CN1213432A

CN1213432A - 同时分析多个样品的方法及其装置

Info

Publication number: CN1213432A
Application number: CN97192963A
Authority: CN
Inventors: D·E·默尼克
Original assignee: Rutgers State University of New Jersey
Current assignee: Rutgers State University of New Jersey
Priority date: 1996-03-12
Filing date: 1997-03-10
Publication date: 1999-04-07
Also published as: CA2248130A1; KR19990087705A; US5818580A; AU704104B2; WO1997034132A1; BR9708036A; AU2539097A; EP0890084A1; EP0890084A4; JP2000505558A; JP2005049322A; KR100323281B1

Abstract

同时对多个样品进行处理的分析装置和方法,将包含多个所需波长的辐射,如激光束(12,14)同时射入通过多个样品(32a－d),如沿一条光路射入通过所有的样品。通过监测诱发效应而不是应用辐射本身(42)的强度监测对于每个波长的响应。以每个样品的低吸收可获得有用的信噪比。要求一个样品的组分是已知的,把它作为内部校准标准。

Description

同时分析多个样品的方法及其装置

本发明涉及通过暴露于激光一类辐射对多个样品，诸如气体样品进行分析的方法和装置。

分析测试方法涉及使辐射透过被测试材料(通常称为“被分析物”)样品。例如，有些光度测试方法是在与特定物质有关的特定波长上测量样品吸收的光量。如果某种特定化学物质强烈吸收红光，那么，通过将一束红光射入样品可确定样品中该物质的含量。用光电检测器可测量穿过样品后仍存留于光束中的红光量。照射量越大，保留在光束中的红光越少。利用不同的辐射波长，有多种不同基本方案。由于到达光电池的光量依赖于光源的性能，如灯提供的照射量，因此，当移开样品时可以沿原路径射入灯的参考光束，提供参考或校准读数，或者沿单独的路径到达独立的光电检测器，提供连续的校准读数。此外，被分析物可能含有几种不同的物质，每种物质吸收不同波长的光，可以在每一种不同波长上对样品进行测试，确定每种物质的含量。通常，采用这种类型的光度测量方法可监测不同化学物质，即样品中不同元素或化合物的含量。

正如Daniel E.Murnick的美国专利5,394,236所述，可以采用另一种测量技术来确定样品中存在的特定原子同位素的含量。同位素为同一化学元素的不同形式，具有不同质量的原子核。例如，自然界中存在的碳主要是由¹²C构成的，即碳的原子质量为12个原子质量单位(“amu”)，碳的另一些同位素为¹³C和¹⁴C，其质量分别为13或14个a.m.u.。¹⁴C是放射性的，而¹³C和¹²C是稳定、非放射性的材料。

Murnick的美国专利’236中所述的一些较佳方法涉及将一束或多束光射入包含多个原子部分的样品，如含有不同同位素的二氧化碳分子或离子。较佳的方法包括在被分析物中一些同位素物质处于受激状态的条件下提供被分析物的步骤。通常，通过将被分析物维持在电离气体或“等离子体”中而使被分析物维持在这种受激状态。分子或离子中至少有一些电子的能级高于同位素物质在基态或正常态所占据的能级。这种受激状态与“跃迁能量”有关，它对应于从受激状态跃迁到较低状态所释放的能量，或者从受激状态反向跃迁到另一个更高能量状态所吸收的能量。同位素物质最好是诸如多原子离子或分子的多原子部分或分子。对于加入不同同位素，如¹³CO₂和¹²CO₂的同位素物质，跃迁能量是不同的。在Murnick的美国专利’236的较佳方法中，诸如光束的辐射中加入了对应于受激同位素物质的跃迁能量的多个波长。将各种同位素加在样品中。每个波长的光与含有一种同位素的物质相互作用，而与含有其它同位素的物质基本上不相互作用。

通过测量被分析物对于施加的不同波长的辐射的响应，能够确定样品中存在的不同同位素的含量。在根据Mumick的美国专利’236的特定较佳方法中，通过监测不同波长的光引起的等离子体的电阻抗变化，通常称为“光伽伐尼效应”，测量样品的响应。正如Mumick的美国专利’236中公开的，可以用一个或多个激光器在单个光束中提供多个波长的光，不同的波长在不同的频率下变化。例如，可以在第一调制频率下打开和关闭与¹³CO₂有关的波长的光，而在第二调制频率下打开和关闭对应于¹³CO₂波长的光。对应于光伽伐尼效应的电信号包括两个独立成分，一个在第一调制频率下，代表¹²CO₂的含量，而另一个在第二调制频率下，代表¹³CO₂的含量。能够使这些电信号用电子技术相互分开并进行测量，从而提供代表两种同位素相对含量的一对信号。

根据Mumick的美国专利’236的较佳方法比用于确定物质中不同同位素含量的其它方法具有更大的优点。根据Murnick的美国专利’236的方法和装置能够为许多不同目的重复应用于许多不同被分析物上。然而，这些方法的一种尤为有用的应用是在医学测试方面。各种医学和科学过程需要确定不同同位素的相对含量。在一些医学测试中，测试化合物含有诸如¹³C的稀少同位素。测试化合物对实验对象起支配作用。出现在实验对象体液和呼吸系统中的稀少同位素的含量与实验对象对测该试化合物新陈代谢或处理的能力有关。因此，稀少同位素的含量或者诸如¹³C的较多同位素与诸如¹²C的更常见同位素之比表示实验对象对测试化合物新陈代谢的能力。一种这样的测试涉及¹³C同位素标记的尿素对于实验对象的支配作用。如果实验对象在胃肠系统中存在heliobacter pylori细菌，那么，¹³C将加入到病人产生的二氧化碳中并随病人呼吸呼出。于是，病人呼吸中的¹³C与¹²C之比表示是否存在heliobaeter pylori细菌。其它的呼吸测试涉及用碳的同位素或其它元素的同位素标记的其它化合物的支配作用。

