JP6682101B2

JP6682101B2 - レーザ分光式安定同位体比分析法、装置、および多地点安定同位体比分析システム

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Publication number: JP6682101B2
Application number: JP2016114128A
Authority: JP
Inventors: 吉村　了行; 了行吉村; 孝子保井; 界　義久; 義久界; 麻悠子中川; 尚弘吉田; 桂太山田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; Tokyo Institute of Technology NUC
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; Tokyo Institute of Technology NUC
Priority date: 2016-06-08
Filing date: 2016-06-08
Publication date: 2020-04-15
Anticipated expiration: 2036-06-08
Also published as: JP2017219428A

Description

本発明は、食品や飲料品等の産地や生産履歴をはじめ、様々な物質の起源に関する情報を識別・推定するために用いる安定同位体比分析技術に関する。

近年、食品や飲料品の産地や製法、成分などに関する表示偽装を抑止するため、食品・飲料品の安定同位体比を分析することにより、科学的に産地や製法・成分などの起源に関する情報を判別・推定する技術が注目されている。
しかしながら、安定同位体比分析を行うためには、安定同位体比質量分析法（ＩＲＭＳ：Isotope Ratio Mass Spectrometry）や核磁気共鳴分光法（ＮＭＲ：Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy）のような、高価で大型で操作が複雑な計測装置を用いる必要があるため、時間とコストがかかるという問題があり、これが普及を妨げる一つの要因となっていた。

一方、半導体レーザを分光用光源として用い、ガス分析計等に応用する波長可変レーザ分光法（Tunable Diode Laser Spectroscopy；以下、レーザ分光法と記す）（非特許文献１）と呼ばれる技術が注目されている。
図１２は、一般的なレーザ分光法の動作原理を示す説明図である。図１２（ａ）に示すように、レーザ分光法で用いるレーザ分光式安定同位体比分析装置５０は、可変波長のレーザ光Ｌを、ガスセル５２内にあるガス状の被測定物Ｅに照射するレーザ光源５１と、被測定物Ｅを通過したレーザ光Ｌ’の光強度を検出する光検出器５３とから構成されている。

レーザ分光法では、図１２（ｂ）に示すように、レーザ光源５１の発振波長を制御して、レーザ光Ｌの波長を繰り返し掃引するため、掃引した波長範囲内に被測定物Ｅの吸収線がある場合、光検出器５３で検出されるレーザ光Ｌ’の光強度には、図１２（ｃ）に示すように、被測定物Ｅの吸収線に対応したディップＤが現れる。このディップＤの位置と深さにより被測定物Ｅのガス種と濃度を測定・分析する。

実際の応用では、図１２（ｂ）に示したレーザ光Ｌの鋸波の上に、より繰り返し周波数の高い正弦波を重畳させ、レーザ光Ｌ’の受光信号をロックイン検波する波長変調分光法（Wavelength Modulation Spectroscopy）、または周波数変調分光法（Frequency Modulation Spectroscopy）（非特許文献２）と呼ばれる方法や、ガスセル５２内に入射したレーザ光Ｌを高反射率ミラーを用いた光学キャビティの中に閉じ込めることにより実効光路長を稼ぎ高感度化するキャビティリングダウン分光法（ＣＲＤＳ：Cavity Ring-Down Spectroscopy）（非特許文献３）やキャビティ増強吸収分光法（ＣＥＡＳ：Cavity Enhanced Absorption Spectroscopy）（非特許文献４）など、種々の高感度化手法が多く用いられている。

近年、ＣＲＤＳやＣＥＡＳなどのレーザ分光法の高感度化技術の進歩により、同位体比分析に利用できるレーザ分光装置が開発され注目されている。なかでもＰｉｃａｒｒｏ社のＢ２２２１−ｉ（非特許文献５）は、被検査物を燃焼することにより、二酸化炭素と水蒸気を発生させる燃焼装置と、発生させた二酸化炭素と水蒸気の光吸収をＣＲＤＳ法により測定し、炭素または水素、またはその両方の安定同位体比を分析することができるレーザ分光装置を具備したレーザ分光式安定同位体比分析装置である。簡単に炭素や水素の同位体比分析を行うことができるため、食品等の産地や製法、成分などの起源に関する情報を判別・推定するのに有効な手段であると考えられ、注目されている。

特開２０１０−２７６４６６号公報

吉村・神徳・藤井・阪本・界：「高感度レーザガスセンシング技術と同位体比分析応用」，NTT技術ジャーナル，Vol.26，No.2，pp.27-30，2014 G. C. Bjorklund，"Frequency-modulation spectroscopy: a new method for measuring weak absorption and dispersion"，Opt. Lett. 5(1)，pp. 15-17，1980 A. O’Keefe and D. A. G. Deacon："Cavity ring-down optical spectrometer for absorption measurements using pulsed laser sources"，Rev. Sci. Instrum.，Vol.59，No.12，pp.2544-2551，1988 H. R. Barry，L. Corner，G. Hancock，R. Peverall，and G. A. D. Ritchie："Cavity-enhanced absorption spectroscopy of methane at 1.73 μm"，Chem. Phys. Lett.，Vol.333，No.3-4，pp.285-289，2001 B2221-iのデータシート，Picarro社 https://www.si-science.co.jp/product/standard.html http://mypage.iu.edu/~aschimme/files/list%20of%20reference%20materials%20for%20EA-IRMS.pdf

