JPWO2019142944A1 - 炭素同位体分析装置及び炭素同位体分析方法 - Google Patents

Abstract

光共振器内に送り混まれるガス中の二酸化炭素同位体の分圧が高く、感度性能および分析精度が高い炭素同位体分析装置及びそれを用いた分析方法を提供する。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；二酸化炭素同位体生成装置と分光装置の間に配置された、二酸化炭素同位体の凍結用冷却装置を備える二酸化炭素同位体トラップと；光発生装置と、を備える、炭素同位体分析装置。

Description

本発明は、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用いる分析ガス対象の放射性炭素同位体含有ガスの精製装置及び方法に関する。

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）。
しかしながら、更なる感度性能と分析精度を高めるため、光共振器内に送り込まれるガス中の二酸化炭素同位体の分圧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、光共振器内に送り混まれるガス中の二酸化炭素同位体の分圧が高く、感度性能および分析精度の高い炭素同位体分析装置及びそれを用いた分析方法を提供することを課題とする。

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組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、二酸化炭素同位体生成装置と分光装置の間に配置された、二酸化炭素同位体の凍結用冷却装置を備える二酸化炭素同位体トラップと、光発生装置と、を備える、炭素同位体分析装置。
（２）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、二酸化炭素同位体精製部は夾雑ガス分離部、二酸化炭素同位体の濃縮部、除湿部を備える二酸化炭素同位体生成装置と、１対のミラー及びノイズ発生防止用冷却装置を有する光共振器、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、二酸化炭素同位体生成装置と分光装置の間に配置された、二酸化炭素同位体の凍結用冷却装置を備える二酸化炭素同位体トラップと、光発生装置と、を備える、炭素同位体分析装置。
（３）光発生装置は、１つの光源、光源からの光を分岐させる分岐手段、分岐手段からの光を集光する集光レンズ、集光レンズからの光を反射して集光レンズと分岐手段を介して光源に光を送り返すミラーを備える光発生装置とを備える、（１）又は（２）記載の炭素同位体分析装置。
（４）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、（１）又は（２）記載の炭素同位体分析装置。
（５）光源は、中赤外量子カスケードレーザーである、（４）に記載の炭素同位体分析装置。
（６）光発生装置は、１つの光源と、光源からの第１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光ファイバーと、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増幅器と、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、（１）又は（２）記載の炭素同位体分析装置。
（７）炭素同位体から二酸化炭素同位体を生成する工程と、二酸化炭素同位体トラップを０℃以下まで冷却する工程と、二酸化炭素同位体及び二酸化炭素同位体よりも凝固点が低いキャリアガスを含んだガスを二酸化炭素同位体トラップ内に送り込み二酸化炭素同位体を凝結させる工程と、二酸化炭素同位体トラップ内のガスを取り除く工程と、二酸化炭素同位体トラップ内を外部から遮蔽しつつ、二酸化炭素同位体トラップ内を加温して、凝結した二酸化炭素同位体を気化させる工程と、気化した二酸化炭素同位体を光共振器内に充填する工程と、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。
（８）冷却工程において、二酸化炭素同位体トラップを二酸化炭素同位体の凝固点以下まで冷却する、（１８）に記載の炭素同位体分析方法。
（９）キャリアガスが、ヘリウム（Ｈｅ）ガスである、（７）又は（８）に記載の炭素同位体分析方法。

本発明によれば、光共振器内に送り込まれるガス中の二酸化炭素同位体の分圧が高く、より感度性能および分析精度の高い炭素同位体分析装置及びそれを用いた分析方法が提供される。

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は炭素同位体トラップシステムの実施態様の概念図である。 図３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４Ａ、図４Ｂ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５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６は光共振器の変形例の概念図である。 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はディレイラインの概念図である。 図９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１０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１１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１２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１３Ａ、図１３Ｂ、図１３Ｃは、第３の炭素同位体分析装置の光発生装置の工程概要図である。 図１４は炭素同位体分析装置の第４の実施態様の概念図である。 図１５は二酸化炭素同位体トラップの作用効果を示す図である。

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、第１の態様に係る炭素同位体分析装置の概念図である。図１に示すように、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、分光装置１０と、二酸化炭素同位体トラップ６０と、光発生装置２０Ａ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、二酸化炭素量から全炭素量を測定する炭素量測定部とを備える。
分光装置１０は、１対のミラー１２ａ，１２ｂを有する光共振器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。

