JPWO2019039584A1 - 光発生装置並びにそれを用いた炭素同位体分析装置及び炭素同位体分析方法 - Google Patents

Abstract

炭素同位体から二酸化炭素同位体を含むガスを生成する燃焼部、二酸化炭素同位体精製部を備える二酸化炭素同位体生成装置４０と；１対のミラーを有する光共振器１２ａ、１２ｂ、光共振器１２ａ、１２ｂからの透過光の強度を検出する光検出器１５を備える分光装置１０と；１つの光源２３、光源２３からの第１光を伝送する第１光ファイバー２１、第１光ファイバー２１から分岐し下流側で合流する第１光よりも長波長の第２光を発生させる第２光ファイバー２２、第１光ファイバー２１上の第１増幅器２５、第１増幅器２５とは帯域が異なる第２光ファイバー２２上の第２増幅器２６、非線形光学結晶２４を備える、光発生装置２０Ａと；を備える、炭素同位体分析装置１Ａが提供される。

Description

本発明は、線幅が狭く高強度の光を発生する光発生装置並びにそれを用いた炭素同位体分析装置及び炭素同位体分析方法に関する。より詳しくは、放射性炭素同位体^１４Ｃ等の測定に有用な線幅が狭く高強度の光を発生する光発生装置並びにそれを用いた放射性炭素同位体分析装置及び放射性炭素同位体分析方法に関する。

炭素同位体は、従来より炭素循環に基づく環境動態評価や年代測定による歴史学の実証研究など、文理に渡る広範な応用展開がなされている。炭素同位体は、地域・環境によりわずかに異なるものの、安定同位体元素である^１２Ｃと^１３Ｃはそれぞれ９８．８９％と１．１１％、放射性同位体^１４Ｃは１×１０^−１０％天然に存在している。同位体は重量の相違があるだけで、化学的には同じ挙動を示すため、存在比の低い同位体の濃度を人工的な操作により高くし、精度よく測定を行うことで様々な反応過程の観測が可能となる。

特に、臨床の分野においては医薬品体内動態評価を行うために、標識化合物として、例えば放射性炭素同位体^１４Ｃを生体に投与し分析することは極めて有用であり、例えばPhase I、Phase IIａにおいて実際に分析されている。ヒトにおいて薬理作用を発現すると推定される投与量（薬効発現量）を超えない用量（以下「マイクロドーズ」ともいう）の標識化合物として、極微量の放射性炭素同位体^１４Ｃ（以下、単に「^１４Ｃ」ともいう）を人体に投与し、分析することは、体内動態の問題に起因する医薬品の薬効・毒性についての知見が得られるため、創薬プロセスにおける開発リードタイムを大幅に短縮するものとして期待されている。

従来より提案されている^１４Ｃ分析法としては、液体シンシチレーションカウンティング法（liquid Scintillation Counting、以下「ＬＳＣ」ともいう）と、加速器質量分析法（Accelerator Mass Spectrometry、以下「ＡＭＳ」ともいう）とが挙げられる。
ＬＳＣは、テーブルトップサイズの比較的小型な装置であるため簡便かつ迅速な分析が可能であるが、^１４Ｃの検出限界濃度が１０ｄｐｍ／ｍＬと高いため臨床試験での使用に耐えうるものではなかった。一方、ＡＭＳは^１４Ｃの検出限界濃度が０．００１ｄｐｍ／ｍＬと低く、ＬＳＣの^１４Ｃの検出限界濃度の１０００倍以上低いため臨床試験での使用に耐えうるが、装置が大きくしかも高額であるためその利用が制限されていた。例えば日本国内にはＡＭＳは十数台しか設置されていないことより、試料分析の順番待の時間を考慮すると、１サンプルの分析に１週間程度の時間を要していた。そのため、簡易、かつ迅速な^１４Ｃの分析法の開発が望まれていた。

上述の課題を解決する手段としていくつかの技術が提案されている（例えば、非特許文献１、特許文献１参照。）。
例えば非特許文献１では、I. Galliらにより、キャビティーリングダウン分光法（Cavity Ring-Down Spectroscopy、以下「ＣＲＤＳ」ともいう）による天然同位体存在比レベルの^１４Ｃ分析の実証がなされ、その可能性が注目された。
しかしながら、ＣＲＤＳによる^１４Ｃ分析が実証されたものの、利用された４．５μｍ帯レーザー光発生装置は極めて複雑な構造であった。そのため、より簡易で使い勝手のよい^１４Ｃの分析装置及び分析方法が求められていた。

特許第３３９０７５５号公報 特許第６００４４１２号公報

「I.Galli et al.,Phy. Rev. Lett.2011, 107, 270802」

上述の課題を解決すべく検討した結果、本発明者等らにより、光源として光コムを用いた、簡易で使い勝手のよい炭素同位体分析装置及び分析方法が提案された（特許文献２参照）。ところが、炭素同位体分析装置及び分析方法において、光源の高出力化（光強度の増加）により、より分析精度を高めるというさらなる課題が生じた。
以上より、本発明は、簡易で使い易く^１４Ｃ分析可能な、線幅が狭く高出力の光を発生する光発生装置並びにそれを用いた炭素同位体分析装置及び分析方法を提供することを課題とする。
また当業者の一部からは、光コムではなく量子カスケードレーザー（ＱＣＬ）等の汎用の光源を用いた炭素同位体分析装置及び分析方法の要望もあった。しかしながら、ＱＣＬには発振波長の揺らぎがあることより、^１４Ｃ等の正確な分析を行なうことが困難であった。そのため、光コム以外のＱＣＬ等の汎用の光源を用いる、信頼性が高く使い勝手も良い^１４Ｃも分析可能な炭素同位体分析装置及び分析方法も求められていた。
以上より、本発明はＱＣＬを主光源として用いる、信頼性が高く使い勝手も良い^１４Ｃも分析可能な、光発生装置並びにそれを用いた炭素同位体分析装置及び分析方法を提供することも課題とする。
さらに、光共振器と光路上の光学部品との表面間で反射が起こり、寄生エタロン効果が生じることにより、ベースラインに大きなノイズが生じるという問題もあった。
以上より、寄生エタロンによるベースラインのノイズを減少することも課題とする。

本発明は以下の内容に関する。
〈１〉炭素同位体から二酸化炭素同位体を含むガスを生成する燃焼部、二酸化炭素同位体精製部を備える二酸化炭素同位体生成装置と；１対のミラーを有する光共振器、光共振器からの透過光の強度を検出する光検出器を備える分光装置と；１つの光源、光源からの第１光を伝送する第１光ファイバー、第１光ファイバーの分岐点から分岐し第１光ファイバーの下流側の合流点で合流し第１光よりも長波長の第２光を発生させる第２光ファイバー、第１光ファイバーの分岐点と合流点の間に配置された第１増幅器、第２光ファイバーの分岐点と合流点の間に配置され第１増幅器とは帯域が異なる第２増幅器、周波数が異なる複数の光を通過させることで周波数の差から二酸化炭素同位体の吸収波長の光として波長４．５μｍ〜４．８μｍ帯の中赤外域光周波数の光コムを発生させる非線形光学結晶を備える光発生装置と；を備える、炭素同位体分析装置。
〈２〉光発生装置は、光源が１．５５μｍの超短パルスレーザー光源であり、第１増幅器がＥｒ添加型光ファイバー増幅器であり、第２増幅器がＴｍ添加型光ファイバー増幅器である、〈１〉に記載の炭素同位体分析装置。
〈３〉第１光ファイバーは、第１増幅器と合流点の間に第３増幅器と、第３増幅器と合流点の間に第１波長シフトファイバーと、をさらに備え、第２光ファイバーは、分岐点と第２増幅器の間に第２波長シフトファイバーをさらに備える、〈２〉に記載の炭素同位体分析装置。
〈４〉第１光ファイバーは、第１増幅器と合流点の間に第３増幅器をさらに備え、第２光ファイバーは、分岐点と第２増幅器の間に第２波長シフトファイバーと、第２増幅器と合流点の間に第３波長シフトファイバーとをさらに備える、〈２〉に記載の炭素同位体分析装置。
〈５〉第１光ファイバーは、第１増幅器と合流点の間に第３増幅器をさらに備え、第２光ファイバーは、分岐点と第２増幅器の間に第２波長シフトファイバーをさらに備える、〈２〉に記載の炭素同位体分析装置。
〈６〉光発生装置は、第１光ファイバーから１．３μｍ〜１．７μｍ帯の光を照射し、第２光ファイバーから１．８μｍ〜２．４μｍ帯の光を照射するものである、〈１〉〜〈５〉のいずれかに記載の炭素同位体分析装置。
〈７〉第２波長シフトファイバーからは１．８μｍ〜２．０μｍ帯の光が出射され、第３波長シフトファイバーからは２．３μｍ〜２．４μｍ帯の光が出射される、〈４〉に記載の炭素同位体分析装置。
〈８〉第１波長シフトファイバーは、分散シフトファイバー（ＤＳＦ）である、〈３〉に記載の炭素同位体分析装置。
〈９〉第２波長シフトファイバーは、細径コアファイバー(Small core fiber)であり、第３波長シフトファイバーは、高非線形分散シフトファイバー(HN-DSF)である、〈４〉に記載の炭素同位体分析装置。
〈１０〉非線形光学結晶の光の流れ方向の距離は、１１ｍｍよりも長尺である、〈１〉〜〈９〉のいずれかに記載の炭素同位体分析装置。
〈１１〉光発生装置は、光源からの光を複数のスペクトル成分に分ける波長フィルタ、複数のスペクトル成分のそれぞれの時間差を調整し非線形結晶に集光させる分光手段を備えるディレイラインをさらに備える、〈１〉〜〈１０〉のいずれかに記載の炭素同位体分析装置。
〈１２〉非線形光学結晶は、ＰＰＭｇＳＬＴ結晶もしくはＰＰＬＮ結晶、またはＧａＳｅ結晶である、〈１〉〜〈１１〉のいずれかに記載の炭素同位体分析装置。
〈１３〉分光装置は、光共振器を冷却する冷却装置をさらに備える、〈１〉〜〈１２〉のいずれかに記載の炭素同位体分析装置。
〈１４〉分光装置は、光共振器を収容する真空装置をさらに備える、〈１〉〜〈１３〉のいずれかに記載の炭素同位体分析装置。
〈１５〉炭素同位体から二酸化炭素同位体を生成する工程と；二酸化炭素同位体を１対のミラーを有する光共振器内に充填する工程と；１つの光源から周波数が異なる複数の光を発生させ、得られた複数の光の強度を、帯域が異なる増幅器を用いてそれぞれ増幅する工程と；複数の光を非線形光学結晶に通過させることにより周波数の差から二酸化炭素同位体の吸収波長を有する照射光として、波長４．５μｍ〜４．８μｍ帯の中赤外域光周波数の光コムを発生させる工程と；二酸化炭素同位体に照射光を照射し共振させた際に得られる透過光の強度を測定する工程と；透過光の強度から炭素同位体濃度を計算する工程と、を有する炭素同位体分析方法。
〈１６〉増幅された光のうち、短波長側の光が１．３μｍ〜１．７μｍ帯の光であり、長波長側の光が１．８μｍ〜２．４μｍ帯の光である、〈１５〉に記載の炭素同位体分析方法。
〈１７〉照射光を放射性二酸化炭素同位体^１４ＣＯ_２に照射する、〈１５〉または〈１６〉に記載の炭素同位体分析方法。
〈１８〉１つの光源と；光源からの光を伝送する第１光ファイバーと；第１光ファイバーの分岐点から分岐し第１光ファイバーの下流側の合流点で合流する第１光ファイバーよりも長波長の光を伝送する第２光ファイバーと；第１光ファイバーの分岐点から合流点の間に配置された第１増幅器と；第２光ファイバーの分岐点から合流点の間に配置され、第１増幅器とは帯域が異なる第２増幅器と；周波数が異なる複数の光を通過させることで周波数の差から二酸化炭素同位体の吸収波長の光として、波長４．５μｍ〜４．８μｍ帯の中赤外域光周波数の光コムを発生させる非線形光学結晶と、を備える光発生装置。
〈１９〉光発生装置は、光源が１．５５μｍの超短パルスレーザー光源であり、第１増幅器がＥｒ添加型光ファイバー増幅器であり、第２増幅器がＴｍ添加型光ファイバー増幅器である、〈１８〉に記載の炭素同位体分析装置。
〈２０〉光発生装置は、第１光ファイバーから１．３μｍ〜１．７μｍ帯の光を照射し、第２光ファイバーから１．８μｍ〜２．４μｍ帯の光を照射するものである、〈１８〉または〈１９〉に記載の炭素同位体分析装置。
〈２１〉いずれかの前記増幅器の後段に第2の波長シフトファイバーが含まれる、波長４．５〜４．８μm帯の中赤外域光周波数コムを発生する超短パルスレーザー光源としての、〈１８〉から〈２０〉のいずれかに記載の光発生装置。

