発せられる光のスペクトル線幅が５０ｎｍ以下である場合、上記光の線幅は、アセトン等の標的分子が強く吸収する波長範囲に類似するか、または当該範囲より低い（例えば、２３０から３２０ｎｍの波長範囲において、分子による最高吸収の少なくとも１０％の光を分子が吸収する波長範囲）。したがって、光源２によって発せられる光の波長の実質的部分は、アセトン等の標的分子によって吸収されうる。このことは、検出システム（例えば、光検出器３）は、光源２によって発せられる光の線幅がアセトン等の標的分子が強く吸収する波長範囲よりはるかに大きい場合よりも、感度が低くてよいことを意味する。さらに、光源２によって発せられる光のスペクトル線幅が５０ｎｍ以下である場合、アセトン等の標的分子による吸収は、光源の中心波長の慎重な選択によって、気体混合物中の他の分子による吸収と区別することができる。これによって、センサが分光計を必要としなくなる。
【００７０】
５ｎｍ以上のスペクトル線幅を有する光を利用することが有利である。これは、そうすれば、光の中心波長が変化してもセンサの精度が大きく低下しないからである。光源２によって発せられる光の中心波長は、周囲温度の変化、光源２の老朽化、光源２に印加される電圧または注入電流等の動作条件の変化、またはその他の理由によって変化しうる。光源２によって発せられる光のスペクトル線幅が非常に小さい場合（例えば１ｎｍ未満）、中心波長の小さな変化が、気体混合物中の分子による吸収における大きな変化につながりうる。これは、分子の吸収スペクトルが、波長の小さな変化に対して吸収が大きく変化する「狭」特徴を有する場合に特に当てはまる。例えば、酸素の吸収スペクトルは、いわゆる「ヘルツバーグライン（Herzburg lines）」の「狭」特徴を含んでいる（上記のスペクトルは波長軸に比較的大まかに沿ってサンプルされているため、こうした特徴は図１７には見えない）。光源２によって発せられる光が５ｎｍ以上のスペクトル線幅を有する場合、スペクトル線幅が非常に小さい（例えば１ｎｍ未満）場合よりも、中心波長の変化による吸収への影響がはるかに少ない。したがって、光源２によって発せられる光の中心波長の変化によるアセトン濃度測定の誤差が小さくなる。
【００７１】
５ｎｍ以上のスペクトル線幅を有する光を用いることの他の利点は、センサが、気体混合物の周囲温度の変化によって大きく低減されないことである。周囲温度の変化は、気体混合物中に存在する分子の吸収スペクトルを変化させうる。特に、上述したような吸収スペクトルにおける「狭」特徴の波長が変化しうる。光源２から発せられる光が５ｎｍ以上の線幅を有する場合、気体混合物中に存在する分子の吸収スペクトルの変化による吸収への影響がはるかに少ない。したがって、気体混合物の周囲温度の変化によるアセトン濃度測定の誤差が小さくなる。
【００７２】
光源２における深ＵＶ光発光装置の好ましい選択はＬＥＤである。通常、深ＵＶＬＥＤは単一波長を発することはなく、実際には５ｎｍから３０ｎｍの範囲の線幅を有する光を発する。ＬＥＤの発光スペクトルは、関数χ(λ)によって定義できる。時には、χ(λ)は、ガウス変化（Gaussian variation）によって極めて十分に近似できる。本発明の特徴は、光検出器３が、２３０から３２０ｎｍの範囲で光源２によって発せられた１つ以上の波長の全パワーを、チャンバ１内の伝播のあとで測定することである。したがって、方程式８で利用される吸収断面積の各値が、光源２の波長の広がりを考慮して算出されることが好ましい。例えば、光検出器３が、波長λｍｉｎとλｍａｘとの間のパワーを測定する場合、下記式となる。
【数１２】
2017528704.tif 000014
【００７３】
上述の工程は、単純な装置を用いて呼気中のアセトン濃度を測定するための優れた一般的な方法を提供する。しかしながら、いくつかの推定されたパラメータには不確実性が存在する。特に、方程式８は、ΔＯ２およびΔＣＯ２の推定値を必要とする。上述したように、例えば呼気および周囲空気に関する、有効で標準的な推定値を測定または推定することができるが、こうした推定値は、時に、ある程度の誤差がある。ΔＯ２およびΔＣＯ２の実際の値と推定された値との間の差は、ｎＡｃの測定の精度を下げうる。
【００７４】
本発明の一態様は、こうした不確実性のあるなか、アセトン濃度を測定するための確実な方法を提供することにある。図２を検討すると、アセトンによる吸収が最も強い、２７５ｎｍに近似する波長を有する深ＵＶ光を使用することに明らかな利点がある。原則として、最も強い吸収によって、よりわずかなアセトン濃度の検出が可能となるので、当業者であれば、当然、約２７５ｎｍの中心波長を有する深ＵＶＬＥＤを好む。しかしながら、アセトン濃度測定の精度における、ΔＯ２およびΔＣＯ２における不確実性の影響を詳細に分析することにより、本発明者らは、実際の利用において、高精度のセンサを提供するために、２７５ｎｍよりはるかに長い中心波長を利用することが極めて有利であることを割り出した。特に、少なくとも２８５ｎｍの光源２の中心波長、好ましくは、２９０ｎｍから３００ｎｍの範囲における中心波長が大いに望ましい。このようなより長い波長を用いることで、吸収断面積が２７５ｎｍの中心波長の利用に適用される値の約半分であっても、動作環境におけるアセトン濃度がさらに正確に測定される。
【００７５】
上述したように、本発明は、低コストかつ高精度で、呼気等の気体混合物中のアセトンを測定する必要性に対して優れた解決策を提供する。このことは、基準気体および呼気中のオゾン（Ｏ３）の濃度が、非常に低い（０．００１ｐｐｍ未満）場合の測定に特に適している。しかしながら、本発明者らは、基準気体または呼気のいずれかにオゾンが存在する場合、上述の発明（例えば図１）に係るアセトン濃度測定の精度が低減しうることを割り出した。オゾンの吸収断面積のスペクトルを図３にグラフ化した。オゾンは、２１０ｎｍから３２０ｎｍの波長を有する深ＵＶ光を吸収し、約２５５ｎｍの波長で吸収がピークとなる。周囲空気中のオゾン濃度は、局所的環境に大きく依存するが、通常、約０．０８ｐｐｍである。０．０８ｐｐｍのオゾンは、１ｐｐｍのアセトンより１０倍多く２７５ｎｍの波長の光を吸収する。
【００７６】
上記の問題を克服する１つの方法は、基準気体および／または呼気からオゾンを除去するためにオゾンフィルタを用いることである。オゾンフィルタの一例は、ヨウ化カリウムである。ヨウ化カリウム等のオゾンフィルタを用いることの不利な点は、非効率的になりうること、および飽和後に交換する必要があることである。さらに、そのようなフィルタは、呼気中のアセトンにも影響を与え、それによって測定が不正確になりうる。
【００７７】
本発明の一態様は、オゾンが存在しうる場合に、オゾンフィルタを必要とせずに、アセトン測定の精度を改善させることにある。この改善の第１の態様においては、光源２の中心波長が、３００ｎｍから３２０ｎｍの範囲にあるべきである。例えば、光源２は、３００から３２０ｎｍの範囲の中心波長を有する１つ以上の深ＵＶＬＥＤを含むべきである。この波長範囲が好ましいのは、オゾンによる３００から３２０ｎｍの波長光の吸収は２７５ｎｍの波長光の吸収より極めて著しく低く、また、アセトンの吸収断面積を３００から３２０ｎｍの波長光に関するオゾンの吸収断面積で割った比率は、２７５ｎｍの波長光についての比率より著しく高いためである（上述したように、２７５ｎｍの波長は、アセトンの吸収スペクトルの分析に基づく波長の当然の選択である）。
【００７８】
本発明の他の態様は、異なる中心波長を有する深ＵＶ光を発する２つの異なる光源を用いて、アセトン測定の精度をさらに改善させることにある。このことは、特に、濃度が分からないオゾンが存在しうる場合に、基準気体の濃度における不確実性に対してさらなる確実性をもたらす。
【００７９】
以下、我々は、例を示すことによって、オゾンによる吸収への干渉に対処する代替方法を説明する。しかしながら、この方法は、任意の可能性のある気体混合物または基準気体成分によるいずれの干渉にも対処するために一般化することができる。
【００８０】
