JP4435782B2 - 同位体ガス分析におけるガス注入量決定方法並びに同位体ガス分析測定方法及び装置 - Google Patents
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Description
本発明は、同位体の光吸収特性の相違に着目することで実現されるものであり、同位体ガスの濃度比を測定する同位体ガス分析におけるガス注入量決定方法並びに同位体ガス分析測定方法及び装置に関するものである。
患者の胃の中にHPが存在すれば、抗生物質の投与による除菌治療を行う必要がある。したがって、患者にHPが存在するか否かが重要である。HPは、強いウレアーゼ活性を持っていて、尿素を二酸化炭素とアンモニアに分解する。
そこで、同位体13Cでマーキングした尿素を生体(患者)に投与し、最終代謝産物である患者の呼気中の13Cの濃度、具体的には13CO2と12CO2との濃度比を測定すれば、HPの有無を確認することができる。
従来、13CO2と12CO2との濃度比又は13CO2の濃度を求める方法として、赤外分光を用いる方法が知られている(下記特許文献1参照)。
下記特許文献1記載の方法は、長短2本のセルを用意し、一方のセルでの12CO2の吸収と、他方のセルでの13CO2の吸収が等しくなるようなセルの長さにし、各セルに、それぞれの分析に適した波長の光を当てて、透過光の強度を測定する。この方法によれば、自然界の濃度比での光吸収比を1にすることができ、これから濃度比が変化すると、変化した分だけ光吸収比が変化するので、濃度比の変化を知ることができる。
前記同位体ガス分析測定方法によれば、二酸化炭素13CO2の吸光度と濃度との関係を規定する検量線を利用して、13CO2の濃度を求めるのであるが、検量線を作成したときの気圧と、二酸化炭素13CO2の吸光度を測定するときの気圧が一致しない場合、その不一致が13CO2の濃度測定誤差の一要因となり得る。
したがって、測定精度、再現性が向上する。また、測定装置が大型化することもない。
前記目標とする被測定ガスの圧力P0は、好ましくは、二酸化炭素13CO2の吸光度と濃度との関係を規定する検量線を作成したときのガスの圧力に等しいものである。
本発明の同位体ガス分析測定装置は、前記同位体ガス分析測定方法を実施するための装置であって、ガスをセルに注入するためのガス注入器と、前記ガス注入器に蓄積されたガスを前記セルに移送するガス移送手段と、前記セルに収容されたガスの圧力を測定する圧力センサと、前記ガス注入器に、一定体積Vaの大気を吸い込み、前記ガス注入器に蓄積された大気を、大気圧の大気が満たされた前記セルに移送してセル内を加圧して前記セル内の圧力Pを測定し、同位体ガス分析測定を行うときに目標とする被測定ガスの圧力P0と前記圧力Pとの比P0/Pを、前記体積Vaとセルの体積Vcとの和V0に乗じて、これからセルの体積Vcを引くことにより前記ガス注入器の一回の被測定ガス注入量を決定するガス注入量決定手段とを備え、前記ガス注入量決定手段によって決定された体積の被測定ガスをガス注入器によって採取し、大気圧の被測定ガスが満たされた前記セルに移送して、二酸化炭素13CO2の濃度又は濃度比13CO2/12CO2を測定することができる装置である。
I.呼気テスト
まず、ウレア診断薬を投与する前の患者の呼気を呼気バッグに採集する。その後、ウレア診断薬を経口投与し、約20分後、投与前と同様の方法で呼気バッグに呼気を採集する。
II.同位体ガス分光測定装置
図1は、同位体ガス分光測定装置の全体構成を示すブロック図である。
投与後の呼気(以下「サンプルガス」という)を採集した呼気バッグと投与前の呼気(以下「ベースガス」という)を採集した呼気バッグとはそれぞれノズルN1 ,N2 にセットされる。ノズルN1 は、金属パイプ(以下単に「パイプ」という)を通して電磁バルブ(以下単に「バルブ」という)V4 につながり、ノズルN2 は、パイプを通してバルブV3 につながっている。さらに、防塵フィルタ15を通して空気を取り込むパイプにバルブV5がつながっている。
バルブV1、V3 、V4 、V5は、リファレンスガス、サンプルガス又はベースガスを定量的に注入するためのガス注入器21につながっている。このガス注入器21は、ピストンとシリンダーを有する注射器のような形状のもので、ピストンの駆動は、パルスモータ21fに連結された送りネジ21eと、ピストンに固定されたナット21dとの共働によって行われる(後述)。ガス注入器21の最大ガス注入量は、40mlである。