〈２２〉炭素同位体から二酸化炭素同位体を含むガスを生成する燃焼部、二酸化炭素同位体精製部を備える二酸化炭素同位体生成装置と；１対のミラーを有する光共振器、光共振器からの透過光の強度を検出する光検出器を備える分光装置と、光発生装置と；を備える炭素同位体分析装置であって、
光発生装置は、主光源、主光源からの光を伝送する光ファイバーを有する光発生装置本体と；１つの光の波長領域が４５００ｎｍ〜４８００ｎｍである線幅の狭い光の束からなる光コムを発生させる光コム源、光コム源からの光を伝送するビート信号測定用光ファイバー、主光源からの光を伝送する光ファイバー上に配置された分岐手段、分岐手段を介して主光源からの光の一部をビート信号測定用光ファイバーに分岐させる光ファイバー、主光源からの光と光コム源からの光の周波数差により生じるビート信号を測定する光検出器を備えるビート信号測定機と；を備える、炭素同位体分析装置。
〈２３〉主光源、主光源からの光を伝送する光ファイバーを有する光発生装置本体と；１つの光の波長領域が４５００ｎｍ〜４８００ｎｍである線幅の狭い光の束からなる光コムを発生させる光コム源、光コム源からの光を伝送するビート信号測定用光ファイバー、主光源からの光を伝送する光ファイバー上に配置された分岐手段、分岐手段を介して主光源からの光の一部をビート信号測定用光ファイバーに分岐させる光ファイバー、主光源からの光と光コム源からの光の周波数差により生じるビート信号を測定する光検出器を備えるビート信号測定機と；を備える光発生装置。
〈２４〉１つの光の周波数領域が線幅の狭い光の束からなる光コムを発生させる工程と；周波数に対する強度の光スペクトル図の被検対象物の吸収波長領域の中心に光コムのうちの１つの光のスペクトルを表示する工程と；光コムからの光をビート信号測定用光ファイバーに伝送する工程と、
光源からの光を光共振器中の被検対象物に照射し光吸収量を測定する工程と；光源からの光の一部をビート信号測定用光ファイバーに分岐させ、光源からの光と光コム源からの光の周波数差によりビート信号を生じさせる工程と；光吸収量と共にビート信号より得られる被検対象物に照射された光の波長を記録し、それらの記録に基づいて被検対象物の正確な光吸収量を測定する工程と、を備える炭素同位体分析方法。
〈２５〉１対のミラーを有する光共振器と、光共振器からの透過光の強度を検出する光検出器と、光共振器の表面と光路上の光学部品の表面の間の相対的距離を変化させる、寄生エタロン効果による干渉を除去する干渉除去手段と、を備える分光装置。
〈２６〉分光装置は、光共振器と光発生装置の間および光共振器と光検出器の間の少なくともいずれか一方の光軸上に、干渉除去手段を備える、〈２５〉に記載の分光装置。
〈２７〉分光装置は、光共振器を収容する真空装置と；干渉除去手段として、真空装置と光発生装置の間および真空装置と光検出器の間の少なくともいずれか一方の光軸上に揺動可能な透過窓と；を備える、〈２６〉に記載の分光装置。
〈２８〉分光装置は、干渉除去手段として、光共振器を冷却する冷却装置をさらに備える、〈２５〉から〈２７〉のいずれかに記載の分光装置。
〈２９〉炭素同位体から二酸化炭素同位体を含むガスを生成する燃焼部、二酸化炭素同位体精製部を備える二酸化炭素同位体生成装置と、〈２５〉から〈２８〉のいずれかに記載の分光装置と、光発生装置と、を備える炭素同位体分析装置。
〈３０〉光共振器と光発生装置の間および光共振器と光検出器の間の少なくともいずれか一方の光軸上に透過窓を配置し、透過窓を揺動させる工程をさらに有する、〈１５〉から〈１７〉のいずれかに記載の炭素同位体分析方法。
〈３１〉光共振器を―１０〜−４０℃に冷却した後、１〜５度の範囲で光共振器の温度を変化させる工程をさらに有する、〈１５〉から〈１７〉のいずれかに記載の炭素同位体分析方法。

本発明によれば、線幅が狭く高出力の光を発生する光発生装置並びにそれを用いた簡易で使い易く^１４Ｃ分析可能な炭素同位体分析装置及び分析方法が提供される。
また本発明によれば、光コムとＱＣＬとを光源として用いる、信頼性が高く使い勝手も良い^１４Ｃも分析可能な、光発生装置並びにそれを用いた炭素同位体分析装置及び分析方法が提供される。
さらに、寄生エタロンによるベースラインのノイズが減少する。

図１は炭素同位体分析装置の第１の実施態様の概念図である。 図２は^１４ＣＯ_２と競合ガスの４．５μm帯吸収スペクトルを示す図である。 図３Ａ、図３Ｂはレーザー光を用いた高速走査型のキャビティーリングダウン吸収分光法の原理を示す図である。 図４はＣＲＤＳにおける^１３ＣＯ_２と^１４ＣＯ_２の吸収量Δβの温度依存性を示す図である。 図５は光共振器の変形例の概念図である。 図６は炭素同位体分析装置の第２の実施態様の概念図である。 図７は、分析試料の吸収波長と吸収強度の関係を示す図である。 図８は１本の光ファイバーを用いた中赤外コム生成の原理を示す図である。 図９はＥｒ添加ファイバ−レーザーべースの中赤外（ＭＩＲ）コム生成系１を示す図である。 図１０Ａ、図１０Ｂは、短波長側のスペクトル図である。 図１１Ａ、図１１Ｂは、長波長側のスペクトル図である。 図１２は、長波長側のスペクトル図である。 図１３は、生成した中赤外コムの光スペクトル図である。 図１４はＥｒ添加ファイバ−レーザーべースの中赤外（ＭＩＲ）コム生成系２を示す図である。 図１５は炭素同位体分析装置の第３の実施態様の概念図である。 図１６は、従来の差周波混合法により生成された中赤外コムの光スペクトル図である。 図１７Ａ、図１７Ｂ、図１７Ｃは、炭素同位体分析方法の第２の態様の概要図である。 図１８Ａ、１８Ｂは、それぞれ寄生エタロン効果による干渉の除去方法におけるプレートモジュレーションの影響を示す図である。図１８Ａはプレートモジュレーションなし（従来例）、図１８Ｂはプレートモジュレーションあり（実施例）を示す図である。 図１９Ａ、１９Ｂは、それぞれ寄生エタロン効果による干渉の除去方法における温度制御の影響を示す図である。図１９Ａは温度制御なし（従来例）、図１９Ｂは温度制御あり（実施例）を示す図である。 図２０は、寄生エタロン効果による干渉の除去機能を備える分光装置の概念図である。

以下に、実施形態を挙げて本発明の説明を行うが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。図中同一の機能又は類似の機能を有するものについては、同一又は類似の符号を付して説明を省略する。但し、図面は模式的なものである。したがって、具体的な寸法等は以下の説明を照らし合わせて判断されるべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

［炭素同位体分析装置の第１の態様］
図１は、炭素同位体分析装置の概念図である。炭素同位体分析装置１は、二酸化炭素同位体生成装置４０と、光発生装置２０と、分光装置１０と、さらに演算装置３０とを備える。
二酸化炭素同位体生成装置４０は、炭素同位体から二酸化炭素同位体を含むガスを生成する燃焼部と、二酸化炭素同位体精製部とを備える。
分光装置１０は、１対のミラーを有する光共振器と、前記光共振器からの透過光の強度を検出する光検出器とを備える。
光発生装置２０は、１つの光源と、光源からの光を伝送する第１光ファイバーと、第１光ファイバーの分岐点から分岐し前記第１光ファイバーの下流側の合流点で合流する第１光ファイバーよりも長波長の光を伝送する第２光ファイバーと、第１光ファイバーの分岐点から合流点の間に配置された第１増幅器と、第２光ファイバーの分岐点から合流点の間に配置され、第１増幅器とは帯域が異なる第２増幅器と、周波数が異なる複数の光を通過させることで周波数の差から前記二酸化炭素同位体の吸収波長の光を発生させる非線形光学結晶と、を備える。
ここでは、分析対象として、炭素同位体である放射性同位体^１４Ｃを例にあげて説明する。なお、放射性同位体^１４Ｃから生成される二酸化炭素同位体^１４ＣＯ_２の吸収波長を有する光は４．５μｍ帯の光である。詳細は後述するが、測定対象物質の吸収線、光発生装置、及び光共振器モードの複合による選択性により、高感度化を実現することが可能となる。

本明細書において「炭素同位体」とは、特に断りのない限り安定炭素同位体^１２Ｃ、^１３Ｃ、及び放射性炭素同位体^１４Ｃを意味する。また、単に元素記号「Ｃ」と表示される場合、天然存在比での炭素同位体混合物を意味する。
酸素の安定同位体は^１６Ｏ、^１７Ｏ及び^１８Ｏが存在するが、元素記号「Ｏ」と表示される場合、天然存在比での酸素同位体混合物を意味する。
「二酸化炭素同位体」とは、特に断りのない限り^１２ＣＯ_２、^１３ＣＯ_２及び^１４ＣＯ_２を意味する。また、単に「ＣＯ_２」と表示される場合、天然存在比の炭素及び酸素同位体により構成される二酸化炭素分子を意味する。

