JP2002039942A

JP2002039942A - 同位体分析装置

Info

Publication number: JP2002039942A
Application number: JP2000224349A
Authority: JP
Inventors: Yoji Azuma; 陽二東; Toshimasa Mori; 敏正森
Original assignee: Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2000-07-25
Filing date: 2000-07-25
Publication date: 2002-02-06

Abstract

(57)【要約】【課題】大型化を伴うことなく、同位体の分析精度を
容易に向上することのできる同位体分析装置を提供す
る。【解決手段】ＬＤ１４から射出されたレーザ光を導光
ミラー３０で同位体を含む試料ガスが導入された気密チ
ャンバー１２内部に導き、第一凹面ミラー２２で反射さ
せ、気密チャンバー１２内部を往復させ、導光ミラー３
０と同じ側に設けられた第二凹面ミラー３０を介して、
ＰＤ１６で受光させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、同位体分析装置、
特に、同位体を含む試料にレーザ光を照射し、同位体の
光吸収スペクトルに基づいて、前記同位体の存在比を測
定する同位体分析装置の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、発光スペクトル幅の非常に狭い半
導体レーザを波長可変光源とし、そのレーザ光を同位体
を含んだ試料に照射し、同位体相互のスペクトルが干渉
せず、かつ水分の影響を受けない光吸収スペクトルを測
定することにより同位体の存在比を精度良く測定する同
位体分析装置が知られている。

【０００３】例えば、臨床においては、呼気に含まれる
同位体を同位体分析装置で分析することにより内臓（例
えば、肝臓や膵臓、胃や十二指腸等）の機能診断や内臓
内バクテリアの有無の判定を行うことができる。

【０００４】例えば、呼気には通常¹²ＣＯ₂と¹³ＣＯ₂と
が約１００：１の割合で安定的に含まれているが、この
¹²ＣＯ₂と¹³ＣＯ₂は同位体シフトにより僅かに異なった
周波数の光を吸収する。従って、¹²ＣＯ₂と¹³ＣＯ₂との
スペクトルの吸収強度を測り、その強度比に基づいて、
同位体比を算出し、内臓の機能診断やバクテリア等の有
無判定を行うことができる。具体的には、試薬中のカー
ボンを¹²Ｃから¹³Ｃに置き換え、その試薬を被検者に投
与すると被検者の体内における代謝により肺から¹³ＣＯ
₂ が排出される。この¹³ＣＯ₂の存在比を検出すること
により代謝機能の判定を行うことができる。例えば、肝
臓の酵素で分解するような試薬を用いることで、肝臓で
分解された試薬に含まれた¹³Ｃは、血液を介して最終的
に肺から呼気（¹³ＣＯ₂）として排出される。肝臓にお
ける代謝が良好に行われば、試薬中の¹³Ｃの量に応じた
所定量の¹³ＣＯ₂が呼気中に含まれ、代謝が良好に行わ
れていない場合、¹³ＣＯ₂の排出量は所定量を下回る。
同様に、体内のバクテリアの有無を診断する場合には、
バクテリアが分解する物質を試薬として用い、その試薬
のカーボンを¹³Ｃで置き換える。もし、体内にターゲッ
トとなるバクテリアが存在すれば、バクテリアの分解活
動により¹³ＣＯ₂が呼気中に排出され、その排出量に基
づき診断を行うことができる。

【０００５】上述のような同位体分析装置において、半
導体レーザ（ＬＤ）から射出されたレーザ光は、呼気が
導入されたサンプルセルを通過し、対向配置されたフォ
トダイオード（ＰＤ）等の光検出器で検出する。検出さ
れたレーザ光は¹²ＣＯ₂と¹³ＣＯ₂の量によって所定のス
ペクトルが吸収されているので、比較的シンプルな構成
で同位体の存在比が算出可能である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述のような同位体分
析装置において、ＬＤで射出するレーザ光強度をＩ₀、
ＰＤで受光されるレーザ光強度をＩ、とし、ＣＯ₂の吸
収係数をα、ＣＯ₂の濃度をＣ、光路長をＬ、とする
と、両者の関係はＩ＝Ｉ₀×ｅ^-α^CLとなる。この時、同
位体の検出（分析）精度を向上させようとすると、Ｓ／
Ｎの改善が必要になる。この場合、Ｌを増加することに
なるが、光路長Ｌを増加させると、投光角が僅かにずれ
るとＰＤ上にレーザ光が集光しなくなり、検出値Ｉが不
安定になったり、検出できなかったりするという問題が
ある。また、光路長Ｌが延びると、同位体分析装置本体
が大型化してしまう。特に臨床等で使用する場合、装置
の大型化は持ち運びや分析時の配置容易性を阻害し好ま
しくない。また、光路長Ｌが増大するとサンプルセル容
積が増大し内部に導入する呼気が大量に必要になり呼気
採取バックが大きくなる。その結果、更に、全体として
コスト高になってしまうという問題も併発する。

