ガスセンサ
ガス流中の標的物質を感知するためのセンサを提供する。該センサは、ガス流に暴露されるように配置されたセンシング素子を備え、該センシング素子は、作用電極と、対電極と、作用電極と対電極との間に延在するイオン交換材料の層とを備え、それによって、イオン交換層とガス流との接触が、作用電極と対電極との間に電気的接触を形成する。上記イオン交換材料は、イオノマ、特にスルホン化テトラフルオロエチレン共重合体であり得る。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス状物質を検出するためのセンサに関し、より具体的には、気相またはガス流中の物質の存在を検出するためのセンサに関する。本センサは、これに限定されないが、特に二酸化炭素の検出に好適である。本センサの特定の用途には、ヒトまたは動物の呼気中の、二酸化炭素のようなガスの濃度を検出および測定するためのカプノグラフセンサが挙げられる。また、本センサを使用して、ガス流（例、呼気の流れ）の含水量または湿度を測定することもできる。
【背景技術】
【０００２】
ヒトまたは動物の呼気の二酸化炭素含有量の分析は、対象の健康評価に有益なツールである。より具体的には、二酸化炭素濃度の測定によって、種々の肺疾患および／または呼吸疾患、より具体的には、喘息および慢性閉塞性肺疾患（ＣＯＰＤ）の程度および／または進行を推定することができる。
【０００３】
二酸化炭素は、様々な分析手法および機器を使用して検出することができる。最も実用的で広く使用されている分析器は、検出方法として赤外吸収分光法を使用するが、ガスは、質量分析法、ガスクロマトグラフィ法、熱伝導度法、その他を使用して検出することもできる。二酸化炭素測定用の大部分の分析機器、手法、およびセンサは、ガスの物理化学的特性に基づいているが、新しい手法は、電気化学を用いて開発されており、電気化学的手法の各種組み合わせが提案されている。しかしながら、電気化学的手法を使用して二酸化炭素（ＣＯ２）ガスを直接的に測定することは不可能であった。ガスが電解質内に溶解することによる、電解質のｐＨの変化に基づいた、間接的な方法が考案された。他の電気化学的方法では、二酸化炭素の高温接触還元を使用する。しかしながら、これらの方法は、概して非常に高価で、扱いにくく、しばしば感度が非常に低く、また反応時間が遅い。これらの欠点によって、呼気サンプルの分析、より具体的には、通常呼吸の分析においては不十分なものとなる。
【０００４】
最近になって適用された手法では、二酸化炭素ガスの溶解によって誘導されたｐＨの変化を受けて、化学的に相互作用する好適な有機金属配位子を含有する電解質中の特定の化学反応をモニタリングする。ｐＨの変化は、その後一連の反応に影響を及ぼし、雰囲気中の二酸化炭素濃度は、酸塩基の化学的性質の変化に照らして間接的に評価される。
【０００５】
二酸化炭素は酸性のガスであり、水および他の（プロトン性の）溶媒と相互作用する。例えば、二酸化炭素は、以下の反応によって水溶液中に溶解する。
【０００６】
【化１】
溶解する二酸化炭素が増加すれば、水素イオン（Ｈ＋）も増加するものと理解されよう。
【０００７】
本手法を使用した二酸化炭素の感知には、気相中のガス分析に使用したときに、液体電解質を半透膜によって制限しなければならない、という不利な点がある。この膜は、水に対しては不透過性であるが、二酸化炭素を含む種々のガスに対しては透過性である。膜は、二酸化炭素ガスの透過を著しく阻害することなく、内部電解質の蒸発を低減しなければならない。この構成では、電極は、短期間であれば良好に機能するが、反応に時間がかかり、電解質を頻繁に入れ換えなければならない。
【０００８】
特許文献１では、透過性膜によって保持された液体電解質を含むセンサを開示しており、これらの不利な点のうちのいくつかを解決している。しかしながら、液体電解質の存在および保守に依存しないセンサの提供は非常に望ましいことである。
【０００９】
特許文献２では、複数の層を有する酸素および二酸化炭素用のセンサを開示しており、該センサは、アルミナ基板と、陰イオンの基準電極ソースと、陰イオンの基準電極ソースに連結されたプラチナ製の下部の電気的基準電極と、タングステンを含有する、下部基準電極に連結された固体電解質と、プラチナイオンの固体電解質への流出を防ぐためのバッファ層と、触媒的プラチナの上部電極とを備える。
【００１０】
特許文献３では、固体電解質の一酸化炭素用センサを開示しており、該センサは、基板内に形成された第１のキャビティを有し、該キャビティは、一酸化炭素吸着材が位置する第２のキャビティと連通する。電極は、一酸化炭素吸着材の酸素分圧を検出する。特許文献３のセンサは、一般的な温度に対して非常に敏感であり、また、任意の感度では、低温で低濃度の一酸化炭素しか測定することができない。センサの完全な飽和を回避すべきであれば、より高い一酸化炭素濃度を測定するには、高い温度が必要である。このため、該センサは、広範囲の濃度にわたるガス組成の測定に対しては非実用的である。
【００１１】
特許文献４では、固体電解質ガスセンサを開示しており、基準電極は、電解質中のキャビティ内に載置される。ガス感応電極は、固体電解質の外側に提供される。該センサは、二酸化炭素および二酸化硫黄の検出に有用であると言われている。しかしながら、センサの動作には、少なくとも２００℃、より好ましくは３００〜４００℃の温度への加熱が必要である。これは、センサの実用的な用途における大きな欠点を示している。
【００１２】
特許文献５には、熱処理工程におけるガス組成のモニタリングに使用するためのセンサが開示されている。しかしながら、特許文献４のセンサと同様に、高温（最高６００℃）での動作が開示されており、必要であると考えられる。
【００１３】
したがって、液相中の電解質の存在または高温触媒法に依存せず、単純な構成であり、また、周囲条件でのガス組成のモニタリングに容易に適用できるセンサが必要である。
【００１４】
特許文献６では、酸性のガス（例えば二酸化炭素）を検出するためのセンサを開示している。該センサは、センサ電極と、電解質の本体内の対電極とを備える。電解質は、酸性ガスによって置換することができる配位子を有する固体錯体である。同様のセンサ機構は、特許文献７に開示されている。
【００１５】
特に有効なセンサは、係属中の国際特許出願ＰＣＴ／ＧＢ２００５／００３１９６号に開示されている。該センサは、ガス流に暴露されるように配置されたセンシング素子を備え、該センシング素子は、作用電極と、対電極と、作用電極と対電極との間に延在し、これらと接触する固体電解質前駆体とを備え、それによって、ガス流が固体電解質前駆体上に当たるので、ガス流中の水蒸気が、前駆体を少なくとも部分的に水和させて、作用電極および対電極と電気的に接触する電解質を形成する。
【００１６】
国際特許出願ＰＣＴ／ＧＢ２００５／００３１９６号のセンサは効率的なセンサであるが、その性能は、電極間に延在するコーティングを提供するのに使用される適切な材料を選択することによって改善できることが分かっている。より具体的には、センサの性能および応答の改善は、センサが、水蒸気を含有するガス流に暴露されたときに、電極間のイオン交換材料によって電気的接触が構築されるように、電極間に延在するイオン交換材料の層を備えることによって達成することができる。このようなセンサは、患者または対象の肺機能の示度を改善し、また、患者の迅速な検査、および肺および呼吸器系の動作および機能における異常の診断を補助することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】国際公開第０４／００１４０７号パンフレット
【特許文献２】米国特許第４，７７２，８６３号明細書
【特許文献３】英国特許第２，２８７，５４３号明細書
【特許文献４】英国特許第２，３１６，１７８号明細書
【特許文献５】英国特許第２，１８４，５４９号明細書
【特許文献６】欧州特許第０２９３２３０号明細書
【特許文献７】米国特許第６，４５４，９２３号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明によれば、ガス流中の標的物質を感知するためのセンサであって、
ガス流に暴露されるように配置されたセンシング素子を備え、該センシング素子は、
作用電極と、
対電極と、
作用電極と対電極との間に延在するイオン交換材料の層とを備え、
それによって、イオン交換層とガス流との接触が、作用電極と対電極との間に電気的接触を形成する、センサが提供される。
【００１９】
本願明細書では、イオン交換材料という記述は、イオン交換特性を有する材料のことであり、ガス流の成分との接触によって、電極間の層の伝導性に変化が生じる。イオン交換材料は、電気伝導を生じさせるための支持体としての役割を果たす。より具体的には、イオン交換材料中に水が存在することで、電極間に水和イオン層を形成することができる。イオン交換材料の層は、高度に制御することができる媒体を提供し、一様に水和して伝導を生じさせるのに好適な材料を提供する。
【００２０】
本発明のセンサでの使用に好適なイオン交換材料は、プロトン伝導性が高く、科学的安定性が良好で、十分な機械的一体性を保持する能力を有するものである。イオン交換材料は、分析されているガス流内に存在する種に対する、より具体的には、対象または患者の呼気中に存在する種々の成分に対する親和性が高くなければならない。
【００２１】
好適なイオン交換材料は、当技術分野において既知であり、市販の製品である。
【００２２】
特に好適なイオン交換材料は、イオン特性を有する合成重合体群のイオノマである。特に好適なイオノマ群は、スルホン化テトラフルオロエチレン共重合体である。この群のうちで特に好適なイオノマは、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）であり、Ｄｕ Ｐｏｎｔ社から市販されている。スルホン化テトラフルオロエチレン共重合体は、それらのプロトン伝導能力に起因する、優れた伝導特性を有する。スルホン化テトラフルオロエチレン共重合体は、種々のカチオン伝導性によって製造することができる。これらの共重合体は、優れた熱および機械的安定性も呈し、生体適合性であるので、それらは制御電極コーティングでの使用に好適な材料となる。
【００２３】
他の好適なイオン交換材料には、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリ（アリーレン−エーテル−スルホン）（ＰＳＵ）、ＰＶＤＦ（ポリ塩化ビニリデン）グラフトスチレン、酸でドープしたポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）、およびポリホスファゼンが挙げられる。
【００２４】
イオン交換材料は、乾燥状態でセンサ内に存在させることができ、その場合、該材料には、例えばガス流中の水蒸気として、水の添加が必要となる。これは、センサを使用してヒトまたは動物の呼気を分析する場合であり、水蒸気は様々な量で存在する。代替的に、イオン交換材料は、飽和した、または部分的に飽和した状態で、水とともに存在させることができ、その場合、乾燥ガス流を分析することができる。そのような場合、センサの出力は、水中へのイオンの溶解が存在することに起因して、イオン交換材料の伝導性の変化に対応して変化する。
【００２５】
イオン交換材料の厚さは、イオン交換層と接触するガス流の組成の変化に対するセンサの応答を左右する。センサ内の内部抵抗を最小限に抑えるには、極薄イオン交換層の使用が好適である。
【００２６】
イオン交換層は、センサの特定の用途に基づいて、単一のイオン交換材料、または２つ以上のそのような材料の混合物を備えることができる。
【００２７】
イオン交換層は、イオン交換材料が、センサの可使時間の間に、所与のレベルの化学的および機械的安定性および完全性を呈する場合に、イオン交換材料で構成することができる。代替的に、イオン交換層は、イオン交換材料に不活性支持体を備えることができる。好適な支持体には、酸化物が挙げられ、より具体的には、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化ジルコニウム、およびそれらの混合物を含む、金属酸化物が挙げられる。他の好適な支持体には、ケイ素、および種々の天然および合成クレイの酸化物が挙げられる。
【００２８】
特に好適な一実施形態では、イオン交換層は、イオン交換材料および不活性フィラーに加えて、もしあれば、メソ多孔性材料を備える。本願明細書では、メソ多孔性材料という記述は、１〜７５ｎｍの範囲の細孔を有する材料、より具体的には、２〜５０ｎｍの範囲の細孔を有する材料のことである。メソ多孔性材料は、高度に制御することができる媒体を提供し、一様に水和して伝導を生じさせるのに好適な材料を提供する。
【００２９】
本発明のセンサでの使用に好適なメソ多孔性材料は、当技術分野において既知で、市販されているものであり、ゼオライトが挙げられる。ゼオライトは、本発明のセンサ内のイオン交換層内に含有させるのに特に好適な成分である。１つの好適なゼオライトは、ゼオライト１３Ｘである。代替的に使用するメソ多孔性材料は、ゼオライト４ＡまたはゼオライトＰである。イオン交換層は、ゼオライト材料のうちの１つ、またはそれらの組み合わせを含有することができる。
【００３０】
メソ多孔性材料の粒度および厚さは、イオン交換層と接触するガス流の組成の変化に対するセンサの応答を左右する。センサ内の内部抵抗を最小限に抑えるには、多孔質材料を含有する極薄層の使用が好適である。
【００３１】
メソ多孔性材料は、イオン交換層内に分散することが好ましく、微細分散体として分散することがより好ましい。メソ多孔性材料は、０．５〜２０μｍ、より好ましくは１〜１０μｍの範囲の粒度を有する粒子として分散することが好ましい。一実施形態では、メソ多孔性材料は、好適な溶媒中の粒子の懸濁液として電極に適用され、該溶媒によって、電極に粒子の微細分散を残すように蒸発させることができる。イオン交換材料は、次いでメソ多孔性分散体を覆って適用される。メソ多孔性材料は、溶媒１０ｍｌ中の均一な懸濁液として、０．０１〜１．０ｇの濃度で適用されることが好ましく、電極はその溶媒の中に１回以上浸漬される。メソ多孔性材料は、溶媒１０ｍｌあたり０．０５〜０．５ｇの濃度で、特には溶媒１０ｍｌあたり約０．１ｇの濃度で適用されることがより好ましい。メソ多孔性材料の適用での使用に好適な溶媒は、当技術分野において既知であり、アルコール類が挙げられ、より具体的には、メタノール、エタノール、および高脂肪族アルコールが挙げられる。メソ多孔性材料を適用するための他の好適な手法には、乾燥エアゾールデポジション、噴霧熱分解、スクリーン印刷、原位置結晶成長、水熱育成、スパッタリング、および高圧蒸気殺菌が挙げられる。
