特許 7312831 揮発性有機化合物の回収デバイス、方法、及びシステム

(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】2023-07-12

(45)【発行日】2023-07-21

(54)【発明の名称】揮発性有機化合物の回収デバイス、方法、及びシステム

(51)【国際特許分類】

   G01N 1/02 20060101AFI20230713BHJP

   A61B 5/097 20060101ALI20230713BHJP

【ＦＩ】

G01N1/02 W

A61B5/097

【請求項の数】 41

(21)【出願番号】P 2021534330

(86)(22)【出願日】2019-12-13

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2022-02-04

(86)【国際出願番号】 US2019066143

(87)【国際公開番号】W WO2020123897

(87)【国際公開日】2020-06-18

【審査請求日】2021-08-16

(31)【優先権主張番号】62/779,256

(32)【優先日】2018-12-13

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】62/847,181

(32)【優先日】2019-05-13

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】521259161

【氏名又は名称】ダイアグノース アーリー インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100094569

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 伸一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100103610

【弁理士】

【氏名又は名称】▲吉▼田 和彦

(74)【代理人】

【識別番号】100109070

【弁理士】

【氏名又は名称】須田 洋之

(74)【代理人】

【識別番号】100098475

【弁理士】

【氏名又は名称】倉澤 伊知郎

(74)【代理人】

【識別番号】100130937

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 泰史

(74)【代理人】

【識別番号】100144451

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 博子

(74)【代理人】

【識別番号】100168871

【弁理士】

【氏名又は名称】岩上 健

(72)【発明者】

【氏名】ウィーラー クリス

(72)【発明者】

【氏名】トッド クリス

(72)【発明者】

【氏名】シュースター ジェフリー エイ

(72)【発明者】

【氏名】ラーソン カール－マグナス

【審査官】福田 裕司

(56)【参考文献】

【文献】特表２００８－５３０５７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表平０８－５１０９４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１７／０１９１９１０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１３／０１２５５６４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２００９／００４２３０９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許第０５４６５７２８（ＵＳ，Ａ）

【文献】米国特許第０６５９４０１６（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】特開平１１－２５８２２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１５／０３３５２６７（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ １／０２

Ａ６１Ｂ ５／０９７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

システムであって、
被験者の一対の唇に密着して、前記被験者の前記一対の唇から呼気を受け取るように構成されたマウスピースと、
前記マウスピースから前記呼気を受け取るように構成された呼吸チャンバと、
前記呼吸チャンバから前記呼気を受け取り、前記呼気からＶＯＣを捕捉するように構成された呼吸カートリッジと、を備え、
前記呼吸カートリッジは、
前記ＶＯＣを吸収するための壁を備えた単一流路と、
前記呼吸カートリッジの第１端上の第１の弁と、
前記呼吸カートリッジの第２端上の第２の弁と、を有し、
前記第１の弁及び前記第２の弁は、前記第１の弁及び前記第２の弁を互いに向かって移動させることによって作動され、
さらに、
低温液体を収容し、前記低温液体への熱流を制限するように構成された低温維持装置を備え、
前記呼吸カートリッジは、少なくとも部分的に、前記低温維持装置の前記低温液体の中に沈められる、
システム。

【請求項2】

前記低温液体は、液体窒素である、請求項１に記載のシステム。

【請求項3】

前記呼吸チャンバと前記呼吸カートリッジとの間に配置された弁を備え、前記弁は、前記被験者が息を吐き出していない場合に前記呼吸チャンバと前記呼吸カートリッジとを接続するように構成されている、請求項２に記載のシステム。

【請求項4】

前記呼吸カートリッジの少なくとも５０％は、前記低温液体の中に沈められる、請求項３に記載のシステム。

【請求項5】

前記呼吸カートリッジ内のゲージ圧及び前記呼吸カートリッジを通る前記呼気の流量の同時の制御を可能にする２又は３以上の要素をさらに備え、前記２又は３以上の要素は、
流量制限と、
圧力調整器と、
流量制御装置と、
ニードル弁と、
から選択される、請求項１に記載のシステム。

【請求項6】

前記呼吸カートリッジは流路を含み、前記ＶＯＣの分子量ｍを仮定すると、前記流路の合計長Ｌ及び室温での前記呼吸カートリッジを通る前記呼気の流量Ｑは、
Ｌ/（ｍ^0.5Ｑ）＞Ｃ
の関係を満たし、Ｌはｃｍであり、ｍは原子質量単位であり、Ｑはリットル／分であり、Ｃは１．５以上の数である、請求項１に記載のシステム。

【請求項7】

Ｃ＝６である、請求項６に記載のシステム。

【請求項8】

Ｃ＝８である、請求項６に記載のシステム。

【請求項9】

Ｃ＝１３である、請求項６に記載のシステム。

【請求項10】

前記呼吸チャンバと前記呼吸カートリッジとの間に直列に接続され、前記呼気から水を除去するように構成された水カートリッジを備え、
前記水カートリッジは、流路長Ｌ’を有し、前記水カートリッジは温度Ｔで作動し、Ｔ、Ｌ’、及びＱは、
Ｌ’＊Ｔ^1.5/（Ｑ＊１００００）＞Ｄ
の関係を満たし、Ｑはリットル／分であり、Ｔはケルビンであり、Ｌ’はｃｍであり、Ｄは５以上の数である、請求項６に記載のシステム。

【請求項11】

Ｄ＝１１である、請求項１０に記載のシステム。

【請求項12】

Ｄ＝１６である、請求項１０に記載のシステム。

【請求項13】

Ｄ＝２１である、請求項１０に記載のシステム。

【請求項14】

前記被験者が前記マウスピース及び前記呼吸チャンバに呼気を吐き出す場合、前記マウスピース及び前記呼吸チャンバは、前記呼吸カートリッジ及び前記低温維持装置から取り外されており、その後、前記マウスピース及び前記呼吸チャンバは、前記呼吸カートリッジ及び前記低温維持装置に取り付けられる、請求項２に記載のシステム。

【請求項15】

前記呼吸カートリッジは、ＶＯＣを吸収するための壁を備えた、前記単一流路を含む複数の流路を有する、請求項１に記載のシステム。

【請求項16】

前記第１の弁及び前記第２の弁を作動させると、前記第１の弁及び前記第２の弁が開く、請求項１に記載のシステム。

【請求項17】

前記第１の弁及び前記第２の弁を開くことは、前記呼吸カートリッジの前記単一流路を通る流れ経路を開くことを含む、請求項１６に記載のシステム。

【請求項18】

前記第１の弁及び前記第２の弁を閉じることは、前記呼吸カートリッジの前記単一流路を通る流れ経路を閉じることを含む、請求項１７に記載のシステム。

【請求項19】

前記第１の弁及び前記第２の弁を閉じることは、前記呼吸カートリッジ内のガス又は流体又は固体を密封することを含む、請求項１８に記載のシステム。

【請求項20】

前記第１の弁が、閉鎖状態において前記第１の弁を通るガス又は流体又は固体の流れを遮断するように構成された第１のシールを備え、前記第２の弁は、閉鎖状態において前記第２の弁を通るガス又は流体又は固体の流れを遮断するように構成された第２のシールを備える、請求項１に記載のシステム。

【請求項21】

前記呼吸カートリッジは、さらに、
前記第１の弁を備える第１の呼吸カートリッジエンドキャップと、
前記第２の弁を備える第２の呼吸カートリッジエンドキャップと、
を有する、
請求項１に記載のシステム。

【請求項22】

前記第１の弁及び前記第２の弁は、前記第１の呼吸カートリッジエンドキャップ及び前記第２の呼吸カートリッジエンドキャップに力を加えて前記第１の呼吸カートリッジエンドキャップ及び前記第２の呼吸カートリッジエンドキャップを前記呼吸カートリッジの長手軸線に沿って移動させることによって作動する、請求項２１に記載のシステム。

【請求項23】

前記第１の弁は、前記呼吸カートリッジの前記長手軸線に沿った前記第１の呼吸カートリッジエンドキャップの第１の位置において閉鎖状態にあり、前記第１の弁は、前記呼吸カートリッジの前記長手軸線に沿った前記第１の呼吸カートリッジエンドキャップの第２の位置において開放状態にある、請求項２２に記載のシステム。

【請求項24】

前記第２の弁は、前記呼吸カートリッジの前記長手軸線に沿った前記第２の呼吸カートリッジエンドキャップの第１の位置において閉鎖状態にあり、前記第２の弁は、前記呼吸カートリッジの前記長手軸線に沿った前記第２の呼吸カートリッジエンドキャップの第２の位置において開放状態にある、請求項２３に記載のシステム。

【請求項25】

前記第１の呼吸カートリッジエンドキャップの第２の位置と前記第２の呼吸カートリッジエンドキャップの第２の位置とのそれぞれが、前記第１の呼吸カートリッジエンドキャップの第１の位置と前記第２の呼吸カートリッジエンドキャップの第１の位置よりも、前記長手軸線に沿った前記呼吸カートリッジの中点に近い、請求項２４に記載のシステム。

【請求項26】

前記第１の弁及び前記第２の弁は、前記第１の呼吸カートリッジエンドキャップ及び前記第２の呼吸カートリッジエンドキャップに加えられた力を除去して前記第１の呼吸カートリッジエンドキャップ及び前記第２の呼吸カートリッジエンドキャップが前記呼吸カートリッジの前記長手軸線に沿って互いに離れるように移動可能にすることによって閉鎖される、請求項２５に記載のシステム。

【請求項27】

前記呼吸カートリッジは、前記システムから取り外し可能である、請求項１に記載のシステム。

【請求項28】

前記システムは、前記呼吸カートリッジが前記システム内に配置されている間に前記第１の弁及び前記第２の弁が作動するように構成されている、請求項２７に記載のシステム。

【請求項29】

前記システムは、前記呼吸カートリッジが前記低温維持装置の前記低温液体の下にある間に前記第１の弁及び前記第２の弁が作動するように構成される、請求項２８に記載のシステム。

【請求項30】

前記呼吸カートリッジは、前記ＶＯＣの捕集後に前記第１の弁及び前記第２の弁が閉じるように構成されている、請求項２７に記載のシステム。

【請求項31】

さらに、第１のねじ及び第２のねじに動作可能に接続されたねじ付きロッドを有する呼吸カートリッジ弁作動機構を備える、請求項２６に記載のシステム。

【請求項32】

前記第１のねじが前記第１の呼吸カートリッジエンドキャップと連動し、前記第２のねじは前記第２の呼吸カートリッジエンドキャップと連動する、請求項３１に記載のシステム。

【請求項33】

前記第１のねじ及び前記第２のねじを互いに向かって前進させると、前記第１の弁及び前記第２の弁が開く、請求項３２に記載のシステム。

【請求項34】

前記第１のねじ及び前記第２のねじを互いから離れるように後退させると、前記第１の弁及び前記第２の弁が閉じる、請求項３３に記載のシステム。

【請求項35】

前記呼吸チャンバと前記呼吸カートリッジとの間に直列に接続され、前記呼気から水を除去するように構成された水カートリッジを備え、
前記ねじ付きロッドは、一端が前記水カートリッジに熱接触し、他端が前記低温液体の中に沈められる、請求項３１に記載のシステム。

【請求項36】

前記呼吸チャンバは、所定量の呼気を受け取るように構成されている、請求項１に記載のシステム。

【請求項37】

前記システムから取り外し可能な呼吸サンプリングサブシステムを備え、前記呼吸サンプリングサブシステムは、前記マウスピースと、前記呼吸チャンバとを含む、請求項１４に記載のシステム。

【請求項38】

前記呼吸サンプリングサブシステムは、手持ち式である、請求項３７に記載のシステム。

【請求項39】

前記呼吸チャンバは、事前に選択された量の空気が吐き出された後に、前記呼気を捕集するように構成されている、請求項１に記載のシステム。

【請求項40】

前記呼吸チャンバと前記呼吸カートリッジとの間に直列に接続され、前記呼気からＣＯ ₂ を除去するように構成されたＣＯ ₂ カートリッジと、
前記ＣＯ₂カートリッジの温度を制御するように構成された温度制御システムと、
を備える、請求項１に記載のシステム。

【請求項41】

前記呼気からＣＯ ₂ を除去するように構成されたＣＯ ₂ カートリッジと、
前記呼気から水を除去するように構成された水カートリッジと、を備え、
前記ＣＯ₂カートリッジ、前記水カートリッジ及び前記呼吸カートリッジは、前記呼気が前記ＣＯ₂カートリッジ、次いで前記水カートリッジ、次いで前記呼吸カートリッジに導かれるように、動作可能に接続される、請求項１に記載のシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、呼気からの揮発性有機化合物の回収、保存、移送、定量、及び分析の方法及びデバイスに関する。

【背景技術】

【0002】

揮発性有機化合物又は「ＶＯＣ」は、炭素、水素、及び、場合によっては酸素、硫黄及び／又は窒素で構成された単純な分子である。ＶＯＣは、１パートパービリオン（ＰＰＢ）辺りのレベルで呼気中に存在する。呼気中のＶＯＣのレベルは、限定されるものではないが、癌、パーキンソン病、多発性硬化症（ＭＳ）他を含む、特定の疾患状態の生物マーカーとして使用することができると考えられる。

【0003】

Ｌｉｎｕｓ Ｐａｕｌｉｎｇら（Ｐｒｏｃ． Ｎａｔ． Ａｃａｄ． Ｓｃｉ． ＵＳＡ ６８（１０）， ２３７４－２３７６ （１９７１））は、－７８℃でイソプロピルアルコールドライアイス浴内で冷却された内径０．２０インチ（５．０８ｍｍ）の５フィート（１．５２ｍ）のステンレス鋼コイル管によって捕集することによって、呼気ＶＯＣ（サンプル当たりの１０～１５件の呼気）を捕捉した。その後、ＶＯＣは、ヒートガンを用いて非制御の加熱によってガスクロマトグラフに移送された。

【0004】

Ｍａｎｓｏｏｒ他（Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｖｏｌａｔｉｌｅ Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ ｉｎ Ｅｘｈａｌｅｄ Ｂｒｅａｔｈ Ｃｏｎｄｅｎｓａｔｅ ｉｎ Ｐａｔｉｅｎｔｓ ｗｉｔｈ Ｓｅｖｅｒｅ Ｐｕｌｍｏｎａｒｙ Ａｒｔｅｒｉａｌ Ｈｙｐｅｒｔｅｎｓｉｏｎ． ＰＬｏＳ ＯＮＥ， ９（４）： ｅ９５３３１， ２０１４）は、Ｊａｅｇｅｒ ＥｃｏＳｃｒｅｅｎ（Ｖｉａｓｙｓ Ｈｅａｌｔｈｃａｒｅ， Ｃｏｎｓｈｏｈｏｃｋｅｎ， ＰＡ）装置を使用して呼気ＶＯＣを回収した。ガスクロマトグラフィー／質量分析（ＧＣ－ＭＳ）による分析は、呼気ＶＯＣが肺高血圧症の診断において有用であり得ることを示唆した。

【0005】

Ｎａｋｈｌｅｈ他（Ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ａｎｄ Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ １７ Ｄｉｓｅａｓｅｓ ｆｒｏｍ １４０４ Ｓｕｂｊｅｃｔｓ ｖｉａ Ｐａｔｔｅｒｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｅｘｈａｌｅｄ Ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ， ＡＣＳ Ｎａｎｏ １１， １１２－１２５， ２０１７）は、１３件の呼気ＶＯＣの相対レベルが１７件の異なった疾患状態と相関し、場合によっては該疾患状態を予測できることを示すために、ＧＣ－ＭＳと組み合わされた分子改質金ナノ粒子の化学抵抗層及び単層カーボンナノ管体のランダムネットワークに基づく人工知能ナノアレイを使用した。

