関連出願の相互参照 本出願は、2017年3月1日に出願された米国仮特許出願第62/465,370号の利益を主張し、その主題の全体を参照により本明細書に組み込む。

本発明は、概して、肺機能を測定するために使用される監視装置に関し、より詳細には、一酸化窒素、及び、呼吸器症状の監視に関連するその他のマーカの検査に関する。

呼吸器疾患は、世界で最も一般的な疾患の部類である。このような呼吸器疾患は、慢性閉塞性肺疾患(COPD)、喘息、嚢胞性線維症、及び肺線維症などの症状を含む。例えば、COPDには何百万もの人々が罹患しており、米国における非常に高い罹患率及び死亡率の一因である。COPDとは、投薬治療を行っても通常は完全には可逆的でない気流制限の漸進的進行を特徴とする慢性肺疾患を示す用語である。COPDの一般的症状として、呼吸困難、喘鳴、及び慢性咳が挙げられる。

喘息は、COPDに類似の症状(呼吸困難及び喘鳴など)を呈する慢性肺疾患の別の例であり、COPDとは病因論的に異なる。喘息は一般的な医療課題であり、米国及び世界中で数百万人が罹患している。喘息患者の大部分を、中等度から重度の喘息罹患者として分類でき、これらの患者は、気道炎症をより頻繁にモニタリングされることが有益であろう。COPDと喘息とでは、要求される治療法が異なるが、COPDと喘息の検査結果は重複する場合が多い。

喘息は、具体的には、過敏症気道における炎症反応を特徴とし、これが、肺内への空気流を制限する。近年、呼気中一酸化窒素(eNO)の測定が、特には喘息患者の気道炎症の評価における、非侵襲的でその他の肺機能検査に補完的なツールであることが分かってきた。従って、eNOの存在は、気道炎症に関して世界的に認められた公知のバイオマーカである。

一酸化窒素(NO)は、細胞内で一酸化窒素シンターゼにより内因的に生成され、末梢肺胞内で好酸球により分泌される。一酸化窒素の生成は、炎症性サイトカイン(喘息発作に関連)に反応して増大し、呼出されるNOは、好酸性気道炎症の間接的な尺度とみなされる。従って、下気道(例えば非鼻腔)から呼出される一酸化窒素を、気道炎症の程度と相関させ得る。喘息患者は、その呼気中に高レベルのNOを含む。一酸化窒素レベルは、臨床症状が現れる前に増大するが、一酸化窒素レベルは、適切な治療に応じて気道炎症が軽減するに従って低下する。これらの2つの特徴により、一酸化窒素レベルは、喘息状態を管理するための理想的なバイオマーカであり得る。従って、米国胸部学会(ATS)は、2011年に、喘息の診断及び管理のために呼気一酸化窒素の測定を推奨する新しいガイドラインを発行した。喘息の診断は、呼気中の一酸化窒素レベルが50ppbを超えた場合に下され得る。また、高レベルのeNOは、その他の炎症性呼吸器症状にも関連付けられる。

呼吸器疾患を診断する際、eNOに関する一連の検査が実施される。例えば、ポイントオブケア呼気分析器がeNO情報を医師に又は臨床現場で提供でき、一方、ハンドヘルド又はポータブル呼気分析器が、個々の患者に呼気一酸化窒素情報を提供できる。eNOの検出に有用な呼吸モニタに関する詳細が、「呼吸モニタ」(“Respiratory Monitor”)と題された特許文献1に記載されており、この特許文献の全体を参照として本明細書に組み 込む。eNOの検出に有用なさらなる呼吸モニタに関する詳細が、「呼吸モニタ」(“Respiratory Monitor”)と題された特許文献2に記載されており、この特許文献の全体を参照として本明細書に組み込む。その他のセンサ及びその他の技術を用いた呼吸監視装置もまた、患者の呼気中のその他の様々なバイオマーカに関してテスト可能である。

有効なeNO試験を標準的な試験に補完することもできよう。しかし、呼気中に存在する微量の(一般的に、10億分の1単位で測定される)NOを検出可能な安価なセンサが不足している。また、NOセンサは、水及び二酸化炭素(CO₂)を含むその他の干渉可能性のあるガス成分の存在下でも正確なNO測定を提供しなければならない。NO測定のさらなる課題は、患者の呼気中のNOと二酸化窒素(NO₂)との識別が困難なことである。すなわち、患者の呼気から導入されるガスは、一般的に、各濃度のNO、NO₂、CO₂及び酸素(O₂)を含む。従来のセンサは、多くの場合、窒素酸化物(NO_x)の2つの主要な対象成分であるNOとNO₂との識別に関し、非選択的であるか又は識別不能なため、得られる読取値は誤っている場合がある。

