JPH09119921A - 光音響作用によりアイソトープの比を分析しそしてガスを検出するシステム及び方法 - Google Patents

光音響作用によりアイソトープの比を分析しそしてガスを検出するシステム及び方法

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JPH09119921A
JPH09119921A JP8205543A JP20554396A JPH09119921A JP H09119921 A JPH09119921 A JP H09119921A JP 8205543 A JP8205543 A JP 8205543A JP 20554396 A JP20554396 A JP 20554396A JP H09119921 A JPH09119921 A JP H09119921A
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acoustic
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JP8205543A
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Mau-Song Chou
ソン チョウ マウ
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    • 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
    • G01N21/1702—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated with opto-acoustic detection, e.g. for gases or analysing solids

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
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  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光音響作用を用いてアイソトープの比を分析
しそしてガスを検出するシステム及び方法を提供する。 【解決手段】 １７００ないし２５００ｎｍのテルテー
ル吸収波長を有するアイソトープ及び他の化合物を光音
響的に分析するシステム及び方法が開示される。このシ
ステム及び方法は、１７００ないし２５００ｎｍの間に
同調できるＣｏ：ＭｇＦ2 、光学的パラメータ発振器
（ＯＰＯ）又はダイオードレーザを含み、これは、検出
可能な音響放射を発生するに充分なエネルギーでサンプ
ルに向けられる。マイクロホンは、この放射を処理及び
分析のために検出する。上記システム及び方法は、13Ｃ
Ｏ2 のような安定なアイソトープ化合物及び他の化学的
化合物を検出するようにされる。非気体サンプルの場合
には、ＣＯ2 又はダイオードレーザを用いて、推測され
る化合物を含むガスサンプルをホトアブレートする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、アイソトープの比
を分析しそしてガスを検出するシステム及び方法に係
り、より詳細には、光音響作用を用いてアイソトープの
比を分析しそしてガスを検出するシステム及び方法に係
る。
【０００２】
【従来の技術】医療の分野では、放射性アイソトープを
標識とする化合物を用いて種々の状態を研究することが
知られている。しかしながら、放射性アイソトープの使
用は、保管及び廃棄の観点からだけでなく、過剰な照
射、病気又は他の苦痛を回避するために患者に付与する
線量を監視しなければならないという観点からも問題を
生じる。
【０００３】放射性アイソトープの使用に関連した欠点
とは別に、安定した非放射性アイソトープを用いて種々
の医学的状態を診断できることも知られている。リー氏
の米国特許第４，６８４，８０５号に開示されたよう
に、安定な非放射性アイソトープを標識とする脂肪を投
与した後に被験者の呼吸を監視することにより脂肪の新
陳代謝を診断することができる。より詳細には、13Ｃを
標識とする脂肪を被験者に投与することができ、脂肪は
新陳代謝作用を受け、そしてアイソトープは、呼気中の
13ＣＯ2 として被験者から排出される。13ＣＯ2 の存在
及び／又は濃度、或いは自然に発生する12ＣＯ2 に対す
るその濃度の比を用いて、新陳代謝及びその割合を分析
研究することができる。
【０００４】同様に、13Ｃを標識とする胆汁酸及びガラ
クトースを注入した後に呼気を監視しそして13ＣＯ2 と
して存在する13Ｃアイソトープに対して呼気を検査する
ことにより回腸及び肝臓の機能不全を診断することがで
きる。13Ｃを標識とするキシローズを吸入した後にこの
場合も13ＣＯ2 として生じる標識アイソトープに対して
呼気を監視することにより小腸の細菌の過剰成長を診断
することができる。
【０００５】マーシャル氏の米国特許第４，８３０，０
１０号は、アイソトープを標識とする尿素を使用して胃
腸病の診断を行うことを開示している。
【０００６】明らかなように、適用できれば、安定な非
放射性アイソトープの使用は、放射性アイソトープの使
用に関連した保管及び廃棄の観点からだけではなく、健
康上の観点からも、放射性アイソトープの使用に勝る著
しい効果を有する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】医療分析における放射
性アイソトープの使用から非放射性アイソトープの使用
