特許7265294ガス環境中の有機化合物をモニタリングするためのシステム、機器及び方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-04-18
(45)【発行日】2023-04-26
(54)【発明の名称】ガス環境中の有機化合物をモニタリングするためのシステム、機器及び方法
(51)【国際特許分類】
G01N 30/08 20060101AFI20230419BHJP
G01N 30/26 20060101ALI20230419BHJP
B01J 20/282 20060101ALI20230419BHJP
G01N 30/64 20060101ALI20230419BHJP
【ＦＩ】
G01N30/08 G
G01N30/26 P
B01J20/282 J
G01N30/64 F
【請求項の数】
18
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2022029540
(22)【出願日】2022-02-28
(62)【分割の表示】P 2018553906の分割
【原出願日】2017-04-14
(65)【公開番号】P2022066291
(43)【公開日】2022-04-28
【審査請求日】2022-03-03
(31)【優先権主張番号】62/322,980
(32)【優先日】2016-04-15
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】593152720
【氏名又は名称】イェール ユニバーシティー
【氏名又は名称原語表記】Ｙａｌｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
【住所又は居所原語表記】２ Ｗｈｉｔｎｅｙ Ａｖｅｎｕｅ， Ｎｅｗ Ｈａｖｅｎ， ＣＴ ０６５１０， Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ
(74)【代理人】
【識別番号】100099759
【弁理士】
【氏名又は名称】青木 篤
(74)【代理人】
【識別番号】100123582
【弁理士】
【氏名又は名称】三橋 真二
(74)【代理人】
【識別番号】100173107
【弁理士】
【氏名又は名称】胡田 尚則
(74)【代理人】
【識別番号】100128495
【弁理士】
【氏名又は名称】出野 知
(74)【代理人】
【識別番号】100146466
【弁理士】
【氏名又は名称】高橋 正俊
(74)【代理人】
【識別番号】100142387
【弁理士】
【氏名又は名称】齋藤 都子
(72)【発明者】
【氏名】ドリュー ジェントナー
【審査官】倉持 俊輔
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｎ ３０／００，３０／８８，
Ｇ０１Ｎ ２７／６２，
Ｇ０１Ｎ ３３／００，３３／４９７
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
フィルタ、フロー絞り器、
トラップ、
クロマトグラフィーカラム、
ディテクタ、及び、
ポンプ
を含む、ガス混合物を分析するためのシステムであって、
前記トラップ及び前記ポンプは、前記トラップの下流に位置する前記ポンプで第一のガス流路を形成するように流体連通可能であり、
前記フィルタ、前記フロー絞り器、前記トラップ、前記クロマトグラフィーカラム、前記ディテクタ及び前記ポンプは、前記フィルタ、前記トラップ、前記クロマトグラフィーカラム、及び前記ディテクタの下流に位置する前記ポンプで第二のガス流路を形成するように流体連通可能であり、前記フロー絞り器は、前記トラップ、前記クロマトグラフィーカラム、前記ディテクタ及び前記ポンプの上流に位置しており、
前記フロー絞り器は前記第二のガス流路のみに位置している、システム。
【請求項2】
前記トラップ及び前記クロマトグラフィーカラムに流体連通していないフィルタ、前記ディテクタ及び前記ポンプが、第三のガス流路を形成するように流体連通可能である、請求項１記載のシステム。
【請求項3】
前記クロマトグラフィーカラムは気体-固体吸着クロマトグラフィーカラム及び気体-液体ガスクロマトグラフィーカラムからなる群より選ばれる、請求項１記載のシステム。
【請求項4】
前記トラップは吸着材料をさらに含む、請求項１記載のシステム。
【請求項5】
前記フィルタは活性炭フィルタである、請求項１記載のシステム。
【請求項6】
前記ディテクタは光イオン化ディテクタ、質量分析計、分光光度計及び熱伝導率ディテクタからなる群より選ばれる、請求項１記載のシステム。
【請求項7】
前記ディテクタは光イオン化ディテクタである、請求項１記載のシステム。
【請求項8】
前記ポンプは前記第一のガス流路及び前記第二のガス流路に負圧を提供する、請求項１記載のシステム。
【請求項9】
ハウジングをさらに含む、請求項１記載のシステム。
【請求項10】
前記ハウジングは２１６立方インチ以下である、請求項９記載のシステム。
【請求項11】
前記システムはｐｐｔ（１兆分率）の感度で化合物を検出することができる、請求項１記載のシステム。
【請求項12】
ガス混合物中の少なくとも１つの化合物を分析する方法であって、前記方法は、トラップの下流に位置するポンプを用いて、前記トラップを通るように前記ガス混合物のフローを指向させて、少なくともある量の化合物を濃縮すること、
フィルタの下流に位置する前記ポンプを用いて、前記フィルタ、及び前記フィルタの下流のフロー絞り器を通るようにガス混合物のフローを再指向させて、ろ過されたガスフローをトラップに提供すること、
前記ろ過されたガスフロー中に、少なくともある量の濃縮された化合物を解放すること、及び、
少なくともある量の解放された濃縮された化合物を分析すること、
を含み、
前記トラップを通るガス混合物のフローの方向は、前記トラップを通るろ過されたガスのフローの方向とは反対である、方法。
【請求項13】
前記少なくとも1つの化合物は少なくとも1つの有機化合物を含む、請求項１２記載の方法。
【請求項14】
前記少なくとも1つの有機化合物は少なくとも１つの揮発性有機化合物を含む、請求項１３記載の方法。
【請求項15】
少なくともある量の解放された濃縮された化合物の分析は、解放された濃縮された化合物の少なくともある量をガスクロマトグラフィーカラムを通過させることを含む、請求項１２記載の方法。
【請求項16】
前記ガスクロマトグラフィーカラムは気体-固体吸着クロマトグラフィーカラム及び気体-液体ガスクロマトグラフィーカラムからなる群より選ばれる、請求項１５記載の方法。
【請求項17】
少なくともある量の解放された濃縮された化合物の分析は光イオン化、質量分析法、分光光度法及び熱伝導率ディテクタを用いる方法からなる群より選ばれる方法によって有機化合物を同定することを含む、請求項１２記載の方法。
【請求項18】
前記化合物を定量化することをさらに含む、請求項１７記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願との相互参照
本出願は、２０１６年４月１５日に出願された米国仮出願第62/322,980号の優先権を主張し、それ全体を参照により本明細書中に取り込む。
本出願は、２０１６年４月１５日に出願された米国仮出願第62/322,980号の優先権を主張し、それ全体を参照により本明細書中に取り込む。
【背景技術】
【0002】
発明の背景
一般に、大気又は他の環境下での揮発性有機化合物（ＶＯＣ）を含む有機化合物の測定は、大きく（最小で約２フィートx ２フィートx ２フィート）、高価で（＄２５ｋ～５００ｋの範囲）、そしてクロマトグラフィー用の消費可能ガス、例えば、高純度ヘリウム、水素及び／又は窒素シリンダを必要とする計器を必要とする。科学の進歩、健康スクリーニング、環境モニタリング及び規制政策はこれらの制約及びそのコストによって大きく制限され、開発途上国又は恵まれない地域社会においてはさらになおさらである。現在の測定ツールは、現場での大型ガスクロマトグラフ及び／又は質量分析計の設置（及び訓練を受けた専門家による操作）を必要とするか、又は、１フィートのガスキャニスターで空気サンプルを捕捉して、次いで、実験室で分析するために（さらには海洋間の距離で）輸送する必要があり、その測定値は、凝縮及びその壁への吸着により、キャニスタから回収できるものによって限定される。
一般に、大気又は他の環境下での揮発性有機化合物（ＶＯＣ）を含む有機化合物の測定は、大きく（最小で約２フィートx ２フィートx ２フィート）、高価で（＄２５ｋ～５００ｋの範囲）、そしてクロマトグラフィー用の消費可能ガス、例えば、高純度ヘリウム、水素及び／又は窒素シリンダを必要とする計器を必要とする。科学の進歩、健康スクリーニング、環境モニタリング及び規制政策はこれらの制約及びそのコストによって大きく制限され、開発途上国又は恵まれない地域社会においてはさらになおさらである。現在の測定ツールは、現場での大型ガスクロマトグラフ及び／又は質量分析計の設置（及び訓練を受けた専門家による操作）を必要とするか、又は、１フィートのガスキャニスターで空気サンプルを捕捉して、次いで、実験室で分析するために（さらには海洋間の距離で）輸送する必要があり、その測定値は、凝縮及びその壁への吸着により、キャニスタから回収できるものによって限定される。
【0003】
