JP7371888B2 - Carbon isotope analysis device for plant sample analysis and carbon isotope analysis method for plant sample analysis using the same - Google Patents
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Description
本発明は、植物試料分析用炭素同位体分析装置及びそれを用いた植物試料分析用炭素同位体分析方法に関する。 The present invention relates to a carbon isotope analysis device for plant sample analysis and a carbon isotope analysis method for plant sample analysis using the same.
炭素同位体は、従来より炭素循環に基づく環境動態評価や年代測定による歴史学の実証研究など、文理に渡る広範な応用展開がなされている。炭素同位体は、地域・環境によりわずかに異なるものの、安定同位体元素である12Cと13Cはそれぞれ98.89%と1.11%、放射性同位体14Cは1×10-10%天然に存在している。同位体は重量の相違があるだけで、化学的には同じ挙動を示すため、存在比の低い同位体の濃度を人工的な操作により高くし、精度よく測定を行うことで様々な反応過程の観測が可能となる。 Carbon isotopes have been used in a wide range of applications across the humanities and sciences, including environmental dynamic assessments based on the carbon cycle and historical empirical research using dating. Carbon isotopes vary slightly depending on region and environment, but the stable isotopes 12C and 13C are 98.89% and 1.11%, respectively, and the radioactive isotope 14C is 1x10 -10 % naturally occurring. exists in Isotopes differ only in weight, but chemically they behave in the same way. Therefore, by artificially increasing the concentration of isotopes with a low abundance ratio and performing accurate measurements, it is possible to investigate various reaction processes. Observation becomes possible.
14Cトレーサーは医学・薬学における応用の他、植物、特に穀物や野菜などの作物において、植物生理学上重要な様々な動態を評価する有用なツールとして使用されている。例えば、米国・カリフォルニア大のM. Calvinらの研究グループは14CO2を光合成により植物に吸収させ、その科学的反応過程を解明した(例えば、非特許文献1参照。)。本研究により解明された過程はカルビン回路と呼ばれ、1961年にノーベル化学賞を受賞している。
このような植物生理学における14Cトレーサー応用においては、基本的に放射線計測に基づく手法が用いられてきた。例えば、植物に投与された14C由来のβ線を、生体活動を停止することなくイメージング(ライブイメージング)するシステムが東京大学・田野井らの研究グループにより開発されている(例えば、非特許文献2参照。)。
一方で、イメージングプレートによるイメージング手法は、動態を視覚的に評価できる強力な手段である一方で、14Cからのβ線エネルギーが弱いため、植物体内で吸収されてしまうため、測定感度が低く、定量分析は難しい。
In addition to applications in medicine and pharmacy, 14 C tracers are used as useful tools for evaluating various dynamics important in plant physiology in plants, particularly in crops such as grains and vegetables. For example, a research group led by M. Calvin et al. at the University of California in the United States caused plants to absorb 14 CO 2 through photosynthesis and elucidated the scientific reaction process (see, for example, Non-Patent Document 1). The process elucidated through this research is called the Calvin Cycle, and was awarded the Nobel Prize in Chemistry in 1961.
In such applications of 14 C tracers in plant physiology, methods based on radiation measurement have basically been used. For example, a research group led by Tanoi et al. at the University of Tokyo has developed a system that images (live imaging) 14 C-derived beta rays administered to plants without stopping their biological activities (for example, non-patent document 2). reference.).
On the other hand, while the imaging method using an imaging plate is a powerful means for visually evaluating dynamics, the β-ray energy from 14 C is weak and is absorbed within the plant body, resulting in low measurement sensitivity. Quantitative analysis is difficult.
従来提案されている14C分析法としては、液体シンシチレーションカウンティング法(liquid Scintillation Counting、以下「LSC」ともいう)と、加速器質量分析法(Accelerator Mass Spectrometry、以下「AMS」ともいう)とが挙げられる。 Conventionally proposed 14C analysis methods include liquid scintillation counting (hereinafter also referred to as "LSC") and accelerator mass spectrometry (hereinafter also referred to as "AMS"). Can be mentioned.
LSCは、テーブルトップサイズの比較的小型な装置であるため簡便かつ迅速な分析が可能である。しかし、LSCで植物試料を測定する際、前処理なく有機溶剤に植物試料を入れると、溶液が着色し、シンチレーション光の計数が減少するという問題(カラークエンチング)があった。またLSCの14Cの検出限界濃度が10dpm/mLと高いため検出感度に制限があったため、少量のサンプルで測定することが困難であった。 Since LSC is a relatively small device of table top size, simple and rapid analysis is possible. However, when measuring a plant sample with LSC, if the plant sample is placed in an organic solvent without pretreatment, the solution becomes colored and the number of scintillation light decreases (color quenching). Furthermore, the detection limit concentration of 14 C in LSC is as high as 10 dpm/mL, which limits detection sensitivity, making it difficult to measure with a small amount of sample.
一方、AMSは14Cの検出限界濃度が0.001dpm/mLと低く、LSCの14Cの検出限界濃度の1000倍以上低いため検出感度が高く使用に耐えうるが、装置が大きくしかも高額であるためその利用が制限されていた。このAMSの課題を解決する手段としていくつかの技術が提案されているが(例えば、非特許文献3、特許文献1参照。)、キャビティーリングダウン分光法(Cavity Ring-Down Spectroscopy、以下「CRDS」ともいう)による14C分析が実証されたものの、利用された4.5μm帯レーザー光発生装置は極めて複雑な構造であったため、より簡易で使い勝手のよい14Cの分析装置及び分析方法が求められていた。また植物試料の分析を意識した構造ではなかった。
以上より、簡易な構造でありながら、複雑な前処理を行うことなく感度よく分析できる、植物試料の分析に適した炭素同位体分析装置及びそれを用いた炭素同位体分析方法が求められていた。
On the other hand, AMS has a detection limit concentration of 14 C as low as 0.001 dpm/mL, which is more than 1000 times lower than LSC's detection limit concentration of 14 C, so it has high detection sensitivity and can be used, but the device is large and expensive. Therefore, its use was restricted. Several techniques have been proposed as means to solve this AMS problem (for example, see Non-Patent
Based on the above, there was a need for a carbon isotope analyzer suitable for analyzing plant samples and a carbon isotope analysis method using the same, which has a simple structure but can perform sensitive analysis without complicated pretreatment. .
本発明は以下の内容に関する。
[1]植物試料用14CO2光合成ラベリングシステムと、植物試料分析用炭素同位体分析装置と、を有し、植物試料分析用炭素同位体分析装置は、14Cから14CO2を含むガスを生成する燃焼部を備える二酸化炭素同位体生成装置と、光発生装置と、1対のミラーを有する光共振器、光共振器からの透過光の強度を検出する光検出器を備える分光装置と、を備え、
14
CO
2
ガスを発生させるバイアルと、発生したガスを蓄積させるサンプルバッグと、植物試料が導入されるデシケータと、循環ポンプと、バイアルとサンプルバッグを接続する第1配管と、サンプルバッグとデシケータを接続する第2配管と、循環ポンプを介してサンプルバッグとデシケータを接続する第3配管と、を有し、サンプルバッグの体積はデシケータの体積に対して小さく、まず、第1配管から第3配管までのうち第1配管のみを開いてバイアルで発生させた
14
CO
2
ガスをサンプルバッグに蓄積させ、その後、第1配管から第3配管までのうち第2配管のみを開いてデシケータ内に
14
CO
2
ガスを充満させ、その後、第1配管から第3配管までのうち第2配管および第3配管を開いて循環ポンプによりサンプルバッグとデシケータ間でガスを循環させる、植物試料分析用システム。
[2]燃焼部は、重力方向に対して略直交して配置された燃焼炉と、試料ボートと、キャリアガス供給用タンクと、除湿装置と、を備える、[1]に記載の植物試料分析用システム。
[3]二酸化炭素同位体生成装置と分光装置の間に配置された、 14
CO
2 の凍結用冷却装置を備える二酸化炭素同位体トラップをさらに備える、[1]または[2]に記載の植物
試料分析用システム。
[4]光発生装置は、光源と、光源からの光のオンオフを制御する光スイッチと、光スイッチからの光を反射して光スイッチに光を送り返すミラーとを備える、[1]~[3]のいずれかに記載の植物試料分析用システム。
[5]光スイッチは音響光学変調器である、[4]に記載の植物試料分析用システム。
[6]光発生装置は、光源からの光を分岐させる分岐手段、分岐手段からの光を集光する集光レンズ、集光レンズからの光を反射して集光レンズと分岐手段を介して光源に光を送り返すミラーを備える、[4]または[5]に記載の植物試料分析用システム。
[7]光源は、光周波数コム光を発生する[4]~[6]のいずれか1つに記載の植物試料分析用システム。
[8]光源は、ファイバーレーザーである[4]~[7]のいずれか1つに記載の植物試料分析用システム。
[9]光源は、中赤外量子カスケードレーザーである[4]~[6]のいずれか1つに記載の植物試料分析用システム。
[10]光源は、主光源としての中赤外量子カスケードレーザーと、1つの光の周波数領域が4500nm~4800nmである線幅の狭い光の束からなる光コムを発生させる光コム源、主光源からの光と光コム源からの光の周波数差により生じるビート信号を測定する光検出器、を備えるビート信号測定機と、を備える、[4]~[6]のいずれか1つに記載の植物試料分析用システム。
[11]植物試料の14CO2光合成ラベリング方法を用いて植物試料を光合成させ、植物試料を14Cで標識する工程と、植物試料中の14Cから14CO2を生成する工程と、14CO2を光共振器内に充填する工程と、光共振器内に14CO2に対する吸収波長を有する照射光を照射する工程と、14CO2に照射光を照射し共振させた際に得られる透過光の強度を測定する工程と、透過光の強度から14C濃度を計算する工程と、を有し、植物試料の
14
CO
2
光合成ラベリング方法は、バイアル中に
14
CO
2
ガスを発生させる工程と、発生させた
14
CO
2
ガスをサンプルバッグに蓄積させる工程と、植物試料が導入され、サンプルバッグよりも体積の大きいデシケータ内に、サンプルバッグからの
14
CO
2
ガスを充満させる工程と、サンプルバッグとデシケータ間でガスを循環させる工程と、を有する植物試料分析用炭素同位体分析方法。
[12]照射光を照射する工程と、透過光の強度を測定する工程の間に、光源からの光を光スイッチに導入し、光スイッチから出た光を光スイッチに送り返して光のオンオフを制御する工程をさらに備える、[11]に記載の植物試料分析用炭素同位体分析方法。
[13]照射光として、複数の光を非線形光学結晶に通過させることにより周波数の差から波長4.5μm~4.8μm帯の中赤外域光周波数の光コムを発生させる、[11]または[12]に記載の植物試料分析用炭素同位体分析方法。
The present invention relates to the following contents.
[1] It has a 14 CO 2 photosynthesis labeling system for plant samples and a carbon isotope analyzer for analyzing plant samples, and the carbon isotope analyzer for analyzing plant samples detects gas containing 14 C to 14 CO 2 a carbon dioxide isotope generating device including a combustion unit that generates a carbon dioxide isotope, a light generating device, an optical resonator having a pair of mirrors, and a spectroscopic device including a photodetector that detects the intensity of transmitted light from the optical resonator. , a vial for generating 14
[2] The plant sample analysis according to [1] , wherein the combustion section includes a combustion furnace arranged substantially perpendicular to the direction of gravity, a sample boat, a carrier gas supply tank, and a dehumidifier. System for.
[3] The plant sample according to [1] or [2] , further comprising a carbon dioxide isotope trap equipped with a cooling device for freezing 14 CO 2 , disposed between the carbon dioxide isotope generating device and the spectroscopic device. Analytical system.
[4] The light generating device includes a light source, an optical switch that controls on/off of the light from the light source, and a mirror that reflects the light from the optical switch and sends the light back to the optical switch, [1] to [3 ] ] The plant sample analysis system according to any one of the above.
[5] The plant sample analysis system according to [4] , wherein the optical switch is an acousto-optic modulator.
[6] The light generating device includes a branching means for branching the light from the light source, a condensing lens for condensing the light from the branching means, and a condensing lens for reflecting the light from the condensing lens and passing it through the condensing lens and the branching means. The plant sample analysis system according to [4] or [5] , comprising a mirror that sends light back to the light source.
[7] The plant sample analysis system according to any one of [4] to [6], wherein the light source generates optical frequency comb light.
[8] The plant sample analysis system according to any one of [4] to [7], wherein the light source is a fiber laser.
[9] The plant sample analysis system according to any one of [4] to [6], wherein the light source is a mid-infrared quantum cascade laser.
[10] The light source includes a mid-infrared quantum cascade laser as the main light source, an optical comb source that generates an optical comb consisting of a bundle of light with a narrow line width in the frequency range of 4500 nm to 4800 nm, and a main light source. A beat signal measuring device according to any one of [4] to [6] , comprising a photodetector that measures a beat signal caused by a frequency difference between the light from the optical comb source and the light from the optical comb source. System for plant sample analysis.
[11] A step of photosynthesizing the plant sample using a 14 CO 2 photosynthesis labeling method of the plant sample and labeling the plant sample with 14 C, and a step of generating 14 CO 2 from the 14 C in the plant sample; A step of filling CO 2 into an optical resonator, a step of irradiating the optical resonator with irradiation light having an absorption wavelength for 14 CO 2 , and a step of irradiating 14 CO 2 with irradiation light and causing it to resonate. The 14 CO 2 photosynthesis labeling method for plant samples includes the steps of measuring the intensity of transmitted light and calculating the 14 C concentration from the intensity of the transmitted light, and includes the steps of generating 14 CO 2 gas in a vial. a step of accumulating the generated 14
[12] Between the process of irradiating the irradiation light and the process of measuring the intensity of the transmitted light, the light from the light source is introduced into the optical switch, and the light emitted from the optical switch is sent back to the optical switch to turn the light on and off. The carbon isotope analysis method for plant sample analysis according to [11] , further comprising a controlling step.
[13] As irradiation light, a plurality of lights are passed through a nonlinear optical crystal to generate an optical comb with a mid-infrared optical frequency in the wavelength band of 4.5 μm to 4.8 μm from the difference in frequency, [11] or [ 12] carbon isotope analysis method for plant sample analysis.
本発明によれば、簡易な構造でありながら、複雑な前処理を行うことなく感度よく分析できる、植物試料の分析に適した炭素同位体分析装置及びそれを用いた炭素同位体分析方法が提供される。また上記炭素同位体分析装置と、14CO2光合成ラベリングシステムとを備える植物試料分析用システムが提供される。 According to the present invention, there is provided a carbon isotope analyzer suitable for analyzing plant samples and a carbon isotope analysis method using the same, which has a simple structure and can be analyzed with high sensitivity without complicated pretreatment. be done. Furthermore, a system for analyzing plant samples is provided, which includes the above carbon isotope analyzer and a 14 CO 2 photosynthesis labeling system.
