CN110402384A

CN110402384A - 碳同位素分析装置和碳同位素分析方法

Info

Publication number: CN110402384A
Application number: CN201880017691.2A
Authority: CN
Inventors: 井口哲夫; 富田英生; 西泽典彦; 沃克·索南夏因; 寺林棱平; 大原利成; 井手野晃; 佐藤淳史; 桥爪研太
Original assignee: Nagoya University NUC; Sekisui Medical Co Ltd
Current assignee: Nagoya University NUC; Sekisui Medical Co Ltd
Priority date: 2017-01-20
Filing date: 2018-01-19
Publication date: 2019-11-01
Also published as: KR20190108594A; JPWO2018135619A1; EP3572795A1; WO2018135619A1; JP7097583B2; US20200033256A1

Abstract

一种碳同位素分析装置，其具备：二氧化碳同位素生成装置，其具有由碳同位素生成含二氧化碳同位素的气体的燃烧部、二氧化碳同位素精炼部；分光装置，其具备有着一组反射镜的光学谐振腔、检测来自光学谐振腔的透射光的强度的光检测器；光发生装置，其具有光源、使来自光源的光分路的分路机构、聚集来自分路机构的光的聚光透镜、反射来自聚光透镜的光并经由聚光透镜和分路机构而将光送回至光源的反射镜。提供一种光源的稳定性得到改善的，碳同位素分析装置和使用它的碳同位素分析方法。

Description

碳同位素分析装置和碳同位素分析方法

技术领域

本发明涉及碳同位素分析装置和碳同位素分析方法。更详细地说，是涉及对放射性碳同位素¹⁴C等的测量有用的放射性碳同位素分析装置和放射性碳同位素分析方法。

背景技术

碳同位素，一直以来在基于碳循环的环境动态评价和通过年代测定进行的历史学的实证研究等方面，在横跨文理的宽范围展开着广泛应用。碳同位素，虽然依据地域·环境会稍有不同，但作为稳定同位素元素的¹²C和¹³C分别天然存在98.89％和1.11％，放射性同位素¹⁴C天然存在1×10^－10％。同位素只有重量的差异，在化学上则显示出相同的举动，因此通过人工的操作提高丰度比低的同位素的浓度，并进行高精度的测量，可以观察各种各样的反应过程。

特别是在临床领域，为了进行药品体内动态评价，作为标记化合物，例如对生物投药放射性碳同位素¹⁴C来进行分析极其有用，例如在Phase I，Phase IIa中被实际进行分析。作为针对人类不超过被推定为显现药理作用的给药量(药效显示量)的用量(以下也称为“微剂量”)的标记化合物，将极微量的放射性碳同位素¹⁴C(以下也称为“¹⁴C”)投药给人体，并进行分析，这样能够得到关于因体内动态的问题引起的药品的药效·毒性的认知，因此可期待大幅缩短药物研发过程的开发研制周期。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第6004412号公报

本发明者等，提出可以简易且迅速地进行¹⁴C分析的碳同位素分析装置和使用它的碳同位素分析方法(参照专利文献1)。据此，可简易且廉价地进行使用¹⁴C的微剂量的研究。

在此，作为能够用于¹⁴C的分析的中红外(MIR)激光器的一个形态，对于分布反馈型(DFB)量子级联激光器(以下也称为“QCL”。)系统的期望高涨。其理由在于，这些系统市场有售，以数纳米宽的无跳模调谐范围和数MHz的代表性的线宽的单模发光便可以简单地处理。

不过，QCL系统虽然在大部分的分光用途中，其上述的性能充分，但在激光器与CRDS所使用的高精细度光学谐振腔(反射率R＞99.9％)的耦合中，则要求线宽100kHz以下。作为解决使该线宽减少这一课题的办法，例如有使用鉴频器的高速的电信号反馈(例如，PDH锁定)，但需要高速的信号处理系统，另外还有昂贵这样的问题。此外，激光光源需要高带宽调制。

发明内容

如此，在进行¹⁴C的分析时，对于光源的稳定性要求进一步改善。因此，本发明其课题在于，提供一种光源的稳定性得到改善的碳同位素分析装置和使用它的碳同位素分析方法。

(1)一种碳同位素分析装置，其具备：二氧化碳同位素生成装置，其具有由碳同位素生成含二氧化碳同位素的气体的燃烧部、二氧化碳同位素精炼部；分光装置，其具备有着一组反射镜的光学谐振腔、检测来自光学谐振腔的透射光的强度的光检测器；光发生装置，其具有光源、使来自光源的光分路的分路机构、聚集来自分路机构的光的聚光透镜、反射来自聚光透镜的光并经由聚光透镜和分路机构而将光送回至光源的反射镜。

(2)根据(1)所述的碳同位素分析装置，其中，光源是中红外量子级联激光器。

(3)根据(1)或(2)所述的碳同位素分析装置，其中，碳同位素是放射性碳同位素¹⁴C，二氧化碳同位素是放射性二氧化碳同位素¹⁴CO₂。

(4)根据(1)～(3)中任一项所述的碳同位素分析装置，其中，具有二氧化碳同位素的吸收波长的光是4.5μm波段的光。

(5)根据(1)～(4)中任一项所述的碳同位素分析装置，其中，分光装置还具备冷却光学谐振腔的冷却装置。

(6)根据(1)～(5)中任一项所述的碳同位素分析装置，其中，分光装置还具备收容光学谐振腔的真空装置。

(7)根据(1)～(6)中任一项所述的碳同位素分析装置，其中，分光装置还具备振动吸收机构。

(8)根据(1)～(7)中任一项所述的碳同位素分析装置，其中，对于放射性碳同位素¹⁴C的检测灵敏度是0.1dpm/ml的程度。

(9)根据(1)～(8)中任一项所述的碳同位素分析装置，其中，还具备二氧化碳同位素导入排出控制装置，其具有连接二氧化碳同位素生成装置与光学谐振腔的导入管、配置于导入管的二氧化碳同位素生成装置侧的三通阀、配置于导入管的光学谐振腔侧的导入阀、连接光学谐振腔与泵的排出管、设于排出管上的排出阀。