職業上及び工業上の設備は、制限された毎日又はそれ以上の平均測定値、又は、低い精度及び選択性のデータをそれぞれ提供する吸着剤「チューブ」又は「バッジ」又は化学的に非選択的なセンサーに依存しなければならない。ヒトの健康スクリーニングのためのツールは非常に高価であり、侵入性であるか又は放射線を伴う試験が必要な場合があるため、ヒトの呼吸又は他のガス媒体の分析の分野は、低コストで非侵入的な方法としての可能性について大きな有望性を示す。しかしながら、呼吸分析のための利用可能な方法は、例えばリアルタイムの大気圧イオン化質量分析計などの、維持及び操作に必要とされる特殊な専門知識を考慮すると、非常に高価でかつ稀である。この問題には、ヘルスケアサービスネットワーク全体に広がることができる堅牢で低コストの解決策が必要である。
【0004】
したがって、特に圧縮キャリアガスを必要とせずに動作するシステム及び方法において、ガス環境中の有機化合物を同定及び定量化するためのシステム及び方法が当該技術分野において引き続き必要とされている。本発明は、当該分野におけるこの継続的な必要性に取り組むものである。
【発明の概要】
【0005】
発明の要旨
１つの態様において、本発明は、ガス混合物を分析するためのシステムであって、
フィルタ、トラップ、クロマトグラフィーカラム、ディテクタ及びポンプを含み、前記トラップ及び前記ポンプは流体連通されて、第一のガスフローパスを形成し、前記フィルタ、前記トラップ、前記クロマトグラフィーカラム、前記ディテクタ及び前記ポンプは流体連通されて、第二のガスフローパスを形成する、システムに関する。１つの実施形態において、ディテクタ及びポンプは流体連通されて、第三のガスフローパスを形成する。別の実施形態において、クロマトグラフィーカラムは、気体-固体吸着クロマトグラフィーカラムである。別の実施形態において、クロマトグラフィーカラムは気体-液体ガスクロマトグラフィーカラムである。別の実施形態において、トラップは吸着材料をさらに含む。別の実施形態において、フィルタは活性炭フィルタである。別の実施形態において、ディテクタは、光イオン化ディテクタ、質量分析計、分光光度計及び熱伝導率ディテクタからなる群より選ばれる。別の実施形態において、ディテクタは光イオン化ディテクタである。別の実施形態において、ポンプは負圧を提供する。別の実施形態において、システムは、ハウジングをさらに含む。別の実施形態において、ハウジングは２１６立方インチ以下である。
１つの態様において、本発明は、ガス混合物を分析するためのシステムであって、
フィルタ、トラップ、クロマトグラフィーカラム、ディテクタ及びポンプを含み、前記トラップ及び前記ポンプは流体連通されて、第一のガスフローパスを形成し、前記フィルタ、前記トラップ、前記クロマトグラフィーカラム、前記ディテクタ及び前記ポンプは流体連通されて、第二のガスフローパスを形成する、システムに関する。１つの実施形態において、ディテクタ及びポンプは流体連通されて、第三のガスフローパスを形成する。別の実施形態において、クロマトグラフィーカラムは、気体-固体吸着クロマトグラフィーカラムである。別の実施形態において、クロマトグラフィーカラムは気体-液体ガスクロマトグラフィーカラムである。別の実施形態において、トラップは吸着材料をさらに含む。別の実施形態において、フィルタは活性炭フィルタである。別の実施形態において、ディテクタは、光イオン化ディテクタ、質量分析計、分光光度計及び熱伝導率ディテクタからなる群より選ばれる。別の実施形態において、ディテクタは光イオン化ディテクタである。別の実施形態において、ポンプは負圧を提供する。別の実施形態において、システムは、ハウジングをさらに含む。別の実施形態において、ハウジングは２１６立方インチ以下である。
【0006】
別の態様において、本発明は、ガス混合物中の少なくとも１つの化合物を分析する方法であって、トラップを通るようにガス混合物のフローを指向させ、少なくとも1つの化合物の少なくともある量を濃縮すること、フィルタを通るようにガス混合物のフローを再指向させて、ろ過されたガスフローをトラップに提供すること、少なくとも1つの濃縮された化合物の少なくともある量を前記ろ過されたガスフローに解放すること、及び、解放された少なくとも１つの濃縮された化合物の少なくともある量を分析することを含む、方法に関する。１つの実施形態において、少なくとも１つの化合物は、少なくとも１つの有機化合物を含む。別の実施形態において、少なくとも１つの有機化合物は少なくとも１つの揮発性有機化合物を含む。１つの実施形態において、解放された少なくとも1つの濃縮された化学化合物の少なくともある量の分析は、解放された少なくとも1つの濃縮された化合物の少なくともある量をガスクロマトグラフィーカラムに通すことを含む。１つの実施形態において、ガスクロマトグラフィーカラムは気体-固体吸着クロマトグラフィーカラムである。別の実施形態において、クロマトグラフィーカラムは気体-液体ガスクロマトグラフィーカラムである。別の実施形態において、解放された少なくとも１つの濃縮された化合物の少なくともある量の分析は、光イオン化、質量分析、分光光度法及び熱伝導性からなる群より選ばれる方法によって少なくとも１つの有機化合物を同定することを含む。別の実施形態において、解放された少なくとも１つの濃縮された化合物の少なくともある量の分析は、少なくとも１つの化合物を定量化することをさらに含む。１つの実施形態において、ガス混合物は環境ガス混合物である。別の実施形態において、ガス混合物は、生体対象によって吐き出されるか、又はさもなければ放出されるガスを含む。別の実施形態において、ガス混合物は空気である。
【図面の簡単な説明】
【0007】
図面の簡単な説明
本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な説明は、添付の図面と併せて読むと、よりよく理解されるであろう。本発明を例示する目的のために、図面には現在好ましい実施形態が示されている。しかしながら、本発明は、図面に示された実施形態の正確な配置及び手段に限定されないことを理解されたい。
本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な説明は、添付の図面と併せて読むと、よりよく理解されるであろう。本発明を例示する目的のために、図面には現在好ましい実施形態が示されている。しかしながら、本発明は、図面に示された実施形態の正確な配置及び手段に限定されないことを理解されたい。
【図1A】図１Ａ～１Ｈを含む図1は、本発明の２つの実施形態によるシステム又は機器の概略的なフローダイアグラムであり、検体の有無にかかわらずシステム又は機器を通るガス、すなわち空気のフローに関するものである。
【図1B】図１Ａ～１Ｈを含む図1は、本発明の２つの実施形態によるシステム又は機器の概略的なフローダイアグラムであり、検体の有無にかかわらずシステム又は機器を通るガス、すなわち空気のフローに関するものである。
【図1C】図１Ａ～１Ｈを含む図1は、本発明の２つの実施形態によるシステム又は機器の概略的なフローダイアグラムであり、検体の有無にかかわらずシステム又は機器を通るガス、すなわち空気のフローに関するものである。
【図1D】図１Ａ～１Ｈを含む図1は、本発明の２つの実施形態によるシステム又は機器の概略的なフローダイアグラムであり、検体の有無にかかわらずシステム又は機器を通るガス、すなわち空気のフローに関するものである。
【図1E】図１Ａ～１Ｈを含む図1は、本発明の２つの実施形態によるシステム又は機器の概略的なフローダイアグラムであり、検体の有無にかかわらずシステム又は機器を通るガス、すなわち空気のフローに関するものである。
【図1F】図１Ａ～１Ｈを含む図1は、本発明の２つの実施形態によるシステム又は機器の概略的なフローダイアグラムであり、検体の有無にかかわらずシステム又は機器を通るガス、すなわち空気のフローに関するものである。
【図1G】図１Ａ～１Ｈを含む図1は、本発明の２つの実施形態によるシステム又は機器の概略的なフローダイアグラムであり、検体の有無にかかわらずシステム又は機器を通るガス、すなわち空気のフローに関するものである。
【図1H】図１Ａ～１Ｈを含む図1は、本発明の２つの実施形態によるシステム又は機器の概略的なフローダイアグラムであり、検体の有無にかかわらずシステム又は機器を通るガス、すなわち空気のフローに関するものである。
【発明を実施するための形態】
【0008】
詳細な説明
本発明は、ガス環境中の有機化合物を濃縮、同定及び定量化するためのシステムに関する。本発明は、特に、ガス環境中の有機化合物を濃縮、同定及び定量化するための、空間、時間及びコスト効率の良いデバイスであるマイクロモニター機器に関する。本発明はさらに、圧縮された事前にボトル詰めされた精製されたキャリアガスを必要とせずに、ガス環境中の有機化合物を同定及び定量化するためのガスクロマトグラフィーを中心とする方法に関する。
本発明は、ガス環境中の有機化合物を濃縮、同定及び定量化するためのシステムに関する。本発明は、特に、ガス環境中の有機化合物を濃縮、同定及び定量化するための、空間、時間及びコスト効率の良いデバイスであるマイクロモニター機器に関する。本発明はさらに、圧縮された事前にボトル詰めされた精製されたキャリアガスを必要とせずに、ガス環境中の有機化合物を同定及び定量化するためのガスクロマトグラフィーを中心とする方法に関する。
【0009】
