JP3274605B2 - 炭素同位体分析装置 - Google Patents
炭素同位体分析装置Info
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- JP3274605B2 JP3274605B2 JP11099396A JP11099396A JP3274605B2 JP 3274605 B2 JP3274605 B2 JP 3274605B2 JP 11099396 A JP11099396 A JP 11099396A JP 11099396 A JP11099396 A JP 11099396A JP 3274605 B2 JP3274605 B2 JP 3274605B2
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
- G01N21/39—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using tunable lasers
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、ＣＯ2 試料に光
を照射しその光吸収スペクトルより炭素の同位体比を分
析する炭素同位体分析装置に関する。
を照射しその光吸収スペクトルより炭素の同位体比を分
析する炭素同位体分析装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】炭素原子には質量数が１１（11Ｃ）、１
２（12Ｃ）、１３（13Ｃ）、１４（14Ｃ）の同位体が存
在する。これらの中で、12Ｃと13Ｃは安定同位体であ
り、放射性同位体である11Ｃと14Ｃとは異なり、放射線
被爆がなく安全である。そのため、医療分野において、
その利用が積極的に研究されている。特に最近はヘリコ
バクターピロリ（ＨＰ）の胃内感染と胃潰瘍との関連が
内科領域で大きな話題となっており、ＨＰの感染の診断
に13Ｃ−尿素呼気検査が採用されるようになってきてい
る。 この13Ｃ−尿素呼気検査には、炭素の安定同位体
分析装置が必須である。また、13Ｃ−尿素呼気検査は臨
床で施行されるので、小型であって、簡便かつ迅速に分
析でき、しかも信頼性が高く、そして廉価な装置が望ま
しい。
２（12Ｃ）、１３（13Ｃ）、１４（14Ｃ）の同位体が存
在する。これらの中で、12Ｃと13Ｃは安定同位体であ
り、放射性同位体である11Ｃと14Ｃとは異なり、放射線
被爆がなく安全である。そのため、医療分野において、
その利用が積極的に研究されている。特に最近はヘリコ
バクターピロリ（ＨＰ）の胃内感染と胃潰瘍との関連が
内科領域で大きな話題となっており、ＨＰの感染の診断
に13Ｃ−尿素呼気検査が採用されるようになってきてい
る。 この13Ｃ−尿素呼気検査には、炭素の安定同位体
分析装置が必須である。また、13Ｃ−尿素呼気検査は臨
床で施行されるので、小型であって、簡便かつ迅速に分
析でき、しかも信頼性が高く、そして廉価な装置が望ま
しい。
【０００３】従来、このような用途の炭素同位体分析装
置として、質量分析法を用いた質量分析計と赤外分光分
析法を用いた分光分析計が知られている。質量分析計は
高精度であるが操作が難しく、高価である等の問題があ
り、一方、分光分析計は簡便で廉価であるが低精度であ
る等の問題がある。
置として、質量分析法を用いた質量分析計と赤外分光分
析法を用いた分光分析計が知られている。質量分析計は
高精度であるが操作が難しく、高価である等の問題があ
り、一方、分光分析計は簡便で廉価であるが低精度であ
る等の問題がある。
【０００４】これらの問題を解決する新しい炭素同位体
分析装置としてレーザ分光法を用いた分析装置がある。
レーザ分光法を用いた分析装置として１．６μｍ帯の半
導体レーザ（ＬＤ）を用いた装置が提案されている｛レ
ーザ分光法を用いた同位体分析計と13Ｃ呼気検査への応
用（ＩＩ）、13Ｃ医学、ＶＯＬ．４、ＰＰ８−９、１９
９４｝。この分析装置は、ＩＩＩ−Ｖ族のＩｎＧａＡｓ
Ｐ系材料を用いた１．６μ帯のＤＦＢ（分布帰還）型の
ＬＤを採用しており、このＬＤは常温でシングルモード
発振することができ、また、小型で信頼性が高い。そし
て、ＬＤの温度と駆動電流を制御することにより簡単に
波長掃引できる等、実用上多くの特徴があり、このＬＤ
を用いることにより簡便で迅速な分析が行える。
分析装置としてレーザ分光法を用いた分析装置がある。
レーザ分光法を用いた分析装置として１．６μｍ帯の半
導体レーザ（ＬＤ）を用いた装置が提案されている｛レ
ーザ分光法を用いた同位体分析計と13Ｃ呼気検査への応
用（ＩＩ）、13Ｃ医学、ＶＯＬ．４、ＰＰ８−９、１９
９４｝。この分析装置は、ＩＩＩ−Ｖ族のＩｎＧａＡｓ
Ｐ系材料を用いた１．６μ帯のＤＦＢ（分布帰還）型の
ＬＤを採用しており、このＬＤは常温でシングルモード
発振することができ、また、小型で信頼性が高い。そし
て、ＬＤの温度と駆動電流を制御することにより簡単に
波長掃引できる等、実用上多くの特徴があり、このＬＤ
を用いることにより簡便で迅速な分析が行える。
【０００５】しかし、１．６μｍ帯のＣＯ2 光吸収スペ
クトルの吸収強度が小さいので、吸収量を増加させるた
めには、呼気中のＣＯ2 （人の呼気中のＣＯ2 濃度は２
〜５％程度）を前処理装置で濃縮した後に分析する必要
がある。ＣＯ2 の濃縮法は呼気に含まれるＣＯ2 を液体
窒素を用いて固体化（ドライアイス状）した後に、他の
Ｎ2 、Ｏ2 等の不要ガスを真空ポンプで排出して行うの
で、濃縮のための前処理装置が必要となり、装置が大型
で高価となる。また、液体窒素が必要なので、運用コス
トも高くなる。さらには、液体窒素は任意の適当な場所
で入手できないので使用場所が限られる等の問題もあ
る。
クトルの吸収強度が小さいので、吸収量を増加させるた
めには、呼気中のＣＯ2 （人の呼気中のＣＯ2 濃度は２
〜５％程度）を前処理装置で濃縮した後に分析する必要
がある。ＣＯ2 の濃縮法は呼気に含まれるＣＯ2 を液体
窒素を用いて固体化（ドライアイス状）した後に、他の
Ｎ2 、Ｏ2 等の不要ガスを真空ポンプで排出して行うの
で、濃縮のための前処理装置が必要となり、装置が大型
で高価となる。また、液体窒素が必要なので、運用コス
トも高くなる。さらには、液体窒素は任意の適当な場所
で入手できないので使用場所が限られる等の問題もあ
る。
【０００６】この対策として、波長２．０μｍ、４．３
μｍ近辺に13ＣＯ2 の吸収強度が大きいスペクトル（同
位体分析においてはＣの天然存在比は13Ｃ／12Ｃ≒１／
９９なので13ＣＯ2 の吸収強度大のスペクトル選定が必
要）が存在することが分かっているので、このスペクト
ルを使用することが考えられるが、ＩＩＩ−Ｖ族のＩｎ
ＧａＡｓＰ系のＬＤは前記波長範囲では室温で連続発振
しないので使用することができなかった（表１．２ダブ
ル・ヘテロ接合結晶とレーザ発振波長、半導体レーザと
応用技術、工学社、Ｐ４８）。
μｍ近辺に13ＣＯ2 の吸収強度が大きいスペクトル（同
位体分析においてはＣの天然存在比は13Ｃ／12Ｃ≒１／
９９なので13ＣＯ2 の吸収強度大のスペクトル選定が必
要）が存在することが分かっているので、このスペクト
ルを使用することが考えられるが、ＩＩＩ−Ｖ族のＩｎ
ＧａＡｓＰ系のＬＤは前記波長範囲では室温で連続発振
しないので使用することができなかった（表１．２ダブ
ル・ヘテロ接合結晶とレーザ発振波長、半導体レーザと
応用技術、工学社、Ｐ４８）。
【０００７】また、ＩＶ−ＩＶ族の鉛塩系材料を用いた
ＬＤは波長４〜３０μｍ間で発振はするが常温で連続発
振しないので液体ヘリウム、液体窒素等を用いた大型の
冷凍機が必要である。さらに、このＬＤを超低温（４
Ｋ、または７７Ｋ）に冷却するために真空断熱構造とし
た高価なクライオスタットが必要である。これらにより
装置が大型化し、したがって扱い難く、高価となるので
臨床の場での使用には適さない。
ＬＤは波長４〜３０μｍ間で発振はするが常温で連続発
振しないので液体ヘリウム、液体窒素等を用いた大型の
冷凍機が必要である。さらに、このＬＤを超低温（４
Ｋ、または７７Ｋ）に冷却するために真空断熱構造とし
た高価なクライオスタットが必要である。これらにより
装置が大型化し、したがって扱い難く、高価となるので
臨床の場での使用には適さない。
【０００８】これらの問題を解決するために２μｍ帯で
常温でシングルモード発振をするＬＤ励起固体レーザを
レーザ分光光源に用いた炭素同位体分析装置がある。図
６にその装置を示す。図６において、１はＬＤ励起Ｔ
ｍ：ＹＡＧ固体レーザ、２は試料セル、３は光検出器、
４はロックイン増幅器（ロックインアンプともいう。）
である。５は図７に示す圧電素子１２を制御する圧電素
子制御部、６は固体レーザ１の発振光に周波数変調をか
ける発振器である。
常温でシングルモード発振をするＬＤ励起固体レーザを
レーザ分光光源に用いた炭素同位体分析装置がある。図
６にその装置を示す。図６において、１はＬＤ励起Ｔ
ｍ：ＹＡＧ固体レーザ、２は試料セル、３は光検出器、
４はロックイン増幅器（ロックインアンプともいう。）
である。５は図７に示す圧電素子１２を制御する圧電素
子制御部、６は固体レーザ１の発振光に周波数変調をか