(10)一种碳同位素分析方法，其中，具有如下工序：由碳同位素生成二氧化碳同位素的工序；将二氧化碳同位素填充到具有一对反射镜的光谐振气氛内的工序；从光源发生具有二氧化碳同位素的吸收波长的照射光的工序；用分路机构使来自光源的光分路，将经过分路的光聚集到聚光透镜，用反射镜使聚集的光反射，经由反射镜和分路机构将其送回光源的反馈工序；测量对二氧化碳同位素照射照射光并使之谐振时所得到的透射光的强度的工序；根据透射光的强度计算碳同位素浓度的工序。

(11)根据(10)所述的碳同位素分析方法，其中，碳同位素是放射性碳同位素¹⁴C，二氧化碳同位素是放射性二氧化碳同位素¹⁴CO₂。

(12)根据(10)或(11)所述的碳同位素分析方法，其中，具有如下工序：使二氧化碳生成气氛内的压力比大气压高，使光谐振气氛内的压力比大气压低的第一工序；将二氧化碳生成气氛内的温度加热至阈值温度以上的第二工序；从二氧化碳生成气氛内的温度到达阈值温度起数秒后，将二氧化碳同位素导入光谐振气氛内的第三工序；使二氧化碳生成气氛内的压力比大气压高，降低光谐振气氛内的压力的第四工序；使光谐振气氛内的压力为10～40Torr的第五工序。

(13)一种光发生装置，其中，具备：光源；使来自光源的光分路的分路机构；聚集来自分路机构的光的聚光透镜；反射来自聚光透镜的光，经由聚光透镜和分路机构将光送回到光源的反射镜。

(14)一种二氧化碳同位素导入排出控制装置，其中，具备：连接二氧化碳同位素生成装置与光学谐振腔的导入管；配置于导入管的二氧化碳同位素生成装置侧的三通阀；配置于导入管的光学谐振腔侧的导入阀；连接光学谐振腔与泵的排出管；设于排出管上的排出阀。

(15)一种碳同位素分析装置，其中，具备：分光装置，其具备有着一组反射镜的光学谐振腔、检测来自光学谐振腔的透射光的强度的光检测器；光发生装置，其具备光源、使来自光源的光分路的分路机构、聚集来自分路机构的光的聚光透镜、反射来自聚光透镜的光并经由聚光透镜和分路机构将光送回到光源的反射镜。

附图说明

图1是碳同位素分析装置的概念图。

图2是表示¹⁴CO₂与竞争气体的4.5μm波段吸收光谱的图。

图3A、图3B是表示使用激光的高速扫描型的光腔衰荡光谱的原理的图。

图4是表示CRDS的¹³CO₂与¹⁴CO₂的吸收量Δβ的温度依存性的图。

图5是表示分析试料的吸收波长与吸收强度的关系的图。

图6是光学谐振腔的变形例的概念图。

图7是表示碳同位素分析装置的实施方式的概念图。

图8(a)是表示以倾斜三角波调制电流时的反馈对于输出的效果的图，图8(b)是电流增加中的振荡阈值附近的反馈对于输出的效果的图。

图9是表示以基于有无反馈的输出而被标准化的低精度FPI传输信号的图。

图10是表示光腔传输线全域扫描中的从CRD光腔传送的光电二极管信号的图。

图11是表示使用周期图而平均化的光电二极管信号的输出光谱密度的图。

图12(a)、图12(b)是表示将试料气体导入气室时，因自动阀开闭动作方法的不同，导致振铃率和室内压力的时间变化的图。

具体实施方式

本发明者等研究的结果是，作为使用鉴频器的高速的电信号反馈的替代案，着眼于使用已知作为延迟自注入的光反馈的方法。发现通过将此被动反馈应用于QCL，能够以最小限度的费用降低激光线宽。以下详述。

还有，列举实施方式进行本发明的说明，但本发明不受以下的实施方式限定。对于图中具有相同的功能或类似的功能之处，附加相同或类似的符号并省略说明。但是，附图面是模式化的。因此，具体的尺寸等应该按照以下的说明进行判断。另外，在附图相互间当然也包括相互的尺寸的关系和比率不同的部分。

(碳同位素分析装置)

图1是碳同位素分析装置的概念图。碳同位素分析装置1具备二氧化碳同位素生成装置40、光发生装置20、分光装置10、还有运算装置30。在此，作为分析对象，举作为碳同位素的放射性同位素¹⁴C为例进行说明。还有，具有由放射性同位素¹⁴C生成的二氧化碳同位素¹⁴CO₂的吸收波长的光是4.5μm波段的光。虽然详情后述，但利用测量对象物质的吸收谱线、光发生装置、以及光学谐振腔模式的复合带来的选择性，可以实现高灵敏度化。

在本说明书中，所谓“碳同位素”，除非特别指出，否则均为稳定碳同位素¹²C、¹³C及放射性碳同位素¹⁴C的意思。另外，仅仅表示为元素符号“C”时，意思是天然丰度比下的碳同位素混合物。

氧的稳定同位素存在¹⁶O、¹⁷O和¹⁸O，但表示为元素符号“O”时，意思是天然丰度比下的氧同位素混合物。

所谓“二氧化碳同位素”，除非特别指出，否则均是¹²CO₂、¹³CO₂和¹⁴CO₂的意思。另外，仅仅表示为“CO₂”时，意思是由天然丰度比的碳和氧同位素构成的二氧化碳分子。

在本说明书中所谓“活体试料”，意思是血液、血浆、血清、尿、粪便、胆汁、唾液、其他的体液和分泌液、呼出气体、口腔气体、皮肤气体、其他的活体气体，此外还有肺、心脏、肝脏、肾脏、脑、皮肤等的各种脏器及其粉碎物等，能够从活体上提取的一切试料。此外，该活体试料的来源，可列举包括动物、植物、微生物在内的一切生物，优选哺乳动物的来源，更优选为人类的来源。作为哺乳动物，可列举人、猴、小鼠、大鼠、土拨鼠、兔、羊、山羊、马、牛、猪、狗、猫等，但不限定于此。