図５は、本発明の上記態様の中心的要素を示している。第１光源４は、約λ１の第１の中心波長を有する光をどれもが発する１つ以上の深ＵＶ光発光装置を含む。第２光源５は、約λ２の第２の中心波長を有する光をどれもが発する１つ以上の深ＵＶ光発光装置を含む。チャンバ１は気体または気体混合物を含み、１つ以上の光検出器３が、第１光源４および／または第２光源５から発せられた深ＵＶ光のパワーを、当該光がチャンバ１内の気体または気体混合物を伝播したあとで測定する。１つの光検出器を用いて、第１光源４または第２光源５のいずれかから発せられた深ＵＶ光のパワーを測定してもよい。あるいは、別々の光検出器を用いて、第１光源４および第２光源５から発せられた深ＵＶ光のパワーを測定してもよい。
【００８１】
上述した数学的導出に類似した数学的導出に従って、呼気中のアセトン濃度ｎＡｃを、
【数１３】
2017528704.tif 000015
を、第１の波長および第２の波長において、方程式１０
【数１４−１】
2017528704.tif 000016
を用いて測定することによって、定めてもよい。
【００８２】
ここで、ｘ’とｙ’はそれぞれ、
【数１４−２】
2017528704.tif 000017
であり、ｘとｙはそれぞれ、
【数１４−３】
2017528704.tif 000018
である。
【００８３】
ΔＯ３は、基準気体中のオゾン濃度と、呼気中のオゾン濃度との差として、上記のΔＯ２と同様に定義される。ΔＯ３は、方程式１０を用いて計算することもできる未確認のパラメータである。
【００８４】
方程式１０は、基準気体または呼気のいずれかに濃度の分からないオゾンが存在しうる場合においても、高精度で呼気中のアセトン濃度を測定するための一般的な解決策を提供する。第１および第２の中心波長は、２３０ｎｍから３２０ｎｍの範囲である。
【００８５】
本発明の他の態様は、可能な限り最も精度の高いアセトン測定を得るために、第１および第２の中心波長を選択することにある。図６の等高線グラフは、λ１とλ２との複数の組み合わせに関するアセトン濃度の誤差（ｐｐｍの単位）を示している。上記の等高線グラフは、０．５ｐｐｍの名目上の（実際の）アセトン濃度および、ｘおよびｙの測定に関する計器のノイズを考慮して、周囲空気の基準気体について測定している。この測定は、ΔＯ２およびΔＣＯ２が、広範囲の周囲環境および呼気の状態に一致した範囲において変化するという前提に基づいている。
【００８６】
図６の等高線グラフは、アセトン濃度測定は、約２５５ｎｍの第１の中心波長、および約２９０ｎｍの第２の中心波長に対して、最も不確実性が低くなることを示している。最も精度が高い範囲は６と示され、２４０ｎｍから２７０ｎｍの範囲の第１の中心波長、および２７０ｎｍから３００ｎｍの範囲の第２の中心波長に対応している。
【００８７】
本発明の他の態様においては、アセトン濃度測定の精度は、気体混合物または基準気体のいずれかにおける二酸化硫黄（ＳＯ２）の濃度が無視しうるほどに小さくない場合、さらに改善することができる。本発明者らは、ＳＯ２（例えば、都市公害によって生じるもの等）の存在が、上述した発明に係るアセトン濃度測定の精度を低減させうることを発見した。ＳＯ２の吸収スペクトルを図４にグラフ化する。この場合、上述した第１および第２の波長に加えて、第３の中心波長を有する光源を含むことが好ましい。特に、２４０ｎｍから２７０ｎｍの範囲の第１の中心波長、２７０ｎｍから２９０ｎｍの範囲の第２の中心波長、および２９０ｎｍから３１０ｎｍの範囲の第３の中心波長を用いて、信頼性の高いアセトン濃度測定を得ることができる。
【００８８】
あるいは、２００ｎｍから２４０ｎｍの範囲（例えば約２１９ｎｍ）の第１の中心波長、２４０ｎｍから２７０ｎｍの範囲の第２の中心波長、および２７０ｎｍから３００ｎｍの範囲の第３の中心波長を用いてさらに高い精度を得ることが可能である。この場合、２００ｎｍから２４０ｎｍの波長における二酸化硫黄の「狭」吸収特徴のため、第１の中心波長を有する光が１ｎｍ未満の線幅を有することが有利になりうる。例えば、第１の中心波長を有する光をレーザー源（第２次高調波発生等の周波数変換工程を含むことが好ましい）から発してもよい。
【００８９】
上述した技術は、気体混合物または基準気体に存在しうる他の分子に対して拡張することができる。さらに、干渉の問題に対処するために、４つ以上の深ＵＶ波長を使用することが可能であり、上述した誤差分析を利用して、アセトン測定における誤差を最小化するために、利用される最も適切な波長を決定することも可能である。
【００９０】
本発明は、気体混合物中のアセトン以外の分子濃度を測定するために利用することも可能である。例えば、本発明は、気体混合物中のケトン分子の１つ以上の種類（アセトンはケトンの一例である）の全濃度、または実際に、任意の揮発性有機化合物（ＶＯＣ）分子の濃度を測定するために適用することができる。本発明は、呼気以外の任意の気体混合物に適用することができる。
【００９１】
さらに、本発明は、気体混合物が呼気である場合のセンサという状況において主に提示されてきたが、上記センサは他の用途に適用することができる。例えば、上記センサは、食品に発生するような、酸敗（例えば酸化酸敗）を検出するために利用することができる。酸化酸敗は、酸素と食品の成分（例えば脂肪や油等）との反応によって発生し、ケトンおよびアルデヒドを含む分子が形成されることになる。本発明に係るセンサは、食品の周囲の気体混合物中のこのような分子を検出し、酸敗を検出するための装置に適用することができる。
【００９２】
本発明は、先行技術による従来の構成においては達成できない多くの利点を提供する。特に、本発明は、分光計を必要とせずに、固体ＵＶ光源（例えばＬＥＤ）を含む単純な装置による光吸収を用いたアセトン濃度の正確な測定をもたらす。本発明のいくつかの態様は、酸素、二酸化炭素、二酸化硫黄、オゾン等の干渉する分子が存在する場合でも、信頼性の高いアセトン濃度測定を提供する装置および動作方法を初めて提供する。先行技術において、紫外源を利用する従来のアセトンセンサは、２６６ｎｍの狭線幅発光波長（１ｎｍ未満の線幅）を有する複雑なレーザー源を使用する。この構成は、上述したすべての気体分子による干渉に関連する問題に対処するわけではない。特に、従来の構成は、信頼性の高い結果を得るために、適切な第１、第２、または第３の中心波長を有する１つ以上のＬＥＤを使用することはない。
【００９３】
実施例１（単一波長センサ）
呼気中のアセトン濃度の測定装置の第１の実施例を図７に示す。装置１０は、チャンバ１と、入口弁１１と、出口弁１２と、第１の窓１３と、第２の窓１４と、光源２と、第１光検知器１５を備えている。入口弁１１を開いて気体をチャンバ１内に流入させ、閉じてチャンバを密閉してもよい。出口弁１２を開いて気体をチャンバから排出しチャンバ外へ流出させ、そして弁１２を閉じてチャンバを密閉してもよい。入口弁１１と出口弁１２は、弁が閉じられたとき周辺光がチャンバ１に進入しないよう「光遮断性」であることが好ましい。周辺光とは、光源２によって発せられたものでない任意の光である。例えば、周辺光は、太陽光によるものでもよいし、装置が使用されている場所での人工照明によるものでもよい。気体をチャンバ内に引き入れたり引き出したりするのは、マイクロポンプ、注射器、または他の方法を用いてでもよい。チャンバ内の気体圧を追加の圧力解放弁１６で調整してもよい。チャンバ内の気体圧は大気圧と同じでもよいし、大気圧と類似でもよい。
【００９４】
第１の窓１３は光源からチャンバへ光を伝え、第２の窓１４はチャンバから光センサへ光を伝える。第１の窓１３と第２の窓４はともに、光源２の発した光に対する高い透過性（例えば、５０％超）を有していることが好ましい。窓に適した材料としては、ＵＶ溶融石英、石英、ＰＭＭＡ、ＰＴＦＥ、フッ素化エチレンプロピレン、および他のフッ素重合体が挙げられるが、他の多くの材料も適している。第１の窓および第２の窓の両表面のうち一面あるいは両面がコーティングされていることが好ましく、それによって、光源２によって発せられた光が上記一面あるいは両面によって反射されるのを減らすことができる。
【００９５】
