JP7395570B2 - 化学分析装置及び方法 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
この出願は、２０１８年５月８日出願の米国仮特許出願第６２／６６８，４９３号について優先権を主張するものであり、その全体が参照により本明細書に組み込まれている。

本出願は、一般に、化学分析器などの分析システムに関し、特に、迅速反応質量分析技術に関する。

従来の化学分析装置の限界の１つは、固定設備を必要とするため、空港、ビルなどの監視区域に存在する可能性のある潜在的に危険な化学物質を迅速に評価できるようにするために、現場で容易に展開できないことである。従来の技術の別の限界は、技術が完全に完了するのにかなりの時間を要する単一のプロセス(monolithic process)で生じるため、分析を迅速に行うことができないことである。従来の技術のさらなる限界は、例えば、質量分析の下で分析されるとき、特定の異なる分子が同じプロファイルを有し、かつ互いに容易に区別されず、特定の標的分子についてスクリーニング又はモニタリングするときに潜在的な誤検出をもたらすという事実に関する。

本発明の化学分析の方法及び装置を示す。本発明の一態様では、試料の化学分析のための装置は、ハウジングと入口とポンプと複数の膜と少なくとも１つの検出器とを備える。ハウジングは、装置の内部チャンバを備える。ハウジングの入口は、試料を内部チャンバに導く。ポンプは、内部チャンバ内に部分的真空を形成するようにハウジングに接続されている。複数の膜は、試料の異なる成分に対して異なる反応時間を有する。複数の膜は、少なくとも第１の膜及び第２の膜を備える。第１の膜及び第２の膜のうちの少なくとも１つの膜は、管状部分を備える。複数の膜は、試料の異なる成分に対して異なる反応時間を有する。検出器は、複数の膜との相互作用後に試料の異なる成分を検出するためのものである。

本発明の別の態様では、試料の化学分析のための方法が提供される。第１のステップは、試料の異なる成分に対する異なる反応時間を有する複数の膜に試料を導くステップを備える。第２のステップは、複数の膜の異なる反応時間によって試料の異なる成分を分離させるステップを備える。第３のステップは、複数の膜で分離させた後、気体の異なる成分を検出するステップを備える。

本発明のさらなる態様では、試料の化学分析のための装置は、ハウジングと入口とポンプと複数の膜と少なくとも１つの検出器と少なくとも１つの加熱要素とを備える。チャンバは試料を受け取るためのものである。複数の膜は、試料の異なる成分に対して異なる反応時間を有する。複数の膜は、少なくとも部分的にチャンバ内に配置される。検出器は、チャンバ内において、複数の膜との相互作用の後に試料の異なる成分を検出するために配置される。検出器は、質量分析計を備える。少なくとも１つの加熱要素は、複数の膜のうちの少なくとも１つの膜の近傍に配置される。少なくとも１つの加熱要素は、異なる成分の異なる反応時間を促進するために、複数の膜のうちの少なくとも１つの膜を加熱するように構成される。

上記の実施形態は、単に例示的なものである。他の実施態様は、開示された主題の範囲内である。

発明の特徴が理解できるように、発明の詳細な説明は、特定の実施例を参照して行うことができ、そのいくつかは添付図面に図示されている。しかしながら、図面は、本発明の特定の実施例のみを図示しており、従って、開示された主題の技術的範囲については、他の実施例をも包含するため、その技術的範囲を限定するものとは考えられるべきでないことに留意されたい。図面は必ずしも縮尺通りではなく、一般に本発明の特定の実施形態の特徴を示すことに重点が置かれている。図面では、種々の図を通して類似の部品を示すために同様の数字が使用されている。

図１は、本明細書に記載される態様による、例示的システムの模式図である。 図２は、本明細書に記載される態様による、例示的システムの模式図である。 図３Ａは、本明細書に記載される態様による、化学物質を分析するための例示的方法のフローチャートである。 図３Ｂは、本明細書に記載される態様による、化学物質を分析するための例示的方法のフローチャートである。 図３Ｃは、本明細書に記載される態様による、化学物質を分析するための例示的方法のフローチャートである。 図３Ｄは、本明細書に記載される態様による、化学物質を分析するための例示的方法のフローチャートである。 図３Ｅは、本明細書に記載される態様による、化学物質を分析するための例示的方法のフローチャートである。 図４は、本明細書に記載される態様による、膜アセンブリの図である。 図５は、本明細書に記載される態様による、２つの膜アセンブリの図である。 図６は、本明細書に記載される態様による、膜アセンブリの図である。 図７は、本明細書に記載される態様による、化学分析器の出力のグラフである。 図８は、本明細書に記載される態様による、化学分析器の出力のグラフである。 図９は、本明細書に記載される態様による、化学分析器の出力のグラフである。 図１０Ａは、本明細書に記載される態様による、化学分析器の出力のグラフである。 図１０Ｂは、本明細書に記載される態様による、化学分析器の出力のグラフである。 図１１Ａは、本明細書に記載される態様による、化学分析器の出力のグラフである。 図１１Ｂは、本明細書に記載される態様による、化学分析器の出力のグラフである。

開示された主題の実施形態は、化学分析のための技術を提供する。他の実施態様は、開示された主題の範囲内である。

本発明は、部分的に、空気中に１０億分の一又は１兆分の一濃度で存在する、化学兵器などの潜在的に危険な気体又は揮発性有機化合物を迅速に検出する技術及びシステムを提供する。当然、本技術は、化学兵器の検出に限定されず、有害化学物質を伴う工業的及び他の用途で使用され得る。例えば、ＶＸ神経ガス、サリン、ホスゲン、マスタードガス、塩素、シアン化物化合物などは、本明細書に記載の技術を用いて迅速に検出され得る全ての対象の化学物質である。

本出願人は、特定の膜が異なる分子との相互作用の時間が異なることを発見し、化学分析器が１つ以上の上記の特定の膜を備えるように構成されている場合、異なる分子はある程度の時間の分離で膜を通過することができる。この時間的分離は一般に完全ではないが、膜によって十分な分離がもたらされ、その結果、質量分析又は他の検出器技術を用いて、気体の成分を１０億又は１兆分の一の濃度まで迅速に識別することができる。以下に説明するいくつかの例では、膜との物理的分離は、分析技術と組み合わせで使用することができる。

