JP6551102B2 - 呼気分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、呼気中の揮発性成分を分析するための呼気分析装置に関するものである。

従来から、呼気中の揮発性成分を分析することにより、病気の診断などを行う技術（呼気分析技術）が知られている。このような呼気分析技術としては、例えばガスクロマトグラフ（ＧＣ）又はガスクロマトグラフ質量分析装置（ＧＣ／ＭＳ）を用いることにより、キャリアガスとともに呼気をカラム内に導入し、カラム内を通過する過程で分離された呼気中の揮発性成分を検出部で検出するような構成のものがある（例えば、下記特許文献１参照）。

しかしながら、単に呼気をカラム内に導入するような構成では、呼気中の揮発性成分を十分に分離できず、高い検出感度が得られない場合がある。そのため、呼気分析技術としては、例えばポリマーなどの吸着剤に呼気中の揮発性成分を吸着させ、その揮発性成分を熱脱着により分析する固相吸着法が一般的である。

実用新案登録第３１３５１４９号公報

しかしながら、固相吸着法を用いた場合には、使用する吸着剤に応じて、吸着させることができる呼気中の揮発性成分が限定されてしまう。そのため、呼気中のより多くの揮発性成分を同時に検出することが難しいという問題がある。特に、呼気中の微量な揮発性成分から病気の診断を行うことができる特定の成分を探索するような場合には、一度の分析でより多くの揮発性成分を検出できることが重要であるため、固相吸着法では十分な分析結果が得られないおそれがある。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、呼気中のより多くの揮発性成分を検出することができる呼気分析装置を提供することを目的とする。

（１）本発明に係る呼気分析装置は、カラムと、キャリアガス供給部と、試料導入部と、冷却部と、加熱部と、検出部とを備える。前記キャリアガス供給部は、前記カラム内にキャリアガスを供給する。前記試料導入部は、前記キャリアガス供給部から前記カラム内に供給されるキャリアガスに呼気を導入する。前記冷却部は、前記試料導入部からキャリアガスに導入される呼気を冷却することにより、呼気中の揮発性成分を前記カラム内にトラップする。前記加熱部は、前記カラム内にトラップされた揮発性成分を加熱することにより脱離させる。前記検出部は、前記加熱部により脱離され、前記カラム内を通過する過程で分離された揮発性成分を検出する。

このような構成によれば、試料導入部からキャリアガスに導入される呼気を冷却部で冷却することによって、呼気中のより多くの揮発性成分をカラム内にトラップすることができる。そして、カラム内にトラップされた揮発性成分を加熱部で加熱することによって、沸点の低い揮発性成分から順に脱離させ、脱離した揮発性成分をカラム内で分離させて検出部で順次検出することができる。したがって、呼気中のより多くの揮発性成分を検出することができる

前記呼気分析装置は、前記冷却部及び前記加熱部を個別に備えた構成に限らず、冷却機能と加熱機能の両方を備えた温度調節部により前記冷却部及び前記加熱部が構成されていてもよい。

このような構成によれば、冷却機能により呼気中の揮発性成分を冷却してカラム内にトラップした後、当該冷却機能の動作を停止させ、加熱機能の動作を開始することによって、そのままトラップされた揮発性成分が加熱される。これにより、試料導入部による呼気の導入後、カラム内にトラップされた呼気中の揮発性成分を円滑に加熱して脱離させることができる。

（２）前記呼気分析装置は、前記カラムを収容するカラムオーブンをさらに備えていてもよい。この場合、前記冷却部及び前記加熱部は、前記カラムオーブン内に設けられていてもよい。

このような構成によれば、カラムオーブン内に設けられた冷却部により呼気中の揮発性成分を冷却してカラム内にトラップした後、当該冷却部の動作を停止させれば、同じくカラムオーブン内に設けられた加熱部によって、そのままトラップされた揮発性成分が加熱される。これにより、試料導入部による呼気の導入後、カラム内にトラップされた呼気中の揮発性成分を円滑に加熱して脱離させることができる。

（３）前記呼気分析装置は、前記試料導入部による呼気の導入後、前記キャリアガス供給部により前記カラム内にキャリアガスを供給する状態を維持したまま、前記冷却部の動作を停止させる制御部をさらに備えていてもよい。

このような構成によれば、試料導入部による呼気の導入後、冷却部の動作を停止させたときには、沸点の低い順に脱離する揮発性成分が、継続して供給されるキャリアガスによってカラム内を通過する。これにより、脱離した揮発性成分がカラム内を円滑に通過し、カラム内で分離した揮発性成分が検出部で良好に検出される。

