(57)【要約】  呼気測定装置は、光源と、ガスセルと、検出部と、を有する。光源は、赤外光を放出する。ガスセルは、１３ＣＯ２および１２ＣＯ２を含む呼気が導入され、前記赤外光が入射する入射面および前記赤外が透過する出射面を有する。ガスセルのセル長は２．５ｃｍ以上２０ｃｍ以下とされる。検出部は、前記１３ＣＯ２の吸収線のうち前記波長帯域内の第１波長における前記出射面からの透過光の第１透過率と、前記１２ＣＯ２の吸収線のうち前記波長帯域内の第２波長における前記出射面からの透過光の第２透過率と、測定し、前記１３ＣＯ２および前記１２ＣＯ２の濃度をそれぞれ算出可能である。
2016117173.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外光を放出する光源と、
１３ＣＯ２および１２ＣＯ２を含む呼気が導入され、前記赤外光が入射する入射面および前記赤外が透過する出射面を有し、２．５ｃｍ以上２０ｃｍ以下のセル長を有するガスセルと、
前記１３ＣＯ２の吸収線のうち前記波長帯域内の第１波長における前記出射面からの透過光の第１透過率と、前記１２ＣＯ２の吸収線のうち前記波長帯域内の第２波長における前記出射面からの透過光の第２透過率と、測定し、前記１３ＣＯ２および前記１２ＣＯ２の濃度をそれぞれ算出可能な検出部と、
を備えた呼気測定装置。
【請求項２】
前記入射面に近接して設けられ、前記赤外光を平行光とする入射部と、
前記出射面に近接して設けられ、前記平行光を集光する出射部と、
をさらに備えた請求項１記載の呼気測定装置。
【請求項３】
前記赤外光の光軸は、前記入射面および前記出射面にそれぞれ直交する請求項２記載の呼気測定装置。
【請求項４】
前記赤外光は、４．３４μｍ以上かつ４．３９μｍ以下の波長帯域において、波長チューニング可能である、請求項１記載の呼気測定装置。
【請求項５】
前記赤外光は、量子カスケードレーザから放出される請求項４記載の呼気測定装置。
【請求項６】
前記検出部は、前記第１波長において前記ガスセル内に導入された基準ガスを透過した光の強度が入射光強度に等しいとして前記第１透過率を算出し、前記第２波長において前記基準ガスを透過した光の強度が入射光強度に等しいとして前記第２透過率を算出して前記濃度を算出する請求項１記載の呼気測定装置。
【請求項７】
前記入射面に近接して設けられ、前記赤外光を平行光とする入射部と、
前記出射面に近接して設けられ、前記平行光を集光する出射部と、
をさらに備えた請求項６記載の呼気測定装置。
【請求項８】
前記ガスセルの容量は、５００ミリリットル以下である請求項１記載の呼気測定装置。
【請求項９】
前記ガスセルの内部は減圧可能とされる請求項１記載の呼気測定装置。
【請求項１０】
前記ガスセルを内部に収納する恒温層をさらに備えた請求項１記載の呼気測定装置。
【請求項１１】
セル長が２．５ｃｍ以上２０ｃｍ以下のガスセルに前記１３ＣＯ２および前記１２ＣＯ２を含む呼気を導入し、
赤外入射光を前記呼気に向けて照射し、
前記第１波長において前記ガスセルを透過した第１透過率および前記第２波長において前記ガスセルを透過した第２透過率を測定し、
前記１３ＣＯ２と前記１２ＣＯ２の濃度を算出する呼気測定方法。
【請求項１２】
前記呼気は、減圧した前記ガスセルに導入される請求項１１記載の呼気測定装置。
【請求項１３】
前記赤外入射光は、透過率が０．０７以上０．７５以下となるように、前記第１波長の前記１３ＣＯ２の吸収線および前記第２波長の前記１２ＣＯ２の吸収線の波長を４．３４μｍ以上かつ４．３９μｍ以下の波長範囲内において選択される請求項１１記載の呼気測定方法。
【請求項１４】
赤外光の入射面と、
前記赤外光の出射面と、
第１バルブを有する呼気および基準ガスの導入口と、
第２バルブを有する前記呼気および前記基準ガスの排出口と、
を備え、