図２は二酸化炭素同位体トラップシステムの概念図である。図２に示すように、二酸化炭素同位体トラップ６０は、二酸化炭素同位体生成装置４０から分光装置１０へ二酸化炭素同位体を送り込むガス供給管６９と、ガス供給管６９の上流側に配置されたバルブ６６ａ、６６ｂと、Ｕ字状のトラップ管６１と、ガス供給管６９の下流側に配置されたバルブ６６ｃ、６６ｄと、ガス供給管６９からバルブ６６ｃで分岐して配置されたガス供給管６９および共振器１１を陰圧にするためのポンプＰと、トラップ管６１を冷却するための液体窒素６５を内部に充填可能なデュワー瓶６３とを備える。
ポンプＰを作動させつつ、バルブ６６ａ〜６６ｄの開閉を制御することで、二酸化炭素同位体生成装置で生成された二酸化炭素同位体の光共振器１１内への導入制御が可能となる。
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３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３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。

図２に示すように、二酸化炭素同位体生成装置４０の燃焼部４１は、燃焼管４１０と、燃焼管を加熱可能とする加熱部（図示せず）と、還元部４１２とを備えることが好ましい。また二酸化炭素同位体精製部４３は、乾燥器４３０と、吸着剤４３１と、加熱脱着カラム４３２と、検出器４３３とを備えることが好ましい。
燃焼管４１０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４１０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４１０及び／又は還元部４１２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４１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４３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）４３２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。
二酸化炭素同位体精製部４３は、^１４ＣＯ_２の吸着剤４３１、例えばソーダ石灰や水酸化カルシウム等を備えることが好ましい。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。
上述の（ｉ）加熱脱着カラムによる^１４ＣＯ_２の捕集・分離、（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側と他端側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、本体内部の他端側に配置されたミラー１２ａと１２ｂの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。
なお、光共振器としては、ファイバーブラッググレーディング（ＦＢＧ）とゲインスイッチ半導体レーザーを用いたＣＲＤＳや、エバネッセント光デバイスによるＣＲＤＳを用いることもできる。

図４Ａ、図４Ｂ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４Ａ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４Ａ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。
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４Ｂ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４Ｂ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。

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５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５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度程度の冷却が最も好ましい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６示す。図６に示すように、光共振器９１は、真空装置としての円筒状の断熱用チャンバー９８と、断熱用チャンバー９８内に配置された測定用ガスセル９６と、測定用ガスセル９６の両端に配置された１対の高反射率ミラー９２と、測定用ガスセル９６の一端に配置されたミラー駆動機構９９と、測定用ガスセル９６の他端に配置されたリングピエゾアクチュエーター９３と、測定用ガスセル９６を冷却するペルチェ素子９９と、循環冷却器（図示せず）に接続された冷却パイプ９４ａを有する水冷ヒートシンク９４と、を備える。なお、水冷ヒートシンク９４により、ペルチェ素子９９から出る熱を放熱させることができる。

〈光発生装置〉
図１の光発生装置２０Ａ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。

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導入させることにより、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。

また光源としては、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もよい。
また光発生装置は、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することが好ましい。コンパクトで搬送しやすく、しかも操作が簡単であるからである。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からである。
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。

〈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。

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。

〈冷却、除湿装置〉
図２に示すように、分光装置１０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。
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。
しかしながら、上述の通り、本発明によれば、試料ガス中の二酸化炭素同位体^１４ＣＯ_２の分圧が向上することで、放射性炭素同位体^１４Ｃに対する検出感度が向上し、検出感度「０．０１ｄｐｍ／ｍｌ」を達成することができる。

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。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。

^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８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。ディレイライン２８は、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。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９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８、図９を参照しつつ、ディレイライン２８について説明する。図８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９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。

［炭素同位体分析装置の第２の態様］
炭素同位体分析装置１Ｃは、図１の光発生装置２０Ａを図１０の光発生装置２０Ｃ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２０Ａと、分光装置１０と、さらに演算装置３０とを備える。
図１０の光発生装置２０Ｃは、１つの光源２３と、光源２３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の分岐点から分岐し第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２２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を発生させる非線形光学結晶２４と、を備える。
第１光ファイバー２１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。

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２５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。

