KR20190108594A - 탄소 동위체 분석 장치 및 탄소 동위체 분석 방법 - Google Patents

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데츠오 이구치
히데키 도미타
노리히코 니시자와
볼커 소넨샤인
료헤이 데라바야시
도시나리 오하라
아키라 이데노
아츠시 사토
겐타 하시즈메
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세키스이 메디칼 가부시키가이샤
고쿠리츠 다이가쿠 호우징 나고야 다이가쿠
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Abstract

탄소 동위체로부터 이산화탄소 동위체를 포함하는 가스를 생성하는 연소부, 이산화탄소 동위체 정제부를 구비하는 이산화탄소 동위체 생성 장치와; 1쌍의 미러를 갖는 광 공진기, 광 공진기로부터의 투과광의 강도를 검출하는 광 검출기를 구비하는 분광 장치와; 광원, 광원으로부터의 광을 분기시키는 분기 수단, 분기 수단으로부터의 광을 집광하는 집광 렌즈, 집광 렌즈로부터의 광을 반사하여 집광 렌즈와 분기 수단을 통해 광원에 광을 돌려 보내는 미러를 구비하는 광 발생 장치;를 구비하는 탄소 동위체 분석 장치. 광원의 안정성이 개선된, 탄소 동위체 분석 장치 및 그것을 사용한 탄소 동위체 분석 방법이 제공된다.

Description

탄소 동위체 분석 장치 및 탄소 동위체 분석 방법
본 발명은, 탄소 동위체 분석 장치 및 탄소 동위체 분석 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 방사성 탄소 동위체 14C 등의 측정에 유용한 방사성 탄소 동위체 분석 장치 및 방사성 탄소 동위체 분석 방법에 관한 것이다.
탄소 동위체는, 종래부터 탄소 순환에 기초하는 환경 동태 평가나 연대 측정에 의한 역사학의 실증 연구 등, 문리에 걸친 광범위한 응용 전개가 이루어지고 있다. 탄소 동위체는 지역·환경에 따라서 약간 다르기는 하지만, 안정 동위체 원소인 12C와 13C는 각각 98.89％와 1.11％, 방사성 동위체 14C는 1×10-10％ 천연에 존재하고 있다. 동위체는 중량이 상이할 뿐, 화학적으로는 동일한 거동을 나타내기 때문에, 존재비가 낮은 동위체의 농도를 인공적인 조작에 의해 높이고, 고정밀도로 측정을 행함으로써 각종 반응 과정의 관측이 가능해진다.
특히 임상의 분야에 있어서는 의약품 체내 동태 평가를 행하기 위해서, 표지 화합물로서, 예를 들어 방사성 탄소 동위체 14C를 생체에 투여하여 분석하는 것은 매우 유용하고, 예를 들어 Phase I, Phase IIa에 있어서 실제로 분석되고 있다. 인간에 있어서 약리 작용을 발현한다고 추정되는 투여량(약효 발현량)을 초과하지 않는 용량(이하 「마이크로도즈」라고도 함)의 표지 화합물로서, 극미량의 방사성 탄소 동위체 14C(이하 「14C」라고도 함)를 인체에 투여하고, 분석하는 것은, 체내 동태의 문제에서 기인하는 의약품의 약효·독성에 관한 지견이 얻어지기 때문에, 창약 프로세스에 있어서의 개발 리드타임을 대폭 단축하는 것으로서 기대되고 있다.
일본 특허 제6004412호 공보
본 발명자들은, 간이하면서 또한 신속한 14C의 분석이 가능한 탄소 동위체 분석 장치 및 그것을 사용한 탄소 동위체 분석 방법을 제안하였다(특허문헌 1 참조). 이에 의해, 14C를 사용한 마이크로도즈의 연구를 간이하면서 또한 저렴하게 실시할 수 있게 되었다.
여기서, 14C의 분석에 사용될 수 있는 중적외(MIR) 레이저의 일 형태로서, 분포 귀환형(DFB) 양자 캐스케이드 레이저(이하 「QCL」이라고도 한다.) 시스템의 요망이 높아지고 있다. 그 이유는, 그들 시스템은 시판되고 있으며, 수나노미터의 넓은 모드 홉 프리 동조 범위와 수MHz의 전형적인 선폭의 단일 모드 발광으로 간단하게 취급할 수 있기 때문이다.
그런데, QCL 시스템은, 많은 분광 용도에 있어서는 상기 성능으로 충분하지만, 레이저와 CRDS에서 사용되는 고 피네스(finesse) 광 공진기(반사율 R>99.9％)의 커플링에 있어서는, 선폭 100kHz 이하가 요구되고 있었다. 이 선폭을 감소시킨다는 과제를 해결하는 수단으로서는, 예를 들어 주파수 변별기를 사용한 고속의 전기 신호 피드백(예를 들어, PDH 로크)이 있지만, 고속의 신호 처리계가 필요하고, 또한 고가라는 문제가 있었다. 또한, 레이저 광원에 고대역폭 변조가 필요하였다.
이와 같이, 14C의 분석을 행하는 데 있어서는, 광원의 안정성에 대한 개선이 한층 더 요구되고 있었다. 그래서, 본 발명은, 광원의 안정성이 개선된 탄소 동위체 분석 장치 및 그것을 사용한 탄소 동위체 분석 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.
(1) 탄소 동위체로부터 이산화탄소 동위체를 포함하는 가스를 생성하는 연소부, 이산화탄소 동위체 정제부를 구비하는 이산화탄소 동위체 생성 장치와; 1쌍의 미러를 갖는 광 공진기, 광 공진기로부터의 투과광의 강도를 검출하는 광 검출기를 구비하는 분광 장치와; 광원, 광원으로부터의 광을 분기(分岐)시키는 분기 수단, 분기 수단으로부터의 광을 집광하는 집광 렌즈, 집광 렌즈로부터의 광을 반사하여 집광 렌즈와 분기 수단을 통해 광원에 광을 돌려 보내는 미러를 구비하는 광 발생 장치;를 구비하는 탄소 동위체 분석 장치.
(2) 광원은 중적외 양자 캐스케이드 레이저인, (1)에 기재된 탄소 동위체 분석 장치.
(3) 탄소 동위체는 방사성 탄소 동위체 14C이며, 이산화탄소 동위체는 방사성 이산화탄소 동위체 14CO2인, (1) 또는 (2)에 기재된 탄소 동위체 분석 장치.
(4) 이산화탄소 동위체의 흡수 파장을 갖는 광은 4.5㎛대의 광인, (1) 내지 (3) 중 어느 한 항에 기재된 탄소 동위체 분석 장치.
(5) 분광 장치는, 광 공진기를 냉각시키는 냉각 장치를 더 구비하는, (1) 내지 (4) 중 어느 한 항에 기재된 탄소 동위체 분석 장치.
(6) 분광 장치는, 광 공진기를 수용하는 진공 장치를 더 구비하는, (1) 내지 (5) 중 어느 한 항에 기재된 탄소 동위체 분석 장치.
(7) 분광 장치는 진동 흡수 수단을 더 구비하는, (1) 내지 (6) 중 어느 한 항에 기재된 탄소 동위체 분석 장치.
(8) 방사성 탄소 동위체 14C에 대한 검출 감도는 0.1dpm/ml 정도인, (1) 내지 (7) 중 어느 한 항에 기재된 탄소 동위체 분석 장치.
(9) 이산화탄소 동위체 생성 장치와 광 공진기를 연결하는 도입관과, 도입관의 이산화탄소 동위체 생성 장치측에 배치된 쓰리포트 밸브와, 도입관의 광 공진기측에 배치된 도입 밸브와, 광 공진기와 펌프를 연결하는 배출관과, 배출관 상에 마련된 배출 밸브를 구비하는 이산화탄소 동위체 도입 배출 제어 장치를 더 구비하는, (1) 내지 (8) 중 어느 한 항에 기재된 탄소 동위체 분석 장치.
(10) 탄소 동위체로부터 이산화탄소 동위체를 생성하는 공정과, 이산화탄소 동위체를 1쌍의 미러를 갖는 광 공진 분위기 내에 충전하는 공정과; 광원으로부터 이산화탄소 동위체의 흡수 파장을 갖는 조사광을 발생시키는 공정과; 광원으로부터의 광을 분기 수단을 사용하여 분기시키고, 분기시킨 광을 집광 렌즈에 집광하고, 집광시킨 광을 미러를 사용하여 반사시키고, 미러와 분기 수단을 통해 광원에 돌려 보내는 피드백 공정과; 이산화탄소 동위체에 조사광을 조사하여 공진시켰을 때에 얻어지는 투과광의 강도를 측정하는 공정과; 투과광의 강도로부터 탄소 동위체 농도를 계산하는 공정;을 갖는 탄소 동위체 분석 방법.
