KR102291810B1 - 간섭을 일으키는 광학 흡수의 존재 하에서 극히 희귀한 분자 종의 분광학적 정량화 - Google Patents
간섭을 일으키는 광학 흡수의 존재 하에서 극히 희귀한 분자 종의 분광학적 정량화 Download PDFInfo
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Abstract
탄소-14를 포함하는 샘플 가스를 수용하도록 구성되는 공진 광학 캐비티와, 공진 광학 캐비티로 광학 방사선을 전달하도록 구성되는 광원과, 공진 캐비티로부터 방출된 광학 방사선을 검출하고 검출기 신호를 제공하도록 구성되는 광학 검출기 및 검출기 신호로부터 탄소-14의 농도를 계산하도록 구성되는 프로세서를 포함하고, 검출기 신호로부터 탄소-14의 농도를 계산하는 것은 분광 모델을 측정된 스펙트로그램에 맞추는 것을 포함하며, 분광 모델은 탄소-14와 분광학적으로 간섭하는 하나 이상의 간섭 종으로부터의 기여를 설명하는, 탄소-14의 분석을 위한 광학 분광계 장치, 시스템 및 방법을 개시한다.
Description
본원은 분광법(spectroscopy)에 관한 것으로, 특히 캐비티 링 다운 분광법(cavity ring down spectroscopy)에 관한 것이다.
본 출원은 그 내용이 모든 목적을 위해 참조로 전체적으로 통합된, "광학 분광학을 사용하는 생화학 샘플에서의 14C 측정"이라는 명칭으로 2014년 7월 14일에 출원된 미국 가출원 번호 62/024,088의 우선권과 35 U.S.C.§119(e) 하의 이익을 청구한다.
연방 정부가 후원하는 연구 개발을 통한 신청 권한에 관한 진술
미국 정부는 Lawrence Livermore National Laboratory의 운영을 위해 미국 에너지성과 Lawrence Livermore National Security, LLC 사이의 계약 번호 DE-AC52-07NA27344에 의거하여 본 출원에 대한 권리를 가진다.
이 부분은 반드시 선행 기술은 아닌 본 발명과 관련된 배경 정보를 제공한다.
생물학적 AMS는 암, 분자에 의한 손상(molecular damage), 약물(drug) 및 독소 작용(behavior), 영양 및 다른 분야들과 같은, 지나친 정확도 및 민감도를 가지며, 복잡한 생물학적 과정들(processes)을 연구하기 위해 탄소-14가 태그(tag)로 사용되는 기술이다.
생물학적 가속기 질량 분광법(Accelerator Mass Spectrometry; AMS)이 처음 개발되었을 때 샘플들을 준비하는 과정은 시간 소모가 크고 번거로웠다.
물리학자들 및 생체의학 연구원들은 생물학적 샘플들을 이후에 AMS 시스템을 통해 작동될 수 있는 그래파이트 타켓들(graphite targets)로 전환시키기 위해 토치들(torches), 진공 배관들(vacuum lines), 특정 화학적 성질들(special chemistries) 및 고도의 기술을 사용하였다. 그 당시에, 단지 여덟 개의 샘픔들을 준비하는 작업에 이틀이 소요되었다. 가속기 질량 분광법에 대한 추가적인 정보는 다음의 논문에 포함되어 있다: “A New World of Biomedical Research: The Center for Accelerator Mass Spectrometry, “ Science & Technology Review, November 1997, pp. 6-11, 이것의 일부분은 아래에 재생된다.
질량 분광법은 물질들의 화학적 구성을 연구하기 위해 금세기 초 이래로 이용되어 왔다. 물질의 샘플은 질량 분석기에 넣어지고, 질량 분석기는 샘플을 이온화하고 이온들의 질량 대 전하비로 이온들을 분류하기 위해 전자기장 내에서 이온들의 움직임을 살펴본다. 기본 원리는 주어진 전자기장 내에서 서로 다른 질량들의 동위원소들이 다르게 움직인다는 것이다.
가속기는 1939년에 Berkeley에서 캘리포니아 대학의 Luis Alvarez 및 Robert Cornog에 의해 질량 분석기로 처음 사용되었다. 그 당시 얽히고설킨 핵 물리학 질문이 무엇이었는지 대답하기 위해, 그들은 헬륨-3이 안정적이고 수소-3이 안정적이지 않다는 점을 증명하기 위해 사이클로트론을 사용하였다. 가속기들이 핵 물리학을 위해 계속 사용되었고, 1970년대 중반이 되어서야 비로소 그것들은 질량 분광법을 위해 사용되기 시작했다. 그 다음에 자극(impetus)은 방사성 탄소 연대 측정을 향상시키고 확장시키는 것이었다. Van de Graaff 가속기들은 고고학 및 지질학의 연대 측정 연구들을 위해 탄소-14를 세기 위해 사용되었다.
가속기 질량 분광법(AMS)은 빠르게 방사성 탄소 연대 측정을 위한 선호되는 방법이 되었다. 왜냐하면 그것(AMS)은 섬광 계수(scintillation counting)의 전통적인 방법보다 훨씬 빨랐고, 이것은 시간에 따라 붕괴하는 탄소-14 원자들을 세기 때문이다. 탄소-14의 반감기는 붕괴되는 원자들을 세는 것이 가능할 정도로 충분히 짧지만(5,730년), 그것은 시간 소모가 크고 비교적으로 큰 샘플을 필요로 한다. 다른 방사성 동위원소들은 1600만년 만큼이나 긴 반감기를 가지고 있고, 따라서 거대한 샘플들 및 블가능하게 긴 계수 시간들을 필요로 하는 느린 붕괴율을 가진다. AMS의 높은 민감도는 이러한 희귀한 동위원소들이 처음으로 측정될 수 있다는 것을 의미했다.
하나의 샘플이 AMS 유닛에 도달하기 전에, 그것은 열적으로 그리고 전기적으로 전도성인 고체 형태로 환원되어야 한다. 모든 샘플들은 오염을 회피하기 위해 조심스럽게 준비된다. 그것들은 최종 샘플 물질이 준비되는 것으로부터 균질의 상태(homogeneous state)로 변경된다. 예를 들어, 탄소 샘플들은 그래파이트로 변경된다. 보통 분석을 위해 물질의 1 밀리그램(milligram)이 필요하다. 샘플이 너무 작으면, 벌킹제(bulking agents)가 조심스럽게 측정되어 샘플에 부가된다.
논문: “A New World of Biomedical Research: The Center for Accelerator Mass Spectrometry,” Science & Technology Review, November 1997, pp. 6-11은 참조로 여기에 전부 포함된다.
가속기 질량 분광법에 대한 추가적인 정보는 이 논문에 포함되어 있다: “A New Accelerator Mass Spectrometry System for 14C quantification of Biochemical Samples, by Ted J. Ognibene, Graham Bench, Tom A, Brown, Graham F. Peaslee, and John S. Vogel, in International Journal of Mass Spectrometry 218 (2002) 255-264, 이것의 일부분은 아래에 재생된다.
가속기 질량 분광법(AMS)은 밀리그램 크기의 샘플들에서 천조분율(part per quadrillion) 민감도로 천분율(part per thousand) 정확도를 가지는 탄소 동위원소 비율 정량화를 제공한다. AMS는 원래 방사성 탄소 연대를 판단하기 위한 수단으로 지구 과학 및 고고학에서의 사용을 위해 개발되었다. AMS는 환경적으로 적절한 양으로 매우 민감한 탄소-14 정량화를 제공하기 위해 생명과학분야에서 사용되고 있다. 최근의 학회 기록(proceedings)은 생물학적 중요성의 다른 동위원소들 뿐만 아니라 탄소-14를 이용하는 실험들을 강조한다. 하지만, 탄소-14는 독성학, 영양, 발암(carcinogenesis), 약물 동태학(pharmacokinetics) 및 단백질 정량화의 생화학적 연구들에서 가장 널리 사용되는 트레이서들(tracers) 중 하나로 남아 있다.
논문: “A New Accelerator Mass Spectrometry System for 14C quantification of Biochemical Samples, by Ted J. Ognibene, Graham Bench, Tom A, Brown, Graham F. Peaslee, and John S. Vogel, in International Journal of Mass Spectrometry 218 (2002) 255-264은 이 언급에 의해 여기에 전부 포함된다.
개시된 장치, 시스템들, 및 방법들의 특징들 및 장점들은 아래의 설명으로부터 분명해질 것이다. 출원인은 장치, 시스템들, 및 방법들의 광범위한 표현을 제공하기 위해 도면들 및 구체적인 실시에들의 예시들을 포함하는 이 설명(description)을 제공한다. 출원의 사상 및 범위 내에서의 다양한 변경들 및 수정들이 이 설명으로부터 그리고 장치, 시스템들, 및 방법들의 실행에 의해 통상의 기술자에게 분명해질 것이다. 장치, 시스템들, 및 방법들의 범위는 개시된 특정 형태들로 한정되지 않고 출원은 청구항들에 의해 한정된 장치, 시스템들, 및 방법들의 사상 및 범위에 포함되는 모든 수정들(modifications), 등가물(equivalents), 및 대안들(alternatives)을 포함한다.
발명자들은 캐비티 링 다운 분광법(CRDS)을 이용하여 생화학 물질로부터 얻어낸 탄소-14의 양을 정량화하기 위해 장치, 시스템들, 및 방법들을 개발했다. 발명자의 장치, 시스템들, 및 방법들은 탄소-14를 포함하는 샘플 가스를 수용하기 위해 마련되는 공진 광학 캐비티(resonant optical cavity), 공진 광학 캐비티에 광학 방사선을 전달하기 위해 마련되는 광원, 공진 캐비티로부터 방사되는 광학 방사선을 검출하고 검출기 신호를 제공하기 위해 마련되는 광 검출기; 및 검출기 신호로부터 탄소-14 농도를 계산하기 위해 마련되는 프로세서를 포함하는 탄소-14의 분석을 위한 광학 분광기를 제공하되, 검출기 신호로부터 탄소-14의 농도를 계산하는 것은 분광 모델을 측정된 스펙트로그램(spectrogram)에 맞추는 것을 포함하고, 분광 모델은 탄소-14를 분광적으로 간섭하는 하나 또는 그 이상의 간섭 종(species)으로부터 기여도를 설명한다.
발명자의 장치, 시스템들, 및 방법들은 트레이스 가스들의 측정을 위해 사용될 수 있다. 발명자의 장치, 시스템들, 및 방법들은 가속기 질량 분광법 뿐만 아니라 액체 섬광 계수를 대체할 가능성을 가진다(어떤 경우에는).
장치, 시스템들, 및 방법들은 수정(modifications) 및 대체 가능한 형태들을 받아 들일 수 있다. 특정 실시예들이 실예로 나타나 있다. 장치, 시스템들, 및 방법들은 개시된 특정 형태들로 한정되지 않는 것으로 이해해야 한다. 장치, 시스템들, 및 방법들은 청구항들에 의해 한정된 출원의 사상 및 범위에 포함되는 모든 수정(modifications), 등가물(equivalents), 및 대안(alternatives)을 포함한다.
상기와 같은 일반적인 설명 및 구체적인 실시예들의 상세한 설명과 함께, 명세서에 포함되고 명세서의 일부를 구성하는, 수반하는 도면들은 장치, 시스템들, 및 방법들의 구체적인 실시예들을 도시하고, 장치, 시스템들, 및 방법들의 원리들을 설명하기 위해 제공된다.