本発明は、本発明の方法、システム及び機器が圧縮ガスなしで動作し、そのため、既存のシステムに対して有意な改善をもたらすように設計されているので、分析化学における予期せぬ進歩を提供する。当該技術分野で知られている既存のシステムは、大きく、扱いにくくそして高価である。一方、本発明の機器は、１つの実施形態において、小さく、約６インチ×６インチ×６インチであり、そして低コストであり、例えば＜１０００ドルである。別の実施形態において、本発明のシステム又は機器は、大気又は他のガス環境中の有機化合物のためのモニターであり、その有機化合物は典型的には微量の濃度で存在し、例えば、ｐｐｂ（１０億分率）又はｐｐｔ（１兆分率）である。それは、圧縮ガスシリンダを使用せずに、周期的なガスクロマトグラフィーを介して、全濃度と化学的分解能の同時リアルタイム測定値を提供する。このモニターは、重要な有機化合物を同定及び測定するために、前例のないような小型で持ち運び可能で低コストの機能を提供する。
【0010】
本発明のシステム又は機器は、屋外モニタリングサイト、工業施設又は住宅屋内での研究又は環境モニタリングのために、呼吸、他の身体物質又は表面を分析することによる低コスト健康スクリーニングデバイスとして、又は、有機化合物の測定が重要である他の用途（例えば、食品、飲料品又は化学製品の品質制御、軍事モニタリング、低コスト実験室データ収集、及び、水中の揮発性有機物のモニタリング）のために使用することができる。特定の用途は、毒性及び／又は発癌性化合物（例えば、ベンゼン）である空気中の揮発性有機化合物（ＶＯＣ）、及び、オゾン及び二次有機エアロゾルへの反応性前駆体のディテクタとしての使用であり、これらは健康への影響が最も大きい２種類の大気汚染物質である。
【0011】
本発明は、ガス環境中の有機化合物を濃縮、同定及び定量化する、機能的、空間的、時間的及びコスト的に効率のよい機器及び方法を提供し、とりわけ、高頻度データのリアルタイム測定の追加的特徴を有するガスクロマトグラフの能力を効果的に再現することによる。本発明は幾つかの重要な進歩に部分的に依存する：（1）高純度ガスシリンダ、すなわち、高圧シリンダからの多量で、高価で、高純度のヘリウム、水素及び／又は窒素を必要とすることなく、キャリアガスとして、疎水性層及びフィルタを通して吸引された空気、すなわち微量の二酸化炭素（ＣＯ２）、水及びメタンを含む、窒素（Ｎ２）、酸素（Ｏ２）及びアルゴン、及び、小型ポンプを用いた、ガスストリーム中の顕著な有機化合物のガスクロマトグラフィーを行う能力、（2）小さなサイズ及びコストは特別に設計された部品及びエレクトロニクスを必要とし、このため、複数のデバイスで構成されたネットワークの一部を含めて、携帯測定又はアクセスが困難な場所での測定を行うためにデバイスを使用することができる能力を形成すること、（3）特定の化合物をクロマトグラフィーで同定する能力と組み合わせた１Ｈｚ周波数の同時リアルタイム測定であって、時に、コスト、サイズ及びメンテナンスが大きい選択された数少ない機器、例えばイオニコン（Ionicon）カスタマイズされたプロトン移動反応質量分析計によってのみ以前に行うことができた測定。これにより、有機化合物、特に１～２５個の炭素原子を有する広範な有機化合物の研究グレードの高品質データが得られる。
【0012】
定義
本発明の明確な理解に関連する要素を例示するために、本発明の図面及び説明は簡略化されており、一方、明確にするために、ガスクロマトグラフィー、ガスストリーム精製、有機化合物の吸着/脱着及び／又は捕捉、有機化合物の検出、ガスポンプ、クロマトグラフィーシステムの較正などに関連して当該技術分野で見られる他の要素を排除している。当業者であれば、本発明を実施する上で他の要素及び／又は工程が望ましい及び／又は必要であることを認識することができる。本明細書の開示は、当業者に知られているそのような要素及び方法に対するそのようなすべての変更及び修正を対象とする。
本発明の明確な理解に関連する要素を例示するために、本発明の図面及び説明は簡略化されており、一方、明確にするために、ガスクロマトグラフィー、ガスストリーム精製、有機化合物の吸着/脱着及び／又は捕捉、有機化合物の検出、ガスポンプ、クロマトグラフィーシステムの較正などに関連して当該技術分野で見られる他の要素を排除している。当業者であれば、本発明を実施する上で他の要素及び／又は工程が望ましい及び／又は必要であることを認識することができる。本明細書の開示は、当業者に知られているそのような要素及び方法に対するそのようなすべての変更及び修正を対象とする。
【0013】
他に規定されない限り、本明細書で使用される全ての技術用語及び科学用語は本発明が属する技術分野の当業者によって一般的に理解されるのと同じ意味を有する。本明細書に記載されているものと類似又は等価の任意の方法、材料及び構成要素を本発明の実施又は試験に使用することができるが、好ましい方法及び材料は記載されている。
【0014】
本明細書中で使用されるときに、以下の用語の各々は、このセクションにおいてそれに関連する意味を有する。
【0015】
冠詞「a」及び「an」は、冠詞の文法上の対象物の１つ又は複数（すなわち、少なくとも１つ）を指すために本明細書で使用される。例えば、「要素(an element)」は、１つの要素又は１つを超える数の要素を意味する。
【0016】
量、時間的持続長さなどの測定可能な値を指すときに本明細書中で使用される際の「約」は、指定された値から±２０％、±１０％、±５％、±１％又は±０．１％の変動を、このような変動が適切であるときに、包含することを意味する。
【0017】
本開示を通じて、本発明の様々な態様を範囲形式で提示することができる。範囲形式の記載は単に便宜上のものであり、本発明の範囲に対する融通性のない限定として解釈されるべきではないことを理解されたい。したがって、範囲の記載は、その範囲内のすべての可能な副次範囲及び個々の数値を具体的に開示したものと考えられるべきである。例えば、１～６などの範囲の記載は、１～３、１～４、１～５、２～４、２～６、３～６などの副次範囲、及び、その範囲内の個々の数字、例えば、１、２、２．７、３、４、５、５．３、６及びそれらの間の任意の全体及び部分増分を具体的に開示したものと考えるべきである。これは範囲の広さに関係なく適用される。
【0018】
詳細な説明
ここで図面を詳細に参照すると、いくつかの図を通して同様の参照番号は同様の部品又は要素を示し、様々な実施形態において、ガス環境中の有機化合物を同定及び定量化するためのシステム又は機器及び方法は本明細書中に提示される。
ここで図面を詳細に参照すると、いくつかの図を通して同様の参照番号は同様の部品又は要素を示し、様々な実施形態において、ガス環境中の有機化合物を同定及び定量化するためのシステム又は機器及び方法は本明細書中に提示される。
【0019】
１つの態様において、本発明は、ガスフローを管理及び分析することができる様々な構成要素及びデバイスを含むシステム又は機器に関する。例えば、図１Ａに示すように、例示的なシステム１００は、サンプリングインレット１１０及び１２０、吸着床トラップ１３０、フィルタ１３５、ヒータ１４０、ポンプ１５０、ディテクタ１５１、クロマトグラフィーカラム１５２、クロマトグラフィーカラムヒータ１５３、較正源１５４、及び、これらの構成要素を必要に応じて流体連通する導管１５５、１５６及び１５７を含む。サンプリングインレット１１０及び１２０は、遮断される能力を有するか又は有しない、任意のタイプの標準ポートであることができる。インレットは水の侵入を低減させる疎水性膜を含むことができる。吸着床トラップ１３０は、化合物、特に有機化合物、より具体的には揮発性有機化合物を可逆的に吸着することができる任意の適切な材料から作製することができる。いくつかの実施形態において、吸着剤トラップは多層構造のシリカゲル及び／又はビーズを含むことができる。フィルタ１３５は、化合物、特に有機化合物、より具体的には揮発性有機化合物を保持することができる任意の適切なタイプのろ過材料から作製することができる。１つの実施形態において、フィルタ１３５は活性炭から作製される。ヒータ１４０は、吸着床１３０を加熱することができ、吸着床１３０からの化合物の脱着を容易にする、任意の適切なヒータ、例えばカートリッジヒータとすることができる。ポンプ１５０は、システム１００を操作するための圧力を発生させることができる、任意の適切なポンプであることができる。１つの実施形態において、ポンプ１５０は負圧を生成する。別の実施形態又はフロースキームにおいて、ポンプ１５０の正圧排気は、いくつか又はすべてのシステム要素の上流のバルブを介して、脱着及び／又はガスクロマトグラフィーに使用することができる。ディテクタ１５１は、化合物、特に有機化合物、より具体的には揮発性有機化合物を検出するための任意の適切なディテクタとすることができる。クロマトグラフィーカラム１５２は、任意の適切な吸着表面、例えばガスクロマトグラフィーカラムであることができる。いくつかの実施形態において、クロマトグラフィーカラムは、活性相のための１００％ジメチルポリシロキサン（例えば、DB-1）又はトリフルオロプロピルメチルポリシロキサン（例えば、DB-200、DB-210）を含む。他の実施形態において、クロマトグラフィーカラムは多孔性ポリマーカラム、例えばPoraplot-Qカラムである。トラップ及びクロマトグラフィーカラムに使用される吸着性材料は、長期間にわたる検体の効率的な収集、その後の空気中での材料の熱脱着及びクロマトグラフィー分離を可能にする。このシステムは、検体及び吸着材料を酸素による熱分解から保護するので、有利である。このようにして、このシステムは、同等の装置よりも高い精度で個々の検体を定量化する能力を提供する。