本明細書において「生体試料」とは、血液、血漿、血清、尿、糞便、胆汁、唾液、その他の体液や分泌液、呼気ガス、口腔ガス、皮膚ガス、その他の生体ガス、さらには、肺、心臓、肝臓、腎臓、脳、皮膚などの各種臓器及びこれらの破砕物など、生体から採取し得るあらゆる試料を意味する。さらに当該生体試料の由来は、動物、植物、微生物を含むあらゆる生物が挙げられ、好ましくは哺乳動物、より好ましくはヒトの由来である。哺乳動物としては、ヒト、サル、マウス、ラット、モルモット、ウサギ、ヒツジ、ヤギ、ウマ、ウシ、ブタ、イヌ、ネコなどが挙げられるが、これらに限定されない。

〈二酸化炭素同位体生成装置〉
二酸化炭素同位体生成装置４０は、炭素同位体を二酸化炭素同位体に変換可能であれば特に制限されることなく種々の装置を用いることができる。二酸化炭素同位体生成装置４０としては、試料を酸化させ、試料中に含まれる炭素を二酸化炭素にする機能を有していることが好ましい。
例えば全有機炭素（total organic carbon 以下「ＴＯＣ」という）発生装置、ガスクロマトグラフィー用の試料ガス発生装置、燃焼イオンクロマトグラフィー用の試料ガス発生装置、元素分析装置（Elemental Analyzer：ＥＡ）等の二酸化炭素生成装置（Ｇ）４１を用いることができる。
図２に、２７３Ｋ、ＣＯ_２分圧２０％、ＣＯ分圧１．０×１０^−４％、Ｎ_２Ｏ分圧３．０×１０^−８％の条件下における^１４ＣＯ_２と競合ガス^１３ＣＯ_２，ＣＯ，及びＮ_２Ｏの４．５μｍ帯吸収スペクトルを示す。
前処理後の生体試料を燃焼させることにより、二酸化炭素同位体^１４ＣＯ_２（以下、「^１４ＣＯ_２」ともいう）を含むガスを生成できる。しかし、^１４ＣＯ_２の発生と共に、ＣＯ、Ｎ_２Ｏといった夾雑ガスも発生する。これらＣＯ、Ｎ_２Ｏは、図２に示すように、それぞれ４．５μｍ帯の吸収スペクトルを有するので、^１４ＣＯ_２が有する４．５μｍ帯の吸収スペクトルと競合する。そのため、分析感度を向上させるために、ＣＯ、Ｎ_２Ｏを除去することが好ましい。
ＣＯ、Ｎ_２Ｏの除去方法としては、以下のように^１４ＣＯ_２を捕集・分離する方法が挙げられる。また、酸化触媒や白金触媒により、ＣＯ、Ｎ_２Ｏを除去・低減する方法、及び前記捕集・分離方法との併用が挙げられる。

（i）加熱脱着カラムによる^１４ＣＯ_２の捕集・分離
二酸化炭素同位体生成装置は、燃焼部と、二酸化炭素同位体精製部と、を備えることが好ましい。燃焼部は、燃焼管と、燃焼管を加熱可能とする加熱部と、を備えることが好ましい。燃焼管は、試料を内部に収容可能に耐熱性ガラス（石英ガラス等）で構成され、燃焼管の一部に試料導入口が形成されていることが好ましい。燃焼管は試料導入口の他に、キャリアガスを燃焼管に導入可能にキャリアガス導入口を形成してもよい。なお、燃焼管の一部に試料導入口等を設ける態様の他にも、燃焼管の一端に燃焼管とは別部材で試料導入部を形成し、試料導入部に試料導入口やキャリアガス導入口を形成する構成としてもよい。
加熱部としては、燃焼管を内部に配置可能とし燃焼管を加熱可能とする、管状電気炉といった電気炉が挙げられる。管状電気炉の例としては、ＡＲＦ−３０Ｍ（アサヒ理化製作所）が挙げられる。
また、燃焼管は、キャリアガス流路の下流側に、少なくとも一種類の触媒を充填させた酸化部及び／又は還元部を具備することが好ましい。酸化部及び／又は還元部は、燃焼管の一端に設けてもよいし、別部材として設けてもよい。酸化部に充填する触媒として、酸化銅、銀・酸化コバルト混合物が例示できる。酸化部において、試料の燃焼により発生したＨ_２、ＣＯをＨ_２Ｏ、ＣＯ_２に酸化することが期待できる。還元部に充填する触媒として、還元銅、白金触媒が例示できる。還元部において、Ｎ_２Ｏを含む窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）をＮ_２に還元することが期待できる。
二酸化炭素同位体精製部としては、生体試料の燃焼により生じたガス中の^１４ＣＯ_２を、ガスクロマトグラフィ(ＧＣ)で用いられるような、加熱脱着カラム（ＣＯ_２捕集カラム）を用いることができる。これにより^１４ＣＯ_２を検出する段階でＣＯ、Ｎ_２Ｏの影響を軽減あるいは除去できる。またＧＣカラムに^１４ＣＯ_２を含むＣＯ_２ガスが一時捕集されることで、^１４ＣＯ_２の濃縮が見込まれるので、^１４ＣＯ_２の分圧の向上が期待できる。
（ii）^１４ＣＯ_２吸着剤による^１４ＣＯ_２のトラップ、再放出による^１４ＣＯ_２の分離
二酸化炭素同位体生成装置４０ｂは、燃焼部と、二酸化炭素同位体精製部と、を備えることが好ましい。燃焼部は、上述と同様に構成することができる。
二酸化炭素同位体精製部としては、^１４ＣＯ_２吸着剤、例えばソーダ石灰や水酸化カルシウム等を用いることができる。これにより、^１４ＣＯ_２を炭酸塩の形で単離することで夾雑ガスの問題を解消できる。炭酸塩として^１４ＣＯ_２を保持するので、サンプルを一時保存することも可能である。なお、再放出にはリン酸を用いることができる。
（i）,（ii）のいずれか、あるいは両構成を備えることで、夾雑ガスを除去できる。
（iii）^１４ＣＯ_２の濃縮（分離）
生体試料の燃焼により発生した^１４ＣＯ_２は配管内で拡散する。そのため、^１４ＣＯ_２を吸着剤に吸着させ濃縮することにより、検出感度（強度）を向上させてもよい。かかる濃縮によりＣＯ、Ｎ_２Ｏから^１４ＣＯ_２の分離も期待できる。

〈分光装置〉
図１に示すように、分光装置１０は、光共振器１１と、光共振器１１からの透過光の強度を検出する光検出器１５とを備える。光共振器（Optical resonator or Optical cavity）１１は、分析対象の二酸化炭素同位体が封入される筒状の本体と、本体の内部の長手方向の一端と他端に凹面が向かい合うように配置された高反射率の１対のミラー１２ａ、１２ｂと、本体内部の他端に配置されたミラー１２ａ、１２ｂ間隔を調整するピエゾ素子１３と、分析対象ガスが充填されるセル１６と、を備える。なお、ここでは図示を省略しているが、本体の側部に二酸化炭素同位体を注入するためのガス注入口や、本体内の気圧を調整する気圧調整口を設けておくことが好ましい。なお、１対のミラー１２ａ、１２ｂの反射率は、９９％以上が好ましく、９９．９９％以上がより好ましい。
光共振器内部１１にレーザー光を入射し閉じ込めると、レーザー光はミラーの反射率に対応した強度の光を出力しながら、数千回〜一万回というオーダーで多重反射を繰り返す。そのため実効的な光路が数１０ｋｍにも及ぶため、光共振器内部に封入された分析対象のガスが極微量であっても大きな吸収量を得ることができる。

図３Ａ、図３Ｂはレーザー光を用いた高速走査型のキャビティーリングダウン吸収分光法（Cavity Ring-Down Spectroscopy 以下「ＣＲＤＳ」ともいう）の原理を示す図である。
図３Ａに示すように、ミラー間隔が共鳴条件を満たしているときは、高強度の信号が光共振器から透過される。一方、ピエゾ素子１３を作動させてミラー間隔を変更し、非共鳴条件とすると、光の干渉効果により信号を検出することができなくなる。つまり、光共振器長を共鳴から非共鳴条件へとすばやく変化させることで、図３Ａに示すような指数関数的な減衰信号［リングダウン信号（Ringdown signal）］を観測することができる。リングダウン信号を観測する別の方法として、入力レーザー光を光学スイッチ２６（図６）にて素早く遮断する方法が例示できる。
光共振器の内部に吸収物質が充填されていない場合、透過してくる時間依存のリングダウン信号は図３Ｂの点線で示すような曲線となる。一方、光共振器内に吸光物質が充填されている場合、図３Ｂの実線で示すように、レーザー光が光共振器内で往復するごとに吸収されるため、光の減衰時間が短くなる。この光の減衰時間は、光共振器内の吸光物質濃度及び入射レーザー光の波長に依存しているため、Beer-Lambertの法則iiを適用することで吸収物質の絶対濃度を算出することができる。また光共振器内の吸収物質濃度と比例関係にある減衰率（リングダウンレート）の変化量を測定することにより、光共振器内の吸収物質濃度を測定することができる。

図３Ａでは図示を省略したが、光共振器の外部の照射光の入口および出口の少なくともいずれか一方の光軸上に、透過窓（またはプレート、ウィンドウ）をさらに設けてもよい。また光共振器のシステム全体の温度を制御する構成としてもよい。このような構成にすることで、後述するように、光共振器と光路上の光学部品との表面間の距離を強制的に変化させることにより、ベースラインのドリフトを解決することができるからである。

光共振器から漏れ出た透過光を光検出器により検知し、演算装置を用いて^１４ＣＯ_２濃度を算出した後、^１４ＣＯ_２濃度から^１４Ｃ濃度を算出することができる。

光共振器１１のミラー１２ａ、１２ｂ間隔、ミラー１２ａ、１２ｂの曲率半径、本体の長手方向長さや幅等は、分析対象である二酸化炭素同位体が持つ吸収波長により変化させることが好ましい。想定される共振器長は１ｍｍ〜１０ｍが挙げられる。
二酸化炭素同位体^１４ＣＯ_２の場合、共振器長が長いことは光路長を確保するのに有効であるが、共振器長が長くなるとガスセルの体積が増え、必要な試料量が増えるため、共振器長は１０ｃｍ〜６０ｃｍの間が好ましい。またミラー１２ａ、１２ｂの曲率半径は、共振器長と同じか、長くすることが好ましい。
なおミラー間隔は、ピエゾ素子１３を駆動することにより、一例として数マイクロメートルから数十マイクロメートルのオーダーで調整することが可能である。最適な共鳴条件を作り出すために、ピエゾ素子１３による微調整を行うこともできる。
なお、１対のミラー１２ａ、１２ｂとしては、１対の凹面鏡を図示して説明してきたが、十分な光路が得られるのであれば、その他にも凹面鏡と平面鏡の組み合わせや、平面鏡同士の組み合わせであっても構わない。
ミラー１２ａ、１２ｂを構成する材料としては、サファイアガラス、ＣａＦ_２、ＺｎＳｅを用いることができる。
分析対象ガスを充填するセル１６は、容積がより小さいことが好ましい。少ない分析試料であっても効果的に光の共振効果を得ることができるからである。セル１６の容量は、８ｍＬ〜１０００ｍＬが例示できる。セル容量は、例えば測定に供することができる^１４Ｃ源の量に応じて適宜好ましい容量を選択でき、尿のように大量に入手できる^１４Ｃ源では８０ｍＬ〜１２０ｍＬのセルが好適であり、血液や涙液のように入手量が限られる^１４Ｃ源では８ｍＬ〜１２ｍＬのセルが好適である。