ける発振器である。
【０００９】図７に、前記固体レーザ１の概略構成を示
す。図７において、７は高出力ＬＤ、８はＬＤの発振光
をレーザ共振器に結合させる光学系である。９はＴｍ：
ＹＡＧロッドであり、ＬＤ側の端面ａは励起波長に対し
透過率が高く、発振波長に対してはＨＲ（Ｈｉｇｈ−Ｒ
ｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）のコーティングがなされている。
また、レーザ共振器側の端面ｂは発振波長に対してＡＲ
（Ａｎｔｉ−Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）コーティングがな
されている。１０は波長選択素子であり、複屈折フィル
タの組み合わせやエタロン等である。１１はレーザ共振
器の出力ミラー、１２は出力ミラーに取り付けられた圧
電素子を、それぞれ示している。
す。図７において、７は高出力ＬＤ、８はＬＤの発振光
をレーザ共振器に結合させる光学系である。９はＴｍ：
ＹＡＧロッドであり、ＬＤ側の端面ａは励起波長に対し
透過率が高く、発振波長に対してはＨＲ（Ｈｉｇｈ−Ｒ
ｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）のコーティングがなされている。
また、レーザ共振器側の端面ｂは発振波長に対してＡＲ
（Ａｎｔｉ−Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）コーティングがな
されている。１０は波長選択素子であり、複屈折フィル
タの組み合わせやエタロン等である。１１はレーザ共振
器の出力ミラー、１２は出力ミラーに取り付けられた圧
電素子を、それぞれ示している。
【００１０】図７において、Ｔｍ：ＹＡＧロッド９の端
面ａと出力ミラー１１により、レーザ共振器が形成され
る。高出力ＬＤ７を出た励起光は、光学系８により、こ
のレーザ共振器の発振のモードに合うようにＴｍ：ＹＡ
Ｇロッド９に結合される。その結果、高効率でＴｍ：Ｙ
ＡＧロッド９は励起され、前記共振器によりレーザ発振
し、その発振光は、出力ミラー１１より取り出される。
レーザ共振器中に挿入された波長選択素子１０により、
その発振波長を２μｍ近辺で任意の波長に選択し、かつ
掃引を行うことができる。
面ａと出力ミラー１１により、レーザ共振器が形成され
る。高出力ＬＤ７を出た励起光は、光学系８により、こ
のレーザ共振器の発振のモードに合うようにＴｍ：ＹＡ
Ｇロッド９に結合される。その結果、高効率でＴｍ：Ｙ
ＡＧロッド９は励起され、前記共振器によりレーザ発振
し、その発振光は、出力ミラー１１より取り出される。
レーザ共振器中に挿入された波長選択素子１０により、
その発振波長を２μｍ近辺で任意の波長に選択し、かつ
掃引を行うことができる。
【００１１】また、出力ミラー１１に付けられている圧
電素子１２に適当なバイアス電圧と変調電圧を加えるこ
とにより、レーザ共振器長を微少変化させ、発振周波数
に変調をかけることができる。
電素子１２に適当なバイアス電圧と変調電圧を加えるこ
とにより、レーザ共振器長を微少変化させ、発振周波数
に変調をかけることができる。
【００１２】固体レーザ１は、その発振波長が13ＣＯ2
と12ＣＯ2 の両スペクトルをカバーする範囲を掃引する
ように制御される。これは、波長選択素子１０によって
行われる。発振器６からの変調信号は、圧電素子制御部
５により増幅され、バイアス電圧と共に、固体レーザ１
の圧電素子１２に印加される。このようにして、固体レ
ーザ１の発振スペクトルに変調が加えられる。
と12ＣＯ2 の両スペクトルをカバーする範囲を掃引する
ように制御される。これは、波長選択素子１０によって
行われる。発振器６からの変調信号は、圧電素子制御部
５により増幅され、バイアス電圧と共に、固体レーザ１
の圧電素子１２に印加される。このようにして、固体レ
ーザ１の発振スペクトルに変調が加えられる。
【００１３】上述のように、周波数変調され波長掃引さ
れた固体レーザ１からの出力光は、試料セル２に導入さ
れる。試料セル２には、ＣＯ2 の光吸収スペクトルの微
細構造が分離できる程度の圧力で、試料ガスの導入口２
ａより試料が入れられている。その試料セル２内に導入
されたレーザ光は内部の試料、即ち、ＣＯ2 と相互作用
し、共鳴吸収が起きる。試料セル２を出た光は、光検出
器３により検出され、ロックインアンプ４により、発振
器６の周波数と同期のとれた信号のみが検出される。こ
のように同期検波を行う結果、波長掃引時の光出力の変
動や、固体レーザ特有のノイズ等が除去でき、Ｓ／Ｎ比
のよい信号を検出することができる。
れた固体レーザ１からの出力光は、試料セル２に導入さ
れる。試料セル２には、ＣＯ2 の光吸収スペクトルの微
細構造が分離できる程度の圧力で、試料ガスの導入口２
ａより試料が入れられている。その試料セル２内に導入
されたレーザ光は内部の試料、即ち、ＣＯ2 と相互作用
し、共鳴吸収が起きる。試料セル２を出た光は、光検出
器３により検出され、ロックインアンプ４により、発振
器６の周波数と同期のとれた信号のみが検出される。こ
のように同期検波を行う結果、波長掃引時の光出力の変
動や、固体レーザ特有のノイズ等が除去でき、Ｓ／Ｎ比
のよい信号を検出することができる。
【００１４】検出器３からの信号はロックイン増幅器４
により、光吸収スペクトルの形状の２次微分（２ｆスペ
クトル）の形として求められる（図８参照）。得られた
12ＣＯ2 と13ＣＯ2 のそれぞれの光吸収スペクトル信号
のピークの値を求め、その比より12ＣＯ2 と13ＣＯ2 の
吸収強度の比を得ることにより、同位体比が得られる。
により、光吸収スペクトルの形状の２次微分（２ｆスペ
クトル）の形として求められる（図８参照）。得られた
12ＣＯ2 と13ＣＯ2 のそれぞれの光吸収スペクトル信号
のピークの値を求め、その比より12ＣＯ2 と13ＣＯ2 の
吸収強度の比を得ることにより、同位体比が得られる。
【００１５】このように、図６例の装置によれば、ＣＯ
2 の光吸収強度が強い２μｍ近辺のスペクトルをロック
イン増幅器４を介して測定しており、又、レーザ光をほ
ぼ１００％利用しているので、同位体比を高感度で測定
できる。結果として、上述の前処理装置等が不要とな
る。
2 の光吸収強度が強い２μｍ近辺のスペクトルをロック
イン増幅器４を介して測定しており、又、レーザ光をほ
ぼ１００％利用しているので、同位体比を高感度で測定
できる。結果として、上述の前処理装置等が不要とな
る。
【００１６】しかしながら、図６例の装置では波長選択
素子１０を制御して波長掃引を行い、図８のようなスペ
クトル（波長掃引方向のサンプル数は約２０００点）を
得ており、この波長掃引は波長選択素子１０を機械的に
超精密に変化させる必要があることから、掃引に時間が
かかり分析時間が大幅に長くなるという問題がある。こ
の場合、12ＣＯ2 と13ＣＯ2 のスペクトルを測定する時
間間隔が長いと、その間にガスの吸着・温度変化等によ
り試料ガスの圧力が変動してしまい、結果として異なっ
た圧力のスペクトルを測定することになり測定精度が低
下するという問題もある。さらに、超精密に波長選択素
子１０を制御しているので、振動、熱等の外乱に弱くな
り装置の信頼性が低い等の問題もある。
素子１０を制御して波長掃引を行い、図８のようなスペ
クトル（波長掃引方向のサンプル数は約２０００点）を
得ており、この波長掃引は波長選択素子１０を機械的に
超精密に変化させる必要があることから、掃引に時間が
かかり分析時間が大幅に長くなるという問題がある。こ
の場合、12ＣＯ2 と13ＣＯ2 のスペクトルを測定する時
間間隔が長いと、その間にガスの吸着・温度変化等によ
り試料ガスの圧力が変動してしまい、結果として異なっ
た圧力のスペクトルを測定することになり測定精度が低
下するという問題もある。さらに、超精密に波長選択素
子１０を制御しているので、振動、熱等の外乱に弱くな
り装置の信頼性が低い等の問題もある。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】この発明は、このよう
な課題を考慮してなされたものであって、12ＣＯ2 と13
ＣＯ2 の光吸収スペクトルを高精度かつ短時間に測定す
ることを可能とし、しかも炭素の安定同位体の精度信頼
性の高い存在比を求めることを可能とする炭素同位体分
析装置を提供することを目的とする。
な課題を考慮してなされたものであって、12ＣＯ2 と13
ＣＯ2 の光吸収スペクトルを高精度かつ短時間に測定す
ることを可能とし、しかも炭素の安定同位体の精度信頼
性の高い存在比を求めることを可能とする炭素同位体分
析装置を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】この発明は、例えば、図
１に示すように、呼気中のＣＯ2から光吸収スペクトル
より炭素の同位体比を分析する装置において、半導体レ
ーザ１３と、半導体レーザの発振波長を掃引する手段２
１、１８と、半導体レーザに周波数ｆの変調をかける発
振器２０と、前記呼気が導入されているＣＯ2 の試料セ
ル２を通過したレーザ光から光吸収スペクトルを検出す
る光検出器１４と、光吸収スペクトルの２ｆ成分を検出