(11) 탄소 동위체는 방사성 탄소 동위체 14C이며, 이산화탄소 동위체는 방사성 이산화탄소 동위체 14CO2인, (10)에 기재된 탄소 동위체 분석 방법.
(12) 이산화탄소 생성 분위기 내의 압력을 대기압보다도 높게 하고, 광 공진 분위기 내의 압력을 대기압보다도 낮게 하는 제1 공정과; 이산화탄소 생성 분위기 내의 온도를 역치 온도 이상까지 가열하는 제2 공정과; 이산화탄소 생성 분위기 내의 온도가 역치 온도에 도달하고 나서 수초 후에, 이산화탄소 동위체를 광 공진 분위기 내에 도입하는 제3 공정과; 이산화탄소 생성 분위기 내의 압력을 대기압보다도 높게 하고, 광 공진 분위기 내의 압력을 낮추는 제4 공정과; 광 공진 분위기 내의 압력을 10 내지 40Torr로 하는 제5 공정;을 갖는, (10) 또는 (11)에 기재된 탄소 동위체 분석 방법.
(13) 광원, 광원으로부터의 광을 분기시키는 분기 수단, 분기 수단으로부터의 광을 집광하는 집광 렌즈, 집광 렌즈로부터의 광을 반사하여 집광 렌즈와 분기 수단을 통해 광원에 광을 돌려 보내는 미러를 구비하는 광 발생 장치.
(14) 이산화탄소 동위체 생성 장치와 광 공진기를 연결하는 도입관과; 도입관의 이산화탄소 동위체 생성 장치측에 배치된 쓰리포트 밸브와; 도입관의 광 공진기측에 배치된 도입 밸브와; 광 공진기와 펌프를 연결하는 배출관과; 배출관 상에 마련된 배출 밸브;를 구비하는 이산화탄소 동위체 도입 배출 제어 장치.
(15) 1쌍의 미러를 갖는 광 공진기, 광 공진기로부터의 투과광의 강도를 검출하는 광 검출기를 구비하는 분광 장치와; 광원, 광원으로부터 광을 분기시키는 분기 수단, 분기 수단으로부터의 광을 집광하는 집광 렌즈, 집광 렌즈로부터의 광을 반사하여 집광 렌즈와 분기 수단을 통해 광원에 광을 돌려 보내는 미러를 구비하는 광 발생 장치;를 구비하는 탄소 동위체 분석 장치.
도 1은 탄소 동위체 분석 장치의 개념도이다.
도 2는 14CO2와 경합 가스의 4.5㎛대 흡수 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 3a, 도 3b는 레이저광을 사용한 고속 주사형의 캐비티 링 다운 흡수 분광법의 원리를 나타내는 도면이다.
도 4는 CRDS에 있어서의 13CO2와 14CO2의 흡수량 Δβ의 온도 의존성을 나타내는 도면이다.
도 5는 분석 시료의 흡수 파장과 흡수 강도의 관계를 나타내는 도면이다.
도 6은 광 공진기의 변형예의 개념도이다.
도 7은 탄소 동위체 분석 장치의 실시 양태를 나타내는 개념도이다.
도 8의 (a)는 경사 삼각파에서 전류를 변조하는 경우에 있어서의 피드백의 출력에 미치는 효과를 나타내는 도면이며, 도 8의 (b)는 전류 증가 중의 발진 역치 근방의 피드백의 출력에 미치는 효과를 나타내는 도면이다.
도 9는 피드백의 유무에 의한 출력으로 규격화된 저 피네스 FPI 전송 신호를 나타내는 도면이다.
도 10은 캐비티 전송선 전역 주사 중의 CRD 캐비티로부터의 전송의 포토다이오드 신호를 나타내는 도면이다.
도 11은 페리오드그램을 사용하여 평균화된 포토다이오드 신호의 출력 스펙트럼 밀도를 나타내는 도면이다.
도 12의 (a), 도 12의 (b)는, 시료 가스를 가스 셀에 도입할 때의 자동 밸브 개폐 동작 방법의 차이에 의한, 링 다운 레이트 및 셀 내 압력의 시간 변화를 나타내는 도면이다.
본 발명자들은 연구 결과, 주파수 변별기를 사용한 고속의 전기 신호 피드백의 대체안으로서, 지연 자기 주입으로서 알려져 있는 광 피드백을 사용하는 방법에 착안하였다. 이 수동 피드백을 QCL에 응용함으로써, 최소한의 비용으로 레이저 선폭을 저감시킬 수 있는 것을 지견하였다. 이하 상세히 기술한다.
또한, 실시 형태를 들어 본 발명의 설명을 행하지만, 본 발명은 이하의 실시 형태에 한정되는 것은 아니다. 도면 중 동일한 기능 또는 유사한 기능을 갖는 것에 대하여는, 동일 또는 유사한 부호를 붙이고 설명을 생략한다. 단, 도면은 모식적인 것이다. 따라서, 구체적인 치수 등은 이하의 설명을 대조하여 판단해야 할 것이다. 또한, 도면 상호간에 있어서도 서로의 치수 관계나 비율이 상이한 부분이 포함되어 있는 것은 물론이다.
(탄소 동위체 분석 장치)
도 1은, 탄소 동위체 분석 장치의 개념도이다. 탄소 동위체 분석 장치(1)는 이산화탄소 동위체 생성 장치(40)와, 광 발생 장치(20)와, 분광 장치(10)와, 또한 연산 장치(30)를 구비한다. 여기에서는, 분석 대상으로서, 탄소 동위체인 방사성 동위체 14C를 예로 들어 설명한다. 또한, 방사성 동위체 14C로부터 생성되는 이산화탄소 동위체 14CO2의 흡수 파장을 갖는 광은 4.5㎛대의 광이다. 상세한 것은 후술하지만, 측정 대상 물질의 흡수선, 광 발생 장치 및 광 공진기 모드의 복합에 의한 선택성에 의해, 고감도화를 실현하는 것이 가능해진다.
본 명세서에 있어서 「탄소 동위체」란, 특별히 언급하지 않는 한 안정 탄소 동위체 12C, 13C 및 방사성 탄소 동위체 14C를 의미한다. 또한, 간단히 원소 기호 「C」라고 표시되는 경우, 천연 존재비에서의 탄소 동위체 혼합물을 의미한다.
산소의 안정 동위체는 16O, 17O 및 18O가 존재하지만, 원소 기호 「O」라고 표시되는 경우, 천연 존재비에서의 산소 동위체 혼합물을 의미한다.
「이산화탄소 동위체」란, 특별히 언급하지 않는 한 12CO2, 13CO2 및 14CO2를 의미한다. 또한, 간단히 「CO2」라고 표시되는 경우, 천연 존재비의 탄소 및 산소 동위체에 의해 구성되는 이산화탄소 분자를 의미한다.
본 명세서에 있어서 「생체 시료」란, 혈액, 혈장, 혈청, 오줌, 분변, 담즙, 타액, 기타 체액이나 분비액, 호기 가스, 구강 가스, 피부 가스, 기타 생체 가스, 나아가 폐, 심장, 간장, 신장, 뇌, 피부 등의 각종 장기 및 이들의 파쇄물 등, 생체로부터 채취할 수 있는 모든 시료를 의미한다. 또한, 당해 생체 시료의 유래는 동물, 식물, 미생물을 포함하는 모든 생물을 들 수 있고, 바람직하게는 포유 동물, 보다 바람직하게는 인간 유래이다. 포유 동물로서는, 인간, 원숭이, 마우스, 래트, 모르모트, 토끼, 양, 염소, 말, 소, 돼지, 개, 고양이 등을 들 수 있지만, 이들에 한정되지 않는다.
<이산화탄소 동위체 생성 장치>
이산화탄소 동위체 생성 장치(40)는, 탄소 동위체를 이산화탄소 동위체로 변환 가능하다면 특별히 제한되지 않고 각종 장치를 사용할 수 있다. 이산화탄소 동위체 생성 장치(40)로서는, 시료를 산화시켜, 시료 중에 포함되는 탄소를 이산화탄소로 하는 기능을 갖고 있는 것이 바람직하다.
