(57)【要約】  ガス分析器および関連する方法は、ガス混合物の成分の濃度測定用である。ガス分析器は、ガス混合物を収容するための全容積を画定するガスセル、ガス入口およびガス出口、ガスセル中へ光ビームを放出する光源、ならびにガス混合物を通して伝搬した光ビームの光の一部分を検出する光検出器を含み、ガス混合物の成分の濃度は、光検出器によって検出された光ビームのその部分に基づいて決定される。ガスセルは、ガスセル内に光ビームの進行のための光学的容積を画定し、光学的容積は、全容積の少なくとも一部分を含み、ガス混合物によって生成される光学的ノイズを低減するために光学的容積内のガス混合物の乱流を抑制するように構成される。
2020509350.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス混合物の成分の濃度を測定するためのガス分析器であって、前記ガス分析器は、
前記ガス混合物を収容するための全容積を画定するガスセル、
前記ガス混合物が前記ガスセル中へ導入されるガス入口、および前記ガス混合物が前記ガスセルから排出されるガス出口、
前記ガスセル中へ光ビームを放出する光源、ならびに
前記ガスセル中で前記ガス混合物を通して伝搬した前記光ビームの光の一部分を検出する光検出器を備え、
前記ガスセルは、前記ガスセル内に前記光ビームの進行のための光学的容積を画定し、前記光学的容積は、前記全容積の少なくとも一部分を含み、前記ガス混合物によって生成される光学的ノイズを低減するために前記光学的容積内の前記ガス混合物の乱流を抑制するように構成される、
ガス分析器。
【請求項２】
前記光学的容積は、前記全容積のすべてよりは小さく、前記ガスセル内の前記全容積の一部分である、請求項１に記載のガス分析器。
【請求項３】
前記ガスセルは、前記光学的容積の外端からオフセットしている内表面を有する、請求項２に記載のガス分析器。
【請求項４】
前記ガスセルの内表面は、前記光学的容積の最も近い外端から０．５ｍｍから２０ｃｍの間の距離で離隔されている、請求項３に記載のガス分析器。
【請求項５】
前記ガスセルの前記内表面と、前記光学的容積に対して前記ガスセルの入口側の前記光学的容積の前記外端と、の間に位置する整流器をさらに備える、請求項３〜４のいずれか一項に記載のガス分析器。
【請求項６】
前記ガス入口または前記ガス出口のうちの少なくとも１つは、ガス流の方向に垂直な前記ガス入口の断面積の少なくとも一部分が前記ガス流の前記方向に沿って増加するか、および／またはガス流の方向に垂直な前記ガス出口の断面積の少なくとも一部分が前記ガス流の前記方向に沿って減少するようにテーパー形状を有する、請求項２〜５のいずれか一項に記載のガス分析器。
【請求項７】
前記ガス入口は、前記ガス混合物の流れの一部分を前記光学的容積の外側に導くバイパスライン、および前記ガス混合物の流れの別の部分を前記光学的容積中へ導く第２のラインへ分割される、請求項２〜５のいずれか一項に記載のガス分析器。
【請求項８】
前記ガス入口は、前記光学的容積に入る前記ガス混合物の流量を制御して層流を作り出すために動作可能な流量調節器を含む、請求項２〜５のいずれか一項に記載のガス分析器。
【請求項９】
前記ガスセルは、前記光学的容積の外側にある前記ガス混合物のための乱流混合領域を含む、請求項２〜８のいずれか一項に記載のガス分析器。
【請求項１０】
前記ガスセルの前記全容積内の中心に位置するアイランドをさらに含み、前記光学的容積は、前記アイランドの周りに広がる前記全容積の一部分を含み、前記光学的容積の断面積は、前記ガスセルを通る前記ガス混合物の層流を生成するように構成される、請求項１に記載のガス分析器。
【請求項１１】
前記ガス混合物の入力を受け入れるためのガス入力、
前記ガス入力から前記ガスセルの前記ガス入口への前記ガス混合物の連通のための第１の経路、
前記ガス入力から前記ガスセルをバイパスする流路への前記ガス混合物の連通のためのバイパス経路、および
前記ガス混合物の流れを前記第１の経路または前記バイパス経路のいずれかへ向かわせるために動作可能な入力バルブ
をさらに備え、
前記ガスセルは、前記光学的容積を画定し、前記ガス混合物が前記光学的容積中に存在しているときに、前記入力バルブは、前記バイパス経路を開き、前記ガス混合物の前記ガスセル中への流入を防止し、それによって、静止ガスである前記セル内の前記ガス混合物を提供するように動作可能である、
請求項１に記載のガス分析器。
【請求項１２】
ガス入力と前記ガスセルへの前記ガス入口との間の基準ガスチャンネルであって、前記ガスセル中への導入のための基準ガスを作り出すために、測定される前記ガス混合物の前記成分のいくらかまたはすべてを前記ガス混合物から除去するためのフィルタを含んでいる、前記基準ガスチャンネル、
前記ガス入力と前記ガスセルへの前記ガス入口との間の、前記基準ガスチャンネルとは異なる、前記ガスセル中への前記ガス混合物の導入のための測定ガスチャンネル、および
前記基準ガスチャンネルまたは前記測定ガスチャンネルのいずれかを介して前記ガスセル中へ前記ガス混合物を向かわせるために動作可能なチャンネルバルブシステム
をさらに備える、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のガス分析器。
【請求項１３】
前記フィルタは、シリカゲルおよび分子篩のうちの少なくとも１つである、請求項１２に記載のガス分析器。
【請求項１４】
前記ガスセル内の前記光学的容積を通る前記光ビームのマルチプルパスを作るために置かれた複数の反射器をさらに備える、請求項１〜１３のいずれか一項に記載のガス分析器。
【請求項１５】
前記光源は、各ＬＥＤが２３０ｎｍから３２０ｎｍの間の範囲内の中心波長を有し、５０ｎｍ未満の帯域幅を有する、１つ以上の発光ダイオード（ＬＥＤ）を備える、請求項１〜１４のいずれか一項に記載のガス分析器。
【請求項１６】
ガス混合物の成分の濃度を測定する方法であって、
全容積を画定するガスセル中へ前記ガス混合物として基準ガスを導入するステップと、
前記ガスセル内の光ビームの進行のために光学的容積内で前記基準ガスを通して伝搬するように光源から前記ガスセル中へ前記光ビームを放出するステップであって、前記光学的容積は、前記全容積の少なくとも一部分を含み、前記光学的容積内で前記ガス混合物によって生成される光学的ノイズを低減するために前記ガス混合物の乱流を抑制するように構成される、前記放出するステップと、
前記チャンバ中で前記基準ガスを通して伝搬した前記光源からの前記光ビームの光の一部分を光検出器を用いて検出し、前記光源から放出された前記光のパワーに対する前記光検出器によって検出された前記光のパワーの第１の比を決定するステップと、
前記ガスセル中へ測定ガス混合物を導入するステップと、
前記光学的容積内で前記測定ガス混合物を通して伝搬するように前記光源から前記ガスセル中へ光ビームを放出するステップと、
前記チャンバ中で前記測定ガス混合物を通して伝搬した前記光源からの前記光ビームの光の一部分を前記光検出器を用いて検出し、前記光源から放出された前記光のパワーに対する前記光検出器によって検出された前記光のパワーの第２の比を決定するステップと、
前記第１および第２の比に基づいて前記測定ガス混合物の成分の濃度を算出するステップと
を含む、方法。
【請求項１７】
前記ガスセルを含んだガス分析器のガス入力中へ前記ガス混合物を入力するステップと、
前記ガス入力から前記ガスセルのガス入口への前記ガス混合物の連通のために前記ガス分析器中に第１の経路を設けるステップと、
前記ガス入力からガス出口への前記ガス混合物の連通のために前記ガス分析器中にバイパス経路を設け、それによって前記ガスセルをバイパスするステップと、
前記ガス混合物の流れを前記第１の経路または前記バイパス経路のいずれかへ向かわせるために入力バルブを動作させるステップと、
をさらに含み、
前記ガスセルは、前記光学的容積を画定し、前記ガス混合物が前記光学的容積中に存在しているときに、前記入力バルブおよび前記出力バルブは、前記バイパス経路を開き、前記ガス混合物を静止ガスとして前記ガスセル内に封じ込めるために動作する、
請求項１６に記載の測定方法。
【請求項１８】
ガス入力と前記ガスセルへのガス入口との間に基準ガスチャンネルを設けるステップであって、前記基準ガスチャンネルは、前記ガスセル中への導入のための前記基準ガスを作り出すために、測定される前記ガス混合物の前記成分を前記ガス混合物から除去するようにフィルタを含んでいる、前記設けるステップと、
前記ガス入力と前記ガスセルへの前記ガス入口との間に、前記基準ガスチャンネルとは異なる、前記ガスセル中への前記測定ガス混合物の導入のための測定ガスチャンネルを設けるステップと
をさらに含み、
前記ガスセル中へ前記基準ガスを導入するステップは、前記ガスセル中への導入のために前記基準ガスを生成する前記基準ガスチャンネルを介して、前記ガスセル中へ前記ガス混合物を向かわせるようにチャンネルバルブシステムを動作させるステップを含み、