对物质进行同位素分析的装置和方法面对几个有矛盾的要求。分析装置应当能够在单位时间内对尽可能多的样品进行分析。通常，在分析期间维持样品的样品室是仪器的一个常设部件。因此，在一系列测试中，每一次测试之间必须清洗样品室并装入新的样品，这个过程很费时间。即使实际测试能够快速地进行，整个输出量或者仪器的样品处理率也受到这种过程的限制。

尽管通过成对配备测试仪器能够提高测试速率，但是，这种解决办法成本高。此外，会引入附加的偏差源，因为测试读数需要进行交叉校准，使不同仪器的特性相互匹配，从而能够将一个仪器获得的读数与另一个仪器获得的数据直接进行比较。即使仅采用一台仪器，其校准也会随时间而漂移或变化。为了提供样品之间的有效对比，仪器必须通过测试已知样品重复校准。这又进一步缩短了对真正样品进行测试的时间。在需要对不同样品的分析结果进行相互比较的情况中，这些问题尤为重要。在一些医学测试中，需要在不同的时间从实验对象身上取得多个体液样品。例如，在以上讨论的尿素痕迹测试中，可以在同位素标记尿素起支配作用前或起支配作用后一次或多次收集痕迹样品。测试结果的评价可能涉及到“前”与“后”样品之间的比较。仪器之间偏差或者一台仪器随时间发生的偏差的任何效应既不会扩大也不会减小多个样品之间的差值，这是很重要的。于是，通过暴露于辐射对被分析物进行测试的方法和装置，一直需要作实质性的改进。

发明概要

本发明满足了这些需求。

本发明的一个方面提供一种对被分析物进行分析的方法，包括维持被分析物的多个单独样品的步骤。根据本发明这个方面的方法进一步包括引导辐射的步骤，其中包括通过按照从上游到下游的顺序将一束或多束辐光束射入所有的样品上，把包含对应于每种物质跃迁能量的波长的辐射射入多个样品。通常，把样品维持在沿光路排列的各个样品室中，光束沿光路射入并依次通过所有的样品室，从而让所有的样品基本上同时暴露于辐射中。根据本发明这个方面的方法进一步包括通过监测应用的辐射在样品中引起的诱发效应而监测应用的辐射与样品之间的相互作用的步骤。正如在本公开内容中采用的，术语“诱发效应”是指一种现象，而不是在应用波长上的辐射强度的变化。诱发效应包括光声效应、受激荧光和光伽伐尼效应。

即使每个样品仅吸收很少一部分应用的辐射，诱发效应的监测也能够提供有效的信噪比。所应用的辐射在通过每个样品室时，其强度最好没有或很少有净变化。光路上游一端的样品与下游一端的样品基本接收相同的辐射强度。此外，光路径上游一端的样品的吸收变化对于施加到下游一端样品上的强度仅产生很小的变化。对于所有现实用途，可以认为施加到下游一端样品上的辐射强度与上游一端样品的吸收率无关。射入光束的步骤可以进一步包括通过样品室反射光束的步骤，从而使光束以上游和下游两个方向一次或多次通过样品室。这进一步降低了光路上游的样品与光路下游的样品之间施加的辐射强度之差。

相反，传统方式是通过监测应用的辐射在通过样品后的强度而监测相互作用的，表示应用辐射与样品相互作用的信号是应用辐射强度与该辐射通过样品后的强度之差。应用辐射的任何噪声或起伏在表示相互作用的信号中显示为噪声。这种噪声淹没了表示相互作用的信号。为了提供有效的信噪比，每个样品必须吸收大量的应用辐射，每个样品所吸收的辐射量必须根据样品组分而有很大的变化。由于这些原因，常用的光度仪器通常不是将单束光束依次射入通过多个样品。

按照本发明这个方面的方法使光束依次射入通过多个样品的能力具有十分重要的益处。由于能够将单束光束同时通过一条光路射入几个样品，因此，单位时间内处理的样品数目即仪器的吞吐率可增大几倍。这可以通过仅包括一条光路的单个光学装置来实现。由于在一次同时操作中能够使几个样品暴露于辐射中，因此，仪器的辐射生成元件在操作中的偏差不会影响样品之间的比较。在一个特定的较佳实施例中，利用单束光束同时进行测试的多个样品可以包括在医学测试中从一个病人获取的样品，例如在不同的时间(例如在测试物质起支配作用前后)从一个病人获取的痕迹样品。这样可对各种样品的结构作特别精密的比较。

较佳地，多个样品中有一个是已知组分的样品。已知组分中所获得的结果起校准参考的作用。在这种配置中，对样品每测量一次需要对仪器进行校准。检测入射辐射束特征的任何变化。因此，能够对已知组分所获得的结果进行校准，对任何这种变化进行补偿。由于校准能够与未知样品的测试同时进行，因此基本上不会降低样品的通过率。