現在の標準的な肺機能検査における別の課題は、eNOを長期間にわたり正確且つ有効に測定する性能である。例えば、センサ応答信号が劣化し、一貫性のない読み取りを提供し、また、経時的に不安定になる可能性がある。この不安定性により、臨床現場での異なる期間にわたる同一センサの使用がより困難になり得る。また、センサが頻繁な交換を必要とする場合もあり、それにより、肺機能検査装置のメンテナンス及び修理に関するコストが増大するであろう。

米国特許出願公開第2015/0250408号明細書

米国特許出願公開第2017/0065208号明細書

従って、複数の肺機能検査及びその他の関連する測定が実行可能な正確で効率的な呼吸モニタであって、より長期間にわたり信頼して使用可能な呼吸モニタを提供することが望ましく且つ有利であろう。幾つかの例において、様々な状況で有用な、設置面積がコンパクトで携帯可能な呼吸モニタを提供することも、望ましく且つ有利であろう。さらに、このような測定システムが安定化されたセンサ応答信号を提供するようにし、それによりメンテナンス及び交換のコストを低減することが、望ましく且つ有利であろう。

本発明は、概して、ガスサンプルから全窒素酸化物(NO_x)濃度を測定するための測定システムに関する。全窒素酸化物NO_xは、純粋な一酸化窒素(NO)、純粋な二酸化窒素(NO₂)、及びこれらの混合物を含む。一実施形態において、NO_xを含むガスサンプルがガス流路内に向けられ、当該ガス流路を通って前記ガスサンプルは、白金及びゼオライトを含む触媒フィルタに接触する。当該触媒フィルタは、NO_xを含むガスサンプルからのNOとNO₂との平衡混合物の生成を触媒する。前記ガスサンプルは、2つの電極を、固体電解質イットリア安定化ジルコニア(YSZ)上に有するセンサに露出される。一方の電極はセンサ電位電極である。他方の電極は基準電位電極である。前記センサは、前記2つの電極間の電位差を得る。前記ガスサンプル中の全NO_xは、較正曲線を用いて電位差から決定できる。測定システムにおいて1以上の還元ガスを使用することが、センサ信号の安定化を補助する。また、これは、呼吸モニタにおけるセンサの長期使用も容易にし得る。

幾つかの実施形態において、ガス流中のNO及びNO₂を含む全NO_x濃度を測定するためのシステムが記載される。このシステムは、触媒フィルタ部材と、当該触媒フィルタよりも下流に配置されたセンサ部材と、前記触媒フィルタと前記センサ部材との間に配置された接続部材とを備えている。前記触媒フィルタ部材は、入ってくるガス流中のNO_xからのNOとNO₂との平衡混合物の生成を触媒するように適合されている。前記センサ部材は、前記NOとNO₂との平衡混合物の生成後に前記ガス流に接触するように適合されており、また、前記センサ部材は、前記ガス流中のNO_x濃度を測定するように適合されている。前記接続部材は、還元剤を供給するように適合されている。

前記還元剤は、水素ガス(H₂)、一酸化炭素(CO)、ベンズアルデヒド、及びビスフェノールAから成る群から選択され得る。前記還元剤は還元ガスを含み得る。前記接続部材は、NO及びNO₂の酸化が実質的に中断されずに生じるように、前記センサ部材における酸素イオン(O²⁻)の還元を促進するように適合され得る。前記接続部材は、フルオロエラストマー管、テフロン管、ステンレス鋼管、ガラス管、セラミック管、1以上のキャニスタ、又はこれらの組合せを含み得る。

好ましい実施形態において、前記触媒フィルタ部材は白金‐ゼオライトY(PtY)を含む。前記触媒フィルタと前記センサ部材とは異なる温度で動作される。前記センサ部材は、NOとNO₂との平衡混合物と接触するように適合されたセンサ電位電極、及び、電解質基板上に配置された基準電位電極を含む。前記センサ部材は、当該2つの電極間の電位差を測定して、前記ガス流中のNO_x濃度を得る。また、このシステムは、前記センサ部材と電気的に連通しているコントローラをさらに含み得る。当該コントローラは、測定されたNO_x濃度及びNOとNO₂との平衡混合物に基づいて、前記ガス流中の全NO濃度を決定する。

また、ガス流中のNO及びNO₂を含む全NO_x濃度を測定するためのシステムに関しても記載する。このシステムは、触媒フィルタ部材と、当該触媒フィルタよりも下流に配置されたセンサ部材と、前記触媒フィルタと前記センサ部材との間に配置された接続部材とを備えている。前記触媒フィルタ部材は、入ってくるガス流中のNO_xからのNOとNO₂との平衡混合物の生成を触媒するように適合されている。前記センサは、NOとNO₂との前記平衡混合物の生成後にガス流に接触して、当該ガス流中のNO_x濃度を測定するように適合されている。前記接続部材は、NO及びNO₂の酸化が実質的に中断されずに生じるように、前記センサ部材における酸素イオン(O²⁻)の還元を促進するように適合されている。幾つかの実施形態において、前記接続部材は、NO及びNO₂の実質的に安定的な酸化が実質的に中断されずに生じるように、前記センサ部材における酸素イオン(O²⁻)の実質的に安定的な還元を促進するように適合されている。