食品などの被検査物の炭素や水素同位体比のサンプルごとの差はごく僅かであるため、極めて高い精度で分析することが必要である。安定同位体比分析装置で測定した測定値そのものを用いるだけでは、装置間の誤差や、測定環境の差などにより生じる測定値の微妙な誤差が問題となり、十分な精度を得られないという問題がある。そのため通常は、安定同位体比が既知のワーキングスタンダードを２種以上、望ましくは３種以上用意し、その安定同位体比を測定し、その測定値と既知の安定同位体比の真値との関係から校正式を算出し、その校正式を用いてサンプルの測定値を校正するという手法が使われている。

しかしながら、レーザ分光式安定同位体比分析装置を用いた炭素、水素安定同位体比分析用ワーキングスタンダードとして用いることができ、かつワーキングスタンダードとして実用的に用いるために必要な量が入手可能なものは、ＩＡＥＡ（International Atomic Energy Agency）が頒布している国際規格の安定同位体比標準物質であるＩＡＥＡ−ＣＨ−７（Polyethylene：δD_VSMOW=-100.3‰，δC_VPDB=-32.151‰）の１種類くらいしかなく、有効な校正を行うことができないという問題があった。

一般に、炭素同位体比測定用のワーキングスタンダードとしてはアミノ酸などの試薬類が多く用いられている（非特許文献６）。しかしながら、これらの試薬類は炭素および窒素のワーキングスタンダードにはなるが、構造中に交換性水素を有しているため、水素同位体比は安定ではなく、そのため水素同位体比測定用のワーキングスタンダードとしては用いることができない。

また、インディアナ大学がＩＲＭＳ用の水素同位体比測定用ワーキングスタンダードとして用いることができる試薬類をいくつか頒布している（非特許文献７）。しかしながら、これらの試薬類は１００ｍｇ程度のごく僅かな量しか入手できず、また高価であるという問題がある。レーザ分光式安定同位体比分析装置を用いた炭素、水素安定同位体比分析では、１回の測定に必要なサンプルの量は概ね３〜５ｍｇであり、精度を出すために１種のサンプルあたり５〜１０回程度繰り返し測定し平均化等の処理をする必要がある。すなわち、１種の試料を測定するためには数十ｍｇ程度のサンプル量が必要になる。

したがって、１００ｍｇ程度の量では２，３回の測定で使い切ってしまうことになるため、常用的に使用するワーキングスタンダードとはなりえない。ワーキングスタンダードとして常用的に使用するためには、少なくとも数ｇ以上の量が入手可能で、かつ安価に入手できることが必要である。また、これらの試薬類の多くは揮発性や昇華性を有する物質であるため、取扱いが難しく、測定の準備・待機中に生じる蒸発や昇華の影響を受け易く、多くの作業負担が必要となるため、精度よく測定することが難しいという問題がある。常用的に使用するワーキングスタンダードとして、少ない作業負担で使用するためには、揮発性や昇華性のない安定した物質であることが望ましい。

本発明はこのような課題を解決するためのものであり、多くの作業負担を必要とすることなく安価に精度よく安定同位体比を測定できる安定同位体比分析技術を提供することを目的としている。

このような目的を達成するために、本発明にかかるレーザ分光式安定同位体比分析法は、被検査物を燃焼させて発生させた二酸化炭素および水蒸気にレーザ光を照射してレーザ分光することにより、前記被検査物中に含まれる炭素、水素、またはその両方の安定同位体比を分析するレーザ分光式安定同位体比分析法であって、前記被検査物の炭素、水素、またはその両方の安定同位体比の測定値を校正するために用いる、安定同位体比が既知のワーキングスタンダードは、石油由来ＰＥＴフィルムと、バイオＰＥポリマと、ＩＡＥＡ−ＣＨ−７（国際標準）の組み合わせである。

前記ポリマの主材料は、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート、またはポリプロピレンからなるものである。

また、前記ポリマのうちの少なくともいずれか１種は、植物系原料を含む原料から作られたバイオプラスチックからなるものである。

また、本発明にかかるレーザ分光式安定同位体比分析装置は、被検査物を燃焼させて発生させた二酸化炭素および水蒸気にレーザ光を照射してレーザ分光することにより、前記被検査物中に含まれる炭素、水素、またはその両方の安定同位体比を分析するレーザ分光式安定同位体比分析装置であって、前記被検査物の炭素、水素、またはその両方の安定同位体比の測定値を校正するために用いる、安定同位体比が既知のワーキングスタンダードは、石油由来ＰＥＴフィルムと、バイオＰＥポリマと、ＩＡＥＡ−ＣＨ−７（国際標準）の組み合わせである。

