JP7471657B2 - 呼気捕獲装置 - Google Patents

Description

本発明は、動物又はヒトの呼気を捕獲する装置に関する。

従来、癌の診断方法の一つとして呼気分析法が知られている。呼気分析法は、呼気に含まれるバイオマーカーと呼ばれる揮発性物質の量を分析することにより、癌の診断を行う。呼気中のバイオマーカーは低濃度であるため、これを濃縮するためにＭＥＭＳ技術により制作された３次元微細構造体に揮発性有機ガス分子の吸着剤が塗布された吸着プレートを用いて吸着面積を増やす技術が知られている（例えば、特許文献１等）。この吸着プレートは、シリコン基板の一方面をドライエッチングしたもの、シリコン基板上に多数のカーボンナノチューブ束を立設状に設けたもの、或いは、樹脂構造体により一方面が微細凹凸形状のプレート状に構成したもの等が知られている（例えば、非特許文献１等）。斯かる吸着プレートを用いることにより、ｐｐｂオーダーの低濃度ガスを濃縮し、ｐｐｍオーダーしか検出できないガスクロマトグラフィー等の分析装置で分析することができる。

特開２０１６－１１９２９号公報 李 相錫、"樹脂構造体を用いたがんの早期診断のための安価なマイクロ予備濃縮器の検討"、［online］、令和元年６月１２日、科学研究費助成事業 研究成果報告書、［令和３年８月３１日検索］、インターネット＜URL： https://kaken.nii.ac.jp/ja/file/KAKENHI-PROJECT-16K04919/16K04919seika.pdf＞

上記従来の吸着プレートは、小型化可能で吸着性能に優れているが、小型化したことにより取り扱い難く、呼気を適切に捕獲させる手段がなかった。

そこで、本発明は、小型化した吸着プレートの取り扱い性に優れ、呼気を適切に捕獲させることができる、呼気捕獲装置を提供することを主たる目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る呼気捕獲装置は、呼気を通すための流路を備える本体と、前記本体に着脱可能であって、ガス吸着面を有する吸着プレートを着脱可能に保持するとともに、前記吸着プレートを前記流路内に配置する保持体と、を備え、前記本体は、前記流路と交差する方向に前記保持体を挿脱可能な挿着口を備える。

本発明の他の態様によれば、前記保持体は、前記流路の軸線と保持した前記吸着プレートとの交差角度が其々異なる複数の交換可能な保持体を含む。

本発明の他の態様によれば、前記保持体は、前記流路の軸線と保持した前記吸着プレートとの交差角度が変更可能に構成され得る。

本発明の他の態様によれば、前記ガス吸着面の向きを固定するための位置決め機構を更に備え、前記位置決め機構は、前記保持体及び前記本体の一方に設けられたキーと、前記保持体及び前記本体の他方に設けられて前記キーが係合する複数のキー溝と、を有し、前記複数のキー溝の何れかに前記キーを係合させることにより、前記流路の軸線に対して、前記吸着プレートの交差角度を変更可能とされる。

本発明の他の態様によれば、前記保持体は、前記流路の軸線と交差する回転軸線周りに回動可能に前記本体に装着されるとともに、ゴム製Ｏリングを介して前記本体と摩擦係合することにより任意の回転角度位置を保持可能に構成され、前記流路の軸線に対して、前記吸着プレートの交差角度を変更可能とされる。

本発明の他の態様によれば、前記保持体及び前記本体に、前記保持体の回転角度位置を示す表示が設けられる。

本発明の他の態様によれば、前記保持体は、前記流路の軸線に対して、前記吸着プレートが斜めに交差するように前記吸着プレートを保持する。

本発明の他の態様によれば、前記本体は、前記流路と交差する方向に前記保持体を挿脱可能な挿着口を備え、前記保持体は、前記保持体を把持するための把持部と、前記把持部に連設されて前記吸着プレートを前記流路内で支持する支持部と、前記支持部に支持された前記吸着プレートを着脱可能に保持する可動ストッパーと、を備える。

本発明の他の態様によれば、前記可動ストッパーは、前記把持部に設けられたガイド孔に、スライド可能に挿入されるとともに、前記吸着プレートに係合する先端部を備える。

本発明の他の態様によれば、前記可動ストッパーは、前記ガイド孔内に設けられた被係止部に係止する係止部を備え、前記被係止部は、前記可動ストッパーが前記吸着プレートに係合する係合位置と、前記可動ストッパーが前記吸着プレートに係合しない非係合位置とに、其々設けられる。