光共振器の安定性条件の評価
ＣＲＤＳにおける^１４ＣＯ_２吸収量と検出限界を評価するため、分光データに基づく計算を行った。^１２ＣＯ_２、^１３ＣＯ_２などに関する分光データは大気吸収線データベース（ＨＩＴＲＡＮ）を利用し、^１４ＣＯ_２に関しては文献値（「S. Dobos et al., Z. Naturforsch, 44a, 633-639 (1989)」）を使用した。
ここで、^１４ＣＯ_２の吸収によるリングダウンレート（指数関数的減衰の割合）の変化量Δβ（＝β−β₀、β：試料有りの減衰率、β₀：試料なしの減衰率）は、^１４ＣＯ_２の光吸収断面積σ_１４、分子数密度Ｎ、光速ｃにより以下のように表せる。
Δβ＝σ_１４(λ,Ｔ,Ｐ)Ｎ(Ｔ,Ｐ,Ｘ_１４)ｃ
（式中、σ_１４、Ｎは、レーザー光波長λ、温度Ｔ、圧力Ｐ、Ｘ_１４=^１４Ｃ/^TotalＣ比の関数である。）
図４は、計算で求められた^１３ＣＯ_２と^１４ＣＯ_２の吸収によるΔβの温度依存性を示す図である。図４より、^１４Ｃ/^TotalＣが１０^−１０、１０^−１１、１０^−１２では、室温３００Ｋでの^１３ＣＯ_２による吸収が^１４ＣＯ_２の吸収量を超えるか同程度となるため、冷却を行う必要があることが分かった。
一方、光共振器由来のノイズ成分であるリングダウンレートのばらつきΔβ₀〜１０^１ｓ^−１が実現できれば、^１４Ｃ/^TotalＣ比〜１０^−１１の測定を実現できることが分かる。これにより、分析時の温度として摂氏−４０度程度の冷却が必要であることが明らかとなった。
例えば、定量下限として^１４Ｃ/^TotalＣを１０^−１１とすると、ＣＯ_２ガスの濃縮によるＣＯ_２ガス分圧の上昇（例えば２０％）と、前記温度条件とが必要であることが示唆される。
なお、冷却装置や冷却温度について、後述の炭素同位体分析装置の第２の態様の欄においてより詳細に述べる。

光共振器１１について説明したが、光共振器の具体的態様の概念図（一部切欠図）を図５示す。図５に示すように、光共振器５１は、真空装置としての円筒状の断熱用チャンバー５８と、断熱用チャンバー５８内に配置された測定用ガスセル５６と、測定用ガスセル５６の両端に配置された１対の高反射率ミラー５２と、測定用ガスセル５６の一端に配置されたミラー駆動機構５５と、測定用ガスセル５６の他端に配置されたリングピエゾアクチュエーター５３と、測定用ガスセル５６を冷却するペルチェ素子５９と、循環冷却器（図示せず）に接続された冷却パイプ５４ａを有する水冷ヒートシンク５４と、を備える。

〈光発生装置〉
光発生装置２０としては、二酸化炭素同位体の吸収波長を有する光を発生できる装置であれば特に制限されることなく種々の装置を用いることができる。ここでは、放射性二酸化炭素同位体^１４ＣＯ_２の吸収波長である４．５μｍ帯の光を簡易に発生させ、しかも装置サイズがコンパクトな光発生装置を例に挙げて説明する。

光源２３としては、超短パルス波発生装置を用いることが好ましい。光源２３として超短パルス波発生装置を用いた場合、パルスあたりの光子密度が高いため、非線形光学効果が容易に起こり、放射性二酸化炭素同位体^１４ＣＯ_２の吸収波長である４．５μｍ帯の光を簡易に発生できる。また、各波長の波長幅が均等な櫛状の光の束（光周波数コム、以下「光コム」ともいう。）が得られるため、発振波長の変動が無視できるほど小さくできるからである。なお、光源として連続発振発生装置を用いた場合には、発振波長の変動があるため、光コムなどにより発振波長の変動を測定する必要がある。
光源２３としては、例えばモード同期により短パルスを出力する固体レーザー，半導体レーザー，ファイバーレーザーを用いることができる。なかでもファイバーレーザーを用いることが好ましい。ファイバーレーザーは、コンパクトで対環境安定性にも優れた，実用的な光源であるからである。
ファイバーレーザーとしては、エルビウム（Ｅｒ）系（１．５５μｍ帯）またはイッテルビウム（Ｙｂ）系（１．０４μｍ帯）のファイバーレーザーを用いることができる。経済的な観点からは汎用されているＥｒ系ファイバーレーザーを用いることが好ましく、光強度を高める観点からはＹｂ系ファイバーレーザーを用いることが好ましい。

複数の光ファイバー２１、２２としては、光源からの光を伝送する第１光ファイバー２１と、第１光ファイバー２１から分岐し第１光ファイバー２１の下流側で合流する波長変換用の第２光ファイバー２２と、を用いることができる。第１光ファイバー２１としては、光源から光共振器までつながっているものを用いることができる。また、それぞれの光ファイバーには、それぞれの経路上に複数の光学的部品や複数種類の光ファイバーを配置することができる。
第１光ファイバー２１としては、生成した高強度な超短パルス光の特性を劣化させずに伝送できる光ファイバーを用いることが好ましい。具体的には、分散補償ファイバー(ＤＣＦ)、ダブルクラッドファイバーなどを含むことができる。材料は、溶融石英でできたファイバーを用いることが好ましい。
第２光ファイバー２２としては、効率良く所望の長波長側に超短パルス光を生成し、生成した高強度な超短パルス光の特性を劣化させずに伝送できる光ファイバーを使用することが好ましい。具体的には、偏波保持ファイバーや単一モードファイバー、フォトニック結晶ファイバー、フォトニックバンドギャップファイバーなどを含むことができる。波長のシフト量に合わせて、数ｍから数百ｍまでの長さの光ファイバーを使用することが好ましい。材料は、溶融石英でできたファイバーを用いることが好ましい。

光発生装置は、例えば図６に示すような、光源２３からの光を複数のスペクトル成分に分ける波長フィルタと、複数のスペクトル成分のそれぞれの時間差を調整し、非線形結晶２４に集光させる分光手段と、を備えるディレイライン２８をさらに備えることが好ましい。

増幅器としては、例えば、第1光ファイバー２１の経路上に配置される第１増幅器２１としてＥｒ添加型光ファイバー増幅器、第２光ファイバー２２の経路上に配置される第２増幅器２６としてＴｍ添加型光ファイバー増幅器を用いることが好ましい。
第１光ファイバー２１は、第３増幅器をさらに備えることが好ましく、第１増幅器２１と合流点の間に第３増幅器を備えることがより好ましい。得られる光の強度が向上するからである。第３増幅器としては、Ｅｒ添加型光ファイバー増幅器を用いることが好ましい。
第１光ファイバー２１は、波長シフトファイバーをさらに備えることが好ましく、第１増幅器と合流点の間に波長シフトファイバーを備えることがより好ましい。得られる光の強度が向上するからである。

非線形光学結晶２４としては、入射される光と出射される光に応じて適宜選択されるが、本実施例の場合は、それぞれの入射光から４．５μｍ帯前後の波長の光を発生するという観点から、例えばＰＰＭｇＳＬＴ（periodically poled MgO-dopedStoichiometric Lithium Tantalate（ＬｉＴａＯ_３））結晶もしくはＰＰＬＮ（periodically poled Lithium Niobate）結晶、またはＧａＳｅ（Gallium selenide）結晶を用いることができる。また、１つのファイバーレーザー光源を用いているため、後述の通り、差周波混合において、光周波数の揺らぎをキャンセルすることができるからである。
非線形光学結晶２４としては、照射方向（長手方向）長さが１１ｍｍよりも長尺のものが好ましく、３２ｍｍ〜４４ｍｍがより好ましい。高出力の光コムが得られるからである。

差周波混合（Difference Frequency Generation 以下「ＤＦＧ」ともいう）によれば、第１、第２光ファイバー２１，２２が伝送する波長（周波数）が異なる複数の光を非線形光学結晶に通過させることで、この周波数の差から、差周波数に対応した光を得ることができる。つまり、本実施例の場合、１つの光源２３から、波長がλ_１、λ_２である２つの光を発生させ、２つの光を非線形光学結晶に通過させることにより、周波数の差から二酸化炭素同位体の吸収波長の光を発生させることができる。非線形光学結晶を用いるＤＦＧの変換効率は、元となる複数の波長（λ_１、λ_２、…λ_ｘ）の光源の光子密度に依存する。そのため１つのパルスレーザー光源からＤＦＧにより差周波の光を発生することができる。
このようにして得られる４．５μｍ帯の光は１パルスが規則的な周波数間隔ｆ_ｒの複数の周波数の光（モード）からなる光コム（周波数ｆ＝ｆ_ｃｅｏ＋Ｎ・ｆ_ｒ、Ｎ：モード数）である。光コムを用いてＣＲＤＳを行うためには、分析対象の吸収帯の光を分析対象の含まれる光共振器に導入する必要がある。なお、生成される光コムは、差周波混合のプロセスにおいてｆ_ｃｅｏがキャンセルされｆ_ｃｅｏが０になる。

非特許文献１のI. Galliらに考案された炭素同位体分析装置の場合、波長の異なる２種類のレーザー装置（Nd:YAG laserとexternal-cavity diode laser (ＥＣＤＬ)）を用意して、レーザー光の周波数の差から二酸化炭素同位体の吸収波長を有する照射光を発生させていた。両者は連続発振レーザーであり、かつ、ＥＣＤＬの強度が低いため、十分な強度のＤＦＧを得るために、ＤＦＧで使用する非線形光学結晶を光共振器内に設置し、そこに両者の光を入れ、光子密度を高める必要があった。また、ＥＣＤＬの強度を高めるために、Ti:Sapphire結晶を別のNd:YAGレーザーの２倍波にて励起し、ＥＣＤＬ光を増幅する必要もあった。これらを行う共振器の制御が必要になるなど、装置が大がかりで、操作が複雑になっていた。一方、本発明の実施形態に係る光発生装置は、１つのファイバーレーザー光源と、数ｍの光ファイバーと、非線形光学結晶とで構成されているため、コンパクトで搬送しやすく、しかも操作が簡単である。また１つの光源から複数の光を発生させているため、それぞれの光の揺らぎ幅及び揺らぎのタイミングが同一となる。そのため、制御装置を用いることなく、差周波混合を行うことで簡易に光周波数の揺らぎをキャンセルすることができる。
第１光ファイバーと第２光ファイバーの合流点から光共振器の間の光路について、空気中にレーザー光を伝送させる態様や、必要に応じてレンズによるレーザー光の集光及び／または拡大をする光学系を含む光伝送装置を構築してもよい。