一般に、本明細書において一態様で提供される、試料の化学分析のための装置は、ハウジングと入口とポンプと複数の膜と少なくとも１つの検出器とを備える。ハウジングは、装置の内部チャンバを備える。ハウジングの入口は、試料を内部チャンバに導く。ポンプは、内部チャンバ内に部分的真空を形成するようにハウジングに接続されている。複数の膜は、試料の異なる成分に対して異なる反応時間を有する。複数の膜は、少なくとも第１の膜及び第２の膜を備える。第１の膜及び第２の膜のうちの少なくとも１つは、管状部分を備える。複数の膜は、試料の異なる成分に対して異なる反応時間を有する。検出器は、複数の膜との相互作用後に試料の異なる成分を検出するためのものである。一実施形態では、検出器は、質量分析計を備える。別の実施形態では、装置は、試料を複数の膜に導くためのチャンバをさらに備える。

例示的な実施形態において、複数の膜は、逐次的に試料に露出される。別の実施形態において、複数の膜は、並行して試料に露出される。なおさらなる実施形態において、複数の膜は、特定の質量電荷比を有する複数の成分に対して異なる反応時間を有する。

一実施形態では、装置は、異なる成分の異なる反応時間を促進するために、加熱要素をさらに備える。別の実施形態では、異なる成分は、異なる分子を備える。さらなる実施形態では、検出器は、予備的な結果を判定するために、複数の膜のうちの第１の膜と相互作用した後に試料の第１の検出を実行し、予備的な結果が結果の可能性を示す場合には、複数の膜のうちの第２の膜と相互作用した後に試料の第２の検出を実行し、最終的な結果を判定するように構成される。

特定の実施では、装置は、ワンドなどの手持ち式構造体を備え、ワンドは、チャンバ、膜、検出器、加熱要素、バッテリ、マイクロコントローラなどを備える。このような場合、ワンドの入口により、（例えば、ワンドを空気中で波動又は保持することによって収集される）試料の第１の分析が可能となり、この第１の分析は、迅速に行われる。この例では、第１の分析で有害分子などの特定の分子の存在が除外される場合がある。この場合、分析は完了である。しかしながら、第１の分析は、ある分子の潜在的な存在を示すことができ、次いで、第２の分析は、入口（又は別の入口）によって待たされ、空気が分析前により長い時間を要する第２の膜と相互作用することを可能にする。このような２段階（又は、一般化するとｎ段階）の分析は、手持ち式の化学分析装置の操作者が、領域又は標的を迅速にスクリーニングするのを容易にすることができる。

別の態様では、試料の化学分析のための方法が提供される。第１のステップは、試料の異なる成分に対する異なる反応時間を有する複数の膜に試料を導くステップを備える。第２のステップは、複数の膜の異なる反応時間で試料の異なる成分を分離させるステップを備える。第３のステップは、複数の膜で分離させた後に気体の異なる成分を検出するステップを備える。

本方法の一実施形態では、試料の異なる成分を分離させるステップは、試料の流れを開始させるステップ及び停止させるステップを備える。別の実施形態では、試料を導くステップは、第１の時間において複数の膜のうちの第１の膜に試料を導くステップと、第１の時間の後に第２の時間において複数の膜のうちの第２の膜に試料を導くステップとを備える。さらなる実施形態において、本方法は、さらに、第１の時間において複数の膜の第１の膜に試料を導いた後に予備的な結果を検出するステップを備え、予備的な結果が結果の可能性を示す場合には、第２の時間において複数の膜の第２の膜に試料を導いた後に最終的な結果を検出するステップを備える。一例として、試料は、同時に又は逐次的に複数の膜に導かれうる。

さらなる態様では、試料の化学分析のための装置は、ハウジングと入口とポンプと複数の膜と少なくとも１つの検出器と少なくとも１つの加熱要素とを備える。チャンバは試料を受け取るためのものである。複数の膜は、試料の異なる成分に対して異なる反応時間を有する。複数の膜は、少なくとも部分的にチャンバ内に配置される。検出器は、チャンバ内に配置され、複数の膜との相互作用の後に試料の異なる成分を検出するために配置される。検出器は、質量分析計を備える。少なくとも１つの加熱要素は、複数の膜のうちの少なくとも１つの近傍に配置される。少なくとも１つの加熱要素は、異なる成分の異なる反応時間を促進するために、複数の膜のうちの少なくとも１つの膜を加熱するように構成される。異なる例では、複数の膜は、逐次的又は並行して試料に露出される。実施される時、複数の膜は、特定の質量電荷比を有する複数の成分に対して異なる反応時間を有しうる。

図１は、膜アセンブリ６０が、ハウジングの入口側に配置されたイオン源８２を備える化学分析器ハウジング８４の入口に配置されたシステムを概略的に示す。ハウジング８４の内部は、例えばポンプによって真空にすることができる。イオン源は、電子（ｅ－）の流れを生成するためのフィラメント（図示せず）又は他の手段を備え、これらの手段は、試料気体８３と共にイオン化容積又はチャンバに注入される。試料気体は、化学分析器ハウジング８４の入口３０において膜アセンブリ６０を通過する分析物を含む。試料気体８３の流入分子との電子による衝撃によって、四重極質量フィルタなどの質量分析計質量フィルタ８６に加速される正イオン８５の形成を生成する。質量分析計質量フィルタ８６では、質量が、ハウジング８４の入口３０とは反対側の端部に配置される、電子増倍管又はファラデーカップを有するイオン検出器８１などのセンサによって検出するために走査される。

種々の態様において、異なるバルブを膜アセンブリ６１の内部又は近傍に配置して、分析物を含む試料気体８３、又は、分析物を含む混合物又は組成物を膜アセンブリ６０に適用できるようにすることができる。この気体の供給は、物質を膜６０に向けて押すために正圧をかけるか、又は物質を膜６０にわたって引っ張るために負圧をかけるようになっているポンプを備えうる。