本発明によれば、吸着プレートを保持体に着脱自在に保持させ、吸着プレートを保持させた保持部を本体の挿着口に着脱可能に挿着することにより、吸着プレートを流路内に配置できるので、吸着プレートを保持体に保持させれば、保持体を本体に装着することにより、吸着プレートを呼気が流れる流路に配置することができ、呼気を適切に捕獲することができる。

本発明に係る呼気捕獲装置の一実施形態を示す正面図である。 図１の呼気捕獲装置の平面図である。 図３のIII－III視断面拡大図である。 図３の部分拡大図である。 図１の呼気捕獲装置の構成要素である本体を示す正面図である。 図５の本体の平面図である。 図６のVII－VII視断面図である。 図５の本体の右側面図である。 図５の本体の左側面図である。 図１の呼気捕獲装置の構成要素である保持体を示す平面図である。 図１０の保持体の正面図である。 図１０の保持体の左側面図である。 図１２の部分拡大図である。 図１の呼気捕獲装置の構成要素である可動ストッパーを示す平面図である。 図１４の可動ストッパーの側面図である。 図１４の可動ストッパーの底面図である。 図１０の保持体の変更態様を示す平面図である。 図１０の保持体の他の変更態様を示す平面図である。 本発明の一実施形態による呼気捕獲装置によって捕獲されたガスの分析結果を示すグラフである。 本発明の他の実施形態による呼気捕獲装置によって捕獲されたガスの分析結果を示すグラフである。 本発明の更に他の実施形態による呼気捕獲装置によって捕獲されたガスの分析結果を示すグラフである。 本発明に係る呼気捕獲装置の他の実施形態を示す正面図である。 図６の本体の変更態様を示す平面図である。 図６の本体の更に他の変更態様を示す平面図である。 図２４の本体に装着する保持体を示す正面図である。 図２４の本体に図２５の保持体を装着した呼気捕獲装置を示す正面図である。 図２６の呼気捕獲装置の平面図である。

本発明に係る呼気捕獲装置の実施形態について、以下に図１～図１４を参照して説明する。なお、全図及び全実施例を通じて同一又は類似の構成要素に同符号を付した。

図１に示すように、呼気捕獲装置１は、呼気を通すための流路２を備える本体３と、ガス吸着面Ｐｓを有する吸着プレートＰ（図４、１３参照）を着脱可能に保持するとともに本体３に着脱可能な保持体４と、を備える。

吸着プレートＰは、ガス吸着面Ｐｓを備え、例えば、ＭＥＭＳ技術によりシリコン基板の一方面をドライエッチングして３次元微細構造としたもの、シリコン基板上に多数のカーボンナノチューブが立設状に設けて３次元微細構造としたもの、或いは、樹脂構造体により一方面が微細凹凸形状のプレート状に構成したもの等の公知のものを使用することができる。ガス吸着面には、揮発性有機ガス分子の吸着材（多孔質ポリマー吸着剤ＴＥＮＡＸ－ＴＡ等）が塗布される。その他の吸着プレートＰとして、薄板に吸着剤を塗布しただけのものも使用し得る。本実施形態では、MEMS製作技術を用いてシリコン基板をエッチングし、バイオマーカーとなる呼気からの揮発性有機ガスの吸着材であるＴＥＮＡＸ－ＴＡをエッチング面に塗布し、その吸着材を塗布した面が露出した、直径１ｃｍ程度の薄い円盤状の吸着プレートを用いている（図４参照）。

本体３は、図６及び図７に示すように、流路２の軸線Ｘ方向と交差する方向（Ｚ軸方向）に保持体４を挿脱可能な挿着口３ａを備えている。挿着口３ａの内周面には、保持体４の外周面に突接された位置決め用キー４ａ（図３、図１１）が嵌るキー溝３ｂ１が設けられている。位置決め用キー４ａがキー溝３ｂ１に嵌合することにより、吸着プレートＰのガス吸着面Ｐｓが流路２を通る呼気の流れを受ける方向を向くように配置される。

図１０～図１６を参照して、保持体４は、保持体４を把持するための把持部４ｂと、把持部４ｂに連設されて吸着プレートＰを支持する支持部４ｃと、支持部４ｃに吸着プレートＰを着脱可能に固定する可動ストッパー４ｄと、を備える。