【００３２】
（連続的な）イオン交換膜内のメソ多孔性粒子の疎な集団（ｓｐａｒｓｅ ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ）は、ガス流中の標的種の検出、より具体的には水蒸気中の標的種の検出に対して最良の識別能を提供することが分かっている。好適な一配列の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による検査は、メソ多孔性粒子の密度を明らかにするので、各粒子は、概して、数本体直径分だけ、より具体的には、１〜５本体直径分、より好ましくは１〜３本体直径分、最近傍の粒子から間隔が置かれる。
【００３３】
また、厚膜のイオン交換材料は、メソ多孔性材料の連続した厚いコーティングと同じように、センサの性能を低下させることも分かっている。換言すれば、薄いイオン交換層と、メソ多孔性粒子の疎な集団との組み合わせが最良に機能する。
【００３４】
本センサは、二酸化炭素の検出、より具体的には、ヒトまたは動物の呼気中に存在する二酸化炭素の検出に特に好適である。また、本センサは、ガス流中の水蒸気の検出にも特に好適である。吐き出されたガス流の場合、対象によって吐き出された水蒸気濃度の測定によって、測定すべき呼気の二酸化炭素含有量の正確な測定が可能となる。この特徴によって、センサは、ヒトおよび動物によって吐き出されるガス流の分析に特に好都合となる。加えて、本センサは、分析されているガス流の組成の変化に対する迅速かつ正確な応答を提供する。これらの特徴は、本発明のセンサを、対象の呼気の分析におけるカプノグラフセンサとしての使用に対して特に好適なものとする。
【００３５】
本発明は、特にコンパクトで、非常に単純な構成のセンサを提供する。加えて、本センサは、加熱または冷却を必要とすることなく、周囲温度条件で使用することができ、また同時に、分析されているガス中の標的物質の濃度の正確な測定を行うことができる。
【００３６】
センサは、電極を収容して保護するハウジングまたは他の保護体を備えることが好ましい。センサは、ガスの流れを電極上へ直接導く流路またはコンジットを備えることができる。非常に単純な構成では、センサは、コンジットまたは管を通過するガス流が直接接触するように、２つの電極がその中に延在するコンジットまたは管を備える。センサを患者の呼気の分析に使用することを目的とした場合、コンジットは、患者がその中に息を吐き出すことができるマウスピースを備えることができる。代替的に、センサは、バルクガス流を直接測定するために、電極をハウジングの上または内側の暴露させた位置に備えるように形成することができる。ハウジング、流路またはコンジットの正確な形態は、動作またはセンサの性能には重要ではなく、あらゆる所望の形態とすることができる。センサの本体またはハウジングは、好適なプラスチックのような非導電性材料で作製されることが好ましい。
【００３７】
上述のように、一実施形態では、センサは、分析されているガス流中に存在する水蒸気がイオン交換層を水和させることに依存する。ガス流中に存在する水蒸気が不十分な場合、センサには、ガス流の水蒸気含有量を増加させるための手段を提供することができる。このような手段には、水の貯蔵容器、およびスプレー、吸入器、またはエアゾールのようなディスペンサが挙げられる。
【００３８】
電極は、あらゆる好適な形状および構成とすることができる。好適な電極の形態には、点、線、環、および平面状の表面が挙げられる。センサの有効性は、電極の特定の配列によって左右されることがあり、特定の実施形態では、隣接する電極間に非常に小さな経路長を有することによって高めることができる。これは、例えば、作用電極および対電極のそれぞれに、交互に切り換えた格子組みパターンに配列した複数の電極を備えることによって達成することができ、該パターンは、一連の互いに嵌合させた電極部分を形成し、より具体的には同心円状のパターンに配列される。
【００３９】
電極は、製造技術の解像度の範囲まで、互いにできる限り近づけて配向されることが好ましい。作用電極および対電極は、１０〜１０００ミクロン、好ましくは５０〜５００ミクロンの幅とすることができる。作用電極と対電極との間隙は、２０〜１０００ミクロン、より好ましくは５０〜５００ミクロンとすることができる。最適なトラックギャップの距離は、検討中の特定の電極材料、ジオメトリ、構成、および基板に対する日常的な実験によって見出される。好適な一実施形態では、最適な作用電極のトラック幅は、５０〜２５０ミクロン、好ましくは約１００ミクロンであり、対電極のトラック幅は、５０〜７５０ミクロン、好ましくは約５００ミクロンである。作用電極と対電極との間隙は、約１００ミクロンであることが好ましい。
【００４０】
対電極および作用電極は、同じサイズとすることができる。しかしながら、好適な一実施形態では、電流伝達の制限を回避するように、対電極の表面積は、作用電極の表面積よりも大きい。対電極は、作用電極の少なくとも２倍の表面積を有することが好ましい。少なくとも３：１、好ましくは少なくとも５：１、最高で１０：１といった、対電極と作用電極とのより高い表面積の比率を用いることもできる。電極の厚さは、製造技術によって左右されるが、電気化学に関しては直接影響を及ぼさない。得られた電気化学的信号の大きさは、主に、暴露表面積によって、すなわち、ガス流に直接暴露され、これと接触する電極の表面積によって決定される。概して、電極の表面積が増加すると、信号も高くなるが、ノイズおよび電気的干渉の影響も受けやすくなり得る。しかしながら、電極が小さくなるほど、そこからの信号の検出がより困難になり得る。
【００４１】
電極は、基板上で支持することができる。支持基板のための好適な材料は、あらゆる不活性、非導電性材料、例えばセラミック、プラスチック、またはガラスである。基板は、電極のための支持体を提供し、電極を適切な配向に保つように機能する。したがって、基板は、あらゆる好適な支持媒体とすることができる。基板は、非導電性であること、電気絶縁性であること、または誘電係数が十分に高いことが重要である。
電極は、基板の表面に配置することができ、イオン交換材料の層は、電極および基板表面を覆って延在する。代替的に、イオン交換材料は、基板に直接適用することができ、電極は、イオン交換層の表面に配置される。これには、機械的強度、および経路長のさらなる制御を与える基部の薄層を提供するという利点がある。
【００４２】
イオン交換材料は、好適な溶媒中の懸濁液または溶液からの蒸発によって、基板の表面に好都合に適用される。例えば、スルホン化テトラフルオロエチレン共重合体の場合、好適な溶媒は、メタノールである。イオン交換層内に存在させるべきである場合、イオン交換材料の懸濁液または溶液は、不活性支持体またはその前駆体を備えることもできる。
電極の電気絶縁を改善するためには、ガス流と接触するように配置されていない電極の部分（すなわち、電極の非動作部分）を、誘電体材料でコーティングし、電極の活性部分が暴露したままになるようにパターン化することができる。
【００４３】
センサは、上述のように、２つの電極で良好に動作するが、例えば第３の、すなわち基準電極を含む、２つ以上の電極による配列も当技術分野において既知である。基準電極を使用することで、対電極と作用電極との間の「ｉＲドロップ」がかなりの量であるときに、印加電圧のより良好な定電位制御、または電流の定電流制御が提供される。２つの２電極および３電極セルを用いることもできる。
【００４４】
対電極と作用電極との間に配置された、さらなる電極を用いこともできる。ガス流の温度は、電極の終端間抵抗を測定することによって算出することができる。そのような手法は、当技術分野において既知である。
【００４５】
電極が、電解質、またはガス流中に存在する物質の内のいずれかと反応しなければ、電極は、あらゆる好適な金属または合金金属を含むことができる。元素周期表（Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ａｎｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ、６２ｎｄ ｅｄｉｔｉｏｎ、１９８１ ｔｏ １９８２、Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｒｕｂｂｅｒ Ｃｏｍｐａｎｙに規定されている通り）の第ＶＩＩＩ族の金属が優先される。好適な第ＶＩＩＩ族金属は、レニウム、パラジウム、およびプラチナである。他の好適な金属には、銀および金が挙げられる。各電極は、金またはプラチナで作製されることが好ましい。電極の形成には、炭素、または炭素を含有する材料を使用することもできる。
【００４６】
本発明のセンサの電極は、厚膜スクリーン印刷用インクの形態で、電極材料を基板上に印刷することによって形成することができる。インクは、４つの構成要素（すなわち、機能要素、結合剤、ビヒクル、および１つ以上のモディファイア）で構成される。本発明の場合、機能要素は、電極の伝導性の成分を形成し、電極の形成に使用される上述の金属のうちの１つ以上の紛体を含む。
【００４７】
結合剤は、高温焼成中に、インクを基板に保持して基板と結合させる。ビヒクルは、粉体のための担体としての役割を果たし、溶媒のような揮発性成分と、ポリマーのような不揮発性成分の両方を含む。これらの材料は、乾燥および焼成の初期段階でそれぞれ蒸発させる。モディファイアは、少量の添加剤を含み、処理前後のインクの性質の制御に作用する。
【００４８】
スクリーン印刷には、ビヒクル成分およびインク内の紛体のような流動学的特性、および周囲温度のような環境的側面によって決定される限度内で制御されるインク粘度が必要である。
【００４９】
印刷スクリーンは、張力を高く保ちながら、スクリーンフレーム全体にステンレス鋼製のワイヤメッシュ布を広げることによって施すことができる。次いで、エマルジョンをメッシュ全体に広げ、メッシュの全ての空間を充填する。一般的な方法では、メッシュに過剰なエマルジョンを添加する。次いで、電極を設計したテンプレートを使用して、スクリーン印刷すべき領域をスクリーン上にパターン化する。
【００５０】
スクリーン上のインクを広げるには、スキージを使用する。スキージの剪断作用によってインク粘度が低下し、インクはパターン化された領域から基板上へ通過することができる。スキージが通過するとスクリーンは剥離する。インク粘度は、元の状態に戻り、鮮明な印刷が得られる。スクリーンメッシュは、所望の厚膜印刷厚さ、したがって完成した電極の厚さを決定するときに重要となる。
【００５１】
スキージの下方への動作距離の機械的制限（ダウンストップ）は、印刷ストロークの制限が、基板表面の下の７５〜１２５μｍとなるように設定しなければならない。これによって、基板全体の安定した印刷厚さを達成することができるが、同時に、過度の圧力によって生じる歪み、および起こり得る塑性変形からスクリーンメッシュを保護することができる。
【００５２】
印刷厚さを決定するには、以下の式を用いることができる。
Ｔｗ＝（Ｔｍ×Ａｏ）＋Ｔｅ
式中、Ｔｗ＝湿潤厚さ（μｍ）
Ｔｍ＝メッシュ織り厚さ（μｍ）、
Ａｏ＝空間率（％）、
Ｔｅ＝エマルジョン厚さ（μｍ）である。
【００５３】
印刷プロセス後、センサ素子は、焼成前にレベリングしなければならない。レベリングによって、メッシュマークを満たすことができ、また、より揮発性の高い溶媒の一部を室温で緩やかに蒸発させることができる。この乾燥プロセス中に全ての溶媒を除去できなかった場合は、その残量が、センサ素子を囲む雰囲気を汚染することによって、乾燥プロセスに問題を生じさせる場合がある。厚膜技術に使用される大部分の溶媒は、１５０℃のオーブンで１０分間保持することで完全に除去することができる。
【００５４】
焼成は、一般的にベルト炉の中で達成される。焼成温度は、インクの化学的性質よって異なる。大部分の市販のシステムは、の８５０℃のピーク温度で１０分間焼成する。総在炉時間は、炉の加熱および室温への冷却にかかる時間を含めて、３０〜４５分である。良好な処理には焼成雰囲気の純度が重要である。空気は、微粒子、炭化水素、ハロゲン含有蒸気、および水蒸気が無い状態でなければならない。
【００５５】
電極を作製して、それらを基板に適用するための代替となる手法には、もしあれば、スピン／スパッタコーティング、および可視／紫外線／レーザフォトリソグラフィが挙げられる。センサの電気化学的性能を変化させる可能性のある不純物を電極内に存在させないようにするために、電極は、電気化学的めっきによって作製することができる。より具体的には、各電極は、異なる手法によって適用された複数の層を備えることができ、下層は、印刷のような上述の手法を使用して作製され、最上位層または外層は、純金属のような純粋な電極材料を使用した電気化学的めっきによって適用される。
【００５６】
使用に際して、センサは、広範囲の温度にわたって動作することができる。しかしながら、分析すべきガス流中には水蒸気を存在させる必要があるため、センサの温度は、水の氷点よりも高く、かつ露点よりも高くしておかなければならない。センサは、ガス流の温度を上昇させるために、必要に応じて、加熱手段を備えることができる。
【００５７】
さらなる側面では、本発明は、水蒸気を含むガス流中の標的物質を感知する方法であって、
ガス流を、作用電極と対電極との間に延在するイオン交換材料の層に当てるステップと、
作用電極および対電極全体に電位を印加するステップと、
電位の印加によって作用電極と対電極との間に流れる電流を測定するステップと、
測定した電流の流れから、ガス流中の標的物質の濃度の示度を測定するステップとを含む方法が提供される。
