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WO2012056730A1 - 分析装置 - Google Patents

分析装置 Download PDF

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WO2012056730A1
WO2012056730A1 PCT/JP2011/006104 JP2011006104W WO2012056730A1 WO 2012056730 A1 WO2012056730 A1 WO 2012056730A1 JP 2011006104 W JP2011006104 W JP 2011006104W WO 2012056730 A1 WO2012056730 A1 WO 2012056730A1
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WO
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laser
substance
marker
point
unit
Prior art date
Application number
PCT/JP2011/006104
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
佐藤　友美
今井　彰
Original Assignee
アトナープ株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by アトナープ株式会社 filed Critical アトナープ株式会社
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Priority to US13/881,915 priority patent/US9536720B2/en
Priority to EP11835874.6A priority patent/EP2634570A4/en
Priority to SG2013032735A priority patent/SG190048A1/en
Priority to JP2012540700A priority patent/JP5836967B2/ja
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    • G01N33/483—Physical analysis of biological material
    • G01N33/497—Physical analysis of biological material of gaseous biological material, e.g. breath

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus for detecting a chemical substance.
  • FIMS field asymmetric ion mobility spectrometer
  • One of the aspects of the present invention is a sample including an irradiation unit that irradiates a laser at a first point, a convergence unit that focuses an object to be analyzed at the first point, and a material that is irradiated with a laser at the first point.
  • an analysis device having a unit for analyzing gas with an ion mobility sensor.
  • This analyzer can destroy an analysis object by laser irradiation. Therefore, even an individual that is too large to be detected or analyzed by an ion mobility sensor such as a microorganism can be decomposed and analyzed by laser irradiation into molecules that can be detected by the ion mobility sensor.
  • the convergence unit may include a unit that captures the analysis target object in a liquid carrier substance and a discharge unit that discharges the carrier substance including the analysis target object to the first point.
  • the timing of discharging the carrier substance and the timing of laser irradiation can be matched, and the destruction efficiency of the analysis target by laser irradiation can be improved.
  • the discharge unit may include an ink jet head that discharges a carrier material containing the analysis target.
  • the carrier material includes a marker source material that releases a chemical substance for the marker by laser irradiation. It can be determined that the chemical substance detected together with the marker chemical substance by the ion mobility sensor is a chemical substance derived from the analyte.
  • the marker source substance includes a marker chemical substance and a nanocapsule that encloses the marker chemical substance and that releases the marker chemical substance by laser irradiation.
  • Nanocapsules that respond to the energy level of laser irradiation can be prepared, and it is easy to determine whether or not laser irradiation is performed and the derivative of the analyte formed in conjunction therewith.
  • Another aspect of the present invention is an analytical method having the following steps. Converging the analyte to the first point where the laser is irradiated. -Analyze the sample gas containing the material irradiated by the laser at the first point with an ion mobility sensor.
  • One of the different aspects of the present invention is an analysis method having the following steps. • Capturing the analyte in a liquid carrier material. -Discharge the carrier material containing the analyte to the first point and irradiate the laser.
  • the carrier material includes a marker source material that releases a marker chemical by laser irradiation.
  • ⁇ Determine that the chemical substance detected together with the marker chemical substance by the ion mobility sensor is derived from the analyte.
  • FIGS. 2A and 2B are examples of output of the analyzer, in which FIG. 2A shows an example in which a sample containing virus A is analyzed, and FIG. 2B shows an example in which a sample containing virus B is analyzed.
  • the block diagram which shows schematic structure of a different analyzer. The figure which shows a mode that a laser is irradiated to the discharged droplet.
  • FIG. 5A shows an example of the output of the analyzer
  • FIG. 5A shows a background
  • FIG. 5B shows an example in which a marker substance is detected
  • FIG. 5C shows an example in which a derivative substance is detected together with the marker substance.
  • FIG. 1 shows an example of an analyzer.
  • the analyzer 10 includes a sampling unit (sampling tube) 11 that collects indoor air (sample gas) 21 and a cone-shaped guide that guides the sample gas 21 so as to converge to a first point TP irradiated with a laser.
  • a vane (convergence unit) 12, a laser gun (irradiation unit) 33 that irradiates the first point TP with the laser beam 31, and a laser driving device 35 that drives the laser gun 33 and outputs the laser beam 31 are included.
  • the analysis apparatus 10 further includes a supply path 13 that supplies the sample gas 21 after laser irradiation to the ion mobility sensor 18 through the microfilter 14 and the ionization unit 16, and an exhaust pump 19 that sucks the sample gas 21.
  • An ion mobility sensor (ion mobility spectrometer, ion mobility spectrometer) 18 outputs a chemical substance (molecule) ionized by the ionization unit 16 as a spectrum (ion current, ion intensity) based on the difference in mobility.
  • the analyzer 10 includes an ion mobility sensor 18 called an asymmetric field ion mobility spectrometer (FAIMS, Field Asymmetric waveform Ion Mobility Spectrometry) or a differential electric mobility spectrometer (DMS, Differential Ion Mobility Spectrometry). I have.
  • FIMS Field Asymmetric waveform Ion Mobility Spectrometry
  • DMS differential electric mobility spectrometer
  • This type of spectrometer (sensor, hereinafter FAIMS) 18 forms an asymmetric electric field that changes from a high voltage to a low voltage in the electric field channel 18a, and inputs an ionized molecular flow into the asymmetric electric field. Then, the ion current passing through the non-target electric field is measured by the electrode 18b.
  • Examples of the compact FAIMS on the market include microDMx manufactured by SIONEX and FAIMS devices manufactured by OWLSTONE.