光源２は、波長が２３０ｎｍから３２０ｎｍの光を発する。光源２は、単一波長の光を発してもよいし、中心波長を中心とする波長範囲を有する光を発してもよい。光源２は、ＬＥＤのような一つ以上の固体光源を含んでいてもよい。光源２は、線幅が５ｎｍから３０ｎｍあるいは約１０ｎｍの光を発してもよい。この例では、光源２は、AlyGa1-yN 材料（0≦y≦1）を含むＬＥＤであり、中心波長が約２８５ｎｍの光を発する。あるいは、上記ＬＥＤはAlyInxGa1-x-yN材料（0 ≦ x ≦ 1かつ0 ≦ y ≦ 1で、 x+yは約１未満）であってもよい。光源２によって発せられた光は、任意の第１レンズ１８を用いて集中してもよいし、平行にしてもよい。任意の第１レンズ１８は、光源２のパッケージに備え付けてもよい。任意のビームスプリッタ１９が、光２のいくらか（例えば、５％から５０％）を任意の第２光検知器２０に向けて反射してもよい。第２光検知器２０は光源２によって発せられたパワーを測定するのに用いてもよい。特に、第２光検知器２０は、Ｉ０の任意の相対値（第１の窓１３に入射した光１７のパワー）を特定するのに用いてもよい。
【００９６】
第１光検知器および第２光検知器は光ダイオードを含んでもよい。例えば、光検知器は珪素ベースの光ダイオード、またはAlyGa1-yNベースの光ダイオード（0≦y≦1）、または AlyInxGa1-x-yN材料（0 ≦ x ≦1かつ0 ≦ y ≦ 1で、x+yは約１未満）を含んでもよい。第１および第２光検知器は、光１７の一つの波長または複数の波長を有する光を検知する。フィルタを光ダイオード上に設置して、フィルタに入射した、λｃより長い波長を有する光の一部またはすべてが光ダイオードに達しないようにしてもよい。λｃは３００ｎｍから４５０ｎｍの範囲でもよい。あるいは、λｃより長い波長を有する光に対する感度が非常に低い光ダイオードを選んでもよい。これらの任意の手段のいずれも、λｃより長い波長を有する任意の周辺光に対して装置をより堅牢にする。
【００９７】
光１７は第１の窓１３を通って伝搬し、それからチャンバを占める気体または気体混合物２１を通り、それから第２の窓１４を通り、最後に第１光検知器１５へ向かう。任意の第２レンズ２２を第２の窓１４と第１光検知器１５のあいだに配置して光１７を第１光検知器１５に向けて集中させてもよい。
【００９８】
光１７がチャンバ１を占める気体または気体混合物２１を通って伝播する距離をＬとする。Ｌは任意の値でよいが、好ましくは１ｃｍから２００ｃｍのあいだである。本例ではＬ≒２０ｃｍである。
【００９９】
第１光検知器１５を用いて、チャンバ１を占める気体または気体混合物２１のＩ１を測定してもよい。第１の窓１３に入射した光１７のパワー（Ｉ０）は、光源２の既知の特徴（例えば、光源２に供給された電流とＩ０との既知の関係）から測定してもよい。あるいは、光源２のそばに設置した任意の統合光検知器２３からＩ０を測定してもよい。あるいは、任意の第２光検知器２０が備えられている場合、第２光検知器２０に入射した光のパワーを用いて、Ｉ０に比例する値を測定してもよい。この結果、Ｉ１／Ｉ０、またはこの比に比例した値が測定される。
【０１００】
装置１０を用いて、気体混合物の成分濃度を測定する方法を実行してもよい。例示的な実施形態では、上記方法は、基準気体をチャンバ内に導入する工程と、光源から上記チャンバに光を発して上記基準気体内を伝搬させる工程であって、上記光源から発せられた光は２３０ｎｍから３２０ｎｍの波長を有する、工程と、上記光源から発せられ上記チャンバ内の上記基準気体内を伝播した上記光の一部を光センサで検知し、上記光源から発せられた上記光のパワーと上記光センサに検知された上記光のパワーとの第１の比を測定する工程と、測定気体混合物を上記チャンバ内に導入する工程と、上記光源から上記チャンバ内に光を発して上記測定気体混合物内を伝搬させる工程と、上記光源から発せられ上記チャンバ内の上記測定気体混合物内を伝播した上記光の一部を上記光センサで検知し、上記光源から発せられた上記光のパワーと上記光センサに検知された上記光のパワーとの第２の比を測定する工程と、上記第１および第２の比に基づいて、上記測定気体混合物の成分の濃度を計算する工程と、を含んでもよい。
【０１０１】
例えば、装置１０を用いて、呼気中のアセトン濃度を、以下に例示する手順で測定してもよい。この手順は図８のフローチャートに描かれている。
１．基準気体が入口弁１１を通ってチャンバ１に進入する。基準気体は周囲空気でもよい。
２．光源２のスイッチを入れ、パルスモードあるいは連続モードにして、光１７を発する。第１光検知器および任意で第２検知器を用いて、比
【数１４−４】
2017528704.tif 000019
あるいはこの比に比例した値を決定しうる。
３．呼気が入口弁１１を通ってチャンバ１に進入し、基準気体が出口弁１２を通ってチャンバを出る。ヒトが装置に直接息を吹き込んで呼気をチャンバ１に進入させてもよいし、別の容器に息を吹き込み、当該容器からの気体混合物をチャンバ１に移してもよい。
４．光源２のスイッチを入れ、パルスモードあるいは連続モードにして、光１７を発する。第１光検知器および任意で第２検知器を用いて、比
【数１４−５】
2017528704.tif 000020
あるいはこの比に比例した値を決定しうる。
５．方程式８の例のようなアルゴリズムをここで用いて、
【数１４−６】
2017528704.tif 000021
の測定から、呼気中のアセトン濃度を決定しうる。上記アルゴリズムには、基準気体および／または呼気につき、任意の入力として、温度、圧力、二酸化炭素センサの出力、酸素センサの出力のいずれを入力してもよい。さらに、上記アルゴリズムには、任意の入力として、光源２の波長、ユーザー特徴、および環境特徴のいずれを入力してもよい。
【０１０２】
上記したように、この例示的な方法は図８に示されている（任意の工程は括弧書きしてある）。本例では、式８に基づくアルゴリズムを、以下のパラメータとともに用いている。
【数１５】
2017528704.tif 000022
【０１０３】
上記アルゴリズムは、
【数１６】
2017528704.tif 000023
の入力値を用いるマイクロプロセッサ２４を用いて実行し、それによって呼気中のアセトン濃度の測定値を出してもよい。マイクロプロセッサ２４はさらに、装置の他の要素、例えば光源２の点灯を適切に調節してもよい。したがって、マイクロプロセッサは、光源および光センサに電気的に接続され、特に光センサの光検知器に電気的に接続されている。このように、マイクロプロセッサは光源の出力を調節し、光センサおよび光検知器から検出信号を受け取り、そのような接続で得られた情報を用いて必要な分析を行い、気体混合物の成分の濃度を測定する。
【０１０４】
測定結果はディスプレイ（例えば、ＬＣＤディスプレイ）を介してユーザーに表示することができ、あるいは無線により、携帯電話、タブレット、パソコンのような携帯機器に送信することができる。
【０１０５】
測定結果にはさらに、測定結果の重要性に関して、呼気を分析したヒト向けにアドバイスを加えてもよい。例えば、呼気のアセトン濃度に応じて、測定結果に診断の目安あるいはアドバイスを付けてもよい。糖尿病の用途の場合、「ケトアシドーシスでない」、「ややケトアシドーシス」、「深刻なケトアシドーシス」といった目安やアドバイスを用いてもよい。体重管理の用途の場合、「低脂肪燃焼率」、「中脂肪燃焼率」、「高脂肪燃焼率」といった目安またはアドバイスを用いてもよい。マイクロプロセッサ２４は呼気分析器と一体化された一部であってもよいし、着脱可能なユニットであってもよい。後者の例としては、適切なソフトウェアおよび電子的インタフェースを有するラップトップコンピュータが挙げられる。
【０１０６】
装置１０は、呼気中のアセトン濃度の測定を、従来技術の装置に比べて著しく有利に行う方法を提供する。
【０１０７】
上記装置に対するさらなる任意の改良を図７に示す。こうした改良としては、圧力測定値および温度測定値を得るために、例えばチャンバ１内に配置した温度センサ２５および圧力センサ２６が挙げられる。上記温度および／または圧力センサからの出力をさらにアルゴリズムで用いて、アセトン測定結果の精度を上げてもよい。それは例えば、想定される吸収断面値（σＯ２、σＣＯ２、σＡｃ）を、チャンバ内の気体温度および圧力に従って、所定のデータベースを用いて調節することによって行われる。また、圧力センサ２６を用いて、チャンバ１内の空気圧力および呼気圧力を、入口弁１１および出口弁１２を制御することで調整することもできる。