【００５８】
ガス流中の標的物質は、水蒸気の他に存在する、酸性成分のような成分となり得る。代替的に、標的物質は、水蒸気そのものとなる場合があり、その場合には、センサを使用して、ガス流の含水量または湿度を測定する。
【００５９】
上述のように、本発明の方法は、ガス流中の二酸化炭素の検出、より具体的には、対象となるヒトまたは動物の呼気中の二酸化炭素の検出での使用に特に好適である。
【００６０】
動作中、対電極と作用電極との間のインピーダンスは、相対湿度を示し、測定する場合は、ガス流の標的物質の含有量を示し、これらは、様々な手法で電子的に測定することができる。
【００６１】
本発明の方法は、上述のように、センサを使用して実行することができる。
【００６２】
ガス流が含有する水蒸気が、動作に対して少なすぎる場合は、電極との接触が行われる前に、追加の水をガスに添加することができる。
【００６３】
本方法では、電位を電極全体に印加する必要がある。１つの単純な構成では、電圧は対電極に印加され、一方で、作用電極は地面に接続（接地）される。最も簡単な形態では、本方法は、作用電極および対電極全体に単一で一定の電位差を印加する。代替的に、電位差は、例えば一連の電位間でパルス化または掃引して、時間に対して変化させることができる。一実施形態では、電位は、いかなる反応も生じない、いわゆる「残留」電位と、反応電位との間でパルス化される。
【００６４】
動作に際し、線形電位走査、複数の電圧ステップ、または１つの離散電位が作用電極に印加され、得られたファラデーの還元電流は、電極をブリッジする水中の標的分子の溶解の一次関数としてモニタリングされる。
【００６５】
通常、センサ素子内で測定される電流は小さい。電流は、抵抗Ｒを使用して電圧に変換される。小さな電流が流れるため、電子設計および細部に対して細かな注意が必要となり得る。より具体的には、特別な「保護」手法を用いることができる。システム内の接地ループは避けなければならない。これは、当技術分野において既知の手法を使用して達成することができる。
【００６６】
対電極と作用電極との間を通る電流は、電圧に変換され、ガス流中の二酸化炭素の関数として記録される。センサは、２つの電圧間で電位をパルス化する、「矩形波ボルタンメトリ」として当技術分野において既知の手法によって、より迅速に応答する。パルス中の応答を数回測定することで、センサのインピーダンスを評価することができる。
【００６７】
過渡応答の形状は、単純な電子抵抗素子および静電容量素子に関して、単にセンサの電気的特性（インピーダンス）に関連し得る。形状を慎重に分析することで、抵抗および静電容量の個々の寄与を算出することができる。このような数学的手法は、当技術分野において既知である。静電容量は、充電等のような電子アーチファクトによってもたらされる不要な雑音を含む要素である。容量信号は、デザインの選択およびセンサ内の電極のレイアウトによって低減することができる。電極の表面積の増加、および電極間の距離の増加は、結果として生じる静電容量に影響を及ぼす２つの主要な要因である。電極間の反応に起因する、電流の通過の結果として生じる所望のファラデー信号は、実験によって最適化することができる。パルス内の期間が増加したときの応答の測定は、例えば容量成分とファラデー成分との間で選択的に選択することができる１つの手法である。このような実用的な手法は、当技術分野において既知である。
【００６８】
センサ素子の電極に印加された電位差は、上述のように、残留電位と反応電位との間で交互に、または定期的にパルス化することができる。図１は、印加する電圧波形の実施例を示す図である。図１ａは、残留電位Ｖ０と反応電位ＶＲとの間を交互に切り換える、パルス化された電圧信号の代表例である。電圧は、周波数の範囲で、一般的にはサブヘルツ周波数の範囲、すなわち０．１Ｈｚから最高１０ｋＨｚの範囲でパルス化することができる。好適なパルス周波数は、１〜５００Ｈｚの範囲である。代替的に、対電極に印加される電位波形は、「掃引した」一連の周波数で構成することができ、代表例を図１ｂに示す。図１ｃに示されたさらなる代替的な波形は、いわゆる「白色雑音」組の周波数である。このような波形から得られた複素周波数応答は、フーリエ変換分析のような手法を使用して、信号収集後にデコンボリュートしなければならなくなる。このような手法も、当技術分野において既知である。
【００６９】
１つの好適な電圧レジームは、０Ｖ（「残留」電位）、２５０ｍＶ（「反応」電位）、および２０Ｈｚのパルス周波数である。
【００７０】
本発明の利点は、電気化学的反応の電位が約＋０．２ボルトであり、これが、全てではないが、金属イオンの還元および酸素の溶解のような、測定を妨げる大部分の競合反応を回避することである。
【００７１】
本発明の方法は、ヒトまたは動物の呼気の分析での使用に特に好適である。この分析の結果から、患者の呼吸状況の示度を得ることができる。
【００７２】
したがって、さらなる側面では、本発明は、ヒトまたは動物のような、対象の呼気中の標的物質の濃度を測定する方法であって、
呼気を、作用電極と対電極との間に延在するイオン交換材料の層に当てるステップと、
作用電極および対電極全体に電位を印加するステップと、
電位の印加によって作用電極と対電極との間に流れる電流を測定するステップと、
測定した電流の流れから、呼気流中の標的物質の濃度の示度を測定するステップとを含む方法が提供される。
【００７３】
ヒトまたは動物によって吐き出されたガスは、対象の肺内で行われるガス交換機構の動作の結果として、しばしば水蒸気中に飽和する。本センサを使用して、対象のヒトまたは動物の呼気の含水量を測定およびモニタリングすることができる。
【００７４】
本発明のセンサおよび方法は、患者または対象の肺機能をモニタリングして判断する際に有用である。本方法およびセンサは、様々な呼吸状況を診断またはモニタリングするように、患者または動物の呼気中の、二酸化炭素のような物質の周期的濃度の分析に特に好適である。本センサは、速い応答時間が必要な用途、例えば、通常呼吸の個人用呼吸モニタリング（カプノグラフィ）に特に有用である。カプノグラフを用いた測定は、概して、呼吸医学、気道疾患、拘束性および閉塞性の両方の、気道管疾患管理、および気道炎症の分野に適用することができる。本発明は、カプノグラフィ、および喘息の診断、モニタリング、および管理の分野に特定の用途が見出され、カプノグラフの形状は、疾患の程度の関数として変化する。より具体的には、本発明のセンサおよび方法を使用して達成することができる高反応速度により、その結果を用いて、喘息患者における喘息発作の発症に対して早期に注意を促すことができる。
【００７５】
対象または動物の呼気中の水蒸気の飽和度および変動の測定は、成人呼吸窮迫症候群（ＡＲＤＳ）、末期の致命的な肺疾患の診断にも使用することができる。ＡＲＤＳは、肺間質浮腫によって特徴付けられる。健康な対象では、肺における血液と組織との間の水の分布は、通常は定常状態である。水の外向きの濾過作用（正の経毛細管静水圧による）は、（リンパ排液による）間質からの再吸収によって釣り合わせられる。ＡＲＤＳは、このバランスを崩す。疾患には複数の段階があるが、毛細管透過性が増加すると、一般的には肺内への水の蓄積が生じる。したがって、患者によって吐き出される水の量および変化をモニタリングすることが、ＡＲＤＳの診断および管理に有用となり得る。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について一例として説明する。
【図１】図１ａ、１ｂおよび１ｃは、上述のような本発明の方法で、電極に印加することができる可能な電圧波形の電圧と時間の関係を示す図である。
【図２】図２は、本発明のセンサの一実施形態の断面を示す図である。
【図３】図３は、本発明によるセンサ素子の一実施形態の表面の等角概略図である。
【図４】図４は、本発明のセンサのセンサ素子の別の実施形態の等角概略図である。
【図５】図５は、センサ素子の電極を励起するために使用することができる、定電位電子回路の概略図である。
【図６】図６は、電極を励起するために使用することができる、定電流電子回路の概略図である。
【図７】図7は、本発明のセンサで使用するための呼吸管アダプタの概略図である。
【図８】図８は、本発明の一実施形態の、センサ素子の相互接続および好適な計測器への該センサの接続の概要を提供するフロー図である。
【図９】図９は、本発明のセンサの電極全体に分散したゼオライト粒子のＳＥＭ写真である。
【図１０】図１０は、本発明のセンサを使用して、患者が吸入および吐き出したガス流を分析して得られた、時間による水蒸気濃度の変化を示すカプノグラムである。
【図１１】図１１は、本発明のセンサに印加した電圧信号および測定された電流応答の一形態を図形的に表現した図である。
【発明を実施するための形態】
【００７７】
図２を参照すると、本発明によるセンサが示されている。センサは、呼気の二酸化炭素含有量および湿度を分析するためのものである。全体として参照番号２で示されるセンサは、コンジット４を備え、呼気流をその中に通すことができる。コンジット４は、マウスピース６を備え、患者は、それを通じて呼吸することができる。
【００７８】
全体として参照番号８で示されるセンシング素子は、マウスピース６からコンジットを通過するガス流がセンシング素子８に当たるように、コンジット４内に位置する。センシング素子８は、不活性材料の支持基板１０を備え、作用電極１２および基準電極１４がその上に載置される。作用電極１２および基準電極１４は、作用電極１２と基準電極１４との隣接部分間の距離を最小限にする、織り合わせパターンを提供するように、同心円状に配列された複数の電極部分１２ａおよび１４ａをそれぞれ備える。このようにして、２つの電極間の電流経路は、最小に保たれる。
【００７９】
絶縁または誘電体材料の層１６は、作用電極１２および基準電極１４の両方の一部を覆って延在するが、各電極の部分１２ａおよび１４ａは、コンジット４を通過するガス流と直接接触するように、暴露されたままとなる。支持体、電極１２および１４、および固体電解質前駆体の配列を、図３および４に詳細に示す。
【００８０】
図３を参照すると、全体として参照番号４０で示される、基板層４２を備えたセンサ素子の分解図が示されている。作用電極４４は、基板層４２上に載置され、一連の細長い電極部分４４ａが該基板層から延在する。同様に、基準電極４６は、基板層４２上に載置され、一連の電極部分４６ａが該基板層から延在する。図３から分かるように、作用電極部分４４ａおよび基準電極部分４６ａは、密接に嵌合されたアレイ状に、一方が他方の間に延在し、作用電極と基準電極との隣接部分間の間隔を最小にして、暴露される電極の表面積を大きくしている。イオン交換材料の層４８は、作用電極４４および基準電極４６を覆う。
【００８１】
イオン交換材料は、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）、市販のスルホン化テトラフルオロエチレン共重合体で構成される。
【００８２】
イオン交換材料４８は、懸濁液への繰り返し浸漬によって、または好適な溶媒、特にメタノールに溶解したＮａｆｉｏｎ（登録商標）のスラリーによって適用される。ｐＨは、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）のイオン交換器の特性を左右する。主にＨ＋、Ｋ＋、Ｎａ＋、およびＣａ２＋をカチオン交換体としてコーティングした、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）を製造することが可能である。センサ素子は、各浸漬の後、かつその後の浸漬の前に溶媒を蒸発させるように、乾燥させる。その後の溶液または懸濁液への浸漬によって、他の材料をイオン交換層に組み込むことができる。浸漬回数は、イオン交換層の所要の厚さによって決定され、その化学組成は、センサが浸漬されるさらなる溶液の数および種類によって決定される。
【００８３】
パッド、スプレー、スクリーン、および他の機械的な印刷方法のような、コーティングの厚さおよび組成を同様に達成することができる複数の他の手段が存在することは明らかである。このような手法は、当技術分野において既知である。
【００８４】
代替となる電極配列を図４に示すが、図３のセンサ素子と共通する要素は同じ参照番号で識別される。作用電極部分４４ａおよび基準電極部分４６ａは、密接な円形のアレイに配列されていることに気付かれよう。電極および基板は、図３に関して上述したように、イオン交換材料の層内にコーティングされる。
【００８５】
図５を参照すると、定電位電子回路が示されており、該回路を用いて、本発明のセンサの作用電極および基準電極全体に適用される電圧を提供することができる。全体として参照符号１００で示される回路は、「ＯｐＡｍｐ１」で識別される増幅器１０２を備え、該増幅器は、外部から印加された電圧信号Ｖｉｎを受け入れる制御増幅器として機能する。ＯｐＡｍｐ１からの出力は、制御（対）電極１０４に印加される。「ＯｐＡｍｐ２」として識別される第２の増幅器１０６は、制御電極１０４から作用電極１０８へ流れる電流を、測定可能な電圧（Ｖｏｕｔ）に変換する。抵抗Ｒ１、Ｒ２、およびＲ３は、入力電圧および測定電流に従って選択される。
【００８６】
センサの電極を励起するための、代替となる定電流回路を図６に示す。制御電極１０４および作用電極１０８は、「ＯｐＡｍｐ１」として示された単一の増幅器１１２の入力と出力との間に接続される。抵抗Ｒ１も、所望の電流に従って選択される。
【００８７】
図７を参照すると、患者の呼気をモニタリングするためのアダプタが示されている。センサ素子は、図２に示して説明したものと類似した様態で、アダプタ内に載置され、アダプタ内を流れる空気流内へ直接配向される。図７に示された好適な実施形態は、全体として参照番号２００で示されるアダプタを備え、該アダプタは、円筒形ハウジング２０２を有し、該ハウジングは、一端に雄型の（押し込み嵌めした）円錐継手２０４を、他端に雌型の（押し込み嵌めした）円錐継手２０６を有する。側部流入口２０８は、円筒形ハウジング２０２内にオリフィスの形態で提供され、下記の実施例２に詳述されるように、アダプタを、患者の通常呼吸のモニタリングに使用できるようにする。側部流入口２０８は、患者が装置を通じて吸入する間、ガスをセンサ素子上へ導く。通常呼吸のモニタリングは、ハウジング２０２の流出口上に一方向弁を提供することによって改善することができる。