前記ガスセル中へ前記測定ガス混合物を導入するステップは、前記測定ガスチャンネルを介して、前記ガスセル中へ前記ガス混合物を向かわせるように前記チャンネルバルブシステムを動作させるステップを含む、
請求項１６〜１７のいずれか一項に記載の測定方法。
【請求項１９】
前記ガス混合物は、前記ガス入力中へ吐き出された吐出呼気を含み、前記方法は、前記ガス混合物が前記静止ガスとして前記ガスセル内に封じ込められる間に前記ガス入力中へ連続的に吐出することを許容するように前記入力バルブおよび前記出力バルブを動作させるステップを含む、請求項１７〜１８のいずれか一項に記載の測定方法。
【請求項２０】
濃度が決定される前記測定ガス混合物の前記成分は、アセトンを含む、請求項１６〜１９のいずれか一項に記載の測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学的ノイズが小さいことの利点を有する光学式ガス分析器のための構造に関する。本発明は、特に、健康モニタリングおよび医療用途のためのリアルタイム呼気分析器に適用可能である。
【背景技術】
【０００２】
ヒト呼気は、バイオマーカーとしても知られる、様々な揮発性有機化合物（ＶＯＣ：ｖｏｌａｔｉｌｅ  ｏｒｇａｎｉｃ  ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ）を含む。特定の疾患または健康問題と特異的なバイオマーカーの濃度とを直接に関連付けることができる。最もよく知られ、よく研究されているバイオマーカーの１つは、アセトンである。通常の環境下において、我々の体は、エネルギーを供給するためにグルコースに依存する。しかしながら、例えば、食事もしくは運動または非処置糖尿病を有することに起因する、グルコース枯渇の状態では、体がエネルギー源として脂肪燃焼へスイッチし、この過程の間にアセトンが呼気中へ放出される。通常の食事および活動を伴う健康な人々では、典型的な呼気アセトン濃度が１００万分の１（ｐｐｍ：ｐａｒｔ  ｐｅｒ  ｍｉｌｌｉｏｎ）未満である。１ｐｐｍを超えるアセトン濃度の上昇は、１型または２型糖尿病の兆候であるか、または体脂肪の燃焼を示唆する。
【０００３】
他の診断方法と比較して、呼気分析は、非侵襲的、無痛、費用効果が高くて、容易に繰り返すことができる。呼気分析は、それゆえに、臨床診断または個人健康モニタリングのために非常に強力なツールである。
【０００４】
従来の呼気分析は、ガスクロマトグラフィを用いて、水素炎イオン化、イオン移動度分光計および質量分析計のような検出方法によって行われた。これらの装置は、高価で、嵩高く、熟練したオペレータを必要とし、従って、研究室においてのみ用いることができる。他の呼気分析器は、光学センサ、半導体センサおよび化学センサを含む。半導体センサおよび化学センサは、いずれも低感度で空気および呼気の両方に存在する他のＶＯＣからの吸収干渉の問題がある。光学センサは、吸収、蛍光または光音響効果に基づくことができる。光学センサは、典型的に、より特異的であり、より高い感度を提供する。
【０００５】
呼気中のＶＯＣの典型的な濃度は、非常に低く、通常は、１０億万分の１（ｐｐｂ：ｐａｒｔ  ｐｅｒ  ｂｉｌｌｉｏｎ）〜ｐｐｍの範囲内にある。かかる低濃度を光吸収に基づいて検出するための呼気分析器には、一般に、呼気を通る光の長い光路長が必要である。同時に、呼気分析器は、コンパクトでポータブルであることが好ましい。それゆえに、コンパクトなマルチパス吸収セルが良好な解決法を提供する。さらに、ＶＯＣ濃度は、呼気の異なる段階で変化することがあり（例えば、呼息の開始と呼息の終了の間の変化）、時には重要な医療情報を提供できるので、呼気分析器は、リアルタイム測定を実施できる必要がある。
【０００６】
従来のマルチパス吸収セル、例えば、Ｐｆｕｎｄセル、Ｗｈｉｔｅセル、Ｈｅｒｒｉｏｔセルおよび円形マルチパスセルは、集束ミラーを用いることによって、ビームがセルを出るまで、制御された経路に沿って所定の空間にビームを制限するように機能する。かかるビームが制御された経路に沿って進行しなければならないので、それらのセルは、レーザのようなコリメートされた狭いビームによってのみ良好に機能する。
【０００７】
Ｗａｌｋｅｒらの特許文献１（１９９６年）は、多数の再帰反射器および／またはプリズム間で反射された光に基づくマルチパスセルを記載する。かさねて、制御されたビーム経路の要件のために、このセルは、レーザビームに対してのみ機能する。
【０００８】
長い光路長は、キャビティリングダウン分光法（ＣＲＤＳ：ｃａｖｉｔｙ  ｒｉｎｇ−ｄｏｗｎ  ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）およびキャビティ増幅吸収分光法（ＣＥＡＳ：ｃａｖｉｔｙ  ｅｎｈａｎｃｅｄ  ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ  ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）におけるように、共振キャビティからも達成できる。例には、特許文献２（Ｒｏｂｂｉｎｓら，２０１３年３月１９日公開）、特許文献３（Ｗａｎｇら，２００４年７月１５日公開）、特許文献４（Ｌｉ，２０１６年１月２０日公開）、特許文献５（Ｗａｎｇら，２０１４年１２月３１日公開）、および特許文献６（Ｓｕｚｈｏｕ，２０１６年４月１３日公開）が含まれる。
【０００９】
Ｓｈｉｏｎｉらの特許文献７（２０１３年）は、ダブルパス吸収セルに基づく呼気分析器を記載する。
【００１０】
Ｈａｎｃｏｃｋらの特許文献８（２０１０年）は、共振光学キャビティを用いた呼気アセトン検出のための広帯域近赤外（ＮＩＲ：ｎｅａｒ  ｉｎｆｒａ−ｒｅｄ）光源の使用を教示する。
【００１１】
Ｗａｎｇらの特許文献３（２００３年）は、共振光学キャビティを用いた呼気アセトン検出のための紫外（ＵＶ：ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）光源の使用を教示する。
【００１２】
Ｒｉｈａｎｉらの特許文献９（２０１４年）は、１つ以上のＵＶ発光ダイオード（ＬＥＤ：ｌｉｇｈｔ  ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｄｉｏｄｅ）を用いた、特に、呼気中アセトンを測定するためのガスセンサを提示する。
【００１３】
層流の生成のための整流器（ハニカム）の使用は、例えば、Ｊｏｓｅｐｈｕｓらの特許文献１０（１９９５年）においてよく知られている。これらの「ハニカム」の断面形状は、正方形、円形および正六角形のセルであってよい。
【００１４】
Ｊｕｒｃｉｋらの特許文献１１（１９９３年）は、微量不純物の正確な測定のためにセルをより効率的にパージすることを目的とした、ガス渦を低減するための円錐形分光サンプルセルの設計を提示する。
【００１５】
Ｈａｖｅｒｉらの特許文献１２（２００９年）は、全体にわたって一定の層流を維持して、ガス流中のデッドスペースを低減し、それによって、分析器の応答時間を改善するためのガスセルの設計を提案する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】米国特許第５５７０６９７Ａ号
【特許文献２】米国特許第８３９９８３７Ｂ２号
【特許文献３】米国特許出願公開第２００４０１３７６３７Ａ１号
【特許文献４】中国特許出願公開第１０５２５９１１４Ａ号
【特許文献５】中国特許出願公開第１０４２５１８４１Ａ号
【特許文献６】中国実用新案登録第２０５１５７４１７Ｕ号
【特許文献７】国際公開第２０１５０１９６５０Ａ１号
【特許文献８】国際公開第２０１１１１７５７２Ａ１号
【特許文献９】米国特許出願公開第２０１６００５４２９４Ａ１号
【特許文献１０】米国特許第８４２１９７９号
【特許文献１１】米国特許第５３５１１２０Ａ号
【特許文献１２】米国特許第８１９４２４９Ｂ２号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、ガス分析器における光学的ノイズを低減するための装置および方法を提供する。本発明は、ガス混合物中のガス濃度を高精度かつ早い時間応答で決定するのに適する。本発明は、特に、糖尿病診断、ケトアシドーシス診断、脂肪燃焼モニタリングおよび体重減少管理のためのＵＶ  ＬＥＤに基づくコンパクトでリアルタイムの呼気アセトン分析器に適用可能である。
【００１８】
本発明のある態様において、測定されるガスは、吐出呼気中のアセトンである。光源として２３０ｎｍ〜３２０ｎｍの範囲内に中心波長をもつＵＶ  ＬＥＤが用いられて、測定ガスを透過したＵＶ光の小部分がアセトン濃度を決定するために用いられる。
【００１９】