（４）前記制御部は、前記試料導入部による呼気の導入後、所定時間が経過してから前記冷却部の動作を停止させてもよい。

このような構成によれば、試料導入部による呼気の導入後、所定時間の間に呼気中に含まれる酸素や窒素などがカラム内を通過し、その後に冷却部の動作が停止される。これにより、呼気中に含まれる酸素や窒素などが検出結果に悪影響を与えることを防止できるため、より良好な検出結果を得ることができる。

本発明によれば、試料導入部からキャリアガスに導入される呼気を冷却部で冷却することによって、呼気中のより多くの揮発性成分をトラップし、それらの揮発性成分を脱離させて検出部で検出することができる。

本発明の一実施形態に係る呼気分析装置の構成例を示した概略図である。 呼気分析時における制御部による処理の流れを示したフローチャートである。

１．呼気分析装置の構成
図１は、本発明の一実施形態に係る呼気分析装置の構成例を示した概略図である。この呼気分析装置は、ガスクロマトグラフ部（ＧＣ部１）と質量分析部（ＭＳ部２）とを備えたガスクロマトグラフ質量分析装置（ＧＣ／ＭＳ）により構成されている。

ＧＣ部１には、例えばカラム１１、試料導入部１２、カラムオーブン１３、キャリアガス供給部１４、ヒータ１６及び冷却部１７が備えられている。カラム１１は、例えばキャピラリカラムからなり、その上流端が試料導入部１２に接続されるとともに、下流端がＭＳ部２に接続されている。

カラム１１は、ヒータ１６及び冷却部１７などとともにカラムオーブン１３内に収容されている。カラムオーブン１３は、カラム１１を加熱するためのものであり、分析時にはヒータ１６が駆動されることにより、カラム１１を加熱しながら分析が行われる。

試料導入部１２には、試料気化室（図示せず）が形成されている。分析対象となる呼気は、試料導入部１２の当該試料気化室に導入される。また、試料気化室には、キャリアガス供給部１４からキャリアガスが供給される。キャリアガスとしては、例えばＨｅガスなどの不活性ガスが用いられる。試料気化室では、キャリアガス供給部１４から供給されるキャリアガスに呼気が導入され、呼気が混合されたキャリアガスが試料気化室からカラム１１内に導入される。

図１では図示していないが、試料導入部１２には、試料気化室内のガスの一部を所定のスプリット比で外部に排出するためのスプリット流路が接続されている。キャリアガスを試料とともにカラム１１内に導入する際、その一部をスプリット流路から外部に排出することにより、スプリット導入法を用いてカラム１１内に試料を導入することができる。例えばｐｐｂオーダーの濃度の低い試料を注入する場合は、スプリット流路がバルブ（図示せず）を用いて閉じられることにより、試料の全量がカラム１１内に導入されるスプリットレス導入法を用いる場合もある。試料として呼気の分析を行う場合、呼気中の揮発性成分の濃度が低いので、試料の全量(後者)をカラム１１に導入する必要がある。本実施形態では、（冷却部１７を用いているので)試料導入部１２において例えば１０ｍｌ以上の呼気がシリンジなどを用いて試料気化室に注入され、呼気の全量がカラム１１内に導入される。

キャリアガスに導入された呼気は、カラム１１内に供給された直後に冷却部１７により冷却される。冷却部１７は、カラム１１における上流端近傍に設けられている。具体的には、冷却部１７は、カラム１１における上流端から下流端側に５０ｃｍ以内、より好ましくは３０ｃｍ以内の位置に設けられている。

冷却部１７は、カラム１１を外側から冷却する。冷却部１７には、例えば液体窒素などの冷却剤により冷却されたガスが供給され、当該ガスとカラム１１との間の熱交換によってカラム１１が冷却される。冷却部１７により冷却される部分のカラム１１の温度は、例えば−１６０〜−１９０℃であるが、これに限られるものではない。当該温度は、冷却剤の種類に応じて変化し、例えば−６０℃以下であることが好ましく、−１００℃以下であればより好ましい。

このように、冷却部１７は、カラム１１を冷却することにより、その冷却された部分のカラム１１の内部に呼気中の揮発性成分をトラップさせるクライオフォーカス部として機能する。すなわち、呼気中の揮発性成分の一部又は全部が、カラム１１の上流端近傍に採取され、それよりも下流側に流れずに保持される。一方で、呼気中の酸素や窒素などは、冷却部１７により冷却されてもトラップされず、カラム１１内を下流側に流れることとなる。

冷却部１７の動作を停止させた場合には、冷却部１７により冷却されていた部分も含めて、カラム１１がヒータ１６により加熱される。すなわち、カラム１１はヒータ１６及び冷却部１７とともにカラムオーブン１３内に設けられているため、冷却部１７が動作しているときには、ヒータ１６が動作していてもカラム１１の上流端近傍が冷却されるが、冷却部１７の動作を停止させた場合には、動作しているヒータ１６によってカラム１１の上流端近傍が加熱される。