本発明にかかる多地点安定同位体比分析システムは、被検査物中に含まれる炭素、水素、またはその両方の安定同位体比を分析する安定同位体比分析装置を複数の分析拠点に配置し、これら分析拠点間の分析結果を比較する多地点安定同位体比分析システムであって、前記分析拠点のうちの少なくともいずれか１か所以上の分析拠点に配置された前記安定同位体比分析装置が、前記被検査物を燃焼させて発生させた二酸化炭素および水蒸気にレーザ光を照射してレーザ分光することにより、前記被検査物中に含まれる炭素、水素、またはその両方の安定同位体比を分析するレーザ分光式安定同位体比分析装置からなり、
前記レーザ分光式安定同位体比分析装置において、前記被検査物の炭素、水素、またはその両方の安定同位体比の測定値を校正するために用いる、安定同位体比が既知のワーキングスタンダードは、石油由来ＰＥＴフィルムと、バイオＰＥポリマと、ＩＡＥＡ−ＣＨ−７（国際標準）の組み合わせである。

本発明によれば、安定同位体比の測定値を校正するために用いるワーキングスタンダードは、安価で常用的に十分な量を入手でき、均質性が高くて炭素同位体比や水素同位体比の同一試料内の変動分布が十分小さく、さらに揮発性や昇華性がなく、安定して取扱い易い。したがって、多くの作業負担を必要とすることなく安価に精度よく安定同位体比を測定することが可能となる。

第１の実施の形態にかかるレーザ分光式安定同位体比分析装置（ＴＤＬＳ）の構成を示すブロック図である。ポリマ材料の選定結果である。第１の実施の形態にかかる他のレーザ分光式安定同位体比分析装置（ＣＲＤＳ）の構成を示すブロック図である。図３におけるレーザ光および吸光度を示す特性図である。炭素・水素安定同位体比の測定結果（１回目：校正なし）である。炭素・水素安定同位体比の測定結果（１回目：校正あり）である。炭素・水素安定同位体比の測定結果（２回目：校正なし）である。炭素・水素安定同位体比の測定結果（２回目：校正あり）である。第２の実施の形態にかかる多地点安定同位体比分析システムの構成例である。炭素・水素安定同位体比の測定結果（別拠点：校正なし）である。炭素・水素安定同位体比の測定結果（別拠点：校正あり）である。一般的なレーザ分光法の動作原理を示す説明図である。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
［第１の実施の形態］
まず、図１を参照して、本発明の第１の実施の形態にかかるレーザ分光式安定同位体比分析装置１０について説明する。図１は、第１の実施の形態にかかるレーザ分光式安定同位体比分析装置（ＴＤＬＳ）の構成を示すブロック図である。

このレーザ分光式安定同位体比分析装置１０は、被検査物ｅを燃焼させて発生させた二酸化炭素および水蒸気にレーザ光を照射してレーザ分光することにより、被検査物ｅ中に含まれる炭素、水素、またはその両方の安定同位体比を分析する装置である。
なお、図１に示したレーザ分光式安定同位体比分析装置１０は、波長可変レーザ分光法（ＴＤＬＳ）のうち、最も基本的な構成が例として示されている。

図１（ａ）に示すように、レーザ分光式安定同位体比分析装置１０には、主な機能部として、可変波長のレーザ光Ｌを、ガスセル１２内にあるガス状の被測定物Ｅに照射するレーザ光源１１と、被測定物Ｅを通過したレーザ光Ｌ’の光強度を検出する光検出器１３と、投入されたワーキングスタンダードｗｓや被検査物ｅを燃焼させることにより、ガス化したガス状の被測定物ＷＳ，Ｅとした後、ガスセル１２へ供給する燃焼装置１４とが設けられている。

ＣＲＤＳなどの高感度化技術を利用した分析装置の場合は、適宜その高感度化のための装置が具備される。例えば、Ｂ２２２１−ｉを代表とするＣＲＤＳを用いた分析装置に場合は、レーザ光源１１とガスセル１２の間にレーザ光Ｌを遮断するための光スイッチが具備され、ガスセル１２の内部にはガスセル１２内に入射したレーザ光Ｌを共振によりトラップするための複数の高反射ミラーが具備され、光検出器１３の後段にはトラップされた出力光が、入力光が光スイッチにより遮断された後に減衰する減衰時間（リングダウンタイム）を測定するための高速ＡＤ変換器などが具備されている。

この際、ワーキングスタンダードｗｓや被検査物ｅは、オートサンプラー（図示せず）などを用いて順番に投入される。これにより、例えば１〜５回目に、第一のワーキングスタンダードｗｓ１が燃焼装置１４に投入されて、ガス化されガス状の被測定物ＷＳ１とした後に、ガスセル１２に供給されてレーザ光Ｌ’の光強度が光検出器１３により検出される。この後、６〜１０回目に、第一の被検査物ｅ１が燃焼装置１４に投入されて、ガス化されガス状の被測定物Ｅ１とした後に、ガスセル１２に供給されてレーザ光Ｌ’の光強度が光検出器１３により検出される。

続く、１１〜１５回目に、第二の被検査物ｅ２が燃焼装置１４に投入されて、ガス化されガス状の被測定物Ｅ２とした後に、ガスセル１２に供給されてレーザ光Ｌ’の光強度が光検出器１３により検出される。この後、１６〜２０回目に、第二のワーキングスタンダードｗｓ２が燃焼装置１４に投入されて、ガス化されガス状の被測定物ＷＳ２とした後に、ガスセル１２に供給されてレーザ光Ｌ’の光強度が光検出器１３により検出されることになる。
なお、以上では、１試料ごとに５サンプルずつ測定する例について説明したが、測定するサンプル数は、５サンプルに限定されるものではなく、測定する試料の特質や目標とする測定精度等を鑑み、適宜設定すればよい。