一例では、気体８３の対象となる分析物は、バルクガス（例えば、空気）又は液体（例えば、水）よりも膜６０に溶解性のある非極性分子である物質である。したがって、気体８３は、元の試料よりもはるかに高い分析物の濃度を有する。

例として、「Dow Corning(商標)」「Silastic(商標)」のＱ７－４７５０の生物医学／医薬等級の白金硬化シリコーン物質を膜として使用することができる。

例として、異なる分子に対して異なる透過速度を有する異なる膜を、個々に又は組み合わせて使用することができる。複数の膜を使用することによって、別の物質と比較して１つの物質を使用することでより良好な分離が達成され得る。さらに、本明細書に記載されるシステムの多重膜実施形態において、第１の膜物質を通る速度は、第２の膜物質を通る速度と比較することができる。このような場合、２つの異なる膜を通過する際の相対的な速度差が分子の明確化に役立ち、分子を他の化学物質からのバックグラウンドノイズから分離させることができる。

分離のための一つの目標は、膜への新しい試料の流れを停止させることであることに留意されたい。流れを停止させた後、存在する気体が、膜の組成、厚さ、及び物理的幾何学に依存し得る、それ自体の速度で１つ以上の膜を通過する。一方、試料の流れが停止されなければ、膜に到着した新しい試料は、膜を通って流れ続けるだけであり、時間的な分離は達成されないであろう。

多くのスキームでＰＤＭＳ膜物質を使用し、非極性分子は迅速にＰＤＭＳ膜物質を通過し、極性分子は通過しない。

図１を参照すると、膜６０はチャンバを通過する管であり、これは、例えば、低圧で送られる。試料用ポンプは、キャリア流体の流れを管を通して引き出し、キャリア流体は、分析物を輸送する。このシステムは、有利には、多くの汚染物質を管の入口で捕捉することを可能にし、その結果、分析物が入口の下流側の管の部分を通って流れうる。一部の分析物は、膜６０を通って真空チャンバに入り、検出器８１によって検出される。代表的な検出器としては、（例えば、飛行時間、四重極質量センサ、イオントラップ、又は、磁場型の）質量分析計、光イオン化検出器、（例えば、蛍光、吸光度測定、又はラマン散乱を検出するための）光学検出器、金属酸化物センサ、及び、水晶振動子マイクロバランスが挙げられるが、これらに限定されない。いくつかのセンシング技術では、チャンバのハウジング内に真空を採用しており、採用していないものもある。ハウジング８４の内部の大気組成及び圧力は、検出されるべき分析物と検出器の動作に基づいて選択することができる。種々の態様では、ＭＩＭＳシステムは連続プロセスモニタリング（ＣＰＭ）における検出ユニットとして使用される。システムは、入口の代わりに、監視されるべきプロセスにおけるチャンバ又は装置に取り付けられる。膜は、チャンバ又は装置内の流体（例えば、気体）に直接的に露出される。

膜６０を加熱するために、ヒータ８３を配置することができる。例えば、ヒータ８３は、ＬＥＤ又はダイオードレーザからの（例えば、赤外線）光子を膜６０に照射することができる。これによって、膜によって優先的に吸収される波長を採取し、非接触でそうすることによって、膜のみを加熱することができる。（膜と直接的な接触する熱質量がない）急速な加熱・冷却を行うことができる。ダイオード又は他の放射線源は、真空システム又はチャンバ内に配置することができる。任意の数の放射線源、例えば、比較的に強力な１つの放射線源、又は、比較的に強力でない多くの放射線源を使用することができる。特に、利点として、複数の膜を使用することで、誤検出の事象の数を直接的に減らし、同時に、所与の領域を通過させるのに必要な総検出時間を減らすことである。

次に図２を参照しつつ、２つの膜システム２００を説明する。図示されるように、第１の薄膜２６１及び第２の膜２６０は、システム２００内に展開されている。一例では、バルブ（図示せず）を膜２６１から膜２６０への流路に沿って展開することができ、その結果、一度に１つの膜のみが試料に露出される。他の例では、両方の膜が同時に試料と流体連通しうる。図２の例では、任意の第２の入口３０’が鎖線で示されており、これによって、この鎖線によれば、試料を両方の膜２６０及び２６１に並行して導くことが可能であろう。この代替の実施形態は、入口が最初に試料を薄膜２６０に導いて次に試料を薄膜２６１に導く直列配列ではなく、試料を両薄膜へ並行して導くのを容易にするであろう。

他の例としては、ポンプ及び／又はバルブのシステムを介して接続される３つ、４つ、５つ、又はそれ以上の異なる膜が挙げられ得る。これらの膜は、異なる化学組成及び厚さを有してもよく、異なる化学物質の分離を助けるように設計されうる。これらの膜は、連続的であってもよく、又は、試料入口と並列としうる。これらの膜は、膜２６１などの平坦な薄膜とし、又は、膜２６０などの管状の膜としうる。動作概要としては、図１又は図２のいずれかに記載されたシステムは、大気を吸気するためのワンドを有する携帯型の試験セット内で展開されうる。このような場合、ワンドは、大気試料を膜に搬送するための吸入ポートを備えうる。当業者であれば、１つ又は複数のバルブ及び／又はポンプをシステム内に展開し、気体が膜の１つ又は複数に衝突できるようにしうることを容易に理解するであろう。

図３Ａ～３Ｅは、本明細書に記載される態様による、化学物質を分析するための例示的方法のフローチャートである。図３Ａを参照すると、方法３００Ａは、図１で説明した単一の膜システムを使用する。方法３００Ａが開始した後、ブロック３０４において、混合物が膜に連続的に適用される。混合物は、例えば、分離のための複数の化学成分を含みうる。次に、ブロック３０６において、質量分析計などの検出器は、チャンバ内の分析物を測定する。例えば、通常の大気化合物を超えるものが存在しないと仮定すると、システムは、さらなる分析が不要であると判断することができ、ブロック３０８では分離を開始せず、ブロック３１８では、試料気体中の分析物を判定し、ブロック３２０では、ブロック３０４に戻ることによって測定を継続する。