【００８８】
図８を参照すると、本発明によるセンサシステムの一般的レイアウトが概略的に示されている。全体として参照番号４００で示されるシステムは、対電極４０２と作用電極４０４とを有するセンサ素子を備える。対電極４０２は、例えば図５に示して上述した形態の、制御定電位４０６によって電圧が供給される。制御定電位４０６のための入力信号は、デジタル−アナログ変換器（Ｄ／Ａ）４０８によって提供され、マイクロコントローラ４１０からのデジタル入力信号がそれ自体に提供される。センシング素子によって生成された出力信号は、作用電極４０４での電流の形態であり、該電流は、電流−電圧変換器４１２に供給され、その出力は、次にアナログ−デジタル変換器（Ａ／Ｄ）４１４に供給される。マイクロコントローラ４１０は、Ａ／Ｄ変換器４１４の出力を受信し、その出力を用いて、モニタリングされているガス流中の標的物質の濃度を示す表示を生成する。表示（明確にするために図８には示さず）は、あらゆる好適な表示形態、例えば聴覚表示または視覚表示とすることができる。好適な一実施形態では、マイクロコントローラ４１０は、標的物質の濃度の連続的な表示を生成するが、この構成は、患者の通常呼吸をモニタリングする際に特に有用である。
【００８９】
本発明のセンサは、個々に用いて、または互いに直列に連続して接続された一連のセンサ素子として用いて、単一のガス流から一連のガスを測定することができる。例えば、一連のセンサを用いて、患者の呼気を分析することができる。加えて、２つ以上のセンサを使用して、患者の吸気および呼気の組成を比較することができる。
【００９０】
本発明を、以下の実施例を通じてさらに説明する。
【実施例】
【００９１】
図２および３に示された全般的な構成を有するセンサを作製した。電極は、市販のスルホン化テトラフルオロエチレン共重合体（Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）、前出のＤｕ Ｐｏｎｔ社）およびゼオライト４Ａを含むイオン交換層でコーティングした。コーティングは、以下のように作製した。
【００９２】
ゼオライト材料の懸濁液を、１０ｍｌのメタノール中に懸濁した。ゼオライトは、均一な粒度範囲（約１ミクロンの粒子径）を有した。
【００９３】
その懸濁液を１０分間超音波振動処理して、溶液中のゼオライトの分散を均一にした。超音波浴またはプローブも使用することができる。コーティングすべき電極は、次いで溶液に浸漬して、取り出す前に２秒間保持した。電極は、平らに倒した状態にして溶媒を自然に蒸発させた。必要に応じて、強制空気循環を使用して、溶媒の蒸発を促進することもできる。
【００９４】
電極は、ＳＥＭを使用して検査し、電極全体のゼオライト粒子の分布を判断した。結果を図９に示す。図に示されるように、ゼオライト粒子は、電極の表面全体に微細に分散しており、粒子間の間隔は、概して、少なくとも１つの粒子径分である。
【００９５】
センサをそのまま水平位置にして、次いで、シリンジを使用して最小量のＮｆｉｏｎポリマーをセンサの表面に分注し、流体の分注に使用されるシリンジ針の先端を使用して、センサの表面全体に広げた。ここでも、溶媒が自然に蒸発するように放置した。容量は、センサの表面領域を完全に覆い、かつ結果として生じる膜の厚さができる限り小さくなる程度とした。１ｃｍ２の領域に対応する典型的な容量は、１〜１０μｌの範囲、好ましくは２μｌである。結果として生じる残留層の厚さ（溶媒の蒸発後）は、適度に薄く、意図した用途に一致しなければならない。実際的には、１０〜１０００ｎｍ、好ましくは１００ｎｍの層の厚さを、本方法を使用して達成することができる。
【００９６】
センサを使用して、患者に図１のアセンブリを通じて吸入および吐き出させることによって、患者の呼気の組成を、より具体的には、呼気の水蒸気含有量を分析した。その結果のカプノグラムを図１０に示すが、図から、本センサが、経時的に呼気中の水の濃度の変化を非常に正確に追跡していることが分かる。
【００９７】
図１１を参照すると、図１１ａには、センサの電極全体に印加された電圧のグラフ表示が示されている。示されるように、ステップ電圧（１）が対電極に印加される。ステップ変化は、好ましくは、できる限り瞬間的であり、かつ即時的なものでなければならない。図１１ｂは、（電流−電圧変換後に）作用電極から受信した電流過渡応答の２つの実例を示す図である。どちらの応答も、時間とともに指数関数的に減少する、即時的電流過渡（「スパイク」）によって特徴付けられる。図１１ｂの上方の曲線は、センサが高濃度の水蒸気に反応したことを示し、下側の曲線は、同じセンサが低濃度の水蒸気に反応したことを示す。測定した電流（ステップ変化の後）を使用して濃度を評価することができる。例えば、点（３）または（４）での傾斜に対する値、または点（５）または（６）での電流に対する絶対値を使用して、濃度を評価することができる。電極の表面全体に適用されたコーティングの反応機構は、図１１ｃに示されるように、（電子的同等物において）単純に抵抗と静電容量とを組み合わせたものとみなすことができる。コンデンサは、図１１ｂに見られるように、大部分が「スパイク」および指数関数的減少に寄与し、センサが水蒸気に暴露されたときに最も変化する。
【図１ａ】
【図１ｂ】
【図１ｃ】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス状物質を検出するためのセンサに関し、より具体的には、気相またはガス流中の物質の存在を検出するためのセンサに関する。本センサは、これに限定されないが、特に二酸化炭素の検出に好適である。本センサの特定の用途には、ヒトまたは動物の呼気中の、二酸化炭素のようなガスの濃度を検出および測定するためのカプノグラフセンサが挙げられる。また、本センサを使用して、ガス流（例、呼気の流れ）の含水量または湿度を測定することもできる。
【背景技術】
【０００２】
ヒトまたは動物の呼気の二酸化炭素含有量の分析は、対象の健康評価に有益なツールである。より具体的には、二酸化炭素濃度の測定によって、種々の肺疾患および／または呼吸疾患、より具体的には、喘息および慢性閉塞性肺疾患（ＣＯＰＤ）の程度および／または進行を推定することができる。
【０００３】
二酸化炭素は、様々な分析手法および機器を使用して検出することができる。最も実用的で広く使用されている分析器は、検出方法として赤外吸収分光法を使用するが、ガスは、質量分析法、ガスクロマトグラフィ法、熱伝導度法、その他を使用して検出することもできる。二酸化炭素測定用の大部分の分析機器、手法、およびセンサは、ガスの物理化学的特性に基づいているが、新しい手法は、電気化学を用いて開発されており、電気化学的手法の各種組み合わせが提案されている。しかしながら、電気化学的手法を使用して二酸化炭素（ＣＯ２）ガスを直接的に測定することは不可能であった。ガスが電解質内に溶解することによる、電解質のｐＨの変化に基づいた、間接的な方法が考案された。他の電気化学的方法では、二酸化炭素の高温接触還元を使用する。しかしながら、これらの方法は、概して非常に高価で、扱いにくく、しばしば感度が非常に低く、また反応時間が遅い。これらの欠点によって、呼気サンプルの分析、より具体的には、通常呼吸の分析においては不十分なものとなる。
【０００４】
最近になって適用された手法では、二酸化炭素ガスの溶解によって誘導されたｐＨの変化を受けて、化学的に相互作用する好適な有機金属配位子を含有する電解質中の特定の化学反応をモニタリングする。ｐＨの変化は、その後一連の反応に影響を及ぼし、雰囲気中の二酸化炭素濃度は、酸塩基の化学的性質の変化に照らして間接的に評価される。
【０００５】
二酸化炭素は酸性のガスであり、水および他の（プロトン性の）溶媒と相互作用する。例えば、二酸化炭素は、以下の反応によって水溶液中に溶解する。
【０００６】
【化１】
溶解する二酸化炭素が増加すれば、水素イオン（Ｈ＋）も増加するものと理解されよう。
【０００７】
本手法を使用した二酸化炭素の感知には、気相中のガス分析に使用したときに、液体電解質を半透膜によって制限しなければならない、という不利な点がある。この膜は、水に対しては不透過性であるが、二酸化炭素を含む種々のガスに対しては透過性である。膜は、二酸化炭素ガスの透過を著しく阻害することなく、内部電解質の蒸発を低減しなければならない。この構成では、電極は、短期間であれば良好に機能するが、反応に時間がかかり、電解質を頻繁に入れ換えなければならない。
【０００８】
特許文献１では、透過性膜によって保持された液体電解質を含むセンサを開示しており、これらの不利な点のうちのいくつかを解決している。しかしながら、液体電解質の存在および保守に依存しないセンサの提供は非常に望ましいことである。
【０００９】
特許文献２では、複数の層を有する酸素および二酸化炭素用のセンサを開示しており、該センサは、アルミナ基板と、陰イオンの基準電極ソースと、陰イオンの基準電極ソースに連結されたプラチナ製の下部の電気的基準電極と、タングステンを含有する、下部基準電極に連結された固体電解質と、プラチナイオンの固体電解質への流出を防ぐためのバッファ層と、触媒的プラチナの上部電極とを備える。
【００１０】
特許文献３では、固体電解質の一酸化炭素用センサを開示しており、該センサは、基板内に形成された第１のキャビティを有し、該キャビティは、一酸化炭素吸着材が位置する第２のキャビティと連通する。電極は、一酸化炭素吸着材の酸素分圧を検出する。特許文献３のセンサは、一般的な温度に対して非常に敏感であり、また、任意の感度では、低温で低濃度の一酸化炭素しか測定することができない。センサの完全な飽和を回避すべきであれば、より高い一酸化炭素濃度を測定するには、高い温度が必要である。このため、該センサは、広範囲の濃度にわたるガス組成の測定に対しては非実用的である。
【００１１】
特許文献４では、固体電解質ガスセンサを開示しており、基準電極は、電解質中のキャビティ内に載置される。ガス感応電極は、固体電解質の外側に提供される。該センサは、二酸化炭素および二酸化硫黄の検出に有用であると言われている。しかしながら、センサの動作には、少なくとも２００℃、より好ましくは３００〜４００℃の温度への加熱が必要である。これは、センサの実用的な用途における大きな欠点を示している。
【００１２】
特許文献５には、熱処理工程におけるガス組成のモニタリングに使用するためのセンサが開示されている。しかしながら、特許文献４のセンサと同様に、高温（最高６００℃）での動作が開示されており、必要であると考えられる。
【００１３】
したがって、液相中の電解質の存在または高温触媒法に依存せず、単純な構成であり、また、周囲条件でのガス組成のモニタリングに容易に適用できるセンサが必要である。
【００１４】
特許文献６では、酸性のガス（例えば二酸化炭素）を検出するためのセンサを開示している。該センサは、センサ電極と、電解質の本体内の対電極とを備える。電解質は、酸性ガスによって置換することができる配位子を有する固体錯体である。同様のセンサ機構は、特許文献７に開示されている。
【００１５】
特に有効なセンサは、係属中の国際特許出願ＰＣＴ／ＧＢ２００５／００３１９６号に開示されている。該センサは、ガス流に暴露されるように配置されたセンシング素子を備え、該センシング素子は、作用電極と、対電極と、作用電極と対電極との間に延在し、これらと接触する固体電解質前駆体とを備え、それによって、ガス流が固体電解質前駆体上に当たるので、ガス流中の水蒸気が、前駆体を少なくとも部分的に水和させて、作用電極および対電極と電気的に接触する電解質を形成する。
【００１６】
国際特許出願ＰＣＴ／ＧＢ２００５／００３１９６号のセンサは効率的なセンサであるが、その性能は、電極間に延在するコーティングを提供するのに使用される適切な材料を選択することによって改善できることが分かっている。より具体的には、センサの性能および応答の改善は、センサが、水蒸気を含有するガス流に暴露されたときに、電極間のイオン交換材料によって電気的接触が構築されるように、電極間に延在するイオン交換材料の層を備えることによって達成することができる。このようなセンサは、患者または対象の肺機能の示度を改善し、また、患者の迅速な検査、および肺および呼吸器系の動作および機能における異常の診断を補助することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】国際公開第０４／００１４０７号パンフレット
【特許文献２】米国特許第４，７７２，８６３号明細書
【特許文献３】英国特許第２，２８７，５４３号明細書
【特許文献４】英国特許第２，３１６，１７８号明細書
【特許文献５】英国特許第２，１８４，５４９号明細書
【特許文献６】欧州特許第０２９３２３０号明細書
【特許文献７】米国特許第６，４５４，９２３号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明によれば、ガス流中の標的物質を感知するためのセンサであって、
ガス流に暴露されるように配置されたセンシング素子を備え、該センシング素子は、
作用電極と、
対電極と、
作用電極と対電極との間に延在するイオン交換材料の層とを備え、
それによって、イオン交換層とガス流との接触が、作用電極と対電極との間に電気的接触を形成する、センサが提供される。
【００１９】
本願明細書では、イオン交換材料という記述は、イオン交換特性を有する材料のことであり、ガス流の成分との接触によって、電極間の層の伝導性に変化が生じる。イオン交換材料は、電気伝導を生じさせるための支持体としての役割を果たす。より具体的には、イオン交換材料中に水が存在することで、電極間に水和イオン層を形成することができる。イオン交換材料の層は、高度に制御することができる媒体を提供し、一様に水和して伝導を生じさせるのに好適な材料を提供する。
【００２０】
