JPH1194738A - ガス測定装置及び同位体濃度比測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 レーザー光の吸収を利用して同位体濃度比の
測定を感度良く行う。 【解決手段】 ¹²ＣＯ₂と¹³ＣＯ₂の同位体濃度比を測定
するために、¹³ＣＯ₂を利用したレーザー装置１０と¹²
ＣＯ₂を利用したレーザー装置１２が利用される。それ
らのレーザー光が、検体ガス（試薬投与後の被検者の呼
気）が封入された外部共振器２０と規準ガス（通常のＣ
Ｏ₂ガス又は試薬投与前の呼気）が封入された外部共振
器２２とに導入される。規準ガスの同位体濃度比と検体
ガスの同位体濃度比の相違が差動増幅器の出力レベルと
して観測される。外部共振器２０、２２ではレーザー光
の共振を利用してガスによる光吸収を感度良く検出でき
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はガス測定装置及び同
位体濃度比測定装置に関し、特に、被測定ガス中の複数
の同位体の濃度比をレーザー光の吸収を利用して分析す
る装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】化学や医療の分野などにおいて、同位体
をトレーサーとして利用する分析法が知られている。そ
のトレーサーとしては従来から放射性同位体が多く用い
られている。これは放射線検出によってトレーサーの挙
動を簡単に検出できるからである。しかし、放射性同位
体には被曝や管理面での問題があるため、近年では、非
放射性同位体がトレーサーとして利用されている。

【０００３】ところで、最近、胃壁に存在可能な細菌で
ある「ヘリコバクター・ピロリ」が胃潰瘍や胃癌などを
発現させる原因体であるという報告が出されている。ヘ
リコバクター・ピロリは尿素を分解して二酸化炭素（Ｃ
Ｏ₂）を発生する性質を有する。それゆえ、その性質を
利用し、ヘリコバクター・ピロリの有無や存在量を検査
する手法が提案されている。具体的には、被検者に尿素
系試薬を経口投与してから一定時間後、当該被検者の呼
気を採取し、その呼気中にヘリコバクター・ピロリが生
成した二酸化炭素が含まれるか否かに基づいて、その存
在の有無が判定される。

【０００４】この場合、上記の尿素系試薬を非放射性同
位元素である¹³Ｃでラベリングし、呼気中の¹³ＣＯ₂と
¹²ＣＯ₂の比とその自然界における存在比（１：９９）
との間における僅かなずれを測定すれば、ヘリコバクタ
ー・ピロリを定量できる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】同位体の濃度比を測定
する手法として、質量分析による方法、スペクトル分析
による方法など各種の方法が知られている。しかし、従
来のいずれの手法でも、簡単かつ高感度に同位体濃度比
の分析を行うことは困難である。特に、従来のヘリコバ
クター・ピロリの検査法では、分解能を確保するために
多量の呼気が必要とされ、その取扱の不便さや被検者の
負担が指摘されている。

【０００６】なお、上記のような細菌の分析に限られ
ず、一般のガス分析においても、簡単かつ高感度に特定
物質の定量を行える装置が要望されている。

【０００７】米国特許4,684,805号公報にはサンプルガ
ス中にレーザー光を通過させ、その際の光ガルバノ効果
による光吸収を検出することによって、同位体比の測定
を行う装置が記載されている。しかしながら、ガス中を
レーザー光が１回通過する際におけるレーザー光の吸収
はほんの僅かなものであり、検出感度を高めることは困
難である。

【０００８】米国特許5,394,236号公報（特開平7-20054
号公報）、特開平4-364442号公報、特開平6-18411号公
報には、同位体比の測定装置が開示されているが、簡単
な構成でありながら高精度に同位体比の分析を行える装
置は実現されていない。

【０００９】本発明は、上記従来の課題に鑑みなされた
ものであり、その目的は、レーザー光の吸収を利用して
被測定ガスの分析・測定を高感度かつ低コストで行える
装置を提供することにある。