最好，将样品维持在至少有一个被检测物质处于受激状态的条件中，而应用的辐射的波长对应于每个这种物质处于其受激状态中的跃迁能量。较佳地，将样品维持在等离子体中。监测诱发效应的步骤较佳地包括监测由应用辐射引起的光伽伐尼效应。术语“光伽伐尼效应”指应用辐射引起的等离子体的电阻抗的变化。即使在等离子体仅吸收少部分应用辐射的情况中，光伽伐尼效应也能提供可测出的电信号。此外，在应用辐射包含对应于一种物质在受激状态中的跃迁能量的波长的地方，每个样品将通过所谓的受激发射过程发射该波长的辐射。发射辐射量与吸收量之间的关系将依赖于等离子体的特性，如处于受激状态的物质的原子或分子的比例。有关通过每个样品的光束的净效应或是强度降低或是强度增大。然而，较佳地，发射辐射量略大于吸收量，所以，光束通过样品而引起的强度净增加补偿了光束通过样品室壁而引起的衰减。换句话说，样品本身可以提供略大于一的强度增益，而样品和样品室合在一起可具有接近为一的强度增益。

最好，射入通过多个样品的辐射束包括的多个波长对应于被分析物样品中可能存在的多种物质的跃迁能量。根据需要，本方法还包括将每个样品在每个波长上的响应与同一样品在其它波长上的响应进行比较，从而测量每个样品中各种物质的相对丰度的步骤。例如，在各个波长对应于含有不同同位素物质的跃迁能量的情况，本方法能够提供每个样品中不同同位素的相对丰度的测量结果。

根据本发明的另一方面，对被分析物进行分析的方法包括维持被分析物的多个单独样品并将含有对应于多个物质跃迁能量的多个波长的辐射射入通过多个样品的步骤，使辐射从公共辐射源基本上同时通过所有样品，因此，尽管辐射源的性能存在漂移或变化，而所有样品将暴露于基本相同的辐射中。根据本发明这个方面的方法进一步包括步骤：监测样品对于辐射的响应从而确定每个波长的响应，以及将每个样品在各个波长上的响应与同一样品在其它波长上的响应进行比较，产生每个样品中物质相对丰度的测量结果。这一步骤可以通过确定每个样品对不同波长的响应幅度之间的响应比值来进行。这里再次说明，样品可以包括至少一种具有已知组分的参考样品和至少一种未知的样品。本方法可以包括基于参考样品的响应调节每种未知样品相对丰度测量结果的步骤。这一步骤可以通过计算未知样品的上述响应比值与标准样品的响应比值之间的比率来进行。正如下面将进一步讨论的，这种比率计算方法能够消除仪器状态变化的影响。根据本发明这个方面的方法可以包括以上讨论的其它特征。因此，监测样品对于应用辐射的响应的步骤可以包括监测诱发效应的步骤。这里再次说明，可以将样品维持在被确定的物质处于受激状态的条件下。将辐射同时射入通过多个样品的步骤可以包括将一束辐射射入通过多个样品使得同一光束依次通过所有样品的步骤。

根据本发明上述各方面的方法最好包括将多个样品同时装载到多个样品室中的步骤。在样品为气体的情况中，装载步骤可以包括以下步骤：同时对多个样品室抽真空；将各个样品同时纳入各个抽真空的样品室中以及从各个样品室同时抽出每个样品的一部分使各个样品达到预选的压力。

本发明的再一方面提供一种分析装置。根据本发明一个方面的装置包括按照上游到下游的顺序沿光路排列的多个样品室，每个样品室有一个上游端和一个下游端，上下游端的壁面是透明的。该装置可以包括一框架和永久安装在该框架上的沿光路相互对齐的样品室。该装置进一步包括将被分析物装入至少一个样品室中的装置。该装置进一步包括一个具有一个或多个预选分析波长的辐射源和将光束中的辐射沿光路上游到下游的顺序射入通过所有样品室的装置。此外，该装置包括对辐射引起的诱发效应进行监测并由此而监测设置在每个样品室中的被分析物对这种辐射响应的装置。最好，光源包括一个或多个激光器。根据需要，装置包括将能量施加到设置在每个样品室中被分析物上，进而将包含在这种被分析物中的物质进入受激状态的激励装置。激励装置可以包括给各个样品室中所含的样品施加诸如射频能量的电能的装置。因此，激励装置可以包括与诸如公共射频电源的公共激励能量源连接的一个或多个射频线圈。

本装置进一步包括将样品装载到各个样品室中的装载装置。装载装置可以循环操作，从而能够在一次循环中对所有样品室装入不同的样品。较佳地，装载装置包括在每一次循环中将已知组分的标准被分析物装载到一个或多个样品室中的装置。另一方面，一个样品室可以将标准被分析物永久密封在其中。可以采用依照本发明这个方面的装置实施以上讨论的方法。