さらに、ガス流中の一酸化窒素NO及び二酸化窒素NO₂を含む全NO_x濃度を測定するための測定システムが、NO_xを含むガス流を運ぶように適合されているガス流路と、当該ガス流路内に配置された触媒フィルタと、当該触媒フィルタよりも下流に配置されたセンサと、前記触媒フィルタと前記センサとの間に配置された接続部材と、当該センサと電気的に接続されたコントローラとを備えている。前記触媒フィルタは白金‐ゼオライトY(PtY)を含み、且つ、前記ガス流中のNO_xからのNOとNO₂との平衡混合物の生成を触媒するように適合されている。前記センサは、ガス流中のNO_x濃度を測定するように適合されている。前記接続部材は還元剤を供給するように適合されている。前記コントローラは、前記測定されたNO_x濃度及びNOとNO₂との平衡混合物に基づいて前記ガス流中の全NO濃度を決定するように適合されている。

また、以下に記載するように、ガス流中のNO及びNO₂を含む全NO_x濃度を測定するための測定システムが、ガス流路と、当該ガス流路内に配置された触媒フィルタと、当 該触媒フィルタよりも下流に配置されたセンサと、前記触媒フィルタと前記センサとの間に配置された接続部材と、前記センサと電気的に接続されたコントローラとを備えている。前記触媒フィルタは白金‐ゼオライトYを含み、且つ、前記ガス流中のNO_xからのNOとNO₂との平衡混合物の生成を触媒するように適合されている。前記センサは、ガス流中のNO_x濃度を測定するように適合されている。前記接続部材は、NO及びNO₂の酸化が実質的に中断されずに生じるように、前記センサにおける酸素イオン(O²⁻)の還元を促進するように適合されている。前記コントローラは、前記測定されたNO_x濃度及びNOとNO₂との平衡混合物に基づいて前記ガス流中の全NO濃度を決定するように適合されている。

別の実施形態において、ガスサンプル中の一酸化窒素NO及び二酸化窒素NO₂を含む全NO_x濃度を測定するための方法を記載する。この方法は、NO_xを含むガスサンプルを、ガス流路を通して流して、当該ガス流路内に配置された触媒フィルタに前記ガスサンプルを露出させるステップを含む。前記触媒フィルタは、白金‐ゼオライトY(PtY)を含み、且つ、前記ガスサンプル中のNO_xからのNOとNO₂との平衡混合物の生成を触媒するように適合されている。この方法は、さらに、前記ガス流路内の、前記触媒フィルタよりも下流に配置されたセンサにガスサンプルを露出させるステップを含む。前記センサは、前記ガスサンプル中のNO_x濃度を測定するように適合されている。また、この方法は、前記ガスサンプルが前記触媒フィルタに露出された後に前記ガスサンプルを還元剤に露出させるステップも含む。この方法は、さらに、前記ガスサンプル中の全NO濃度を、前記センサに電気的に接続されているコントローラを用いて決定するステップを含む。当該コントローラは、測定されたNO_x濃度及びNOとNO₂との平衡混合物に基づいて全NO濃度を決定する。

さらに、ガスサンプル中のNO及びNO₂を含む全NO_x濃度を測定する方法も記載する。この方法は、NO_xを含むガスサンプルを、ガス流路を通して流して、ガス流路内に配置された触媒フィルタにガスサンプルを露出させるステップを含む。前記触媒フィルタは、白金‐ゼオライトY(PtY)を含み、且つ、前記ガスサンプル中のNO_xからのNOとNO₂との平衡混合物の生成を触媒するように適合されている。この方法は、さらに、前記ガスサンプルを、前記ガス流路内の、前記触媒フィルタよりも下流に配置されたセンサに露出させるステップも含む。前記センサは、前記ガスサンプル中のNO_x濃度を測定するように適合されている。また、この方法は、前記ガスサンプルを接続部材に露出させるステップも含む。このステップにより、NO及びNO₂の酸化が実質的に中断されずに生じるように、前記センサにおける酸素イオン(O²⁻)の還元が促進される。この方法は、さらに、前記ガスサンプル中の全NO濃度を、センサと電気的に接続しているコントローラを用いて決定するステップを含む。当該コントローラは、測定されたNO_x濃度及びNOとNO₂との平衡混合物に基づいて、全NO濃度を決定する。

図1は、本発明の一実施形態によるマイクロチャネルリアクタ−センサ組立体の、リアクタユニットとセンサユニットとの間の接合部に還元ガスが導入されている様子を示す上面概略図である。

