JP4729215B2

JP4729215B2 - 同位体比率を測定するための赤外分光計

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Publication number: JP4729215B2
Application number: JP2001517142A
Authority: JP
Inventors: オーウェン，クリストファー，ジェイ．; トクテウフ，ユーゲン; スキルダ，アナトリー; カールソン，ロバート，エム．; トクテウフ，アレクサンダー; スロボディアン，ビクター
Original assignee: University of Minnesota
Current assignee: University of Minnesota
Priority date: 1999-08-13
Filing date: 2000-07-25
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2020-07-25
Also published as: WO2001013091A3; CA2381742A1; CA2381742C; US6486474B1; JP2003507703A; WO2001013091A2; EP1208366A2; AU6236800A

Description

【０００１】
技術分野
この発明は気体試料中の同位体比率の分光評価に関する。詳細にはこの発明は、気体試料中の化合物中の原子の同位体比率を評価するための低分光分解能の赤外分光計に関する。分光同位体分析計は医学診断に適する。
【０００２】
背景技術
同位体比率の評価は、化学、生物学、地学および考古学を含む各種分野に用途を有する。例を挙げれば、¹⁴Ｃによる年代決定は地学および考古学の分野で使用され、死亡した生物組織の年齢が評価される。また、生物学では安定同位体の測定が使用され、代謝過程が研究される。同位体比率の測定は、医学の分野において、病気、とりわけ胃腸管の病気の評価にも使用される。
【０００３】
胃腸管系のいくつかの病気、たとえば胃炎や消化性潰瘍は、最近の研究によってヘリコバクタ・ピロリ菌（Helicobacter pylori）による感染と密接に関連していることがわかった。米国内では推定年間４５０万人ものヒトが消化性潰瘍および胃潰瘍にかかっており、そのうち、約８０％がＨ．ピロリ（H. pylori）と関係があるものと考えられる。また、世界保健機構では、開発途上国の人口の８０％を超える住人がＨ．ピロリに感染している可能性があると考えている。加えて、Ｈ．ピロリは、感染したヒトの胃癌の発生を高めるクラスＩに属する発癌原因であると考えられている。
【０００４】
感染に関係する因子を検出するためには、血液検査を使用することができるが、血液検査は感染が活性化どうかを示すものではない。非光合成細胞の代謝活性には一般に有機化合物の酸化と、それに相当する二酸化炭素の産出が含まれる。このように、二酸化炭素の産出は代謝活性の直接的指標である。
【０００５】
発明の要約
第１の実施形態において、この発明は、気体試料中の同位体比を評価するための赤外分光計に関し、前記赤外分光計は、広帯域赤外光源であって、光路に沿って進行する広帯域赤外光を放射する前記広帯域赤外光源と、複数個の波長窓を有し、該複数の波長窓を通して第１の同位体を含む化合物と第２の同位体を含む化合物によって主として吸収される波長領域の赤外光とを空間的に分離して通過させる分光セレクタであって、低スペクトル分解能を有するように設計されたスペクトル分散素子を具備する分光セレクタと、前記光路が通過するように構成され、気体の入口と出口とを具備し、気体試料を収容する前記試料室と、前記光路に置かれ、前記分光セレクタと前記試料室とを通過して来る赤外光を受光する赤外光検出器と、前記赤外光検出器からの出力を受けるように接続され、同位体比率についての量を評価するプロセッサとを具備し、前記試料室は、マルチパス光学セルを具備し、該マルチパス光学セルは、前記広帯域赤外光源から放射される広帯域赤外光が気体試料を複数回通過するように該広帯域赤外光を導く。
【０００６】
前記赤外光検出器として、前記分光セレクタと前記試料室とを通過して来る赤外光を同時に検出するための複数個の赤外光感知素子を有するものを用いることができる。
【０００７】
また、前記マルチパス光学セルとして、焦点距離と中心軸とを有する視野鏡と、２つの区分の位置を動かして、前記焦点が互いに離れるように移動させることにより、概ね前記視野鏡と向かい合うように配置される２区分対物鏡と、プリズム鏡の互いに交差する面の端が、概ね前記対物鏡の方向に向けられ、かつ前記プリズム鏡の前記２つの面を二分する面が前記対物鏡の２つの区分を通過するように配置され、前記視野鏡の焦点距離の約２０％より短い距離だけ、前記視野鏡からずらして置かれる前記プリズム鏡とを具備するものを用いることができる。
【０００８】
図面の簡単な説明
図１は、気体試料中の同位体比率を測定するために有用な赤外分光計の概略図である。
図２は、気体試料中の同位体比率を測定するために設計された、光学フィルタを含む分光セレクタを備える赤外分光計の形態の構成図である。
図３は、気体試料中の同位体比率を測定するために設計された、スペクトル分散素子を含む分光セレクタを備える、本発明に係る赤外分光計の実施形態の構成図である。
図４は、気体試料中の同位体比率を測定するために設計された、光学フィルタを含む分光セレクタを備える赤外分光計のさらに別の形態の部分概略図である。
図５Ａは、気体セルと干渉フィルタとの組み合わせフィルタの側面図である。
図５Ｂは、図５Ａの組み合わせフィルタの斜視図である。
図６は、13Ｃ16Ｏ2に対する12Ｃ16Ｏ2の比を評価する好ましいフィルタに対応する適切な波長窓のプロットと呼気試料の赤外光通過スペクトル図である。
図７Ａは、スペクトル分散素子と１つの赤外光検出器素子とを備えた分光セレクタの実施形態の概略図である。
図７Ｂは、スペクトル分散素子と、選択された波長窓を検出するように配置された複数個の赤外光検出器素子とを備えた分光セレクタの実施形態の概略図である。
図７Ｃは、スペクトル分散素子と選択された波長窓を検出するように配置された検出器アレーとを備えた分光セレクタの実施形態の概略図である。
図８は、マルチパスセルの実施形態の、最初の光束を対物鏡に向けるプリズム鏡を二分する断面での、断面側面図である。
図９は、同位体比率を評価するための赤外分光計の図８を構成する部分のマルチパス光学セルの、プリズム鏡の中心を通過し、区分鏡の最上区分を通過する断面での、断面上面図である。
図１０Ａは、マルチパスセルの好ましい実施形態のガス入口部分を示す、分割鏡の中心を通る断面での、断面側面図である。
図１０Ｂは、図１０Ａの線Ｂ−Ｂに沿って切断されたマルチパスセルの断面図である。
図１１Ａは、図８のマルチパスセルの視野鏡およびプリズム鏡の、鏡の中心を通る断面での、断面側面図である。
図１１Ｂは、マルチパスセルの１つの実施形態について逐次反射点に番号を付した、図１１Ａの視野鏡の正面図である。
図１２Ａは、図８のマルチパスセルの分割対物鏡の正面図である。
図１２Ｂは、図１２Ａの線Ｂ−Ｂに沿って切断された分割対物鏡の側面断面図である。
図１３は、光学部分の配置がわかるように構造部分を取り除いた、マルチパスセルの好ましい実施形態を備えた赤外分光計内部の上面図である。
【０００９】
発明を実施するための最良の形態
気体試料の化合物中の原子の同位体比率を評価するための赤外分光計は、実質的に、同位体の１つを含む化合物によって吸収される赤外光の、検出するために選択された波長窓を通過させる。同位体比率は、異なる波長窓をカバーする吸収の測定から、きわめて効率的に評価することができる。ただ１つの気体試料で２回以上の測定が行われ、その測定には、少なくとも複数個の波長窓が含まれ、各波長窓は、主として同位体の１つを含む化合物によって吸収される波長をカバーする。スペクトルにおける回転構造を平均化する低分解能分光学を採用すれば、高い精密度と正確さを素早く得ることができる。測定感度を大幅に高めるために、好ましくは低コストで非常に有効なマルチパスセルが使用される。
【００１０】
同位体を検出するための改良赤外分光計は、広帯域赤外光源、試料室、赤外光検出器、波長窓内の光を赤外光検出器に導く分光セレクタ・プロセッサを含む。光源から発射された光束は、試料室を通過して赤外光検出器に達する。分光セレクタは光源と試料室の間に置くか、試料室と検出器の間に置くことができる。