  • An example of the ionization unit 16 is an indirect ionization unit using a nickel isotope (Ni63).
  • An ionization unit using corona discharge may be used, or a direct ionization unit using UV may be used.
  • the analysis device 10 further includes a control device, typically a personal computer (PC) 40. Control of the analyzer 10 and analysis of data obtained by the FAIMS sensor 18 are performed by the PC 40.
  • the PC 40 includes general hardware resources constituting the computer, such as a CPU 41, a memory 42, a storage 43 such as a hard disk, and a bus 44 for connecting them. Further, the PC 40 includes an analysis unit 45 that controls the analysis apparatus 10 and analyzes data.
  • the analysis unit 45 may be provided as a semiconductor device such as ASIC or LSI, or may be provided as a program (program product) executed by the CPU 41.
  • the analysis unit 45 includes a controller 46 that controls the laser driving device 35, the FAIMS sensor 16, and the like, and an analyzer 47 that analyzes data of the FAIMS sensor 18.
  • the analysis unit 45 may include a function of acquiring environmental conditions such as temperature, humidity, and atmospheric pressure of the FAIMS sensor 18 via an appropriate sensor and correcting data obtained from the FAIMS sensor 18.
  • the sample gas 21 flowing through the sampling tube 11 is concentrated (converged) in a limited place (area) by the guide vane 12, and the converged point TP is irradiated with laser. Therefore, viruses and / or bacteria contained in the sample gas 21, and cells such as cells and other proteins contained in the sample gas 21 can be destroyed (decomposed) by the laser 31.
  • the laser gun 33 only needs to be able to selectively cut a part having a low specific binding strength such as a cell or a protein, and an appropriate energy such as an ultraviolet laser or an X-ray laser is given to the sample gas 21 by the laser. If it is.
  • the destroyed material is ionized by the ionization unit 16 through the microfilter 14 together with the sample gas 21 and detected by the FAIMS sensor 18.
  • FIG. 2 shows some examples of spectra obtained by the FAIMS sensor 18.
  • 2A is a spectrum obtained when the sample gas 21 containing virus A is irradiated with the laser 31
  • FIG. 2B is a diagram when the sample gas 21 containing virus B is irradiated with the laser 31.
  • FIG. It is the spectrum obtained. The spectrum is shown by the ion current (ion intensity) Ic when the compensation voltage Vc of the FAIMS sensor 18 is changed.
  • Viruses, bacteria, macromolecular proteins, etc. are difficult to ionize sufficiently with respect to mass (molecular weight) and are not easily detected by the FAIMS sensor 18. However, by irradiating them with a laser, they can be decomposed into objects having molecular weights that can be ionized, and these can be detected by the FAIMS sensor 18.
  • the analyzer 47 of the analysis unit 75 analyzes the data obtained from the FAIMS sensor 18, compares the chemical substances registered in the virus library stored in the storage 43 or the like, and compares the chemical substances derived from the virus decomposition ( Search or estimate the virus before it is destroyed based on the derivative).
  • Microorganisms such as viruses and bacteria, and polymers such as proteins (hereinafter referred to as microorganisms) have a certain molecular structure and DNA structure. Therefore, when destroyed by laser irradiation under a certain condition, a microorganism or the like breaks a weakly chemically bonded portion, and a very characteristic chemical substance (derived substance) is generated. Therefore, the spectrum obtained by analyzing the sample gas 21 in which the microorganisms or the like are destroyed by the FAIMS sensor 18 is often unique, and the microorganism can be estimated by verifying the chemical substance included in the spectrum.
  • the analyzer 50 includes a sampling unit 51 that sucks the primary sample gas 21 from the room and the like, and a convergence unit that converges the analysis target contained in the primary sample gas 21, that is, a microorganism or the like, to the first point TP irradiated with the laser. 52.
  • the sampling unit 51 includes a suction nozzle 51a and a sampling pump 51b.
  • the converging unit 52 passes the primary sample gas 21 collected by the sampling pump 51b through the carrier material 29 in a liquid state and captures the microorganisms 22 contained in the primary sample gas 21 by the carrier material 29, and the microorganisms etc.
  • a discharge unit 54 that discharges the carrier material 29 including the liquid to the first point TP, and a pump 59 that conveys the carrier material 29 to the discharge unit 54.
  • the carrier material 29 in the liquid state is typically water, and the trapping unit 53 causes the primary sample gas 21 to be bubbled in the water so that the microorganisms 22 and the like 22 contained in the primary sample gas 21 are put into the water 21.
  • the capture unit 53 includes a container 53b that mixes the microorganisms 22 and the water 29, and a line 53a that supplies the water 29 to the container 53b. Although a certain amount of time may be generated by supplying water 29 from the supply line 53a to the extent that the inside of the container 53b is periodically replaced while securing a certain amount of residence time in the container 53b, The state of the microorganisms 22 can be reflected in the water 29 as the carrier substance in a state close to real time.
  • the carrier material 29 further includes a marker source material 60.
  • the marker source material 60 includes a chemical substance for a marker and a nanocapsule enclosing it.
  • the nanocapsule is heated by laser irradiation, dissolves when the temperature reaches a predetermined temperature, and releases the encapsulated chemical substance for the marker.
  • the nanocapsule is desirably about the same size as the microorganism 22 to be analyzed, for example, a microcapsule having a diameter of 0.1 to several ⁇ m, preferably about 1 to 1000 nm, more preferably 1 to 100 nm. , Sub-microcapsules or smaller capsules, and there are several methods for their production.
  • representative examples of using the interfacial polymerization method include polyurethane capsules using polyvalent isocyanate and melamine-formaldehyde resin capsules.