への移行は、標識アイソトープの存在を検出する満足な
手段および技術が存在する場合にのみ著しく有用であ
る。安定なアイソトープを化学的に分析するために質量
分析がしばしば使用される。しかしながら、この技術に
伴う欠点は、低レベルの水蒸気を除去するために非常に
質の高い真空、精巧なサンプル作成を必要とし、及び／
又は装置及び技術者の労力という観点から比較的高価な
ことである。更に、質量分析方法では、同じ質量をもつ
化合物を容易に区別できず、例えば、 13ＣＯ2 を12ＣＯ
ＯＨ及び12Ｃ16Ｏ17Ｏから区別できない。
【０００８】従って、例えば、患者の新陳代謝率を研究
するために安定な非放射性アイソトープを使用すること
が普及しそして放射性アイソトープを必要とするこれま
でのテストに取って代わる場合には、標識とする安定な
非放射性アイソトープの存在を検出するための方法及び
装置であって、上記の分析技術に関連した問題を克服す
る方法及び装置が基本的に要望される。
【０００９】医療分野に加えて、アイソトープの研究
は、地質学的な分野でも有用である。炭酸塩の沈殿又は
大気中における13ＣＯ2 と12ＣＯ2 の比の分析は、ＣＯ
2 の生成及び吸収のサイクルを決定するのに重要であ
る。クランドール氏の米国特許第４，５１７，４６１号
には、オイルサンプルの多数の個々の有機化合物のアイ
ソトープ組成を測定することによる地球化学的オイル踏
査及び調査を利用して、他のオイル埋蔵層の位置を予想
したり又はオイルが通常の埋蔵部又は地層から移動した
場所を予想することが説明されている。このシステムに
おいては、アイソトープ化合物又は当該成分の存在を検
出するための検出器であって、上記質量分析のような分
析技術の問題や欠点のない検出器が必要とされる。
【００１０】更に、アイソトープ分析とは別に、サンプ
ル内の他の幾つかの推測される成分の存在を検出するた
めの検出器が一般的に要望される。多数の例として、化
学プラントや電力プラント等において又はその周囲でＣ
Ｏ、ＮＨ3 、ＨＣＬ、Ｈ2 Ｓ及びＨＦのような有毒蒸気
に対し、空気のサンプルを監視して分析することができ
る。このような成分の存在に向けられた高速で、信頼性
がありそして経済的な検出器は、汚染に対抗しそして有
害成分の漏出、放出又は存在を検出するための貴重なツ
ールを構成する。多くの現在の化学的分析技術は、低速
で且つ高価であるという点でしばしば不充分である。
【００１１】路上を走行する乗物の汚染に対する放出物
検査も、主たる汚染源を排除しそして全体的な空気の質
を改善するために重要である。この場合も、高速で、信
頼性がありそして正確な検出方法及び検出器は、空気汚
染に対抗する貴重なツールである。
【００１２】高速で、経済的で且つ信頼性のある検出器
及び方法が重要となる他の例は、天然ガスのパイプライ
ンの近傍の空気をサンプリングして漏れの存在を決定す
ることである。クロロベンゼン等の幾つかの濃密な非水
相の地層の化学物質（ＤＮＡＬＰ）を汚染物として含む
土壌も、このような汚染物の存在を検出するための高速
で、経済的で且つ信頼性の高い検出方法、システム及び
検出器を必要とする。
【００１３】別の例として、軍事又はセキュリティの分
野で、爆発物又は化学兵器化合物の存在を決定するため
に、高速で、信頼性があり且つ正確な検出器及び方法が
要望される。
【００１４】以上は、質量分析又はガスクロマトグラフ
ィーの欠点を被らない信頼性のある安価な検出器を必要
とする幾つかの例である。
【００１５】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、約１７
００ないし２５００ｎｍの範囲の少なくとも１つの吸収
波長を有するガス中の選択された成分を検出するための
光音響システム及び方法が提供される。又、安定なアイ
ソトープ化合物を生体に導入することにより生体の新陳
代謝状態を検査し、成分分子を含むサンプルとして生体
から解放されるアイソトープは、１７００ないし２５０
０ｎｍの間の少なくとも１つの吸収波長を有するアイソ
トープを含み、そして生体から解放されたサンプルを光
音響的に分析して上記成分を含む当該アイソトープを検
出するためのシステム及び方法も提供される。成分の存
在及び濃度の決定を用いて、上記化合物を含むアイソト
ープが生体によりいかに新陳代謝されるかを決定するこ
とができる。
【００１６】更に、非気体サンプルに含まれた成分であ
って、約１７００ないし２５００ｎｍの間の吸収波長を
有する成分の光音響検出を用いるためのシステム及び方
法も提供される。
【００１７】この目的のために、約１７００ないし２５
００ｎｍの範囲の少なくとも１つのテルテール又はフィ
ンガープリント吸収波長を有するガス中の選択された成
分を検出するための光音響システム及び方法を説明す
る。このシステム及び方法は、推測される成分の１つ以
上のフィンガープリント波長に対応するように１７００
ないし２５００ｎｍの選択された波長に同調できる電磁
放射のソースを含む。この放射は、成分によって吸収さ
れるべくサンプルに向けられる。吸収波長に対応する波
長の電磁放射の吸収は、成分分子を励起し、それらを周
囲の分子に衝突させて、検出可能な音響放射を発生す
る。このため、電磁ソースは、吸収に応答してサンプル
内に音響放射を発生するに充分なエネルギーを有する。
約１ないし１６０ｍＪ／パルスのエネルギー出力を有す
るパルス式Ｃｏ：ＭｇＦ2 レーザは、検出及び測定のた
めの比較的強力な音響放射を誘起する。マイクロホンの
ような検出器を用いて、音響放射を検出し、そしてそれ
に応答して、その音響放射に比例する電気信号を発生す
る。データプロセッサは、電気信号を処理して、検出さ