把持部４ｂは、指で摘まんで持てるような寸法形状に形成されている。把持部４ｂは、図示例では円柱状であるが、角柱状或いはその他の形状でもよい。

支持部４ｃは、吸着プレートＰの周縁部の一部が嵌る溝状である。支持部４ｃは、図１２及び図１３に示すように、本例において２か所に分散して設けられているが、１か所のみ、或いは３か所以上に分散して設けることもできる。支持部４ｃは、溝状に限らず、鈎状或いはその他の支持形状とすることもできる。

可動ストッパー４ｄは、把持部４ｂに設けられたガイド孔４ｂ１に、スライド可能に挿入さている。可動ストッパー４ｄは、ガイド孔４ｂ１の内面に設けた被係止部４ｂ２、４ｂ３に係止する係止部４ｄ１を備える。係止部４ｄ１は、図１４～図１６を参照して、可撓部４ｄ２に設けた突部によって構成されている。可撓部４ｄ２は、可動ストッパー４ｄにスリット４ｄ２を設けて薄肉状とすることにより可撓性を有する。係止部４ｄ１を構成する突部は、半円球状とされている。被係止部４ｂ２、４ｂ３は、係止部４ｄ１が嵌る凹部によって構成されている。可動ストッパー４ｄをガイド孔４ｂ１に差し込むと、可撓部４ｄ２が弾性変形してスリット４ｄ２の内側に撓み、係止部４ｄ１を構成する突部が被係止部４ｂ２又は４ｂ３を構成する凹部の位置に来ると、撓んでいた可撓部４ｄ２が弾性復帰して係止部４ｄ１の突部が被係止部４ｂ２又は４ｂ３の凹部に嵌り、係止部４ｄ１が被係止部４ｂ２又は４ｂ３に係止する。

可動ストッパー４ｄの先端部は、吸着プレートＰの周縁部の一部に係合する係合部４ｅを備える。係合部４ｅは、図示例の如く段部によって構成することができる。可動ストッパー４ｄの後端部４ｆは、保持体４の把持部４ｂから突出し、指で摘まんで持てるようになっており、可動ストッパー４ｄのスライド操作に供される。

被係止部４ｂ２は、可動ストッパー４ｄが吸着プレートＰに係合する係合位置に設けられ、被係止部４ｂ３は、可動ストッパー４ｄが吸着プレートＰに係合しない非係合位置に設けられている。吸着プレートＰは薄くて破損しやすいため、適切な係合位置で係止部４ｄ１が被係止部４ｂ１に係止することにより、吸着プレートに過大な負荷がかかることを防ぎ、吸着プレートＰの破損を防ぐことができる。

吸着プレートＰは、支持部４ｃと可動ストッパー４ｄとに挟まれることにより保持体４に保持される。可動ストッパー４ｄをスライドさせるだけで、吸着プレートＰの着脱を容易に行うことができる。吸着プレートＰは、ピンセット等で掴んで保持部にセットすることができる。

図１２及び図１３において、符号４ｊは可動ストッパー４ｄが嵌るガイド溝であり、符号４ｋは、吸着プレートＰを摘まむピンセットの先が入るスペースを提供するための凹部を示す。

上記のように、吸着プレートＰを保持体４に着脱自在に保持させ、吸着プレートＰを保持させた保持部４を本体３の挿着口３ａに着脱可能に挿着することにより、吸着プレートＰを流路２内に配置できるので、吸着プレートＰを保持体４に保持させれば、保持体４を本体３に装着することにより、吸着プレートＰを呼気が流れる流路２内に配置することができ、呼気を適切に捕獲することができ、小さくて扱いにくい吸着プレートＰの装着、交換が容易に行える。

保持体４は、把持部４ｂと位置決め用キー４ａとの間に鍔部４ｇを備える。鍔部４ｇは、本体３の挿着口３ａの周縁に当接する。鍔部４ｇは、保持体４を挿着口３ａに差し込んだ時に、把持部４ｂを本体２の外部に配置するとともに、吸着プレートＰが流路２内の所定位置に配置されるように、位置決めとして機能する。保持体４は、周溝４ｈにゴム製のＯリング４ｉ（図３）が装着され、挿着口３ａに気密的に嵌入される。