以下に、実施形態を挙げて本発明の説明を行うが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。図中同一の機能又は類似の機能を有するものについては、同一又は類似の符号を付して説明を省略する。但し、図面は模式的なものである。したがって、具体的な寸法等は以下の説明を照らし合わせて判断されるべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。 The present invention will be described below with reference to embodiments, but the present invention is not limited to the following embodiments. Components having the same or similar functions in the drawings are designated by the same or similar reference numerals, and the description thereof will be omitted. However, the drawings are schematic. Therefore, specific dimensions, etc. should be determined in light of the following description. Furthermore, it goes without saying that the drawings include portions with different dimensional relationships and ratios.
[植物試料分析用炭素同位体分析装置の第1の態様]
分析対象として、炭素同位体である放射性同位体14Cを例にあげて、炭素同位体分析装置を説明する。なお、放射性同位体14Cから生成される二酸化炭素同位体14CO2の吸収波長を有する光は4.5μm帯の光である。詳細は後述するが、測定対象物質の吸収線、光発生装置、及び光共振器モードの複合による選択性により、高感度化を実現することが可能となる。
[First aspect of carbon isotope analyzer for plant sample analysis]
The carbon isotope analyzer will be explained using the radioactive isotope 14C , which is a carbon isotope, as an example of an analysis target. Note that the light having the absorption wavelength of the carbon dioxide isotope 14 CO 2 generated from the radioactive isotope 14 C is light in the 4.5 μm band. Although the details will be described later, it is possible to achieve high sensitivity by combining the absorption line of the substance to be measured, the light generating device, and the optical resonator mode with selectivity.
本明細書において「炭素同位体」とは、特に断りのない限り安定炭素同位体12C、13C、及び放射性炭素同位体14Cを意味する。また、単に元素記号「C」と表示される場合、天然存在比での炭素同位体混合物を意味する。
酸素の安定同位体は16O、17O及び18Oが存在するが、元素記号「O」と表示される場合、天然存在比での酸素同位体混合物を意味する。
「二酸化炭素同位体」とは、特に断りのない限り12CO2、13CO2及び14CO2を意味する。また、単に「CO2」と表示される場合、天然存在比の炭素及び酸素同位体により構成される二酸化炭素分子を意味する。
As used herein, "carbon isotope" means stable carbon isotopes 12 C, 13 C, and radioactive carbon isotope 14 C, unless otherwise specified. In addition, when the element symbol "C" is simply displayed, it means a mixture of carbon isotopes in their natural abundance ratios.
Stable isotopes of oxygen include 16 O, 17 O, and 18 O, and when the element symbol "O" is displayed, it means a mixture of oxygen isotopes at the naturally occurring ratio.
"Carbon dioxide isotope" means 12 CO 2 , 13 CO 2 and 14 CO 2 unless otherwise specified. In addition, when simply expressed as "CO 2 ", it means a carbon dioxide molecule composed of carbon and oxygen isotopes in naturally occurring proportions.
図1は炭素同位体分析装置の概念図である。図2は二酸化炭素同位体生成装置と二酸化炭素同位体トラップの概念図である。
炭素同位体分析装置1は、二酸化炭素同位体生成装置40と、光発生装置20と、二酸化炭素同位体トラップ60と、分光装置10と、さらに演算装置30とを備える。
二酸化炭素同位体生成装置40は、炭素同位体から二酸化炭素同位体を含むガスを生成する燃焼部と、二酸化炭素同位体精製部とを備える。
分光装置10は、1対のミラー12a,12bを有する光共振器11と、光共振器11からの透過光の強度を検出する光検出器15とを備える。
FIG. 1 is a conceptual diagram of a carbon isotope analyzer. FIG. 2 is a conceptual diagram of a carbon dioxide isotope generator and a carbon dioxide isotope trap.
The
The carbon dioxide
The
〈二酸化炭素同位体生成装置〉
二酸化炭素同位体生成装置40は、炭素同位体を二酸化炭素同位体に変換可能であれば特に制限されることなく種々の装置を用いることができる。二酸化炭素同位体生成装置40としては、試料を酸化させ、試料中に含まれる炭素を二酸化炭素にする機能を有していることが好ましい。例えば全有機炭素(total organic carbon 以下「TOC」という)発生装置、ガスクロマトグラフィー用の試料ガス発生装置、燃焼イオンクロマトグラフィー用の試料ガス発生装置、元素分析装置(Elemental Analyzer:EA)等の二酸化炭素生成装置(G)41を用いることができる。植物試料の燃焼を考慮すると、後述するような、燃焼部が重力方向に対して略直行して配置されているものを用いることが好ましい。
<Carbon dioxide isotope generator>
The carbon dioxide
図3に、273K、CO2分圧20%、CO分圧1.0×10-4%、N2O分圧3.0×10-8%の条件下における14CO2と競合ガス13CO2,CO,及びN2Oの4.5μm帯吸収スペクトルを示す。
前処理後の生体試料を燃焼させることにより、二酸化炭素同位体14CO2(以下、「14CO2」ともいう)を含むガスを生成できる。しかし、14CO2の発生と共に、CO、N2Oといった夾雑ガスも発生する。これらCO、N2Oは、図2に示すように、それぞれ4.5μm帯の吸収スペクトルを有するので、14CO2が有する4.5μm帯の吸収スペクトルと競合する。そのため、分析感度を向上させるために、CO、N2Oを除去することが好ましい。
CO、N2Oの除去方法としては、以下のように14CO2を捕集・分離する方法が挙げられる。また、酸化触媒や白金触媒により、CO、N2Oを除去・低減する方法、及び前記捕集・分離方法との併用が挙げられる。
Figure 3 shows 14 CO 2 and competing gas 13 CO under the conditions of 273 K, CO 2
By burning the pretreated biological sample, a gas containing the carbon dioxide isotope 14 CO 2 (hereinafter also referred to as " 14 CO 2 ") can be generated. However, along with the generation of 14 CO 2 , contaminant gases such as CO and N 2 O are also generated. As shown in FIG. 2, these CO and N 2 O each have an absorption spectrum in the 4.5 μm band, so they compete with the absorption spectrum in the 4.5 μm band that 14 CO 2 has. Therefore, in order to improve analytical sensitivity, it is preferable to remove CO and N 2 O.
Examples of methods for removing CO and N 2 O include a method of collecting and separating 14 CO 2 as described below. Other examples include a method of removing and reducing CO and N 2 O using an oxidation catalyst or a platinum catalyst, and a combination with the above-mentioned collection and separation method.
(i)加熱脱着カラムによる14CO2の捕集・分離
二酸化炭素同位体生成装置は、燃焼部と、二酸化炭素同位体精製部と、を備えることができる。燃焼部は、燃焼管と、燃焼管を加熱可能とする加熱部と、を備えることができる。燃焼管は、試料を内部に収容可能に耐熱性ガラス(石英ガラス等)で構成され、燃焼管の一部に試料導入口が形成されていることが好ましい。燃焼管は試料導入口の他に、キャリアガスを燃焼管に導入可能にキャリアガス導入口を形成してもよい。なお、燃焼管の一部に試料導入口等を設ける態様の他にも、燃焼管の一端に燃焼管とは別部材で試料導入部を形成し、試料導入部に試料導入口やキャリアガス導入口を形成する構成としてもよい。
加熱部としては、燃焼管を内部に配置可能とし燃焼管を加熱可能とする、管状電気炉といった電気炉が挙げられる。管状電気炉の例としては、ARF-30M(アサヒ理化製作所)が挙げられる。
また、燃焼管は、キャリアガス流路の下流側に、少なくとも一種類の触媒を充填させた酸化部及び/又は還元部を具備することが好ましい。酸化部及び/又は還元部は、燃焼管の一端に設けてもよいし、別部材として設けてもよい。酸化部に充填する触媒として、酸化銅、銀・酸化コバルト混合物が例示できる。酸化部において、試料の燃焼により発生したH2、COをH2O、CO2に酸化することが期待できる。還元部に充填する触媒として、還元銅、白金触媒が例示できる。還元部において、N2Oを含む窒素酸化物(NOX)をN2に還元することが期待できる。
二酸化炭素同位体精製部としては、生体試料の燃焼により生じたガス中の14CO2を、ガスクロマトグラフィ(GC)で用いられるような、加熱脱着カラム(CO2捕集カラム)を用いることができる。これにより14CO2を検出する段階でCO、N2Oの影響を軽減あるいは除去できる。またGCカラムに14CO2を含むCO2ガスが一時捕集されることで、14CO2の濃縮が見込まれるので、14CO2の分圧の向上が期待できる。
(ii)14CO2吸着剤による14CO2のトラップ、再放出による14CO2の分離
二酸化炭素同位体生成装置40bは、燃焼部と、二酸化炭素同位体精製部と、を備えることが好ましい。燃焼部は、上述と同様に構成することができる。
二酸化炭素同位体精製部としては、14CO2吸着剤、例えばソーダ石灰や水酸化カルシウム等を用いることができる。これにより、14CO2を炭酸塩の形で単離することで夾雑ガスの問題を解消できる。炭酸塩として14CO2を保持するので、サンプルを一時保存することも可能である。なお、再放出にはリン酸を用いることができる。
(i),(ii)のいずれか、あるいは両構成を備えることで、夾雑ガスを除去できる。
(iii)14CO2の濃縮(分離)
生体試料の燃焼により発生した14CO2は配管内で拡散する。そのため、14CO2を吸着剤に吸着させ濃縮することにより、検出感度(強度)を向上させてもよい。かかる濃縮によりCO、N2Oから14CO2の分離も期待できる。
(i) Collection and separation of 14 CO 2 using thermal desorption column The carbon dioxide isotope generator can include a combustion section and a carbon dioxide isotope purification section. The combustion section can include a combustion tube and a heating section that can heat the combustion tube. Preferably, the combustion tube is made of heat-resistant glass (such as quartz glass) so as to be able to accommodate a sample therein, and a sample inlet is formed in a portion of the combustion tube. In addition to the sample introduction port, the combustion tube may have a carrier gas introduction port so that carrier gas can be introduced into the combustion tube. In addition to providing a sample inlet or the like in a part of the combustion tube, a sample inlet may be formed at one end of the combustion tube using a separate member from the combustion tube, and the sample inlet or carrier gas may be introduced into the sample inlet. It may also be configured to form a mouth.
Examples of the heating section include an electric furnace such as a tubular electric furnace, which can have a combustion tube disposed therein and can heat the combustion tube. An example of a tubular electric furnace is ARF-30M (Asahi Rika Seisakusho).
Further, the combustion tube preferably includes an oxidizing section and/or a reducing section filled with at least one type of catalyst on the downstream side of the carrier gas flow path. The oxidizing section and/or the reducing section may be provided at one end of the combustion tube, or may be provided as separate members. Examples of the catalyst to be filled in the oxidizing section include copper oxide and a mixture of silver and cobalt oxide. In the oxidizing section, it is expected that H 2 and CO generated by combustion of the sample will be oxidized into H 2 O and CO 2 . Examples of the catalyst to be filled in the reduction section include reduced copper and platinum catalysts. In the reduction section, it is expected that nitrogen oxides (NO x ) containing N 2 O will be reduced to N 2 .
As the carbon dioxide isotope purification unit, a thermal desorption column (CO 2 collection column) such as that used in gas chromatography (GC) can be used to collect 14 CO 2 in the gas generated by combustion of a biological sample. . Thereby, the influence of CO and N 2 O can be reduced or eliminated at the stage of detecting 14 CO 2 . Further, by temporarily collecting CO 2 gas containing 14 CO 2 in the GC column, concentration of 14 CO 2 can be expected, and therefore an improvement in the partial pressure of 14 CO 2 can be expected.
(ii) Trapping of 14 CO 2 by 14 CO 2 adsorbent and separation of 14 CO 2 by re-emission The carbon
As the carbon dioxide isotope purification section, a 14 CO 2 adsorbent such as soda lime or calcium hydroxide can be used. Thereby, the problem of contaminant gas can be solved by isolating 14 CO 2 in the form of carbonate. Since it retains 14 CO 2 as carbonate, it is also possible to temporarily store the sample. Note that phosphoric acid can be used for re-release.
Contaminant gas can be removed by providing either (i) or (ii) or both configurations.
(iii) Concentration (separation) of 14 CO2
14 CO 2 generated by combustion of the biological sample diffuses within the pipe. Therefore, detection sensitivity (intensity) may be improved by adsorbing 14 CO 2 to an adsorbent and concentrating it. Such concentration can also be expected to separate 14 CO 2 from CO and N 2 O.
図2は二酸化炭素同位体生成装置40と二酸化炭素同位体トラップ60の一態様の概念図である。二酸化炭素同位体生成装置40Aは、重力方向に対して略直行して(画面のX方向に沿って)配置された燃焼炉40aと、試料ボート40bと、キャリアガス供給用タンク40cと、除湿装置40dとを備える。二酸化炭素同位体生成装置40Aは、さらにオートサンプラーを備えてもよい。
燃焼炉としては燃焼温度が900℃程度であるものを用いることができる。試料ボートとしてはアルミナ製のものを用いることができる。除湿装置40dとしては特に制限なく種々のものを用いることができるが、例えばメンブレンドライヤ―を用いることができる。
試料ボートに試料を入れ、それらを燃焼炉に挿入することで測定が開始される。燃焼炉から発生したCO2ガスは、キャリアガス(純酸素)によって運ばれ、除湿装置を通過した後に光共振器11に導入される。
EAの燃焼炉は縦向きに配置されており、上部の試料ポートから下の炉に自由落下させることで試料を燃焼させる。そのため、植物試料のような周囲に散逸する可能性の高い試料については、液状試料同様、炉温度(900℃)に対して融点の十分低い錫カプセル(融点: 約230℃)等に挿入する必要がある。植物の測定においては、部位ごとの差異を平均化するために裁断・粉末化される場合が多く、比較的柔らかい錫カプセルに重さを計量済みの植物粉末を全て確実に挿入するのが困難であり熟練の技術が必要となる。ところが、図2の二酸化炭素同位体生成装置40Aのような構成とすることで、作業負担の軽減と、試料導入の確実性が向上する。
FIG. 2 is a conceptual diagram of one embodiment of the carbon
As the combustion furnace, one having a combustion temperature of about 900° C. can be used. As the sample boat, one made of alumina can be used. As the
Measurements begin by placing samples in the sample boat and inserting them into the combustion furnace. The CO 2 gas generated from the combustion furnace is carried by a carrier gas (pure oxygen) and introduced into the
The EA combustion furnace is arranged vertically, and the sample is combusted by free-falling from the upper sample port to the lower furnace. Therefore, for samples that are likely to dissipate into the surroundings, such as plant samples, it is necessary to insert them into a tin capsule (melting point: approximately 230°C), etc., which has a melting point sufficiently low compared to the furnace temperature (900°C), just like liquid samples. There is. When measuring plants, they are often cut and powdered to average out differences between parts, making it difficult to reliably insert all weighed plant powder into a relatively soft tin capsule. Yes, skilled technique is required. However, by adopting a configuration like the carbon dioxide isotope generating apparatus 40A shown in FIG. 2, the workload can be reduced and the reliability of sample introduction can be improved.