本発明のある態様において、ガスセルの少なくとも１つの内表面は、「光学的容積」−光ビームによって占められ、センシングが生じる容積（すなわち、その後に光検出器に入射する光によって占められた容積）−の端部からオフセットしている。乱流は、ガスが流れ方向を変化させるように強いられるおよび／またはドラッギング効果が発生する表面に隣接して発生する可能性がある。表面が「光学的容積」からある距離（例えば、少なくとも０．５ｍｍの距離）オフセットしていれば、例えば、表面に近い「乱流ゾーン」が「光学的容積」から分離されるので、有利には光学的ノイズが低減される。
【００２０】
本発明のある態様において、ガスセルは、ガス入口およびガス出口におけるガス混合と関連した乱流が「光学的容積」の外側にあるように「光学的容積」の外側の領域を含んでよい。これは、光学的ノイズも低減できる。
【００２１】
本発明のある態様において、ガス入口は、「光学的容積」中へ流入するガスが層流から乱流への遷移を特徴づける閾値より小さい流量を有するように１つ以上の能動的または受動的な流量調節器を含んでよい。結果として、「光学的容積」中では層流を維持できて、光学的ノイズを低減できる。
【００２２】
本発明のある態様において、装置は、測定中にセルの「光学的容積」中に静止ガスを閉じ込めて、一方では装置中へのガスの連続的な流れを依然として許容するセル構成および関連する検出方法を含んでよい。装置は、ガスのためのバイパスラインを含んでよい。装置は、セルの「光学的容積」中へのガス流入を測定の異なる段階において許容または防止するためにバイパスラインを開閉する少なくとも１つのバルブも含んでよい。測定は、静止ガスに対して実施され、それゆえに、光学的ノイズを低減できる。
【００２３】
本発明は、先行技術からは示唆されない多くの利点を提供する。本発明は、ガス分析器、特に、コンパクトなマルチパス吸収セルに基づき、光源としてＬＥＤを用いたガス分析器における光学的ノイズを低減するための解決法を提供する。本発明は、測定精度の高いリアルタイム呼気分析器を作製するのに有用でありうる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１（ａ）】吸収式ガス分析器の概略図。
【図１（ｂ）】吸収式ガス分析器の概略図。
【図１（ｃ）】吸収式ガス分析器の概略図。
【図２】ガス流が閾値を超えて増加したときに乱流によって生じた透過光強度におけるノイズを示す実験データ。
【図３】ガスセル構成の第１の例。
【図４】ガスセル構成の第２の例。
【図５（ａ）】ガスセル構成の第３の例。
【図５（ｂ）】ガスセル構成の第３の例。
【図６（ａ）】ガスセル構成の第４の例。
【図６（ｂ）】ガスセル構成の第４の例。
【図７】ガスセル構成の第５の例。
【図８】図７におけるガスセル構成と関連する検出方法のフロー図。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明は、ガス分析器、例えば、光吸収に基づくガス分析器における光学的ノイズを低減するための方法を提供する。サンプルによる光の吸収は、経験的なランベルト・ベールの法則：
【数１】
2020509350.tif 000003
が適用され、ここでＩ０およびＩ１はそれぞれ入射および透過強度であり、λは波長であり、α（λ）は波長に依存する吸収係数であり、Ｌはサンプルを通る光の光路長である。サンプルが１つより多い吸収ガス（具体的には、Ｎ個の吸収ガス）を含むならば、全吸収係数は、
【数２】
2020509350.tif 000004
によって算出されてよく、ここでσｉ（λ）およびｎｉは、ｉ番目の成分のそれぞれ波長に依存する吸収断面積および濃度である。
【００２６】
本発明による基本的な吸収式ガス分析器の概略図が図１（ａ）に示される。一般に、ガス分析器は、ガス混合物を収容するための全容積を画定する少なくとも１つのガスセル１、ガスセル中へ光ビーム５を放出する少なくとも１つの光源２、およびガスセル内でガス混合物を通して伝搬した光ビームの光を検出する少なくとも１つの光検出器３を含む。光ビーム５は、視覚化を助けるために図１（ａ）では直線で表される。しかしながら、光ビーム５は、図１（ｂ）および図１（ｃ）に示されるように、容積６１を占めて、任意の断面６０を有してよく、前記断面６０は、伝搬方向に沿って変化してよい。図１（ｂ）は、図１（ａ）の一部分の再現を示す。図１（ｃ）は、図１（ｂ）からの断面６０を示す。断面６０は、図１（ｃ）では円で表されるが、任意の形状を有してよい。容積６１の輪郭は、図１（ｂ）では２つの直線６２および６３で表されるが、６２および６３は、直線でなくてよく、互いに平行でなくてもよい。ガス混合物の成分（例えば、アセトン）の濃度は、光検出器によって検出される光ビームの部分に基づいて決定されてよい。
【００２７】
ガス分析器は、ガスセルを占めるガスを通る光の光路長を増加させるためにセル中で光ビーム５を前後に反射する１つ以上のミラー４を含んでよい。光ビーム５によって占められる容積は、「光学的容積」と定義される。「光学的容積」は、それゆえに、ガス混合物を収容するためのガスセルによって画定される全容積の少なくとも一部分である。ガスセルは、それぞれ矢印８および９で示されるように、セルの内外にガスサンプルを導入するための少なくとも１つの入口６および少なくとも１つの出口７を有する。ある例では、最初に基準ガスが入口６を通してガスセル１中へ注入されて、光検出器３によって透過光強度が測定される。次に、呼気サンプルが入口６を通してガスセル１中へ注入されて、光検出器３によって透過光強度が再び測定される。基準ガスおよび呼気サンプルについての透過光強度の差が「吸収信号」と定義される。吸収信号は、光源２によって放出された波長をもつ光の、呼気および基準ガス中に存在する物質による吸収および散乱における差に起因する。「吸収信号」は、次に、呼気中の上述の１つ以上の物質の濃度を算出するために用いられてよい。
【００２８】
本発明の一態様において、少なくとも１つの光源２は、１つ以上の発光ダイオード（ＬＥＤ）を含む。ＬＥＤは、通常、より安価で、消費エネルギーがより少なくて、レーザよりコンパクトであり、従って、ポータブルで手頃な光学センサのために有効な光源である。
【００２９】
本発明の一態様において、測定されるガスは、ヒト呼気中のアセトンである。アセトンは、２３０ｎｍから３２０ｎｍまでの間のＵＶ波長領域内に強い吸収帯を有するので、呼気アセトン分析器にはＵＶ  ＬＥＤが用いられてよい。従って、各ＬＥＤは、２３０ｎｍから３２０ｎｍまでの間の中心波長、および５０ｎｍ未満の帯域幅を有するとよい。この開示では、ＬＥＤの帯域幅がＬＥＤ光のスペクトルの半値全幅（ＦＷＨＭ：ｆｕｌｌ  ｗｉｄｔｈ  ａｔ  ｈａｌｆ  ｍａｘｉｍｕｍ）として定義される。中心波長は、ＬＥＤによって放出される光が最高強度を有する波長である。正確な呼気アセトン分析器を製造する際の１つの重要な課題は、同じ波長で吸収するアセトン以外のガス、「交差感受性」または「干渉」として知られる効果を取り扱うことである。本発明の一態様において、少なくとも１つの光源２は、１つより多い波長で光を放出する１つ以上のＵＶ  ＬＥＤを含み、ガス混合物による光の吸収を１つより多い波長で解析することによってこの問題を軽減する。ＵＶ波長を用いて動作させることによって、呼気分析器は、他の波長における、例えば、近赤外を用いた呼気分析器では最も重要な干渉物質の１つである水分子による吸収が非常に小さいかまたはゼロであるという利益をさらに享受する。
【００３０】
呼気中のバイオマーカーの典型的な濃度は、ｐｐｂ〜ｐｐｍの範囲内にあり、それゆえに、呼気分析器は、高感度を有さなければならない。このためには、感度向上のために長い光路長を提供し、一方ではデバイスのコンパクトさを依然として維持するマルチパス吸収セルが用いられるとよい。高感度に加えて、呼気分析器が早い時間応答を有し、リアルタイム測定を実施できることも重要である。呼気の異なる段階ではＶＯＣの濃度は変化しうるので、これは、より良好なユーザ経験を与えるだけでなく、医学的診断に有用な情報も提供する。
【００３１】