本分析では、^１４Ｃの分析で使用する波長領域をカバーする範囲で光コムが得られていればよいため、本発明者等は、光コム光源の発振スペクトルをより狭くしたほうが、より高出力の光が得られることに着目した。発振スペクトルが狭い場合には、帯域が異なる増幅器による増幅や、長尺の非線形光学結晶を用いることができる。そこで、本発明者らは検討の結果、差周波混合法を用いた光コムの発生において、（イ）１つの光源から周波数が異なる複数の光を発生させ、（ロ）得られた複数の光の強度を帯域が異なる増幅器を用いてそれぞれ増幅し、（ハ）複数の光を従来の非線形光学結晶よりも長尺の非線形光学結晶に通過させることにより周波数の差から二酸化炭素同位体の吸収波長を有する高出力の照射光を発生させることを着想した。本発明は上記知見により基づいて完成したものである。なお、従来の差周波混合法において、帯域が異なる複数の増幅器を用いて光の強度を増幅することや、長尺の結晶を用いて高出力の照射光が得られる旨の報告はなかった。

光吸収物質の光吸収は、吸収線強度が大きく、かつ、照射光の光強度も高い場合は、その光吸収に対応した下準位が著しく減少し、実効的な光吸収量が飽和したようになる（これを飽和吸収と呼ぶ）。ＳＣＡＲ理論（Saturated Absorption CRDS）によれば、光共振器内の^１４ＣＯ_２等の試料に吸収線強度が大きな４．５μｍ帯の光を照射すると、得られる減衰信号（リングダウン信号）の初期は光共振器内に蓄積されている光強度が高いため飽和効果が大きく見られ、その後、減衰が進むにつれて光共振器内に蓄積されている光強度が徐々に低くなるため飽和効果が小さくなる。このため、このような飽和効果が見られる減衰信号は、単純な指数関数減衰ではなくなる。この理論に基づけば、ＳＣＡＲで得られた減衰信号のフィッティングにより、試料による減衰率とバックグラウンドの減衰率を独立に評価できるため、寄生エタロン効果などのバックグラウンドの減衰率の変動に影響されることなく試料による減衰率を求めることができ、かつ、夾雑ガスと比較して^１４ＣＯ_２の飽和効果が大きいため、^１４ＣＯ_２による光吸収をより選択的に測定できる。したがって、より光強度の高い照射光を用いるほうが、分析の感度が向上することが期待されている。本発明の光発生装置は、光強度が高い照射光を発生させることができるので、炭素同位体分析に用いた場合、分析感度が向上することが期待される。

〈演算装置〉
演算装置３０としては、上述の減衰時間やリングダウンレートから光共振器内の吸収物質濃度を測定し、吸収物質濃度から炭素同位体濃度を測定できるものであれば特に制限されることなく種々の装置を用いることができる。
演算制御部３１としては、ＣＰＵ等の通常のコンピュータシステムで用いられる演算手段等で構成すればよい。入力装置３２としては、例えばキーボード、マウス等のポインティングデバイスが挙げられる。表示装置３３としては、例えば液晶ディスプレイ、モニタ等の画像表示装置等が挙げられる。出力装置３４としては、例えばプリンタ等が挙げられる。記憶装置３５としてはＲＯＭ、ＲＡＭ、磁気ディスクなどの記憶装置が使用可能である。

本発明以前の放射性炭素同位体測定の代表例であるＡＭＳにおける前処理法を挙げ、本発明において二酸化炭素同位体生成装置４０に、図２で示される原理を用いた場合の前処理法を例として比較する。
ＡＭＳにおける前処理法は、測定試料の洗浄や希釈をなどの調整、前処理後の生体試料を二酸化炭素化する工程、還元工程、プレス工程からなる。１００検体を測定する場合、ＡＭＳでは人員２名を要し、日数は最低６〜７日である。また、測定費用は４００万円である。(１検体当たり４万円、加速器分析センターの資料を参考）。
一方、本願のＣＲＤＳを用いた前処理法は、生体試料から生体由来炭素を除去する工程、前処理後の生体試料を二酸化炭素化する工程、精製（濃縮,夾雑ガス除去）工程、除湿冷却工程からなる。１００検体を測定する場合、生体試料を二酸化炭素化する工程以降は自動化できるため、人員１名で１〜２日での処理が可能である。なお測定費用は１００万円以下を想定している。(１検体数百〜数千を設定)
なお、ＡＭＳを用いた装置はテニスコートの半面程度の設置面積の特別な建屋が必要になるが、ＣＲＤＳを用いた装置は、デスクトップサイズまで設置面積を縮小化でき、また配置自由度を高めることができる。

本発明以前の放射性炭素同位体測定の代表例であるＬＳＣ及びＡＭＳにおける前処理法を挙げ、本発明において二酸化炭素同位体生成装置４０に、図２で示される原理を用いた場合の前処理法を例として比較する。
ＬＳＣで生体試料を測定する場合の前処理工程について、生体試料の種類により処理時間に差はあるものの、数分から約２８時間を要する。尿と血液の前処理法の例を挙げる。
尿をＬＳＣ測定に供する場合、尿試料を必要に応じて蒸留水で希釈すればよい。当該前処理に要する時間は、数分である。
ＬＳＣは，試料から発する放射線とシンチレーターにより発する蛍光を検出し，放射線量を計測するが血液をＬＳＣ測定に供する場合、血液由来の色素が蛍光の検出を妨害し，正しく測定できない場合がある。このような場合，血液試料に組織溶解剤Ｓｏｌｕｅｎｅ−３５０（ＰｅｒｋｉｎＥｌｍｅｒ社）などを添加し、数時間４０℃から６０℃に加温し、さらに３０％過酸化水素を添加して血液色素を脱色させる必要がある場合がある。当該前処理に要する時間は、約４〜２４時間である。また別の前処理方法としては、血液試料を乾燥させたのち、試料中の炭素を二酸化炭素に燃焼酸化させ、生成した二酸化炭素をアミンなどでトラップする方法が挙げられる。
当該前処理に要する時間は、約４〜２４時間である。

ＡＭＳで生体試料を測定する場合の前処理工程は、第１の工程〜第５の工程からなる。以下に各工程の概略を記載する。なお、生体試料の例としては、血液、血漿、尿、糞、胆汁などが挙げられる。
第１の工程は、測定に供する生体試料を、必要に応じて希釈溶媒で希釈し、分取する工程である。希釈溶媒として、超純水またはブランク試料等が好適に用いられる。
第２の工程は、上記分取した試料を酸化させ、試料中に含まれる炭素を二酸化炭素にする工程である。
第３の工程は、水や窒素などから二酸化炭素を単離・精製する工程である。精製後の二酸化炭素について、炭素量を定量する。
第４の工程は、精製された二酸化炭素を還元反応によりグラファイトにする工程である。還元反応の例として、還元剤である鉄粉末と水素ガスを混合し電気炉で加熱しグラファイトを作製する方法が挙げられる。
第５の工程は、調製したグラファイトをプレスする工程である。
上記前処理工程に要する時間は約６日間である。

ＬＳＣの前処理にかかる時間が数分〜約２８時間、ＡＭＳの前処理にかかる時間が約６日間であるのに対して、本実施形態における二酸化炭素を生成する工程にかかる時間は、数分〜約２８時間である。前処理例として希釈、抽出、濃縮などが挙げられる。原理的に、測定に供する試料に含まれる炭素が完全燃焼して二酸化炭素に変換されればよく、本実施形態によれば前処理時間を検体あたり数分〜約１．５時間程度まで短縮できる。例えば血液試料をＬＳＣで測定する場合に必要な組織溶解工程や脱色工程が、ＣＲＤＳで測定する場合には不要となる。そのため前処理工程にかかる時間は、１検体あたり数分〜約１．５時間である。

以上、第１の態様に係る炭素同位体分析装置について説明してきたが、炭素同位体分析装置は、上述の実施形態に限定されることなく、種々の変更を加えることができる。以下に炭素同位体分析装置の別の態様について、第１の態様からの変更点を中心に説明する。

［炭素同位体分析装置の第２の態様］
〈冷却、除湿装置〉
図６は、炭素同位体分析装置の第２の態様の概念図である。図６に示すように、分光装置１ａは、光共振器１１を冷却するペルチェ素子１９と、光共振器１１を収納する真空装置１８と、をさらに備えてもよい。^１４ＣＯ_２の光吸収は温度依存性を有するため、ペルチェ素子１９により光共振器１１内の設定温度を低くすることで、^１４ＣＯ_２の吸収線と^１３ＣＯ_２、^１２ＣＯ_２の吸収線との区別が容易になり^１４ＣＯ_２の吸収強度が強くなるからである。また光共振器１１を真空装置１８内に配置して、光共振器１１が外気に晒されることを防止して外部温度の影響を軽減することで、分析精度が向上するからである。
光共振器１１を冷却する冷却装置としては、ペルチェ素子１９の他にも、例えば、液体窒素槽、ドライアイス槽などを用いることができる。分光装置１０を小型化できる観点からはペルチェ素子１９を用いることが好ましく、装置の製造コストを下げる観点からは液体窒素水槽もしくはドライアイス槽を用いることが好ましい。
真空装置１８としては、光共振器１１を収納でき、また光発生装置２０からの照射光を光共振器１１内に照射でき、透過光を光検出器に透過できるものであれば、特に制限なく様々な真空装置を用いることができる。
除湿装置を設けてもよい。その際、ペルチェ素子等の冷却手段により除湿してもよいが、フッ素系イオン交換樹脂膜といった水蒸気除去用高分子膜を使用した膜分離法によって除湿してもよい

上述の炭素同位体分析装置１をマイクロドーズに用いる場合、放射性炭素同位体^１４Ｃに対する検出感度は「０．１ｄｐｍ／ｍｌ」程度が想定される。この検出感度「０．１ｄｐｍ／ｍｌ」を達成するためには、光源として「狭帯域レーザー」を用いるだけでは不十分であり、光源の波長（周波数）の安定性が求められる。即ち、吸収線の波長からずれないこと、線幅が狭いことが要件となる。この点、炭素同位体分析装置１では、「光周波数コム光」を用いた安定な光源をＣＲＤＳに用いることでこの課題を解決できる。炭素同位体分析装置１によれば、低濃度の放射性炭素同位体を含む検体に対しても測定が可能であるという有利な作用効果が奏される。
なお、先行文献（廣本 和郎等、「キャビティーリングダウン分光に基づく１４Ｃ連続モニタリングの設計検討」、日本原子力学会春の年会予稿集、２０１０年３月１９日、Ｐ４３２）には、原子力発電関連の使用済み燃料の濃度モニタリングに関連して、ＣＲＤＳにより二酸化炭素中の^１４Ｃ濃度を測定する旨が開示されている。しかし、先行文献に記載された、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を用いた信号処理方法は、データ処理が早くなるものの、ベースラインのゆらぎが大きくなるため、検出感度「０．１ｄｐｍ／ｍｌ」を達成することは困難である。

図７（Applied Physics Vol.24, pp.381-386, 1981より引用）は、分析試料^１２Ｃ^１６Ｏ_２、^１３Ｃ^１８Ｏ_２、^１３Ｃ^１６Ｏ_２、^１４Ｃ^１６Ｏ_２の吸収波長と吸収強度の関係を示す。図７に示すように、それぞれの炭素同位体を含む二酸化炭素は、固有の吸収線を有している。実際の吸収では、各吸収線は試料の圧力や温度に起因する拡がりによって有限の幅を持つ。このため、試料の圧力は大気圧以下、温度は２７３Ｋ（０℃）以下にすることが好ましい。