するロックイン増幅器１５と、光吸収スペクトルの３ｆ
成分を検出するロックイン増幅器１６と、ロックイン増
幅器で検出した３ｆ成分の３点のゼロクロス点に半導体
レーザの発振波長をロックする手段１９、２２、２３、
２４とを有し、前記半導体レーザが、波長２．０〜２．
１μｍでシングルモードかつ常温で連続発振するレーザ
ダイオードであり、前記ロックする手段でロックした発
振波長で 12 ＣＯ 2 と 13 ＣＯ 2 各々の上下３点の２ｆスペ
クトルのピーク値を得、前記ピーク値をそれぞれ低波長
側からＩａ，Ｉｂ，Ｉｃ，Ｉｄ，Ｉｅ，Ｉｇとすると
き、前記 12 ＣＯ 2 と 13 ＣＯ 2 各々の周波数スペクトル強
度Ｘ，Ｙを、Ｘ＝Ｉｂ−｛（Ｉａ＋Ｉｃ）／２｝、Ｙ＝
Ｉｅ−｛（Ｉｄ＋Ｉｇ）／２｝で求め、求めた両スペク
トルの強度比より炭素の同位体比を検出することを特徴
とする。
１に示すように、呼気中のＣＯ2から光吸収スペクトル
より炭素の同位体比を分析する装置において、半導体レ
ーザ１３と、半導体レーザの発振波長を掃引する手段２
１、１８と、半導体レーザに周波数ｆの変調をかける発
振器２０と、前記呼気が導入されているＣＯ2 の試料セ
ル２を通過したレーザ光から光吸収スペクトルを検出す
る光検出器１４と、光吸収スペクトルの２ｆ成分を検出
するロックイン増幅器１５と、光吸収スペクトルの３ｆ
成分を検出するロックイン増幅器１６と、ロックイン増
幅器で検出した３ｆ成分の３点のゼロクロス点に半導体
レーザの発振波長をロックする手段１９、２２、２３、
２４とを有し、前記半導体レーザが、波長２．０〜２．
１μｍでシングルモードかつ常温で連続発振するレーザ
ダイオードであり、前記ロックする手段でロックした発
振波長で 12 ＣＯ 2 と 13 ＣＯ 2 各々の上下３点の２ｆスペ
クトルのピーク値を得、前記ピーク値をそれぞれ低波長
側からＩａ，Ｉｂ，Ｉｃ，Ｉｄ，Ｉｅ，Ｉｇとすると
き、前記 12 ＣＯ 2 と 13 ＣＯ 2 各々の周波数スペクトル強
度Ｘ，Ｙを、Ｘ＝Ｉｂ−｛（Ｉａ＋Ｉｃ）／２｝、Ｙ＝
Ｉｅ−｛（Ｉｄ＋Ｉｇ）／２｝で求め、求めた両スペク
トルの強度比より炭素の同位体比を検出することを特徴
とする。
【００１９】また、この発明は、例えば、図４に示すよ
うに、呼気中のＣＯ2から光吸収スペクトルより炭素の
同位体比を分析する装置において、半導体レーザ１３
と、半導体レーザの発振波長を掃引する手段２１、１８
と、半導体レーザに周波数ｆの変調をかける発振器２０
と、前記呼気が導入されているＣＯ2 の試料セル２を通
過したレーザ光から光吸収スペクトルを検出する光検出
器１４と、光吸収スペクトルの２ｆ成分を検出するロッ
クイン増幅器１５と、ＣＯ2 の参照セル２７と、参照セ
ルを通過したレーザ光から光吸収スペクトルを検出する
光検出器１４ａと、前記参照セルに係る光吸収スペクト
ルの３ｆ成分を検出するロックイン増幅器１６と、ロッ
クイン増幅器で検出した３ｆ成分の３点のゼロクロス点
に半導体レーザの発振波長をロックする手段１９、２
２、２３、２４とを有し、前記半導体レーザが、波長
２．０〜２．１μｍでシングルモードかつ常温で連続発
振するレーザダイオードであり、前記ロックする手段で
ロックした発振波長で 12 ＣＯ 2 と 13 ＣＯ 2 各々の上下３
点の２ｆスペクトルのピーク値を得、前記ピーク値をそ
れぞれ低波長側からＩａ，Ｉｂ，Ｉｃ，Ｉｄ，Ｉｅ，Ｉ
ｇとするとき、前記 12 ＣＯ 2 と 13 ＣＯ 2 各々の周波数ス
ペクトル強度Ｘ，Ｙを、Ｘ＝Ｉｂ−｛（Ｉａ＋Ｉｃ）／
２｝、Ｙ＝Ｉｅ−｛（Ｉｄ＋Ｉｇ）／２｝で求め、求め
た両スペクトルの強度比より炭素の同位体比を検出する
ことを特徴とする。
うに、呼気中のＣＯ2から光吸収スペクトルより炭素の
同位体比を分析する装置において、半導体レーザ１３
と、半導体レーザの発振波長を掃引する手段２１、１８
と、半導体レーザに周波数ｆの変調をかける発振器２０
と、前記呼気が導入されているＣＯ2 の試料セル２を通
過したレーザ光から光吸収スペクトルを検出する光検出
器１４と、光吸収スペクトルの２ｆ成分を検出するロッ
クイン増幅器１５と、ＣＯ2 の参照セル２７と、参照セ
ルを通過したレーザ光から光吸収スペクトルを検出する
光検出器１４ａと、前記参照セルに係る光吸収スペクト
ルの３ｆ成分を検出するロックイン増幅器１６と、ロッ
クイン増幅器で検出した３ｆ成分の３点のゼロクロス点
に半導体レーザの発振波長をロックする手段１９、２
２、２３、２４とを有し、前記半導体レーザが、波長
２．０〜２．１μｍでシングルモードかつ常温で連続発
振するレーザダイオードであり、前記ロックする手段で
ロックした発振波長で 12 ＣＯ 2 と 13 ＣＯ 2 各々の上下３
点の２ｆスペクトルのピーク値を得、前記ピーク値をそ
れぞれ低波長側からＩａ，Ｉｂ，Ｉｃ，Ｉｄ，Ｉｅ，Ｉ
ｇとするとき、前記 12 ＣＯ 2 と 13 ＣＯ 2 各々の周波数ス
ペクトル強度Ｘ，Ｙを、Ｘ＝Ｉｂ−｛（Ｉａ＋Ｉｃ）／
２｝、Ｙ＝Ｉｅ−｛（Ｉｄ＋Ｉｇ）／２｝で求め、求め
た両スペクトルの強度比より炭素の同位体比を検出する
ことを特徴とする。
【００２０】さらに、この発明は、例えば、図５に示す
ように、呼気中のＣＯ2から光吸収スペクトルより炭素
同位体比を分析する装置において、半導体レーザ１３
と、半導体レーザの発振波長を電流制御で掃引する手段
２１、１８と、半導体レーザに周波数ｆの変調をかける
発振器２０と、前記呼気が導入されているＣＯ2 の試料
セル２を通過したレーザ光から光吸収スペクトルを検出
する光検出器と、光吸収スペクトルの２ｆ成分を検出す
るロックイン増幅器１５と、前記検出した２ｆ成分の信
号の３点のピーク値を検出する手段３３とを有し、前記
半導体レーザが、波長２．０〜２．１μｍでシングルモ
ードかつ常温で連続発振するレーザダイオードであり、
前記ピーク値を検出する手段により求めた、12ＣＯ2 と
13ＣＯ2 の各々の上下３点の２ｆスペクトルの前記ピー
ク値をそれぞれ低波長側からＩａ，Ｉｂ，Ｉｃ，Ｉｄ，
Ｉｅ，Ｉｇとするとき、前記 12 ＣＯ 2 と 13 ＣＯ 2 各々の
周波数スペクトル強度Ｘ，Ｙを、Ｘ＝Ｉｂ−｛（Ｉａ＋
Ｉｃ）／２｝、Ｙ＝Ｉｅ−｛（Ｉｄ＋Ｉｇ）／２｝で求
め、求めた両スペクトルの強度比より炭素の同位体比を
検出することを特徴とする。
ように、呼気中のＣＯ2から光吸収スペクトルより炭素
同位体比を分析する装置において、半導体レーザ１３
と、半導体レーザの発振波長を電流制御で掃引する手段
２１、１８と、半導体レーザに周波数ｆの変調をかける
発振器２０と、前記呼気が導入されているＣＯ2 の試料
セル２を通過したレーザ光から光吸収スペクトルを検出
する光検出器と、光吸収スペクトルの２ｆ成分を検出す
るロックイン増幅器１５と、前記検出した２ｆ成分の信
号の３点のピーク値を検出する手段３３とを有し、前記
半導体レーザが、波長２．０〜２．１μｍでシングルモ
ードかつ常温で連続発振するレーザダイオードであり、
前記ピーク値を検出する手段により求めた、12ＣＯ2 と
13ＣＯ2 の各々の上下３点の２ｆスペクトルの前記ピー
ク値をそれぞれ低波長側からＩａ，Ｉｂ，Ｉｃ，Ｉｄ，
Ｉｅ，Ｉｇとするとき、前記 12 ＣＯ 2 と 13 ＣＯ 2 各々の
周波数スペクトル強度Ｘ，Ｙを、Ｘ＝Ｉｂ−｛（Ｉａ＋
Ｉｃ）／２｝、Ｙ＝Ｉｅ−｛（Ｉｄ＋Ｉｇ）／２｝で求
め、求めた両スペクトルの強度比より炭素の同位体比を
検出することを特徴とする。
【００２１】さらにまた、この発明は、例えば、図５に
示すように、呼気中のＣＯ2から光吸収スペクトルより
炭素同位体比を分析する装置において、半導体レーザ１
３と、半導体レーザの発振波長を掃引する手段２１、１
８と、半導体レーザに周波数ｆの変調をかける発振器２
０と、前記呼気が導入されているＣＯ2 の試料セル２を
通過したレーザ光から光吸収スペクトルを検出する光検
出器１４と、光吸収スペクトルの２ｆ成分を検出するロ
ックイン増幅器１５と、検出した２ｆ成分の信号のピー
ク値を検出する手段３３と、検出した２ｆ成分を微分し
て３ｆ成分の信号を生成する手段３４とを有し、前記半
導体レーザが、波長２．０〜２．１μｍでシングルモー
ドかつ常温で連続発振するレーザダイオードであり、前
記３ｆ成分の３点のゼロクロス点において、12ＣＯ2 と
13ＣＯ2 各々の上下３点の２ｆスペクトルのピーク値を
求め、求めた前記ピーク値をそれぞれ低波長側からＩ
ａ，Ｉｂ，Ｉｃ，Ｉｄ，Ｉｅ，Ｉｇとするとき、前記 12
ＣＯ 2 と 13 ＣＯ 2 各々の周波数スペクトル強度Ｘ，Ｙ
を、Ｘ＝Ｉｂ−｛（Ｉａ＋Ｉｃ）／２｝、Ｙ＝Ｉｅ−
｛（Ｉｄ＋Ｉｇ）／２｝で求め、求めた両スペクトルの
強度比より炭素の同位体比を検出することを特徴とす
る。
示すように、呼気中のＣＯ2から光吸収スペクトルより
炭素同位体比を分析する装置において、半導体レーザ１
３と、半導体レーザの発振波長を掃引する手段２１、１
８と、半導体レーザに周波数ｆの変調をかける発振器２
０と、前記呼気が導入されているＣＯ2 の試料セル２を
通過したレーザ光から光吸収スペクトルを検出する光検
出器１４と、光吸収スペクトルの２ｆ成分を検出するロ
ックイン増幅器１５と、検出した２ｆ成分の信号のピー