セル長が２．５ｃｍ以上２０ｃｍ以下であり、前記第１バルブおよび前記第２バルブをともに閉状態にしたときの容量が５００ミリリットル以下である、ガスセル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、呼気測定装置および呼気測定方法、並びにガスセルに関する。
【背景技術】
【０００２】
赤外光を用いると、呼気や環境ガスに含まれる各種ガス濃度を測定できる。【０００３】
呼気測定の場合、たとえば、ＣＯ２、ＣＯ、ＮＨ３、ＮＯ２、Ｃ２Ｈ２、ＣＨ４などのガス濃度を測定することにより、異常の有無を知ることができる。【０００４】
しかし、これらのガスの吸収スペクトルは、ガス濃度が高いと吸収が飽和してしまい、補正が必要になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２０１３−５１５９５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
測定誤差が低減された呼気測定装置および呼気測定方法、並びにガスセルを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態の呼気測定装置は、光源と、ガスセルと、検出部と、を有する。光源は、赤外光を放出する。ガスセルは、１３ＣＯ２および１２ＣＯ２を含む呼気が導入され、前記赤外光が入射する入射面および前記赤外が透過する出射面を有する。前記ガスセルのセル長は２．５ｃｍ以上２０ｃｍ以下とされる。検出部は、前記１３ＣＯ２の吸収線のうち前記波長帯域内の第１波長における前記出射面からの透過光の第１透過率と、前記１２ＣＯ２の吸収線のうち前記波長帯域内の第２波長における前記出射面からの透過光の第２透過率と、測定し、前記１３ＣＯ２および１２ＣＯ２の濃度をそれぞれ算出可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１（ａ）は本実施形態にかかる呼気測定装置の模式正面図、図１（ｂ）はガスセルの模式平面図、である。
【図２】図２（ａ）は波数２２００〜２４００ｃｍ−１における吸収率、図２（ｂ）は２２９５〜２２９７ｃｍ−１における吸収率、を表すグラフ図である。
【図３】図３（ａ）は波数２２７５〜２３２５ｃｍ−１における１３ＣＯ２および１２ＣＯ２の吸収係数、図３（ｂ）は波数２２９５．７〜２２９６．３ｃｍ−１の吸収係数、を表すグラフ図である。
【図４】透過度に対するガス濃度の相対誤差の依存性を表すグラフ図である。
【図５】実施形態にかかる呼気測定方法のフロー図である。
【図６】図６（ａ）はＱＣＬの模式斜視図、図６（ｂ）はＡ１−Ａ２線に沿った模式断面図、図６（ｃ）はＱＣＬの動作を例示する模式図、である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。
図１（ａ）は本実施形態にかかる呼気測定装置の模式正面図、図１（ｂ）はガスセルの模式平面図、である。
【００１０】
呼気測定装置は、光源１０と、ガスセル２０と、検出部４０と、を有する。光源１０は、４．３４μｍ以上かつ４．３９μｍ以下の波長帯域において、波長チューニング可能な赤外光を放出する。ガスセル２０には、呼気ＢＲ、または基準ガスが導入される。呼気ＢＲは、１３ＣＯ２および１２ＣＯ２を含み、波長帯域内にそれぞれ少なくとも１つの吸収線を有する。
【００１１】
ガスセル２０は、赤外光に対する入射面２０ａおよび出射面２０ｂを有する。赤外光の入射光Ｉ０の光軸１０ａは入射面２０ａおよび出射面２０ｂにそれぞれ直交する。セル長Ｌは、光軸１０ａに沿った入射面２０ａと出射面２０ｂとの間の距離とされ、たとえば、２．５ｃｍ以上２０ｃｍ以下とされる。
【００１２】
検出部４０は、１３ＣＯ２の吸収線のうち波長帯域内の第１波長における出射面２０ｂからの透過光の第１透過率と、１２ＣＯ２の吸収線のうち波長帯域内の第２波長における出射面２０ｂからの透過光の第２透過率と、を測定し、１３ＣＯ２および１２ＣＯ２の濃度をそれぞれ算出可能である。