その結果、カラム１１の上流端近傍の温度は徐々に上昇し、カラムオーブン１３内の温度に近づいていく。このとき、カラム１１の上流端近傍にトラップされている呼気中の揮発性成分が、沸点の低い揮発性成分から順に揮発する。これにより、揮発性成分がカラム１１内にトラップされている状態から脱離し、カラム１１の下流側へと流れる。すなわち、ヒータ１６は、カラム１１内にトラップされた揮発性成分を加熱することにより脱離させる加熱部を構成している。沸点の低い揮発性成分としては、硫化水素（Ｈ_２Ｓ）、ホルムアルデヒド（ＣＨ_２Ｏ）などを例示することができるが、これらに限られるものではない。

ヒータ１６の加熱によって脱離された呼気中の揮発性成分は、カラム１１を通過する過程で分離され、検出部としてのＭＳ部２に順次導かれる。ＭＳ部２は、カラム１１から順次導かれる揮発性成分に対して質量分析を行う。ＭＳ部２による質量分析の方法としては、特に限定されるものではないが、例えば四重極型質量分析計を用いた方法を採用することができる。

この場合、カラム１１から順次導かれる揮発性成分がイオン化部（図示せず）においてイオン化され、そのイオンが四重極型質量分析計に送られる。四重極型質量分析計では、特定のｍ／ｚ（質量電荷比）を有するイオンのみが４本の電極間を選択的に通過し、通過したイオンが検出器により検出される。これにより、ｍ／ｚと検出器における検出強度との関係が質量スペクトルとして測定され、質量分析が実現される。

試料導入部１２、キャリアガス供給部１４、ヒータ１６、冷却部１７及びＭＳ部２の動作は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）を含む制御部３によって制御される。当該制御部３は、ＧＣ部１又はＭＳ部２のいずれかに備えられていてもよいし、ＧＣ部１及びＭＳ部２とは別に設けられた制御装置により構成されていてもよい。

２．呼気分析時の動作
図２は、呼気分析時における制御部３による処理の流れを示したフローチャートである。

呼気中の揮発性成分を分析する際には、キャリアガス供給部１４からのキャリアガスの供給が開始されるとともに（ステップＳ１０１）、ヒータ１６によるカラム１１の加熱が開始される（ステップＳ１０２）。その後の分析中は、キャリアガスの供給及びカラム１１の加熱が継続された状態が維持される。

そして、まず、冷却部１７による冷却が開始されることにより（ステップＳ１０３）、カラム１１の上流端近傍が冷却される。カラム１１の上流端近傍が十分に冷却され、当該部分の温度が安定すると、カラム１１内に供給されるキャリアガスに試料導入部１２から呼気が導入される（ステップＳ１０４）。

その後、所定時間が経過するまでは冷却部１７が動作状態のまま維持され、所定時間が経過すれば（ステップＳ１０５でＹｅｓ）、冷却部１７による冷却が停止される（ステップＳ１０６）。すなわち、試料導入部１２による呼気の導入後、キャリアガス供給部１４によりカラム１１内にキャリアガスを供給する状態を維持したまま、所定時間が経過してから冷却部１７の動作が停止される。

上記所定時間は、特に限定されるものではないが、例えば１８０〜５００秒であることが好ましく、４５０〜５００秒であればより好ましい。当該所定時間は、例えばカラム１１の長さ又はキャリアガスの流速などに基づいて求められ、カラム１１内に揮発性成分がトラップされた後の呼気（酸素や窒素など）がカラム１１を通過するのに十分な値に設定される。

冷却部１７による冷却が停止されると（ステップＳ１０６）、ヒータ１６の加熱によってカラム１１の上流端近傍の温度が徐々に上昇し、カラム１１内にトラップされている呼気中の揮発性成分が、沸点の低い揮発性成分から順に脱離してカラム１１の下流側へと流れる。そして、カラム１１内を通過する過程で分離された揮発性成分が、ＭＳ部２で順次検出されることにより（ステップＳ１０７）、質量分析が行われる。

３．作用効果
（１）本実施形態では、図１に示すように、試料導入部１２からキャリアガスに導入される呼気を冷却部１７で冷却することによって、呼気中のより多くの揮発性成分をカラム１１内にトラップすることができる。そして、カラム１１内にトラップされた揮発性成分をヒータ１６で加熱することによって、沸点の低い揮発性成分から順に脱離させ、脱離した揮発性成分をカラム１１内で分離させてＭＳ部２で順次検出することができる。したがって、呼気中のより多くの揮発性成分を検出することができる。