【0006】

Ｎａｇａｏｋａ他（Ｄｏｕｂｌｅ Ｃｏｌｄ Ｔｒａｐ Ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ Ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｔｈｅ Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｖｏｌａｔｉｌｅ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ ｉｎ Ｈｕｍａｎ Ｅｘｐｉｒｅｄ Ｇａｓ， Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ４： １１２－１１８， ２０１５）は、鋼グラスウールが充填された管体で構成された－８０℃冷却トラップを使用して呼気ＶＯＣを測定した。捕捉ＶＯＣは、管体を８０℃に加熱することによってガスクロマトグラフ内で放出された。

【0007】

Ａｌｏｎｓｏ他（Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ ｃｈａｌｌｅｎｇｅｓ ｉｎ ｂｒｅａｔｈ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｔｏ ｅｘｐｏｓｕｒｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ， ＴｒＡＣ Ｔｒｅｎｄｓ ｉｎ Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ４４， ７８－８９， ２０１３）は、呼吸サンプルを保存及び移送用に回収するいくつかの方法を記載している。これらとしてリアルタイム分析の方法が挙げられ、「…には、複雑で非携帯型の高価な計装が必要であり、これによって、暴露分析における現場での判定のための該計装適用可能性に限界がある」と記載されている。また、呼気を分析部位への移送のために回収する方法が記載されている。これらは、キャニスター、ガラス球、及びポリマー試料採取バッグを含む。これらの方法は、サンプルに提示される大きな表面積、背景汚染、破損の可能性、有意な洗浄要件、及び分析部位でのＶＯＣ濃度の要件に起因して、変化するＶＯＣ損失速度という問題がある。また、著者らは、吸着剤材料上へのＶＯＣサンプルの回収を記載している。しかしながら、吸着剤材料は、全てのＶＯＣを回収するというわけではなく、吸着剤材料が回収するＶＯＣの回収効率の低減がある。これらの回収効率低減は、例えば、吸着剤材料の量、吸着剤材料の特性、及び回収が行われる温度で変化する可能性がある。

【0008】

Ｌｉｕ他（Ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅｓ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｉｔｕｅｎｔｓ ｏｆ ｅｘｈａｌｅｄ ｂｒｅａｔｈ ｃｏｎｄｅｎｓａｔｅ， Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｒｅｓｐｉｒａｔｏｒｙ Ｊｏｕｒｎａｌ ３０： ８０７－８０８； ２００７）は、４つの異なるＶＯＣ回収デバイスを比較し、「回収デバイスは、呼気凝集液生物マーカーレベルに有意に影響を与え、異なるデバイスからの絶対値は、直接的には比較可能ではなく」、テストされたデバイスからの可変的な非効率な回収が示唆されると結論づけた。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0009】

【文献】Ｌｉｎｕｓ Ｐａｕｌｉｎｇ他、Ｐｒｏｃ． Ｎａｔ． Ａｃａｄ． Ｓｃｉ． ＵＳＡ ６８（１０）， ２３７４－２３７６ （１９７１）

【文献】Ｍａｎｓｏｏｒ他、Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｖｏｌａｔｉｌｅ Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ ｉｎ Ｅｘｈａｌｅｄ Ｂｒｅａｔｈ Ｃｏｎｄｅｎｓａｔｅ ｉｎ Ｐａｔｉｅｎｔｓ ｗｉｔｈ Ｓｅｖｅｒｅ Ｐｕｌｍｏｎａｒｙ Ａｒｔｅｒｉａｌ Ｈｙｐｅｒｔｅｎｓｉｏｎ． ＰＬｏＳ ＯＮＥ， ９（４）： ｅ９５３３１， ２０１４

【文献】Ｎａｋｈｌｅｈ他、Ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ａｎｄ Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ １７ Ｄｉｓｅａｓｅｓ ｆｒｏｍ １４０４ Ｓｕｂｊｅｃｔｓ ｖｉａ Ｐａｔｔｅｒｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｅｘｈａｌｅｄ Ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ， ＡＣＳ Ｎａｎｏ １１， １１２－１２５， ２０１７

【文献】Ｎａｇａｏｋａ他、Ｄｏｕｂｌｅ Ｃｏｌｄ Ｔｒａｐ Ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ Ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｔｈｅ Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｖｏｌａｔｉｌｅ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ ｉｎ Ｈｕｍａｎ Ｅｘｐｉｒｅｄ Ｇａｓ， Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ４： １１２－１１８， ２０１５

【文献】Ａｌｏｎｓｏ他、Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ ｃｈａｌｌｅｎｇｅｓ ｉｎ ｂｒｅａｔｈ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｔｏ ｅｘｐｏｓｕｒｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ， ＴｒＡＣ Ｔｒｅｎｄｓ ｉｎ Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ４４， ７８－８９， ２０１３

【文献】Ｌｉｕ他、Ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅｓ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｉｔｕｅｎｔｓ ｏｆ ｅｘｈａｌｅｄ ｂｒｅａｔｈ ｃｏｎｄｅｎｓａｔｅ， Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｒｅｓｐｉｒａｔｏｒｙ Ｊｏｕｒｎａｌ ３０： ８０７－８０８； ２００７

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

従来技術における回収システム及び方法に関する問題は、回収が、約－８０℃以上で行われ、約－８０℃以上は、呼気ＶＯＣの凝縮温度を越えるので非効率かつ可変的な回収につながる点である。

【0011】

従来技術における回収システム及び方法に関する問題は、一部のＶＯＣの回収効率が、本質的にゼロであり、様々な疾患状態の診断におい有用であろう情報の損失となる点である。

【0012】

従来技術における回収システム及び方法に関する問題は、ＶＯＣを放出するのに加熱が必要であり、この放出は、非効率かつ可変である場合がある点である。

【0013】

移送、保存、及び定量中にＶＯＣの損失がない保存を維持しながら、１又は２以上のＶＯＣを非常に高い効率及び再現性で呼気から捕捉するシステムが必要とされる。

【0014】

また、特に正確かつ敏感な定量的なＧＣ－ＭＳ定量を可能にするために含水量が非常に低いサンプルを生成する目的で、定量前に水を除去するこのようなＶＯＣ捕捉システが必要とされる。

【0015】

開示される方法、システム、及び装置の目的は、呼気ＶＯＣを人間及び動物の呼吸で回収及び定量化することである。

【0016】

開示される方法、システム、及び装置の実施形態の目的は、回収されたＶＯＣを定量して絶対及び／又は相対的レベルの様々なＶＯＣを判定することである。

【0017】

開示される方法、システム、及び装置の実施形態の目的は、定量されたＶＯＣレベルを分析し、様々な疾患状態との相関を識別することである。

【0018】

開示される方法、システム、及び装置の実施形態の目的は、識別された相関を使用して様々な疾患状態を診断することである。

【0019】

開示される方法、システム、及び装置の実施形態の目的は、識別された相関を使用して、限定されるものではないが、癌、パーキンソン疾患、ＭＳを含むリストから選択される疾患状態を診断することである。

【課題を解決するための手段】

【0020】

開示される方法、システム、及び装置の実施形態の利点は、吸着材料の特性及び量の制御が必要ないように吸収物質をＶＯＣの回収で使用せず、捕捉されたＶＯＣを放出するために必要とされる回収装置の加熱がないか又は少ないことである。

【0021】

開示される方法、システム、及び装置の実施形態の利点は、室温以上に加熱される場合に表面に結合した各ＶＯＣの量を最小限にするために、ステンレス鋼などの構成要素を最大にする表面積の追加なしで、呼気ＶＯＣが、流路の内面上に吸着によって捕捉されることである。

【0022】

開示される方法、システム、及び装置の実施形態の特徴は、呼気ＶＯＣの回収が、回収装置を冷却することにより達成されることである。

【0023】

開示される方法、システム、及び装置の実施形態の利点は、病院又は実験室環境で入手が容易であり沸点が低い液体窒素（ＬＮ２）を、回収装置を冷却するために使用されることである。

【0024】

開示される方法、システム、及び装置の実施形態の利点は、様々なＶＯＣの基本的に全ての吐き出し量全体が回収され、必要な呼気の数が約１に低減されることである。

【0025】

開示される方法、システム、及び装置の実施形態の利点は、様々なＶＯＣの基本的に全ての吐き出し量が回収され、温度、流量、滞留時間、管長などに対する回収効率の依存性がなくなることである。

【0026】

開示される方法、システム、及び装置の実施形態の利点は、５又はそれ以上のＶＯＣ、１０又はそれ以上のＶＯＣ、２０又はそれ以上のＶＯＣ、４０又はそれ以上のＶＯＣ、８０又はそれ以上のＶＯＣ、もしくは１６０又はそれ以上のＶＯＣの、約５０％を超える、７５％を超える、約９０％を超える、約９５％を超える、又は約９９％を超えるものが回収されることである。

【0027】

開示される方法、システム、及び装置の実施形態の利点は、様々なＶＯＣの基本的に全ての吐き出し量が回収され、回収効率は、製品ライフサイクルにわたる設計変更に対して不変となり、様々なデザイン反復からのデータの直接的な比較が可能であることである。

【0028】

開示される方法、システム、及び装置の実施形態の利点は、ＶＯＣの回収の前に、吐き出された水が除去され、定量システム、例えば、ＧＣ－ＭＳの性能が向上することである。

【0029】

開示される方法、システム、及び装置の実施形態の利点は、ＶＯＣの回収の前に、呼気ＣＯ２が除去され、定量システム、例えば、ＧＣ－ＭＳの性能が向上することである。

【0030】

開示される方法、システム、及び装置の実施形態の特徴は、捕捉されたＶＯＣが、１時間を超えて回収デバイスに収容され、ＶＯＣの損失が非常に低いことである。

【0031】

開示される方法、システム、及び装置の実施形態の特徴は、捕捉されたＶＯＣが、１日を超えて回収デバイス内に収容され、ＶＯＣの損失が非常に低いことである。

【0032】

開示される方法、システム、及び装置の実施形態の特徴は、捕捉されたＶＯＣが、１週間を超えて回収デバイス内に収容され、ＶＯＣの損失が非常に低いことである。

【0033】

開示される方法、システム、及び装置の実施形態の特徴は、捕捉されたＶＯＣが、１ヶ月を超えて回収デバイス内に収容され、ＶＯＣの損失が非常に低いことである。

【0034】

開示される方法、システム、及び装置の実施形態の利点は、ＶＯＣを、市販の取扱い装置を使用して自動的に回収装置から定量システム、例えば、ＧＣ－ＭＳに注入することができることである。

【0035】

開示される方法、システム、及び装置の実施形態の利点は、ＶＯＣを、室温以上に加熱することなく定量システムに注入することができることである。

【0036】

開示される方法、システム及び装置の上記及び他の目的、利点、及び特徴は、当業者には、以下により完全に説明するような系統的論述及び方法輪の詳細を読むと明らかになる。

【0037】

実施形態において、呼気を使用して疾患を診断するシステムであって、システムは、被験者の唇に密着し、呼気を被験者から受け取るように構成されたマウスピースと、呼気をマウスピースから受け取るように構成された呼吸チャンバと、呼気を所望の流路に沿って導くこと、パージガスを所望の流路に沿って導くこと、パージガスの流量を制御すること、呼気の流量を制御すること、パージガスの流れを遮断すること、呼気の流れを遮断することのうちの１又は２以上を行うように構成された弁と、パージガスの供給源と、呼気からＣＯ２を除去するように構成されたＣＯ２カートリッジと、水を呼気から除去するように構成された水カートリッジと、１又は２以上のＶＯＣを呼気から捕捉するように構成された呼吸カートリッジと、ＣＯ２カートリッジ、水カートリッジ、呼吸カートリッジのうちの１又は２以上の温度を制御するように構成された温度制御システムと、低温液体を収容し、低温液体への熱流を制限する低温維持装置と、呼気及びパージガスの一方又は両方の流れを測定するように設計された流量計と、圧力、流速、流量のうちの１つを測定するように設計された圧力変換器とから選ばれた要素を備える。

【0038】

一部の実施形態において、システムは、マウスピース、水カートリッジ、冷却システム及び呼吸カートリッジのうちの少なくとも１つをさらに備えることができ、被験者は、マウスピース、水カートリッジ、及び呼吸カートリッジを通して直接、息を吐き出す。

【0039】

一部の実施形態において、冷却システムは、ＬＮ２を備える。

【0040】

一部の実施形態において、システムは、マウスピース、呼吸チャンバ、呼吸カートリッジ、及び冷却システムのうちの少なくとも１つをさらに備え、冷却システムは、ＬＮ２を備える。

【0041】

一部の実施形態において、被験者は、息をマウスピース及び呼吸チャンバを介して吐き出し、システムは、被験者が息を吐き出していない場合に呼気を導いて呼吸カートリッジに通す弁をさらに備える。

【0042】

一部の実施形態において、呼吸カートリッジの少なくとも５０％は、ＬＮ２の中に沈められる。

【0043】

一部の実施形態において、呼吸カートリッジは、１又は２以上の流路を含む。

【0044】

一部の実施形態において、呼吸チャンバは、１リットル未満又は約１リットルの容積を有する。

【0045】

一部の実施形態において、呼吸チャンバは、０．５リットル未満又は約０．５リットルの容積を有する。

【0046】

一部の実施形態において、呼吸チャンバは、０．２５リットル未満又は約０．２５リットルの容積を有する。

【0047】

一部の実施形態において、呼吸チャンバは、０．１リットル未満又は約０．１リットルの容積を有する。

【0048】

一部の実施形態において、呼吸チャンバは、０．０５リットル未満又は約０．０５リットルの容積を有する。

【0049】

一部の実施形態において、被験者は、息をマウスピース及び呼吸チャンバを通して１回だけ吐き出す。

【0050】

一部の実施形態において、システムは、パージガスの供給源をさらに備え、呼吸カートリッジ内のゲージ圧及び呼吸カートリッジを通る流量の同時の制御を可能にする２又は３以上の要素をさらに備え、２又は３以上の要素は、流量制限、圧力調整器、流量制御装置、ニードル弁から成るリストから選択される。

【0051】

一部の実施形態において、呼吸カートリッジ内のゲージ圧は、正である。

【0052】

一部の実施形態において、呼吸カートリッジ内のゲージ圧は、１ｋＰａよりも大きい。

【0053】

一部の実施形態において、呼吸カートリッジ内のゲージ圧は、２ｋＰａよりも大きい。

【0054】

一部の実施形態において、呼吸カートリッジ内のゲージ圧は、４ｋＰａよりも大きい。

【0055】

一部の実施形態において、システムから流出する流量は、０．５リットル／分未満又は約０．５リットル／分である。

【0056】

一部の実施形態において、流量は、０．１リットル／分未満又は約０．１リットル／分である。

【0057】

一部の実施形態において、流量は、０．０５リットル／分未満又は約０．０５リットル／分である。

【0058】

一部の実施形態において、対象のＶＯＣの分子量ｍを仮定すると、１又は２以上の流路の合計長Ｌ及び空気の室温Ｑでの呼吸カートリッジを通る総流量は、
Ｌ／（ｍ０．５Ｑ）＞Ｃ
の関係を満たし、Ｌはｃｍであり、ｍは原子質量単位であり、Ｑはリットル／分であり、Ｃ＝１．５である。

【0059】

一部の実施形態において、Ｃ＝３．５である。

【0060】

一部の実施形態において、Ｃ＝６である。

【0061】

一部の実施形態において、Ｃ＝８である。

【0062】

一部の実施形態において、Ｃ＝１３である。

【0063】

一部の実施形態において、システムは、呼吸カートリッジと直列の水カートリッジをさらに備え、呼吸カートリッジは、Ｌ’の結合総流路長を有し、温度Ｔで実行され、Ｔ、Ｌ’、及びＱは、
Ｌ＊Ｔ１．５／（Ｑ＊１００００）＞Ｃ
の関係を満たし、Ｑはリットル／分であり、Ｔはケルビンであり、Ｌはｃｍであり、Ｃ＝５である。