【0020】
いくつかの実施形態において、デバイスは伝統的なシリカカラムを使用することができる。他の実施形態において、デバイスは、不動態化されたスチールカラム、例えばRTX-1を含む。不動態化されたスチールカラムは、より高い熱伝導率により、より迅速で正確な加熱及び冷却を提供し、また、従来のフェルール及び継手とのより安全な接続を提供する。その結果、不動態化されたスチールカラムの使用は信頼性を高め、現場で必要なメンテナンスの量を低減する。
【0021】
クロマトグラフィーカラムヒータ１５３は、クロマトグラフィーカラム１５２を加熱することができ、特にプログラムされた温度ランプを生成することができる、任意の適切なヒータ、例えばカートリッジヒータとすることができる。いくつかの実施形態において、本発明のシステムは複数の加熱ゾーンを含む。例えば、伝達効率を最適化するために、すべてのトランスファーラインを含むシステム全体を加熱することができる。幾つかの実施形態において、カラム１５２及びヒータを「ＧＣオンチップ」、「カラムオンチップ」又は「ガスクロマトグラフオンチップ」形態に統合することができ、ここで、「カラム」は、限定するわけではないが、金属、シリカ又はガラスを含む当該技術分野で知られている任意の適切な材料から作製されたプレートにミリング又はエッチングされた連結溝である。次いで、エッチングされた又はミリングされた材料を活性カラム相で処理することができ、それにより、従来のカラムと同様に挙動する。
【0022】
較正源１５４は、使用中の適切なディテクタ及び／又はクロマトグラフィーカラムのための任意の適切な較正源である。１つの実施形態において、較正源は単一の揮発性有機化合物を含む。導管１５５、１５６及び１５７は、限定するわけではないが、ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）、ステンレススチール、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）、又は、当業者に理解されるような任意の他の適切な材料などの材料から作製されたチューブであることができる。
【0023】
幾つかの実施形態において、クロマトグラフィーカラム１５２は気体-液体吸着クロマトグラフィーを利用することができる。幾つかの実施形態において、クロマトグラフィーカラム１５２は異なる活性カラム「相」、すなわち高温で熱分解が起こりにくい吸着性化学物質を含むことができる。
【0024】
１つの態様において、クロマトグラフィーカラム１５２は、空気中の酸素の存在下に高温で分解しにくい気体-固体吸着クロマトグラフィーを利用することができる。気体-固体吸着クロマトグラフィーカラムを使用することの別の利点は、水蒸気又は二酸化炭素の影響を受けにくいことである。気体-固体分離はトラッピング/濃縮吸着床及び開放管状カラムにわたって起こり、異なる吸着剤、例えばジビニルベンゼン又はモレキュラーシーブを有する様々な特定のカラムに適合させることができる。１つの実施形態において、クロマトグラフィーカラムは、キャリアガスとしての空気の主要成分、すなわち窒素及び酸素を使用することができるカラムである。窒素は空気の主要成分であり、酸素と構造が類似しているので、キャリアガスとしてのそれらの性能は同様である。
【0025】
１つの実施形態において、システム又は機器は、例えば、負圧源を提供することによって、真空ガスクロマトグラフィーを使用して操作される。別の実施形態において、システム又は機器は正圧ガスクロマトグラフィーを使用して操作される。様々な実施形態の間の違いは、ポンプ、バルブ及び接続部の向きに依存し、様々な構成は当業者によって想到されうる。１つの実施形態において、システム又は機器は、高速クロマトグラフィーの要素、例えばマイクロボア（microbore）カラムを使用する。１つの実施形態において、マイクロボアは０．０５～０．１５ｍｍの内径を有する。別の実施形態において、カラムは０．１５～１．００ｍｍの内径を有する。１つの実施形態において、マイクロボアは０．５３ｍｍの内径を有する。１つの実施形態において、クロマトグラフィーカラムは０．０５～１．００ｍｍの内径を有する。別の実施形態において、クロマトグラフィーカラムは０．５３ｍｍの内径を有する。別の実施形態において、システム又は機器は標的検体及びポンプ仕様に応じて他のカラムを使用する。他の実施形態において、システム又は機器は操作温度での酸素劣化に対して耐性のある固定相を有する気体-液体クロマトグラフィーカラムを使用する。
【0026】
本発明のシステムはまた、任意の特定の検体セットに対してカスタマイズ可能であるが、広範囲の検体に最適化されるようにフロー（速度及び方向）及び温度を調整することができる、結合された収集トラップ及びクロマトグラフィー制御及び分析モジュールを含むこともできる。１つの例において、制御及び分析モジュールは、１５～３０分まで≦５℃の温度での冷却状態で検体を収集する。別の例において、制御及び分析モジュールは、トラップを通る空気の流れを逆転させ、トラップに清浄空気をチャコールフィルタを通して供給する。別の例において、モジュールはトラップを急速に加熱して検体を、検体に応じて<５～１０℃に冷却されたカラム上に脱着させる。本例又は他の例は、カラムの開始部にクライオトラップ又は低温焦点化要素をさらに含むことができる。トラップ及びカラムを冷却することにより、検体の保持、集束及び性能の改善が可能になるので、トラップ及びカラムに冷却要素を使用することは、当該技術分野で知られているシステムよりも利点を示す。さらに別の例において、モジュールは、設定された温度ホールドで操作を開始し、次いで、所定のランプ速度でシステムを加熱し、その間、様々なフローを調整してカラムの最大分離効率を達成することができる。本例又は他の例において、システムは、ポンプでフローを最適化するために、カラムのヘッドに圧力絞り器をさらに備えていてもよい。
【0027】
別の例において、システムは、第一のサンプルを依然として分析している間に、第二のサンプルの収集を開始することができる。制御及び分析モジュールは、ガスクロマトグラフィー専用モードにおいてトラップの周りのバイパスラインにバルブを開くことによってこれを達成することができる。これにより、残りのガスクロマトグラフィー分析運転が、運転の後半部分に最適化された流速で操作することが可能になる。別の例において、モジュールは、加熱プログラム及びＧＣ分析を実行し、次いで、次の分析運転のためにシステムを準備するための急速冷却段階を実行する。
【0028】
図１Ａに示すように、システム１００はディテクタ１５１を含む。１つの実施形態において、ディテクタ１５１は、光イオン化ディテクタ（PID）、小型質量分析計、分光光度計、熱伝導率ディテクタ、任意の他の適切な分光器、又は、任意の他の適切なディテクタなどの検出要素である。１つの態様において、本発明は、光イオン化検出を用いるシステム又は機器に関する。ランプ内部のハロゲンガスを変化させることによってPIDランプのイオン化ポテンシャルを例えば９．６～１１．７ｅＶで変化させることにより、異なるイオン化エネルギー、すなわち約７ｅＶ～約１１．７ｅＶを有する検体の範囲にわたってより大きな選択性を機器に与える。１つの実施形態において、９．６ｅＶランプの使用は、芳香族炭化水素（BTEXとしても知られる）及び９．６ｅＶ未満のイオン化エネルギーを有する他の化合物の選択的イオン化を可能にする。ベンゼン、トルエン、エチルベンゼン、m-及びp-キシレン、o-キシレン及び3-トリメチルベンゼン異性体は、イオン化エネルギーが９．６ｅＶより低い化合物の例である。他の例において、PIDランプのイオン化ポテンシャルは１０．０ｅＶ又は１０．６ｅＶである。別の実施形態において、ディテクタとしての小型質量分析計の使用は、デバイスの可変選択性を拡張する。
【0029】
１つの態様において、本発明は、バルブ、ヒータ、冷却器のシステムを操作し、PIDシグナル、相対湿度、圧力及び温度に関するデータをシステムにわたって収集するマイクロプロセッサ及びソフトウェアによって自動化されるシステム又は機器に関する。幾つかの実施形態において、収集された相対湿度、圧力及び温度データは、PIDからのデータを補正するために使用される。１つの実施形態において、図１Ａのシステムの構成要素などのシステム構成要素は、それぞれ図２Ａ及び図２Ｂに示される概略的な電気回路２１０及び２２０により電気的に接続されうる。１つの実施形態において、構成要素は、カートリッジ電源２１１及び２２１、ヒータ２１２、PID２１３、アナログ/デジタル変換器及び利得増幅器２１４、マイクロコントローラ２１５、レベルシフタ２１６、熱電対２１７、リレー２１８、ポンプ２２２ 、デジタル/アナログ変換器２２３及びオペレーショナル増幅器２２４からなる群より選ばれる。幾つかの実施形態において、制御回路は少なくとも1つのマイクロコントローラを含み、一部又は全部のマイクロコントローラは複数の処理コアを含む。幾つかの実施形態において、マイクロコントローラ２１５は、Arduino（登録商標）などのシングルボードコンピュータ（SBC）を含む。他の実施形態において、マイクロコントローラは、Cypress（登録商標）によって製造されるような、プログラマブルシステムオンチップ（PSoC）を含む。他の実施形態において、マイクロコントローラはフィールドプログラマブルゲートアレイ（FPGA）を含む。幾つかの実施形態において、制御回路は超低ノイズ回路を含む。幾つかの実施形態において、制御回路は、ワイファイ（Wi-Fi）、セルラー接続性、ブルートゥース（BlueTooth）（登録商標）又は当該技術分野で知られている他の任意の無線通信システムを含む無線通信リンクを含む。無線通信リンクにより、システムの機能の一部又は全部を遠隔的に実行することができ、収集されたデータの一部又は全部を分析のために遠隔システムに転送することができる。幾つかの実施形態において、デバイスは、ローカル又はリモートでユーザーが介入することなく、自動的に動作することができる。