  • a capsule made of polyurethane both the polyisocyanate and the polyhydroxy compound are dissolved in the oil phase at the same time, and this is emulsified and dispersed in an aqueous protective colloid solution.
  • a water-soluble melamine-formaldehyde prepolymer is used for capsules made of melamine-formaldehyde resin.
  • aqueous solution When this prepolymer aqueous solution is added to an O / W emulsion obtained by emulsifying and dispersing an oil in which a dye precursor is dissolved in a protective colloid aqueous solution and heated and stirred in a weakly acidic region (pH 3 to 6), a polymer is formed at the O / W interface. Nanocapsules are obtained by deposition.
  • the protective colloid include those having a function as an acid catalyst for promoting the polycondensation reaction of melamine-formaldehyde resin (for example, styrene sulfonic acid polymer, styrene / maleic anhydride copolymer, ethylene / maleic anhydride copolymer). Polymer, gum arabic, polyacrylic acid, etc.) can be used.
  • the marker substance can be included in the nanocapsule and is preferably vaporized when the nanocapsule is dissolved. Further, it is desirable that the marker substance has a peak that does not overlap when a derivative substance obtained by decomposing the microorganism 22 or the like with a laser is measured by the FAIMS sensor 18.
  • An example of the marker substance is a highly volatile hydrocarbon compound or aromatic compound.
  • the ejection device 54 includes an inkjet head 55 that ejects the carrier material (water) 29 including the marker source material 60 and the microorganisms 22 toward the first point TP, and a head driving device 56 that drives the inkjet head 55. .
  • the analysis apparatus 50 further includes a sealed chamber 57 including a first point TP where the inkjet head 55 ejects a droplet, and a laser gun (laser) that irradiates the laser 31 toward the first point TP in the chamber 57. Irradiation unit) 33.
  • the laser gun 33 is controlled to irradiate the laser 31 in synchronization with the inkjet head 55 by the head driving device 56.
  • the analyzer 50 further includes a pump (fan, blower) 58a for supplying the carrier gas 24 to the chamber 57, and a microfilter 58b for filtering the carrier gas 24 supplied to the chamber 57.
  • a pump fan, blower
  • a microfilter 58b for filtering the carrier gas 24 supplied to the chamber 57.
  • the droplet 29 a of the carrier material 29 including the microorganisms 22 and the marker source material 60 is evaporated and destroyed by the irradiation of the laser 31.
  • the carrier gas (secondary sample gas) 25 containing the destroyed substance is ionized by the ionization unit 16 through the microfilter 14 and analyzed by the FAIMS sensor 18 in the same manner as the analyzer described above.
  • FIG. 4 schematically shows a state in which the droplet 31 a of the carrier material 29 is irradiated by the laser 31 inside the chamber 57.
  • the laser 31 is irradiated from the laser gun 33 so as to strike the droplet 29a at the first point TP in synchronization with the ejection timing.
  • the carrier material 29 constituting the droplet 29a in picoliter or femtoliter units evaporates, and the laser is applied to the marker source material 60 contained in the droplet 29a and the microorganism 22 or the like. 31 hits and dissolves or decomposes them.
  • the nanocapsule 61 of the marker source material 60 is made of a material that is rapidly dissolved or destroyed by the energy of the irradiated laser 31. Therefore, when the laser 31 hits, the nanocapsule 61 is dissolved, and the marker substance 62 contained in the nanocapsule 61 is released. At the same time, the microorganisms 22 are also destroyed or decomposed by the laser 31 to form a chemical substance (derived substance) 26 derived from the microorganisms 22. These are discharged from the chamber 57 together with the carrier gas (typically air) 24 as the secondary sample gas 25.
  • the carrier gas typically air
  • the laser gun 33 may irradiate the laser in picosecond or femtosecond units. By irradiating the femtosecond pulse laser, the molecules can be destroyed and scattered more accurately so that the derived substance is generated without evaporating or sublimating the microorganism 22 or the like.
  • an auxiliary agent that absorbs the laser beam in the carrier material 29 and evaporates, for example, a metal powder, and microorganisms 22 are evaporated by the laser beam. You may suppress doing.
  • FIG. 5 shows some examples of the output (spectrum) of the FAIMS sensor 18 obtained in the analysis unit 45 of the PC 40.
  • the spectrum of FIG. 5A is an example of the background, and a peak (RIP) P1 indicating moisture in the air can be seen.
  • the spectrum of FIG. 5B is an example of the secondary sample gas 25 obtained when the carrier material droplet 29a is irradiated with the laser 31.
  • a peak P2 appears as a result of the laser 31 being irradiated to the marker source material 60 contained in the droplet 29a and the marker material 62 being released.
  • the spectrum of FIG. 5C is another example of the secondary sample gas 25 obtained when the carrier 31 is irradiated with the laser 31 on the droplet 29a.
  • the analysis unit 45 shown in FIG. 3 determines that the chemical substance peaks P3 and P4 detected together with the marker chemical substance peak P2 by the FAIMS sensor 18 are derived from the analysis target microorganisms 22 and the like. Functions (functional units) 48 to be performed. Therefore, when the analyzer 47 of the analysis unit 45 determines that the function to be determined is a peak of a chemical substance formed from the microorganism 22 or the like, the analyzer 47 estimates the chemical substance based on the peaks P3 and P4, and those chemical substances It is presumed that the micro-organisms etc. 22 containing were contained in the primary sample gas 21.