図2Aは、本発明の一実施形態によるセンサユニットの側方断面概略図であり、還元ガスが導入されていない状態を概略的に示す。

図2Bは、本発明の一実施形態によるセンサユニットの側方断面概略図であり、還元ガスが導入されている状態を概略的に示す。

図3は、本発明の一実施形態による、還元ガスの供給源としてインライン管を含むマイクロチャネルリアクタ−センサ組立体の上面図を概略的に示す。インライン管は、リアクタユニットとセンサユニットとの間の接合部に配置され、インライン管が還元ガスを組立体に送出する。

図4Aは、本発明の一実施形態による、テフロン管及びフルオロエラストマー管を使用したマイクロチャネルリアクタ−センサ組立体に関するセンサ応答の例を示す図である。センサ応答は、15ppb〜200ppbの範囲のNO濃度を含む呼気ガスサンプルに関して示されている。

図4Bは、本発明の一実施形態による、テフロン管及びフルオロエラストマー管を使用したマイクロチャネルリアクタ−センサ組立体に関するセンサ応答の例を示す図である。センサ応答は、15ppb〜200ppbの範囲のNO濃度を含む呼気ガスサンプルに関して示されている。

図5は、本発明の一実施形態による、還元ガスを供給するためのセンサプレート上へのエポキシ材料の塗布を概略的に示す図である。この実施形態において、エポキシは、入口管が配置されることになるセンサプレート開口部の周囲に配置される。

図6(A)〜(C)は、本発明の一実施形態によるマイクロチャネルリアクタ組立体の一部の例の概略図である。フルオロエラストマー管が、マイクロチャネルリアクタユニットとセンサユニットとの接続を形成している。

本明細書における、用語「備える」(“comprises, comprising”)、「含む」(“includes, including”)、「有する」(“has, having”)、又はこれらのその他の任意の変型の使用は、非排他的な包含を意図している。例えば、要素の列挙を含む、プロセス、方法、物品、若しくは装置は、必ずしもそれらの要素のみに限定されるものではなく、明示的には列挙されていないか又は前記プロセス、方法、物品、若しくは装置に本来固有の他の要素も含み得る。また、「又は」(“or”)という文言は、逆のことが述べられていない限り、包含的な「又は」を示すのであり、排他的な「又は」を示すのではない。例えば、「条件A又はB」は、以下のいずれかにより満たされ、すなわち、「Aは真であり(若しくは存在し)且つBは偽である(若しくは存在しない)」、「Aは偽であり(若しくは存在せず)且つBは真である(若しくは存在する)」、並びに、「A及びBの両方が真である(若しくは存在する)」。

また、用語「1つの」(“a”又は“an”)が、本発明の要素及び構成要素を説明するために用いられる。これは、便宜上、及び、本発明の一般的な意味を与えるためのものに過ぎない。この記述は「1つ」又は「少なくとも1つ」を含む。また単数形は、そうでないことが明らかでない限り、複数形も含む。

別様に定義されない限り、本明細書で使用される技術用語及び科学用語は、本発明が属する技術の当業者により一般的に理解されるものと同一の意味を有する。本明細書に記載する方法と類似の又は均等な方法を、本発明の実施又は検査において使用できるが、本明細書においては、適切な方法及び材料を記載する。本明細書で言及する全ての刊行物、特許出願、特許、及びその他の参考文献は、その全体が参考として援用される。矛盾がある場合には、定義を含む本明細書が優先される。また、材料、方法、及び実施例は例示的なものに過ぎず、限定的であることは意図されていない。

以下の説明において、本発明の実施形態の理解のために、多数の具体的な詳細、例えば、様々なシステム構成要素の特定を提示する。しかし、当業者は、本発明の実施形態を、これらの具体的な詳細、通常の方法、構成要素、材料などの1以上を用いずとも実施可能なことを理解するであろう。また、他の例として、公知の構造、材料、又は動作を詳細には図示及び説明しない。これは、本発明の様々な実施形態の態様が曖昧になることを回避するためである。

本明細書全体において、「一実施形態」(“one embodiment”)又は「実施形態」(”an embodiment”)への言及は、その実施形態に関して説明される特定の特徴、構造、又は特 性が、本発明の少なくとも1つの実施形態に含まれることを意味する。従って、本明細書全体における様々な箇所での「一実施形態において」(“in one embodiment”)又は「実施形態において」(“in an embodiment”)という語句の出現は、必ずしも全て同一の実施形態を指すものではない。また、特定の特徴、構造、又は作業特性を、1以上の実施形態において任意の適切な仕方で組み合わせてよい。