安定同位体比を分析する場合、図１（ｂ）に示すように、レーザ光源１１の発振波長を制御して、レーザ光Ｌの波長を繰り返し掃引する。このため、掃引した波長範囲内に被測定物Ｅの吸収線がある場合、光検出器１３で検出されるレーザ光Ｌ’の光強度には、図１（ｃ）に示すように、被測定物Ｅの吸収線に対応したディップＤが現れる。このディップＤの位置と深さにより被測定物Ｅのガス種と濃度を測定・分析する。
ＣＲＤＳの場合は、レーザ光Ｌの波長を離散的に掃引し、それぞれの波長においてリングダウンタイムを測定することにより被測定物Ｅのガス種と濃度を測定・分析する。

この際、被検査物ｅを燃焼させて発生させた二酸化炭素（ＣＯ₂）および水蒸気（Ｈ₂Ｏ）は、二酸化炭素の場合、質量数１２の炭素原子と質量数１６の酸素原子からなる¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂の他にも、質量数１３の炭素原子と質量数１６の酸素原子からなる¹³Ｃ¹⁶Ｏ₂などが、水蒸気の場合は、質量数１の水素原子２個と質量数１６の酸素原子からなるＨ₂Ｏと、水素原子の一つが質量数２の水素原子である重水素ＤからなるＨＤＯなどが存在する。¹²Ｃ¹⁶Ｏと¹³Ｃ¹⁶Ｏ₂、Ｈ₂ＯとＨＤＯでは吸収する波長が異なるため、被検査物ｅを燃焼させて発生させた二酸化炭素および水蒸気にレーザ光Ｌを照射して、吸収波長及び吸収強度を分析することにより、被検査物ｅに含まれる炭素や水素の同位体比を分析することができる。

一方、動植物などを構成する炭素や水素の同位体比は、地理的情報や植物の種類、食べた餌などの情報と密接に関係していることが知られている。
したがって、被検査物ｅから発生させた二酸化炭素および水蒸気に含まれる同位体の比率を分析すれば、被検査物ｅである食品や飲料の産地、製法、成分などの起源に関する情報を判別・推定することができる。

［ワーキングスタンダードの選定］
食品などの被検査物の炭素や水素同位体比のサンプルごとの差はごく僅かであるため、極めて高い精度で分析することが必要である。安定同位体比分析装置で測定した測定値そのものを用いるだけでは、装置間の誤差や、測定環境の差などにより生じる測定値の微妙な誤差が問題となり、十分な精度を得られない場合がある。
本発明では、安定同位体比が既知のワーキングスタンダードを複数種用意して、その安定同位体比を測定し、その測定値と既知の安定同位体比の真値との関係から校正式を算出し、その校正式を用いて被検査物ｅの測定値を校正する。

レーザ分光式安定同位体比分析装置１０を用いた炭素・水素安定同位体比分析に用いるためのワーキングスタンダードは下記の要件を満たすことが望ましい。本発明では、これらの要件を鑑み、ワーキングスタンダードの選定を行った。
（Ａ）安価であること
（Ｂ）常用的に使用できるだけの十分な量（数ｇ以上）が入手できること
（Ｃ）炭素、水素同位体比が安定していて経時変化が十分小さいこと
（Ｄ）均質性が高く、炭素、水素同位体比の同一試料内の変動分布が十分小さいこと
（Ｅ）揮発性や昇華性がなく、安定して取扱い易いこと
（Ｆ）校正式が測定値を精度よく内挿できるよう、炭素、水素同位体比の値が、測定したい物質の炭素、水素同位体比が分布する範囲を大方カバーできる程度の差を有すること

水素同位体比のワーキングスタンダードを選定する場合は、特に（Ｃ）に注意する必要がある。ヒドロキシル基やカルボキシル基、アミノ基の水素原子は交換性を有することが知られている（特許文献１）。そのため、これらの基を含む物質は、水素同位体比の経時変化が大きいためワーキングスタンダードとしては適していない。したがって、ワーキングスタンダードはヒドロキシル基やカルボキシル基、アミノ基を含まない物質から選定するのが良い。これらの交換性水素を含まず、かつ（Ａ）〜（Ｅ）の条件を満たす材料として、ポリエチレン（ＰＥ）やポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリプロピレン（ＰＰ）等のポリマ材料があげられる。そこで、複数のＰＥ、ＰＥＴ、ＰＰのフィルムやパウダーを入手し評価・選定を行った。

コメや小麦、トウモロコシなどの代表的食品類の多くにおいて、水素同位体比δＤ_VSMOWおよび炭素同位体比δ¹³Ｃ_VPDBは、それぞれ−１５０〜−２０‰および−３０〜−１０‰の辺りに分布することが多い（特許文献１）。したがって、大方上記の範囲をできるだけ広くカバーできる材料を見つけることが（Ｆ）の目標の目安となる。