〈二氧化碳同位素生成装置〉

二氧化碳同位素生成装置40，只要可以将碳同位素转化成二氧化碳同位素，便没有特别限制，能够使用各种装置。作为二氧化碳同位素生成装置40，优选其具有的功能是，使试料氧化，使试料中所含的碳成为二氧化碳。

例如能够使用总有机碳(total organic carbon以下称为“TOC”)发生装置、气相色谱法用的试料气体发生装置、燃烧离子色谱法用的试料气体发生装置、元素分析装置(Elemental Analyzer：EA)等的二氧化碳生成装置(G)41。

还有，使用有机元素分析仪时的载气，优选至少尽可能不含碳、氮和硫元素的气体，能够例示氦气(He)。载气的流量优选为50mL/min至500mL/min的范围，更优选为100mL/min至300mL/min的范围。

图2中，显示在273K，CO₂分压20％，CO分压1.0×10^－4％，N₂O分压3.0×10^－8％的条件下的¹⁴CO₂与竞争气体¹³CO₂、CO，以及N₂O的4.5μm波段吸收光谱。

通过使前处理后的活体试料燃烧，能够生成含有二氧化碳同位素¹⁴CO₂(以下，也称为“¹⁴CO₂”)的气体。但是，随着¹⁴CO₂的发生，也会一起发生CO、N₂O这样的夹杂气体。此CO、N₂O如图2所示，分别具有4.5μm波段的吸收光谱，所以与¹⁴CO₂具有的4.5μm波段的吸收光谱竞争。因此，为了使分析灵敏度提高，优选除去CO、N₂O。

作为CO、N₂O的除去方法，可列举如下捕集·分离¹⁴CO₂的方法。另外，可列举利用氧化催化剂和铂催化剂除去·减少CO、N₂O的方法，以及将其与捕集·分离方法的并用。

〈分光装置〉

如图1所示，分光装置10具备光学谐振腔11和检测来自光学谐振腔11的透射光的强度的光检测器15。光学谐振腔(Optical resonator or Optical cavity)11具备：封入分析对象的二氧化碳同位素的筒状的主体；以凹面相对的方式，配置于主体的内部的纵长方向的一端和另一端的高反射率的一对反射镜12a、12b(反射率：99.99％以上)；配置于主体内部的另一端的调整反射镜12a、12b间隔的压电元件13；填充分析对象气体的小室16。还有，这里虽然省略图示，但优选在主体的侧部预设用于注入二氧化碳同位素的气体注入口、调节主体内的气压的气压调节口。

若向光学谐振腔内部11入射激光并封闭，则激光一边输出与反射镜的反射率相对应的强度的光，一边以数千次～一万次这样的量级重复多重反射。因此，实效的光程也会达到数10km，所以，即使封入光学谐振腔内部的分析对象的气体极微量，也能够得到大的吸收量。

图3A、图3B是表示使用激光的光腔衰荡光谱法(Cavity Ring-Down Spectroscopy以下也称为“CRDS”)的原理的图。

如图3A所示，使压电元件13运转而使反射镜间隔满足共鸣条件时，高强度的信号从光学谐振腔透过。另一方面，若遮断入射光，则积蓄在光学谐振腔内的光相对于时间以指数函数方式减少。通过测量来自光学谐振腔的输出光强度，能够观测图3A所示这样的指数函数的衰减信号[振铃信号(Ringdown signal)]。作为观测振铃信号的别的方法，可列举以光学开关快速地遮断输入激光的方法。

光学谐振腔的内部没有填充吸收物质时，透过的时间依存的振铃信号为图3B的点线所示这样的曲线。另一方面，光学谐振腔内填充有吸光物质时，如图3B的实线所示，激光在光学谐振腔内每次往返都被吸收，因此光的减衰时间变短。该光的减衰时间，因为依存于光学谐振腔内的吸光物质浓度和入射激光的波长，所以能够通过应用Beer-Lambert的定律ii来计算吸收物质的绝对浓度。另外，通过测量与光学谐振腔内的吸收物质浓度成比例关系的减衰率(振铃率)的变化量，能够测量光学谐振腔内的吸收物质浓度。

由光检测器检测从光学谐振腔漏出的透射光，使用运算装置计算出¹⁴CO₂浓度后，能够根据¹⁴CO₂浓度计算¹⁴C浓度。

光学谐振腔11的反射镜12a、12b间隔，反射镜12a、12b的曲率半径，主体的纵长方向长度和宽度等，优选根据作为分析对象的二氧化碳同位素拥有的吸收波长而使之变化。设想的光学谐振腔长度可列举1mm～10m。

二氧化碳同位素¹⁴C的情况下，光学谐振腔长度长，对于确保光程长度有效，但若光学谐振腔长度变长，则气室的体积增加，需要的试料量增加，因此优选光学谐振腔长度在10cm～60cm之间。另外反射镜12a、12b的曲率半径，优选与光学谐振腔长度相同或加长。

还有，反射镜间隔可以通过驱动压电元件13进行调整，作为一例，以数微米至数十微米的量级进行调整。为了创造最佳的共鸣条件，也能够进行通过压电元件13的微调。

还有，作为一对反射镜12a、12b，虽以一对凹面镜进行说明，但只要能够得到足够的光程，除此之外，也可以是凹面镜与平面镜的组合、平面镜之间的组合。

作为构成反射镜12a、12b的材料，能够使用蓝宝石玻璃。

填充分析对象气体的小室16，优选容积更小。这是由于，即使很少的分析试料，也能够有效地得到光的谐振效果。小室16的容量能够例示为8mL～1000mL。小室容量能够根据例如能够供测量的¹⁴C源的量，适宜选择优选的容量，像尿这样能够大量获取的¹⁴C源，适合80mL～120mL的小室，像血液和泪液这样获取量受限的¹⁴C源，适合8mL～12mL的小室。