【０１０８】
第１の実施例に記載した装置の出力の例を図１８に示す。この例では、装置は、中心波長が約２８３ｎｍでスペクトルＦＷＨＭが約１２ｎｍの光を発するＬＥＤを備えた。図１８のプロットは、一定期間にわたるセンサの状態を示している。まず、基準気体（窒素）をチャンバ内に導入した（図１８で「基準」と記載）。次に、窒素中にアセトンを含む気体混合物をチャンバ内に導入した（「混合物」と記載）。次に、このプロセスを繰り返して、装置の再現性をテストした。基準測定値を用いることで、気体混合物中のアセトン濃度を双方の気体混合物に対し高い精度で得ることができ、それによって、本発明の第１の実施例に係る装置を用いて気体混合物中のアセトン濃度を検知するという効果を提供した。
【０１０９】
実施例２（二重波長センサ）
呼気中のアセトン濃度の測定装置の第２の実施例を図９に示す。第２の実施例は、第１の実施例と多くの特徴が共通している。これらの共通の特徴には第１の実施例におけるのと同じ番号を与え、再度詳述することはしない。装置３９は、チャンバ１、入口弁１１、出口弁１２、第１の窓１３、第２の窓１４、第１光源４、第２光源５、第１光検知器１５を有する。
【０１１０】
第１光源４は、一つの波長または複数の波長が２３０ｎｍから３２０ｎｍである光を発する。第２光源５は、一つの波長または複数の波長が２３０ｎｍから３２０ｎｍであり、かつ、第１光源の発した光とは一つの波長または複数の波長が異なる光を発する。
【０１１１】
第１および第２光源は、単一波長の光を発してもよいし、中心波長を中心とする波長範囲を有する光を発してもよい。第１および第２光源は、線幅が５ｎｍから３０ｎｍの光を発してもよい。第１および第２光源は一つまたは複数のＬＥＤを含んでもよい。この例では、第１および第２光源はそれぞれ、AlyGa1-yN 材料（0≦y≦1）を含む一つのＬＥＤを有している。この例では、第１光源は、中心波長（λ１）が約２５５ｎｍの光を発するＬＥＤを含み、第２光源は、中心波長（λ２）が約２９０ｎｍの光を発するＬＥＤを含んでいる。
【０１１２】
第１光源は第１光４０を発し、第２光源は第２光４１を発する。第１光４０は第１の窓１３を通り、それからチャンバ１を占める気体または気体混合物２１を通り、それから第２の窓１４を通り、最後に第１光検知器１５に向かう。第２光４１も第１の窓１３を通り、それからチャンバ１を占める気体または気体混合物２１を通り、それから第２の窓１４を通り、最後に第１光検知器１５に向かう。複数の任意の第２レンズ２２を第２の窓１４と第１光検知器１５のあいだに設け、第１光４０と第２光４１をそれぞれ集中させて第１光検知器１５へ向けてもよい。
【０１１３】
第１光源４を用いて、第１の実施例に記載された、光源２を用いるやり方（方程式１０から１４を参照）に類似したやり方で、
【数１７】
2017528704.tif 000024
を定めてもよい。第２光源５を用いて、第１の実施例に記載された、光源２を用いるやり方に類似したやり方で、
【数１８】
2017528704.tif 000025
を定めてもよい。
【０１１４】
好ましい例では、第１光源４と第２光源５を異なる時間に作動させて、光検知器内の単一の光ダイオードを用いて二つの別々の測定値を得る。代替例では、別々の光ダイオードを用いて、第１光源４と第２光源５からの光を測定する。この例では、第１および第２光源は同じ時間に作動する。
【０１１５】
装置３９を用いて、気体混合物の成分の濃度を測定する他の方法を実行してもよい。例示的な実施形態では、上記方法は、基準気体をチャンバ内に導入する工程と、第１光源および第２光源から上記チャンバ内に光を発して上記基準気体内を伝搬させる工程であって、上記第１光源および第２光源から発せられた光はおのおの、２３０ｎｍから３２０ｎｍの波長を有する、工程と、上記第１光源および第２光源から発せられ上記チャンバ内の上記基準気体内を伝播した上記光の一部を少なくとも一つの光センサで検知する工程と、上記第１光源から発せられた上記光のパワーと上記光センサに検知された上記第１光源からの上記光のパワーとの第１の比を測定し、上記第２光源から発せられた上記光のパワーと上記光センサに検知された上記第２光源からの上記光のパワーとの第２の比を測定する工程と、測定気体混合物を上記チャンバ内に導入する工程と、上記第１光源および第２光源から上記チャンバ内に光を発して上記測定気体混合物内を伝搬させる工程と、上記第１光源および第２光源から発せられ上記チャンバ内の上記測定気体混合物内を伝播した上記光の一部を上記少なくとも一つの光センサで検知する工程と、上記第１光源から発せられた上記光のパワーと上記光センサに検知された上記第１光源からの上記光のパワーとの第３の比を測定し、上記第２光源から発せられた上記光のパワーと上記光センサに検知された上記第２光源からの上記光のパワーとの第４の比を測定する工程と、上記第１、第２、第３、および第４の比に基づいて、上記気体混合物の成分の濃度を計算する工程と、を含んでもよい。
【０１１６】
例えば、装置３９を用いて、呼気中のアセトン濃度を、以下に例示する手順で測定してもよい。この手順は図１０のフローチャートに描かれている。
１．基準気体が入口弁１１を通ってチャンバ１に進入する。基準気体は周囲空気でもよい。
２．第１光源４のスイッチを入れ、パルスモードあるいは連続モードにして、第１光４０を発する。第１光検知器および任意で第２検知器を用いて、比、
【数１８−１】
2017528704.tif 000026
あるいはこの比に比例した値を決定しうる。
３．第２光源５のスイッチを入れ、パルスモードあるいは連続モードにして、第２光４１を発する。第１光検知器および任意で第２検知器を用いて、比
【数１８−２】
2017528704.tif 000027
あるいはこの比に比例した値を決定しうる。
４．呼気が入口弁１１を通ってチャンバ１に進入し、基準気体が出口弁１２を通ってチャンバを出る。ヒトが装置に直接息を吹き込んで呼気をチャンバ１に進入させてもよいし、別の容器に息を吹き込み、当該容器からの気体混合物をチャンバ１に移してもよい。
５．光源４のスイッチを入れ、パルスモードあるいは連続モードにして、光４０を発する。第１光検知器および任意で第２検知器を用いて、比
【数１８−３】
2017528704.tif 000028
あるいはこの比に比例した値を決定しうる。
６．光源５のスイッチを入れ、パルスモードあるいは連続モードにして、光４１を発する。第１光検知器および任意で第２検知器を用いて、比
【数１８−４】
2017528704.tif 000029
あるいはこの比に比例した値を決定しうる。
７．方程式１０から１４の例のようなアルゴリズムをここで用いて、
【数１８−５】
2017528704.tif 000030
の測定から、呼気中のアセトン濃度を決定しうる。上記アルゴリズムには、基準気体および／または呼気につき、任意の入力として、温度、圧力、二酸化炭素センサの出力、酸素センサの出力のいずれを入力してもよい。さらに、上記アルゴリズムには、任意の入力として、第１光源４および第２光源５の波長、ユーザー特徴、および環境特徴のいずれを入力してもよい。
【０１１７】
上記したように、この例示的な方法は図１０に示されている（任意の工程は括弧書きしてある）。本例では、式１０から１４に基づくアルゴリズムを、以下のパラメータとともに用いている。
【数１９】
2017528704.tif 000031
【０１１８】
実施例２の装置が実施例１の装置に比べて有利な点は、オゾンが存在する場合に測定されたアセトン濃度がより精度が高い点である。
【０１１９】
実施例３（窓が交換可能）
第３の実施例では、第１の窓１３と第２の窓１４の少なくとも一方は、装置を通常使用している期間に、装置から取り外して交換してもよい。窓の交換は、窓が汚染されそれがＵＶ光を著しく吸収する場合に都合がよい。一つの実施では、第１の窓１３と第２の窓１４とを含んでいる使い捨てモジュールを装置から取り外して交換してもよい。
【０１２０】
実施例４（ＬＥＤおよび光検知器内蔵（窓なし））
呼気中のアセトン濃度の測定装置の第４の実施例を図１１に示す。第４の実施例は、第１の実施例と多くの特徴が共通している。これらの共通の特徴には第１の実施例におけるのと同じ番号を与え、再度詳述することはしない。