【０００７】本発明は、このような問題を解決すること
を課題としてなされたものであり、同位体分析装置本体
の大型化を伴うことなく、同位体の分析精度を容易に向
上することのできる同位体分析装置を提供することを目
的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記のような目的を達成
するために、本発明は、同位体を含む気体試料にレーザ
光を照射し、同位体の光吸収スペクトルに基づいて、前
記同位体の存在比を測定する同位体分析装置であって、
前記気体試料を導入可能な気密チェンバーと、前記気体
試料に照射するレーザ光を発生するレーザ発生部と、前
記レーザ発生部の近傍に配置され、前記気体試料中を通
過したレーザ光を受光する光検出部と、前記気密チャン
バー内部に光路を形成するようにレーザ発生部からのレ
ーザ光を導く導光ミラーと、前記レーザ発生部に対し
て、気密チャンバー内部の遠端部に配置され導光ミラー
で導かれたレーザ光を所定方向に反射する第一凹面ミラ
ーと、前記第一凹面ミラーで反射したレーザ光を前記光
検出部に導く第二凹面ミラーと、を含むことを特徴とす
る。

【０００９】この構成によれば、レーザ発生部と光検出
部との間に形成される光路は、第一凹面ミラーを介した
往復光路となる。その結果、同位体分析装置の大きさを
維持しつつ、光路長を約２倍にすることができるので、
同位体分析精度を向上することができる。逆に、光路長
を維持しつつ同位体分析装置の大きさを約半分にするこ
ともできる。また、光路上に第一凹面ミラー、第二凹面
ミラーを配置することにより、入射（投光）角度に多少
のずれが生じた場合でも反射光は所定方向に向き、光検
出部における受光効率の向上及び受光量の安定化、検出
値の安定化を図ることができる。さらに、導入する試料
の量が増加することを防止し分析準備の煩雑化を防止す
ることができる。

【００１０】上記のような目的を達成するために、本発
明は、上記構成において、前記第二凹面ミラーは、第一
凹面ミラーからの反射光の光軸に対して水平角及び垂直
角がほぼ同一になるように配置されていることを特徴と
する。

【００１１】この構成によれば、第二凹面ミラーで反射
され、受光部に集光するレーザ光の径を水平方向と垂直
方向でほぼ同一にすることができる。その結果、光検出
部で効率的に受光でき、かつ集光しているので温度変動
等の測定環境の変動が発生し、第二凹面ミラーへの入射
角及び入射位置がずれても安定したレーザ光の受光がで
きるため分析精度の向上を行うことができる。

【００１２】上記のような目的を達成するために、本発
明は、上記構成において、前記レーザ発生部と光検出部
とで形成する光路中にレーザ光の透過光強度を所定量減
衰させる透過光減衰フィルタを配置することを特徴とす
る。

【００１３】ここで、透過光減衰フィルタとは、光の波
長によらず一定の割合で光強度を弱めるものである。

【００１４】この構成によれば、レーザ発生部における
出力をレーザ光発生が安定する程度まで増加しても、透
過光減衰フィルタにより光検出部の受光感度に応じて、
到達する光量を相対的に調節することができる。つま
り、レーザ発生部及び光検出部の安定動作を行うことが
できる。

【００１５】上記のような目的を達成するために、本発
明は、上記構成において、前記透過光減衰フィルタは、
レーザ光の光路に対して所定角度傾いていることを特徴
とする。

【００１６】この構成によれば、透過光減衰フィルタで
反射した一部のレーザ光が直接レーザ発生部に戻ること
が回避され、また、第一凹面ミラーで散乱したレーザ光
がレーザ発生部に戻る場合、その戻りレーザ光を減衰す
ることができるので、干渉雑音の発生を抑制し分析精度
を向上することができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
（以下、実施形態という）を図面に基づき説明する。