以上、^１４ＣＯ_２の吸収強度は温度依存性があるため、光共振器１１内の設定温度を、できるだけ低く設定することが好ましい。具体的な光共振器１１内の設定温度は２７３Ｋ（０℃）以下が好ましい。下限値は特に制限はないが、冷却効果と経済的観点から、１７３Ｋ〜２５３Ｋ（−１００℃〜−２０℃）、特に２３３Ｋ（−４０℃）程度に冷却することが好ましい。
分光装置は、振動吸収手段をさらに備えてもよい。分光装置の外部からの振動によりミラー間隔がずれることを防止して、測定精度を上げることができるからである。振動吸収手段としては、例えば衝撃吸収剤（高分子ゲル）や免震装置を用いることができる。免震装置としては外部振動の逆位相の振動を分光装置に与えることができる装置を用いることができる。

〈ディレイライン〉
図６に示すように、第１光ファイバー２１上にディレイライン２８（光路差調整器）を設けてもよい。第１光ファイバー２１上で発生した光の波長の微調整が容易になり、光発生装置のメンテナンスが用意になるからである。
図８は１本の光ファイバを用いた中赤外コム生成の原理を示す図である。図６、図８を参照しつつ、ディレイライン２８について説明する。図６の炭素同位体分析装置１は、光源２３と非線形光学結晶２４の間に、複数の波長フィルタからなるディレイライン２８を備える。第１光ファイバー２１により、光源２３からの光が伝送され、スペクトルが拡げられる（スペクトルの伸張）。そして、スペクトル成分が時間的にずれている場合、図６に示されるように、ディレイライン２８（光路差調整器）により、スペクトル成分が分けられ、時間差の調整が行われる。そして、非線形結晶２５に集光させることで中赤外コムを生成することができる。
なお、分光手段としてディレイラインを挙げたが、それに限定されることなく、分散媒体を用いてもよい。

＜光遮断装置＞
上述の実施形態においては、リングダウン信号の取得手段として、分光装置１０内においてピエゾ素子１３によるミラー間隔の調整を用いたが、リングダウン信号を得るために、光発生装置２０内において光共振器１１への光を遮断する光遮断装置を設けて光共振器に照射される照射光のオンオフ制御を行う構成としてもよい。光遮断装置としては、二酸化炭素同位体の吸収波長の光をすばやく遮断できる装置であれば特に制限されることなく種々の装置を用いることができ、図６に示すような光学スイッチ２９を例示できる。なお、光共振器内の光の減衰時間よりも十分にすばやく光を遮断する必要がある。

［実施例１］
図９はＥｒ添加ファイバ−レーザーべースの中赤外（ＭＩＲ）コム生成系１を示す図である。図６の２０Ｂに対応する装置を組み立てて実験を行った。光源として、９８０ｎｍＬＤを励起レーザとして用いた単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）フィルムを用いた、出射光の波長が１．５５μｍで、繰り返し周波数１６０ＭＨｚの高繰り返し超短パルスファイバーレーザーを用いた。この光源からの出射光を種光として入力し、Ｅｒ添加ファイバー増幅器（ＥＤＦＡ）で増幅し、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）により二つに分離した。
一方の短波長側経路（第１光ファイバー）では、分散補償ファイバー（ＤＣＦ）、ＥＤＦＡ、そしてＥｒ：Ｙｂ添加ダブルクラッドファイバーを用いた増幅器（ＤＣＦ−Ｅｒ−ａｍｐ）によって、チャープパルス増幅を行った。そして、図１０Ａ，図１０Ｂに示すような、平均出力２Ｗ、パルス幅２ｐｓ、中心波長１５５５ｎｍの超短パルスを生成した。
なお、図示したディレイラインにより、波長の微修正をかけることも可能であるが、本実験では特に波長の微修正は行なわなかった。
他方の長波長側経路（第２光ファイバー）では、大口径フォトニッククリスタルファイバー(ＬＭＡ−ＰＣＦ)を用いて増幅したパルス光の分散を補償して、高強度な超短パルス光を生成した後、細径コア偏波保持ファイバー（Ｓｍａｌｌｃｏｒｅ ＰＭＦ)により図１１Ａに示すように約１．８５μｍまで波長シフトを行い、その光をＴｍ添加ファイバー増幅器（ＴＤＦＡ）により図１１Ｂに示すように増幅した。そして高非線形偏波保持分散シフトファイバー（ＰＭ−ＨＮ−ＤＳＦ）でさらに波長変換（伸張）を行った。そして、図１２に示すような、平均出力３００ｍＷ、波長帯域１７００〜２４００ｎｍ（１．７〜２．４μｍ）に渡って広がるスーパコンティニューム（ＳＣ）光を生成した。なお、本実施例では２．３〜２．４ｕｍ帯の成分が用いられている。
最後に二つの経路の出力を、長手方向の長さが４０ｍｍの非線形光学結晶（株式会社オキサイド製ＰＰＭｇＳＬＴ（Non-linear Coefficient (deff) > 7.5pm/V、Typical PMT 44+/- 5 degree C、AR Coat S1&S2 R<0.5% @ 1064/532nm、Crystal Size (T x W) 1mm x 2mm、Crystal Length (L) 40mm））のＳ１面に垂直に入射することにより差周波混合を行った。その結果、図１３に示されるような波長４４００〜４８００ｎｍ（４．５μｍ）帯の中赤外域光周波数コムがＳ２面から出射されるように生成された。
図１６に示す、従来の方法で作成された中赤外コムの光スペクトル図に比べて、半値幅が狭く高強度であることが示された。また、ＴＤＦＡの後段に高非線形偏波保持分散シフトファイバーを加えることによって、目的とする波長の光の選択性を向上させるとともに、所望の光を効率的に高強度で得られる。

本実施例１では、波長４８００ｎｍにピークを持つ中赤外域光周波数コムが生成されたが、長波長側経路および／または短波長側の光のスペクトル特性を調整することで波長４５００ｎｍにピークを持つ中赤外域光周波数コムを生成することができる。
また、図９の短波長側経路のＥｒ：Ｙｂ添加ダブルクラッドファイバーとディレイラインの間に、分散シフトファイバー(ＤＳＦ)とＳＰＦを更に設け（１．３５μｍ帯の成分が用いられる）、長波長側経路のＰＭ−ＨＮ−ＤＳＦを取り除き、図１４に示すようなＥｒ添加ファイバ−レーザーべースの中赤外（ＭＩＲ）コム生成系２を形成することで、波長４５００ｎｍ帯の中赤外域光周波数コムを生成することもできる。この構成により、ＥＤＦＡの後段にシフトファイバーを加えることによって、目的とする波長の光の選択性を向上させるとともに、所望の光を効率的に高強度で得られる。このように、所望の４．５μｍの波長帯の光を得るために好ましい非線形結晶を用いるために、入射光の波長を予め制御することが好ましい。

［炭素同位体分析装置の第３の態様］
〈光コム以外の光源を主光源として備える光発生装置〉
従来、量子カスケードレーザー（ＱＣＬ）には、発振波長の揺らぎがあり、また^１４Ｃ、^１３Ｃの吸収波長が隣接するため、^１４Ｃの分析に用いられるような炭素同位体分析装置の光源として用いることは困難であると考えられていた。そのため、本発明者等は１つの光源から光コムを発生する光コム光源を独自に開発することにより、コンパクトで使い勝手がよい、炭素同位体分析装置を完成した（特許文献２参照）。
そして、本発明者等は炭素同位体分析装置の更なる分析精度の向上を図るため、上述の通り、線幅が狭く高出力（高強度）の光を発生する光発生装置を完成した。本発明者等は光発生装置のさらなる用途を検討した結果、上述の光発生装置から発生する線幅の狭い光を周波数リファレンスとして用いるビート信号測定装置により、ＱＣＬから発する光の発振波長の揺らぎを補正することを着想した。この着想に基づいて研究を進めた結果、光コム以外の光源を主光源とする、コンパクトで使い勝手がよく、信頼性が高い光発生装置及びそれを用いた炭素同位体分析装置を完成した。

図１５は第３の態様に係る炭素同位体分析装置１Ｃの概要を示す図である。炭素同位体分析装置１Ｃは、図１の光発生装置２０Ａを図１５の光発生装置５０に置き換えたものであり、二酸化炭素同位体生成装置４０と、光発生装置５０と、分光装置１０と、さらに演算装置３０とを備える。
光発生装置５０は、主光源５１、主光源５１からの光を伝送する光ファイバー５４を備える光発生装置本体５０Ａと；
１つの光の周波数領域が４５００ｎｍ〜４８００ｎｍである線幅の狭い光の束からなる光コムを発生させる光コム源５２と、光コム源５２からの光を伝送するビート信号測定用光ファイバー５６と、光ファイバー５４、５６上に配置された分岐手段５８、５９と、分岐手段５８，５９を介して主光源５１からの光の一部をビート信号測定用光ファイバー５６に分岐させる光ファイバー５５と、主光源５１からの光と光コム源５２からの光の周波数差により生じるビート信号を測定する光検出器５３と、を備えるビート信号測定機５０Ｂと；を備える。
光発生装置５０を備える炭素同位体分析装置１Ｃは、主光源が光コムに制限されず、ＱＣＬのような汎用の光源を用いることができるので、炭素同位体分析装置１Ｃの設計やメンテナンスの自由度が高くなる。

［炭素同位体分析装置の第４の態様］
〈寄生エタロン効果による干渉の除去機能を備える分光装置〉
従来の炭素同位体分析方法においては、光共振器と光路上の光学部品との表面間で反射が起こり、図１８Ａに示すように、寄生エタロン効果が生じることにより、ベースラインに大きなノイズが生じていた。このノイズを減少させるべく検討した結果、本発明者らは、光共振器と光路上の光学部品との表面間の距離を強制的に変化させることにより、図１８Ｂに示すように、ベースラインのドリフトを解決できることを知見した。そして、更なる検討を加えた結果、新たな分光装置及びそれを備える炭素同位体分析装置を完成するに至った。

図２０は分光装置１０Ｄの概念図を示す。図２０に示すように、分光装置１０Ｄは、１対のミラーを有する光共振器１１と、光共振器１１を収納する真空装置と１８、光共振器１１からの透過光の強度を検出する光検出器１５と、寄生エタロン効果による干渉を除去する透過窓６１，６３と、を備える。透過窓６１，６３は、光共振器１１と光発生装置２０（Ｌ）の間および光共振器１１と光検出器の間のそれぞれの光軸上に配置され、駆動手段６５（Ｍ）を作動させることにより、光共振器１１の表面と光路上の光学部品の表面の間の相対的な距離（位置）が変化する。具体的には、図２０に示すように、透過窓６１，６３（ＣａＦ_２、厚み１〜１０ｍｍ、透過率９０％以上）を、光共振器１１を収める真空装置１８の入口窓と出口窓の両方の光路上に光軸に対してブリュースター角となるように設置し；駆動手段Ｍを作動させて１〜１００Ｈｚ、好ましくは３５Ｈｚで、０．０５〜５度、好ましくは１度の幅でＣａＦ_２製透過窓を光軸上で揺動させることにより；寄生エタロンによるベースラインのノイズを減少させることができる。
なお、透過窓は中赤外光を透過するものであれば特に制限されることはなく、上述のＣａＦ_２の他に、サファイアガラスやＺｎＳｅから製造されたものを用いてもよい。また透過窓６１，６３は、同一の素材及びサイズである必要はなく、例えば透過窓６１の素材をＣａＦ_２（１/２インチ程度）とし、透過窓６３の素材をＳｉ（１インチ程度）としてもよい。また図２０の分光装置は、光共振器１１の両側の光軸上に干渉除去手段として透過窓６１，６３を配置したがこれに制限されることはなく、干渉除去手段は、光共振器と光発生装置の間および光共振器と光検出器の間のいずれか一方の光軸上に配置されてもよいが、両光軸上に配置されることが好ましい。