【0030】
ここで図３を参照すると、本発明の１つの実施形態の簡略化制御システムダイアグラム２５０が示されている。マイクロプロセッサ２５１は、様々なセンサからのデータ収集及びシステムの様々な電気的及び機械的要素の作動を調整する一連の指令を実行する。マイクロプロセッサ２５１は、さらに、ポンプ１５０を制御するポンプコントローラ２５２に接続されている。マイクロプロセッサ２５１は、リレー２５３、PIDデータコレクタ２５６、環境センサ２５８及びペルチェプレートコントローラ２５９のセットにさらに接続されている。リレー２５３はエレクトロニクスバルブアクチュエータ２５４に電気接続され、限定するわけではないが、バルブ１０２、１７２及び１７７を含む、システム内の様々なバルブを機械的に制御して、図１Ｃ～１Ｇに記載の流路を形成する。PIDデータコレクタ２５６は、PID１５１からのシグナルを受け、そのデータをマイクロプロセッサ２５１によって記録可能な形式に変換する。PIDデータコレクタ２５６はまた、マイクロプロセッサ２５１がPID１５１に指令を送るための制御回路を含むことができる。環境センサ２５８は、周期的に又は要求に応じて、環境データをマイクロプロセッサ２５１に送り、システムの制御を促進する。環境センサは、温度センサ、湿度センサ、圧力センサ又は当該技術分野で知られている他のセンサのセットからの任意のセンサであることができる。ペルチェプレートコントローラ２５９は、ペルチェプレート１４１及び１８３に電気的に接続され、それを通して、マイクロプロセッサ２５１は、プレート１４１及び１８３の冷却機能を独立して調整し又は無効にすることができる。マイクロプロセッサ２５１は単一の要素として示されているが、より高い効率を達成するために、マイクロプロセッサ２５１の機能は複数のマイクロプロセッサにわたって分割されうることを理解されたい。１つの実施形態において、制御システムダイアグラム２５０は、オーブン及びペルチェプレートを含む本発明のシステムの温度制御要素を制御する第二のマイクロプロセッサを含む。
【0031】
幾つかの実施形態において、マイクロプロセッサ２５１は、ディスプレイ２５５及びワイヤレス通信モジュール２５７のある組み合わせに電気的に接続されている。ディスプレイ２５５は、システムの操作及びトラブルシューティングを容易にするために、システムステータス及びエラーメッセージを表示する。幾つかの実施形態において、ディスプレイ２５５はＬＣＤディスプレイである。ワイヤレス通信モジュール２５７は、マイクロプロセッサ２５１とリモートデバイスとの間の通信を容易にする。幾つかの実施形態において、リモートデバイスは、マイクロプロセッサ２５１から測定情報又はシステムステータスデータを定期的に受信する。幾つかの実施形態において、ワイヤレス通信デバイスも、リモートデバイスから制御シグナル又はコマンドを受信し、遠隔ユーザーがシステムの機能に対して制御を実行することを可能にする。
【0032】
再び図１Ａの例示的なシステム１００を参照すると、ガスストリーム、例えば空気は２つのサンプリングインレット、すなわちチューブ１１０及び１２０を通して引き込まれる。１つの実施形態において、ガスは、ポンプ１５０を介して負圧によって引っ張られ、ポンプ１５０は計器のはるか下流の末端に配置されている。リアルタイムインレット１２０は、オン/オフバルブ１０１に従って、ディテクタ１５１、すなわちPIDに直接つながるチューブに接続されている。インレット１２０に接続されたチューブを通るこのガスストリームは、ガスストリーム中の総有機化合物、又は、検出方法に感受性のある有機化合物の総濃度のリアルタイム測定値を提供する。
【0033】
インレット１１０は微量濃度の有機ガスをアルミニウムブロック内で熱電冷却された活性又は不活性吸着剤表面又は充填床１３０上で濃縮する。１つの実施形態において、吸着床は有機ガスのトラップとして機能する。微量有機物を濃縮する調整可能な時間間隔の後に、有機化合物を含まない空気を提供するチャコールフィルタ１３５を通して空気を引き込むようにバルブ１０２を切り換える。１つの実施形態において、時間間隔は２～３０分である。「リアルタイム」インレット上のオン/オフバルブ１０１は、すべてのフローがクロマトグラフィーカラム１５２のためのキャリアガスとして作用する清浄空気を提供するチャコールフィルタを通るように指向される。インレット１１０からの清浄空気のフローは、チャコールフィルタ１３５、吸着床１３０、次いでガスクロマトグラフィーカラム１５２へと指向される。吸着床/表面１３０は、例えばヒータ１４０によって徐々に加熱されて、有機化合物をその蒸気圧又は極性の関数として熱脱着又は解放し、粗い分離方法を効果的に提供する。このトラップからのエフルエントは、気体-固体吸着クロマトグラフィー又は気体-液体クロマトグラフィーの原理で動作するキャピラリーガスクロマトグラフィーカラム１５２に進む。１つの実施形態において、ガスクロマトグラフィーカラムをガスクロマトグラフィーマイクロ流体チップで置き換える。カラムをカスタムメイド機械加工したアルミニウムシリンダの周りに巻き付けるか、又は、マイクロ流体チップをアルミニウムブロックに当てて、該ブロックはカラム内の検体をさらに分離/分解する速度でカートリッジ１５３を加熱することで加熱される。１つの実施形態において、カラムは、カスタムメイド機械加工したアルミニウムオーブン内に配置される。１つの実施形態において、アルミニウムシリンダは、スプールの形状に機械加工された図５Ａ及び５Ｂに記載のとおりのものである。別の実施形態において、シリンダは、限定するわけではないが、シリンダを機器の残りの部分に固定するために、加熱/冷却要素を付加するため、又は、通気のために使用することができる様々な機械加工された窪み、キャビティ又はチャネルを含む。別の実施形態において、シリンダは、クロマトグラフィーカラムの入口/出口のためにスプールの縁に２つの溝をさらに含む。別の実施形態において、シリンダは、図５Ｃ及び図５Ｄに記載されているように、筒形カバーによって覆われている。
【0034】
オーブンの別の実施形態は図６Ａ～図６Ｅに３３１で示すとおりである。この実施形態において、オーブンは、図６Ａに示すようにアルミニウムハウジングであり、上面図を示し、図６Ｂは正面図を示す。オーブンは機械加工されたアルミニウムを含むことができ、取り付け穴３３３及び円形パターンの均等に離間した穴３３２のセットを含む。クロマトグラフィーチュービングは、インレット/アウトレット穴３３４又は３３５を介してオーブン３３１に入り、次に、インレット/アウトレット穴３３４又は３３５の他方を介してオーブンを出る前に穴３３２のまわりを包む。オーブンは図６Ｃに示すオーブンカバー３３６で包囲され、それは取り付け穴３３３に対応する取り付け穴３３７を含む。幾つかの実施形態において、オーブンは、正面図を示す図６Ｄ及び側面図を示す図６Ｅに示すペルチェプレート１８３をさらに含む。ペルチェプレート１８３は、ワイヤ３４３及び３４４を通して供給される電流に応答して低温側３４５と高温側３４６との間に温度差を生成するプレート３４２を備える。プレート３４２は、ペルチェ効果として当該技術分野でも知られている熱電効果に基づいて動作する。幾つかの実施形態において、低温側３４５から高温側３４６への熱伝達の有効性を高めるために、１つ以上のフィンを含むヒートシンクをペルチェプレート１８３の高温側３４６に取り付けることができる。
【0035】
クロマトグラフィーカラム１５２からのエフルエントはPID１５１又は他のディテクタに入り、そこで、各化合物の質量はPIDシグナルに基づいて定量化され、サンプリング中の既知の濃縮流速によって大気濃度が計算されうる。通常のクロマトグラフィーと同様に、各化合物の同定は、各運転で同じ加熱プログラムで加熱されるカラム吸着床システムから溶出する時間に基づいて確実に決定することができる。完了後に、バルブ１０１は開き、システムはリアルタイム測定に戻り、クロマトグラフィーインレットは、ファン及び熱電冷却器により冷却する。PIDに続いて、両方のフローはポンプ１５０を介して出る。内蔵較正方法は、オン/オフバルブ１０３によって制御される。１つの実施形態において、システムは、一定量の蒸発較正物質、例えば、単一のＶＯＣを、サンプルインレットの１つにクリティカルオリフィスを介して流出させ、それはシステムを構成するために定期的に使用される。１つの実施形態において、容器１５４内の較正物質はリアルタイムインレットを通して導入される。PIDのための一貫した、既知の又は較正された相対応答係数は、他の測定された化合物すべてに対する交差較正を可能にする。
【0036】