【００１１】
二酸化炭素の同位体比率の評価は特に重要である。二酸化炭素の発生は、生物による新陳代謝の活動を示している可能性がある。生物または重要な細胞タイプによって代謝される基質は、特定の生物／細胞によって作られる二酸化炭素とバックグラウンドの二酸化炭素を識別できるように、同位体含量を高めることができる。あとでさらに述べるように、ヒトが罹病する他の病気も同位体含量を高めた別の基質を使って検出することもできるが、¹³Ｃ含量を高めた尿素を使ったヘリオバクタ・ピロリの検出は特に重要である。
【００１２】
分光セレクタは、赤外波長領域をカバーする波長窓内の光を、１つまたは複数の光感知素子を含む赤外光検出器に、二者択一的に送る。１つの波長窓は、主として、第１の同位体を含む気体試料中の化合物によって吸収される波長領域と重なり、第２の波長窓は、主として、第２の同位体を含む気体試料中の化合物によって吸収される波長領域と重なる。波長窓を交互に切り換えることによって、異なる同位体を含む化合物の吸収を別々に測定することができる。
【００１３】
波長窓の相互切り換えは、波長窓の伝達を二者択一的に行うか、波長窓の向きを二者択一的に行うかし、光検出器あるいは一組の検出器群を分離することによって行うことができる。参照波長、他の化合物によって吸収される波長、および／または同じ２つの同位体またはさらに別の同位体を含む、関心のある化合物によって吸収される波長に応じて、さらなる波長窓を使用することができる。調和振動子近似において、異なる同位体を含む化合物の振動周波数は、換算質量比の平方根だけ移動する。換算質量は原子質量の関数であり、その関数関係は、特定の正規振動モードの特徴によって決定される。
【００１４】
分光セレクタは、波長によって赤外光を空間的に分散させるスペクトル分散素子を含む。波長窓は、要求される波長窓に相当する空間的に分離された光の処理部分ごとに選択される。
【００１５】
赤外分光計および測定法は、迅速に、そして精密かつ正確に測定できるよう設計される。低分解能分光法を使用すれば、回転微細構造間の平均化によって、温度および圧力の変動に対して低感度の測定が達成される。分光セレクタを使用すると、ただ１つの気体試料で赤外の多重測定を迅速に行うことができる。気体試料は１つしか使用しないため、２つの気体試料間の条件の違いによる変動は排除される。気体試料の温度と圧力は、短い測定時間内における試料中の変動に対して、選択された温度に近似的に保持される。さらに、正確な同位体比率をより正確に分析するため、ただ１つの気体試料で参照赤外光吸収測定を追加的に行うこともできる。
【００１６】
赤外光測定の感度は、大きな光路長を得るための、不便な大きな試料セルを使わなくても、マルチパスセルを使用することで大幅に高めることができる。マルチパスセルは、有効光路長を長くするために、赤外光を複数、好ましくは多数回反射する。このようにして、試料を保持するためにコンパクトな光学セルを使用することができる。試料を充填する時にセルを通る流れを比較的乱すことなしに、効率よくセルを内を置換し、充填することができるように、好ましくはガス入口と出口を持つセルが設計される。そのセルには、できれば測定のために、再現性のある圧力で気体試料を充填することを可能にする圧力制御機構を含むことが望ましい。また、できれば、試料セルに導入する前に試料中の水分を除去して背景の赤外吸収を少なくするため、セル入口に除湿機を接続することが好ましい。
【００１７】
マルチパスセルの好ましい実施形態は、球面視野鏡と、分割球面対物鏡と、プリズム鏡とを有する。球面視野鏡と分割球面対物鏡とは試料セル内で互いに向き合っている。分割球面対物鏡は、空間的に分離されて、球面視野鏡上の反射光スポットの位置を移動させる球面鏡の２つの部分を有する。プリズム鏡は、入射してくる赤外光束を、分割鏡に投影させ、それから２つの鏡間を何回か反射させたのち、セルから外へ向かわせるために使用される。マルチパスセルは、赤外領域または別の波長領域で動作する光学系であれば、いかなる別の光学系においても使用することができるが、試料セルの全体的な設計の中に、上で述べたマルチパスセルの改良設計を組み込めば使用性を向上させることができる。
【００１８】
赤外分光計の好ましい用途には、¹³Ｃ¹⁶Ｏ₂に対する¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂の比の測定が含まれる。患者の呼気から採取する気体試料中の他の成分による赤外吸収の妨害が比較的少ない適切な波長までを選択するには、二酸化炭素のよく知られた振動吸収スペクトルが使用される。特に、ヒトの患者から採取される気体／呼気試料は、分子状酸素、窒素、水、二酸化炭素および少量のその他の成分など、比較的予想可能な種類の気体を含み、その多くは赤外光に対して大きな吸収を持たない。
【００１９】
特異的な手段によって代謝活性を検出するために¹³Ｃ含量を高めた基質を使用すれば、気体試料中の測定される二酸化炭素は、天然に存在する有機化合物および二酸化炭素における対応する比より大きな¹³Ｃ¹⁶Ｏ₂／¹²Ｃ¹⁵Ｏ₂比を有することになる。¹³Ｃ¹⁶Ｏ₂／¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂比の増加は、代謝活性が存在する疑いを抱かせる。同位体含量を高めた基質を使用した場合でも、同位体比率の変更を測定するには、一般に、天然の二酸化炭素の背景レベルより高い同位体比率で正確に変化を検出するだけの高い感度が必要である。
【００２０】
Ａ．同位体比率を測定するための分光計
図１を参照しながら説明する。気体試料中の相対同位体測定のための分光計１００は、広帯域赤外光源１０２、光学部分の第１セット１０４、光学部分の第２セット１０６、気体試料セル１０８、ガス調整装置１１０、赤外光検出器１１２、プロセッサ１１４を含む。分光計１００の３つの実施形態１２０，１２２，１２４を図２〜４に示す。
【００２１】
赤外光源１０２は、対象となる全波長をカバーする適当な発光源であればいかなる光源でも可能である。図２および３を参照しながら説明する。赤外光源１０２は、赤外光エミッタ１３０と電流調整器１３２とを含むことができる。赤外光エミッタは、たとえば、トーマテックリミテッド（Thoma Tech Ltd.）のＬＣ−ＩＲ−１２エミッタ（９Ｗ，３．９×３．６ｍｍ）、ＣＳ−ＩＲ−２１Ｖエミッタ（４Ｗ，１．５×３．２ｍｍ）およびカリフォルニア州サンタクララ、カルセンサーズインコーポレイテッド（Cal Sensors, Inc.）のＳＡ１０５０１０−８Ｍ２のような、グロ−バーまたはその他の定常状態エミッタとすることができる。また、約１０Ｈｚまでの変調周波数を持つパルスエミッタもカルセンサーズインコーポレイテッドから入手することができる。さらに高い変調周波数を得るには別個の変調器を使うことができるが、パルスエミッタは、別になったエミッタと変調器の代わりに使用することができる。エミッタ１３０から安定した強さの発光を得るには電流調整器１３２が使用される。
【００２２】
光学部分１０４，１０６は、数種類の機能を果たす。まず、第１光学部分１０４は、赤外光を集束し、それを試料セル１０８に当てる。図１に示すように、第２光学部分１０６は、試料セル１０８からの光を受け、集束して検出器１１２に送る。また、光学部分１０４，１０６は、好ましくは、光束を変調して、ロックイン増幅を可能にする。さらに光学部分１０４，１０６は、赤外光を分光学的に分離する分光セレクタ１３８を含む。一般に、光学部分１０４か１０６のいずれかが分光セレクタ１３８を含む。
【００２３】
あるいは、分光セレクタ１３８を光学部分１０４と連携させる場合は、セル１０８に送られる光は、選択される波長窓の範囲に広がる。また、もし分光セレクタ１３８を光学部分１０６と連携させる場合は、広帯域赤外光はセル１０３を通過し、セル１０８と検出器１１２の間で分光的な選択が行われる。分光セレクタ１３８は、少なくとも、主として第１の同位体を含む特定の化合物によって吸収される波長領域と重なる第１の赤外領域の波長窓と、第２の同位体を含む前記化合物によって吸収される波長領域と重なる第２の波長窓の、両窓全体にわたって、気体試料による吸収の二者択一的な検出を可能にする。
【００２４】