도 1은 개시된 장치, 시스템들, 및 방법들의 특징들을 나타내는 예시 흐름도이다.
도 2는 개시된 장치, 시스템들, 및 방법들의 추가적인 특징들을 나타내는 개략도이다.
도 3은 링 다운 사건의 예를 나타내는 그래프이다.
도 4는 개시된 장치, 시스템들, 및 방법들의 추가적인 특징들을 나타내는 흐름도이다.
도 5는 개시된 장치, 시스템들, 및 방법들의 추가적인 특징들을 나타내는 흐름도이다.
도 6은 개시된 장치, 시스템들, 및 방법들의 추가적인 특징들을 나타내는 흐름도이다.
도 1은 개시된 장치, 시스템들, 및 방법들의 특징들을 나타내는 예시 흐름도이다.
도 2는 개시된 장치, 시스템들, 및 방법들의 추가적인 특징들을 나타내는 개략도이다.
도 3은 링 다운 사건의 예를 나타내는 그래프이다.
도 4는 개시된 장치, 시스템들, 및 방법들의 추가적인 특징들을 나타내는 흐름도이다.
도 5는 개시된 장치, 시스템들, 및 방법들의 추가적인 특징들을 나타내는 흐름도이다.
도 6은 개시된 장치, 시스템들, 및 방법들의 추가적인 특징들을 나타내는 흐름도이다.
도면들, 아래의 상세한 설명, 및 포함된 자료들을 참조하여, 구체적인 실시예들의 설명을 포함하는 장치, 시스템들, 및 방법들에 대한 상세한 정보가 제공된다. 상세한 설명은 장치, 시스템들, 및 방법들의 원리들을 설명하기 위해 제공된다. 장치, 시스템들, 및 방법들은 수정 및 대체 가능한 형태들을 수용할 수 있다. 본원은 개시된 특정 형태들에 한정되지 않는다. 본원은 청구항들에 의해 한정된 장치, 시스템들, 및 방법들의 사상 및 범위에 포함되는 모든 수정(modifications), 등가물(equivalents), 및 대안(alternatives)을 포함한다.
문제점의 설명(statement of the problem)
이 작업은 정량적 광 흡수 분광법과 관계가 있고, 특히 가스의 샘플 내에서 관심있는 분자 종의 몰 혼합비(molar mixing ratio)를 결정하기 위해 사용된다. 이 작업의 구체적인 목표는 이산화탄소, 일산화탄소, 또는 메탄과 같은 탄소를 포함하는 가스의 샘플에서 탄소-14의 몰 분율의 결정이다. 정량적 광학 분광법(quantitative optical spectroscopy)의 일반적인 원리들은 잘 알려져 있지만, 자연적 기원(즉, 동위원소로 농축되지 않은)의 현대의 샘플들에 대한 10-12 의 차수(order)에서, 자연계에서 탄소-14의 극도로 낮은 존재율(abundance)은 탄소-14 몰 분율의 광학적 측정을 좀 더 일반적인 분자로 된 종(species)의 몰 분율 측정보다 상당히 더 어렵게 만든다. 탄소-14의 희귀성은 낮은 신호 대 잡음비로 인한 어려움들 또는 낮은 신호 대 바탕비로 인한 어려움들을 야기한다. 인위적으로 탄소-14로 풍부해진 화합물들로 시작하는 생화학 조사에서의 적용들(applications)에 대해, 그것들은 발명자들이 현재 광학적 탄소-14 분석기(optical 14C analyzer)에 대해 상상하는 적용들의 종류들이고, 유용한 탄소-14 측정을 만드는데 요구되는 정확도는 대략 현대의 자연적인 존재비(natural abundance)의 십분의 일(one-tenth)이다.
신호 대 잡음은 모든 물리적 측정값들에 내재하는 흡수 측정에 영향을 미치는 임의의 파동들(잡음)에 대한 관심의 분자 종(molecular species)으로 인한 광 흡수의 비율을 나타낸다. 잡음은 광원들의 강도 및 주파수에서의 원하지 않는 변화들, 산탄 잡음 한계를 초과하는 광 검출기 잡음 등과 같은 “기술적(technical)” 잡음 뿐만 아니라, 광 파워(optical power) 측정에서의 산탄 잡음(shot noise)과 같은 본질적인 자연의 파동들(fluctuations)을 포함한다. 신호 대 잡음비는 어떤 샘플에서 검출될 수 있는 관심의 종의 가장 작은 농도에 한계(limit)를 둔다.
비록 관심의 분자들로부터의 흡수 신호가 이론상으로 검출에 적합한 신호 대 잡음비를 가지고 있다고 할지라도, 실제적인 측정값들은 빈약한(poor) 신호 대 바탕비 때문에 비현실적일 수 있다. 이것은 다른 광학적으로 흡수하는 종이 관심의 분자들과 동일한 샘플에 존재할 때 발생하고, 관심의 분자들의 흡수와 구별할 수 없는 바탕 흡수 또는 간섭을 야기한다. 분광 간섭(spectroscopic interference)은 관심의 분자 종으로부터 화학적으로 구별되는 분자들로부터 또는 서로 다른 동위원소 조성을 가지는 화학적으로 동일한 분자들(동위 이성질체, isotopologues)로부터 발생할 수 있다. 동위 이성질체들은 특히 어려운 문제를 제시한다; 화학적으로 구별되는 분자들과는 달리, 이것은 종종 정화 과정(purification process)을 통해 분리되거나 광 주파수에 의해 분광학적으로(spectroscopically) 분리될 수 있지만, 분해물질 종(analyte species)의 동위 이성질체들은 화학적으로 또는 분광학적으로 쉽고 효과적으로 분리되지 않는다. 우리에게 특별한 관심의 경우는, 탄소-14 몰 분율의 정량화, 탄소-14 원자들은 일부 가스 분자(gaseous molecule)에 포함되어야 한다. 이산화탄소는 탄소의 동위원소 구성을 측정하는데 특히 매력적인 분자이다. 이 경우 흥미로운 14C16O2 동위 이성질체의 흡수는 이산화탄소 그 자신의 다른 동위 이성질체들로부터의 간섭 뿐만 아니라 수증기(H2O), 메탄(CH4), 아산화질소(N2O), 일산화탄소(CO) 및 오존(O3)과 같은 자연적인 유래의 샘플들에 존재할 수 있는 다른 분자들로 인한 간섭과 구별되어야 한다. 탄소는 두 개의 안정적인 동위원소들을 가지고 산소는 세 개를 가지기 때문에, 14C16O2 동위 이성질체와 동일한 일반적인 파장 영역 내에서 모두 광학적으로 활성인 12개의 안정적인 동위 이성질체들이 존재한다. 이산화탄소의 안정적인 동위 이성질체들 중 가장 희귀한 것은 자연적인 샘플들에서의 14C16O2 보다 거의 1000배 더 풍부하지만; 더 흔한 동위 이성질체들이 14C16O2 보다 10억에서 1조배 더 풍부한 농도에 존재한다. 매우 약한 신호와 그 신호 자체보다 훨씬 더 강한 바탕으로부터의 간섭의 결합은 탄소-14 존재비의 광학적 정량화(optical quantification)를 유난히 어렵게 만든다.
해결책: 신호 대 잡음 최적화(signal-to-noise optimization)
탄소-14로 인한 분자 흡수의 약점(결함)은 허용 가능한 신호 대 잡음비를 달성하기 위해 캐비티-개선 분광학 및 샘플 정화의 결합을 제안한다. 캐비티 개선 흡수 분광학은 고전적인 광원 또는 종래의 레이저 광원들을 가지는 광 흡수 측정을 위한 산탄 잡음 한계, 기본적인 한계에 근접하는 민감도를 달성할 수 있다. 캐비티 개선 흡수 분광학의 많은 변형들 중에서, 캐비티 링-다운 분광학(CRDS)은 선호하는 구현(implementation)처럼 보인다. 왜냐하면 그것은 레이저 기술적 잡음에 둔감하고 실제적인 적용을 위한 강인한 기술이기 때문이다. 하지만, 다른 구현들 또한 고려될 수 있다. 특히, 최근의 연구는 CRDS에서의 일부 간섭들이 선형 포화 흡수를 측정함으로써 완화될 수 있다는 점을 보였다. 이러한 데이터 분석은 여기에 기재된 작업의 컨텍스트에서 이용될 수 있다.
가스 샘플이 순수한 화학종으로 전환되면 관심의 흡수 신호는 최고이고, 그 결과 관련 없는 가스 성분들에 의한 탄소-14 신호의 약화(dilution)는 없다. 신호 대 잡음 최적화의 컨텍스트에서, 상대적으로 거친 정화는 요구하는 모든 것이고, 예를 들어 99%의 순도까지의 이산화탄소(CO2)의 정화는 달성할 수 있는 한 많은 탄소-14 신호를 기본적으로 제공할 것이다. 하지만, 신호 대 바탕 고려 사항들은 훨씬 나은 샘플 정화를 필요로 할 것이다.
가스가 아닌 타겟 샘플들은 이용될 공진 분자 분광법을 위해 먼저 가스 상태로 연소되어야 한다. 샘플들은 순식간에 연소되고 나서 환원된다(reduced). 원하는 탄소-14 종이 이산화탄소인 경우, 샘플들은 화학량적으로 순수한 산소로 연소되고, 삼원 촉매 컨버터는 일산화탄소 및 일산화질소의 추적량들(trace amounts)을 각각 이산화탄소 및 이질소(dinitrogen)로 환원시킨다. 일산화탄소에 대해, 탄소질 샘플은 산화제(예: CuO)에 대해 열분해되고 이후 전기화학적으로 일산화탄소로 된다. 메탄에 대해, 연소된 샘플들은 활성화된 알루미나 기판 상에서 니켈 촉매를 이용하여 메틸화된다.
신호 대 잡음 고려 사항들은 또한 탄소-14의 광 측정에 대한 흡수선의 선택을 강하게 제한한다. 탄소-운반 가스로서 이산화탄소의 예를 들면, 기본적인 적외선 활성 진동 밴드들(
및 
)의 가장 강한 회전 성분들만이 광 흡수 측정을 위한 논리적 후보들이다. 14C16O2 라인들의 진동자 세기들은 유사한 12C16O2 라인들의 진동자 세기들과 본질적으로 동일하다는 타당한 가정에 기초한 산출들은 합리적인 샘플 조건들에 대해서, 순수한 이산화탄소(CO2)에서의 14C16O2 동위이성질체(isotopologue)로 인한 최대 흡수 계수가 생물학적 적용을 위한 적절한 정확도를 가지는 CRDS에 의해 측정될 수 있을 만큼 크다.