【０１２１】
第４の実施例の顕著な特徴は、光源２と光検知器１５がチャンバ１内部に配置されていることである。光源２がチャンバ１内部に配置されているならば、第１の実施例で用いられた第１の窓１３はもはや必要ない。光検知器１５がチャンバ１内部に配置されているならば、第１の実施例で用いられた第２の窓１４はもはや必要ない。第４の実施例の長所は、装置で必要な構成部材が少なく、したがってコストが削減されることである。
【０１２２】
実施例５（蛍光を用いたセンサ）
呼気中のアセトン濃度の測定装置の第５の実施例を図１２に示す。第５の実施例は、第１の実施例と多くの特徴が共通している。これらの共通の特徴には第１の実施例におけるのと同じ番号を与え、再度詳述することはしない。
【０１２３】
第５の実施例の顕著な特徴は、第３光検知器４７が装置に備えられていることである。第３光検知器４７は３００ｎｍから４００ｎｍの範囲の波長の光に対する感度を有し、光源２によって発せられる光にはほとんどあるいはまったく感度を有しない。第３光検知器は、光源２の発した光を完全にあるいは実質的に減衰する一つ以上の光学フィルタを有してもよい。第３光検知器の目的は、光源の発した光を吸収する気体混合物の成分からの蛍光による光の強度を測定することである。上記蛍光としては、気体混合物中のアセトンまたは他の分子からの蛍光が挙げられる。気体混合物中のアセトンまたは他の分子からの蛍光は、光源２の発した光によって励起される。第３光検知器４７は、測定対象の蛍光の範囲を正確に選択する一つ以上の光学フィルタを有してもよい。光蛍光強度は気体混合物中のアセトンまたは他の分子の濃度と直接比例しているので、測定精度をさらに高めるのに用いることができる。本実施例で説明したような蛍光検知は、異なる中心波長を発する少なくとも二つの異なる光源を有する設計とさらに組み合わせてもよい。この場合、上記少なくとも二つの異なる中心波長は気体内の異なる分子から蛍光を励起してもよく、この方法を用いて、アセトン濃度を測定するセンサの精度をさらに高めてもよい。
【０１２４】
実施例６（マルチパスセルを有するセンサ）
呼気中のアセトン濃度の測定装置の第６の実施例を図１３に示す。第６の実施例は、第１の実施例と多くの特徴が共通している。これらの共通の特徴には第１の実施例におけるのと同じ番号を与え、再度詳述することはしない。
【０１２５】
第６の実施例の顕著な特徴は、チャンバ１内部で光の方向を屈折させる一つ以上のミラー構造４９を用いて吸収経路の長さＬを増すことによって、アセトンに対する装置の感度を高めていることである。吸収経路の長さＬを増すには多くの方法がある。一例を図１３に概略的に示す。この例では、複数の高反射率ミラー４９をチャンバ１内部に配置して光の経路を曲げ、それによって光の経路の長さが光源２と第１光検知器１５との距離より著しく長くなるようにする。ミラー４９は光源２の発した光に対して少なくとも８０％の反射率を有してもよい。反射率は好ましくは少なくとも９０％、もっとも好ましくは９９％である。光の経路が長いほど、低濃度のアセトンを測定する装置の感度も増す。したがって、この第６の実施例の利点は、アセトン濃度の測定装置の感度は増すが、装置全体のサイズはあまり増えないという点である。
【０１２６】
実施例７（共鳴キャビティを有するセンサ）
呼気中のアセトン濃度の測定装置の第７の実施例を図１４に示す。第７の実施例は、第１の実施例と多くの特徴が共通している。これらの共通の特徴には第１の実施例におけるのと同じ番号を与え、再度詳述することはしない。
【０１２７】
第１の実施例と比較しての第７の実施例の顕著な特徴は、第１の窓１３の代わりに第１キャビティミラー５５を用い、第２の窓１４の代わりに第２キャビティミラー５６を用いていることである。第１および第２キャビティミラーは、光源２の発した光に対する一つの光キャビティを形成する。このタイプの構成は、キャビティ増強吸収法（ＣＥＡ）として知られている。
【０１２８】
第１および第２のキャビティミラーの形状を選択して、第１光源の発した光に対する安定した光キャビティを形成する。第１および第２キャビティミラーは平面でもよいし、凹型のような曲面形状を有してもよい。第１および第２キャビティミラーは異なる形状を有してもよい。
【０１２９】
本実施例では、第１および第２キャビティミラーは平凹形状である。鏡面は各キャビティミラーの凹側にあり、これがチャンバ１の内壁を形成する。平面が外壁を形成する。各レンズの凹面の曲率半径は約５０ｃｍであり、凹型の鏡同士のあいだの距離は約２５ｃｍである。光源２が発する光に対する第１および第２キャビティミラーの反射率は少なくとも９０％であってよく、好ましい実施例では約９９％であってよい。
【０１３０】
任意のレンズ５７を光源２と第１キャビティミラー５５のあいだに配置して、第１および第２キャビティミラー間のキャビティ内の光の広帯域共鳴が強くなるように、光源２の発した光ビームを形作ってもよい。
【０１３１】
光源２の発した光は第１キャビティミラー５５を通してキャビティ内に結合され（coupledinto the cavity）、第１および第２キャビティミラー間を何度も伝搬し、それによってチャンバ内に保持された気体内の光に長く効果的な経路の長さを与えてもよい。キャビティ内を循環している光の一部が第２キャビティミラー５６を通してキャビティから外れ（coupled out of the cavity）、第１光検知器で検知される。
【０１３２】
第１光検知器で検知される光は、チャンバ内の気体を通る経路の長さが効果的に長く、第１および第２キャビティミラー間の距離の何倍も長くてよい。例えば、キャビティミラーの形状や、キャビティミラーの反射率や、任意のレンズ５７の働きに応じて、効果的な経路の長さは１０倍超長くてもよく、１００倍超長くてもよく、１０００倍超長くてもよい。
【０１３３】
実施例８（加熱要素（水分除去）を有するセンサ）
上記装置の第８の実施例では、加熱要素を設け、気体サンプル（基準気体または呼気）を熱し、かつ／または気体サンプルと接する表面を熱して、周辺温度より高くするか、あるいは基準気体または呼気の温度より高くする。一例を図１９に示す。装置は第１の実施例に類似している。加熱要素６５は装置の構成部材のそばに配置してもよいし、装置の表面に取り付けてもよいし、装置の構成部材内部に設けてもよい。加熱要素６５を用いて装置の構成部材を熱してもよい。例えば、加熱要素６５を窓１３および１４の一方または両方の表面に取り付け（図１９に例示）、上記窓を加熱するのに用いてもよい。上記装置は、チャンバ１内の気体を加熱するのに用いる加熱要素６６を備えてもよい。
【０１３４】
加熱要素は電気式（例えば、電気抵抗ヒータ）でもよいし、光学式（例えば、赤外線光源）でもよい。一例では、一つ以上の電気抵抗ヒータを第１の窓および第２の窓の一方または両方に取り付けてもよい。他の例では、一つ以上の電気抵抗ヒータを第１の窓および第２の窓の一方または両方の内部に設けてもよい。
【０１３５】
第８の実施例の利点は、加熱機能により、気体サンプルと接触している表面（例えば第１および第２の窓）上の結露を防ぐことができる点である。
【０１３６】
実施例９（光遮断弁を有するセンサ）
上記装置の第９の実施例では、入口弁１１および出口弁１２の少なくとも一方は、弁が開いて気体が弁を通って流入しているときでさえ、周辺光がチャンバ１内に伝搬するのを防げるよう構成されている光遮断弁である。光遮断弁の一例を図１５に示す。適切な弁は、内壁６１を有する通路６０を有し、当該内壁６１は、少なくとも波長が３００ｎｍから７００ｎｍの光に対して低い反射性（例えば、１０％未満、好ましくは１％未満）を有する。気体が入口６２から通路を通って出口６３へ流れ、それからチャンバ１へ流れる。好ましくは、波長が３００ｎｍから７００ｎｍの光の入口６２と出口６３間での伝播は１％未満であり、もっとも好ましくは０．０１％未満である。
【０１３７】
一例では、通路６０は、始端から終端までのあいだに方向を少なくとも３６０°変え、好ましくは少なくとも７２０°変える。図１５に、通路がこの種の「豚の尻尾」螺旋形状を取る、あるいは有する弁の適切な構成の一例を示す。
【０１３８】