光学谐振腔的稳定性条件的评价

为了评价CRDS的¹⁴CO₂吸收量和检测极限，基于光谱数据进行计算。关于¹²CO₂、¹³CO₂等的光谱数据，利用大气吸收谱线数据库(HITRAN)，关于¹⁴CO₂，使用文献值(“S.Dobos etal.,Z.Naturforsch,44a,633-639(1989)”)。

在此，¹⁴CO₂的吸收带来的振铃率(指数函数的减衰的比例)的变化量Δβ(＝β－β₀，β：有试料的减衰率，β₀：无试料的减衰率)，根据¹⁴CO₂的光吸收截面积σ₁₄、分子数密度N、光速c，以如下方式表示。

Δβ＝σ₁₄(λ,T,P)N(T,P,X₁₄)c

(式中，σ₁₄、N是激光波长λ、温度T、压力P、X₁₄＝¹⁴C/^TotalC比的函数。)

图4是表示通过计算求得的基于¹³CO₂和¹⁴CO₂的吸收的Δβ的温度依存性的图。由图4可知，¹⁴C/^TotalC为10^－10、10^－11、10^－12时，室温300K下的¹³CO₂的吸收高于¹⁴CO₂的吸收量或为同程度，因此需要进行冷却。

另一方面，来自光学谐振腔的作为噪音成分的振铃率的偏差如果能够实现Δβ₀～10¹s^－1，则可知能够实现¹⁴C/^TotalC比～10^－11的测量。由此表明，作为分析时的温度需要摄氏－40度左右的冷却。例如，若作为定量下限而使¹⁴C/^TotalC为10^－11，则预示着需要借助CO₂气体的浓缩使CO₂气体分压上升(例如20％)，和所述温度条件。

对于光学谐振腔11进行了说明，光学谐振腔的具体形态的概念图(部分剪切图)显示在图6中。如图6所示，光学谐振腔51具备：作为真空装置的圆筒状的绝热用腔室58；配置于绝热用腔室58内的测量用气室56；配置于测量用气室56的两端的一对高反射率反射镜52；配置于测量用气室56的一端的反射镜驱动机构55；配置于测量用气室56的另一端的环形压电致动器53；冷却测量用气室56的珀尔帖元件59；具有连接于循环冷却器(未图示)的冷却管54a的水冷散热器54。还有，利用水冷散热器54，能够散发从珀尔帖元件59散出的热量。

〈冷却装置〉

图5(引自Applied Physics Vol.24,pp.381-386,1981)表示分析试料¹²C¹⁶O₂、¹³C¹⁸O₂、¹³C¹⁶O₂、¹⁴C¹⁶O₂的吸收波长与吸收强度的关系。如图5所示，含有各个碳同位素的二氧化碳具有固有的吸收谱线。在实际的吸收中，各吸收谱线由于试料的压力和温度引起的扩展，从而拥有有限的宽度。因此，优选试料的压力在大气压以下，温度处于273K(0℃)以下。

因为¹⁴CO₂的吸收强度有温度依存性，所以优选将光学谐振腔11内的设定温度尽可能设定得低。具体的光学谐振腔11内的设定温度优选为273K(0℃)以下。下限值没有特别限制，但从冷却效果和经济的观点出发，优选冷却至173K～253K(－100℃～－20℃)，特别优选冷却至233K(－40℃)左右。

图1中没有图示，但也可以在分光装置10内设置冷却光学谐振腔11的冷却装置。这是由于¹⁴CO₂的光吸收具有温度依存性，因此利用冷却装置使光学谐振腔11内的设定温度低，从而容易区别¹⁴CO₂的吸收谱线与¹³CO₂、¹²CO₂的吸收谱线，¹⁴CO₂的吸收强度变强。作为冷却光学谐振腔11的冷却装置可列举珀尔帖元件。除了珀尔帖元件以外，例如，还能够使用液氮槽、干冰槽等。从能够使分光装置11小型化的观点出发，优选使用珀尔帖元件，从降低装置的制造成本的观点出发，优选使用液氮水槽或干冰槽。

〈除湿装置〉

冷却图1的光学谐振腔11时，优选利用除湿装置对光学谐振腔11内进行除湿。

除湿条件，在将CRDS分析室冷却至－40℃以下(233K以下)时，优选为在此温度条件下不会结露·冻结的气体条件(水分量)。也可以由珀尔帖元件等的冷却机构除湿，但也可以通过使用了氟系离子交换树脂膜这样的除水蒸气用高分子膜的膜分离法进行除湿。另外也可以在二氧化碳生成部(试料导入部单元)内配置吸湿剂或气体干燥剂。

作为吸湿剂，例如，能够使用CaH₂、CaSO₄、Mg(ClO₄)₂、分子筛、H₂SO₄、シカサイド(Sicacide(注册商标))、五氧化二磷、シカペント(Sicapent)(注册商标)或硅胶。其中，优选五氧化二磷、シカペント(注册商标)、CaH₂、Mg(ClO₄)₂或分子筛，更优选シカペント(注册商标)。作为气体干燥剂，优选ナフィオン(注册商标)干燥剂(Nafion dryers：Perma PureInc.制)。吸湿剂和气体干燥剂可以分别单独使用，也可以并用。上述的“在此温度条件下不会结露·冻结的气体条件(水分量)”，是通过测量露点来确认的。换言之，优选能够达到－40℃以下(233K以下)的露点而进行除湿。露点的表示，可以是瞬间露点，也可以是单位时间内的平均露点。露点的测量能够使用市场销售的的露点传感器进行测量，例如，ゼントール露点传感器HTF Al2O3(注册商标)(三菱化学アナリテック社制)、ヴァイサラDRYCAP(注册商标)DM70便携式露点计(ヴァイサラ社制)。

〈真空装置〉

图1中未图示，但也可以在真空装置内配置光学谐振腔11。这是由于，通过防止光学谐振腔11曝露在外部气体中而减轻外部温度的影响，可使分析精度提高。

作为真空装置，只要能够收纳光学谐振腔11，另外能够将来自光发生装置20的照射光向光学谐振腔11内照射，能够使透射光透过光检测器，则没有特别限制，而能够使用各种各样的真空装置。