【0064】

一部の実施形態において、Ｃ＝１１である。

【0065】

一部の実施形態において、Ｃ＝１６である。

【0066】

一部の実施形態において、Ｃ＝２１である。

【0067】

一部の実施形態において、被験者が息をマウスピース及び呼吸チャンバに吐き出す場合、マウスピース及び呼吸チャンバは、呼吸カートリッジ及びＬＮ２と完全に一体化される。

【0068】

一部の実施形態において、被験者がマウスピース及び呼吸チャンバに息を吐き出す場合、マウスピース及び呼吸チャンバは、呼吸カートリッジ及びＬＮ２から分離され、その後、呼吸チャンバは、呼吸カートリッジ及びＬＮ２と一体化される。

【0069】

一部の実施形態において、マウスピース及び呼吸チャンバ組立体は、電気作動弁、２又は３以上の電気作動弁、電子圧力変換器、及びディスプレイから選択される要素を有する。

【0070】

一部の実施形態において、マウスピース及び呼吸チャンバ組立体の全ては、電気部品をもたない機械式である。

【0071】

一部の実施形態において、呼吸チャンバは、入口及び出口に逆止弁を有する。

【0072】

一部の実施形態において、逆止め弁は、０．２５ｋＰａを超え、１０ｋＰａ未満のクラッキング圧力を有する。

【0073】

一部の実施形態において、ＬＮ２の中に沈められていない呼吸チャンバの端部は、－１００℃又はより高い温度に保持される。

【0074】

本開示は、添付図面と併せて読む場合に以下の詳細な説明から最良に理解される。一般的な方法に従って、図面の種々の特徴は、正確な縮尺ではないことが強調される。それどころか、様々な特徴の寸法は、明瞭化のために任意に拡大又は縮小される。

【図面の簡単な説明】

【0075】

【図1】実施形態による、ＶＯＣの効率的な捕捉がどのように直接的な低いばらつきに至るかを示す図である。

【図2】開示される方法、システム、及び装置の１つの実施形態の概略図である。

【図3】実施形態による、呼吸内の呼気ＣＯ２の測定結果である。

【図4】実施形態による、０℃を上回る温度の関数としての空気中の水蒸気含有量のグラフである。

【図5】実施形態による、０℃未満の温度の関数としての水氷と均衡状態の空気中の水蒸気含有量のグラフである。

【図6】実施形態による、開示される方法、システム、及び装置の水カートリッジの１つの実施形態の図面である。

【図7】実施形態による、温度の関数としての呼気中の様々なＶＯＣの飽和蒸気圧及び予想蒸気圧のグラフである。

【図8】実施形態による、開示される方法、システム、及び装置の呼吸カートリッジの１つの実施形態の図面である。

【図9】実施形態による、図８の実施形態のインサートである。

【図10】実施形態による、図８の実施形態のＶＯＣ弁である。

【図11】実施形態による、図８の呼吸カートリッジと共に使用することができるＶＯＣ弁アクチュエータの実施形態である。

【図12】実施形態による、手持ち式の呼吸チャンバの実施形態である。

【図14】実施形態による、プラスチックケース内の図１２の呼吸チャンバの実施形態である。

【図15】実施形態による、ＣＯ２が呼気から除去され始める温度、及びＣＯ２の９０％が除去される温度を示すＣＯ２の相図である。

【発明を実施するための形態】

【0076】

本発明の系統的論述及び方法論を説明する前に、本発明は、説明する特定の系統的論述及び方法論はもちろん変わり得るので、系統的論述及び方法論に限定されないことを理解されたい。また、本発明の範囲は特許請求の範囲によってのみ限定されることになるので、本明細書で使用する用語は、特定の実施形態を説明することを目的とするにすぎず、制限的ではないことが意図されていることを理解されたい。

【0077】

数値の範囲が提示される場合、その範囲の上限と下限との間の各介在値は、また、特に規定のない限り、下限の単位の１／１０まで具体的に開示されることを理解されたい。規定された範囲内の何らかの規定値又は介在値と、その規定範囲内の何らかの他の規定値又は介在値との間のより小さな範囲の各々は、本発明内に包含される。これらのより小さな範囲の上限及び下限は、独立して範囲内に含むか又は除外することができ、一方又は両方がより小さい範囲内に含まれるか又は両方ともより小さい範囲内に含まれない各々の範囲は、また、規定範囲内の何らかの具体的に除外された境界に従って本発明に包含される。また、規定範囲が境界のうちの一方又は両方を含む場合、それらの含まれた境界のうちの一方又は両方を除外する範囲は、本発明に含まれる。

【0078】

特に規定のない限り、本明細書で使用する全ての専門用語又は科学用語は、本発明が属する技術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。本明細書で説明する方法及び材料と類似又は同等の何らかの方法及び材料は、本発明の実施又はテストにおいて使用することができ、好適な方法及び材料は以下に説明される。本明細書で言及する全ての出版物は、出版物に引用されるものと共に方法及び／又は材料を開示して説明するために引用によって本明細書に組み込まれる。

【0079】

本明細書で使用する場合及び特許請求の範囲において、単数形「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、特に規定のない限り、複数の指示対象を含むことに留意されたい。従って、例えば、「定式化」への言及は、複数の対象の定式化を含み、「方法」への言及は、当業者に知られている１又は２以上の方法及びその均等物などの言及を含む。

【0080】

本明細書で検討する出版物は、本出願の出願日前に単にそれらの開示に関して提示される。ここで、従来の発明によるそのような開示に対して本発明が先行しないものであると自認すると解釈されるべきではない。さらに、提示された刊行年は、実際の刊行日付と異なる可能性があり、別々に確認する必要があるであろう。

【0081】

以下で説明するシステムは、米国内で開発及び設計されるので、管体などの英単位系における標準サイズが使用されていることに留意されたい。容易に利用可能なメートル法換算値を使用することができ、本開示は、開示される寸法を上回る及び下回る標準メートル法換算値を含むと解釈する必要があることを理解されたい。

【0082】

本開示の多くは、管体、流路、チャンバなどを直円柱の形状で描写することに注意されたい。この形状は、製造可能で、容易に利用可能であり、所定の断面積に関して最小の露出面を有するので一般的に好適である。しかしながら、本開示は、限定されるものではないが、正方形、矩形、六角形を含む他の断面形状を対象にすることが意図されている。水力直径など、標準的な方法を使用して、他の形状の同等のサイズを計算することができる。

【0083】

定義
胞状領域：気道が肺胞で高密度に内張りされる肺の周辺部内の領域。

【0084】

肺胞：ＶＯＣなどの空気中の酸素及び他の分子が体循環に吸収される肺周辺部内の小さい（２００～５００）μｍの嚢、ＣＯ２は、体循環から除去される。

【0085】

分析：性質を理解するため又は不可欠な特徴を判定するための何か複雑なもの精密検査、例えば、様々な疾患状態との相関を判定するための又は様々な疾患状態を診断するための呼気中の測定ＶＯＣレベルの分析

【0086】

解剖学的死腔：胞状ではない相対的に大きな誘導気道で構成される肺の中央領域。吸息終了時に、解剖学的死腔は、最後の吸入空気を含み、その空気は、体循環と平衡しない。多少混合はあるが、呼気開始時の第１の呼気は、主に解剖学的死腔からの空気であり、例えば、体循環内のＶＯＣのレベルと平衡しない。

【0087】

定量：化学成分、特に呼気中のＶＯＣ量の測定。

【0088】

ボール弁：貫通通路を有する球を備える弁、ボールは、通路を通る流れを許容する又は許容しないために回転させることができる。ボール弁は、方向性をもつことができ、入口から１又は２以上の出口までの流れを導くか、又は、１又は２以上の入口から出口までの流れを導く。ボール弁が実施例で説明される場合、流れを阻止するか又は導く何らかの同様と弁を代用することができることを理解されたい。

【0089】

呼吸カートリッジ：呼気サンプルからＶＯＣを回収して濃縮する装置。

【0090】

呼吸チャンバ：特に呼吸カートリッジ内でのＶＯＣ濃縮前に呼気を捕捉する保持容器。

【0091】

逆止弁：１つの方向にのみの流れを可能にする弁。好適な逆止弁は、低いがゼロよりも大きいクラッキング圧力を有する。

【0092】

ＣＯ２カートリッジ：呼気サンプルからＣＯ２を除去するデバイス。

【0093】

変動係数：一連の測定値を平均測定値で除算した標準偏差。通常、百分率として提示される。

【0094】

コールドフィンガー：一端がＬＮ２などの低温液体中に沈められ、他端が低温液体の温度を上回る温度に冷却される要素（例えば、水カートリッジ）と熱接触するロッド。

【0095】

凝縮温度：化合物、好ましくはＶＯＣが、表面に拡散するのに十分な時間が許容される場合に表面上へ凝縮する温度。凝縮温度は、合成物の固有特性及びその分圧の両方に左右される。

【0096】

クラッキング圧力：逆止弁が開いて流れを可能にするのに必要とされる圧力。

【0097】

低温維持装置：ＬＮ２などの低温流体用容器。好適な低温維持装置は、魔法瓶及び発泡スチロール容器などの熱伝導率が低い壁部を有する。

【0098】

シリンダー：均一な断面のロッド。

【0099】

デュワー：低温維持装置の別名。

【0100】

拡散係数：分子（Ｈ２Ｏ、ＣＯ２又はＶＯＣなど）又はこの分子の集合体（すなわち、ガス）の拡散の速度の尺度。

【0101】

拡散：容積全体にわたって伝搬する分子（Ｈ２Ｏ、ＣＯ２又はＶＯＣなど）又はこの分子の集合体（すなわち、ガス）のプロセス。拡散は、一般的に分子の熱速度によって引き起こされ、分子間の衝突によって制限される。

【0102】

呼気終末：呼気終了からの空気。呼気終末呼吸は、大部分が肺の胞状領域内に滞留する空気であり、従って、体循環と均衡状態に近い。

【0103】

流量計：ガス、例えば、パージガス又は呼気の流量を測定する装置。

【0104】

ゲージ圧：周囲空気の圧力を上回る圧力。

【0105】

ＧＣ－ＭＳ：様々な物質、好ましくは呼気サンプルである試験試料中の好ましくはＶＯＣを識別するためにガスクロマトグラフィー及び質量分析の特徴を結合する分析法。

【0106】

不活性ガス：ヘリウム、アルゴン、キセノン、クリプトン、及び窒素を含むがこれらに限定されない相対的に反応しないガス。

【0107】

ＬＣＭ：好ましくは呼気サンプルである試験試料中の異なる物質、好ましくはＶＯＣを識別するために、液体クロマトグラフィー及び質量分析の特徴を結合する分析法。

【0108】

ＬＮ２：液体窒素、窒素ガスを低温冷却することから生じる窒素（Ｎ２）分子の液体。１大気圧に晒される場合、ＬＮ２の沸点は、－１９６℃である。

【0109】

モデル規範形適応制御（ＭＲＡＣ）：モデルに従って変動する状態に適応する制御装置によって使用される制御方法。一例は、ドレントラップのための温度制御とすることができ、制御パラメータは、蒸発に起因してＬＮ２のレベルが変化する場合に変わる。

【0110】

ニードル弁：先端に針が設けられたねじ山を有する弁、針は、ねじ山が前進される際に着座部の方に導かれ、その結果、ガスの流れが低減又は停止される。ニードル弁が実施例で説明される場合、流れを低減するか又は導く何らかの同等の弁を代用することができることを理解されたい。

【0111】

有機化合物：炭素を含有する分子。ＣＯ２又はＣＯなどの一部の分子は、従来、有機化合物であると考えられていなかった。

【0112】

圧力変換器：測定圧用デバイス、好ましくは固体素子利用デバイス。事前の較正で、圧力変換器を使用して、ガス、例えば、パージガス又は呼気の流量を計算することができる。経時的に計算された流量を積分することによって、ガス量を計算することができる。

【0113】

線形積分微分型（ＰＩＤ）サーボ制御装置：誤差信号、例えば、所望の「設定値」温度と測定温度との差異を連続的に計算し、誤差信号に比例した制御信号（例えば、加熱抵器に供給された電流）、誤差信号の経時的な積分、及び誤差信号の変化又は「差分」の時間率を適用する制御方法。

【0114】

比例サーボ制御装置：制御信号（例えば、加熱抵抗器に供給された電流）を印加する制御方法であり、制御信号は、誤差信号、例えば、所望温度などの所望設定値と測定温度などの測定設定値との間の差分に比例する。

【0115】

パージガス：呼気サンプルではないＶＯＣ回収システムを通って流されるガス。パージガスを使用して、例えば、ＶＯＣ、捕捉ＣＯ２及びＨ２Ｏ、並びに先の測定からの汚染物質を取り除き、呼気サンプルを回収システムに送り込み、ＬＮ２進入の可能性を排除するために回収システムに圧力をかけることができる。

【0116】

呼吸細気管支：空気を肺胞のガス交換単位に送給する呼吸領域の開始を示す気道内の気管支気道のより小さい分岐。

【0117】

直円柱：断面が円形であるシリンダー。

【0118】

飽和空気：空気の温度を考慮した最も安定した濃度の水蒸気を含有する空気。

【0119】

シグモイド：何らかのパラメータの関数として、最初はゆっくり増加し、その後、増加率が最大に上昇し、次に、増加率が本質的にゼロまで減少するＳ字形化曲線。

【0120】

シュノーケル：ガス、例えば、不活性ガスが低温流体中に沈められた装置から流れ出ることを可能にする管体の短尺材。

【0121】

昇華：化合物、例えば、水、ＣＯ２、又はＶＯＣが、液相を経ることなく固体から気体に直接、蒸発するプロセス。

【0122】

過飽和空気：飽和水蒸気よりも高い含有量を有する空気。過飽和は、通常、飽和空気を冷却することによって発生し、粒子、表面、剪断流れ、又は衝撃波などの凝縮を開始するための手段がない場合、維持することができる。

【0123】

表面積対体積比：形状、例えば、エアチャンバの表面積対容積の比率。：

【0124】

捕捉効率：捕捉装置、例えば、水カートリッジ、ＣＯ２カートリッジ、又は呼吸カートリッジを通って流された場合に、捕捉される化合物、例えば、水、ＣＯ２、又はＶＯＣの百分率。回収効率ともいう。

【0125】

熱電冷却器（ＴＥＣ）：印加された電流の方向に応じて熱をデバイスの片側から反対側に伝達する固体素子利用デバイス。

【0126】

揮発性有機化合物（ＶＯＣ）：室温で高い蒸気圧を有する有機化合物。：

【0127】

水カートリッジ：水蒸気を呼気サンプルから除去するデバイス。

【0128】

本開示は、動物、好ましくは人間によって吐き出された息中の揮発性有機化合物（ＶＯＣ）を回収、検出、及び定量化するデバイス、システム、キット、及び方法を包含する。開示される方法、システム、及び装置は、単一のＶＯＣを定量化するために使用することができるが、好ましくは、２又は３以上、さらに好ましくは、５又は６以上、７又は８以上、１０又は１１以上、１５又は１６以上、又は、２０又は２１以上のＶＯＣが定量化される。１つの実施形態において、１又は２以上のＶＯＣの吐き出し量は、個別に定量化される。別の実施形態において、２又は３以上のＶＯＣの相対量が測定され、絶対量は測定されない。１つの実施形態において、システムは、先に定量化されたシステム捕捉効率（捕捉されて定量のために提示される呼気ＶＯＣの百分率）で各ＶＯＣを捕捉し、結果は、直接的に、同様に定量化されたシステム捕捉効率を有する他の測定値と比較することができる。別の実施形態において、システム捕捉効率は必ずしも定量化されるわけではないが、システム捕捉効率に関連したパラメータは反復可能なプロセスをもたらすように制御され、異なる測定値を直接、比較することができる。