  • the analyzer 47 uses a chemical substance library stored in the storage 43 or another database or library accessible via a computer network such as the Internet, and various fitting methods, a simulated annealing method, a mean field annealing method, A chemical substance is analyzed by using a method such as a genetic algorithm or a neural network, and a microorganism 22 or the like 22 from which the chemical substance is derived is estimated.
  • symbol is attached
  • FIG. 6 is a flowchart showing an outline of processing for analyzing the sample gas in the analyzer 50.
  • the primary sample gas 21 including the microorganism 22 or the like that is the analysis target is collected and captured by the carrier unit (water) 29 in the liquid state by the capturing unit 53.
  • the discharge unit 54 including the inkjet head 55 discharges the carrier substance including the microorganisms 22 toward the first point TP, and in step 83, the laser gun 33 is synchronized with the timing.
  • the laser 31 is irradiated toward the first point TP.
  • step 84 the secondary sample gas 25 containing the substance irradiated with the laser is analyzed by the FAIMS sensor 18. If the marker substance 62 is detected in step 85, the determination function 48 determines that the peaks P3 and P4 of the chemical substance detected together with the marker chemical substance 62 are chemical substances derived from the microorganism 22 or the like. At 86, the analyzer 47 estimates the microorganisms 22 contained in the primary sample gas 21 from the chemical substance. Then, the PC 40 outputs the microorganisms 22 estimated in step 87 using the display function of the PC 40, or outputs them to an external machine or the like via a computer network such as the Internet.
  • a computer network such as the Internet.
  • produces odors is not carrier water 29 itself. It may be.
  • the carrier substance 29 may be converted into a marker substance by evaporating by laser irradiation. The sampling of the sample gas containing microorganisms or the like does not have to be in real time, and may be sampled at a place away from the analyzer in time or space using an appropriate sampler.
  • the application target of the FAIMS sensor has been often avoided as a measurement target because it is difficult to identify microorganisms and the like. According to the present invention, it is immeasurable that food contamination, nosocomial infection and prevention of nosocomial contamination, and identification of viruses and bacteria in other medical fields can be performed in real time or in close time.