从以下结合附图给出的本发明较佳实施例的详细描述中，本发明的这些及其它的目的、特征和优点将更加清楚。

附图简述

图1是表示依照本发明一个实施例的部分装置的示意图。

图2是表示图1所示装置的另外部分的进一步示意图。

较佳实施例的详细描述

根据本发明一个实施例的装置包括框架10、安装在该框架上的第一激光器12和第二激光器14。如上所述，例如，在上述的’236号美国专利中，传统的气体激光器包括充有气体混合物的管子、适合于在管中产生放电的放电电极、诸如布儒斯特或偏振窗的光学元件和部分反射输出反射镜。第一激光器12的管中在诸如氦-氮混合物一类的运载气体中充有¹³CO₂的混合物。其光学元件这样排列，使得对应于受激¹³CO₂离子跃迁能量的波长(约为11200nm)的光在管中被放大。第一激光器12还包括一个在电极之间施加激励电位并在管中产生放电的电源13。因此，激光器12适合于在第一波长(对应于受激¹³CO₂离子的跃迁能量)上发射第一束红外光16。第二激光器14具有相似的结构，但是，其充气管在惰性运载气体中充有含有¹²CO₂的混合物，其光学元件排列成在对应于受激¹²CO₂离子跃迁能量的波长(约为10600nm)上对光进行放大。第二激光器14还包括一个适合于在管中电极之间施加激励电压的电源(未示出)。这些已知的元件适合于相互共同工作，在对应于受激¹²CO₂离子的跃迁能量的第二波长上发射与红外光基本一致的第二束红外辐射18。

本装置进一步包括一个适合于改向光束18的指向反射镜20和适合于将两束光合并成一束光24的组合光学元件22。光学元件(包括组合光学元件22在内)排列成对来自第二激光器14(在与¹²CO₂有关的第二波长上)的光束的衰减程度大于它们对来自第一激光器12(在与¹³CO₂有关的第一波长上)的光束的衰减程度。例如，组合光学元件可以包括一个部分透射、部分反射的元件，其排列成使来自第二激光器14的光束透过该元件，而来自第一激光器12的光束从该元件上反射。可以将这个元件的特性选择为透射光束的衰减大大高于反射光束的衰减。因此，如果第一和第二激光器产生的强度近乎相等的话，那么，组合光束24将会是第一波长的强度大大高于第二波长的强度。正如下面将进一步讨论的，这种配置可以补偿被分析样品中与第二波长有关的物质的更大的丰度。

上游端面反射镜26适合于接收组合光束24并使该光束射向与光轴28一致的光路。在光路28的下游端设置一个下游端面反射镜30，使光束反射回到上游端，即返回到反射镜26。所有的反射镜和激光器的光学元件都直接或间接地安装在框架10上，因此通过框架维持相互准直。另外，在激光器12和14中也可以装入诸如准直透镜、滤光片等传统的光学元件，或者将其定位在各个光束的光路上。以传统的方式采用这些元件可以沿光路28提供聚焦良好的准直光束。

将四个样品池32沿光路28安装在框架10上。样品池32a是一个基本密封的容器，它限定了内部容积并有一个与内部容积相连的端口34a。样品池32a有一个透明的上游端壁36a和一个透明的下游端壁38a。这里采用的术语“透明”具有一般含义，表示该端壁能透射第一和第二波长的大部分辐射。然而，即使是透明的端壁通常也会在一定程度上衰减辐射。使样品池准直，从而使端壁36a和38a通常沿垂直于光路28上游到下游的方向延伸。样品池32a由一种或多种电介质材料制成。例如，整个样品池，包括端壁36和38在内，可以由石英或其它玻璃制成。其它的样品室32b、32c和32d具有相似的特征。样品室沿光路的公共轴28排列成一行，每个样品室的端壁面向上游和下游方向。

将线圈40设置在靠近每个样品室32的地方。每个线圈与各自的激励和检测单元42电连接。每个激励和检测单元包括一个射频(“RF”)交变电位的普通电源43，它与有关线圈40的电路相连接。每个单元42还包括一个普通检测器45，对电路中线圈两端的电流和电压进行监测并提供代表有关样品室32内气体放电的电阻抗的信号。从激励和检测单元42输出的信号通过传统电子装置(以总线48表示)接至信号处理单元50。信号处理器50适合于将来自检测单元45的模拟信号转变为数字信号。因此，信号处理器包括传统的放大、滤波和模拟-数字转换设备。来自信号处理器50的数字输出信号经数字数据总线52接至控制计算机54。控制计算机可以包括通常的计算机元件，如中央处理单元、包括随机存取存储器和大容量存储存储器的数据存储器件以及内部数据总线。计算机还可以配备适合于与激光器12和14电源上控制输入端连接的输出控制驱动器56和58。输出控制驱动器可以是传统的计算机接口卡，可以通过传统的控制连接方式接至激光器的控制输入端。计算机还与输出通讯设备60，如显示屏、打印机以及数据存储器件，如硬盘驱动器或磁带驱动器或计算机网络连接。输出装置这样排列，计算机54产生的结果可以人眼可读的形式进行显示，被存储起来供以后检索，或者二者兼之。连接线配置成使计算机54能够命令激光器12和14改变其光输出。通常，这可以通过改变对激光器的功率输入来实现。于是，激光器的内部电源13和15适合于接收来自计算机的命令并根据这些命令改变对电学放电的电源。

装置进一步包括一个如图2所示的样品处理和管路输送系统。该系统包括一个真空泵70，它可以装上传统的与真空泵的吸入口连接的真空储蓄器和真空管道72。还设置一个标准处理管道74。第一样品室32a的端口34a与第一样品室子系统76连接。子系统76包括一个直接接至样品室端口34a的节点和与该节点77连接的压力传感器78。主排气阀80和注射阀82也与节点77连接。注射阀82是适合于快速开-关循环并排列成在几毫秒时间内从全开移动到全关的螺线管激励阀。注射阀82又与多端口、多位置阀或“气闸”84的一个端口连接。阀84的另一端口与校准阀86连接，它又与标准源隔离阀88连接。标准源隔离阀88与已知¹³CO₂和¹²CO₂浓度的标准气体源90连接。标准气体源可以是充有标准气体的传统容器。容器配备有传统的压力调节装置，适合于在预选压力(约为2psi(约14KPa))下提供标准气体。阀84的另一多端口与样品阀92连接，它又与标准管道74连接。阀84的再一个多端口通过旁通针阀94与节点96连接，它又与主排气阀80和泵隔离阀98的一侧连接。泵隔离阀与真空管道74连接。真空泵的输出接至废气口。