ク値を検出する手段３３と、検出した２ｆ成分を微分し
て３ｆ成分の信号を生成する手段３４とを有し、前記半
導体レーザが、波長２．０〜２．１μｍでシングルモー
ドかつ常温で連続発振するレーザダイオードであり、前
記３ｆ成分の３点のゼロクロス点において、12ＣＯ2 と
13ＣＯ2 各々の上下３点の２ｆスペクトルのピーク値を
求め、求めた前記ピーク値をそれぞれ低波長側からＩ
ａ，Ｉｂ，Ｉｃ，Ｉｄ，Ｉｅ，Ｉｇとするとき、前記 12
ＣＯ 2 と 13 ＣＯ 2 各々の周波数スペクトル強度Ｘ，Ｙ
を、Ｘ＝Ｉｂ−｛（Ｉａ＋Ｉｃ）／２｝、Ｙ＝Ｉｅ−
｛（Ｉｄ＋Ｉｇ）／２｝で求め、求めた両スペクトルの
強度比より炭素の同位体比を検出することを特徴とす
る。
【００２２】
【発明の実施の形態】まず、この発明を概括的に説明す
る。
る。
【００２３】ＩＩＩ−Ｖ族のＡ１ＧａＡｓＰ系材料また
はＩｎＧａＡｓＰ系材料を用いた近赤外域の半導体レー
ザ（ＬＤ）は光通信、光情報処理用として精力的に研究
・開発され小型、高効率、高信頼性のものが得られるよ
うになってきている。
はＩｎＧａＡｓＰ系材料を用いた近赤外域の半導体レー
ザ（ＬＤ）は光通信、光情報処理用として精力的に研究
・開発され小型、高効率、高信頼性のものが得られるよ
うになってきている。
【００２４】このＬＤは常温で連続発振し、ＬＤの温度
または駆動電流を制御することにより容易に波長可変光
源として使用することができる。特に駆動電流の制御に
よりダイナミックに波長の可変制御、すなわち掃引が可
能になっている。
または駆動電流を制御することにより容易に波長可変光
源として使用することができる。特に駆動電流の制御に
よりダイナミックに波長の可変制御、すなわち掃引が可
能になっている。
【００２５】このように実用上優れた特徴を持つＬＤを
用いれば炭素同位体分析装置全体を非常に小型化でき、
したがって取り扱いが容易になる。さらに、ＬＤの発振
が安定であり、信頼性の高い装置が実現できるという利
点も得られる。
用いれば炭素同位体分析装置全体を非常に小型化でき、
したがって取り扱いが容易になる。さらに、ＬＤの発振
が安定であり、信頼性の高い装置が実現できるという利
点も得られる。
【００２６】ところで、従来のＩｎＧａＡｓＰ系材料の
発振波長範囲は〜１．６５μｍ程度までが限度であり、
高精度にＣＯ2 スペクトルを検出するには前に述べたよ
うに採取した呼気のＣＯ2 を濃縮する必要があった。し
かし、ごく最近のＬＤの製作技術の進歩により、ＩｎＧ
ａＡｓＰ系材料を用いてＬＤの構造を歪超格子量子井戸
型にすることにより、従来困難であった２μｍ帯でも常
温での連続発振が可能となった（“１．９５−μｍ Ｓ
ｔｒａｉｎｅｄ ＩｎＧａＡｓＰ−ＩｎＰ Ｄｉｓｔｒ
ｉｂｕｔｅｄ−Ｆｅｅｄｂａｃｋ Ｑｕａｎｔｕｍ−Ｗ
ｅｌｌ Ｌａｓｅｒ”，ＩＥＥＥ ＰＨＯＴＯＮＩＣＳ
ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＬＥＴＴＥＲＳ，ＶＯＬ．
６，ＮＯ．１２，ＤＥＣＥＭＢＥＲ ＰＰ．１４１５−
１４１７１９９４）。
発振波長範囲は〜１．６５μｍ程度までが限度であり、
高精度にＣＯ2 スペクトルを検出するには前に述べたよ
うに採取した呼気のＣＯ2 を濃縮する必要があった。し
かし、ごく最近のＬＤの製作技術の進歩により、ＩｎＧ
ａＡｓＰ系材料を用いてＬＤの構造を歪超格子量子井戸
型にすることにより、従来困難であった２μｍ帯でも常
温での連続発振が可能となった（“１．９５−μｍ Ｓ
ｔｒａｉｎｅｄ ＩｎＧａＡｓＰ−ＩｎＰ Ｄｉｓｔｒ
ｉｂｕｔｅｄ−Ｆｅｅｄｂａｃｋ Ｑｕａｎｔｕｍ−Ｗ
ｅｌｌ Ｌａｓｅｒ”，ＩＥＥＥ ＰＨＯＴＯＮＩＣＳ
ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＬＥＴＴＥＲＳ，ＶＯＬ．
６，ＮＯ．１２，ＤＥＣＥＭＢＥＲ ＰＰ．１４１５−
１４１７１９９４）。
【００２７】そこで、この発明では、常温連続発振が可
能となった２μｍ帯のＬＤを用いて 12ＣＯ2 と13ＣＯ2
の光吸収スペクトルのそれぞれの３次微分波形（３ｆス
ペクトル）を求め、その３ｆスペクトルを波長弁別曲線
として、その弁別曲線の零クロス点にレーザの発振波長
をロックさせて、それぞれの２ｆスペクトルの３点のピ
ーク値を求め、光吸収強度を得るようにして、短時間
（高速）でかつ高精度に同位体比の測定を行うことを可
能としたものである。図６例で示した従来技術に係る固
体レーザ１では発振波長のダイナミックの制御が難しく
実現が困難であったが、２μｍ帯のＬＤの使用によりこ
の発明が可能となった。
能となった２μｍ帯のＬＤを用いて 12ＣＯ2 と13ＣＯ2
の光吸収スペクトルのそれぞれの３次微分波形（３ｆス
ペクトル）を求め、その３ｆスペクトルを波長弁別曲線
として、その弁別曲線の零クロス点にレーザの発振波長
をロックさせて、それぞれの２ｆスペクトルの３点のピ
ーク値を求め、光吸収強度を得るようにして、短時間
（高速）でかつ高精度に同位体比の測定を行うことを可
能としたものである。図６例で示した従来技術に係る固
体レーザ１では発振波長のダイナミックの制御が難しく
実現が困難であったが、２μｍ帯のＬＤの使用によりこ
の発明が可能となった。
【００２８】以上がこの発明の概括的な説明である。
【００２９】次に、この発明の一実施の形態について図
面を参照して説明する。なお、理解の容易のために、前
記図６〜図８に示したものと対応するものには同一の符
号を付け、また、図面を再度掲載する繁雑さを回避する
ために、必要に応じてそれらの図面をも参照して説明す
る。
面を参照して説明する。なお、理解の容易のために、前
記図６〜図８に示したものと対応するものには同一の符
号を付け、また、図面を再度掲載する繁雑さを回避する
ために、必要に応じてそれらの図面をも参照して説明す
る。
【００３０】図１はこの発明の一実施の形態の構成を示
すブロック図である。図１において、１３は上述の２μ
ｍ帯でシングルモード発振する半導体レーザ（ＬＤ）、
２は試料セル、２ａは試料ガスの導入口、２ｂは試料ガ
スの排出口、１４は光検出器、１５、１６はロックイン
増幅器、１７はＬＤの温度制御部、１８はＬＤの電流制
御部、２０はＬＤに電流変調を掛けるための発振器で基
本周波数ｆと基本周波数ｆの２倍、３倍の周波数２ｆ、
３ｆの信号が出力される。１９は加算器、２１はマイク
ロコンピュータ等を有する制御部、２２は信号経路を切
断または接続するスイッチ、２３は２信号より１信号を
選択するスイッチ（マルチプレクサ）、２４は信号の極
性を反転する反転アンプである。
すブロック図である。図１において、１３は上述の２μ
ｍ帯でシングルモード発振する半導体レーザ（ＬＤ）、
２は試料セル、２ａは試料ガスの導入口、２ｂは試料ガ
スの排出口、１４は光検出器、１５、１６はロックイン
増幅器、１７はＬＤの温度制御部、１８はＬＤの電流制
御部、２０はＬＤに電流変調を掛けるための発振器で基
本周波数ｆと基本周波数ｆの２倍、３倍の周波数２ｆ、
３ｆの信号が出力される。１９は加算器、２１はマイク
ロコンピュータ等を有する制御部、２２は信号経路を切
断または接続するスイッチ、２３は２信号より１信号を
選択するスイッチ（マルチプレクサ）、２４は信号の極
性を反転する反転アンプである。
【００３１】なお、マイクロコンピュータは、駆動・制
御・処理・判断手段等として機能し、周知のように、中
央処理装置（ＣＰＵ）に対応するマイクロプロセッサ
（ＭＰＵ）と、このマイクロプロセッサに接続される入
出力装置としてのＡＤ変換回路やＤＡ変換回路、Ｉ／Ｏ
ポート、制御プログラム・システムプログラム・ルック
アップテーブル等が予め書き込まれる読み出し専用メモ
リ（ＲＯＭ）、処理データを一時的に保存等するランダ
ムアクセスメモリ（ＲＡＭ：書き込み・読み出しメモ
リ）、タイマ回路および割り込み処理回路等を１チップ
に集積したＬＳＩデバイスとして提供されている。
御・処理・判断手段等として機能し、周知のように、中
央処理装置（ＣＰＵ）に対応するマイクロプロセッサ
（ＭＰＵ）と、このマイクロプロセッサに接続される入
出力装置としてのＡＤ変換回路やＤＡ変換回路、Ｉ／Ｏ
ポート、制御プログラム・システムプログラム・ルック
アップテーブル等が予め書き込まれる読み出し専用メモ
リ（ＲＯＭ）、処理データを一時的に保存等するランダ
ムアクセスメモリ（ＲＡＭ：書き込み・読み出しメモ
リ）、タイマ回路および割り込み処理回路等を１チップ
に集積したＬＳＩデバイスとして提供されている。
【００３２】試料セル２内には試料ガスの導入口２ａよ
り予め呼気が導入され、内部は圧力によるスペクトルの
広がりがなくなるように低圧にされている。
り予め呼気が導入され、内部は圧力によるスペクトルの
広がりがなくなるように低圧にされている。
【００３３】ＬＤ１３の温度は制御部２１の制御信号に
従って温度制御部１７により掃引開始の波長（周波数）
となるように制御されている。ＬＤ１３の駆動電流は制
御部２１の信号に従って電流制御部１８により図２に示
すようにＩ１、Ｉ２、…Ｉ６とステップ状（階段状）に
制御される。このステップ状の電流の制御に対応して、
ＬＤ１３の波長（周波数）は図８のａ、ｂ、ｃ、ｄ、
ｅ、ｇ近辺の波長（周波数）となる。