本発明のセンサでの使用に好適なイオン交換材料は、プロトン伝導性が高く、科学的安定性が良好で、十分な機械的一体性を保持する能力を有するものである。イオン交換材料は、分析されているガス流内に存在する種に対する、より具体的には、対象または患者の呼気中に存在する種々の成分に対する親和性が高くなければならない。
【００２１】
好適なイオン交換材料は、当技術分野において既知であり、市販の製品である。
【００２２】
特に好適なイオン交換材料は、イオン特性を有する合成重合体群のイオノマである。特に好適なイオノマ群は、スルホン化テトラフルオロエチレン共重合体である。この群のうちで特に好適なイオノマは、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）であり、Ｄｕ Ｐｏｎｔ社から市販されている。スルホン化テトラフルオロエチレン共重合体は、それらのプロトン伝導能力に起因する、優れた伝導特性を有する。スルホン化テトラフルオロエチレン共重合体は、種々のカチオン伝導性によって製造することができる。これらの共重合体は、優れた熱および機械的安定性も呈し、生体適合性であるので、それらは制御電極コーティングでの使用に好適な材料となる。
【００２３】
他の好適なイオン交換材料には、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリ（アリーレン−エーテル−スルホン）（ＰＳＵ）、ＰＶＤＦ（ポリ塩化ビニリデン）グラフトスチレン、酸でドープしたポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）、およびポリホスファゼンが挙げられる。
【００２４】
イオン交換材料は、乾燥状態でセンサ内に存在させることができ、その場合、該材料には、例えばガス流中の水蒸気として、水の添加が必要となる。これは、センサを使用してヒトまたは動物の呼気を分析する場合であり、水蒸気は様々な量で存在する。代替的に、イオン交換材料は、飽和した、または部分的に飽和した状態で、水とともに存在させることができ、その場合、乾燥ガス流を分析することができる。そのような場合、センサの出力は、水中へのイオンの溶解が存在することに起因して、イオン交換材料の伝導性の変化に対応して変化する。
【００２５】
イオン交換材料の厚さは、イオン交換層と接触するガス流の組成の変化に対するセンサの応答を左右する。センサ内の内部抵抗を最小限に抑えるには、極薄イオン交換層の使用が好適である。
【００２６】
イオン交換層は、センサの特定の用途に基づいて、単一のイオン交換材料、または２つ以上のそのような材料の混合物を備えることができる。
【００２７】
イオン交換層は、イオン交換材料が、センサの可使時間の間に、所与のレベルの化学的および機械的安定性および完全性を呈する場合に、イオン交換材料で構成することができる。代替的に、イオン交換層は、イオン交換材料に不活性支持体を備えることができる。好適な支持体には、酸化物が挙げられ、より具体的には、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化ジルコニウム、およびそれらの混合物を含む、金属酸化物が挙げられる。他の好適な支持体には、ケイ素、および種々の天然および合成クレイの酸化物が挙げられる。
【００２８】
特に好適な一実施形態では、イオン交換層は、イオン交換材料および不活性フィラーに加えて、もしあれば、メソ多孔性材料を備える。本願明細書では、メソ多孔性材料という記述は、１〜７５ｎｍの範囲の細孔を有する材料、より具体的には、２〜５０ｎｍの範囲の細孔を有する材料のことである。メソ多孔性材料は、高度に制御することができる媒体を提供し、一様に水和して伝導を生じさせるのに好適な材料を提供する。
【００２９】
本発明のセンサでの使用に好適なメソ多孔性材料は、当技術分野において既知で、市販されているものであり、ゼオライトが挙げられる。ゼオライトは、本発明のセンサ内のイオン交換層内に含有させるのに特に好適な成分である。１つの好適なゼオライトは、ゼオライト１３Ｘである。代替的に使用するメソ多孔性材料は、ゼオライト４ＡまたはゼオライトＰである。イオン交換層は、ゼオライト材料のうちの１つ、またはそれらの組み合わせを含有することができる。
【００３０】
メソ多孔性材料の粒度および厚さは、イオン交換層と接触するガス流の組成の変化に対するセンサの応答を左右する。センサ内の内部抵抗を最小限に抑えるには、多孔質材料を含有する極薄層の使用が好適である。
【００３１】
メソ多孔性材料は、イオン交換層内に分散することが好ましく、微細分散体として分散することがより好ましい。メソ多孔性材料は、０．５〜２０μｍ、より好ましくは１〜１０μｍの範囲の粒度を有する粒子として分散することが好ましい。一実施形態では、メソ多孔性材料は、好適な溶媒中の粒子の懸濁液として電極に適用され、該溶媒によって、電極に粒子の微細分散を残すように蒸発させることができる。イオン交換材料は、次いでメソ多孔性分散体を覆って適用される。メソ多孔性材料は、溶媒１０ｍｌ中の均一な懸濁液として、０．０１〜１．０ｇの濃度で適用されることが好ましく、電極はその溶媒の中に１回以上浸漬される。メソ多孔性材料は、溶媒１０ｍｌあたり０．０５〜０．５ｇの濃度で、特には溶媒１０ｍｌあたり約０．１ｇの濃度で適用されることがより好ましい。メソ多孔性材料の適用での使用に好適な溶媒は、当技術分野において既知であり、アルコール類が挙げられ、より具体的には、メタノール、エタノール、および高脂肪族アルコールが挙げられる。メソ多孔性材料を適用するための他の好適な手法には、乾燥エアゾールデポジション、噴霧熱分解、スクリーン印刷、原位置結晶成長、水熱育成、スパッタリング、および高圧蒸気殺菌が挙げられる。
【００３２】
（連続的な）イオン交換膜内のメソ多孔性粒子の疎な集団（ｓｐａｒｓｅ ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ）は、ガス流中の標的種の検出、より具体的には水蒸気中の標的種の検出に対して最良の識別能を提供することが分かっている。好適な一配列の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による検査は、メソ多孔性粒子の密度を明らかにするので、各粒子は、概して、数本体直径分だけ、より具体的には、１〜５本体直径分、より好ましくは１〜３本体直径分、最近傍の粒子から間隔が置かれる。
【００３３】
また、厚膜のイオン交換材料は、メソ多孔性材料の連続した厚いコーティングと同じように、センサの性能を低下させることも分かっている。換言すれば、薄いイオン交換層と、メソ多孔性粒子の疎な集団との組み合わせが最良に機能する。
【００３４】
本センサは、二酸化炭素の検出、より具体的には、ヒトまたは動物の呼気中に存在する二酸化炭素の検出に特に好適である。また、本センサは、ガス流中の水蒸気の検出にも特に好適である。吐き出されたガス流の場合、対象によって吐き出された水蒸気濃度の測定によって、測定すべき呼気の二酸化炭素含有量の正確な測定が可能となる。この特徴によって、センサは、ヒトおよび動物によって吐き出されるガス流の分析に特に好都合となる。加えて、本センサは、分析されているガス流の組成の変化に対する迅速かつ正確な応答を提供する。これらの特徴は、本発明のセンサを、対象の呼気の分析におけるカプノグラフセンサとしての使用に対して特に好適なものとする。
【００３５】
本発明は、特にコンパクトで、非常に単純な構成のセンサを提供する。加えて、本センサは、加熱または冷却を必要とすることなく、周囲温度条件で使用することができ、また同時に、分析されているガス中の標的物質の濃度の正確な測定を行うことができる。
【００３６】
センサは、電極を収容して保護するハウジングまたは他の保護体を備えることが好ましい。センサは、ガスの流れを電極上へ直接導く流路またはコンジットを備えることができる。非常に単純な構成では、センサは、コンジットまたは管を通過するガス流が直接接触するように、２つの電極がその中に延在するコンジットまたは管を備える。センサを患者の呼気の分析に使用することを目的とした場合、コンジットは、患者がその中に息を吐き出すことができるマウスピースを備えることができる。代替的に、センサは、バルクガス流を直接測定するために、電極をハウジングの上または内側の暴露させた位置に備えるように形成することができる。ハウジング、流路またはコンジットの正確な形態は、動作またはセンサの性能には重要ではなく、あらゆる所望の形態とすることができる。センサの本体またはハウジングは、好適なプラスチックのような非導電性材料で作製されることが好ましい。
【００３７】
上述のように、一実施形態では、センサは、分析されているガス流中に存在する水蒸気がイオン交換層を水和させることに依存する。ガス流中に存在する水蒸気が不十分な場合、センサには、ガス流の水蒸気含有量を増加させるための手段を提供することができる。このような手段には、水の貯蔵容器、およびスプレー、吸入器、またはエアゾールのようなディスペンサが挙げられる。
【００３８】
電極は、あらゆる好適な形状および構成とすることができる。好適な電極の形態には、点、線、環、および平面状の表面が挙げられる。センサの有効性は、電極の特定の配列によって左右されることがあり、特定の実施形態では、隣接する電極間に非常に小さな経路長を有することによって高めることができる。これは、例えば、作用電極および対電極のそれぞれに、交互に切り換えた格子組みパターンに配列した複数の電極を備えることによって達成することができ、該パターンは、一連の互いに嵌合させた電極部分を形成し、より具体的には同心円状のパターンに配列される。
【００３９】
電極は、製造技術の解像度の範囲まで、互いにできる限り近づけて配向されることが好ましい。作用電極および対電極は、１０〜１０００ミクロン、好ましくは５０〜５００ミクロンの幅とすることができる。作用電極と対電極との間隙は、２０〜１０００ミクロン、より好ましくは５０〜５００ミクロンとすることができる。最適なトラックギャップの距離は、検討中の特定の電極材料、ジオメトリ、構成、および基板に対する日常的な実験によって見出される。好適な一実施形態では、最適な作用電極のトラック幅は、５０〜２５０ミクロン、好ましくは約１００ミクロンであり、対電極のトラック幅は、５０〜７５０ミクロン、好ましくは約５００ミクロンである。作用電極と対電極との間隙は、約１００ミクロンであることが好ましい。
【００４０】
対電極および作用電極は、同じサイズとすることができる。しかしながら、好適な一実施形態では、電流伝達の制限を回避するように、対電極の表面積は、作用電極の表面積よりも大きい。対電極は、作用電極の少なくとも２倍の表面積を有することが好ましい。少なくとも３：１、好ましくは少なくとも５：１、最高で１０：１といった、対電極と作用電極とのより高い表面積の比率を用いることもできる。電極の厚さは、製造技術によって左右されるが、電気化学に関しては直接影響を及ぼさない。得られた電気化学的信号の大きさは、主に、暴露表面積によって、すなわち、ガス流に直接暴露され、これと接触する電極の表面積によって決定される。概して、電極の表面積が増加すると、信号も高くなるが、ノイズおよび電気的干渉の影響も受けやすくなり得る。しかしながら、電極が小さくなるほど、そこからの信号の検出がより困難になり得る。
【００４１】
電極は、基板上で支持することができる。支持基板のための好適な材料は、あらゆる不活性、非導電性材料、例えばセラミック、プラスチック、またはガラスである。基板は、電極のための支持体を提供し、電極を適切な配向に保つように機能する。したがって、基板は、あらゆる好適な支持媒体とすることができる。基板は、非導電性であること、電気絶縁性であること、または誘電係数が十分に高いことが重要である。
電極は、基板の表面に配置することができ、イオン交換材料の層は、電極および基板表面を覆って延在する。代替的に、イオン交換材料は、基板に直接適用することができ、電極は、イオン交換層の表面に配置される。これには、機械的強度、および経路長のさらなる制御を与える基部の薄層を提供するという利点がある。
【００４２】
イオン交換材料は、好適な溶媒中の懸濁液または溶液からの蒸発によって、基板の表面に好都合に適用される。例えば、スルホン化テトラフルオロエチレン共重合体の場合、好適な溶媒は、メタノールである。イオン交換層内に存在させるべきである場合、イオン交換材料の懸濁液または溶液は、不活性支持体またはその前駆体を備えることもできる。
電極の電気絶縁を改善するためには、ガス流と接触するように配置されていない電極の部分（すなわち、電極の非動作部分）を、誘電体材料でコーティングし、電極の活性部分が暴露したままになるようにパターン化することができる。
【００４３】
センサは、上述のように、２つの電極で良好に動作するが、例えば第３の、すなわち基準電極を含む、２つ以上の電極による配列も当技術分野において既知である。基準電極を使用することで、対電極と作用電極との間の「ｉＲドロップ」がかなりの量であるときに、印加電圧のより良好な定電位制御、または電流の定電流制御が提供される。２つの２電極および３電極セルを用いることもできる。
【００４４】
対電極と作用電極との間に配置された、さらなる電極を用いこともできる。ガス流の温度は、電極の終端間抵抗を測定することによって算出することができる。そのような手法は、当技術分野において既知である。
【００４５】
電極が、電解質、またはガス流中に存在する物質の内のいずれかと反応しなければ、電極は、あらゆる好適な金属または合金金属を含むことができる。元素周期表（Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ａｎｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ、６２ｎｄ ｅｄｉｔｉｏｎ、１９８１ ｔｏ １９８２、Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｒｕｂｂｅｒ Ｃｏｍｐａｎｙに規定されている通り）の第ＶＩＩＩ族の金属が優先される。好適な第ＶＩＩＩ族金属は、レニウム、パラジウム、およびプラチナである。他の好適な金属には、銀および金が挙げられる。各電極は、金またはプラチナで作製されることが好ましい。電極の形成には、炭素、または炭素を含有する材料を使用することもできる。