第二样品室32b的端口34b与基本相同的子系统176连接，子系统176包括压力传感器178、主排气阀180、注射阀182、多端口阀或气闸184、校准阀186、样品阀192、针阀194和与真空管道72连接的泵隔离阀198。然而，本系统176的校准阀与标准管道74连接。此外，子系统176的样品阀192与进气针阀200连接。进气针阀又与小的尖锐形hypodermic型针204连接。各个本地子系统176、214和216的针安装在相对框架10移动的公共传动器212上。为了使针移动，每个针通过柔性毛细管202与有关的进气阀200连接。样品夹206安装在装置的框架10上。样品夹206通常有一个适合于接收含有气体样品(如被分析的痕迹样品)的容器的圆柱形塞孔208。各个子系统的样品夹可以形成为移动容器的一部分转台或其它输送器。容器210可以是美国专利5,361,772中所述的这类痕迹收集装置，这里将该专利公开内容引作参考。正如’772专利中进一步讨论的，这种容器包括限定样品室的构件和作为容器一个端壁部分形成的穿孔隔板。样品池32e(图1)与同子系统176相同的本地子系统204连接，而样品池32d(图1)与也同子系统176相同的又一个本地子系统216连接。

所有的阀门都通过装在阀门和/或计算机中的传统控制接口与计算机54(图1)连接，使得每个阀门的开或关受计算机的命令控制。此外，压力传感器78、178和子系统214和216的相应压力传感器通过另外的传统接口设备与计算机54连接，使得计算机能够接收来自压力传感器的数据。

在依照本发明一个实施例的过程中，由真空泵70对系统抽真空，用来自源90的标准气体对其进行清洗。在清洗过程中，计算机可以依次地驱动各个阀门，使得系统的每个部分与真空泵和标准气体源连接。

清洗后，系统开始循环操作。每次循环包括对样品室和压力传感器抽真空；给样品室和压力传感器装载气体和将各个样品室中的压力调节到预选压力的步骤。在每次循环的抽真空阶段中，主排气阀80、180和泵隔离阀98、198打开，而所有的其它阀关闭，因而所有的样品室32a～32d同时抽真空。这一步操作一直继续到样品室中的压力降至预选抽空压力(约为0.3托)以下为止。可以采用第一样品池32a的传感器78检测的压力来表示这一阶段所有样品室的压力。当该压力降低到预选抽空压力以下时，结束抽真空阶段。接着，将气体同时装入所有的样品池中。启动阀门86和88使标准源90与第一子系统的注射阀82连接。传动器212将子系统176、214和216的所有针204向夹具206移动，从而使样品容器210的穿孔隔板与每个针204啮合。启动阀192、200和184，使系统176的针204与注射阀182连接，用同样的方式也启动系统214和216的相应的阀。因此，注射阀82、182以及系统214和216的相应的阀与气体源连接，允许进入样品室32。然后，根据每次重复的预选脉动间隔，计算机重复地启动每个注射阀。每一次重复后，计算机从有关的压力传感器获得信号。如果对于一个特定子系统，传感器信号所表示的压力超过预选装载压力，那么，计算机将终止该子系统的注射阀的循环操作。在这一操作中，各个子系统的注射阀是独立处理的。一个子系统的重复循环可以先于其它子系统终止。

在下一阶段中，启动各个子系统的多端口阀84、184，使每个注射阀82、182通过有关的旁通针阀94、194和泵隔离阀98、198连接至真空泵70。在这个操作阶段，主排气阀80、180关闭。系统再次重复地启动每个子系统的注射阀82、182，同时继续从每个子系统的有关压力传感器读取信号。当特定子系统的传感器所表示的压力达到所需设定点的压力时，终止注射阀的循环操作。由于旁通针阀94、194对流动产生相对较高的阻力，注射阀的每一次脉动仅使有关样品室32内的压力产生较很小变化。因此，这个阶段的作用是微调各个样品室中的压力。在这一点上，样品室中的气体处于下述的测试压力点上。

在这种循环过程的一种变型过程中，用参考气体装载步骤代替上述的装载步骤。在参考气体装载步骤中，标准气体源90通过第一样品室子系统的多端口阀84和取样阀92与管道74连接，并通过多端口阀84进一步与第一样品室子系统的注射阀82连接。与此同时，启动校准阀186和多端口阀24，使管道74与每个子系统176、214和216的注射阀182连接。注射阀82、182维持打开，而第一样品室子系统的校准阀86反复脉动。计算机54通过监测传感器78的读数而监测第一样品室中的压力。当这个压力达到预定装载压力时，终止装载步骤。装载样品气体步骤之后，如上所述，通过旁通针阀94、194的抽真空调节样品室内的压力。正如下面将进一步讨论的，在参考循环期间也能够采用这一样品气体装载步骤。