【0129】

一部の実施形態において、大きなサンプルサイズは、様々な疾患状態との相関を判定するために使用される。好ましくは、１０００を超えるか又は約１０００のサンプル、１０，０００を超えるか又は約１０，０００のサンプル、１００，０００を超えるか又は約１００，０００のサンプル、又は、１，０００，０００を超えるか又は約１，０００，０００のサンプルのサンプルサイズが使用される。好ましくは、限定されるものではないが、人工知能、回帰、機械学習、ニューラルネットワークなどを含むリストから選択された技術は、様々な疾患状態に予測相関を判定するために使用される。好ましくは、その後、開示される方法、システム、及び装置は、それらの疾患状態を診断するために又はより詳細で予測的な試験が必要とされることを示すために使用される。

【0130】

特に好適な実施形態において、各ＶＯＣのシステム捕捉効率は、１００％に十分に近いのでシステム捕捉効率は、相対的にパラメータ変動に鈍感になる。このことは図１に概略的に示される。捕捉効率は、典型的な「シグモイド」曲線を有することができる。図示するように、ｘ軸は、温度、ガス流速度、捕捉媒体の長さなどの捕捉効率に関連する何からのパラメータを表す。好適な本発明の実施形態に関して、システム捕捉効率に影響を与えるパラメータは、以下に詳細に説明する。捕捉効率が低い場合、例えば、図１に示すように約５０％である場合、パラメータの影響は、大きい可能性がある。任意単位の１のパラメータの変化１０１は、２４パーセントポイントの捕捉効率の変化１０２をもたらす場合がある。ＶＯＣの約半分のみが捕捉されるので、捕捉されたＶＯＣの量の百分率変化（「変動係数」）は、約２４％／．５＝４８％である。これは、捕捉効率が高い、例えば、９８％である事例と比較することができる。この場合、パラメータの同一量、１の変化１０３は、１．８３パーセントポイントの捕捉効率の変化１０４をもたらし、変動係数は８７％となる。従って、非常に高い捕捉効率を有するシステムに関して自明でない再現性利点がある。

【0131】

好ましくは、対象のＶＯＣのシステム捕捉効率は、５０％よりも大きいか又は約５０％、７５％よりも大きいか又は約７５％、９０％よりも大きいか又は約９０％、９５％よりも大きいか又は約９５％、又は、９９％よりも大きいか又は約９９％である。

【0132】

図２に概略的に示す実施形態において、システム２００は、マウスピース２０１、捕捉された呼気から水を除去する水カートリッジ２０２、１又は２以上のＶＯＣを捕集する呼吸カートリッジ２０３、並びに、様々なセンサー、弁、及び清浄なパージガス及び呼気を導いてシステム２００に通す配管を備える。１つの実施形態において、被検者は、息を吐き出して直接、水カートリッジ２０２及び呼吸カートリッジ２０３に通す。好適な実施形態において、患者は、呼気の所定の容積を捕捉する呼吸チャンバ２０４に息を吐き出し、その後、システム２００は、この空気を導いて所定の流量又は流量プロファイルを有する水カートリッジ２０２及び呼吸カートリッジ２０３に通す。

【0133】

マウスピース
マウスピース２０１は、被験者の唇及び唾液との接触に適切な何らかの材料とすることができる。好適なマウスピースは、合成高分子又は厚紙で作製される。１つの実施形態において、マウスピース２０１は、外径が約２３ｍｍ～約３３ｍｍ、好ましくは、約２５ｍｍ～約３０ｍｍの範囲にある厚紙筒である。好ましくは、厚紙マウスピースは、唇への付着を防止する白色コーティングを有する。被験者間で相互汚染の可能性を低減するために、マウスピース２０１は、好ましくは単回使用の使い捨て品であり、随意的に呼気を可能にするが吸気には対応しない一方弁（図２には図示せず）で構成される。１つの実施形態において、システム２００は、小児使用向けのより小さいマウスピース２０１の装着を可能にするアダプタを備えることができる。好適な小児用マウスピース２０１は、約１５ｍｍ～約２５ｍｍ、好ましくは、約１８ｍｍ～約２０ｍｍの範囲の外径を有する。

【0134】

呼吸チャンバ／呼吸捕捉
好ましくは、システム２００は、呼吸カートリッジ２０３を通り、水カートリッジ２０２を通り、好ましくは、次に、呼吸カートリッジ２０２を通るその後の移送のために、所定の容積の呼気を捕捉する呼吸チャンバ２０４を備える。呼吸チャンバ２０４は、何らかの適切な材料とすることができる。剛性呼吸チャンバ２０４は、好ましくは、アルミニウム又は鋼、好ましくはステンレス鋼などの金属から製作される。別の実施形態において、呼吸チャンバ２０４は、可撓性であり、ポリマー材料、好ましくは、ポリ弗化ビニルで構成される。

【0135】

好ましくは、捕集された関連のＶＯＣの量を判定するために使用された定量は、敏感であり、捕捉される空気の量は、少量とすることができる。小さな呼気容積は、限定されるものではないが、水カートリッジ２０２の小型化の可能化と同時に捕捉された水による流路閉塞の回避、及び呼気を捕捉するのに必要な時間の短縮化を含む、いくつかの利点を有する。好ましくは、システム２００は、被験者による約１０未満の呼気、約５未満の呼気、又は約３未満の呼気を必要とする。好適な実施形態において、システム２００は、約１の呼気のみからの空気をサンプリングする。好ましくは、１又は２以上のＶＯＣの定量方法は、所要の捕捉される空気量を最小限に抑えるために、１又は２以上のＶＯＣのための非常に低い定量限界を有する。好適な定量方法は、限定されるものではないが、液体クロマトグラフィー－質量分析（ＬＣＭ）及びガスクロマトグラフ質量分析法ＧＣ－ＭＳを含む。

【0136】

好ましくは、各呼気からサンプリングされた空気の量は、４リットル未満又は約４リットル、３リットル未満又は約３リットル、２リットル未満又は約２リットル、１リットル未満又は約１リットル、０．５リットル未満又は約０．５リットル、０．４リットル未満又は約０．４リットル、０．３リットル未満又は約０．３リットル、０．２リットル未満又は約０．２リットル、０．１リットル未満又は約０．１リットル、０．０５リットル未満又は約０．０５リットル、０．０２５リットル未満又は約０．０２５リットルである。好ましくは、各呼気からサンプリングされた空気の量は、約０．０２５リットル～約１リットル、約０．０５～約０．５、又は、約０．１～約０．２リットルの範囲にある。１つの実施形態において、約０．１又は０．２リットルは、単一の呼気からサンプリングされる。

【0137】

好ましくは、例えば、被験者が息を吐き出すマウスピース２０１と呼吸チャンバ２０４との間の何らかの管体２０５の最小直径は、被験者が最小の努力で息を吐き出すことができるほど十分に大きい。好ましくは、管体２０５は、１／８インチ（３．１７５ｍｍ）、よりも大きいか又は約１／８インチ、３／１６インチ（４．７６３ｍｍ）よりも大きいか又は約３／１６インチ、１／４インチ（６．３５ｍｍ）よりも大きいか又は約１／４インチ、又は、３／８インチ（９．５２５ｍｍ）よりも大きいか又は約３／８インチの最小内径である。好適な管体は、外径は約１／４インチ（６．３５ｍｍ）、内径は約０．１７５インチ（４．４４５ｍｍ）以上であり、又は、外径は約３／８インチ（９．５２５ｍｍ）、内径は約０．３３５インチ（８．５０９ｍｍ）以上である。

【0138】

１つの実施形態において、システム２００は、圧力変換器２０６を備え、圧力変換器２０６は、システム２００による呼気流量及び呼気量の計算を可能にするために較正されている。好ましくは、管体２０５の流れ抵抗及び／又は抵抗要素２０９の抵抗は、被験者が、６０リットル未満又は約６０リットル／分（ＬＰＭ）、４５ＬＰＭ未満又は約４５ＬＰＭ、３０ＬＰＭ未満又は約３０ＬＰＭ、好ましくは、約２０ＬＰＭで息を吐き出し、目標呼気容積に到達した場合に指向性ボール弁２０７を作動させるのに十分な時間を可能にするようなものである。例えば、抵抗要素２０９は、固定抵抗ニードル弁とすること又は図２に示すように調整抵抗ニードル弁とすることができる。１つの実施形態において（図示せず）、目標呼気容積に到達する前に、呼気は、システム２００から迂回することができ、目標呼気容積に到達した場合に、１又は複数の弁が作動して、呼気は、呼吸チャンバ２０４に導かれる。図２の実施形態において、呼気全体は、呼吸チャンバ２０４に導かれて通過し、目標呼気容積に到達した場合に、限定されるものではないが、弁２０７が、呼気流量を阻止するために作動される；弁、例えば、ボール弁２０８が、呼吸チャンバ２０４を周囲の環境から隔離するよう作動される；ボール弁２０７及び２０８が、呼吸チャンバ２０４の内容物を水カートリッジ２０２及び／又は呼吸カートリッジ２０３に導くように作動される；及び／又は、方向ボール弁（図示せず）が、呼気流量を呼吸チャンバ２０４から迂回させるために作動される、ことを含む１又は２以上の作用が行われる。

【0139】

別の実施形態において、マウスピース２０１、呼吸チャンバ２０４、管体２０５、弁２０７、弁２０８、及び抵抗要素２０９を備える呼吸サンプリングサブシステムは、被験者が呼吸サンプリングサブシステムを介して息を吐き出す際に呼吸捕捉システム２００の残部とは別個であり、その後、呼吸カートリッジ２０３内の捕捉されたＶＯＣの濃縮のために呼吸捕捉システム２００の残部に接続される。好ましくは、この実施形態において、呼吸サンプリングサブシステムは、手持ち式であり、５ポンド未満、好ましくは、２ポンド未満、さらに好ましくは、１ポンド未満の重量である。一部の疾患状態、例えば、呼吸サンプリングサブシステムを保持することを難しくする可能性があるパーキンソンのような神経学的な状態については、呼吸サンプリングサブシステムは、床に取り付けられた又は床上に位置するスタンド、又はテーブル、カート、又は椅子などの家具に取り付けることが好ましい場合がある。呼吸捕捉サブシステムは、全て機械式とすることができ、又は電気機械式バルブ構成及び／又は上述の電子構成要素を有することができる。

【0140】

一部の構成において、呼吸捕捉サブシステムは、全て機械式であり、呼吸チャンバ２０４の保持容積の前後に逆止弁（図示せず）を利用する。好ましくは、逆止弁は、開放して流れを可能にするには何らかの正圧（すなわち、正の「クラッキング圧力」）を必要とし、被験者が息を吐き出すのを止めた場合に、呼吸チャンバ２０４が環境から隔離され、捕捉呼吸が逃げないことを保証するようになっている。これらの逆止弁は、好ましくは、０．２５ｋＰａよりも大きいか又は約０．２５ｋＰａ、０．５ｋＰａよりも大きいか又は約０．５ｋＰａ、１ｋＰａよりも大きいか又は約１ｋＰａ、２．５ｋＰａよりも大きいか又は約２．５ｋＰａ、５ｋＰａよりも大きいか又は約５ｋＰａのクラッキング圧力を有する。好ましくは、逆止弁は、１０ｋＰａ未満又は約１０ｋＰａ、７．５ｋＰａ未満又は約７．５ｋＰａ、５ｋＰａ未満又は約５ｋＰａ、又は、２．５ｋＰａ未満又は約２．５ｋＰａのクラッキング圧力を有する。また、逆止弁は、被験者がチャンバから吸い込むのを防止することができ、相互汚染の可能性が排除される。好ましくは、呼吸捕捉サブシステムの流れ抵抗は、被験者が３０秒未満で、さらに好ましくは、２０秒未満で、さらに好ましくは、１０秒未満で、さらに好ましくは、５秒未満で完全に息を吐き出すことができるように十分に低い。５００ｃｃ／ｓの呼気流量での好適な流れ抵抗は、１００ｋＰａ／リットル／秒未満又は約１００ｋＰａ／リットル／秒、５０ｋＰａ／ＬＰＳ未満又は約５０ｋＰａ／ＬＰＳ、４０ｋＰａ／ＬＰＳ未満又は約４０ｋＰａ／ＬＰＳ、３０ｋＰａ／ＬＰＳ未満又は約３０ｋＰａ／ＬＰＳ、２０ｋＰａ／ＬＰＳ未満又は約２０ｋＰａ／ＬＰＳ、１５ｋＰａ／ＬＰＳ未満又は約１５ｋＰａ／ＬＰＳ、又は、１０ｋＰａ／ＬＰＳ未満又は約１０ｋＰａ／ＬＰＳである。適切な逆止弁の実施例は、ＴＶＣＳＳＶＴ．１２５ＳＳ（Ｃｈｅｃｋ－Ａｌｌ Ｖａｌｖｅ Ｍｆｇ．Ｃｏ．， Ｄｅｓ Ｍｏｉｎｅｓ， ＩＡ）である。これらの逆止弁の低いクラッキング圧力に起因して、試料の独立性及び純度を保証するために、呼吸チャンバ２０４の入力部及び出力部上に呼吸試料が収集された後に遮断されるボール弁又は同等のもの有することも有益であろう。

【0141】

図１２は、５０ｍｌの呼吸チャンバ２０４を有する呼吸捕捉サブシステムの実施形態を示す。図１３は、プラスチックケース内の図１２の実施形態を示す。人の呼気に必要とされる弁の比較的低いクラッキング圧力に起因して、逆止弁は、操作時及び移送時に加速度又は振動のために開く可能性があるので、呼気後に呼吸チャンバ２０４の両端を遮断する別の方法を有することが好ましい。例えば、呼気後、呼吸チャンバ２０４の入力部及び出力部は、限定されるものではないが、プラグ、停止具など、又はバルブ、例えば、ボール弁を含む機構によって遮断することができる。

【0142】

一部の用途に関して、肺の予め選択された領域から呼吸を捕捉することが好ましい。呼気ＶＯＣの捕捉は、肺癌及び他の肺疾患の早期発見に使用することができる。この場合、病的状態が発生することが予想される肺の領域、例えば、より中央の気道から空気を捕捉することが好ましいであろう。他の用途は、体の他の領域内で生成され、その後、体循環を介して肺に送給されるＶＯＣの検出を必要とする場合がある。従って、一部の構成において、肺からの最初の呼気は、大部分は最後の吸気で構成され、最後の吸気は、大部分が口及びより中央の気道内に滞留したものであり、従って体循環と平衡していないので、空気の所定の容積が吐き出された後にサンプルが空気から捕捉されることを保証することが好適であろう。体循環とは完全には平衡していないであろう口及び中央の誘導気道（解剖学的死腔）からの空気の容積は、人間のでは約１５０ｍｌが平均値である。

【0143】

呼気が肺周辺部から始まって体循環と平衡したか否かを判断する１つの方法は、呼気中のＣＯ２の量を測定することである。図３は、時間の関数としての呼気ＣＯ２のこのような測定値を示す。呼気流量は、息を吐き出している間に流量計を観察することによって制御される際に約０．４ＬＰＭであった。最初、ＣＯ２レベルは非常に低く、約３０秒で約０．２リットルに相当する約４２ｍｍｏｌに上昇したことが分かる。ＣＯ２レベルの増加は、中央気道を起点とする空気が肺周辺部から空気の次第に大部分と混合することに起因するであろう。約０．２リットルが吐き出された後、呼気ＣＯ２の量は、基本的に横ばいになり、この空気はここでは基本的に完全に肺周辺部から来ており、体循環と均衡状態であることが示唆される。約０．２リットルの値は、１５０ｍｌの予想された解剖学的死腔容積と良好に合致する。