図1を参照すると、一酸化窒素(NO)の検出に使用されるリアクタ−センサ組立体の一実施形態の概略図が示されている。この組立体は、マイクロチャネルリアクタ(「MCR」)触媒ユニット1と、センサユニット2とを含む。触媒ユニットとセンサユニットとは、1以上のコネクタ3を介して連通している。コネクタは、1以上のポリマー管、パイプ、ステンレス鋼管、又はその他のガス配送構造物を含み得るが、これらに限定されない。この組立体内に呼気ガスが流路4から入り、最初に触媒ユニットを通り、次いで、センサユニットへと流れ、その後、呼気ガスは装置外部に排出される。好ましい実施形態において、リアクタ−センサ組立体は、互いに接着された薄いプレートの積み重ねから構成される。積み重ねられた構造物は、触媒材料及びセンサ材料により被覆された薄いプレートを含む。様々なプレート間の空間及び開口部が、ガス流が組立体を流通することを可能にするためのチャネルを形成している。

リアクタ−センサ組立体は、呼気ガスサンプルから全NO濃度を測定するように構成されている。患者の呼気サンプルは、純粋なNO、純粋な二酸化窒素(NO₂)及びこれらの混合物を含む窒素酸化物(NO_x)を含み得る。患者の呼気から導入されたガスに含まれるNO、NO₂、及び一酸化炭素(CO)の濃度は、一般的に、0ppb〜1000ppbの範囲である。さらに、ガスは、一般的に、14%〜18%の酸素(O₂)を含む。一実施形態において、マイクロチャネルリアクタ−センサ組立体は、白金及びゼオライトを含む触媒フィルタを流路内に含み得る。触媒フィルタとセンサとは、異なる温度で動作される。流路を通って流れるガスは、特定の温度にて触媒フィルタと相互作用して、NOとNO₂の平衡混合物を生成する。マイクロチャネルリアクタ−センサ組立体は、さらに、当該組立体内を通って流れるNO_xの量を検出するように構成されたセンサ要素を含む。

好ましい実施形態において、センサ素子は、2つの電極を、固体イットリア安定化ジルコニア(「YSZ」)電解質基板上に含む。これらの電極は、(1)NOとNO₂との平衡混合物に接触するように触媒フィルタ装置の下流に配置されたセンサ電位電極と、(2)基準電位電極とである。2つの電極間に生じた電位差を較正曲線と比較することにより、NO_x濃度を判定する。NO及びNO₂の相対量は、フィルタを通した平衡反応により既知であるため、センサのNO_x読取値を用いて、サンプル中のNO量を決定できる。マイクロチャネルリアクタ−センサ組立体の非限定的な例に関する詳細が、米国特許出願公開第2015/0250408号明細書及び米国特許出願公開第2017/0065208号明細書(両方共「呼吸モニタ」(“Respiratory Monitor”)と題されている)に記載されており、これらの全てを援用して本明細書の一部とする。

触媒とセンサユニットとの間の接合部に還元ガス5を導入できる。還元ガスは、電子を供与して酸素(例えば、YSZ電解質基板からの)と反応する能力により特徴付けられ、そしてそれにより、センサ応答を安定化させ、且つ、リアクタ−センサ組立体の長期使用を容易にし得る。還元ガスは、水素ガス(H₂)、CO、ベンズアルデヒド、ビスフェノールAなどを含み得るが、これらに限定されない。この実施形態において、還元ガスは、触媒ユニットとセンサユニットとを接続する管、パイプ、又はその他のガス配送構造物のT接合部にて導入される。しかし、還元ガスを導入するために、当分野で公知の、様々な形状、サイズ、及び寸法を有する、ガスを配送するためのその他の構造物、装置、及び構成を用いてもよい。

図2A及び図2Bは、センサユニットの、流路内に触媒フィルタを含む部分を概略的に示す。触媒フィルタは、白金及びゼオライト、好ましくは、白金を担持させたゼオライトY(PtY)を含む。図2Aに示されているように、センサユニットは、酸化アルミニウム(A1₂O₃)基板6を含み、基板6は、以下の層、すなわち、固体YSZ電解質7、金(Au)8、白金(Pt)対向電極9、及び、三酸化タングステン作用電極(WO₃)10を含む。センサユニット内を流れるガスが触媒フィルタと相互作用して、NOとNO₂との平衡混合物を形成する。還元ガスが存在しない場合、固体YSZ電解質7と白金9と三酸化タングステン10とが接する三重点境界における有効な酸素(O²⁻)が、NOの生成を妨げ得ることが分かっている。

図2Bに示されているように、還元ガス11を、触媒リアクタユニットの下流の流路に導入できる。還元ガスがセンサユニットに接触すると、還元ガスは、固体YSZ電解質7と白金9と三酸化タングステン10とが接する三重点境界にて酸素(O²⁻)と反応して、二酸化炭素(CO₂)、水(H₂O)、又はこれらの両方を生成する。幾つかの実施形態において、センサ又はセンサユニットが、マイクロチャネルリアクタ触媒‐センサ組立体及び/又は上述の構成要素を含み得ることが理解されよう。

