JP2000512757A - ガス状サンプルにおいて同位体比を測定するためのｎｄｉｒ装置および方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、ガス状サンプル中の同位体比をＮＤＩＲ分光により測定するための装置および方法に関する。本装置および方法は、スペクトル分解された赤外線放射線を用いて２つの同位体種のそれぞれを参照信号に対して別々に測定するための、４つの別々の光路を提供する。本設計は、測定間に大きなタイムラグなしに、かつセルまたはフィルタを交換することなしに、測定を正確に行うことを可能にする。

Description

【発明の詳細な説明】 ガス状サンプルにおいて同位体比を測定するためのＮＤＩＲ装置および方法産業上の利用分野 本発明は、非分散赤外（ＮＤＩＲ）分光によってガス状サンプルにおける同位 体比を測定するための装置および方法に関する。 発明の背景 同位体比を正確に測定するための方法は、地質学および考古学の分野、例えば 炭素年代測定、において以前から重要なものであった。同位体標識された物質は 、代謝プロセスおよび化学的メカニズムの研究においても用いられる。¹³Ｃおよ び¹⁵Ｎのような安定な同位体は、医療の用途において特に有用である。例えば、 胃潰瘍を引き起こすことが分かっている細菌Ｈ−ピロリ(H.pylori)の存在は、¹³ Ｃ標識された尿素を摂取した後の患者の呼気における¹³ＣＯ₂／¹²ＣＯ₂比を測定 することによって検出し得る（Marshall，Graham）。後述するように、適切な¹³ Ｃ標識された物質を摂取した後で呼気分析を行うことによって、他の数多くの疾 患を診断することができる。これらは、脂肪吸収不良、肝機能不全、回腸機能不 全、および小腸細菌異常増殖(small intestine bacterial overgrowth)を含む。 質量分析法は、多くの医療用途において重要な選択性および感度が高いことか ら、これまで同位体比分析に広く使用されてきた。しかし、その器機使用(instr umentation)は高価であり、サンプルの調製および分析は複雑であり得る。¹³Ｃ Ｏ₂／¹²ＣＯ₂比の測定用として、レーザー技術（例えば、Murnick，Cooper，Lee ）も記述されている。しかし、このような方法も複雑且つ高価な器機を使用し、 所望の波長全てについて適切なレーザーがいつも利用できるわけではない。 ＣＯ₂、ＣＯ、ＮＯ_xまたはＣＨ₄のような赤外活性ガスの痕跡量は、非分散赤 外（ＮＤＩＲ）分光によって常規的に検出可能である。従来のＮＤＩＲは、典型 的に、黒体赤外放射線源と、測定している種に特有の波長範囲に放射線を制限す るフィルタを含むフィルタホイール(fllter wheel)とを用いる。フィルタリング されたＩＲ放射線は、ガスサンプルを通過し、その時、存在する種の量に比例し て吸収され、そして、検出器に到達する。検出器は、伝達した放射線の一部を測 定する。あるいは、ガスサンプルを通過した後で放射線をフィルタリングしても よい。吸収が全く生じない範囲に放射線を制限するフィルタを設けて、非減衰参 照信号を発生させることも可能である。 異なるガスの吸収範囲は、一般に容易に分解されるが、同じガスの同位体種の スペクトル帯域はオーバーラップする場合が多い。従って、特に、ある同位体が 非常に大きな濃度で存在する場合、従来のＮＤＩＲは同位体比の測定には有効で はない。ＮＤＩＲ分光測定は、サンプル測定および参照測定間のタイムラグ、多 数の可動部または電源に起因して生じ得る装置内の温度変動、および／または供 給源温度(source temperature)の強度のずれによる誤差の影響も受ける。このよ うな誤差は、別々の分子種を測定する際には許容可能であり得るが、同位体を識 別する際、特に多くの医療診断用途において求められる精度では許容されない。 上記のような複数の同位体種の吸収帯域のオーバーラップが、注意深く分解さ れた供給源放射線(source radiation)を用いても完全に不可避ではない場合、温 度制御は特に重要である。この「クロストーク」を排除するために行われる補正 は、サンプル温度に大きく依存し得る。例えば、¹³ＣＯ₂／¹²ＣＯ₂測定の場合、 特定の医療診断目的のための測定を行うために必要な精度よりもクロストーク補 正を小さくするためには、サンプル温度を１℃以下の範囲内に、好ましくは、０ ．１℃以内近くに維持しなければならないことが計算によって示唆される。 ガス中の同位体比、特にＣＯ₂における¹³ＣＯ₂／¹²ＣＯ₂比のＮＤＩＲ測定の 精度を高めるために、いくつかの方法がとられている。これらは、例えば、ガス 状サンプルにおいて¹³ＣＯ₂／¹²ＣＯ₂比を測定するために２ビーム器具(twobeam instrument)を使用することを記載するFabinskiらを含む。¹²ＣＯ₂を充填した 光学フィルタを、¹³ＣＯ₂を測定する光路内に配置し、これにより、¹³ＣＯ₂吸収 帯域での吸収の測定により、オーバーラップおよび干渉する¹²ＣＯ₂吸収帯域の 放射線を除去する。較正の目的で、各同位体を充填したベッセルを揺り動かして (swing)光路から出し入れすることが可能である。各同位体につき１つの、２つ の別々の光音響検出器を使用する。 この方法は、測定している種のそれぞれについて別々の検出器を必要とする。 上記較正方法は、検出器の較正と、サンプルの実際の測定との間に大きなタイム ラグを生じさせるとともに、装置に可動部を迫加し、これにより温度の変動を引 き起こし得る。Fabinskiによって記載された方法では、クロストーク補正が必要 である。