【0144】

１つの実施形態において、体循環と均衡状態にある空気が望まれる場合、ＣＯ２は、監視され、呼気ＣＯ２の測定量、又は時間に対するＣＯ２の勾配、又は上述した呼気量曲線に対するＣＯ２は、ＶＯＣ捕捉のためにいつ空気のサンプリングを開始するかを判定するために使用される。別の実施形態において、空気は、ＶＯＣ捕捉のために空気をサンプリングする前に所定の時間量にわたって吐き出される。好適な実施形態において、呼気圧の関数として呼気量のために事前に較正された圧力変換器２０６からの信号を積分することによって測定されるような予め選択された空気容積は、ＶＯＣ捕捉のために空気のサンプリングを開始する前に吐き出される。好ましくは、選択された容積量は、被験者集団で予想される最大解剖学的死腔容積よりも大きいか又はこれにほぼ等しい。好ましくは、所定の容積は、１５０ｍｌよりも大きいか又は約１５０ｍｌ、２００ｍｌよりも大きいか又は約２００ｍｌ、３００ｍｌよりも大きいか又は約３００ｍｌ、５００ｍｌよりも大きいか又は約５００ｍｌ、７５０ｍｌよりも大きいか又は約７５０ｍｌ、もしくは１リットルよりも大きいか又は約１リットルである。

【0145】

以下で説明するように、水の除去及びＶＯＣの回収は、吐き出された水、ＶＯＣ、又は複数のＶＯＣが飽和する点まで温度を低下させることによって最適化されるが、何らかの温度で表面に結合された何らかのＶＯＣが存在する可能性がある。従って、捕捉された呼気が晒される内部表面積を最小限することが好ましい。これは、捕捉された呼気の長い滞留時間に起因して、呼吸チャンバ２０４内で最適とすることができる。好ましくは、呼吸チャンバ２０４の内部表面積は、５００ｃｍ²未満又は約５００ｃｍ²、４００ｃｍ²未満又は約４００ｃｍ²、３００ｃｍ²未満又は約３００ｃｍ²、２００ｃｍ²未満又は約２００ｃｍ²、１５０ｃｍ²未満又は約１５０ｃｍ²、もしくは１２５ｃｍ²未満又は約１２５ｃｍ²である。呼吸チャンバ２０４の１つの実施形態は、球体が可能な限り小さい表面積対体積比を有するので、基本的に球形である。例示的に、球形の１００ｍｌの球体は、１０４．２ｃｍ²のみの表面積を有し、２００ｍｌの球体は、１６５．４ｃｍ²の表面積を有する。呼吸チャンバ２０４の１つの実施形態は、比較的大きな外径の管体である。この実施形態において、管体の様々な長さを使用することによって呼吸チャンバ２０４容積を調整することは比較的簡単である。好ましくは、管体外径は、限定されるものではないが、３／４インチ（１９．０５ｍｍ）、７／８インチ（２２．２３ｍｍ）、１インチ（２５．４ｍｍ）、１ １／４インチ（３１．７５ｍｍ）、１ １／２インチ（３８．１ｍｍ）、又は２インチ（５０．８ｍｍ）、又は、容易に利用可能なメートル法換算値を含むリストから選択される。好ましくは、マウスピース２０１、管体２０５、弁２０７及び２０８、及び呼吸チャンバ２０４の組み合わされた内部表面積は、１００ｃｍ²未満又は約１００ｃｍ²、８００ｃｍ²未満又は約８００ｃｍ²、６００ｃｍ²未満又は約６００ｃｍ²、４００ｃｍ²未満又は約４００ｃｍ²、３００ｃｍ²未満又は約３００ｃｍ²、もしくは１５０ｃｍ²未満又は約１５０ｃｍ²である。

【0146】

管体をマウスピース、弁などに接続するためのより小さな管体に適応させるために、圧縮取付け具、例えば、Ｓｗａｇｅｌｏｋ（登録商標）取付け具を利用することが容易なので、上述の呼吸チャンバ２０４の管体サイズは好適である。１つの特に好適な直径は、最小表面積対体積比を有するので約２インチ（５０．８ｍｍ）である。例示的に、１つの入手が容易なステンレス鋼管体のサイズは、約２インチ（５０．８ｍｍ）の外径及び約０．０６５インチ（１．６５ｍｍ）の肉厚を有し、約１．８７インチ（４７．５ｍｍ）の内径をもたらす。１００ｍｌの呼吸チャンバの実施例に関して、総表面積は、エンドキャップを含めて約１１９．７ｃｍ²であり、同じ容積の球体を約１５％だけ上回る。２００ｍｌの呼吸チャンバであれば、同等の球体よりも多少大きい２０３．９ｃｍ²の表面積を有する。約５０ｍｌ以下の容積に関して、２インチ（５０．８ｍｍ）のエンドキャップの組み合せ面積は、表面積を支配し始め、例えば１．５インチ（３８．１ｍｍ）のより小さな管体は、同じ容積の割にはより小さい面積を有することになる。好ましくは、呼吸チャンバ２０４は、対象の１又は２以上のＶＯＣの、５０％未満又は約５０％、１０％未満又は約１０％、５％未満又は約５％、２％未満又は約２％、１％未満又は約１％、もしくは０．５％未満又は約０．５％を捕捉する。

【0147】

好ましくは、捕捉される呼吸は、吸気中のＶＯＣによって汚染されない。これを最小限にする１つの方法は、被験者に、清浄な空気の供給源からの又は何らかのＶＯＣ汚染物質を除去するための以下でさらに詳細に説明する呼吸カートリッジ２０３と類似したカートリッジを通った空気からの、汚染されていない空気中で呼吸させることである。吸気中のＶＯＣを除去する好適な方法は、被験者に一定期間にわたって息を止めさせることであり、これはＶＯＣが肺の肺胞の壁部に進んでこれに吸収されることを可能にし、空気が体循環と均衡状態であり、吸気の何らかのＶＯＣが肺によって空気から除去されることが保証する。例示的に、図７から、最高分子量、従って最低拡散係数を有するＶＯＣは、１５６．３１ｇｍｏｌ^-1の分子量及び体温で０．０８５ｃｍ²／ｓの推定拡散係数を有するウンデカンである。ウンデカン分子が時間ｔで拡散することになる平方二乗平均距離は、（６Ｄｔ）^1/2である。人間の呼吸細気管支の平均径は、約５００ミクロン又は．０５ｃｍである。５００ミクロンを拡散させる平均ウンデカン分子の時間は、（．０５ｃｍ）²／（６＊０．０８５ｃｍ²／ｓ）＝４．９ｘ１０^-3秒である。従って、約１秒の非常に短い息止めで、胞状領域内の空気は、完全に肺と平衡となり、吸気中のＶＯＣに影響を受けないであろうことが分かる。例えば、特定の肺疾患様癌、喘息、ＣＯＰＤなどを診断するために、より多くの中央気道から空気をサンプリングすることを望む場合があり、分子が実質的に円筒形の気道の軸に垂直に拡散することになる距離は、（４Ｄｔ）⁵によって与えられる。約０．５ｃｍの直径の気管支気道に関して、ウンデカン分子が気道の直径に拡散するＲＭＳ時間は、約０．７４秒である。つまり、空気を気管支気道からサンプリングすることを望む実施形態に関して、数秒の息止めは、吸気を気道壁部と平衡状態にすることができる。

【0148】

捕捉呼吸の移送
好ましくは、所定量の呼気を呼吸チャンバ２０４で捕捉した後、捕捉呼吸は、水カートリッジ２０２を通って引き込まれ、その後、呼吸カートリッジ２０３を通る。これは、真空ポンプ（図示せず）を使用して達成することができる。外気は、サンプルが環境ＶＯＣで汚染されないように捕捉呼気と混合しないことが好ましい。これは、可撓性ポリマーバッグを使用して呼気を捕捉し、その後、空気が外へポンプ圧送される際にバッグが潰れることを可能にすることによって達成することができる。同様に、真空ポンプによって引き起こされた管体内の減圧によって生成された力によって管体を下方に進む封止ピストンを用いて管体内の空気を捕捉することができる。もしくは、空気は、正圧下で呼吸チャンバ２０４から押し出すことができる。これは、上述したようにシリンダー及びピストンで行うことができ、例えば、ピストンは、線形作動機械的装置によって又は正の空気圧によって確実に変位される。また、このことは、ポリマー容器を第２の密閉容器内に配置し、第２の容器を加圧することによって行うことができる。これらの概念は、ガスが他のガスによって希釈されないので、捕捉ガス流が水カートリッジ及び呼吸カートリッジを通る時間を最小限にするという利点を有する。しかしながら、これらの概念は、ＶＯＣを放出する可能性がある可動部品及びポリマーバッグ又はシールを有するので好適でない場合がある。

【0149】

もしくは、図２に示すように、捕捉空気は、清浄な、好ましくは不活性のパージガスをパージガスタンク２１０から呼吸チャンバ２０４に導入することによって、呼吸チャンバ２０４から押し出すことができる。好適なガスとしては、限定されるものではないが、アルゴン、キセノン、又はクリプトン、好ましくは窒素水素、又はネオン、最も好ましくはヘリウムを挙げることができる。好ましくは、ガス中の何らかの不純物は、１００未満又は約１００、１０未満又は約１０、又は、１未満又は約１のバート／ビリオン（ＰＰＢ）レベルにあり、対象の何らかのＶＯＣは、呼吸カートリッジ２０３を通って引き込まれたパージガスの総量中に含有された各ＶＯＣの量が呼気の捕捉容積中で予想された総量の約１０％未満、約１％未満、又は、０．１％未満であるようなレベルにある。好ましくは、呼吸チャンバ２０４の寸法及びガス流速度は、呼吸チャンバ２０４を通る流れが層状であるあることが期待され（すなわち、２０００未満又は約２０００のレイノルズ数）、パージガスとの混合を最小限にするようなものである。好ましくは、呼吸チャンバ２０４を通過するパージガスの容積は、捕捉呼吸の大部分、９０％よりも大きいか又は約９０％、９９％よりも大きいか又は約９９％。もしくは９９．９％よりも大きいか又は約９９．９％が呼吸カートリッジ２０３に送給されるように、容積が呼吸チャンバ２０４の容積よりも大きい。好ましくは、パージガスの容積は、呼吸チャンバ２０４の容積の１．５Ｘを超えるか又は約１．５Ｘ、２Ｘを超えるか又は約２Ｘ、３Ｘを超えるか又は約３Ｘ、５Ｘを超えるか又は約５Ｘ、１０Ｘを超えるか又は約１０Ｘ、もしくは２０Ｘを超えるか又は約２０Ｘである。

【0150】

呼吸チャンバ２０４と同様に、呼気が呼吸カートリッジ２０３への導入前に接触する全ての表面の総表面積は、好ましくは最小限にされる。また、滞留時間を最小限にするために、断面積は、最小限にする必要がある。好ましくは、呼吸カートリッジ２０３の前の全ての呼吸接触面の総表面積は、２００ｃｍ²未満又は約２００ｃｍ²、１５０ｃｍ²未満又は約１５０ｃｍ²、１００ｃｍ²未満又は約１００ｃｍ²、７５ｃｍ²未満又は約７５ｃｍ²、又は、５０ｃｍ²未満又は約５０ｃｍ²に維持する必要がある。好ましくは、サイズが小さくなれば生成される圧力降下が高くなり、呼気時間が不快なほど長くなり、サイズが大きいほど表面積が大きくなり、滞留時間が必要以上に長くなるので、被験者が息を吐き出す管体は、外径約１／４インチ（６．３５ｍｍ）又は約３／１６インチ（４．７６３ｍｍ）（又は、容易に利用可能なメートル法換算値）のステンレス鋼管である。被験者が直接、息を水カートリッジ２０２及び／又は呼吸カートリッジ２０３を通して吐き出さない実施形態において、使用される管体は、より高い圧力が利用可能となるので、一般的により小さいことが必要である。一般に、水及び／又は呼吸カートリッジ２０３の性能を最適化するために、より長い流動時間を使用することができる。また、より小さい管体は、より小さい表面積及び滞留時間を示すことに加えてＶＯＣ及び水カートリッジへの熱伝導を最小限にするので好適である。外径約３／１６インチ（４．７６３ｍｍ）、約１／８インチ（３．１７５ｍｍ）、又は約１／６インチ（４．２３３ｍｍ）（又は、容易に利用可能なメートル法換算値）のステンレス鋼管が好適である。好ましくは、呼吸カートリッジ２０３の前の表面は、対象の１又は２以上のＶＯＣの５０％未満又は約５０％、１０％未満又は約１０％、５％未満又は約５％、２％未満又は約２％、１％未満又は約１％、又は、０．５％未満又は約０．５％を捕捉する。

【0151】

水カートリッジ
水カートリッジ２０２は、水がＶＯＣの定量を妨げないように、及び、水が、定量装置の１又は２以上の構成要素、例えば、限定されるものではないが、ガスクロマトグラフィーカラム及び液体クロマトグラフィーカラムを含むグループから選択された構成要素を損傷しないように、水を捕捉空気から除去することができる。人間は、約３４℃の温度の水で飽和（又はおそらく過飽和）される空気を吐き出す。図４は、温度の関数としての、２５％、５０％、７５％、及び１００％の相対湿度での空気中の水蒸気の量を示す。図４から分かるように、人間は、３４℃及び１００％の相対湿度で息を吐き出す場合に、１リットルの空気当たり約３８ｍｇの水蒸気を吐き出すことになる。１００ｍｌの呼気が捕捉される場合、呼気は、最初に少なくとも３．８ｍｇの水を含有することになるが、空気が呼吸チャンバ２０４及び管体内にある間に、水の一部は、一般的に３４℃未満の温度である壁部上に凝縮することになる。好ましくは、水カートリッジ２０２を通過した後、捕捉空気は、水の約１００μｇ未満、約１０μｇ未満、約１μｇ未満、又は約０．１μｇ未満を含有する。好ましくは、水カートリッジ２０２によって水の約９０％又はそれ以上、約９９％又はそれ以上、約９９．９％又はそれ以上、もしくは約９９．９９％又はそれ以上が除去される。

【0152】

好ましくは、水カートリッジ２０２は、空気が水カートリッジ２０２の壁部と平衡した場合に、残りの水蒸気が所望のレベル又はそれ未満であるような温度に冷却される。呼吸カートリッジ２０３に導入された場合の捕捉空気中の水蒸気の１つの好適な最大量は、８．３μｇである。これは、ガスクロマトグラフィーカラムへの導入のために、回収されたＶＯＣが、限定されるものではないがヘリウムガスなどの５ｍｌの不活性ガスに分散される場合の１パーセントの水蒸気に対応する。例示的に、約１００ｍｌの空気が捕捉されると想定することができる。この場合、８．３μｇの全水蒸気質量は、８３μｇ／リットルに対応することになる。図４から分かるように、０℃での飽和空気は、１リットルの空気当たり約５ｍｇの水（目標量の約６０ｘ）を有する。１００ｍｌの呼気中の水を８．３μｇに低下させる場合、温度は、０℃を下回る必要があることが分かる。この場合、捕捉水は、冷凍されることになり、所要の温度の判定は、温度の関数として水氷から昇華する水蒸気量の計算を必要とする。この計算について、以下の式を利用することができる（Ｗｅｘｌｅｒ， ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＲＥＳＥＡＲＣＨ ｏｆ ｔｈｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｂｕｒｅａｕ ｏｆ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ－Ａ． Ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ， ８１Ａ（１）， １９７７， ａｆｔｅｒ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ ｆｒｏｍ ＩＰＴＳ－６８ ｔｏ ＩＴＳ－９０）。

【0153】

【0154】

式中、ｐは圧力であり、Ｔは温度であり、添字ｔは三重点を指し、τ≡１－Ｔ／Ｔ_t，Ｔ_t＝７３．１６Ｋ，ｐ_t＝６１１．６５７ Ｐａ，ａ₁＝－２２．４９４８，ａ₂＝－０．２２７，ａ₃＝０．５０２，ａ₄＝０．５６２である。次表は、摂氏の温度ｔでのパスカル（Ｐａ）の水Ｐの蒸気圧を一覧表で表す。

【0155】

【0156】

図５は、上記の式を使用して計算された約０～－１００℃までの温度で氷と均衡状態にある空気の水蒸気密度のグラフである。８３μｇ／リットル未満の目標水蒸気密度を達成するために、－４５℃未満又は約－４５℃の温度を使用する必要があることが分かる。