【００１３】
光源１０は、ＱＣＬ（Quantum  Cascade Laser：量子カスケードレーザ）、半導体レーザなどとすることができる。呼気測定装置が対象とするガスの１つにＣＯ２がある。試薬を摂取した前後のＣＯ２同位体比の変化によって、胃の診断が可能である。ＱＣＬや半導体レーザからの赤外光はレーザであり、平行光とすることが容易であり、ＣＯ２ガスに高い効率で吸収されるので好ましい。
【００１４】
ヒトの呼気に含まれるＣＯ２濃度は約０．５〜８％である。また、ＣＯ２は、赤外波長領域に多数の離散した吸収線を有する。本実施形態では、広い赤外波長領域のうち、４．３４μｍ（波数２３００ｃｍ−１に相当）以上、４．３９μｍ（波数２２８０ｃｍ−１に相当）以下の波長の赤外光を用いて、呼気（ここでは吐気）中の約８％以下のガス濃度を測定するものとする。
【００１５】
吸収線に赤外光の波長を合わせるには、波長がチューナブルな発光素子１０ｂを用いる。たとえば、発光素子１０ｂがＱＣＬの場合、発光波長は電流や温度によりわずかに変化する。このため、ＱＣＬの駆動電流を時間に対して変化させると波長を吸収線にチューニングできる。または、ＱＣＬの温度をペルチェ素子などで変化させても吸収線にチューニングできる。
【００１６】
次に、ガスセル２０について詳細に説明する。ヒトの呼気排出量は約５００ミリリットル／回である。ガスセル２０の容量が５００ミリリットルよりも大きいと、肺で置換されていない呼気（死腔気）の影響を受け、検知性が低下する。すなわち、ガスセル２０の容量は５００以下とすることが好ましい。また、ガスセル２０の形状は、たとえば、直径が１６ｍｍ、セル長Ｌが２０ｍｍの円柱（容積が約４ミリリットル）などとすることができる。
【００１７】
ガスセル２０は、バルブ２３を有する呼気ＢＲや基準ガス（大気など）の導入口２２と、バルブ２５を有する排出口２４と、を有することができる。排出口２４に、真空ポンプ（図示せず）を接続して減圧すると、吸収線の線幅が細くなり、隣り合った吸収線との重なりが少なくなる。このため、ＣＯ２同位体の吸収線が分離できる。ガスセル２０の入射面２０ａおよび出射面２０ｂは、赤外光に対して高い透過率を有する窓部などとすることができる。
【００１８】
呼気測定装置は、ガスセル２０を内部に収納する恒温層９０をさらに有することができる。恒温層９０は、たとえば、ガスセル２０の側面にヒーターなどを設け、さらのその周囲を断熱材で囲むなどによりガスセル２０の内部を一定の温度に保つ。ガスの吸収係数αは、ガス温度により変化するので、ガスセル２０を一定の温度に保つことにより、ガス濃度の測定精度を高めることができる。さらに、本図に表すように、導入口２２から、被測定部２８までを小口径のパイプ２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄ、２６ｅを迂回させて配管することにより、被測定部２８に入射するときのガス温度を、ガスセル２０内の温度の近傍にできる。
【００１９】
呼気測定装置のガスセル２０には、大気などの基準ガスを導入する場合、第１波長においてガスセル２０内に導入された基準ガスを透過した光の強度が入射光強度に等しいものとして第１透過率を算出できる。また、第２波長において基準ガスを透過した光の強度が入射光強度に等しいものとして第２透過率を算出できる。対象ガスの測定ステップと、基準ガスの測定ステップと、を、交互に複数回行う。さらに、測定信号値を平均化して、濃度測定精度を高めることができる。
【００２０】
検出部４０は、受光部４０ａやデータ処理部４０ｂを含むことができる。受光部４０ａは、フォトダイオードや冷却型検出器（ＭＣＴ：ＨｇＣｄＴｅからなる）などとすることができる。
【００２１】