上記のように、このような補正は、サンプル温度に大きく依存し得る。 1995)は、それぞれサンプルおよび参照チャンバに分割される第１および第２の セルを広帯域ＩＲ放射線で走査し、広帯域ＩＲ放射線を同位体特異的な光含気性 (optopneumatic)検出器に入射させる装置を開示している。Fabinskiと同様に、 低吸収同位体である¹³ＣＯ₂の測定用に指定されたセルに、セルおよび検出器の 間に配された¹²ＣＯ₂を含むガスフィルタを設け、これにより、より存在比の高 い(higher-abundance)種に対応する放射線を除去する。Fabinski同様、この方法 は、測定している種のそれぞれについて特定の検出器を必要とし、また、光含気 性検出器は温度および圧力の変動に敏感である。 Grossも、フィルタセルを伝達した広帯域ＩＲ放射線から対応するスペクトル 周波数を除去するために、単一の同位体、即ちそれぞれ¹³ＣＯ₂または¹²ＣＯ₂を 充填したフィルタセルを利用した２ビーム器具を記載している。その後、放射線 は、やはり光含気性検出器セルとして機能するサンプルセルを通過する。参照セ ルを設ける場合、参照セルは、サンプルおよびフィルタセルと同じ光路内に存在 するので、参照測定はサンプル測定とは別に行わなければならず、これにより、 大きなタイムラグを生じる。サンプルサイズも検出器の容量によって制限され、 これにより、呼気分析において均一なサンプルを得る際、および¹³ＣＯ₂のよう な低濃度の種を測定する際に問題を生じ得る。 従って、上記方法のいずれも、高い精度が必要とされる同位体比のＮＤＩＲ測 定において、測定間のタイムラグおよび結果的に生じる信号のずれ(signal drif t)、または温度の変動に起因する誤差および再現性の欠如の問題に十分に対処し ていない。 発明の要旨 本発明は、１つの局面において、非分散型ＩＲ分光によって、ガス状サンプル 中のある分析物分子の第１および第２の同位体種の比を測定する装置を含む。こ の装置は、１つ以上のＩＲ放射線源と、ガス状サンプルを含む少なくとも１つの サンプルセルと、分析物分子の無い少なくとも１つの参照セルと、１つ以上のＩ Ｒ検出器とを含む。この装置は、検出器（単数または複数）に入射する４つのＩ Ｒ放射線光路をも提供する。具体的には、上記４つの光路は、サンプルセルを横 断し、第１の同位体種に特有の第１の波長範囲を有する第１のサンプル経路と、 参照セルを横断し、第１の同位体種に特有の第１の波長範囲を有する第１の参照 経路と、サンプルセルを横断し、第２の同位体種に特有の第２の波長範囲を有す る第２のサンプル経路と、参照セルを横断し、第２の同位体種に特有の第２の波 長範囲を有する第２の参照経路とを含む。この装置は、複数のセルのそれぞれを 通して検出器（単数または複数）上に放射線を指向する機構、および放射線が複 数の光路のそれぞれを高速に連続して横断することを許容するシャッターまたは 他の類似の構造をも含む。本発明の装置は、４つの光路から検出器（単数または 複数）上に入射する放射線の強度を比較することによって、ガス状サンプル中の 同位体種の比を求めることを可能にする。 好適な実施形態において、この装置は、単一のＩＲ放射線源と、単一の検出器 、光路を通して検出器上に放射線を指向するＩＲ透明レンズ、および真空起動シ ャツター(vacuum activated shutters)の内の１つ以上を含む。 ある実施形態において、４つの光路は帯域通過フィルタを使用することによっ て提供される。具体的には、これらの経路から検出器（単数または複数）に伝達 されるＩＲ放射線を第１の同位体種に特有の狭い波長範囲に制限する第１のサン プル経路および第１の参照経路内にフィルタが配置される。同様に、これらの経 路から検出器（単数または複数）に伝達されたＩＲ放射線を第２の同位体種に特 有の狭い波長範囲に制限する第２のサンプル経路および第２の参照経路内にフィ ルタが配置される。 別の実施形態の１つにおいて、この装置は、２つのスペクトル分解されたＩＲ 放射線源を含む。第１のスペクトル分解された供給源は、分析物分子の第１の同 位体種を含み、第１の同位体種は、振動励起され、これにより、第１の種に特有 の１つ以上の波長で放射される。同様に、第２のスペクトル分解された供給源は 、分析物分子の第２の同位体種を含み、第２の同位体種は、振動励起され、これ により、第２の種に特有の１つ以上の波長で放射される。同位体種の分子は、電 子放電(electronic discharge)により振動励起され得る。その場合、電子放電は 電子的に変調され得る。あるいは、同位体種の分子は、外部熱源によって振動励 起され得る。 好適な実施形態の１つにおいて、この装置は、第１の対のセル、即ち、第１の サンプルセルおよび第１の参照セルと、第２の対のセル、即ち、第２のサンプル セルおよび第２の参照セルとを含む。この実施形態は、好ましくは、一方のサン プルセルに入り、サンプルセルを接続し、他方のサンプルセルから出るフロー経 路を含み、これにより、ガス状サンプルは、２つのサンプルセル内で等しい組成 および圧力に維持される。分析物分子の第１の同位体種が第２の同位体種よりも 大きい天然存在度を有する場合、好ましくは、第１のサンプルセルは、これに対 応して、第２のサンプルセルよりも長さが短い。 好適な実施形態の１つにおいて、サンプルおよび参照セルは、約０．１℃以内 にセル温度を制御できるエンクロージャ(enclosure)内に収容される。好ましく は、このエンクロージャから外部分析物分子を除去するための機構が設けられる 。 