図１６に示す他の例では、通路６０は可動要素６４を有してもよい。可動要素６４は入口６２と出口６３のあいだに気体を流れさせるが、入口６２と出口６３のあいだで、波長が３００ｎｍから７００ｎｍの光の少なくとも一部の伝播を低減する。
【０１３９】
第９の実施例の長所は、チャンバ内の周辺光のレベルが非常に低いため、セルに気体が流入しながらＵＶ光の吸収を測定することができ、ＵＶ光の吸収の測定のために入口弁または出口弁を閉じる必要がないことである。
【０１４０】
実施例１０（粒子フィルタを有するセンサ）
第１０の実施例では、埃または粒子フィルタ６７を入口弁１１のそばに備えて、チャンバや光学素子類を汚染する可能性があり測定に干渉するかもしれない埃や粒子を気体から取り除く。上記フィルタは、気体／呼気から水分を除去するのに用いてもよい。上記フィルタは、一つ以上の気体の濃度を低減するのに用いてもよい。この例の図解を図２０に示す。図２０では、フィルタ６７は、入口弁１１を通ってチャンバ１に導入する前の気体に働きかける。
【０１４１】
本発明および実施例１から１０の説明を、電磁スペクトルのＵＶ部分を吸収する呼気の成分に関して行ってきたが、本発明はこれに限定されるものではなく、電磁スペクトルの他の領域を吸収する呼気の他の成分にも、スペクトルのその領域に合うＬＥＤ光源が存在する限り、適用してよい。さらに、本発明は呼気のみにおけるアセトンの測定に限定されるものではない。本発明は、他の用途におけるアセトン濃度の測定に用いてもよい。
【０１４２】
実施例１１（３波長センサ）
呼気中のアセトン濃度の測定装置の第１１の実施例を図２１に示す。第１１の実施例は、第２の実施例と多くの特徴が共通している。これらの共通の特徴には第２の実施例におけるのと同じ番号を与え、再度詳述することはしない。装置３９は、チャンバ１、入口弁１１、出口弁１２、第１の窓１３、第２の窓１４、第１光源４、第２光源５、第３光源６８、ミラー６９、第１光検知器１５、第２光検知器２０を有する。
【０１４３】
第１、第２、および第３光源４、５、および６８はそれぞれ、一つの波長または複数の波長が２３０ｎｍから３２０ｎｍである光を発する。第１、第２、および第３光源は、単一波長の光を発してもよいし、中心波長を中心とする波長範囲を有する光を発してもよい。第１、第２、および第３光源は、線幅が５ｎｍから３０ｎｍの光を発してもよい。第２光源の発した光の中心波長は、第１光源の発した中心波長とは異なっている。第３光源の発した光の中心波長は、第１および第２光源の発した中心波長とは異なっている。
【０１４４】
第１、第２、および第３光源は一つまたは複数のＬＥＤを含んでもよい。好ましくは、第１光源の中心波長は約２４０ｎｍから約２７０ｎｍであり、第２光源の中心波長は約２７０ｎｍから約２９０ｎｍであり、第３光源の中心波長は約２９０ｎｍから約３１０ｎｍである。
【０１４５】
この例では、第１、第２、および第３光源はそれぞれ、AlyGa1-yN材料（0≦y≦1）を含む一つのＬＥＤを有している。この例では、第１光源は、中心波長（λ１）が約２６５ｎｍの光を発する一つのＬＥＤを含み、第２光源は、中心波長（λ２）が約２８５ｎｍの光を発する一つのＬＥＤを含み、第３光源は、中心波長（λ３）が約３００ｎｍの光を発する一つのＬＥＤを含む。
【０１４６】
第１光源は第１光４０を発し、第２光源は第２光４１を発し、第３光源は第３光７０を発する。光４０、４１、および７０のスペクトルを図２２にプロットする。ビームスプリッタ１９が、光４０、４１、および７０を第２光検知器２０に向けて反射する。この例では、ビームスプリッタは、入射光の約５０％を第２検知器２０へ反射する。
【０１４７】
第１、第２、および第３光４０、４１、および７０はそれぞれ第１の窓１３を通り、それからチャンバ１を占める気体または気体混合物２１を通り、それから第２の窓１４を通り、最後にミラー６９に入射する。ミラーは光４０、４１、および７０を反射し、第２の窓１４を通し、チャンバ１を占める気体または気体混合物２１を通し、第１の窓１３を通して返す。光はそれから第１光検知器１５に向かう。この例では、第１および第２光検知器１５および２０はシリコン光ダイオードを含む。
【０１４８】
ミラー６９は平面の反射面を有してもよいし、非平面の反射面を有してもよい。この例では、焦点距離が２００ｍｍで光４０、４１、および７０に対する反射率が約９０％である球面凹ミラーである。第１の窓と第２の窓との間隔は任意の値でよい。この例では、上記距離は約３００ｍｍである。したがって、光４０、４１、または７０は、気体または気体混合物２１の中を、総距離約２×３００ｍｍ＝６００ｍｍだけ伝播する。
【０１４９】
第１光源４を用いて
【数２０】
2017528704.tif 000032
を決定してもよい。
【０１５０】
第２光源５を用いて
【数２１】
2017528704.tif 000033
を決定してもよい。
【０１５１】
第３光源６８を用いて
【数２２】
2017528704.tif 000034
を決定してもよい。
【０１５２】
好ましい例では、第１、第２、および第３光源４、５、および６８は異なる時間に作動させて（例えば、順々に作動させて）、光検知器中の単一の光ダイオードを用いて三つの別々の測定値を得る。
【０１５３】
本実施例に係る装置の出力の例を図２３に示す。図のプロットは、
【数２３】
2017528704.tif 000035
の測定を、基準気体（窒素）および三つの異なるテストサンプル気体（窒素中に（１±０．１）ｐｐｍのアセトンを含む気体、窒素中に（２±０．１）ｐｐｍのアセトンを含む気体、窒素中に（３±０．１）ｐｐｍのアセトンを含む気体）に対して中心波長約２８５ｎｍの第２光源を用いて行ったものを示す。上記プロットにおける、測定データの各平坦域を指している標示は、チャンバに導入されたテストサンプルの濃度を示している。基準窒素は「０ｐｐｍ」と標示され、左手垂直軸は、
【数２４】
2017528704.tif 000036
の測定値を示し、右手垂直軸は、測定された
【数２５】
2017528704.tif 000037
から決定されたアセトン濃度を示す。
【０１５４】
図２３のデータから、上記装置がアセトン濃度測定において、±０．２ｐｐｍよりよい精度と分解能を有することを実証しているのは明らかである。これは、本発明の諸態様の大きな長所を実証している。とりわけ、単純で堅牢で低コストの構成（例えば、固体ＬＥＤ光源とシリコン光ダイオード検知器）を用いて１ｐｐｍよりはるかによい精度と分解能をもってアセトン濃度を測定する能力を実証している。
【０１５５】
装置３９を用いて、気体混合物の成分の濃度を測定する他の方法を実行することもできる。例示的な実施形態では、上記方法は、基準気体をチャンバ内に導入する工程と、第１光源、第２光源、および第３光源から上記チャンバ内に光を発して上記基準気体内を伝搬させる工程であって、上記第１光源、第２光源、および第３光源から発せられた光はおのおの、２３０ｎｍから３２０ｎｍの波長を有する、工程と、上記第１光源、第２光源、および第３光源から発せられ上記チャンバ内の上記基準気体内を伝播した上記光の一部を少なくとも一つの光センサで検知する工程と、上記第１光源から発せられた上記光のパワーと上記光センサに検知された上記第１光源からの上記光のパワーとの第１の比を測定し、上記第２光源から発せられた上記光のパワーと上記光センサに検知された上記第２光源からの上記光のパワーとの第２の比を測定し、上記第３光源から発せられた上記光のパワーと上記光センサに検知された上記第３光源からの上記光のパワーとの第３の比を測定する工程と、測定気体混合物を上記チャンバ内に導入する工程と、上記第１光源、第２光源、および第３光源から上記チャンバ内に光を発して上記測定気体混合物内を伝搬させる工程と、上記第１光源、第２光源、および第３光源から発せられ上記チャンバ内の上記測定気体混合物内を伝播した上記光の一部を上記少なくとも一つの光センサで検知する工程と、上記第１光源から発せられた上記光のパワーと上記光センサに検知された上記第１光源からの上記光のパワーとの第４の比を測定し、上記第２光源から発せられた上記光のパワーと上記光センサに検知された上記第２光源からの上記光のパワーとの第５の比を測定し、上記第３光源から発せられた上記光のパワーと上記光センサに検知された上記第３光源からの上記光のパワーとの第六の比を測定する工程と、上記第１、第２、第３、第４、第５、および第六の比に基づいて、上記気体混合物の成分の濃度を計算する工程と、を含む。