そこで、入手したＰＥ、ＰＥＴ、ＰＰのフィルムやパウダーの評価をした結果、（Ａ）〜（Ｆ）の条件に最も適した材料として、４種のポリマ材料を選定した。図２は、ポリマ材料の選定結果である。
図２に示す水素同位体比δＤ_VSMOWおよび炭素同位体比δ¹³Ｃ_VPDBのうち、ＩＡＥＡ−ＣＨ−７（ＰＥ）は、ＩＡＥＡによって値付けされた値、それ以外はＤｕａｌＩｎｌｅｔタイプの同位体比質量分析計（ＩＲＭＳ）を用いて値付けを行ったものである。

選定したこれら４種のポリマ材料の中でも、（Ｆ）の条件を満たすという観点から、（ａ）バイオＰＥフィルムが重要であることがわかる。（ａ）バイオＰＥフィルムは他のポリマ材料に比べ水素同位体比が小さく、炭素同位体比は大きい。そのため、目標とする同位体比の範囲をできるだけ広くカバーするという観点から重要な役割をしていることがわかる。

（ａ）バイオＰＥフィルムは、Ｂｒａｓｋｅｍ社が開発・製造しているサトウキビ由来のバイマスポリエチレン樹脂を原料として製造されたＰＥフィルムである。通常、ＰＥ、ＰＥＴ、ＰＰなどのポリマ材料は石油を原料として製造されるため、極端な同位体比の差は生じにくい。特に、炭素同位体比は石油由来のものの場合、−３０‰前後の値になることが知られており、極めて特殊な製法を用いない限り−１５‰以上のものを作ることは困難である。

一方、植物の中でもサトウキビやトウモロコシなどＣ４植物は、炭素同位体比が−１５〜−１０‰程度の値をとることが知られている。したがって、Ｃ４植物を原料としたバイオマスプラスチック樹脂から作られたポリマ材料を採用することにより、石油由来のポリマ材料では困難な（Ａ）〜（Ｅ）の条件を満たし、かつ炭素同位体比が−１５‰以上のワーキングスタンダードを選定することが可能となり、（Ａ）〜（Ｆ）の条件を満足する炭素・水素同位体比分析用ワーキングスタンダードのセットを準備することが可能となる。

なお、本発明において測定する炭素および水素の安定同位体比は、炭素、水素、またはその両方の天然に存在する非放射性同位体についての比を用いればよく、炭素安定同位体比としては¹²Ｃと¹³Ｃの比を用いればよく、水素安定同位体比としては¹ＨとＤ（²Ｈ）の比を用いればよい。これらの安定同位体比は、通常、絶対比ではなく、標準試料の同位体比からの千分偏差としてそれぞれ以下の数式で示されるδ値で表現される。

炭素同位体比は、次の式（１）で示すことができ、水素安定同位体比は、次の式（２）で示すことができる。なお、これら式中、ＳＡＭＰは試料における同位体比を示し、ＳＴＤは標準試料における同位体比を示す。

安定同位体比の標準試料は、水素安定同位体比の標準試料としては、通常、標準平均海水（Vienna Standard Mean Ocean Water：ＶＳＭＯＷ）を用いて表記される。炭素安定同位体比の標準試料としては、通常は、ＰｅｅＤｅｅ層のヤイシ類の化石（Vienna Pee Dee Belemnite：ＶＰＤＢ））を用いて表記される。

［炭素・水素安定同位体比の測定例］
次に、選定したワーキングスタンダードを用いた被検査物の炭素・水素安定同位体比の測定例について説明する。ここでは、被検査物として蜂蜜および水飴を例として用いて説明するが、被検査物についてはこれらに限定されるものではない。

図３は、第１の実施の形態にかかる他のレーザ分光式安定同位体比分析装置（ＣＲＤＳ）の構成を示すブロック図である。図４は、図３におけるレーザ光および吸光度を示す特性図である。

実際の測定では、食品サンプル（蜂蜜および水飴）の炭素・水素安定同位体比を、図３に示すような、キャビティリングダウン分光法（ＣＲＤＳ）を用いたレーザ分光式安定同位体比分析装置２０を用いて測定し、具体的にはＰｉｃａｒｒｏ社Ｂ２２２１−ｉを用いた。キャビティリングダウン分光法は、被測定ガスを高反射率ミラーを用いた光学キャビティの中に閉じ込めることにより実効光路長を稼ぐ方式であり、高感度化な分光法として一般的に広く用いられている。

図３に示すように、レーザ分光式安定同位体比分析装置２０には、主な機能部として、任意の波長Ｗのレーザ光Ｌを出力するレーザ光源２１と、レーザ光Ｌを一定期間だけガスセル２３内に存在するガス状の被測定物Ｅに照射する光スイッチ２２と、被測定物Ｅを通過したレーザ光Ｌ’の光強度を検出する光検出器２４と、投入されたワーキングスタンダードｗｓや被検査物ｅをガス化した後、ガスセル２３へ供給する燃焼装置２５と、光検出器２４からの検出出力Ｑをしきい値と比較して検出された遮断トリガＳに基づき光スイッチ２２を遮断するしきい値回路２６と、検出出力Ｑを高速でＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換回路２７と、レーザ光源２１に対して出力するレーザ光Ｌを指示するとともに、Ａ／Ｄ変換回路２７からの出力と遮断トリガＳとに基づきレーザ光Ｌが光スイッチ２２により遮断された後に減衰する減衰時間（リングダウンタイム）を測定するＰＣなどの制御装置２８が設けられている。