〈二氧化碳同位素导入排出控制装置〉

作为将图1的二氧化碳同位素生成装置40所生成的二氧化碳同位素导入分光装置10的方法，有流通法(Flow through)和停流法(Stopped flow)。流通法因为不需要复杂的导入机构，所以能够比较简易地进行试料分析，但是不适宜高灵敏度测量。另一方面，停流法可以进行高灵敏度测量，但是需要进行导入控制，存在试样容易发生损耗这样的缺点。因此，本发明者等，在可以进行高灵敏度测量的停流法中，对于导入控制的课题进行了研究。其结果是，通过使自动阀开闭系统设计的最佳化，以及使气体封入方法最佳化，由此解决了上述的课题。

作为自动阀开闭系统设计之一，能够使用图1所示这样的二氧化碳同位素导入排出装置60。图1的二氧化碳同位素导入排出控制装置60，具备：连接二氧化碳同位素生成装置40和光学谐振腔11的导入管61a；配置于导入管61a的上游侧(二氧化碳同位素生成装置40侧)的三通阀63a；配置于导入管61a的下游侧(光学谐振腔11侧)的导入阀63b；连接光学谐振腔11和泵65的排出管61b；设于排出管61b上的排出阀63c。

通过安排二氧化碳同位素导入排出装置60的三通阀63a等的开放时时，能够将气体封入室内。具体来说，能够按以下的时机进行控制。

首先在第一工序中，关闭三通阀63a，使二氧化碳生成装置内的压力高于大气压。另外，开放导入阀63b和排出阀63c，使室内的压力低于大气压。具体来说为30Torr以下，更优选为10Torr以下。

其次，在第二工序中将柱温加热至阈值温度以上。阈值温度具体为80℃～200℃，优选为90℃～120℃，更优选为90℃～110℃。

若柱温高于一定的温度，则CO₂气体被脉冲状放出，因此，通过把握在哪个时刻放出CO₂气体，便可知脉冲状放出的CO₂气体到达气室的时间。本发明者们发现，通过监视柱温，在柱温超过规定的温度(阈值温度)起数秒后，CO₂气体到达气室。具体来说，可知阈值温度为100℃时，在20秒至30秒后，优选为25秒至27秒后，CO₂气体到达气室。

在第三工序中，柱温到达阈值温度起数秒后，开放三通阀63a，另外关闭导入阀63b，将气体(二氧化碳同位素)导入气室内。导入时间根据气室的大小等而有所变化，但优选低于1秒。还有，预先关闭排出阀63c。

在第四工序中，以关闭导入阀63b的状态，关闭三通阀63a，使二氧化碳生成装置内的压力高于大气压，降低气室内的压力。

在第三工序中，开放三通阀63a，将气体从二氧化碳生成装置导入到气室，其后，在截至关闭导入阀的1秒钟内，气压从0Torr升至60Torr。这种状态下，气室压力过高，不适宜吸收谱线的测量。因此，在第四工序中降低气室内的压力。

在第五工序中，开放排出阀63c(约1秒钟)至气室内的压力达到10～40Torr左右，其后，关闭排出阀63c。气室内的压力优选为18～22Torr。

若以导入阀63b被关闭的状态开放排出阀63c，则因为气室内的气体被排出，所以气室内的压力慢慢降低。在气室内的压力降低至20Torr左右之后，关闭排出阀63c。

还有，在图12(a)、图12(b)中，显示使用本发明的二氧化碳同位素导入排出控制装置时，光学谐振腔内的振铃率与气室压力变化的关系。

上段(图12(a))是开放三通阀63a和导入阀63b及排出阀63c，预先将CO₂气体被放出之前的来自二氧化碳生成装置的载气导入气室，在CO₂气体被放出并到达气室的瞬间，同时关闭三通阀63a和导入阀63b及排出阀63c时的振铃率与气室压力变化的关系。CO₂气体导入后的室内的压力高达约60Torr，不适宜吸收谱线的测量。另外，CO₂气体到达气室时，因为室内存在载气，所以若将CO₂气体封入气室之内，则被载气稀释，室内的CO₂气体浓度降低，与CO₂气体的吸收量成正比的振铃信号变小。

与之比较，如下段(图12(b))所示，使用本发明的二氧化碳同位素导入排出控制装置恰当地自动开闭阀门时，CO₂气体的导入后的室内的压力约为20Torr，适合吸收谱线的测量，也大体不会发生与载气的稀释，因此室内的CO₂气体浓度不会减少，振铃信号不会减少。

还有，在得到图12所示的数据时，通常扫掠激光的波长，大约每5秒一次取得CO₂的吸收线谱。

〈光发生装置〉

作为图1的光发生装置20，只要是能够发生具有二氧化碳同位素的吸收波长的光的装置便没有特别限制，能够使用各种装置。在此，列举可简便地使作为放射性碳同位素¹⁴C的吸收波长的4.5μm波段的光发生，而且装置尺寸小型的光发生装置为例进行说明。

光发生装置20具备：光源23；使来自光源23的光分路的分路机构(延迟线)28；猫眼25，其由聚集来自分路机构28的光的聚光透镜25b、反射来自聚光透镜25b的光并经由聚光透镜25b和分路机构28将光送回到光源23的反射镜25a构成。光发生装置20还具备光学分离器29。

借助猫眼25，对角度调整带来的后方反射的依存性变小，可以容易地对QCL再入射。可以利用光学分离器29进行光的遮断。

作为光源23，能够使用中红外量子级联激光器(Quantum Cascade Laser:QCL)。

作为光纤21，优选使用不会使生成的高强度的超短脉冲光的特性劣化，而能够将其传送的光纤。材料优选使用由熔融石英制成的纤维。

〈运算装置〉

作为图1的运算装置30，如果能够根据上述的减衰时间和振铃率测量光学谐振腔内的吸收物质浓度，并根据吸收物质浓度测量碳同位素浓度的装置，便没有特别限制，能够使用各种装置。