예를 들어 전체 유기 탄소(total organic carbon 이하 「TOC」라고 함) 발생 장치, 가스 크로마토그래피용 시료 가스 발생 장치, 연소 이온 크로마토그래피용 시료 가스 발생 장치, 원소 분석 장치(Elemental Analyzer: EA) 등의 이산화탄소 생성 장치(G)(41)를 사용할 수 있다.
또한, 유기 원소 분석계를 사용하는 경우의 캐리어 가스는, 적어도 탄소, 질소 및 황 원소를 가능한 한 포함하지 않는 가스가 바람직하고, 헬륨 가스(He)를 예시할 수 있다. 캐리어 가스의 유량은 50mL/min 내지 500mL/min의 범위가 바람직하고, 100mL/min 내지 300mL/min의 범위가 보다 바람직하다.
도 2에, 273K, CO2 분압 20％, CO 분압 1.0×10-4％, N2O 분압 3.0×10-8％의 조건 하에 있어서의 14CO2와 경합 가스 13CO2, CO, 및 N2O의 4.5㎛대 흡수 스펙트럼을 나타낸다.
전처리 후의 생체 시료를 연소시킴으로써, 이산화탄소 동위체 14CO2(이하, 「14CO2」라고도 함)를 포함하는 가스를 생성할 수 있다. 그러나, 14CO2의 발생과 함께, CO, N2O와 같은 협잡 가스도 발생한다. 이들 CO, N2O는, 도 2에 도시한 바와 같이, 각각 4.5㎛대의 흡수 스펙트럼을 가지므로, 14CO2가 갖는 4.5㎛대의 흡수 스펙트럼과 경합한다. 그 때문에, 분석 감도를 향상시키기 위해서, CO, N2O를 제거하는 것이 바람직하다.
CO, N2O의 제거 방법으로서는, 이하와 같이 14CO2를 포집·분리하는 방법을 들 수 있다. 또한, 산화 촉매나 백금 촉매에 의해, CO, N2O를 제거·저감시키는 방법 및 포집·분리 방법과의 병용을 들 수 있다.
<분광 장치>
도 1에 도시한 바와 같이, 분광 장치(10)는 광 공진기(11)와, 광 공진기(11)로부터의 투과광의 강도를 검출하는 광 검출기(15)를 구비한다. 광 공진기(Optical resonator or Optical cavity)(11)는, 분석 대상의 이산화탄소 동위체가 봉입되는 통형의 본체와, 본체 내부의 길이 방향의 일단부와 타단부에 오목면이 대향하도록 배치된 고반사율의 1쌍의 미러(12a, 12b)(반사율: 99.99％ 이상)와, 본체 내부의 타단부에 배치된 미러(12a, 12b) 간격을 조정하는 피에조 소자(13)와, 분석 대상 가스가 충전되는 셀(16)을 구비한다. 또한, 여기에서는 도시를 생략하였지만, 본체의 측부에 이산화탄소 동위체를 주입하기 위한 가스 주입구나, 본체 내의 기압을 조정하는 기압 조정구를 마련해두는 것이 바람직하다.
광 공진기 내부(11)에 레이저광을 입사하여 가두면, 레이저광은 미러의 반사율에 대응한 강도의 광을 출력하면서, 수천회 내지 1만회라는 오더로 다중 반사를 반복한다. 그 때문에 실효적인 광로가 수10km에나 달하므로, 광 공진기 내부에 봉입된 분석 대상의 가스가 극미량이어도 큰 흡수량을 얻을 수 있다.
도 3a, 도 3b는 레이저광을 사용한 캐비티 링 다운 분광법(Cavity Ring-Down Spectroscopy 이하 「CRDS」라고도 함)의 원리를 나타내는 도면이다.
도 3a에 나타내는 바와 같이, 피에조 소자(13)를 작동시켜 미러 간격이 공명 조건을 만족시키게 되었을 때는, 고강도의 신호가 광 공진기로부터 투과된다. 한편, 입사광을 차단하면, 광 공진기 내에 축적된 광은 시간에 대하여 지수 함수적으로 감소한다. 광 공진기로부터의 출력광 강도를 측정함으로써, 도 3a에 도시한 바와 같은 지수 함수적인 감쇠 신호[링 다운 신호(Ringdown signal)]를 관측할 수 있다. 링 다운 신호를 관측하는 다른 방법으로서, 입력 레이저광을 광학 스위치로 빠르게 차단하는 방법을 들 수 있다.
광 공진기의 내부에 흡수 물질이 충전되지 않은 경우, 투과되어오는 시간 의존의 링 다운 신호는 도 3b의 점선으로 나타내는 것과 같은 곡선이 된다. 한편, 광 공진기 내에 흡광 물질이 충전되어 있는 경우, 도 3b의 실선으로 나타낸 바와 같이, 레이저광이 광 공진기 내에서 왕복할 때마다 흡수되기 때문에, 광의 감쇠 시간이 짧아진다. 이 광의 감쇠 시간은, 광 공진기 내의 흡광 물질 농도 및 입사 레이저광의 파장에 의존하고 있기 때문에, Beer-Lambert의 법칙 ii를 적용함으로써 흡수 물질의 절대 농도를 산출할 수 있다. 또한 광 공진기 내의 흡수 물질 농도와 비례 관계에 있는 감쇠율(링 다운 레이트)의 변화량을 측정함으로써, 광 공진기 내의 흡수 물질 농도를 측정할 수 있다.
광 공진기로부터 누출된 투과광을 광 검출기에 의해 검지하고, 연산 장치를 사용하여 14CO2 농도를 산출한 후, 14CO2 농도로부터 14C 농도를 산출할 수 있다.
광 공진기(11)의 미러(12a, 12b) 간격, 미러(12a, 12b)의 곡률 반경, 본체의 길이 방향 길이나 폭 등은, 분석 대상인 이산화탄소 동위체가 갖는 흡수 파장에 의해 변화시키는 것이 바람직하다. 상정되는 광 공진기 길이는 1mm 내지 10m를 들 수 있다.
이산화탄소 동위체 14C의 경우, 광 공진기 길이가 긴 것은 광로 길이를 확보하는 데 유효하지만, 광 공진기 길이가 길어지면, 가스 셀의 체적이 증가하고, 필요한 시료량이 증가하기 때문에, 광 공진기 길이는 10cm 내지 60cm 사이가 바람직하다. 또한 미러(12a, 12b)의 곡률 반경은 광 공진기 길이와 동일하거나, 길게 하는 것이 바람직하다.
또한 미러 간격은, 피에조 소자(13)를 구동함으로써, 일례로서 수마이크로미터 내지 수십마이크로미터의 오더로 조정하는 것이 가능하다. 최적인 공명 조건을 만들어내기 위해서, 피에조 소자(13)에 의한 미세 조정을 행할 수도 있다.
또한, 1쌍의 미러(12a, 12b)로서는, 1쌍의 오목 거울을 도시하여 설명해왔지만, 충분한 광로가 얻어지는 것이면, 그 밖에도 오목 거울과 평면 거울의 조합이나, 평면 거울끼리의 조합이어도 상관없다.
미러(12a, 12b)를 구성하는 재료로서는, 사파이어 유리를 사용할 수 있다.
분석 대상 가스를 충전하는 셀(16)은, 용적이 보다 작은 것이 바람직하다. 적은 분석 시료라도 효과적으로 광의 공진 효과를 얻을 수 있기 때문이다. 셀(16)의 용량은 8mL 내지 1000mL를 예시할 수 있다. 셀 용량은, 예를 들어 측정에 제공할 수 있는 14C원의 양에 따라서 적절히 바람직한 용량을 선택할 수 있고, 오줌과 같이 대량으로 입수할 수 있는 14C원으로는 80mL 내지 120mL의 셀이 적합하고, 혈액이나 눈물과 같이 입수량이 한정되는 14C원에서는 8mL 내지 12mL의 셀이 적합하다.
광 공진기의 안정성 조건의 평가
CRDS에 있어서의 14CO2 흡수량과 검출 한계를 평가하기 위해서, 분광 데이터에 기초하는 계산을 행하였다. 12CO2, 13CO2 등에 관한 분광 데이터는 대기 흡수선 데이터베이스(HITRAN)를 이용하고, 14CO2에 대하여는 문헌값(「S. Dobos et al., Z. Naturforsch, 44a, 633-639(1989)」)을 사용하였다.
여기서, 14CO2의 흡수에 의한 링 다운 레이트(지수 함수적 감쇠의 비율)의 변화량 Δβ(=β-β0, β: 시료 있음의 감쇠율, β0: 시료 없음의 감쇠율)는, 14CO2의 광흡수 단면적 σ14, 분자수 밀도 N, 광속 c에 의해 이하와 같이 나타낼 수 있다.