従って温度制御部１７により掃引開始の波長（周波数）
となるように制御されている。ＬＤ１３の駆動電流は制
御部２１の信号に従って電流制御部１８により図２に示
すようにＩ１、Ｉ２、…Ｉ６とステップ状（階段状）に
制御される。このステップ状の電流の制御に対応して、
ＬＤ１３の波長（周波数）は図８のａ、ｂ、ｃ、ｄ、
ｅ、ｇ近辺の波長（周波数）となる。
【００３４】また、発振器２０によりＬＤ１３に周波数
ｆの電流変調が掛けられている。ＬＤ１３から出力され
たレーザ光は試料セル２で12ＣＯ2 、13ＣＯ2 と共鳴し
吸収され光検出器１４で検出される。光検出器１４で検
出された光は、図３ａに波形を示す電気信号（受光信号
ともいう。）Ｓ１に変換された後に、ロックイン増幅器
１５で発振器２０の基本周波数ｆの２倍の周波数２ｆと
同期検波されロックイン増幅器１５の出力端子で吸収ス
ペクトルの２ｆスペクトルの信号強度が測定される。
ｆの電流変調が掛けられている。ＬＤ１３から出力され
たレーザ光は試料セル２で12ＣＯ2 、13ＣＯ2 と共鳴し
吸収され光検出器１４で検出される。光検出器１４で検
出された光は、図３ａに波形を示す電気信号（受光信号
ともいう。）Ｓ１に変換された後に、ロックイン増幅器
１５で発振器２０の基本周波数ｆの２倍の周波数２ｆと
同期検波されロックイン増幅器１５の出力端子で吸収ス
ペクトルの２ｆスペクトルの信号強度が測定される。
【００３５】この場合、受光信号Ｓ１の１次微分信号、
すなわち、吸収スペクトルの１ｆ成分（１ｆスペクトル
ともいう。）の波形を図３ｂに示し、ロックイン増幅器
１５の出力端子に現れる吸収スペクトルの２ｆ成分（２
ｆスペクトル、２次微分信号ともいう。）の波形を図３
ｃに示す。また、ロックイン増幅器１６で発振器２０の
３倍の周波数３ｆと同期検波され、吸収スペクトルの３
ｆ成分（３ｆスペクトル、３次微分信号ともいう。）が
検出される（図３ｄの波形参照）。
すなわち、吸収スペクトルの１ｆ成分（１ｆスペクトル
ともいう。）の波形を図３ｂに示し、ロックイン増幅器
１５の出力端子に現れる吸収スペクトルの２ｆ成分（２
ｆスペクトル、２次微分信号ともいう。）の波形を図３
ｃに示す。また、ロックイン増幅器１６で発振器２０の
３倍の周波数３ｆと同期検波され、吸収スペクトルの３
ｆ成分（３ｆスペクトル、３次微分信号ともいう。）が
検出される（図３ｄの波形参照）。
【００３６】この図３ｄに示す３ｆスペクトルを波長弁
別曲線として用い、この弁別曲線の各ゼロクロス点ｚ
１、ｚ２、ｚ３にＬＤ１３の発振波長をロックするよう
にロックイン増幅器１６の出力信号がスイッチ２３、２
２、加算器１９、電流制御部１８を経てＬＤ１３の電流
にフィードバック制御される。ロックイン増幅器１６の
信号は反転アンプ２４で極性が反転される。スイッチ２
２の開閉制御によりフィードバック制御のタイミングを
制御している。スイッチ２３の切換制御によりフィード
バック制御信号の極性を制御している。
別曲線として用い、この弁別曲線の各ゼロクロス点ｚ
１、ｚ２、ｚ３にＬＤ１３の発振波長をロックするよう
にロックイン増幅器１６の出力信号がスイッチ２３、２
２、加算器１９、電流制御部１８を経てＬＤ１３の電流
にフィードバック制御される。ロックイン増幅器１６の
信号は反転アンプ２４で極性が反転される。スイッチ２
２の開閉制御によりフィードバック制御のタイミングを
制御している。スイッチ２３の切換制御によりフィード
バック制御信号の極性を制御している。
【００３７】ここで、例えば、制御部２１の制御信号に
よりスイッチ２２を開状態（図示の状態）、スイッチ２
３で非反転信号Ｓ１を選択し、制御部２１により電流値
をＩ１にした後に、スイッチ２２を閉状態にすると、図
３ｃのｚ１点に対応する図８に示すａ点にＬＤ１３の発
振波長がロックされる。安定にロックされた後にロック
イン増幅器１５の出力信号を制御部２１により数回サン
プリングし、平均値を求めａ点の信号値（信号強度）を
測定する。
よりスイッチ２２を開状態（図示の状態）、スイッチ２
３で非反転信号Ｓ１を選択し、制御部２１により電流値
をＩ１にした後に、スイッチ２２を閉状態にすると、図
３ｃのｚ１点に対応する図８に示すａ点にＬＤ１３の発
振波長がロックされる。安定にロックされた後にロック
イン増幅器１５の出力信号を制御部２１により数回サン
プリングし、平均値を求めａ点の信号値（信号強度）を
測定する。
【００３８】次に、スイッチ２２を開状態、スイッチ２
３で反転信号Ｓ２を選択し、制御部２１により電流値を
Ｉ２にした後にスイッチ２２を閉状態にすると図３ｄの
ｚ２点に対応する図８のｂ点にＬＤ１３の発振波長がロ
ックされる。ここで、このｂ点において、ａ点の測定と
同様にしてロックイン増幅器１５の出力信号を測定し、
ｂ点の信号強度を得る。
３で反転信号Ｓ２を選択し、制御部２１により電流値を
Ｉ２にした後にスイッチ２２を閉状態にすると図３ｄの
ｚ２点に対応する図８のｂ点にＬＤ１３の発振波長がロ
ックされる。ここで、このｂ点において、ａ点の測定と
同様にしてロックイン増幅器１５の出力信号を測定し、
ｂ点の信号強度を得る。
【００３９】次に、ｃ点（ｚ３点に対応する。）、ｄ点
（ｚ１点に対応する。）、ｇ点（ｚ３点に対応する。）
の測定には、ＬＤ１３の電流値をそれぞれＩ３、Ｉ４、
Ｉ６にして、ａ点の測定と同様の手順でｃ、ｄ、ｇ点の
信号強度を求め、ｅ点（ｚ２点に対応する。）の測定に
は、電流値をＩ５にしてｂ点の測定と同様の手順でｅ点
の信号強度を求めることができる。
（ｚ１点に対応する。）、ｇ点（ｚ３点に対応する。）
の測定には、ＬＤ１３の電流値をそれぞれＩ３、Ｉ４、
Ｉ６にして、ａ点の測定と同様の手順でｃ、ｄ、ｇ点の
信号強度を求め、ｅ点（ｚ２点に対応する。）の測定に
は、電流値をＩ５にしてｂ点の測定と同様の手順でｅ点
の信号強度を求めることができる。
【００４０】このようにしてａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｇ点
の順に信号強度値を求め、ａ、ｂ、ｃ点の値より12ＣＯ
2 の吸収強度を、ｄ、ｅ、ｇ点の値より13ＣＯ2 の吸収
強度を求め、両吸収強度比より同位体比を求める。具体
的には、ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｇ各点の信号強度値をそ
れぞれｌａ、ｌｂ、ｌｃ、ｌｄ、ｌｅ、ｌｇとし、12Ｃ
Ｏ2 の吸収強度をＸとしたとき、ＸをＸ＝ｌｂ−｛（ｌ
ａ＋ｌｃ）／２｝で求め、13ＣＯ2 の吸収強度をＹとし
たとき、ＹをＹ＝ｌｅ−｛（ｌｄ＋ｌｇ）／２｝で求め
る。そして、同位体比をＲとしたとき、ＲをＲ＝Ｙ／Ｘ
で求める。
の順に信号強度値を求め、ａ、ｂ、ｃ点の値より12ＣＯ
2 の吸収強度を、ｄ、ｅ、ｇ点の値より13ＣＯ2 の吸収
強度を求め、両吸収強度比より同位体比を求める。具体
的には、ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｇ各点の信号強度値をそ
れぞれｌａ、ｌｂ、ｌｃ、ｌｄ、ｌｅ、ｌｇとし、12Ｃ
Ｏ2 の吸収強度をＸとしたとき、ＸをＸ＝ｌｂ−｛（ｌ
ａ＋ｌｃ）／２｝で求め、13ＣＯ2 の吸収強度をＹとし
たとき、ＹをＹ＝ｌｅ−｛（ｌｄ＋ｌｇ）／２｝で求め
る。そして、同位体比をＲとしたとき、ＲをＲ＝Ｙ／Ｘ
で求める。
【００４１】吸収強度を求める方法として、図８のｂ、
ｅ点の２点のみの信号値を両吸収強度とする方法もある
が、この２点のみを使用する方法であるとロックイン増
幅器１５の出力信号にＤＣオフセットが発生した場合、
吸収強度に測定誤差が含まれ、結果として同位体比の測
定誤差が増加するという問題があるが、この発明では
ａ、ｂ、ｃ点とｄ、ｅ、ｆ点の各３点のピーク値より吸
収強度を求めているので、ＤＣオフセットが発生して
も、計算によりそれがキャンセルされ、このような問題
が生じない。
ｅ点の２点のみの信号値を両吸収強度とする方法もある
が、この２点のみを使用する方法であるとロックイン増
幅器１５の出力信号にＤＣオフセットが発生した場合、
吸収強度に測定誤差が含まれ、結果として同位体比の測
定誤差が増加するという問題があるが、この発明では
ａ、ｂ、ｃ点とｄ、ｅ、ｆ点の各３点のピーク値より吸
収強度を求めているので、ＤＣオフセットが発生して
も、計算によりそれがキャンセルされ、このような問題
が生じない。
【００４２】なお、図１例において、２μｍ帯のＬＤと
は波長範囲が略１．９〜２．１μｍで、常温連続発振す
るＬＤのことを意味する。
は波長範囲が略１．９〜２．１μｍで、常温連続発振す
るＬＤのことを意味する。
【００４３】このように２μｍ帯のＬＤを用いてＣＯ2
の光吸収強度が大きい、特に13ＣＯ 2 の吸収強度が大き
いスペクトルを測定しているのでスペクトルを高感度で
測定できることから、呼気中のＣＯ2 を濃縮するための
前処理が不要となる。
の光吸収強度が大きい、特に13ＣＯ 2 の吸収強度が大き
いスペクトルを測定しているのでスペクトルを高感度で
測定できることから、呼気中のＣＯ2 を濃縮するための
前処理が不要となる。
【００４４】また、その12ＣＯ2 と13ＣＯ2 の両吸収強
度を６点の測定のみで求めているので高速に、言い換え
れば、短時間で同位体比の測定が行える。この実施の形