해결책: 신호 대 바탕 최적화(signal-to-background optimization)
위에서 설명한 바와 같이, 탄소-14로 인한 흡수가 간섭하는 분자 스펙트럼으로 인한 흡수와 구별될 수 없다면 적절한 신호 대 잡음비만으로는 탄소-14의 실제적인 측정에 충분하지 않다. 기원에 따라 간섭을 처리하기 위해 전략들의 조합이 사용될 수 있다. 광 분석에 대한 가장 큰 실제적인 가능성을 가지는 것처럼 보이는 14C16O2 비대칭 스트레치 밴드(υ3)의 근처에서, 물(H2O), 오존(O3), 아산화질소(N2O), 일산화탄소(CO) 및 메탄(CH4)를 포함하는, 정상적인 대기(ambient air)에 존재하는 분자들로 인한 흡수 밴드들 또한 존재한다. 발명자들은 Hitran 데이터베이스로부터 취해진 이러한 종의 알려진 흡수 라인들로 인한 간섭을 모델링하고, 분광 간섭이 탄소-14의 측정에 영향을 미칠 수 있는 이러한 분자들의 농도 레벨들을 결정했다. 신호 대 바탕을 개선하기 위한 중요한 첫 번째 단계는 외래종으로부터의 간섭을 최소화하기 위해 이산화탄소(CO2) 샘플을 정화하는 것이다. 아산화질소, 일산화탄소, 이산화탄소, 물, 오존, 메탄 및 그것의 모든 안정적인 동위원소들과 같은 종으로부터의 간섭은 색층 분석의(chromatographic), 막(membrane), 및/또는 극저온(cryogenic) 정화 과정들을 이용하여 제거되거나 완화될 수 있다. 이러한 방법들 각각은 타겟과 간섭하는 종 사이의 물리적 특성들의 차이들을 레버리지(leverage)한다: 색층 분석 분리는 분배 계수들의 차이들을 이용하고(이것은 또한 연소 전에 액체, 및 용존 고형물 샘플들로 수행될 수도 있다), 막 정화 과정들은 물리적인 크기 차이들을 이용하고, 극저온 방법들은 응축 및 승화 온도의 차이들을 이용한다.
일부 외래 분자들에 대해, 주의 깊은 샘플 준비는 분광 간섭을 수용 가능한 레벨로 줄이기에 적절해야 한다. 다른 분자들은 좀 더 문제가 있을 수 있다. 왜냐하면 그것들은 완전히 제거하기 어렵고 그것들의 라인들은 예외적으로 큰 진동자 세기를 가지기 때문이다(N2O 및 CO가 그러한 경우들임). 이러한 경우들을 처리하기 위해, 발명자들은 실험적인 분광 데이터(분광 사진: spectrograms)를 스펙트럼 모델에 맞추는 절차(the procedure of fitting)를 개발했다. 스펙트럼 맞춤(피팅) 절차는 알려진 샘플 조건들 하에서 순수한 형태에서의 잠재적으로 간섭하는 종(species)의 고해상도 스펙트럼의 획득으로 시작한다. 이러한 스펙트럼의 분석으로부터, 탄소-14 측정을 잠재적으로 간섭할 수 있는 모든 흡수선들(absorption lines)은 분자 선형 이론(molecular line shape theory)에 기초하여, 잘 정의된 수학적 함수들에 의해 기술되고, 간섭하는 종의 농도(들), 샘플 압력, 및 샘플 온도와 같은 요인들의 간섭 스펙트럼에 대한 영향을 기술하는 파라미터들을 포함한다. 스펙트럼 모델이 구성되고, 이것은 탄소-14 흡수선의 근처에서 광 흡수를 기술하고, 자유 파라미터들로서 그것들의 농도들을 가지는, 탄소-14 라인 및 모든 간섭하는 종을 포함한다. 가스 샘플의 탄소-14 내용물을 분석할 때, 분광 사진들은 탄소-14로 인한 흡수선 뿐만 아니라 잠재적인 간섭하는 종으로부터의 흡수까지도 포함하는 파장 범위에 걸쳐 획득된다. 비선형 최소 제곱 최소화에 기초한 맞춤 절차는 그 모델이 측정된 데이터와 가장 잘 일치하도록 스펙트럼 모델에서의 자유 파라미터들의 값들을 찾기 위해 적용된다(예: 최소 rms 편차의 의미에서). 맞춤 절차의 결과는 적절하게 고려된 간섭 종으로부터의 모든 바탕 흡수를 가지는 탄소-14로 인한 광 흡수이다. 숫자로 나타낸 모델링은 제공된 실험적인 분광 사진이 스펙트럼 모델의 모든 자유 파라미터들을 제한하기에 충분한 데이터 포인트들을 가지고 있다는 점을 보여 주고, 모든 물리적으로 관련된 변수들이 모델 내에서 파라미터화되면(실험의 과정 동안 변화할 수 있는 어떤 다른 실험적인 변수들 뿐만 아니라 모든 간섭 종까지도) 탄소-14의 몰 분율은 비록 신호 대 바탕비가 0.001만큼이나 작은, 즉 극도로 작을 때에도, 실험적인 신호 대 잡음비에 의해 부과된 한계보다 상당히 나쁘지 않은 정확도로 결정될 수 있다.
14C16O2 스펙트럼의 바탕에 기여하는 분자들 중에서, 특별한 역할이 이산화탄소 자체에 맡겨 진다. 이산화탄소의 12개의 안정적인 동위이성질체들 중에서, (고려 중인 특정 14C16O2에 따라) 14C16O2 선의 근처에서 눈에 띄게 흡수하는 일부 6개가 존재한다. 그것들은 측정되는 종과 화학적으로 동일하고 의도된 탄소-14 몰 분율 측정을 조작하지 않고 동위원소 분리에 의해 제거될 수 없다. 그런데도, 외래 분자들로부터의 간섭을 처리하기 위해 기술된 동일한 두 개의 전략들이 이산화탄소의 안정적인 동위 이성질체들로부터의 간섭을 최소화하기 위해 이용될 수 있다. 외래 가스들을 제거하는 방식이 유사한, 첫 번째 접근은 14C16O2를 간섭하는 안정적인 동위이성질체들로 인한 광 흡수를 가능한 한 많이 감소시키는 것이다. 이것은 분석기에서 가스의 온도 및 압력을 주의 깊게 선택하는 것에 의해 가능하다. 압력은 반주 흡수 선들의 모든 폭들 위에 영향을 미치고, 그것은 완전한 분자 스펙트럼에서의 서로 다른 스펙트럼 선들의 겹침(오버랩)을 유도하는 0(zero)이 되지 않는 선폭(non-vanishing line width)이다. 샘플 압력을 감소시키는 것은 모든 문자 선폭들을 감소시키는 것이고, 결과적으로 14C16O2 선의 주파수에서 안정적인 동위 이성질체들의 바탕을 감소시킨다. 흡수 선폭은 압력이 약 10-20 Torr(하나의 선으로부터 다른 선가지 변화하는 정확한 압력)를 초과할 때 거의 압력에 비례하고 거의 그 압력 아래의 상수이다. 결과적으로 샘플 압력을 가급적 약 75 Torr 아래의 값(보다 바람직하게는 10-20 Torr의 범위 내)으로 감소시키는 것이 유리하다. 온도는 분자 선폭들에 약간 영향을 미치지만, 양자화된 분자 에너지 레벨들 중에서 분자 개체군(molecular population)의 온도-의존적 분포로 인한 흡수 강도에 훨씬 더 큰 영향을 가진다. (우리의 샘플들에 대해 유효한) 열적 평형에서의 가스들에 대해 이러한 분포는 Maxwell-Boltzmann 법칙에 의해 기술되고, 이것은 주어진 양자 상태에서의 개체군(population)을 그 상태의 에너지 레벨(항 값(term value))에 결부시킨다. 몰 분율의 측정에 적합한 14C16O2 선(line)들은 모두 기저 상태보다 약간만 더 활동적인 레벨들 상에서 비롯된다: 이것들은 밴드의 가장 강력한 회전 성분들이다. 다른 동위 이성질체들의 밴드들은 탄소 및 산소 원자들의 질량 차이로 인한 주파수로 이동되고, 결과적으로 관심의 14C16O2 선들을 간섭할 수 있는 선들은 항상 14C16O2 선보다 더 활동적인 - 일반적으로 훨씬 더 활동적인 - 에너지 레벨들 상에서 비롯된다. 결과적으로 간섭하는 선들의 강도들은 샘플 온도가 낮아질 때 14C16O2 선에 대해 크게 감소된다. 샘플 온도에 대한 기본적인 하한만이 동작 압력에서의 이산화탄소의 승화 온도이지만(이는 약 -120℃ 및 약 0℃ 사이의 선호되는 온도 범위를 제공할 것이다), 경험은 정렬-민감 광학 장치(alignment-sensitive optical apparatus)는 온도에 있어서 가장 작은 실제적인 외유(excursion)에 예속되어야 한다. 시뮬레이션된 스펙트럼의 숫자로 나타낸 모델링은 14C16O2 선의 정확한 선택에 따라, 샘플 온도 감소의 이점들이 약 +5℃만큼 높은 온도에서 실현될 수 있다는 점을 보여준다.
이산화탄소의 안정적인 동위이성질체들의 분광 간섭은 완전히 제거될 수 있고, 결과적으로 스펙트럼 맞춤 절차는 또한 바탕 흡수로부터 14C16O2 선을 구별해야만 한다. 이산화탄소의 동위이성질체들로부터의 간섭과 관련된 원리들은 외래 가스종으로부터의 간섭과 관련된 원리들과 정확하게 동일하다. 스펙트럼 모델을 개발하고, 자연적인 스펙트럼 내에서의 선들의 동위원소의 유래를 확인하기 위해, 스펙트럼은 동위원소적으로 정화된 샘플들로부터 획득될 수 있다. 이산화탄소의 분광학에 대한 광범위한 문헌 역시 이러한 목적을 위해 이용할 수 있다. 물론, 각 동위이성질체는 독립적인 종으로 취급되어야 하고, 안정적인 동위원소 비율들의 자연적인 가변성은 고려되어야 한다. 시뮬레이션된 스펙트럼의 모델링은 14C16O2 영역의 분광 사진들은 샘플의 동위원소 조성을 적절하게 제한하기에 충분한 정보를 포함하고 있다는 점을 보여준다.
분광 간섭의 처리에서, 14C16O2 선을 포함하는 하나의 분광 사진에서 획득되는 모든 분광 정보에 제한을 부과할 필요는 없다. 복수의 분광 측정값들은 샘플 조성을 제한하는데 이용될 수 있고, 이러한 스펙트럼들은 14C16O2 스펙트럼을 획득하는 동일한 장치를 이용하여 획득될 수도 있고, 다른 분광계를 이용한 보조적인 측정값들로 획득될 수도 있다. 예를 들어, 아산화질소 및 일산화탄소의 농도들은 아마 탄소-14로 인한 흡수를 측정하는 동일한 분광계를 사용하여, 중간-적외선 분광학(mid-IR spectroscopy)에 의해 매우 정확하게 결정될 수 있고, 동위원소 비율들 δ(13C/12C) 및 δ(18O/16O)은 중간-적외선 분광학과 근적외선 분광학 중 어느 하나에 의해 결정될 수 있다. 이러한 보조적인 측정값들이 이용된다면, 실험적인 분광 사진을 스펙트럼 모델에 맞추는 기본적인 방법은 위에서 기술한 것과 동일하지만, 보조적인 측정값들(예: 샘플의 일산화탄소 농도 또는 안정적인 탄소 및 산소 동위원소들의 측정된 존재비들)의 결과는 14C16O2 흡수 계수의 최소 제곱 조정(least squares adjustments)의 정확도를 향상시키기 위해 모델 파라미터들을 정확하게 알려진 값들로 미리 설정하기 위해 이용된다.