図２０の分光装置は、干渉除去手段として揺動可能な透過窓を用いたが、寄生エタロン効果による干渉を除去できるのであれば、これらに限定されることはない。図２０の分光装置の他にも、図６に示すような、真空装置内に、光共振器と、冷却装置（ペルチェ装置）とを備える分光装置１０Ｂを用いて、光共振器の温度を０．１〜２０度、好ましくは１〜５度の範囲で温度変化させることにより、寄生エタロンによるベースラインのノイズを減少させることができる。冷却装置としては、上述の炭素同位体分析装置の第２の態様において説明したような、例えば、ペルチェ素子、液体窒素槽、ドライアイス槽などを用いることができる。^１４ＣＯ_２の吸収線と^１３ＣＯ_２、^１２ＣＯ_２の吸収線の区別ができ、かつ、寄生エタロンによるベースラインのノイズが減少するのであれば、真空装置内に配置した少なくとも１つの冷却装置により光共振器の温度制御を行なうことができる。なお、分光装置は、干渉除去手段として、透過窓と冷却装置を併せ持つ構成としてもよいが、装置を簡略化する観点からは何れか一方を有することが好ましい。

図１９Ａ、図１９Ｂは、それぞれ寄生エタロン効果による干渉の除去方法における温度制御の影響を示す図である。図１９Ａ（従来例）は、共振器の温度を特に変化させることなく行なった場合の実験結果を示す。図１９Ｂ（実施例）は、共振器の温度を５度の範囲で温度を変化させながら測定した結果を示す。
図１９Ａに示すように、温度の制御範囲が小さい場合、寄生エタロンによるベースラインのノイズ幅が大きかった。一方、図１９Ｂに示すように、共振器の温度を５度の範囲で制御することで、大幅にベースラインのノイズが改善されることが分かった。共振器の温度制御で温度のばらつきがある場合は特に透過窓の温度制御手段を設けることなく、そのばらつきによってベースライン補正がなされることが分かった。

本発明によれば上述の新たな分光装置を備える炭素同位体分析装置が提供される。即ち、本発明によれば、図１、図６、図１５に示されるような炭素同位体分析装置において、上述の新しい分光装置を用いた炭素同位体分析装置が提供される。係る炭素同位体分析装置によれば、寄生エタロンによるベースラインのノイズを減少することが可能となる。

［炭素同位体分析方法の第１の態様］
分析対象として放射性同位体^１４Ｃを例にあげて説明する。

（生体試料の前処理）

（イ）まず図１に示すような炭素同位体分析装置１を用意する。また放射性同位体^１４Ｃ源として、^１４Ｃを含む生体試料、例えば、血液、血漿、尿、糞、胆汁などを用意する。
（ロ）生体試料の前処理として除タンパクを行うことにより、生体由来炭素源を除去する。生体試料の前処理は、広義には、生体由来の炭素源除去工程と、夾雑ガス除去（分離）工程とが含まれるが、ここでは、生体由来の炭素源除去工程を中心に説明する。
マイクロドーズ試験では極微量の^１４Ｃ標識化合物が含まれる生体試料（例えば、血液、血漿、尿、糞、胆汁など）について分析が行われる。そのため、分析効率を上げるためには、生体試料の前処理を行うことが好ましい。ＣＲＤＳ装置の特性上、生体試料中^１４Ｃと全炭素との比(^１４Ｃ/^TotalＣ)が測定の検出感度を決定する要素の一つであるため、生体試料中から生体由来の炭素源を除去することが好ましい。
除タンパクの方法としては、酸や有機溶媒によりタンパク質の不溶化させる除タンパク法、分子サイズの違いを利用する限外濾過または透析による除タンパク法、固相抽出による除タンパク法等が例示できる。後述するように、^１４Ｃ標識化合物の抽出が行えることや、有機溶媒自身の除去が容易であることから、有機溶媒による除タンパク法が好ましい。
有機溶媒を用いた除タンパク法の場合、まず生体試料に有機溶媒を添加し、タンパク質を不溶化する。このとき、タンパク質に吸着している^１４Ｃ標識化合物が、有機溶媒含有溶液へ抽出される。^１４Ｃ標識化合物の回収率を高めるために、前記有機溶媒含有溶液を別の容器に採取後、残差にさらに有機溶媒を添加し、抽出する操作を行ってもよい。前記抽出操作は複数回繰り返してもよい。なお、生体試料が糞である場合、肺など臓器である場合等、有機溶媒と均一に混合しにくい形態の場合には、該生体試料をホモジネートする等、生体試料と有機溶媒とが均一に混合されるための処理をすることが好ましい。また必要に応じて、不溶化したタンパク質を、遠心操作、フィルターによるろ過等により除去してもよい。
その後、有機溶媒を蒸発させることにより^１４Ｃ標識化合物を含む抽出物を乾固させ、有機溶媒由来の炭素源を取り除く。前記有機溶媒は、メタノール（ＭｅＯＨ）、エタノール（ＥｔＯＨ）、またはアセトニトリル(ＡＣＮ)が好ましく、アセトニトリルがさらに好ましい。

（ハ）前処理後の生体試料を加熱・燃焼させて、放射性同位体^１４Ｃ源から二酸化炭素同位体^１４ＣＯ_２を含むガスを生成する。そして、得られたガスからＮ_２Ｏ、ＣＯを除去する。具体的には、図２，図３の装置を用いて^１４ＣＯ_２を分離することが好ましい。

（ニ）得られた^１４ＣＯ_２から水分を取り除いておくことが好ましい。例えば二酸化炭素同位体生成装置４０内にて、^１４ＣＯ_２を炭酸カルシウム等の乾燥剤上を通過させたり、^１４ＣＯ_２を冷却して水分を結露させることにより水分を除去することが好ましい。^１４ＣＯ_２に含まれる水分に起因する光共振器１１の着氷・着霜によるミラー反射率低下が検出感度を低下させるため、水分を除去しておくことで分析精度が上がるからである。なお、分光工程を考慮すると、分光装置１０へ^１４ＣＯ_２を導入する前に、^１４ＣＯ_２を冷却しておくことが好ましい。室温の^１４ＣＯ_２を導入すると、共振器の温度が大きく変化し、分析精度が低下するためである。

（ホ）^１４ＣＯ_２を、図１に示すような１対のミラー１２ａ、１２ｂを有する光共振器１１内に充填する。そして^１４ＣＯ_２を２７３Ｋ（０℃）以下に冷却することが好ましい。照射光の吸収強度が高まるからである。また光共振器１１を真空雰囲気に保つことが好ましい。外部温度の影響を軽減させることで、測定精度が高まるからである。

（ヘ）光源２３から得られた第１光を第１光ファイバー２１に伝送する。また第１光ファイバー２１から分岐し第１光ファイバー２１の下流側の合流点で合流する第２光ファイバー２２に第１光を伝送させて、第２光ファイバー２２により第１光よりも長波長の第２光を発生させる。得られた第１光と第２光の強度を、帯域が異なる増幅器２１，２６を用いてそれぞれ増幅する。そして、短波長側の第１光ファイバー２１から１．３μｍ〜１．７μｍ帯の光を発生させ、長波長側の第２光ファイバー２２から１．８μｍ〜２．４μｍ帯の光を発生させる。次に第２光を第１光ファイバー２１の下流側で合流させ、第１光と第２光を非線形光学結晶２４に通過させ、周波数の差から二酸化炭素同位体^１４ＣＯ_２の吸収波長の４．５μｍ帯の光として、波長４．５μｍ〜４．８μｍ帯の中赤外域光周波数の光コムを照射光として発生させる。その際、非線形光学結晶２４として長手方向の長さが１１ｍｍよりも長尺の長軸結晶を用いることにより強度の高い光を生成することができる。

（ト）二酸化炭素同位体^１４ＣＯ_２に照射光を照射し共振させる。その際、測定精度を上げるためには、光共振器１１の外部からの振動を吸収し、ミラー１２ａ、１２ｂ間隔にずれが生じないようにすることが好ましい。また照射光が空気に触れないように、第１光ファイバー２１の下流側の他端をミラー１２ａに当接させながら照射することが好ましい。そして光共振器１１からの透過光の強度を測定する。図５に示すように透過光を分光し、分光されたそれぞれの透過光について強度を測定してもよい。

（チ）透過光の強度から炭素同位体^１４Ｃ濃度を計算する。

以上、第１の態様に係る炭素同位体分析方法について説明してきたが、炭素同位体分析方法は、上述の実施形態に限定されることなく、種々の変更を加えることができる。以下に炭素同位体分析方法の別の態様について、第１の態様からの変更点を中心に説明する。

［炭素同位体分析方法の第２の態様］
炭素同位体分析方法の第２の態様は、上述の（へ）工程を、以下の工程に置き換えたものである。
（イ）炭素同位体分析方法は、１つの光の周波数領域が４５００ｎｍ〜４８００ｎｍである線幅の狭い光の束からなる光コムを発生させる。
（ロ）次に、図１７Ａに示すように、周波数に対する強度の光スペクトル図の被検対象物の吸収波長領域の中心に光コムのうちの１つの光のスペクトルを表示する。
（ハ）光コムからの光をビート信号測定用光ファイバーに伝送する。
（ニ）光源からの光を被検対象物に照射し光共振器（ＣＲＤＳ）により光吸収量を測定する。
（ホ）光源からの光の一部をビート信号測定用光ファイバーに分岐させ、光源からの光と光コム源からの光の周波数差によりビート信号を生じさせる。その際、図１７Ｂの矢印で示すように（１）、（２）…と、広範囲の周波数をスキャンしながらビート信号を発生させてもよい。また図１７Ｃに示すように所望の周波数領域でビート信号を発生させてもよい。
（ヘ）（ニ）工程で得られた光吸収量と共に（ホ）工程で得られたビート信号より得られる被検対象物に照射された光の波長を記録する。それらの記録に基づいて、被検対象物の正確な光吸収量を測定する。
なお、本発明では、あえて光コムによるフェーズロックを行わないものの、簡便な測定系で正確な測定が実現できる。