態では３０秒程度で測定することができる。その上、小
型で信頼性の高いＬＤをレーザ光源として用いているの
で、信頼性が高くて小型の炭素同位体分析装置を構築す
ることができる。
度を６点の測定のみで求めているので高速に、言い換え
れば、短時間で同位体比の測定が行える。この実施の形
態では３０秒程度で測定することができる。その上、小
型で信頼性の高いＬＤをレーザ光源として用いているの
で、信頼性が高くて小型の炭素同位体分析装置を構築す
ることができる。
【００４５】２μｍ帯のＬＤの使用により炭素同位体分
析装置として特に優れた性能が得られる理由について
「Ａ．ＬＤ光源の選定」、「Ｂ．２μｍＬＤの選定」の
順で説明する。
析装置として特に優れた性能が得られる理由について
「Ａ．ＬＤ光源の選定」、「Ｂ．２μｍＬＤの選定」の
順で説明する。
【００４６】なお、この特許出願の目的は、上述したよ
うに、臨床の場で高速かつ高精度に同位体の分析がで
き、しかも小型で廉価な炭素同位体分析装置を提供する
ことにある。測定原理はレーザ分光法を用いており、実
現のためのレーザ光源の選定はこの同位体分析装置の性
能及び価格を決める最大のキーポイントになっている。
うに、臨床の場で高速かつ高精度に同位体の分析がで
き、しかも小型で廉価な炭素同位体分析装置を提供する
ことにある。測定原理はレーザ分光法を用いており、実
現のためのレーザ光源の選定はこの同位体分析装置の性
能及び価格を決める最大のキーポイントになっている。
【００４７】Ａ．ＬＤ光源の選定 波長可変なレーザ光源として色素レーザ、固体レーザ、
ＬＤ等がある。色素レーザと固体レーザはアルゴンガス
レーザ、高出力なＬＤ等の励起用のレーザ光源が必要な
ので非常に高価である。また、波長選択素子を制御して
波長掃引を行うので高速での波長掃引が難しく測定に時
間がかかる等の問題がある。一方、ＬＤは励起レーザ光
源が不要であって、小型かつ廉価であり、さらに、ＬＤ
の駆動電流を制御することで簡単に高速で（短時間に）
波長を可変することができるので、この目的のレーザ光
源として適している。
ＬＤ等がある。色素レーザと固体レーザはアルゴンガス
レーザ、高出力なＬＤ等の励起用のレーザ光源が必要な
ので非常に高価である。また、波長選択素子を制御して
波長掃引を行うので高速での波長掃引が難しく測定に時
間がかかる等の問題がある。一方、ＬＤは励起レーザ光
源が不要であって、小型かつ廉価であり、さらに、ＬＤ
の駆動電流を制御することで簡単に高速で（短時間に）
波長を可変することができるので、この目的のレーザ光
源として適している。
【００４８】Ｂ．２μｍＬＤの選定 ＣＯ2 の吸収スペクトルは可視光〜赤外光域で多く存在
し、同位体分析に使える13ＣＯ2 のスペクトルは１．
４、１．６、２．０、４．３μｍ帯等にある。これらの
スペクトルの中、４．３μｍ帯の吸収強度が最大である
ので分析に最適であるが先に述べたように、そのための
ＬＤは鉛塩系材料の材料を用いた赤外光域のＬＤであ
り、常温では発振しない。そのため、液体ヘリウムや液
体窒素でＬＤを冷却する必要があり、高価で大型の冷凍
機が冷却のために必要となる。また、鉛塩系のＬＤは縦
マルチモードで発振するので、回折格子等を用いて縦マ
ルチモードから１個のモードを選択する必要があり、選
択ための光学系が必要となるという煩雑さもある。さら
に、波長２μｍ以上ではレンズ等の光学材料として、廉
価なガラス（ＢＫ７）が使用できず、高価なジンクセレ
ンが必要である。さらにまた、光検出器も液体窒素で冷
却する必要がある。その結果、装置が大型、高価になる
問題があり、上記目的には適当でない。
し、同位体分析に使える13ＣＯ2 のスペクトルは１．
４、１．６、２．０、４．３μｍ帯等にある。これらの
スペクトルの中、４．３μｍ帯の吸収強度が最大である
ので分析に最適であるが先に述べたように、そのための
ＬＤは鉛塩系材料の材料を用いた赤外光域のＬＤであ
り、常温では発振しない。そのため、液体ヘリウムや液
体窒素でＬＤを冷却する必要があり、高価で大型の冷凍
機が冷却のために必要となる。また、鉛塩系のＬＤは縦
マルチモードで発振するので、回折格子等を用いて縦マ
ルチモードから１個のモードを選択する必要があり、選
択ための光学系が必要となるという煩雑さもある。さら
に、波長２μｍ以上ではレンズ等の光学材料として、廉
価なガラス（ＢＫ７）が使用できず、高価なジンクセレ
ンが必要である。さらにまた、光検出器も液体窒素で冷
却する必要がある。その結果、装置が大型、高価になる
問題があり、上記目的には適当でない。
【００４９】一方、１．４、１．６μｍ帯のＬＤはＩｎ
ＧａＡｓＰ系材料で実現でき、常温で連続発振するので
前記のような冷凍機は不要となり、また、レンズ等の光
学材料も廉価なＢＫ７を使用することができるという利
点がある。さらに、小型で廉価な光検出器（ＩｎＧａＡ
ｓまたはＧｅのホトダイオード）が使用でき、冷却の必
要がない等のために上述の鉛塩系のＬＤのような問題は
起きないが、吸収強度が小さいので、ＣＯ2 の濃縮が必
要となる。
ＧａＡｓＰ系材料で実現でき、常温で連続発振するので
前記のような冷凍機は不要となり、また、レンズ等の光
学材料も廉価なＢＫ７を使用することができるという利
点がある。さらに、小型で廉価な光検出器（ＩｎＧａＡ
ｓまたはＧｅのホトダイオード）が使用でき、冷却の必
要がない等のために上述の鉛塩系のＬＤのような問題は
起きないが、吸収強度が小さいので、ＣＯ2 の濃縮が必
要となる。
【００５０】これらに対して２μｍ帯のＬＤは常温で連
続発振するので冷凍機が不要であり、また、13ＣＯ2 の
吸収強度は２μｍ帯で大きいので、ＣＯ2 の濃縮が不要
となる。更に光検出器も小型で冷却が不要のＩｎＧａＡ
ｓホトダイオードが使用できる。このように２μｍ帯Ｌ
Ｄの使用により他のレーザ光源、他のＬＤでは得られな
い優れた炭素同位体分析装置が構築できる。
続発振するので冷凍機が不要であり、また、13ＣＯ2 の
吸収強度は２μｍ帯で大きいので、ＣＯ2 の濃縮が不要
となる。更に光検出器も小型で冷却が不要のＩｎＧａＡ
ｓホトダイオードが使用できる。このように２μｍ帯Ｌ
Ｄの使用により他のレーザ光源、他のＬＤでは得られな
い優れた炭素同位体分析装置が構築できる。
【００５１】以上が２μｍ帯ＬＤの選定理由の説明であ
る。
る。
【００５２】次に、図４はこの発明の他の実施の形態の
構成を示すものである。この図４例では、図１例の構成
に参照セル２７を追加し、参照セル２７内のガスの吸収
スペクトルにＬＤの波長をロックするようにしたもので
ある。
構成を示すものである。この図４例では、図１例の構成
に参照セル２７を追加し、参照セル２７内のガスの吸収
スペクトルにＬＤの波長をロックするようにしたもので
ある。
【００５３】図４において、２５はビームスプリッタ、
２６は反射ミラー、２７は参照ガスが内封された参照セ
ル、１４ａは光検出器、他の要素は図１例に示した要素
と同様である。参照セル２７内には濃度が１００％で12
ＣＯ2 と13ＣＯ2 の存在比が天然存在比であるＣＯ2 又
は呼気と同一成分比のガスが封入されている。
２６は反射ミラー、２７は参照ガスが内封された参照セ
ル、１４ａは光検出器、他の要素は図１例に示した要素
と同様である。参照セル２７内には濃度が１００％で12
ＣＯ2 と13ＣＯ2 の存在比が天然存在比であるＣＯ2 又
は呼気と同一成分比のガスが封入されている。
【００５４】図４中のＬＤ１３のレーザ光はビームスプ
リッタ２５で２方向に分けられ、一方向のビームは図１
例と同様に試料セル２を通過した後に光検出器１４で検
出される。他方向のビームは、ミラー２６で反射され、
参照セル２７を通過した後に光検出器１４ａで検出され
る。光検出器１４ａで検出された光は電気信号に変換さ
れた後に、ロックイン増幅器１６で発振器２０の３倍の
周波数と同期検波され吸収スペクトルの３ｆスペクトル
が測定される。この３ｆスペクトルのゼロクロス点にＬ
Ｄ１３の発振波長がロックされる。他については上記図
１例と同様であり、両スペクトルの吸収強度は６点の測
定だけで求まる。
リッタ２５で２方向に分けられ、一方向のビームは図１
例と同様に試料セル２を通過した後に光検出器１４で検
出される。他方向のビームは、ミラー２６で反射され、
参照セル２７を通過した後に光検出器１４ａで検出され
る。光検出器１４ａで検出された光は電気信号に変換さ
れた後に、ロックイン増幅器１６で発振器２０の３倍の
周波数と同期検波され吸収スペクトルの３ｆスペクトル
が測定される。この３ｆスペクトルのゼロクロス点にＬ
Ｄ１３の発振波長がロックされる。他については上記図
１例と同様であり、両スペクトルの吸収強度は６点の測
定だけで求まる。
【００５５】図４例のような構成とすることで、試料セ
ル２内のガスの成分変動の影響を受けることなく、ＬＤ
１３の発振波長を制御することができる。
ル２内のガスの成分変動の影響を受けることなく、ＬＤ
１３の発振波長を制御することができる。
【００５６】図５はこの発明のさらに他の実施の形態の
構成を示している。この図５例では、図１例、図４例と
同様に、２μｍ帯のＬＤ１３の電流を高速で制御して波
長掃引を高速で行い、同位体比を高速かつ前処理装置な
しで測定することができる。図５において、１３は２μ