本発明者らは、呼気分析器の精度に重要な影響をもつ問題も発見した。ガスがガスセルを通して流れるとき、例えば、ユーザが直接にセル中へ呼息するときに、光検出器によって測定される光強度には、この用途のために測定されることが必要な「吸収シグナル」（例えば、およそｐｐｍ濃度のアセトンによる光の吸収に対応する「吸収信号」）と比較して大きな揺らぎがありうる。図２は、図１に示されるようなガスセル１を用いて、光検出器３によって測定された異なるガス流量における光強度を示し、ここで光ビーム５は、およそ２８５ｎｍのピーク波長を有し、ガスを通る光ビーム５の総経路長（すなわち、光ビーム５が光検出器３に入射する前に第１のウィンドウ１０と第２のウィンドウ１１との間を伝搬する平均距離）は、９４ｃｍである。図２に見られるように、静止ガスが測定されるときに（０〜６０秒、参照数字３０）、最小測定光強度と最大測定光強度との間の差として定義される、光学的ノイズは小さい。光学的ノイズは、測定光強度がゆっくり変わる変化（「ドリフト」）に対して補償された後に決定され、図２におけるデータでは、この補償は、ガス流量ごとに測定されたデータ（出力光強度対時間）を通しての線形最小２乗フィットであってよい。ガス流量が階段状に徐々に増加するときに、ある閾値流量３５を超えると（２６５〜３２０秒、参照数字３１）、およそ１ｐｐｍのアセトン「吸収信号」と同様の大きさの振幅をもつ大きな光学的ノイズが発生する。大きなノイズは、流量が閾値流量３５未満に減少したときには（３２０〜４１０秒、参照数字３２）存在しない。図２に参照数字３１、３３および３４で標識されるように乱流を示す大きな光学的ノイズが３回繰り返されて、閾値流量３５の値は、同じままであり、これは、所定の温度のガスに対して前記値がこのガスセルに固有でありうることを示唆する。光学的ノイズは、光の散乱、本明細書では「乱流散乱」と呼ばれる現象を引き起こす乱流の存在下でのガスの局所的な屈折率の変化によって生じうる。閾値流量を超えたときのみのこのノイズの存在は、ガスセル中のガスの、参照数字３２によって示されるような層流と、乱流との間の遷移とも一貫性がある。
【００３２】
この発見を通じて、本発明者らは、効果的な呼気分析器を提供するために解決すべきユニークな新しい問題を特定した。第１に、光源としてＬＥＤを用いたコンパクトなセルが先行技術を超える新たな課題を提示する。ＬＥＤビームは、レーザビームより幅が広く、より発散性であるため、「光学的容積」がより大きい。セルの全容積の小部分としての「光学的容積」もより大きく、これは、ガス分析器が乱流散乱をより生じやすいことを意味する。第２に、ガス乱流に対する感度が短波長ではより高いため、ＵＶ波長が新しい課題を提示する。加えて、リアルタイム呼気測定のためにセルを迅速かつ効率的にリフレッシュするためには、ほどよく高い流量が必要とされる。例えば、ガスセルが２００ｃｍ３の総容積を有し、リアルタイム呼気測定のために５秒未満のリフレッシュが必要なこともあり、従って、４０ｃｍ３／秒より高い流量が必要とされるであろう。小さいセルにおける乱流を伴わない速いガス流および良好なガス混合は、厳しい課題である。
【００３３】
光学分析器における乱流散乱は、先行技術では報告されなかった予想外の問題である。コンパクトなマルチパス吸収セルをもち、光源としてＵＶ  ＬＥＤを用いた呼気分析器にとって、乱流散乱は、特に問題である。本発明は、「光学的容積」内のガス混合物の乱流を抑制するように光学的容積を構成し、それによって、光学的ノイズを低減することによりこの問題の解決法を提供する。
【００３４】
それゆえに、一般に、本発明のある態様は、ガス混合物の成分の濃度を測定するための強化されたガス分析器である。例示的な実施形態において、ガス分析器は、ガス混合物を収容するための全容積を画定するガスセル；ガス混合物がそれを通してガスセル中へ導入されるガス入口、およびガス混合物がそれを通してガスセルから排出されるガス出口；ガスセル中へ光ビームを放出する光源；ならびにガスセル中でガス混合物を通して伝搬した光ビームの光の一部分を検出する光検出器を含んでよく、ガス混合物の成分の濃度は、光検出器によって検出される光ビームの光のその部分に基づいて決定される。ガスセルは、ガスセル内に光ビームの進行のための「光学的容積」を画定し、「光学的容積」は、全容積の少なくとも一部分を含み、ガス混合物によって生成される光学的ノイズを低減するために「光学的容積」内のガス混合物の乱流を抑制するように構成される。光学的ノイズを低減するようにガスセル内の「光学的容積」を構成する様々な方法が以下の例に示される。
【００３５】
本発明は、呼気中のアセトン濃度の正確な測定を提供する。本発明のある態様において、呼気分析器は、図１に示されるように、ガス混合物を受け入れるためのガスセル１、セル中に光のマルチプルパスを作るための複数のミラー４、ガスセル１中へ光ビーム５を放出する少なくとも１つの光源２、およびガス混合物を通して伝搬した光源２からの光の一部分を検出する少なくとも１つの光検出器３を含む。少なくとも１つの光源２は、各々が２３０ｎｍから３２０ｎｍまでの間の中心波長および５０ｎｍ未満の帯域幅を有する、１つ以上のＬＥＤを含んでよい。デバイスは、脂肪燃焼、糖尿病または他の健康状態を示しうる、吐出呼気中のアセトン濃度を測定するために用いられてよい。ガスセル１は、ガス混合物がそれを通してガスセル中へ導入される少なくとも１つのガス入口６、およびガス混合物がそれを通してガスセルから排出される少なくとも１つのガス出口７を有してよい。ガス入口（単数または複数）６のうちの少なくとも１つ、および／またはガス出口（単数または複数）７のうちの少なくとも１つは、「光学的容積」内のガス混合物の乱流を抑制するように「光学的容積」を結果として構成することによって、「光学的容積」を通して流れるガスが著しい光学的ノイズを生じないように構成される。一般に、例示的な実施形態において、「光学的容積」は、ガスセルによって画定される全容積のすべてよりは小さいガスセル内の全容積の一部分として構成されてよい。
【００３６】
本発明の別の態様において、ガスセルの少なくとも１つの内表面は、「光学的容積」の外端からオフセットしている。乱流は、ガスが流れ方向を変化させるように強いられるおよび／またはドラッギング効果が発生する表面に隣接して発生する可能性がある。表面が「光学的容積」からある距離（例えば、少なくとも０．５ｍｍの距離）オフセットしていれば、例えば、表面に近い「乱流ゾーン」が「光学的容積」から分離されるので、有利には光学的ノイズが低減される。
【００３７】
本発明の別の態様において、ガスセルは、ガス入口およびガス出口におけるガス混合と関連した乱流が「光学的容積」の外側にあるように乱流混合領域を「光学的容積」の外側に含んでよい。これは、光学的ノイズも低減できる。
【００３８】
本発明の別の態様において、ガス入口は、「光学的容積」中へ流入するガスが層流から乱流への遷移を特徴づける閾値流量より小さい流量を有するように１つ以上の能動的または受動的な流量調節器を含んでよい。結果として、「光学的容積」中では層流を維持できて、光学的ノイズを低減できる。
【００３９】
本発明のある態様において、装置は、測定中にセルの「光学的容積」中に静止ガスを閉じ込めて、一方では装置中へのガスの連続的な流れを依然として許容するセル構成および関連する検出方法を含んでよい。装置は、ガスのためのバイパスラインを含んでよい。装置は、セルの「光学的容積」中へのガス流入を測定の異なる段階において許容または防止するためにバイパスラインを開閉する少なくとも１つのバルブも含んでよい。測定は、静止ガスに対して実施され、それゆえに、乱流散乱を強くまたは完全に回避できて、光学的ノイズを低減できる。
【００４０】
本発明は、コンパクトなマルチパス吸収セルに基づき、光源としてＬＥＤを用いたリアルタイム呼気分析器が直面する予想外の問題の解決法を提供する。光信号に対する乱流散乱の影響をなくすことによって、分析器の信号対雑音比を改善できて、ユーザが連続的に呼息する間にリアルタイム呼気測定を行うことができる。
【００４１】
さらに、本発明は、ほとんどが呼気分析器との関連において紹介されたが、光学的ノイズがパフォーマンスを低下させかねない光吸収に基づく他のガスセンサに本発明が全般的に適用されてよい。
【００４２】
例１
光学的ノイズの低減のためのガスセル構成の第１の例が図３に示される。ガスセルの少なくとも１つの内表面は、「光学的容積」の外端からオフセットしている。より良好な光学的ノイズ低減のために、随意的に、ガスセルは、ガス混合および／または入口および／または出口の流れと関連した乱流が「光学的容積」の外側にあるように「光学的容積」の外側の領域も含んでよい。この例では、ガスセルは、ガスセルの内表面と、「光学的容積」に対してガスセルの入口側の光学的容積の外端との間に位置する整流器を有してよい。
【００４３】
ガスセル１は、マルチパス吸収セルである。光源２から放出された光は、第１のウィンドウ１０を通してセルに入る。セル中でサンプルガスを通して光ビーム５を前後に反射するために少なくとも１つのミラー４があってよい。光ビーム５は、次に、第２のウィンドウ１１を通してセルから出て行き、その後、光検出器３によって検出される。「光学的容積」は、光ビーム５でプローブされるセル中の容積（すなわち、その後に光検出器３に入射する光ビームの容積）によって定義される。セルは、それぞれ矢印８および９で示されるように、セルの内外にガスを導入するための少なくとも１つのガス入口６および少なくとも１つのガス出口７を有する。入口（単数および複数）６および出口（単数および複数）７は、いずれもガス以外は光がほとんどまたは何も通過できないように設計される。随意的に、ガスセルは、「光学的容積」の外側にある予備混合ゾーン１２も有してよい。ガスは、最初に、予備混合ゾーン１２中へ注入されて、次に、ガスが「光学的容積」に入る前に随意的な整流器１３を通過してよい。整流器の断面形状は、例えば、ほぼ正方形、円形、または正六角形のセルであってよい。ガスが「光学的容積」に入る前に整流器１３によって低乱流または層流を生成できる。ガスセル１は、１ｃｍから２０ｃｍの間の長さ１７および幅１８、ならびに１ｃｍ３〜２０００ｃｍ３の範囲内の容積を有してよい。好ましくは、ガスセル１は、２ｃｍ〜１０ｃｍの範囲内の長さおよび幅、ならびに２０ｃｍ３〜２００ｃｍ３の範囲内の容積を有する。ガスセルの少なくとも１つの内表面１４は、「光学的容積」の端部からオフセットしている。内表面１４と光ビーム５の「光学的容積」との間の距離は、０．５ｍｍより大きく、２０ｃｍより小さくてよい。好ましくは、この距離は、少なくとも１ｍｍ以上５ｍｍ未満である。