図３Ａの別の例では、ブロック３０８において、試料気体が膜に連続的に適用されている間の予備測定に基づいて、方法３００Ａは、分離が必要であると判断することができる。例えば、いくつかの揮発性有機化合物の存在を示すのに十分な信号が検出され得る。ブロック３０８において分離が必要とされると、ブロック３１０において、試料の膜への流れは、例えば、バルブを使用して停止させられる。ブロック３１０で試料の流れを停止させることにより、何れの試料も、システム内に既に存在し、膜は、１秒以上の期間にわたって、膜を通過して、検出器に至ることができる。

さらなる例では、ブロック３１２において、方法３００Ａは、試料を加熱することが望ましいと判断することができる。例えば、ブロック３０６における予備測定は、膜の加熱によってさらに時間的分離がされ得る、いくつかの対象の分析物の見込まれる存在を示し得る。次に、ブロック３１４において、試料及び／又は膜に熱が加えられる。他の実施形態では、ブロック３１２とブロック３１４を逆にすることができ、試料の流れが停止させられる前に加えられる熱は、試料中の分析物の分離を補助するために膜をどの程度速く加熱することができるかに依存しうることに留意されたい。

図３Ａの方法３００Ａを参照すると、ブロック３１６において、検出器は、チャンバ内の分析物を測定しうる。以下にさらに詳細に説明するように、この測定ステップは、（場合によっては、加熱されるか、又は非加熱のいずれかの）膜によって引き起こされる時間的分離の利益を有する。したがって、ブロック３１８では、分析物の判定が可能であり、及び／又は、分離を伴わない場合よりもより正確になり得る。

図３Ｂは、第１の（例えば、代替の）膜２６１（図２）並びに膜２６０（図２）を有する、図２のシステム２００を使用する方法３００Ｂを示す。このような場合、方法３００Ｂのブロック３３０では、試料混合物が代替薄膜２６１に適用される。例えば、膜２６１は、膜２６０と同じ組成（又は異なる組成でさえ）のより薄い膜であり得、したがって、混合物のより少ない全体的な時間的分離を可能にし得るが、はるかに速い速度としうる。次いで、ブロック３３２では、分析物はチャンバ内で測定され、薄膜２６１は、気体の化学組成を９９％の信頼度で判定するのに十分な分解能を提供できない可能性があるが、薄膜２６０の使用を開始させるのに十分な情報が存在するであろう。そのような場合、ブロック３３４では、方法はブロック３０８に進み、本方法は、図３Ａに関して前述したように、ブロック３１０～３２０に続く。特に、迅速反応検出モードの間、システムは、より薄い膜２６１を使用して、ブロック３３０～３３４を連続的にループし、さらなる作用が必要であることの表示を探すことができる。例えば、システムは、何もないことを示す低音量のビープ音を発するワンド内に配置されうる。そのような場合、（ブロック３３２において）特定の化学物質の可能性が検出されると直ちに、ワンドは、そのスポットにワンドを保持すべきであること、及び、その方法が分離及び分析を開始していることを示す、より大きなビープ音を利用者に発することができる。

図３Ｃを参照すると、方法３００Ｃのさらに別の実施形態は、方法３００Ａ（図３Ａ）又は方法３００Ｂ（図３Ｂ）に関して上述したように、開始してブロック３０４～３０８に進むが、ブロック３０８における分離の必要性の判定において異なる。図示の実施形態では、方法３００Ｃは、ブロック３４０において、次いで、ブロック３４０において使用されるいくつかの異なる分離膜のうちのどれかを判定する。次いで、バルブ及び／又はポンプを使用して、方法３００Ｃは、ブロック３４２において、気体試料混合物を選択された又は選ばれた膜に適用する。例えば、ブロック３０６で実施される初期の予備的分析に基づいて、システムは、ありうる化学成分をより小さなサブセットに絞り込み、次いで、ありうるサブセットを、それらの化学成分の分離により適しておりかつ加熱を可能にすることができるか又は可能でない特定の膜にマッピングすることができる。続いて、方法３００Ｃは、方法３００Ａ（図Ａ）又は方法３００Ｂ（図Ｂ）に関して上述したように、ブロック３１２～３２０に進む。

別の例では、図３Ｄは、開始して、次いで、ブロック３５０において、試料気体混合物を代替センサに適用する、方法３００Ｄを開示する。例えば、代替センサは、異なる質量分析計であってもよく、又は、イオン移動度分光計であってもよく、又は、気体又は流体中に存在する化学種を判定するための任意の他の分析センサとしうる。説明として、前述したように、本明細書に開示される多段式のシステムは、後続のより正確な検出器を開始させるための初期試験又は予備試験を可能にする。有利には、異なる検出器の組合せにより、より迅速な全体的検出が可能になる。次に、方法３００Ｄは、ブロック３５２において、代替センサからの信号を分析し、ブロック３３４に進んで分離を開始させ、方法３００Ｂ（図３Ｂ）に関して上述したように、ブロック３０４～３２０に進む。

自動化化学分析の異なる実施において、図３Ｅは、ブロック３６０で所定の分離の予定を決める方法３００Ｅを示す。例えば、方法３００Ｅは、ブロック３６２において、試験が数秒、分又は時間ごとに開始させられる状態で、大気環境又は試験環境を定期的にサンプリングしうる。その後、方法３００Ｅは、方法３００Ａ（図３Ａ）、方法３００Ｂ（図３Ｂ）、方法３００Ｃ（図３Ｃ）、又は方法３００Ｄ（図３Ｄ）のいずれかに関して記載されるように、ステップ３０４～３２０を進む。

図４は、フランジ４１０と管の形態の膜４２０とを備える膜アセンブリの画の図である。膜４２０は、入口４３０においてフランジ４１０を通っている。本開示全体を通して「入口」という用語の使用は、入口４３０を通る流れの方向を制限せず、入口４３０は、流体を膜４２０内に受け入れることができ、又は、流体を膜４２０から出すことができる。膜４２０は、図示のようにループ状に、又は、直線状に、又は、別の構成で配置することができる。