（２）特に、本実施形態では、図１に示すように、冷却部１７及びヒータ１６が、カラム１１とともにカラムオーブン１３内に設けられている。したがって、カラムオーブン１３内に設けられた冷却部１７により呼気中の揮発性成分を冷却してカラム１１内にトラップした後、当該冷却部１７の動作を停止させれば、同じくカラムオーブン１３内に設けられたヒータ１６によって、そのままトラップされた揮発性成分が加熱される。これにより、試料導入部１２による呼気の導入後、カラム１１内にトラップされた呼気中の揮発性成分を円滑に加熱して脱離させることができる。

（３）また、本実施形態では、図２に示すように、試料導入部１２による呼気の導入後（ステップＳ１０４）、カラム１１内にキャリアガスを供給する状態を維持したまま、冷却部１７の動作が停止される（ステップＳ１０６）。したがって、試料導入部１２による呼気の導入後、冷却部１７の動作を停止させたときには、沸点の低い順に脱離する揮発性成分が、継続して供給されるキャリアガスによってカラム１１内を通過する。これにより、脱離した揮発性成分がカラム１１内を円滑に通過し、カラム１１内で分離した揮発性成分がＭＳ部２で良好に検出される。

（４）特に、本実施形態では、図２に示すように、試料導入部１２による呼気の導入後（ステップＳ１０４）、所定時間が経過してから（ステップＳ１０５でＹｅｓ）、冷却部１７の動作が停止される（ステップＳ１０６）。すなわち、試料導入部１２による呼気の導入後、所定時間の間に呼気中に含まれる酸素や窒素などがカラム１１内を通過し、その後に冷却部１７の動作が停止される。これにより、呼気中に含まれる酸素や窒素などが検出結果に悪影響を与えることを防止できるため、より良好な検出結果を得ることができる。

４．変形例
以上の実施形態では、カラム１１を通過する過程で分離された揮発性成分がＭＳ部２で検出されるガスクロマトグラフ質量分析装置により、呼気分析装置が構成されている場合について説明した。しかし、このような構成に限らず、例えば水素炎イオン化検出器（ＦＩＤ）などの他の検出器により、カラム１１を通過する過程で分離された揮発性成分が検出されるような構成であってもよい。この場合、呼気分析装置は、ＧＣ部１とＭＳ部２とを備えたガスクロマトグラフ質量分析装置に限らず、ＧＣ部１のみを備えたガスクロマトグラフにより構成されていてもよい。

また、以上の実施形態では、呼気中の揮発性成分を分析するための呼気分析装置の動作が、図２に例示されるような制御部３の処理によって自動で行われる構成について説明した。しかし、このような構成に限らず、図２に例示されるような処理の少なくとも一部が、作業者によって手動で行われるような構成であってもよい。

ヒータ１６及び冷却部１７は、それぞれ個別に設けられた構成に限らず、例えば冷却機能と加熱機能の両方を備えた温度調節部により、加熱部及び冷却部が構成されていてもよい。この場合、冷却機能により呼気中の揮発性成分を冷却してカラム１１内にトラップした後、当該冷却機能の動作を停止させ、加熱機能の動作を開始することによって、そのままトラップされた揮発性成分が加熱される。これにより、試料導入部１２による呼気の導入後、カラム１１内にトラップされた呼気中の揮発性成分を円滑に加熱して脱離させることができる。

１ ＧＣ部
２ ＭＳ部
３ 制御部
１１ カラム
１２ 試料導入部
１３ カラムオーブン
１４ キャリアガス供給部
１６ ヒータ
１７ 冷却部

Claims (3)

1. カラムと、
   前記カラム内にキャリアガスを供給するキャリアガス供給部と、
   前記キャリアガス供給部から前記カラム内に供給されるキャリアガスに呼気を導入する試料導入部と、
   前記試料導入部からキャリアガスに導入される呼気を冷却することにより、呼気中の揮発性成分を前記カラム内にトラップする冷却部と、
   前記カラム内にトラップされた揮発性成分を加熱することにより脱離させる加熱部と、
   前記加熱部により脱離され、前記カラム内を通過する過程で分離された揮発性成分を検出する検出部と、
   前記試料導入部による呼気の導入後、前記キャリアガス供給部により前記カラム内にキャリアガスを供給する状態を維持したまま、前記冷却部の動作を停止させる制御部とを備え、
   前記制御部は、前記試料導入部による呼気の導入後、呼気中に含まれる酸素及び窒素が前記カラム内を通過する所定時間が経過してから前記冷却部の動作を停止させることを特徴とする呼気分析装置。
2. 前記所定時間は、１８０〜５００秒であることを特徴とする請求項１に記載の呼気分析装置。
3. 前記カラムを収容するカラムオーブンをさらに備え、
   前記冷却部及び前記加熱部は、前記カラムオーブン内に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の呼気分析装置。

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