Δβ=σ14(λ, T, P)N(T, P, X14)c
(식 중, σ14, N은 레이저광 파장 λ, 온도 T, 압력 P, X14=14C/TotalC비의 함수이다.)
도 4는, 계산에서 구해진 13CO2와 14CO2의 흡수에 의한 Δβ의 온도 의존성을 나타내는 도면이다. 도 4로부터, 14C/TotalC가 10-10, 10-11, 10-12에서는, 실온 300K에서의 13CO2에 의한 흡수가 14CO2의 흡수량을 초과하거나 동일한 정도가 되기 때문에, 냉각을 행할 필요가 있음을 알 수 있다.
한편, 광 공진기 유래의 노이즈 성분인 링 다운 레이트의 변동 Δβ0 내지 101s-1을 실현할 수 있으면, 14C/TotalC비 내지 10-11의 측정을 실현할 수 있음을 알 수 있다. 이에 의해, 분석 시의 온도로서 섭씨 -40도 정도의 냉각이 필요한 것이 명확해졌다. 예를 들어, 정량 하한으로서 14C/TotalC를 10-11로 하면, CO2 가스의 농축에 의한 CO2 가스 분압의 상승(예를 들어 20％)으로, 상기 온도 조건이 필요한 것이 시사된다.
광 공진기(11)에 대하여 설명하였지만, 광 공진기의 구체적 양태의 개념도(일부 절결도)를 도 6에 나타낸다. 도 6에 나타내는 바와 같이, 광 공진기(51)는, 진공 장치로서의 원통형의 단열용 챔버(58)와, 단열용 챔버(58) 내에 배치된 측정용 가스 셀(56)과, 측정용 가스 셀(56)의 양단에 배치된 1쌍의 고반사율 미러(52)와, 측정용 가스 셀(56)의 일단부에 배치된 미러 구동 기구(55)와, 측정용 가스 셀(56)의 타단부에 배치된 링 피에조 액추에이터(53)와, 측정용 가스 셀(56)을 냉각시키는 펠티에 소자(59)와, 순환 냉각기(도시하지 않음)에 접속된 냉각 파이프(54a)를 갖는 수냉 히트 싱크(54)를 구비한다. 또한, 수냉 히트 싱크(54)에 의해, 펠티에 소자(59)로부터 나오는 열을 방열시킬 수 있다.
<냉각 장치>
도 5(Applied Physics Vol.24, pp.381-386, 1981로부터 인용)는, 분석 시료 12C16O2, 13C18O2, 13C16O2, 14C16O2의 흡수 파장과 흡수 강도의 관계를 나타낸다. 도 5에 도시한 바와 같이, 각각의 탄소 동위체를 포함하는 이산화탄소는, 고유한 흡수선을 갖고 있다. 실제 흡수에서는, 각 흡수선은 시료의 압력이나 온도에서 기인하는 넓이에 의해 유한한 폭을 갖는다. 이 때문에, 시료의 압력은 대기압 이하, 온도는 273K(0℃) 이하로 하는 것이 바람직하다.
14CO2의 흡수 강도는 온도 의존성이 있기 때문에, 광 공진기(11) 내의 설정 온도를, 가능한 한 낮게 설정하는 것이 바람직하다. 구체적인 광 공진기(11) 내의 설정 온도는 273K(0℃) 이하가 바람직하다. 하한값은 특별히 제한은 없지만, 냉각 효과와 경제적 관점에서, 173K 내지 253K(-100℃ 내지 -20℃), 특히 233K(-40℃) 정도로 냉각시키는 것이 바람직하다.
도 1에 도시되지는 않았지만, 분광 장치(10) 내에, 광 공진기(11)를 냉각시키는 냉각 장치를 마련해도 된다. 14CO2의 광흡수는 온도 의존성을 갖기 때문에, 냉각 장치에 의해 광 공진기(11) 내의 설정 온도를 낮게 함으로써, 14CO2의 흡수선과 13CO2, 12CO2의 흡수선의 구별이 용이해지고, 14CO2의 흡수 강도가 강해지기 때문이다. 광 공진기(11)를 냉각시키는 냉각 장치로서는, 펠티에 소자를 들 수 있다. 펠티에 소자 이외에도, 예를 들어 액체 질소조, 드라이아이스조 등을 사용할 수 있다. 분광 장치(11)를 소형화할 수 있는 관점에서는 펠티에 소자를 사용하는 것이 바람직하고, 장치의 제조 비용을 낮추는 관점에서는 액체 질소 수조 또는 드라이아이스조를 사용하는 것이 바람직하다.
<제습 장치>
도 1의 광 공진기(11)를 냉각시킬 때, 제습 장치에 의해, 광 공진기(11) 내를 제습하는 것이 바람직하다.
제습 조건은, CRDS 분석 셀을 -40℃ 이하(233K 이하)로 냉각한 경우에, 그 온도 조건 하에서 결로·동결되지 않는 가스 조건(수분량)이 되는 것이 바람직하다. 펠티에 소자 등의 냉각 수단에 의해 제습해도 되지만, 불소계 이온 교환 수지막과 같은 수증기 제거용 고분자막을 사용한 막분리법에 의해 제습할 수도 있다. 또한 이산화탄소 생성부(시료 도입부 유닛) 내에, 흡습제 또는 가스 드라이어를 배치해도 된다.
흡습제로서는, 예를 들어 CaH2, CaSO4, Mg(ClO4)2, 몰레큘러 시브, H2SO4, 시카사이드(Sicacide), 오산화인, 시카펜트(Sicapent)(등록 상표) 또는 실리카겔을 사용할 수 있다. 그 중에서도 오산화인, 시카펜트(등록 상표), CaH2, Mg(ClO4)2 또는 몰레큘러 시브가 바람직하고, 시카펜트(등록 상표)가 보다 바람직하다. 가스 드라이어로서는, 나피온(등록 상표) 드라이어(Nafion dryers: Perma Pure Inc.제)가 바람직하다. 흡습제와 가스 드라이어는 각각 단독으로 사용해도 되고, 병용해도 된다. 상술한 「그 온도 조건 하에서 결로·동결되지 않는 가스 조건(수분량)」은, 노점을 측정하여 확인하였다. 바꾸어 말하면, -40℃ 이하(233K 이하)의 노점이 되도록, 제습할 수 있는 것이 바람직하다. 노점의 표시는 순간 노점이어도, 단위 시간당 평균 노점이어도 된다. 노점의 측정은 시판되고 있는 노점 센서를 사용하여 측정할 수 있고, 예를 들어 젠틀 노점 센서 HTF Al2O3(등록 상표)(미쯔비시 가가꾸 아날리텍사제), 바이살라 DRYCAP(등록 상표) DM70 핸디 타입 노점계(바이살라사제)를 사용할 수 있다.
<진공 장치>
도 1에 도시되어 있지는 않지만, 광 공진기(11)를 진공 장치 내에 배치해도 된다. 광 공진기(11)가 외기에 노출되는 것을 방지하여 외부 온도의 영향을 경감시킴으로써 분석 정밀도가 향상되기 때문이다.
진공 장치로서는, 광 공진기(11)를 수납할 수 있고, 또한 광 발생 장치(20)로부터의 조사광을 광 공진기(11) 내에 조사할 수 있고, 투과광을 광 검출기에 투과할 수 있는 것이면, 특별히 제한없이 각종 진공 장치를 사용할 수 있다.
<이산화탄소 동위체 도입 배출 제어 장치>
도 1의 이산화탄소 동위체 생성 장치(40)에서 생성된 이산화탄소 동위체를 분광 장치(10)에 도입하는 방법으로서는, 플로우 스루법(Flow through)과 스톱드 플로우법(Stopped flow)이 있다. 플로우 스루법은, 복잡한 도입 기구가 불필요하므로 비교적 간이하게 시료 해석을 할 수 있지만, 고감도 측정에 부적합하다. 한편, 스톱드 플로우법은, 고감도 측정이 가능하지만, 도입 제어가 필요하고, 샘플의 손실이 발생하기 쉽다는 결점이 있다. 그래서, 본 발명자들은, 고감도 측정이 가능한 스톱드 플로우법에 있어서, 도입 제어의 과제에 대하여 검토하였다. 그 결과, 자동 밸브 개폐계 디자인의 최적화와, 가스 봉입 방법을 최적화함으로써, 상술한 과제를 해결하기에 이르렀다.