仪器可以按照交替进行参考和样品循环的方式进行工作。在每一次参考循环中，将来自源90的标准气体充入到所有的样品室32中并以上述的方法调节到预选的设定点压力。在每一次样品循环期间，样品室32a充入标准气体，而每个样品室32b、32c和32d充入不同未知气体的样品。在这些气体是从医治病人那里收集的样品的情况下，提供给样品室32b、32c和32d的未知气体可以是从同一个病人在不同时间收集的样品。未知气体可以是第一次在13C同位素测试化合物起作用前，第二次在起作用后从病人那里收集的呼吸样品。激励和检测单元42将RF功率提供给线圈40，从而将每个样品室中的气体转变为等离子体。计算机命令激光器12提供对应于¹³CO₂跃迁能量的第一波长的光束16，以第一调制频率(约为50至100Hz)调制，命令激光器14提供对应于¹²CO₂跃迁能量的第二波长的光束18，以第二调制频率(约为100至200Hz)调制。较佳地，调制频率不是相互为整数倍。每个单元42检测有关样品室32中等离子体的电学阻抗并通过信号处理器50把代表这一阻抗的信号提供给计算机54。启动所有的单元42，同时对与所有样品室32a-32d有关的信号进行检测。

每个样品室的阻抗信号包括第一调制频率的第一幅度分量S₁₃，代表第一波长的光的光伽伐尼效应，和第二调制频率的第二幅度分量S₁₂，代表第二波长的光的光伽伐尼效应。

第一波长的光与¹³CO₂相互作用，但是与¹²CO₂基本不作用。样品室32a的第一信号幅度S_13A由下式给出：

S_13A=P_13AM_13AW_13A (1)

式中：

P_13A是样品室32a中的分压或¹³CO₂分子浓度；

W_13A是第一波长的光束功率，因此是来自激光器12的第一光束16的功率；

M_13A是与诸如与第一波长有关的特定跃迁的光伽伐尼效应的幅度、样品室32a的结构以及与样品室32a有关的检测单元42a中检测器的灵敏度等因素有关的比例常数。比例常数M_13A在一定程度上还与样品室32a中¹³CO₂处于受激状态的比例有关，这又与提供给线圈40a的激励功率和线圈的结构有关。

同样，样品室32b的第二信号幅度由下式给出：

S_12A=P_12AM_12AW_12A (2)

式中：

P_12A是样品室32a中的分压或¹²CO₂分子浓度；

W_12A是第二波长的光束功率，因此是来自激光器14的第二光束18的功率；

M_12A是与诸如与第二波长有关的特定跃迁的光伽伐尼效应的幅度、样品室32a的结构以及与样品室32a有关的单元42a中检测器的灵敏度等因素有关的比例常数。比例常数M_12A在一定程度上还与样品室32a中¹²CO₂处于受激状态的比例有关，这又与提供给线圈40a的激励功率和线圈的结构有关。对于仪器使用期间所碰到的典型样品，¹²CO₂的浓度P_12A是¹³CO₂浓度P_13A的几倍。因此，为了提供可比幅度的信号S_13A和S_12A，与¹²CO₂有关的第二波长的光束功率W_12A应当小于与¹³CO₂有关的第一波长的光束功率W_13A。使对第二激光器光束的衰减程度大于对第一激光器光束的衰减程度的上述光学元件的排列，在组合光束中提供了所需的功率关系。

将方程式(1)与(2)组合，样品室32a中气体¹³C与¹²C的比值R_13/12A由下式给出：

R_{13 / 12 A} = \frac{P_{13 A}}{P_{12 A}} = \frac{S_{13 A} M_{12 A} W_{12 A}}{S_{12 A} M_{13 A} W_{13 A}} - - (3)

将方程式(3)改写为：

1 = \frac{S_{13 A} W_{12 A}}{R_{13 / 12 A} S_{12 A} W_{13 A}} K_{A} - - (4)

式中：K_A是等于M_12A与M_13A之商的又一个比例常数。同样的方程式应用于其它每个样品室32b、32c和32d，取代脚标A，表示应用于样品室b、c和d的相应变量。由于组合光束同时通过所有的样品室，以及由于每个样品室中的净吸收同光束中的功率相比可忽略不计，因此，所有的样品室基本上接收到相同的第一和第二波长的光功率之比。因此：

\frac{W_{12}}{W_{13}} = \frac{W_{12 A}}{W_{13 A}} = \frac{W_{12 B}}{W_{13 B}} = \frac{W_{12 C}}{W_{13 C}} = \frac{W_{12 D}}{W_{13 D}} - - (5)

方程式4和5得出关系：

除以W₁₂/W₁₃并重新排列各项：

\frac{R_{13 / 12 B}}{R_{13 / 12 A}} = \frac{S_{13 B} S_{12 A}}{S_{13 A} S_{12 B}} \frac{K_{B}}{K_{A}} = - - (7)

\frac{R_{13 / 12 C}}{R_{13 / 12 A}} = \frac{S_{13 C} S_{12 A}}{S_{13 A} S_{12 C}} \frac{K_{C}}{K_{A}} - - (8)

\frac{R_{13 / 12 D}}{R_{13 / 12 A}} = \frac{S_{13 D} S_{12 A}}{S_{13 A} S_{12 D}} \frac{K_{D}}{K_{A}} - - (9)