【００１０】本発明の他の目的は、呼気分析を行う場合
に少量の呼気で十分な感度を得られる装置を提供するこ
とにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】

（１）上記目的を達成するために、本発明は、レーザー
光を出力するレーザー発振器と、被測定ガスが導入され
る吸収セルとその両端部に設けられた一対のミラーとを
有し、入射されるレーザー光を共振させる測定用共振器
と、前記被測定ガスによるレーザー光の吸収を検出する
ための光吸収検出手段と、を含むことを特徴とする。

【００１２】上記構成によれば、レーザー発振器からの
レーザー光が測定用共振器に入射されると、その共振器
内でレーザー光が多数回往復反射しつつ共振することに
なる。レーザー光はその反射ごとに被測定ガスによる光
吸収を受けるので、本発明によれば、結果として、光吸
収度合いを従来よりも増大でき、高い検出感度を得られ
る。

【００１３】以上のように、本発明によれば、レーザー
装置などに設けられる共振器と同様の共振器が測定用の
外部共振器として利用され、その測定用共振器を利用し
て特定原子又は分子の高感度検出を達成でき、またセル
内に導入するガスの必要量を従来よりも削減できる。

【００１４】上記の一対のミラーは望ましくは互いに対
向配置され、例えば、一方が入射ミラーで他方が出射ミ
ラーとなる。その場合、入射ミラーはセル内部からのレ
ーザー光を完全反射するように構成するのが望ましく、
出射ミラーはほとんどレーザー光を反射し、一部（例え
ば数％）のみの光を透過するように構成するのが望まし
い。一対のミラー間の距離は基本的に共振条件に基づい
て設定される。

【００１５】本発明の望ましい態様では、前記測定用共
振器における一対のミラー間の光路長を周期的に可変す
る光路長掃引手段が設けられる。ここで、望ましくは、
前記光路長掃引手段は圧電素子である。このような光路
長の掃引によればミラー間の距離に多少誤差（製造誤
差、経年変化など）があっても、掃引中のいずれかの時
点で、レーザー光を同調できる。すなわち、ミラー間で
定在波を形成でき、その時の光吸収を利用して高感度で
ガス分析等を行える。なお、光路長掃引手段として圧電
素子を利用すれば、簡単な構成で掃引を実現でき、また
その圧電素子に供給する電気信号の周波数等を調整すれ
ば自在に掃引周期を調整できる。

【００１６】本発明の望ましい態様では、前記吸収セル
内でガス放電を行わせる放電手段を含む。この場合、例
えば、高周波（ＲＦ）を利用して放電が行われ、あるい
は断続的な直流高電圧の印加によって放電が行われる。

【００１７】本発明の望ましい態様では、前記光吸収検
出手段は、前記測定用共振器から出射するレーザー光を
検出する光検出器を含む。

【００１８】（２）上記目的を達成するために、本発明
は、第１の同位体に対応する波長をもった第１のレーザ
ー光を出力する第１のレーザー発振器と、第２の同位体
に対応する波長をもった第２のレーザー光を出力する第
２のレーザー発振器と、サンプルガスが入れられる吸収
セルとその両端部に設けられた一対のミラーとを有し、
同時又は別個に入射される前記第１及び第２のレーザー
光を共振させる第１の測定用共振器と、規準ガスが入れ
られる吸収セルとその両端部に設けられた一対のミラー
とを有し、同時又は別個に入射される前記第１及び第２
のレーザー光を共振させる第２の測定用共振器と、前記
サンプルガス及び前記規準ガスによる各レーザー光の吸
収を検出するための光吸収検出手段と、前記サンプルガ
ス及び前記規準ガスによる各レーザー光の吸収に基づい
て同位体濃度比の演算を行う濃度比演算手段と、を含む
ことを特徴とする。