ｍ帯のＬＤ、２は試料セル、２ａは試料ガスの導入口、
２ｂは試料ガスの排出口、１４は光検出器、１５はロッ
クイン増幅器、１７はＬＤの温度制御部、１８はＬＤの
電流制御部、２０はＬＤに電流変調を掛けるための発振
器、２１はマイクロコンピュータ等を有する制御部、３
３はピーク値検出器である。
構成を示している。この図５例では、図１例、図４例と
同様に、２μｍ帯のＬＤ１３の電流を高速で制御して波
長掃引を高速で行い、同位体比を高速かつ前処理装置な
しで測定することができる。図５において、１３は２μ
ｍ帯のＬＤ、２は試料セル、２ａは試料ガスの導入口、
２ｂは試料ガスの排出口、１４は光検出器、１５はロッ
クイン増幅器、１７はＬＤの温度制御部、１８はＬＤの
電流制御部、２０はＬＤに電流変調を掛けるための発振
器、２１はマイクロコンピュータ等を有する制御部、３
３はピーク値検出器である。
【００５７】図５中のＬＤ１３の温度が制御部２１の信
号により温度制御部１７で制御され、掃引開始の波長と
なるように制御されている。また、ＬＤ１３の電流は制
御部２１の信号により電流制御部１８で適当な光出力と
なるように制御されている。さらに、発振器２０から出
力される周波数ｆの信号により電流変調されて僅かに周
波数変調がかけられている。さらにまた、制御部２１に
より電流制御部１８を介して12ＣＯ2 と13ＣＯ2 のスペ
クトルの近辺を掃引するように制御されている。このよ
うに波長掃引と周波数変調されたＬＤ１３からのレーザ
光は試料セル２に入射される。試料セル２に入射された
レーザ光はセル内のガスと相互作用し吸収される。試料
セル２からの出射光は光検出器１４で検出される。光検
出器１４で検出された信号Ｓ１はロックイン増幅器１５
で発振器２０の２倍の周波数２ｆと同期の取れた信号の
みが検出される。
号により温度制御部１７で制御され、掃引開始の波長と
なるように制御されている。また、ＬＤ１３の電流は制
御部２１の信号により電流制御部１８で適当な光出力と
なるように制御されている。さらに、発振器２０から出
力される周波数ｆの信号により電流変調されて僅かに周
波数変調がかけられている。さらにまた、制御部２１に
より電流制御部１８を介して12ＣＯ2 と13ＣＯ2 のスペ
クトルの近辺を掃引するように制御されている。このよ
うに波長掃引と周波数変調されたＬＤ１３からのレーザ
光は試料セル２に入射される。試料セル２に入射された
レーザ光はセル内のガスと相互作用し吸収される。試料
セル２からの出射光は光検出器１４で検出される。光検
出器１４で検出された信号Ｓ１はロックイン増幅器１５
で発振器２０の２倍の周波数２ｆと同期の取れた信号の
みが検出される。
【００５８】このようにして検出された信号は光吸収ス
ペクトルの２ｆスペクトルとなっている。ロックイン増
幅器１５の出力信号よりピーク値検出器３３で２ｆスペ
クトルの３点のピーク値を求める。このピーク値に基づ
いて制御部２１により12ＣＯ2 と13ＣＯ2 の吸収強度を
求め、両吸収強度比より同位体比が求まる。その結果、
図１例、図４例と同様にＬＤ１３の光強度のドリフトが
除去できＳ／Ｎ比のよい信号を検出することができる。
ペクトルの２ｆスペクトルとなっている。ロックイン増
幅器１５の出力信号よりピーク値検出器３３で２ｆスペ
クトルの３点のピーク値を求める。このピーク値に基づ
いて制御部２１により12ＣＯ2 と13ＣＯ2 の吸収強度を
求め、両吸収強度比より同位体比が求まる。その結果、
図１例、図４例と同様にＬＤ１３の光強度のドリフトが
除去できＳ／Ｎ比のよい信号を検出することができる。
【００５９】なお、ピーク値検出器３３で波長掃引で測
定した２ｆのスペクトルを微分器３４により微分して３
ｆスペクトルを求め、このゼロクロス点における２ｆス
ペクトルの信号強度を制御部２１により求めるようにし
てもよい。
定した２ｆのスペクトルを微分器３４により微分して３
ｆスペクトルを求め、このゼロクロス点における２ｆス
ペクトルの信号強度を制御部２１により求めるようにし
てもよい。
【００６０】この図５例においても、図１例、図４例と
同様に、13ＣＯ2 の吸収強度が大きいスペクトルを測定
しているので呼気中のＣＯ2 を濃縮する前処理装置が不
要となる。また、ＬＤの電流掃引により12ＣＯ2 と13Ｃ
Ｏ2 の両吸収強度を求めているので高速で同位体比の測
定ができる。さらに、ＬＤは信頼性が高く、長寿命かつ
小型であるので、信頼性が高くて小型の炭素同位体分析
装置を構築することができる。
同様に、13ＣＯ2 の吸収強度が大きいスペクトルを測定
しているので呼気中のＣＯ2 を濃縮する前処理装置が不
要となる。また、ＬＤの電流掃引により12ＣＯ2 と13Ｃ
Ｏ2 の両吸収強度を求めているので高速で同位体比の測
定ができる。さらに、ＬＤは信頼性が高く、長寿命かつ
小型であるので、信頼性が高くて小型の炭素同位体分析
装置を構築することができる。
【００６１】なお、この発明は上述の実施の形態に限ら
ず、この発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を
採りうることはもちろんである。
ず、この発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を
採りうることはもちろんである。
【００６２】
【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、２μｍ帯のＬＤを用いて13ＣＯ2 の光吸収強度が大
きいスペクトルを測定しているので、ＣＯ2 の濃縮化に
伴う前処理装置が不要となるという効果が達成される。
ば、２μｍ帯のＬＤを用いて13ＣＯ2 の光吸収強度が大
きいスペクトルを測定しているので、ＣＯ2 の濃縮化に
伴う前処理装置が不要となるという効果が達成される。
【００６３】また、吸収強度を高速で（短時間に）測定
しているので迅速な分析が可能である。
しているので迅速な分析が可能である。
【００６４】さらに、小型で信頼性の高いＬＤを用いて
いるので、臨床で使用可能な小型で信頼性の高い炭素同
位体分析装置を構築することができる。
いるので、臨床で使用可能な小型で信頼性の高い炭素同
位体分析装置を構築することができる。
【図１】この発明の一実施の形態の構成を示すブロック
図である。
図である。
【図２】図１例中、制御部の電流制御信号の波形を示す
線図である。
線図である。
【図３】２ｆ信号のピーク値検出の動作説明に供される
波形図である。
波形図である。
【図４】この発明の他の実施の形態の構成を示す線図で
ある。
ある。
【図５】この発明のさらに他の実施の形態の構成を示す
線図である。
線図である。
【図６】従来のＣＯ2 同位体分析装置の構成を示すブロ
ック図である。
ック図である。
【図７】図６中、ＬＤ励起固体レーザの概略構成を示す
線図である。
線図である。
【図８】同位体分析装置の動作説明に供され、波長掃引
により得られる12ＣＯ2 と13ＣＯ2 の２ｆスペクトルを
示す波形図である。
により得られる12ＣＯ2 と13ＣＯ2 の２ｆスペクトルを
示す波形図である。
１…ＬＤ励起Ｔｍ：ＹＡＧ固体レーザ ２…試料セル ３…光検出器 ４…ロックイ
ン増幅器 ５…圧電素子制御部 ６…発振器 ７…高出力ＬＤ ８…光学系 ９…Ｔｍ：ＹＡＧロッド １０…波長選
択素子 １３…半導体レーザ（ＬＤ） １４…光検出
器 １５、１６…ロックイン増幅器 １７…温度制
御部 １８…電流制御部 １９…加算器 ２０…発振器 ２１…制御部 ２２…スイッチ ２３…スイッ
チ（マルチプレクサ） ２４…反転アンプ ２５…ビーム
スプリッタ ２６…反射ミラー ２７…参照セ
ル ３３…ピーク値検出器 ３４…微分器
ン増幅器 ５…圧電素子制御部 ６…発振器 ７…高出力ＬＤ ８…光学系 ９…Ｔｍ：ＹＡＧロッド １０…波長選
択素子 １３…半導体レーザ（ＬＤ） １４…光検出
器 １５、１６…ロックイン増幅器 １７…温度制
御部 １８…電流制御部 １９…加算器 ２０…発振器 ２１…制御部 ２２…スイッチ ２３…スイッ
チ（マルチプレクサ） ２４…反転アンプ ２５…ビーム
スプリッタ ２６…反射ミラー ２７…参照セ
ル ３３…ピーク値検出器 ３４…微分器
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01N 21/00 - 21/61 ＥＰＡＴ（ＱＵＥＳＴＥＬ) ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ) ＷＰＩ／Ｌ（ＱＵＥＳＴＥＬ) 実用ファイル（ＰＡＴＯＬＩＳ) 特許ファイル（ＰＡＴＯＬＩＳ)
Claims (4)
- 【請求項１】呼気中のＣＯ2から光吸収スペクトルより
炭素の同位体比を分析する装置において、 半導体レーザと、 前記半導体レーザの発振波長を掃引する手段と、 前記半導体レーザに周波数ｆの変調をかける発振器と、 前記呼気が導入されているＣＯ2 の試料セルを通過した
レーザ光から光吸収スペクトルを検出する光検出器と、 前記光吸収スペクトルの２ｆ成分を検出するロックイン
増幅器と、 前記光吸収スペクトルの３ｆ成分を検出するロックイン
増幅器と、 前記ロックイン増幅器で検出した３ｆ成分の３点のゼロ