【０１５６】
上記装置を、約１６％のＯ２、約４％のＣＯ２、約７８％のＮ２（すなわち、ヒトの呼気を示す気体）を含み（１．０±０．５）ｐｐｍまたは（５．０±０．５）ｐｐｍのどちらかの既知の濃度のアセトンを含む合成呼気混合物を用いてテストした。基準気体として、約２１％のＯ２、約０．０４％のＣＯ２、約７８％のＮ２を含む合成空気混合物を用いた。
【０１５７】
（１．０±０．５）ｐｐｍのアセトンを含む上記合成呼気に対して、装置３９から以下の結果が得られた。
【数２６】
2017528704.tif 000038
【０１５８】
（５．０±０．５）ｐｐｍのアセトンを含む上記合成呼気に対して、装置３９から以下の結果が得られた。
【数２７】
2017528704.tif 000039
【０１５９】
これらの測定により、アセトン濃度が計算され、図２４の既知の実際のアセトン濃度と比較される。測定濃度は、既知の実際のアセトン濃度と見事に一致する（測定濃度が実際の濃度と等しい理想的な動作を、プロット中の直線で示す）。これは、ヒトの呼気（「呼気」検体用）および空気（基準気体用）を表わすＣＯ２およびＯ２が干渉気体として存在する場合の、本実施例に係るセンサの精度を実証している。
【０１６０】
したがって、本発明の一態様は、気体混合物の成分の濃度を測定する測定装置である。例示的な実施形態では、上記測定装置は、上記気体混合物を受け入れるチャンバと、上記チャンバ内に光を発する少なくとも一つの光源であって、上記発せられた光は２３０ｎｍから３２０ｎｍの波長を有する、光源と、上記光源から発せられ上記チャンバ内の上記気体混合物の中を伝搬した上記光の一部を検知する少なくとも一つの光センサと、上記光源から発せられた上記光のうち、上記光センサで検知された一部に基づいて、上記気体混合物の上記成分の濃度を定めるよう構成されたプロセッサと、を備える。
【０１６１】
上記測定装置の例示的な一実施形態では、上記少なくとも一つの光源は、発光の中心波長が２７０ｎｍから３２０ｎｍであり、発光の線幅が５０ｎｍ未満である発光ダイオード（ＬＥＤ）を含む。
【０１６２】
上記測定装置の例示的な一実施形態では、上記少なくとも一つの光源は、発光の中心波長が２４０ｎｍから２７０ｎｍであるＬＥＤを含む第１光源と、発光の中心波長が２７０ｎｍから３００ｎｍであるＬＥＤを含む第２光源とを備え、上記第１および第２光源の上記ＬＥＤはそれぞれ、発光の線幅が５０ｎｍ未満である。
【０１６３】
上記測定装置の例示的な一実施形態では、上記少なくとも一つの光源は、AlyInxGa1-x-yN材料（0 ≦ x ≦ 1かつ0 ≦ y ≦ 1）のＬＥＤを含む。
【０１６４】
上記測定装置の例示的な一実施形態では、上記チャンバは、上記光源から上記チャンバへ光を伝える第１の窓と、上記チャンバから上記光センサへ光を伝える第２の窓とを有し、上記第１の窓と第２の窓は、交換のために取り外し可能な使い捨て窓モジュールを有する。
【０１６５】
上記測定装置の例示的な一実施形態では、上記チャンバは上記光源から上記チャンバへ光を伝える第１キャビティミラーと、上記チャンバから上記光センサへ光を伝える第２キャビティミラーとを備え、上記第１および第２キャビティミラーは一つの光キャビティを形成して上記光源から発せられた上記光の光路の長さを増す。
【０１６６】
上記測定装置の例示的な一実施形態では、上記少なくとも一つの光センサは、光検知器をさらに備え、上記光検知器は、上記光源から発せられた上記光を吸収した上記気体混合物の上記成分からの蛍光に基づいて光を検知する。
【０１６７】
上記測定装置の例示的な一実施形態では、上記チャンバはミラー構造を備え、上記ミラー構造は、上記チャンバ内の光を反射して、上記光源から発せられた上記光の光路の長さを増す。
【０１６８】
上記測定装置の例示的な一実施形態では、上記チャンバは、上記チャンバの表面を熱する加熱要素を備える。
【０１６９】
上記測定装置の例示的な一実施形態では、上記チャンバは、気体を上記チャンバ内に導入する入口弁と、気体を上記チャンバから排出する出口弁とを備え、上記入口弁および出口弁は光遮断弁である。
【０１７０】
上記測定装置の例示的な一実施形態では、上記プロセッサは、上記気体混合物中の一つ以上のケトンの全濃度を定めるよう構成されている。
【０１７１】
上記測定装置の例示的な一実施形態では、上記気体混合物は呼気であり、上記プロセッサは上記呼気内の上記一つ以上のケトンの全濃度を定めるよう構成されている。
【０１７２】
上記測定装置の例示的な一実施形態では、上記一つ以上のケトンはアセトンを含んでいる。
【０１７３】
本発明の他の一態様は、気体混合物の成分の濃度を測定する第一の方法である。例示的な実施形態では、上記第一の方法は、基準気体をチャンバ内に導入する工程と、光源から上記チャンバに光を発して上記基準気体内を伝搬させる工程であって、上記光源から発せられた光は２３０ｎｍから３２０ｎｍの波長を有する、工程と、上記光源から発せられ上記チャンバ内の上記基準気体内を伝播した上記光の一部を光センサで検知し、上記光源から発せられた上記光のパワーと上記光センサに検知された上記光のパワーとの第１の比を測定する工程と、測定気体混合物を上記チャンバ内に導入する工程と、上記光源から上記チャンバ内に光を発して上記測定気体混合物内を伝搬させる工程と、上記光源から発せられ上記チャンバ内の上記測定気体混合物内を伝播した上記光の一部を上記光センサで検知し、上記光源から発せられた上記光のパワーと上記光センサに検知された上記光のパワーとの第２の比を測定する工程と、上記第１および第２の比に基づいて、上記測定気体混合物の成分の濃度を計算する工程と、を含む。
【０１７４】
本発明の他の一態様は、気体混合物の成分の濃度を測定する第二の方法である。例示的な実施形態では、上記第二の方法は、基準気体をチャンバ内に導入する工程と、第１光源および第２光源から上記チャンバ内に光を発して上記基準気体内を伝搬させる工程であって、上記第１光源および第２光源から発せられた光はおのおの、２３０ｎｍから３２０ｎｍの波長を有する、工程と、上記第１光源および第２光源から発せられ上記チャンバ内の上記基準気体内を伝播した上記光の一部を少なくとも一つの光センサで検知する工程と、上記第１光源から発せられた上記光のパワーと上記光センサに検知された上記第１光源からの上記光のパワーとの第１の比を測定し、上記第２光源から発せられた上記光のパワーと上記光センサに検知された上記第２光源からの上記光のパワーとの第２の比を測定する工程と、測定気体混合物を上記チャンバ内に導入する工程と、上記第１光源および第２光源から上記チャンバ内に光を発して上記測定気体混合物内を伝搬させる工程と、上記第１光源および第２光源から発せられ上記チャンバ内の上記測定気体混合物内を伝播した上記光の一部を上記少なくとも一つの光センサで検知する工程と、上記第１光源から発せられた上記光のパワーと上記光センサに検知された上記第１光源からの上記光のパワーとの第３の比を測定し、上記第２光源から発せられた上記光のパワーと上記光センサに検知された上記第２光源からの上記光のパワーとの第４の比を測定する工程と、上記第１、第２、第３、および第４の比に基づいて、上記気体混合物の成分の濃度を計算する工程と、を含む。
【０１７５】
そのような方法の例示的な実施形態では、上記基準気体は空気である。
【０１７６】
そのような方法の例示的な実施形態では、上記測定気体混合物は呼気であり、濃度が測定される上記測定気体混合物の上記成分はケトンである。
【０１７７】
そのような方法の例示的な実施形態では、上記ケトンの濃度の測定は、上記気体混合物または基準気体内の一つ以上の他の気体成分の濃度にさらに基づいており、上記一つ以上の他の気体成分の濃度は、センサ測定値、ユーザー特徴、および環境特徴の少なくとも一つによって定められる。
【０１７８】
そのような方法の例示的な実施形態では、上記方法は、上記ケトンの濃度を、糖尿病の診断、ケトアシドーシスの診断、脂肪燃焼測定、および減量管理の少なくとも一つに用いる工程をさらに含む。
【０１７９】