図２および図４を参照しながら説明する。ここでは、分光セレクタが複数個の光学フィルタを含むものとして説明するが、本発明では、光学フィルタに代えて、スペクトル分散素子(以下では、単に分散素子と記すこともある。)を含む分光セレクタを使用する。各光学フィルタは、比較的狭い波長領域をカバーする波長窓の形で赤外光を通過させるように選択される。便宜上、光学フィルタ１４０は、回転させることによって、光源１０２からの光路１４４に入れたり出したりできるようにフィルタホイール１４２（図２および４）に取り付けることができる。フィルタホイール１４２は、ステッパモータ１４６およびステッパモータ駆動１４８、またはその他の適当なモータを使って精密に回転させることができる。
【００２５】
フィルタホイール１４２を回転させながらフィルタ１４０の通過を監視するため、フィルタホイール１４２の周りに少なくとも２つの光学センサ１５０が設置される。１つの光学センサは各光学フィルタの正確な位置を監視し、もう１つのセンサは、第１のフィルタが光路に入るのを監視する。このようにして、後で述べるようにホイールの位置をプロセッサ１１４で制御することができる。各光学センサは赤外光エミッタと赤外光検出器とを有する。適切な光学センサとしては、たとえばミネソタ州ティーフリバーフォールズ、デジ−キーコーポレイション（Digi-Key Corp.）から販売されているＯＭＲＯＮ（登録商標）非増幅型光学センサを挙げることができる。
【００２６】
フィルタ１４０は温度変動の影響を受けやすい。フィルタの通過特性は一般にフィルタ１４０の温度に依存する。それゆえ、フィルタ１４０の温度を特定の狭い範囲に維持すれば、測定結果の精密さと正確さを大幅に改善することができる。フィルタ収容部内に設置された温度センサで温度を監視するには、温度制御器１５２が使用される。また、フィルタを加熱および／または冷却して、温度を要求される範囲に維持するには温度調節器１５４が使われる。好ましい実施形態にあっては、温度調節器１５４は、フィルタホイールのハウジング内に設置したヒータを有している。ヒータはパワートランジスタで作ることができる。フィルタを維持するのに好都合な温度の約４０゜Ｃに標準化された通過窓を持つ干渉フィルタは、特注で入手することができる。
【００２７】
好ましいフィルタは、バンド幅の狭い干渉フィルタである。適切な赤外干渉フィルタは、スペクトラゴンユーエスインコーポレイテッド（Spectragon US Inc.）から購入することができる。二酸化炭素測定用の適切なフィルタセットは、ＮＢ−２５８０−０５０−Ｄ（主としてＨ2Ｏの吸収）、ＢＰ−３９００−１１０−Ｄ（参照フィルタ）およびＮＢ−４４２０−０５０−Ｄ（主として13ＣＯ2、特注）フィルタである。
【００２８】
さらに別の好ましいフィルタは、２つの窓の間に選択されたガスを含むガス充填フィルタである。これらのガス充填フィルタは、一般に対応する干渉フィルタと組み合わせた、組み合わせフィルタとされる。図５Ａおよび図５Ｂを参照しながら説明する。組み合わせフィルタ１６０は、窓１６２と干渉フィルタ１６４とを有し、それぞれ、気体セル１６６の前面と背面とを形成する。帯１６８は、窓１６２および干渉フィルタ１６４を一周し、気体セル１６６を取り囲む。気体セル１６６内の気体は、要求される波長通過窓の内側の赤外光を吸収し、その結果、対応する干渉フィルタによる必要な濾光は増大する。フィルタ内のガス濃度は、試料セル中の対応するガスとほぼ等価な光量を吸収するように調整することができる。５種類の適切な組み合わせフィルタのパラメータを表１に示す。
【００２９】
【表１】

【００３０】
¹²ＣＯ₂からの影響を軽減して水の吸収の測定値を得るには、組み合わせフィルタ１を使用することができる。フィルタ２は、直接¹²ＣＯ₂に対する測定値を与える。フィルタ３および４は、¹²ＣＯ₂からの干渉と、¹³ＣＯ₂バックグラウンドレベルを少なくして、増加した¹³ＣＯ₂量の測定値を与える。フィルタ５は参照フィルタとして使われる。
【００３１】
複数個の分光フィルタは、少なくとも、主として第１の同位体を含む特定の化合物によって吸収される波長領域と重なるスペクトル窓の形で通す１つのフィルタと、第２の同位体を含む前記化合物によって吸収される波長領域と重なるスペクトル窓内を通す第２のフィルタとを有する。さらに複数個のフィルタを追加することも好ましい。たとえば、参照フィルタとして、セル１０８内の気体分子がほとんど吸収を示さない波長をカバーする波長窓の形で赤外光を通す光学フィルタを使うことができる。
【００３２】
同様に、主として、赤外光を強く吸収する水によって吸収される波長をカバーする波長窓を通過させる光学フィルタを含めることができる。気体試料中の他の化合物の吸収を別の波長で補正するために、水蒸気を近似的に定量することができる。このようにして、水蒸気による補正を加えれば、同位体比率のより正確な値を得ることができる。また、主として、２つの同位体の１つを含む、または異なる同位体を含む化合物によって吸収される別の波長領域をカバーする波長窓を通過させる光学フィルタを追加することができる。次に、これらの可能な波長で測定した吸収を基にして、同位体比率を計算する方法について詳しく説明する。好ましくは、フィルタから狭い波長幅を得るためには、レンズを使用して入射光が干渉フィルタ内で焦点を結ぶようにすることが好ましい。
【００３３】
呼気試料中の13Ｃ16Ｏ2／12Ｃ16Ｏ2比率を測定するためには、主として13Ｃ16Ｏ2による吸収に相当する約４．３６ミクロンから約４．４６ミクロンまでの間に中心を持つ波長窓全体にわたって通過させ、そして好ましくは約４．３６ミクロンから約４．４６ミクロンまでの範囲の波長窓全体にわたって通過させる第１のフィルタを有するフィルタが好適である。同様に、第２の適切なフィルタは、主として12Ｃ16Ｏ2による吸収に相当する約４．１８ミクロンから約４．２５ミクロンまでの間に中心を持つ波長窓全体にわたって通過させ、そして好ましくは約４．１８ミクロンから約４．２５ミクロンまでの範囲の波長窓全体にわたって通過させる。また、主として水による吸収に相当する約２．５４ミクロンから約２．６５ミクロンまでの間に中心を持つ波長窓全体にわたって通過させ、そして好ましくは約２．５４ミクロンから約２．６５ミクロンまでの範囲の波長窓全体にわたって通過させるフィルタを含めることができる。同様に、呼気試料中の二酸化炭素を検出するには、約３．８５ミクロンから約３．９５ミクロンまでの間、または約２．９５ミクロンから約３．０５ミクロンまでの間、または約３．５５ミクロンから約３．６５ミクロンまでの間に中心を持つ波長窓全体にわたって通過させる参照フィルタを含めることができる。特に、この段落で述べてきた４種類の好ましいフィルタを含むのが好ましい。
【００３４】
あるいは、または¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂の吸収帯の全範囲にわたって通過させるフィルタを使用することに加えて、主として¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂による吸収に相当する約２．６６ミクロンから約２．７９ミクロンまでの間に中心を持つ波長窓全体にわたって通過させ、そして好ましくは約２．６６ミクロンから約２．７９ミクロンまでの範囲の波長窓全体にわたって通過させるフィルタを含めることができる。別の好ましいフィルタの組み合わせは、この段落とその前の段落で述べた５種類のフィルタを含む。これら５種類のフィルタの通過帯と、ヒトの患者から採取した呼気試料の吸収スペクトルの概略図を図６に示す。
【００３５】
本発明では、上記の分光フィルタに代えて、赤外光を波長に従って空間的に分離するスペクトル分散素子を使用する。スペクトル分散素子には、たとえば、回折格子とプリズムも含まれる。赤外光束を波長によって空間的に分散させるためにスペクトル分散素子を使用する場合、要求されるスペクトル窓を選択することは、要求されるスペクトル窓をカバーする分散光の光束の空間的な広がりを検出器の光感知素子の方へ向けることに相当する。したがって、スペクトル分散素子は、複数の波長窓を有すると言える。スペクトル分散素子、検出器および光学系は、低スペクトル分解能を有するように設計して、スペクトル回転構造を総計する一方で、主として、特定同位体を含む問題化合物によって吸収される赤外波長領域にわたる波長窓をカバーする。適切な波長窓は、約０．０２ミクロンから約０．３０ミクロンまでの範囲、そして好ましくは、約０．１０ミクロン周辺をカバーする波長領域をカバーする。