생물학적 샘플들에서의 방사성 탄소의 정량화(Quantitation of Radiocarbon in Biological Samples)
방사성 탄소(14C)는 생물의학 연구에서 일반적으로 사용되는 동위원소이다. 수백의 방사성 탄소를 이용한 동업자 검토 원고들(peer reviewed manuscripts)이 매년 발행되고 수천의 방사성 탄소에 의존하는 임상 분석(clinical assays)이 매년 미리 형성된다. 방사성 탄소를 정량화하는 방법들은 일상적으로 이용하고 있지만 대부분 적절한 데이터를 획득하기 위해 높은 동위원소 레벨들과 불합리하게 긴 계수 시간들(counting times) 중 어느 하나를 필요로 하는 붕괴 계수(decay counting)에 의존한다. 연구들은 종종 세포 내의 대사물질(metabolite) 또는 생물학적 분자의 자연적인 농도의 밖에 존재하여 측정을 위해 목표가 된 생물학적 과정을 변화시키는 테스트 시스템에서의 표지 물질들(labeled agents)의 레벨들을 필요로 한다. 게다가, 많은 연구들은 테스트 시스템에 방사성 물질에 의한 손상(피해)을 줄 수 있는 동위원소 레벨들의 사용을 필요로 하는데, 이는 인간 연구에서의 사용을 제한하거나 배제한다. 최종적으로, 방사성 표지 샘플들(radiolabeled samples) 및 시약들(reagents)의 처리는 문제가 있고 많은 비용이 든다. 동위원소 또는 큰 샘플들의 부자연스럽게 높은 레벨들에 대한 필요를 감소시키는 방법들에 대한 커다란 요구가 계속 존재한다.
가속기 질량 분광법(AMS)은 현재 생물학적 샘플들에서의 방사성 탄소의 정량화를 위한 가장 민감한(sensitive) 방법이다. AMS는 실제 샘플들에서 약 1%의 정확도로 방사성 탄소-표지 물질(radiocarbon-labeled agent)의 아토몰(attomole)을 일상적으로 정량화할 수 있다. 이러한 기술은 매우 높은 민감도가 요구되는 영역에서 지난 20년에 걸쳐 다양한 연구들에 이용되어 왔다. AMS는 그것 없이 불가능했던 수행되기를 허여한 연구들의 예시들은 음식물 또는 공기에서 낮은 질량(low mass)으로 존재하는 화합물들에 대한 것처럼 낮은 복용량 노출에 대한 데이터가 요구되는 위험 평가(risk assessment)에 있다; 약물 개발(drug development)에서 화합물들(compounds)은 매우 강력하고 낮은 생물학적 이용 가능성(bioavailability)을 가지며; 샘플들은 극도로 작고 테스트 물질들(test agents)은 낮은 특정한 움직임에서만 이용 가능하다. 아주 최근에 약물 또는 독성물질 복용량(doses)이 안전성 책임에 대한 가능성을 제한하기 위해 극단적으로 낮게 유지되는 초기의 인간 연구들(early human studies)을 수행하기 위해 그러한 기술의 이용에 대한 관심이 증가하고 있다. 이러한 연구들은 인간들을 위한 모델 시스템들의 검증(validation)을 위해, 그리고 동물 모델들과 인간들 사이의 위험 외삽법(risk extrapolation)을 위해, 인간을 위한 새로운 치료 기관들(therapeutic entities)의 보다 빠른 실험(testing)을 허용하도록 발전해왔다. 특히 제약(pharma)에 있어서, 마이크로도싱(microdosing) 연구들을 수행하기 위한 FDA로부터의 새로운 안내(guidance)로 인해 그리고 새로운 치료 기관들의 임상 전 안정성 실험(testing)을 위한 ICH 권고로부터, 지속적인 성장이 예상된다.
가속기 질량 분광법은 동위원소 비율 질량 분광법의 일종이다. 하나의 샘플 내에서, 희귀한 동위원소(예: 탄소-14)의 양은 더 많은 존재비를 가지는 동위원소(예; 탄소-13 또는 탄소-12)에 대해 측정된다. 절대적인 정량은 샘플의 측정된 동위원소 비율과 잘 정의된 표준(well-defined standard)의 측정된 동위원소 비율을 비교하여 제공된다. 생명 과학에서, AMS는 원래 환경적인 발암 물질들 및 오염 물질들의 낮은 레벨들에의 노출에 의해 야기되는 분자에 의한 손상(molecular damage)을 연구하기 위한 붕괴 계수(decay counting)의 검출 민감도에서의 제약들을 극복하기 위해 적용되었다. 개별적인 원자들의 계수(counting)에 의해, AMS는 14C/C 동위원소 비율들을 정량적으로 측정하고 탄소 14의 아토몰 양에 상응하는 -106 14C 원자들의 민감도를 가진다. AMS 검출을 이용하여, 매우 적은 나노퀴리/사람(nCi/person)만큼이나 낮은 탄소-14 표지 물질들의 움직임들이 대사(metabolism)를 평가하기 위해 이용될 수 있고, 100 nCi/person만큼이나 낮은 움직임들이 후보 약물들 또는 독성물들(toxicants)의 연구에서 거대 분자 결합(macromolecular binding)을 다루기 위해 이용될 수 있다. 방사능의(radioactivity) 이러한 레벨은 바탕 전리 방사선(background ionizaing radiation)에의 하루의 노출 또는 흉부 엑스레이(x-ray)로부터의 레벨보다 더 낮다.
AMS 기구 비용은 약 수백만 달러이고 그것들은 아직도 고도로 훈련된 기술진으로부터의 지원(support) 및 특화 시설들(specialized facilities)에서의 장소(location)를 필요로 한다. 게다가, 전통적인 AMS 이온 소스들(ion sources)은 그 샘플이 고체의 흑연질 타겟(solid graphitic target)으로 제시될 것을 요구한다. 이것은 전체적인 측정 처리량(throughput)을 제한하고 샘플당 요금(charges)을 불합리하게 높게 유지시킬 수 있는 기술적으로 복잡한 절차에서 탄소질 물질(carbonaceous material)의 그래파이트(graphite)로의 시간이 걸리는 전환(time-consuming conversion)을 필요하게 만든다. 평균적으로, 한 명의 기술자는 최소한 36 시간이 걸리는 다단계 과정(multistep process)을 통해 하루에 분석을 위한 120개의 샘플들을 준비할 수 있다. 이것은 전문적인 지식 및 국가에서 매우 적은 장소에서만 이용 가능한 특화 시설들(specialized facilities)을 필요로 한다. 몇 평방 미터의 공간(footprint)을 가지고 숙련된 조작자들 및 물리학자들인 스탭(staff)에 대한 요구 없이, 비싸고 기기 장치에 대한 요구 없이 운용될 수 있는 방법의 개발은 공백(gap)이고, 채워진다면, 낮은 비용, 사용의 편의 및 폭넓은 유용성에 의해 조사 및 임상적 연구의 새로운 길들(new avenues)을 열 것이다.
광분광학(optical spectroscopy)을 통한 탄소-14의 정량화는 가속기-기반 시스템의 많은 결점들을 제거하는 접근법을 제안한다. 이 기술은 적외선 스펙트럼 영역에서의 ro-진동 천이들(ro-vibrational transitions) 또는 자외선에서의 ro-전자 진동 천이들(ro-vibronicl transitions)의 선택성(selectivity) 및 그것들의 동위원소 시프트(isotopic shift)를 이용할 수 있다. 민감한 적외선-기반 접근법들은 모두 광학 경로 길이를 증가시키기 위해 멀티경로 셀들(multipath cells) 또는 캐비티 내부(intra-cavity) 레이저 기술들을 이용한다. 지금 이러한 기술들의 더 민감한 것은 캐비티 링 다운 분광학(CRDS)을 포함한다. 민감한 전자 활동에 의한 여기 접근법들(sensitive electronic excitation approaches)은 영 바탕(null background)으로부터 나오는 신호 광자들(photons)의 신호 대 잡음 이점을 이용하는 형광(fluorescence) 검출을 이용한다.
캐비티 링-다운 분광법(Cavity Ring-Down Spectroscoyp)(CRDS)
CRDS는 가스들의 트레이스 양들을 검출하기 위한 증명된 기술이다. 근적외선 레이저들을 가지는 CRDS는 트레이스 가스 분석을 위한 확립된 방법이고, 온실 가스 감시 공동체에서 널리 채택되고 있다. 아주 최근에, Picarro 주식회사(Santa Clara, CA)는 CRDS를 스펙트럼의 중간 적외선 영역으로 확장하기 위해 상업적인 개발 프로그램에 착수했다. 이 프로그램으로부터의 첫 번째 원형(prototype)은 동위원소 N2O 분석기이다. 그 다음 해, 그 설계는 많은 성능 향상들을 포함하는 중대한 수정을 겪었다.
CRDS에서, 하나의 주파수(single-frequency)로부터의 빔, 레이저 다이오드는 둘 또는 그 이상의 고반사율 미러들에 의해 한정되는 캐비티로 들어간다. 레이저가 켜질 때, 캐비티는 빠르게 순환하는 레이저 광으로 채워진다. 빠른 광 검출기(photodetector)는 캐비티 내의 강도에 직접적으로 비례하는 신호를 생성하기 위해 미러들 중 하나를 통해 새나가는(leaking) 작은 광량을 감지한다. 광 검출기 신호가 (수십 마이크로초 내에, in a few tens of microseconds) 임계 레벨(threshold level)에 도달할 때, 레이저는 갑자기 꺼진다. 캐비티 내의 광은 이미 미러들 사이에서 계속 산란하지만(bounce) 꾸준하게 새어 나오고 지수 방식으로(in an exponential fashion) 0(zero)으로 쇠퇴한다. 이러한 쇠퇴(decay), 또는 “링-다운(ring-down)”은 광 검출기에 의해 실시간으로 측정되고 링 다운이 발생하는데 걸리는 시간의 양은 (하나의 빈 캐비티에 대해) 미러들의 반사율에 의해서만 결정된다. 하지만, 레이저 광을 흡수하는 가스 종이 캐비티에 유입되면, 캐비티 (흡수) 내 두 번째 손실 메커니즘(second loss mechanism)이 이제 도입된다. 이것은 타겟으로 된 가스 종으로 인한 어떠한 추가적인 흡수 없이 캐비티와 비교하여 링 다운 시간을 가속화하고 흡수하는 가스의 농도의 정량화(quantitation)를 가능하게 한다.
이 측정 접근의 여러가지 측면들은 더 이상 조사(examination)할 가치가 있다. 먼저, CRDS는 캐비티 링 다운 시간을 측정한다. 이 시간 기반 측정은 추기 기록된 레이저 강도와는 관계가 없다. 그것은 레이저 성능 및 광 검출기 응답에서의 드리프트(drifts)의 영향을 받지 않는다. 이것은 그것의 낮은 드리프트(low-drift) 뿐만 아니라 CRDS의 바닥(floor)의 낮은 잡음 모두에 해법(key)이다. 게다가, 흡수 선을 측정하기 위해 이용되는 동일 파장 스캐닝(same wavelength scanning)은 베이스라인(baseline) 상의 여러 포인트들을 스캔하기 위해 이용된다. 이 정확한 베이스라인 측정은 성능(performance)을 캘리브레이트(calibrate)하기 위한 제로 가스(zero gas)에 대한 필요를 제거한다.
CRDS의 또 다른 해법의 측면(key aspect)은 긴 유효 경로 길이(long effective path-length)로 인한 상대적으로 강한 신호이다. 캐비티 미러들의 반사율(reflectivity)에 따라, 광원(light)은 샘플을 통해 수십 킬로미터의 유효 경로 길이를 만들면서, 0(zero)으로 쇠퇴하기 전에 수십 마이크로초 동안 캐비티 내에서 순환할 수 있다. 멀티-패스 셀(multi-pass cell)처럼 이 매우 긴 유효 경로 길이는 CRDS에 극도로 높은 민감도를 제공한다. 높은 미러 반사율에도 불구하고, 링-다운 캐비니 내에서의 광 강도(light intensity)는 타겟 CO2 선들의 포화 강도 아래에 잘 있다. 따라서, 흡수는 분해물질(analyte) 농도에 선형적으로 반응한다.