本発明の実施形態の１つにおいて、分析物分子はＣＯ₂であり、第１の同位体 種は¹²ＣＯ₂であり、第２の同位体種は¹³ＣＯ₂である。 別の局面の１つにおいて、本発明は、非分散型ＩＲ分光によって、ガス状サン プル中の分析物分子の第１および第２の同位体種の比を測定する方法を提供する 。この方法において、ＩＲ放射線は、ＩＲ検出器（単数または複数）上に入射す る４つの光路を伝達する。具体的には、上記光路は、サンプルセルを横断し、第 １の同位体種に特有の第１の波長範囲を有する第１のサンプル経路と、参照セル を横断し、第１の同位体種に特有の第１の波長範囲を有する第１の参照経路と、 サンプルセルを横断し、第２の同位体種に特有の第２の波長範囲を有する第２の サンプル経路と、参照セルを横断し、第２の同位体種に特有の第２の波長範囲を 有する第２の参照経路とを含む。この方法は、さらに、第１の参照経路から検出 器で受信される放射線の強度に対する第１のサンプル経路から検出器で受信され る 放射線の強度に基づいて第１の同位体種の濃度を決定することと、同様に、第２ の参照経路から検出器で受信される放射線の強度に対する第２のサンプル経路か ら検出器で受信される放射線の強度に基づいて第２の同位体種の濃度を決定する こととを含む。その後、これらの各濃度からガス状サンプルの同位体種の比を決 定する。 好適な方法の１つにおいて、光路のそれぞれを、放射線が反復的に高速に連続 して横断する。この方法の実施形態の１つにおいて、上記４つの光路は、帯域通 過フィルタを使用することによって提供される。具体的には、これらの経路から 単数または複数の検出器に伝達されるＩＲ放射線を第１の同位体種に特有の狭い 波長範囲に制限する第１のサンプル経路および第１の参照経路内にフィルタが配 置される。同様に、これらの経路から検出器に伝達されたＩＲ放射線を第２の同 位体種に特有の狭い波長範囲に有効に制限する第２のサンプル経路および第２の 参照経路内にフィルタが配置される。 別の実施形態の１つにおいて、上記４つの光路は、各同位体種を振動励起して 、これにより、それぞれの種を１つ以上の特有の波長で放射させ、そして、結果 的に得られる放射線ビームのそれぞれをサンプルセルおよび参照セルをそれぞれ 通して指向することによって提供される。 好適な方法の１つは、一方の同位体種を他方の同位体種に特有の波長範囲で吸 収することによって生じ得るクロストークを補正する行程をさらに含む。 この方法の実施形態の１つにおいて、分析物分子はＣＯ₂であり、第１の同位 体種は¹²ＣＯ₂であり、第２の同位体種は¹³ＣＯ₂である。 ある局面において、この方法は、呼気分析に使用され得る。その場合、ガス状 サンプルは、同位体標識された物質を予め投与した被験体が吐き出した呼気で構 成される。吐き出された呼気中の同位体の比は、例えば、被験体による標識され た物質の代謝に関する情報を提供し得る。 添付の図面を参照しながら以下の本発明の詳細な説明を読むことにより、上記 およびその他の目的および特徴がより明白になるであろう。図面の簡単な説明 図１は、本発明の実施形態の１つによって構成されるＮＤＩＲ装置を示す模式 図である。 図２は、装置内において２段に構成された複数のセルを示す端面図である。 図３は、本発明の実施形態の１つによる、スペクトル分解された２つの供給源 を示す。 図４は、ＣＯ₂吸収スペクトルの４．２μ〜４．５μ領域を示し、同位体種の 吸収のオーバーラップを示している。 図５Ａおよび図５Ｂは、¹³ＣＯ₂／¹²ＣＯ₂比の測定におけるクロストークの補 正を示す。発明の詳細な説明 Ｉ．定義 以下の用語は、特に他に示さないかぎり次の意味を持つ。 「スペクトル分解された供給源」は、一般に吸収種を供給源に取り込むことに よって、完全にあるいは主に、分析している吸収種の１つに限定される放射線を 生成する放射線源である。 「スペクトル分解された放射線」は、分析している吸収種の１つの吸収周波数 に全体的または部分的に限定される放射線である。これは、先に定義したスペク トル分解された供給源によって、あるいは、従来の放射線源からの広帯域放射線 の分解（例えば帯域通過フィルタによる）によって生成され得る。 「分析物分子」は、同位体比を決定している分子を指し、従って、その分子の 、「同位体種」とも呼ばれる同位体の全てを含む。 「光路」は、供給源から始まり、サンプルセルまたは参照セルを通過し、検出 器に到達する放射線の経路である。光路は、サンプルセルを通る「サンプル経路 」または参照セルを通る「参照経路」のいずれかである。 所与の同位体種に「特有の」放射線とは、その所与の種が吸収を示し、且つ測 定している他の同位体種の吸収が好ましくは最少である波長範囲を含む放射線を 指す。 ＩＩ．ＮＤＩＲ装置 Ａ．全体的な構成 図１は、本発明の実施形態の１つによって構成されたＮＤＩＲ装置１０を示す 。 本実施形態において、この装置は、例えば、タングステンフィラメントであり得 る広帯域ＩＲ放射線の供給源１２を含む。放射線源内のフィラメントを流れる電 流を調節して、供給源の強度を安定化することが可能である。 供給源からの放射線は、１つ以上のサンプルセルおよび１つ以上の参照セルを 横断し得る。これらの参照セルには分析物分子が無く、清浄空気または分析物分 子を除去した他のガスを含んでいてもよいし、あるいは、真空排気されていても よい。好適な実施形態は、１４および１６で示すように、測定している種のそれ ぞれについて１つのサンプルセルを含み、また、１８および２０で示すように、 それぞれの種について１つの参照セルを含む。従って、２つの同位体種の比を測 定するために、経路２２、２４のような４つの別々の光路が設けられる。 