【００３６】
分散素子１８０を含む分光セレクタ１３８を図３に示す。図７Ａを参照しながら説明する。分散素子１８０を含む分光セレクタ１３８の第１の実施形態においては、分散素子１８０は、軸マウント１８２の上に置かれる。軸マウント１８２は、検出素子１８８に当たる光が、特定の波長窓の範囲内に入るように選択できるよう、空間的に分散した赤外光が空間的に移動することを想定してある。この実施形態では、検出器１１２は、一般に、選択された波長領域わたる波長窓を検出するため、１つの光感知検出素子１８８または隣接する１組の検出素子を含む。
【００３７】
分光セレクタ１３８の別の実施形態を図７Ｂに示す。分光セレクタ１３８は、波長によって空間的に分散した赤外光束を検出器１１２に入射させる向きに固定された光分散素子１８０を含む。この実施形態では、検出器１１２は、好ましくは複数個の光感知素子１９４または隣接する検出器素子群を含み、各検出器素子１９４または隣接する各検出器素子群は特定の波長窓を検出する。この実施形態は複数個の要求される波長窓を同時測定することを含む。
【００３８】
図７Ｃに示す実施形態は、検出器素子１９４の代わりに検出器アレー１９６が使用される点を除いて、図７Ｂの実施形態と似ている。検出器アレー１９６は、選択された波長窓を検出するように、光感知素子１９８または隣接する光感知素子の群２００が置かれるように設計されている。図７Ｃの実施形態は、ハードウェアに変更を加えなくても、その装置を、異なる化合物の同位体の測定に使用できる利点を有する。
【００３９】
図１を参照しながら説明する。光学部分１０４、１０６は、図１に示すように、光学部分１０４か、または光学部分１０６の内部に置くことが可能な変調器２１０を含むことが好ましい。変調器２１０は、ロックイン増幅のために特定の時間的長さで信号を変調してノイズを減らし、それだけ信号対ノイズ比を高める。図２〜４を参照しながら説明する。一般に、変調器２１０は、チョッパホイール２１２と、チョッパホイール２１２を駆動するためのモータ２１４と、ロックイン増幅の時間を定める光学センサ２１６とを含む。モータ２１４は、たとえば、ＤＣモータかまたはステッパモータである。光学センサ２１６は、ＩＲエミッタとＩＲ感知検出素子を含む。インテラプタ型の適切な光学センサが、ミネソタ州ティーフリバーフォールズ、デジ−キーコーポレイション（Digi-Key Corp.）から入手できる。このようにして、チョッパホイール２１２は、その回転速度によって決定される時間的長さで光束を遮断と透過とを間欠的に行って赤外光を変調する。ホイール２１２は、一定回転速度で回転して、所望する周期で変調を作り出す。光学センサ２１６からの出力は、ロックイン増幅器が使用する変調の位相調整するために使用される。上で述べたように、赤外光束を変調するためにパルス赤外光エミッタを使用するときは、ロックイン増幅器における変調の位相を固定するために、パルスエミッタからの内部信号を使うことができ、もしエミッタの内部信号に連動して時間的遅れが生じれば、それに対して位相が調整される。
【００４０】
一般に光学部分１０４，１０６は、２−４図に図示したように、赤外ビームを導き焦点を結ばせるために鏡、レンズ等の追加の光学要素を含む。２−３図によれば、光学部分１０４が分光セレクタ１３８および／または変調器２１０を含むならば、第１の光学素子セット２２０は分光セレクタ１３８および／または変調器２１０上へ赤外ビームを導き焦点を結ばせる。第２の光学素子セット２２２は、試料セル１０８内へ赤外ビームを導き、試料セル内１０８に赤外ビームの焦点を結ばせるのが好ましい。いくつかの実施形態では、赤外ビームは直接、試料セル１０８に到達する。他の例では、試料セル１０８が他の部分に対して別の方向を持つのに対応するように、試料セル１０８は、鏡と窓を含むことができる。
【００４１】
図３および４によれば、光学部分１０６が分光セレクタ１３８および／または変調器２１０を含むならば、第３の光学素子セット２４０は、分光セレクタ１３８および／または変調器２１０上へ赤外ビームを導き、焦点を結ばせる。図２−４によれば、第４の光学素子セット２４２は、赤外ビームを検出器１１２上へ導き、焦点を結ばせるのに使用できる。光学部分１０４，１０６はさらにシャッタ、スリット、その他の光学素子を含むこともできる。
【００４２】
赤外光用レンズは、フッ化カルシウムまたはフッ化マグネシウムから製造できる。これらの材質は、レンズ表面から反射損失を少なくするような低い屈折率を有する。レンズの最も高い効率が得られるよう、フッ化カルシウムレンズには１５ｍｍ、フッ化マグネシウムレンズには１２.３８ｍｍの曲率半径を使用できる。
【００４３】
図１によれば、赤外ビーム１４４は、試料セル１０８を透過する。試料セル１０８は、赤外ビーム１４４が試料セル１０８の一方の端で窓２２４を通じ、試料セル１０８の他方の端で窓２２６を通じて導かれるような形態とすることができる。窓２２４，２２６は、赤外光に関して少なくとも部分的に透明であり、窓表面からの反射による干渉を少なくするような曲面となっていることが好ましい。試料セル１０８は、図１に示されたように、試料セル１０８を通る赤外ビームを偏向させる第１の鏡２２８と、試料セル１０８からの赤外ビームを偏向させる第２の鏡２３０とを含むことができる。赤外ビーム１４４を試料セル１０８の中へ、およびそれから導くための鏡２２８，２３０を用いて、試料セル１０８は、よりコンパクトな分光計の構成とすることができる。試料セル１０８は、赤外ビーム１４４をセル１０８内へ導くための別の鏡を含むことができる。
【００４４】
試料セル１０８は、赤外ビーム１４４を複数回気体試料中に導くマルチパス光学セルである。マルチパス光学セルを使うことによって、セルを通る光路は効果的に増加し、気体試料によるビームの吸収が増加する。たとえば、試料セル１０８は市販されているマルチパス光学セルであってもよい。好ましいマルチパス光学セルの実施形態では、以下に詳細に述べるように、第１の鏡２２８および第２の鏡２３０がプリズム鏡の２つの面であり、赤外ビームは、最初プリズム鏡の１つの面で焦点を外され、分割された球面対物レンズ上へ焦点を結ぶ。同位体測定のためには、マルチパス光学セルは、ビーム強度の約４０ないし９５パーセントが吸収されるよう約６メートルないし１０メートルの全光路長を持つ。
【００４５】
図２のように、試料セル１０８は、温度制御２５０および温度調節器２５２を含むのが好ましい。温度制御２５０は、試料区分２５４の温度を監視する。温度調節器２５２は、試料区分２５４の温度を要求される範囲内に保つよう調整する。好ましい実施形態では、温度調節器２５４は、試料区分２５４のまわりに巻かれた、電気的に絶縁された金属線のような抵抗加熱素子である。試料区分２５４は、たとえばアルミニウムで作ることができる。
【００４６】
図２および３のように、試料セル１０８は、気体入口２５６および気体出口２５８を含む。入口２５６および出口２５８は、気体調整装置１１０に接続している。マルチパス試料セルの好ましい実施形態では、以下に詳細に述べるように、入口２５６は、流入気体を試料管の周囲におおよそ対称に流下させて相対的に層流にし、相応して試料セルを迅速かつ均一に満たすこととを保証する開口に接続している。図２および３のように、好ましい実施形態では、気体調整装置１１０は、気体入口２５６に接続する入口管２７０および除湿機２７２を含む。除湿機２７２は、単純にシリカゲル乾燥剤で満たされた管であってよく、また、除湿機２７２は、半透性の吸水膜から構成された物でもよく、適切な膜はミネソタ州ミネアポリス、ネオマックス社（Neomax Corp.）から入手できる。
【００４７】
入口管２７０は、２基の弁２７４，２７６に接続しているのが好ましい。弁２７４は、管２７０内への気体試料の流れを制御する。弁２７４は、さらに入口２７８に接続することができ、これは呼気試料を直接導入するための口金であってもよく、または保存された呼気試料を間接的に供給するためのマイラバルーンのような気体貯蔵容器であってもよい。別の気体試料を第１の気体試料に連続して導入して処理するように、別の弁が含まれてもよい。弁２７６は、浄化ガス入口２８０に接続している。浄化ガス入口２８０は、空気を管２７０内へ導入するための開口へ連なることができ、または窒素等の適切な浄化ガスの気体タンクへ接続されていてもよい。