【００１９】上記構成によれば、第１の測定用共振器及
び第２の測定用共振器には、それぞれサンプルガス及び
規準ガスが導入され、それらのガスによるレーザー光の
吸収を利用して原子又は分子の同位体の濃度比が演算さ
れる。

【００２０】第１の測定用共振器においては、サンプル
ガス中の第１の同位体によって第１のレーザー光に対す
る光吸収が観測され、一方、サンプルガス中の第２の同
位体成分によって第２のレーザー光に対する光吸収が観
測される。その光吸収の差あるいは比から濃度比が演算
される。その際、第２の測定用共振器はいわゆる基準値
校正用あるいは基準値参照用に利用される。例えば、第
２の測定用共振器における規準ガス中の第１の同位体に
よる第１のレーザー光の光吸収と規準ガス中の第２の同
位体による第２のレーザー光の光吸収の差がゼロになる
ように感度調整が行われ、あるいは、それらの比が濃度
比演算に当たってのリファレンスとして利用される。

【００２１】なお、第１のレーザー光及び第２のレーザ
光はそれぞれ測定しようとする同位体の共鳴吸収線にそ
れぞれ一致する波長を有するように生成され、例えば第
１の同位体第２の同位体の濃度比を測定する場合、第１
のレーザー発振器ではレーザー媒質として第１の同位体
が利用され、第２のレーザー発振器ではレーザー媒質と
して第２の同位体が使用される。

【００２２】本発明によれば、測定用共振器内でレーザ
ー光が往復多重反射するので、これによって高い光吸収
効果を得られる。すなわち、少ないガスの量で高感度の
検出を行える。

【００２３】本発明の望ましい態様では、前記光吸収検
出手段は、前記第１のレーザー光及び前記第２のレーザ
ー光に対応して設けられた第１及び第２の光検出器を含
み、前記第１及び第２のレーザー発振器から出射された
第１及び第２のレーザー光を前記第１又は第２の測定用
共振器に導く第１の光路切替器と、前記第１又は第２の
測定用共振器から出射された第１及び第２のレーザー光
を前記第１及び前記第２の光検出器に導く第２の光路切
替器と、が設けられたことを特徴とする。

【００２４】本発明の望ましい態様では、前記第１及び
第２の光検出器からの出力信号の差分を演算する差分演
算器を含み、前記濃度比演算手段は、前記差分演算器の
出力に基づいて濃度比を演算する。

【００２５】本発明の望ましい態様では、前記第１及び
第２の光路切替器の切替周期に従って、前記差分演算器
の出力を同期検波するロックインアンプを含む。また、
本発明の望ましい態様では、前記第１の同位体は¹³ＣＯ
₂であり、前記第２の同位体は¹²ＣＯ₂である。また、本
発明の望ましい態様では、前記サンプルガスは呼気であ
る。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
を図面に基づいて説明する。

【００２７】図１には、本実施形態に係るガス測定装置
である同位体濃度比測定装置の全体構成がブロック図と
して示されている。この装置は、レーザー光の吸収を利
用して同位体の濃度比を測定する装置であり、特に、上
述したヘリコバクター・ピロリの検査のために、試薬投
与後における被検者の呼気中の同位体の濃度比（¹²ＣＯ
₂：¹³ＣＯ₂）を分析する呼気分析装置である。

【００２８】図１において、レーザー装置１０及びレー
ザー装置１２は、いわゆる炭酸ガスレーザー装置であ
り、それぞれ一般の炭酸ガスレーザーと同様のガス組成
（例えばＣＯ₂、Ｎ₂、Ｈｅ）及び分圧比を有する。ただ
し、レーザー装置１２では、ＣＯ₂ガスとして通常のＣ
Ｏ₂ガスが利用されている。これは、同位体の存在比が
自然の同位体存在比（¹²ＣＯ₂：¹³ＣＯ₂が９９：１）で
あるガスである。一方、レーザー装置１０では、¹³ＣＯ
₂が主体となったＣＯ₂ガスが利用されている。従って、
レーザー装置１２では、10.6μmを中心とした波長のレ
ーザー光が生成され、レーザー装置１０では、11.0μm
を中心とした波長のレーザー光が生成される。