この還元ガスの導入が、センサユニットにおける酸素の消費を補助する。こうすることで、還元ガスは、三重点境界又はその付近での酸素欠損の促進を補助する。これにより、呼気ガスサンプルからのNO₂が残りの電子と反応して還元され、センサユニットにおけるNOの生成を容易にする。具体的には、還元剤が、センサ素子における酸素イオン(O²⁻)の還元を促進して、NO及びNO₂の酸化が実質的に中断されずに生じるように補助する。好ましい実施形態において、還元剤は、センサ素子におけるO²⁻の実質的に安定した還元の促進を、NO及びNO₂の酸化が実質的に中断されずに生じるように補助する。還元ガスの導入と、それによるNO₂からNOへの変換(例えば、フルオロエラストマー管、その他の管、その他の材料、若しくは、気体、固体、若しくは液体の形態のその他の物質を用いて行われる)が、センサ信号応答の安定化を(特に、還元ガスを使用しない場合のセンサ信号応答と比較して)補助し得る。

図3を参照すると、1以上の触媒13を含むマイクロチャネルリアクタニットとセンサユニット14との間に、インライン管12(例えば、フルオロエラストマー管(バイトン(Viton)(登録商標))、エラストマー管、ポリマー管、ゴム管、又はその他の管)が配置され得る。この場合、還元ガスはインライン管から供給される。しかし、上述したように、還元ガスをその他の構造物により、その他の構成で、及び、その他の形態で供給することも可能である。例えば、管の内側が、還元ガスを放出するために加熱され得る物質(例えば、固体材料)を含んでもよい。還元物質は、リアクタユニットとセンサユニットとの間の接合部における管を通って組立体内に流入する。

図4A及び4Bは、マイクロチャネルリアクタ−センサ組立体(“MCRSH”)の連続動作における特性の例を示す(リアクタユニットとセンサユニットとは、テフロン管及びフルオロエラストマー(バイトン(Viton)(登録商標))管を用いてそれぞれ接続されている)。この例において、フルオロエラストマー管が還元ガスをマイクロチャネルリアクタ−センサ組立体に供給した。センサユニットは、15ppb〜200ppbのNOを3回流して評価した。センサユニットを約460℃に維持し、一方、マイクロチャネルリアクタユニットは約320℃に維持し、洗浄エアを100ccmの流量で流した。各グラフは、異なる濃度のNOを含むガスサンプルに関し、電力印加時間(時間)に対する25秒応答(mV)を示す。

この例に示されているように、還元ガスが導入された組立体(図4B)に関する応答が 、より安定していることが分かった。すなわち、感度の低下が、少なくとも約150時間にわたり、還元ガスが導入されていない組立体(図4A)よりも少なかった。従って、還元ガスを導入した組立体は、還元ガスを導入しなかった組立体と比較して、センサを交換する必要なく、より長時間にわたり、より有効に使用され得る。この例にて提示した、結果、信号応答、及び測定方法は、単に説明のためのものに過ぎない。同一の、類似の、又は異なる還元ガスを、異なる動作条件下で使用すれば、或いは、異なる測定方法を使用した場合、異なる応答時間が異なる期間にわたって得られるであろう。例えば、異なる条件下で異なる還元ガスをリアクタ−センサ組立体に使用すれば、上述のものよりも長期間にわたり、より安定的な信号を提供し得る。同様に、異なる条件下で同一の還元ガスをリアクタ−センサ組立体に使用しても、上述のものよりも長時間にわたり、より安定的な信号が提供され得る。

また、1以上の還元ガスは、センサ−リアクタ組立体に、センサユニットとリアクタユニット間のガス連通を効率的に可能にする当分野で公知の様々な材料及び方法を用いて導入できることも理解されよう。上述したように、1以上の還元ガスは、管、例えば、フルオロエラストマー(バイトン(Viton)(登録商標))管、エラストマー管、ポリマー管、ゴム管、複合材料管、又はその他の類似の管を用いて導入し得る。

また、還元ガスは、固体又は液体材料から、これらの材料の加熱若しくは処理により、或いは、1以上の還元ガスを発生させるためのその他の手段を用いて発生させることも可能である。還元ガスは、例えば、固体又はスポンジ状の材料(ビスフェノールAなど)から導入され得る。幾つかの実施形態において、ビスフェノールA材料は、当分野で公知の広範な市販のエポキシ材料から生成され得る。可能なエポキシ材料の非限定的な例は、エポキシEW2046(3M(商標)スコッチウェルド(Scotch-Weld)(商標)構造用接着剤EW2046として市販)からのブチルヒドロキシトルエン、エポキシ2212Bからの2‐メチル‐1‐ベンゾフラン、エポキシXM5896Tからのベンジルアミン、及び、ビスフェノールAを生成できるその他の類似の材料を含む。

