KR100323281B1

KR100323281B1 - 다중샘플동시분석방법및그장치

Info

Publication number: KR100323281B1
Application number: KR1019980707172A
Authority: KR
Inventors: 다니엘 이 머닉
Original assignee: 월리엄 티. 아담스; 러트거스, 더 스테이트 유니버시티
Priority date: 1996-03-12
Filing date: 1997-03-10
Publication date: 2002-04-17
Also published as: WO1997034132A1; AU2539097A; AU704104B2; JP2000505558A; US5818580A; EP0890084A1; KR19990087705A; JP2005049322A; CN1213432A; EP0890084A4; CA2248130A1; BR9708036A

Abstract

본 발명은 다중 샘플을 동시에 처리하기 위한 분석 방법 및 그 장치에 관한 것이다. 바람직하게 복수의 파장(12, 14)을 포함하는 레이저광과 같은 방사선은, 모든 샘플을 통하는 단일 경로를 따라서 방사선 광선을 조사하는 것과 같이, 다중 샘플(32a-d)에 동시에 조사된다. 각 파장에 대한 응답은 인가된 방사선(42)의 그 자체의 세기와는 다른, 유도 효과를 감시하므로 얻을 수 있다. 유용한 신호 대 잡음비는 각 샘플내에서 저 흡광도로서 나타나게 된다. 양호한 하나의 샘플은 공지 구성이며, 내부 캘리브레이션 표준으로서 제공된다.

Description

다중 샘플 동시 분석 방법 및 그 장치{SIMULTANEOUS MULTISAMPLE ANALYSIS AND APPARATUS THEREFOR}

분석 테스트 방법은 통상 "분석물(analyte)"로 지칭되는 테스트될 재료의 샘플에 방사선을 투과시키는 것이다. 예를 들어, 일부 광도계 테스트는 특정한 물질과 관련이 있는 특정한 파장에서 샘플에 의해 흡수된 광의 총량을 측정하는 것이다. 특정 화학 물질이 적색광을 강하게 흡수한다면, 샘플내에서의 이 물질의 총량은 적색광의 광선을 샘플에 조사함으로써 측정할 수 있다. 광검출기는 상기 광선이 샘플을 통과한 후 광선내에 잔존하는 적색광의 총량을 측정한다. 조사량(照射量)이 많으면 많을수록 광선내에 잔존하는 적색광은 적어진다. 방사선의 다른 파장들을 이용하는 이러한 기본적인 개요의 다양한 변형들은 잘 알려져 있다. 포토셀에 도달하는 광량은 램프에 의해 제공되는 조사량과 같은, 광원의 성능에 좌우되기 때문에, 램프로부터 조사된 기준 광선은 샘플이 기준 혹은 눈금 판독을 제공하기 위해 이동되는 경우와 동일한 경로를 따라서 조사되거나, 연속적인 눈금 판독을 제공하기 위해 별도의 광검출기로 별도의 경로를 따라서 조사될 수도 있다. 또한, 상기분석물은 몇가지 다른 물질을 포함할 수도 있는데, 그러한 각 물질은 다른 파장에서 광을 흡수하며, 상기 샘플은 각 물질의 량을 측정하기 위해 각각 다른 파장에서 측정될 수도 있다. 일반적으로, 이러한 형태의 광도계 측정은 다른 화학 물질 즉, 샘플내의 다른 구성요소나 혼합물의 량을 감시하는데 사용될 수 있다.

다니엘 이 머닉(Daniel E. Murnick)의 미국 특허 제5,394,236호에 기술된 바와 같은, 또다른 측정 기술은 샘플내에 존재하는 특정한 원자 동위원소의 량을 측정하기 위해 사용된다. 동위원소는 다른 질량의 원자핵을 갖는 동일한 화학적 원소의 다른 형태이다. 예컨대, 천연 탄소는¹²C 즉, 12 원자 질량 단위(이하"amu"라함)의 원자 질량을 갖는 탄소로 대개 구성된다. 탄소의 다른 동위원소는 각각 13 혹은 14 a.m.u의 질량을 갖는¹³C 및¹⁴C이다.¹⁴C는 방사성 물질인 반면,¹³C 및¹²C는 안정성의 비방사성 물질이다.

상기 '236 특허에 개시된 양호한 방법은 상이한 동위원소를 포함하는 이산화탄소 분자들 혹은 이온들과 같이, 다원자 부분(moieties)을 포함하는 샘플에 하나 이상의 광선을 조사하는 것이다. 상기 양호한 방법은 분석물내의 일부 동위원소 함유 종이 여자 상태(excited states)로 존재하도록 하는 조건으로 분석물을 제공하는 동일한 단계를 포함한다. 전형적으로, 분석물은 분석물이 이온화 가스 혹은 "플라즈마"상태를 유지함으로써 이러한 여자 상태를 유지하게 된다. 적어도 분자 혹은 이온 상태에 있는 전자의 일부는 동위원소 함유 종의 기저 대역 혹은 안정(normal) 대역내에 위치하는 에너지 레벨보다 더 큰 에너지 레벨을 갖는다. 그러한 여자 상태는 여자 상태로부터 낮은 에너지 준위 상태로의 전이에 따라 여자 상태로부터 또다른 보다 더 높은 에너지 상태로의 역전에 따라 흡수되는 에너지에 대응하는 "전이 에너지"와 관련되어 있다. 가장 바람직하게, 동위원소 함유 종은 다원자 이온이나 혹은 다원자 분자와 같은 다원자 부분 또는 분자이다. 상기 전이 에너지는 예컨대,¹³CO₂및¹²CO₂ 처럼 상이한 동위원소를 통합한 동위원소 함유 종에 대해서는 다르다. 머닉의 '236 특허에 따른 양호한 방법에 있어서, 복수의 파장을 통합한 광들의 방사선은 여기된 동위원소 함유 종의 전이 에너지에 대응된다. 여러가지 동위원소를 통합하는 것은 상기 샘플에도 적용된다. 각 파장에서의 광은 하나의 동위원소를 포함하는 종과 상호 작용하고, 다른 동위원소를 포함하는 종과는 실제적으로 상호 작용을 하지 않는다.

상이한 파장에서 인가된 방사선에 대한 분석물의 응답을 측정하는 것에 의해, 샘플내에 존재하는 상이한 동위원소의 총량을 측정할 수 있다. 머닉 '236 특허에 따른 가장 바람직한 방법에 있어서, 샘플의 응답은 통상 옵토갈바닉 효과(optogalvanic effect)라고 지칭되는, 상이한 파장에서 광에 의해 유발된 플라즈마의 전기적 임피던스의 변화를 감시함으로써 측정된다. 상기 '236 특허에 개시된 바와 같이, 복수의 파장에서 광은 상이한 주파수에서 가변하는 상이한 파장에서의 광을 갖는 단일광의 하나 이상의 레이저에 의해 제공될 수 있다. 예를 들어,¹³CO₂와 연관된 파장에서의 광은 제1 변조 주파수에서 온 및 오프될 수 있고, 반면에¹³CO₂에 대응하는 파장에서의 광은 제2 변조 주파수에서 온 및 오프될 수 있다. 옵토갈바닉 효과에 대응하는 전기 신호는 두 개의 개별 성분을 포함하는데, 그 중 하나는¹²CO₂의 총량을 나타내는 제1 변조 주파수이고, 나머지 하나는¹³CO₂의 총량을 나타내는 제2 변조 주파수이다. 이들은 서로 전자적으로 분리될 수 있고 두 동위원소의 비례 총량을 나타내는 한 쌍의 신호를 제공하기 위해 측정된다.