【００２９】本実施形態の装置は、呼気中における¹²Ｃ
Ｏ₂と¹³ＣＯ₂の濃度比を測定するものであるため、上記
のように¹²ＣＯ₂レーザー装置と¹³ＣＯ₂レーザー装置と
が利用される。もちろん、他の同位体濃度比を測定する
場合には、その測定を行う同位体ごとに光吸収を生じる
固有の波長をもったレーザー光を生成するレーザー装置
を用意する。

【００３０】レーザー装置１０、１２は、一般の炭酸ガ
スレーザー装置と同様の構造を有する。レーザー装置１
０は、¹³ＣＯ₂ガスが封入されるレーザー媒質セル１４
ａと、その両端部に設けられたミラー１４ｂ及び１４ｃ
と、からなるレーザー共振器１４を有する。レーザー装
置１２は、¹²ＣＯ₂ガスが封入されるレーザー媒質セル
１６ａと、その両端部に設けられたミラー１６ｂ及び１
６ｃと、からなるレーザー共振器１６を有する。それぞ
れのレーザー共振器（内部共振器）１４、１６では、光
共振によってレーザー光が増強・生成される。ミラー１
４ｂ及びミラー１６ｂは完全反射を生ずるミラーであ
り、ミラー１４ｃ及びミラー１６ｃは一部（例えば１％
の光量）を透過させるミラーである。すなわち、ミラー
１４ｃ及び１６ｃを介してレーザー光が出射される。

【００３１】なお、各レーザー共振器１４、１６にはそ
の内部ガスを電離させるための放電電極（又は放電コイ
ル）などが設けられているが、図示省略されている。ち
なみに、それらの放電装置には放電用電源７２からの交
流又は直流の高圧電力が供給される。

【００３２】本実施形態の装置において、外部共振器
（測定用共振器）２０及び２２は、ガスによる光吸収を
測定するための機構である。検体ガス用の外部共振器２
０には、被検者の呼気として検体ガス（サンプルガス）
が封入される。その呼気は、¹³Ｃによってラベリングさ
れた尿素系試薬を被検者に経口投与してから一定時間
後、当該被検者から採取されたものである。一方、規準
ガス用の外部共振器２２は、リファレンスとして用いら
れるものであり、その外部共振器２２には自然界の同位
体存在比をもったＣＯ₂ガスか、あるいは上記の尿素系
試薬投与前の被検者の呼気が封入される。

【００３３】外部共振器２０及び２２は、基本的には、
レーザー装置における内部共振器と同様の構成を有して
いる。具体的に説明すると、外部共振器２０は、空洞容
器で内部にガスが充填される吸収セル２０ａと、その両
端部に設けられレーザー光を反射する一対のミラー２０
ｂ、２０ｃと、で構成される。これと同様に、測定用共
振器２２は、吸収セル２２ａと一対のミラー２２ｂ、２
２ｃとで構成される。ちなみに、ミラー２０ｂ及び２２
ｂは入射ミラーであって、レーザー光のセル内への入射
を許容するとともにセル内からのレーザー光を反射する
ものである。ミラー２０ｃ及び２２ｃは出射ミラーであ
って、セル内からのレーザー光をほとんど反射し一部の
レーザー光を通過させるものである。これらのミラーは
光軸に対して垂直に配置され、例えば公知の誘電体多層
膜や金蒸着膜で構成される。各ミラーの表面は平面であ
ってもよいが、集光性を高めるために湾曲していてもよ
い。なお、各吸収セル２０ａ及び２２ａは、例えば円柱
状や各柱状のガラスバルブとして形成され、その内部ガ
ス圧は例えば数Ｔｏｒｒ−１００Ｔｏｒｒである。