【００４８】
気体調整装置１１０は、一般に、試料区分２５４へ連なる測定管２８４に接続された圧力センサ２８２を含む。適切な圧力センサは、たとえばモトローラ社（Motorola Inc.）により製作され、ミネソタ州ミネアポリス、ニューアーク・エレクトロニクス（Newark Electronics）により流通されているモデルＭＰＸ５１００ＡＰを含む。圧力センサ２８２は、試料の圧力を分光測定準備中および測定中に規定値に保つために用いられる。同位体測定のためには、セル中の圧力は、一般に約５０ｋＰａと約１００ｋＰａの間に保たれる。
【００４９】
気体調整装置１１０は、一般に、出口２５８に接続された第３の弁２８６を含む。弁２８６は、試料の流出間で試料区分２５４を浄化している間に開き、一たび気体試料が試料区分２５４内に入ると閉じることができる。弁２７４，２７６，２８６は、圧力センサ２８２によって測定される圧力を要求範囲内に保つよう制御することができる。気体調整装置１１０は、また、弁２８６の後または気体調整装置１１０内の他の位置に配置することのできるポンプ２８８をも含む。適切なポンプは、たとえばカリフォルニア州サン・マルコス、ＡＣＩメディカル（ACI Medical, Inc.）社製精密ダイアフラム・ポンプ、シリーズ０５０.７０−１２１２Ｖを含む。気体調整装置１１０は、また一般に、セル１０８内へのおよびそこからの流れを測定するため、適切な場所、たとえば気体入口２５６内へ連なる場所の１基以上の流量計をも含む。
【００５０】
赤外検出器１１２は、図７Ａに示すように単一検出器素子１８８を含むことができる。前記のように、光分散素子１８０は、光センサ素子１８８に当る波長窓を変えるよう、軸マウント１８２上に取り付けられている。その代わりに、またはそれに加えて、光センサ素子１８８は、ある特別な波長窓が光センサ素子１８８に当るよう選ぶために、光センサ素子１８８が空間的に分散された光ビーム内で動くことのできるよう、可動プラットフォーム２９２上に取り付けることができる。検出器１１２は、図７Ｂに示すように、同時に複数個の波長窓を検出するよう、副数基の光センサ素子１９４または隣接する光センサ素子のセットを含むことができる。好ましい実施形態では、光センサ素子は、要求される波長窓全体の波長を吸収するよう、約０．５ｍｍ×３ｍｍないし約３ｍｍ×３ｍｍの大きさを有する。適切な赤外センサ検出器素子は、たとえば、ペンシルヴァニア州モンゴメリー、ＥＧ＆Ｇジャドソン（EG&G-Judson）製Ｐｅ−３−３３検出器のようなＰｂ−Ｓｅ検出器や、フロリダ州デイトナ・ビーチ、エルテック・インスツルメンツ社（Eltec Instruments, Inc.）製シリーズ４０４検出器のような焦電気検出器を含む。図７Ｃに示すように、検出器１１２は検出器アレー１９６を含むことができる。適切な検出器アレーは、たとえば、エルテック・インスツルメンツ社製モデルＡＲ−１７０のようなセレン化鉛（Ｐｂ−Ｓｅ）検出器アレーを含む。
【００５１】
図３のように、検出器１１２は、さらに、必要な場合、光センサ素子・アレーが要求する電圧を発生させるための変圧器２９４、および熱電（ＴＥＣ）コントローラ２９６を含むことができる。適切なＴＥＣコントローラはＥＧ＆Ｇジャドソンから入手できる。ＴＥＣコントローラは、感度を改善するためＰｂ−Ｓｅ検出器を冷却する。セレン化鉛検出器アレーは、一般に約１００Ｖの電圧バイアスを作るため、一般に電圧変換器を使う。
【００５２】
プロセッサ１１４は、前置増幅器３００、ロックイン増幅器３０２、コントローラ３０４および計算機３０６を含む。前置増幅器３００は、検出器１１２からの出力を受信し、信号を増幅する。前置増幅器３００からの出力は、ロックイン増幅器３０２へ導かれる。適切な前置増幅器は、たとえばＥＧ＆Ｇジャドソン製のモデルＰＡ−８２００を含む。ロックイン増幅器３０２は、雑音を減らすための変調器２１０における赤外光の変調のための信号を増幅する。適切なロックイン増幅器は、たとえば、テネシー州オークリッジ、ＥＧ＆Ｇインスツルメンツ製のモデル５１０６を含む。コントローラ３０４は、テキサス州アーリントン、ウィン・システム社（WinSystems Inc.）製のモデルＳＡＴ−Ｖ４１のようなマイクロコントローラ・ボードとすることができる。コントローラは一般に、適切なアナログおよびデジタルの入力および出力、出力ドライバ、アナログ・デジタル変換器、マイクロプロセッサおよび適切なメモリを含む。コントローラ３０４はたとえばＲＳ−２３２シリアル・ポートを介して計算機へ接続することができ、計算機は適切なデータ管理プログラムを走らせるパソコンであることが好ましい。計算機３０４は、図４に示すように、適切な出力機器３０８に接続されている。
【００５３】
Ｂ．マルチパス光学セル
図４，８，９によれば、好ましいマルチパス光学セル４００の実施形態は、プリズム鏡４０２、球面視野鏡４０４および分割球面鏡４０６を含む。一般に、マルチパスセル４００は、鏡４０２，０４，４０６を気密性環境中に納めるケーシング４０８を含む。便宜上、ケーシング４０８は、一般に円筒形であることができ、それぞれ球面鏡４０４および分割球面鏡４０６を支持するマウント４１０および４１２で囲まれ、またはその近くに納められる。
【００５４】
ケーシング４０８は、気体入口２５６および気体出口２５８、および圧力測定用接続を含む。特に好ましい実施形態の気体入口２５６では、気体がセル４００を迅速に満たし、浄化するためにセル４００の終端から流れるよう、図１０Ａおよび１０Ｂに示すように、分割鏡４０６を囲む開口に連なっている。気体入口４２０は、分割鏡４０６を一周する経路４２２と共に流体通路を形成する。経路４２２は、分割鏡４０６の両部分間にある溝４２４内へ開いている。
【００５５】
プリズム鏡４０２は、球面視野鏡４０４の近くでケーシング４０８に沿って永久的に取り付けられていてよい。そうする代わりにプリズム鏡は、気密シールを形づくるためケーシング４０８内へ可逆的にねじ込むキャップ４１４に付着させることもできる。キャップ４１４は、プリズム鏡４０２を清掃および／または交換するときにアクセスを容易とするため取り外すことができる。
【００５６】
ケーシング４０８は、窓４３０を通じて赤外光を導入し、窓４３２を通じてセル４００から赤外光を発射させるのを可能とするため、窓４３０，４３２を含む。窓４３０，４３２は、赤外光に対して少なくとも部分的に透明であり、ＣａＦ₂で製造することができる。好ましい実施形態では、窓４３０，４３２は、窓４３０，４３２をそれぞれ取り付けるためのケーシング４０８内の２個の孔がケーシング４０８を通してまっすぐに開けることができるよう、直線路に沿って取り付けられている。窓４３０，４３２が球面視野鏡４０４の近くに取り付けられているならば、プリズム鏡４０２は、窓４３０，４３２の間に直接取り付けることができる。別の方法として、光をプリズム鏡４０２に向かってある角度で窓４３０，４３２を通じて導くこともできる。
【００５７】
プリズム鏡４０２は、図８−１０に示すように、視野鏡４０４の近くに取り付けられている。プリズム鏡４０２は、窓４３０に向けられた第１の面４３４および窓４３２に向けられた第２の面４３６を有する。第１の面４３４と第２の面４３６との間の角は、分割鏡４０６と、プリズム鏡４０２の第１の面４３４および第２の面４３６を二等分する面との交線における曲線に近似的に沿って赤外ビームを反射させるように選ばれる。面４３４，４３６の間の角は、プリズム鏡４０２が直接、窓４３０，４３２の間にあるならば、９０度より大きいだろう。プリズム鏡４０２は、反射した赤外ビームが、図８および１１Ａに示すように、分割鏡４０６上の要求される点に当たるよう、視野鏡４０４および対物鏡４０６の中心を連結する線に関して傾けられる。
【００５８】
プリズム鏡は、分割対物鏡４０６から球面視野鏡４０４へ向かう反射を妨げるほど大きくあってはならない。合理的なセルの大きさから言って、プリズム鏡は、約５ｍｍと約２０ｍｍの間の長さとすることによって、面４３４，４３６の間に縁を持つ。好ましくは、図８および９に示すように、鏡４０４，４０６から反射することなく窓４３０から窓４３２への間を過ぎる光を妨げるよう、遮蔽４３８をプリズム鏡４０２に付着させる。遮蔽４３８は、プリズム鏡４０２のまわりに溝を切ることによって、またはプリズム鏡４０２に接着剤で付けるなどのできる遮蔽４３８の縁に沿ったマウントを用いることによって、プリズム鏡４０２に付着することができる。遮蔽４３８は、必ずしも表面４３４，４３６を二等分する面に沿って正確に配置する必要はない。