図５は、異なる膜４２０、５２０を使用する２つの膜アセンブリの画の図である。それぞれが、フランジ４１０、５１０及び入口４３０、５３０を有する。

図６は、フランジ６１０を備える膜アセンブリの画の図である。フランジを通して、６つの入口５３０が配置され、そのうちの１つは管に接続され、４つは蓋で覆われている。図示のように、入口５３０は、異なるサイズとしうる。６つの入口５３０は、例えば、３つの異なる膜管（例えば、管４２０、５２０、図５）を支持することができる。入口５３０の直径と膜５２０の直径は、同じである必要はない。種々の態様では、フランジ、膜、又は、フランジのアセンブリ、及び、１つ又は複数の膜は、ライン交換可能ユニット（ＬＲＵ）である。すなわち、修理のためにシステムを工場に送り返すことなく、それらを交換することができる。

図７は、化学分析器（例えば、図２のシステム２００）の出力の経時的なグラフ７００であり、一般的な用語で挙動を説明するために単一の分析物で図２のシステム２００を使用する実験結果を実証する。図７の例では、ブロック７１０において、例えばループ状膜に試料が適用される。次に、ブロック７２０において、試料の流れが停止させられる。図から分かるように、ブロック７２０で流れが停止させられた後、試料信号は、試料が膜から出現する時に立ち上がり始め、ピークに達し、再び低下する。次に、ブロック７３０において、試料は、薄膜２６１（図２）及びループ状膜２６０（図２）の両方に適用される。すぐに信号が立ち上がる。続いて、ブロック７４０で流れが停止させられ、分析物が膜から溶出し、信号がピーク７０１まで上昇するにつれて、遅延反応が存在し、次いで、信号が減衰する。

図８は、２つの化学化合物が適用される、化学分析器（例えば、図２のシステム２００）の出力の経時的なグラフ８００である。トルエンが曲線８０１で示され、リン酸トリエチル（ＴＥＰ）が曲線８０２で示されている。ブロック８１０では、両方ともシステム２００に適用され続ける。トルエンは膜をより速く通過するので、急な山形が見られる。次に、ブロック８２０において、流れは停止させられる。さて、ブロック８３０では、ＴＥＰ信号は、膜から出る時に立ち上がり、トルエン信号が低下する。

図９は、２つの化学化合物が適用される、化学分析器（例えば、図２のシステム２００）の出力の経時的なグラフである。ブロック９１０では、トルエン（１００万分の１６．４）とサリチル酸メチル（１００万分の１．４）の二成分混合物がシステム２００に流れ込む。曲線９０１はトルエン信号を示し、曲線９０２はメチルサリチル酸信号を示す。図から分かるように、トルエン信号が急速に上昇し、ブロック９２０で検出を見込むことができる。時刻ｔ０までにトルエン信号は減少する。ブロック９３０において、試料の流れは停止させられる。時間ｔ１までにトルエン信号は減少し、時間ｔ２にメチルサリチル酸信号はピークを示す。

次に、図１０Ａ～１１Ｂを使用して、時間的分離を分析アプローチ（例えば、アルゴリズム）と組み合わせて、混合気体中に存在する化学物質のより正確な識別を達成できることを示す。

本明細書に記載される技術によって解決される別の問題を実証するために、図１０Ａは、３つの化学化合物が適用される、化学分析器（例えば、図２のシステム２００）の出力の経時的な理想化された概念のグラフ１００Ａである。この概念のグラフ１００Ａにおいて、理想化された検出は、化合物Ａ、Ｂ及びＣがそれぞれ信号１０１、１０２及び１０３で特徴付けられることが明らかとなる。当然、単一の信号（例えば、圧力）が測定されている場合には、これらの３つの別個の信号１０１～１０３は明確ではなく、代わりに１つの信号に合併されることになる。図１０Ｂは、図１０Ａの例を示しており、ここでは、信号は全て合併されている。グラフ１００Ｂでは、化合物Ａ、Ｂ及びＣが結合して単一の信号１０４を生じる。本明細書に記載される技術は、この課題を解決し、図１０Ｂの結合された信号１０４の絡まりを解いて(de-convolute)、図１０Ａの個々の信号１０１～１０３を明らかにすることを可能にする。

図１１Ａ～１１Ｂは、図１０Ａ～１０Ｂと同様に、質量分析計の出力のグラフであり、Ｙ軸は信号強度を示し、Ｘ軸は単位電荷あたりの質量を原子質量単位（ｍ／ｚ、単位ａｍｕ）で示す。図１１Ａは、対象となる一例の化学物質Ａのプロファイル１１０Ａを示す。この例では、化学物質Ａは、線１１１の３０％、線１１２の１２％、線１１３の２５％、線１１４の１０％からなる測定値を特徴とする。

しかしながら、化学物質Ａが化学物質Ａ、Ｂ及びＣの混合物中に存在する場合、質量分析計の出力は、図２のシステム２００を通して送られ、上述のようにその膜を用いて分離された後、図１１Ｂに示されるようなプロファイル１１０Ｂを示すことができる。このような場合、更なる分析的分離又はアルゴリズム的分離は、以下のように展開することができる。プロファイル１１０Ｂでは、化学物質Ａについてのプロファイル１１０Ａに記載されている線１１１～１１４に加えて、線１１５及び線１１６も同様に存在する。さらに、異なる線１１１～１１６の相対的な信号強度は、異なる化合物によるものとしうる。例えば、図１１Ｂでは、線１１５は化学物質Ｃのみを示し、線１１１は化学物質ＡとＣの組合せを示し、線１１２は化学物質ＡとＢの組合せを示し、線１１６は化学物質ＢとＣの組合せを示し、線１１３は化学物質Ａのみを示し、線１１４は化学物質Ｃのみを示し、線１１７は化学物質Ｂのみを示す。

分離に対するアルゴリズム的アプローチは以下の通りである。質量分析計から収集されたデータは、典型的には、時間にわたる繰り返し走査から成り、ここで、各走査は、質量対電荷ｍ／ｚの強度の配列である。分光計は、濃度が連続的に変化する分子片に露出されると、（例えば、図１１Ａ～１１Ｂに記載されるように）ｍ／ｚの強度値の２次元マトリックスを生成する。化合物同定アルゴリズムは、このマトリックスを検査し、特定の標的化学物質の有無を判定する。このタスクは、通常、抽出と検索の２つのサブタスクに分割される。