对于每一次标准循环，所有的样品室充入标准气体，因此，每个方程式7、8和9的左侧为一。因此，每个比率

\frac{K_{B}}{K_{A}}, \frac{K_{C}}{K_{A}}, \frac{K_{D}}{K_{A}}

可以从校准循环中观测的信号来确定。当测量结果取自一次取样循环时，样品室32a中采用标准气体，因此，R_13/12A是已知比率R_13/12S，这里，脚标s表示标准气体。从已知比率R_13/12S、观测信号S和根据校准循环确定的校准因子K可以导出每个样品室32b、32c和32d中未知样品¹³C与¹²C的比率R_13/12。计算机54执行以上方程式指定的计算，并通过输出装置60提供结果。只要对于各个样品室而言校准因子K保持为常数，结果不会依赖于辐射功率电平W₁₂和W₁₃。换一种说法，基于样品室32a中已知参考被分析物所获得的结果，方程式7-9的比率计算可调节每个未知被分析物的R_13/12的值。即方程式7-9所要求的计算涉及二者之间的“双比率”的计算：(ⅰ)特定样品池中未知样品两个波长的响应幅度之比，与(ⅱ)标准样品池32a中两个波长的响应幅度之比。例如，在方程式9中，比率

\frac{S_{13 D} S_{12 A}}{S_{13 A} S_{12 D}}

是(ⅰ)未知样品响应幅度之比S_13D/S_12D与(ⅱ)标准样品响应幅度之比S_13A/S_12A之间的双比率。由应用辐射的变化和系统中其它偏差引起的效应在双比率计算中可以相互消除。标准气体在每一次取样循环期间起内部校准标准的作用，在双比率中引入了这个内部校准的结果。

较佳地，系统中所采用的激光器是稳定的，从而使激光器发射的光的波长的变化减至最小。例如当激光器温度变化时，便会出现这种波长变化。一个激光器发射的光波长的变化将会改变这个激光器的光的伽伐尼效应。光的波长越是偏离其确切的跃迁能量，光伽伐尼效应越小。对于一次近似，以与激光器功率电平偏差十分相同的方式，由系统对这一效应进行校准。因此，在一定程度上偏差同样影响方程式7-9中所有参数K，偏差将不影响未知样品中同位素比率的计算值。然而，仍然需要将每个激光器维持在基本恒定的波长上。应当将激光器的放电管维持在受控温度下。例如，装置可以装有储放流体，最好是液体的容器和使流体维持在恒定温度下并在容器中循环的温度控制器。激光器的放电管可以安装在容器中并浸泡在流体中。此外，通过反馈控制结构的手段可以稳定激光器的波长，其中，对在标准气体中由每个激光器辐射引起的光伽伐尼效应进行监测，根据监测结果对每个激光器进行调谐，使光伽罚尼效应维持在恒定水平上。

只要不背离本发明，可以利用上述特征的许多变化和组合。例如，尽管采用了如上所述的单个光路，使辐射按序射入通过所有的样品，但是，可以采用其它的光学配置将来自光源的光同时射入通过多个样品，这也是很好的。例如，可以采用诸如耦合器或分束器的光学元件，将来自一个或多个激光器的光束以多个光路同时射入几个样品。只要这些光学元件能在每个样品上维持转向固定的部分应用光功率，利用与其它样品同时暴露的参考样品作为内部校准标准，以类似如上所述的方法便能确定每个样品的组分。此外，根据本发明的装置和方法能够被用于以上讨论的CO₂同位素含量分析以外的分析中。通过样品容器的光束路径不必是直线，如果设置使光束偏转的合适光学元件，能够使光路曲折。由于能够利用以上讨论的特征的这些及其它的变化和组合，以上对较佳实施例的描述应当理解为示范性，而非限制性的，本发明的范围由权利要求书限定。

Claims

1．一种对被分析物进行分析的方法，其特征在于包括下列步骤：

(a)维持所述被分析物的多个单独样品；

(b)将含有多个波长的辐射取入通过所述多个样品，多个波长与可能存在于所述被分析物中的多个物质的跃迁能量相对应，使所述辐射从一个公共辐射源同时通过所有样品，由此所有的所述样品将曝露了光谱成分基本相同的辐射中；

(c)监测所述样品对所述辐射的响应，确定每个所述波长的响应；

(d)对于所述波长，将每个所述样品的响应进行相互比较，产生每个所述样品中所述物质相对丰度的测量结果。

2．如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的多个样品包括至少一个已知组分的参考样品和至少一个未知样品，所述方法进一步包括基于所述参考样品的响应调节每个未知样品所述测量结果的步骤。

3．如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述的被检测的至少一种物质包括第一物质和第二物质；所述的辐射包括分别与所述第一和第二物质的跃迁能量相对应的第一和第二波长；计算丰度测量结果的所述步骤包括计算每个所述未知样品中所述第一和第二物质丰度之比的步骤。

4．如权利要求3所述的方法，其特征在于：计算所述丰度之比的所述步骤包括计算双比值等于(ⅰ)与(ⅱ)之间比值的步骤，(ⅰ)所述未知样品对于每个所述未知样品的所述第一和第二波长的响应幅度之间的未知样品响应比值；与(ⅱ)所述标准样品对于所述标准样品的所述第一和第二波长的响应幅度之间的标准样品响应比值。

5．如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述射入辐射的步骤包括按照上游到下游的顺序使一束或多束辐射射入通过所有的所述样品的步骤。