図１１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１１を参照しつつ、第３の態様に係る炭素同位体分析装置を用いた、炭素同位体分析方法について説明する。
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）フィルムを用意する。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意する。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）により二つに分離する。
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う。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。
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、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）により増幅する。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）を行う。
以上により、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）光を生成することができる。
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う。以上により、波長４４００〜４８００ｎｍ（４．５μｍ）帯の中赤外域光周波数コムがＳ２面から出射することができる。
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。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。

炭素同位体分析においては、分析対象の^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。

［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１２は第３の態様に係る炭素同位体分析装置１Ｄの概要を示す図である。炭素同位体分析装置１１Ｄは、図１の光発生装置２０Ａを図１２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。

図１２の光発生装置５０は、以下の工程により、所定の光を発生することで、炭素同位体分析を行うことができる。図１３Ａ、図１３Ｂ、図１３Ｃの工程概要図を用いて説明する。
（イ）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１３Ａ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１３Ｂ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１３Ｃ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。

［炭素同位体分析装置の第４の態様］
図１４は炭素同位体分析装置の第４の実施態様の概念図である。図１４に示されるように、光発生装置２０Ｅは、光源２３と、光源２３からの光を分岐させる分岐手段（ディレイライン）８２と、分岐手段８２からの光を集光する集光レンズ８０ｂ、集光レンズ８０ｂからの光を反射して集光レンズ８０ｂと分岐手段８２を介して光源２３に光を送り返すミラー８０ａからなるキャットアイ８０とを備える。光発生装置２０は、さらに光学分離器２９を備える。
キャットアイ２５により角度調整に及ぼす後方反射の依存性が小さくなることで、ＱＣＬへの容易な再入射が可能となる。光学分離器２９により光の遮断が可能となる。

光源２３としては、中赤外量子カスケードレーザー（Quantum Cascade Laser: QCL）を用いることができる。

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。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４の実施態様において、光源２３からレーザー光を発生させ、得られた光を光ファイバー２１に伝送し；光源２３からの光を分岐手段２８を用いて分岐させ；分岐させた光を集光レンズ２５ｂに集光し、集光させた光をミラー２５ａを用いて反射させ；ミラー２５ａと分岐手段２８を介して光源２３に送り返す（フィードバック工程）ことが好ましい。

本発明者等は、簡易、かつ迅速な^１４Ｃの分析が可能な炭素同位体分析装置およびそれを用いた炭素同位体分析方法を提案した（特許文献２参照）。これにより、^１４Ｃを用いたマイクロドーズの研究を簡易かつ安価に行なえることとなった。
ここで、^１４Ｃの分析に用いられ得る中赤外（ＭＩＲ）レーザの１態様として、分布帰還型（ＤＦＢ）量子カスケードレーザ（以下「ＱＣＬ」ともいう。）システムの要望が高まっている。その理由は、それらのシステムは市販されており、数ナノメートルの広いモードホップフリー同調範囲と数ＭＨｚの典型的な線幅の単一モード発光で簡単に取り扱えるからである。
ところが、ＱＣＬシステムは、多くの分光用途においては上記の性能で十分であるが、レーザーとＣＲＤＳで使用される高フィネス光共振器(反射率Ｒ>９９．９％)とのカップリングにおいては、線幅１００ｋＨｚ以下が求められていた。この線幅を減少させるという課題を解決する手段としては、例えば周波数弁別器を用いた高速の電気信号フィードバック（例えば、ＰＤＨロック）があるが、高速な信号処理系が必要であり、また高価であるという問題があった。さらに、レーザー光源に高帯域幅変調が必要であった。
このように、^１４Ｃの分析を行なうに当たっては、光源の安定性の更なる改善が求められていた。
本発明者等は研究の結果、周波数弁別器を用いた高速の電気信号フィードバックの代替案として、遅延自己注入として知られている光フィードバックを用いる方法に着目した。この受動フィードバックをＱＣＬに応用することにより、最小限の費用でレーザ線幅を低減することができることを知見した。即ち、上述の第４の実施態様によれば、光源の安定性が改善された、炭素同位体分析装置およびそれを用いた炭素同位体分析方法が提供される。

炭素同位体分析装置の第１〜４の態様の説明を通じて、二酸化炭素同位体トラップシステム（精製装置）や光源についても説明してきた。精製装置と光源の両者は、コンパクトでスペースを取らない簡易な構成を備える。精製装置や光源のレイアウトの自由度が高くなることで、炭素同位体分析装置の全体の容積を大幅に減少させることができる。