【００４６】
本発明のセンサの電極は、厚膜スクリーン印刷用インクの形態で、電極材料を基板上に印刷することによって形成することができる。インクは、４つの構成要素（すなわち、機能要素、結合剤、ビヒクル、および１つ以上のモディファイア）で構成される。本発明の場合、機能要素は、電極の伝導性の成分を形成し、電極の形成に使用される上述の金属のうちの１つ以上の紛体を含む。
【００４７】
結合剤は、高温焼成中に、インクを基板に保持して基板と結合させる。ビヒクルは、粉体のための担体としての役割を果たし、溶媒のような揮発性成分と、ポリマーのような不揮発性成分の両方を含む。これらの材料は、乾燥および焼成の初期段階でそれぞれ蒸発させる。モディファイアは、少量の添加剤を含み、処理前後のインクの性質の制御に作用する。
【００４８】
スクリーン印刷には、ビヒクル成分およびインク内の紛体のような流動学的特性、および周囲温度のような環境的側面によって決定される限度内で制御されるインク粘度が必要である。
【００４９】
印刷スクリーンは、張力を高く保ちながら、スクリーンフレーム全体にステンレス鋼製のワイヤメッシュ布を広げることによって施すことができる。次いで、エマルジョンをメッシュ全体に広げ、メッシュの全ての空間を充填する。一般的な方法では、メッシュに過剰なエマルジョンを添加する。次いで、電極を設計したテンプレートを使用して、スクリーン印刷すべき領域をスクリーン上にパターン化する。
【００５０】
スクリーン上のインクを広げるには、スキージを使用する。スキージの剪断作用によってインク粘度が低下し、インクはパターン化された領域から基板上へ通過することができる。スキージが通過するとスクリーンは剥離する。インク粘度は、元の状態に戻り、鮮明な印刷が得られる。スクリーンメッシュは、所望の厚膜印刷厚さ、したがって完成した電極の厚さを決定するときに重要となる。
【００５１】
スキージの下方への動作距離の機械的制限（ダウンストップ）は、印刷ストロークの制限が、基板表面の下の７５〜１２５μｍとなるように設定しなければならない。これによって、基板全体の安定した印刷厚さを達成することができるが、同時に、過度の圧力によって生じる歪み、および起こり得る塑性変形からスクリーンメッシュを保護することができる。
【００５２】
印刷厚さを決定するには、以下の式を用いることができる。
Ｔｗ＝（Ｔｍ×Ａｏ）＋Ｔｅ
式中、Ｔｗ＝湿潤厚さ（μｍ）
Ｔｍ＝メッシュ織り厚さ（μｍ）、
Ａｏ＝空間率（％）、
Ｔｅ＝エマルジョン厚さ（μｍ）である。
【００５３】
印刷プロセス後、センサ素子は、焼成前にレベリングしなければならない。レベリングによって、メッシュマークを満たすことができ、また、より揮発性の高い溶媒の一部を室温で緩やかに蒸発させることができる。この乾燥プロセス中に全ての溶媒を除去できなかった場合は、その残量が、センサ素子を囲む雰囲気を汚染することによって、乾燥プロセスに問題を生じさせる場合がある。厚膜技術に使用される大部分の溶媒は、１５０℃のオーブンで１０分間保持することで完全に除去することができる。
【００５４】
焼成は、一般的にベルト炉の中で達成される。焼成温度は、インクの化学的性質よって異なる。大部分の市販のシステムは、の８５０℃のピーク温度で１０分間焼成する。総在炉時間は、炉の加熱および室温への冷却にかかる時間を含めて、３０〜４５分である。良好な処理には焼成雰囲気の純度が重要である。空気は、微粒子、炭化水素、ハロゲン含有蒸気、および水蒸気が無い状態でなければならない。
【００５５】
電極を作製して、それらを基板に適用するための代替となる手法には、もしあれば、スピン／スパッタコーティング、および可視／紫外線／レーザフォトリソグラフィが挙げられる。センサの電気化学的性能を変化させる可能性のある不純物を電極内に存在させないようにするために、電極は、電気化学的めっきによって作製することができる。より具体的には、各電極は、異なる手法によって適用された複数の層を備えることができ、下層は、印刷のような上述の手法を使用して作製され、最上位層または外層は、純金属のような純粋な電極材料を使用した電気化学的めっきによって適用される。
【００５６】
使用に際して、センサは、広範囲の温度にわたって動作することができる。しかしながら、分析すべきガス流中には水蒸気を存在させる必要があるため、センサの温度は、水の氷点よりも高く、かつ露点よりも高くしておかなければならない。センサは、ガス流の温度を上昇させるために、必要に応じて、加熱手段を備えることができる。
【００５７】
さらなる側面では、本発明は、水蒸気を含むガス流中の標的物質を感知する方法であって、
ガス流を、作用電極と対電極との間に延在するイオン交換材料の層に当てるステップと、
作用電極および対電極全体に電位を印加するステップと、
電位の印加によって作用電極と対電極との間に流れる電流を測定するステップと、
測定した電流の流れから、ガス流中の標的物質の濃度の示度を測定するステップとを含む方法が提供される。
【００５８】
ガス流中の標的物質は、水蒸気の他に存在する、酸性成分のような成分となり得る。代替的に、標的物質は、水蒸気そのものとなる場合があり、その場合には、センサを使用して、ガス流の含水量または湿度を測定する。
【００５９】
上述のように、本発明の方法は、ガス流中の二酸化炭素の検出、より具体的には、対象となるヒトまたは動物の呼気中の二酸化炭素の検出での使用に特に好適である。
【００６０】
動作中、対電極と作用電極との間のインピーダンスは、相対湿度を示し、測定する場合は、ガス流の標的物質の含有量を示し、これらは、様々な手法で電子的に測定することができる。
【００６１】
本発明の方法は、上述のように、センサを使用して実行することができる。
【００６２】
ガス流が含有する水蒸気が、動作に対して少なすぎる場合は、電極との接触が行われる前に、追加の水をガスに添加することができる。
【００６３】
本方法では、電位を電極全体に印加する必要がある。１つの単純な構成では、電圧は対電極に印加され、一方で、作用電極は地面に接続（接地）される。最も簡単な形態では、本方法は、作用電極および対電極全体に単一で一定の電位差を印加する。代替的に、電位差は、例えば一連の電位間でパルス化または掃引して、時間に対して変化させることができる。一実施形態では、電位は、いかなる反応も生じない、いわゆる「残留」電位と、反応電位との間でパルス化される。
【００６４】
動作に際し、線形電位走査、複数の電圧ステップ、または１つの離散電位が作用電極に印加され、得られたファラデーの還元電流は、電極をブリッジする水中の標的分子の溶解の一次関数としてモニタリングされる。
【００６５】
通常、センサ素子内で測定される電流は小さい。電流は、抵抗Ｒを使用して電圧に変換される。小さな電流が流れるため、電子設計および細部に対して細かな注意が必要となり得る。より具体的には、特別な「保護」手法を用いることができる。システム内の接地ループは避けなければならない。これは、当技術分野において既知の手法を使用して達成することができる。
【００６６】
対電極と作用電極との間を通る電流は、電圧に変換され、ガス流中の二酸化炭素の関数として記録される。センサは、２つの電圧間で電位をパルス化する、「矩形波ボルタンメトリ」として当技術分野において既知の手法によって、より迅速に応答する。パルス中の応答を数回測定することで、センサのインピーダンスを評価することができる。
【００６７】
過渡応答の形状は、単純な電子抵抗素子および静電容量素子に関して、単にセンサの電気的特性（インピーダンス）に関連し得る。形状を慎重に分析することで、抵抗および静電容量の個々の寄与を算出することができる。このような数学的手法は、当技術分野において既知である。静電容量は、充電等のような電子アーチファクトによってもたらされる不要な雑音を含む要素である。容量信号は、デザインの選択およびセンサ内の電極のレイアウトによって低減することができる。電極の表面積の増加、および電極間の距離の増加は、結果として生じる静電容量に影響を及ぼす２つの主要な要因である。電極間の反応に起因する、電流の通過の結果として生じる所望のファラデー信号は、実験によって最適化することができる。パルス内の期間が増加したときの応答の測定は、例えば容量成分とファラデー成分との間で選択的に選択することができる１つの手法である。このような実用的な手法は、当技術分野において既知である。
【００６８】
センサ素子の電極に印加された電位差は、上述のように、残留電位と反応電位との間で交互に、または定期的にパルス化することができる。図１は、印加する電圧波形の実施例を示す図である。図１ａは、残留電位Ｖ０と反応電位ＶＲとの間を交互に切り換える、パルス化された電圧信号の代表例である。電圧は、周波数の範囲で、一般的にはサブヘルツ周波数の範囲、すなわち０．１Ｈｚから最高１０ｋＨｚの範囲でパルス化することができる。好適なパルス周波数は、１〜５００Ｈｚの範囲である。代替的に、対電極に印加される電位波形は、「掃引した」一連の周波数で構成することができ、代表例を図１ｂに示す。図１ｃに示されたさらなる代替的な波形は、いわゆる「白色雑音」組の周波数である。このような波形から得られた複素周波数応答は、フーリエ変換分析のような手法を使用して、信号収集後にデコンボリュートしなければならなくなる。このような手法も、当技術分野において既知である。
【００６９】
１つの好適な電圧レジームは、０Ｖ（「残留」電位）、２５０ｍＶ（「反応」電位）、および２０Ｈｚのパルス周波数である。
【００７０】
本発明の利点は、電気化学的反応の電位が約＋０．２ボルトであり、これが、全てではないが、金属イオンの還元および酸素の溶解のような、測定を妨げる大部分の競合反応を回避することである。
【００７１】
本発明の方法は、ヒトまたは動物の呼気の分析での使用に特に好適である。この分析の結果から、患者の呼吸状況の示度を得ることができる。
【００７２】
したがって、さらなる側面では、本発明は、ヒトまたは動物のような、対象の呼気中の標的物質の濃度を測定する方法であって、
呼気を、作用電極と対電極との間に延在するイオン交換材料の層に当てるステップと、
作用電極および対電極全体に電位を印加するステップと、
電位の印加によって作用電極と対電極との間に流れる電流を測定するステップと、
測定した電流の流れから、呼気流中の標的物質の濃度の示度を測定するステップとを含む方法が提供される。
【００７３】
ヒトまたは動物によって吐き出されたガスは、対象の肺内で行われるガス交換機構の動作の結果として、しばしば水蒸気中に飽和する。本センサを使用して、対象のヒトまたは動物の呼気の含水量を測定およびモニタリングすることができる。
【００７４】
本発明のセンサおよび方法は、患者または対象の肺機能をモニタリングして判断する際に有用である。本方法およびセンサは、様々な呼吸状況を診断またはモニタリングするように、患者または動物の呼気中の、二酸化炭素のような物質の周期的濃度の分析に特に好適である。本センサは、速い応答時間が必要な用途、例えば、通常呼吸の個人用呼吸モニタリング（カプノグラフィ）に特に有用である。カプノグラフを用いた測定は、概して、呼吸医学、気道疾患、拘束性および閉塞性の両方の、気道管疾患管理、および気道炎症の分野に適用することができる。本発明は、カプノグラフィ、および喘息の診断、モニタリング、および管理の分野に特定の用途が見出され、カプノグラフの形状は、疾患の程度の関数として変化する。より具体的には、本発明のセンサおよび方法を使用して達成することができる高反応速度により、その結果を用いて、喘息患者における喘息発作の発症に対して早期に注意を促すことができる。
【００７５】
対象または動物の呼気中の水蒸気の飽和度および変動の測定は、成人呼吸窮迫症候群（ＡＲＤＳ）、末期の致命的な肺疾患の診断にも使用することができる。ＡＲＤＳは、肺間質浮腫によって特徴付けられる。健康な対象では、肺における血液と組織との間の水の分布は、通常は定常状態である。水の外向きの濾過作用（正の経毛細管静水圧による）は、（リンパ排液による）間質からの再吸収によって釣り合わせられる。ＡＲＤＳは、このバランスを崩す。疾患には複数の段階があるが、毛細管透過性が増加すると、一般的には肺内への水の蓄積が生じる。したがって、患者によって吐き出される水の量および変化をモニタリングすることが、ＡＲＤＳの診断および管理に有用となり得る。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について一例として説明する。
【図１】図１ａ、１ｂおよび１ｃは、上述のような本発明の方法で、電極に印加することができる可能な電圧波形の電圧と時間の関係を示す図である。
【図２】図２は、本発明のセンサの一実施形態の断面を示す図である。
【図３】図３は、本発明によるセンサ素子の一実施形態の表面の等角概略図である。
【図４】図４は、本発明のセンサのセンサ素子の別の実施形態の等角概略図である。
【図５】図５は、センサ素子の電極を励起するために使用することができる、定電位電子回路の概略図である。
【図６】図６は、電極を励起するために使用することができる、定電流電子回路の概略図である。
【図７】図7は、本発明のセンサで使用するための呼吸管アダプタの概略図である。
【図８】図８は、本発明の一実施形態の、センサ素子の相互接続および好適な計測器への該センサの接続の概要を提供するフロー図である。
【図９】図９は、本発明のセンサの電極全体に分散したゼオライト粒子のＳＥＭ写真である。
【図１０】図１０は、本発明のセンサを使用して、患者が吸入および吐き出したガス流を分析して得られた、時間による水蒸気濃度の変化を示すカプノグラムである。
【図１１】図１１は、本発明のセンサに印加した電圧信号および測定された電流応答の一形態を図形的に表現した図である。
【発明を実施するための形態】
【００７７】
図２を参照すると、本発明によるセンサが示されている。センサは、呼気の二酸化炭素含有量および湿度を分析するためのものである。全体として参照番号２で示されるセンサは、コンジット４を備え、呼気流をその中に通すことができる。コンジット４は、マウスピース６を備え、患者は、それを通じて呼吸することができる。