[確認実験]
二酸化炭素同位体生成装置40AとEAの大きく異なる点として加熱吸脱着カラムが存在しないことが挙げられる。しかし、体系にCO2濃縮機構としてCO2トラップが導入されていることから、CO2が時間パルス的に発生するので測定に大きな支障はない。測定に支障が出ないことを示すために以下のような実験を行った。
図1、図2に示すような装置を用意し、DFB-QCLの波長を13CO2吸収ピークに固定した。そして、(a)標準グルコース水溶液2.5mg/50μL、(b)固体状の標準グルコース約2.5mg、(c)トウモロコシ茎葉部粉末試料約2mgを導入した。その後、CO2が発生しCRDS分析セルに到達する時間プロファイルを評価した。この時、CO2トラップの体系は導入されたが、液体窒素には浸していない。また、カラムの温度上昇に代わるバルブ開閉のトリガーとして、試料が炉に挿入されるタイミングを取得し、開始時間とした。得られた結果を図4に示す。図中、横軸は試料導入からの時間、縦軸はCRDS分析セルにおける13CO2吸収量であり、セル中CO2濃度に依存する。
この結果より、いずれの試料の場合も、時間パルス的にCO2が発生することが分かった。一方で、その到達タイミングには液体と固体で約10秒程度差異が生じ、また、同じ固体であってもグルコースとトウモロコシ茎葉部ではそのピーク形状に差異が見られた。これは、試料の組成や形状(粒子径など)、熱伝達の違いにより、燃焼炉でのCO2発生時間プロファイルが異なるためと考えられる。このようなタイミングや形状の差異は、固体試料燃焼装置後段のCO2トラップに対して十分小さく、測定に対しては大きな影響はない。また、EAと比較するとCRDS分析セルにて測定された時間プロファイルのピークの幅が広くなった。
これは加熱吸脱着カラムが存在しないことに起因しているもので、炉における燃焼の時間的な分布がそのまま観測されているものとして妥当である。以上から、固体試料燃焼装置を接続することで、これまでに開発された14CCRDS分析システムによって植物試料中CO2を分析可能であることが明らかとなった。
[Confirmation experiment]
A major difference between the carbon dioxide isotope generator 40A and EA is that there is no heated adsorption/desorption column. However, since a CO 2 trap is introduced into the system as a CO 2 concentration mechanism, CO 2 is generated in a time pulse, so there is no major problem in measurement. The following experiment was conducted to demonstrate that there was no problem with measurement.
An apparatus as shown in FIGS. 1 and 2 was prepared, and the wavelength of DFB-QCL was fixed at the 13 CO 2 absorption peak. Then, (a) 2.5 mg/50 μL of a standard glucose aqueous solution, (b) about 2.5 mg of solid standard glucose, and (c) about 2 mg of a corn stover powder sample were introduced. The time profile of CO2 generation and arrival at the CRDS analysis cell was then evaluated. At this time, a CO 2 trap system was installed, but it was not immersed in liquid nitrogen. In addition, the timing at which the sample was inserted into the furnace was obtained as a trigger for valve opening and closing in place of the column temperature rise, and was taken as the start time. The obtained results are shown in FIG. In the figure, the horizontal axis represents the time from sample introduction, and the vertical axis represents the amount of 13 CO 2 absorbed in the CRDS analysis cell, which depends on the CO 2 concentration in the cell.
From this result, it was found that CO 2 was generated in a time pulse manner in all samples. On the other hand, there was a difference of about 10 seconds between the liquid and the solid in the arrival timing, and a difference in peak shape was observed between glucose and corn stover even though they were the same solid. This is thought to be because the CO 2 generation time profile in the combustion furnace differs due to differences in sample composition, shape (particle size, etc.), and heat transfer. Such differences in timing and shape are sufficiently small for the CO 2 trap at the latter stage of the solid sample combustion device, and do not have a large effect on measurements. Moreover, compared to EA, the width of the peak of the time profile measured with the CRDS analysis cell became wider.
This is due to the absence of a heated adsorption/desorption column, and is reasonable as the temporal distribution of combustion in the furnace is observed as is. From the above, it has become clear that CO 2 in plant samples can be analyzed using the 14 CCRDS analysis system developed so far by connecting the solid sample combustion device.
〈二酸化炭素同位体トラップ〉
図2に示すように、二酸化炭素同位体トラップ60は、二酸化炭素同位体生成装置40から分光装置10へ二酸化炭素同位体を送り込むガス供給管69aと、ガス供給管69の上流側に配置されたバルブ66aと、U字状のトラップ管61と、ガス供給管69の下流側に配置されたバルブ66bと、ガス供給管69aからバルブ66aで分岐し光共振器11と連通したガス供給管69bと、ガス供給管69aおよび共振器11を陰圧にするためのポンプPと、共振器11とポンプPの間のガス供給管69b上に配置されたバルブ66cと、トラップ管61を冷却するための液体窒素65を内部に充填可能なデュワー瓶63とを備える。
ポンプPを作動させつつ、バルブ66a~66cの開閉を制御することで、二酸化炭素同位体生成装置で生成された二酸化炭素同位体の光共振器11内への導入制御が可能となる。
二酸化炭素同位体アブソーバー68は、二酸化炭素同位体が、大気解放による被ばくが生じないように炭酸カルシウムとして14CO2をトラップするのに用いられる。
<Carbon dioxide isotope trap>
As shown in FIG. 2, the carbon
By controlling the opening and closing of the
Carbon
〈分光装置〉
図1に示すように、分光装置10Aは、光共振器11と、光共振器11からの透過光の強度を検出する光検出器15とを備える。光共振器(Optical resonator or Optical cavity)11は、分析対象の二酸化炭素同位体が封入される筒状の本体と、本体の内部の長手方向の一端と他端に凹面が向かい合うように配置された高反射率の1対のミラー12a、12bと、本体内部の他端に配置されたミラー12a、12b間隔を調整するピエゾ素子13と、分析対象ガスが充填されるセル16と、を備える。なお、ここでは図示を省略しているが、本体の側部に二酸化炭素同位体を注入するためのガス注入口や、本体内の気圧を調整する気圧調整口を設けておくことが好ましい。なお、1対のミラー12a、12bの反射率は、99%以上が好ましく、99.99%以上がより好ましい。
光共振器内部11にレーザー光を入射し閉じ込めると、レーザー光はミラーの反射率に対応した強度の光を出力しながら、数千回~一万回というオーダーで多重反射を繰り返す。そのため実効的な光路が数10kmにも及ぶため、光共振器内部に封入された分析対象のガスが極微量であっても大きな吸収量を得ることができる。
<Spectroscopy device>
As shown in FIG. 1, the spectroscopic device 10A includes an
When a laser beam is incident and confined inside the
図5A、図5Bはレーザー光を用いた高速走査型のキャビティーリングダウン吸収分光法(Cavity Ring-Down Spectroscopy 以下「CRDS」ともいう)の原理を示す図である。
図5Aに示すように、ミラー間隔が共鳴条件を満たしているときは、高強度の信号が光共振器から透過される。一方、ピエゾ素子13を作動させてミラー間隔を変更し、非共鳴条件とすると、光の干渉効果により信号を検出することができなくなる。つまり、光共振器長を共鳴から非共鳴条件へとすばやく変化させることで、図5Aに示すような指数関数的な減衰信号[リングダウン信号(Ringdown signal)]を観測することができる。リングダウン信号を観測する別の方法として、入力レーザー光を光学スイッチにて素早く遮断する方法が例示できる。
光共振器の内部に吸収物質が充填されていない場合、透過してくる時間依存のリングダウン信号は図5Bの点線で示すような曲線となる。一方、光共振器内に吸光物質が充填されている場合、図8Bの実線で示すように、レーザー光が光共振器内で往復するごとに吸収されるため、光の減衰時間が短くなる。この光の減衰時間は、光共振器内の吸光物質濃度及び入射レーザー光の波長に依存しているため、Beer-Lambertの法則iiを適用することで吸収物質の絶対濃度を算出することができる。また光共振器内の吸収物質濃度と比例関係にある減衰率(リングダウンレート)の変化量を測定することにより、光共振器内の吸収物質濃度を測定することができる。
FIGS. 5A and 5B are diagrams showing the principle of high-speed scanning cavity ring-down absorption spectroscopy (hereinafter also referred to as "CRDS") using laser light.
As shown in FIG. 5A, when the mirror spacing satisfies the resonance condition, a high-intensity signal is transmitted from the optical resonator. On the other hand, if the
If the optical resonator is not filled with an absorbing material, the transmitted time-dependent ringdown signal will have a curve as shown by the dotted line in FIG. 5B. On the other hand, when the optical resonator is filled with a light-absorbing material, as shown by the solid line in FIG. 8B, the laser light is absorbed each time it travels back and forth within the optical resonator, so the decay time of the light becomes shorter. The decay time of this light depends on the concentration of the absorbing substance in the optical resonator and the wavelength of the incident laser beam, so the absolute concentration of the absorbing substance can be calculated by applying Beer-Lambert's law II. . Further, by measuring the amount of change in the attenuation rate (ringdown rate), which is proportional to the absorption substance concentration in the optical resonator, the absorption substance concentration in the optical resonator can be measured.
光共振器から漏れ出た透過光を光検出器により検知し、演算装置を用いて14CO2濃度を算出した後、14CO2濃度から14C濃度を算出することができる。 After the transmitted light leaking from the optical resonator is detected by a photodetector and the 14 CO 2 concentration is calculated using an arithmetic device, the 14 C concentration can be calculated from the 14 CO 2 concentration.
光共振器11のミラー12a、12b間隔、ミラー12a、12bの曲率半径、本体の長手方向長さや幅等は、分析対象である二酸化炭素同位体が持つ吸収波長により変化させることが好ましい。想定される共振器長は1mm~10mが挙げられる。
二酸化炭素同位体14CO2の場合、共振器長が長いことは光路長を確保するのに有効であるが、共振器長が長くなるとガスセルの体積が増え、必要な試料量が増えるため、共振器長は10cm~60cmの間が好ましい。またミラー12a、12bの曲率半径は、共振器長と同じか、長くすることが好ましい。
なおミラー間隔は、ピエゾ素子13を駆動することにより、一例として数マイクロメートルから数十マイクロメートルのオーダーで調整することが可能である。最適な共鳴条件を作り出すために、ピエゾ素子13による微調整を行うこともできる。
なお、1対のミラー12a、12bとしては、1対の凹面鏡を図示して説明してきたが、十分な光路が得られるのであれば、その他にも凹面鏡と平面鏡の組み合わせや、平面鏡同士の組み合わせであっても構わない。
ミラー12a、12bを構成する材料としては、サファイアガラス、CaF2、ZnSeを用いることができる。
分析対象ガスを充填するセル16は、容積がより小さいことが好ましい。少ない分析試料であっても効果的に光の共振効果を得ることができるからである。セル16の容量は、8mL~1000mLが例示できる。セル容量は、例えば測定に供することができる14C源の量に応じて適宜好ましい容量を選択でき、尿のように大量に入手できる14C源では80mL~120mLのセルが好適であり、血液や涙液のように入手量が限られる14C源では8mL~12mLのセルが好適である。
It is preferable that the distance between the
In the case of the carbon dioxide isotope 14CO2 , a long cavity length is effective in securing the optical path length, but as the cavity length increases, the volume of the gas cell increases and the amount of sample required increases, so the resonance The length is preferably between 10cm and 60cm. Further, it is preferable that the radius of curvature of the
Note that by driving the
Although a pair of concave mirrors has been illustrated and explained as the pair of
Sapphire glass, CaF 2 , and ZnSe can be used as materials for forming the
The
光共振器の安定性条件の評価
CRDSにおける14CO2吸収量と検出限界を評価するため、分光データに基づく計算を行った。12CO2、13CO2などに関する分光データは大気吸収線データベース(HITRAN)を利用し、14CO2に関しては文献値(「S. Dobos et al., Z. Naturforsch, 44a, 633-639 (1989)」)を使用した。
ここで、14CO2の吸収によるリングダウンレート(指数関数的減衰の割合)の変化量Δβ(=β-β0、β:試料有りの減衰率、β0:試料なしの減衰率)は、14CO2の光吸収断面積σ14、分子数密度N、光速cにより以下のように表せる。
Δβ=σ14(λ,T,P)N(T,P,X14)c
(式中、σ14、Nは、レーザー光波長λ、温度T、圧力P、X14=14C/TotalC比の関数である。)
図6は、計算で求められた13CO2と14CO2の吸収によるΔβの温度依存性を示す図である。図9より、14C/TotalCが10-10、10-11、10-12では、室温300Kでの13CO2による吸収が14CO2の吸収量を超えるか同程度となるため、冷却を行う必要があることが分かった。
一方、光共振器由来のノイズ成分であるリングダウンレートのばらつきΔβ0~101s-1が実現できれば、14C/TotalC比~10-11の測定を実現できることが分かる。これにより、分析時の温度として摂氏-40度程度の冷却が必要であることが明らかとなった。
例えば、定量下限として14C/TotalCを10-11とすると、CO2ガスの濃縮によるCO2ガス分圧の上昇(例えば20%)と、前記温度条件とが必要であることが示唆される。
なお、冷却装置や冷却温度について、後述の炭素同位体分析装置の第2の態様の欄においてより詳細に述べる。
Evaluation of stability conditions of optical resonator In order to evaluate the 14 CO 2 absorption amount and detection limit in CRDS, calculations were performed based on spectral data. Spectroscopic data regarding 12 CO 2 , 13 CO 2, etc. were obtained using the Atmospheric Absorption Line Database (HITRAN), and regarding 14 CO 2 , literature values ("S. Dobos et al., Z. Naturforsch, 44a, 633-639 (1989 )")It was used.
Here, the amount of change Δβ (= β - β 0 , β: attenuation rate with sample, β 0 : attenuation rate without sample) in the ringdown rate (rate of exponential decay) due to absorption of 14 CO 2 is as follows: It can be expressed as follows using the optical absorption cross section σ 14 of 14 CO 2 , the molecular number density N, and the speed of light c.
Δβ=σ 14 (λ,T,P)N(T,P,X 14 )c
(In the formula, σ 14 and N are functions of laser light wavelength λ, temperature T, pressure P, and X 14 = 14 C/ Total C ratio.)