れた音響放射をバックグランドの音響放射から抽出し、
そしてこれら放射を複数のパルス放射にわたって平均化
し、これにより、信号対雑音比を改善する。
【００１８】特定の用途においては、上記の光音響検出
システム及び方法を用いて生体の新陳代謝状態が検査さ
れる。この方法は、安定なアイソトープ化合物を生体に
導入し、検査を受ける新陳代謝系統により吸い上げるよ
うにすることを含む。この化合物は、生体によって代謝
作用を受け、アイソトープは、生体から、例えば、呼気
として通過される。例えば、安定なアイソトープは、13
Ｃを標識とする脂肪、 13Ｃを標識とする胆汁酸及びガラ
クトース、又は13Ｃを標識とするキシローズとして投与
される13Ｃであり、これは、代謝作用を受けると、患者
の呼気によって 13ＣＯ2 として解放される。レーザの出
力は、呼気サンプルに向けられ、レーザは、13ＣＯ2 の
フィンガプリント吸収波長に対応する波長に同調され、
そして成分アイソトープ、即ち13ＣＯ2 の存在に応答し
て音響放射を発生するに充分なエネルギーを有してい
る。この場合も、１７００ないし２５００ｎｍに同調で
きそして約１ないし１６０ｍＪ／パルスのエネルギー出
力を有するパルス式Ｃｏ：ＭｇＦ2 レーザは、その範囲
内の上記フィンガプリント波長を有する13ＣＯ2 のよう
な安定なアイソトープ化合物の存在を検出するのに特に
適すると分かった。吸収されたエネルギーにより発生さ
れる音響放射はマイクロホンにより検出され、音響放射
に比例する電気信号が発生されて処理され、成分ガスの
音響放射をバックグランド音響放射から抽出し、そして
それら放射を複数のレーザパルスにわたって平均化し
て、信号対雑音比を改善する。13ＣＯ2 の濃度、及び／
又は自然発生する12ＣＯ2 に対する13ＣＯ2 の比をある
時間にわたって分析し、13Ｃを標識とする脂肪又は他の
標識の化合物が代謝作用を受ける割合を決定することが
できる。呼吸のＣＯ2 の分析は、レーザ放射を患者から
の呼気に向けることによってその場で行われる。或いは
又、呼気を収集しそしてテストセルにおいて光音響検出
を通して分析される。
【００１９】別の実施形態においては、非気体状サンプ
ルに含まれた推測される成分の濃度を検出しそして決定
するための光音響検出システム及び方法が開示され、推
測される成分は、１７００ないし２５００ｎｍのフィン
ガプリント吸収波長を有するものである。この実施形態
によれば、ホトアブレーション(photoablation) プロセ
スを用いて土壌又は液体のような非気体サンプルから蒸
気が放出される。このため、ＣＯ2 又はダイオードレー
ザがサンプルに向けられて蒸気サンプルをホトアブレー
トする。その後、解放された蒸気サンプルは、上記した
光音響検出システム及び方法を受ける。１７００ないし
２５００ｎｍのフィンガプリント吸収波長を有する成分
の存在は、検出しようとする成分のフィンガプリント波
長に対応する波長にわたってＣｏ：ＭｇＦ2 レーザを同
調し、それにより得られる音響放射を検出しそしてその
検出された音響信号を処理することにより検出される。
【００２０】明らかなように、１７００ないし２５００
ｎｍの吸収波長を有するサンプル内の成分の存在を検出
するための簡単で、安価で且つ使用し易い光音響検出シ
ステム及び方法が提供される。これまで質量分析及び／
又はガスクロマトグラフィー分析を必要としたこの範囲
内の吸収波長を有するあるアイソトープ、化学物質、及
び化合物は、ここで、光音響検出により分析することが
できる。
【００２１】更に、特定の用途として、安定なアイソト
ープを導入しそしてそれらの呼気を光音響検出すること
により生体の新陳代謝状態を検査することができ、これ
により、他の高価な技術の使用又は危険な放射性アイソ
トープの使用を回避できる。
【００２２】サンプルが所望の形態、例えば、ＣＯ2 の
形態にない用途では、ガスクロマトグラフ及び燃焼室を
用いて、所望の化合物を分離し、それをＣＯ2 に変換す
ることができる。
【００２３】更に、本発明による検出システム及び方法
は、約１７００ないし２５００ｎｍの範囲内に入る特性
フィンガプリント吸収波長を有する化学物質及び化合物
の現場での検出に適用される。これは、光音響検出をこ
れまで利用し得なかったある爆発物、化学兵器物質、ロ
ケットの排出物、有毒化学物質、核廃棄物又は汚染物の
検出を含む。
【００２４】
【発明の実施の形態】本発明のこれら及び他の特徴及び
効果は、添付図面を参照した以下の詳細な説明及び特許
請求の範囲から良く理解されよう。
【００２５】図１を参照し、本発明の一般的な特徴を説
明する。図示されたように、本発明は、１７００ないし
２５００ｎｍの範囲に入る１つ以上のテルテール又はフ
ィンガプリント吸収波長、即ち４０００ないし５８８０
ｃｍ-1の波数をもつ分子を有した推測される成分に対し
サンプルを光音響分析するためのシステム１０に関す
る。このため、システム１０は、上記範囲内に入る波長
に同調できる電磁放射のソースであってレーザ１２とし
て実施されたソースを備えている。このレーザ１２は、
Ｃｏ：ＭｇＦ2 レーザ、光学パラメータ発振器（ＯＰ
Ｏ）レーザ又はダイオードレーザのようなパルス式のも
のであって、１７００ないし２５００ｎｍの範囲に同調
できそして少なくとも１ないし１６０ｍＪのエネルギー
出力を有するのが好ましい。Ｃｏ：ＭｇＦ2 レーザは、
広い同調範囲を有し、近赤外線領域の上音及び結合帯域
において分子吸収の励起に使用でき、約０．６ｃｍ-1の
比較的狭いスペクトル線巾を有していて、特定の化学分
子を他の分子による干渉を最小にして選択的に励起する
ことができ、そして励起の際に比較的強い音響放射を誘