本発明の別の実施形態は、図１Ｂ～１Ｈのシステム１６０に記載されている。図１Ｂのシステム１６０は、様々な部品の全体的な構造及びそれらがどのように接続されているかを示す。図１Ｃ～１Ｇは、システム１６０の様々なモードのフローダイアグラムを記載している。特に、図１Ｃはトラップモードを示し、図１Ｄは脱着/運転モードを示し、図１Ｅはリアルタイムモードを示し、図１Ｆは較正モードを示し、図１Ｇは、トラップ・アンド・ラン・モードを示す。システム１６０の動作は、システム１００の動作と同様であるが、捕捉工程と脱着工程との間の吸着トラップ１３０を通る空気のフローを逆転させる追加工程を伴う。図１Ｈは、本発明の１つの実施形態で使用される材料を示す。
【0037】
図１Ｃを参照すると、システム１６０のトラップモードのフローダイアグラム１６１は示されている。真空はポンプ１５０によって形成され、ろ過されていない空気はインレット１１０を通して入る。空気は、まず、疎水性PMフィルタ１７１を通って進行し、バルブ１７２によって、吸着トラップ１３０の近端を通って送られ、そこで、幾つかの化合物は後の分析のために吸着によりトラップされる。幾つかの実施形態において、ペルチェプレート１４１を使用してトラップを冷却することができる。トラップ１３０を冷却することにより、検体の保持、集束及び性能が改善されうる。残りの空気は、バルブ１７７を通過し、ポンプ１５０を通ってシステムから出る。
【0038】
ここで図１Ｄを参照すると、システム１６０の脱着/運転モードのフローダイアグラム１６２が示されている。捕捉工程が完了すると、吸着トラップ１３０は分析される幾つかの化合物を含む。バルブ１７２及び１７７はフローダイアグラム１６２に示すように流れ方向を変え、インレット１１０を通してろ過されていない空気を導き、次に疎水性PMフィルタ１７１を通過させ、次いで、ろ過されていない空気を活性炭フィルタ１３５に通して導き、大部分の化合物を除去し、ろ過された空気をシステムに通過させて送る。ろ過された空気はフロー絞り器１７６を通って進行し、その後に、ダイアグラム１６１の流れとは反対の流れ方向で、遠端を通って吸着トラップ１３０に入る。幾つかの実施形態において、脱着/運転モード１６２中にヒータ１４０（単数又は複数）は従事し、化合物が吸着トラップ１３０から脱着する速度を速める。脱着された化合物は、ろ過された空気中に同伴され、バルブ１７２を通ってキャピラリーガスクロマトグラフィーカラム１８２に進み、該カラムも場合により加熱されていてよい。カラム１８２は、図１Ａのカラム１５２と同様に動作する。カラム１８２からのエフルエントは、PID又は他のディテクタ１５１に入り、そこで、各化合物の質量は定量化される。最後に、空気はバルブ１８４及びポンプ１５０を通して進行し、その後に、システムを出る。幾つかの実施形態において、システムは、オーブン１８２に取り付けられ、システム空気フローの幾つかの段階で熱電冷却を提供するペルチェプレート１８３をさらに含む。
【0039】
フロー絞り器１７６は、吸着トラップ及びカラムに入る前に流れを抑制し、圧力がカラム全体にわたって低く、分解能（すなわち、カラム内の「プレート」の数）を高めることを保証するように機能する。これは、当該技術分野で公知の同様のシステムよりも有意な利点を提供する。
【0040】
図１Ｅは、システム１６０のリアルタイムモードのフローダイアグラム１６３を示す。リアルタイムモードにおいて、フローは本発明のシステム１００のリアルタイムモードに類似している。ろ過されていない空気は、第二のインレット１２０、次いで、疎水性PMフィルタ１８７を通して入り、その後に、バルブ１０１を通して直接的にPID又は他のディテクタ１５１に進む。次いで、空気はバルブ１８４を通して流れ、ポンプ１５０を介してシステムから出る。本発明のシステムの１つの利点は図１Ｃ、１Ｄ、及び１Ｆに記載されたより完全なＧＣ分析に周期的に切り替えながら、リアルタイムモードで連続的にモニターすることができる能力である。幾つかの実施形態において、リアルタイムサンプリングの間に検出される全濃度の高い読み取り値又はスパイクは、トラップ・アンド・ランモードへの切り換えの引き金となり、それによって、検出された化合物の化学組成のより正確な測定を可能にする。幾つかの実施形態において、トラップ・アンド・ラン測定は、１つ以上の化合物の供給源を識別するために使用されてもよい。
【0041】
図１Ｃ及び図１Ｅのフローパスを組み合わせることによって、さらなる操作モードは企図される。リアルタイムフローパス１６３を支持するデバイスの実施形態において、本発明のシステムは、トラップフローパス１６１を介してトラップ内に化合物を同時に収集しながら、フローパス１６３を介して化合物を連続的に収集することができる。このような「リアルタイム・アンド・トラップ」モードにおいて、システムは、収集期間の終わりに、全濃度の高い時間分解能データ（リアルタイムデータ）を収集し、トラップからの化合物を分析して、その期間にわたる混合物の化学種を決定することができ、その間に高い時間分解能データは収集される。このモードは、イベントの期間及び特徴が重要である短期間に起こるイベントを捕捉するために特に有用であり、その期間にわたる混合物の化学種を知るのにも有利である。
【0042】
図１Ｆは、システム１６０の較正モードのフローダイアグラム１６４を示す。較正モードの動作はリアルタイムモード１６３の動作と類似しているが、フィルタ１８７のインレットからシステムを通してろ過されていない空気を流す代わりに、バルブ１０１が閉じて、バルブ１０３が開いて一定量の標準蒸発較正物質１５４を引き込む。システム１００の較正フローと同様に、較正モード１６４は、ディテクタ１５１からの結果を既知の相対応答係数と比較し、他の測定された化合物に交差較正することができる。
【0043】
図１Ｇは、システム１６０のトラップ・アンド・ラン・モードのフローダイアグラム１６５を示す。このモードにおいて、２つの平行な流路が一度に開かれる。第一の経路において、ろ過されていない空気はインレット１１０に入り、フィルタ１７１を通ってチャコールフィルタ１３５に進む。ろ過された空気はバルブ１７８及びフロー絞り器１７９を通過し、その後に、前の運転からの有機粒子が既に存在しているカラム１８２を通過する。幾つかの実施形態において、フロー絞り器１７９はカラムを通る、ろ過された空気が化合物の分離及び検出のためにより効果的に調整又は最適化されうるように、異なるサイズであってもよい。有機粒子は解放されそして通過し、ろ過された空気中に同伴されて、PID又は他のディテクタ１５１に入り、その後に、ポンプ１５０によりシステムからポンプアウトされる。第一のフローと同時に、第二の流路はろ過されていない空気をフィルタ１７１、次いでバルブ１７２を通ってトラップ１３０に引き込み、そこには、幾らかの粒子は将来の運転のためにトラップされている。
【0044】
このモードと図１Ｄに示す脱着/運転モードとを交互にすることにより、本発明のシステムはより効率的に動作し、より多くの時間をサンプリングに費やすことができる。
【0045】
図１Ｈは、本発明の特定の実施形態におけるフロー導管に使用される様々な材料を示す。「Ｐ」で標識されたセグメントはポリエーテルエーテルケトン（PEEK）を含む。「Ｓ」で標識されたセグメントはステンレススチールを含む。「Ｔ」で標識されたセグメントは、タイゴン(Tygon)又はテフロン（登録商標）(Teflon)を含む。本明細書に記載される材料は限定することを意図するものではなく、単に本発明のシステムの特定の構成で使用できる材料の例を示しているに過ぎない。
【0046】
別の態様において、システム構成要素は、図４に記載されるように、単一又は複数コンパートメント機器３００に収容されうる。１つの実施形態において、機器のサイズは、約６インチ×６インチ×６インチであり、又は、２１６立方インチ以下の体積である。１つの実施形態において、機器は様々な部品を含み、例えば、ハウジング３１０、カラムオーブン及びスプール３２０、電源３３０、マイクロコントローラ及びカスタム回路基板３４０、ディテクタハウジング３５０、ポンプ３６０、較正ユニット及び活性炭フィルタ３７０、トラップ加熱及び冷却ブロック３８０及びトラップ冷却ファン３９０を含む。１つの実施形態において、ガスクロマトグラフィーユニット３２０は、筒形部品３２１及び３２２をさらに含む。本明細書の他の箇所に記載されているように、シリンダ３２１はスプールとして機械加工されていてよく、該スプール上にクロマトグラフィーカラムを巻かれることができる。１つの実施形態において、本発明の機器は、加熱及び冷却のための吸着トラップの外側を取り囲む図７Ａ及び図７Ｂに示すようなブロック３８１をさらに含む。別の実施形態において、本発明の機器は、図７Ｃ（正面図を示す）及び図７Ｄ（上面図を示す）に示すようなブロック３８２を含む。ブロックヒータ（単数又は複数）はチャンネル３８５内に配置されうる。幾つかの実施形態において、ブロック３８２は、中央シーム３８６で分離された２つのハーフを含む。幾つかの実施形態において、熱電対はブロックの温度をモニターするために穴３８４内に配置されている。
【0047】
１つの実施形態において、本発明の機器は、光イオン化ディテクタを収容するハウジング３５０の構成要素３５１をさらに含み、該構成要素３５１はインレットポートを含む。別の実施形態において、本発明の機器は、光イオン化ディテクタを収容するハウジング３５０の構成要素３５２をさらに含み、該構成要素３５２はアウトレットポートを含む。図９Ｃに示す別の実施形態において、本発明の機器は、光イオン化ディテクタを収容するハウジング３５０の構成要素３６２をさらに含み、該構成要素３６２は複数のアウトレットポート３６７及び取り付け穴３６６を含む。