【００１８】図１には、本実施形態に係る同位体分析装
置１０の構成概念図が示されている。同位体分析装置１
０は、気体試料として、例えば呼気を導入可能な気密チ
ャンバー１２と、前記気密チャンバー１２の一端に接続
され、気密チャンバー１２内部に導入した呼気中の¹²Ｃ
Ｏ₂と¹³ＣＯ₂の吸収スペクトルを測定する分析データの
収集を行うために使用するレーザ光（例えば、２μｍ帯
レーザ光）を発生するレーザ発生部（半導体レーザ：Ｌ
Ｄ）１４と、ＬＤ１４から射出され気密チャンバー１２
を経由したレーザ光を受光する光検出部（フォトダイオ
ード：ＰＤ）１６を含む測定室１８とで構成されてい
る。前記気密チャンバー１２は、内部が中空の筒形状を
呈し、測定室１８が接続される端面には、同位体分析に
使用するレーザ光の強度を所定値まで減衰させる透過光
減衰フィルタとして、例えば、ニュートラルデンシティ
ーフィルタ（ＮＤフィルタ）２０が配置されている。Ｎ
Ｄフィルタ２０は、入射する光を波長によらず一定の割
合でその光強度を弱め、適当な光量に変換する。同位体
分析装置１０で使用するようなＬＤ１４において安定し
たレーザ光を射出するためには、例えば１０ｍＷ程度の
出力で駆動することが好ましいが、同位体分析装置１０
で使用するようなＰＤ１６の感度範囲は、２．５ｍＷ程
度で動作することが好ましい。そこで、本実施形態にお
いては、ＬＤ１４とＰＤ１６との動作バランスを取るこ
とを目的の一つとしてＮＤフィルタ２０が配置されてい
る。

【００１９】測定室１８に対して（具体的にはＬＤ１４
に対して）、気密チャンバー１２内部の遠端部には第一
凹面ミラー２２が配置され、気密チャンバー１２に照射
されたレーザ光の反射を行っている。この気密チャンバ
ー１２には、分析対象である呼気を導入するための呼気
吸入管２４と、分析済み呼気を排出ための呼気排出管２
６が配置されている。この呼気吸入管２４及び呼気排出
管２６には切換バルブ２８が配置され、必要な時に呼気
の入れ替えを行いつつ内部の気密性を維持できるように
なっている。ここで、呼気吸入管２４を介して導入され
る呼気は、例えば、試薬中のカーボンを¹²Ｃから¹³Ｃに
置き換え、その試薬を投与された被検者から採取した呼
気であり、被検者の体内における代謝により試薬分解さ
れ、生成された¹³ＣＯ₂の量が増加していると推定され
る呼気（通常¹²ＣＯ₂も含まれる）である。一方、測定
室１８の内部には、ＬＤ１４から射出されたレーザ光を
気密チャンバー１２内部に導く導光ミラー（例えば、平
面ミラー）３０と、前記気密チャンバー１２内部の第一
凹面ミラー２２で反射して測定室１８側に戻ったレーザ
光をＰＤ１６に導く第二凹面ミラー３２が配置されてい
る。なお、測定室１８の内部は、例えば、Ｎ₂ガスで満
たされ、レーザ光の送受を安定的に行えるように配慮さ
れている。また、各凹面ミラーの曲率はレーザ光の拡散
等を考慮し、反射光が所望の方向に向き、効率的な反射
または受光ができるように選択される。

【００２０】以上のような構成によれば、ＬＤ１４から
射出されたレーザ光は、まず、導光ミラー３０で反射し
気密チャンバー１２の端面に配置されたＮＤフィルタ２
０に導かれる。レーザ光はＮＤフィルタ２０により光エ
ネルギを、例えば１／２の強度に減衰される。そして、
呼気に含まれる同位体である¹²ＣＯ₂または¹³ＣＯ₂との
相互作用により特定のスペクトルが吸収されながら、第
一凹面ミラー２２で反射され、さらに、特定のスペクト
ルが吸収される。そして、再度ＮＤフィルタ２０を通過
することにより光エネルギが、例えば１／２の強度に減
衰される。従ってレーザ光は、トータルで、ＮＤフィル
タ２０によって、１／４に減衰させられる。すなわち、
ＬＤ１４が１０ｍＷの出力で安定的に駆動してもＰＤ１
６に到達するレーザ光は２．５ｍＷになり、第二凹面ミ
ラー３２で反射し、ＰＤ１６の感度に適した強度で受光
することができる。なお、スペクトル吸収の温度依存性
によるばらつきを低減するために気密チャンバー１２に
は、温度調節器（例えば、ヒータ）３４が配置され、気
密チャンバー１２内部の温度を常時所定温度（例えば、
４０℃）に維持している。