FIG. 6 is a diagram showing the temperature dependence of Δβ due to absorption of 13 CO 2 and 14 CO 2 determined by calculation. From Figure 9, when 14 C/ Total C is 10 -10 , 10 -11 , and 10 -12 , the absorption by 13 CO 2 at room temperature 300K exceeds or is about the same as the amount of 14 CO 2 absorbed, so cooling is not necessary. I knew I needed to do it.
On the other hand, it can be seen that if the dispersion of the ring-down rate, which is a noise component derived from the optical resonator, can be reduced to Δβ 0 to 10 1 s −1 , it is possible to measure a 14 C/ Total C ratio of 10 −11 . This revealed that cooling to about -40 degrees Celsius was necessary during analysis.
For example, if 14 C/ Total C is set to 10 -11 as the lower limit of quantification, it is suggested that an increase in the partial pressure of CO 2 gas (for example, 20%) due to concentration of CO 2 gas and the above-mentioned temperature conditions are necessary. .
Note that the cooling device and cooling temperature will be described in more detail in the section of the second embodiment of the carbon isotope analyzer described later.
光共振器11について説明したが、光共振器の具体的態様の概念図(一部切欠図)を図7に示す。図7に示すように、光共振器51は、真空装置としての円筒状の断熱用チャンバー58と、断熱用チャンバー58内に配置された測定用ガスセル56と、測定用ガスセル56の両端に配置された1対の高反射率ミラー52と、測定用ガスセル56の一端に配置されたミラー駆動機構55と、測定用ガスセル56の他端に配置されたリングピエゾアクチュエーター53と、測定用ガスセル56を冷却するペルチェ素子59と、循環冷却器(図示せず)に接続された冷却パイプ54aを有する水冷ヒートシンク54と、を備える。
Although the
〈演算装置〉
演算装置30としては、上述の減衰時間やリングダウンレートから光共振器内の吸収物質濃度を測定し、吸収物質濃度から炭素同位体濃度を測定できるものであれば特に制限されることなく種々の装置を用いることができる。
演算制御部31としては、CPU等の通常のコンピュータシステムで用いられる演算手段等で構成すればよい。入力装置32としては、例えばキーボード、マウス等のポインティングデバイスが挙げられる。表示装置33としては、例えば液晶ディスプレイ、モニタ等の画像表示装置等が挙げられる。出力装置34としては、例えばプリンタ等が挙げられる。記憶装置35としてはROM、RAM、磁気ディスクなどの記憶装置が使用可能である。
<Arithmetic device>
The
The
〈光発生装置〉
光源23としては、特に制限なく様々なものを用いることができるが、超短パルス波発生装置を用いることが好ましい。光源23として超短パルス波発生装置を用いた場合、パルスあたりの光子密度が高いため、非線形光学効果が容易に起こり、放射性二酸化炭素同位体14CO2の吸収波長である4.5μm帯の光を簡易に発生できる。また、各波長の波長幅が均等な櫛状の光の束(光周波数コム、以下「光コム」ともいう。)が得られるため、発振波長の変動が無視できるほど小さくできるからである。なお、光源として連続発振発生装置を用いた場合には、発振波長の変動があるため、光コムなどにより発振波長の変動を測定する必要がある。
光源23としては、例えばモード同期により短パルスを出力する固体レーザー,半導体レーザー,ファイバーレーザーを用いることができる。なかでもファイバーレーザーを用いることが好ましい。ファイバーレーザーは、コンパクトで対環境安定性にも優れた,実用的な光源であるからである。
ファイバーレーザーとしては、エルビウム(Er)系(1.55μm帯)またはイッテルビウム(Yb)系(1.04μm帯)のファイバーレーザーを用いることができる。経済的な観点からは汎用されているEr系ファイバーレーザーを用いることが好ましく、光強度を高める観点からはYb系ファイバーレーザーを用いることが好ましい。
<Light generator>
Although various light sources can be used as the
As the
As the fiber laser, an erbium (Er)-based (1.55 μm band) or ytterbium (Yb)-based (1.04 μm band) fiber laser can be used. From an economic point of view, it is preferable to use a commonly used Er-based fiber laser, and from the perspective of increasing light intensity, it is preferable to use a Yb-based fiber laser.
図8Aは光発生装置の1態様(差周波混合)を示す。光発生装置20Aは、1つの光源23と、光源23からの光を伝送する第1光ファイバー21と、第1光ファイバーの分岐点から分岐し第1光ファイバー21の下流側の合流点で合流する第1光ファイバー21よりも長波長の光を伝送する第2光ファイバー22と、周波数が異なる複数の光を通過させることで周波数の差から二酸化炭素同位体の吸収波長の光を発生させる非線形光学結晶24とを備える。
複数の光ファイバー21、22としては、光源からの光を伝送する第1光ファイバー21と、第1光ファイバー21から分岐し第1光ファイバー21の下流側で合流する波長変換用の第2光ファイバー22と、を用いることができる。第1光ファイバー21としては、光源から光共振器までつながっているものを用いることができる。また、それぞれの光ファイバーには、それぞれの経路上に複数の光学的部品や複数種類の光ファイバーを配置することができる。
第1光ファイバー21としては、生成した高強度な超短パルス光の特性を劣化させずに伝送できる光ファイバーを用いることが好ましい。具体的には、分散補償ファイバー(DCF)、ダブルクラッドファイバーなどを含むことができる。材料は、溶融石英でできたファイバーを用いることが好ましい。
第2光ファイバー22としては、効率良く所望の長波長側に超短パルス光を生成し、生成した高強度な超短パルス光の特性を劣化させずに伝送できる光ファイバーを使用することが好ましい。具体的には、偏波保持ファイバーや単一モードファイバー、フォトニック結晶ファイバー、フォトニックバンドギャップファイバーなどを含むことができる。波長のシフト量に合わせて、数mから数百mまでの長さの光ファイバーを使用することが好ましい。材料は、溶融石英でできたファイバーを用いることが好ましい。
FIG. 8A shows one embodiment of the light generating device (difference frequency mixing). The
The plurality of
As the first
As the second
非線形光学結晶24としては、入射される光と出射される光に応じて適宜選択されるが、本実施例の場合は、それぞれの入射光から4.5μm帯前後の波長の光を発生するという観点から、例えばPPMgSLT(periodically poled MgO-doped Stoichiometric Lithium Tantalate(LiTaO3))結晶もしくはPPLN(periodically poled Lithium Niobate)結晶、またはGaSe(Gallium selenide)結晶を用いることができる。また、1つのファイバーレーザー光源を用いているため、後述の通り、差周波混合において、光周波数の揺らぎをキャンセルすることができるからである。
非線形光学結晶24としては、照射方向(長手方向)長さが11mmよりも長尺のものが好ましく、32mm~44mmがより好ましい。高出力の光コムが得られるからである。
The nonlinear
The nonlinear
差周波混合(Difference Frequency Generation 以下「DFG」ともいう)によれば、第1、第2光ファイバー21,22が伝送する波長(周波数)が異なる複数の光を非線形光学結晶に通過させることで、この周波数の差から、差周波数に対応した光を得ることができる。つまり、本実施例の場合、1つの光源23から、波長がλ1、λ2である2つの光を発生させ、2つの光を非線形光学結晶に通過させることにより、周波数の差から二酸化炭素同位体の吸収波長の光を発生させることができる。非線形光学結晶を用いるDFGの変換効率は、元となる複数の波長(λ1、λ2、…λx)の光源の光子密度に依存する。そのため1つのパルスレーザー光源からDFGにより差周波の光を発生することができる。
このようにして得られる4.5μm帯の光は1パルスが規則的な周波数間隔frの複数の周波数の光(モード)からなる光コム(周波数f=fceo+N・fr、N:モード数)である。光コムを用いてCRDSを行うためには、分析対象の吸収帯の光を分析対象の含まれる光共振器に導入する必要がある。なお、生成される光コムは、差周波混合のプロセスにおいてfceoがキャンセルされfceoが0になる。
According to Difference Frequency Generation (hereinafter also referred to as "DFG"), multiple lights with different wavelengths (frequencies) transmitted by the first and second
The light in the 4.5 μm band obtained in this way is an optical comb (frequency f = f ceo + N f r , N: mode number). In order to perform CRDS using an optical comb, it is necessary to introduce light in the absorption band of the analysis target into an optical resonator containing the analysis target. Note that in the generated optical comb, f ceo is canceled in the difference frequency mixing process, and f ceo becomes 0.
非特許文献1のI. Galliらに考案された炭素同位体分析装置の場合、波長の異なる2種類のレーザー装置(Nd:YAG laserとexternal-cavity diode laser (ECDL))を用意して、レーザー光の周波数の差から二酸化炭素同位体の吸収波長を有する照射光を発生させていた。両者は連続発振レーザーであり、かつ、ECDLの強度が低いため、十分な強度のDFGを得るために、DFGで使用する非線形光学結晶を光共振器内に設置し、そこに両者の光を入れ、光子密度を高める必要があった。また、ECDLの強度を高めるために、Ti:Sapphire結晶を別のNd:YAGレーザーの2倍波にて励起し、ECDL光を増幅する必要もあった。これらを行う共振器の制御が必要になるなど、装置が大がかりで、操作が複雑になっていた。一方、本発明の実施形態に係る光発生装置は、1つのファイバーレーザー光源と、数mの光ファイバーと、非線形光学結晶とで構成されているため、コンパクトで搬送しやすく、しかも操作が簡単である。また1つの光源から複数の光を発生させているため、それぞれの光の揺らぎ幅及び揺らぎのタイミングが同一となる。そのため、制御装置を用いることなく、差周波混合を行うことで簡易に光周波数の揺らぎをキャンセルすることができる。
第1光ファイバーと第2光ファイバーの合流点から光共振器の間の光路について、空気中にレーザー光を伝送させる態様や、必要に応じてレンズによるレーザー光の集光及び/または拡大をする光学系を含む光伝送装置を構築してもよい。
In the case of the carbon isotope analysis device devised by I. Galli et al. Irradiation light with the absorption wavelength of carbon dioxide isotope was generated from the difference in light frequencies. Both are continuous wave lasers, and the intensity of ECDL is low, so in order to obtain a DFG with sufficient intensity, a nonlinear optical crystal used in the DFG is installed in an optical resonator, and the light from both is input into it. , it was necessary to increase the photon density. Furthermore, in order to increase the intensity of ECDL, it was also necessary to excite the Ti:Sapphire crystal with a double wave of another Nd:YAG laser to amplify the ECDL light. The resonator that performs these functions must be controlled, making the device large-scale and complicated to operate. On the other hand, since the light generating device according to the embodiment of the present invention is composed of one fiber laser light source, several meters of optical fiber, and a nonlinear optical crystal, it is compact, easy to transport, and easy to operate. . Furthermore, since a plurality of lights are generated from one light source, the fluctuation width and fluctuation timing of each light are the same. Therefore, fluctuations in optical frequency can be easily canceled by performing difference frequency mixing without using a control device.
Regarding the optical path between the confluence of the first optical fiber and the second optical fiber and the optical resonator, the mode of transmitting the laser beam in the air, and the optical system that condenses and/or expands the laser beam with a lens as necessary. An optical transmission device including the following may be constructed.
本分析では、14Cの分析で使用する波長領域をカバーする範囲で光コムが得られていればよいため、本発明者等は、光コム光源の発振スペクトルをより狭くしたほうが、より高出力の光が得られることに着目した。発振スペクトルが狭い場合には、帯域が異なる増幅器による増幅や、長尺の非線形光学結晶を用いることができる。そこで、本発明者らは検討の結果、差周波混合法を用いた光コムの発生において、(イ)1つの光源から周波数が異なる複数の光を発生させ、(ロ)得られた複数の光の強度を帯域が異なる増幅器を用いてそれぞれ増幅し、(ハ)複数の光を従来の非線形光学結晶よりも長尺の非線形光学結晶に通過させることにより周波数の差から二酸化炭素同位体の吸収波長を有する高出力の照射光を発生させることを着想した。本発明は上記知見により基づいて完成したものである。なお、従来の差周波混合法において、帯域が異なる複数の増幅器を用いて光の強度を増幅することや、長尺の結晶を用いて高出力の照射光が得られる旨の報告はなかった。 In this analysis, it is sufficient to obtain an optical comb in a range that covers the wavelength range used in the analysis of 14 C. Therefore, the inventors believe that it is better to narrow the oscillation spectrum of the optical comb light source to achieve higher output. We focused on the fact that light can be obtained. When the oscillation spectrum is narrow, amplification using amplifiers with different bands or a long nonlinear optical crystal can be used. Therefore, as a result of studies, the present inventors found that in the generation of an optical comb using the difference frequency mixing method, (a) one light source generates multiple lights with different frequencies, and (b) the resulting multiple lights (c) By passing multiple lights through a nonlinear optical crystal that is longer than a conventional nonlinear optical crystal, the absorption wavelength of the carbon dioxide isotope is determined from the difference in frequency. The idea was to generate high-power irradiation light with . The present invention was completed based on the above findings. In addition, in the conventional difference frequency mixing method, there has been no report that the intensity of light can be amplified using multiple amplifiers with different bands or that high-output irradiation light can be obtained using a long crystal.
光吸収物質の光吸収は、吸収線強度が大きく、かつ、照射光の光強度も高い場合は、その光吸収に対応した下準位が著しく減少し、実効的な光吸収量が飽和したようになる(これを飽和吸収と呼ぶ)。SCAR理論(Saturated Absorption CRDS)によれば、光共振器内の14CO2等の試料に吸収線強度が大きな4.5μm帯の光を照射すると、得られる減衰信号(リングダウン信号)の初期は光共振器内に蓄積されている光強度が高いため飽和効果が大きく見られ、その後、減衰が進むにつれて光共振器内に蓄積されている光強度が徐々に低くなるため飽和効果が小さくなる。このため、このような飽和効果が見られる減衰信号は、単純な指数関数減衰ではなくなる。この理論に基づけば、SCARで得られた減衰信号のフィッティングにより、試料による減衰率とバックグラウンドの減衰率を独立に評価できるため、寄生エタロン効果などのバックグラウンドの減衰率の変動に影響されることなく試料による減衰率を求めることができ、かつ、夾雑ガスと比較して14CO2の飽和効果が大きいため、14CO2による光吸収をより選択的に測定できる。したがって、より光強度の高い照射光を用いるほうが、分析の感度が向上することが期待されている。本発明の光発生装置は、光強度が高い照射光を発生させることができるので、炭素同位体分析に用いた場合、分析感度が向上することが期待される。 When the absorption line intensity of a light-absorbing substance is large and the intensity of the irradiated light is also high, the lower level corresponding to the light absorption decreases significantly, and the effective amount of light absorption appears to be saturated. (This is called saturated absorption). According to the SCAR theory (Saturated Absorption CRDS), when a sample such as 14 CO 2 in an optical resonator is irradiated with light in the 4.5 μm band with a large absorption line intensity, the initial attenuation signal (ringdown signal) obtained is The saturation effect is large because the light intensity accumulated in the optical resonator is high, and thereafter, as the attenuation progresses, the light intensity accumulated in the optical resonator gradually decreases, so the saturation effect becomes smaller. Therefore, a decay signal in which such a saturation effect is observed is no longer a simple exponential decay. Based on this theory, by fitting the attenuation signal obtained by SCAR, the attenuation rate due to the sample and the attenuation rate of the background can be evaluated independently. Since the attenuation rate due to the sample can be determined without any interference, and the saturation effect of 14 CO 2 is greater than that of the contaminant gas, light absorption by 14 CO 2 can be measured more selectively. Therefore, it is expected that the sensitivity of analysis will be improved by using irradiation light with higher light intensity. Since the light generating device of the present invention can generate irradiation light with high optical intensity, it is expected that the analytical sensitivity will be improved when used for carbon isotope analysis.