【0048】
別の実施形態において、本発明の機器は、光イオン化ディテクタを収容するハウジング３５０の構成要素３５３をさらに含み、該構成要素３５３はディテクタピン用、すなわち、電力及びシグナル用の３つの穴をさらに含む。１つの実施形態において、部品は、図面１００に従って接続される。別の実施形態において、部品は、図面２１０及び２２０に従って接続される。
【0049】
本発明のシステムの小型サイズの１つの追加の利点は、カラムオーブン３３１が典型的に必要とされるよりも質量が小さく、したがって、サーマルマスもより低いことである。サーマルマスの低いオーブンは、大型のオーブンよりも少ない熱量を蓄える（及び再放射する）ことができるため、より厳しい温度管理が可能であり、出力が除去されたときに素早く冷却することができる。
【0050】
他の態様において、本発明は、ガス環境中の有機化合物を同定及び定量化するための方法に関する。図１３を参照すると、リアルタイム分析の例示的な方法４００は示されている。１つの実施形態において、リアルタイム分析方法４００は、正圧又は負圧のいずれかを課す、例えば、ポンプでの吸引を課す工程４１０を含み、本発明のシステム又は機器などのシステム又は機器を通してガス混合物を強制輸送するであろう。リアルタイム分析方法４００は、空気などのガス混合物をサンプリングインレット、例えば、システム１００の一部として図１Ａに示すようなサンプリングインレット１２０を通してサンプリングする工程４２０をさらに含む。リアルタイム分析方法４００は、ガス混合物中の有機化合物を検出する工程４３０をさらに含む。検出は、システム１００の一部として図１Ａに示すようなディテクタ１５１などのPIDディテクタによって達成することができる。
【0051】
別の態様において、本発明は、ガス環境中の有機化合物を同定及び定量化するための方法であって、クロマトグラフィー工程を含む方法に関する。１つの実施形態において、クロマトグラフィー工程は、圧縮された事前にボトル詰めされた精製されたキャリアガスを必要とせず、むしろキャリアガスとして精製空気を使用することによって行われる。図１４に示すように、１つの実施形態において、本方法はガスクロマトグラフィー分析方法５００である。ガスクロマトグラフィー分析方法５００は、正圧又は負圧のいずれかを課す、例えば、ポンプでの吸引を課す工程５１０を含み、本発明のシステム又は機器などのシステム又は機器を通してガス混合物を強制輸送するであろう。方法５００は、環境空気などのガス混合物をサンプリングインレット、例えば、システム１００の一部として図１Ａに示すようなサンプリングインレット１１０を通してサンプリングする工程５２０をさらに含む。ガスクロマトグラフィー分析方法５００は、ガス混合物のフローをトラップを通るように指向させ、少なくともある量の化合物を濃縮する工程５３０をさらに含み、ここで、有機化合物は、システム１００の一部として例えば図１Ａに示されるような吸着材料１３０の床にトラップされる。方法５００は、ガス混合物のフローをフィルタを通るように再指向させ、ろ過されたガスフローをトラップに提供し、このようにして、有機化合物を含まないガス混合物、例えば、空気を提供する工程５４０をさらに含む。方法５００の工程５４０は、サンプリングされたガスのフローを、例えば、システム１００の一部として図１Ａに示されるような活性炭フィルタ１３５を通るように振り向けることによって達成することができる。ろ過は、有機化合物の全部又は一部を除去して、清浄キャリアガス、例えば、清浄空気を提供する。ガスクロマトグラフィー分析方法５００は、例えば、有機化合物の逐次熱脱着によって、少なくともある量の濃縮化合物をろ過されたガスフローに解放する工程５５０をさらに含み、ここで、事前にトラップされた有機化合物は、例えば、システム１００の一部として図１Ａに示すようなヒータ１４０を使用することにより温度を徐々に上げることにより吸着材料１３０の床から脱着される。ガスクロマトグラフィー分析方法５００は、少なくともある量の解放された濃縮化合物を分離する工程５６０をさらに含む。１つの実施形態において、分離は、有機化合物を、例えばガスクロマトグラフィーによって分離することを含む。吸着材料の床から脱着された有機化合物は、システム１００の一部として図１Ａに示されるようなカラム１５２などのクロマトグラフィーカラムへの濾過によって提供される清浄空気と同伴される。ガスクロマトグラフィー分析方法５００は、クロマトグラフィーカラムガスエフルエント中の有機化合物を検出する工程５７０をさらに含む。検出は、例えば、システム１００の一部として図１Ａに示されるようなディテクタ１５１などのPID検出器によって達成することができ、それは、例えば、光イオン化ディテクタ（PID）であることができる。
【0052】
図１５を参照すると、本発明の方法の別の実施形態６００が示されている。方法６００は、方法５００に類似しているが、トラップを通るようにガスのフローを指向させた後であるが、ろ過されたガスのフローをトラップに提供するためにフィルタを通るようにフローを再指向させる前に、トラップを通るフローの方向を逆転させる工程５３５を含む。
【実施例】
【0053】
実験例
以下の実験例を参照して本発明をさらに詳細に説明する。これらの実施例は、例示のみを目的として提供されており、特記しない限り、限定することを意図するものではない。したがって、本発明は、以下の実施例に限定されるものと決して解釈されるべきではなく、むしろ、本明細書で提供される教示の結果として明らかになるいかなるそして全ての変更を包含すると解釈されるべきである。
以下の実験例を参照して本発明をさらに詳細に説明する。これらの実施例は、例示のみを目的として提供されており、特記しない限り、限定することを意図するものではない。したがって、本発明は、以下の実施例に限定されるものと決して解釈されるべきではなく、むしろ、本明細書で提供される教示の結果として明らかになるいかなるそして全ての変更を包含すると解釈されるべきである。
【0054】
さらなる説明がない限り、当業者は、上記の説明及び以下の実施例を使用して、本発明の組成物を作製及び利用し、特許請求する方法を実施することができると考えられる。したがって、以下の実施例は、本発明の好ましい実施形態を具体的に指摘しており、決して本開示の残りの部分を限定するものとして解釈されるべきではない。
【0055】
例１
図１１Ａに示すように、本発明のシステムを使用して、空気/アセトン混合物中のアセトンを検出した。最初に、サンプルインレットを空気中のアセトンのパルスに暴露した。このシステムは、約１０分間、吸着材料の冷却床にアセトンをトラップしそして濃縮させた。約１０分後に、吸着床ヒータに通電して約６０℃/分の温度勾配増加を与えた。約３０秒後に、光イオン化ディテクタの出力にピークが検出された。
図１１Ａに示すように、本発明のシステムを使用して、空気/アセトン混合物中のアセトンを検出した。最初に、サンプルインレットを空気中のアセトンのパルスに暴露した。このシステムは、約１０分間、吸着材料の冷却床にアセトンをトラップしそして濃縮させた。約１０分後に、吸着床ヒータに通電して約６０℃/分の温度勾配増加を与えた。約３０秒後に、光イオン化ディテクタの出力にピークが検出された。
【0056】
例２
図１１Ｂに示すように、本発明のシステムを使用して、ガスクロマトグラフィー法においてキャリアガスとして空気を用いてイソペンタン及びアセトンを分離しそして検出した。連続運転の２０時間後に実行された３回の運転を含む、分離方法の６回の別々の運転は、時間の経過にわたって分離及び再現性の高い有効性を実証した。
図１１Ｂに示すように、本発明のシステムを使用して、ガスクロマトグラフィー法においてキャリアガスとして空気を用いてイソペンタン及びアセトンを分離しそして検出した。連続運転の２０時間後に実行された３回の運転を含む、分離方法の６回の別々の運転は、時間の経過にわたって分離及び再現性の高い有効性を実証した。
【0057】
例３
図１２Ａに示すように、本発明のシステムを、外部圧力又は真空なしで付加的な装置なしで、完全自動デバイスのトラップモード及び運転モードで使用した。この図は、PIDセンサ出力、トラップ温度及びY軸に沿ったオーブン温度及びX軸に沿った運転時間の「クロマトグラム」を示す。単環芳香族化合物の分析標準混合物を気相からサンプリングし、トラップし、保持し、次いでカラムに注入し、そこで自動温度プログラムで真空下に分離し、次いでPIDで測定した。示されている化合物は、科学、規制及び商業コミュニティで高い関心を集めている一般的で難しいＢＴＥＸ化合物を含む。測定されそして標識化される具体的な検体はベンゼン、トルエン、エチルベンゼン、m-キシレン及びp-キシレン、o-キシレン、1,2,4-トリメチルベンゼン、1,3,5-トリメチルベンゼン及び1,2,4,5-テトラメチルベンゼンである。