자동 밸브 개폐계 디자인의 하나로서는, 도 1에 도시되는 바와 같은, 이산화탄소 동위체 도입 배출 장치(60)를 사용할 수 있다. 도 1의 이산화탄소 동위체 도입 배출 제어 장치(60)는, 이산화탄소 동위체 생성 장치(40)와 광 공진기(11)를 연결하는 도입관(61a)과, 도입관(61a)의 상류측(이산화탄소 동위체 생성 장치(40)측)에 배치된 쓰리포트 밸브(63a)와, 도입관(61a)의 하류측(광 공진기(11)측)에 배치된 도입 밸브(63b)와, 광 공진기(11)와 펌프(65)를 연결하는 배출관(61b)과, 배출관(61b) 상에 마련된 배출 밸브(63c)를 구비한다.
이산화탄소 동위체 도입 배출 장치(60)의 쓰리포트 밸브(63a) 등의 개방 타이밍을 도모함으로써, 가스를 셀 내에 봉입할 수 있다. 구체적으로는 이하의 타이밍에서 제어할 수 있다.
먼저 제1 공정에 있어서, 쓰리포트 밸브(63a)를 폐쇄하여, 이산화탄소 생성 장치 내의 압력을 대기압보다도 높게 한다. 또한, 도입 밸브(63b)와 배출 밸브(63c)를 개방하여, 셀 내의 압력을 대기압보다도 낮게 한다. 구체적으로는 30Torr 이하, 보다 바람직하게는 10Torr 이하로 한다.
이어서, 제2 공정에 있어서 칼럼 온도를 역치 온도 이상까지 가열한다. 역치 온도는 구체적으로는 80℃ 내지 200℃, 바람직하게는 90℃ 내지 120℃, 보다 바람직하게는 90℃ 내지 110℃이다.
칼럼 온도가 일정한 온도를 초과하면 CO2 가스가 펄스상으로 방출되기 때문에, 어느 타이밍에서 CO2 가스가 방출되는지를 파악함으로써, 펄스상으로 방출된 CO2 가스가 가스 셀에 도달할 때까지의 시간을 알 수 있다. 본 발명자들은, 칼럼 온도를 감시함으로써, 칼럼 온도가 소정의 온도(역치 온도)를 초과하고 나서 수초 후에 CO2 가스가 가스 셀에 도달하는 것을 지견하였다. 구체적으로는, 역치 온도가 100℃인 경우, 20초 내지 30초, 바람직하게는 25초 내지 27초 후에 CO2 가스가 가스 셀에 도달하는 것을 지견하였다.
제3 공정에 있어서, 칼럼 온도가 역치 온도에 도달하고 나서 수초 후에, 쓰리포트 밸브(63a)를 개방하고, 또한 도입 밸브(63b)를 폐쇄하여, 가스(이산화탄소 동위체)를 가스 셀 내에 도입한다. 도입 시간은 가스 셀의 크기 등에 의해 변화되는 것이지만, 1초 미만이 바람직하다. 또한, 배출 밸브(63c)는 폐쇄해둔다.
제4 공정에 있어서, 도입 밸브(63b)를 폐쇄한 채로, 쓰리포트 밸브(63a)를 폐쇄하여, 이산화탄소 생성 장치 내의 압력을 대기압보다도 높게 하고, 가스 셀 내의 압력을 낮춘다.
제3 공정에 있어서, 가스압은, 쓰리포트 밸브(63a)를 개방하여 가스를 이산화탄소 생성 장치로부터 가스 셀에 도입하고, 그 후 도입 밸브를 폐쇄할 때까지의 1초간에 0Torr에서 60Torr까지 상승한다. 이대로는 가스 셀 압력이 너무 높아, 흡수선의 측정에 적합하지 않다. 그 때문에, 제4 공정에 있어서 가스 셀 내의 압력을 낮춘다.
제5 공정에 있어서, 가스 셀 내의 압력이 10 내지 40Torr 정도가 될 때까지 배출 밸브(63c)를 개방하고(약 1초간), 그 후 배출 밸브(63c)를 폐쇄한다. 가스 셀 내의 압력은 바람직하게는 18 내지 22Torr이다.
도입 밸브(63b)가 폐쇄된 상태에서 배출 밸브(63c)를 개방하면, 가스 셀 내의 가스가 배출되기 때문에, 가스 셀 내의 압력이 서서히 저하된다. 가스 셀 내의 압력이 20Torr 정도까지 저하된 후에, 배출 밸브(63c)를 폐쇄한다.
또한, 도 12의 (a), 도 12의 (b)에, 본 발명의 이산화탄소 동위체 도입 배출 제어 장치를 사용한 경우의, 광 공진기 내에 있어서의 링 다운 레이트와 가스 셀 압력 변화의 관계를 나타낸다.
상단(도 12의 (a))은 쓰리포트 밸브(63a)와 도입 밸브(63b)와 배출 밸브(63c)를 개방하여, CO2 가스가 방출되기 전의 이산화탄소 생성 장치로부터의 캐리어 가스를 가스 셀에 도입해두고, CO2 가스가 방출되어 가스 셀에 도달한 순간에 쓰리포트 밸브(63a)와 도입 밸브(63b)와 배출 밸브(63c)를 동시에 폐쇄한 경우의 링 다운 레이트와 가스 셀 압력 변화의 관계이다. CO2 가스의 도입 후의 셀 내의 압력은 약 60Torr로 높아, 흡수선의 측정에 적합하지 않다. 또한, CO2 가스가 가스 셀에 도달하였을 때에 셀 내에 캐리어 가스가 존재하기 때문에, CO2 가스를 가스 셀에 가두면 캐리어 가스로 희석되어, 셀 내의 CO2 가스 농도가 저하되고, CO2 가스의 흡수량에 비례하는 링 다운 신호가 작아진다.
이것과 비교하여, 하단(도 12의 (b))에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 이산화탄소 동위체 도입 배출 제어 장치를 사용하여 적절하게 밸브를 자동 개폐한 경우에는, CO2 가스의 도입 후의 셀 내의 압력은 약 20Torr이며, 흡수선의 측정에 적합하고, 캐리어 가스와의 희석도 거의 일어나지 않기 때문에, 셀 내의 CO2 가스 농도가 감소하지 않고, 링 다운 신호는 감소하지 않는다.
또한, 도 12에 나타내는 데이터를 얻을 때, 레이저의 파장을 항상 소인하고, 약 5초에 1회씩 CO2의 흡수선 스펙트럼을 취득하였다.
<광 발생 장치>
도 1의 광 발생 장치(20)로서는, 이산화탄소 동위체의 흡수 파장을 갖는 광을 발생할 수 있는 장치라면 특별히 제한되지 않고, 각종 장치를 사용할 수 있다. 여기에서는, 방사성 탄소 동위체 14C의 흡수 파장인 4.5㎛대의 광을 간이하게 발생시키고, 게다가 장치 사이즈가 콤팩트한 광 발생 장치를 예로 들어 설명한다.
광 발생 장치(20)는, 광원(23)과, 광원(23)으로부터의 광을 분기시키는 분기 수단(지연 라인)(28)과, 분기 수단(28)으로부터의 광을 집광하는 집광 렌즈(25b), 집광 렌즈(25)로부터의 광을 반사하여 집광 렌즈(25)와 분기 수단(28)을 통해 광원(23)에 광을 돌려 보내는 미러(25a)를 포함하는 캣츠아이(25)를 구비한다. 광 발생 장치(20)는 또한 광학 분리기(29)를 구비한다.
캣츠아이(25)에 의해 각도 조정에 미치는 후방 반사의 의존성이 작아짐으로써, QCL로의 용이한 재입사가 가능해진다. 광학 분리기(29)에 의해 광의 차단이 가능해진다.
광원(23)으로서는, 중적외 양자 캐스케이드 레이저(Quantum Cascade Laser: QCL)를 사용할 수 있다.
광 파이버(21)로서는, 생성된 고강도의 초단 펄스광의 특성을 열화시키지 않고 전송할 수 있는 광 파이버를 사용하는 것이 바람직하다. 재료는, 용융 석영으로 된 파이버를 사용하는 것이 바람직하다.
<연산 장치>
도 1의 연산 장치(30)로서는, 상술한 감쇠 시간이나 링 다운 레이트로부터 광 공진기 내의 흡수 물질 농도를 측정하고, 흡수 물질 농도로부터 탄소 동위체 농도를 측정할 수 있는 것이면 특별히 제한되지 않고 각종 장치를 사용할 수 있다.