【００４４】
例示的な実施形態において、この吸収セルは、吐出呼気中のアセトン濃度を測定するための呼気分析器に用いられてよい。この用途において、光源は、各々が２３０ｎｍから３２０ｎｍの間の中心波長を有する、１つ以上のＵＶ  ＬＥＤであってよい。最初に基準ガスがガス入口６を通してセル１中へ注入されて、透過強度が光検出器３によって測定される。次に、例えば、ユーザによる直接の呼息により、呼気がガス入口６を通してセル１中へ注入されて、透過強度が再び測定される。アセトン濃度は、２つの透過強度間の差に基づいて算出される。光学的ノイズは、１ｐｐｍのアセトンによって生じる「吸収信号」より大きくはない値、好ましくは、０．５ｐｐｍのアセトンによって生じる「吸収信号」より大きくはない値を有する。
【００４５】
例２
乱流によって誘起される光学的ノイズの低減のためのガスセル構成の第２の例が図４に示される。図３に示されるセルと同様に、このガスセル１は、少なくとも１つの光源２、少なくとも１つの光検出器３、随意的に少なくとも１つのミラー４、少なくとも１つのガス入口６および少なくとも１つのガス出口７を含む。「光学的容積」は、光ビーム５によってプローブされる容積（すなわち、その後に光検出器３に入射する光ビームの容積）として定義される。少なくとも１つのガス入口６は、ガス流の方向に垂直なガス入口の断面積がガス流の方向に沿って「光学的容積」の方へ概して増加するようにテーパー形状を有する。随意的に、ガス入口の断面積は、ガス流の方向に沿って「光学的容積」の方へ連続的に増加する。随意的に、ガス入口の断面積は、「光学的容積」と「光学的容積」中へ流入するガスとの間の交わりの面積以上の最大値へ増加する。少なくとも１つのガス出口７は、ガス流の方向に垂直なガス出口の断面積が「光学的容積」から離れるガス流の方向に沿って減少するようにテーパー形状を有する。随意的に、ガス出口の断面積は、「光学的容積」から離れるガス流の方向に沿って最小値へ連続的に減少する。随意的に、ガス出口の最大断面積は、「光学的容積」と「光学的容積」から流出するガスとの交わりの面積以上の値を有する。ガスがガスセル１へ出入りする際に入口および出口を通して流れるときに、テーパー形状は、ガス流が徐々に変化し、その結果、ガスセルのための小さい容積を提供しながらも「光学的容積」中の乱流が抑制されることを確実にする。このセルに関連する光学的ノイズは低い。
【００４６】
例３
乱流によって誘起される光学的ノイズの低減のためのガスセル構成の第３の例が図５（ａ）および図５（ｂ）に示される。図３に示されるセルと同様に、このガスセル１は、少なくとも１つの光源２、少なくとも１つの光検出器３、少なくとも１つのミラー４，少なくとも１つのガス入口６および少なくとも１つのガス出口７を含む。「光学的容積」は、光ビーム５によってプローブされる容積（すなわち、その後に光検出器３に入射する光ビームの容積）として定義される。一態様において、少なくとも１つのガス入口６は、図５（ａ）に示されるように、２つの進路−ガス混合物の流れの一部分を矢印１９で示されるように「光学的容積」の外側に導くバイパスライン２４、およびガス混合物の流れの別の部分を「光学的容積」中へ導く第２のライン１５−へさらに分割される。別の態様では、図５（ｂ）に示されるように、「光学的容積」に入る流量を制御するために１つ以上の能動的または受動的な流量調節器１６が用いられてよい。
【００４７】
バイパスラインおよび流量調節器の目的は、いずれも、例えば、初期流量が高いときでも層流が常に維持され、それゆえに、光学的ノイズを低減できるように、「光学的容積」に入る流量が乱流閾値を確実に超えないようにすることである。
【００４８】
例４
乱流によって誘起される光学的ノイズの低減のためのガスセル構成の第４の例が図６（ａ）および図６（ｂ）に示される。図６（ａ）は、断面Ａ−Ａにおける図を示す。このマルチパスガスセル１は、円筒形状を有し、ガスセルによって画定された全容積内には中心アイランド２０が位置する。ガスセル１は、少なくとも１つの光源２、少なくとも１つの光検出器３、少なくとも１つのミラー４、および少なくとも１つのウィンドウ２２を含む。ミラーは、光がウィンドウ２２を通してセルの外壁と中心アイランド２０との間にある容積２１中で前後に反射されるように円状に配置される。従って、この例では、「光学的容積」は、アイランドの周りに広がる全容積の一部分である。
【００４９】
ガスセルは、セルの対向端においてミラー４によって描かれる円の中心近くに好ましくは位置する少なくとも１つのガス入口６および少なくとも１つのガス出口７も含む。ガス経路の主な流れ方向に垂直な面内の「光学的容積」の断面積は、「光学的容積」を通して実質的に一定のままである。図６（ｂ）に、それぞれ、断面Ｂ−Ｂ、Ｃ−ＣおよびＤ−Ｄにおける図が示される。「光学的容積」を通るガス経路の実質的に一定の総断面積は、セル全体にわたって均一な層流を容易にし、従って、検出器３における光学的ノイズを低減した。ここでは断面が円形として示されるが、他の断面も本発明の利点を同様に提供できる。
【００５０】
例５
第５の例は、測定中に「光学的容積」中に静止ガスを閉じ込めて、一方ではユーザが装置中へ連続的に呼息することを依然として許容するために用いられてよいガスセル４１を含んだ装置である。
【００５１】
図７によって示されるように、ガスは、ガス混合物の入力を受け入れるためのガス入力４２から注入される。ガス混合物は、次に、ガスセル４１のガス入口４８につながる第１の経路４３、またはガスセル４１に入ることを回避する（それによってガスセルをバイパスする）ためのバイパス４４のいずれかに入る。随意的に、入力バルブ５０は、ガス混合物の流れを第１の経路４３またはバイパス経路４４のいずれかへ向かわせるように動作可能である。随意的に、出力バルブ５１は、ガスセル出口４９上で動作可能である。第１の例では、出力バルブは、ガスセル出口４９へ出入りするガスの流れを防止し、それによって、ガスをガスセル４１中に封じ込めるために動作可能であってよい。第２の例では、出力バルブは、ガスの流れをバイパス経路４４またはガスセル出口４９のいずれかからガス出力４５へ向かわせるために動作可能であってよい。いずれの例においても、出力バルブ５１がガスセル出口４９へ出入りするガスの流れを防止し、それによって、例えば、ガス出力４５からガスセル４１中へのガスの逆流を防止するときに、センサの安定性を改善できる。ガスセル４１は、ガスセル４１の全容積の少なくとも一部分を含む光学的容積を画定する。ガス混合物が「光学的容積」中に存在しているときに、入力バルブおよび出力バルブは、バイパス経路を開き、ガス混合物を静止ガスとしてガスセル内に封じ込めるために動作可能である。
【００５２】
呼気アセトン分析器の適用の際に、随意的に、経路４３が２つのチャンネル４６および４７へさらに分割されてよい。ガス入力とガスセルへのガス入口との間に位置する基準ガスチャンネル４６は、基準ガスを作り出すために用いられてよい。具体的には、基準ガスチャンネルは、ガスセル中への導入のための基準ガスを作り出すために、吐出呼気のガス混合物から測定される成分（例えば、アセトン）のいくらかまたはすべてを除去する少なくとも１つのフィルタ５４を含んでよい。随意的に、フィルタ５４は、分子篩およびシリカゲルのうちの１つ以上を含んでよい。ガス入力とガスセルへのガス入口との間の、基準ガスチャンネルとは分離した、測定ガスチャンネル４７は、測定ガスサンプル、このケースではフィルタされない呼気ガス混合物をガスセル中へ導入するために用いられてよい。チャンネルバルブシステムは、基準ガスチャンネルまたは測定ガスチャンネルのいずれかを介してガス混合物をガスセル中へ向かわせるために動作可能である。例えば、チャンネルバルブシステムは、それぞれチャンネル４６および４７を開閉するための第１のチャンネルバルブ５２および第２のチャンネルバルブ５３を含んでよい。基準ガスおよび測定ガスは、いずれもそれぞれガスセル入口４８およびガスセル出口４９からガスセル４１へ出入りする。
【００５３】