第１のサブタスクでは、データストリームから比較的純粋なスペクトルを抽出する。抽出（デコンボリューション(deconvolution)とも呼ばれる）は、いくつかの異なる分子が同時に分光器に存在する可能性がある場合に必要である。濃度が異なる速度で増加しているものもあれば、減少しているものもあり、比較的安定した背景の一部であるものもある。混合物中の各分子は、そのｍ／ｚの特徴において固有の成分を有し得るが、それらは、また、重複するｍ／ｚ成分を有し得る。抽出で、別々の分子に対応する関連するｍ／ｚ強度のグループを正しく識別することを意図する。ＡＭＤＩＳでどのように抽出を実施するかについては、［Ｓｔｅｉｎ １９９９］を参照されたい。他のアプローチの例は［Ｌｉａｎｇ １９９２］、［Ｈａｎａｔｏ １９９２］に記載されている。

第２のサブタスクでは、生のデータマトリックスから比較的純粋なスペクトルが抽出され、各未知の抽出されたスペクトルは、既知の参照スペクトルのセット（ライブラリ）と比較される。抽出されたスペクトルは、通常、基準ライブラリ内で正確な一致がないため、未知のスペクトルとライブラリ内の各候補の間で類似度メトリックが計算され、基準スペクトルを最も一致する順にランク付けすることができる。ＮＩＳＴでどのようにライブラリ検索を実施するかについての詳細は［Ｓｔｅｉｎ １９９４］を参照。

本出願では、抽出（又は、デコンボリューション）に対する潜在的に新規なアプローチについて述べる。ＡＭＤＩＳによって使用されるような既存のアプローチは、化合物がガスクロマトグラフカラムからどのようにして質量分析計に入るかのコンシステンシーを利用する。ＧＣ－ＭＳでは、イオン強度は、高さ、幅、面積、テーリング（tailing）などの測定可能な特性を有するピーク形状に従って、経時的に変化する。しかし、複雑なバックグラウンドが存在するＭＩＭＳシステムを通して分光器に入る化合物は、これらの予測可能なピークパターンには従わない。我々のアプローチ（質量／電荷相関クラスタリングに対して仮に「ｍｚｃｃ」と呼ぶ）は、いかなる特定のパターンに従うための強度の変化にも依存しない。

アルゴリズム「ｍｚｃｃ」への入力は、３回以上の走査のシーケンスであり、各走査は一連のｍ／ｚ比の強度を含む。通常、３回以上の走査でより良い結果が得られる。これらの走査の各々は、それらの時間にわたる相対値を比較できるように、同じ質量を測定しなければならない。このアルゴリズムは、例えば、３つのステップを有する。

ステップ１では、「境界選択」は、分析する時間間隔を選択する。リアルタイム検出の用途では、これは、通常、利用可能な最近の走査であるため、アルゴリズムは、その分析で考慮すべき時間内に何回の走査を戻すかを単純に決定する必要がある。

ステップ２では、「相関測度」は、選択された時間間隔にわたって、各質量と各他の質量の間のピアソン積率相関係数などを計算する。この計算の結果から、各イオンに対する時間の経過に伴う強度の変化が、各他のイオンとどの程度強く相関するかが明らかになる。

ステップ３では、「クラスタリング」が、教師なし機械学習のクラスタリングアルゴリズムを使用して、最も密接に関連するものにイオンをグループ化する。この目的に使用できる多くの異なるクラスタリングアルゴリズム、例えば、階層的クラスタリングが存在する。

上記の３つのステップは、それぞれ、結果を最適化するために、様々な方法で調整できる。

ステップ１では、バックグラウンドの化合物と比較して、標的化合物の存在がどのくらい速く変化すると予想されるかをアルゴリズムは考慮しなければならない。進化する因子分析などの技術が、比較的ノイズの多い又はより安定した領域を識別して分析境界を選択するために使用することができる。経時的に収集されたデータのスキュー調整（Deskewing）は、その後のステップがｍ／ｚ強度の同時測定の推定値に依存するので重要である。

ステップ２では、検討中の質量の数を減らすために、閾値を結果に適用することができる。また、より高い質量の相対的重要度を計量するのに役立つ場合があり、より高い質量よりも低い質量同士の間のより堅い相関を必要とする場合もある。ステップ３で使用した距離メトリックへの相関測度の変換は、結果に影響する場合がある。オプションには、（１－Ｃ）又はｓｑｒｔ（１－Ｃ）又はｌｏｇ（Ｃ）又は（１／Ｃ)－１の使用が含まれる。

ステップ３では、クラスタリングアルゴリズムの選択、並びに、最小クラスタサイズ、要素間の最小距離などのアルゴリズムへのパラメータが、結果に重大な影響を与える可能性がある。ある場合には、単一の質量が、同時に発生する複数の化合物中に存在しうる。例えば、ｍｚ１２７は六フッ化硫黄及びリン酸トリエチル中に存在するが、一方の化合物は濃度が増加し、他方は濃度が減少している可能性がある。この場合、ｍｚ１２７は、他の化合物のいずれかに存在する他の質量とうまく相関しないであろう。「ソフトクラスタリング（soft clustering）」（各要素が必ずしも単一のクラスタにのみ割り当てられるとは限らない）などの技術が役立つ場合がある。また、標的化合物の知識でクラスタリングアルゴリズムに影響を与えることも可能である。

以下に挙げる参考文献は、参照により本明細書にその全体を組み込む。

Ｓｔｅｉｎ氏の１９９９年の著書である、１９９９年米国質量分析学会誌、ＧＣ／ＭＳデータ、Ｓｔｅｐｈｅｎ Ｅ．Ｓｔｅｉｎ氏によるスペクトル抽出と化合物同定の統合方法。

Ｌｉａｎｇ氏の１９９２年の著書である、推測に基づく進化する潜在的な予測、二方向多成分データの解像、Ｏｌａｖ Ｍ．Ｋｖａｌｈｅｉｍ氏及びＹｉ Ｚｅｎｇ Ｌｉａｎｇ氏の１９９２年の著書である、分析化学。