【００５９】
球面視野鏡４０４は、一般にケーシング４０８の一つの終端近くに取り付けられる。鏡４０４は、セル４００の終端を形づくるエンドキャップ４４０に一体化できるミラーマウント４１０へ固定でき、たとえば接着剤で付けることができる。球面鏡４０４は、光がセル４００を通して多重反射する間に焦点を合わせたままとどまるよう、球面視野鏡４０４と分割対物鏡４０６との距離に近似的に等しい焦点距離を有する。合理的なセルの大きさから言って、球面鏡４０４は約３０ｍｍと約１５０ｍｍの間の直径を有する。
分割球面鏡４０６は、図４および８に示すように、上部区分４５０および下部区分４５２を形づくるよう互いに離されている球面鏡の２つの部分を含む。上部区分４５０および下部区分４５２は、取り付け部品４５６へ接着剤等で固定される。上部区分４５０および下部区分４５２を形づくるのに使われる球面鏡は、視野鏡４０４と対物鏡４０６との間の距離に近似的に等しい曲率半径をそれぞれが有するのが好ましい。
【００６０】
セル内での反射回数を最大とするには、上部区分４５０の湾曲中心を近似的に視野鏡４０４の中心に置く。反対に、下部区分４５２の湾曲中心は、視野鏡４０４の中心と視野鏡４０４の湾曲中心とを結ぶ線に相対的に下方へずらす。このように上下の区分間で湾曲中心をずらすことは図１１Ｂに示されており、ここでは上方区分４５０の湾曲中心は”１”で、下方区分４５２の湾曲中心は”２”で表示されている。上方区分４５０および下方区分４５２の湾曲中心のずれ量は、以下に述べるように、マルチパスセル４００内の反射回数に影響をおよぼす。一般に、ずれは約１ｍｍから約１０ｍｍの範囲であり、より好ましくは約２ｍｍから約５ｍｍの範囲とされる。視野鏡４０４の湾曲中心は、図１２Ａおよび１２Ｂにおいて湾曲”Ｆ”として示される。
【００６１】
対物鏡４０６を直截的に製造する方法は、球面視野鏡４０４と同等の鏡を分割することを含む。鏡の２つの分割片は、切り離され、２つの区分が別々の湾曲中心をもって１つの鏡ユニットを形づくるよう、取り付け部品４５６へ固定される。取り付け部品４５６は、プリズム鏡４０２の表面４３４，４３６を二等分する面にほぼ沿って球面鏡４０４に相対的に上部区分４５０および下部区分４５２の湾曲中心を置くように位置付けることができる。原理的には、対物鏡４０６は、単一の鏡を多数に切断することにより、あるいは最初の材料として別々の鏡を用いて製造できるが、湾曲中心を視準することに関して微小な変化の増大や困難性のため、こうした代わりの手法は、適用が極度に難しい。赤外光については、鏡４０２，４０４，４０６の鏡面は、アルミニウムまたは金のコーティングによって、好ましくは、たとえば電気的にあるいは電子ビーム蒸着によって堆積できる、たとえばサファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）の薄い保護コーティングによって製造することができる。
【００６２】
分割対物鏡４０６は、マウント４１２内に固定される。マウント４１２は、視野鏡４０４に対する分割対物鏡４０６の向きを合わせるための調整具を含むのが好ましい。好ましい実施形態では、上部区分４５０および下部区分４５２の湾曲中心は、図１１Ｂに示すように、プリズム鏡４０２の表面４３４, ４３６を二等分する面に沿って球面視野鏡４０４の中心のまわりに近似的に対称に分布している。これに代えて、分割対物鏡４０６は、表面４３４，４３６を二等分する面に沿って上部区分４５０および下部区分４５２の湾曲中心をずらすよう傾けることができ、この傾かせることは、一般にセル４００内での反射回数を減少させる。一つの実施形態では、マウント４１２は、分割対物鏡４０６を載せたマウント４１２の向きに小さい変化を与える４本の調節ねじを含む。他の適切な調節可能マウントも用いることができる。これに代えて、またはこれに加えて、球面視野鏡４０４用のマウント４１０が鏡４０４の向きのための調節具を含むことができる。マウント４１２は、一般にセル４００の終端を形づくるエンドキャップ４６０に、またはその近くに固定される。
【００６３】
ここでは同位体測定のための赤外光反射をもっぱらとりあげているが、マルチパスセル４００は、可視光または紫外線のような他の電磁スペクトル部分にわたる波長にも用いることができる。窓および鏡の材料は、要求される光の波長のために直截的に修正することができる。同様に、ここで述べられている応用は、伝達波長窓あるいは比較的広帯域の放射にもっぱら関しているが、マルチパスセル４００は、気体試料を通すレーザ光のような単色光を反射させるのにも用いることができる。
【００６４】
図１１Ａ，１１Ｂ，１２Ａおよび１２Ｂのように、入射光は、点４７０でプリズム鏡４０２から分割鏡４０６の上部区分４５０へ反射する。球面鏡４０４の中心を通る面から点４７０への距離”ｄ”は、球面鏡４０４の曲率半径の約１０分の１より小さくなければならない。最初に反射した光は、点４７２において上部区分４５０に当たるが、その位置はプリズム鏡４０２の傾きに依存する。
【００６５】
光は、その後、図１１Ｂに示すように視野鏡４０４上で反射パターンを形づくりながら、球面視野鏡４０４と分割対物鏡４０６との間で反射する。位置Ｘ₁はプリズム鏡４０２上へ入射するビームの照準に依存する。区分４５０，４５２の分割の結果、区分４５０，４５２の湾曲中心にずれがあるため、視野鏡４０４上での反射点は、たとえば一組のパラメータに対して図１１Ｂに示したようにずれる。図１１Ｂでは数字は増加する順に順次の反射点を表す。こうして、この実施形態では、光は、試料セルを通して３０回反射する。これら３０回の通過は、視野鏡４０４上に１４個の像を結ぶ。点１６は、窓４３２を通じてマルチパスセル４００から偏向出力するプリズム鏡４０２の表面４３６の反射点に対応する。
【００６６】
プリズム鏡４０２の表面間の角度とプリズム鏡４０２の傾きとの調節は、マルチパスセル４００から好ましい結果を得るための重要な調整である。マルチパスセル４００を通じての通路数ＮはＮ＝（４Ｙ₁／ｓ）＋２で与えられ、ここでｓは図１１Ｂに示されるような区分４５０，４５２の湾曲中心におけるずれ、およびＹ₁は入射光ビームのずれ、すなわち図１１Ａに示されるような視野鏡４０４上の湾曲中心＃１に相対的な、図１１Ｂの第１の反射点Ｙ₁である。傾き角（ｆ）およびプリズム鏡４０２の表面間の鏡角（ｚ）は、鏡表面上での入射ビームの座標および分割鏡４０６上での最初の反射点に関係づけることができ、次のようである。：
ｚ＝９０°＋arcsin(Ｘ_p／((Ａ−ｄ＋Ｈ₁)²＋(Ｘ_p−Ｘ_m)²＋(Ｙ_p−Ｙ_m)²)^0.5)および
ｆ＝arcsin((Ｘ_p−Ｘ_m)／((Ａ−ｄ＋Ｈ₁)²＋(Ｘ_p−Ｘ_m)²)^0.5)
ここでＡ＝Ｒ−(Ｈ₁−Ｈ_m)、Ｒは、視野鏡４０４の曲率半径である。Ｘ_pおよびＹ_pは、プリズム鏡４０２上の点によって定義され、Ｘ_p＝(Ｘ₁−Ｘ_m)・(Ａ−ｄ＋Ｈ₁)／Ａ，Ｙ_p＝(Ｙ₁−Ｙ_m)・(Ａ−ｄ＋Ｈ₁)／Ａである。Ｘ₁，Ｙ₁，Ｈ₁は、プリズム鏡表面上における第１点によって定義され、Ｈ₁は、Ｈ₁＝Ｒ−(Ｒ²−(Ｘ₁ ²＋Ｙ₁ ²))^0.5に等しい。Ｘ_mは、分割対物鏡４０６の中心における湾曲中心Ｆと上部区分４５０の第１反射点との間の距離である。Ｙ_mは、対物鏡上における第１反射点がプリズム鏡の二等分によって定義される面内にあるような好ましい実施形態では、ゼロである。マルチパスセル４００の２つの特定な構成のためのパラメータが表２に提示されている。
【００６７】
【表２】

【００６８】
分割対物鏡を有するマルチパス光学セルは、種々の光学機器で用いられているが、マルチパス光学セルは、特に、同位体比率測定用の赤外分光計の構成に効果的に用いることができる。分割対物鏡を有するマルチパスセル用いた同位体比率決定用の赤外分光計は、図１３に示されており、ここでは光学部分の配置を見せるために囲いが取り除かれている。この実施形態では、窓４３０および４３２は、直径１２．７ｍｍ、中心厚さ３ｍｍ、焦点距離３２ｍｍのフッ化カルシウム（ＣaＦ₂）で作られた凸球面レンズである。光学素子２２０，２２２および２４２は窓４３０，４３２と同一の凸球面レンズである。これらの光学素子が与えられる場合、その形態は以下の距離を有するのが好ましい：ａ−２６ｍｍ，ｂ−８ｍｍ，ｃ−４８ｍｍ，ｆ−５ｍｍ，（ｌ₁＋ｌ₂）＝Ｒ−２００ｍｍ、ここでＲは、視野鏡４０４および対物鏡４０６の曲率半径である。