［炭素同位体分析方法］
分析対象として放射性同位体^１４Ｃを例にあげて説明する。炭素同位体分析方法に、生体試料の前処理（（イ）工程）は含まれないが、生体試料の前処理を行った後に、炭素同位体分析を行うことが好ましい。
（イ）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。用意した生体試料から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。

（ロ）図２の炭素同位体トラップシステムを備える、図１に示すような炭素同位体分析装置１を用意する。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。例えば、図２の二酸化炭素同位体生成装置４０の燃焼管４１０により二酸化炭素同位体^１４ＣＯ_２を含むガスを生成する。得られたガスからＮ_２Ｏ、ＣＯを除去することが好ましい。なお、後述の炭素同位体トラップシステムを作動させることにより、Ｈｅガスと併せてＮ_２Ｏ、ＣＯも除去できる。

（ハ）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を乾燥装置４４を通過させたり、また^１４ＣＯ_２を炭酸カルシウム等の乾燥剤４６上を通過させることにより水分を除去することができる。その他^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できる。例えば、図２のＵ字状の供給管４８を冷水に挿入することにより、水分を結露させることができる。^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により検出感度が低下するが、水分を除去しておくことにより、分析精度を上げることができる。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。

（ニ）液体窒素６５を備えるデュワー瓶６３内にトラップ管６１を挿入しトラップ管６１を０℃以下まで冷却する。そして、生成された^１４ＣＯ_２を^１４ＣＯ_２よりも凝固点が低いキャリアガスと共にトラップ管６１に送り込む。キャリアガスとして例えばヘリウムガスを用いることができる。そして、トラップ管６１内で二酸化炭素同位体を凝結させる。^１４ＣＯ_２が凝結した後、トラップ管６１内のガスを取り除く。例えば、図２のバルブ６６ａ、６６ｂを閉め、ポンプＰを作動させてトラップ管６１内を真空にすることにより、トラップ管６１内のヘリウムガスを取り除くことができる。バルブ６６ａ、６６ｂに加え、バルブ６６ｃ、６６ｄも閉めることにより二酸化炭素同位体トラップ６０内を外部から遮蔽する。その後、トラップ管６１をデュワー瓶６３から取り出しトラップ管６１を室温程度まで加温し、凝結した^１４ＣＯ_２を気化させる。

（ホ）気化した^１４ＣＯ_２を光共振器１１内に充填する。ポンプＰを作動させたままバルブ６６ａ、６６ｂ、６６ｃ、６６ｄを開放することにより、気化した^１４ＣＯ_２を光共振器１１内に充填することができる。^１４ＣＯ_２を２７３Ｋ（０℃）以下に冷却することが好ましい。ペルチェ素子１９により光共振器１１を冷却することにより、^１４ＣＯ_２を冷却することができる。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）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。

（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。

図２の二酸化炭素同位体のトラップシステムの基本性能の評価実験を以下の条件で行なった。
[実施例]
［操作手順］
１．測定試料（ラット尿サンプル）
ラットを３匹用意し、各ラットから２４時間毎にケージを少量の蒸留水で洗浄し、洗いこんだ蒸留水を１００gに合して尿サンプル（500uL/１回）とした。各ラットから合計で８時点における尿サンプルを採取した。得られた合計２４のサンプルについて、以下のような実験を行った。

２．二酸化炭素同位体生成
試料を、スズカプセルまたはスズホイルに内包した後、有機元素分析計（以下「ＥＡ」ともいう。/elementar社製、商品名「Vario MICRO cube」）を用いて以下の二酸化炭素同位体生成条件で酸化燃焼し、二酸化炭素同位体とした。
<二酸化炭素同位体生成条件>
燃焼温度:９５０℃(瞬間最大１８００℃)
還元温度:６００℃
キャリアガス:Ｈｅ
流量:２００ｍＬ/ｍｉｎ
酸素供給量：３０ｍＬ／ｍｉｎで７０〜８０秒
酸化触媒:酸化銅
還元触媒:還元銅
ハロゲン除去触媒:銀
除湿剤:シカぺント