図8Bは光発生装置の1態様(キャットアイ)を示す。図2は二酸化炭素同位体生成装置と二酸化炭素同位体トラップの概念図である。光発生装置20Bは、1つの光源23と、光源23からの光を伝送する第1光ファイバー21と、第1光ファイバーの分岐点から分岐し第1光ファイバー21の下流側の合流点で合流する第1光ファイバー21よりも長波長の光を伝送する第2光ファイバー22と、周波数が異なる複数の光を通過させることで周波数の差から二酸化炭素同位体の吸収波長の光を発生させる非線形光学結晶24と、光源23からの光のオンオフを制御する光スイッチ25と、光スイッチ25からの光を反射して光スイッチ25に光を送り返すミラー26a、26bとを備える。
FIG. 8B shows one embodiment (cat eye) of the light generating device. FIG. 2 is a conceptual diagram of a carbon dioxide isotope generator and a carbon dioxide isotope trap. The
〈ダブルパスを供える光発生装置〉
図9Aは光発生装置の概要図である。本発明者等は炭素同位体分析装置の更なる分析精度の向上を図るため更なる検討を行ったところ、光スイッチの性能(オンオフ比)が想定したものよりも低いことに起因して減衰率に誤差(リングダウン信号の減衰率を求めるための減衰関数によるフィッティングにおける残差)が生じていることを知見した。しかしながら、簡易で効果的なオンオフ制御の機構や方法は見当たらなかった。そのため、光スイッチの性能(オンオフ比)の向上を通じて、リングダウン信号のフィッティングにおける残差を解消し、分析精度の向上を図ることが求められていた。
本発明によれば、リングダウン信号のフィッティングにおける残差が少ない光発生装置並びにそれを用いた放射性炭素同位体分析装置及び放射性炭素同位体分析方法が提供される。
光発生装置20Cは、光源23と、光源23からの光のオンオフを制御する光スイッチ25と、光スイッチ25からの光を反射して光スイッチ25に光を送り返すミラー26a、26bとを備える。光路21としては特に制限はないが、例えば光ファイバーを配置することができる。
光発生装置20Cは、さらに、光スイッチ25からの光を光分光装置10Aに導入するミラー26c、26d、26eを備える。
光源23としては、特に制限なく様々なものを用いることができる。詳細については後述する。
光スイッチ25としては、特に制限なく様々なものを用いることができるが、光学結晶25aと、圧電素子25bと、を備える音響光学変調器(以下、「AOM」ともいう。)を用いることが好ましい。
<Light generator with double pass>
FIG. 9A is a schematic diagram of a light generating device. The present inventors conducted further studies to further improve the analysis accuracy of the carbon isotope analyzer, and found that the attenuation rate was lower than expected due to the performance (on-off ratio) of the optical switch. It was discovered that an error (residual error in fitting using the attenuation function to determine the attenuation rate of the ringdown signal) was generated in the method. However, no simple and effective mechanism or method for on/off control has been found. Therefore, there has been a need to improve the performance (on-off ratio) of optical switches to eliminate residual errors in ring-down signal fitting and improve analysis accuracy.
According to the present invention, there are provided a light generating device with little residual error in ringdown signal fitting, and a radiocarbon isotope analysis device and a radiocarbon isotope analysis method using the same.
The
The
As the
As the
図10は光発生装置内の光スイッチ周辺の概要図である。図10のパス1に示されるように、AOMの圧電素子25bを作動させると、音響波が光学結晶25a内を伝播する。これにより光学結晶内に周期的な屈折率の分布が生まれ、入射光が回折されることで光源23からの光のオンオフを制御することができる。ところが、光の放出をオフに制御しても、僅かに漏れ出した制御されていない光がリングダウン信号の誤差を生じさせるという課題があった。そこで、本発明者等は上記課題を解決するために、ミラー26a、26bを配置した、ダブルパスを備える光発生装置を完成した。
FIG. 10 is a schematic diagram of the vicinity of the optical switch in the light generating device. As shown in
次に、光発生装置の動作と作用効果について説明する。(イ)図10のパス1(P1)に示すように、光源23からの光を光スイッチ25に送り圧電素子25bを用いてオンオフ制御する。その後、(ロ)光スイッチ25から漏れ出た光をミラー26a、26bを用いて反射させる。さらに、(ハ)図10のパス2(P2)に示すように、光スイッチ25に送り返された光を、圧電素子25bを用いて再度オンオフ制御する。このように、光発生装置は、ダブルパス(P1、P2)で光のオンオフ制御を行うことから、シングルパスと比較して格段に高いオンオフ比を得ることができ、光スイッチ25からの光の漏れ出しを効果的に防止できる。
Next, the operation and effects of the light generating device will be explained. (a) As shown in path 1 (P1) in FIG. 10, the light from the
ただし、リングダウン信号の取得には高速なオンオフ制御が必須であるため、ダブルパスを用いる場合に任意の位置に光を通すと、スイッチング時間の遅れが生じる。このため、圧電素子25bが取り付けられた光学結晶25aの面から同じ距離となる位置に光を通す(P1、P2)ことで、高いオンオフ比と高速なオンオフ制御を両立できる。
However, since high-speed on/off control is essential for obtaining a ring-down signal, if a double pass is used and light is passed through an arbitrary position, a delay in switching time will occur. Therefore, by transmitting light to positions that are the same distance from the surface of the
ダブルパスを供える光発生装置の作用効果を確認するため、シングルパスで取得したリングダウン信号とダブルパスで取得したリングダウン信号の比較実験を以下の条件で実験を行った。波長4.5μmの連続レーザー光を光発生装置でオンオフ制御し、ガスを満たさない光共振器に導入し、リングダウン信号を取得した。得られた結果を図11、図12に示す。
図11はシングルパスで取得したリングダウン信号であり、図12はダブルパスで取得したリングダウン信号である。図11のシングルパスの場合、リングダウン信号の始めの10μsまでの残差の振動幅が大きかった。一方、図12のダブルパスの場合、始めの残差の振動幅の問題は解消され、またリングダウン信号の全体を通じて振動幅の揺れ幅は図11の場合よりも狭くなった。
図13は各リングダウン信号に対するフィッティングにおける残差の2乗和を多数のリングダウン信号に対し測定したもの、すなわち残差のばらつきを示す。図13の上段に示されるシングルパスの残差に比べ、下段に示されるダブルパスの残差は小さかった。
In order to confirm the effects of the light generator provided with double-pass, an experiment was conducted to compare ring-down signals obtained with single-pass and ring-down signals obtained with double-pass under the following conditions. A continuous laser beam with a wavelength of 4.5 μm was controlled on and off by a light generator, and was introduced into an optical resonator not filled with gas to obtain a ring-down signal. The obtained results are shown in FIGS. 11 and 12.
FIG. 11 shows a ringdown signal obtained by a single pass, and FIG. 12 shows a ringdown signal obtained by a double pass. In the case of the single pass shown in FIG. 11, the oscillation width of the residual error was large up to the first 10 μs of the ring-down signal. On the other hand, in the case of the double pass shown in FIG. 12, the problem of the vibration width of the initial residual was resolved, and the fluctuation width of the vibration width throughout the ring-down signal was narrower than in the case of FIG. 11.
FIG. 13 shows the sum of squares of residual errors in fitting to each ringdown signal measured for a large number of ringdown signals, that is, the variation in residual errors. Compared to the single-pass residual shown in the upper part of FIG. 13, the double-pass residual shown in the lower part was smaller.
以上、第1の態様に係る炭素同位体分析装置について説明してきたが、炭素同位体分析装置は、上述の実施形態に限定されることなく、種々の変更を加えることができる。以下に炭素同位体分析装置の別の態様について、第1の態様からの変更点を中心に説明する。 Although the carbon isotope analyzer according to the first aspect has been described above, the carbon isotope analyzer is not limited to the above-described embodiment and can be modified in various ways. Another aspect of the carbon isotope analyzer will be described below, focusing on changes from the first aspect.
[植物試料分析用炭素同位体分析装置の第2の態様]
従来、量子カスケードレーザー(以下「QCL」ともいう)には、発振波長の揺らぎがあり、また14C、13Cの吸収波長が隣接するため、14Cの分析に用いられるような炭素同位体分析装置の光源として用いることは困難であると考えられていた。そのため、本発明者等は1つの光源から光コムを発生する光コム光源を独自に開発することにより、コンパクトで使い勝手がよい、炭素同位体分析装置を完成した(特許文献2参照)。
そして、本発明者等は炭素同位体分析装置の更なる分析精度の向上を図るため、上述の通り、線幅が狭く高出力(高強度)の光を発生する光発生装置を完成した。本発明者等は光発生装置のさらなる用途を検討した結果、上述の光発生装置から発生する線幅の狭い光を周波数リファレンスとして用いるビート信号測定装置により、QCLから発する光の発振波長の揺らぎを補正することを着想した。この着想に基づいて研究を進めた結果、光コム以外の光源を主光源とする、コンパクトで使い勝手がよく、信頼性が高い光発生装置及びそれを用いた炭素同位体分析装置を完成した。
[Second embodiment of carbon isotope analyzer for plant sample analysis]
Conventionally, quantum cascade lasers (hereinafter also referred to as "QCL") have fluctuations in their oscillation wavelengths, and the absorption wavelengths of 14 C and 13 C are adjacent, so carbon isotope analysis such as that used for 14 C analysis has been difficult. It was thought that it would be difficult to use it as a light source for devices. Therefore, the present inventors independently developed an optical comb light source that generates an optical comb from a single light source, thereby completing a compact and easy-to-use carbon isotope analyzer (see Patent Document 2).
In order to further improve the analytical accuracy of the carbon isotope analyzer, the present inventors have completed a light generating device that generates high-output (high-intensity) light with a narrow line width, as described above. As a result of considering further applications of the light generating device, the present inventors have determined that fluctuations in the oscillation wavelength of the light emitted from the QCL can be measured using a beat signal measuring device that uses the narrow linewidth light generated from the above-mentioned light generating device as a frequency reference. I thought of making a correction. As a result of conducting research based on this idea, we completed a compact, easy-to-use, and highly reliable light generator that uses a light source other than an optical comb as the main light source, and a carbon isotope analyzer using it.
図14は第2の態様に係る炭素同位体分析装置1Bの概要を示す図である。図14の炭素同位体分析装置1Bは、図1の光発生装置20分光装置10を、図14の光発生装置20Bと分光装置10Bに置き換えたことを除き、図1の光発生装置20Aと同様の構成を備える。
光発生装置20Dは、光源23と、光源23からの光のオンオフを制御する光スイッチ25と、光スイッチ25からの光を反射して光スイッチ25に光を送り返すミラー26a、26bとを備える。光路21としては特に制限はないが、例えば光ファイバーを配置することができる。
光発生装置20は、さらに、光スイッチ25からの光を光分光装置10Aに導入するミラー26c、26d、26eを備える。
光源23としては、特に制限なく様々なものを用いることができる。詳細については後述する。
光スイッチ25としては、特に制限なく様々なものを用いることができるが、光学結晶25aと、圧電素子25bと、を備える音響光学変調器(以下、「AOM」ともいう。)を用いることが好ましい。
光発生装置20Dは、主光源23Bとビート信号測定機28とを備える。
主光源23Dとしては、QCLのような汎用の光源を用いることができる。
ビート信号測定機28は、1つの光の周波数領域が4500nm~4800nmである線幅の狭い光の束からなる光コムを発生させる光コム源28aと、主光源23からの光と光コム源28aからの光の周波数差により生じるビート信号を測定する光検出器28bと、を備える。光コム源28aとしては上述の第一の実施形態における光源を用いることができる。
光ファイバー21上に配置された分岐手段29aと、光コム源28aからの光の光軸上に配置された分岐手段29bとを介して、主光源23からの光の一部を光検出器28bに送り込むことで、主光源23からの光と光コム源28aからの光の周波数差によりビート信号を生じさせることができる。
光発生装置20Bを備える炭素同位体分析装置1Bは、主光源が光コムに制限されず、QCLのような汎用の光源を用いることができるので、炭素同位体分析装置1Bの設計やメンテナンスの自由度が高くなる。
光発生装置20Bとしては、二酸化炭素同位体の吸収波長を有する光を発生できる装置であれば特に制限されることなく種々の装置を用いることができる。ここでは、放射性二酸化炭素同位体14CO2の吸収波長である4.5μm帯の光を簡易に発生させ、しかも装置サイズがコンパクトな光発生装置を例に挙げて説明する。
FIG. 14 is a diagram showing an outline of a
The
The
As the
As the
The
As the main light source 23D, a general-purpose light source such as a QCL can be used.
The beat
A part of the light from the main
In the
As the
〈冷却、除湿装置〉
図14に示すように、分光装置1aは、光共振器11を冷却するペルチェ素子19と、光共振器11を収納する真空装置18と、をさらに備えてもよい。14CO2の光吸収は温度依存性を有するため、ペルチェ素子19により光共振器11内の設定温度を低くすることで、14CO2の吸収線と13CO2、12CO2の吸収線との区別が容易になり、14CO2の吸収強度が強くなるからである。また光共振器11を真空装置18内に配置して、光共振器11が外気に晒されることを防止して外部温度の影響を軽減することで、分析精度が向上するからである。
光共振器11を冷却する冷却装置としては、ペルチェ素子19の他にも、例えば、液体窒素槽、ドライアイス槽などを用いることができる。分光装置10を小型化できる観点からはペルチェ素子19を用いることが好ましく、装置の製造コストを下げる観点からは液体窒素水槽もしくはドライアイス槽を用いることが好ましい。
真空装置18としては、光共振器11を収納でき、また光発生装置20からの照射光を光共振器11内に照射でき、透過光を光検出器に透過できるものであれば、特に制限なく様々な真空装置を用いることができる。
除湿装置を設けてもよい。その際、ペルチェ素子等の冷却手段により除湿してもよいが、フッ素系イオン交換樹脂膜といった水蒸気除去用高分子膜を使用した膜分離法によって除湿してもよい
<Cooling and dehumidification equipment>
As shown in FIG. 14, the spectroscopic device 1a may further include a
As a cooling device for cooling the
The
A dehumidifier may also be provided. At that time, dehumidification may be performed using a cooling means such as a Peltier element, but it may also be dehumidified by a membrane separation method using a water vapor removal polymer membrane such as a fluorine-based ion exchange resin membrane.