【００２１】従って、呼気に含まれる同位体を分析する
レーザ光は、気密チャンバー１２の長さの略二倍の長さ
の光路を通過し、その間にスペクトル吸収が行われるこ
とになる。その結果、同位体分析装置１０本体の大型化
を伴うことなく、また構造の複雑化を伴うことなく、さ
らにコストアップを伴うことなく、光路長Ｌを増大し、
同位体の分析精度を容易に向上することができる。ま
た、同位体分析装置１０本体が大型化しないため分析に
必要な呼気の容積を増大させないので、分析準備等が煩
雑になることを防止し、スムーズな分析作業を行うこと
ができる。なお、第一凹面ミラー２２及び第二凹面ミラ
ー３２を用いることにより、各ミラーに入射するレーザ
光の投光角が何らかの原因により僅かにずれたとして
も、所定の方向に反射することが可能であり、レーザ光
の集光を良好に行うことができる。

【００２２】ところで、第二凹面ミラー３２に対して入
射するレーザ光は、斜め方向から入射する。従って、第
二凹面ミラー３２に入射するレーザ光の径は水平方向と
垂直方向で異なり、楕円形状になってしまい、その状態
で反射すると、ＰＤ１６上で水平方向または垂直方向の
集光位置がずれてしまい、良好な受光が阻害されてしま
う。そこで、本実施形態においては、第一凹面ミラー２
２からの反射光の光軸に対して水平角及び垂直角がほぼ
同一（例えば、２２．５°）になるように第二凹面ミラ
ー３２の水平及び垂直の配置角度を調節している。その
結果、ＰＤ１６上に略円形のレーザ光を効率的に集光
し、レーザ光の分析精度を維持することができる。

【００２３】さらに、本実施形態においては、ＮＤフィ
ルタ２０を光軸に対して所定角度傾けている。レーザ光
は指向性が高いが、僅かに拡散する。拡散したレーザ光
がＮＤフィルタ２０で反射した場合、その反射レーザ光
がＬＤ１４に戻り、干渉縞を発生させてしまうおそれが
ある。本実施形態においては、ＮＤフィルタ２０を傾け
ることにより反射したレーザ光が直接ＬＤ１４に戻るこ
とを回避し、また、ＮＤフィルタ２０を透過し、第一凹
面ミラー２２に入射したレーザ光は第一凹面ミラー２２
のキズ、面精度等により散乱し、僅かにＬＤ１４に戻る
がＮＤフィルタ２０を透過するので減衰される。このよ
うにして、ＬＤ１４への戻りレーザ光を減衰させること
ができるので、その結果、干渉縞（干渉雑音）の発生を
抑制し分析精度を向上している。また、導光ミラー３０
の背面及び第二凹面ミラー３２の背面にＰＺＴ等の圧電
素子３６を配置し、５０〜１００Ｈｚで振動させること
によりＮＤフィルタ２０からの戻りレーザ光による干渉
雑音を低減するようにしてもよい。

【００２４】図２には、同位体分析装置１０の具体的な
全体構造が示されている。

【００２５】図２に示したように、気密チェンバー１２
は細長い（例えば、５０ｃｍ）筒型形状を呈し、ハンド
リング性がよく、軽量であり、臨床の現場等で容易に取
り扱うことができるようになっている。一方、測定室１
８は、ベース３８上にＬＤ１４、ＰＤ１６、導光ミラー
３０、及び第二凹面ミラー３２が固定されている。ＬＤ
１４から射出されたレーザ光は導光ミラー３０で反射
し、ベース３８の略中央に形成された開口３８ａに導か
れ、当該開口３８ａ内部に所定角度で固定されたＮＤフ
ィルタ２０を介して、気密チャンバー１２内部に入射す
る。そして、第一凹面ミラー２２を介して戻ってきたレ
ーザ光は、再び開口３８ａに固定されたＮＤフィルタ２
０を介して、第二凹面ミラー３２に入射され、ＰＤ１６
へ向けて反射される。そして、ＰＤ１６において、レー
ザ光の受光を行う。受光されたレーザ光のデータは、図
示しない処理部に転送され、そこで、同位体である¹²Ｃ
Ｏ₂または¹³ＣＯ₂との相互作用により吸収された特定の
スペクトルに関する分析が実施され、同位体の存在比が
算出され、各種判定や診断に利用される。

【００２６】なお、各図において、ＬＤ１４やＰＤ３２
の駆動制御部や受光したレーザ光の分析を行う分析処理
部は図示していないが、測定室１８の内部または外部に
一体的に形成してもよい。また、分析結果を測定室１８
の表面に配置したディスプレで表示するようにしてもよ
い。また、測定室１８にコネクタを形成し外部に設けた
駆動制御部や分析処理部、ディスプレ等と接続するよう
にしてもよい。