セル室11は、図1に示すように、12CO2 の吸収を測定するための短い第1サンプルセル11a、13CO2 の吸収を測定するための長い第2サンプルセル11b、及びCO2 の吸収帯で吸収されないガスの入っているダミーセル11cからなる。第1サンプルセル11aと第2サンプルセル11bとは連通しており、第1サンプルセル11aに導かれたガスは、そのまま第2サンプルセル11bに入り、排気バルブV6を通して排気されるようになっている。
第1サンプルセル11aの容量は約0.085ml、第2サンプルセル11bの容量は約3.96mlである。第1サンプルセル11aの長さは具体的には3mmであり、第2サンプルセル11bの長さは具体的には140mmであり、ダミーセル11cの長さは具体的には135mmである。セル室11は、断熱材(図示せず)で包囲されている。
セルを通過した赤外線を検出する赤外線検出装置は、第1の光路に置かれた第1の波長フィルタ24aと第1の検出素子25a、第2の光路に置かれた第2の波長フィルタ24bと第2の検出素子25bを備えている。
また、温調ブロック27のペルチェ素子より放熱される熱をファン28で装置外へ排気している。
さらに、同位体ガス分光測定装置は、CO2を除いた空気を供給するリファレンスガス供給部30を有している。リファレンスガス供給部30は、防塵フィルタ31、炭酸ガス吸収部36を直列につないだ構成となっている。
図2(a)は、被測定ガスを定量的に注入するためのガス注入器21を示す平面図、図2(b)はその正面図である。
ガス注入器21は、基台21aの上に、ピストン21cの入ったシリンダー21bが配置され、基台21aの下に、ピストン21cと連結した移動自在なナット21d、ナット21dと噛み合う送りネジ21e、及び送りネジ21eを回転させるパルスモータ21fが配置された構造である。
III .測定手順
測定は、一回のガス注入量の決定→リファレンスガス測定→ベースガス測定→リファレンスガス測定→サンプルガス測定→リファレンスガス測定→・・・という手順で行う。図3から図5において、矢印は、気体の流れを示す。
III −1.一回のガス注入量の決定
このガス注入量の決定動作は、サンプルガスの測定ごとに行ってもよく、一定時間(例えば一時間)ごとに行ってもよい。
次に図3(b)に示すように、バルブV5を閉じ、バルブV2を開き、ガス注入器21内の空気を、第1サンプルセル11a及び第2サンプルセル11b内に移す。排気バルブV6は閉じたままであるので、これによって、第1サンプルセル11a及び第2サンプルセル11b内は加圧される。
二酸化炭素13CO2及び12CO2の吸光度と濃度との関係を規定する検量線は、所定圧力P0(例えば4気圧)において作成されているものとする。この検量線のデータ及び圧力P0の値は、同位体ガス分光測定装置内の分析コンピュータによって記憶されている。
式(1)の意味を説明する。測定した圧力PがP0と同じであれば、ガス注入量VはVaに等しくなる。もし、大気圧が高い場合は、測定した圧力PがP0よりも高くなる。このときは、ガス注入量VをVaよりも少なくするとよい。大気圧が低い場合は、測定した圧力PがP0よりも低くなる。このときは、ガス注入量VをVaよりも多くする。このような操作により、いつも検量線を作成したときと同じ条件で、CO2濃度を測定することができる。
III −2.リファレンス測定
同位体ガス分光測定装置のガス流路及びセル室11に、清浄なリファレンスガスを流してガス流路及びセル室11の洗浄をする。このとき、ピストン21cを前後移動させて、シリンダー21b内も洗浄する。そして、第1サンプルセル11a及び第2サンプルセル11b内に大気圧のリファレンスガスを収容しておく。
次に図4(b)に示すように、バルブV1を閉じ、バルブV2と排気バルブV6を開き、ガス注入器21内のリファレンスガスを、第1サンプルセル11a及び第2サンプルセル11b内に、ガス注入器21をコントロールしてゆっくりと流しながら、それぞれの検出素子25a,25bにより、光量測定をする。
III −3.ベースガス測定