そのような方法の例示的な実施形態では、上記方法は、ユーザーの行動についてアドバイスを出す工程をさらに含む。
【０１８０】
本発明の他の一態様は、医学的診断のためにアセトン濃度を定める呼気分析の方法である。例示的な実施形態では、呼気分析の上記方法は、基準気体をチャンバ内に導入する工程と、光源から上記チャンバに光を発して上記基準気体内を伝搬させる工程であって、上記光源から発せられた光は２３０ｎｍから３２０ｎｍの波長を有する、工程と、上記光源から発せられ上記チャンバ内の上記基準気体内を伝播した上記光の一部を光センサで検知し、上記光源から発せられた上記光のパワーと上記光センサに検知された上記光のパワーとの第１の比を測定する工程と、呼気を上記チャンバ内に導入する工程と、上記光源から上記チャンバ内に光を発して上記呼気内を伝搬させる工程と、上記光源から発せられ上記チャンバ内の上記呼気内を伝播した上記光の一部を上記光センサで検知し、上記光源から発せられた上記光のパワーと上記光センサに検知された上記光のパワーとの第２の比を測定する工程と、上記第１および第２の比に基づいて、上記呼気中のアセトンの濃度を計算する工程と、を含む。
【０１８１】
呼気分析の上記方法の例示的な一実施形態では、上記アセトンの濃度の測定は、上記気体混合物または基準気体内の一つ以上の他の気体成分の濃度にさらに基づいており、上記一つ以上の他の気体成分の濃度は、センサ測定値、ユーザー特徴、および環境特徴の少なくとも一つによって定められる。
【０１８２】
呼気分析の上記方法の例示的な一実施形態では、上記基準気体は空気である。
【０１８３】
呼気分析の上記方法の例示的な一実施形態では、上記方法は、上記アセトンの濃度を、糖尿病の診断、ケトアシドーシスの診断、脂肪燃焼測定、および減量管理の少なくとも一つに用いる工程をさらに含む。 
【０１８４】
呼気分析の上記方法の例示的な一実施形態では、上記方法は、ユーザーの行動についてアドバイスを出す工程をさらに含む。 
【０１８５】
本発明の他の一態様では、AlyInxGa1-x-yN材料を含む複数のＬＥＤが一つ以上の上記光源に含まれている。
【０１８６】
本発明の他の一態様では、光ダイオード（例えば、AlyInxGa1-x-yN材料を含む光ダイオード）が光検知器として用いられる。
【０１８７】
本発明はさらに、上記装置を用いて、気体混合物（例えば、呼気）中のアセトン濃度を決定する方法を含む。この方法は、周囲空気を用いて行われる基準測定を含んでもよい。上記方法はさらに、温度、圧力、酸素濃度、二酸化炭素濃度の測定を含んでもよい。上記方法はさらに、ユーザー特徴と環境特徴の入力を含んでもよい。
【０１８８】
本発明の他の一態様では、光検知器がアセトンからの蛍光（３００ｎｍから４００ｎｍの波長）を検知して上記装置の精度を高める。
【０１８９】
本発明の他の一態様では、マルチパスセルを用いて、呼気分析器のチャンバ内でＵＶ光が進む光路の長さを増す。
【０１９０】
本発明の他の一態様では、高反射率のミラーを用いた光学キャビティを作って、呼気分析器のチャンバ内でＵＶ光が進む光路の長さを大きく増す。
【０１９１】
本発明の他の一態様では、加熱要素（光学式でも電気式でもよい）を備えて、気体サンプル（空気または呼気）または当該気体サンプルと接触している表面を加熱する。
【０１９２】
他の実施形態では、光遮断エンクロージャを用いて、迷光がチャンバまたは光検知器内の気体と相互に作用しないようにする。特に、光遮断弁を設けて、気体は流すことができるが、波長３００ｎｍから７００ｎｍの周辺光がチャンバに入るのを実質的に妨げてもよい。
【０１９３】
他の実施形態では、粒子／埃フィルタを用いて、気体がチャンバに入る前にきれいにしてもよい。上記フィルタは、気体から水分を取り除くのに用いてもよい。
【０１９４】
他の実施形態では、上記装置を用いて、糖尿病の診断、ケトアシドーシスの診断、または脂肪燃焼のモニタリングのため、呼気中のアセトンなどのケトンの濃度を検知および／または測定してもよい。
【０１９５】
他の実施形態では、上記装置を用いて、食品の酸敗中に出される分子を検知してもよい。
【０１９６】
特定の一実施形態または複数の実施形態に関して本発明を示し、説明してきたが、本明細書および添付の図面を読み理解した当業者ならば、同等の変更および修正を思いつくであろう。とりわけ、上記で説明した諸要素（部品、集合体、装置、構成など）によって行われるさまざまな機能について、そのような諸要素を説明するために用いられた用語（「手段」についての言及を含む）は、特段の断りがない限り、説明された要素の特定された機能を実行する任意の要素（すなわち、機能的に同等な任意の要素）に、たとえ当該任意の要素が本発明のここで例示された一実施形態または複数の実施形態の機能を実行する開示された構造と構造的に同等でない場合でも、対応することを意図するものである。さらに、本発明の特定の特徴は、上記ではいくつかの実施形態のうち一つ以上にのみ関連して記載したが、そのような特徴は、所与のあるいは特定の用途に望ましいようあるいは有利なように、他の実施形態の一つ以上の他の特徴と組み合わせてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１９７】
本発明は、以下の用途に用いることができる。
・糖尿病の診断およびスクリーニング
・健康／食事支援、体重モニタリング
・ケトアシドーシスの予防
・インシュリン管理
・血糖モニタリングおよび管理
【符号の説明】
【０１９８】
１．チャンバ
２．光源
３．光検知器
４．第１光源
５．第２光源
６．好ましい測定領域の一例
１０．アセトン濃度の測定装置（第１の実施例）
１１．入口弁
１２．出口弁
１３．第１の窓
１４．第２の窓
１５．第１光検知器
１６．圧力解放弁
１７．光源２の発した光
１８．第１レンズ
１９．ビームスプリッタ
２０．第２光検知器
２１．チャンバ１を占める気体
２２．第２レンズ
２３．光検知器
２４．マイクロプロセッサ
２５．温度センサ
２６．圧力センサ
３９．アセトン濃度の測定装置（第２の実施例）
４０．光源４の発した光
４１．光源５の発した光
４５．アセトン濃度の測定装置（第４の実施例）
４６．アセトン濃度の測定装置（第５の実施例）
４７．第３光検知器
４８．アセトン濃度の測定装置（第６の実施例）
４９．ミラー
５５．第１キャビティミラー
５６．第２キャビティミラー
５７．レンズ
６０．通路
６１．通路の内壁
６２．通路の入口
６３．通路の出口
６４．通路内の可動要素
６５．加熱要素
６６．加熱要素
６７．フィルタ
６８．第３光源
６９．ミラー
７０．光源６８の発した光
【図１】
2017528704.tif 000040
【図２】
2017528704.tif 000041
【図３】
2017528704.tif 000042
【図４】
2017528704.tif 000043
【図５】
2017528704.tif 000044
【図６】
2017528704.tif 000045
【図７】
2017528704.tif 000046
【図８】
2017528704.tif 000047
【図９】
2017528704.tif 000048
【図１０】
2017528704.tif 000049
【図１１】
2017528704.tif 000050
【図１２】
2017528704.tif 000051
【図１３】
2017528704.tif 000052
【図１４】
2017528704.tif 000053
【図１５】
2017528704.tif 000054
【図１６】
2017528704.tif 000055
【図１７】
2017528704.tif 000056
【図１８】
2017528704.tif 000057
【図１９】
2017528704.tif 000058
【図２０】
2017528704.tif 000059
【図２１】
2017528704.tif 000060
【図２２】
2017528704.tif 000061
【図２３】
2017528704.tif 000062
【図２４】
2017528704.tif 000063
【国際調査報告】
2017528704.tif 000064
2017528704.tif 000065