CRDS 캐비티의 온도 및 압력은 정확하게 알려져 있고 적극적으로 안정화되어 있기 때문에, 각 흡수 선(absorption line)의 측정된 강도는 가스 농도에 선형적으로 비례한다. 상대적인 동위원소 존재비들은 이후에 관측된 선 강도(line strengths)의 비율들로부터 직접적인 방법으로 얻어낼 수 있다.
우리가 측정하는 흡수 선들은 O=C=O 분자의 ro-진동 비대칭 스트레치 모드들(ro-vibrational asymmetric stretch modes)이고, 그 중심 탄소 원자는 결합 축을 따라 두 개의 산소 원자들과 180도의 위상차로(180 degrees out of phase) 움직인다. 이것은 강력하게 적외선 활성 모드이다. 2.335.919㎝-1에서, 12CO2 흡수 선들 중 가장 강력한 것에 대해, 15 Torr 압력 및 100% 농도에서의 흡수는 약 2.1×108 ppm/cm이다. 진동 천이(vibrational transition)는 약 1-2 ㎝-1만큼 서로 분리된, 많은 수의 독립적인 회전 선들(separate rotational lines)로 쪼개진다.
본 발명자의 장치, 시스템 및 방법의 일 실시예
도면들 및 특히 도 1에는 개시된 장치, 시스템 및 방법이 도시되어 있다. 이 장치, 시스템 및 방법은 일반적이고 집합적으로 참조 번호 100으로 지정되어 있다. 도 1을 참조하면, 예시적인 흐름도는 일반적으로 참조 번호 100으로 지정된 본 발명자의 장치, 시스템 및 방법의 일 실시예에 대한 정보를 제공한다. 그 개략도는 아래와 같은 구조적인 구성요소들 및 단계들을 보여준다:
레이저 시스템 102,
레이저를 캐비티에 모드 매치시키기 위한 광학 트레인(optical train) 104,
파장 모니터 106,
캐비티 환경 시스템(cavity environment system) 108,
샘플 캐비티 110,
캐비티 길이 조정(광 경로) 112,
샘플 인(sample in) 114,
샘플 아웃(sample out) 116, 및
검출기/데이터 118.
전술된 장치, 시스템 및 방법(100)의 구조적인 구성요소들과 단계들이 아래에서 검토될 것이다. 레이저 시스템(102), 레이저를 캐비티에 모드 매치시키기 위한 광학 트레인(optical train to mode match laser to cavity)(104), 그리고 파장 모니터(106)는 레이저 광을 샘플 캐비티(110)로 향하게 한다. 샘플 캐비티(110)는 캐비티 환경 시스템(108)에 의해 소정의 환경 조건에서 유지된다. 샘플은 샘플 인 컴포넌트(114)에 의해 샘플 캐비티(110)로 도입된다.
레이저는 그것의 가장 단순한 형태에서 반사 거울(reflective mirror)들을 구비하는 광학 캐비티(110)를 비추기 위해 사용된다. 이때 레이저 시스템(102)은 캐비티로부터 누출되는 기하급수적으로(exponentially) 감쇠하는 광 세기(light intensity)의 측정을 가능하게 하기 위해 꺼진다. 이러한 감쇠(decay) 동안, 광은 효과적인 경로 길이를 주는 거울들 사이에서 이리저리(back and forth) 반사된다. 캐비티 내의 가스 혼합물(114)에서 흡수 물질(the absorbing substance)의 파라미터(parameter)들을 계산하기 위해 “링다운 타임(ringdown time)”이 사용된다.
캐비티 환경 시스템(108)은 샘플 캐비티(110)를 소정의 환경 조건에서 유지시킨다. 캐비티 길이 조정(광 경로)(112) 컴포넌트는 캐비티 길이 (광 경로) 제어를 위한 폐루프 방식(closed-loop scheme)을 제공한다.
탄소-14의 분석을 위한 광학 분광계(Optical Spectrometer)
도 2에는 개시된 장치, 시스템 및 방법의 추가적인 특징들이 도시되어 있다. 도 2는 아래의 구성요소들을 포함한다:
광학 분광계 200,
공진 광학 캐비티(resonant optical cavity) 202a,
캐비티 하우징 202b,
캐비티 환경 하우징 204,
광원(optical source) 206,
광학 방사선(optical radiation) 208,
광학 검출기 210a,
프로세서 210b,
광학 윈도우(optical windows) 212,
제1 거울 214,
제2 거울 216,
제3 거울 218,
캐비티 길이 조정 시스템(광 경로) 220,
샘플 가스 (샘플) 인(in) 222,
밸브 224, 및
샘플 아웃(out) 226.
전술된 광학 분광계(200)의 구조적인 구성요소들이 아래에서 검토된다. 광원(206)은 광학 방사선(208)을 광학 윈도우(212)를 통해 하우징(202b) 내의 캐비티(202a)로 향하게 한다. 캐비티 하우징(202b)은 캐비티 환경 시스템(204)에서 캐비티 환경 시스템에 의해 소정의 환경 조건으로 유지된다. 샘플은 “샘플 인(sample in)” 컴포넌트(222)에 의해 샘플 캐비티(202a)로 도입된다.
광원(206)(구체적인 실시예들에 있어서 레이저 빔)은 캐비티(202a)를 비춘다. 광 방사선(208)은 거울들(214, 216, 218)에 의해 반사된다. 이때 광원(206)은 캐비티(202a)로부터 누설되는 기하급수적으로 감쇠하는 광 세기의 측정을 허용하기 위해 꺼진다. 이러한 감쇠 동안, 광은 효과적인 경로 길이를 주는 거울들 사이에서 전후로 반사된다. 캐비티 내의 가스 혼합물에서 흡수 물질의 파라미터들을 계산하기 위해 “링다운 타임(ringdown time)”이 사용된다.
캐비티 환경 시스템(204)은 샘플 캐비티(202a)를 소정의 환경 조건에서 유지시킨다. 일 실시예에 있어서 캐비티 환경 시스템(204)은 냉동고(freezer)이다. 캐비티 길이 조정 (광 경로) (220) 컴포넌트는 캐비티 길이 (광 경로) 제어를 위한 폐루프 방식(closed-loop scheme)을 제공한다. 일 실시예에 있어서 캐비티 길이 조정 (광 경로) (220) 컴포넌트는 압전 크리스탈(a piezoelectric crystal)이다.
캐비티 링다운 분광계(cavity ring-down spectrometers(CRDS))가 미량 가스(trace gases)의 측정을 위해 사용된다. 개시된 장치, 시스템 및 방법은 이 동위 원소에 대한 자연 동위원소 존재율(the natural isotopic abundance)에 가까운 수준의 생화학 샘플에서 14CO2를 측정하기 위한 이러한 기술의 첫 번째 적용이다. 개시된 장치, 시스템 및 방법은 (어떤 경우에는) 가속기 질량 분석기(Accelerator Mass Spectrometry) 뿐만 아니라 액체 섬광 계수(Liquid Scintillation Counting)를 대체할 것으로 예상된다. 개시된 장치, 시스템 및 방법은 CO2와 CO로부터 14C/12C 비율을 정량화하기(quantify) 위해 테이블 크기의 레이저 기반 분광 시스템(a table-top sized laser-based spectroscopic system)을 제공하고, 방법(200)은 자연 동위원소 존재(a natural isotopic abundances)에서 14C/12C 비율을 정량화할 수 있는 레이저 분광 시스템을 제공한다.
개시된 장치, 시스템 및 방법은 탄소-14 및 13C와 12C를 포함하는 다른 동위 원소들의 측정을 위한 캐비티 링다운 분광계(CRDS)를 제공한다. 다른 실시예들에 있어서, 개시된 장치, 시스템 및 방법은 캐비티 링다운 분광계(CRDS)의 광학 분광 기술을 사용하여 생화학 물질에서 유도되는 14C의 양을 정량화한다. 개시된 장치, 시스템 및 방법에 있어서, 14C로 표시된(labeled) 생체 분자(biomolecules)는 캐비티 내로 향하는 CO2 가스로 연소된다. 수 개의 파장에서 링다운 타임을 기록함으로써 14C, 13C 및 12C의 양을 측정하기 위해 중간 IR 범위에서 작동되는 레이저가 사용된다.
링다운 사건의 실례(Ring-Down Event Example)
도 3을 참조하면, 그래프는 실례의 링다운 사건을 나타낸다. “빈 캐비티(empty cavity)”로 라벨링된 감쇠 라인(decay line)은 샘플이 없는 베이스 라인(base line) 측정을 도시한 것이다. “샘플이 있는(with sample)”으로 표시된 감쇠 라인은 추가적인 샘플 손실을 가진 감쇠를 나타낸 것이다.
단일 레이저, 모델 기반의 폐루프 캐비티 길이 제어(Single Laser, Model-Based, Closed-Loop Cavity Length Control)
도 4를 참조하면, 흐름도는 캐비티 길이 제어를 위한 단일 레이저, 모델 기반의 폐루프 방식을 나타낸다. 캐비티 링다운 분광계는 일반적으로 캐비티 전송 스펙트럼(cavity transmission spectrum)을 변조하기(modulate) 위해 PZT 스택(stack)을 사용한다. PZT는 도구의 복잡성을 완화하고 측정 감도에 도움을 주지만, PZT 히스테리시스(hysteresis)는 캐비티 길이가 안정화된 데이터 획득 루틴(cavity-length-stabilized, data acquisition routines)의 구현을 방해한다. 일단 캐비티 길이가 안정화되면, 캐비티의 자유 스펙트럼 범위는 측정된 스펙트럼의 파장 축(wavelength axis)에 극한의 선형성(linearity) 및 정밀도(precision)를 부여한다. 도 4에 나타낸 캐비티 길이 제어를 위한 단일 레이저, 모델-기반의 폐루프 방식에 대한 추가적인 정보는 참조로 전체가 여기에 통합된, International Journal of Mass Spectrometry 218 (2002) 255-264에서 Ted J. Ognibene, Graham Bench, Tom A. Brown, Graham F. Peaslee, John S. Vogel 에 의한 “A New Accelerator Mass Spectrometry System for 14C-quantification of Biochemical Samples”에서 제공되어 있다.
도 4에 도시된 본 발명자의 장치, 시스템 및 방법은 참조 번호 400으로 일반적이고 집합적으로 부여되어 있다. 도 4를 다시 참조하면, 그 흐름도는 아래와 같은 구조적인 구성요소(component)들 및 방법을 보여준다:
402 - 중앙 소프트웨어,
404 - WLM (파장 모니터),
406 - PZT - 크리프 제어(Creep Control) (PID),
408 - 레이저 전류,
410 - 레이저,
412 - 레이저 온도,
414 - 캐비티 PZT 전압,
416 - (PZT - 크리프 제어 PID),
418 - 스펙트럼 조정기(Spectra Fitter),
420 - 14C 대 12C 비율(14C to 12C ratio),
422 - 탄소질 샘플(Carbonaceous Sample),
424 - CO2로의 연소(Combustion to CO2),
426 - 극저온 정화(Cryogenic Purification),
428 - 캐비티,
430 - 검출기, 및
432 - 링다운 사건(Ring-Down Events).