バルブV3を開き、他のバルブは閉じ、ガス注入器21を用いてベースガスを吸い込む。つぎにバルブV3を閉じ、バルブV2と排気バルブV6を開き、ガス注入器21内のベースガスを、第1サンプルセル11a及び第2サンプルセル11b内に注入する。その後排気バルブV6を閉じる。このようにして、第1サンプルセル11a及び第2サンプルセル11b内に大気圧のベースガスを収容しておく。
ベースガスを吸い込んだ後、図5(b)に示すように、バルブV3を閉じ、バルブV2を開き、ガス注入器21を用いてベースガスを機械的に押し出し、第1サンプルセル11a、第2サンプルセル11bをベースガスで加圧する。これにより、第1サンプルセル11a、第2サンプルセル11bの中のベースガスの圧力は、圧力P0と同じ値にまで上昇する。
このようにして、第1の検出素子25aで得られた光量を12B、第2の検出素子25bで得られた光量を13Bと書く。
III −4.リファレンス測定
再び、ガス流路及びセルの洗浄と、リファレンスガスの光量測定をする(図4(a)(b)参照)。このようにして、第1の検出素子25aで得られた光量を12R2 、第2の検出素子25bで得られた光量を13R2 と書く。
III −5.サンプルガス測定
バルブV4を開き、他のバルブは閉じ、ガス注入器21を用いてサンプルガスを吸い込む。つぎにバルブV4を閉じ、バルブV2と排気バルブV6を開き、ガス注入器21内のサンプルガスを、第1サンプルセル11a及び第2サンプルセル11b内に注入する。その後排気バルブV6を閉じる。このようにして、第1サンプルセル11a及び第2サンプルセル11b内に大気圧のサンプルガスを収容しておく。
サンプルガスを吸い込んだ後、図6(b)に示すように、バルブV4を閉じ、バルブV2を開き、ガス注入器21を用いてサンプルガスを機械的に押し出し、第1サンプルセル11a、第2サンプルセル11bをサンプルガスで加圧する。これにより、第1サンプルセル11a、第2サンプルセル11bの中のサンプルガスの圧力は、圧力P0と同じ値にまで上昇する。
このようにして、第1の検出素子25aで得られた光量を12S、第2の検出素子25bで得られた光量を13Sと書く。
III −6.リファレンス測定
再び、ガス流路及びセルの洗浄と、リファレンスガスの光量測定をする(図4(a)(b)参照)。
IV.データ処理
IV−1.ベースガスの吸光度の算出
まず、(i)前記リファレンスガスの透過光量12R1 、13R1 、(ii)ベースガスの透過光量12B、13B、(iii)リファレンスガスの透過光量12R2 、13R2 を使って、ベースガスにおける12CO2 の吸光度12Abs(B) と、13CO2 の吸光度13Abs(B) とを求める。
12Abs(B) =−log 〔212B/(12R1 +12R2 )〕
で求められ、13CO2 の吸光度13Abs(B) は、
13Abs(B) =−log 〔213B/(13R1 +13R2 )〕
で求められる。
IV−2.サンプルガスの吸光度の算出
次に、(i)前記リファレンスガスの透過光量12R2 、13R2 、(ii)サンプルガスの透過光量12S、13S、(iii)リファレンスガスの透過光量12R3 、13R2 を使って、サンプルガスにおける12CO2 の吸光度12Abs(S) と、13CO2 の吸光度13Abs(S) とを求める。
12Abs(S) =−log 〔212S/( 12R2 +12R3 )〕
で求められ、13CO2 の吸光度13Abs(S) は、
13Abs(S) =−log 〔213S/(13R2 +13R3 )〕
で求められる。
IV−3.濃度の算出
検量線を使って、12CO2 の濃度と13CO2 の濃度を求める。
検量線を求めるには、12CO2 濃度を0%〜8%程度の範囲で変えてみて、12CO2 の吸光度を測定する。横軸を12CO2 濃度にとり、縦軸を12CO2 吸光度にとり、プロットし、最小自乗法を用いて曲線を決定する。
2次式で近似したものが、比較的誤差の少ない曲線となったので、本実施形態では、2次式で近似した検量線を採用している。
IV−4.濃度比の算出
13CO2 と12CO2 との濃度比を求める。ベースガスにおける13CO2 と12CO2との濃度比は、
13Conc(B) /12Conc(B)
サンプルガスにおける13CO2 と12CO2との濃度比は、
13Conc(S) /12Conc(S)
で求められる。
IV−5.13Cの変化分の決定
サンプルガスとべースガスを比較した、13Cの変化分は次の式で求められる。
Claims (7)