연산 제어부(31)로서는, CPU 등의 통상적인 컴퓨터 시스템에서 사용되는 연산 수단 등으로 구성하면 된다. 입력 장치(32)로서는, 예를 들어 키보드, 마우스 등의 포인팅 디바이스를 들 수 있다. 표시 장치(33)로서는, 예를 들어 액정 디스플레이, 모니터 등의 화상 표시 장치 등을 들 수 있다. 출력 장치(34)로서는, 예를 들어 프린터 등을 들 수 있다. 기억 장치(35)로서는 ROM, RAM, 자기 디스크 등의 기억 장치가 사용 가능하다.
상술한 탄소 동위체 분석 장치(1)를 마이크로도즈에 사용하는 경우, 샘플 중의 방사성 탄소 동위체 14C에 대한 검출 감도는 「0.1dpm/ml」 정도가 상정된다. 이 검출 감도 「0.1dpm/ml」를 달성하기 위해서는, 광원으로서 「협대역 레이저」를 사용하는 것만으로는 불충분하여, 광원의 파장(주파수)의 안정성이 요구된다. 즉, 흡수선의 파장으로부터 어긋나지 않는 것, 선폭이 좁은 것이 요건이 된다. 이 점에서, 탄소 동위체 분석 장치(1)는, 저농도의 방사성 탄소 동위체를 포함하는 검체에 대해서도 측정이 가능하다는 유리한 작용 효과를 발휘한다.
탄소 동위체 분석 장치(1)의 샘플 중의 방사성 탄소 동위체 14C의 검출 감도는 「0.1dpm/ml」 정도, 보다 바람직하게는 「0.1dpm/ml」 이하이다.
또한, 선행 문헌(히로모토 가즈오 등, 「캐비티 링 다운 분광에 기초하는 14C 연속 모니터링의 설계 검토」, 일본 원자력학회 춘계 연회예고집, 2010년 3월 19일, P432)에는, 원자력 발전 관련의 사용 완료 연료의 농도 모니터링에 관련하여, CRDS에 의해 이산화탄소 중의 14C 농도를 측정하는 취지가 개시되어 있다. 그러나, 선행 문헌에 기재된, 고속 푸리에 변환(FFT)을 사용한 신호 처리 방법은, 데이터 처리가 빨라지기는 하지만, 베이스 라인의 흔들림이 커지기 때문에, 검출 감도 「0.1dpm/ml」를 달성하는 것은 곤란하다.
이상, 탄소 동위체 분석 장치에 대하여 실시 형태를 들어 설명해왔지만, 탄소 동위체 분석 장치는 상술한 실시 형태에 따른 장치에 한정되지 않고, 각종 변경을 가할 수 있다. 이하에 탄소 동위체 분석 장치의 변형예에 대하여 변경점을 중심으로 설명한다.
분광 장치는 진동 흡수 수단을 더 구비해도 된다. 분광 장치의 외부로부터의 진동에 의해 미러 간격이 어긋나는 것을 방지하여, 측정 정밀도를 높일 수 있기 때문이다. 진동 흡수 수단으로서는, 예를 들어 충격 흡수제(고분자 겔)나 면진 장치를 사용할 수 있다. 면진 장치로서는 외부 진동의 역위상의 진동을 분광 장치에 부여할 수 있는 장치를 사용할 수 있다.
상술한 실시 형태에 있어서는, 링 다운 신호의 취득 수단으로서, 분광 장치(10) 내에 있어서 피에조 소자(13)에 의한 미러 간격의 조정을 사용하였지만, 링 다운 신호를 얻기 위해서, 광 발생 장치(20) 내에 있어서 광 공진기(11)로의 광을 차단하는 광 차단 장치를 마련하여 광 공진기에 조사되는 조사광의 온/오프 제어를 행하는 구성으로 해도 된다. 광 차단 장치로서는, 이산화탄소 동위체의 흡수 파장의 광을 신속하게 차단할 수 있는 장치라면 특별히 제한되지 않고 각종 장치를 사용할 수 있는데, 예를 들어 광학 스위치를 사용할 수 있다. 또한, 광 공진기 내의 광의 감쇠 시간보다도 충분히 신속하게 광을 차단할 필요가 있다.
(생체 시료의 전처리)
생체 시료의 전처리는, 광의로는, 생체 유래의 탄소원 제거 공정과, 협잡 가스 제거(분리) 공정이 포함되지만, 여기에서는, 생체 유래의 탄소원 제거 공정을 중심으로 설명한다.
마이크로도즈 시험에서는 극미량의 14C 표지 화합물이 포함되는 생체 시료(예를 들어, 혈액, 혈장, 오줌, 대변, 담즙 등)에 대하여 분석이 행해진다. 그 때문에, 분석 효율을 높이기 위해서는, 생체 시료의 전처리를 행하는 것이 바람직하다. CRDS 장치의 특성 상, 생체 시료 중 14C와 전체 탄소의 비(14C/TotalC)가 측정의 검출 감도를 결정하는 요소의 하나이기 때문에, 생체 시료 중으로부터 생체 유래의 탄소원을 제거하는 것이 바람직하다.
(탄소 동위체 분석 방법)
분석 대상으로서 방사성 동위체 14C를 예로 들어 설명한다.
(가) 먼저 도 1에 도시한 바와 같은 탄소 동위체 분석 장치(1)를 준비한다. 또한 방사성 동위체 14C원으로서, 14C를 포함하는 생체 시료, 예를 들어 혈액, 혈장, 오줌, 대변, 담즙 등을 준비한다.
(나) 생체 시료의 전처리로서 단백질 제거를 행함으로써, 생체 유래 탄소원을 제거한다. 단백질 제거의 방법으로서는, 산이나 유기 용매에 의해 단백질을 불용화시키는 단백질 제거법, 분자 사이즈의 차이를 이용하는 한외 여과 또는 투석에 의한 단백질 제거법, 고상 추출에 의한 단백질 제거법 등을 예시할 수 있다. 후술하는 바와 같이, 14C 표지 화합물의 추출을 행할 수 있는 것이나, 유기 용매 자체의 제거가 용이한 점에서, 유기 용매에 의한 단백질 제거법이 바람직하다.
유기 용매를 사용한 단백질 제거법의 경우, 먼저 생체 시료에 유기 용매를 첨가하여, 단백질을 불용화한다. 이 때, 단백질에 흡착되어 있는 14C 표지 화합물이, 유기 용매 함유 용액에 추출된다. 14C 표지 화합물의 회수율을 높이기 위해서, 상기 유기 용매 함유 용액을 다른 용기에 채취 후, 잔사에 추가로 유기 용매를 첨가하고, 추출하는 조작을 행해도 된다. 상기 추출 조작은 복수회 반복해도 된다. 또한, 생체 시료가 대변인 경우, 폐 등 장기인 경우 등, 유기 용매와 균일하게 혼합하기 어려운 형태인 경우에는, 해당 생체 시료를 호모지네이팅하는 등, 생체 시료와 유기 용매가 균일하게 혼합되기 위한 처리를 하는 것이 바람직하다. 또한 필요에 따라서, 불용화한 단백질을, 원심 조작, 필터에 의한 여과 등에 의해 제거해도 된다.
그 후, 유기 용매를 증발시킴으로써 14C 표지 화합물을 포함하는 추출물을 건고시켜, 유기 용매 유래의 탄소원을 제거한다. 상기 유기 용매는 메탄올(MeOH), 에탄올(EtOH) 또는 아세토니트릴(ACN)이 바람직하고, 아세토니트릴이 더욱 바람직하다.
(다) 전처리 후의 생체 시료를 가열·연소시켜, 방사성 동위체 14C원으로부터 이산화탄소 동위체 14CO2를 포함하는 가스를 생성한다. 그리고, 얻어진 가스로부터 N2O, CO를 제거한다.
(라) 얻어진 14CO2로부터 수분을 제거한다. 예를 들어 이산화탄소 동위체 생성 장치(40) 내에서, 14CO2를 탄산칼슘 등의 건조제 상을 통과시키거나, 14CO2를 냉각시켜 수분을 결로시킴으로써 수분을 제거하는 것이 바람직하다. 14CO2에 포함되는 수분에서 기인하는 광 공진기(11)의 착빙·착상에 의한 미러 반사율 저하가 검출 감도를 저하시키기 때문에, 수분을 제거해둠으로써 분석 정밀도가 높아지기 때문이다. 또한, 분광 공정을 고려하면, 분광 장치(10)에 14CO2를 도입하기 전에 14CO2를 냉각시켜두는 것이 바람직하다. 실온의 14CO2를 도입하면, 공진기의 온도가 크게 변화되어, 분석 정밀도가 저하되기 때문이다.