본 발명자의 장치, 시스템 및 방법(400)이 아래에서 검토된다. 흐름도(400)에 도시된 본 발명자의 장치, 시스템 및 방법은 캐비티 링다운 분광계(CRDS)를 사용하여 생화학 물질로부터 유도되는 14C의 양을 정량화하기 위해 요구되는 정밀도를 위한 바탕 보정(background correction)을 제공한다. 흐름도(400)에 도시된 본 발명의 장치, 시스템 및 방법은 탄소-14를 포함하는 샘플 가스를 수용하도록 구성되는 공진 광학 캐비티; 상기 공진 광학 캐비티로 광학 방사선을 전달하도록 구성되는 광원; 상기 공진 캐비티로부터 방출된 광학 방사선을 검출하고 검출기 신호를 제공하도록 구성되는 광학 검출기; 및 상기 검출기 신호로부터 탄소-14의 농도(concentration)를 계산하도록 구성되는 프로세서;를 포함하는 탄소-14의 분석을 위한 광학 분광계를 제공하며, 상기 검출기 신호로부터 탄소-14의 농도를 계산하는 것은 분광 모델(a spectroscopic model)을 측정된 스펙트로그램(spectrogram)에 맞추는(fit) 것을 포함하며, 상기 분광 모델은 탄소-14와 분광학적으로 간섭하는 하나 이상의 간섭 종(interfering species)으로부터의 기여(contributions)를 설명한다(account for).
본 발명자의 장치, 시스템 및 방법의 추가적인 특징들은 상기 간섭 종들이 상기 샘플 가스에서 탄소-14의 농도보다 상기 샘플 가스에서 더 큰 농도를 가진 전술된 광학 분광계를 구비한다. 전술된 광학 분광계에서 희귀 종들(the rare species)은 가스 샘플에서 1조당 1000 개의 파트(1000 parts per trillion) 또는 그 미만의 존재율(abundance)을 가지며, 가스 샘플에서 탄소-14의 농도는 상기 존재율의 10%의 정밀도로, 또는 더 좋게 정량화된다. 전술된 광학 분광계에서 상기 광학 분광계는 약 -12℃와 약 0℃ 사이의 샘플 가스 온도에서 작동함으로써 분광 간섭(spectroscopic interference)을 감소시키도록 더 구성된다. 전술된 광학 분광계에서 상기 광학 분광계는 약 75 Torr 또는 그 미만의 샘플 가스 압력에서 작동함으로써 분광 간섭을 감소시키도록 더 구성된다. 전술된 광학 분광계에서 상기 광학 분광계는 처리된 샘플 가스를 상기 공진 광학 캐비티로 전달하기 위해 입력 샘플 가스를 처리 및/또는 정화함으로써 분광 간섭을 감소시키도록 더 구성된다. 전술된 광학 분광계에서 상기 입력 샘플 가스를 처리하는 것은 크로마토그래피, 종 선택 막을 통한 통과(passage through species selective membranes), 콜드 트랩(a cold trap)을 통한 통과, 그리고 연소 반응기에서의 연소(combustion):로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 방법을 포함한다. 전술된 광학 분광계에서 상기 입력 샘플 가스를 처리하는 것은 N2O, CO, CO2, H2O, O3, CH4 및 그것의 모든 안정 동위 원소들(stable isotopes);로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 간섭 종(interfering species)의 농도를 감소(reduce)시키는 것을 포함한다. 전술된 광학 분광계에서 상기 간섭 종들은 측정된 종들을 함유하는 탄소-14와 화학적으로 구별되는 하나 이상의 종을 포함한다. 전술된 광학 분광계에서 상기 간섭 종들은 측정된 동위 이성질체(isotopologue)를 함유하는 탄소-14와 구별되는 하나 이상의 동위 원소를 포함한다.
일 실시예에서 상기 광학 분광계는 생화학적 샘플(biological sample)을 샘플 가스로 변환시키도록 구성되는 샘플 준비 유닛(sample preparation unit)을 포함한다. 전술된 광학 분광계에서 상기 샘플 준비 유닛은 샘플 가스에서 관련 종(the relevant species)으로서 이산화탄소를 가진 연소실(a combustion chamber)을 포함한다. 전술된 광학 분광계에서 상기 샘플 준비 유닛은 샘플 가스에서 관련 종으로서 일산화탄소를 가진 환원실(a reduction chamber)을 포함한다. 전술된 광학 분광계에서 상기 샘플 준비 유닛은 샘플 가스에서 관련 종으로서 메탄을 가진 화학 반응기(a chemical reactor)를 포함한다. 전술된 광학 분광계에서 상기 광학 분광계는 하나 이상의 보조 농도 측정을 통해, 그리고 상기 분광 모델을 맞출(fitting) 때 상기 보조 농도 측정의 결과를 사용하여 상기 하나 이상의 간섭 종들의 농도를 결정함으로써 분광 간섭(spectroscopic interference)을 보상하도록 더 구성된다. 전술된 광학 분광계에서 시간에서 기하급수적인 감쇠에 대한 시상수(a time constant)는 검출기 신호로부터 결정된다. 전술된 광학 분광계에서 상기 시상수는 샘플 가스의 흡수를 결정하기 위해 사용된다. 전술된 광학 분광계에서 상기 검출기 신호는 별도의 선형 흡광도 및 포화 흡광도 항목(separate linear absorbance and saturated absorbance terms)을 제공하기 위해 분석된다.
정량화된 생화학 물질로부터 유도되는 14C의 양(Amount of 14C Derived from Biochemicals Quantified)
도 5에는 개시된 장치, 시스템 및 방법의 또 다른 실시예가 흐름도로 도시되어 있다. 본 장치, 시스템 및 방법의 이 실시예는 일반적으로 참조 번호 500으로 지정되어 있다. 이 실시예(500)는 탄소-14 및 13C와 12C를 포함하는 다른 동위 원소들의 측정을 위한 캐비티 링다운 분광계(CRDS) 방식(scheme)을 제공한다. 이 실시예에서 상기 방식은 캐비티 링다운 분광계(CRDS)의 광학 분광 기술을 사용하여 생화학 물질로부터 유도된 14C의 양을 정량화한다.
도 5를 다시 참조하면, 개시된 장치, 시스템 및 방법에 대한 추가적인 정보가 흐름도로 도시되어 있다. 이 흐름도는 일반적으로 참조 번호 500으로 부여된다. 흐름도(500)는 탄소-14 및 13C와 12C를 포함하는 다른 동위 원소들의 측정을 위한 캐비티 링다운 분광계(CRDS) 방식을 나타낸다. 이 방식에서 캐비티 링다운 분광법(spectroscopy)(CRDS)의 광학 분광 기술을 사용하여 생화학 물질로부터 유도되는 14C의 양이 정량화된다. 도 5를 다시 참조하면, 그 흐름도는 아래의 단계들을 보여준다: 502 - 트레이서(tracer)(예컨대 14C 트레이서가 있는 약제(drug))를 가진 샘플, 504 - 생물학적 유닛(biological unit)으로 도입된 트레이서를 가진 샘플, 506 - 생물학적 유닛으로부터 추출된 샘플(예컨대: 혈액 테스트 또는 소변 검사로서), 508 - 추출된 샘플은 CRDS 시스템에 의해 분석되고, 그리고 510 - 획득된 데이터는 생물학적 유닛에 의해 흡수된 약제의 양을 기록할 것이다.
도 5의 흐름도는 광 빔을 샘플 캐비티 내로 향하는 광원을 사용하고, 광 빔을 모니터링하여 광 빔을 캐비티로 모드 매칭시키고, 14C 및 12C를 함유하는 샘플을 캐비티 내로 도입하고, 캐비티 내에서 다수의 패스(a multiplicity of passes)를 만들고 14C 및 12C를 함유하는 샘플과 상호 작용하기 위해 캐비티 내에서 광 빔을 향하는 다수의 미러를 사용하고, 광원을 끄고 14C 및 12C의 양을 측정하기 위해 캐비티에서 광 빔으로부터 기하급수적으로 감쇠하는 광 세기를 검출하여 생화학적 샘플로부터 유도되는 14C의 양을 정량화함으로써, 캐비티 링다운 분광학을 사용하여 14C 및 12C를 함유하는 생화학 샘플로부터 유도되는 14C의 양을 정량화하는 하나의 방법을 나타낸다. 다양한 실시예에 있어서, 14C 및 12C의 양을 측정하여 생화학적 샘플로부터 유도되는 14C의 양을 정량화하기 위해 캐비티에서 광 빔으로부터 기하급수적으로(exponentially) 감쇠하는 광 세기를 검출하는 단계는 분광 모델을 측정된 스펙트로그램에 맞춤으로써 검출기 신호로부터 탄소-14를 계산하는 것을 포함하고, 상기 분광 모델은 분광학적으로 탄소-14와 간섭하는 하나 이상의 간섭 종(interfering species)으로부터의 기여(contributions)를 설명한다.
도 5의 흐름도는 광 빔을 샘플 캐비티 내로 향하게 하는 광원을 사용하고, 광 빔을 모니터링하여 광 빔을 캐비티 내로 모드 매칭시키고, 14C, 13C 및 12C를 함유하는 샘플을 캐비티 내로 도입하고, 캐비티에 다수의 패스를 만들고 14C, 13C 및 12C를 함유하는 샘플과 상호 작용하기 위해 캐비티에서 광 빔을 향하는 다수의 거울을 사용하고, 14C, 13C 및 12C의 양을 측정하여 생화학적 샘플로부터 유도되는 14C의 양을 정량화하기 위해 광원을 끄고 광 빔으로부터 기하급수적으로 감쇠하는 광 세기를 검출함으로써, 캐비티 링다운 분광법을 사용하여 14C, 13C 및 12C를 함유하는 생화학적 샘플로부터 유도되는 14C의 양을 정량화하는 또 다른 방법을 나타낸다. 다른 실시예에서 14C 및 12C의 양을 측정하여 생화학적 샘플로부터 유도되는 14C의 양을 정량화하기 위해 캐비티에서 광 빔으로부터 기하급수적으로 감쇠하는 광 세기를 검출하는 단계는 분광 모델을 측정된 스펙트로그램에 맞춤으로써 검출기 신호로부터 탄소-14의 농도를 계산하는 것을 포함하며, 상기 분광 모델은 탄소-14와 분광학적으로 간섭하는 하나 이상의 간섭 종으로부터의 기여를 설명한다.