上述の炭素同位体分析装置1をマイクロドーズに用いる場合、放射性炭素同位体14Cに対する検出感度は「0.1dpm/ml」程度が想定される。この検出感度「0.1dpm/ml」を達成するためには、光源として「狭帯域レーザー」を用いるだけでは不十分であり、光源の波長(周波数)の安定性が求められる。ところが、植物試料分析においては、投与放射能量にヒトほど大きな制限はないため、検出下限放射能量もアバンダンス感度も、分析装置の下限を超えるように投与することで解決できる。このため、アバンダンス感度(分析可能な同位体比)としては、下限値で10-12程度(天然同位体比)である。
植物試料分析では、生体試料に比べて高い感度が要求されないまでも、吸収線の波長からずれないこと、線幅が狭いことが好ましい。この点、炭素同位体分析装置1では、「光周波数コム光」を用いた安定な光源をCRDSに用いることでこの課題を解決できる。炭素同位体分析装置1によれば、低濃度の放射性炭素同位体を含む検体に対しても測定が可能であるという有利な作用効果が奏される。
なお、先行文献(廣本 和郎等、「キャビティーリングダウン分光に基づく14C連続モニタリングの設計検討」、日本原子力学会春の年会予稿集、2010年3月19日、P432)には、原子力発電関連の使用済み燃料の濃度モニタリングに関連して、CRDSにより二酸化炭素中の14C濃度を測定する旨が開示されている。しかし、先行文献に記載された、高速フーリエ変換(FFT)を用いた信号処理方法は、データ処理が早くなるものの、ベースラインのゆらぎが大きくなるため、検出感度「0.1dpm/ml」を達成することは困難である。
When the above-described
Although plant sample analysis does not require higher sensitivity than biological samples, it is preferable that the absorption line does not deviate from the wavelength of the absorption line and that the line width is narrow. In this regard, the
In addition, the previous literature (Kazuro Hiromoto et al., "Design study of 14C continuous monitoring based on cavity ring-down spectroscopy", Atomic Energy Society of Japan spring annual meeting proceedings, March 19, 2010, p. 432) contains information related to nuclear power generation. In connection with the concentration monitoring of spent fuel, it is disclosed that the 14 C concentration in carbon dioxide is measured by CRDS. However, although the signal processing method using fast Fourier transform (FFT) described in the prior literature speeds up data processing, the fluctuation of the baseline becomes large, so detection sensitivity of "0.1 dpm/ml" is not achieved. It is difficult to do so.
図15(Applied Physics Vol.24, pp.381-386, 1981より引用)は、分析試料12C16O2、13C18O2、13C16O2、14C16O2の吸収波長と吸収強度の関係を示す。図15に示すように、それぞれの炭素同位体を含む二酸化炭素は、固有の吸収線を有している。実際の吸収では、各吸収線は試料の圧力や温度に起因する拡がりによって有限の幅を持つ。このため、試料の圧力は大気圧以下、温度は273K(0℃)以下にすることが好ましい。 Figure 15 (quoted from Applied Physics Vol. 24, pp. 381-386, 1981) shows the absorption wavelengths of analysis samples 12 C 16 O 2 , 13 C 18 O 2 , 13 C 16 O 2 , and 14 C 16 O 2 The relationship between absorption intensity is shown. As shown in FIG. 15, carbon dioxide containing each carbon isotope has a unique absorption line. In actual absorption, each absorption line has a finite width due to the spread caused by the pressure and temperature of the sample. For this reason, it is preferable that the pressure of the sample is below atmospheric pressure and the temperature is below 273K (0°C).
以上、14CO2の吸収強度は温度依存性があるため、光共振器11内の設定温度を、できるだけ低く設定することが好ましい。具体的な光共振器11内の設定温度は273K(0℃)以下が好ましい。下限値は特に制限はないが、冷却効果と経済的観点から、173K~253K(-100℃~-20℃)、特に233K(-40℃)程度に冷却することが好ましい。
分光装置は、振動吸収手段をさらに備えてもよい。分光装置の外部からの振動によりミラー間隔がずれることを防止して、測定精度を上げることができるからである。振動吸収手段としては、例えば衝撃吸収剤(高分子ゲル)や免震装置を用いることができる。免震装置としては外部振動の逆位相の振動を分光装置に与えることができる装置を用いることができる。
As mentioned above, since the absorption intensity of 14 CO 2 is temperature dependent, it is preferable to set the temperature inside the
The spectroscopic device may further include vibration absorption means. This is because it is possible to prevent the mirror interval from shifting due to external vibrations of the spectrometer, thereby increasing measurement accuracy. As the vibration absorbing means, for example, a shock absorber (polymer gel) or a seismic isolation device can be used. As the seismic isolation device, it is possible to use a device that can apply vibrations in the opposite phase to external vibrations to the spectrometer.
[炭素同位体分析方法の第1の態様]
分析対象として放射性同位体14Cを例にあげて説明する。
[First aspect of carbon isotope analysis method]
This will be explained using the radioactive isotope 14C as an example of an analysis target.
(イ)まず図1、図8Aに示すような炭素同位体分析装置1を用意する。また放射性同位体14C源として、14Cを含む植物試料を用意する。そして、植物試料の生体活動停止後、植物試料の各部を切断(サンプリング)する。その後、植物試料を乾燥させることが好ましい。また植物試料を細かく裁断しても良い。
(a) First, a
(ロ)植物試料を加熱・燃焼させて、放射性同位体14C源から二酸化炭素同位体14CO2を含むガスを生成する。この場合、例えば後述のシステムを用いて、14CO2ガスを含む環境下において光合成させた植物試料を用いことができる。得られたガスからN2O、COを除去する。 (b) Heating and burning the plant sample to produce a gas containing the carbon dioxide isotope 14 CO 2 from the radioactive isotope 14 C source. In this case, for example, a plant sample can be used that has been photosynthesized in an environment containing 14 CO 2 gas using the system described below. N 2 O and CO are removed from the obtained gas.
(ハ)得られた14CO2から水分を取り除いておくことが好ましい。例えば二酸化炭素同位体生成装置40内にて、14CO2を炭酸カルシウム等の乾燥剤上を通過させたり、14CO2を冷却して水分を結露させることにより水分を除去することが好ましい。14CO2に含まれる水分に起因する光共振器11の着氷・着霜によるミラー反射率低下が検出感度を低下させるため、水分を除去しておくことで分析精度が上がるからである。なお、分光工程を考慮すると、分光装置10へ14CO2を導入する前に、14CO2を冷却しておくことが好ましい。室温の14CO2を導入すると、共振器の温度が大きく変化し、分析精度が低下するためである。
(c) It is preferable to remove moisture from the obtained 14 CO 2 . For example, in the carbon dioxide
(ニ)14CO2を、図1に示すような1対のミラー12a、12bを有する光共振器11内に充填する。そして14CO2を273K(0℃)以下に冷却することが好ましい。照射光の吸収強度が高まるからである。また光共振器11を真空雰囲気に保つことが好ましい。外部温度の影響を軽減させることで、測定精度が高まるからである。
(d) 14 CO 2 is filled into an
(ホ)図8Aに示すように光源23から得られた第1光を第1光ファイバー21に伝送する。また第1光ファイバー21から分岐し第1光ファイバー21の下流側の合流点で合流する第2光ファイバー22に第1光を伝送させて、第2光ファイバー22により第1光よりも長波長の第2光を発生させる。なお、得られた第1光と第2光の強度を、帯域が異なる増幅器(図示せず)を用いてそれぞれ増幅してもよい。
そして、短波長側の第1光ファイバー21から1.3μm~1.7μm帯の光を発生させ、長波長側の第2光ファイバー22から1.8μm~2.4μm帯の光を発生させる。次に第2光を第1光ファイバー21の下流側で合流させ、第1光と第2光を非線形光学結晶24に通過させ、周波数の差から二酸化炭素同位体14CO2の吸収波長の4.5μm帯の光として、波長4.5μm~4.8μm帯の中赤外域光周波数の光コムを照射光として発生させる。その際、非線形光学結晶24として長手方向の長さが11mmよりも長尺の長軸結晶を用いることにより強度の高い光を生成することができる。
(e) As shown in FIG. 8A, the first light obtained from the
Then, the first
(ヘ)二酸化炭素同位体14CO2に照射光を照射し共振させる。その際、測定精度を上げるためには、光共振器11の外部からの振動を吸収し、ミラー12a、12b間隔にずれが生じないようにすることが好ましい。また照射光が空気に触れないように、第1光ファイバー21の下流側の他端をミラー12aに当接させながら照射することが好ましい。そして光共振器11からの透過光の強度を測定する。なお、透過光を分光し、分光されたそれぞれの透過光について強度を測定してもよい。
(f) Irradiate the carbon dioxide isotope 14 CO 2 with irradiation light and cause it to resonate. At this time, in order to improve measurement accuracy, it is preferable to absorb vibrations from the outside of the
(ト)透過光の強度から炭素同位体14C濃度を計算する。 (g) Calculate the carbon isotope 14C concentration from the intensity of transmitted light.
以上、第1の態様に係る炭素同位体分析方法について説明してきたが、炭素同位体分析方法は、上述の実施形態に限定されることなく、種々の変更を加えることができる。以下に炭素同位体分析方法の別の態様について、第1の態様からの変更点を中心に説明する。 Although the carbon isotope analysis method according to the first aspect has been described above, the carbon isotope analysis method is not limited to the above-described embodiments, and various changes can be made. Another aspect of the carbon isotope analysis method will be described below, focusing on changes from the first aspect.
[炭素同位体分析方法の第2の態様]
炭素同位体分析方法の第2の態様は、上述の(ホ)工程を、以下の工程に置き換えたものである。
(イ)炭素同位体分析方法は、1つの光の周波数領域が4500nm~4800nmである線幅の狭い光の束からなる光コムを発生させる。
(ロ)次に、図16Aに示すように、周波数に対する強度の光スペクトル図の被検対象物の吸収波長領域の中心に光コムのうちの1つの光のスペクトルを表示する。
(ハ)光コムからの光をビート信号測定用光ファイバーに伝送する。
(ニ)光源からの光を被検対象物に照射し光共振器(CRDS)により光吸収量を測定する。
(ホ)光源からの光の一部をビート信号測定用光ファイバーに分岐させ、光源からの光と光コム源からの光の周波数差によりビート信号を生じさせる。その際、図16Bの矢印で示すように(1)、(2)…と、広範囲の周波数をスキャンしながらビート信号を発生させてもよい。また図16Cに示すように所望の周波数領域でビート信号を発生させてもよい。
(ヘ)(ニ)工程で得られた光吸収量と共に(ホ)工程で得られたビート信号より得られる被検対象物に照射された光の波長を記録する。それらの記録に基づいて、被検対象物の正確な光吸収量を測定する。
なお、本発明では、あえて光コムによるフェーズロックを行わないものの、簡便な測定系で正確な測定が実現できる。
[Second embodiment of carbon isotope analysis method]
The second aspect of the carbon isotope analysis method is one in which the above-mentioned step (e) is replaced with the following step.
(a) The carbon isotope analysis method generates an optical comb consisting of a bundle of light with a narrow linewidth in the frequency range of 4500 nm to 4800 nm.
(b) Next, as shown in FIG. 16A, the spectrum of one of the optical combs is displayed at the center of the absorption wavelength region of the object to be examined in the optical spectrum diagram of intensity versus frequency.
(c) Transmit the light from the optical comb to the optical fiber for beat signal measurement.
(d) Light from a light source is irradiated onto the object to be inspected, and the amount of light absorption is measured using an optical resonator (CRDS).
(e) Part of the light from the light source is branched to an optical fiber for measuring beat signals, and a beat signal is generated by the frequency difference between the light from the light source and the light from the optical comb source. At this time, the beat signal may be generated while scanning a wide range of frequencies (1), (2), etc. as shown by the arrows in FIG. 16B. Alternatively, a beat signal may be generated in a desired frequency range as shown in FIG. 16C.
(f) Record the wavelength of the light irradiated onto the test object obtained from the beat signal obtained in step (e) together with the amount of light absorption obtained in step (d). Based on these records, the exact amount of light absorption of the object to be tested is measured.
Although the present invention does not purposely perform phase locking using an optical comb, accurate measurement can be achieved with a simple measurement system.
[植物試料用14CO2ラベリングシステム]
以下、植物試料用14CO2光合成ラベリングシステムについて説明する。イネの地上部にて生成された光合成産物が根まで移動する動態を評価する実験を行うために、植物試料を14CO2環境下に導入し、光合成により14C標識することが望まれる。そこで、既往研究(R. Sugita, et al., “Visualization of uptake of mineral elements and
the dynamics of photosynthates in arabidopsis by a newly developed real-time
radioisotope imaging system (RRIS)”, Plant Cell Physiol., 57, 4, 743-753 (2016))を参考に、14C標識炭酸水素ナトリウム溶液(NaH14CO3, 37 MBq/mL, PerkinElmer)と弱酸(乳酸、CH3CH(OH)COOH)の化学反応を利用したラベリングシステムを構築した。図17に概要を示す。
図17は植物試料用14CO2光合成ラベリングシステム80の概念図である。植物試料用14CO2光合成ラベリングシステム80は、14CO2ガスを発生させるバイアル81と、発生したガスを蓄積させるサンプルバッグ83と、植物試料が導入されるデシケータ85と、循環ポンプ86とを備える。各部材間を直列に接続する配管88aと、循環ポンプ86とサンプルバッグ83の間を接続する配管88bと、をさらに備える。配管88aには、バイアル81とサンプルバッグ83の間にバルブ89a、サンプルバッグ83とデシケータ85の間にバルブ89bが設けられ、配管88bにはバルブ89cが設けられている。バルブ89a~89cのぞれぞれの開閉と、循環ポンプ86を操作することにより、サンプルバッグ83とデシケータ85の間にガスを循環させることができる。デシケータ85の上方には光源82が配置されている。デシケータ85はアクリル製とすることができる。
サンプルバッグ83の体積はデシケータ85の体積に対して十分に小さくすることが好ましい。特に制限はないが、サンプルバッグ83の体積を600mLとしたときに、デシケータ85の体積を30Lとすることができる。サンプルバッグ83内の全てのガスを容易にデシケータ85内に導入することが可能になるからである。
[14CO2 labeling system for plant samples]
The 14CO2 photosynthesis labeling system for plant samples will be described below. In order to conduct experiments to evaluate the movement of photosynthetic products produced in the above-ground parts of rice to the roots, it is desirable to introduce plant samples into a 14CO2 environment and label them with 14C through photosynthesis. Therefore, previous research (R. Sugita, et al., “Visualization of uptake of mineral elements and
the dynamics of photosynthates in arabidopsis by a newly developed real-time
14C-labeled sodium bicarbonate solution (NaH14CO3, 37 MBq/mL, PerkinElmer) and weak acid (lactic acid, CH3CH). We constructed a labeling system using the chemical reaction of (OH)COOH).The outline is shown in Fig. 17.