３．二酸化炭素同位体分圧の取得
図２の二酸化炭素同位体トラップシステムを供える炭素同位体分析装置を用いて、試料ガスの精製を行った後、光共振器内に試料ガスを供給して、光共振器内における二酸化炭素同位体の分圧値を測定した。
得られた２４サンプル（３個体×８時点)の測定結果の平均値は、炭素量平均：２．２ｍｇＣ/５００ｕＬ、分圧平均：８０．４％であった。

[比較例]
［操作手順］
１．測定試料（グルコース試料）
測定試料として、後述するような、炭素量０〜９６．２（ｍｇＣ）のグルコース試料を用意した。
２．二酸化炭素同位体生成および分圧の取得
二酸化炭素同位体トラップシステムを用いて試料ガスの精製を行わなかったことを除き、実施例と同様にして、各グルコース試料から二酸化炭素同位体を生成し、その後、光共振器内における二酸化炭素同位体の分圧値を測定した。
得られたサンプルの炭素量に対する二酸化炭素同位体の分圧値を表１に示す。

実施例と比較例で得られた結果をまとめて図１５に示す。図１５に示されるように、酸化炭素同位体トラップシステムを用いて試料ガスの精製を行った実施例によれば、炭素量が約２．０（ｍｇＣ）と低濃度でありながら、二酸化炭素同位体の分圧が約８０％と高かった。一方、試料ガスの精製を行わなかった比較例においては、炭素量が実施例の約４倍以上であるにも関わらず、二酸化炭素同位体の分圧は約４０％程度であった。
以上より、酸化炭素同位体トラップシステムを用いて試料ガスの精製を行うことにより、光共振器内における二酸化炭素同位体の分圧が高くなることが確認された。

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。

（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
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
５２ 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
６０ 二酸化炭素同位体トラップ
８０ キャットアイ

Claims (9)

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組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、
   前記二酸化炭素同位体生成装置と前記分光装置の間に配置された、前記二酸化炭素同位体の凍結用冷却装置を備える二酸化炭素同位体トラップと、
   光発生装置と、を備える炭素同位体分析装置。
2. 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、前記二酸化炭素同位体精製部は夾雑ガス分離部、前記二酸化炭素同位体の濃縮部、除湿部を備える二酸化炭素同位体生成装置と、
   １対のミラー及びノイズ発生防止用冷却装置を有する光共振器、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、
   前記二酸化炭素同位体生成装置と前記分光装置の間に配置された、前記二酸化炭素同位体の凍結用冷却装置を備える二酸化炭素同位体トラップと、
   光発生装置と、を備える炭素同位体分析装置。
3. 前記光発生装置は、１つの光源、前記光源からの光を分岐させる分岐手段、前記分岐手段からの光を集光する集光レンズ、前記集光レンズからの光を反射して前記集光レンズと前記分岐手段を介して前記光源に光を送り返すミラーを備える光発生装置とを備える請求項１又は２記載の炭素同位体分析装置。
4. 前記光発生装置は、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、を備える請求項１又は２記載の炭素同位体分析装置。
5. 前記光源は、中赤外量子カスケードレーザーである請求項４に記載の炭素同位体分析装置。
6. 前記光発生装置は、１つの光源と、
   前記光源からの第１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光ファイバーと、
   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増幅器と、
   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、を備える請求項１又は２記載の炭素同位体分析装置。
7. 炭素同位体から二酸化炭素同位体を生成する工程と、
   二酸化炭素同位体トラップを０℃以下まで冷却する工程と、
   前記二酸化炭素同位体及び前記二酸化炭素同位体よりも凝固点が低いキャリアガスを含んだガスを前記二酸化炭素同位体トラップ内に送り込み前記二酸化炭素同位体を凝結させる工程と、
   前記二酸化炭素同位体トラップ内のガスを取り除く工程と、
   前記二酸化炭素同位体トラップ内を外部から遮蔽しつつ、前記二酸化炭素同位体トラップ内を加温して、凝結した二酸化炭素同位体を気化させる工程と、
   気化した前記二酸化炭素同位体を光共振器内に充填する工程と、
   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。
8. 前記冷却工程において、前記二酸化炭素同位体トラップを二酸化炭素同位体の凝固点以下まで冷却する請求項１８に記載の炭素同位体分析方法。
9. 前記キャリアガスが、ヘリウム（Ｈｅ）ガスである請求項７又は８に記載の炭素同位体分析方法。

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