  • the presence of microorganisms or the like can be detected in real time or in an extremely short time near it by using an ion mobility sensor such as a FAIMS sensor, and the type of microorganisms can be estimated. Furthermore, this analyzer can be easily detected by an ion mobility sensor by destroying (decomposing) macromolecules such as proteins in addition to viruses and bacteria contained in the sample gas. Accordingly, a plurality of viruses, bacteria, proteins, and the like can be characterized based on information obtained from an ion mobility sensor such as ion mobility, as with other chemical substances. In addition, by constructing a database including characterized information, it is possible to estimate a plurality of viruses, bacteria, proteins, etc. by software and specify them.

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Abstract

　第１のポイントにレーザーを照射する照射ユニットと、第１のポイントに分析対象物を収束させる収束ユニットと、第１のポイントにおいてレーザー照射された物質を含むサンプルガスをイオン移動度センサーにより分析するユニットとを有する分析装置を提供する。収束ユニットの一例は、分析対象物を液状態のキャリア物質に捕捉させるユニットと、分析対象物を含むキャリア物質を第１のポイントに吐出する吐出ユニットとを含むものである。

Description

分析装置
　本発明は、化学物質を検出する装置に関するものである。
　高感度に化学物質を検出、分析する技術として、近年フィールド非対称性イオン移動度分光計（ＦＡＩＭＳ）と呼ばれる装置が注目を集めている。この装置では、センサーに印加する直流電圧と交流電圧を変化させることにより、イオン化された化学物質の移動度の変化を、微細なフィルタによって検出し、その検出結果の差異により化学物質を特定することが可能である。
　国際公開ＷＯ２００６／０１３３９６号（日本特表２００８－５０８６９３号）公報には、複数の電極を有する少なくとも１つのイオンチャネルの形状のイオンフィルタを有するイオン移動度分光計について記載されている。このイオン移動度分光計では、導電層に印加される時間変化する電位により、充填剤がイオン種を選択的に入れることができる。電位は、駆動電界成分および横電界成分を有し、好ましい実施形態において、電極のそれぞれは、駆動電界および横電界の両方の成分を生成するのに関与する。デバイスは、ドリフトガスフローがなくても用いることができる。さらに、この文献には、分光計の種々の用途であるようなマイクロスケール分光計を製作するための微細加工技術について記載されている。
　ウィルスや細菌を簡単に検出できることは重要である。イオン移動度センサーを用いた分析装置において、ウィルスや細菌を含めた微生物を測定することはほとんど行われていない。
　本発明の態様の１つは、第１のポイントにレーザーを照射する照射ユニットと、第１のポイントに分析対象物を収束させる収束ユニットと、第１のポイントにおいてレーザー照射された物質を含むサンプルガスをイオン移動度センサーにより分析するユニットとを有する分析装置である。この分析装置は、レーザー照射により分析対象物を破壊できる。したがって、微生物などのイオン移動度センサーで検出あるいは分析するには大きすぎる個体であっても、レーザー照射により、イオン移動度センサーで検出できる分子に分解し、分析できる。
　収束ユニットは、分析対象物を液状態のキャリア物質に捕捉させるユニットと、分析対象物を含むキャリア物質を第１のポイントに吐出する吐出ユニットとを含むものであってもよい。キャリア物質を吐出するタイミングと、レーザー照射のタイミングとを合わせることができ、レーザー照射による分析対象物の破壊効率を向上できる。吐出ユニットは、分析対象物を含むキャリア物質を吐出するインクジェットヘッドを含んでいてもよい。
　キャリア物質は、レーザー照射によりマーカー用の化学物質を放出するマーカー源物質を含むことが望ましい。イオン移動度センサーによりマーカー用の化学物質とともに検出された化学物質を分析対象物から派生した化学物質であると判断することができる。
　マーカー源物質の一例は、マーカー用の化学物質と、マーカー用の化学物質を内包するナノカプセルであって、レーザー照射によりマーカー用の化学物質を放出するナノカプセルとを含むものである。レーザー照射のエネルギーレベルに反応するナノカプセルを用意することができ、レーザー照射の有無と、それに連動して形成される分析対象物の派生物質との判断が容易になる。
　本発明の他の態様の１つは、以下のステップを有する分析方法である。
・レーザーが照射される第１のポイントに分析対象物を収束させること。
・第１のポイントにおいてレーザー照射された物質を含むサンプルガスをイオン移動度センサーにより分析すること。
　本発明の異なる他の態様の１つは、以下のステップを有する分析方法である。
・分析対象物を液状態のキャリア物質に捕捉させること。
・分析対象物を含むキャリア物質を第１のポイントに吐出し、レーザーを照射すること。キャリア物質は、レーザー照射によりマーカー用の化学物質を放出するマーカー源物質を含む。
・第１のポイントにおいてレーザー照射された物質を含むサンプルガスをイオン移動度センサーにより分析すること。
・イオン移動度センサーによりマーカー用の化学物質とともに検出された化学物質を分析対象物から派生した化学物質であると判断すること。
分析装置の概略構成を示すブロック図。 分析装置の出力例であり、図２（ａ）はウィルスＡを含むサンプルを分析した例、図２（ｂ）はウィルスＢを含むサンプルを分析した例。 異なる分析装置の概略構成を示すブロック図。 吐出された液滴にレーザーが照射される様子を模式的に示す図。 分析装置の出力例であり、図５（ａ）はバックグランド、図５（ｂ）はマーカー物質が検出された例、図５（ｃ）はマーカー物質とともに派生物質が検出された例。 分析装置の処理の概要を示すフローチャートである。
発明の実施の形態