図１および図３は、明瞭化のために１平面内に構成されたセルを示す。しかし 、実際には、セルは、以下にさらに述べるように、例えば図２に示すように構成 されるのが典型的である。 ４つの別々のセルを図示しており、これが実際には好適ではあるが、上記の４ つの別々の光路を横断する放射線の測定が可能である限り、これとは異なる構成 が用いられ得ることが、以下の説明から理解されるであろう。例えば、２つの光 路を収容するように１つの物理的セルを設計することが可能である。 分析物分子の同位体種の存在比が大きく相違する場合、それに対応して長さが 相違する２つのサンプルセルを有することが有利である。存在比の大きい方の同 位体を、１４で示すように長さが短い方のセル内で測定し、これにより、吸収度 測定の飽和を回避する。好ましくは、セル長さの比は、各セルにおいて生じる放 射線の結果的な吸収度が比較可能な大きさとなるような比である。後述するよう に、スペクトルフィルタを用いて伝達放射線を分解する場合、吸収帯域の低強度 部（例えば、端）を選択することによって、存在比が大きい方の同位体の吸収度 を低減することも可能である。 検出器２６のような１つ以上の検出器は、セルを伝達した供給源からの放射線 を検出する。好ましくは、検出器は、光電導性または光起電性の固体ＩＲ検出器 である。光含気性検出器を使用することも可能である。信号検出および信号処理 において最大の一貫性を与えるためには、単一の検出器が好ましい。 放射線ビームを指向する方法は、典型的には、例えば、複数のミラー系または 他の光ガイド系を含む。各経路について別々の供給源を使用することも可能であ るが、そのような設計は供給源放射の強度がばらつく可能性を大きくするので、 供給源の数は最小限であることが一般に好適である。好適な実施形態の１つにお いては、２８および３０に示すようなコリメートおよび集光ＩＲ透明レンズが、 放射線を単数または複数の供給源からセルを通して検出器上へと指向する機能を 果たす。上記のように、明瞭化のために図１および図３においてセルは１平面内 に示されている。しかし、実際には、コリメートおよび集光の目的において、セ ルは、各光路がレンズ中心線から等距離の点においてレンズを遮るように構成さ れる。これは、例えば図２の端面図に示すような２段のセルによって達成され得 る。レンズは、サンプルセルおよび参照セルに対して、それぞれ、入射窓および 出射窓としても機能し得る。 温度制御を最大化するために、好ましくは、セルおよび隣接する部品を温度調 節される環境内に入れる。図１に示す実施形態において、これは、外側ヒーター ３２および内側ヒーター３４で構成される二重構造熱オーブン(double thermal oven)によって提供される。好ましくは、二重構造熱オーブンは、セル温度を０ ．１℃以内に制御し得る。ヒーターには、供給源放射線が通過する開口部が設け られる。本発明を支持する研究は、サンプルまたはパージガス（後述）が外気温 度で導入された場合に、このようなオーブン内において十分な温度制御が維持さ れ得ることを示している。 さらなるエンクロージャ３６は、図１に示すように、二重構造熱オーブン、供 給源、チョッパ、および検出器を収容する。このエンクロージャは、清浄空気ま たは他のパージガスによって連続的にまたは断続的にパージされてもよいし、あ るいは、真空排気されてもよい。温度安定性を最大化するために、例えばセラミ ックまたはプラスチックの絶縁材料で構成されるフロア(floor)および支持体(su pports)、ならびに検出器に隣接する放熱器のような他の構造的特徴を含めるこ とも可能である。 後述するようにこの装置の使用中、４つの光路は、高速反復する連続した放射 線に暴露される。好適な実施形態の１つにおいて、この暴露は、例えば３８およ び４０で示す真空起動シャッターを介して制御される。エンクロージャ３２の外 部の小型ポンプ（図示せず）によって、シャッターを制御する４つの微小弁(mic rovalves)を含む多岐管に真空を引く。このような設計は、シャッターを外部制 御によって最小限の温度変動で動作することを可能にする。シャッターは、電気 機械式ソレノイドによって制御することも可能であるが、これらは、セルの近傍 において電力の消費によって温度ずれ(temperature excursion)を引き起こし得 る。 チョッパ４２は、供給源放射線を変調するために設けられる。チョッパは、こ の装置内において唯一の主要可動部であり、後述のように、特定の実施形態にお いてはこの代わりに電子変調を用いることが可能である。 Ｂ．放射線源 本発明によれば、それぞれサンプルセルおよび参照セルを伝達するそれぞれの 種に特有の放射線の強度を測定することによって、あるガス状サンプル中の異な る同位体種に特有の放射線の吸収度が正確に決定される。この目的のために、４ つの光路が設けられる。具体的には、上記光路は、第１の同位体種に特有の放射 線が伝達する第１のサンプル経路および第１の参照経路と、第２の同位体種に特 有の放射線が伝達する第２のサンプル経路および第２の参照経路とを含む。 このような構成は、セルまたはフィルタを交換することなく、また、各吸収度 測定の間に大きな遅延を生じることなく、サンプル分子の同位体種を別々の種と して測定することを可能にする。上記のように、これにより、同位体比の測定に 誤差を導入し得る、（装置内の可動部に起因する）信号のずれまたは温度の変動 の大きな原因が排除される。 １．帯域通過フィルタを用いた単一供給源 図１を参照して、単一の供給源か らの放射線を、４４および４６において示すようなフィルタを通過させることに よって分解することができる。