また、図３では、ガスセル２３内の光学キャビティの構成として、Ｂ２２２１−ｉで採用されている光周回型の光学キャビティの構成が示されている。この光学キャビティには、高反射率で周回光路を構成する３つのミラー２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃが設けられ構成されている。また、これらミラー２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃには、ピエゾ駆動装置２３Ｅで駆動されるピエゾアクチュエータ２３Ｄが設けられており、ミラー２３Ａ，２３Ｂとミラー２３Ｃとの距離が微調整される。

光スイッチ２２を介してミラー２３Ａから入力されたレーザ光Ｌは、ミラー２３Ｂ，２３Ｃ，２３Ａの順に反射してガスセル２３内で周回する。この際、ピエゾ駆動装置２３Ｅによりピエゾアクチュエータ２３Ｄが駆動されて、周回光路の光路長が微調整され、レーザ光Ｌの波長Ｗと一定の関係となった時点で、レーザ強度が蓄積され、ミラー２３Ｂから光検出器２４へレーザ光Ｌ’として出力されることになる。これにより、実質的な光路長が数ｋｍから数十ｋｍ程度まで延長されたのと同等の効果を得ることが可能となり、高い感度を得ることができる。

ＣＲＤＳ方式では、被測定物Ｅを通過したレーザ光Ｌ’の光強度を絶対的に測定するのではなく、レーザ光Ｌ’の減衰時間を測定する。図４（ａ）に示すように、任意の波長Ｗを有する一定強度のレーザ光Ｌのパルスを被測定物Ｅに照射した場合、被測定物Ｅを通過したレーザ光Ｌ’の光強度は、パルス終端から徐々に減衰する特性を有しており、この減衰特性は、図４（ｂ）に示すように、被測定物Ｅの吸収線とレーザ光Ｌの波長Ｗとの関係によって変化する。

吸光度は、パルス終端時の受光強度Ｐ０が限界強度Ｐ１まで減衰するのに要する減衰時間（リングダウンタイム）により測定される。例えば、図４（ｂ）に示すように、波長Ｗ１のレーザ光Ｌ’の減衰時間をＴ１とし、波長Ｗ２のレーザ光Ｌ’の減衰時間をＴ２とし、Ｔ１＞Ｔ２という測定結果が得られた場合、波長Ｗ２のレーザ光Ｌ’のほうが被測定物Ｅにより大きく減衰した、すなわち吸光度が大きいということがわかる。したがって、レーザ光Ｌの波長を変えてレーザ光Ｌ’の減衰時間を測定すると、図４（ｃ）のように、波長Ｗ０で吸光度がピークとなる光吸収スペクトルが得られる。この光吸収スペクトルから被測定物Ｅのガス種、及び濃度を特定することができる。

このような減衰時間を測定するには、ガスセル２３内の光学キャビティでレーザ強度が蓄積されて、レーザ光Ｌ’が出力されたタイミングでレーザ光Ｌの入力を遮断する必要があるため、実際の装置では、しきい値回路２６で光検出器２４からの検出出力Ｑを一定のしきい値と比較し、検出出力Ｑがしきい値を超えた時点で、光スイッチ２２によりレーザ光Ｌの入力を遮断している。

制御装置２８は、Ａ／Ｄ変換回路２７で得られたしきい値回路２６からの遮断トリガＳから減衰時間Ｔの測定を開始し、光検出器２４からの検出出力Ｑが限界強度Ｐ１に到達した時点で減衰時間Ｔの測定を終了することにより、任意の波長Ｗにおける減衰時間Ｔを得ている。実際には、この減衰時間Ｔから、被測定物Ｅの吸収スペクトルが得られ、その吸収スペクトルから、被測定物Ｅを構成する分子の種類、及びそれらの濃度が導出される。レーザ分光法では、同じ種類の分子（例えばＣＯ₂）でも同位体分子（例えば、¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂と¹³Ｃ¹⁶Ｏ₂）は吸収特性が異なるため、同位体分子は別の分子としてそれぞれの濃度を測定することができる。そのため安定同位体比を分析することができる。

測定に際し、被検査物である蜂蜜および水飴と、ワーキングスタンダードとして用いる、（ａ）バイオＰＥフィルム、（ｄ）ＩＡＥＡ−ＣＨ−７（ＰＥ）、（ｂ）石油由来ＰＥＴフィルムとを、それぞれ約３〜６ｍｇずつ取り分け、すずカプセルに包み測定サンプルを作製した。

測定サンプルは、それぞれの試料につき７個ずつ作製した。作製した７個ｘ５種類、計３５個の測定サンプルを燃焼装置に附属したオートサンプラーに、（ａ）バイオＰＥフィルム７個、（ｄ）ＩＡＥＡ−ＣＨ−７（ＰＥ）７個、（ｂ）石油由来ＰＥＴフィルム７個、蜂蜜７個、水飴７個の順にセットしたのち測定をスタートし、炭素・水素安定同位体比分析を行った。

測定した各７セットの同位体比データのうち、始めの２〜３個の、特に水素同位体比のデータはメモリー効果により前の試料の影響を若干受ける可能性があるため、始めの３個の測定値は採用せず、後半４個のデータのみを採用し、この４個のデータの平均を求めそれぞれの測定値とした。図５は、炭素・水素安定同位体比の測定結果（１回目：校正なし）である。