作为运算控制部31，由CPU等的通常的计算机系统所使用的运算机构等构成即可。作为输入装置32，可列举例如键盘、鼠标等的指点设备。作为显示装置33，可列举例如液晶显示器、监视器等的图像显示装置等。作为输出装置34，可列举例如打印机等。作为存储装置35，可以使用ROM、RAM、磁盘等的存储装置。

将上述的碳同位素分析装置1用于微剂量时，对于试样中的放射性碳同位素¹⁴C的检测灵敏度设想为“0.1dpm/ml”左右。为了达成该检测灵敏度“0.1dpm/ml”，作为光源只使用“窄带激光”并不充分，还要求光源的波长(频率)的稳定性。即，要件在于不会偏离吸收谱线的波长、线宽窄。在这一点上，碳同位素分析装置1可起到如下这样有利的作用效果：即使对于含有低浓度的放射性碳同位素的样本，也可以进行测量。

碳同位素分析装置1的试样中的放射性碳同位素¹⁴C的检测灵敏度为“0.1dpm/ml”左右，更优选为“0.1dpm/ml”以下。

还有，在先行文献(广本和郎等，基于“光腔衰荡光谱的14C连续监测的设计研究”，日本原子力学会春的年会汇编，2010年3月19日，P432)中公开了，关于原子能发电相关的用过的核燃料的浓度监测，通过CRDS测量二氧化碳中的¹⁴C浓度的内容。但是，先行文献所述的使用高速傅里叶变换(FFT)的信号处理方法，虽然数据处理加快，但是基线的罢动变大，因此难以达成检测灵敏度“0.1dpm/ml”。

以上，列举实施方式对于碳同位素分析装置进行了说明，但碳同位素分析装置，不限定于上述的实施方式的装置，而是能够加以各种变更。以下对于碳同位素分析装置的变形例，以变更点为中心进行说明。

分光装置也可以还具备振动吸收机构。这是因为，能够防止因来自分光装置的外部的振动而导致反射镜间隔偏离，提高测量精度。作为振动吸收机构，例如能够使用冲击吸收剂(高分子凝胶)和隔震装置。作为隔震装置，能够使用能够向分光装置提供外部振动的反相位的振动的装置。

在上述的实施方式中，作为振铃信号的取得机构，在分光装置10内使用的是由压电元件13进行的反射镜间隔的调整，但为了取得振铃信号，也可以如下构成：在光发生装置20内设置遮断朝向光学谐振腔11的光的光遮断装置，对于照射到光学谐振腔的照射光进行断续控制。作为光遮断装置，只要是能够快速遮断二氧化碳同位素的吸收波长的光的装置便没有特别限制，能够使用各种装置，例如能够使用光学开关。还有，相比光学谐振腔内的光的减衰时间，需要足够快速地遮断光。

(活体试料的前处理)

活体试料的前处理，广义来说，包括来自活体的碳源除去工序，和夹杂气体除去(分离)工序。在此，以来自活体的碳源除去工序为中心进行说明。

在微剂量试验中，对于包含极微量的¹⁴C标记化合物的活体试料(例如，血液、血浆、尿、粪、胆汁等)进行分析。因此，为了提高分析效率，优选进行活体试料的前处理。在CRDS装置的特性上，活体试料中¹⁴C与全碳量的比(¹⁴C/^TotalC)是决定测量的检测灵敏度的要素之一，因此，优选从活体试料中除去来自活体的碳源。

(碳同位素分析方法)

作为分析对象，举放射性同位素¹⁴C为例进行说明。

(一)首先，准备如图1所示这样的碳同位素分析装置1。另外作为放射性同位素¹⁴C源，准备含¹⁴C的活体试料，例如，血液、血浆、尿、粪、胆汁等。

(二)作为活体试料的前处理，通过进行除蛋白，从而除去来自活体的碳源。作为除蛋白的方法，能够例示如下方法：利用酸和有机溶剂使蛋白质不溶解的除蛋白法、利用分子大小的不同的由超滤或透析进行的除蛋白法、通过固相萃取进行的除蛋白法等。如后述，由于进行¹⁴C标记化合物的萃取，和有机溶剂自身的除去容易，所以优选利用有机溶剂的除蛋白法。

在使用有机溶剂的除蛋白法的情况下，首先在活体试料中添加有机溶剂，使蛋白质不溶解。这时，吸附于蛋白质的¹⁴C标记化合物被萃取到含有机溶剂的溶液中。为了提高¹⁴C标记化合物的回收率，也可以在将所述有机溶剂含有溶液提取到别的容器之后，进行在余量中再添加有机溶剂并加以萃取的操作。所述萃取操作也可以重复多次。还有，如果活体试料是粪时，是肺等脏器时等，是难以与有机溶剂均匀混合的形态的情况下，则优选进行对该活体试料进行均浆等，用于使活体试料与有机溶剂均匀混合的处理。另外根据需要，也可以通过离心操作、用过滤器进行过滤等除去不溶解的蛋白质。

其后，通过使有机溶剂蒸发而使含¹⁴C标记化合物的萃取物干燥硬化，去除掉来自有机溶剂的碳源。所述有机溶剂优选为甲醇(MeOH)、乙醇(EtOH)、或乙腈(ACN)，更优选为乙腈。

(三)使前处理后的活体试料加热·燃烧，由放射性同位素¹⁴C源生成含二氧化碳同位素¹⁴CO₂的气体。然后，从所得到的气体中除去N₂O、CO。

(四)从所得到的¹⁴CO₂中去掉水分。例如优选在二氧化碳同位素生成装置40内，使¹⁴CO₂在碳酸钙等的干燥剂上通过，或冷却¹⁴CO₂而使水分结露，由此除去水分。这是由于¹⁴CO₂所包含的水分引起的光学谐振腔11的结冰·结霜造成的反射镜反射率降低，使检测灵敏度下降，因此预先除去水分，由此分析精度提高。还有，若考虑分光工序，则优选在向分光装置10导入¹⁴CO₂之前预先冷却¹⁴CO₂。这是因为若导入室温的¹⁴CO₂，则谐振腔的温度大幅变化，分析精度降低。