탄소-14의 분석을 제공하는 광학 분광계(Optical Spectrometer Provides Analysis of Carbon-14)
도 6의 흐름도는 본 발명자의 장치, 시스템 및 방법의 추가적인 특징들을 나타낸다. 이 흐름도는 일반적으로 참조 번호 600으로 지정된다. 흐름도(600)에서 나타낸 본 발명자의 장치, 시스템 및 방법은 탄소-14를 구비한 샘플 가스를 받아들이도록 구성된 공진 광학 캐비티와, 광 방사선을 상기 공진 광학 캐비티로 전달하도록 구성된 광원과, 상기 공진 캐비티로부터 방출된 광 방사선을 검출하여 검출기 신호를 제공하도록 구성된 광학 검출기, 그리고 상기 검출기 신호로부터 탄소-14의 농도를 계산하도록 구성된 프로세서를 포함하는 탄소-14의 분석을 위한 광학 분광계를 제공하며, 상기 검출기 신호로부터 탄소-14의 농도를 계산하는 것은 분광 모델을 측정된 스펙트로그램에 맞추는 것을 포함하고, 상기 분광 모델은 분광학적으로 탄소-14와 간섭하는 하나 이상의 간섭 종들로부터의 기여를 설명한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 흐름도(600)는 아래에서 확인되고 기재된 장치, 시스템 및 방법을 보여준다. 개시된 장치, 시스템 및 방법의 오직 일부만이 다양한 실시예에서 사용된다는 것을 이해해야 한다. 또한 추가적인 장치, 시스템 및 방법이 다양한 실시예에서 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
602 - 사전 분석(pre-analysis),
604 - 생물학적 C-샘플,
606 - 샘플 정의(sample definition),
608 - 정화(purification), 농축(enrichment) 및 부피 저감(reduce volume),
610 - C-함유 가스 변환(convert C-containing gas),
612 - 샘플 및 유지(sample and hold),
614 - 광학 분광학적(optical spectroscopic) C-가스 분석,
616 - 14C 함유량 출력(output 14C content),
618 - 라인 확장을 제한하기 위한 캐리어 선택(carrier choice to limit broaden lines),
620 - 포화를 추가하기 위한 큰 빔/최소 전력(large beam/minimum power to add saturation),
622 - 방법 CRDS,
624 - 다중 레이저(multi lasers),
626 - CRDS 캐비티 길이,
628 - 샘플 온도 및 압력,
630 - 다른 동위 원소(isotopes) C-가스,
632 - 정확한 스펙트럼(correct spectra), 634 - 정확한 부분(correct fraction),
636 - 오염 물질(contaminants), 및
638 - 과학(science).
흐름도(600)에서 나타낸 본 발명자의 장치, 시스템 및 방법은 캐비티 링다운 분광법(CRDS)을 사용하여 생화학 물질로부터 유도되는 14C의 양을 정량화하기 위해 요구되는 정밀도를 위한 바탕 보정(background correction)을 제공한다. 흐름도(600)에서 나타낸 본 발명자의 장치, 시스템 및 방법은 탄소-14를 구비한 샘플 가스를 수용하도록 구성된 공진 광학 캐비티; 상기 공진 광학 캐비티로 광학 방사선을 전달하도록 구성된 광원; 상기 공진 캐비티로부터 방출되는 광학 방사선을 검출하고 검출기 신호를 제공하도록 구성된 광학 검출기; 및 상기 검출기 신호로부터 탄소-14의 농도를 계산하도록 구성된 프로세서;를 포함하는 탄소-14의 분석을 위한 광학 분광계를 제공하며, 상기 검출기 신호로부터 탄소-14를 계산하는 단계는 분광 모델을 측정된 스펙트로그램에 맞추는 것을 포함하고, 상기 분광 모델은 분광학적으로 탄소-14와 간섭하는 하나 이상의 간섭 종으로부터의 기여를 설명한다.
본 발명자의 장치, 시스템 및 방법의 추가적인 특징들은 상기 간섭 종들이 샘플 가스에서 탄소-14의 농도보다 더 큰 샘플 가스에서의 농도를 가진 전술된 광학 분광계를 구비한다. 전술된 광학 분광계에서 희귀 종들(the rare species)은 가스 샘플에서 1조당 1000 개의 파트(1000 parts per trillion) 또는 그 미만의 존재율(abundance)을 가지며, 가스 샘플에서 탄소-14의 농도는 그 존재율의 10%의 정밀도로, 또는 더 좋게 정량화된다. 전술된 광학 분광계에서 상기 광학 분광계는 약 섭씨 -12도와 약 섭씨 0도 사이의 샘플 가스 온도에서 작동함으로써 분광 간섭(spectroscopic interference)을 감소시키도록 더 구성된다. 전술된 광학 분광계에서 상기 광학 분광계는 약 75 Torr 또는 그 미만의 샘플 가스 압력에서 작동함으로써 분광 간섭을 감소시키도록 더 구성된다. 전술된 광학 분광계에서 상기 광학 분광계는 처리된 샘플 가스를 상기 공진 광학 캐비티로 전달하기 위해 입력 샘플 가스를 처리 및/또는 정화함으로써 분광 간섭을 감소시키도록 더 구성된다. 전술된 광학 분광계에서 상기 입력 샘플 가스를 처리하는 것은 크로마토그래피, 종 선택 막을 통한 통과(passage through species selective membranes), 콜드 트랩(a cold trap)을 통한 통과, 그리고 연소 반응기에서의 연소(combustion):로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 방법을 포함한다. 전술된 광학 분광계에서 상기 입력 샘플 가스를 처리하는 것은 N2O, CO, CO2, H2O, O3, CH4 및 그것의 모든 안정 동위 원소들(stable isotopes);로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 간섭 종(interfering species)의 농도를 감소(reduce)시키는 것을 포함한다. 전술된 광학 분광계에서 상기 간섭 종들은 측정된 종들을 함유하는 탄소-14와 화학적으로 구별되는 하나 이상의 종을 포함한다. 전술된 광학 분광계에서 상기 간섭 종들은 측정된 동위 이성질체(isotopologue)를 함유하는 탄소-14와 구별되는 하나 이상의 동위 원소를 포함한다.
일 실시예에서 상기 광학 분광계는 생화학적 샘플(biological sample)을 샘플 가스로 변환시키도록 구성되는 샘플 준비 유닛(sample preparation unit)을 포함한다. 전술된 광학 분광계에서 상기 샘플 준비 유닛은 샘플 가스에서 관련 종(the relevant species)으로서 이산화탄소를 가진 연소실(a combustion chamber)을 포함한다. 전술된 광학 분광계에서 상기 샘플 준비 유닛은 샘플 가스에서 관련 종으로서 일산화탄소를 가진 환원실(a reduction chamber)을 포함한다. 전술된 광학 분광계에서 상기 샘플 준비 유닛은 샘플 가스에서 관련 종으로서 메탄을 가진 화학 반응기(a chemical reactor)를 포함한다. 전술된 광학 분광계에서 상기 광학 분광계는 하나 이상의 보조 농도 측정을 통해, 그리고 상기 분광 모델을 맞출(fitting) 때 상기 보조 농도 측정의 결과를 사용하여 상기 하나 이상의 간섭 종들의 농도를 결정함으로써 분광 간섭(spectroscopic interference)을 보상하도록 더 구성된다. 전술된 광학 분광계에서 시간에서 기하급수적인 감쇠에 대한 시상수(a time constant)는 검출기 신호로부터 결정된다. 전술된 광학 분광계에서 상기 시상수는 샘플 가스의 흡수를 결정하기 위해 사용된다. 전술된 광학 분광계에서 상기 검출기 신호는 별도의 선형 흡광도 및 포화 흡광도 항목(separate linear absorbance and saturated absorbance terms)을 제공하도록 분석된다.
본원의 공동 발명자들 중의 하나인 Alan Daniel McCartt는 “DEVELMENT OF A LOW-TEMPERATURE CAVITY RING-DOWN SPECTROMETER FOR THE DETECTION OF CARBON-14, A DISSERTATION SUBMITTED TO THE DEPARTMENT OF MECHANICAL ENGINEERING AND THE COMMITTEE ON GRADUATE STUDIES OF STANFORD UNIVERSITY IN PARTIAL FULFILLMENT OF THE REQUIREMENTS FOR THE DEGREE OF DOCTOR OF PHILOSOPHY.”라는 이름의 논문을 완성했다. Alan Daniel McCartt의 완성된 논문을 아래에 요약한다.
이 학위논문(thesis)은 탄소-14의 측정을 위한 캐비티 링다운 분광계(CRDS)의 개발 및 성능 분석을 다룬다. 이 프로젝트의 포괄적인 목표는 시장에 상용 탄소-14 CRDS 분석기를 가져오는데 있어서 장애물을 명료하게 하기 위해 간단한 하드웨어를 사용하여 프로토 타입 분광계(a prototype spectrometer)를 만드는 것이었다. CRDS 시스템의 개발이 기술된다. 먼저, 중간 IR 스펙트럼(spectra) 및 라인 선택의 이론적인 분석이 제시된다. 그리고 나서 저온에서 측정을 할 수 있을 하드웨어 설계 선택이 논의된다. 마지막으로, 도구의 작동이 다루어진다. 이것은 실험 조건 제어 시스템 및 모델 기반의 폐루프, PZT-크리프-보상, 데이터-획득 루틴을 포함한다. 분광계의 성능 분석이 수행되었다. 초기의 분광학적 측정은 14CO2 P(40) 라인 후보를 둘러싸는 간섭 스펙트럼(the interfering spectra)을 특징화하였다. 이 특징화는 후에 실내 온도의 이산화탄소 내의 탄소-14를 분광 모델로 정량화하기 위해 사용되었다. 마지막으로, 임의의 설계 결점을 명료하게 하기 위해 저온 시험 측정이 이루어졌다. 알파 프로토 타입(the alpha prototype)은 약속(promise)을 보여 주었지만, 설계 결함으로 이상적인 온도와 파장에서의 측정을 방해했다. 그러나, 그것은 저온 측정 능력을 증명하였으며, 6.6%의 1-sigma 에러로 14C/C 농도 50배의 현대의 대기 수준(contemporary atmospheric levels)을 가진 실온 샘플을 분석했다.
Alan Daniel McCartt는 본원의 공동 발명자들 중의 하나이다. 그의 논문은 2014년 7월에 스탠포드 대학의 기계공학부에 제출되어 2014년 7월 17일에 등록기관에 의해 수락되었다. 그의 논문은 2014년 7월 17일 이후 스탠포드 디지털 저장소, 컬렉션: 전자 학위 및 논문에서 이용 가능했다. Alan Daniel McCartt의 논문: “DEVELOPMENT OF A LOW-TEMPERATURE CAVITY RING-DOWN SPECTROMETER FOR THE DETECTION OF CARBON-14, A DISSERTATION SUBMITTED TO THE DEPARTMENT OF MECHANICAL ENGINEERING AND THE COMMITTEE ON GRADUATE STUDIES OF STANFORD UNIVERSITY IN PARTIAL FULFILLMENT OF THE REQUIREMENTS FOR THE DEGREE OF DOCTOR OF PHILOSOPHY”는 참조에 의한 모든 목적을 위해 여기에 전체가 통합된다.
그러므로, 본원의 범위는 통상의 기술자에게 자명하게 될 수 있는 다른 실시예들을 충분히 포함한다는 것이 이해될 것이다. 청구범위에서, 단수의 요소에 대한 참조는 명백하게 설명되어 있지 않다면 “하나 및 오직 하나”를 의미하는 것으로 의도된 것이 아니라 “하나 또는 그 이상”인 것이다. 통상의 기술자에게 공지된 전술된 바람직한 실시예의 요소들에 대한 모든 구조적 및 기능적 등가물은 참조로 여기에 분명히 포함되며 본 청구항들에 의해 포함되도록 의도된다. 또한, 하나의 장치(device)는 본 청구범위에 의해 포함되기 때문에 그 장치가 본원의 장치, 시스템 및 방법에 의해 해결되도록 추구되는 각각 및 모든 문제를 처리할 필요는 없다. 또한, 본 개시물의 어떠한 요소 또는 구성요소도 그 요소 또는 구성요소가 명백하게 청구범위에 기재되어 있는지에 관계없이 공중에 제공되도록 의도된 것이 아니다. 여기서의 청구 요소는 그 요소가 명백하게 “의한 수단(means for)”이라는 문구를 사용하여 기재되어 있지 않다면, 35 U.S.C. 112의 여섯 번째 단락의 규정 하에서 유추되어서는 안 된다.