- 二酸化炭素13CO2と二酸化炭素12CO2 とを成分ガスとして含む、人の呼気である被測定ガスをセルに導き、各成分ガスの測定に適した波長の透過光の強度を測定し、データ処理することによって、二酸化炭素13CO2の濃度を測定する同位体ガス分析において、
セル内に大気圧の大気を満たし、
被測定ガスを前記セルに注入するためのガス注入器に、一定体積(Va)の大気を吸い込み、
前記ガス注入器に蓄積された大気を前記セルに移送し、前記セル内を加圧して前記セル内の圧力(P)を測定し、
同位体ガス分析測定を行うときに目標とする被測定ガスの圧力(P0)と、前記測定したセル内の圧力(P)との比(P0/P)を、前記一定体積(Va)と前記セルの体積(Vc)との和(V0)に乗じて、これから前記セルの体積(Vc)を引くことにより前記ガス注入器の一回の被測定ガス注入量を決定することを特徴とする、同位体ガス分析におけるガス注入量決定方法。 - 前記セルの体積(Vc)には、前記セルの正味の体積とともに、前記セルに連通するパイプ、バルブ及び圧力センサの内容積が含まれている請求項1記載のガス注入量決定方法。
- 前記目標とする被測定ガスの圧力(P0)は、二酸化炭素13CO2の吸光度と濃度との関係を規定する検量線を作成したときのガスの圧力に等しい請求項1又は請求項2記載のガス注入量決定方法。
- 二酸化炭素13CO2と二酸化炭素12CO2 とを成分ガスとして含む、人の呼気である被測定ガスをセルに導き、各成分ガスの測定に適した波長の透過光の強度を測定し、データ処理することによって、二酸化炭素13CO2の濃度を測定する同位体ガス分析測定方法において、
セル内に大気圧の大気を満たし、
被測定ガスを前記セルに注入するためのガス注入器に、一定体積(Va)の大気を吸い込み、
前記ガス注入器に蓄積された大気を前記セルに移送し、前記セル内を加圧して前記セル内の圧力(P)を測定し、
同位体ガス分析測定を行うときに目標とする被測定ガスの圧力(P0)と、前記測定したセル内の圧力(P)との比(P0/P)を、前記一定体積(Va)と前記セルの体積(Vc)との和(V0)に乗じて、これから前記セルの体積(Vc)を引くことにより前記ガス注入器の一回の被測定ガス注入量を決定し、
この決定された体積の被測定ガスをガス注入器によって採取し、大気圧の被測定ガスが入っている前記セルに移送し、セル内を加圧して、二酸化炭素13CO2の濃度、又は濃度比13CO2/12CO2を測定することを特徴とする、同位体ガス分析測定方法。 - 前記セルの体積(Vc)には、前記セルの正味の体積とともに、前記セルに連通するパイプ、バルブ及び圧力センサの内容積が含まれている請求項4記載の同位体ガス分析測定方法。
- 二酸化炭素13CO2と二酸化炭素12CO2 とを成分ガスとして含む人の呼気である被測定ガスをセルに導き、各成分ガスの測定に適した波長の透過光の強度を測定し、データ処理することによって、二酸化炭素13CO2の濃度を測定する同位体ガス分析測定装置において、
ガスを前記セルに注入するためのガス注入器と、
前記ガス注入器に蓄積されたガスを、前記セルに移送するガス移送手段と、
前記セルに収容されたガスの圧力を測定する圧力センサと、
前記ガス注入器に、一定体積(Va)の大気を吸い込み、前記ガス注入器に蓄積された大気を、大気圧の大気が満たされた前記セルに移送し、前記セル内を加圧して前記セル内の圧力(P)を測定し、同位体ガス分析測定を行うときに目標とする被測定ガスの圧力(P0)と前記測定したセル内の圧力(P)との比(P0/P)を、前記一定体積(Va)と前記セルの体積(Vc)との和(V0)に乗じて、これから前記セルの体積(Vc)を引くことにより、前記ガス注入器の一回の被測定ガス注入量を決定するガス注入量決定手段とを備え、
前記ガス注入量決定手段によって決定された体積の被測定ガスをガス注入器によって採取し、この採取されたガスを大気圧の被測定ガスが満たされた前記セルに移送して、二酸化炭素13CO2の濃度又は濃度比13CO2/12CO2を測定することを特徴とする、同位体ガス分析測定装置。 - 前記セルの体積(Vc)には、前記セルの正味の体積とともに、前記セルに連通するパイプ、バルブ及び圧力センサの内容積が含まれている請求項6記載の同位体ガス分析測定装置。
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