FIG. 17 is a conceptual diagram of a 14CO2
It is preferable that the volume of the sample bag 83 is sufficiently smaller than the volume of the
次に、14CO2ガスの発生方法を説明する。バイアル81内の14C標識炭酸水素ナトリウム溶液に乳酸を滴下すると、以下の化学反応により14CO2ガスが発生する。
NaH14CO3+CH3CH(OH)COOH
→14CO2+H2O+CH3CH(OH)COONa
この時、乳酸の量が炭酸水素ナトリウムの量より十分多ければ、バイアル81内の14Cはすべて14CO2ガスとなり、発生させた14CO2ガスはバイアル81内に存在する14C-炭酸水素ナトリウム溶液量から容易に計算することができる。
Next, a method for generating 14 CO 2 gas will be explained. When lactic acid is dropped into the 14 C-labeled sodium bicarbonate solution in the
NaH14CO3 + CH3CH (OH) COOH
→ 14 CO 2 + H 2 O + CH 3 CH(OH)COONa
At this time, if the amount of lactic acid is sufficiently larger than the amount of sodium hydrogen carbonate, all of the 14 C in the
上述のシステムの動作について説明する。(イ)まず、バイアル81とサンプルバッグ83のみがつながるようにバルブ89a~89cを開閉する。(ロ)サンプルバッグ83にバイアル81から発生した14CO2ガスを蓄積した後に、バルブを切り替えてサンプルバッグ83とデシケータ85のみを接続し、デシケータ85内に14CO2ガスを充満させる。(ハ)その後、循環ポンプ86を用いて系内のガスを循環させる。これにより、デシケータ85内部の植物試料は光合成によって14CO2体内に取り込まれる。(ニ)デシケータ82の上部に設置した光源82(ここではLEDライト)により、デシケータ85内部の植物試料の光合成を促進させることが好ましい。
The operation of the above system will be explained. (a) First, open and close the
[植物試料分析用システム]
本発明は、上述の植物試料分析用炭素同位体分析装置と、植物試料用14CO2光合成ラベリングシステム(ユニット)と、を備える植物試料分析用システムにも関する。係るシステムによれば植物試料分析を効率的に行うことができる。各部材は同一構内にあることが好ましいが、それに限定されず、それぞれが別構内に配置されていても構わない。
[Plant sample analysis system]
The present invention also relates to a plant sample analysis system comprising the above-described carbon isotope analyzer for plant sample analysis and a 14 CO 2 photosynthesis labeling system (unit) for plant samples. According to such a system, plant sample analysis can be performed efficiently. Although each member is preferably located in the same campus, the present invention is not limited thereto, and each member may be located in a separate campus.
(その他の実施形態)
上記のように、本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
実施形態に係る炭素同位体分析装置においては、分析対象である炭素同位体として放射性同位体14Cを中心に説明した。放射性同位体14Cの他にも、安定同位体元素である12C、13Cを分析することができる。その場合の照射光としては、例えば、12C及び13C分析を12CO2及び13CO2の吸収線分析として行う場合は、2μm帯や1.6μm帯の光を用いることが好ましい。
12CO2、及び13CO2の吸収線分析を行う場合、ミラー間隔は10~60cm、ミラーの曲率半径はミラー間隔と同じかそれ以上、とすることが好ましい。
なお、12C、13C、14Cはそれぞれ化学的には同じ挙動を示すが、安定同位体元素12C、13Cよりも放射性同位体14Cの天然存在比が低いことから、放射性同位体14Cはその濃度を人工的な操作により高くし、精度よく測定を行うことで様々な反応過程の観測が可能となる。
第1の実施形態において説明した光発生装置(光スイッチ)は、高い精度で光のオンオフを制御できるため、種々の用途で活用可能である。例えば、第1の実施形態において説明した構成を一部に含む測定装置、医療診断装置、環境測定装置(年代測定装置)等も製造することができる。
第1の実施形態において説明した光周波数コムは、レーザースペクトルの縦モードが非常に高い精度で等周波数間隔に並んだ光源であり、精密分光や高精度距離計測の分野において高機能な新しい光源として期待されている。また、物質の吸収スペクトルが中赤外域に多く存在するため、中赤外域の光周波数コム光源の開発は重要である。光周波数コムについては、第1、第2の実施形態で説明した他にも種々の用途で活用可能である。
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
(Other embodiments)
As described above, the present invention has been described by way of embodiments, but the statements and drawings that form part of this disclosure should not be understood as limiting the present invention. Various alternative embodiments, implementations, and operational techniques will be apparent to those skilled in the art from this disclosure.
In the carbon isotope analyzer according to the embodiment, the radioactive isotope 14C has been mainly described as the carbon isotope to be analyzed. In addition to the radioactive isotope 14 C, stable isotope elements 12 C and 13 C can be analyzed. As the irradiation light in that case, for example, when 12 C and 13 C analysis is performed as absorption line analysis of 12 CO 2 and 13 CO 2 , it is preferable to use light in the 2 μm band or 1.6 μm band.
When performing absorption line analysis of 12 CO 2 and 13 CO 2 , it is preferable that the mirror spacing be 10 to 60 cm, and that the radius of curvature of the mirror be equal to or greater than the mirror spacing.
Although 12C , 13C , and 14C each exhibit the same chemical behavior, the natural abundance ratio of the radioactive isotope 14C is lower than that of the stable isotope elements 12C and 13C . By artificially increasing the concentration of 14 C and performing accurate measurements, it becomes possible to observe various reaction processes.
The light generating device (optical switch) described in the first embodiment can control the on/off of light with high precision, so it can be used for various purposes. For example, measuring devices, medical diagnostic devices, environmental measuring devices (dating devices), etc. that partially include the configuration described in the first embodiment can also be manufactured.
The optical frequency comb described in the first embodiment is a light source in which the longitudinal modes of the laser spectrum are arranged at equal frequency intervals with very high precision, and can be used as a new high-performance light source in the fields of precision spectroscopy and high-precision distance measurement. It is expected. Furthermore, since the absorption spectra of substances are mostly in the mid-infrared region, it is important to develop optical frequency comb light sources in the mid-infrared region. The optical frequency comb can be used for various purposes other than those described in the first and second embodiments.
Thus, it goes without saying that the present invention includes various embodiments not described here. Therefore, the technical scope of the present invention is determined only by the matters specifying the invention in the claims that are reasonable from the above description.
[13C標識トウモロコシ試料の測定]
13C標識されたトウモロコシ試料を用いた基礎実験を行った。試料は本研究とは別の目的で13C標識されたトウモロコシの茎葉部・根系試料であり、名古屋大学生命農学研究科仲田麻奈博士により譲渡された。試料は最初から細かく裁断・粉末化されていた。標識の有無でそれぞれ3試料の計6試料であり、13C標識有りの試料をNo.1~3(1,2: 茎葉部、3: 根系)、13C標識無しの試料をNo.4~6(4,5:茎葉部、6:根系)とラベリングされた。
また、天然同位体比の基準試料としてアセトアニリド(C8H9NO)試料(固体)を測定した。本試料は、本研究の前に同位体比質量分析計(Isotope Ratio Mass Spectrometry: IRMS)により13C同位体比を分析されていた。各試料のうち約2mgを計量し、アルミナ製の試料ボートに入れた後、固体試料燃焼装置に挿入した。まず、14C-CRDS分析システムによって、植物試料由来のCO2吸収スペクトルを取得できることを確認するため、No.5の標識無しの試料(茎葉部)を導入し、12C、13Cを含む二酸化炭素の比較的大きな吸収が存在する波数領域、2209.25~2210.0cm-1をスキャンして比較的広い範囲の吸収スペクトルを測定した。ガスセルの温度は283Kに保たれ、測定時の圧力は20mbarであった。13C標識されたトウモロコシ茎葉部について取得されたスペクトルを図18に示す。
N2O・CO・H2Oの吸収ピークが確認されたが、それらに埋もれることなく13CO2・12CO2の明瞭な吸収ピークが得られた。これより、植物試料由来のCO2吸収スペクトルの測定が可能であることが示された。以降、スキャン範囲を13CO2・12CO2のピークが両方存在する2209.75~2210.0cm-1とした。
[Measurement of 13 C-labeled corn sample]
Basic experiments were conducted using 13 C-labeled corn samples. The samples were 13C-labeled corn stover and root system samples for purposes other than this research, and were provided by Dr. Mana Nakata of the Graduate School of Bioagricultural Sciences, Nagoya University. The sample had been finely cut and powdered from the beginning. There are 6 samples in total, 3 samples each with and without the 13 C label. Samples with the 13 C label are Nos. 1 to 3 (1, 2: stem and leaf parts, 3: root system), and samples without the 13 C label are Nos. 4 to 3. It was labeled as 6 (4, 5: stem and leaf parts, 6: root system).
Furthermore, an acetanilide (C 8 H 9 NO) sample (solid) was measured as a reference sample for natural isotope ratio. The 13 C isotope ratio of this sample had been analyzed using an isotope ratio mass spectrometer (IRMS) prior to this study. Approximately 2 mg of each sample was weighed and placed in an alumina sample boat, which was then inserted into a solid sample combustion device. First, in order to confirm that CO 2 absorption spectra derived from plant samples can be obtained using the 14 C-CRDS analysis system, unlabeled sample No. 5 (stems and leaves) was introduced, and
Although absorption peaks of N 2 O, CO, and H 2 O were confirmed, a clear absorption peak of 13 CO 2 and 12 CO 2 was obtained without being buried in them. This indicates that it is possible to measure CO 2 absorption spectra derived from plant samples. Thereafter, the scan range was set to 2209.75 to 2210.0 cm -1 where both 13 CO 2 and 12 CO 2 peaks were present.
次に、すべての試料(No.1~6)、アセトアニリド試料についてスペクトルを取得し、その同位体比を評価した。ガスセルの温度は283Kに保たれ、測定時の圧力は20mbarであった。取得されたスペクトルの例(No.1・No.5、ともに茎葉部)を、それぞれ図19A、図19Bに示す。ここで、図中縦軸はピーク強度の変化を明らかとするために、対数ではなく線形スケールとした。試料導入量が若干異なることにより、試料中炭素含有量に個体差があるため、図19A、図19Bから縦軸を12CO2の強度で規格化した図20A、図20B。 Next, spectra were obtained for all samples (Nos. 1 to 6) and acetanilide samples, and their isotope ratios were evaluated. The temperature of the gas cell was kept at 283 K and the pressure during the measurements was 20 mbar. Examples of the acquired spectra (No. 1 and No. 5, both stem and leaf parts) are shown in FIGS. 19A and 19B, respectively. Here, in order to clarify the change in peak intensity, the vertical axis in the figure is not a logarithmic scale but a linear scale. 20A and 20B are normalized vertical axes based on the intensity of 12 CO 2 from FIGS. 19A and 19B because there are individual differences in the carbon content in the samples due to slight differences in the amount of sample introduced.
これより、13C標識された試料No.1は、標識無しの試料No.5より明らかに13CO2吸収の相対強度が大きいことが示された。また、評価された同位体比はNo.5が天然同位体比であるのに対してNo.1は倍程度大きくなった。全ての試料について3回ずつ(n3)測定し、評価された同位体比をIRMSによる評価結果とともに表1に示す。なお表中、d13Cは、天然13C同位体比の基準試料(Pee Dee Belemnite 鉱石: PDB)の値(13C/12C 0.012021%)(J. Meija, et al., “Isotopic compositions of the elements 2013 (IUPAC Technical Report)”, Pure Appl. Chem., 88, 3, 293-306 (2016))を基準とした値であり、以下の式で表される。なお、単位は千分率(パーミル、‰)である。
[植物試料用14CO2ラベリングシステム]
植物試料の14C標識を確認するために、同条件で生育されたイネ試料を14CO2光合成ラベリングシステムにより標識する実験を行った。14C―炭酸水素ナトリウム溶液20μL(=740kBq)を使用し、14CO2ガスを発生させ、イネ試料を14CO2ガスに50分間曝した(標識した)。結果比較のために、1個体は標識しなかった。標識後、茎葉部と根系に分け、液体窒素に浸すことで生体活動を停止した後、乾燥機で乾燥させた。試料を細かく裁断し、14C-CRDS分析システムにより吸収スペクトルを取得した。
14C標識・非標識茎葉部試料の結果を、それぞれ図22A,図22Bに示す。結果より、標識された試料には、非標識試料には見られない14CO2の明瞭なピークが測定され、本システムによって光合成による14CO2標識が可能であることが示された。
[ 14 CO2 labeling system for plant samples]
In order to confirm 14 C labeling of plant samples, an experiment was conducted in which rice samples grown under the same conditions were labeled using a 14 CO 2 photosynthetic labeling system. 20 μL (=740 kBq) of 14 C-sodium hydrogen carbonate solution was used to generate 14 CO 2 gas, and the rice samples were exposed (labeled) to 14 CO 2 gas for 50 minutes. One individual was not labeled for comparison of results. After labeling, the plants were separated into stems, leaves and roots, immersed in liquid nitrogen to stop biological activity, and then dried in a dryer. The sample was cut into pieces, and an absorption spectrum was obtained using a 14 C-CRDS analysis system.
The results for 14 C-labeled and unlabeled stem and leaf samples are shown in FIGS. 22A and 22B, respectively. The results showed that a clear peak of 14 CO 2 that was not observed in the unlabeled sample was measured in the labeled sample, indicating that 14 CO 2 labeling by photosynthesis is possible with this system.
[14Cトレーサー分析によるイネの炭素動態評価の実証]
上述の14C―CRDS分析システムによって植物試料分析が可能であることを確認し、光合成による14Cラベリングシステムを構築し、その動作を確認した。そこで、イネ試料に14CO2を光合成により吸収させ、光合成産物が根まで移動する動態を評価する実験を行った。イネ試料として人工気象機内において水耕条件で10日間栽培したイネ(品種:日本晴)を2群(各20個体、計40個体)用意した。一方は人工気象機内において通常通り生育され(Control)、一方はポリエチレングリコール(Poly-EthyleneGlycol: PEG)を水耕液に混ぜることにより疑似的に乾燥ストレスを生じさせた。PEGは内部に大量の水を吸収することができ、植物への水の吸収を抑えることができる。Control群・PEG群の全ての個体を上述の図17のラベリングシステムのデシケータ内に導入した。
[Demonstration of carbon dynamics evaluation of rice by 14C tracer analysis]
We confirmed that plant sample analysis is possible using the 14 C-CRDS analysis system described above, constructed a 14 C labeling system using photosynthesis, and confirmed its operation. Therefore, an experiment was conducted in which rice samples were allowed to absorb 14 CO 2 through photosynthesis, and the dynamics of the movement of photosynthetic products to the roots was evaluated. As rice samples, two groups (20 individuals each, 40 individuals in total) of rice (variety: Nipponbare) that were grown for 10 days under hydroponic conditions in an artificial climate machine were prepared. One was grown normally in an artificial climate machine (Control), and the other was artificially subjected to drought stress by mixing polyethylene glycol (PEG) into the hydroponic solution. PEG can absorb a large amount of water internally and can suppress water absorption into plants. All individuals in the Control group and PEG group were introduced into the desiccator of the labeling system shown in FIG. 17 described above.