6．如权利要求5所述的方法，其特征在于：所述射入辐射的步骤包括以单束辐射提供所有所述波长并按照所述上游到下游的顺序使所述单束辐射射入通过所有的所述样品的步骤。

7．如权利要求6所述的方法，其特征在于：以单束辐射提供所有所述波长的步骤包括将来自多个辐射源的具有不同光谱成分的多束辐射合并成所述单束辐射的步骤。

8．如权利要求5或6或7中任何一项所述的方法，其特征在于：所述监测响应的步骤是通过监测每个所述样品中的诱发效应进行的。

9．如权利要求8所述的方法，其特征在于：所述维持所述样品的步骤包括在每个所述物质处于受激状态的条件下维持所述样品的步骤，所述波长对应于所述物质在所述受激状态中的跃迁能量。

10．如权利要求9所述的方法，其特征在于：所述维持所述样品的步骤包括将每个所述样品维持在等离子体中的步骤，所述监测诱发效应的步骤包括监测每个所述等离子体的电阻抗由此检测所述辐射引起的光伽伐尼效应的步骤。

11．一种对包含至少一种被检测物质的被分析物进行分析的方法，其特征在于包括下列步骤：

(a)维持所述被分析物的多个单独样品；

(b)按照上游到下游的顺序通过对所有的所述样品射入一束或多束辐射，对所述多个样品射入含有对应于每一种被检测物质跃迁能量的波长的辐射；

(c)监测所述辐射在所述样品中引起的诱发效应，确定每个所述样品相对所述波长的响应。

12．如权利要求11所述的方法，其特征在于：所述的多个样品包括至少一个具有已知组分的参考样品和至少一个未知样品，所述方法进一步包括基于所述参考样品的响应和所述未知样品的响应计算每个所述未知样品中每种所述物质丰度的测量结果的步骤。

13．如权利要求12所述的方法，其特征在于：所述的被检测的至少一种物质包括第一物质和第二物质；所述的辐射包括分别与所述第一和第二物质的跃迁能量相对应的第一和第二波长；所述计算丰度测量结果的步骤包括计算每个所述未知样品中所述第一和第二物质丰度之比的步骤。

14．如权利要求13所述的方法，其特征在于：所述计算所述丰度之比的步骤包括计算双比值等于(ⅰ)与(ⅱ)之间比值的步骤，(ⅰ)所述未知样品对于每个所述未知样品的所述第一和第二波长的响应幅度之间的未知样品响应比值；与(ⅱ)所述标准样品对于所述标准样品的所述第一和第二波长的响应幅度之间的标准样品响应比值。

15．如权利要求12所述的方法，其特征在于：所述射入一束或多束辐射的步骤包括以单束辐射提供多个所述波长并按照所述上游到下游的顺序对所有的所述样品射入通过所述单束辐射的步骤。

16．如权利要求15所述的方法，其特征在于：所述以单束辐射提供所有所述波长的步骤包括将来自多个辐射源的具有不同光谱成分的多束辐射合并成所述单束辐射的步骤。

17．如权利要求11所述的方法，其特征在于：所述射入一束或多束辐射的步骤包括反射每一束所述辐射使得每束辐射按照下游到上游的顺序以及上游到下游的顺序通过所述样品的步骤。

18．如权利要求11或12或15或16或17所述的方法，其特征在于：所述维持所述样品的步骤包括在每个所述被检测物质处于受激状态的条件下维持每个所述样品的步骤。

19．如权利要求18所述的方法，其特征在于：将每个所述样品维持在等离子体中，所述监测诱发效应的步骤包括监测每个所述等离子体的电阻抗由此检测所述辐射引起的光伽伐尼效应。

20．一种分析装置，其特征在于包括：

(a)框架；

(b)沿光路安装在所述框架上的多个样品室，每个这种样品室具有沿所述光路面向上游和下游方向的上游和下游端壁；

(c)辐照装置，提供对应于被分析物中物质跃迁能量的一个或多个波长的辐射并沿所述光路射入所述辐射，使所述辐射依次通过所述样品室；

(d)检测装置，监测设置在每个所述样品室中的被分析物对所述辐射的诱发效应，从而监测每个所述被分析物对于每个所述波长的辐射的响应。

21．如权利要求20所述的装置，其特征在于进一步包括激励装置，将每个所述样品室中的被分析物维持在受激状态，从而使所述被分析物中的一种或多种物质处于受激状态。

22．如权利要求21所述的装置，其特征在于：所述的激励装置包括将每个所述样品室中被分析物维持为等离子体的装置。

23．如权利要求22所述的装置，其特征在于：所述的检测装置包括对每个所述样品室中等离子体的电阻抗进行检测的装置。

24．如权利要求20所述的装置，其特征在于：所述的装载装置包括将各单独被分析物同时装载到多个所述样品室中的装置。

25．如权利要求24所述的装置，其特征在于：所述的装载装置包括一个标准被分析物源和将所述标准物装载到一个所述样品室中并将未知组分的被分析物装载到其它的所述样品室中的装置。

26．如权利要求20所述的装置，其特征在于：所述光路具有上游端和下游端，所述样品室按照上游到下游的顺序排列在所述光路上；所述的辐照装置包括沿上游端到下游端的光路射入一束辐射的装置和将该束辐射从下游端反射到上游端的反射镜。

27．如权利要求20所述的装置，其特征在于：所述的辐照装置包括第一和第二激光器和将来自所述第一和第二激光器的辐光束合并成一束组合辐射的组合光学元件，所述的组合光适合于使来自所述第二激光器的光束比来自所述第一激光器的光束衰减更大。