【００３４】上記の外部共振器２０、２２は、入射され
るレーザー光に共振するようにその光路長等が設定され
ている。入射したレーザー光は、２つのミラー間で往復
反射を繰り返し、その際に例えば放電によって励起され
たガス分子によって吸収を受ける。このため、長い測定
セルを構成した場合と同様に高い感度を得られる。ま
た、装置を小型化でき、かつ使用するガスの量を低減で
きるという利点がある。外部共振器２０、２２において
は、観測対象となる光吸収を多重に観測することが必要
になるので、いずれのレーザー光に対しても高反射係数
を有するミラーを利用して、外部共振器２０、２２にお
ける損失を十分に低減することが望ましい。なお、高反
射のミラーを使用すると、外部共振器からの出射光のパ
ワーが低下してしまうが、一般にＣＯ₂レーザーは他の
レーザー装置に比べて出力が大きいため問題とならな
い。

【００３５】なお、図１においては、外部共振器２０、
２２に設けられるガス電離用の電極が図示省略されてい
る。そのような電極には、放電用電源７２からの電力が
供給され、これによってセル内で放電が生じる。外部共
振器２０、２２の具体例については後に図２を用いて説
明する。

【００３６】外部共振器２０、２２の前段には光路切替
器２４が設けられ、測定用共振器２０、２２の後段には
光路切替器２６が設けられている。光路切替器２４は、
固定ミラー３０、３２、３４、３６と切替ミラー３８、
４０とで構成されるものである。光路切替器２６は、固
定ミラー４２、４４、４６、４８と切替ミラー５０、５
２とで構成されるものである。図示されていない連動機
構によって、切替ミラー３８、４０、５０、５２が図に
おいてＡ側にある場合、光路Ｌ１及びＬ２が形成され
て、レーザー装置１０及び１２からの２つのレーザー光
（第１のレーザー光、第２のレーザー光）がいずれも検
体ガス用の外部共振器２０に導かれる。また、その外部
共振器２０からの２つのレーザー光がそれぞれ光検出器
５４、５６に導かれる。一方、切替ミラー３８、４０、
５０、５２が図においてＢ側にある場合、光路Ｌ３及び
Ｌ４が形成されて、レーザー装置１０及び１２からの２
つのレーザー光がいずれも規準ガス用の外部共振器２２
に導かれる。また、その外部共振器２２からの２つのレ
ーザー光がそれぞれ光検出器５４、５６に導かれる。

【００３７】上記の各切替ミラー３８、４０、５０、５
２は、同期信号生成器７０によって生成された同期信号
に従って動作する。この同期信号は例えば１０Ｈｚの信
号であり、そのようなタイミングで光路が交互に切り換
えられる。同期信号は、同期検波のために後述のロック
インアンプ６４にも供給されている。

【００３８】光検出器５４、５６は、光量に従ったレベ
ルの信号を出力する光センサであり、それらの出力信号
は、可変抵抗器などからなるレベル調整器５８、６０を
介して差動増幅器６２に入力される。その差動増幅器６
２は、両信号の差分を表す差分信号を出力する。その差
分信号はロックインアンプ６４において上記の光路切替
（外部共振器の選択）のタイミングで同期検波される。
その結果、２つの同位体間における光吸収の差に依存し
た信号が得られることになる。その信号は、信号処理回
路６６に入力されて、その信号の大きさに基づいて同位
体の濃度比が演算される。そして、表示器６８にその濃
度比が数値で表示される。この場合、その数値からヘリ
コバクター・ピロリの有無の判定及び定量を行って、そ
の判定結果を表示してもよい。