머닉 '236 특허에 따른 양호한 방법은 물질내에서 상이한 동위원소의 총량을 측정하는데 사용하는 다른 방법을 능가하는 다수의 장점을 제공한다. 상기 '236 특허에 따른 방법 및 장치는 다수의 상이한 목적을 위한 다수의 상이한 분석물에 다시 적용할 수 있다. 그러나, 이러한 방법중에 특히 유용한 방법은 의학적인 실험분야에서이다. 다양한 의학 및 과학적 절차(procedures)는 상이한 동위원소의 비례 총량의 측정을 필요로 한다. 어떤 의학적 테스트에 있어서, 테스트 혼합물은 혼합물내에¹³C와 같은 희귀(rare) 동위원소를 포함한다. 테스트 혼합물은 대상자에 투여된다. 대상자의 체액 혹은 호흡내에 나타나는 희귀 동위원소의 총량은 테스트 혼합물을 신진 대사시키거나 혹은 처리하기 위한 대상자의 능력에 의존한다. 따라서, 희귀 동위원소의 총량 혹은¹³C와 같은 여분(more)의 동위원소와¹²C와 같은 여분의 동위 원소 사이의 비는 테스트 혼합물을 신진 대사시키는 대상자의 능력을 나타낸다. 그러한 테스트중의 하나는 입으로 대상자에게 요소(urea)를 식별하는¹³C의 투여가 포함된다. 만약 대상자가 위장 관내에 존재하는 헬리오박터 피로리(heliobacter pylori) 박테리아를 보균하고 있다면,¹³C는 환자에 의해 생성된 이산화탄소와 혼합될 것이고, 환자의 호흡의 일부로서 배출된다. 따라서, 환자의 호흡내에 존재있는¹²C에 대한¹³C의 비율은 헬리오박터 피로리 박테리아의 존재여부를 나타내게 된다. 또다른 방법으로, 호흡 테스트는 식별되는 다른 혼합물 혹은 탄소 동위원소와 함께 혹은 다른 원소의 동위원소와 함께 투여하는 것을 포함한다.

물질의 동위원소를 분석하는 장치 및 방법은 몇가지 상충되는 요구조건에 직면해 있다. 분석장치는 단위 시간당 가능한 한 많은 샘플을 처리할 수 있어야 한다. 일반적으로, 분석중에 있는 샘플을 수용하는 샘플방은 계측기의 상설 구성부재이다. 그러므로, 샘플방을 청결하게 하고 새로운 샘플을 투입하는데 시간이 걸리는 공정은 일련의 테스트중의 각 테스트사이에 실행되어야만 한다. 실제 테스트가 신속히 실행될 수 있더라도, 계측기의 전체 처리량 혹은 샘플 처리율은 이러한 절차에 의해 제한되게 된다.

테스트 계측기를 한 쌍으로 함에 의해 테스트율을 증가시키는 것이 가능할지는 모르나, 이러한 해결책은 비용이 많이 들게 된다. 게다가, 계측기상에서 얻어진 판독이 또 다른 계측기상에서 얻어진 데이터와 직접 호환될 수 있도록 다른 계측기의 특성과 서로 매치시키기 위해 상호 눈금 측정을 해야하는 것이 필요하다는 점에서 변동의 추가적인 원인이 발생된다. 하나의 계측기로만 사용될 경우라도, 그것의눈금 측정은 때때로 변화되거나 편차를 발생시킬 수 있다. 샘플들사이에 유용한 비교를 제공하기 위하여, 계측기는 알려진 샘플들을 테스트함으로써 의해 반복적으로 재측정해야만 한다. 이는 또한 실제 샘플을 테스트하기 위해 사용되어야 할 시간을 감소시키게 한다. 이러한 문제점은 상이한 샘플들의 분석을 서로 비교하여 이루어지는 테스트의 경우 특히 중요하게 나타난다. 어떤 의학적인 테스트에 있어서는, 체액의 복수 샘플이 상이한 시간대에 특정한 대상자로부터 채취된다. 예를 들어, 전술한 요소 호흡 테스트에 있어서, 호흡 샘플은 식별된 요소의 투여전에, 그리고 투여후에 여러번 채취된다. 테스트에 대한 평가는 "전" 및 "후" 샘플들을 서로 비교하는 것이 포함될 수 있다. 계측기들 사이의 변동 혹은 때때로 단일 계측기의 변동에 따른 어떤 영향은 복수의 샘플들간에 차이를 확대시키거나 감소시키지 않기 때문에 대단히 중요하다. 따라서, 방사선에 대한 노출에 의해 분석물을 테스트하는 방법 및 장치에 있어서 개선이 필요하게 되었다.

본 발명은 레이저광과 같은 방사광에 노출시킴으로써 가스 샘플과 같은 복수의 샘플을 분석하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 일시예에 따른 장치의 일부를 예시하는 개략도.

도 2는 도 1에 의해 예시된 장치의 다른 일부분을 예시하는 추가의 개략도.

본 발명은 상기와 같은 필요성을 감안하여 이루어진 것이다.

본 발명에 따른 하나의 양태는 분석물의 복수의 개별 샘플을 유지하는 단계를 포함하는 분석물 분석 방법을 제공한다. 본 발명의 이러한 양태에 따른 방법은 상류에서부터 하류의 순서로 모든 샘플들에 하나 이상의 방사선의 광선을 조사함으로써 그러한 각각의 종의 전이 에너지에 대응하는 파장을 포함하는 방사선을 복수의 샘플들에 조사하는 단계를 추가로 포함한다. 전형적으로, 상기 샘플들은 경로상에 배치된 개별 샘플방에 수용되고, 광선은 차례대로 모든 샘플방을 통과하도록 상기 경로를 따라 조사되며, 그에 따라 실질적으로 동시에 방사선에 대해 모든 샘플들이 노출되게 된다. 본 발명의 이러한 양태에 따른 방법은 인가된 방사선에 의해 샘플내에서 발생되는 유도 효과(induced effect)를 감시함으로써 인가된 방사선과 샘플 사이의 상호 작용을 감시하는 단계를 추가로 포함한다. 이 명세서에서 사용된 용어 "유도 효과"는 인가되는 파장에서의 방사선 세기의 변화가 아닌 다른 어떤 현상을 의미한다. 유도 효과는 광음향 효과, 시뮬레이트된 형광성(stimulated fluorescence) 및 옵토갈바닉 효과를 포함한다.

유도 효과를 감시하는 것에 의해 단지 인가된 방사선의 미소한 부분이 각 샘플에 의해 흡수되는 경우일지라도 유용한 신호 대 잡음비가 제공될 수 있다. 가장 바람직하게, 인가된 방사선은 그것이 각 샘플방을 통과할 때 세기의 변화가 거의 일어나지 않거나 전혀 변화가 없다. 경로의 하류단에 위치한 샘플은 상류 단에 위치한 샘플과 실제적으로 동일한 방사선 세기를 수신한다. 더 나아가, 경로의 상류단에 위치한 샘플에 의한 흡수에 있어서의 모든(임의의) 변동은 하류단에 위치한 샘플에 인가된 세기에 미세한 변화만을 발생한다. 모든 실제적인 목적을 위해, 하류단에 위치한 샘플들에 인가된 방사선 세기는 상류단에 위치한 샘플의 흡수도와는 무관한 것으로 간주된다. 광선을 조사하는 단계는 샘플방을 통과하는 광선을 반사시켜서 광선이 상류 및 하류 방향 모두에서 여러번 샘플방들을 통과하게 하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이것은 또한, 경로의 상류단에 위치한 샘플과 경로의 하류단에 위치한 샘플사이에 인가 방사선 세기에 있어서의 차이를 감소시킨다.

종래 방법에 따라, 샘플들을 통과한 후 인가된 방사선의 세기를 감시함으로써 상호 작용이 감시되는 경우, 인가된 방사선과 샘플의 상호 작용을 나타내는 신호는 인가된 방사선의 세기와 샘플을 통과한 후의 방사선의 세기 사이의 차(difference)를 나타낸다. 인가된 방사선의 모든 노이즈나 변동은 상호 작용을 나타내는 신호의 노이즈로서 나타난다. 이러한 노이즈는 상호 작용을 나타내는 신호를 불명확하게 한다. 유용한 신호 대 잡음비를 제공하기 위하여, 각 샘플은 인가된 실제 방사선량을 흡수해야만 하고, 각 샘플에 의해 흡수된 방사선의 총량은 샘플의 구성에 따라서 실직적으로 변경되어야만 한다. 이 때문에, 범용 광도계 계측기는 광의 단일 광선을 일반적으로 일련의 복수 샘플들에 조사하지 못하는 것이다.