【００７８】
全体として参照番号８で示されるセンシング素子は、マウスピース６からコンジットを通過するガス流がセンシング素子８に当たるように、コンジット４内に位置する。センシング素子８は、不活性材料の支持基板１０を備え、作用電極１２および基準電極１４がその上に載置される。作用電極１２および基準電極１４は、作用電極１２と基準電極１４との隣接部分間の距離を最小限にする、織り合わせパターンを提供するように、同心円状に配列された複数の電極部分１２ａおよび１４ａをそれぞれ備える。このようにして、２つの電極間の電流経路は、最小に保たれる。
【００７９】
絶縁または誘電体材料の層１６は、作用電極１２および基準電極１４の両方の一部を覆って延在するが、各電極の部分１２ａおよび１４ａは、コンジット４を通過するガス流と直接接触するように、暴露されたままとなる。支持体、電極１２および１４、および固体電解質前駆体の配列を、図３および４に詳細に示す。
【００８０】
図３を参照すると、全体として参照番号４０で示される、基板層４２を備えたセンサ素子の分解図が示されている。作用電極４４は、基板層４２上に載置され、一連の細長い電極部分４４ａが該基板層から延在する。同様に、基準電極４６は、基板層４２上に載置され、一連の電極部分４６ａが該基板層から延在する。図３から分かるように、作用電極部分４４ａおよび基準電極部分４６ａは、密接に嵌合されたアレイ状に、一方が他方の間に延在し、作用電極と基準電極との隣接部分間の間隔を最小にして、暴露される電極の表面積を大きくしている。イオン交換材料の層４８は、作用電極４４および基準電極４６を覆う。
【００８１】
イオン交換材料は、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）、市販のスルホン化テトラフルオロエチレン共重合体で構成される。
【００８２】
イオン交換材料４８は、懸濁液への繰り返し浸漬によって、または好適な溶媒、特にメタノールに溶解したＮａｆｉｏｎ（登録商標）のスラリーによって適用される。ｐＨは、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）のイオン交換器の特性を左右する。主にＨ＋、Ｋ＋、Ｎａ＋、およびＣａ２＋をカチオン交換体としてコーティングした、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）を製造することが可能である。センサ素子は、各浸漬の後、かつその後の浸漬の前に溶媒を蒸発させるように、乾燥させる。その後の溶液または懸濁液への浸漬によって、他の材料をイオン交換層に組み込むことができる。浸漬回数は、イオン交換層の所要の厚さによって決定され、その化学組成は、センサが浸漬されるさらなる溶液の数および種類によって決定される。
【００８３】
パッド、スプレー、スクリーン、および他の機械的な印刷方法のような、コーティングの厚さおよび組成を同様に達成することができる複数の他の手段が存在することは明らかである。このような手法は、当技術分野において既知である。
【００８４】
代替となる電極配列を図４に示すが、図３のセンサ素子と共通する要素は同じ参照番号で識別される。作用電極部分４４ａおよび基準電極部分４６ａは、密接な円形のアレイに配列されていることに気付かれよう。電極および基板は、図３に関して上述したように、イオン交換材料の層内にコーティングされる。
【００８５】
図５を参照すると、定電位電子回路が示されており、該回路を用いて、本発明のセンサの作用電極および基準電極全体に適用される電圧を提供することができる。全体として参照符号１００で示される回路は、「ＯｐＡｍｐ１」で識別される増幅器１０２を備え、該増幅器は、外部から印加された電圧信号Ｖｉｎを受け入れる制御増幅器として機能する。ＯｐＡｍｐ１からの出力は、制御（対）電極１０４に印加される。「ＯｐＡｍｐ２」として識別される第２の増幅器１０６は、制御電極１０４から作用電極１０８へ流れる電流を、測定可能な電圧（Ｖｏｕｔ）に変換する。抵抗Ｒ１、Ｒ２、およびＲ３は、入力電圧および測定電流に従って選択される。
【００８６】
センサの電極を励起するための、代替となる定電流回路を図６に示す。制御電極１０４および作用電極１０８は、「ＯｐＡｍｐ１」として示された単一の増幅器１１２の入力と出力との間に接続される。抵抗Ｒ１も、所望の電流に従って選択される。
【００８７】
図７を参照すると、患者の呼気をモニタリングするためのアダプタが示されている。センサ素子は、図２に示して説明したものと類似した様態で、アダプタ内に載置され、アダプタ内を流れる空気流内へ直接配向される。図７に示された好適な実施形態は、全体として参照番号２００で示されるアダプタを備え、該アダプタは、円筒形ハウジング２０２を有し、該ハウジングは、一端に雄型の（押し込み嵌めした）円錐継手２０４を、他端に雌型の（押し込み嵌めした）円錐継手２０６を有する。側部流入口２０８は、円筒形ハウジング２０２内にオリフィスの形態で提供され、下記の実施例２に詳述されるように、アダプタを、患者の通常呼吸のモニタリングに使用できるようにする。側部流入口２０８は、患者が装置を通じて吸入する間、ガスをセンサ素子上へ導く。通常呼吸のモニタリングは、ハウジング２０２の流出口上に一方向弁を提供することによって改善することができる。
【００８８】
図８を参照すると、本発明によるセンサシステムの一般的レイアウトが概略的に示されている。全体として参照番号４００で示されるシステムは、対電極４０２と作用電極４０４とを有するセンサ素子を備える。対電極４０２は、例えば図５に示して上述した形態の、制御定電位４０６によって電圧が供給される。制御定電位４０６のための入力信号は、デジタル−アナログ変換器（Ｄ／Ａ）４０８によって提供され、マイクロコントローラ４１０からのデジタル入力信号がそれ自体に提供される。センシング素子によって生成された出力信号は、作用電極４０４での電流の形態であり、該電流は、電流−電圧変換器４１２に供給され、その出力は、次にアナログ−デジタル変換器（Ａ／Ｄ）４１４に供給される。マイクロコントローラ４１０は、Ａ／Ｄ変換器４１４の出力を受信し、その出力を用いて、モニタリングされているガス流中の標的物質の濃度を示す表示を生成する。表示（明確にするために図８には示さず）は、あらゆる好適な表示形態、例えば聴覚表示または視覚表示とすることができる。好適な一実施形態では、マイクロコントローラ４１０は、標的物質の濃度の連続的な表示を生成するが、この構成は、患者の通常呼吸をモニタリングする際に特に有用である。
【００８９】
本発明のセンサは、個々に用いて、または互いに直列に連続して接続された一連のセンサ素子として用いて、単一のガス流から一連のガスを測定することができる。例えば、一連のセンサを用いて、患者の呼気を分析することができる。加えて、２つ以上のセンサを使用して、患者の吸気および呼気の組成を比較することができる。
【００９０】
本発明を、以下の実施例を通じてさらに説明する。
【実施例】
【００９１】
図２および３に示された全般的な構成を有するセンサを作製した。電極は、市販のスルホン化テトラフルオロエチレン共重合体（Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）、前出のＤｕ Ｐｏｎｔ社）およびゼオライト４Ａを含むイオン交換層でコーティングした。コーティングは、以下のように作製した。
【００９２】
ゼオライト材料の懸濁液を、１０ｍｌのメタノール中に懸濁した。ゼオライトは、均一な粒度範囲（約１ミクロンの粒子径）を有した。
【００９３】
その懸濁液を１０分間超音波振動処理して、溶液中のゼオライトの分散を均一にした。超音波浴またはプローブも使用することができる。コーティングすべき電極は、次いで溶液に浸漬して、取り出す前に２秒間保持した。電極は、平らに倒した状態にして溶媒を自然に蒸発させた。必要に応じて、強制空気循環を使用して、溶媒の蒸発を促進することもできる。
【００９４】
電極は、ＳＥＭを使用して検査し、電極全体のゼオライト粒子の分布を判断した。結果を図９に示す。図に示されるように、ゼオライト粒子は、電極の表面全体に微細に分散しており、粒子間の間隔は、概して、少なくとも１つの粒子径分である。
【００９５】
センサをそのまま水平位置にして、次いで、シリンジを使用して最小量のＮｆｉｏｎポリマーをセンサの表面に分注し、流体の分注に使用されるシリンジ針の先端を使用して、センサの表面全体に広げた。ここでも、溶媒が自然に蒸発するように放置した。容量は、センサの表面領域を完全に覆い、かつ結果として生じる膜の厚さができる限り小さくなる程度とした。１ｃｍ２の領域に対応する典型的な容量は、１〜１０μｌの範囲、好ましくは２μｌである。結果として生じる残留層の厚さ（溶媒の蒸発後）は、適度に薄く、意図した用途に一致しなければならない。実際的には、１０〜１０００ｎｍ、好ましくは１００ｎｍの層の厚さを、本方法を使用して達成することができる。
【００９６】
センサを使用して、患者に図１のアセンブリを通じて吸入および吐き出させることによって、患者の呼気の組成を、より具体的には、呼気の水蒸気含有量を分析した。その結果のカプノグラムを図１０に示すが、図から、本センサが、経時的に呼気中の水の濃度の変化を非常に正確に追跡していることが分かる。
【００９７】
図１１を参照すると、図１１ａには、センサの電極全体に印加された電圧のグラフ表示が示されている。示されるように、ステップ電圧（１）が対電極に印加される。ステップ変化は、好ましくは、できる限り瞬間的であり、かつ即時的なものでなければならない。図１１ｂは、（電流−電圧変換後に）作用電極から受信した電流過渡応答の２つの実例を示す図である。どちらの応答も、時間とともに指数関数的に減少する、即時的電流過渡（「スパイク」）によって特徴付けられる。図１１ｂの上方の曲線は、センサが高濃度の水蒸気に反応したことを示し、下側の曲線は、同じセンサが低濃度の水蒸気に反応したことを示す。測定した電流（ステップ変化の後）を使用して濃度を評価することができる。例えば、点（３）または（４）での傾斜に対する値、または点（５）または（６）での電流に対する絶対値を使用して、濃度を評価することができる。電極の表面全体に適用されたコーティングの反応機構は、図１１ｃに示されるように、（電子的同等物において）単純に抵抗と静電容量とを組み合わせたものとみなすことができる。コンデンサは、図１１ｂに見られるように、大部分が「スパイク」および指数関数的減少に寄与し、センサが水蒸気に暴露されたときに最も変化する。
【図１ａ】
【図１ｂ】
【図１ｃ】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス流中の標的物質を感知するためのセンサであって、
該ガス流に暴露されるように配置されたセンシング素子を備え、該センシング素子は、
作用電極と、
対電極と、
該作用電極と該対電極との間に延在するイオン交換材料の層と
を備え、それによって、該イオン交換層と該ガス流との接触が、該作用電極と該対電極との間に電気的接触を形成する、センサ。
【請求項２】
前記イオン交換材料は、イオノマ、特にスルホン化テトラフルオロエチレン共重合体である、請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
前記イオン交換層は、メソ多孔性材料を含む、請求項１または請求項２のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項４】
前記メソ多孔性材料は、ゼオライトであり、より具体的には、ゼオライト１３、ゼオライト４Ａ、またはそれらの混合物である、請求項３に記載のセンサ。
【請求項５】
前記メソ多孔性材料は、微細分散体として分散される、請求項３または請求項４のうちのいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項６】
前記イオン交換材料は、水、または凝縮水蒸気を含む、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項７】
前記標的物質は、酸性物質、より具体的には、二酸化炭素であるか、または水である、請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項８】
前記ガス流が前記センシング素子に当たるように導かれるコンジットをさらに備える、請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項９】
前記コンジットは、患者が息を吐き出し得るマウスピースを備える、請求項８に記載のセンサ。
【請求項１０】
前記作用電極および前記対電極は、点、線、環、および平面状の表面から選択された形態である、請求項１〜請求項９のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項１１】
前記作用電極および前記対電極のうちの一方または両方は、複数の電極部分を備える、請求項１〜請求項１０のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項１２】
前記作用電極および前記対電極の両方は、格子組みパターンで配列された複数の電極部分を備える、請求項１１に記載のセンサ。
【請求項１３】
前記電極部分は、同心円状のパターンで配列される、請求項１１に記載のセンサ。
【請求項１４】
前記対電極の表面積は、前記作用電極の表面積よりも大きい、請求項１〜請求項１３のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項１５】
前記対電極と前記作用電極との表面積の比率は、少なくとも２：１、好ましくは少なくとも５：１である、請求項１４に記載のセンサ。
【請求項１６】
前記電極は、不活性基板上に支持される、請求項１〜請求項１５のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項１７】