【００３９】本実施形態の装置によって濃度比を測定す
る場合、まず最初に、レーザー装置１０及び１２からの
レーザー光が規準ガス用の外部共振器２２に導入され、
その際に、差動増幅器６２の出力がゼロになるように、
レベル調整器５８及び６０が調整される。その上で、検
体ガス用の測定用外部共振器２０に２つのレーザー光が
導入される。この場合、検体ガス用の外部共振器２０内
において、¹²ＣＯ₂と^{1 3}ＣＯ₂の濃度比が規準ガスにおけ
る濃度比と異なれば、差動増幅器６２の出力に信号が現
れることになり、その信号のレベルによって検体ガスに
おける¹²ＣＯ₂と¹³ＣＯ₂の濃度比を判定できる。なお、
上記実施形態では、測定用外部共振器２０、２２に同時
に２つのレーザー光が入射されていたが、別々に入射さ
れるように構成してもよい。しかしながら、同時入射に
よれば、測定条件を一致でき、また測定時間を短縮でき
る。

【００４０】次に、図２を用いて、図１に示した外部共
振器２０、２２に好適な外部共振器７４の一例について
説明する。

【００４１】図２において、吸収セル７６は円柱状の形
態を有している。吸収セル７６の長さは、例えば１０〜
２０ｃｍ程度である。セル７６の両端には両端を封止す
るようにミラー板７８及び８０が設けられ、そのミラー
板７８及び８０の一方面には光軸に対して垂直にミラー
７８Ａ及び８０Ａが形成されている。セル７６には、ポ
ート７６Ａ及び７６Ｂが形成されており、ポート７６Ａ
を介してガスが導入され、ポート７６Ｂを介してガスが
排出される。各ポート７６Ａ及び７６Ｂにはコック８２
及び８４が設けられている。ガス導入及び排出は自動化
してもよい。

【００４２】吸収セル７６の両端近傍には、リング状の
電極８６、８８が設けられ、それらの間にはガス放電用
として例えば高周波電圧、例えば直流電圧、例えばパル
ス電圧が印加される。放電用電極としてはこれ以外であ
ってもよく、例えばセル７６の全体を取り囲むようにし
て放電用コイルを設けてもよい。また、放電用電極をセ
ル７６の内部に電極を設けてもよい。この例では、各ミ
ラー７８Ａ、８０Ａがセル７６の端壁を構成していた
が、セル７６外部にそのようなミラーを設けてもよい。

【００４３】ミラー板８０と吸収セル７６との間には、
本実施形態において、掃引手段としてＰＺＴなどからな
る圧電素子９０が設けられている。圧電素子９０はリン
グ状の形態を有し、その両面間に電気的信号を供給する
と超音波振動が生じ、圧電素子９０が伸縮する。その伸
縮運動によってミラー７８Ａ及び８０Ａ間の光路長を周
期的に掃引可能である。もちろん、圧電素子９０以外の
部材を利用して掃引を行わせてもいい。なお、この例で
は、ミラー８０Ａ側に圧電素子９０を設けたが、それを
ミラー７８Ａ側に設けてもよい。

【００４４】圧電素子９０に供給する信号の周波数は、
上記の光路切替器２４、２６の切替周波数（例えば１０
Ｈｚ）と干渉しないように、それよりも十分に高くかつ
切替周波数と整数倍の関係にならないように設定するこ
とが望ましい。例えば、２０ＫＨｚ付近で１０Ｈｚの整
数倍とならない周波数が設定される。

【００４５】このような掃引手段によれば、外部共振器
の共振周波数を繰り返し掃引できるので、２つのレーザ
ー光の周波数に繰り返し同調できる。よって、ミラー間
における光路長がレーザー光の共振長よりもずれていて
も、掃引の際に繰り返し自動的に同調結果を得ることが
でき、共振器の極めて厳密な加工・組立を不要にできる
という利点がある。なお、これと同様の光路長掃引手段
をレーザー装置内に組み込むこともできる。