본 발명의 이러한 양태에 따른 방법에 있어서 일련의 복수 샘플에 광을 조사하는 능력은 매우 우수한 장점이다. 단일 광선이 단일 광 경로상에서 몇 개의 샘플에 동시에 조사될 수 있기 때문에, 단위 시간당 처리되는 샘플수 또는 계측기의 작업 처리율은 몇배로 증가될 수 있다. 이것은 단일 광 경로만을 포함하는 단순한 광학 기구를 사용하여 실행될 수 있다. 몇개의 샘플들은 단일의 동시 동작으로 방사선에 노출될 수 있기 때문에, 계측기의 방사선 발생 소자의 동작에 있어서의 변동은 이들 샘플간의 비교에 영향을 주지 않는다. 실질적으로 바람직한 실시예에 있어서, 광의 단일 광선을 사용하여 동시에 테스트되는 복수의 샘플은 의학적인 테스트에서 예를 들어, 테스트 물질의 투여 전 후와 같은, 상이한 시간대에 한 환자로부터 체취한 호흡 샘플과 같이 한 사람의 환자로부터 채취한 샘플들이 될 수 있다. 이것은 여러 가지 샘플들의 결과사이에서 상당히 정확한 비교를 행할 수 있도록 한다.

바람직하게는, 복수의 샘플중의 하나는 공지된 구성 샘플이다. 공지된 구성 샘플 내에서 관찰된 결과는 눈금 측정의 기준으로서 기능한다. 이러한 배열에 있어서, 계측기는 샘플을 측정할 때마다 눈금 측정을 행한다. 입사된 방사선의 광선의 특성에서의 모든 변화는 검출된다. 그러므로, 공지의 샘플 내에서 관찰한 결과는 그러한 어떤 변화를 보정하기 위해 수정된다. 눈금 측정은 미지 샘플 테스트와 동시에 실행될 수 있기 때문에, 실제적으로 샘플 작업 처리량은 감소하지는 않는다.

가장 바람직하게, 샘플은 검출되는 적어도 하나의 종은 여자 상태인 조건을 유지하고 있으며, 인가된 방사선의 파장은 여자 상태에 있는 그러한 각각의 종의 전이 에너지에 대응한다. 바람직하게도, 샘플은 플라즈마 상태를 유지한다. 유도 효과를 감시하는 단계는 바람직하게 인가된 방사선에 의해 유발된 옵토갈바닉 효과를 감시하는 단계를 포함한다. "옵토갈바닉 효과"란 용어는 인가된 방사선에 의해 유발된 플라즈마의 전기적인 임피던스의 변화를 말한다. 옵토갈바닉 효과는 플라즈마가 인가된 방사선의 작은 일부분만을 흡수하는 경우에 조차도 용이하게 측정가능한 전기 신호를 제공한다. 더욱이, 인가된 방사선이 여자 상태에 있는 종의 전이 에너지에 대응하는 파장을 포함하는 경우에, 각 샘플은 시뮬레이트된 방출로서 공지된 공정을 통해 파장에서 일부 방사선을 방출한다. 방출된 방사선 총량과 흡수된 총량 사이의 관계는 여자 상태에 있는 종의 원자나 분자의 비율과 같은 플라즈마의 특성에 좌우된다. 각 샘플을 통과하는 광선상의 네트(net) 효과는 세기를 감소시키거나 혹은 세기를 증가시킬 수도 있다. 그러나 양호하게도, 방출된 방사선 총량은 흡수된 총량보다 약간 크게 나타나며, 그에 따라 샘플을 통과함으로써 발생된 광선의 세기에 있어서의 네트의 증가는 샘플방의 광선이 벽을 통과함에 따라 발생된 감쇄를 보상한다. 환언하면, 샘플 그 자체는 세기 이득이 1보다 약간 크지만, 반면에 샘플과 샘플방은 함께 대략 1 정도의 세기 이득을 제공한다.

더욱 바람직하게는, 복수의 샘플들에 조사되는 방사선의 광선은 분석물 샘플내에 존재할 수 있는 복수의 종의 전이 에너지에 대응하는 복수의 파장을 포함한다. 또한 상기 방법은 바람직스럽게도, 각각의 그러한 샘플내의 여러가지 종의 상대적인 양을 측정하기 위해 다른 파장에서의 동일한 샘플의 응답과 각 파장에서의 각 샘플에 대한 응답을 비교하는 단계를 포함한다. 예를 들어, 여러 가지 파장이 상이한 동위 원소를 포함한 종의 전이 에너지에 대응하는 경우에, 상기 방법은 각 샘플내에서 상이한 동위원소의 상대적인 양의 측정을 행할 수 있다.

본 발명의 추가적인 양태에 따르면, 분석물을 분석하는 방법은 방사선의 공통 광원으로부터 방사선이 모든 샘플들을 실제적으로 동시에 통과하고, 그에 따라 모든 샘플들이 방사선 광원의 성능에 있어서의 어떤 편차나 변동에도 불구하고 동일한 방사선에 실제적으로 노출되도록, 분석물의 복수의 개별 샘플을 수용하는 단계와 복수의 종의 전이 에너지에 대응하는 복수의 파장을 포함하는 방사선을 복수의 샘플에 조사하는 단계를 포함할 수 있다. 본 발명의 이러한 양태에 따른 방법은 각 파장에 대한 응답을 측정하기 위하여 방사선에 대한 샘플의 응답을 감시하는 단계와, 그러한 각 샘플에서 종의 상대적인 양의 측정을 행하기 위하여 각 파장에서의 각 샘플에 대한 응답을 파장에서의 동일한 샘플의 다른 응답에 대하여 비교하는 단계를 추가로 포함한다. 이 단계는 상이한 파장에 대한 각 샘플의 응답의 크기 사이의 응답비를 측정함으로써 실행될 수 있다. 다시 말해서, 샘플들은 공지 구성을 갖는 적어도 하나의 기준 샘플과 적어도 하나의 미지 샘플을 포함할 수 있다. 상기 방법은 기준 샘플에 대한 응답에 기초하여 각 미지의 샘플에 대한 상대적인 양의 측정을 조절하는 단계를 포함할 수 있다. 이 단계는 전술한 미지의 샘플의 응답비와 표준 샘플에 대한 응답비 사이의 비율을 계산함으로써 실행될 수 있다. 이하 추가로 논의하는 바와 같이, 이러한 비율 측정 계산은 계측기 조건에서의 변화의 영향을 제거할 수 있다. 본 발명의 이러한 양태에 따른 방법은 상기 논의된 특징이외의 다른 특징도 포함할 수 있다. 따라서, 인가된 방사선에 대한 샘플의 응답을 감시하는 단계는 유도 효과를 감시하는 단계를 포함할 수 있다. 다시 말해서, 상기 샘플들은 측정될 종이 여자 상태하의 조건으로 유지될 수 있다. 방사선을 복수의 샘플에 조사하는 단계는, 동일한 광선이 차례로 모든 샘플을 통과하도록 복수의 샘플을 통하여 방사선의 광선을 조사하는 단계를 포함할 수 있다.

가장 바람직하게, 본 발명의 전기한 양태에 따른 방법은 복수의 샘플을 복수의 샘플방에 동시에 충진하는 단계를 포함한다. 상기 샘플이 기체 상태인 경우에, 상기 충진 단계는 복수의 샘플방을 동시에 배출하는 단계와, 여러 샘플들을 배출된 개별 샘플방에 동시에 충진하는 단계와, 각 샘플방로부터 각 샘플의 일부를 배출함으로써 소정의 압력으로 상기 여러 샘플을 가져오는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 추가의 양태는 분석 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 일 양태에 따른 장치는 상류에서 하류의 순차로 광경로를 따라서 배치된 복수의 샘플방을 포함하는데, 각 샘플방은 상류단과 하류단을 구비하고 상기 상류단과 하류단 사이에 투명한 벽을 구비한다. 상기 장치는 프레임을 포함할 수 있고, 상기 샘플방은 광경로를 따라서 서로에 대해 일직선상으로 상기 프레임에 영구적으로 창착할 수 있다. 상기 장치는 샘플방 중에 적어도 하나 이상에 분석물을 제공하는 수단을 추가로 포함한다. 상기 장치는 하나 이상의 소정 분석 파장의 방사선 광원과 경로의 상류방향에서부터 하류방향 영역을 따라서 방사선을 모든 샘플방에 광선으로 조사하는 수단을 추가로 포함한다. 더 나아가, 상기 장치는 방사선에 의해 유발되는 유도 효과를 감시하여, 각 샘플방내에 배치된 분석물의 상기 방사선에 대한 응답을 감시하는 수단을 구비한다. 가장 바람직하게는, 광원은 하나 이상의 레이저를 포함할 수 있다. 상기 장치는 상기 분석물내에 포함된 종을 여자 상태로 하기 위해 각 방내에 배치된 분석물로 에너지를 인가하는 여기(excitation) 수단을 포함한다. 이 여기 수단은 여러 샘플방에 충진된 샘플들에 고주파 에너지와 같은 전기 에너지를 인가하는 수단을 포함할 수 있다. 따라서, 여기 수단은 공통 고주파 전원부와 같은 여기 에너지의 공통 전원에 접속된 하나 이상의 RF코일을 포함할 수 있다.