上述の実験と比較して個体数が非常に多いことから、14C―炭酸水素ナトリウム溶液1mL(=5.5MBq)を使用し、14CO2ガスを発生させ、イネ試料を14CO2ガスに50分間曝した。その後、デシケータ内から試料を取り出し、Control・PEG 各5個体ずつグループ化し、一定時間経過後(直後、30分後、60分後、120分後)に茎葉部(Shoot)と根系(Root)に分けたうえで、それぞれ液体窒素に浸し生体活動を停止した。この作業に5分程度を必要とし、結果についてはその中央値を生体活動を停止させた時間とした。
その後、乾燥機で乾燥させ、個体ごとに各試料の重さを計量し、裁断・粉末化した。このような作業をサンプリングと呼ぶ。14C量が相対的に多いことが予想される茎葉部については1.0mg、根系については1.5mgを測り取り、14C―CRDS分析システムにより吸収スペクトルを取得した。ガスセルは283Kに保たれ、測定時の圧力は、根系で約15mbar、茎葉部で約50mbarとした。茎葉部の場合の圧力が高いのは、14C量が多く、吸収飽和(P. Cancio, et al., “Saturated-Absorption Cavity Ring-Down (SCAR) for High-Sensitivity and High-Resolution Molecular Spectroscopy in the Mid IR”, Cavity-Enhanced Spectroscopy and Sensing, pp. 143-162, Springer Berlin Heidelberg. (2014)参照)の影響が顕著に見られたためである。飽和が発生すると、吸収ピーク強度が14C量に依存しなくなり、ピークの天頂が本来より低くなまってしまう。ガス圧力を上げ、吸収スペクトルの圧力拡がりを大きくすることで吸収飽和の影響を低減した。取得された吸収スペクトルの例として、PEG群の直後にサンプリングした同一個体の根系・茎葉部の結果を、それぞれ図23A,図23Bに示す。
Since the number of individuals was very large compared to the above experiment, 1 mL (=5.5 MBq) of 14 C-sodium hydrogen carbonate solution was used to generate 14 CO 2 gas, and the rice sample was converted to 14 CO 2 gas. It was exposed for 50 minutes. After that, the samples were taken out from inside the desiccator, grouped into groups of 5 each for Control and PEG, and after a certain period of time (immediately, 30 minutes, 60 minutes, and 120 minutes) were removed from the shoot and root system. After separating them, they were each immersed in liquid nitrogen to stop biological activity. This task required about 5 minutes, and the median value was taken as the time taken to stop biological activity.
Thereafter, it was dried in a dryer, weighed individually, and cut and powdered. This kind of work is called sampling. 1.0 mg was measured from the stems and leaves, which are expected to have a relatively large amount of 14 C, and 1.5 mg was measured from the roots, and absorption spectra were obtained using a 14 C-CRDS analysis system. The gas cell was maintained at 283 K, and the pressure during the measurements was approximately 15 mbar in the root system and approximately 50 mbar in the stem and leaves. The high pressure in the stem and leaves is due to the large amount of 14 C and absorption saturation (P. Cancio, et al., “Saturated-Absorption Cavity Ring-Down (SCAR) for High-Sensitivity and High-Resolution Molecular Spectroscopy in This is because the influence of "The Mid IR", Cavity-Enhanced Spectroscopy and Sensing, pp. 143-162, Springer Berlin Heidelberg. (2014)) was noticeable. When saturation occurs, the absorption peak intensity no longer depends on the amount of 14 C, and the zenith of the peak becomes lower than it should be. The effect of absorption saturation was reduced by increasing the gas pressure and increasing the pressure spread of the absorption spectrum. As examples of the acquired absorption spectra, the results of the root system and stem and leaves of the same individual sampled immediately after the PEG group are shown in FIGS. 23A and 23B, respectively.
各群各グループ5個体ずつの茎葉部・根系を測定し、その14C同位体比を評価した。横軸に標識からの経過時間、縦軸に14C同位体比とし、結果を根系・茎葉部に分けて、それぞれ図24A、図24Bにプロットした。また、根系と茎葉部の同位体比の比をとり、同様に横軸を標識からの経過時間とした図を、図26に示す。茎葉部と根系の試料で評価された同位体比を比較すると、根系の方が数桁低く、経過時間が大きくなるにつれてその差が小さくなる(根と茎葉部の比は増加)ことが分かった。茎葉部にて光合成により吸収された14Cが、根系に移動した結果として妥当である。また、以下の式により14C同位体比を試料中放射能量A(単位:Bq)に換算することができる。
以上より、葉により生成された光合成産物が根に輸送される時間的なトレンドを取得し、乾燥ストレスの有無による差異を評価でき、14C-CRDS分析システムによるイネにおける光合成産物の動態評価を実証した。今回取得された結果と評価された検出感度(14C/12C~2.0×10-11)より、投与放射能量が数桁小さくても同様の測定ができ、導入試料についても、より少ない量での評価が可能なことが分かった。 From the above, we were able to obtain the temporal trends in the transport of photosynthetic products produced by leaves to roots and evaluate the differences due to the presence or absence of drought stress, demonstrating the dynamic evaluation of photosynthetic products in rice using the 14C -CRDS analysis system. did. Based on the results obtained this time and the detection sensitivity evaluated ( 14 C/ 12 C ~ 2.0 It turned out that it is possible to evaluate based on quantity.
中赤外CRDSに基づく14C分析システム(14C-CRDS分析システム)の適用先として、植物生理学における14Cトレーサー応用に着目し、イネ試料を14C標識し、その動態を評価する実証実験を通して、本手法の植物生理学における有用性がある。植物試料測定用の導入部を構築し、その動作を確認したうえで、13C標識トウモロコシ試料を用いた基礎実験により、植物試料中の炭素同位体比の測定が可能であることを示した。また、植物試料用14CO2ラベリングシステムを構築し、乾燥ストレスの有/無条件下で生育されたイネ試料を14C標識し、光合成により葉から取り込んだ14Cが根に移送される時間的なトレンドを取得した。14Cが葉から根に移動する炭素動態を明瞭に評価でき、乾燥ストレスの有無によって動態が異なることを明らかとした。同時に、既存の分析手法と比較して、数桁高い感度を有することから、より少ない投与放射能量、試料量で同様の評価が可能な見込みを得た。
今後の展望として、根の呼気中14CO2測定法の開発の他、茎葉部浸出液の測定や葉と茎、主根と側根など微小な部位に分けての動態評価、代謝物中の14C分析などこれまで適する分析法が存在しなかったために実現できなかった様々な分析への本手法の適用が期待される。
As an application of the 14 C analysis system based on mid-infrared CRDS ( 14 C-CRDS analysis system), we focused on the application of 14 C tracers in plant physiology, and conducted demonstration experiments to label rice samples with 14 C and evaluate its dynamics. , this method has utility in plant physiology. After constructing an introduction section for measuring plant samples and confirming its operation, basic experiments using 13 C-labeled corn samples showed that it was possible to measure carbon isotope ratios in plant samples. In addition, we constructed a 14 CO 2 labeling system for plant samples, and labeled rice samples grown with and without drought stress with 14 C to determine the time period during which 14 C taken up from leaves through photosynthesis is transferred to roots. Obtained the latest trend. We were able to clearly evaluate the carbon dynamics of 14C moving from leaves to roots, and found that the dynamics differed depending on the presence or absence of drought stress. At the same time, since it has a sensitivity several orders of magnitude higher than existing analytical methods, it is expected that similar evaluations can be made with a smaller amount of administered radioactivity and sample.
Future prospects include the development of a method for measuring exhaled 14 CO 2 in roots, measurement of exudates from stems and leaves, dynamic evaluation of minute parts such as leaves and stems, main roots and lateral roots, and analysis of 14 C in metabolites. It is expected that this method will be applied to various analyzes that could not be realized due to the lack of suitable analytical methods.
1A、1B 炭素同位体分析装置
10A、10B 分光装置
11 光共振器
12a、12b ミラー
13 ピエゾ素子
15 光検出器
16 セル
18 真空装置
19 ペルチェ素子
20A、20B 光発生装置
21 第1光ファイバー
22 第2光ファイバー
23 光源
24 非線形光学結晶
25 光スイッチ
26a~26e ミラー
28 ビート信号測定機
29 光分岐装置
30 演算装置
40 二酸化炭素同位体生成装置
80 植物試料用14CO2光合成ラベリングシステム
81 バイアル
83 サンプルバッグ
85 デシケータ
86 循環ポンプ
88a、88b 配管
86 循環ポンプ
89a~89c バルブ
1A, 1B
85 Desiccator 86
Claims (13)
植物試料分析用炭素同位体分析装置と、を有し、
前記植物試料分析用炭素同位体分析装置は、
14Cから14CO2を含むガスを生成する燃焼部を備える二酸化炭素同位体生成装置と、
光発生装置と、
1対のミラーを有する光共振器、前記光共振器からの透過光の強度を検出する光検出器を備える分光装置と、を備え、
前記植物試料用 14 CO 2 光合成ラベリングシステムは、
14 CO 2 ガスを発生させるバイアルと、
発生したガスを蓄積させるサンプルバッグと、
植物試料が導入されるデシケータと、
循環ポンプと、
前記バイアルと前記サンプルバッグを接続する第1配管と、
前記サンプルバッグと前記デシケータを接続する第2配管と、
前記循環ポンプを介して前記サンプルバッグと前記デシケータを接続する第3配管と、
を有し、
前記サンプルバッグの体積は前記デシケータの体積に対して小さく、
まず、前記第1配管から前記第3配管までのうち前記第1配管のみを開いて前記バイアルで発生させた 14 CO 2 ガスを前記サンプルバッグに蓄積させ、
その後、前記第1配管から前記第3配管までのうち前記第2配管のみを開いて前記デシケータ内に 14 CO 2 ガスを充満させ、
その後、前記第1配管から前記第3配管までのうち前記第2配管および前記第3配管を開いて前記循環ポンプにより前記サンプルバッグと前記デシケータ間でガスを循環させる、植物試料分析用システム。 14 CO2 photosynthesis labeling system for plant samples;
A carbon isotope analyzer for analyzing plant samples,
The carbon isotope analyzer for plant sample analysis includes:
a carbon dioxide isotope generator comprising a combustion section that generates a gas containing 14 CO 2 from 14 C;
a light generator;
An optical resonator having a pair of mirrors, a spectroscopic device including a photodetector that detects the intensity of transmitted light from the optical resonator ,
The 14 CO 2 photosynthesis labeling system for plant samples includes :
14 A vial that generates CO 2 gas,
A sample bag that accumulates the generated gas,
a desiccator into which the plant sample is introduced;
circulation pump,
a first pipe connecting the vial and the sample bag;
a second pipe connecting the sample bag and the desiccator;
a third pipe connecting the sample bag and the desiccator via the circulation pump;
has
The volume of the sample bag is small compared to the volume of the desiccator;
First, only the first pipe from the first pipe to the third pipe is opened to accumulate the 14 CO 2 gas generated in the vial in the sample bag,
After that, only the second pipe from the first pipe to the third pipe is opened to fill the desiccator with 14 CO 2 gas,
Thereafter, the second pipe and the third pipe from the first pipe to the third pipe are opened to circulate gas between the sample bag and the desiccator using the circulation pump.
の植物試料分析用システム。 The plant sample analysis system according to claim 4 , wherein the light source is a mid-infrared quantum cascade laser.
主光源としての中赤外量子カスケードレーザーと、
1つの光の周波数領域が4500nm~4800nmである線幅の狭い光の束からなる光コムを発生させる光コム源、前記主光源からの光と前記光コム源からの光の周波数差により生じるビート信号を測定する光検出器、を備えるビート信号測定機と、
を備える、請求項4~6のいずれか1項に記載の植物試料分析用システム。 The light source is
A mid-infrared quantum cascade laser as the main light source,
An optical comb source that generates an optical comb consisting of a bundle of light with a narrow linewidth in which the frequency range of one light is 4500 nm to 4800 nm, and a beat caused by the frequency difference between the light from the main light source and the light from the optical comb source. a beat signal measuring device comprising a photodetector for measuring a signal;
The plant sample analysis system according to any one of claims 4 to 6 , comprising:
前記植物試料中の14Cから14CO2を生成する工程と、
前記14CO2を光共振器内に充填する工程と、
前記光共振器内に前記14CO2に対する吸収波長を有する照射光を照射する工程と、
前記14CO2に前記照射光を照射し共振させた際に得られる透過光の強度を測定する工程と、
透過光の強度から14C濃度を計算する工程と、を有し、
前記植物試料の 14 CO 2 光合成ラベリング方法は、
バイアル中に 14 CO 2 ガスを発生させる工程と、
発生させた 14 CO 2 ガスをサンプルバッグに蓄積させる工程と、
植物試料が導入され、前記サンプルバッグよりも体積の大きいデシケータ内に、前記サンプルバッグからの 14 CO 2 ガスを充満させる工程と、
前記サンプルバッグと前記デシケータ間でガスを循環させる工程と、を有する、植物試料分析用炭素同位体分析方法。 photosynthesizing a plant sample using a 14 CO photosynthesis labeling method of a plant sample , and labeling the plant sample with 14 C;
producing 14 CO 2 from 14 C in the plant sample;
filling the optical resonator with the 14 CO 2 ;
irradiating the inside of the optical resonator with irradiation light having an absorption wavelength for the 14 CO 2 ;
Measuring the intensity of transmitted light obtained when the 14 CO 2 is irradiated with the irradiation light and resonated;
calculating the 14 C concentration from the intensity of the transmitted light ,
The 14 CO 2 photosynthesis labeling method of the plant sample includes :
generating 14 CO2 gas in the vial ;
accumulating the generated 14 CO2 gas in a sample bag;
A step in which a plant sample is introduced and a dessicator having a larger volume than the sample bag is filled with 14 CO 2 gas from the sample bag;
A carbon isotope analysis method for plant sample analysis , comprising the step of circulating gas between the sample bag and the desiccator .
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