【００４６】次に、図３及び図４に基づいて、本実施形
態の装置の動作について説明する。図３（Ａ）には、図
１に示した切替ミラー３８、４０、５０、５２がＡ側に
切り換えられ、これによってレーザー装置１０及び１２
からの２つのレーザー光が共に検体ガス用の外部共振器
２０に導入されている状態が示されている。この状態で
は、２つのレーザー光は外部共振器２０を介して２つの
光検出器５４及び５６にて検出される。図３（Ｂ）に
は、図１に示した切替ミラー３８、４０、５０、５２が
Ｂ側に切り換えられ、これによってレーザー装置１０及
び１２からの２つのレーザー光が共に規準ガス用の外部
共振器２２に導入されている状態が示されている。この
状態では、２つのレーザー光は外部共振器２２を介して
２つの光検出器５４及び５６にて検出される。

【００４７】上述のように、最初に図３（Ｂ）の状態
で、レベル調整器５８、６０を利用して差動増幅器６２
の出力がゼロになるように感度調整される。その後、同
期信号の周期で切替ミラー３８、４０、５０、５２が交
互に切り替えられる。

【００４８】図４には、その切替時における各信号の波
形が示されている。なお、図４は上記圧電素子９０によ
る掃引による変動については図示省略されており、信号
の包絡線が示されている。ここで、（Ａ）は検出器５４
の出力を示しており、（Ｂ）は検出器５６の出力を示し
ており、（Ｃ）は差動増幅器６２の出力を示しており、
（Ｄ）はロックインアンプ６４の出力を示している。

【００４９】図示のように、切替ミラーがＢ側に切り換
えられ、すなわち２つのレーザー光がいずれも規準ガス
用の外部共振器２２に導入された場合には、検出器５４
の出力及び検出器５６の出力は基本的に同じとなる。と
ころが、切替ミラーがＡ側に切り換えられ、２つのレー
ザー光が検体ガス用の外部共振器２０に導入された場合
であって、その検体ガスの¹²ＣＯ₂と¹³ＣＯ₂の濃度比が
規準ガスの濃度比と異なれば（すなわち¹³ＣＯ₂の濃度
が高まれば）、その違いに応じて差増増幅器６２の出力
レベルが上がることになる。この差動増幅器６２の出力
信号は切替ミラーの切替周波数でロックインアンプ６４
において同期検波されており、そのロックインアンプ６
４の出力は¹³ＣＯ₂の濃度上昇分に相当することにな
る。すなわち、規準ガス中の¹²ＣＯ₂と¹³ＣＯ₂の濃度比
に基づいて、ロックインアンプ６４の出力レベルから、
検体ガス中の¹²ＣＯ₂と¹³ＣＯ₂の濃度比を換算できる。
ひいては、その濃度比から患者の胃壁に存在するヘリコ
バクター・ピロリの有無の判定や定量を行える。

【００５０】ちなみに、レーザー装置１０、１２や外部
共振器２０、２２の熱的な特性変動による誤差を低減す
るためには、それらを一体構造とし、更にそれらを熱的
に共通の冷却系で冷却するのが望ましい。

【００５１】上記実施形態では、規準ガスの測定時に差
動アンプ６２の出力がゼロになるように感度調整が行わ
れたが、必ずしもそのような感度調整を行わなくても、
信号の比などを利用して検体ガスの同位体の濃度比を演
算可能である。

【００５２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
レーザー光の吸収を利用して被測定ガスの分析・測定を
高感度かつ低コストで行える。また、呼気分析を行う場
合に少量の呼気で十分な感度を得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る同位体濃度比測定装置の実施形
態を示す図である。

【図２】 外部共振器の具体例を示す図である。

【図３】 本発明に係る同位体濃度比測定装置の動作を
示す図である。

【図４】 各信号の波形を示す図である。

【符号の説明】

１０ ¹³ＣＯ₂レーザー装置、１２ ¹²ＣＯ₂レーザー装
置、１４,１６ レーザー共振器（内部共振器）、２０
検体ガス用外部共振器、２２ 規準ガス用外部共振
器、２４,２６ 光路切替器、５４,５６ 光検出器、５
８,６０ レベル調整器、６２ 差動増幅器、６４ ロ
ックインアンプ、７０ 同期信号生成器、７２ 放電用
電源。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 前川 寛 東京都三鷹市牟礼６丁目22番１号 アロカ 株式会社内 (72)発明者 川那辺 純一 東京都三鷹市牟礼６丁目22番１号 アロカ 株式会社内