【0157】

好ましくは、水カートリッジ２０２の温度は、０℃未満又は約０℃、－１０℃未満又は約－１０℃、－２０℃未満又は約－２０℃、－３０℃未満又は約－３０℃、－４０℃未満又は約－４０℃、－５０℃未満又は約－５０℃、－６０℃未満又は約－６０℃、－７０℃未満又は約－７０℃、－８０℃未満又は約－８０℃、－９０℃未満又は約－９０℃、もしくは－１００℃未満又は約－１００℃である。１つの特に好適な温度は、約－５５±５℃である。

【0158】

図６は、１１の流路６０１を有する水カートリッジの１つの可能性のある実施形態を示す。

【0159】

温度要件に加えて、水カートリッジ２０２の１又は複数の流路６０１の寸法及び水カートリッジ２０２を通る流量は、水の所要の捕集された部分が、水カートリッジ２０２内の捕捉呼吸の滞留時間の間に水カートリッジ２０２の流路６０１の壁部に拡散することができるようなものである必要があることが要求されるであろう。Ｔ^1.5の温度依存性を想定すると、水の拡散係数は、Ｄ＝０．２１＊（Ｔ／２９８．１２）^1.5として推定することができ、２５℃での水の拡散係数は０．２１ｃｍ²／ｓであり、Ｔは、ケルビン温度である。拡散係数が分かると、当業者は、無次元拡散パラメータ＝ｄＬ／Ｑを計算することができ、Ｌは水カートリッジ流路６０１の長さ、Ｑは容積空気流量である。

【0160】

計算した拡散パラメータμを使用して、捕捉効率（パーセント）は、Ｂａｒｏｎ ａｎｄ Ｗｉｌｌｅｋｅ （Ｂ＆Ｗ） Ａｅｒｏｓｏｌ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ， ２ｎｄ Ｅｄｉｔｉｏｎ， Ｊ Ｗｉｌｅｙ ａｎｄ Ｓｏｎｓ， ２００１に出典された以下の式を使用して計算することができる：

【0161】

［１－０．８１９０５＊ｅ^-3.6568*μ＋０．０９７５３＊ｅ^-22.305*μ＋０．０３２５＊ｅ^-56.961*μ＋０．０１５４４＊ｅ^-107.62*μ］＊１００

【0162】

上記の式は、μのみに依存するので、捕捉効率は、Ｄ、Ｌ、及びＱのみに依存することが分かる。Ｄは、Ｔ^1.5に比例するので（Ｔは、ケルビン温度）、捕捉効率は、Ｌ＊Ｔ^1.5／Ｑによって特徴づけることができる。９０％よりも大きい捕捉効率が望まれる場合、Ｌ＊Ｔ^1.5／Ｑ＞Ｃ＊１００００であり、Ｃ＝５．０、Ｌはｃｍ、Ｑはリットル／分である。９９％よりも大きい捕捉効率が望まれる場合、Ｃ＝１１である。９９．９％よりも大きい捕捉効率が望まれる場合、Ｃ＝１６である。９９．９９％よりも大きい捕捉効率が望まれる場合、Ｃ＝２１である。勿論、これらの回収効率を達成するために、上述したように十分に低い温度を使用する必要がある。

【0163】

流路内での一定の容積流量での水の回収は、流路直径ｄと無関係であり、所与の長さ及び容積流量に関して、滞留時間は、ｄ²として増加するが、距離分子は、ｔ^1/2としての平均スケールで拡散する（ｔは、時間である）。水分子が壁部に当たるためにはおよそｄの距離を拡散する必要があることを考慮すると、直径が大きくなると、滞留時間は、まさに分子が大きな直径によって拡散するための十分な時間を与えるために必要とされる係数だけ長くなることが分かる。例示的に、水カートリッジ流路の直径が２倍になると、滞留時間は、約４倍だけ長くなり、その結果、２倍の直径に等しい、約２倍の拡散距離の増大につながる。

【0164】

別の興味深い結果は、複数のチャネルが平行に使用される場合、μの計算に使用される長さＬは、流路の長さの合計であることである。これは、以下の例から理解することができる。長さＬの所与の流路が結果的にＣ％の捕捉効率のとなる場合、代わりに長さＬ／ｎのｎ流路を使用すると、結果的に、各流路において容積流量の１／ｎとなり、各１／ｎ長の流路における滞留時間は、全長流路の元の滞留時間に等しいことを意味する。従って、水分子は、同じ直径の流路を横切って拡散するために同じ時間量を有し、その結果、同じ捕捉効率Ｃとなる。

【0165】

１つの実施形態において、水カートリッジ２０２内の１００ｍｌの呼気中の水蒸気の９９．９％を捕捉することが望まれる。上記の情報を使用すると、これは、約－４５℃の温度で保持された水カートリッジ２０２を介して空気を約０．４ＬＰＭの流量で移送することによって達成することができ、水カートリッジ２０２は、約２．５ｃｍの長さの８つの流路で構成される。

【0166】

水カートリッジ２０２は、限定されるものではないが、標準的な冷凍機及びペルティエ熱電冷却機（ＴＥＣ）を含む何らかの手段によって冷却することができる。好適なＴＥＣの実施形態は、限定されるものではないが、１又は２以上の２段ＴＥＣ、１又は２以上の３段ＴＥＣ、又は、３よりも大きな段の１又は２以上のＴＥＣを含む。

【0167】

好適な実施形態において、水カートリッジ２０２は、低温液体、好ましくは液体窒素（ＬＮ２）２２４を使用して冷却される。大気圧でのＬＮ２ ２２４の温度は、－１９６℃（７７Ｋ）であるので、一般的に、水カートリッジ２０２は、ＬＮ２ ２２４の中に沈むことはないであろう。１つの実施形態において、水カートリッジ２０２は、ＬＮ２ ２２４が蒸発又はボイルオフする際に放出されるガスによって冷却される。この冷却は、液体窒素２２４の中に沈められた抵抗器２２２を使用して向上させることができる。好適な抵抗器２２２は、限定されるものではないが、２５Ω又は５０Ω、１０、２５、５０、７５、又は１００ワットの電力抵抗器を含む。代替的に又は付加的に、水カートリッジ２０２は、液体窒素２２４の中に延びるコールドフィンガー２２５によって冷却することができる。好ましくは、コールドフィンガー２２５は、限定されるものではないが、好ましくは銅、アルミニウム、鋼、及びステンレス鋼、その組み合わせなどを含むリストから選択された金属で構成される。好ましくは、コールドフィンガー２２５は、約１／１６インチ（１．５８８ｍｍ）以上、約１／８インチ（３．１７５ｍｍ）以上、約３／１６インチ（４．７６３ｍｍ）以上、又は約１／４インチ（６．３５ｍｍ）以上の直径のロッドである。円形断面のロッドが好適であるが、同じ断面積の何らかの形状断面を使用することができる。好適な断面積は、０．００３１平方インチ（２ｍｍ²）よりも大きいか又は約０．００３１平方インチ、０．０１２３平方インチ（７．９４ｍｍ²）よりも大きいか又は約０．０１２３平方インチ、０．０２７６平方インチ（１７．８ｍｍ²）よりも大きいか又は約０．０２７６平方インチ、もしくは０．０４９１平方インチ（３１．７ｍｍ²）よりも大きいか又は約０．０４９１平方インチである。

【0168】

水カートリッジ２０２の温度は、コールドフィンガー２２５の寸法、沈められた電力抵抗器２２２に伝達される熱、水カートリッジ２０２上に取り付けられた電力抵抗器２２１に伝達される熱、又はＴＥＣ（図示せず）に供給される電流を制御することによって、閉ループ制御なしで制御することができる。しかしながら、これらの方法は、水カートリッジ２０２の温度が、液体窒素２２４の高さ、ＬＮ２バス２２４上の熱負荷量、従って、ＬＮ２ ２２４からのボイルオフ率、及び水カートリッジ２０２上の熱負荷とともに変化することになるという欠点を有する。好適な実施形態において、水カートリッジ２０２の温度は、閉ループサーボ制御される。限定されるものではないが、比例、積分、微分（ＰＩＤ）及びモデル規範形適応制御（ＭＲＡＣ）のリストから選択された方法を含む、何らかの適切な制御方法を使用することができる。好ましくは、サーボは、水カートリッジ２０２と密接に熱接触する温度センサー２２６の温度を制御する。温度センサー２２６は、限定されるものではないが、抵抗器、熱電対を含む何らかの適切な温度センサー技術とすることができ、好ましくはシリコンダイオードである。好ましくは、サーボは、限定されるものではないが、カートリッジ２０２と接触する抵抗器２２６を加熱する；水カートリッジ２０２に接触する１又は２以上のＴＥＣ（図示せず）で水カートリッジ２０２を加熱及び／又は冷却する；及び／又は、液体窒素２２４の中に沈められた電力抵抗器２２２への電流を制御する、方法によって温度を制御する。好ましくは、電力抵抗器２２１は、コールドフィンガー２２５が使用される場合はその近くで水カートリッジ２０２に取り付けられ、また、温度センサー２２６は、コールドフィンガー２２５の近くに位置する。これによって、水カートリッジ２０２を横切る温度勾配を最小限にすることができる。好ましくは、水カートリッジ２０２上の２箇所での何らかの温度差は、約１０℃かそれ未満、約７．５℃かそれ未満、約５℃かそれ未満、約２．５℃かそれ未満、又は、約１℃かそれ未満である。

【0169】

一部の実施形態において、水カートリッジ２０２は、例えば、システム２００が液体窒素２２４で完全に満たされる前に予冷される。水カートリッジ２０２は、限定されるものではないが、冷凍庫に貯蔵する、低温流体、好ましくは液体窒素に浸す、もしくは１又は２以上のＴＥＣで冷却することを含む方法によって予冷することができる。好ましくは、水カートリッジ２０２は、低温維持装置２２３を低温流体２２４（例えば、呼吸カートリッジ２０３が浸漬されることになる）、好ましくはＬＮ２ ２２４で満たすことによって、低温流体２２４を水カートリッジ２０２上に注入することによって予冷される。これは、上段に水カートリッジ２０２を備え、下段に低温流体２２４を収容する２段低温維持装置２２３を有することによって行うことができる。２つの段は、低温流体２２４が水カートリッジ２０２上に注入された場合に低温流体２２４が上段から下段に流出する通路２１１によって接続することができる。また、通路は、ＬＮ２ ２２４のブローオフからの冷却された窒素ガスを冷却のために水カートリッジ２０２上に導く導管としても有用である。また、通路は、水カートリッジ２０２からＬＮ２ ２２４までのコールドフィンガー２２５として使用され、捕捉空気を水カートリッジ２０２から少なくとも部分的にＬＮ２ ２２４の中に沈められた呼吸カートリッジ２０３に導く管体として使用され、水カートリッジ２０２及び呼吸カートリッジ２０３を通過した空気をＬＮ２ ２２４から外に導く管体で構成されるシュノーケル２１２として使用され、及び／又は、好ましくは呼吸カートリッジ２０３が依然としてＬＮ２ ２２４の中に沈められている場合に呼吸カートリッジ２０３（例えば、図１１）上の１又は２以上の弁を作動する機構１１００に使用される。

【0170】

呼吸チャンバ２０４と同様に、ＶＯＣの損失を最小限にするために、捕捉呼吸に晒される水カートリッジ２０２の表面積を最小限にすることが好ましい。従って、水の捕集は、水カートリッジ流路６０１の直径とは無関係であるが、ＶＯＣに晒された表面積を最小限にするために直径を最小限にすることが好ましい。円形の流路６０１は、所与の横断面積、圧力降下などに関して最小の露出表面積を有するので、円形断面流路６０１を使用することが好適である。好ましくは、水カートリッジ２０２は、対象の１又は２以上のＶＯＣの５０％未満又は約５０％、１０％未満又は約１０％、５％未満又は約５％、２％未満又は約２％、１％未満又は約１％、又は、０．５％未満又は約０．５％を捕捉する。

【0171】

実施形態における別の特徴は、水カートリッジ２０２によって捕集された水が空気の流れを遮断しないことである。一般的に、水カートリッジ２０２は、０℃未満の温度に維持されることになり、従って、水は氷の形態で捕集されることになる。上述したように、捕捉呼吸は、１００ｍｌの呼吸当たり約３．８ｍｇと同量の水を含有することになり、これは１００ｍｌの捕捉呼吸当たり少なくとも４．０７μｌの氷容積を有する。従って、水カートリッジ２０２内の１又は複数の流路６０１の容積は、１００ｍｌの捕捉呼気当たり約４μｌを超えることが重要である。しかしながら、水カートリッジ２０２は、例えば、水の約９９．９％を捕集する高い捕捉効率を有することが好ましい。この場合、水カートリッジ２０２が１又は２以上の円筒形チャンネル６０１で構成される場合、水カートリッジ２０２の流路６０１のうちの最初の１／３は、水の約９０％を捕集することになり、２番目の１／３は、水の約９％を捕捉することになり、３番目の１／３は、水の約０．９％を捕捉することになる。従って、水カートリッジ流路６０１のうちの最初の１／３の容積は、０．９＊４．０７μｌを超えるか又は３．６６μｌである必要があり、１１μｌを超えるか又は約１１μｌの水カートリッジ容積を意味する。例えば、水は、最初の１／３、例えば、１２．５μｌよりも大きいか又は約１２．５μｌ、１５μｌよりも大きいか又は約１５μｌ、１７．５μｌよりも大きいか又は約１７．５μｌ、もしくは２０μｌよりも大きいか又は約２０μｌの上流セクションに選択的に堆積されることになるので、依然としてより大きな容積の水カートリッジが好適である。

【0172】

好適な水カートリッジ流路６０１は、１００ｍｌの捕捉空気当たり１０ｌを超えるか又は約１０ｌ、２５ｌを超えるか又は約２５ｌ、もしくは５０ｌを超えるか又は約５０ｌの容積を有する。好ましくは、水カートリッジ２０２流路容積は、捕捉される水の予想量の３倍を超えるか又は約３倍、６倍を超えるか又は約６倍、１０倍を超えるか又は約１０倍、もしくは２０倍を超えるか又は約２０倍である。ＶＯＣ堆積は、最小限にされ、従って、水カートリッジ２０２の表面積が最小限にされる場合、テーパー付きの、例えば、円錐形の流路を使用することができる。好ましくは、テーパーは、水カートリッジ２０２のうちの最初の１／３の容積が、３．６６μｌよりも大きいか又は約３．６６μｌの容積を有し、２番目の１／３が、０．３６６ｌよりも大きいか又は約０．３６６ｌの容積を有し、３番目の１／３が、１００ｍｌの捕捉呼吸当たり０．０３３６μｌよりも大きいか又は約０．０３３６μｌの容積を有するようなものである。

【0173】

また、水は、分子ふるいなど、ＣＯ２を除去するプロセスを使用して除去することができ、下記を参照されたい。

【0174】

二酸化炭素カートリッジ
水の除去に加えて、圧力を低減して定量性能を向上させるために、ＣＯ２カートリッジ２１３を使用して二酸化炭素を除去することは有用であろう。二酸化炭素は、限定されるものではないが、モレキュラーシーブ、水酸化ナトリウム及び水酸化リチウムを含むがこれに限定されないアミンスクラビング（ａｍｉｎｅ ｓｃｒｕｂｂｉｎｇ）する鉱物及びゼオライト、活性炭、金属有機構造体、必要に応じて低温での吸着、バイオリアクター、及び逆熱交換を含む、多くの方法によって除去することができる。

【0175】

１つの実施形態において、ＣＯ２カートリッジ２１３は、分子ふるいを備える。好ましくは、分子ふるいは、水及びＣＯ２を除去するが、より大きなＶＯＣの損失を最小限にするように選択された孔径を有する。好適な孔径は、１オングストロームよりも大きいか又は約１オングストローム、２オングストロームよりも大きいか又は約２オングストローム、３オングストロームよりも大きいか又は約３オングストローム、４オングストロームよりも大きいか又は約４オングストローム、もしくは５オングストロームよりも大きいか又は約５オングストロームを含む。