起するに充分なエネルギー出力を有するという点で、好
ましい。
【００２６】レーザ１２の出力をテストセル１４に向け
るために、システム１０は、光ファイバ１６のような光
送信手段を備えている。光ファイバ１６は、レーザ１２
のパルス出力をテストセル１４に通信する。光ファイバ
１６は、レーザ１２の出力波長において低い吸収性を有
する二酸化シリコンベースのファイバ又はフッ素ガラス
ベースのファイバである。レンズ１８は、ファイバ１６
からの電磁放射をテストセル１４及びそこに含まれたサ
ンプルに収束する。
【００２７】テストセル１４は、適当な手段により閉じ
られそして推測される成分を含むサンプルが充填され
る。透明な窓２０は、選択された分子を励起するために
レーザ１２の出力をテストセル１４へ収束できるように
する。或いは又、光ファイバ１６をテストセル１４へ通
すように配置しそしてレンズ１８をテストセル内に配置
することもできる。
【００２８】更に図１を参照すれば、テストセル１４に
おける音響応答を検出するために、システム１０は、レ
ーザ１２の同調範囲を通して分子の励起に対する音響応
答を検出するためのマイクロホン２２のような音響検出
器を備えている。マイクロホン２２は、音響放射のため
のいかなる適当な検出器でもよい。検出可能な音響放射
に応答して、マイクロホン２２は、電子信号を発生し、
この信号は、前置増幅器２４によって増幅され、そして
その後、電気的フィルタ２６に通される。フィルタ２６
から、音響信号の検出に応答した信号は、遠隔配置する
ことのできるデータプロセッサ２８へ向けられる。
【００２９】明らかなように、１つ以上のフィンガプリ
ント吸収波長が１７００ないし２５００ｎｍの範囲に入
るような推測される成分を有するガスを含むサンプルが
テストセル１４に受け取られると、システム１０は、そ
の成分の存在を検出するのに使用することができる。レ
ーザ１２は、パルス状のコリメートされた電磁放射を発
生するように付勢され、上記成分の推測されるフィンガ
プリント波長の範囲を通じて同調される。レーザ１２
は、実質的な検出可能な音響信号を形成するに充分なエ
ネルギーの出力を有し、上記音響信号は、マイクロホン
２２によって検出され、そして推測される成分の有無を
指示するデータを得るように処理される。
【００３０】図１を参照し続けると、テストセル１４へ
導入されるべきサンプルがＣＯ2 の形態でない場合に
は、ガスクロマトグラフ３０を使用して、サンプル内の
種々の成分を分離することができ、ガスクロマトグラフ
３０からの流出物は燃焼室３２へ供給されて、炭素アイ
ソトープを含む成分がＣＯ2 の形態に変換され、例えば
13Ｃが13ＣＯ2 に変換される。今やＣＯ2 の形態に変換
されたアイソトープを含む成分は、次いで、テストセル
１４に分析のために送られる。それ故、ガスクロマトグ
ラフ３０及び燃焼室３２を含むシステム１０は、炭素ア
イソトープに対してサンプルを分析するのに使用できる
ことが明らかである。
【００３１】図２には、本発明によるシステム１０の更
に別の実施形態が示されている。この実施形態は、１７
００ないし２５００ｎｍの範囲に入るフィンガプリント
吸収波長を有する成分分子に対して屋外環境においてサ
ンプルを現場で分析するのに用いられる。例えば、空気
のサンプルは、図２のシステム１０により、ＣＯ、ＮＨ
3 、Ｈ2 Ｏ、ＨＣＯ、Ｈ2 Ｓ、ＨＦ、ＣＨ4 、Ｃ2 Ｈ2
又はＣ2 Ｈ6 のアイソトープ組成の種々の形態に対し、
或いは１７００ないし２５００ｎｍのフィンガプリント
吸収波長の分子を有する他の組成に対して分析される。
図２のシステム１０は、レーザ１２と、光ファイバ１６
と、レンズ１８とを備えている。レンズ１８は、パルス
状のコリメートされた電磁放射を、テストされるべき屋
外環境に配置されたマイクロホン２２の至近へ向ける。
マイクロホン２２の至近の屋外サンプル、より詳細に
は、適当な帯域巾のレーザ１２によって付勢されたとき
に１７００ないし２５００ｎｍの吸収波長を有する成分
の分子は、マイクロホン２２によって検出される音響信
号を発生する。マイクロホン２２は、上記のように、音
響応答の強度に比例して電気信号を発生し、これら信号
は、前置増幅器２４へ送られ、フィルタ２６を経て、プ
ロセッサ２８へ送られる。
【００３２】図２に示す実施形態によるシステム１０
は、波数が約４８００ないし５１５０ｃｍ-1の自然発生
するアイソトープを含むＣＯ2 のスペクトルを検出する
ために実験的に使用された。レーザ１２は、フロリダ
州、オリアンドのシュワルツ・エレクトル・オプティッ
ク社により製造されたＣｏｂｒａ ２０００ Ｃｏ：Ｍ
ｇＦ2 レーザであり、マイクロホン２２は、ジョージア
州、デカチュアのＢ＆Ｋインスツルーメント社により供
給されるタイプ４１３６マイクロホンであり、前置増幅
器２４は、Ｂ＆Ｋインスツルーメント社のタイプ２６１
８であり、そしてデータプロセッサ２８は、ヒューレッ
ト・パッカード社の５４１１Ｄデジタイジングオシロス
コープであった。ＣＯ2 ガスが屋外へ放出され、そして
レーザ１２の出力は、レンズ１８により、放出されたＣ
Ｏ2 ガス中に配置されたマイクロホン２２から約３ｃｍ
の焦点に収束された。
【００３３】図４には、波数が約４８８５ないし４９２
７ｃｍ-1の天然に豊富にあるアイソトープを含み上記装
置を用いて光音響的に検出されたＣＯ2 のスペクトルが
示されている。レーザ１２は上記範囲にわたり同調され
ているので、多数のスペクトル構造が検出される。これ
ら構造のＣＯ2 は、その構造に対応する波数においてエ
ネルギーを吸収して、ＣＯ2 の分子を励起し、これら分
子は、次いで、周囲の分子と衝突して、検出可能な音響
信号を形成する。図示された波数にわたるエネルギーの