【００６９】
Ｃ．同位体比率の評価
同位体比率の評価を、例として二酸化炭素を用いて例示する。個々の化合物のために適切な波長窓を用いて他の化合物の同位体比率を評価することは、この例から直截的に一般化できる。基本的な考えは、特定の波長を吸収する試料内における特定の種の濃度の表現で、特定の波長における光の吸収の結果生じる光学濃度を記述することである。
【００７０】
分析した波長の光学濃度は、赤外光源、赤外検出器、環境の温度および光学部分の光伝送において起こり得る変動のため補正しなければならない。起こり得る誤差に対する適切な方法は、較正値を求めることを含む。較正値を求めるに、各分析波長および参照波長に対する電圧信号が、空気または窒素を満たしたセルを用いて測定される。セルが試料気体で満たされているとき、電圧信号を分析波長および参照波長について再び測定する。たとえば、上で論じた好ましい波長を用いて二酸化炭素を測定するには、分析波長に対する光学濃度は以下のように計算される：
【００７１】
【数１】

【００７２】
⁰Ｕ_4.42，⁰Ｕ_3.90，⁰Ｕ_2.68，⁰Ｕ_2.58は、セルが空気／窒素で満たされているとき、それぞれ波長４.４２ミクロン、３.９０ミクロン、２.６８ミクロン、２．５８ミクロンに対する電圧信号である。^sＵ_4.42，^sＵ_3.90，^sＵ_2.68，^sＵ_2.58は、試料がセル内にあるとき、それぞれ波長４．４２ミクロン、３．９０ミクロン、２．６８ミクロン、２．５８ミクロンに対する電圧信号である。光学系が比較的安定ならば、較正は週に一度くらい行えばよい。
【００７３】
濃度に対する一組の線型方程式を、光学濃度を用いて書くことができる。全吸収が比較的高いため、非線型に対する補正は、以下に述べるように、精度を高めるように行うことができる。線型方程式の解から要求される答が導かれる。
【００７４】
二酸化炭素の同位体比率の計算は、上記した好ましい波長窓を用いて記述される。水は完全に除去するのがむずかしい汚染物質であり、強い赤外吸収物質である。したがって、水の存在に対する補正が、ある波長においては要求されるだろう。水の濃度は以下のように２．５８ミクロンでの光学濃度Ｄ_2.58に関係づけられている：
Ｄ_2.58＝^H2OＫ_2.58・Ｃ_H2O・Ｌ
ここでＬは試料セル内における全吸収通路長、Ｃ_H2OはＨ₂Ｏの濃度、^H2OＫ_2.58は２．５８ミクロンにおけるＨ₂Ｏの吸収係数である。吸収係数は、個々のシステムの精確な光学的性質を表すように個々のシステムを較正するため、水、¹²ＣＯ₂および¹³ＣＯ₂のいくつかの既知の濃度に対しての値が求められる。光学濃度Ｄ_2.58は測定により得られる。こうして、Ｈ₂Ｏの濃度は、Ｃ_H2Oのみが未知であるから、この方程式からかたやすく求められる。
【００７５】
２．６８ミクロンでの吸収は、Ｃ−１２二酸化炭素の濃度を求めるのに用いることができる。２．６８ミクロンにおける光学濃度は、
Ｄ_2.68＝^H2OＫ_2.68・Ｃ_H2O・Ｌ＋¹²Ｋ_2.68・Ｃ₁₂・Ｌ
で与えられる。ここでＣ₁₂は¹²ＣＯ₂の濃度、¹²Ｋ_2.68は２．６８ミクロンにおける¹²ＣＯ₂の吸収係数である。Ｄ_2.68は、測定から得られる。Ｃ_H2Oは、２．５８ミクロンにおける吸収から決定できるから、方程式中で唯一の未知数であるＣ₁₂の値は、上記方程式から求めることができる。
【００７６】
４.４２における光学濃度Ｄ_4.42は、以下のように¹³ＣＯ₂の濃度のための方程式を与える。：
Ｄ_4.42＝¹²Ｋ_4.42・Ｃ₁₂・Ｌ＋¹³Ｋ_4.42・Ｃ₁₃・Ｌ
ここでＣ₁₃は¹³ＣＯ₂の濃度、¹³Ｋ_4.42は４.４２ミクロンにおける¹³ＣＯ₂の吸収係数である。Ｄ_4.42は赤外測定から得られる。ここで、Ｃ_H2OとＣ₁₂の値が２．５８ミクロンおよび２．６８ミクロンでの測定から求められたと仮定すれば、Ｃ₁₃は唯一の未知数である。要求される同位体比率はＣ₁₃／Ｃ₁₂で与えられる。測定された光学濃度Ｄ_4.42，Ｄ_2.68およびＤ_2.58は、濃度によって弱い非線型性を示すかもしれない。この弱い非線型性に対する補正は、以下の方程式によって経験的に説明することができる：
^corrＣ₁₃＝ａ₁₃・^meanＣ₁₃＋ｂ₁₃・(^meanＣ₁₃)²
^corrＣ₁₂＝ａ₁₂・^meanＣ₁₂＋ｂ₁₂・(^meanＣ₁₂)²
ここで^meanＣ₁₃および^meanＣ₁₂は、測定された¹³ＣＯ₂および¹²ＣＯ₂の濃度、^corrＣ₁₃および^corrＣ₁₂は、補正された¹³ＣＯ₂および¹²ＣＯ₂の濃度、ａ₁₃，ｂ₁₃，ａ₁₂およびｂ₁₂は、既知の試料を用いて行われた較正測定から見出された補正係数である。
【００７７】
他の波長における測定を、内部濃度を評価し、精度を高めるために用いることができる。もしＣ₁₃および／またはＣ₁₂が異なる波長測定を用いた異なる手法によって求められたものであれば、その結果の値を平均して最終的な同位体比率の精度を高めることができる。
【００７８】
Ｄ.呼気試料からの二酸化炭素同位体測定
二酸化炭素はエアロビクスの新陳代謝の副産物である。すなわち、二酸化炭素の発生は新陳代謝の活動の診断に役立つ。特定の有機体または関心のある新陳代謝作用がある基質を特に代謝させているなら、これら特定の基質の二酸化炭素副産物を看視して、関心のある特定の細胞または有機体の新陳代謝の活動を検出することができる。ある状態を検出するのに有用な特定の基質の例を表３に提示する。
【００７９】
【表３】

【００８０】
ほとんどの環境では、背景の新陳代謝の活動は、特定の基質から作り出される二酸化炭素を識別するために二酸化炭素の有意な背景を与える。たとえば患者、好ましくは哺乳類の患者、特にヒトの患者は、感染有機体または特定の細胞機能によって代謝する特定の基質から作り出される二酸化炭素から識別されなければならない二酸化炭素を作り出す。同様に、空気は、背景に加わる二酸化炭素をいくらか含んでいる。ここに述べられた赤外測定は、非常に鋭敏ではあるが複雑で高価な設備を要求する同位体比率質量分析法の使用に代わる方法を与える。
【００８１】
特定の基質から作り出される二酸化炭素を他の背景二酸化炭素から識別するため、基質の炭素同位体を高めることができる。基質の¹⁴Ｃか¹³Ｃかどちらか一方の割合を高めることができるが、¹³Ｃは、放射性でないという利点を有する。すなわち、¹³Ｃが高められた基質は、放射性種に必要な取扱注意なしに用いることができる。自然に存在している炭素は約１．１％の¹³Ｃを含んでいる。好ましい実施形態では、基質は、約９９パーセントの¹³Ｃを含むまでに高められる。
【００８２】
臨床で用いるとき、一般に基質の約４０ミリグラムないし約２００ミリグラムが患者に与えられる。基質の新陳代謝に見込まれる適切な時間長は、探査されている個々の機能タイプによってさまざまである。経口的に与えられる¹³Ｃで高められた尿素を用いてＨ．ピロリを検出するためには、患者の呼気は一般に、同位体が高められた基質を消費した後、約１０分から約９０分の間、監視される。
【００８３】
患者から吐き出される空気は、一般に約３ないし約５原子パーセントの¹²ＣＯ₂を持つ。患者が活性の感染を持たず、基質が代謝されないならば、吐き出される空気は天然の多量の同位体のため約０.０３ないし約０.０５原子パーセントの¹³ＣＯ₂を持ち、¹³ＣＯ₂の¹²ＣＯ₂に対する同位体比率は約０.０１１２５となる。患者が活性のＨ．ピロリの感染を持つならば、吐き出される空気は、同位体が高められた尿素基質の新陳代謝のため、好ましい実施形態では約０．０１１３２ないし約０．０１１６３の¹³ＣＯ₂の¹²ＣＯ₂に対する同位体比率を持つ。
【００８４】
呼気試料からの二酸化炭素の同位体比率を求める手順は、図２，９および１３に示した実施形態を個々に参照して説明することができる。第１に、分光計は、電源投入され、少なくとも約１分ないし約５分の間ウォームアップされる。コントローラ３０４は、入力弁および出力弁２７８，２８０，２８６を開くためおよびポンプ２８８をスイッチ・オンするため、論理信号を送出する。二酸化炭素の濃度の低い気体（空気または窒素）が、セルを浄化するためセルを通して約３０秒間以上ポンプで送られる。
【００８５】