これら３種のワーキングスタンダード（ａ），（ｄ），（ｂ）の測定値をｘ軸に、表１に示した真値をｙ軸にとり、最小二乗法を用いて校正式を算出した。式（３）は炭素同位体比δ¹³Ｃ_VPDBの校正式であり、式（４）は水素同位体比δＤ_VSMOWの校正式である。

これらの校正式を用いて、図２の蜂蜜および水飴に関する測定値を校正し、安定同位体比を算出する。図６は、炭素・水素安定同位体比の測定結果（１回目：校正あり）である。
この際、測定の再現性・精度を評価するため、同じ測定を同じ装置を用いて数日後に行った。図７は、炭素・水素安定同位体比の測定結果（２回目：校正なし）である。図８は、炭素・水素安定同位体比の測定結果（２回目：校正あり）である。

図５および図７の測定結果（校正なし）から、同一の装置で同一の被検査物の同位体比を測定する場合であっても、微妙な周囲環境等の諸々の条件により、安定同位体比の測定値そのものは変動し誤差が生じていることがわかる。この場合、水素同位体比は５‰以上、炭素同位体比は０．３‰以上の誤差が生じている。

一方、図６および図８の測定結果（校正あり）から、ワーキングスタンダードを用いて算出した校正式で校正すれば、安定同位体比は極めて高い精度で合致していることがわかる。

［第１の実施の形態の効果］
このように本実施の形態は、安定同位体比が既知のワーキングスタンダードとして、少なくとも２種以上のポリマを用いるようにしたものである。
これにより、例えばＩＲＭＳ用の水素同位体比測定用ワーキングスタンダードとして頒布されている試薬類（非特許文献７）と比較して、ポリマは、安価で常用的に十分な量を入手でき、均質性が高くて炭素同位体比や水素同位体比の同一試料内の変動分布が十分小さく、さらに揮発性や昇華性がなく、安定して取扱い易い。したがって、多くの作業負担を必要とすることなく安価に精度よく安定同位体比を測定することが可能となる。

また、本実施の形態において、ワーキングスタンダードとして主材料がＰＥ、ＰＥＴ、またはＰＰであるポリマを用いるようにしてもよい。
これらＰＥ、ＰＥＴ、ＰＰ等のポリマ材料は、また、水素同位体比の経時変化が大きい、ヒドロキシル基やカルボキシル基、アミノ基などの交換性水素を含んでいない。このため、測定基準となる炭素、水素同位体比が安定していて経時変化が十分小さいため、高い精度で、被検査物の測定結果を校正することができる。

また、本実施の形態において、ポリマのうちの少なくともいずれか１種は、植物系原料を含む原料から作られたバイオプラスチックを用いるようにしてもよい。
これにより、植物系原料を含む原料から作られたバイオプラスチックである、サトウキビやトウモロコシなどのＣ４植物は、炭素同位体比が−１５〜−１０‰程度の値をとるため、コメや小麦、トウモロコシなどの代表的食品類の多くが持つ炭素同位体比−３０〜−１０‰の分布範囲を大方カバーすることができる。したがって、被検査物がコメや小麦、トウモロコシなどの代表的食品類である場合でも、極めて高い精度で、被検査物の測定結果を校正することができる。

［第２の実施の形態］
次に、図９を参照して、本発明の第２の実施の形態にかかる多地点安定同位体比分析システム３０について説明する。図９は、第２の実施の形態にかかる多地点安定同位体比分析システムの構成例である。

この多地点安定同位体比分析システム３０は、被検査物中に含まれる炭素、水素、またはその両方の安定同位体比を分析する安定同位体比分析装置を複数の分析拠点に配置し、これら分析拠点間の分析結果を比較するシステムである。
図９の例では、東京および大阪に本発明にかかるワーキングスタンダードを用いたレーザ分光式安定同位体比分析装置１０または２０が設置されており、札幌には本発明にかかるワーキングスタンダードを用いた一般的な質量式安定同位体比分析装置３１が設置されており、博多には従来のワーキングスタンダードを用いた一般的な質量式安定同位体比分析装置３１が設置されている。なお、質量式に代えて他の方式の安定同位体比分析装置を用いてもよい。

食品や飲料品、農産物等は、広い範囲で生産され、また広域に流通する場合が多い。また、特に、生鮮品の場合などは迅速に流通することが必須であり、途中で検査等に長い時間をかけることはできない。したがって、食品等の産地や原料を推定するなどの目的で実施される安定同位体比分析は、複数の分析拠点を持つ多地点安定同位体比分析システム３０を用いて迅速に実施されることが望ましい。

しかしながら、安定同位体比を分析する分析装置や、分析装置が設置されている環境が違えば、当然、炭素・水素同位体比の計測値に誤差が生じる。特に、レーザ分光式安定同位体比分析装置の場合、前述したように、ワーキングスタンダードとして用いられていた従来の試薬類の多くは、
高価で十分な量を確保するのが難しいうえに、揮発性や昇華性を有する物質であるため、取扱いが難しく、測定の準備・待機中に生じる蒸発や昇華の影響を受け易く、多くの作業負担が必要となるため、精度よく測定することが難しい。したがって、地点間、装置間の測定誤差を補正することが難しく、複数の分析拠点を有する多地点安定同位体比分析システム３０を構築する際は、大きな問題となる。