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザー光を出力するレーザー発振器
   と、 被測定ガスが導入される吸収セルとその両端部に設けら
   れた一対のミラーとを有し、入射されるレーザー光を共
   振させる測定用共振器と、 前記被測定ガスによるレーザー光の吸収を検出するため
   の光吸収検出手段と、 を含むことを特徴とするガス測定装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の装置において、 前記測定用共振器における一対のミラー間の光路長を周
   期的に可変する光路長掃引手段が設けられたことを特徴
   とするガス測定装置。
3. 【請求項３】 請求項２記載の装置において、 前記光路長掃引手段は圧電素子であることを特徴とする
   ガス測定装置。
4. 【請求項４】 請求項１記載の装置において、 前記吸収セル内でガス放電を行わせる放電手段を含むこ
   とを特徴とするガス測定装置。
5. 【請求項５】 請求項１記載の装置において、 前記光吸収検出手段は、前記測定用共振器から出射する
   レーザー光を検出する光検出器を含むことを特徴とする
   ガス測定装置。
6. 【請求項６】 第１の同位体に対応する波長をもった第
   １のレーザー光を出力する第１のレーザー発振器と、 第２の同位体に対応する波長をもった第２のレーザー光
   を出力する第２のレーザー発振器と、 サンプルガスが入れられる吸収セルとその両端部に設け
   られた一対のミラーとを有し、同時又は別個に入射され
   る前記第１及び第２のレーザー光を共振させる第１の測
   定用共振器と、 規準ガスが入れられる吸収セルとその両端部に設けられ
   た一対のミラーとを有し、同時又は別個に入射される前
   記第１及び第２のレーザー光を共振させる第２の測定用
   共振器と、 前記サンプルガス及び前記規準ガスによる各レーザー光
   の吸収を検出するための光吸収検出手段と、 前記サンプルガス及び前記規準ガスによる各レーザー光
   の吸収に基づいて同位体濃度比の演算を行う濃度比演算
   手段と、 を含むことを特徴とする同位体濃度比測定装置。
7. 【請求項７】 請求項６記載の装置において、 前記光吸収検出手段は、前記第１のレーザー光及び前記
   第２のレーザー光に対応して設けられた第１及び第２の
   光検出器を含み、 前記第１及び第２のレーザー発振器から出射された第１
   及び第２のレーザー光を前記第１又は第２の測定用共振
   器に導く第１の光路切替器と、 前記第１又は第２の測定用共振器から出射された第１及
   び第２のレーザー光を前記第１及び前記第２の光検出器
   に導く第２の光路切替器と、 が設けられたことを特徴とする同位体濃度比測定装置。
8. 【請求項８】 請求項７記載の装置において、 前記第１及び第２の光検出器からの出力信号の差分を演
   算する差分演算器を含み、 前記濃度比演算手段は、前記差分演算器の出力に基づい
   て濃度比を演算することを特徴とする同位体濃度比測定
   装置。
9. 【請求項９】 請求項８記載の装置において、 前記第１及び第２の光路切替器の切替周期に従って、前
   記差分演算器の出力に対して同期検波を行うロックイン
   アンプを含むことを特徴とする同位体濃度比測定装置。
10. 【請求項１０】 請求項６記載の装置において、 前記第１の同位体は¹³ＣＯ₂であり、前記第２の同位体
    は¹²ＣＯ₂であることを特徴とする同位体濃度比測定装
    置。
11. 【請求項１１】 請求項６記載の装置において、 前記サンプルガスは呼気であることを特徴とする同位体
    濃度比測定装置。