【0176】

もしくは、ＣＯ２は、上述の水カートリッジ２０２と類似のシステムを使用して除去することができる。図１５は、ＣＯ２の相図を示す。三重点１５０１は、ＣＯ２の液相、固相、及び気相が共存する－５６．６℃及び５１８ｋＰａでの点である。ＣＯ２昇華点１５０２は、ＣＯ２の固相及び気相は、－７８．５℃の１つの大気で平衡状態にあるところである。呼気終期の呼気中のＣＯ２の濃度において、約－１１５℃、又は約－１１４～約－１１６℃、又は約－１１２～約－１１８℃、又は約－１１０～約－１２０℃でのＣＯ２飽和点１５０３は、ＣＯ２が呼気から除去され始めるところであり、９０％の除去点１５０４は、ＣＯ２の９０％が、約－１３５℃、又は、約－１３４～約－１３６℃、又は、約－１３２～約－１３８℃、又は、約－１３０～約－１４０℃で表面と均衡状態にある場合に除去されるところである。ＣＯ２カートリッジ２１３から失われるＶＯＣの量を最小限にするために、以下のプロセスを使用することができる。最初に、ＣＯ２カートリッジ２１３を９０％の除去点１５０４に冷却することによってＣＯ２の９０％を捕捉する。その後、ＣＯ２カートリッジ２１３を通過する空気及びＶＯＣは、呼吸カートリッジ２０３に通され（下記を参照されたい）、残りのＶＯＣが捕捉濃縮される。その後、パージガスは、ＣＯ２カートリッジを通過し、その後、呼吸カートリッジ２０３に到達する前に分流されるが、ＣＯ２カートリッジ２１３の温度は、ＣＯ２飽和点１５０３に高められ、その間に、ＣＯ２は気相に戻されて除去される。その後、呼吸カートリッジ２０３を通るパージガス流が回復され、ＣＯ２カートリッジ２１３の温度は、－１００℃を超えるか又は約－１００℃に高められ、それによって、ＣＯ２飽和点１５０３より高い温度でＣＯ２カートリッジ２１３によって前もって捕捉されたＶＯＣは、ＣＯ２カートリッジ２１３から放出され、呼吸カートリッジ２０３によって捕捉される。

【0177】

また、分子ふるい及び低温吸着を含む、ＣＯ２を捕捉する方法の多くは、水を捕捉することになり、別個のＣＯ２カートリッジ２０３及び水カートリッジ２０２が不用になる。

【0178】

呼吸カートリッジ
空気が随意的にＣＯ２カートリッジ２１３及び／又は水カートリッジ２０２を通過した後、空気は、好ましくは呼吸カートリッジ２０３に導かれる。呼気中には潜在的に対象のＶＯＣがあり、その一部は、図７に含まれている。呼気ＶＯＣは、一般的に、限定されるものではないが、複数の炭素及び水素原子を含む成分で構成され、酸素、窒素、及び硫黄を含む場合もある。

【0179】

呼吸カートリッジ２０３は。吸収媒体で構成することができ、低い温度、例えば、０℃未満又は約０℃、－２０℃未満又は約－２０℃、－４０℃未満又は約－４０℃、－６０℃未満又は約－６０℃、－８０℃未満又は約－８０℃、もしくは－１００℃未満又は約－１００℃に維持することができる。温度は、水カートリッジ２０２に関して上述した方法のいずれかを使用して実現して制御することができる。これらの温度では、一般的にＶＯＣの捕捉効率は低く、これは、図１に参照して上述したように高い可変性をもたらす。また、この方法は、一般的に、大きな表面積及びＶＯＣを放出するための加熱を必要とする。

【0180】

好適な実施形態において、呼吸カートリッジ２０３は、吸収体で構成されず、ＶＯＣは、１又は２以上の流路の壁部上への吸着によって捕捉される。好ましくは、呼吸カートリッジ２０３は、捕捉呼気が呼吸カートリッジ流路９０１の壁部と平衡した場合に対象のＶＯＣが所望のレベルで捕捉されるような温度に冷却される。このような呼吸カートリッジ２０３の１つの実施形態を図８に示す。図９は、図８に提示された呼吸カートリッジ２０３の実施形態において使用することができる複数の線形流路を有するインサートを示す。複数のチャネル９０１を有する呼吸カートリッジ２０３を製作する１つの方法は、溝９０１が表面上にあるインサート９００を製作し、その後、インサート９００を管体８０１に入れる方法である。溝は、何らかの適切な外形形状とすることができ、例えば、溝は、管体に平行に延在すること、又はインサートの外側に沿った多重らせんとすることができる。インサート９００は、何らかの適切な材料で作ることができる。インサート９００の好適な材料は、流路９０１の内壁の加熱を最小限にするために、比較的高い熱伝導率を有する。インサート９００の好適な材料は、金属、好ましくはアルミニウムである。管体８０１の好適な材料は、金属、好ましくはステンレス鋼である。

【0181】

呼気中の対象のＶＯＣは、１００パートパービリオン（ＰＰＢ）未満又は約１００パートパービリオン（ＰＰＢ）から、１０ＰＰＢ未満又は約１０ＰＰＢ、１ＰＰＢ未満又は約１ＰＰＢ、０．１ＰＰＢ未満又は約０．１ＰＰＢ、及び／又は、０．０１ＰＰＢ未満又は約０．０１ＰＰＢの範囲とすることができる。上述したように、呼吸カートリッジ２０３に入る対象の大部分のＶＯＣは捕捉されることが望ましい。好ましくは、対象のＶＯＣの捕捉効率は、５０％を超えるか又は約５０％、９０％を超えるか又は約９０％、９９％を超えるか又は約９９％、もしくは９９．９％を超えるか又は約９９．９である。これを達成するために、呼吸カートリッジ２０３の温度は、呼吸カートリッジ２０３の露出面と均衡状態にある対象のＶＯＣ蒸気圧が、それぞれ、対象の呼気ＶＯＣの分圧の５０％、１０％、１％、又は０．１％未満であるようなものである必要がある。加えて、呼吸カートリッジ２０３の寸法及び捕捉呼吸の容積流量は、呼吸カートリッジ２０３内で十分な滞留時間があり、所望の回収効率に等しい対象のＶＯＣの所定の割合が呼吸カートリッジ流路９０１の露出面に拡散する時間を有するようなものである必要がある。この状況は、上述の水カートリッジ２０２に非常に類似するが、拡散係数は、分子量の逆二乗かつ温度の１．５乗によって概算でき、一般にＶＯＣの分子量は水よりも大きいので、状況はより厳しい。好ましくは、呼吸カートリッジ２０３の温度は、－１００℃未満又は約－１００℃、－１２０℃未満又は約－１２０℃、－１４０℃未満又は約－１４０℃、－１６０℃未満又は約－１６０℃、もしくは－１８０℃未満又は約－１８０℃である。

【0182】

好適な実施形態において、呼吸カートリッジ２０３は、低温流体２２４の中に、好ましくは液体窒素２２４に完全に又は部分的に沈められ、呼吸カートリッジ２０３の沈められた部分の温度は、約－１９６℃である。より高い温度は、例えば、ＬＮ２ボイルオフ蒸発及び圧力逃がし弁を用いて、ＬＮ２ ２２４より上の空気を加圧することによって達成することができ、より低い温度は、例えば、真空ポンプを使用して減圧することによって達成することができる。

【0183】

温度要件に加えて、呼吸カートリッジ２０３の寸法及び呼吸カートリッジ２０３を通る流量は、対象のＶＯＣの所要の捕集された部分が、呼吸カートリッジ２０３内の捕捉呼気の滞留時間中に呼吸カートリッジ流路６０１の壁部に拡散することができるようなものである必要があるということも要求される。Ｔ^1.5の温度依存性及びｍ^-1/2の拡散係数の分子量依存性を想定すると、拡散係数は、Ｏ₂などの良好に特徴づけられた分子の拡散係数からのスケーリングによって様々なＶＯＣについて推定することができ、Ｏ₂は、２５℃で０．１７６ｃｍ²／ｓの拡散係数を有する。ＶＯＣの拡散係数は、以下の式、Ｄ＝０．１７６＊（Ｔ／２９８．１２）^1.5＊（３２／ｍｖｏｃ）⁵を使用して推定することができ、Ｔはケルビン温度である。拡散係数が分かりと、無次元拡散パラメータμ＝πＤＬ／Ｑを計算することができ。Ｌは呼吸カートリッジ２０３流路の長さ、Ｑは容積空気流量である。

【0184】

計算された拡散パラメータで、パーセントでの捕捉効率は、Ｂａｒｏｎ ａｎｄ Ｗｉｌｌｅｋｅ （Ｂ＆Ｗ） Ａｅｒｏｓｏｌ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ， ２ｎｄ Ｅｄｉｔｉｏｎ， Ｊ Ｗｉｌｅｙ ａｎｄ Ｓｏｎｓ， ２００１に出典された以下の式を使用して計算することができる。

【0185】

［１－０．８１９０５＊ｅ^-3.6568*μ＋０．０９７５３＊ｅ^-22.305*μ＋０３２５＊ｅ^-56.961*μ＋０．０１５４４＊ｅ^-107.62*μ］＊１００

【0186】

上記の式は、μのみに依存するので、捕捉効率は、Ｄ、Ｌ、及びＱのみに依存することが分かる。Ｄは、所与のＶＯＣに関してｍ^-1/2（ｍは分子量）に比例するので、捕捉効率は、Ｌ／（ｍ^1/2Ｑ）により特徴づけることができる。５０％よりも大きい捕捉効率が望まれる場合、Ｌ／（ｍ^1/2Ｑ）＞Ｃであると計算することができ、Ｃ＝１．５である。７５％よりも大きい捕捉効率が望まれる場合、Ｃ＝３．５である。９０％よりも大きい捕捉効率が望まれる場合、Ｃ＝６である。９５％よりも大きい捕捉効率が望まれる場合、Ｃ＝８である。９９％よりも大きい捕捉効率が望まれる場合、Ｃ＝１３である。

【0187】

上述した水カートリッジ２０２の場合と同じ方法で、呼吸カートリッジ２０３の捕捉効率は、流路９０１の直径（又は、非円形の断面流路の同じ横断面寸法）と無関係であり、長さＬは、複数のチャネル９０１の合計長さであることが分かる。

【0188】

１つの実施形態において、呼吸カートリッジ２０３内の呼気中のウンデカン（Ｃ₁₁Ｈ₂₄）蒸気の９９％を捕捉することが望まれる。－１９６℃でのウンデカンの推定拡散係数は、０．０１０５ｃｍ²／ｓである。上記の情報を使用すると、所望の捕捉効率は、捕捉呼吸を０．４ＬＰＭの流量で移送して－１９６℃の温度に保持された呼吸カートリッジ２０３に通すことによって達成することができ、カートリッジ２０２は、長さ４．０ｃｍの１６の流路で構成される。

【0189】

ＬＮ２ ２２４への浸漬の代替案として、呼吸カートリッジ２０３は、限定されるものではないが、標準的な冷凍機及びペルチェ熱電冷却機（ＴＥＣ）を含む何らかの手段によって冷却することができる。好適なＴＥＣ実施形態は、限定されるものではないが、４又は５以上の段、５又は６以上の段、６又は７以上の段、もしくは７又は８以上の段のＴＥＣを含む。

【0190】

図７は、潜在的に関心のあるＶＯＣの非限定的な選択のための飽和蒸気圧（急勾配の曲線）及び文献値に基づいた呼気ＶＯＣの対応する予想蒸気圧（より平坦な曲線）を示す。曲線が交差する点は、ＶＯＣが空気中で飽和するところである。曲線から分かるように、これらの予想呼気ＶＯＣ濃度の全ては、ＬＮ２の温度－１９６℃よりかなり上の温度で飽和する。例えば、イソプレンは、図７で分析された何らかのＶＯＣの最も低い温度約－１６７℃に冷却された場合に飽和することが予想される。約－１８５℃の温度において、飽和圧力は、呼気イソプレンの予想された圧力の１／１０００である。１９６℃において、呼吸カートリッジ２０３の回収効率は、一般的に、温度ではなく呼吸カートリッジ２０３の流路の物理的寸法によって制限されることになる。

【0191】

好ましくは、呼吸カートリッジ２０３内の流路９０１の全長（流路９０１長さｘ流路９０１の数）は、２０ｃｍよりも大きいか又は約２０ｃｍ、３０ｃｍよりも大きいか又は約３０ｃｍ、４０ｃｍよりも大きいか又は約４０ｃｍ、５０ｃｍよりも大きいか又は約５０ｃｍ、６０ｃｍよりも大きいか又は約６０ｃｍ、もしくは７０ｃｍよりも大きいか又は約７０ｃｍとすることができる。

【0192】

好ましくは、呼吸カートリッジ２０３は、各側面に、呼吸カートリッジ２０３をＶＯＣの捕集後に閉鎖して保存及び移送の間に封止状態に維持することを可能にする弁１００１を有することができる。図１０は、図８に示す呼吸カートリッジ２０３のエンドキャップ８０２に組み込まれ、図９のインサート９００を利用する呼吸カートリッジ２０３の弁１００１の１つの実施形態を示す。図１０ａは、閉鎖位置にある１つの弁を示す。空気の流れは、シール１００２によって遮断することができる。図１０ｂは、開放位置にある弁１００１を示す。弁１００１が作動されて、図８の呼吸カートリッジ２０３のエンドキャップ８０２を一緒に押す。これにより、シール１００２はインサートの軸１００３に滑り落ち、シール１００２は、インサート９００の軸１００３上の軸方向の溝９０２を露出し、捕捉呼気は、溝９０２を通過すること、それによって呼吸カートリッジ２０３を通過することができる。

【0193】

別の実施形態において、呼吸カートリッジ２０３は、弁、好ましくはボール弁を有する１本の管体で構成される。好ましくは、管体は、１／１６インチ（１．５８８ｍｍ）よりも大きいか又は約１／１６インチ、１／８インチ（３．１７５ｍｍ）よりも大きいか又は約１／８インチ、３／１６インチ（４．７６３ｍｍ）よりも大きいか又は約３／１６インチ、又は、１／４インチ（６．３５ｍｍ）よりも大きいか又は約１／４インチの外径を有する。好ましくは、内径は、外径の１／５よりも大きいか又は約外径の１／５、外径の１／４よりも大きいか又は約外径の１／４、外径の１／２よりも大きいか又は約外径の１／２、外径の７５％よりも大きいか又は約外径の７５％、もしくは外径の約９０％よりも大きいか又は外径の約９０％である。長さは、好ましくは、弁をＬＮ２ ２２４から離れた状態にして動作温度範囲内の温度、好ましくは－２０℃以上を維持するように、４ｃｍを超えるか又は約４ｃｍ、６ｃｍを超えるか又は約６ｃｍ、８ｃｍを超えるか又は約８ｃｍ、１０ｃｍを超えるか又は約１０ｃｍ、１５ｃｍを超えるか又は約１５ｃｍ、もしくは２０ｃｍを超えるか又は約２０ｃｍだけ増量される。随意的に、弁は、制御温度に加熱することができる。ＬＮ２ ２２４の中のより長い長さの浸漬は、コイル状のデザインを使用することによって対応することができる。コイル呼吸カートリッジ２０３の１つの実施形態は、０．０５ｃｍの内径を備える１００ｃｍの管体を有する。９０ｃｍの長さがＬＮ２ ２２４の中に浸漬され、捕捉呼吸が０．５ｌｐｍの流量で管体を通過する場合、ウンデカン（１５６．３１の比較的高い分子量のために捕捉するのが難しいＶＯＣの１つ）の予測捕捉効率は、９９．４％である。