呼気アセトン測定と関連する検出方法が図８に示されるフロー図によって説明される。検出方法は、以下のステップのいくつかまたはすべてを含んでよく、ステップの順序は、適宜、変更されてよい。
ユーザは、以下のステップの全体にわたって呼気分析器中へ連続的に呼息する。
【００５４】
１．デフォルト設定により、バルブ５０がバイパス４４を開き、経路４３を閉じるように構成される（すなわち、４２が４４へ流れる）。呼気は、ガスセル４１から離れてバイパスされる。
【００５５】
２．第１の時間休止する。
【００５６】
３．バルブ５０がバイパス４４を閉じ、経路４３を開くように構成される（すなわち、４２が４３へ流れる）。バルブ５２および５３がチャンネル４６を開き、チャンネル４７を閉じるように構成される（すなわち、４３が４６へ流れ、４６が４８へ流れる）。呼気中のアセトンがフィルタ５４によって除去されて、基準ガスが入力４８を介してガスセル４１中へ流入する。
【００５７】
４．第２の時間休止し、その間に呼気が前にガスセル４１中にあったガスのいくらかまたはすべてを置換する。
【００５８】
５．バルブ５０がバイパス４４を開き、経路４３を閉じるように構成される（すなわち、４２が４４へ流れる）。随意的に、バルブ５１が出力４９を閉じるように構成される。基準ガスがそれによってガスセル中に封じ込められる。
【００５９】
６．静止した基準ガスの測定を行う。
【００６０】
７．バルブ５０がバイパス４４を閉じ、経路４３を開くように構成される（すなわち、４２が４３へ流れる）。バルブ５２および５３がチャンネル４６を閉じ、チャンネル４７を開くように構成される（すなわち、４３が４７へ流れ、４７が４８へ流れる）。測定ガスが入力４８を介してガスセル４１中へ流入する。
【００６１】
８．第３の時間休止し、その間に前にガスセル４１中にあったガスのいくらかまたはすべてを呼気が置換する。
【００６２】
９．バルブ５０がバイパス４４を開き、経路４３を閉じるように構成される（すなわち、４２が４４へ流れる）。随意的に、バルブ５１が出力４９を閉じるように構成される。測定ガスがそれによってガスセル中に封じ込められる。
【００６３】
１０．静止した測定ガスの測定を行う。
【００６４】
１１．測定が終わり、随意的に繰り返されてよい。
【００６５】
代わりに、検出方法は、以下のステップのいくつかまたはすべてを含んでよく、ステップの順序は、適宜、変更されてよい。
ユーザは、以下のステップの全体にわたって呼気分析器中へ連続的に呼息する。
【００６６】
１．デフォルト設定により、バルブ５０および５１がバイパス４４を開き、経路４３を閉じ（すなわち、４２が４４へ流れる）、出力４９を閉じる（すなわち、４４が４５へ流れる）ように構成される。呼気は、ガスセル４１から離れてバイパスされる。
【００６７】
２．第１の時間休止する。
【００６８】
３．バルブ５０および５１がバイパス４４を閉じ、経路４３を開き（すなわち、４２が４３へ流れる）、出力４９を開く（すなわち、４９が４５へ流れる）ように構成される。バルブ５２および５３がチャンネル４６を開き、チャンネル４７を閉じる（すなわち、４３が４６へ流れ、４６が４８へ流れる）ように構成される。呼気中のアセトンがフィルタ５４によって除去されて、基準ガスが入力４８を介してガスセル４１中へ流入する。
【００６９】
４．第２の時間休止し、その間に呼気が前にガスセル４１中にあったガスのいくらかまたはすべてを置換する。
【００７０】
５．バルブ５０および５１がバイパス４４を開き、経路４３を閉じ（すなわち、４２が４４へ流れる）、出力４９を閉じる（すなわち、５１が４５へ流れる）ように構成される。基準ガスがそれによってガスセル中に封じ込められる。
【００７１】
６．静止した基準ガスの測定を行う。
【００７２】
７．バルブ５０および５１がバイパス４４を閉じ、経路４３を開き（すなわち、４２が４３へ流れる）、出力４９を開く（すなわち、４９が４５へ流れる）ように構成される。バルブ５２および５３がチャンネル４６を閉じ、チャンネル４７を開くように構成される（すなわち、４３が４７へ流れ、４７が４８へ流れる）。測定ガスが入力４８を介してガスセル４１中へ流入する。
【００７３】
８．第３の時間休止し、その間に前にガスセル４１中にあったガスのいくらかまたはすべてを呼気が置換する。
【００７４】
９．バルブ５０および５１がバイパス４４を開き、経路４３を閉じ（すなわち、４２が４４へ流れる）、出力４９を閉じる（すなわち、４４が４５へ流れる）ように構成される。測定ガスがそれによってガスセル中に封じ込められる。
【００７５】
１０．静止した測定ガスの測定を行う。
【００７６】
１１．測定が終わり、随意的に繰り返されてよい。
【００７７】
フィルタされたおよびフィルタされないガスをガスセル１へ提供するための基準ガスチャンネル４６、測定ガスチャンネル４７、フィルタ５２、ならびに随意的な第１のチャンネルバルブ５２および随意的な第２のチャンネルバルブ５３の構成は、バイパス経路４４およびバルブ５０の使用なしに、例１〜４のいずれかと組み合わせて適用されてよい。
【００７８】
本発明のある態様は、それゆえに、ガス混合物の成分の濃度を測定するためのガス分析器である。例示的な実施形態において、ガス分析器は、ガス混合物を収容するための全容積を画定するガスセルと、ガス混合物がそれを通してガスセル中へ導入されるガス入口およびガス混合物がそれを通してガスセルから排出されるガス出口と、ガスセル中へ光ビームを放出する光源と、ガスセル中でガス混合物を通して伝搬した光ビームの光の一部分を検出する光検出器と、を含み、ガス混合物の成分の濃度は、光検出器によって検出される光ビームの光のその部分に基づいて決定される。ガスセルは、ガスセル内に光ビームの進行のための光学的容積を画定し、光学的容積は、全容積の少なくとも一部分を含み、ガス混合物によって生成される光学的ノイズを低減するために光学的容積内のガス混合物の乱流を抑制するように構成される。ガス分析器は、以下の特徴の１つ以上を、個別にあるいは組み合わせて、含んでよい。
【００７９】
ガス分析器の例示的な実施形態において、光学的容積は、全容積のすべてよりは小さいガスセル内の全容積の一部分である。
【００８０】
ガス分析器の例示的な実施形態において、ガスセルは、光学的容積の外端からオフセットしている内表面を有する。
【００８１】
ガス分析器の例示的な実施形態において、ガスセルの内表面は、光学的容積の最も近い外端から０．５ｍｍから２０ｃｍまでの間の距離で離隔している。
【００８２】
ガス分析器の例示的な実施形態において、ガス分析器は、ガスセルの内表面と、光学的容積に対してガスセルの入口側の光学的容積の外端との間に位置する整流器をさらに含む。
【００８３】
ガス分析器の例示的な実施形態において、ガス入口またはガス出口のうちの少なくとも１つは、ガス流の方向に垂直なガス入口の断面積の少なくとも一部分がガス流の方向に沿って増加するか、および／またはガス流の方向に垂直なガス出口の断面積の少なくとも一部分がガス流の方向に沿って減少するようにテーパー形状を有する。
【００８４】
ガス分析器の例示的な実施形態において、ガス入口は、ガス混合物の流れの一部分を光学的容積の外側に導くバイパスライン、およびガス混合物の流れの別の部分を光学的容積中へ導く第２のラインへ分割される。
【００８５】
ガス分析器の例示的な実施形態において、ガス入口は、光学的容積に入るガス混合物の流量を制御して層流を作り出すように動作可能な流量調節器を含む。
【００８６】
ガス分析器の例示的な実施形態において、ガスセルは、光学的容積の外側にあるガス混合物のための乱流混合領域を含む。
【００８７】
ガス分析器の例示的な実施形態において、ガス分析器は、ガスセルの全容積内の中心に位置するアイランドをさらに含み、光学的容積は、アイランドの周りに広がる全容積の一部分を含み、光学的容積の断面積は、ガスセルを通るガス混合物の層流を生成するように構成される。
【００８８】
ガス分析器の例示的な実施形態において、ガス分析器は、さらに、ガス混合物の入力を受け入れるためのガス入力と；ガス入力からガスセルのガス入口へのガス混合物の連通のための第１の経路と；ガス入力からガスセルをバイパスする流路へのガス混合物の連通のためのバイパス経路と；ガス混合物の流れを第１の経路またはバイパス経路のいずれかへ向かわせるために動作可能な入力バルブと；ガスセルからガス出口へのガス混合物の流れを制御するために動作可能な出力バルブと、を含み、ガスセルは、光学的容積を画定し、ガス混合物が光学的容積中に存在するときに、入力バルブおよび出力バルブは、バイパス経路を開き、ガス混合物を静止ガスとしてガスセル内に封じ込めるように動作可能である。
【００８９】