導入に対する検出可能な音響応答は、ＣＯ2 に最も豊富
にあるアイソトープの存在を特に表している。図５に
は、同じ範囲において天然に豊富にあるアイソトープを
含むＣＯ2 の理論的な線強度が示されている。測定され
て図４に示された音響応答は、図５に示された12ＣＯ2
及び13ＣＯ2 の合成された理論的な線強度に厳密に一致
することが明らかである。
【００３４】図４に示されたセグメント「Ａ」の構造
は、13ＣＯ2 に起因し、一方この帯域「Ａ」の各側のス
ペクトル構造「Ｂ」及び「Ｃ」は、12ＣＯ2 に起因す
る。従って、本発明の光音響システム１０は、天然に豊
富にあるレベルにおいて13ＣＯ2：12ＣＯ2 の比を求め
るのに使用することができる。本発明による光音響シス
テム１０は、５ｘ１０-5の低いレベルにおいて13Ｃ
Ｏ2 ：12ＣＯ2 のアイソトープ比を求めることができる
と考えられる。
【００３５】システム１０は、比較的簡単で、安価で、
使い易く、且つサンプル内の微量の推測される成分を検
出できることが明らかである。
【００３６】図１を参照すれば、システム１０は、人間
のような生体における新陳代謝率を診断する方法に適用
される。一例として、この方法は、安定なアイソトープ
化合物を生体に導入し、検査を受ける新陳代謝系統によ
って取り込んで処理させることを含む。この化合物は、
脂肪がいかに新陳代謝されるかを検査するための13ＣＯ
を標識とする脂肪、回腸又は肝臓に機能不良が推測され
る場合の13ＣＯを標識とする胆汁酸及びガラクトースで
あり、或いは小腸の細菌の過剰成長を検査するために13
Ｃを標識とするキシローズが投与されてもよい。13Ｃを
標識とする脂肪が投与される場合には、脂肪が新陳代謝
を受け、13Ｃアイソトープが13ＣＯ2 に変換され、身体
から呼気として放出される。呼吸のＣＯ2 は、図２に示
すような開放環境においてその場で測定することができ
る。或いは又、13ＣＯ2 を含む呼気のサンプルをテスト
セルにおいてある間隔で測定された体積に収集し、光音
響検出してもよい。
【００３７】呼気のサンプルは、その後、システム１０
により分析される。より詳細には、各々の又は多数のサ
ンプルがテストセル１４に入れられ、そしてレーザ１２
が作動されて約４８９２ないし４９１３ｃｍ-1の波長を
通して同調され、13ＣＯ2 の存在を表す音響応答を発生
するようにされる。電力レベルは、13ＣＯ2 の分子が励
起されたときに検出可能な音響応答を発生するように選
択される。この形態において、新陳代謝、即ち脂肪の新
陳代謝は、安定なアイソトープを標識とする化合物及び
システム１０を用いて検査することができる。以上の方
法は、放射性アイソトープの使用を必要とせず、アイソ
トープ化合物の存在を迅速に且つ確実に検出し、この方
法の効率を向上させる。
【００３８】或いは又、呼吸のＣＯ2 を光音響検出方法
及び装置により患者の口の前方において現場で分析する
ことができる。この構成は、分析結果をほぼ瞬時に発生
し、サンプルをテストセルに収集して保存することに関
連したコストを低減するという効果を有する。
【００３９】13Ｃを標識とする胆汁酸及びガラクトース
を投与した後に呼気を検査することにより回腸又は肝臓
の機能不良を調査することができ、そして13Ｃを標識と
するキシローズが投与されさ後に小腸の細菌の過剰成長
を検査することができる。安定なアイソトープ化合物が
被験者からＣＯ2 でない形態で放出されるとすれば、ガ
スクロマトグラフ３０及び燃焼室３２を使用して、その
放出されたサンプルをＣＯ2 の形態に変換し、システム
１０によって分析することができる。
【００４０】図６には、約２１５０ないし２４５０ｎｍ
の塩化メチレン蒸気の光音響的に検出されたスペクトル
が示されている。この蒸気は、塩化メチレンの液体に窒
素ガスで泡を立てそして随伴蒸気を空気中へ放出するこ
とにより生成された。レーザ１２が蒸気に収束されそし
て上記範囲に同調されると、多数のスペクトル構造が検
出される。これらのスペクトル構造は、文献で知られて
いるメチレン蒸気の吸収スペクトルに良好に一致する。
これらの構造は、ここに述べる光音響検出方法により蒸
気を分析するための診断特性として使用することができ
る。
【００４１】図２のシステム１０は、多数のガス及び蒸
気を現場で簡単に、安価に且つ正確にテストすることが
明らかであろう。屋外システムにおいてＣＨ4 、Ｃ2 Ｈ
2 及びＣ2 Ｈ6 に対し各々約１ｘ１０-5、６ｘ１０-5及
び１ｘ１０-5の濃度を検出できると考えられる。
【００４２】図３には、本発明によるシステム１０の更
に別の実施形態が示されている。上記したように、図３
のシステム１０は、上記形式のレーザ１２を備え、その
出力は、光ファイバ１６及びレンズ１８を経てテストセ
ル１４へ向けられる。テストセル１４内には、爆発物、
化学溶媒、化学兵器化合物等の半揮発物を含む固体又は
液体サンプルのような非蒸気サンプルが含まれている。
この実施形態では、システム１０により検出するために
サンプルから蒸気を放出するための装置が設けられる。
この装置は、例えば、ＣＯ2 又はダイオードレーザ３４
であり、これはレンズ３６によりテストセル１４及びサ
ンプルに収束される。ＣＯ2 レーザ３４からのエネルギ
ーは、ホトアブレーションにより、システム１０により
検出するための揮発物をサンプルから放出させる。幾つ
かの例として、土壌へ流されて、非水相の層として一緒
に凝集する傾向のあるトリクロロエチレン、クロロベン
ゼン、１，１−ジクロロ−エタン、１，１−ジクロロ−
エチレン、１，２ジクロロ−エタン、クロロホルム、四
塩化炭素、１，１，２，２−四塩化エタン、テトラクロ