次に、コントローラ３０４は、ポンプを止め、弁をすべて閉じる。コントローラ３０４は、次にセル内の空気または窒素による較正用赤外吸収測定を開始する。ＩＲ放射器１３０からの赤外放射は、チョッパ２１２によって変調され、光学素子２２０，２２２はフィルタホイール１４２のフィルタを通じて窓４３０へ光を向ける。ステッピングモータは、全ての選択された分析波長および参照波長で測定するために、光路内でフィルタを周期的に切り換える。マルチパスセル２５４内へ導入された赤外放射は、プリズム鏡、２基の区分対物鏡および視野鏡により、マルチパスセル２５４内で多重反射後、出力窓に導かれる。
【００８６】
マルチパスセルの出力窓から、赤外放射は、光学素子１０６によって光検出器１８８へ導かれる。光検出器１８８の信号は、前置増幅器３００および、光学センサ２１６からの同期信号を受信するロックイン増幅器１１４によって増幅される。コントローラ３０４はロックイン増幅器からの電圧信号を測定する。安定な測定がロックイン増幅器により得られた後、コントローラ３０４は、回転フィルタホイール１４２によってフィルタを次の位置へ切り換えるため、ステッピングモータ駆動１４８へ論理信号を送出する。選択された波長すべてについて電圧信号を測定した結果は、較正値として用いるためメモリ内に保存される。
【００８７】
試料測定を開始するため、試料１および２がそれぞれ気体入口２７８および２８０へ結合される。コントローラ３０４は、入力バルブ２７８および出力バルブ２８６を開くため、およびポンプ２８８を１５秒間スイッチ・オンしてセル２５４を気体試料１で満たすため、論理信号を送出する。赤外吸収測定は、全ての選択された分析波長および参照波長に対して繰り返される。コントローラ３０４は次に、入力バルブ２８０および出力バルブ２８６を開くため、およびポンプ２８８を約１５秒間スイッチ・オンしてセル２５４を気体試料２で満たすため、論理信号を送出する。赤外吸収測定は、全ての選択された分析波長および参照波長に対して繰り返される。気体試料１と気体試料２との同位体比率は、上記に提案した方程式に従って求められる。２つの試料間の同位体比率の差は、表示あるいは印刷される。この手法および上記装置を用いることにより、気体試料についての同位体比率は、一たび較正値が得られていれば、Ｐｂ−Ｓｅ検出器を用いて約１ないし約２分、焦電検出器を用いて約１２ないし約１５分で、適当な精度で得られる。
【００８８】
上記の実施形態は例であり、限定することを意図するものではない。他の実施形態も以下の請求の範囲に含まれる。本発明は好ましい実施形態に関して説明されたが、この分野に熟練した作業者は、本発明の精神および観点から逸脱することなく、形態および詳細において変更が可能であることを認識するであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】気体試料中の同位体比率を測定するために有用な赤外分光計の概略図である。
【図２】気体試料中の同位体比率を測定するために設計された、光学フィルタを含む分光セレクタを備える赤外分光計の形態の構成図である。
【図３】気体試料中の同位体比率を測定するために設計された、スペクトル分散素子を含む分光セレクタを備える、本発明に係る赤外分光計の実施形態の構成図である。
【図４】気体試料中の同位体比率を測定するために設計された、光学フィルタを含む分光セレクタを備える赤外分光計のさらに別の形態の部分概略図である。
【図５Ａ】気体セルと干渉フィルタとの組み合わせフィルタの側面図である。
【図５Ｂ】図５Ａの組み合わせフィルタの斜視図である。
【図６】13Ｃ16Ｏ2に対する12Ｃ16Ｏ2の比を評価する好ましいフィルタに対応する適切な波長窓のプロットと呼気試料の赤外光通過スペクトル図である。
【図７Ａ】スペクトル分散素子と１つの赤外光検出器素子とを備えた分光セレクタの実施形態の概略図である。
【図７Ｂ】スペクトル分散素子と、選択された波長窓を検出するように配置された複数個の赤外光検出器素子とを備えた分光セレクタの実施形態の概略図である。
【図７Ｃ】スペクトル分散素子と選択された波長窓を検出するように配置された検出器アレーとを備えた分光セレクタの実施形態の概略図である。
【図８】マルチパスセルの実施形態の、最初の光束を対物鏡に向けるプリズム鏡を二分する断面での、断面側面図である。
【図９】同位体比率を評価するための赤外分光計の図８を構成する部分のマルチパス光学セルの、プリズム鏡の中心を通過し、区分鏡の最上区分を通過する断面での、断面上面図である。
【図１０Ａ】マルチパスセルの好ましい実施形態のガス入口部分を示す、分割鏡の中心を通る断面での、断面側面図である。
【図１０Ｂ】図１０Ａの線Ｂ−Ｂに沿って切断されたマルチパスセルの断面図である。
【図１１Ａ】図８のマルチパスセルの視野鏡およびプリズム鏡の、鏡の中心を通る断面での、断面側面図である。
【図１１Ｂ】マルチパスセルの１つの実施形態について逐次反射点に番号を付した、図１１Ａの視野鏡の正面図である。
【図１２Ａ】図８のマルチパスセルの分割対物鏡の正面図である。
【図１２Ｂ】図１２Ａの線Ｂ−Ｂに沿って切断された分割対物鏡の側面断面図である。
【図１３】光学部分の配置がわかるように構造部分を取り除いた、マルチパスセルの好ましい実施形態を備えた赤外分光計内部の上面図である。
【符号の説明】
１０２……光源、１０４、１０６……光学部分、１０８……試料セル、１１２……検出器、１１４……プロセッサ、１３８……分光セレクタ、１４０……光学フィルタ、１４２……フィルタホイール、１４４……光路、１５０……光学センサ、２１０……変調器、２１２……チョッパホイール、２１６……光学センサ、２４０……第３の光学素子セット、２４２……第４の光学素子セット、３００……前置増幅器、３０２……ロックイン増幅器、３０４……コントローラ、３０６……計算機、３０８……出力機器、４０２……プリズム鏡、４０４……球面視野鏡、４０６……分割球面鏡、４３４……第１の面、４３６……第２の面、４５０……上部区分、４５２……下部区分

Claims

広帯域赤外光源であって、光路に沿って進行する広帯域赤外光を放射する前記広帯域赤外光源と、
複数個の波長窓を有し、該複数の波長窓を通して第１の同位体を含む化合物と第２の同位体を含む化合物によって主として吸収される波長領域の赤外光とを空間的に分離して通過させる分光セレクタであって、低スペクトル分解能を有するように設計されたスペクトル分散素子を具備する分光セレクタと、
前記光路が通過するように構成され、気体の入口と出口とを具備し、気体試料を収容する試料室と、
前記光路に置かれ、前記分光セレクタと前記試料室とを通過して来る赤外光を受光する赤外光検出器と、
前記赤外光検出器からの出力を受けるように接続され、同位体比率についての量を評価するプロセッサとを具備し、
前記試料室は、マルチパス光学セルを具備し、該マルチパス光学セルは、前記広帯域赤外光源から放射される広帯域赤外光が気体試料を複数回通過するように該広帯域赤外光を導く、気体試料中の同位体比率を評価するための赤外分光計。
前記赤外光検出器は、前記分光セレクタと前記試料室とを通過して来る赤外光を同時に検出するための複数個の赤外光感知素子を有する、請求項１に記載の赤外分光計。
前記マルチパス光学セルが、
焦点距離と中心軸とを有する視野鏡と、
２つの区分の位置を動かして、前記焦点が互いに離れるように移動させることにより、概ね前記視野鏡と向かい合うように配置される２区分対物鏡と、
プリズム鏡の互いに交差する面の端が、概ね前記対物鏡の方向に向けられ、かつ前記プリズム鏡の前記２つの面を二分する面が前記対物鏡の２つの区分を通過するように配置され、前記視野鏡の焦点距離の約２０％より短い距離だけ、前記視野鏡からずらして置かれる前記プリズム鏡とを具備する、請求項１に記載の赤外分光計。
前記視野鏡が、ある曲率半径を有する球面鏡を具備する、請求項３に記載の赤外分光計。
前記２区分対物鏡の前記区分が、前記視野鏡の曲率半径とほぼ等しい曲率半径を有する球面鏡の部分を成し、かつ、前記視野鏡と前記２区分対物鏡の間の距離が、前記視野鏡の曲率半径にほぼ等しい、請求項４に記載の赤外分光計。
前記マルチパス光学セルに入る集束光線が、前記マルチパス光学セルから出るまでに前記マルチパス光学セル内で約１０回ないし約１００回反射する、請求項１に記載の赤外分光計。
さらに、前記マルチパス光学セルの周りを囲み、気体入口と気体出口とを有する密封された気体室を形成する概ね円柱状の管を具備する、請求項１に記載の赤外分光計。
さらに、温度センサおよび温度調節器を具備する、請求項１に記載の赤外分光計。