ガス分析器の例示的な実施形態において、ガス分析器は、さらに、ガス入力とガスセルへのガス入口との間の基準ガスチャンネルであって、ガスセル中への導入のための基準ガスを作り出すために、測定されるガス混合物の成分のいくらかまたはすべてをガス混合物から除去するようにフィルタを含んだ基準ガスチャンネル、ガス入力とガスセルへのガス入口との間の、基準ガスチャンネルとは異なる、ガスセル中へのガス混合物の導入のための測定ガスチャンネル、および基準ガスチャンネルまたは測定ガスチャンネルのいずれかを介してガス混合物をガスセル中へ向かわせるように動作可能なチャンネルバルブシステムを含む。
【００９０】
ガス分析器の例示的な実施形態において、フィルタは、シリカゲルおよび分子篩のうちの少なくとも１つである。
【００９１】
ガス分析器の例示的な実施形態において、ガス分析器は、ガスセル内の光学的容積を通る光ビームのマルチプルパスを作るように置かれた複数の反射器をさらに含む。
【００９２】
ガス分析器の例示的な実施形態において、光源は、１つ以上の発光ダイオード（ＬＥＤ）を備え、各発光ダイオードが２３０ｎｍから３２０ｎｍの間の範囲内の中心波長を有し、５０ｎｍ未満の帯域幅を有する。
【００９３】
本発明の別の態様は、ガス混合物の成分の濃度を測定する方法である。例示的な実施形態において、測定方法は、全容積を画定するガスセル中へガス混合物として基準ガスを導入するステップと、ガスセル内の光ビームの進行のために光学的容積内で基準ガスを通して伝搬するように光源からガスセル中へ光ビームを放出するステップであって、光学的容積は、全容積の少なくとも一部分を含み、光学的容積内でガス混合物によって生成される光学的ノイズを低減するためにガス混合物の乱流を抑制するように構成された、放出するステップと、チャンバ中で基準ガスを通して伝搬した光源からの光ビームの一部分を光検出器を用いて検出し、光源から放出された光のパワーに対する光検出器によって検出された光のパワーの第１の比を決定するステップと、ガスセル中へ測定ガス混合物を導入するステップと、光学的容積内で測定ガス混合物を通して伝搬するように光源からガスセル中へ光ビームを放出するステップと、チャンバ中で測定ガス混合物を通して伝搬した光源からの光ビームの一部分を光検出器を用いて検出し、光源から放出された光のパワーに対する光検出器によって検出された光のパワーの第２の比を決定するステップと、第１および第２の比に基づいて測定ガス混合物の成分の濃度を算出するステップとを含む。測定方法は、以下の特徴の１つ以上を、個別にあるいは組み合わせて、含んでよい。
【００９４】
測定方法の例示的な実施形態において、方法は、さらに、ガスセルを含んだガス分析器のガス入力中へガス混合物を入力するステップと；ガス入力からガスセルのガス入口へのガス混合物の連通のためにガス分析器中に第１の経路を設けるステップと；ガス入力からガス出口へのガス混合物の連通のためにガス分析器中にバイパス経路を設け、それによってガスセルをバイパスさせるステップと；ガス混合物の流れを第１の経路またはバイパス経路のいずれかへ向かわせるように入力バルブを動作させるステップと；ガスセルからガス出口へのガス混合物の流れを制御するために出力バルブを動作させるステップと、を含み、ガスセルは、光学的容積を画定し、ガス混合物が光学的容積中に存在するときに、入力バルブおよび出力バルブは、バイパス経路を開き、ガス混合物を静止ガスとしてガスセル内に封じ込めるように動作する。
【００９５】
測定方法の例示的な実施形態において、方法は、さらに、ガス入力とガスセルへのガス入口との間に基準ガスチャンネルを設けるステップであって、基準ガスチャンネルは、ガスセル中への導入のための基準ガスを作り出すために、測定されるガス混合物の成分をガス混合物から除去するようにフィルタを含んでいる、設けるステップと、ガス入力とガスセルへのガス入口との間に、基準ガスチャンネルとは異なる、ガスセル中への測定ガス混合物の導入のための測定ガスチャンネルを設けるステップと、を含み、ガスセル中へ基準ガスを導入するステップは、ガスセル中への導入のために基準ガスを生成する基準ガスチャンネルを介して、ガスセル中へガス混合物を向かわせるようにチャンネルバルブシステムを動作させるステップを含み、ガスセル中へ測定ガス混合物を導入するステップは、測定ガスチャンネルを介して、ガスセル中へガス混合物を向かわせるようにチャンネルバルブシステムを動作させるステップを含む。
【００９６】
測定方法の例示的な実施形態において、ガス混合物は、ガス入力中へ吐き出された吐出呼気を含み、方法は、ガス混合物が静止ガスとしてガスセル内に封じ込められる間にガス入力中へ連続的に吐出することを許容するように入力バルブおよび出力バルブを動作させるステップを含む。
【００９７】
測定方法の例示的な実施形態において、濃度が決定される測定ガス混合物の成分は、アセトンを含む。
【００９８】
本発明は、特定の１つまたは複数の実施形態に関して図示され、記載されたが、この明細書および添付図面を読んで理解した際に、等価な変更および修正が当業者に想起されることは明らかである。特に、上記の要素（部品、組立品、デバイス、組成物など）によって行われる様々な機能について、かかる要素を記述するために用いられる用語（「手段」への言及を含む）は、本明細書に示される本発明の例示的な１つまたは複数の実施形態における機能を行う、開示される構造とたとえ構造的に等価ではなくても、別に指示されない限り、指定された記載要素の機能を行う（すなわち、機能的に等価な）いずれかの要素に対応することが意図される。加えて、本発明の特定の特徴がいくつかの図示された実施形態の１つ以上についてのみ上に記載されたが、任意または特定の用途に所望され、有利でありうる場合には、かかる特徴が他の実施形態の１つ以上の他の特徴と組み合わされてよい。
【産業上の利用可能性】
【００９９】
本発明を以下の用途に用いることができる：
・糖尿病診断およびスクリーニング。
・健康／食事サポート、体重モニタリング。
・体脂肪燃焼モニター。
・ケトアシドーシスの予防。
・インスリン管理。
・血糖モニタリングおよび管理。
【符号の説明】
【０１００】
１：ガスセル
２：光源
３：光検出器
４：ミラー
５：光ビーム
６：入口
７：出口
８：ガス流入方向
９：ガス流出方向
１０：第１のウィンドウ
１１：第２のウィンドウ
１２：予備混合ゾーン
１３：整流器
１４：内表面
１５：第２のライン
１６：流量調節器
１７：長さ
１８：幅
１９：ガス流出方向
２０：中心アイランド
２１：容積
２２：ウィンドウ
２４：バイパスライン
３０：静止ガス
３１：ガス乱流
３２：ガス層流
３３：ガス乱流
３４：ガス乱流
３５：閾値流量
４１：ガスセル
４２：ガス入力
４３：ガスセルへつながる第１の経路
４４：バイパス経路
４５：ガス出力
４６：基準ガスチャンネル
４７：測定ガスチャンネル
４８：ガスセル入口
４９：ガスセル出口
５０：入力バルブ
５１：出力バルブ
５２：第１のチャンネルバルブ
５３：第２のチャンネルバルブ
５４：フィルタ
６０：ビーム５の断面
６１：ビーム５の容積
６２：６１の第１の輪郭
６３：６１の第２の輪郭
【図１（ａ）】
2020509350.tif 000005
【図１（ｂ）】
2020509350.tif 000006
【図１（ｃ）】
2020509350.tif 000007
【図２】
2020509350.tif 000008
【図３】
2020509350.tif 000009
【図４】
2020509350.tif 000010
【図５（ａ）】
2020509350.tif 000011
【図５（ｂ）】
2020509350.tif 000012
【図６（ａ）】
2020509350.tif 000013
【図６（ｂ）】
2020509350.tif 000014
【図７】
2020509350.tif 000015
【図８】
2020509350.tif 000016
【手続補正書】
【提出日】令和1年7月30日(2019.7.30)
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス混合物の成分の濃度を測定するためのガス分析器であって、前記ガス分析器は、
前記ガス混合物を収容するための全容積を画定するガスセルと、
前記ガス混合物が前記ガスセル中へ導入されるガス入口および前記ガス混合物が前記ガスセルから排出されるガス出口と、
前記ガスセル中へ光ビームを放出する光源と、
前記ガスセル中で前記ガス混合物を通して伝搬した前記光ビームの光の一部分を検出する光検出器と、を備え、
前記ガスセルは、前記ガスセル内に前記光ビームの進行のための光学的容積を画定し、前記光学的容積は、前記ガスセルの前記全容積の少なくとも一部分を含み、前記ガス混合物によって生成される光学的ノイズを低減するために前記光学的容積内の前記ガス混合物の乱流を抑制するように構成され、
前記光学的容積は、前記ガスセルの前記全容積のすべてよりは小さく、前記ガスセル内の前記全容積の一部分であり、
前記ガスセルは、前記光学的容積の外端からオフセットしている内表面を有し、
前記ガスセルの前記内表面と、前記光学的容積に対して前記ガスセルの入口側の前記光学的容積の前記外端と、の間に位置する整流器をさらに備える、