ロエチレン、二臭化エチレン、Ｏ−クレゾール、Ｐ−ク
レソ、Ｍ−クレソ、フェノール及びナフタリンは、これ
らの化学物質が上記波長帯域内に入る強力な吸収線を有
するという点で検出することができる。更に、例えば、
硝酸アンモニウム（約２３００ｎｍ）、過塩素酸アンモ
ニウム（約２０００ｎｍ）、ニトロベンゼン、及び非対
称のジメチルヒドロジンのような多くの爆発物は、近赤
外線の吸収が強力であると共に、上記波長帯域における
吸収が強力である。これら爆発物の至近で得られたサン
プルを分析するか、又はサンプルが蒸気であるこの又は
前記の実施形態によりそれらの放出に続いて分析するこ
とにより、システム１０は、これら化合物の存在を決定
するのに使用できる。
【００４３】又、図２のシステム１０により、非気体サ
ンプル、即ち液体、固体又はその混合サンプルに対して
ホトアブレーションを現場で使用することもできる。こ
の実施形態では、ホトアブレーションにより、液体又は
固体から蒸気サンプルが放出され、レーザ１２が上記の
ように検出のために蒸気に向けられる。
【００４４】更に、光音響技術は、空気又は土壌中の化
学兵器物質の存在を監視するのに使用することもでき
る。タブン(Taben) （ＧＡ）は、４２５５ｎｍにおいて
強力なＣ＝Ｎの基本的な伸びを有し、それに対応する上
音帯域が約２１２８ｎｍ付近で生じるはずである。サリ
ン(Sarin) （ＧＢ）及びソマン(Soman) （ＧＤ）も、同
様に、３４６５ｎｍにおいて強力なＰ−ＣＨ3 の基本的
な伸びを有し、それに対応する上音帯域が、約１７３２
ｎｍ付近で生じるはずである。ＣＯ2 レーザ３２（又は
ダイオードレーザ）を含む図３に示すシステム１０は、
化学兵器化合物を非接触で、現場で、リアルタイムで監
視できるようにこれら化学物質の検出性を向上するのに
使用できる。サンプルが蒸気の場合は、図２のシステム
１０を使用することができる。
【００４５】他の幾つかの例として、ロケットの排出物
及びより詳細にはそのＨＣＬ成分を上記システム１０に
より検出することができる。
【００４６】以上、本発明の幾つかの実施形態を説明し
たが、請求の範囲に規定された本発明の精神及び範囲か
ら逸脱せずに多数の修正や変更がなされ得ることが理解
されよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によりアイソトープの比を分析するため
の検出システム及び方法を示す概略図である。
【図２】蒸気サンプル中の成分の存在を検出するための
本発明による光音響検出システム及び方法の概略図であ
る。
【図３】非気体サンプル中の成分の存在を検出するため
の光音響検出システム及び方法の概略図である。
【図４】４８８５ないし４９２７ｃｍ-1のＣＯ2 （天然
に豊富にあるアイソトープを含む）の光音響スペクトル
を示すグラフである。
【図５】天然に豊富にある各成分における12ＣＯ2 及び
13ＣＯ2 の吸収線の理論的な線強度を示すグラフであ
る。
【図６】空気中の塩化メチレン蒸気の光音響スペクトル
を示すグラフである。
【符号の説明】
１０ 光音響分析のためのシステム １２ レーザ １４ テストセル １６ 光ファイバ １８ レンズ ２０ 透明窓 ２２ マイクロホン ２６ 電気的フィルタ ２８ データプロセッサ ３０ ガスクロマトグラフ ３２ 燃焼室 ３４ レーザ ３６ レンズ
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成８年９月３日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】

Claims (48)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 約１７００ないし２５００ｎｍの範囲の
    少なくとも１つの吸収波長を有するサンプル内の選択さ
    れた成分を検出するための光音響システムにおいて、 上記成分の少なくとも１つの吸収波長に対応するように
    約１７００ないし２５００ｎｍの選択された波長を発生
    し、上記成分の存在を指示する音波を発生するに充分な
    エネルギーを有する電磁放射のソースであって、上記放
    射がサンプルに向けられるような電磁放射のソースと、 上記音波を検出し、そしてその音響放射に比例する電子
    信号を発生するための音響検出器と、 上記信号を処理して、成分ガスの音響放射をバックグラ
    ンド音響放射から抽出すると共に、その成分音響放射を
    複数のパルスにわたって平均化して信号対雑音比を改善
    するためのプロセッサとを備えたことを特徴とする光音
    響システム。
  2. 【請求項２】 上記電磁放射のソースは、１７００ない
    し２５００ｎｍの波長に同調できる請求項１に記載のシ
    ステム。
  3. 【請求項３】 上記電磁放射のソースは、パルス式のソ
    ースである請求項２に記載のシステム。
  4. 【請求項４】 上記電磁放射のソースは、変調され連続
    波のソースである請求項２に記載のシステム。
  5. 【請求項５】 上記電磁放射のソースは、１ないし１６
    ０ｍＪのエネルギーレベルにおいて１７００ないし２５
    ００ｎｍに同調できるＣｏ：ＭｇＦ2 レーザである請求
    項３に記載のシステム。
  6. 【請求項６】 上記電磁放射のソースは、光学パラメー
    タ発振器（ＯＰＯ）レーザである請求項３に記載のシス
    テム。
  7. 【請求項７】 上記電磁放射のソースは、ダイオードレ
    ーザである請求項３に記載のシステム。
  8. 【請求項８】 上記レーザの出力を送信する光ファイバ