呼気測定装置は、入射面２０ａに近接して設けられ発光素子１０ｂから発散する赤外光を平行光とする入射部５０と、出射面２０ｂに近接して設けられ平行光を検出部に向かって集光する出射部６０と、をさらに有することができる。レンズ５０ａのガスセル２０の側を平面状にし、レンズ６０ａのガスセル２０の側を平面上にすることにより、対象ガスを通過する平行光の光路長を一定にし、測定精度をさらに高めることができる。このようにして、大気を通過する光路長を、たとえば、７ｍｍ以下にでき、大気中の干渉ガスの影響などを低減できる。
【００２２】
図２（ａ）は波数２２００〜２４００ｃｍ−１における吸収率、図２（ｂ）は２２９５〜２２９７ｃｍ−１における吸収率、を表すグラフ図である。
縦軸は吸収率、横軸は波数（ｃｍ−１）、である。また、測定条件は、ＣＯ２濃度：４％、圧力：１気圧、温度：２９６Ｋ、である。
【００２３】
まず、ランベルト・ベールの法則を式（１）に表す。この法則は、希薄ガスに対して精度が高いが、ガス濃度が高くなると吸収が飽和するため、補正が必要になる。なお、吸収係数αは、吸収線の強度・圧力・温度によって決定する。
【００２４】
【数１】
2016117173.tif 000003
【００２５】
なお、図２（ａ）、（ｂ）において、吸収率は次式で表される。
【００２６】
吸収率＝１−Ｉ／Ｉ０＝１−Ｔ
【００２７】
図２（ａ）に表すように、吸収率は広い範囲に広がり、１３ＣＯ２と１２ＣＯ２とは、重なりかつスペクトル形状は異なる。たとえば、光源として赤外ランプ（フィルタと組み合わせてもよい）を用いると、広がったスペクトルを構成する多数の吸収線を測定してデータ処理をする必要がある。また、波数２３００〜２３６０ｃｍ−１では吸収率が１に近ずき、吸収飽和に近くなる。このため、ランベルト・ベールの法則からのずれが大きくなり、検量線テーブルなどを用いて補正する必要が生じる。この結果、データ処理が複雑化し、測定誤差が大きくなる。
【００２８】
図３（ａ）は波数２２７５〜２３２５ｃｍ−１における１３ＣＯ２および１２ＣＯ２の吸収係数、図３（ｂ）は波数２２９５．７〜２２９６．３ｃｍ−１の吸収係数、を表すグラフ図である。
なお、ＣＯ２濃度は８％、圧力は０．５気圧、温度は３１３Ｋ、とする。
【００２９】
ヒトの呼気に含まれるＣＯ２濃度は、０．５〜８％などである。これに対して、本実施形態では、波長範囲を２２８０〜２３００ｃｍ−１と狭くし、吸収率を１よりも低く保ち、天燃同位体比において、１３ＣＯ２と１２ＣＯ２との吸収率が同じ程度になるようにする。このため、測定誤差を小さくできる。また、図３（ｂ）は、同位体の吸収線がそれぞれ１つ含まれた波数範囲を表している。吸収係数αは０．５５ｃｍ−１以下である。
【００３０】
次に、同位体を用いてピロリ菌を検出する方法を説明する。たとえば、ヒトが、１３Ｃ―尿素を含む試薬を標識化合物として飲む。胃内にピロリ菌があると試薬とピロリ菌とが反応して１３ＣＯ２を吐気として排出する。他方ピロリ菌がないと１３ＣＯ２が排出されない。このため、１３ＣＯ２と１２ＣＯ２との同位体比を測定することにより、ピロリ菌感染の程度を知ることができ、精度よく胃の診断ができる。なお、検査対象は、ピロリ菌に限定されない。同位体を含むＣＯ２濃度を測定することにより、胃の排出能を広い範囲で診断できる。
【００３１】
図４は、透過度に対するガス濃度の相対誤差の依存性を表すグラフ図である。
まず、吸収係数αは、式（２）で表すことができる。
【００３２】
【数２】
2016117173.tif 000004
【００３３】
式（１）と式（２）とを用いると、モル濃度ｃは、式（３）で表される。
【００３４】
【数３】
2016117173.tif 000005
【００３５】
透過率Ｔに対するモル濃度ｃの変化率は、式（４）で表すことができる。
【００３６】
【数４】
2016117173.tif 000006
【００３７】
ｄｃ／ｃは、式（５）で表される。相対誤差はｄｃ／ｃの絶対値（ＡＢＳ）と定義でき、関数（Ｔ×ｌｎＴ）−１により決まる。
【００３８】
【数５】
2016117173.tif 000007
【００３９】