図5を参照すると、一実施形態において、エポキシ材料をセンサプレートの一部又はセンサユニット用の入口アダプタプレートに塗布できる。この例において、マイクロチャネルリアクタ−センサ組立体100が、入口アダプタプレート101、スペーサ102、PtYプレート103、スペーサ104、PtYプレート105、ヒータ及び抵抗温度検出器(RTD)プレート106、センサプレート107、スペーサ108、PtYプレート109、別のスペーサ110、及び、出口アダプタプレート111を含む。エポキシ材料を、出口アダプタプレート111の開口部112の周囲に塗布してもよい。一実施形態において、エポキシ材料を加熱及び硬化させてビスフェノールAを生成し、次いで、このビスフェノールAをセンサプレートと接触させる。この実施形態において、呼気サンプルは、入口アダプタプレート101を通り、ガス流路に沿って下流に、触媒材料(この場合PtY)により被覆されたプレート間に設けられた空間へと流入できる。次いで、呼気サンプルは、触媒材料により被覆されたプレート間に設けられた空間を通過した後、マイクロチャネルリアクタ−センサ組立体のプレート間に設けられたさらに別の空間内(センサが存在する)に流入し、センサ107の表面上の電極材料と相互作用でき、そして、図示されているさらなる積層プレートを通過し、最終的に、出口アダプタプレート111を通って外部に出る。

ガス流路内に放出される還元ガスの量は、材料の流れを調整するための、当分野において既知の様々な方法で調整可能なことが理解されよう。例えば、ガスの量は、プレート上に塗布される材料(エポキシなど)の量を変えることにより調整可能である。また、還元ガスの量は、センサプレート全体(すなわち、インレット管周囲及びプレートの中央の)の温度及び温度分布を変えることによっても調整可能である。幾つかの実施形態において 、材料のさらなる処理により、放出ガス量の安定化を補助し得る。

その他の実施形態において、還元ガスは、マイクロチャネルリアクタユニットとセンサユニットとの間に、テフロン、ステンレス鋼のプレート若しくは管、ガラス管、セラミック管、これらの材料の組み合わせ、又はその他のガス配送装置を用いて導入され得る。例えば、エポキシ材料を、リアクタユニットとセンサユニットとの間に配置された管内に配置して加熱することにより、ビスフェノールAを還元ガスとして供給できる。さらにその他の実施形態において、エポキシ材料を組立体の外部に配置し、加熱してビスフェノールAを生成させ、これを組立体に供給してもよい。

その他の実施形態において、対象の還元ガスを、ガス形態でポンプ送出、供給し、又はその他の方法で直接供給し得る。例えば、望ましい還元成分、例えば、H₂、CO、ベンズアルデヒド、及びビスフェノールAを含有するガスを、キャニスタ又はその他の容器からポンプ送出できる。別の例として、空気を、配管、インライン管、キャニスタ、その他の容器、又はガスを配送するための当分野で知られているその他の構造物を通して組立体内に直接導いてもよい。幾つかの実施形態において、還元ガスは、リアクタ−センサ組立体に対して交換可能かつ取り外し可能に構成された容器、管、材料、又はその他の供給源から得られる。その他の実施形態において、還元ガスは、リアクタ−センサ組立体から交換可能で取り外し可能な容器、管、材料、又はその他供給源から得られる。還元ガスは、リアクタ−センサ組立体の内部又は外部の1以上の供給源から得られる。

還元ガスは、元々の形態が、気体、固体、液体、又はこれらの組合せのいずれでも、気体を運ぶための任意の公知の手段又は公知の手段の任意の組合せによりリアクタ−センサ組立体に運ばれ得る。ガスは、機械的手段によりポンプ送出されて管内に流入され又は運ばれ得る。別の非限定的な例として、ガスは、還元ガスを配送するために材料に力を加える圧電機械装置を用いて導入され得る。ガスは、拡散、1以上の化学反応、又はその他の化学的手段により生成されて、移動できる。また、ガスは、リアクタ−センサ組立体に、吸収又は脱着(例えば熱伝達)により移動できる。

さらに、還元ガスの量を、ガス流量を制御するための任意の公知の手段により調整可能である。例えば、ガス流路に導入される還元ガスの量は、ポンプ若しくはその他の装置を使用して、或いは、当分野で公知のその他の機械的方法を用いてガス流量を制御することにより調整可能である。幾つかの実施形態において、リアクタ−センサ組立体と反応するために有用な還元ガスの量は、ガスが維持される温度又は温度範囲を制御することにより決定され得る。また、先に論じたように、リアクタ−センサ組立体に導入される還元ガスの量は、使用される材料の量、並びに、原料材料の硬化条件、熱処理条件、又はその他の処理条件を制御することによっても調整され得る。