【００２７】本実施形態では、レーザ光の反射状態や焦
点調整を行えるようするため、導光ミラー３０及び第二
凹面ミラー３２を支持するブラケットには、スプリング
を有する調整ネジが配置され、導光ミラー３０や第二凹
面ミラー３２の取り付け位置や取り付け角度を任意に調
整できるようになっている。もちろん、導光ミラー３０
や第二凹面ミラー３２は固定でもよい。また、図１にお
いて、第一凹面ミラー２２は固定している例を示してい
るが、気密チャンバー１２の気密性を維持できる構造で
あれば調整可能としてもよい。

【００２８】本実施形態における各構成部品の配置は一
例であり、ＬＤ１４から射出されたレーザ光を気密チャ
ンバー１２内で一往復させ、ＰＤ１６で受光する構成で
あれば、同様な効果を得ることができる。また、本実施
形態においては、同位体分析装置１０の大きさを維持し
つつ、分析精度を向上する例を説明したが、同位体分析
装置１０（具体的には、気密チャンバー１２）の大きさ
を略半分にしてもよい。この場合、従来の分析精度を維
持しつつ、同位体分析装置１０の小型化を行うことがで
きる。

【００２９】

【発明の効果】本発明によれば、レーザ発生部と光検出
部との間に形成される光路は、第一凹面ミラーを介した
往復光路となる。その結果、同位体分析装置の大きさを
維持しつつ、光路長を約２倍にして、同位体分析装置の
使い勝手を損ねることなく同位体分析精度を向上するこ
とができる。逆に、光路長を維持しつつ同位体分析装置
の大きさを約半分にすることも可能で、同位体の分析精
度を維持しつつ、同位体分析装置の小型化を行い、使い
勝手の向上を行うことが可能になる。また、光路上に第
一凹面ミラー、第二凹面ミラーを配置することにより、
入射（投光）角度に多少のずれが生じた場合でも反射光
は所定方向に向き、光検出部における受光精度を向上す
ることが可能で、同位体の分析精度を向上することがで
きる。さらに、導入する試料の量が増加することを防止
することが可能で、同位体分析装置の取り扱いを容易に
しつつ、コストダウンを行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係る同位体分析装置の構
成概念を説明する説明図である。

【図２】本発明の実施形態に係る同位体分析装置の具
体的な全体構造を説明する構成図である。

【符号の説明】

１０同位体分析装置、１２気密チャンバー、１４
レーザ発生部（ＬＤ）、１６光検出部（ＰＤ）、１８
測定室、２０ＮＤフィルタ、２２第一凹面ミラ
ー、３０導光ミラー、３２第二凹面ミラー。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2G057 AA01 AB04 AB06 AC03 BA01 DA13 DB10 DC01 EA06 2G059 AA06 BB01 CC04 DD12 DD15 DD17 EE12 GG01 HH01 JJ13 JJ14 JJ25 KK01 LL01 LL03 NN02 NN06 PP04 PP10

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】同位体を含む気体試料にレーザ光を照射
し、同位体の光吸収スペクトルに基づいて、前記同位体
の存在比を測定する同位体分析装置であって、前記気体試料を導入可能な気密チェンバーと、前記気体試料に照射するレーザ光を発生するレーザ発生
部と、前記レーザ発生部の近傍に配置され、前記気体試料中を
通過したレーザ光を受光する光検出部と、前記気密チャンバー内部に光路を形成するようにレーザ
発生部からのレーザ光を導く導光ミラーと、前記レーザ発生部に対して、気密チャンバー内部の遠端
部に配置され導光ミラーで導かれたレーザ光を所定方向
に反射する第一凹面ミラーと、前記第一凹面ミラーで反射したレーザ光を前記光検出部
に導く第二凹面ミラーと、を含むことを特徴とする同位体分析装置。
【請求項２】請求項１記載の同位体分析装置におい
て、前記第二凹面ミラーは、第一凹面ミラーからの反射光の
光軸に対して水平角及び垂直角がほぼ同一になるように
配置されていることを特徴とする同位体分析装置。
【請求項３】請求項１または請求項２記載の同位体分
析装置において、前記レーザ発生部と光検出部とで形成する光路中にレー
ザ光の透過光強度を所定量減衰させる透過光減衰フィル
タを配置することを特徴とする同位体分析装置。
【請求項４】請求項３記載の同位体分析装置におい
て、前記透過光減衰フィルタは、レーザ光の光路に対して所
定角度傾いていることを特徴とする同位体分析装置。