상기 장치, 시스템 및 방법은 다양한 변경 및 대안의 형태를 허용할 수 있지만, 특정 실시예들이 도면들에서 실예로 나타나 있으며, 여기서 상세하게 기재되었다. 그러나, 본원은 개시된 특별한 형태로 제한되도록 의도된 것이 아니라는 것을 이해해야 한다. 오히려, 본원은 아래의 첨부 청구항들에 의해 한정된 바와 같이, 본원의 사상 및 범위 내에 있는 모든 변경, 등가물 및 대안을 포함하는 것이다.
Claims (26)
- 탄소-14의 분석을 위한 광학 분광계에 있어서,
탄소-14를 포함하는 샘플 가스를 수용하도록 구성되는 공진 광학 캐비티;
상기 공진 광학 캐비티로 광학 방사선을 전달하도록 구성되는 광원;
상기 공진 광학 캐비티로부터 방출된 광학 방사선을 검출하고 검출기 신호를 제공하도록 구성되는 광학 검출기; 및
상기 검출기 신호로부터 탄소-14의 농도를 계산하도록 구성되는 프로세서;를 포함하고,
상기 검출기 신호로부터 탄소-14의 농도를 계산하는 것은 분광 모델(a spectroscopic model)을 측정된 스펙트로그램(spectrogram)에 맞추는(fit) 것을 포함하며,
상기 분광 모델은 탄소-14와 분광학적으로 간섭하는 하나 이상의 간섭 종(interfering species)으로부터의 기여(contributions)를 설명하는(account for) 것을 특징으로 하는 광학 분광계. - 제1항에 있어서,
상기 간섭 종들은 상기 샘플 가스에서 탄소-14의 농도보다 상기 샘플 가스에서 더 큰 농도를 가진 것을 특징으로 하는 광학 분광계. - 제1항에 있어서,
상기 탄소-14는 샘플 가스에서 1조당 1000 파트 또는 그 미만의 존재율(abundance)을 가지며, 샘플 가스에서 상기 탄소-14의 농도는 상기 존재율의 10%의 정밀도로 또는 더 좋게 정량화되는 것을 특징으로 하는 광학 분광계. - 제1항에 있어서,
상기 광학 분광계는 -12℃와 0℃ 사이의 샘플 가스 온도에서 작동함으로써 분광 간섭(spectroscopic interference)을 감소시키도록 더 구성되는 것을 특징으로 하는 광학 분광계. - 제1항에 있어서,
상기 광학 분광계는 75 Torr 또는 그 미만의 샘플 가스 압력에서 작동함으로써 분광 간섭을 감소시키도록 더 구성되는 것을 특징으로 하는 광학 분광계. - 제1항에 있어서,
상기 광학 분광계는 처리된 샘플 가스를 상기 공진 광학 캐비티로 전달하기 위해 입력 샘플 가스를 처리 및/또는 정화함으로써 분광 간섭을 감소시키도록 더 구성되는 것을 특징으로 하는 광학 분광계. - 제6항에 있어서,
상기 입력 샘플 가스를 처리하는 것은 크로마토그래피, 종 선택 막을 통한 통과(passage through species selective membranes), 콜드 트랩(a cold trap)을 통한 통과, 그리고 연소 반응기에서의 연소(combustion):로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 방법을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 분광계. - 제7항에 있어서,
상기 입력 샘플 가스를 처리하는 것은 N2O, CO, CO2, H2O, O3, CH4 및 N2O, CO, CO2, H2O, O3, CH4의 모든 안정 동위 원소(stable isotopes);로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 간섭 종의 농도를 감소시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 분광계. - 제1항에 있어서,
상기 간섭 종들은 측정된 종들을 함유하는 탄소-14와 화학적으로 구별되는 하나 이상의 종을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 분광계. - 제1항에 있어서,
상기 간섭 종들은 측정된 동위 이성질체(isotopologue)를 함유하는 탄소-14와 구별되는 하나 이상의 동위 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 분광계. - 제1항에 있어서,
생물학적 샘플을 상기 샘플 가스로 변환시키도록 구성되는 샘플 준비 유닛(sample preparation unit)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 분광계. - 제11항에 있어서,
상기 샘플 준비 유닛은 상기 샘플 가스에서 관련 종으로서 이산화탄소를 가진 연소실을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 분광계. - 제11항에 있어서,
상기 샘플 준비 유닛은 상기 샘플 가스에서 관련 종으로서 일산화탄소를 가진 환원실을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 분광계. - 제11항에 있어서,
상기 샘플 준비 유닛은 상기 샘플 가스에서 관련 종으로서 메탄을 가진 화학 반응기를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 분광계. - 제1항에 있어서,
상기 광학 분광계는 하나 이상의 보조 농도 측정을 통해, 그리고 상기 분광 모델을 맞출(fitting) 때 상기 보조 농도 측정의 결과를 사용하여 상기 하나 이상의 간섭 종들의 농도를 결정함으로써 분광 간섭을 보상하도록 더 구성되는 것을 특징으로 하는 광학 분광계. - 제1항에 있어서,
시간에서 기하급수적인 감쇠(an exponential decay)에 대한 시상수(a time constant)는 상기 검출기 신호로부터 결정되는 것을 특징으로 하는 광학 분광계. - 제16항에 있어서,
상기 시상수는 샘플 가스의 흡수를 결정하기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 광학 분광계. - 제1항에 있어서,
상기 검출기 신호는 별도의 선형 흡광도 및 포화 흡광도 항목(separate linear absorbance and saturated absorbance terms)을 제공하기 위해 분석되는 것을 특징으로 하는 광학 분광계. - 샘플을 분석하기 위한 캐비티 링다운 생물학적 가속기 질량 분광계 장치(a cavity ring-down biological accelerator mass spectrometer apparatus)에 있어서,
광 빔을 생성하고 꺼질 수 있는 광원(a light source);
샘플 캐비티(a sample cavity);
상기 광 빔을 모니터링하고 상기 광 빔을 상기 캐비티에 모드 매치시키는 파장 모니터 및 광학 트레인(a wavelength monitor and optical train);
샘플을 상기 샘플 캐비티로 향하게 하기 위한 시스템;
상기 광 빔을 상기 샘플 캐비티로 향하게 하기 위한 시스템;
상기 광 빔을 상기 캐비티 내에서 다수의 패스(a multiplicity of passes)로 만들고 상기 샘플과 상호 작용하게 하며, 상기 광 빔을 위한 캐비티 길이를 제공하도록 상기 캐비티 내에 위치되는 다수의 거울(a multiplicity of mirrors);
상기 캐비티 길이를 조정하기 위한 캐비티 길이 조정 시스템(a cavity length adjustment system); 및
상기 캐비티에 연결되는 검출기(a detector);를 포함하고,
상기 광원이 꺼질 때 상기 검출기는 상기 샘플을 분석하기 위해 상기 캐비티에서 상기 광 빔으로부터 기하급수적으로 감쇠하는 광 세기(exponentially decaying light intensity)를 검출하는 것을 특징으로 하는 캐비티 링다운 생물학적 가속기 질량 분광계 장치. - 제19항에 있어서,
상기 캐비티 길이를 조정하기 위한 상기 캐비티 길이 조정 시스템은 압전 크리스탈(a piezoelectric crystal)인 것을 특징으로 하는 캐비티 링다운 생물학적 가속기 질량 분광계 장치. - 제19항에 있어서,
상기 캐비티는 캐비티 벽을 가지며, 상기 다수의 거울은 상기 캐비티에서 상기 캐비티 벽에 위치되어 상기 광 빔을 위한 캐비티 길이를 제공하고, 상기 캐비티 길이를 조정하기 위해 상기 캐비티 벽과 상기 거울들 중의 적어도 하나 사이에 캐비티 길이 조정 시스템을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 캐비티 링다운 생물학적 가속기 질량 분광계 장치. - 캐비티 링다운 분광법(cavity ring down spectroscopy)을 사용하여 14C 및 12C를 함유하는 생화학적 샘플로부터 유도되는 14C의 양을 정량화하는 방법으로서,
광원을 사용하여 광 빔을 샘플 캐비티로 향하도록 하고;
상기 광 빔을 모니터링하고 상기 광 빔을 상기 캐비티에 모드 매칭시키고;
14C 및 12C를 함유하는 상기 샘플을 상기 캐비티로 도입하고;
다수의 거울을 사용하여 상기 광 빔을 상기 캐비티에 향하게 하여 상기 캐비티에서 다수의 패스를 만들고 14C 및 12C를 함유하는 상기 샘플과 상호 작용하도록 하고; 그리고
상기 광원을 끄고, 14C 및 12C의 양을 측정하기 위해 상기 캐비티에서 상기 광 빔으로부터 기하급수적으로 감쇠하는 광 세기를 검출하여 상기 생화학적 샘플로부터 유도되는 14C의 양을 정량화하는; 단계들을 포함하는 방법. - 제22항에 있어서,
14C 및 12C의 양을 측정하기 위해 상기 캐비티에서 상기 광 빔으로부터 기하급수적으로 감쇠하는 광 세기를 검출하여 상기 생화학적 샘플로부터 유도되는 14C의 양을 정량화하는 상기 단계는 분광 모델을 측정된 스펙트로그램에 맞춤으로써 검출기 신호로부터 탄소-14의 농도를 계산하는 것을 포함하고,
상기 분광 모델은 탄소-14와 분광학적으로 간섭하는 하나 이상의 간섭 종으로부터의 기여를 설명하는 것을 특징으로 하는 캐비티 링다운 분광법을 사용하여 14C 및 12C를 함유하는 생화학적 샘플로부터 유도되는 14C의 양을 정량화하는 방법. - 캐비티 링다운 분광법을 사용하여 14C, 13C 및 12C를 함유하는 생화학적 샘플로부터 유도되는 14C의 양을 정량화하는 방법으로서,
광원을 사용하여 광 빔을 샘플 캐비티로 향하도록 하고;
상기 광 빔을 모니터링하고 상기 광 빔을 상기 캐비티에 모드 매칭시키고;
14C, 13C 및 12C를 함유하는 상기 샘플을 상기 캐비티로 도입하고;
다수의 거울을 사용하여 상기 광 빔을 상기 캐비티에 향하게 하여 상기 캐비티에서 다수의 패스를 만들고 14C, 13C 및 12C를 함유하는 상기 샘플과 상호 작용하도록 하고; 그리고
상기 광원을 끄고, 14C, 13C 및 12C의 양을 측정하기 위해 상기 캐비티에서 상기 광 빔으로부터 기하급수적으로 감쇠하는 광 세기를 검출하여 상기 생화학적 샘플로부터 유도되는 14C의 양을 정량화하는; 단계들을 포함하는 방법. - 제24항에 있어서,
14C, 13C 및 12C의 양을 측정하기 위해 상기 캐비티에서 상기 광 빔으로부터 기하급수적으로 감쇠하는 광 세기를 검출하여 상기 생화학적 샘플로부터 유도되는 14C의 양을 정량화하는 상기 단계는 분광 모델을 측정된 스펙트로그램에 맞춤으로써 검출기 신호로부터 탄소-14의 농도를 계산하는 것을 포함하고,
상기 분광 모델은 탄소-14와 분광학적으로 간섭하는 하나 이상의 간섭 종으로부터의 기여를 설명하는 것을 특징으로 하는, 캐비티 링다운 분광법을 사용하여 14C, 13C 및 12C를 함유하는 생화학적 샘플로부터 유도되는 14C의 양을 정량화하는 방법. - 삭제
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