このフィルタは、検出器に到達する放射線を、一 方または他方の同位体種に特有の狭い波長範囲に制限する。 本発明の実施形態の１つにおいて、各セルに入射する放射線を、先ず、スペク トル分解（フィルタリング）して、排他的または少なくとも主に、測定している 同位体種の一方または他方によってのみ吸収されるようにすることが可能である 。 あるいは、広帯域放射線をセルを通して通過させ、その後、検出器に到達する 前に、同位体種に一方または他方に特有の波長範囲に放射線を制限することが可 能である。この実施形態において、フィルタは、図１に示すように、セルおよび 検出器の間に配置される。いずれの場合も、各サンプルセルから検出器上に入射 する放射線はスペクトル分解され、その放射線は、排他的または少なくとも主に 、測定している同位体種の一方または他方によってのみ吸収されている。可能な 限り大きな範囲にわたってオーバーラップせず、且つ一貫性および信頼性のある 測定を行うのに十分な強度でそれぞれの種に吸収されるような複数の波長範囲が 個々の同位体について選択される。それでも幾分のオーバーラップが生じる場合 、特に、存在比の大きい方の同位体が存在比の小さい方の同位体の吸収度測定に 干渉する場合、以下の第ＩＩＩ節において説明するように、このような「クロス トーク」効果のための補正が行われ得る。 ２．同位体特異的なスペクトル分解された供給源 スペクトル分解された放射 線は、同位体種自体を供給源内に取り入れることによっても生成され得る。本実 施形態において、図３の供給源４８および５０のような、好ましくは同位体種毎 に１つの複数の供給源を設ける。（図３には図示しない装置の他の部材は、図１ に示すものと同様である。）好ましくは、同位体的に純粋なガスを、ＩＲ透明性 材料でできたセル、あるいはそのような材料でできた窓を有するセル内に収容す る。純粋な同位体の分子を振動励起することにより、これらの特定の波長で放射 させることによって、所与の同位体種に特有のＩＲ波長における放射線が生成さ れる。 高く振動励起された分子を生成する有効な手段の１つは、電子放電によるもの である。この放電は、直流、交流、高周波またはマイクロ波励起のような様々な 手段によって生成され得る。この放射線源の利点の１つは、放射線を、チョッパ を用いて機械的に変調するのではなく、電子的に変調し得ることである。この変 調によって、装置内の主要な可動部が排除される。 好ましくは、同位体的に純粋なガスは、ヘリウムおよび／または窒素のような １つ以上の不活性ガスとともに低い濃度で混合される。この濃度は、好ましくは １０％未満であり、より好ましくは１％未満である。濃度を低くすると、そのガ スの分子による放射線の再吸収が最低限に抑えられることによって、光源の効率 が上昇する。放電源、例えば電極を、放射線が出射する出射窓の近傍に配置する ことによっても、上記のような再吸収が低減される。 このような放電において供給源ガスの分解が起こり得るが、この問題は、例え ばWittemanにおいて記載されるように、ガスの組成および供給源の構成材料を選 択することによって対処することが可能である。Wittemanにおいては、供給源の 寿命を長くするために、ＣＯ₂レーザにおいて白金電極を使用している。ＣＯお よびＯ₂からのＣＯ₂の再編成を触媒するために、金および酸化銀（Macken）のよ うな他の触媒もＣＯ₂レーザにおいて使用されている。 同位体的に純粋なガスは、例えば外部オーブンによって、５００℃以上、好ま しくは１０００℃以上の温度に熱的に加熱することによっても振動励起され得る 。この場合、不活性ガスとの混合物は不要である。加熱表面は、供給源からサン プルセルおよび参照セルに発せられた放射線の光路に交わらないように構成され る。 上記のように、対象の同位体を取り入れた別々の供給源を使用することによっ て、放射線は、この同位体に特有の特定の波長においてのみ生成され、従って、 サンプル経路中のこの同位体によってのみ吸収される。これは、放射線を狭く、 それでも連続的な範囲に制限する上記のフィルタの使用とは異なる。従って、一 般に、クロストークの問題は、別々のスペクトル分解された供給源の使用によっ て、より効果的に対処される。 スペクトル分解された供給源の使用と帯域通過フィルタとを組み合わせること が望ましい場合もある。フィルタを使用する利点の１つは、所望の波長範囲を、 吸収度帯域の中心以外の位置にセンタリングできることである。従って、分解さ れた供給源放射線を用いても、特定の波長においてクロストークが依然として問 題である場合、これらの波長をフィルタの使用によって避けることが可能である 。また、上記のように、吸収帯域の端を測定することによって、（存在比の高い 同位体に関する）非常に強い吸収度信号は減衰し得る。 Ｃ．フロー経路(flow paths)の構成 好適な構成の１つにおいて、図１に示すように、第１のサンプルセルは、導管 ５２を介して第２のサンプルセルに接続され、また、外側インレット５４に接続 される（図２にも図示）。外側インレットを大気に解放して、サンプルを大気圧 で導入し、これにより、最初の１つのサンプルセルを充填し、その後もう１つの サンプルセルを充填する。これにより、セル間におけるガス状サンプルの組成お よび圧力が均一になる。呼気分析において使用する際には、サンプルは、被験体 がインレット内に息を吹き込むことによって導入されるか、あるいは、予め呼気 サンプルが充填された脱着式容器から導入され得る。必要に応じて、サンプルか ら水蒸気を除去するために、インレット経路内に乾燥材料または半透膜を設けて もよい。