    コンジットと、上記出力をサンプルへ収束するレンズと
    を備えた請求項５に記載のシステム。
  9. 【請求項９】 上記光ファイバコンジットは、１７００
    ないし２５００ｎｍの範囲において低い吸収性をもつよ
    うにされた請求項８に記載のシステム。
  10. 【請求項１０】 サンプルの種々の成分を分離するため
    のガスクロマトグラフと、このガスクロマトグラフの流
    出物をＣＯ2 の形態としてサンプルに変換する燃焼室と
    を更に備えた請求項１に記載のシステム。
  11. 【請求項１１】 サンプルを保持するためのテストセル
    を更に備えた請求項１に記載のシステム。
  12. 【請求項１２】 約１７００ないし２５００ｎｍの範囲
    の少なくとも１つの吸収波長を有する蒸気サンプル内の
    推測される成分を検出するための光音響システムにおい
    て、 上記成分の少なくとも１つの吸収波長に対応するように
    １７００ないし２５００ｎｍの波長に同調でき、上記吸
    収に応答して上記サンプルに音波を発生するに充分なエ
    ネルギーを有する電磁放射のソースであって、上記サン
    プルに向けられた電磁放射のソースと、 上記吸収に応答して発生された音波を検出し、そしてそ
    の検出された音波の強度に比例する電子信号を発生する
    ためのマイクロホンと、 上記電子信号を処理して、上記成分による吸収に応答し
    て発生された音響放射を外来の検出音響放射から抽出す
    るためのプロセッサとを備えたことを特徴とする光音響
    システム。
  13. 【請求項１３】 上記電磁放射のソースは、同調可能な
    Ｃｏ：ＭｇＦ2 レーザである請求項９に記載のシステ
    ム。
  14. 【請求項１４】 上記放射のソースは、光学パラメータ
    発振器（ＯＰＯ）レーザである請求項１２に記載のシス
    テム。
  15. 【請求項１５】 上記放射のソースは、ダイオードレー
    ザである請求項１２に記載のシステム。
  16. 【請求項１６】 上記レーザソースの出力はパルス状で
    あり、上記プロセッサは、成分音響放射を複数のパルス
    にわたって平均化する請求項１３に記載のシステム。
  17. 【請求項１７】 上記出力レーザは、変調された連続的
    ソースレーザである請求項１３に記載のシステム。
  18. 【請求項１８】 上記レーザの出力をサンプルへ導通す
    る光ファイバコンジットを更に備えた請求項１３に記載
    のシステム。
  19. 【請求項１９】 上記光ファイバは、二酸化シリコンを
    ベースとするものである請求項１８に記載のシステム。
  20. 【請求項２０】 上記レーザの出力をサンプルへ収束す
    るためのレンズを更に備えた請求項１９に記載のシステ
    ム。
  21. 【請求項２１】 上記サンプルを保持しそして分離する
    ためのテストセルを更に備えた請求項１２に記載のシス
    テム。
  22. 【請求項２２】 ガスクロマトグラフと、組成をＣＯ2
    の形態として蒸気サンプルへ変換する燃焼室とを更に備
    えた請求項１２に記載のシステム。
  23. 【請求項２３】 ホトアブレーションにより、非蒸気組
    成から蒸気サンプルを解放するための手段を更に備えた
    請求項１２に記載のシステム。
  24. 【請求項２４】 約１７００ないし２５００ｎｍの範囲
    の少なくとも１つの吸収波長を有する蒸気サンプル内の
    推測される成分を光音響検出するための方法において、 電磁照射を上記サンプルに向け、この電磁放射は、上記
    成分の少なくとも１つの吸収波長に対応するように１７
    ００ないし２５００ｎｍの間の選択された波長に同調で
    き、そして上記吸収に応答して上記サンプルに音波を発
    生するに充分なエネルギーを有し、 上記吸収に応答して発生された音波を検出し、そしてそ
    の音波の強度に比例する電子信号を発生し、 上記成分による吸収に応答して発生された音響放射を表
    す信号を他の信号から抽出するように信号を処理し、そ
    してその処理された信号を読み取り可能な形態で与え
    る、という段階を備えたことを特徴とする方法。
  25. 【請求項２５】 １７００ないし２５００ｎｍの間の選
    択された波長に同調できる電磁放射のソースとしてＣ
    ｏ：ＭｇＦ2 レーザを設ける請求項２４に記載の方法。
  26. 【請求項２６】 １７００ないし２５００ｎｍの間の選
    択された波長に同調できる電磁放射のソースとして光学
    パラメータ発振器を設ける請求項２４に記載の方法。
  27. 【請求項２７】 ダイオードレーザに同調できる電磁放
    射のソースとして光学パラメータ発振器を設ける請求項
    ２４に記載の方法。
  28. 【請求項２８】 レーザの出力をパルス化する請求項２
    ４に記載の方法。
  29. 【請求項２９】 電磁放射の連続波ソースを変調するこ
    とを含む請求項２４に記載の方法。
  30. 【請求項３０】 光ファイバコンジットを経てサンプル
    へ電磁放射を向けることを含む請求項２４に記載の方
    法。
  31. 【請求項３１】 電磁放射をサンプルへレンズで収束す
    ることを含む請求項３０に記載の方法。
  32. 【請求項３２】 サンプルを閉じたテストセルに配置
    し、電磁放射をテストセル及びサンプルに向ける請求項
    ２４に記載の方法。
  33. 【請求項３３】 非気体サンプルにおいて約１７００な
    いし２５００ｎｍの範囲の少なくとも１つの吸収線を有