(五)将¹⁴CO₂填充具有到图1所示这样的一对反射镜12a、12b的光学谐振腔11内。而后优选将¹⁴CO₂冷却至273K(0℃)以下。这是由于照射光的吸收强度高。另外优选将光学谐振腔11保持为真空气氛。这是由于通过减轻外部温度的影响，可使测量精度提高。

(六)从光源23使激光发生，将得到的光传送至光纤21。作为光源优选使用QCL。使用分路机构28使来自光源23的光分路，将经过分路的光聚集至聚光透镜25b，使用反射镜25a使集聚的光反射，经由反射镜25a和分路机构28送回至光源23(反馈工序)。

如以上，使二氧化碳同位素¹⁴CO₂的吸收波长的4.5μm波段的光作为照射光发生。

(七)向二氧化碳同位素¹⁴CO₂照射照射光使之谐振。这时，为了提高测量精度，优选吸收来自光学谐振腔11的外部的振动，避免反射镜12a、12b间隔发生偏移。另外，优选以照射光不与空气接触的方式，一边使光纤21的下游侧的另一端与反射镜12a抵接一边进行照射。然后，测量来自光学谐振腔11的透射光的强度。还有，为了得到振铃信号，有如下方法：以从共鸣成为非共鸣的方式，使谐振腔长度高速变化，或遮断入射到光学谐振腔11的光的方法。在此，利用光学分离器(开关)29，遮断入射到光学谐振腔11的光。

(八)根据透射光的强度计算碳同位素¹⁴C浓度。

(其他的实施方式)

如上述，本发明由实施方式记述，但此公开的一部分的论述和附图不应该理解为是限定本发明的。根据此公开，从业者可了解各种各样替代实施方式、实施例和运用技术。

在实施方式的碳同位素分析装置中，作为分析对象的碳同位素，以放射性同位素¹⁴C为中心进行了说明。除了放射性同位素¹⁴C以外，也能够分析作为稳定同位素元素的¹²C、¹³C。作为这时的照射光，例如，以¹²C和¹³C分析作为¹²CO₂和¹³CO₂的吸收谱线分析而进行时，优选使用2μm波段和1.6μm波段的光。

进行¹²CO₂和¹³CO₂的吸收谱线分析时，优选反射镜间隔为10～60cm，反射镜的曲率半径与反射镜间隔相同或在其以上。

还有，¹²C、¹³C、¹⁴C分别在化学上显示出相同的举动，但相比稳定同位素元素¹²C、¹³C，放射性同位素¹⁴C的天然丰度比较低，因此放射性同位素¹⁴C可以通过人工操作提高其浓度，通过进行更高精度的测量，可以进行各种反应过程的观测。

除此以外，例如，也能够同样制造部分含有在实施方式中说明的构成的医疗诊断装置、环境测量装置。另外能够以实施方式中说明的光发生装置作为测量装置加以使用。

如此，本发明当然包含在此未记述的各种实施方式等。因此，本发明的技术的范围根据上述的说明，仅由妥当的专利权利要求的范围中的发明特定事项决定。

实施例

以下列举实施例更详细地说明本发明。还有，在实施例中使用的装置没有特别限定，如果具有同样的功能，也能够使用其他的装置。

图7是QCL系统的示意图。该系统除了光反馈的研究以外，还被设计为CRDS测量用。含有FPI(光学谐振腔)、声光调制器(AOM)和光纤耦合的全激光系统被组装于60×60cm光学实验用光学台，光纤耦合被组装于60×60cm其他光学实验用光学台，不用再调整而能够简单搬运。

2.实验步骤

图7中表示光学布局的示意图。由低噪声电流驱动装置(Teamwavelength，QCL·LAB1000)操作DFB·QCL(浜松ホトニクス社制，L12004-2209H-C)，通过操作外加电流，调制激光波长。为了反馈而使用50/50光束分割器(实际的反射率测量值R＝40％)取出激光的一部分。在25cm至4m的可变延迟通路之后，使该光聚集于金镜(作为所谓的“猫眼”反射镜发挥功能)。借助该猫眼，对角度调整带来的后方反射的依存性变小，可容易对QCL进行再入射。

为了验证反馈对于激光器输出和频率变化的效果，导入由2个50:50分束器构成的法布里-珀罗谐振腔(FSR＝1.86GHz，精细度4.5)。

使用低成本、宽频带(＞1MHz)，在室温下可以工作的2个InAsSb光电二极管(浜松ホトニクス，P13243－011MA)。一方面作为输出功率的参照用，另一方面作为检测来自低精度FPI的透射光用而加以使用。根据这些结果，能够得到QCL电流扫描中的以输出光强度标准化的FPI透射光信号。

与单模光纤耦合后，激光被导入CRD谐振腔(反射率>99.98，长度＝30cm，实验性评价的精细度约10,000)。CRD谐振腔的谐振腔长度通过压电元件进行扫描。光只在谐振腔的共鸣条件接近谐振腔长度L＝nλ/2(n＝1,2...，λ：波长)时，透过谐振腔。

在代表性的振铃信号的测量中，激光使用声光调制器(AOM，作为高速光开关工作)被快速遮断。在此，在之后所示的激光线宽的评价时AOM通常为on。透射光由液氮冷却型InSb检测器测量，以高速电流放大器增幅。

3.反馈的效果

通过将倾斜三角波电压施加于电流驱动装置的调制输入来调制QCL电流。因为存在无光反馈的情况，所以在猫眼反射装置的聚光透镜的正后方安装射束挡块。

图8表示输出的外加电流依存性。反馈的影响一目了然。除了电流减少中反馈的强滞后效应以外，QCL的跳模造成的输出的揺摆在图8(a)中的每个基于反馈的外部腔的FSR发生。此外，如图8(b)所示，电流的振荡阈值减少数百分比。通过监视此减少，容易使反馈的水平最佳化，这是因为若反馈更强，则振荡阈值会更小。

图9表示涉及外加电流与FPI传输信号的输出的依存性。QCL的跳模可根据FPI波形明确观测。FPI的结果中，可见仅少许惯例的振动数偏移，这被认为是受到来自再注入的输出的热的影响。