１９９２年のＨａｎａｔｏ氏の著書である、Ｌ．Ｗ．，Ａｌｅｍｅ、Ｈ．Ｇ．，Ｐｅｄｒｏｓｏ、Ｍ．Ｐ．，Ｓａｂｉｎ、Ｇ．Ｐ．，Ｐｏｐｐｉ、Ｒ．Ｊ．，& Ａｕｇｕｓｔｏ，Ｆ（２０１２）。複雑な試料における分析分離を強化するためのガスクロマトグラフィーと組み合わせた多変量曲線分解能、レビュー。分析化学の公式記録、７３１頁、１１～２３行。

請求項が、複数の要素を参照して「のうちの少なくとも１つ（at least one of）」と記載する場合において、記載した複数の要素のうちの少なくとも１つ以上を意味するものであり、各要素の少なくとも１つに限定されるものではない。例えば、「Ａ要素とＢ要素とＣ要素のうちの少なくとも１つ」は、Ａ要素単独、又は、Ｂ要素単独、もしくは、Ｃ要素単独、あるいはそれらの任意の組合せを示すものである。「Ａ要素とＢ要素とＣ要素のうちの少なくとも１つ」は、Ａ要素のうちの少なくとも１つ、Ｂ要素のうちの少なくとも１つ、要素Ｃのうちの少なくとも１つに限定されるものではない。

本明細書の記載は、最良の態様を含む発明を開示し、如何なる当業者も、如何なる装置又はシステムを製作及び使用し、如何なる組み込まれている方法も実行することを含む、発明を実施することを可能にするために例を使用している。発明の、特許を受けることができる範囲は、請求項により定義され、当業者に想到する他の例も含むことができる。そのような他の例は、請求項の文字通りの言葉とは異ならない構造要素を有している場合、又は、請求項の文字通りに言葉とわずかな差しかない等価な構造要素を含んでいる場合は、請求項の範囲であることが意図されている。

当業者には理解されるように、本発明の態様は、システム、方法、又はコンピュータプログラム製品として具現化され得る。従って、本発明の態様は、完全にハードウェアの実施形態、（ファームウェア、常駐ソフトウェア、マイクロコードなどを含む）完全にソフトウェアの実施形態、又は、本明細書では全て一般に「サービス」、「回路(circuit)」、「電気回路(circuitry)」、「モジュール」、及び／又は、「システム」と呼ぶことができる、ソフトウェア及びハードウェアの態様を組み合わせた実施形態を取ることができる。さらに、本発明の態様は、その上に具現化されたコンピュータ読み取り可能プログラムコードを有する１つ又は複数のコンピュータ可読媒体内に具現化されたコンピュータプログラム製品の形態をとることができる。

１つ又は複数のコンピュータ可読媒体の任意の組合せを利用することができる。コンピュータ可読媒体は、コンピュータ可読信号媒体又はコンピュータ可読記憶媒体としうる。コンピュータ可読記憶媒体は、例えば、これに限定されないが、電子、磁気、光学、電磁気、赤外線、又は半導体システム、装置、又は、器具、又は前述の任意の適切な組み合わせとしうる。コンピュータ可読記憶媒体のより具体的な例（非網羅的なリスト）は、１つ以上の細線、携帯用コンピュータディスケット、ハードディスク、ランダムアクセスメモリ、読出し専用メモリ、消去可能プログラマブル読出し専用メモリ、光ファイバ、携帯用コンパクトディスク読出し専用メモリ、光記憶装置、磁気記憶装置、又は前述の任意の適切な組み合わせを有する電気的接続を備える。本明細書では、コンピュータ可読記憶媒体は、命令実行システム、器具、又は装置によって、又はそれに関連して使用するためのプログラムを備える、又はそれを記憶することができる、任意の有形媒体としうる。

コンピュータ可読媒体上に具現化されたプログラムコード及び／又は実行可能命令は、ワイヤレス、有線、光ファイバケーブル、ＲＦ等を含むがこれらに限定されない任意の適切な媒体、又は前述の任意の適切な組み合わせを用いて送信することができる。

本発明の態様に対する動作を実行するためのコンピュータプログラムコードは、Ｊａｖａ（登録商標）、Ｓｍａｌｌｔａｌｋ、Ｃ＋＋等のオブジェクト指向プログラミング言語、及び「Ｃ」プログラミング言語又は類似のプログラミング言語等の従来の手続き型プログラミング言語を含む、１つ以上のプログラミング言語の任意の組合せで書くことができる。プログラムコードは、利用者のコンピュータ（装置）上で、一部は利用者のコンピュータ上で、一部はスタンドアロン型のソフトウェア・パッケージとして、一部は利用者のコンピュータ上で、一部はリモート・コンピュータ上で、全体的にリモート・コンピュータ又はサーバ上で実行されうる。後者では、遠隔コンピュータは、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）又は広域ネットワーク（ＷＡＮ）を備える任意のタイプのネットワークを介して利用者のコンピュータに接続されてもよく、又は（例えば、インターネットサービスプロバイダを使用してインターネットを介して）外部コンピュータに接続されうる。

本発明の態様は、本発明の実施形態による方法、装置（システム）、及びコンピュータプログラム製品のフローチャート図及び／又はブロック図を参照して、本明細書に記載される。フローチャート図及び／又はブロック図の各ブロック、及びフローチャート図及び／又はブロック図におけるブロックの組合せは、コンピュータプログラム命令によって実現され得ることが理解されよう。これらのコンピュータプログラム命令は、汎目的コンピュータ、特殊目的コンピュータ、又は他のプログラム可能なデータ処理装置のプロセッサに供給されて、コンピュータ又は他のプログラム可能なデータ処理装置のプロセッサを介して実行される命令が、フローチャート及び／又はブロック図ブロック又はブロック図に指定された機能／動作を実行するための手段を作成するように、機械を製造することができる。