ガス分析器。
【請求項２】
前記ガスセルの内表面は、前記光学的容積の最も近い外端から０．５ｍｍから２０ｃｍまでの間の距離で離隔されている、請求項１に記載のガス分析器。
【請求項３】
前記ガス入口および前記ガス出口のうちの少なくとも１つは、ガス流の方向に垂直な前記ガス入口の断面積の少なくとも一部分が前記ガス流の前記方向に沿って増加するか、および／または前記ガス流の前記方向に垂直な前記ガス出口の断面積の少なくとも一部分が前記ガス流の前記方向に沿って減少するようにテーパー形状を有する、請求項１または２に記載のガス分析器。
【請求項４】
前記ガス入口は、前記ガス混合物の流れの一部分を前記光学的容積の外側に導くバイパスラインと、前記ガス混合物の流れの別の部分を前記光学的容積中へ導く第２のラインとに分割される、請求項１〜３のいずれか一項に記載のガス分析器。
【請求項５】
前記ガス入口は、前記光学的容積に入る前記ガス混合物の流量を制御して層流を作り出すように動作可能な流量調節器を含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載のガス分析器。
【請求項６】
前記ガスセルは、前記光学的容積の外側にある前記ガス混合物のための乱流混合領域を含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載のガス分析器。
【請求項７】
前記ガスセルの前記全容積内の中心に位置するアイランドをさらに含み、前記光学的容積は、前記アイランドの周りに広がる前記全容積の一部分を含み、前記光学的容積の断面積は、前記ガスセルを通る前記ガス混合物の層流を生成するように構成される、請求項１〜６のいずれか一項に記載のガス分析器。
【請求項８】
ガス混合物の成分の濃度を測定するためのガス分析器であって、前記ガス分析器は、
前記ガス混合物を収容するための全容積を画定するガスセルと、
前記ガス混合物が前記ガスセル中へ導入されるガス入口および前記ガス混合物が前記ガスセルから排出されるガス出口と、
前記ガスセル中へ光ビームを放出する光源と、
前記ガスセル中で前記ガス混合物を通して伝搬した前記光ビームの光の一部分を検出する光検出器と、を備え、
前記ガスセルは、前記ガスセル内に前記光ビームの進行のための光学的容積を画定し、前記光学的容積は、前記ガスセルの前記全容積の少なくとも一部分を含み、前記ガス混合物によって生成される光学的ノイズを低減するために前記光学的容積内の前記ガス混合物の乱流を抑制するように構成され、
前記ガス混合物の入力を受け入れるためのガス入力と、
前記ガス入力から前記ガスセルの前記ガス入口への前記ガス混合物の連通のための第１の経路と、
前記ガス入力から前記ガスセルをバイパスする流路への前記ガス混合物の連通のためのバイパス経路と、
前記ガス混合物の流れを前記第１の経路または前記バイパス経路のいずれかへ向かわせるように動作可能な入力バルブと、
をさらに備え、
前記ガスセルは、前記光学的容積を画定し、前記ガス混合物が前記光学的容積中に存在しているときに、前記入力バルブは、前記バイパス経路を開き、前記ガス混合物の前記ガスセル中への流入を防止し、それによって、静止ガスである前記ガスセル内の前記ガス混合物を提供するように動作可能である、
ガス分析器。
【請求項９】
前記ガス分析器のガス入力と前記ガスセルへの前記ガス入口との間の基準ガスチャンネルであって、前記ガスセル中への導入のための基準ガスを作り出すために、測定される前記ガス混合物の前記成分のいくらかまたはすべてを前記ガス混合物から除去するようにフィルタを含んでいる、前記基準ガスチャンネルと、
前記ガス分析器の前記ガス入力と前記ガスセルへの前記ガス入口との間の、前記基準ガスチャンネルとは異なる、前記ガスセル中への前記ガス混合物の導入のための測定ガスチャンネルと、
前記基準ガスチャンネルまたは前記測定ガスチャンネルのいずれかを介して前記ガスセル中へ前記ガス混合物を向かわせるように動作可能なチャンネルバルブシステムと、
をさらに備える、請求項１〜８のいずれか一項に記載のガス分析器。
【請求項１０】
前記フィルタは、シリカゲルおよび分子篩のうちの少なくとも１つである、請求項９に記載のガス分析器。
【請求項１１】
前記ガスセル内の前記光学的容積を通る前記光ビームのマルチプルパスを作るように置かれた複数の反射器をさらに備える、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のガス分析器。
【請求項１２】
前記光源は、１つ以上の発光ダイオードを備え、各発光ダイオードは、２３０ｎｍから３２０ｎｍまでの間の範囲内の中心波長を有し、５０ｎｍ未満の帯域幅を有する、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のガス分析器。
【請求項１３】
ガス混合物の成分の濃度を測定する方法であって、
全容積を画定するガスセル中へ前記ガス混合物として基準ガスを導入するステップと、
前記ガスセル内の光ビームの進行のために光学的容積内で前記基準ガスを通して伝搬するように光源から前記ガスセル中へ前記光ビームを放出するステップであって、前記光学的容積は、前記全容積の少なくとも一部分を含み、前記光学的容積内で前記ガス混合物によって生成される光学的ノイズを低減するために前記ガス混合物の乱流を抑制するように構成される、前記放出するステップと、
前記チャンバ中で前記基準ガスを通して伝搬した前記光源からの前記光ビームの光の一部分を光検出器を用いて検出し、前記光源から放出された前記光のパワーに対する前記光検出器によって検出された前記光のパワーの第１の比を決定するステップと、
前記ガスセル中へ測定ガス混合物を導入するステップと、
前記光学的容積内で前記測定ガス混合物を通して伝搬するように前記光源から前記ガスセル中へ光ビームを放出するステップと、
前記チャンバ中で前記測定ガス混合物を通して伝搬した前記光源からの前記光ビームの光の一部分を前記光検出器を用いて検出し、前記光源から放出された前記光のパワーに対する前記光検出器によって検出された前記光のパワーの第２の比を決定するステップと、
前記第１および第２の比に基づいて前記測定ガス混合物の成分の濃度を算出するステップと
を含む、測定方法。
【請求項１４】
前記ガスセルを含んだガス分析器のガス入力中へ前記ガス混合物を入力するステップと、
前記ガス入力から前記ガスセルのガス入口への前記ガス混合物の連通のために前記ガス分析器中に第１の経路を設けるステップと、
前記ガス入力からガス出口への前記ガス混合物の連通のために前記ガス分析器中にバイパス経路を設け、それによって前記ガスセルをバイパスさせるステップと、
前記ガス混合物の流れを前記第１の経路または前記バイパス経路のいずれかへ向かわせるように入力バルブを動作させるステップと、
をさらに含み、
前記ガスセルは、前記光学的容積を画定し、前記ガス混合物が前記光学的容積中に存在しているときに、前記入力バルブおよび前記出力バルブは、前記バイパス経路を開き、前記ガス混合物を静止ガスとして前記ガスセル内に封じ込めるように動作する、
請求項１３に記載の測定方法。
【請求項１５】
ガス分析器のガス入力と前記ガスセルへのガス入口との間に基準ガスチャンネルを設けるステップであって、前記基準ガスチャンネルは、前記ガスセル中への導入のための前記基準ガスを作り出すために、測定される前記ガス混合物の前記成分を前記ガス混合物から除去するようにフィルタを含んでいる、前記設けるステップと、
前記ガス入力と前記ガスセルへの前記ガス入口との間に、前記基準ガスチャンネルとは異なる、前記ガスセル中への前記測定ガス混合物の導入のための測定ガスチャンネルを設けるステップと、
をさらに含み、
前記ガスセル中へ前記基準ガスを導入するステップは、前記ガスセル中への導入のために前記基準ガスを生成する前記基準ガスチャンネルを介して、前記ガスセル中へ前記ガス混合物を向かわせるようにチャンネルバルブシステムを動作させるステップを含み、
前記ガスセル中へ前記測定ガス混合物を導入するステップは、前記測定ガスチャンネルを介して、前記ガスセル中へ前記ガス混合物を向かわせるように前記チャンネルバルブシステムを動作させるステップを含む、
請求項１３または１４に記載の測定方法。
【請求項１６】
前記ガス混合物は、前記ガス入力中へ吐き出された吐出呼気を含み、前記方法は、前記ガス混合物が前記静止ガスとして前記ガスセル内に封じ込められる間に前記ガス入力中へ連続的に吐出することを許容するように前記入力バルブおよび前記出力バルブを動作させるステップを含む、請求項１４または１５に記載の測定方法。
【請求項１７】
濃度が決定される前記測定ガス混合物の前記成分は、アセトンを含む、請求項１３〜１６のいずれか一項に記載の測定方法。
【国際調査報告】
2020509350.tif 000017
2020509350.tif 000018