反馈对于激光线宽的效果，通过监测CRD谐振腔的透射光进行了评价。为此，QCL的电流固定为850mA，在透射光峰值的范围慢慢地扫描谐振腔长度。

图10中显示CRD谐振腔的透射光峰值。由于共鸣邻域的陡峭的频率依存性，由信号的强度调制，能够得到激光源的振荡频率扩展的信息。无反馈时，信号中大量的尖峰遍及大范围存在。这表示QCL的频率高速变动，有可能起因于所使用的QCL电流驱动器的噪音。另一方面，有反馈时的QCL的透射光信号，显示明显的单峰，可以说只有微小变动。有反馈时的线宽，可估算大致与CRD谐振腔的透射特性峰值的宽度为同程度，约50kHz。由此，反馈可以说使线宽显著地减少。噪音的功率密度作为100次的透射结果的平均表示(图11)。高频域的强度变动由于谐振腔的低通特性而通常减少，但在100kHz以上的频域，由于光反馈，会减少30dB左右噪音级。更长的反馈通路看起来会带来激光的进一步稳定化，但在低频域(声频域<5kHz)的噪音增加。该低频域的增加，被认为是起因于反馈通路的声音振动、空气的流动和温度的不稳定性。

符号说明

1 碳同位素分析装置

10 分光装置

11 光学谐振腔

12 反射镜

13 压电元件

15 光检测器

16 小室

20 光发生装置

21 光纤

23 光源

25 猫眼

25a 反射镜

25b 聚光透镜

29 光学分离器

30 运算装置

40 二氧化碳同位素生成装置

60 二氧化碳同位素导入排出控制装置

61a 导入管

61b 排出管61b

63a 三通阀

63b 导入阀

63c 排出阀

65 泵

Claims

1.一种碳同位素分析装置，其具备：

二氧化碳同位素生成装置，其具备由碳同位素生成含二氧化碳同位素的气体的燃烧部、二氧化碳同位素精炼部；

分光装置，其具备有着一组反射镜的光学谐振腔、检测来自所述光学谐振腔的透射光的强度的光检测器；

光发生装置，其具备光源、使来自所述光源的光分路的分路机构、聚集来自所述分路机构的光的聚光透镜、反射来自所述聚光透镜的光并经由所述聚光透镜和所述分路机构而将光送回至所述光源的反射镜。

2.根据权利要求1所述的碳同位素分析装置，其中，所述光源是中红外量子级联激光器。

3.根据权利要求1或2所述的碳同位素分析装置，其中，所述碳同位素是放射性碳同位素¹⁴C，所述二氧化碳同位素是放射性二氧化碳同位素¹⁴CO₂。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的碳同位素分析装置，其中，具有所述二氧化碳同位素的吸收波长的光是4.5μm波段的光。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的碳同位素分析装置，其中，所述分光装置还具备冷却所述光学谐振腔的冷却装置。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的碳同位素分析装置，其中，所述分光装置还具备收容所述光学谐振腔的真空装置。

7.根据权利要求1～6中任一项所述的碳同位素分析装置，其中，所述分光装置还具备振动吸收机构。

8.根据权利要求1～7中任一项所述的碳同位素分析装置，其中，对于所述放射性碳同位素¹⁴C的检测灵敏度是0.1dpm/ml的程度。

9.根据权利要求1～8中任一项所述的碳同位素分析装置，其中，还具备二氧化碳同位素导入排出控制装置，其具备：

连接二氧化碳同位素生成装置与光学谐振腔的导入管；

配置于所述导入管的二氧化碳同位素生成装置侧的三通阀；

配置于所述导入管的光学谐振腔侧的导入阀；

连接所述光学谐振腔与泵的排出管；

设于排出管上的排出阀。

10.一种碳同位素分析方法，其中，具有：

由碳同位素生成二氧化碳同位素的工序；

将所述二氧化碳同位素填充到具有一对反射镜的光谐振气氛内的工序；

从光源发生具有所述二氧化碳同位素的吸收波长的照射光的工序；

用分路机构使来自所述光源的光分路，将经过分路的光聚集到聚光透镜，用反射镜使聚集后的光反射，经由所述反射镜和所述分路机构送回到所述光源的反馈工序；

测量对所述二氧化碳同位素照射所述照射光并使之谐振时所得到的透射光的强度的工序；

根据所述透射光的强度计算碳同位素浓度的工序。

11.根据权利要求10所述的碳同位素分析方法，其中，所述碳同位素是放射性碳同位素¹⁴C，所述二氧化碳同位素是放射性二氧化碳同位素¹⁴CO₂。

12.根据权利要求10或11所述的碳同位素分析方法，其中，具有：

使二氧化碳生成气氛内的压力高于大气压，使光谐振气氛内的压力低于大气压的第一工序；

将二氧化碳生成气氛内的温度加热至阈值温度以上的第二工序；

从二氧化碳生成气氛内的温度到达阈值温度起数秒后，将二氧化碳同位素导入光谐振气氛内的第三工序；

使二氧化碳生成气氛内的压力高于大气压，降低光谐振气氛内的压力的第四工序；

使光谐振气氛内的压力为10～40Torr的第五工序。

13.一种光发生装置，其具备：光源；使来自所述光源的光分路的分路机构；聚集来自所述分路机构的光的聚光透镜；反射来自所述聚光透镜的光，经由所述聚光透镜和所述分路机构将光送回到所述光源的反射镜。

14.一种二氧化碳同位素导入排出控制装置，其具备：

连接二氧化碳同位素生成装置与光学谐振腔的导入管；

配置于所述导入管的二氧化碳同位素生成装置侧的三通阀；

配置于所述导入管的光学谐振腔侧的导入阀；

连接所述光学谐振腔与泵的排出管；

设于所述排出管上的排出阀。

15.一种碳同位素分析装置，其具备：

光发生装置，其具备光源、使来自所述光源的光分路的分路机构、聚集来自所述分路机构的光的聚光透镜、反射来自所述聚光透镜的光并经由所述聚光透镜和所述分路机构将光送回到所述光源的反射镜。