    するサンプル内の選択された成分の存在を検出するため
    の光音響システムにおいて、 選択された成分を含む蒸気としてサンプルから揮発物を
    ホトアブレートするための装置と、 １７００ないし２５００ｎｍの間の波長にわたって同調
    できるパルス状のコリメートされた電磁放射のソース
    と、 選択された成分によって吸収されるように蒸気に放射を
    向ける手段とを備え、上記電磁ソースは、選択された成
    分の存在を指示する音響信号を蒸気に発生するに充分な
    エネルギーを有し、 上記音響信号を検出するマイクロホンと、 上記放射の各パルスごとに検出信号を処理して、成分ガ
    スの音響放射をバックグランド音響放射から抽出し、そ
    してそれを複数のパルスに対して平均化して、信号対雑
    音比を改善するためのプロセッサとを備えたことを特徴
    とする光音響システム。
  34. 【請求項３４】 上記ホトアブレーション装置は、ＣＯ
    2 レーザ又はダイオードレーザより成るグループから選
    択されたレーザである請求項３３に記載のシステム。
  35. 【請求項３５】 上記放射のソースは、１７００ないし
    ２５００ｎｍに同調できそして１ないし１６０ｍＪの範
    囲の出力エネルギーを有するレーザであり、そしてＣ
    ｏ：ＭｇＦ2 レーザ、光学的パラメータ発振器レーザ又
    はダイオードレーザより成るグループから選択される請
    求項３３に記載のシステム。
  36. 【請求項３６】 サンプルを保持するためのテストセル
    を更に備えた請求項３３に記載のシステム。
  37. 【請求項３７】 非気体組成において約１７００ないし
    ２５００ｎｍの範囲の少なくとも１つの吸収線を有する
    選択された成分の存在を検出するための方法において、 上記成分を含む揮発物を上記組成からホトアブレート
    し、 電磁放射を上記揮発物に向け、上記放射は、１７００な
    いし２５００ｎｍの間の波長にわたり同調可能であっ
    て、上記成分が上記電磁エネルギーを吸収するのに応答
    して揮発物に音響信号を発生するのに充分なエネルギー
    を有し、 上記音響信号を検出し、そして上記検出された音響信号
    を処理して、吸収に応答して発生された音響放射信号を
    読み取り可能な形態で抽出する、という段階を備えたこ
    とを特徴とする方法。
  38. 【請求項３８】 上記電磁放射のソースとしてＣｏ：Ｍ
    ｇＦ2 レーザを設ける請求項３７に記載の方法。
  39. 【請求項３９】 上記電磁放射のソースとして光学的パ
    ラメータ発振器レーザを設ける請求項３７に記載の方
    法。
  40. 【請求項４０】 上記電磁放射のソースとしてダイオー
    ドレーザを設ける請求項３７に記載の方法。
  41. 【請求項４１】 上記放射をパルス化することを含む請
    求項３７に記載の方法。
  42. 【請求項４２】 電磁放射の連続波ソースを変調するこ
    とを含む請求項３７に記載の方法。
  43. 【請求項４３】 生体の新陳代謝状態を検査する方法に
    おいて、 安定なアイソトープ化合物を、新陳代謝系統により吸い
    上げるように生体に導入し、この化合物は、新陳代謝作
    用を受けて、生体からサンプルとして取り出され、この
    サンプルは、１７００ないし２５００ｎｍの吸収波長を
    有する形態でアイソトープを含み、 レーザのパルス出力をサンプルに向け、上記レーザは、
    新陳代謝したアイソトープを含む化合物の吸収波長に対
    応する波長にわたって同調され、そしてアイソトープ化
    合物の存在に応答して音波を発生するに充分なエネルギ
    ーを有し、 上記音波を検出しそしてその音響放射に比例する電気信
    号を発生し、そして上記電気信号を処理して、成分ガス
    の音響放射をバックグランド音響放射から抽出すると共
    に、成分音響放射を複数のパルスにわたって平均化し
    て、信号対雑音比を改善する、という段階を備えたこと
    を特徴とする方法。
  44. 【請求項４４】 Ｃｏ：ＭｇＦ2 レーザのパルス出力を
    サンプルに向け、このレーザは、１７００ないし２５０
    ０ｎｍの間に同調できそして１ないし１６０ｍＪのエネ
    ルギーレベルの出力を有する請求項４３に記載の方法。
  45. 【請求項４５】 光学的パラメータ発振器レーザのパル
    ス出力をサンプルに向け、このレーザは、１７００ない
    し２５００ｎｍの間に同調できそして１ないし１６０ｍ
    Ｊのエネルギーレベルの出力を有する請求項４２に記載
    の方法。
  46. 【請求項４６】 ダイオードレーザのパルス出力をサン
    プルに向け、このレーザは、１７００ないし２５００ｎ
    ｍの間に同調できそして１ないし１６０ｍＪのエネルギ
    ーレベルの出力を有する請求項４３に記載の方法。
  47. 【請求項４７】 13Ｃを標識とする脂肪化合物を導入す
    ることを含み、生体で脂肪が新陳代謝され、13Ｃアイソ
    トープを生体から13ＣＯ2 呼気サンプルとして取り出す
    請求項４３に記載の方法。
  48. 【請求項４８】 13Ｃを標識とする胆汁酸及びガラクト
    ース化合物を導入することを含み、生体でこの化合物が
    新陳代謝され、13Ｃアイソトープを生体から 13ＣＯ2 呼
    気サンプルとして取り出す請求項４３に記載の方法。
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