［炭素同位体分析方法の第３の態様］
〈寄生エタロン効果による干渉の除去方法〉
炭素同位体分析方法の第１、第２の態様において、さらに、寄生エタロン効果による干渉の除去工程を加えた炭素同位体分析方法の第３の態様が提供される。
具体的には、図２０に示すような分光装置１０Ｄを備える、炭素同位体分析装置を用意する。そして、光共振器１１と光発生装置２０の間および光共振器１１と光検出器の間のそれぞれの光軸上に配置された透過窓６１，６３が光軸に対してブリュースター角となるように調整する。駆動手段Ｍを作動させて１〜１００Ｈｚ、好ましくは３５Ｈｚで、０．０５〜５度、好ましくは１度の幅でＣａＦ_２製透過窓を光軸上で揺動させる。以上により、図１８Ｂに示されるように、寄生エタロンによるベースラインのノイズを減少させることができる。
その他にも、図６に示すような、真空装置内に冷却装置（ペルチェ装置）を備える炭素同位体分析装置を用意し、光共振器の温度を０．１〜２０度、好ましくは１〜５度の範囲で温度変化させることによっても、寄生エタロンによるベースラインのノイズを減少させることができる。この場合、^１４ＣＯ_２の吸収線と^１３ＣＯ_２、^１２ＣＯ_２の吸収線の区別と、寄生エタロンによるベースラインのノイズの減少と、を両立できるように温度制御することが好ましい。光共振器を―１０〜−４０℃に冷却した上で１〜５度の範囲で温度変化させることが好ましく、光共振器を―２０〜−４０℃に冷却した上で０．５〜１の範囲で温度変化させることがより好ましい。

（その他の実施形態）
上記のように、本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
実施形態に係る炭素同位体分析装置においては、分析対象である炭素同位体として放射性同位体^１４Ｃを中心に説明した。放射性同位体^１４Ｃの他にも、安定同位体元素である^１２Ｃ、^１３Ｃを分析することができる。その場合の照射光としては、例えば^１２Ｃ及び^１３Ｃ 分析を^１２ＣＯ_２及び^１３ＣＯ_２の吸収線分析として行う場合は、２μｍ帯や１．６μｍ帯の光を用いることが好ましい。
^１２ＣＯ_２、及び^１３ＣＯ_２の吸収線分析を行う場合、ミラー間隔は１０〜６０ｃｍ、ミラーの曲率半径はミラー間隔と同じかそれ以上、とすることが好ましい。
なお、^１２Ｃ、^１３Ｃ、^１４Ｃはそれぞれ化学的には同じ挙動を示すが、安定同位体元素^１２Ｃ、^１３Ｃよりも放射性同位体^１４Ｃの天然存在比が低いことから、放射性同位体^１４Ｃはその濃度を人工的な操作により高くし、精度よく測定を行うことで様々な反応過程の観測が可能となる。
実施形態に係る炭素同位体分析装置は、第１光ファイバーから分岐し分岐点より下流側で第１光ファイバーに合流する非線形ファイバーで構成された第３の光ファイバーをさらに備えてもよい。第１〜第３の光ファイバーを組み合わせることで２種以上の様々な周波数の光を発生することが可能になるからである。
その他にも、例えば、実施形態において説明した構成を一部に含む医療診断装置、環境測定装置も同様に製造することができる。また実施形態において説明した光発生装置を測定装置として用いることができる。
光周波数コムは、レーザースペクトルの縦モードが非常に高い精度で等周波数間隔に並んだ光源であり、精密分光や高精度距離計測の分野において高機能な新しい光源として期待されている。また、物質の吸収スペクトルが中赤外域に多く存在するため、中赤外域の光周波数コム光源の開発は重要である。上述の光発生装置は種々の用途で活用可能である。
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

１ 炭素同位体分析装置
１０ 分光装置
１１ 光共振器
１２ ミラー
１３ ピエゾ素子
１４ 回折格子
１５ 光検出器
１６ セル
１８ 真空装置
１９ ペルチェ素子
２０Ａ、２０Ｂ 光発生装置
２１ 第１光ファイバー
２２ 第２光ファイバー
２３ 光源
２４ 非線形光学結晶
２５ 第一増幅器
２６ 第二増幅器
２８ ディレイライン
２９ 光学スイッチ
３０ 演算装置
４０ 二酸化炭素同位体生成装置
５０ 光発生装置
５０Ａ 光発生装置本体
５１ 主光源
５４ 光ファイバー
５８ 分岐手段
５０Ｂ ビート信号測定機
５２ 光コム源
５３ 光検出器
５５、５６ 光ファイバー
５９ 分岐手段

Claims (21)

1. 炭素同位体から二酸化炭素同位体を含むガスを生成する燃焼部、二酸化炭素同位体精製部を備える二酸化炭素同位体生成装置と、
   １対のミラーを有する光共振器、前記光共振器からの透過光の強度を検出する光検出器を備える分光装置と、
   １つの光源、前記光源からの第１光を伝送する第１光ファイバー、前記第１光ファイバーの分岐点から分岐し前記第１光ファイバーの下流側の合流点で合流し前記第１光よりも長波長の第２光を発生させる第２光ファイバー、前記第１光ファイバーの前記分岐点と前記合流点の間に配置された第１増幅器、前記第２光ファイバーの前記分岐点と前記合流点の間に配置され前記第１増幅器とは帯域が異なる第２増幅器、周波数が異なる複数の光を通過させることで周波数の差から前記二酸化炭素同位体の吸収波長の光として波長４．５μｍ〜４．８μｍ帯の中赤外域光周波数の光コムを発生させる非線形光学結晶を備える光発生装置と、
   を備える、炭素同位体分析装置。
2. 前記光発生装置は、前記光源が１．５５μｍの超短パルスレーザー光源であり、前記第１増幅器がＥｒ添加型光ファイバー増幅器であり、前記第２増幅器がＴｍ添加型光ファイバー増幅器である、請求項１に記載の炭素同位体分析装置。
3. 前記第１光ファイバーは、前記第１増幅器と前記合流点の間に第３増幅器と、前記第３増幅器と前記合流点の間に第１波長シフトファイバーと、をさらに備え、
   前記第２光ファイバーは、前記分岐点と前記第２増幅器の間に第２波長シフトファイバーをさらに備える、請求項２に記載の炭素同位体分析装置。
4. 前記第１光ファイバーは、前記第１増幅器と前記合流点の間に第３増幅器をさらに備え、
   前記第２光ファイバーは、前記分岐点と前記第２増幅器の間に第２波長シフトファイバーと、前記第２増幅器と前記合流点の間に第３波長シフトファイバーとをさらに備える、請求項２に記載の炭素同位体分析装置。
5. 前記第１光ファイバーは、前記第１増幅器と前記合流点の間に第３増幅器をさらに備え、
   前記第２光ファイバーは、前記分岐点と前記第２増幅器の間に第２波長シフトファイバーをさらに備える、請求項２に記載の炭素同位体分析装置。
6. 前記光発生装置は、前記第１光ファイバーから１．３μｍ〜１．７μｍ帯の光を照射し、前記第２光ファイバーから１．８μｍ〜２．４μｍ帯の光を照射するものである、請求項１〜５のいずれか１項に記載の炭素同位体分析装置。
7. 前記第２波長シフトファイバーからは１．８μｍ〜２．０μｍ帯の光が出射され、
   前記第３波長シフトファイバーからは２．３μｍ〜２．４μｍ帯の光が出射される、請求項４に記載の炭素同位体分析装置。
8. 前記第１波長シフトファイバーは、分散シフトファイバー（ＤＳＦ）である、請求項３に記載の炭素同位体分析装置。
9. 前記第２波長シフトファイバーは、細径コアファイバー(Small core fiber)であり、
   前記第３波長シフトファイバーは、高非線形分散シフトファイバー(HN-DSF)である、請求項４に記載の炭素同位体分析装置。
10. 前記非線形光学結晶の光の流れ方向の距離は、１１ｍｍよりも長尺である、請求項１〜９のいずれか１項に記載の炭素同位体分析装置。
11. 前記光発生装置は、前記光源からの光を複数のスペクトル成分に分ける波長フィルタ、前記複数のスペクトル成分のそれぞれの時間差を調整し前記非線形結晶に集光させる分光手段を備えるディレイラインをさらに備える、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の炭素同位体分析装置。
12. 前記非線形光学結晶は、ＰＰＭｇＳＬＴ結晶もしくはＰＰＬＮ結晶、またはＧａＳｅ結晶である、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の炭素同位体分析装置。
13. 前記分光装置は、前記光共振器を冷却する冷却装置をさらに備える、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の炭素同位体分析装置。
14. 前記分光装置は、前記光共振器を収容する真空装置をさらに備える、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の炭素同位体分析装置。
15. 炭素同位体から二酸化炭素同位体を生成する工程と、
    前記二酸化炭素同位体を１対のミラーを有する光共振器内に充填する工程と、
    １つの光源から周波数が異なる複数の光を発生させ、得られた複数の光の強度を、帯域が異なる増幅器を用いてそれぞれ増幅する工程と、
    前記複数の光を非線形光学結晶に通過させることにより周波数の差から前記二酸化炭素同位体の吸収波長を有する照射光として、波長４．５μｍ〜４．８μｍ帯の中赤外域光周波数の光コムを発生させる工程と、
    前記二酸化炭素同位体に前記照射光を照射し共振させた際に得られる透過光の強度を測定する工程と、
    前記透過光の強度から炭素同位体濃度を計算する工程と、を有する炭素同位体分析方法。
16. 前記増幅された光のうち、短波長側の光が１．３μｍ〜１．７μｍ帯の光であり、長波長側の光が１．８μｍ〜２．４μｍ帯の光である、請求項１５に記載の炭素同位体分析方法。
17. 前記照射光を放射性二酸化炭素同位体^１４ＣＯ_２に照射する、請求項１５または請求項１６に記載の炭素同位体分析方法。
18. １つの光源と、
    前記光源からの光を伝送する第１光ファイバーと、
    前記第１光ファイバーの分岐点から分岐し前記第１光ファイバーの下流側の合流点で合流する前記第１光ファイバーよりも長波長の光を伝送する第２光ファイバーと、
    前記第１光ファイバーの前記分岐点から前記合流点の間に配置された第１増幅器と、
    前記第２光ファイバーの前記分岐点から前記合流点の間に配置され、前記第１増幅器とは帯域が異なる第２増幅器と、
    周波数が異なる複数の光を通過させることで周波数の差から前記二酸化炭素同位体の吸収波長の光として、波長４．５μｍ〜４．８μｍ帯の中赤外域光周波数の光コムを発生させる非線形光学結晶と、を備える光発生装置。
19. 前記光発生装置は、前記光源が１．５５μｍの超短パルスレーザー光源であり、前記第１増幅器がＥｒ添加型光ファイバー増幅器であり、前記第２増幅器がＴｍ添加型光ファイバー増幅器である、請求項１８に記載の炭素同位体分析装置。
20. 前記光発生装置は、前記第１光ファイバーから１．３μｍ〜１．７μｍ帯の光を照射し、前記第２光ファイバーから１．８μｍ〜２．４μｍ帯の光を照射するものである、請求項１８または１９に記載の炭素同位体分析装置。
21. いずれかの前記増幅器の後段に第2の波長シフトファイバーが含まれる、波長４．５〜４．８μm帯の中赤外域光周波数コムを発生する超短パルスレーザー光源としての、請求項１８〜２０のいずれか１項に記載の光発生装置。
    

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