しかし、十分な長さのインレット管を用いた場合、大部分の水蒸気は、 管の長さ沿って凝縮することによって除去される。 第２のサンプルセルから出ている排気アウトレット５６は、次のサンプルを導 入して、サンプルセルよりも十分に容積の大きなサンプルをポンピングまたは提 供することによってサンプルを除去することを可能にする。 第１の参照セルは導管５８を介して第２の参照セルに接続されるとともに、イ ンレット６０に接続される。インレット６０を通して、清浄空気、またはあらゆ る外気分析物分子が除去された他のパージガスを導入することができる。例えば 、分析物分子がＣＯ₂である場合、空気は、ＮａＯＨか、または典型的にはアル カリ金属水酸化物またはアルカリ土類金属水酸化物である他の金属水酸化物を含 み、任意に乾燥剤を含むトラップ６２を通して循環させ得る。パージガスが、供 給源および検出器の周囲の空気を含めて、例えばアウトレット６３および弁６４ を介してそのエンクロージャ内でも循環し得るように、エンクロージャ３６内に さらなるフロー経路が設定される。このようにして、空気中に存在し得る外気レ ベルの分析物分子が、外来的な吸収によって供給源からの放射線の強度に影響を 与えることを防ぐ。弁６５は、サンプル間においてサンプルセルをパージするこ とを可能にする。パージガスは、ポンプ６６を用いて循環され、排気アウトレッ ト６８を通して除去され得る。 清浄空気または他のパージガスを用いたパージに対する代替例として、エンク ロージャおよび／または参照セルを完全に密封し且つ真空排気するようにしても よい。パージガスを用いてフラッシングするのではなく、エンクロージャを真空 排気することは、異なる分析物分子に対して容易に適応できるという利点を有し 、 また、トラップ６２のようなトラップのメンテナンスの必要性を排除する。サン プルセルもサンプル間において真空排気し得る。 エンクロージャの真空排気される部分から離れていれば、上記のような真空起 動シャッターをこの設計で用いることが可能であり、また、シャッターは、電磁 ソレノイドによって動作することも可能である。 ＩＩＩ．同位体比の測定方法 Ａ．一般的な方法 本発明によって同位体比を決定する際には、サンプルセルを通過する種に特有 の放射線の吸収強度を測定して、それを参照セルを通過する同じ放射線の非減衰 強度と比較することによって、各同位体種の濃度を独立して測定する。従って、 この方法は、第ＩＩＢ節において説明したように、具体的には第１および第２の サンプル経路と第１および第２の参照経路である４つの光路を通してＩＲ放射線 を伝達させることを含む。上記４つの光路は、第ＩＩＢ（１）節において説明し たように帯域通過フィルタを使用することによって提供されるか、あるいは、第 ＩＩＢ（２）節において説明したように同位体特異的なスペクトル分解された供 給源を使用することによって提供され得る。 各参照セルを伝達した同様の放射線の強度（強度＝Ｉ₀）に対する、各サンプ ルセルを伝達した後で検出器に到達する放射線の強度（強度＝Ｉ）を測定するこ とによって各同位体の濃度を決定する。各吸収ラインにおける濃度は、ベールの 法則Ｉ／Ｉ₀＝ｅ^{- αCL}によって与えられる。但し、αはその種の吸収係数であり 、Ｃは濃度であり、Ｌはサンプル経路長である。実際には、ある波長範囲を測定 するとき、正味吸収量は正確にベールの法則に従うわけでわない。従って、前に 求めた較正係数に基づいて、強度比Ｉ／Ｉ₀から濃度を決定する。 上記のように、好ましくは、真空起動シャッターを用いて、本発明の上記４つ の光路のそれぞれを、供給源放射線が反復的に高速に連続して横断するようにし 、これにより、各測定間のずれが生じる機会を最小限に抑えながら、各信号を反 復的に測定および平均化することを可能にする。具体的には、各同位体について 、その同位体のＩ／Ｉ₀比から濃度測定を行い、各連続測定対の後に濃度の比（ 同 位体比）を求める。最後に、このようにして求めた多数の比を平均化することに より、そのサンプルの同位体比の単一の値を与える。 上記のように、異なる同位体についてＩ／Ｉ₀の値が大幅に異ならないように 、サンプル経路長を調節し得る。検出器での強度測定値から濃度への変換は、標 準的なコンピュータ分析方法によって、あるいは専用マイクロプロセッサによっ て容易に行うことができる。 Ｂ．クロストーク補正 別の同位体の吸収領域間にオーバーラップがある場合、一般にこのクロストー クの調節が必要である。本願においては、¹³ＣＯ₂／¹²ＣＯ₂比の測定についての このような調節を記載するが、他の分予の同位体間のクロストークを補正する際 にも同様の方法が適用できる。 図４に示すように、存在比が大きい方の同位体である¹²ＣＯ₂の４．２μ帯域 は存在比が小さい方の同位体である¹³ＣＯ₂のそれとオーバーラップする。上記 のように、狭い帯域幅フィルタを用いて、吸収測定について最小のオーバーラッ プを有する帯域の部分を選択することが可能である。好ましくは、¹²ＣＯ₂を測 定するための第１のビームは約４．１６μ〜４．３９μの間の波長範囲を有し、¹³ ＣＯ₂を測定するための第２のビームは約４．３０μ〜４．４８μの間の波長 範囲を有する。より好ましくは、第１のビームは約４．１６μ〜４．２４μの間 の波長範囲を有し、第２のビームは約４．３８μ〜４．４４μの間の波長範囲を 有する。 図４から分かるように、¹²ＣＯ₂／および¹³ＣＯ₂の典型的な相対存在比の場合 、これらの波長範囲は、４．３８μよりも大きな波長でのオーバーラップ領域を 含む。