상기 장치는 여러 샘플방에 샘플들을 충진하는 충진 수단을 추가로 포함할 수 있다. 이 충진 수단은 1 사이클내에서 상이한 샘플로 모든 샘플방을 충진하도록 사이클로 동작될 수 있다. 양호하게, 상기 충진 수단은 각 사이클에서 하나 이상의 샘플방에 공지 구성의 표준 분석물을 충진하는 수단을 포함한다. 또 다른 방법으로, 상기 샘플방들 중의 하나는 그것에 영구적으로 밀봉된 표준 분석물을 가질수도 있다. 본 발명의 이러한 양태에 따른 장치는 상기 논의된 방법을 실행하기 위해 사용될 수 있다.

본 발명의 목적이나 또 다른 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참고로 하기에서 설명되는 양호한 실시예들의 상세한 설명으로부터 더욱 명백해 질 것이다.

본 발명의 일실시예에 따른 장치는 프레임(10), 이 프레임(10)상에 설치된 제1 레이저(12) 및 제2 레이저(14)를 포함한다. 각각의 레이저들은 종래의 가스 레이저이다. 예들 들어, 전술한 '236 특허에서도 설명된 바와 같이, 종래 가스 레이저는 가스 혼합물로서 충진된 튜브와, 이 튜브내에서 전기적인 방전을 일으키기 위해 채용된 방전 전극과, 브루스터(brewster)혹은 분극 창(polarizing windows) 및 부분 반사형 출력 미러와 같은 광학 기구를 포함한다. 상기 제1 레이저(12)는 헬륨-질소 혼합물과 같은 담체(carrier) 가스내에¹³CO₂의 혼합물로서 충진된 튜브를 가지고 있다. 상기 광학 기구는 여자 상태의¹³CO₂이온의 전이 에너지에 대응하는 파장, 바람직스럽게는 약 11200 nm에서의 광이 상기 튜브내에서 증폭되도록 배치된다. 또한 상기 제1 레이저(12)는 전극사이에 여기 전위를 인가하고 튜브내에서 방전을 일으키는 전원(13)을 포함한다. 따라서, 레이저(13)는 여자 상태의¹³CO₂이온의 전이 에너지에 대응하는 제1 파장에서 적외선 광의 제1 광선(16)를 방사하기 위해 채용된다. 제2 레이저(14)도 유사한 구조를 가지고 있지만, 그 가스 튜브는 불활성 담체 가스인¹²CO₂를 포함하는 혼합물로 충진되어 있고, 그의 광학 구성요소는 여자 상태의¹²CO₂이온의 전이 파장에 대응하는 제2 파장, 바람직스럽게는 약 10600 nm에서의 광을 증폭하도록 배치된다. 또한 제2 레이저(14)는 튜브내의 전극 양단에 여기 전압을 인가하기 위해 채용된 전원(도시 안됨)을 포함한다. 이 공지의 구성 요소들은 여자 상태의¹²CO₂이온의 전이 에너지에 대응하는 제2 파장에서의 광을 실질적으로 구성하는 적외선 방사선의 제2 광선(18)을 방사하기 위해 서로에 대해 협력하도록 채용된다.

상기 장치는 리다이렉트(redirect) 광선(18)에 채용되는 조사 미러(20)와 하나의 광선(24)으로 두 광선을 결합시키는 데 채용되는 결합 렌즈(22)를 추가로 포함한다. 결합 렌즈(22)를 포함하는 광학적인 성분들은 이 요소들이 (¹³CO₂와 관련된 제1 파장에서) 제1 레이저(12)로부터의 광선을 감쇄시킨 것 보다 더 큰 정도로 (¹²CO₂와 연관된 제2 파장에서) 제2 레이저(14)로부터의 광선을 감쇄시키도록 배치된다. 예를 들어, 결합 렌즈는 제2 레이저(14)로부터의 광선은 통과하고 제1 레이저(12)로부터의 광선은 반사되도록 배치된 부분 투과, 부분 반사 소자를 포함할 수 있다. 이러한 소자의 특성은 투과된 광선이 반사된 광선보다 실제적으로 더큰 감쇄를 일으키도록 선택될 수 있다. 따라서, 만약 제1 및 제2 레이저가 대략 동일한 세기로 광선을 발생한다면, 결합된 광선(24)은 제2 파장에서 보다 제1 파장에서 실제적으로 더 큰 세기를 갖게 될 것이다. 하기에 추가로 논의될 바와 같이, 이러한 배열은 분석될 샘플내에서 제2 파장과 연관된 종의 더 큰 양을 보상한다.

상류단 미러(26)는 결합된 광선(24)을 수신하기 위해 채용되고 축(28)에 일치되는 광경로를 따라서 결합된 광선을 조사한다. 하류단 미러(30)는 상류단의 역방향 즉 미러(26)의 역방향으로 광선을 반사하기 위해 경로(28)의 하류단에서 제공된다. 모든 미러들과 레이저의 광학 소자들은 직접 혹은 간접적으로 프레임(10)에 설치되고, 프레임에 의해 서로에 대해 일직선상으로 유지된다. 또한, 콜리메이트 렌즈, 필터 등의 종래의 광학 소자들은 레이저(12)와 레이저(14)내에 통합될 수 있거나, 여러 광경로를 따라서 위치될 수도 있다. 이들은 경로(28)를 따라서 시준된 광선이 잘 포커스되도록 종래의 방법으로 사용될 수 있다. 4개의 샘플 셀(32)은 광경로(28)상의 프레임에 장착된다. 샘플 셀(32a)은 내부 체적을 정의하는 실질적으로 밀폐된 컨테이너이며, 내부 체적에 연결된 포트(34a)를 구비한다. 샘플 셀(32a)은 투명한 상류단 벽(36a) 및 투명한 하류단 벽(38a)을 갖는다. 본 명세서내에서 "투명한"이란 용어는 상식적인 수준에서 상기 상류 및 하류단 벽이 제1 및 제2 파장에서 방사선의 실질적인 비율(proportion)로 투과되는 것을 나타내는데 사용된다. 그러나, 투명한 상류 및 하류단 벽도 어떤 각도에서는 방사선이 일반적으로 감쇄된다. 상기 셀은 상기 상류단 벽(36a) 및 하류단 벽(38a)이 광경로(28)의 상류에서 하류방향에 대해 수직하게 연장되도록 정렬된다. 샘플 셀(32a)는 하나 이상의 유전체 재료로 형성된다. 예를 들어, 상류 및 하류 벽(36a, 38a)을 포함하는 전체 셀은 수정 혹은 다른 유리 재질로 형성된다. 다른 샘플방(32b, 32c, 32d)들도 동일한 특징들을 가지고 있다. 샘플방들은 각 샘플방의 벽들이 상류 및 하류 방향으로 향하도록 경로의 공통축(28)상에서 한 줄로 배치된다.