各電極は、元素周期表の第ＶＩＩＩ族、銅、銀、および金から選択された金属、好ましくは金またはプラチナを含む、請求項１〜請求項１６のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項１８】
各電極の一部を覆って配置された絶縁材料の層をさらに備え、該絶縁層は、各電極の一部がガス流に直接接触したままになるように形成される、請求項１〜請求項１７のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項１９】
基準電極をさらに備える、請求項１〜請求項１８のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項２０】
前記電極は、基板上に載置され、該電極は、厚膜スクリーン印刷、スピン／スパッタコーティング、または可視／紫外線／レーザフォトリソグラフィによって該基板に適用される、請求項１〜請求項１９のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項２１】
１つ以上の電極が複数の層で構成され、その外層は、電気化学的めっきによって適用された純金属の層である、請求項１〜請求項２０のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項２２】
前記電極上に直接当たる前記ガス流を加熱するヒータをさらに備える、請求項１〜請求項２１のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項２３】
水蒸気を含むガス流中の標的物質を感知する方法であって、
該ガス流を、作用電極と対電極との間に延在するイオン交換材料の層に当てることと、
該作用電極および該対電極全体に電位を印加することと、
該印加された電位の結果として、該作用電極と対電極との間の電流を測定することと、
該測定された電流から、該ガス流中の該標的物質の濃度の示度を測定することと
を含む、方法。
【請求項２４】
前記標的物質は、二酸化炭素のような酸性物質、水蒸気、またはそれらの組み合わせである、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記作用電極および前記対電極全体に定電圧が印加される、請求項２３または請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記作用電極および前記対電極全体に可変電圧が印加される、請求項２３または請求項２４に記載の方法。
【請求項２７】
前記可変電圧は、残留電位と、反応閾値電位を超える電位との間で交互に切り換わる、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記電圧は、０．１Ｈｚ〜２０ｋＨｚの周波数でパルス化される、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
患者の呼気中の標的物質の濃度を測定する方法であって、
該呼気を、作用電極と対電極との間に延在するイオン交換材料の層に当てることと、
該作用電極および該対電極全体に電位を印加することと、
該印加された電位の結果として、該作用電極と該対電極との間の電流を測定することと、
該測定された電流から、該呼気流中の標的物質の濃度の示度を測定することと
を含む、方法。
【請求項３０】
前記標的物質は、水および／または二酸化炭素である、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記方法は、患者の肺機能の測定に適用され、より具体的には、喘息、ＣＯＰＤまたはＡＲＤＳを患った患者の肺機能の測定に適用される、請求項２９または請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
患者の通常呼吸がモニタリングされる、請求項２９〜請求項３１のうちのいずれか１項に記載の方法。
【請求項３３】
ガス流の組成をモニタリングするためのシステムであって、
請求項１〜請求項２２のうちのいずれか１項に記載のセンサと、
該センサからの出力を受信するためのマイクロコントローラと、
ディスプレイと
を備え、該マイクロコントローラは、分析したガス流中の標的物質の濃度の連続像を該ディスプレイ上に作り出すようにプログラムされる、システム。
【請求項３４】
前記センサは、患者の呼気に暴露されるように適合される、請求項３３に記載のシステム。
【請求項３５】
前記標的物質は、水および／または二酸化炭素である、請求項３３または請求項３４に記載のシステム。
【請求項１】
ガス流中の標的物質を感知するためのセンサであって、
該ガス流に暴露されるように配置されたセンシング素子を備え、該センシング素子は、
作用電極と、
対電極と、
該作用電極と該対電極との間に延在するイオン交換材料の層と
を備え、それによって、該イオン交換層と該ガス流との接触が、該作用電極と該対電極との間に電気的接触を形成する、センサ。
【請求項２】
前記イオン交換材料は、イオノマ、特にスルホン化テトラフルオロエチレン共重合体である、請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
前記イオン交換層は、メソ多孔性材料を含む、請求項１または請求項２のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項４】
前記メソ多孔性材料は、ゼオライトであり、より具体的には、ゼオライト１３、ゼオライト４Ａ、またはそれらの混合物である、請求項３に記載のセンサ。
【請求項５】
前記メソ多孔性材料は、微細分散体として分散される、請求項３または請求項４のうちのいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項６】
前記イオン交換材料は、水、または凝縮水蒸気を含む、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項７】
前記標的物質は、酸性物質、より具体的には、二酸化炭素であるか、または水である、請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項８】
前記ガス流が前記センシング素子に当たるように導かれるコンジットをさらに備える、請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項９】
前記コンジットは、患者が息を吐き出し得るマウスピースを備える、請求項８に記載のセンサ。
【請求項１０】
前記作用電極および前記対電極は、点、線、環、および平面状の表面から選択された形態である、請求項１〜請求項９のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項１１】
前記作用電極および前記対電極のうちの一方または両方は、複数の電極部分を備える、請求項１〜請求項１０のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項１２】
前記作用電極および前記対電極の両方は、格子組みパターンで配列された複数の電極部分を備える、請求項１１に記載のセンサ。
【請求項１３】
前記電極部分は、同心円状のパターンで配列される、請求項１１に記載のセンサ。
【請求項１４】
前記対電極の表面積は、前記作用電極の表面積よりも大きい、請求項１〜請求項１３のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項１５】
前記対電極と前記作用電極との表面積の比率は、少なくとも２：１、好ましくは少なくとも５：１である、請求項１４に記載のセンサ。
【請求項１６】
前記電極は、不活性基板上に支持される、請求項１〜請求項１５のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項１７】
各電極は、元素周期表の第ＶＩＩＩ族、銅、銀、および金から選択された金属、好ましくは金またはプラチナを含む、請求項１〜請求項１６のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項１８】
各電極の一部を覆って配置された絶縁材料の層をさらに備え、該絶縁層は、各電極の一部がガス流に直接接触したままになるように形成される、請求項１〜請求項１７のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項１９】
基準電極をさらに備える、請求項１〜請求項１８のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項２０】
前記電極は、基板上に載置され、該電極は、厚膜スクリーン印刷、スピン／スパッタコーティング、または可視／紫外線／レーザフォトリソグラフィによって該基板に適用される、請求項１〜請求項１９のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項２１】
１つ以上の電極が複数の層で構成され、その外層は、電気化学的めっきによって適用された純金属の層である、請求項１〜請求項２０のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項２２】
前記電極上に直接当たる前記ガス流を加熱するヒータをさらに備える、請求項１〜請求項２１のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項２３】
水蒸気を含むガス流中の標的物質を感知する方法であって、
該ガス流を、作用電極と対電極との間に延在するイオン交換材料の層に当てることと、
該作用電極および該対電極全体に電位を印加することと、
該印加された電位の結果として、該作用電極と対電極との間の電流を測定することと、
該測定された電流から、該ガス流中の該標的物質の濃度の示度を測定することと
を含む、方法。
【請求項２４】
前記標的物質は、二酸化炭素のような酸性物質、水蒸気、またはそれらの組み合わせである、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記作用電極および前記対電極全体に定電圧が印加される、請求項２３または請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記作用電極および前記対電極全体に可変電圧が印加される、請求項２３または請求項２４に記載の方法。
【請求項２７】
前記可変電圧は、残留電位と、反応閾値電位を超える電位との間で交互に切り換わる、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記電圧は、０．１Ｈｚ〜２０ｋＨｚの周波数でパルス化される、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
患者の呼気中の標的物質の濃度を測定する方法であって、
該呼気を、作用電極と対電極との間に延在するイオン交換材料の層に当てることと、
該作用電極および該対電極全体に電位を印加することと、
該印加された電位の結果として、該作用電極と該対電極との間の電流を測定することと、
該測定された電流から、該呼気流中の標的物質の濃度の示度を測定することと
を含む、方法。
【請求項３０】
前記標的物質は、水および／または二酸化炭素である、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記方法は、患者の肺機能の測定に適用され、より具体的には、喘息、ＣＯＰＤまたはＡＲＤＳを患った患者の肺機能の測定に適用される、請求項２９または請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
患者の通常呼吸がモニタリングされる、請求項２９〜請求項３１のうちのいずれか１項に記載の方法。
【請求項３３】
ガス流の組成をモニタリングするためのシステムであって、
請求項１〜請求項２２のうちのいずれか１項に記載のセンサと、
該センサからの出力を受信するためのマイクロコントローラと、
ディスプレイと
を備え、該マイクロコントローラは、分析したガス流中の標的物質の濃度の連続像を該ディスプレイ上に作り出すようにプログラムされる、システム。
【請求項３４】
前記センサは、患者の呼気に暴露されるように適合される、請求項３３に記載のシステム。
【請求項３５】
前記標的物質は、水および／または二酸化炭素である、請求項３３または請求項３４に記載のシステム。
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公表番号】特表２００９−５４４９３６（Ｐ２００９−５４４９３６Ａ）
【公表日】平成２１年１２月１７日（２００９．１２．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５２００６１（Ｐ２００９−５２００６１）
【出願日】平成１９年７月２０日（２００７．７．２０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＧＢ２００７／００２８０７
【国際公開番号】ＷＯ２００８／００９９８０
【国際公開日】平成２０年１月２４日（２００８．１．２４）
【出願人】（５０９０２０１８１）アナクシス テクノロジー リミテッド (1)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２１年１２月１７日（２００９．１２．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年７月２０日（２００７．７．２０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＧＢ２００７／００２８０７
【国際公開番号】ＷＯ２００８／００９９８０
【国際公開日】平成２０年１月２４日（２００８．１．２４）
【出願人】（５０９０２０１８１）アナクシス テクノロジー リミテッド (1)
【Ｆターム（参考）】
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