　図１に、分析装置の一例を示している。この分析装置１０は、室内の空気（サンプルガス）２１を採取するサンプリングユニット（サンプリング管）１１と、サンプルガス２１をレーザーが照射される第１のポイントＴＰへ収束するように導くコーン状のガイドベーン（収束ユニット）１２と、第１のポイントＴＰへレーザー光３１を照射するレーザーガン（照射ユニット）３３と、レーザーガン３３を駆動してレーザー光３１を出力するレーザー駆動装置３５とを含む。分析装置１０は、さらに、レーザー照射後のサンプルガス２１を、マイクロフィルタ１４およびイオン化ユニット１６を通してイオン移動度センサー１８へ供給する供給路１３と、サンプルガス２１を吸引する排気ポンプ１９とを含む。
　イオン移動度センサー（イオン移動度分光計、Ion Mobility Spectrometry）１８は、イオン化ユニット１６によりイオン化された化学物質（分子）を移動度の差に基づき、スペクトル（イオン電流、イオン強度）として出力する。この分析装置１０は、非対称電界イオン移動度スペクトロメータ（ＦＡＩＭＳ、Field Asymmetric waveform Ion Mobility Spectrometry）または微分型電気移動度スペクトロメータ（ＤＭＳ、Differential Ion Mobility Spectrometry）と呼ばれているイオン移動度センサー１８を備えている。この種のスペクトロメータ（センサー、以降においてはＦＡＩＭＳ）１８は、電界チャンネル１８ａに高圧－低圧に変化する非対称電界を形成し、その非対称電界にイオン化した分子流を入力する。そして、非対象電界を通過するイオン電流を電極１８ｂにより測定する。市販されているコンパクトなＦＡＩＭＳとしては、ＳＩＯＮＥＸ（ザイオネクス）社のｍｉｃｒｏＤＭｘ、ＯＷＬＳＴＯＮＥ（オウルストーン）社のＦＡＩＭＳデバイスを挙げることができる。
　イオン化ユニット１６の一例は、ニッケルの同位体（Ｎｉ６３）を用いた間接イオン化ユニットである。コロナ放電を用いたイオン化ユニットであってもよく、ＵＶを用いた直接イオン化ユニットであってもよい。
　分析装置１０は、さらに、制御装置、典型的にはパーソナルコンピュータ（ＰＣ）４０を含む。分析装置１０の制御およびＦＡＩＭＳセンサー１８により得られるデータの解析はＰＣ４０で行われる。ＰＣ４０は、ＣＰＵ４１、メモリ４２、ハードディスクなどのストレージ４３およびこれらを接続するバス４４などの、コンピュータを構成する一般的なハードウェア資源を含む。さらに、ＰＣ４０は、分析装置１０を制御して、データを解析する解析ユニット４５を含む。解析ユニット４５は、ＡＳＩＣあるいはＬＳＩなどの半導体デバイスとして提供されてもよく、ＣＰＵ４１で実行されるプログラム（プログラム製品）として提供されてもよい。解析ユニット４５は、レーザー駆動装置３５、ＦＡＩＭＳセンサー１６などを制御するコントローラ４６と、ＦＡＩＭＳセンサー１８のデータを解析するアナライザー４７とを含む。解析ユニット４５は、ＦＡＩＭＳセンサー１８の温度、湿度、気圧などの環境条件を適当なセンサーを介して取得し、ＦＡＩＭＳセンサー１８から得られたデータを補正する機能を含んでいてもよい。
　この分析装置１０においては、サンプリング管１１を流れるサンプルガス２１を、ガイドベーン１２により限られた場所（面積）に集中（収束）させ、その収束されたポイントＴＰにレーザーを照射する。したがって、サンプルガス２１に含まれるウィルスおよび／または細菌など、さらには、サンプルガス２１に含まれる細胞、その他のたんぱく質などの高分子をレーザー３１により破壊（分解）できる。レーザーガン３３は、細胞やたんぱく質などの特定の結合強度の弱い部分を選択的に切断できるものであればよく、紫外線レーザー、Ｘ線レーザーなどの適当なエネルギーがレーザーによりサンプルガス２１に与えられるものであればよい。破壊された物質はサンプルガス２１とともにマイクロフィルタ１４を通ってイオン化ユニット１６でイオン化され、ＦＡＩＭＳセンサー１８で検出される。
　図２に、ＦＡＩＭＳセンサー１８により得られるスペクトルのいくつかの例を示している。図２（ａ）は、ウィルスＡを含むサンプルガス２１にレーザー３１を照射したときに得られるスペクトルであり、図２（ｂ）は、ウィルスＢを含むサンプルガス２１にレーザー３１を照射したときに得られるスペクトルである。スペクトルは、ＦＡＩＭＳセンサー１８の補償電圧Ｖｃを変化させたときのイオン電流（イオン強度）Ｉｃにより示している。
　ウィルス、細菌、高分子のタンパク質などは質量（分子量）に対して十分なイオン化が難しく、ＦＡＩＭＳセンサー１８で検出することは容易ではない。しかしながら、それらをレーザー照射することにより、イオン化できる程度の分子量の物体に分解することが可能であり、それらをＦＡＩＭＳセンサー１８で検出できる。解析ユニット７５のアナライザー４７は、ＦＡＩＭＳセンサー１８から得られたデータを解析し、ストレージ４３などに格納されているウィルスライブラリに登録されている化学物質を比較し、ウィルスの分解により派生した化学物質（派生物質）に基づき、破壊される前のウィルスを探索または推定する。
　ウィルス、細菌などの微生物およびタンパク質などの高分子（以降では微生物等）は、ある規則性のある分子構造やＤＮＡ構造を持つ。したがって、一定条件でレーザー照射をして破壊した場合、微生物等は化学結合の弱い部分が破壊されて、極めて特徴のある化学物質（派生物質）が生成される。したがって、微生物等が破壊されたサンプルガス２１をＦＡＩＭＳセンサー１８により解析したスペクトルはユニークになることが多く、スペクトルに含まれる化学物質を検証することにより微生物を推定することができる。
　図３に、分析装置の異なる例を示している。この分析装置５０は、室内などから一次サンプルガス２１を吸引するサンプリングユニット５１と、一次サンプルガス２１に含まれる分析対象物、すなわち微生物等をレーザー照射される第１のポイントＴＰへ収束させる収束ユニット５２とを含む。サンプリングユニット５１は、吸引ノズル５１ａと、サンプリングポンプ５１ｂとを含む。
　収束ユニット５２は、サンプリングポンプ５１ｂにより採取された一次サンプルガス２１を液状態のキャリア物質２９に通して一次サンプルガス２１に含まれる微生物等２２をキャリア物質２９に捕捉させる捕捉ユニット５３と、微生物等を含むキャリア物質２９を第１のポイントＴＰに吐出する吐出ユニット５４と、キャリア物質２９を吐出ユニット５４へ搬送するポンプ５９とを含む。