従って、¹³ＣＯ₂サンプル経路における吸収度に対する¹²ＣＯ₂の寄与を、 全体の吸収度から引くことによって、¹³ＣＯ₂のみに起因する吸収度を求める。 図５Ａおよび図５Ｂに示すように、この補正は、予め確立された較正曲線に基づ いて、¹²ＣＯ₂サンプル経路内の同じサンプルの吸収度からも計算され得る。実 際の較正曲線は、サンプル経路長の比および各装置のサンプル温度のようなファ クタに依存するので、図５に示す曲線は単に例示的な目的で示されるものである 。 図５Ａは、様々な¹²ＣＯ₂レベルについての、¹³ＣＯ₂光路中（下側の曲線）お よび¹²ＣＯ₂光路中（上側の曲線）の吸収の典型的な較正曲線を示す。０．７の 吸収度（１ｎ（Ｉ₀／Ｉ））値を与えるサンプルは、約５．０％の¹²ＣＯ₂に対応 し、これは、¹³ＣＯ₂の曲線から導出されるように、¹³ＣＯ₂光路中において約０ ．０４５の吸収度を生じる。図５Ｂは、この補正を¹³ＣＯ₂の測定に適用した場 合を示し、約０．０４５のクロストーク補正を¹³ＣＯ₂光路における吸収度測定 値から差し引いて、¹³ＣＯ₂の補正された百分率の値を導出している。無論、こ れらの補正は、標準的なコンピュータ分析によって自動的に行うことが可能であ る。 帯域通過フィルタを用いない場合、即ち、そのようなフィルタが任意に省略可 能である別々の同位体特異的放射線源の場合、放射線の波長範囲は、狭い領域で はなく、選択された同位体種の吸収帯域全体を含む。しかし、一般に、吸収帯域 の個々の線は、同位体種間で一致せず、認識可能な程度に放射線を吸収するのは 放射線源に対応するサンプル内の同位体のみである。しかし、依然としてクロス トークが生じる場合、上記と同様の補正を行って、一般には存在比が高い方の同 位体である干渉同位体からの寄与を排除し得る。 Ｃ．医療用途 上記のように、本発明による同位体比の測定は、多くの生物医学用途、特に診 断の分野に適用可能である。典型的な手順の場合、同位体標識された物質を被験 体に投与し、被験体の吐き出した呼気中の標識のレベルを測定することによって 、例えば、標識された物質の代謝の程度を決定する。 このような分析においては¹³ＣＯ₂／¹²ＣＯ₂比を測定する場合が多い。上記し たＨ−ピロリ感染のための尿素呼気テストに加えて、このような診断テストは、 例えば標識されたトリグリセリドの投与による、膵機能不全症（Watkins，1977, Kato）、標識されたオクタノン酸の投与による、胃内容物排出速度（Ghoos）、 脂肪吸収不良（Watkins，1997）、標識されたキシロースを用いる、小腸細菌異 常増殖（Solomons，King）、グルコース利用率（Lacroix）、澱粉利用率（Shulm an）、および肝硬変（Shreeve）についても記載されている。一般の肝機能不全 についてもいくつかのテストが記載されており、これらは一般に様々なＰ４５０ 酵素の活性を測定する。これらは、アミノピリンテスト（Mion）、カフェインテ スト（Lambert）およびエリスロマイシンテスト（Watkins，1990）を含む。 吐き出されたＣＯ₂は診断テストにおいて便利な媒体であるが、他の種の同位 体比の測定を利用したテストも記載されている。これらは、例えば、タンパク質 の代謝回転を測定する際の¹⁵Ｎの使用（Waterlow）、およびエネルギー消費を測 定する際の二重標識されたＨ₂Ｏの使用（Schoeller，1982）を含む。 本発明を特定の方法および実施形態を参照しながら説明したが、発明から逸脱 することなく様々な改変が可能であることが理解される。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ガス状サンプル中の分析物分子の第１および第２の同位体種の比を非分散Ｉ Ｒ分光により測定するための装置（１０）であって、 １つ以上のＩＲ放射線源（１２、４８、５０）と； 該ガス状サンプルを含有する少なくとも１つのサンプルセル（１４、１６）と ； 該分析物分子を有さない少なくとも１つの参照セル（１８、２０）と； １つ以上のＩＲ検出器（２６）と； 該単数または複数の検出器に入射する該放射線の４つの光路（２２、２４）を 提供する手段であって、該光路は、 サンプルセルを横断し、該第１の同位体種に特有の第１の波長範囲を有する 第１のサンプル経路（２４）と、 参照セルを横断し、該第１の同位体種に特有の第１の波長範囲を有する第１ の参照経路（２２）と、 サンプルセルを横断し、該第２の同位体種に特有の第２の波長範囲を有する 第２のサンプル経路と、 参照セルを横断し、該第２の同位体種に特有の第２の波長範囲を有する第２ の参照経路とを包含する、手段と； 該セルのそれぞれを通って放射線を指向する手段と； 放射線が該経路のそれぞれを高速に連続して横断することを有効に可能にする シャッター手段（３８、４０）と； 放射線を該経路のそれぞれから該単数または複数の検出器（２６）に指向する 手段と； を有することにより、 該経路から該単数または複数の検出器（２６）に入射する該放射線の強度の比 較によって、該同位体種の比が決定され得る、 装置。 ２．単一のＩＲ放射線源を有する、請求項１に記載の装置。 ３．単一の検出器を有する、請求項１に記載の装置。 ４．前記指向手段は、ＩＲ透明性のレンズ（２８、３０）を包含する、請求項１ に記載の装置。 ５．前記シャッター手段は、真空起動シャッター（３８、４０）である、請求項 １に記載の装置。 ６．