保持体４を本体３に挿着すると、流路２は保持体４によって部分的に遮られるが、呼気が流路２を通り抜ける空隙は残される。従って、流路２の一方側開口から流入した呼気は、流路２の他方側開口から流出することができる。呼気は、流路２の途中で保持体４に保持されている吸着プレートＰに接触し、ガス吸着面Ｐｓに呼気中の揮発性有機ガスが吸着される。

流路２の流路断面積は、図３及び図７に示すように、吸着プレートＰが配置される位置が広く、呼気の出口側が絞られて狭く構成されている。流路２の出口側を絞ることにより、流路２に流入した呼気を吸着プレートＰの周囲に滞留させることができる。

流路２の一方側（呼気入口側）は、挿管チューブ等の管（図示せず。）を差し込んで接続することができる第１管接続部２ａとなっている。流路２の他方側は、ホースジョイント３ｃで構成された第２管接続部２ｂが設けられ、麻酔チューブの接続等に用いられ得る。被験体（動物又はヒト）から挿管チューブを通じて呼気捕獲装置１の流路２に呼気が送られ、保持体４に保持された吸着プレートＰに呼気中の揮発性有機ガスが吸着される。流路２の一方側から流入する呼気は、流路２の他方側へ排出される。その後、保持体４を本体３から抜脱し、可動ストッパー４ｄをスライドさせ、保持体４の支持部４ｃから吸着プレートＰを取り外す。取り外した吸着プレートＰは図外の加熱装置によって高温（例えば３００℃）で加熱され、吸着していた揮発性有機ガスは、蒸発させられて、ガスクロマトグラフィーで成分分析される。

図３及び図４に示す保持体４は、流路２の軸線Ｘと吸着プレートＰとの交差角度θが９０°である。交差角度θは、軸線Ｘと吸着プレートＰとのなす角の最小値を意味する。一方、図１７に示す保持体４Ａは、流路２の軸線Ｘに対して、吸着プレートＰが交差角度７５°で斜めに交差するように吸着プレートＰを保持する。図１８に示す保持体４Ｂは、流路２の軸線Ｘに対して、吸着プレートＰが交差角度１５°で斜めに交差するように吸着プレートＰを保持する。可動ストッパー４ｄは、溝状の支持部４ｃに嵌めた吸着プレートＰが抜け落ちないように吸着プレートＰの周縁部に係合する。保持体４と保持体４Ａは、相互に取り換えて本体３に装着できる。

保持体４、保持体４Ａ、保持体４Ｂを相互に取り換えて、捕獲された呼気中の揮発性有機ガス分子をガスクロマトグラフィーで分析した結果を図１９～図２１に示す。図１９のグラフは交差角度θが９０°の場合、図２０のグラフは交差角度が７５°の場合、図２１は交差角度が１５°の場合を其々示している。交差角度９０°の場合（図１９）は揮発性有機ガス分子の捕獲量が大きく、交差角度θが７５°の場合（図２０）は揮発性有機ガス分子の捕獲種が多く、交差角度が１５°の場合（図２１）は揮発性有機ガス分子の捕獲量、捕獲種が共に少ないことを示している。このことは、呼気が吸着プレートＰに当たる方向によって、揮発性有機ガス分子の捕獲量と捕獲種が異なることを意味する。

交差角度θは、分析したい分子の量及び種類に応じて、５°～９０°の範囲内で適宜設定した角度を採用することができる。

本体３は、図２２に示すように、挿着口３ａ（図６）を複数設け、交差角度θが異なる複数の保持体４、４Ａを同時に装着することもできる。図２２では、保持体が２つの例を示しているが、保持体が３個以上装着できるように構成することもできる。

図２３は、本発明に係る呼気捕獲装置の他の実施形態の本体３を示している。図２３に示すように、本体３の挿着口３ａに、複数のキー溝３ｂ１、３ｂ２が設けられている。その他の構成は、図１～図１６に示した呼気捕獲装置と同様である。キー溝３ｂ１、３ｂ２は、所定角度間隔で形成されている。複数のキー溝３ｂ１、３ｂ２の何れかに保持体４のキー４ａ（図３，図１１参照）を係合させることにより、流路２の軸線Ｘに対して、図２３に仮想線で示されるように、保持された吸着プレートＰの交差角度θを変更可能とされている。斯かる構成によれば、上記したような交差角度θが異なる保持体４Ａを別途用意する必要がない。キー溝を保持体４に設けて、キーを本体３に設けることもできる。