코일(40)은 각 샘플방(32)에 근접하게 제공된다. 각 코일은 개별 여기 및 검출부(42)에 전기적으로 접속된다. 각각의 여기 및 검출부는 관련 코일(40)을 갖는 회로에 접속된 고주파수(이하 "RF"라함)에서 통상적인 교류 전원(43)을 포함한다. 또한 각 여기 및 검출부(42)는 회로내의 코일에 걸리는 전류 및 전압을 감시하고 관련된 샘플방(32)의 내부에서 가스 방전의 전기 임피던스를 나타내는 신호를 제공하는 통상적인 검출기(45)를 포함한다. 여기 및 검출부(42)로부터 출력된 신호는 통상적인 전자 수단에 의해 접속되며 신호 처리부(50)에 버스(48)에 의해 나타나 있다. 신호 프로세서(50)는 검출부(45)로부터의 아날로그 신호를 디지탈 신호로 변환하기 위해 채용된다. 따라서, 신호 프로세서는 통상적인 증폭, 필터링 및 아날로그대 디지탈 변환 장치들을 포함한다. 신호 프로세서(50)로부터 출력된 디지탈 신호는 제어 컴퓨터(54)에 디지탈 데이터 버스(52)를 통해 연결된다. 제어 컴퓨터는 내부 데이터 버스뿐 아니라, 중앙 연산 처리 장치, 랜덤 엑세스 메모리 및 대용량 저장 메모리를 포함하는 데이터 저장 장치를 일반적으로 포함한다. 또한, 상기 컴퓨터에는 레이저(12, 14)의 전원(13, 15)상의 제어 입력과 접속하기 위해 채용된 출력 제어 드라이버(56, 58)가 장착되어 있다. 상기 출력 제어 드라이버는 통상적인 컴퓨터 인터페이스 카드일 수 있고 통상적인 제어 링키지(linkages)를 통하여레이저의 제어 입력에 접속될 수도 있다. 또한 상기 컴퓨터는 디스플레이 스크린, 프린터, 디스크 드라이브나 테이프 드라이브와 같은 데이터 저장 장치 또는 컴퓨터 네트워크와 같은 출력 통신 장비(60)에 결합된다. 출력 장치는 컴퓨터(54)에 의해 산출된 결과치가 사람이 판독 가능한 형태로 표시되거나 후(後)의 검색을 위해 저장되거나 혹은 양측 모두를 수행하도록 배치된다. 링크는 컴퓨터(54)가 그 광출력을 가변시키도록 레이저(12,14)에 명령할 수 있도록 구성된다. 전형적으로, 이것은 레이저의 전원 입력을 가변함으로써 달성된다. 따라서, 상기 레이저의 전원(13, 15)은 컴퓨터로부터 명령을 수신하고 그 수신된 명령에 따라 전기 방전에 대한 전원을 가변하기 위해 채용된다.

상기 장치는 도 2에 예시된 샘플 핸들링 및 파이핑 시스템을 추가로 포함한다. 이 시스템은 통상적인 진공 저장통(reservoir)을 통합할 수 있는 진공 펌프(70)와 이 진공 펌프의 흡입관에 연결된 진공 분기관(72)을 포함한다. 또한, 표준 핸들링 분기관(74)도 설치된다. 제1 샘플방(32a)의 포트(34a)는 제1 샘플방 서브시스템(76)에 연결된다. 서브시스템(76)은 샘플방의 포트(34a)에 직접 연결된 노드 및 노드(77)에 연결된 압력 센서(78)를 포함한다. 또한 메인 배출 밸브(80) 및 인젝션 밸브(82)는 노드(77)에 연결된다. 인젝션 밸브(82)는 급속 온-오프 사이클링을 위해 채용된 솔레노이드 작동 밸브이고 수 밀리 세컨드(ms)내에 완전 개방에서 완전 폐쇄로 작동되도록 배치된다. 또한 인젝션 밸브(82)는 멀티포지션 밸브 혹은 "에어 락(air-lock)"(84)인 멀티포트중의 한 포트에 연결된다. 추가의 포트 밸브(84)는 표준 공급원 분리 밸브(88)에 또한 연결된 캘리브레이션(calibration)밸브(86)에 연결된다. 표준 공급원 분리 밸브(88)는¹³CO₂및¹²CO₂의 공지의 농도를 갖는 표준 가스의 공급원(90)에 연결된다. 상기 공급원은 표준 가스로 충진된 통상적인 탱크일 수 있다. 이 탱크는 소정의 압력, 바람직스럽게는 약 2 psi( 약 14 KPa)하의 표준 가스가 제공되도록 하는 통상적인 압력 조절 장치가 장착된다. 추가의 멀티포트 밸브(84)는 표준 분기관(74)에 또한 연결된 샘플 밸브(92)에 연결된다. 멀티포트 밸브(84)상의 또 다른 포트는 이미 펌프 분리 밸브(98)의 일측 및 메인 배출 밸브(80)에 또한 연결된 노드(96)에 니들 바이패스 밸브(94)를 통하여 연결된다. 상기 펌프 분리 밸브는 진공 분기관(74)에 연결된다. 진공 펌프의 출력은 폐기부(waste)에 연결된다.

제2 샘플방(32b)의 포트(34b)는 압력 센서(178), 메인 배출 밸브(180), 인젝션 밸브(182), 멀티포트 밸브 혹은 에어락(184), 캘리브레이션 밸브(186), 샘플 밸브(192), 니들 밸브(194) 및 진공 분기관(72)에 연결된 펌프 분리 밸브(198)를 포함하는 유사한 서브시스템(176)에 일반적으로 연결된다. 그러나, 국부 시스템(176)의 캘리브레이션 밸브는 표준 분기관(74)에 연결된다. 또한, 서브시스템(176)의 샘플 밸브(192)는 니들 입구 밸브(200)에 연결된다. 상기 니들 입구 밸브는 또한 샤프한 피하주사형 니들(204)에 연결된다. 여러 국부 서브시스템(176,214,216)의 니들은 프레임(10)과 관련된 이동을 위해 공통 액츄에이터(212)상에 설치된다. 니들을 이동시키기 위하여, 각 니들은 플렉서블 모세관 튜브(202)에 의해 관련 입구 밸브(200)에 연결된다. 샘플 홀더(206)는 장치의 프레임(10)에 설치된다. 샘플홀더(206)는 분석될 호흡 샘플과 같이 가스 샘플을 포함하는 용기를 수납하도록 일반적인 원통형 수납용기(208)를 갖는다. 여러 서브시스템의 샘플 홀더는 이 용기를 이동하기 위해 턴테이블 혹은 다른 운반체의 일부로서 형성될 수 있다. 용기(210)는 본 발명내에 참고로서 통합된 공개물인 미국 특허 제5,361,772호에 설명된 타입의 호흡 수집장치가 될 수 있다. '772 특허내에 추가로 개시된 바와 같이, 그러한 용기는 샘플방과 용기의 일단부 벽의 일부로서 형성된 천공가능한 격벽을 포함한다. 셀(32c)(도 1)는 서브시스템(176)과 동일한 국부 서브시스템(204)에 연결되는 반면에 셀(32d)(도 1)은 또한 서브시스템(176)과 동일한 또다른 국부 서브시스템(216)에 연결된다.

모든 밸브들은 각 밸브가 컴퓨터에 의해 개방 혹은 폐쇄되는 명령을 받도록 컴퓨터 및/혹은 밸브내에 통합된 통상적인 제어 인터페이스를 통해 컴퓨터(54)(도 1)에 연결된다. 또한, 압력 센서(78,178) 및 서브시스템(214,216)의 대응 압력 센서는 컴퓨터가 압력 센서들로부터 데이터를 수신할 수 있도록 추가의 통상적인 인터페이싱 장치를 통해 컴퓨터(54)에 접속된다.

본 발명의 일실시예에 따른 방법에 있어서, 시스템은 진공 펌프(70)에 의해 배출되게 되고 공급원(90)로부터 표준 가스로 정화된다. 이 정화 방법에 있어서, 컴퓨터는 시스템의 모든 부분이 진공 펌프에 그리고 표준 가스 공급원에 연결되도록 순차적으로 여러 밸브를 동작시킬 수 있다.

상기 정화 단계 후에, 시스템은 사이클릭(cyclic) 동작을 시작한다. 각 사이클은 샘플방 및 압력 센서를 배출하는 단계와; 샘플방 및 압력 센서를 가스로 충진하는 단계와; 소정의 압력으로 복수의 샘플방 내의 압력을 조절하는 단계를 포함한다. 각 사이클의 배출 단계에 있어서, 메인 배출 밸브(80,180) 및 펌프 분리 밸브(98,198)는 개방되지만 다른 나머지 모든 밸브는 폐쇄되어 모든 샘플방(32a-32d)이 동시에 배출되게 된다. 이 동작은 샘플방들의 압력이 소정의 배출 압력, 바람직스럽게는 약 0.3 Torr 아래로 떨어질 때까지 계속된다. 제1 셀(32a)에 관련된 센서(78)에 의해 검출된 압력은 현단계에서 모든 샘플방의 압력을 나타내는 것으로 이용된다. 샘플방의 압력이 소정의 배출 압력 이하로 떨어졌을 때, 배출 단계는 종료한다. 다음으로, 가스는 모든 셀내에 동시에 충진된다. 밸브(86)와 밸브(88)는 제1 서브시스템의 인젝션 밸브(82)에 표준 공급원(90)이 연결되도록 작동된다. 액츄에이터(212)는 홀더(206)방향으로 서브시스템(176, 214, 216)의 모든 니들(204)을 이동시키며, 그에 따라 샘플 컨테이너(210)의 천공 가능한 격벽이 각 니들(204)과 맞물려지게 된다. 밸브(192, 200, 184)는 인잭션 밸브(182)에 시스템(176)의 니들(204)이 연결되도록 동작되는 한편, 시스템(214,216)의 대응 밸브도 역시 같은 방법으로 동작된다. 따라서, 시스템(214,216)의 인잭션 밸브(82,182) 및 이와 유사한 밸브는 샘플방로 방출시키기 위한 가스의 공급원에 연결된다. 그러면, 컴퓨터는 각각의 반복시에 소정의 펄스 간격에 대해 각 인잭션 밸브들을 반복적으로 동작시킨다. 각 반복후에, 컴퓨터는 관련된 압력 센서로부터 신호를 얻는다. 만약 특정한 서브시스템에 대한 센서 신호에 의해 지시된 압력이 소정의 충진 압력을 초과한다면, 컴퓨터 시스템은 해당 서브시스템의 인잭션 밸브의 사이클릭 동작을 종료시킨다. 이러한 동작에 있어서, 여러 서브시스템의 인잭션 밸브는 독립적으로 처리된다. 하나의 서브시스템의 반복되는 사이클링은 다른 것이 종료되기 전에 종료될 수 있다.