　液状態のキャリア物質２９は典型的には水であり、捕捉ユニット５３においては、水中に一次サンプルガス２１をバブリングさせることにより一次サンプルガス２１に含まれている微生物等２２を水２１の中に濃縮させる。捕捉ユニット５３は、微生物等２２と水２９とを混合する容器５３ｂと、容器５３ｂに水２９を供給するライン５３ａとを含む。容器５３ｂにある程度の滞留時間を確保しながら、容器５３ｂの内部を定期的に入れ替える程度の水２９を供給ライン５３ａから供給することにより、多少の時間差は発生する可能性があるが、室内などの微生物等２２の状況をキャリア物質である水２９に、リアルタイムに近い状態で反映させることができる。
　キャリア物質２９は、さらに、マーカー源物質６０を含む。マーカー源物質６０は、マーカー用の化学物質とそれを内包するナノカプセルとを含む。ナノカプセルは、レーザー照射により加熱され、所定の温度に達すると溶解し、内包していたマーカー用の化学物質を放出する。ナノカプセルは、分析対象である微生物等２２と同程度の大きさであることが望ましく、たとえば、直径が０．１～数μｍ、望ましくは１～１０００ｎｍ程度、さらに好ましくは１～１００ｎｍのマイクロカプセル、サブマイクロカプセルまたはそれ以下のサイズのカプセルであり、その製造方法はいくつかある。たとえば、界面重合法を用いた代表的なものとして、多価イソシアネートを用いたポリウレタンカプセルと、メラミン－ホルムアルデヒド樹脂カプセルとがある。ポリウレタンからなるカプセルの場合、多価イソシアネートとポリヒドロキシ化合物の両者を同時に油相中に溶解しておき、これを保護コロイド水溶液中に乳化分散し、さらに昇温して反応を起こさせてカプセル壁を形成させる。メラミン－ホルムアルデヒド樹脂からなるカプセルの場合、水に可溶性のメラミン－ホルムアルデヒドプレポリマーを用いる。染料前駆体を溶解したオイルを保護コロイド水溶液中に乳化分散したＯ／Ｗエマルジョンに、このプレポリマー水溶液を加えて弱酸性領域（ｐＨ３～６）で加熱攪拌すると、Ｏ／Ｗ界面に高分子が沈着してナノカプセルが得られる。保護コロイドとしては、メラミン－ホルムアルデヒド樹脂の重縮合反応を促進する酸触媒としての機能を有するもの（例えば、スチレンスルホン酸系ポリマー、スチレンと無水マレイン酸の共重合体、エチレンと無水マレイン酸の共重合体、アラビアゴム、ポリアクリル酸等）を用いることができる。
　マーカー物質は、ナノカプセルに包含でき、ナノカプセルが溶解すると気化するものが好ましい。さらに、マーカー物質は、微生物等２２をレーザーで分解した派生物質がＦＡＩＭＳセンサー１８により測定されたときに、ピークが重複しないものであることが望ましい。マーカー物質の一例は、揮発性の高い炭化水素化合物または芳香族化合物などである。
　吐出装置５４は、マーカー源物質６０および微生物等２２を含むキャリア物質（水）２９を第１のポイントＴＰに向けて吐出するインクジェットヘッド５５と、インクジェットヘッド５５を駆動するヘッド駆動装置５６とを含む。
　分析装置５０は、さらに、インクジェットヘッド５５が液滴を打ち出す第１のポイントＴＰを含む密閉式のチャンバー５７と、チャンバー５７内の第１のポイントＴＰに向けてレーザー３１を照射するレーザーガン（レーザー照射ユニット）３３とを含む。レーザーガン３３は、ヘッド駆動装置５６によりインクジェットヘッド５５と同期してレーザー３１を照射するように制御される。
　分析装置５０は、さらに、チャンバー５７にキャリアガス２４を供給するポンプ（ファン、ブロア）５８ａと、チャンバー５７に供給されるキャリアガス２４をフィルタリングするマイクロフィルタ５８ｂとを含む。チャンバー５７の内部で微生物等２２およびマーカー源物質６０を含むキャリア物質２９の液滴２９ａがレーザー３１の照射により蒸発および破壊される。破壊された物質を含むキャリアガス（２次サンプルガス）２５は、上述した分析装置と同様に、マイクロフィルタ１４を通ってイオン化ユニット１６でイオン化され、ＦＡＩＭＳセンサー１８で分析される。
　図４に、チャンバー５７の内部でキャリア物質２９の液滴２９ａがレーザー３１により照射される様子を模式的に示している。インクジェットヘッド５５から液滴２９ａが吐出されると、吐出するタイミングと同期して、第１のポイントＴＰにおいて液滴２９ａに当たるようにレーザーガン３３からレーザー３１が照射される。液滴２９ａにレーザー３１が当たると、ピコリットルあるいはフェムトリットル単位の液滴２９ａを構成するキャリア物質２９は蒸発し、液滴２９ａに含まれているマーカー源物質６０と、微生物等２２とにレーザー３１が当たり、これらを溶解したり分解したりする。
　マーカー源物質６０のナノカプセル６１は、照射されるレーザー３１のエネルギーにより迅速に溶解または破壊される材料で構成されている。したがって、レーザー３１が当たるとナノカプセル６１は溶解し、ナノカプセル６１に包含されていたマーカー物質６２が放出される。同時に、微生物等２２もレーザー３１により破壊または分解され、微生物等２２から派生した化学物質（派生物質）２６が形成される。これらがキャリアガス（典型的には空気）２４とともにチャンバー５７から第２次サンプルガス２５として放出される。
　レーザーガン３３は、ピコ秒またはフェムト秒単位でレーザーを照射してもよい。フェムト秒パルスレーザーを照射することにより、微生物等２２を蒸発あるいは昇華させずに、派生物質が生成されるように、さらに精度よく分子を破壊されて飛散させることができる。また、ＭＡＬＤＩ法（マトリクス支援レーザー脱離イオン化法）と同様に、キャリア物質２９にレーザー光を吸収させて蒸発するような補助剤、たとえば、金属粉末を入れて、微生物等２２がレーザー光により蒸発するのを抑制してもよい。
　図５に、ＰＣ４０の解析ユニット４５において得られるＦＡＩＭＳセンサー１８の出力（スペクトル）のいくつかの例を示している。図５（ａ）のスペクトルは、バックグラウンドの一例であり、空気中の水分を示すピーク（ＲＩＰ）Ｐ１が見える。図５（ｂ）のスペクトルは、キャリア物質の液滴２９ａにレーザー３１を照射したときに得られる第２次サンプルガス２５の一例である。液滴２９ａに含まれているマーカー源物質６０にレーザー３１が照射され、マーカー物質６２が放出されたことによるピークＰ２が現れている。
　図５（ｃ）のスペクトルは、キャリア物質の液滴２９ａにレーザー３１を照射したときに得られる第２次サンプルガス２５の他の例である。液滴２９ａに含まれているマーカー源物質６０にレーザー３１が照射されたことによるマーカー物質６２のピークＰ２に加え、微生物等２２にレーザー３１が照射されたことによる派生物質（フラグメント）の化学物質のピークＰ３およびＰ４が現れている。