図４で表すように、相対誤差には最小値が存在する。最小となるのはｄ（Ｔ×ｌｎＴ）−１／ｄＴ＝０のときであり、その条件は式（６）で表される。
【００４０】
【数６】
2016117173.tif 000008
【００４１】
式（６）より、相対誤差が最小となる透過率Ｔは式（７）で表される。
【００４２】
【数７】
2016117173.tif 000009
【００４３】
すなわち、Ｔｏｐ＝１／ｅのとき、吸光度Ａ＝−ｌｎＴ＝１となる。
【００４４】
図５は、実施形態にかかる呼気測定方法のフロー図である。
呼気測定方法は、セル長Ｌが２．５ｃｍ以上２０ｃｍ以下のガスセル２０に１３ＣＯ２および１２ＣＯ２を含む呼気を導入し（Ｓ１００）、透過率Ｔが０．０７以上０．７５以下となるように、第１波長の１３ＣＯ２の吸収線および第２波長の１２ＣＯ２の吸収線の波長を４．３４μｍ以上４．３９μｍ以下の波長範囲内において選択した赤外入射光ＧＩを呼気ＢＲに向けて照射し（Ｓ１０２）、第１波長においてガスセル２０を透過した第１透過率および第２波長においてガスセル２０を透過した第２透過率を測定し（Ｓ１０４）、１３ＣＯ２と１２ＣＯ２の濃度を算出する（Ｓ１０６）ステップを含む。
【００４５】
なお、呼気測定方法は、ガスセル２０内に基準ガスを導入し、第１波長において基準ガスを透過した光の強度が入射光強度に等しいとして第１透過率を算出し、第２波長において基準ガスを透過した光の強度が入射光強度に等しいとして第２透過率を算出するステップをさらに有することができる。
【００４６】
ヒトの呼気のＣＯ２濃度には個体差があり、約０．５〜８％である。また、その中央値は約４％である。発明者の測定よれば、ＣＯ２濃度が４％のとき、波数が２３８０〜２３００ｃｍ−１における吸収係数αは、０．０５〜０．４ｃｍ−１であった（ただし、圧力が０．５気圧、温度が３１３Ｋ）。このとき、最適ガスセル長Ｌｏｐは式（８）で表される。
【００４７】
Ｌｏｐ＝−ｌｎＴｏｐ／α＝１／α        式（８）
【００４８】
（表１）に、吸収係数αに対する最適ガスセル長Ｌｏｐを表す。
【００４９】
【表１】
2016117173.tif 000010
【００５０】
すなわち、吸収係数αを０．０５〜０．４ｃｍ−１とすると、最適ガスセル長Ｌｏｐは２．５ｃｍ以上２０ｃｍ以下とすればよい。
【００５１】
透過率Ｔの測定誤差が一定の場合、透過率Ｔが１±０．５％で吸光度Ａの幅は４．２〜５．３で誤差は２３．８５％と大きくなる。また、透過率Ｔが９９±５％の場合、吸光度Ａの幅は０．００５〜０．０１５で誤差は１００％以上に達する。これに対して、セル長Ｌが２．５ｃｍ〜２０ｃｍに選択されたガスセル２０を用いて（４．３４〜４．３９μｍで）測定された透過率Ｔが０．０７〜０．７５の間であるとき、測定誤差は５％以下に低減されている。このため、ガス濃度ｃの測定精度を高く保つことができる。
【００５２】
次に、光源に用いるＱＣＬについて説明する。
図６（ａ）〜図６（ｃ）は、ＱＣＬの模式図である。  
図６（ａ）は、ＱＣＬの模式的斜視図である。図（ｂ）は、図６（ａ）のＡ１−Ａ２線に沿った模式断面図である。図６（ｃ）は、ＱＣＬの動作を例示する模式図である。  
この例では、光源１０として、ＱＣＬである半導体発光素子３０ａＬが用いられる。    
【００５３】
図６（ａ）に表したように、半導体発光素子３０ａＬは、基板３５と、積層体３１と、第１電極３４ａと、第２電極３４ｂと、誘電体層３２（第１誘電体層）と、絶縁層３３（第２誘電体層）と、を含む。
【００５４】
第１電極３４ａと、第２電極３４ｂと、の間に基板３５が設けられる。基板３５は、第１部分３５ａと、第２部分３５ｂと、第３部分３５ｃと、を含む。これらの部分は、１つの面内に配置される。この面は、第１電極３４ａから第２電極３４ｂに向かう方向に対して交差する（例えば平行）である。第１部分３５ａと第２部分３５ｂとの間に、第３部分３５ｃが配置される。
【００５５】