다음 단계에 있어서, 여러 서브시스템의 멀티포트 밸브(84,184)는 각 인잭션 밸브(82,182)가 관련된 니들 바이패스 밸브(94,194) 및 펌프 분리 밸브(98,198)를 통하여 진공 펌프(70)에 연결되도록 동작된다. 상기와 같은 동작 단계에 있어서, 메인 배출 밸브(80,180)는 폐쇄된다. 상기 시스템은 각 서브 시스템의 관련된 압력 센서로부터 신호를 연속적으로 판독하는 동안 각 서브시스템의 인잭션 밸브(82,182)에 재차 반복적으로 펄스를 보낸다. 특정 서브시스템의 센서에 의해 지시된 압력이 원하는 설정 압력에 도달될 때, 인잭션 밸브의 사이클릭 동작은 종료된다. 상기 니들 바이패스 밸브(94,194)는 흐름에 대해 비교적 고저항이기 때문에, 상기 인잭션 밸브의 각 펄스는 관련된 샘플방(32)내의 압력하에서 오직 작은 변화만을 나타나게 된다. 따라서, 이 단계는 여러 샘플방내의 압력의 최적 조절을 제공하게 된다. 그러한 관점에서, 샘플방내에 있는 가스는 하기에 논의될 바와 같이 테스팅하기 위한 적절한 설정 압력하에 있다.

이러한 사이클릭 공정의 다른 변형에 있어서, 상기 충진 단계는 기준 가스 충진 단계에 의해 대체된다. 상기 기준 가스 충진 단계에 있어서, 표준 가스 공급원(90)은 제1 샘플방 서브시스템의 멀티포트 밸브(84) 및 샘플 밸브(92)를 통하여 분기관(74)에 연결되고 제1 샘플방 서브시스템의 인잭션 밸브(82)에 멀티포트 밸브(84)에 의해 또한 연결된다. 이때, 캘리브레이션 밸브(186) 및 멀티포트 밸브(24)는 각 서브시스템(176,214,216)의 인잭션 밸브(182)에 분기관(74)을 연결시키기 위해 동작된다. 인잭션 밸브(82,182)는 개방상태를 유지하는 반면, 제1 샘플방 서브시스템의 캘리브레이션 밸브(86)는 반복적으로 펄스를 받는다. 컴퓨터(54)는 센서(78)로부터의 판독값을 감시함으로써 제1 샘플방 내의 압력을 감시한다. 이것은 소정의 충진 압력이 가해질 경우, 상기 충진 단계를 종료한다. 샘플 가스 충진 단계 후에, 샘플방 내의 압력은 상기 논의된 바와 같이 니들 바이패스 밸브(94,194)를 통하여 배출됨에 의해 조절된다. 이 샘플 가스 충진 단계는 하기에서 추가로 논의되는 바와 같이 기준 사이클동안에 사용될 수 있다.

계측기는 교호하는 기준 및 샘플 사이클로 동작될 수 있다. 각 기준 사이클에 있어서, 모든 샘플방(32)은 공급원(90)으로부터 표준 가스로 충진되고 상기 설명된 방법에서의 소정 설정 압력으로 조절된다. 각 샘플 사이클중에, 샘플방(32a)은 표준 가스로 충진되고 각 샘플방(32b, 32c, 32d)은 상이한 미지의 가스의 샘플을 수용한다. 상기 가스가 의료 환자들로부터 체취된 샘플일 경우, 샘플방(32b, 32c, 32d)에 공급된 미지의 가스는 상이한 시간대에 동일한 환자로부터 체취된 샘플일 수 있다. 상기 미지의 가스는 13C로 분류된 테스트 혼합물의 투여전, 투여후 제1 시간 및 투여후 제2 시간에 환자로부터 체취된 호흡 샘플일 수 있다. 상기 여기 및 검출 장치(42)는 코일(40)에 RF 전원을 공급하고 그에 따라 각 샘플방 내의 가스가 플라즈마 상태로 변환된다. 컴퓨터는 제1 변조 주파수, 바람직스럽게는 약 50 내지 100 Hz에서 변조된¹³CO₂의 전이 에너지에 대응하는 제1 파장의 광을 갖는 광선(16)을 제공하도록 레이저(12)에 명령하고, 제2 변조 주파수, 바람직하게는 약100 내지 200 Hz에서 변조된¹²CO₂의 전이 에너지에 대응하는 제2 파장의 광을 갖는 광선(18)을 제공하도록 레이저(14)에 명령한다. 바람직하게, 변조 주파수들은 서로에 대해 정수배는 아니다. 각 여기 및 검출부(42)는 관련된 샘플방(32)내의 플라즈마의 전기 임피던스를 검출하고 그 측정된 임피던스를 나타내는 신호를 신호 처리부(50)를 통하여 컴퓨터(54)에 제공한다. 모든 여기 및 검출부(42)는 모든 샘플방(32a-32d)과 연관된 신호를 동시에 검출하도록 동작된다.

각 샘플방의 임피던스 신호는 제1 파장에서 광의 옵토갈바닉 효과를 나타내는 제1 변조 주파수에서의 크기 S₁₃의 제1 성분과 제2 파장에서 광의 옵토갈바닉 효과를 나타내는 제2 변조 주파수에서의 크기 S₁₂의 제2 성분을 포함한다.

제1 파장에서의 광은¹³CO₂와는 상호 작용하지만¹²CO₂와는 실질적으로 상호 작용하지 않는다. 샘플방(32a)에 대한 제1 신호 크기 S_13A는 수학식 1로 주어진다.

여기서, P_13A는 샘플방(32a)내의¹³CO₂의 부분 압력 혹은 분자 농도이다;

W_13A는 제1 파장에서의 광 파워 및 그에 따른 레이저(12)로부터의 제1 광선(16)의 파워이다.

M_13A는 제1 파장과 관련된 특정 전이에 대한 옵토갈바닉 효과의 크기, 샘플방(32a)의 형태 및 샘플방(32a)과 관련된 유닛(42a)의 검출기의 감도와 같은 요소에 좌우되는 비례 상수이다. 또한 비례 상수 M_13A는 샘플방(32a)내에서 여자 상태로 있는¹³CO₂의 비율에 일정 범위까지 좌우하며, 또한 코일(40a)에 공급된 여기 전력 및 코일의 형태에 좌우한다.

유사하게, 샘플방(32b)에 대한 제2 신호 크기는 수학식 2로 주어진다.

여기서, P_12A는 샘플방(32a)내의¹²CO₂의 부분 압력 혹은 분자 농도이다;

W_12A는 제2 파장에서의 광 파워 특히, 레이저(14)로부터의 제2 광선(18)의 파워이다.