【0194】

好ましくは、呼吸カートリッジ２０３の弁１００１は、呼吸カートリッジ２０３のウォームアップ時にＶＯＣが呼吸カートリッジ２０３から逃げないことを保証するために、ＬＮ２ ２２４からの除去の本質的に直後に閉鎖される。より好ましくは、呼吸カートリッジ２０３弁の１００１は、呼吸カートリッジ２０３が依然としてＬＮ２の下にある間に作動される。図１１は、呼吸カートリッジ２０３弁作動機構１１００の可能性のある実施形態を示す。ねじ付きロッド１１０１は、呼吸カートリッジ２０３の両端上に２つのねじ１１０２を配置するために使用される。ＬＮ２ ２２４の中に沈められる前に、上方ねじ１１０２は前進して弁１００１を開放する。ＶＯＣの捕集後、上方ねじ１１０２は後退して呼吸カートリッジの弁１００１を閉鎖する。好適な実施形態において、ねじ付きロッド１１０１の上部セクション１１０３は、水カートリッジ２０２の孔の直径まで細くされており、水カートリッジ２０２を冷却するコールドフィンガー２２５として使用される。

【0195】

好ましくは、呼吸カートリッジ２０３内の圧力は、ＬＮ２ ２２４の中に沈められている間に、例えば、ＶＯＣ捕集の間に大気圧を超えるか又は大気圧にほぼ等しい。好ましくは、呼吸カートリッジ２０３内の圧力は、漏れがある場合にＬＮ２がシステム２００に入らないように、呼吸カートリッジ２０３の最下地点でＬＮ２ ２２４の圧力を上回る。ＬＮ２ ２２４の６''の深さで、ＬＮ２ ２２４の圧力水頭は、約１．２ｋＰａである。好ましくは、呼吸カートリッジ２０３の中のゲージ圧は、０．５ｋＰａ、１ｋＰａ、２ｋＰａ、３ｋＰａ、５ｋＰａ、１０ｋＰａ、１５ｋＰａ、又は２０ｋＰａを超えるか又はこれらに維持される。

【0196】

呼吸カートリッジ２０３の弁１００１が閉鎖され、呼吸カートリッジ２０３が周囲温度にウォームアップされる場合に、７７Ｋでの呼吸カートリッジ２０３の内部ガス圧は、ほぼＬＮ２の温度（７７Ｋ）に対する最終温度（ケルビン単位）の比率だけ上昇することになる。初期圧力が、圧力をＬＮ２ ２２４の初期圧力（上記パラグラフを参照）、１０３．３ｋＰａより上に保つために、１大気圧（１０１．３ｋＰａ）プラス２ｋＰａであり、移送又は保存中に呼吸カートリッジ２０３が３１３Ｋ（４０℃）の温度に晒される実施例に関して、呼吸カートリッジ２０３内の終圧は、１０３＊３１３／７７＝４１９ｋＰａ又は４．１３大気圧である。加えて、呼気ＣＯ２が呼吸カートリッジ２０３に捕捉される場合、暖めると、ＣＯ２は気相に戻り、圧力に寄与することになる。肺周辺部から吐き出される通常の空気は、約０．０５大気圧のＣＯ２レベル（呼気終末ＣＯ２）を有することになる。例示的に、５％ＣＯ２を含有する呼吸が容積１００ｍｌの呼吸チャンバ２０４に捕捉され、その後、１ｍｌ呼吸カートリッジ２０３に濃縮される場合、室温に暖めた後の終圧は、０．０５ａｔｍ＊１００ｍｌ／１ｍｌ＝５ａｔｍになる。従って、呼吸カートリッジ２０３及び呼吸カートリッジ弁１００１は、呼吸カートリッジ２０３の容積、呼吸チャンバの容積、及びＣＯ２が呼吸カートリッジ２０３に捕捉されるか否かに応じて、４大気圧を超えるか又は約４大気圧、４．５大気圧を超えるか又は約４．５大気圧、５大気圧を超えるか又は約５大気圧、７．５大気圧を超えるか又は約７．５大気圧、１０大気圧を超えるか又は約１０大気圧、２０大気圧を超えるか又は約２０大気圧、３０大気圧を超えるか又は約３０大気圧、もしくは４０大気圧を超えるか又は約４０大気圧の内圧に耐えことができる必要がある。

【0197】

好ましくは、呼吸カートリッジ流路９０１の内部表面積は、呼吸カートリッジ２０３が室温に暖められた後に最小量のＶＯＣが捕捉呼吸に晒された表面積に結合するように最小限にされる。好ましくは、捕捉呼吸に晒された総表面積は、５０ｃｍ²未満又は約５０ｃｍ²、２５ｃｍ²未満又は約２５ｃｍ²、１５ｃｍ²未満又は約１５ｃｍ²、１０ｃｍ²未満又は約１０ｃｍ²、もしくは５ｃｍ²未満又は約５ｃｍ²である。

【0198】

弁１００１が定量のために開放される場合に十分に高い割合のＶＯＣが放出されるように、呼吸カートリッジ２０３は、定量のために呼吸カートリッジ弁１００１が開放される前に加熱することができる。呼吸カートリッジ２０３は、５０℃よりも大きいか又は約５０℃、５０℃よりも大きいか又は約５０℃、７５℃よりも大きいか又は約７５℃、１００℃よりも大きいか又は約１００℃、１５０℃よりも大きいか又は約１５０℃、２００℃よりも大きいか又は約２００℃、もしくは２５０℃よりも大きいか又は約２５０℃の温度に加熱することができる。好ましくは、呼吸カートリッジ２０３の材料及び流路９０１の表面積は、加熱が必要とされないようなものである。好ましくは、放出温度で、呼吸カートリッジ２０３は、捕捉されたＶＯＣの５０％を超えるか又は約５０％、９０％を超えるか又は約９０％、９５％を超えるか又は約９５％、又は、９９％を超えるか又は約９９％を放出する。

【0199】

呼吸カートリッジ２０３及び呼吸カートリッジ２０３に至る管体の一部がＬＮ２ ２２４の中に沈められる場合、対象のＶＯＣの約１％～約２５％を捕集することができる。従って、好ましくは、－１５０℃を超えるか又は約－１５０℃、－１２５℃を超えるか又は－１２５℃、－１００℃を超えるか又は－１００℃、もしくは－１２５℃を超えるか又は－１２５℃の温度で、第１の呼吸カートリッジ弁１００１、ＬＮ２ ２２４の外の上流側の全ての管体及び取付け具を有することが好適である。図７から分かるように、表示されたＶＯＣは、ウンデカン以外は－１００℃を超えて飽和に到達しないことになり、ウンデカンは、－１００℃を若干超える。従って、第１の呼吸カートリッジ弁１００１の温度は、約－１００℃に又は約－１００℃を超えて保つことが好ましい。これは、流路９０１を暖める原因にならないことが重要である。これは、例えば、低い熱伝導の構成要素を第１の弁１００１と呼吸カートリッジ流路９０１との間に利用する呼吸カートリッジ２０３のデザインによって達成することができる。好ましくは、呼吸カートリッジ２０３の第１の呼吸カートリッジ弁１００１への入口側は、好ましくは、電流を電力抵抗器Ｒ２に印加することで能動的に加熱され、場合によっては水カートリッジ２０２に関して説明しものと類似する温度制御装置を含む。

【0200】

一部の構成において、周囲空気は、呼吸カートリッジ２０３がＬＮ２ ２２４の中に沈められた時点から呼吸カートリッジ２０３の中に存在しないことを保証することが好ましいであろう。呼吸カートリッジ２０３の中の空気は、呼吸カートリッジ２０３の中に氷が形成される原因となる可能性があり、潜在的に呼吸カートリッジ２０３の捕捉特性を阻止する又は変更する。また、呼吸カートリッジ２０３に接続する管体が他端で空気に晒される場合、ＬＮ２の中に沈められる際に、呼吸カートリッジ２０３は、推定上、窒素などの空気成分（若干高い圧力にあり（上記の説明を参照）、従って、－１９６℃で凝縮することになる）及び呼吸カートリッジ２０３の中の水の凝縮に起因して、実際に１００ｍｌ／分の程度で開放端に空気をポンプ圧送することができることが分かっている。従って、図２に示すように、システム２００は、好ましくは、パージガス、好ましくは不活性パージガスの供給源２１０が設けられる。不活性ガスは、限定されるものではないが、アルゴン、キセノン、窒素、又はクリプトン、好ましくはネオン、最も好ましくはヘリウムを含む。水素は、不活性ではないが、窒素よりも低い沸点を有し、従って、呼吸カートリッジ２０３内で凝縮を生じる傾向になく、従って、パージガスとして使用することができる。パージガスの純度は、好ましくは、９９．９％よりも高いか又は約９９．９、９９．９９％よりも高いか又は約９９．９９、９９．９９９％よりも高いか又は約９９．９９９、もしくは９９．９９９９％よりも高いか又は約９９．９９９９である。好ましくは、呼吸カートリッジ２０３の温度が－１９６℃である場合、呼吸カートリッジ２０３を通過したパージガスの全容積でのパージガス内の対象のＶＯＣの量は、呼気の捕捉容積中で予想された量の１０％未満又は約１０％、１％未満又は約１％、もしくは０．１％未満又は約０．１％である。

【0201】

呼吸カートリッジ２０３が暖められる際に、呼吸カートリッジ２０３内の圧力は呼吸カートリッジ２０３の封止を損なうまで増加する可能性があるので、ＬＮ２ ２２４は、呼吸カートリッジ２０３の中に漏出しないことが好ましい。従って、呼吸カートリッジ２０３内のパージガスのゲージ圧は、ＬＮ２ ２２４内の最も深いシステム構成要素の深さでＬＮ２ ２２４の圧力水頭よりも高いことが好ましい。例えば、ＬＮ２ ２２４の１５ｃｍの深さで、圧力は、周囲空気を約１．２ｋＰａだけ上回る。従って、呼吸カートリッジ２０３内のパージガスは、１．２ｋＰａを上回る、２ｋＰａ又は２ｋＰａを上回る、３ｋＰａ又は３ｋＰａを上回る、５ｋＰａ又は５ｋＰａを上回る、もしくは１０ｋＰａ又は１０ｋＰａを上回るゲージ圧に維持されることが好ましい。さらに、捕捉効率は上述したように流量の影響を受けるので、捕捉呼吸が呼吸カートリッジ２０３を通って流れる場合に捕捉呼吸の流量を制御することが重要である。図２の実施形態において、呼吸カートリッジ２０３内の圧力及び流量は、同時に、圧力変換器２１８よって測定される及び圧力流量計２１５によって測定される流量を監視しながら、圧力調整器２１４を使用してパージガスの圧力を調整し、ニードル弁２１６を使用して流量制限を調整することによって制御される。

【0202】

ボール弁２１７は、呼吸カートリッジ２０３を分離するためにボール弁２１９及び２０７と連動して使用することができる。これは、呼吸カートリッジ２０３をＬＮ２ ２２４バスから外にゆっくりと持ち上げながら、圧力変換器２１８を使用して圧力減衰を監視することによって、又は、ＬＮ２気化に起因する圧力の大きい急激な増加がないか確認することによって漏れの診断を可能にする。

【0203】

非限定的な実施例において、図２に示すシステム２００の使用方法は、以下の通りである。

【0204】

１：清浄な呼吸カートリッジ２０３をシステム２００に取り付ける。

【0205】

２：パージガスタンク２１０が圧力調整器２１４を介して呼吸チャンバ２０４に取り付けられるようにボール弁２０８を回転させる。

【0206】

３：呼吸チャンバ２０４がボール弁２１９に取り付けられるようにボール弁２０７を回転させる。

【0207】

４：呼吸チャンバ２０４が随意的な水カートリッジ２０２及び随意的なＣＯ２カートリッジ２１３を介して呼吸カートリッジ２０３に取り付けられるようにボール弁２１９を回転させる。

【0208】

５：パージガスタンク２１０の主弁を開放する。

【0209】

６：圧力変換器２１８が１０ｋＰａであり、流量計２１５が０．４ＬＰＭを示すように圧力調整器２１４及びニードル弁２１６を調整する。

【0210】

７：パージガスを１０分間流すことでシステム２００をパージする。

【0211】

８：パージガスタンク２１０に接続するようにボール弁２１９を回転させる。

【0212】

９：圧力及び流量がステップ６で特定された通りであることを確認し、必要に応じて調整する。

【0213】

１０：呼吸カートリッジ２０３を低温維持装置２２３の中に置く。

【0214】

１１：ＬＮ２ ２２４を水カートリッジ２０２に注ぎ入れることで低温維持装置２２３ＬＮ２ ２２４を満たす。

【0215】

１２：水カートリッジ温度調節器の温度を－５５℃に設定し、呼吸カートリッジ２０３及び水カートリッジ２０２の温度を平衡させる。

【0216】

１３：呼吸カートリッジ２０３が平衡している間に、圧力及び流量がステップ６に特定された通りであることを確認し、必要に応じて調整する。

【0217】

１４：呼吸チャンバ２０４がニードル弁２０９に接続されるようにボール弁２０８を回転させる。

【0218】

１５：被験者に息を吸い込み、息を１秒間止め、唇をマウスピース２０１に密に当てて、息の吐き出しを開始するように指示する。

【0219】

１６：圧力変換器２１８によって表示された圧力が上昇して、被験者が息を吐き出そうとする試みを示す場合、マウスピース２０１が呼吸チャンバ２０４に接続されるようにボール弁２０７を回転させる。

【0220】

１７：被験者が１リットル（事前に較正された圧力変換器２１８によって測定された流量を積分することによって測定される）を吐き出した場合に、呼吸チャンバ２０４がボール弁２１９に接続されるようにボール弁２０７を回転させる。

【0221】

１８：パージガスタンク２１０に接続されるようにボール弁２０８を速やかに動かす。

【0222】

１９：被験者に息の吐き出しを止めるように指示する。

【0223】

２０：ボール弁２０７に接続されるようにボール弁２１９を回転させる。

【0224】

２１：圧力及び流量がステップ６に特定された通りであることを確認すし、必要に応じて調整する。

【0225】

２２：１０分間、パージガスによって呼吸チャンバ２０４、ＣＯ２カートリッジ２１３、水カートリッジ２０２、及び呼吸カートリッジ２０３を介して捕捉呼吸を押し出す。

【0226】

２３：呼吸カートリッジ弁アクチュエータ１１００（図示せず）を使用して呼吸カートリッジ２０３の弁を閉鎖する。

【0227】

２４：呼吸カートリッジ２０３をＬＮ２ ２２４から取り出す。

【0228】

２５：水カートリッジ２０２の設定値温度を４００Ｋに設定する。

【0229】

２６：ヒートガンを使用して呼吸カートリッジ２０３を室温に暖める。

【0230】

２７：呼吸カートリッジ２０３を取り出して定量に供する。

【0231】

２８：１０分間、パージガスによって呼吸チャンバ２０４及び水カートリッジを介して水及び何らかの残留ＶＯＣをシステム２００から除去する。

【0232】

２９：必要に応じてステップ１～２７を次の被験者に繰り返す。

【0233】

本明細書で開示される方法、装置、及びシステムは、最も実用的かつ好適な実施形態であると考えられる方法で図示及び説明される。しかしながら、本発明の範疇にある逸脱を行うことができ、本開示を読むと当業者が気付くことになる自明の変更例があることが認識される。

【0234】

本開示は、特定の実施形態を参照して説明されるが、当業者は、本発明の真の精神及び範囲から逸脱することなく様々な変更を行なうことができ、均等物に置換することができることを理解できるはずである。さらに、多くの変更は、特定の状況、材料、組成物、プロセス、１又は複数のステップを本発明の目的、精神、及び範囲に適応させるために行うことができる。全てのこのような変更は、本明細書の特許請求項の範囲の中にあることが意図されている。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10a】

【図10b】

【図11】

【図12】

【図14】

【図15】