また、これらのコンピュータプログラム命令は、コンピュータ可読媒体内に記憶された命令が、フローチャート及び／又はブロック図及び／又はブロック図ブロックに指定された機能／行為を実施する命令を備える製造物品を生成するように、コンピュータ、他のプログラム可能なデータ処理装置、又は他の装置を特定の方法で機能させることができるコンピュータ可読媒体内に記憶することができる。

また、コンピュータプログラム命令は、コンピュータ、他のプログラム可能なデータ処理装置、又は他の装置にロードして、一連の動作ステップをコンピュータ、他のプログラム可能な装置、又は他の装置に実行させて、コンピュータ又は他のプログラム可能な装置上で実行する命令が、フローチャート及び／又はブロック図ブロック又はブロック図で指定された機能／動作を実行するためのプロセスを提供するように、コンピュータ実施プロセスを生成しうる。

Claims (18)

1. 試料の化学分析のための装置において、
   前記装置は、
   前記装置の内部チャンバを有するハウジングと、
   試料を前記内部チャンバに導くための前記ハウジングの入口と、
   前記内部チャンバ内で部分的真空を形成するように前記ハウジングに接続されているポンプと、
   前記試料の異なる成分に対する反応時間が異なる複数の膜であって、第１の膜及び第２の膜を備える複数の膜と、
   前記複数の膜との相互作用後に前記試料の異なる成分を検出するための検出器とを備え、
   前記第１の膜と前記第２の膜とは、前記試料の流路によってつながっており、
   前記ハウジングの前記入口は、前記試料を前記複数の膜へ導き、
   前記検出器は、予備的な結果を判定するために前記試料が前記複数の膜のうちの第１の膜と相互作用した後と、最終的な結果を判定するために前記試料が前記複数の膜のうちの第２の膜と相互作用した後に、前記内部チャンバの中で分析物を連続的に検出するように構成されている、試料の化学分析のための装置。
2. 前記検出器は質量分析計を備え、イオン源が前記内部チャンバ内に配置される、請求項１に記載の装置。
3. 前記複数の膜の少なくとも１つの膜は、前記入口と前記内部チャンバとの間に配置された平坦な部分を備える、請求項１に記載の装置。
4. 前記複数の膜が第３の膜を備える、請求項１に記載の装置。
5. 前記複数の膜が、前記試料に逐次的に露出される、請求項１に記載の装置。
6. 前記複数の膜が、並行して前記試料に露出される、請求項１に記載の装置。
7. 前記複数の膜が、特定の質量電荷比を有する複数の成分に対して異なる反応時間を有する、請求項１に記載の装置。
8. 前記装置は、前記異なる成分の異なる反応時間を促進するための加熱要素をさらに備える、請求項１に記載の装置。
9. 前記異なる成分が異なる分子を備える、請求項１に記載の装置。
10. 前記検出器は、前記試料が前記複数の膜のうちの第１の膜と相互作用した後に、前記試料の第１の検出を実行して予備的な結果を判定し、前記予備的な結果が結果の可能性を示す場合には、前記試料が前記複数の膜のうちの第２の膜と相互作用した後に、前記試料の第２の検出を実行して最終的な結果を判定する、請求項１に記載の装置。
11. 前記第１の膜及び前記第２の膜のうちの少なくとも１つが管状部分を備える、請求項１に記載の装置。
12. 前記装置は、前記第１の膜から前記第２の膜への流路に沿ってバルブを備え、
    前記バルブは、前記試料の分離を促進するために一定期間の後に前記試料の前記複数の膜への流れを停止させるように構成されている、請求項１に記載の装置。
13. 前記第１の膜は、前記第２の膜とは異なる組成、異なる厚さ、又は、異なる形状を有する、請求項１に記載の装置。
14. 前記装置は、前記複数の膜のうちの少なくとも１つの膜の近傍に配置された少なくとも１つの加熱要素であって、前記少なくとも１つの加熱要素は、前記異なる成分の異なる反応時間を促進するように前記複数の膜のうちの少なくとも１つの膜を加熱するように構成される、少なくとも１つの加熱要素を備える、請求項１に記載の装置。
15. 試料の化学分析のための方法において、前記方法は、
    試料の異なる成分に対して異なる反応時間を有する複数の膜へ試料を導くステップと、
    前記試料の分離を促進するために一定期間の後に前記試料の前記複数の膜への流れを停止させるステップと、
    前記複数の膜の異なる反応時間のために前記試料の前記異なる成分を分離させるステップと、
    前記複数の膜で分離させた後に気体の異なる成分を検出するステップとを備え、
    前記複数の膜へ試料を導くステップは、第１の時間において前記複数の膜のうちの第１の膜に前記試料を導き、前記第１の時間後に第２の時間において前記複数の膜のうちの第２の膜に前記試料を導くステップを備え、
    前記方法は、前記第１の時間において前記複数の膜のうちの前記第１の膜に前記試料を導いた後に予備的な結果を検出するステップと、前記予備的な結果が結果の可能性を示す場合には、前記第２の時間において前記複数の膜のうちの前記第２の膜に前記試料を導いた後に最終的な結果を検出するステップをさらに備える、試料の化学分析のための方法。
16. 前記試料の異なる成分を分離させるステップが、前記試料の流れを開始させるステップと前記試料の流れを停止させるステップをさらに備える、請求項１５に記載の方法。
17. 前記複数の膜へ試料を導くステップは、同時に前記複数の膜に前記試料を導くステップを備える、請求項１５に記載の方法。
18. 試料の化学分析のための方法において、前記方法は、
    試料の異なる成分に対して異なる反応時間を有する複数の膜へ試料を導くステップと、
    前記試料の分離を促進するために一定期間の後に前記試料の前記複数の膜への流れを停止させるステップと、
    前記複数の膜の異なる反応時間のために前記試料の前記異なる成分を分離させるステップと、
    前記複数の膜で分離させた後に気体の異なる成分を検出するステップとを備え、
    前記方法は、予備的な結果を判定するために前記試料が前記複数の膜のうちの第１の膜と相互作用した後と、最終的な結果を判定するために前記試料が前記複数の膜のうちの第２の膜と相互作用した後に、内部チャンバの中で分析物を連続的に検出するステップをさらに備える、試料の化学分析のための方法。