M_12A는 제2 파장과 관련된 특정한 전이에 대한 옵토갈바닉 효과의 크기, 샘플방(32a)의 형태, 샘플방(32a)과 관련된 유닛(42a)의 검출기의 감도와 같은 요소에 좌우되는 비례 상수이다. 또한 비례 상수 M_12A는 샘플방(32a)내에서 여자 상태로 있는¹²CO₂의 비율에 일정 범위까지 좌우되며, 또한 코일(40a)에 공급된 여기 전력 및 코일의 형태에 좌우한다. 계측기의 사용중에 직면하는 전형적인 샘플들을 위해,¹²CO₂의 농도 P_12A는¹³CO₂의 농도 P_13A보다 수배 더 크다. 그러므로, 비교할 수 있는 크기의 신호 S_12A및 S_13A를 제공하기 위하여,¹²CO₂와 관련된 제2 파장에서의 광선 파워 W_12A는¹³CO₂와 관련된 제1 파장에서의 광선 파워 W_13A보다 더 작아야 된다. 제2 레이저로부터의 광선이 제1 레이저로부터의 광선 보다 더 크게 감쇄되는 전술한 광학 소자의 배치는 결합된 광선에서 원하는 파워 관계를 제공한다.

수학식 1 및 수학식 2를 결합하면, 샘플방(32a)내의 가스의¹²C에 대한¹³C의 R_13/12A비는 수학식 3으로 주어진다.

이 수학식 3을 다시 정리하면 수학식 4로 주어진다.

여기서, K_A는 M_12A및 M_13A의 비와 동일한 추가의 비례 상수이다. 동일한 수학식은 각 다른 샘플방(32b, 32c, 32d)에 관련하여 적용되는데, 샘플방들(b, c, d)에 적용되는 대응 변수를 지시하기 위해 아래 첨자 A를 대체한다. 혼합된 광 광선이 모든 샘플방을 동시에 통과하고 각 샘플방내의 순 흡수도가 광선의 파워과 비교할때 무시될 수 있기 때문에, 모든 샘플방은 제1 및 제2 파장에서 광 파워의 동일한 비로 실질적으로 수신한다. 따라서,

수학식 4와 수학식 5는 수학식 6의 관계를 갖는다.

으로 나누고 항를 재정리하면,

각 표준 사이클을 위하여, 모든 샘플방은 표준 가스로 충진되어 있고, 수학식 7 내지 수학식 9의 좌변은 1(unity)의 값을 갖는다.

따라서,의 각 비율은 캘리브레이션 사이클로 관찰된 신호로부터 결정될 수 있다. 측정이 샘플 사이클에서 실행될 경우, 표준 가스는 샘플방(32a)에서 사용되고, 더 나아가 R_13/12A는 미지의 R_13/12S비율이며, 여기서 아래 첨자 S는 표준 가스를 지시한다. 각 샘플방(32b, 32c, 32d)내의 미지 샘플에 대해¹²C에 대한¹³C의 R_13/12비율은 공지의 R_13/12S비율로부터 유추할 수 있고, 감시된 신호 S 및 캘리브레이션 인자 K의 비율은 캘리브레이션 사이클중에 결정된다. 컴퓨터(54)는 전기한 수학식들에 의해 특정된 계산을 실행하고, 출력 장치(60)를 통하여 결과를 제공한다. 캘리브레이션 인자 K가 여러 샘플방에 대한 상수를 유지하면, 그 결과는 방사선 파워 레벨 W₁₂및 W₁₃에 좌우되지 않는다. 또 다른 방법으로 말하면, 수학식 7 내지 수학식 9의 비율적 계산은 샘플방(32a) 내의 공지의 기준 분석물로부터 얻어진 결과에 기초하여 미지의 각 분석물을 위한 R_13/12의 값을 조절한다. 즉, 수학식 7 내지 수학식 9에 의해 산출된 계산은 (i)특정한 셀내의 미지의샘플을 위한 두개의 파장에 대한 응답 크기의 비와 (ii) 표준 샘플 셀(32a)을 위한 두 개의 파장에 대한 응답 크기의 비사이에 "이중 비례식"의 계산을 포함한다. 예를 들어, 수학식 9에서, 비례식은

(i) 미지의 샘플을 위한 응답 크기의 비 및 (ii) 표준 샘플을 위한 응답 크기의 비 사이의 이중 비례식이다. 인가된 방사선의 변동에 의해 유발된 효과와 시스템 내의 또다른 변동은 이중 비례식의 계산에 의해 서로 상쇄된다. 표준 가스는 각 샘플 사이클중에 내부 캘리브레이션 표준으로서 작용하고, 이 내부 캘리브레이션의 결과는 이중 비례식에 통합된다.

양호하게, 시스템내에서 사용된 레이저들은 레이저에 의해서 방출된 광의 파장의 변동을 최소화 하도록 안정화된다. 파장에서의 그러한 변동은 예들들어, 레이저 온도가 변화하는 것과 같이 발생될 수 있다. 하나의 레이저에 의해 방출된 광의 파장 내에서의 변동은 그러한 레이저로부터 광의 옵토갈바닉 효과를 변경시킨다. 광의 파장이 정확한 전이 에너지로부터 오면 올수록, 옵토갈바닉 효과는 더욱 낮아진다. 이 효과는 레이저의 배율 레벨에서의 변동과 더욱 동일한 방법으로 제1 근사치로, 시스템에 의해 정정된다. 따라서, 유사하게 변동이 수학식 7 내지 수학식 9내의 모든 매개변수 K에 영향을 미치는 범위까지, 변동은 미지의 샘플 내에서의 동위원소 비율의 계산된 값에 영향을 미치지 않는다. 그러나, 각 레이저가 실질적으로 일정한 파장을 유지하는 것이 더 바람직스럽다. 레이저의 방전 튜브는 제어 온도하에서 유지되어야 한다. 예들들어, 상기 장치는 유체 양호하게는, 액체를 수용하기 위한 용기 및, 일정한 온도로 유체를 유지하고 용기내의 유체를 순환시키는 온도 콘트롤러를 통합할 수 있다. 레이저의 방전 튜브는 용기내에 설치될 수 있고 유체로 가득 채워질 수 있다. 또한, 레이저의 파장은 표준 가스내의 각 레이저로부터의 방사선에 의해 유발된 옵토갈바닉 효과를 감시하고 일정한 레벨에서 이 옵토갈바닉 효과를 유지하기 위해 그러한 감시의 결과에 응답하여 각 레이저를 온/오프 제어하는 피드백 제어 장치에 의해서 안정화될 수 있다.

상기 설명된 특징의 다수의 변형 및 조합들은 본 발명으로부터 벗어남이 없이 실행될 수 있다. 예를 들어, 방사선이 순서대로 모든 샘플에 조사되어 지는 전술한 단일 광경로의 사용이 대단히 양호한 것일지라도, 다른 광학 장치가 광원으로부터의 광이 복수의 샘플에 동시에 조사되도록 채용될 수 있다. 예들들어, 여러 샘플에 하나 이상의 레이저 광선로부터의 광을 복수의 경로를 통해 동시에 조사하는 커플러 혹은 빔 스플리터와 같은 광학 구성요소들이 채용될 수 있다. 이 광학 구성요소가 각 샘플에 인가된 광파워의 전환 고정부를 유지한다면, 각 샘플의 구성이 내부 캘리브레이션 표준과 같이 다른 샘플들과 함께 동시에 노출되는 기준 샘플을 이용하여 상기 설명된 그것과 유사한 방법으로 결정할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치 및 방법은 상기 논의된 CO₂동위원소 함유 분석물외에 다른 분석물에 대해서도 사용될 수 있다. 샘플 컨테이너를 통과하는 광경로는 일직선이 될 필요는 없는데, 상기 경로는 만약 적절한 광학 성분이 광선을 반사하기 위해 제공된다면겹쳐질 수도 있다. 상기 논의된 특징들과 이들의 또다른 변형 및 결합이 사용될 수 있는데, 전술한 양호한 실시예는 청구범위에 정의된 바와 같이 발명을 한정시키기 위한 것이 아니라 예시하기 위한 것이다.