本実施の形態は、多地点安定同位体比分析システム３０を構成する安定同位体比分析装置のうち、レーザ分光式安定同位体比分析装置１０，２０については、第１の実施の形態を適用して、ワーキングスタンダードとして、少なくとも２種以上のポリマを用いるようにしたものである。これにより、レーザ分光式安定同位体比分析装置１０，２０における測定誤差を抑制でき、多地点安定同位体比分析システム３０全体の測定精度を向上させることができる。

この際、質量式安定同位体比分析装置３１におけるワーキングスタンダードとしては、市販のワーキングスタンダードを用いることもできるが、レーザ分光式安定同位体比分析装置１０と同じものを用いることが望ましい。同じワーキングスタンダードを用いることにより多地点安定同位体比分析システム３０全体でより良い測定精度を得ることができる。
また、多地点安定同位体比分析システム３０で用いる安定同位体比分析装置が、すべてレーザ分光式安定同位体比分析装置１０，２０であってもよく、その場合は、すべてのレーザ分光式安定同位体比分析装置１０，２０で、同じワーキングスタンダードを用いればよい。

図１０は、炭素・水素安定同位体比の測定結果（別拠点：校正なし）である。図１１は、炭素・水素安定同位体比の測定結果（別拠点：校正あり）である。
図１０を前述した図５および図７と比較すると、測定に使用する装置が異なると、装置の調製状態や、内部の校正パラメータの設定等の違いにより、安定同位体比の測定値そのものには大きな差が生じていることがわかる。

一方、図１１を前述した図６および図８と比較すると、レーザ分光式安定同位体比分析装置２０において、ワーキングスタンダードとして少なくとも２種以上のポリマを用いた場合、測定値が精度よく校正されて、装置間の測定誤差が極めて小さく抑えられていることがわかる。

［実施の形態の拡張］
以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。また、各実施形態については、矛盾しない範囲で任意に組み合わせて実施することができる。

１０…レーザ分光式安定同位体比分析装置、１１…レーザ光源、１２…ガスセル、１３…光検出器、１４…燃焼装置、２１…レーザ光源、２２…光スイッチ、２３…ガスセル、２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ…ミラー、２３Ｄ…ピエゾアクチュエータ、２３Ｅ…ピエゾ駆動装置、２４…光検出器、２５…燃焼装置、２６…しきい値回路、２７…Ａ／Ｄ変換回路、２８…制御装置、３０…多地点安定同位体比分析システム、３１…質量式安定同位体比分析装置、Ｌ，Ｌ’ …レーザ光、ｅ…被検査物、ｗｓ…ワーキングスタンダード、Ｅ，ＷＳ１，ＷＳ２…被測定物、Ｄ…ディップ、Ｑ…検出出力、Ｓ…遮断トリガ。

Claims

被検査物を燃焼させて発生させた二酸化炭素および水蒸気にレーザ光を照射してレーザ分光することにより、前記被検査物中に含まれる炭素、水素、またはその両方の安定同位体比を分析するレーザ分光式安定同位体比分析法であって、
前記被検査物の炭素、水素、またはその両方の安定同位体比の測定値を校正するために用いる、安定同位体比が既知のワーキングスタンダードは、石油由来ＰＥＴフィルムと、バイオＰＥポリマと、ＩＡＥＡ−ＣＨ−７（国際標準）の組み合わせであることを特徴とするレーザ分光式安定同位体比分析法。
被検査物を燃焼させて発生させた二酸化炭素および水蒸気にレーザ光を照射してレーザ分光することにより、前記被検査物中に含まれる炭素、水素、またはその両方の安定同位体比を分析するレーザ分光式安定同位体比分析装置であって、
前記被検査物の炭素、水素、またはその両方の安定同位体比の測定値を校正するために用いる、安定同位体比が既知のワーキングスタンダードは、石油由来ＰＥＴフィルムと、バイオＰＥポリマと、ＩＡＥＡ−ＣＨ−７（国際標準）の組み合わせであることを特徴とするレーザ分光式安定同位体比分析装置。
被検査物中に含まれる炭素、水素、またはその両方の安定同位体比を分析する安定同位体比分析装置を複数の分析拠点に配置し、これら分析拠点間の分析結果を比較する多地点安定同位体比分析システムであって、
前記分析拠点のうちの少なくともいずれか１か所以上の分析拠点に配置された前記安定同位体比分析装置が、前記被検査物を燃焼させて発生させた二酸化炭素および水蒸気にレーザ光を照射してレーザ分光することにより、前記被検査物中に含まれる炭素、水素、またはその両方の安定同位体比を分析するレーザ分光式安定同位体比分析装置からなり、
前記レーザ分光式安定同位体比分析装置において、前記被検査物の炭素、水素、またはその両方の安定同位体比の測定値を校正するために用いる、安定同位体比が既知のワーキングスタンダードは、石油由来ＰＥＴフィルムと、バイオＰＥポリマと、ＩＡＥＡ−ＣＨ−７（国際標準）の組み合わせである
ことを特徴とする多地点安定同位体比分析システム。