図１２Ａに示すように、本発明のシステムを、外部圧力又は真空なしで付加的な装置なしで、完全自動デバイスのトラップモード及び運転モードで使用した。この図は、PIDセンサ出力、トラップ温度及びY軸に沿ったオーブン温度及びX軸に沿った運転時間の「クロマトグラム」を示す。単環芳香族化合物の分析標準混合物を気相からサンプリングし、トラップし、保持し、次いでカラムに注入し、そこで自動温度プログラムで真空下に分離し、次いでPIDで測定した。示されている化合物は、科学、規制及び商業コミュニティで高い関心を集めている一般的で難しいＢＴＥＸ化合物を含む。測定されそして標識化される具体的な検体はベンゼン、トルエン、エチルベンゼン、m-キシレン及びp-キシレン、o-キシレン、1,2,4-トリメチルベンゼン、1,3,5-トリメチルベンゼン及び1,2,4,5-テトラメチルベンゼンである。
【0058】
例４
図１２Ｂに示すように、クロマトグラム及びクロマトグラムの集束部分が示され、図１２Ａに記載されているようなデバイス自体のみを使用して収集された室内空気サンプルの２０分間のトラップ及び脱着の結果が示されている。示されたピークは、微量の濃度（例えば、ppb又はppt）で室内に存在するすべての揮発性有機化合物である。グラフ及びそのサブプロットは、分解されたピークの量、狭いピークが多量に存在すること、優れたピーク形状及びピーク間の分解能を示すために、クロマトグラムの一部を拡大表示している。
図１２Ｂに示すように、クロマトグラム及びクロマトグラムの集束部分が示され、図１２Ａに記載されているようなデバイス自体のみを使用して収集された室内空気サンプルの２０分間のトラップ及び脱着の結果が示されている。示されたピークは、微量の濃度（例えば、ppb又はppt）で室内に存在するすべての揮発性有機化合物である。グラフ及びそのサブプロットは、分解されたピークの量、狭いピークが多量に存在すること、優れたピーク形状及びピーク間の分解能を示すために、クロマトグラムの一部を拡大表示している。
【0059】
本明細書で引用した特許、特許出願及び刊行物の各々及びすべての開示は、その全体が参照により本明細書に取り込まれる。本発明は、特定の実施形態を参照して開示されたが、本発明の真の精神及び範囲から逸脱することなく、本発明の他の実施形態及び変形形態が当業者によって考案されうることは明らかである。添付の特許請求の範囲は、そのような実施形態及び同等の変形のすべてを含むと解釈されることが意図される。
本開示は以下も包含する。
［１］ フィルタ、
トラップ、
クロマトグラフィーカラム、
ディテクタ、及び、
ポンプ
を含む、ガス混合物を分析するためのシステムであって、
前記トラップ及び前記ポンプを流体連通して、第一のガス流路を形成し、
前記フィルタ、前記トラップ、前記クロマトグラフィーカラム、前記ディテクタ及び前記ポンプを流体連通して、第二のガス流路を形成する、システム。
［２］ 前記ディテクタ及び前記ポンプを流体連通して、第三のガス流路を形成する、上記態様１記載のシステム。
［３］ 前記クロマトグラフィーカラムは気体-固体吸着クロマトグラフィーカラム及び気体-液体ガスクロマトグラフィーカラムからなる群より選ばれる、上記態様１記載のシステム。
［４］ 前記トラップは吸着材料をさらに含む、上記態様１記載のシステム。
［５］ 前記フィルタは活性炭フィルタである、上記態様１記載のシステム。
［６］ 前記ディテクタは光イオン化ディテクタ、質量分析計、分光光度計及び熱伝導率ディテクタからなる群より選ばれる、上記態様１記載のシステム。
［７］ 前記ディテクタは光イオン化ディテクタである、上記態様１記載のシステム。
［８］ 前記ポンプは負圧を提供する、上記態様１記載のシステム。
［９］ ハウジングをさらに含む、上記態様１記載のシステム。
［１０］ 前記ハウジングは２１６立方インチ以下である、上記態様９記載のシステム。
［１１］ 前記システムはｐｐｔ（１兆分率）の感度で化合物を検出することができる、上記態様１記載のシステム。
［１２］ ガス混合物中の少なくとも１つの化合物を分析する方法であって、前記方法は、
トラップを通るように前記ガス混合物のフローを指向させて、少なくともある量の化合物を濃縮すること、
フィルタを通るようにガス混合物のフローを再指向させて、ろ過されたガスフローをトラップに提供すること、
前記ろ過されたガスフロー中に、少なくともある量の濃縮された化合物を解放すること、及び、
少なくともある量の解放された濃縮された化合物を分析すること、
を含み、
前記トラップを通るガス混合物のフローの方向は、前記トラップを通るろ過されたガスのフローの方向とは反対である、方法。
［１３］ 前記少なくとも1つの化合物は少なくとも1つの有機化合物を含む、上記態様１２記載の方法。
［１４］ 前記少なくとも1つの有機化合物は少なくとも１つの揮発性有機化合物を含む、上記態様１３記載の方法。
［１５］ 少なくともある量の解放された濃縮された化合物の分析は、解放された濃縮された化合物の少なくともある量をガスクロマトグラフィーカラムを通過させることを含む、上記態様１２記載の方法。
［１６］ 前記ガスクロマトグラフィーカラムは気体-固体吸着クロマトグラフィーカラム及び気体-液体ガスクロマトグラフィーカラムからなる群より選ばれる、上記態様１５記載の方法。
［１７］ 少なくともある量の解放された濃縮された化合物の分析は光イオン化、質量分析法、分光光度法及び熱伝導からなる群より選ばれる方法によって有機化合物を同定することを含む、上記態様１２記載の方法。
［１８］ 前記化合物を定量化することをさらに含む、上記態様１７記載の方法。
［１９］ 前記ガス混合物は環境ガス混合物である、上記態様１２記載の方法。
［２０］ 前記ガス混合物は呼気ガス、又は、ヒト対象に由来する別のガスを含む、上記態様１２記載の方法。
［２１］ 前記ガス混合物は空気である、上記態様１２記載の方法。
本開示は以下も包含する。
［１］ フィルタ、
トラップ、
クロマトグラフィーカラム、
ディテクタ、及び、
ポンプ
を含む、ガス混合物を分析するためのシステムであって、
前記トラップ及び前記ポンプを流体連通して、第一のガス流路を形成し、
前記フィルタ、前記トラップ、前記クロマトグラフィーカラム、前記ディテクタ及び前記ポンプを流体連通して、第二のガス流路を形成する、システム。
［２］ 前記ディテクタ及び前記ポンプを流体連通して、第三のガス流路を形成する、上記態様１記載のシステム。
［３］ 前記クロマトグラフィーカラムは気体-固体吸着クロマトグラフィーカラム及び気体-液体ガスクロマトグラフィーカラムからなる群より選ばれる、上記態様１記載のシステム。
［４］ 前記トラップは吸着材料をさらに含む、上記態様１記載のシステム。
［５］ 前記フィルタは活性炭フィルタである、上記態様１記載のシステム。
［６］ 前記ディテクタは光イオン化ディテクタ、質量分析計、分光光度計及び熱伝導率ディテクタからなる群より選ばれる、上記態様１記載のシステム。
［７］ 前記ディテクタは光イオン化ディテクタである、上記態様１記載のシステム。
［８］ 前記ポンプは負圧を提供する、上記態様１記載のシステム。
［９］ ハウジングをさらに含む、上記態様１記載のシステム。
［１０］ 前記ハウジングは２１６立方インチ以下である、上記態様９記載のシステム。
［１１］ 前記システムはｐｐｔ（１兆分率）の感度で化合物を検出することができる、上記態様１記載のシステム。
［１２］ ガス混合物中の少なくとも１つの化合物を分析する方法であって、前記方法は、
トラップを通るように前記ガス混合物のフローを指向させて、少なくともある量の化合物を濃縮すること、
フィルタを通るようにガス混合物のフローを再指向させて、ろ過されたガスフローをトラップに提供すること、
前記ろ過されたガスフロー中に、少なくともある量の濃縮された化合物を解放すること、及び、
少なくともある量の解放された濃縮された化合物を分析すること、
を含み、
前記トラップを通るガス混合物のフローの方向は、前記トラップを通るろ過されたガスのフローの方向とは反対である、方法。
［１３］ 前記少なくとも1つの化合物は少なくとも1つの有機化合物を含む、上記態様１２記載の方法。
［１４］ 前記少なくとも1つの有機化合物は少なくとも１つの揮発性有機化合物を含む、上記態様１３記載の方法。
［１５］ 少なくともある量の解放された濃縮された化合物の分析は、解放された濃縮された化合物の少なくともある量をガスクロマトグラフィーカラムを通過させることを含む、上記態様１２記載の方法。
［１６］ 前記ガスクロマトグラフィーカラムは気体-固体吸着クロマトグラフィーカラム及び気体-液体ガスクロマトグラフィーカラムからなる群より選ばれる、上記態様１５記載の方法。
［１７］ 少なくともある量の解放された濃縮された化合物の分析は光イオン化、質量分析法、分光光度法及び熱伝導からなる群より選ばれる方法によって有機化合物を同定することを含む、上記態様１２記載の方法。
［１８］ 前記化合物を定量化することをさらに含む、上記態様１７記載の方法。
［１９］ 前記ガス混合物は環境ガス混合物である、上記態様１２記載の方法。
［２０］ 前記ガス混合物は呼気ガス、又は、ヒト対象に由来する別のガスを含む、上記態様１２記載の方法。
［２１］ 前記ガス混合物は空気である、上記態様１２記載の方法。
【図1A】
【図1B】
【図1C】
【図1D】
【図1E】
【図1F】
【図1G】
【図1H】
【図2A】
【図2B】
【図3】
【図4】
【図5A-5B】
【図5C-5D】
【図6A-6B】
【図6C】
【図6D-6E】
【図7A-7B】
【図7C-7D】
【図8A-8B】
【図9A-9B】
【図9C】
【図10A-10B】
【図11A】
【図11B】
【図12A】
【図12B】
【図13】
【図14】
【図15】