前記提供する手段は、 前記第１のサンプル経路（２４）および前記第１の参照経路（２２）中に位置 された、該第１の経路から前記単数または複数の検出器（２６）に伝達されたＩ Ｒ放射線を、前記第１の同位体種に特有の狭い波長範囲に制限するために有効な 、１つ以上の帯域通過フィルタ（４４、４６）と； 前記第２のサンプル経路および前記第２の参照経路中に位置された、該第２の 経路から前記単数または複数の検出器（２６）に伝達されたＩＲ放射線を、前記 第２の同位体種に特有の狭い波長範囲に制限するために有効な、１つ以上の帯域 通過フィルタと； を有する、請求項１に記載の装置。 ７．２つのＩＲ放射線源（４８、５０）を有し、該源は、 前記分析物分子の前記第１の同位体種および該第１の同位体種を振動励起する 手段を有することにより、該第１の種に特有の１つ以上の周波数で該第１の同位 体種を放射線を放出させる、第１のスペクトル分解された源と； 前記分析物分子の前記第２の同位体種および該第２の同位体種を振動励起する 手段を有することにより、該第２の種に特有の１つ以上の周波数で該第２の同位 体種を放射線を放出させる、第２のスペクトル分解された源と； を有する、請求項１に記載の装置。 ８．前記同位体種は電子放電を介して振動励起される、請求項７に記載の装置。 ９．前記電子放電は電子的に変調される、請求項８に記載の装置。 １０．前記同位体種は外部熱源を介して振動励起される、請求項７に記載の装置 。 １１．前記ガス状サンプルを含有する第１のサンプルセルおよび前記分析物分子 を有さない第１の参照セルとからなる第１のセル対と、該ガス状サンプルを含有 する第２のサンプルセルおよび該分析物分子を有さない第２の参照セルとからな る第２のセル対と、を有する請求項１に記載の装置。 １２．前記ガス状サンプルが前記第１のサンプルセルおよび前記第２のサンプル セルにおいて等しい組成および圧力に維持されるように、前記サンプルセルのう ち一方に入り、該サンプルセルを接続し、該サンプルセルの他方を出るフロー経 路をさらに有する、請求項１１に記載の装置。 １３．前記分析物分子の前記第１の同位体種は、前記第２の同位体種よりも天然 存在度が大きく、前記第１のサンプルセルは長さＬ１を有し、前記第２のサンプ ルセルは長さＬ２を有し、かつＬ１＜Ｌ２である、請求項１１に記載の装置。 １４．前記セルは、セル温度を約０．１℃内に効果的に制御するエンクロージャ 中に含められている、請求項１に記載の装置。 １５．前記エンクロージャから周囲分析物分子を除去する手段をさらに有する、 請求項１４に記載の装置。 １６．前記分析物分子はＣＯ₂であり、前記第１の同位体種は¹²ＣＯ₂であり、前 記第２の同位体種は¹³ＣＯ₂である、請求項１に記載の装置。 １７．ガス状サンプル中の分析物分子の第１および第２の同位体種の比を非分散 ＩＲ分光により測定するための方法であって、 単数または複数のＩＲ検出器に入射する４つの光路（２２、２４）を介してＩ Ｒ放射線を伝達する工程であって、該光路は、 サンプルセルを横断し、該第１の同位体種に特有の第１の波長範囲を有する 第１のサンプル経路（２４）と、 参照セルを横断し、該第１の同位体種に特有の第１の波長範囲を有する第１ の参照経路（２２）と、 サンプルセルを横断し、該第２の同位体種に特有の第２の波長範囲を有する 第２のサンプル経路と、 参照セルを横断し、該第２の同位体種に特有の第２の波長範囲を有する第 ２の参照経路とを包含する、工程と； 該第１の同位体種の濃度を、該検出器が該第１の参照経路（２２）から受け取 る放射線の強度に対する該検出器（２６）が該第１のサンプル経路（２４）から 受け取る放射線の強度から決定する工程と； 該第２の同位体種の濃度を、該検出器が該第２の参照経路から受け取る放射線 の強度に対する該検出器が該第２のサンプル経路から受け取る放射線の強度から 決定する工程と； 該ガス状サンプル中の該同位体種の比を、該濃度から決定する工程と；を包含 する方法。 １８．前記光路（２２、２４）の各々は繰り返し高速で連続的に横断する、請求 項１７に記載の方法。 １９．前記光路は、 前記第１のサンプル経路（２４）および前記第１の参照経路（２２）中に、該 第１の経路から前記単数または複数の検出器（２６）に伝達されたＩＲ放射線を 前記第１の同位体種に特有の狭い波長範囲に制限するために有効な１つ以上の帯 域通過フィルタ（４４、４６）を位置させることと； 前記第２のサンプル経路および前記第２の参照経路中に、該第２の経路から前 記単数または複数の検出器に伝達されたＩＲ放射線を前記第２の同位体種に特有 の狭い波長範囲に制限するために有効な１つ以上の帯域通過フィルタを位置させ ることと； によって提供される、請求項１７に記載の方法。 ２０．前記光路は、 前記第１の同位体種を振動励起することにより、該第１の種に特有の１つ以上 の周波数で該第１の同位体種を放射線を放出させ、該放射線をサンプルセルおよ び参照セルを通って指向することにより、該第１のサンプル経路および該第１の 参照経路を提供することと； 前記第２の同位体種を振動励起することにより、該種に特有の１つ以上の周波 数で該第２の同位体種を放射線を放出させ、該放射線をサンプルセルおよび参照 セルを通って指向することにより、該第２のサンプル経路および該第２の参照経 路を提供することと； によって提供される、請求項１７に記載の方法。 ２１．一方の同位体種の、他方の同位体種に特有の波長範囲における吸収に起因 するクロストークの補正を行う工程をさらに包含する、請求項１７に記載の方法 。 ２２．前記分析物分子はＣＯ₂であり、前記第１の同位体種は¹²ＣＯ₂であり、前 記第２の同位体種は¹³ＣＯ₂である、請求項１７に記載の方法。 ２３．呼気分析に用いられる請求項１７に記載の方法であって、前記ガス状サン プルは、同位体標識物質を予め投与した被験体の呼気を含む、方法。