クロス点に前記半導体レーザの発振波長をロックする手
段とを有し、 前記半導体レーザが、波長２．０〜２．１μｍでシング
ルモードかつ常温で連続発振するレーザダイオードであ
り、前記ロックする手段でロックした発振波長で 12 ＣＯ 2 と
13 ＣＯ 2 各々の上下３点の２ｆスペクトルのピーク値を
得、前記ピーク値をそれぞれ低波長側からＩａ，Ｉｂ，
Ｉｃ，Ｉｄ，Ｉｅ，Ｉｇとするとき、前記 12 ＣＯ 2 と 13
ＣＯ 2 各々の周波数スペクトル強度Ｘ，Ｙを、Ｘ＝Ｉｂ
−｛（Ｉａ＋Ｉｃ）／２｝、Ｙ＝Ｉｅ−｛（Ｉｄ＋Ｉ
ｇ）／２｝で 求め、求めた両スペクトルの強度比より炭
素の同位体比を検出することを特徴とする炭素同位体分
析装置。 - 【請求項２】呼気中のＣＯ2から光吸収スペクトルより
炭素の同位体比を分析する装置において、 半導体レーザと、 前記半導体レーザの発振波長を掃引する手段と、 前記半導体レーザに周波数ｆの変調をかける発振器と、 前記呼気が導入されているＣＯ2 の試料セルを通過した
レーザ光から光吸収スペクトルを検出する光検出器と、 前記光吸収スペクトルの２ｆ成分を検出するロックイン
増幅器と、 ＣＯ2 の参照セルと、 前記参照セルを通過したレーザ光から光吸収スペクトル
を検出する光検出器と、 前記参照セルに係る光吸収スペクトルの３ｆ成分を検出
するロックイン増幅器と、 前記ロックイン増幅器で検出した３ｆ成分の３点のゼロ
クロス点に前記半導体レーザの発振波長をロックする手
段とを有し、 前記半導体レーザが、波長２．０〜２．１μｍでシング
ルモードかつ常温で連続発振するレーザダイオードであ
り、前記ロックする手段でロックした発振波長で 12 ＣＯ 2 と
13 ＣＯ 2 各々の上下３点の２ｆスペクトルのピーク値を
得、前記ピーク値をそれぞれ低波長側からＩａ，Ｉｂ，
Ｉｃ，Ｉｄ，Ｉｅ，Ｉｇとするとき、前記 12 ＣＯ 2 と 13
ＣＯ 2 各々の周波数スペクトル強度Ｘ，Ｙを、Ｘ＝Ｉｂ
−｛（Ｉａ＋Ｉｃ）／２｝、Ｙ＝Ｉｅ−｛（Ｉｄ＋Ｉ
ｇ）／２｝で 求め、求めた両スペクトルの強度比より炭
素の同位体比を検出することを特徴とする炭素同位体分
析装置。 - 【請求項３】呼気中のＣＯ2から光吸収スペクトルより
炭素同位体比を分析する装置において、 半導体レーザと、 前記半導体レーザの発振波長を掃引する手段と、 前記半導体レーザに周波数ｆの変調をかける発振器と、 前記呼気が導入されているＣＯ2 の試料セルを通過した
レーザ光から光吸収スペクトルを検出する光検出器と、 前記光吸収スペクトルの２ｆ成分を検出するロックイン
増幅器と、 前記検出した２ｆ成分の信号の３点のピーク値を検出す
る手段とを有し、 前記半導体レーザが、波長２．０〜２．１μｍでシング
ルモードかつ常温で連続発振するレーザダイオードであ
り、 前記ピーク値を検出する手段により求めた、12ＣＯ2 と
13ＣＯ2 の各々の上下 ３点の２ｆスペクトルの前記ピー
ク値をそれぞれ低波長側からＩａ，Ｉｂ，Ｉｃ，Ｉｄ，
Ｉｅ，Ｉｇとするとき、前記 12 ＣＯ 2 と 13 ＣＯ 2 各々の
周波数スペクトル強度Ｘ，Ｙを、Ｘ＝Ｉｂ−｛（Ｉａ＋
Ｉｃ）／２｝、Ｙ＝Ｉｅ−｛（Ｉｄ＋Ｉｇ）／２｝で求
め、求めた両スペクトルの強度比より炭素の同位体比を
検出することを特徴とする炭素同位体分析装置。 - 【請求項４】呼気中のＣＯ2から光吸収スペクトルより
炭素同位体比を分析する装置において、 半導体レーザと、 前記半導体レーザの発振波長を掃引する手段と、 前記半導体レーザに周波数ｆの変調をかける発振器と、 前記呼気が導入されているＣＯ2 の試料セルを通過した
レーザ光から光吸収スペクトルを検出する光検出器と、 前記光吸収スペクトルの２ｆ成分を検出するロックイン
増幅器と、 前記検出した２ｆ成分の信号のピーク値を検出する手段
と、 前記検出した２ｆ成分を微分して３ｆ成分の信号を生成
する手段とを有し、 前記半導体レーザが、波長２．０〜２．１μｍでシング
ルモードかつ常温で連続発振するレーザダイオードであ
り、 前記３ｆ成分の３点のゼロクロス点において、12ＣＯ2
と13ＣＯ2 各々の上下３点の２ｆスペクトルのピーク値
を求め、求めた前記ピーク値をそれぞれ低波長側からＩ
ａ，Ｉｂ，Ｉｃ，Ｉｄ，Ｉｅ，Ｉｇとするとき、前記 12
ＣＯ 2 と 13 ＣＯ 2 各々の周波数スペクトル強度Ｘ，Ｙ
を、Ｘ＝Ｉｂ−｛（Ｉａ＋Ｉｃ）／２｝、Ｙ＝Ｉｅ−
｛（Ｉｄ＋Ｉｇ）／２｝で求め、求めた両スペクトルの
強度比より炭素の同位体比を検出することを特徴とする
炭素同位体分析装置。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11099396A JP3274605B2 (ja) | 1996-05-01 | 1996-05-01 | 炭素同位体分析装置 |
| US08/827,408 US5929442A (en) | 1996-05-01 | 1997-03-27 | Apparatus for and method of analyzing carbon isotopes |
| GB9707150A GB2312743B (en) | 1996-05-01 | 1997-04-08 | Apparatus for and method of analyzing carbon isotopes |
| DE19715685A DE19715685A1 (de) | 1996-05-01 | 1997-04-15 | Vorrichtung und Verfahren zum Analysieren von Kohlenstoffisotopen |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11099396A JP3274605B2 (ja) | 1996-05-01 | 1996-05-01 | 炭素同位体分析装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09297061A JPH09297061A (ja) | 1997-11-18 |
| JP3274605B2 true JP3274605B2 (ja) | 2002-04-15 |
Family
ID=14549688
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11099396A Expired - Fee Related JP3274605B2 (ja) | 1996-05-01 | 1996-05-01 | 炭素同位体分析装置 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5929442A (ja) |
| JP (1) | JP3274605B2 (ja) |
| DE (1) | DE19715685A1 (ja) |
| GB (1) | GB2312743B (ja) |
Families Citing this family (45)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| IL121793A (en) * | 1997-09-17 | 2008-06-05 | Lewis Coleman | Isotopic gas analyzer |
| AU4224299A (en) * | 1998-05-29 | 1999-12-13 | Sarnoff Corporation | Diode laser-based breath-compound detection system and method |
| JP3336261B2 (ja) * | 1998-07-17 | 2002-10-21 | 日本酸素株式会社 | 半導体レーザを用いた同位体の分光分析方法 |
| JP4312294B2 (ja) * | 1999-03-26 | 2009-08-12 | 独立行政法人科学技術振興機構 | アイソトポマー吸収分光分析装置及びその方法 |
| DE19957493C2 (de) * | 1999-11-22 | 2001-09-20 | Ufz Leipzighalle Gmbh | Verfahren zur Identitätsprüfung von 13C-Harnstoff |
| JP2001168429A (ja) * | 1999-12-03 | 2001-06-22 | Mitsubishi Electric Corp | 固体レーザ発振器 |
| US6800855B1 (en) * | 1999-12-27 | 2004-10-05 | Nippon Sanso Corporation | Spectroscopic method for analyzing isotopes by using a semiconductor laser |
| JP2002071557A (ja) * | 2000-08-31 | 2002-03-08 | Japan Science & Technology Corp | アイソトポマー吸収分光分析方法及びその装置 |
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