　図３に示した解析ユニット４５は、ＦＡＩＭＳセンサー１８によりマーカー用の化学物質のピークＰ２とともに検出された化学物質のピークＰ３およびＰ４を分析対象物の微生物等２２から派生した化学物質であると判断する機能（機能ユニット）４８を含む。したがって、解析ユニット４５のアナライザー４７は、判断する機能４８が微生物等２２から形成された化学物質のピークであると判断すると、そのピークＰ３およびＰ４に基づいて化学物質を推定し、それらの化学物質を含む微生物等２２が一次サンプルガス２１に含まれていたと推定する。
　アナライザー４７は、ストレージ４３に格納されている化学物質ライブラリや、インターネットなどのコンピュータネットワークを介してアクセス可能な他のデータベースあるいはライブラリを用い、種々のフィッティング方法、シミュレーテッドアニーリング法、平均場アニーリング法、遺伝的アルゴリズム、ニューラルネットワークなどの方法を用いて、化学物質を分析し、化学物質を派生させた微生物等２２を推定する。なお、分析装置５０の構成で分析装置１０と共通する部分については共通する符号をつけて説明を省略する。
　図６に、分析装置５０において、サンプルガスを分析する処理の概要をフローチャートに示している。ステップ８１において、分析対象物である微生物等２２を含む一次サンプルガス２１を採取し、捕捉ユニット５３で液状態のキャリア物質（水）２９に捕捉させる。次に、ステップ８２において、インクジェットヘッド５５を含む吐出ユニット５４により、微生物等２２を含むキャリア物質を第１のポイントＴＰに向けて吐出し、そのタイミングと同期して、ステップ８３においてレーザーガン３３が第１のポイントＴＰに向けてレーザー３１を照射する。
　ステップ８４において、レーザー照射された物質を含む２次サンプルガス２５をＦＡＩＭＳセンサー１８により分析する。ステップ８５においてマーカー物質６２が検出されれば、判断機能４８は、マーカー用の化学物質６２とともに検出された化学物質のピークＰ３およびＰ４が微生物等２２から派生した化学物質であると判断し、ステップ８６においてアナライザー４７は化学物質から一次サンプルガス２１に含まれていた微生物等２２を推定する。そして、ＰＣ４０は、ステップ８７において推定された微生物等２２をＰＣ４０の表示機能を用いて出力し、あるいはインターネットなどのコンピュータネットワークを介して外部のマシンなどへ出力する。
　なお、以上では、マーカー源物質を含む液状態のキャリア物質２９に微生物等２２を捕捉する例を説明しているが、キャリア物質２９自体が水でなく、有機溶媒などの匂いを発生するマーカー物質であってもよい。さらに、キャリア物質２９がレーザー照射により蒸発することによりマーカー物質に変換されてもよい。また、微生物等を含むサンプルガスのサンプリングは、リアルタイムである必要はなく、適当なサンプラーを用いて時間的あるいは空間的に分析装置から離れた場所でサンプリングしたものであってもよい。
　食品加工分野、医学分野、酪農分野などの多くの分野で、各種のウィルスおよび細菌を検出し、分析することが非常に重要になっている。しかしながら、従来、ＦＡＩＭＳセンサーの応用対象としては、微生物等の特定が難しいことから、測定対象外として敬遠されることが多かった。本発明により、食品汚染、院内感染および院内汚染の防止、その他の医用分野でのウィルスや細菌の特定をリアルタイムあるいはそれに近い時間で行うことができるメリットは計り知れない。
　上記の分析装置においては、ＦＡＩＭＳセンサーなどのイオン移動度センサーを用いて、リアルタイムで、あるいはそれに近い極めて短時間で、微生物等の存在を検出し、微生物等の種類を推定することができる。さらに、この分析装置は、サンプルガスに含まれるウィルスおよび細菌に加え、たんぱく質などの高分子を破壊（分解）することにより、イオン移動度センサーにより容易に検出できるようにしている。したがって、複数のウィルス、細菌、タンパク質などを、他の化学物質と同様に、イオン移動度等のイオン移動度センサーから得られる情報に基づいてキャラクタライゼーションすることができる。また、キャラクタライゼーションされた情報を含むデータベースを構築することにより、複数のウィルス、細菌、タンパク質などをソフトウェアで推定し、それらを特定することが可能となる。

Claims (7)

  1. 　第１のポイントにレーザーを照射する照射ユニットと、
    　前記第１のポイントに分析対象物を収束させる収束ユニットと、
    　前記第１のポイントにおいてレーザー照射された物質を含むサンプルガスをイオン移動度センサーにより分析するユニットとを有する分析装置。
  2. 　請求項１において、前記収束ユニットは、前記分析対象物を液状態のキャリア物質に捕捉させるユニットと、
    　前記分析対象物を含むキャリア物質を前記第１のポイントに吐出する吐出ユニットとを含む、分析装置。
  3. 　請求項２において、前記キャリア物質は、レーザー照射によりマーカー用の化学物質を放出するマーカー源物質を含む、分析装置。
  4. 　請求項３において、前記マーカー源物質は、前記マーカー用の化学物質と、
    　前記マーカー用の化学物質を内包するナノカプセルであって、レーザー照射により前記マーカー用の化学物質を放出するナノカプセルとを含む、分析装置。
  5. 　請求項２ないし４のいずれかにおいて、前記吐出ユニットは、前記分析対象物を含むキャリア物質を吐出するインクジェットヘッドを含む、分析装置。
  6. 　レーザーが照射される第１のポイントに分析対象物を収束させることと、
    　前記第１のポイントにおいてレーザー照射された物質を含むサンプルガスをイオン移動度センサーにより分析することとを有する分析方法。
  7. 　分析対象物を液状態のキャリア物質に捕捉させることと、
    　前記分析対象物を含む前記キャリア物質を第１のポイントに吐出し、レーザーを照射することとを有し、前記キャリア物質は、レーザー照射によりマーカー用の化学物質を放出するマーカー源物質を含み、さらに、
    　前記第１のポイントにおいてレーザー照射された物質を含むサンプルガスをイオン移動度センサーにより分析することと、
    　前記イオン移動度センサーにより前記マーカー用の化学物質とともに検出された化学物質を前記分析対象物から派生した化学物質であると判断することとを有する分析方法。
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