(마) 14CO2를, 도 1에 도시한 바와 같은 1쌍의 미러(12a, 12b)를 갖는 광 공진기(11) 내에 충전한다. 그리고 14CO2를 273K(0℃) 이하로 냉각시키는 것이 바람직하다. 조사광의 흡수 강도가 높아지기 때문이다. 또한 광 공진기(11)를 진공 분위기로 유지하는 것이 바람직하다. 외부 온도의 영향을 경감시킴으로써, 측정 정밀도가 높아지기 때문이다.
(바) 광원(23)으로부터 레이저광을 발생시켜, 얻어진 광을 광 파이버(21)에 전송한다. 광원으로서는 QCL을 사용하는 것이 바람직하다. 광원(23)으로부터의 광을 분기 수단(28)을 사용하여 분기시키고, 분기시킨 광을 집광 렌즈(25b)에 집광하고, 집광시킨 광을 미러(25a)를 사용하여 반사시키고, 미러(25a)와 분기 수단(28)을 통해 광원(23)에 돌려 보낸다(피드백 공정).
이상과 같이 하여, 이산화탄소 동위체 14CO2의 흡수 파장의 4.5㎛대의 광을 조사광으로서 발생시킨다.
(사) 이산화탄소 동위체 14CO2에 조사광을 조사하여 공진시킨다. 그 때, 측정 정밀도를 높이기 위해서는, 광 공진기(11)의 외부로부터의 진동을 흡수하고, 미러(12a, 12b) 간격에 어긋남이 발생하지 않게 하는 것이 바람직하다. 또한 조사광이 공기에 접촉하지 않도록, 광 파이버(21)의 하류측의 타단부를 미러(12a)에 맞닿게 하면서 조사하는 것이 바람직하다. 그리고 광 공진기(11)로부터의 투과광의 강도를 측정한다. 또한, 링 다운 신호를 얻기 위해서는, 공명에서 비공명이 되도록, 공진기 길이를 고속으로 변화시키거나, 광 공진기(11)에 입사하는 광을 차단하는 방법이 있다. 여기에서는, 광학 분리기(스위치)(29)에 의해, 광 공진기(11)에 입사하는 광을 차단하고 있다.
(아) 투과광의 강도로부터 탄소 동위체 14C 농도를 계산한다.
(기타 실시 형태)
상기한 바와 같이, 본 발명은 실시 형태에 의해 기재하였지만, 이 개시의 일부를 이루는 논술 및 도면은 본 발명을 한정하는 것으로 이해해서는 안된다. 이 개시로부터 당업자에게는 다양한 대체 실시의 형태, 실시예 및 운용 기술이 명확해질 것이다.
실시 형태에 따른 탄소 동위체 분석 장치에 있어서는, 분석 대상인 탄소 동위체로서 방사성 동위체 14C를 중심으로 설명하였다. 방사성 동위체 14C 이외에도, 안정 동위체 원소인 12C, 13C를 분석할 수 있다. 그 경우의 조사광으로서는, 예를 들어 12C 및 13C 분석을 12CO2 및 13CO2의 흡수선 분석으로서 행하는 경우에는, 2㎛대나 1.6㎛대의 광을 사용하는 것이 바람직하다.
12CO2 및 13CO2의 흡수선 분석을 행하는 경우, 미러 간격은 10 내지 60cm, 미러의 곡률 반경은 미러 간격과 동일하거나 그 이상으로 하는 것이 바람직하다.
또한, 12C, 13C, 14C는 각각 화학적으로는 동일한 거동을 나타내지만, 안정 동위체 원소 12C, 13C보다도 방사성 동위체 14C의 천연 존재비가 낮은 점에서, 방사성 동위체 14C는 그의 농도를 인공적인 조작에 의해 높게 하고, 고정밀도로 측정을 행함으로써 각종 반응 과정의 관측이 가능해진다.
그 밖에도, 예를 들어 실시 형태에 있어서 설명한 구성을 일부에 포함하는 의료 진단 장치, 환경 측정 장치도 동일하게 제조할 수 있다. 또한 실시 형태에 있어서 설명한 광 발생 장치를 측정 장치로서 사용할 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 여기에서는 기재하지 않은 각종 실시 형태 등을 포함하는 것은 물론이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 상기 설명으로부터 타당한 특허 청구 범위에 관한 발명 특정 사항에 의해서만 정해지는 것이다.
실시예
이하에 실시예를 들어 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 또한, 실시예에 있어서 사용된 장치는 특별히 한정되지 않고, 동일한 기능을 갖는 것이면, 다른 장치를 사용할 수 있다.
도 7은 QCL 시스템의 모식도이다. 이 시스템은 광 피드백의 연구에 더하여 CRDS 측정용으로 설계되어 있다. FPI(광 공진기), 음향 광학 변조기(AOM) 및 광 파이버 결합을 포함하는 전체 레이저 시스템은 60×60cm 광학 실험용 광학대에 내장되고, 광 파이버 결합은 60×60cm 다른 광학 실험용 광학대에 내장되어 있어, 재조정없이 운반을 간단하게 할 수 있다.
2. 실험 수순
도 7에 광학 레이아웃의 모식도를 나타낸다. DFB·QCL(하마마츠 포토닉스사제, L12004-2209H-C)을 저노이즈 전류 구동 장치(Teamwavelength, QCL·LAB1000)에 의해 조작하고, 인가 전류를 조작함으로써 레이저 파장을 변조하였다. 귀환을 위해서 50/50 빔 분할기(실제 반사율 측정값 R=40％)를 사용하여 레이저광의 일부를 취출하였다. 25cm 내지 4m의 가변 지연 패스 후, 이 광을 금경(金鏡)(소위 「캣츠아이」 반사경으로서 기능함)에 집광시킨다. 이 캣츠아이에 의해 각도 조정에 미치는 후방 반사의 의존성이 작아짐으로써, QCL로의 용이한 재입사가 가능해진다.
레이저 출력과 주파수 변화에 대한 피드백의 효과를 검증하기 위해서, 2개의 50:50 빔 스플리터로 구성된 파브리페로 공진기(FSR=1.86GHz, 피네스 4.5)를 도입하였다.
저비용이며 광대역이고(>1MHz), 실온에서 동작 가능한 2개의 InAsSb 포토다이오드(하마마츠 포토닉스, P13243-011MA)를 사용하였다. 한 쪽은 출력 파워의 참조용으로서, 다른 쪽은 저 피네스 FPI로부터의 투과광을 검출용으로서 사용하였다. 이들 결과로부터, QCL 전류 스캔 중의, 출력광 강도로 규격화된 FPI 투과광 신호가 얻어졌다.
싱글 모드 파이버에 커플링된 후, 레이저광은 CRD 공진기(반사율>99.98, 길이=30cm, 실험적으로 평가된 피네스는 약 10,000)에 도입되었다. CRD 공진기의 공진기 길이는 피에조 소자에 의해 스캔하였다. 광은, 공진기의 공명 조건이 공진기 길이 L=nλ/2(n=1, 2..., λ: 파장)에 가까운 경우에만, 공진기를 투과하였다.
전형적인 링 다운 신호의 측정에 있어서는, 레이저는 음향 광학 변조기(AOM, 고속 광 스위치로서 동작)를 사용하여 신속하게 차단된다. 여기서, 이후에 나타내는 레이저 선폭의 평가 시에는 AOM은 항상 on으로 되어 있었다. 투과광은 액체 질소 냉각형 InSb 검출기로 측정되고, 고속 전류 증폭기에서 증폭되었다.
3. 피드백의 효과
경사 삼각파 전압을 전류 구동 장치의 변조 입력에 인가함으로써 QCL 전류를 변조하였다. 광 피드백이 없는 경우를 위해서, 캣츠아이 반사 장치의 집속 렌즈의 바로 뒤에 빔 블록을 설치하였다.
도 8은 출력의 인가 전류 의존성을 나타낸다. 피드백의 영향이 일목 요연하다. 전류의 감소 중에 피드백이 강한 히스테리시스 효과에 더하여, QCL의 모드 호핑에 의한 출력의 흔들림은 도 8의 (a)에 있어서의 피드백에 의한 외부 캐비티의 FSR마다 일어나고 있다. 또한, 도 8의 (b)에 나타내는 바와 같이, 전류의 발진 역치는 수퍼센트 감소한다. 이 감소를 감시함으로써 피드백의 레벨을 최적화가 용이해진다는 것은, 피드백이 보다 강하면 발진 역치는 보다 작아지기 때문이다.