幾つかの実施形態において、還元ガスの温度及び量は、還元ガスが導入されるときの温度を調整することにより制御され得る。幾つかの実施形態において、この調整は、リアクタ−センサ組立体内の形状寸法を調整することにより達成され得る。図6(A)〜図6(C)に示されている例において、マイクロチャネルリアクタ−センサ組立体は、組立体のマイクロチャネルリアクタ側のスチールプレートとセンサ側(図示せず)との間に配置されたフルオロエラストマー(バイトン(Viton)(登録商標))管を含む。フルオロエラストマー管の寸法(例えば、管の露出長さ)は、リアクタユニットとセンサユニットとの間の管の温度を変えるために変更され得る。各組立体において、センサユニットは約395℃に維持され、マイクロチャネルリアクタユニットは約350℃に維持される。

図6(A)において、ステンレス鋼プレート継手から測定して約19.1mmの長さ200(すなわち、組立体の縁部から測定して約14.9mmの長さ201)を有するフル オロエラストマー管を使用した。フルオロエラストマー管の露出長202が約0.3mm未満のとき、フルオロエラストマー管の温度は約180℃である。図6(B)においては、ステンレス鋼プレート継手から測定して約25.1mmの長さ203(すなわち、組立体の縁部から測定して約20.9mmの長さ204)を有する、より長いフルオロエラストマー管を使用した。フルオロエラストマー管の露出長205を約1.0+/−0.2mmに増大すると、管の温度が約160℃まで低下した。図6(C)においては、ステンレス鋼プレート継手から測定して約29.6mmの長さ206(すなわち、組立体の縁部から測定して約25.4mmの長さ207)を有する、より長いフルオロエラストマー管を使用した。管の露出長さ208が約1.0+/−0.2mmであるとき、管の温度は約140℃まで低下した。これらの実験で示されるように、リアクタ側とセンサ側との間のステンレス鋼プレートのより近接した配置により、プレート間に配置されたフルオロエラストマー管の温度が高くなる。

本発明は、多種多様なリアクタ−センサ組立体においてセンサ信号を安定化させるために、及び、NO及びその他のバイオマーカの検出のために、還元ガスを用いることを提案する。本発明のリアクタ−センサ組立体は、本出願に記載した例とは異なる寸法、構成、材料、構成要素、組立体、又は触媒を含み得る。例えば、センサ応答信号の安定化のために還元ガスが、異なる触媒、異なるセンサ、又は異なるプレート構造の利用を含むマイクロチャネルリアクタ−センサ組立体又はその他のリアクタ−センサ組立体において使用され得る。

また、本出願にて提示した例に記載された、測定安定性、測定方法、応答、感度、時間、持続時間、動作条件、有効性レベル、材料、測定値、及び方法は、例示のために提供されているに過ぎない。本発明による1以上の還元ガスの導入が、異なる測定安定性、測定方法、応答、感度、時間、持続時間、動作条件、有効性レベル、材料、測定値、及び方法で行われ得ることが理解されよう。例えば、本出願に記載した還元ガス又はその他の還元ガスの安定性を、より長時間又はより短時間にわたり、及び、異なる動作条件下で向上させることも可能である。

本発明に関するさらなる詳細に関し、材料及び製造技術は、当業者レベルの範囲内で採用され得る。これは、本発明の方法ベースの態様における、一般的に又は論理的に採用される追加の工程に関しても同様である。また、本発明の上述の変型例のオプショナルな特徴のいずれも、本明細書に記載した特徴のいずれとも、独立に又は組み合わせて記載及び特許請求され得るものである。本発明の範囲は、本明細書により限定されるべきではなく、むしろ、使用される特許請求の範囲の用語の明白な意味によってのみ限定されるべきである。

本開示は、当業者が本発明を実施することを可能にするのに十分であり、また、本発明者により現時点で企図されている本発明を実施する最良の態様を提供する。本発明の特定の実施形態の十分且つ完全な開示を行ったが、本発明は、図示及び説明された厳密な構造、寸法的関係、及び動作によって限定されるものではない。様々な修正、代替構造、設計オプション、変更、及び均等物が当業者には容易に明らかになろう。それらは、本発明の精神及び範囲から逸脱せずに、必要に応じて適切に採用され得る。このような変更は、代替材料、構成要素、構造配置、寸法、形状、形態、機能、及び動作特徴など含み得る。

1 マイクロチャネルリアクタ 2 センサ 3 コネクタ 5 還元ガス 6 酸化アルミニウム基板 7 固体YSZ電解質 8 金(Au) 9 白金(Pt)対向電極 10 三酸化タングステン作用電極 100 マイクロチャネルリアクタ−センサ組立体 101 入口アダプタプレート 102 スペーサ 103 PtYプレート 106 ヒータ及び抵抗温度検出器(RTD)プレート 111 出口アダプタプレート