図２４～図２７は、本発明に係る呼気捕獲装置の更に他の実施形態を示している。図２４～図２７に示す呼気捕獲装置１は、図２４に示すように本体３の挿着口３ａに上記実施形態のキー溝を備えておらず、図２５に示すように保持体４に上記実施形態のキーを備えていない。保持体４及び本体３には、保持体４の回転角度位置を示す表示５ｍ、５ｎが設けられている。その他の構成は図１～図１６に示す呼気捕獲装置１と同様である。図示例において、表示５ｍは基準位置の目印であり、表示５ｎは角度目盛である。斯かる構成によれば、保持体４は、流路２の軸線Ｘと交差する回転軸線Ｙの周りに回動可能に本体３に装着される。それにより、流路２の軸線Ｘに対して、保持された吸着プレートＰの交差角度θを変更可能とされている。また、保持体４は、ゴム製Ｏリング４ｉを介して本体３と摩擦係合することにより任意の回転角度位置で保持できる。

本発明は、上記実施形態に限定解釈されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。

１ 呼気捕獲装置
２ 流路
３ 本体
３ａ 挿着口
３ｂ１、３ｂ２ キー溝
４、４Ａ 保持体
４ａ キー
４ｂ 把持部
４ｂ１ ガイド孔
４ｂ２ 被係止部
４ｂ３ 被係止部
４ｃ 支持部
４ｄ 可動ストッパー
４ｄ１ 係止部
４ｉ ゴム製Ｏリング
５ｍ、５ｎ 表示
Ｐ 吸着プレート
Ｐｓ ガス吸着面
Ｘ 軸線
θ 交差角度

Claims (10)

1. 呼気を通すための流路を備える本体と、
   前記本体に着脱可能であって、ガス吸着面を有し分析に供される吸着プレートを着脱可能に保持するとともに、前記吸着プレートを前記流路内に配置する保持体と、を備え、
   前記本体は、前記流路と交差する方向に前記保持体を挿脱可能な挿着口を備える、呼気捕獲装置。
2. 前記保持体は、前記流路の軸線と保持した前記吸着プレートとの交差角度が其々異なる複数の交換可能な保持体を含み、前記複数種類の交換可能な保持体が前記挿着口に相互に取り換えて装着可能に構成されている、請求項１に記載の呼気捕獲装置。
3. 前記保持体は、前記流路の軸線と保持した前記吸着プレートとの交差角度が変更可能に構成されている、請求項１に記載の呼気捕獲装置。
4. 前記ガス吸着面の向きを固定するための位置決め機構を更に備え、前記位置決め機構は、前記保持体及び前記本体の一方に設けられたキーと、前記保持体及び前記本体の他方に設けられて前記キーが係合する複数のキー溝と、を有し、前記複数のキー溝の何れかに前記キーを係合させることにより、前記流路の軸線に対して、前記吸着プレートの交差角度を変更可能とされている、請求項３に記載の呼気捕獲装置。
5. 前記保持体は、前記流路の軸線と交差する回転軸線周りに回動可能に前記本体に装着されるとともに、ゴム製Ｏリングを介して前記本体と摩擦係合することにより任意の回転角度位置を保持可能に構成され、前記流路の軸線に対して、前記吸着プレートの交差角度を変更可能とされている、請求項３記載の呼気捕獲装置。
6. 前記保持体及び前記本体に、前記保持体の回転角度位置を示す表示が設けられている、請求項５に記載の呼気捕獲装置。
7. 前記保持体は、前記流路の軸線に対して、前記吸着プレートが斜めに交差するように前記吸着プレートを保持する、請求項１に記載の呼気捕獲装置。
8. 前記保持体は、前記保持体を把持するための把持部と、前記把持部に連設されて前記吸着プレートを前記流路内で支持する支持部と、前記支持部に支持された前記吸着プレートを着脱可能に保持する可動ストッパーと、を備える、請求項１に記載の呼気捕獲装置。
9. 前記可動ストッパーは、前記把持部に設けられたガイド孔に、スライド可能に挿入されるとともに、前記吸着プレートに係合する先端部を備える、請求項８に記載の呼気捕獲装置。
10. 前記可動ストッパーは、前記ガイド孔内に設けられた被係止部に係止する係止部を備え、
    前記被係止部は、前記可動ストッパーが前記吸着プレートに係合する係合位置と、前記可動ストッパーが前記吸着プレートに係合しない非係合位置とに、其々設けられている、請求項９に記載の呼気捕獲装置。