도 9는 인가 전류와 FPI 전송 신호의 출력에 미치는 의존성을 나타낸다. QCL의 모드 호핑은 FPI 파형에 의해 명확하게 관측되고 있다. FPI의 결과에, 약간의 통례의 진동수 시프트가 보이지만, 재주입된 출력으로부터의 열의 영향에 의한 것이라고 생각된다.
레이저 선폭에 대한 피드백의 효과는, CRD 공진기의 투과광을 모니터링함으로써 평가하였다. 이 때문에, QCL의 전류는 850mA에 고정되고, 투과광 피크의 범위에서 공진기 길이를 천천히 스캔하였다.
도 10에, CRD 공진기의 투과광 피크를 나타낸다. 공명 근방의 급준한 주파수 의존성 때문에, 신호의 강도 변조로부터, 레이저 광원의 발진 주파수 넓이의 정보가 얻어진다. 피드백이 없는 경우, 신호에는 많은 스파이크가 넓은 범위에 걸쳐 존재한다. 이것은, QCL의 주파수가 고속으로 변동되고 있는 것을 나타내고 있고, 아마 사용한 QCL 전류 드라이버의 노이즈에서 기인하고 있다. 한편, 피드백이 있는 경우의 QCL의 투과광 신호는, 명료한 싱글 피크를 나타내고 있고, 약간의 변동밖에 없다고 할 수 있다. 피드백이 있는 경우의 선폭은, 약 CRD 공진기의 투과 특성 피크의 폭과 동일한 정도, 약 50kHz라고 어림잡아진다. 이로부터, 피드백은, 선폭을 극적으로 감소시킨다고 할 수 있다. 노이즈의 파워 밀도는, 100회의 투과 이벤트의 평균으로서 나타나 있다(도 11). 고주파수 영역에 있어서의 강도 변동은 공진기의 로우패스 특성에 의해 일반적으로는 감소되지만, 100kHz 이상의 주파수 영역에서, 광 피드백에 의해 30dB 정도 노이즈 레벨이 감소하였다. 보다 긴 피드백 패스는 더 한층의 레이저의 안정화를 가져온 것 같이 보이지만, 저주파수 영역(음향 주파수 영역<5kHz)에서의 노이즈는 증가하였다. 이 저주파수 영역의 증가는, 피드백 패스의 음향 진동이나 공기의 흐름, 온도의 불안정성에서 기인하는 것으로 생각된다.
1 탄소 동위체 분석 장치
10 분광 장치
11 광 공진기
12 미러
13 피에조 소자
15 광 검출기
16 셀
20 광 발생 장치
21 광 파이버
23 광원
25 캣츠아이
25a 미러
25b 집광 렌즈
29 광학 분리기
30 연산 장치
40 이산화탄소 동위체 생성 장치
60 이산화탄소 동위체 도입 배출 제어 장치
61a 도입관
61b 배출관 61b
63a 쓰리포트 밸브
63b 도입 밸브
63c 배출 밸브
65 펌프

Claims (15)

  1. 탄소 동위체로부터 이산화탄소 동위체를 포함하는 가스를 생성하는 연소부, 이산화탄소 동위체 정제부를 구비하는 이산화탄소 동위체 생성 장치와,
    1쌍의 미러를 갖는 광 공진기, 상기 광 공진기로부터의 투과광의 강도를 검출하는 광 검출기를 구비하는 분광 장치와,
    광원, 상기 광원으로부터의 광을 분기(分岐)시키는 분기 수단, 상기 분기 수단으로부터의 광을 집광하는 집광 렌즈, 상기 집광 렌즈로부터의 광을 반사하여 상기 집광 렌즈와 상기 분기 수단을 통해 상기 광원에 광을 돌려 보내는 미러를 구비하는 광 발생 장치를 구비하는, 탄소 동위체 분석 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광원은 중적외 양자 캐스케이드 레이저인, 탄소 동위체 분석 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 탄소 동위체는 방사성 탄소 동위체 14C이며, 상기 이산화탄소 동위체는 방사성 이산화탄소 동위체 14CO2인, 탄소 동위체 분석 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이산화탄소 동위체의 흡수 파장을 갖는 광은 4.5㎛대의 광인, 탄소 동위체 분석 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분광 장치는, 상기 광 공진기를 냉각시키는 냉각 장치를 더 구비하는, 탄소 동위체 분석 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분광 장치는, 상기 광 공진기를 수용하는 진공 장치를 더 구비하는, 탄소 동위체 분석 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분광 장치는 진동 흡수 수단을 더 구비하는, 탄소 동위체 분석 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방사성 탄소 동위체 14C에 대한 검출 감도는 0.1dpm/ml 정도인, 탄소 동위체 분석 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 이산화탄소 동위체 생성 장치와 광 공진기를 연결하는 도입관과,
    상기 도입관의 이산화탄소 동위체 생성 장치측에 배치된 쓰리포트 밸브와,
    상기 도입관의 광 공진기측에 배치된 도입 밸브와,
    상기 광 공진기와 펌프를 연결하는 배출관과,
    상기 배출관 상에 마련된 배출 밸브를 구비하는 이산화탄소 동위체 도입 배출 제어 장치를 더 구비하는, 탄소 동위체 분석 장치.
  10. 탄소 동위체로부터 이산화탄소 동위체를 생성하는 공정과,
    상기 이산화탄소 동위체를 1쌍의 미러를 갖는 광 공진 분위기 내에 충전하는 공정과,
    광원으로부터 상기 이산화탄소 동위체의 흡수 파장을 갖는 조사광을 발생시키는 공정과,
    상기 광원으로부터의 광을 분기 수단을 사용하여 분기시키고, 분기시킨 광을 집광 렌즈에 집광하고, 집광시킨 광을 미러를 사용하여 반사시키고, 상기 미러와 상기 분기 수단을 통해 상기 광원에 돌려 보내는 피드백 공정과,
    상기 이산화탄소 동위체에 상기 조사광을 조사하여 공진시켰을 때에 얻어지는 투과광의 강도를 측정하는 공정과,
    상기 투과광의 강도로부터 탄소 동위체 농도를 계산하는 공정을 갖는, 탄소 동위체 분석 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 탄소 동위체는 방사성 탄소 동위체 14C이며, 상기 이산화탄소 동위체는 방사성 이산화탄소 동위체 14CO2인, 탄소 동위체 분석 방법.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 이산화탄소 생성 분위기 내의 압력을 대기압보다도 높게 하고, 광 공진 분위기 내의 압력을 대기압보다도 낮게 하는 제1 공정과,
    이산화탄소 생성 분위기 내의 온도를 역치 온도 이상까지 가열하는 제2 공정과,
    이산화탄소 생성 분위기 내의 온도가 역치 온도에 도달하고 나서 수초 후에, 이산화탄소 동위체를 광 공진 분위기 내에 도입하는 제3 공정과,
    이산화탄소 생성 분위기 내의 압력을 대기압보다도 높게 하고, 광 공진 분위기 내의 압력을 낮추는 제4 공정과,
    광 공진 분위기 내의 압력을 10 내지 40Torr로 하는 제5 공정을 갖는, 탄소 동위체 분석 방법.
  13. 광원, 상기 광원으로부터의 광을 분기시키는 분기 수단, 상기 분기 수단으로부터의 광을 집광하는 집광 렌즈, 상기 집광 렌즈로부터의 광을 반사하여 상기 집광 렌즈와 상기 분기 수단을 통해 상기 광원에 광을 돌려 보내는 미러를 구비하는, 광 발생 장치.
  14. 이산화탄소 동위체 생성 장치와 광 공진기를 연결하는 도입관과,
    상기 도입관의 이산화탄소 동위체 생성 장치측에 배치된 쓰리포트 밸브와,
    상기 도입관의 광 공진기측에 배치된 도입 밸브와,
    상기 광 공진기와 펌프를 연결하는 배출관과,
    상기 배출관 상에 마련된 배출 밸브를 구비하는, 이산화탄소 동위체 도입 배출 제어 장치.
  15. 1쌍의 미러를 갖는 광 공진기, 상기 광 공진기로부터의 투과광의 강도를 검출하는 광 검출기를 구비하는 분광 장치와,
    광원, 상기 광원으로부터의 광을 분기시키는 분기 수단, 상기 분기 수단으로부터의 광을 집광하는 집광 렌즈, 상기 집광 렌즈로부터의 광을 반사하여 상기 집광 렌즈와 상기 분기 수단을 통해 상기 광원에 광을 돌려 보내는 미러를 구비하는 광 발생 장치를 구비하는, 탄소 동위체 분석 장치.
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