Claims

분석물을 분석하는 방법에 있어서,

(a) 공지의 구성을 갖는 하나 이상의 기준 샘플과 하나 이상의 미지 샘플을 포함하는 상기 분석물의 복수의 개별 샘플을 유지하는 단계와;

(b) 방사선이 방사선의 공통 광원으로부터 모든 샘플에 동시에 통과하도록 상기 분석물내에 존재할 수 있는 제1 및 제2 종의 전이 에너지의 각각에 대응하는 제1 및 제2 파장을 포함하는 방사선을 상기 복수의 샘플에 조사하여, 상기 모든 샘플들이 실질적으로 동일한 스펙트럼 구성의 방사선에 노출될 수 있도록 하는 단계와;

(c) 상기 각 파장에 대한 응답을 측정하기 위해 상기 방사선에 대한 샘플의 응답을 감시하는 단계와;

(d) (i) 상기 각 미지의 샘플에 대한 제1 및 제2 파장에서 미지 샘플의 응답의 크기들 사이의 미지 샘플 응답 비율과 (ii) 상기 표준 샘플에 대한 제1 및 제2 파장에서 표준 샘플의 응답의 크기들 사이의 표준 샘플 응답 비율 사이의 비와 일치하는 이중 비례식을 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 분석물을 분석하는 분석물 분석 방법.
제1항에 있어서, 상기 방사선을 조사하는 단계는 상류로부터 하류 방향의 순서로 방사선의 하나 이상의 광선을 상기 모든 샘플에 조사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 분석물 분석 방법.
제2항에 있어서, 상기 방사선을 조사하는 단계는 방사선의 단일 광선내에서 상기 모든 파장을 제공하고 상류로부터 하류 방향의 순서로 상기 방사선의 단일 광선을 상기 모든 샘플에 조사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 분석물 분석 방법.
제3항에 있어서, 상기 단일 광선 내에 상기 모든 파장을 제공하는 단계는 상기 단일 광선을 형성하기 위해 복수의 공급원으로부터 상이한 스펙트럼 구성의 복수의 광선을 결합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 분석물 분석 방법.
제2항에 있어서, 상기 방사선의 하나 이상의 광선을 조사하는 단계는 각 광선이 하류로부터 상류 방향의 순서 및 상류로부터 하류 방향의 순서로 상기 샘플을 통과하도록 상기 각 광선을 반사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 분석물 분석 방법.
제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 응답을 감시하는 단계는 상기 각 샘플내의 유도 효과를 감시함으로써 실행되는 것을 특징으로 하는 분석물 분석 방법.
제6항에 있어서, 상기 샘플을 유지하는 단계는 상기 각 종이 여자 상태로 존재하는 조건으로 상기 샘플을 유지하는 단계를 포함하며, 상기 파장은 상기 여자 상태의 종의 전이 에너지에 대응하는 것을 특징으로 하는 분석물 분석 방법.
제7항에 있어서, 상기 샘플을 유지하는 단계는 플라즈마로 상기 각 샘플을 유지하는 단계를 포함하고, 상기 유도 효과를 감시하는 단계는 각 플라즈마의 전기 임피던스를 감시하여 상기 방사선에 의해 유도된 옵토갈바닉 효과를 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 분석물 분석 방법.
분석물을 분석하는 방법에 있어서,

(a) 상기 분석물 내에서 제1 종의 전이 에너지에 대응하는 제1 파장을 갖는 방사선의 제1 광선과 상기 분석물 내에서 제2 종의 전이 에너지에 대응하는 제2 파장을 갖는 방사선의 제2 광선을 생성하는 단계와;

(b) 방사선의 복합 광선을 형성하도록 제1 광선과 제2 광선을 결합하는 단계와;

(c) 상기 방사선의 복합 광선을 상기 분석물에 조사하는 단계와:

(d) 상기 각 파장에 대한 상기 분석물의 응답을 측정하기 위하여 상기 방사에 의해 유발된 상기 샘플내의 유도 효과를 감시하는 단계를 포함하고,

상기 결합 단계에서, 상기 제2 광선의 방사선은 상기 제1 광선의 방사선보다 더 크게 감쇄되는 것을 특징으로 하는 분석물 분석 방법.
제9항에 있어서, 상기 제2 광선에서의 제2 파장은 상기 분석물 내에서 제2 종의 전이 에너지에 대응하고, 상기 제1 광선에서의 제1 파장은 상기 분석물 내에서 상기 제2 종 보다 적은 양의 제1 종의 전이 에너지에 대응하는 것을 특징으로 하는 분석물 분석 방법.
제10항에 있어서, 상기 방사선의 제1 광선을 생성하는 단계는 상기 제1 종을 포함하는 레이저를 작동시킴으로써 실행되고, 상기 방사선의 제2 광선을 생성하는 단계는 상기 제2 종을 포함하는 레이저를 작동시킴으로써 실행되는 것을 특징으로 하는 분석물 분석 방법.
제11항에 있어서, 상기 제1 및 제2 종은 상이한 동위원소 구성을 갖는 이산화탄소의 종인 것을 특징으로 하는 분석물 분석 방법.
제12항에 있어서, 상기 제1 종은¹³CO₂이고, 상기 제2 종은¹²CO₂인 것을 특징으로 하는 분석물 분석 방법.
제9항에 있어서, 상기 복합 광선을 분석물에 조사하는 단계는 상류로부터 하류 방향의 순서로 상기 복합 광선을 상기 모든 샘플에 조사하는 것에 의해 상기 복합 광선을 상기 분석물의 복수의 샘플에 조사함으로써 실행되는 것을 특징으로 하는 분석물 분석 방법.
제9항에 있어서, 상기 광선을 결합하는 단계는 상기 제2 광선이 상기 미러를 투과하는 반면, 상기 제1 광선은 상기 미러로부터 반사되도록 부분 반사형 미러에 상기 광선을 인가함으로써 실행되는 것을 특징으로 하는 분석물 분석 방법.
분석물의 구성을 결정하는 분석 장치에 있어서,

(a) 분석물내의 제1 및 제2 종의 전이 에너지에 대응하는 제1 및 제2 파장에서 방사선을 제공하고, 상기 방사선이 분석물을 통과하도록 경로를 따라 상기 방사선을 주사하는 방사 수단과;

(b) 상기 각 파장에서 방사선에 대한 분석물의 응답을 감시하도록 분석물내의 유도 효과를 감시하는 검출 수단을 포함하고,

상기 방사 수단은 상기 제1 파장에서의 방사선을 포함하는 제1 광선과 제2 파장에서의 방사선을 포함하는 제2 광선을 생성하고, 복합 광선을 생성하기 위해 상기 방사선의 제1 광선과 제2 광선을 결합하는 결합 광학 소자를 포함하고;

상기 결합 광학 소자는 상기 제1 광선보다 더 큰 범위까지 제2 광선을 감쇄시키는 것을 특징으로 하는 분석 장치.
제16항에 있어서,

(a) 프레임과;

(b) 상기 프레임에 경로를 따라서 설치되고, 경로를 따라서 상류 및 하류를 향하는 상류단 및 하류단 벽을 각각 갖는 복수의 방과;

(c) 상기 방 내로 분석물을 충진하는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 분석 장치.
제17항에 있어서, 상기 분석물 내의 하나 이상의 종이 여기 상태로 존재하는 여기 조건으로 상기 각 방 내에 분석물을 유지하는 여기 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 분석 장치.
제18항에 있어서, 상기 여기 수단은 상기 각 방 내의 분석물을 플라즈마 상태로 유지하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 분석 장치.
제19항에 있어서, 상기 검출 수단은 상기 방 내의 플라즈마의 전기 임피던스를 검출하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 분석 장치.
제17항에 있어서, 상기 충진 수단은 상기 복수의 방 내로 개별 분석물을 충진하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 분석 장치.
제21항에 있어서, 상기 충진 수단은 표준 분석물의 공급원과 상기 방 중 하나에 표준 분석물을 충진하고 나머지 다른 방에 미지 구성의 분석물을 충진하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 분석 장치.
제17항에 있어서, 상기 경로는 상류단 및 하류단을 가지며, 상기 방은 상기 경로 상에 상류로부터 하류 방향의 순서로 배치되며, 상기 방사 수단은 상류단에서 하류단으로 향하는 경로를 따라서 상기 복합 광선을 조사하는 수단과, 하류단에서 상류단으로 상기 복합 광선을 반사시키는 미러를 포함하는 것을 특징으로 하는 분석 장치.
제16항에 있어서, 상기 결합 광학 소자는 부분 반사형 미러와, 상기 제2 광선이 상기 미러를 투과하는 반면 상기 제1 광선은 미러로부터 반사되도록 상기 부분 반사형 미러에 제1 및 제2 광선을 조사하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 분석 장치.
제24항에 있어서, 상기 광선을 제공하는 수단은 상기 제1 광선을 제공하는 제1 종을 포함하는 제1 레이저와 상기 제2 광선을 제공하는 제2 종을 포함하는 제2 레이저를 포함하는 것을 특징으로 하는 분석 장치.
제25항에 있어서, 상기 제1 및 제2 레이저는 상이한 동위원소 구성의 CO₂를포함하는 CO₂레이저인 것을 특징으로 하는 분석 장치.