第３部分３５ｃと第１電極３４ａとの間に積層体３１が設けられる。第１部分３５ａと第１電極３４ａとの間、及び、第２部分３５ｂと第１電極３４ａとの間に、誘電体層３２が設けられる。誘電体層３２と第１電極３４ａとの間に絶縁層３３が設けられる。
【００５６】
積層体３１は、ストライプの形状を有している。積層体３１は、リッジ導波路ＲＧとして機能する。リッジ導波路ＲＧの２つの端面がミラー面となる。積層体３１において放出された光３１Ｌは、端面（光出射面）から出射する。光３１Ｌは、赤外線レーザ光である。光３１Ｌの光軸３１Ｌｘは、リッジ導波路ＲＧの延在方向に沿う。
【００５７】
図６（ｂ）に表したように、積層体３１は、例えば、第１クラッド層３１ａと、第１ガイド層３１ｂと、活性層３１ｃと、第２ガイド層３１ｄと、第２クラッド層３１ｅと、を含む。これらの層は、基板３５から第１電極３４ａに向かう方向に沿って、この順で並ぶ。第１クラッド層３１ａの屈折率及び第２クラッド層３１ｅの屈折率のそれぞれは、第１ガイド層３１ｂの屈折率、活性層３１ｃの屈折率、及び、第２ガイド層３１ｄの屈折率のそれぞれよりも低い。活性層３１ｃで生じた光３１Ｌは、積層体３１内に閉じ込められる。第１ガイド層３１ｂと第１クラッド層３１ａとを合わせて、クラッド層と呼ぶ場合がある。第２ガイド層３１ｄと第２クラッド層３１ｅとを合わせて、クラッド層と呼ぶ場合がある。
【００５８】
積層体３１は、光軸３１Ｌｘに対して垂直な第１側面３１ｓａ及び第２側面３１ｓｂを有する。第１側面３１ｓａと第２側面３１ｓｂとの間の距離３１ｗ（幅）は、例えば５μｍ以上２０μｍ以下である。これにより、例えば、水平横方向モードの制御が容易となり、出力の向上が容易になる。距離３１ｗが過度に長いと、水平横方向モードにおいて高次モードを生じ易くなり、出力を高めにくい。
【００５９】
誘電体層３２の屈折率は、活性層３１ｃの屈折率よりも低い。これにより、誘電体層３２により、光軸３１Ｌｘに沿ってリッジ導波路ＲＧが形成される。
【００６０】
図６（ｃ）に表したように、活性層３１ｃは、例えば、カスケード構造を有する、カスケード構造においては、例えば、第１領域ｒ１と、第２領域ｒ２と、が交互に積層される。単位構造ｒ３は、第１領域ｒ１及び第２領域ｒ２を含む。複数の単位構造ｒ３が設けられる。
【００６１】
例えば、第１領域ｒ１には、第１障壁層ＢＬ１と、第１量子井戸層ＷＬ１と、が設けられる。第２領域ｒ２には、第２障壁層ＢＬ２が設けられる。例えば、別の第１領域ｒ１ａには、第３障壁層ＢＬ３と、第２量子井戸層ＷＬ２と、が設けられる。別の第２領域ｒ２ａに、第４障壁層ＢＬ４が設けられる。
【００６２】
第１領域ｒ１においては、第１量子井戸層ＷＬ１のサブバンド間光学遷移が生じる。これにより、例えば、３μｍ以上１８μｍ以下の波長の光３１Ｌａが放出される。
【００６３】
第２領域ｒ２においては、第１領域ｒ１から注入されたキャリアｃ１（例えば電子）のエネルギーは、緩和可能である。
【００６４】
量子井戸層（例えば第１量子井戸層ＷＬ１）において、井戸幅ＷＬｔは、例えば、５ｎｍ以下である。井戸幅ＷＬｔがこのように狭いとき、エネルギー準位が離散して、例えば、第１サブバンドＷＬａ（高準位Ｌｕ）及び第２サブバンドＷＬｂ（低準位Ｌｌ）などを生じる。第１障壁層ＢＬ１から注入されたキャリアｃ１は、第１量子井戸層ＷＬ１に効果的に閉じ込められる。
【００６５】
高準位Ｌｕから低準位Ｌｌへキャリアｃ１が遷移するときに、エネルギー差（高準位Ｌｕと低準位Ｌｌとの差）に対応する光３１Ｌａが放出される。すなわち、光学遷移が生じる。
【００６６】
同様に、別の第１領域ｒ１ａの第２量子井戸層ＷＬ２において、光３１Ｌｂが放出される。
【００６７】
実施形態において量子井戸層は、波動関数が重なり合う複数の井戸を含んでも良い。複数の量子井戸層のそれぞれの高準位Ｌｕが、互いに同じでも良い。複数の量子井戸層のそれぞれの低準位Ｌｌが、互いに同じでも良い。
【００６８】
例えば、サブバンド間光学遷移は、伝導帯及び価電子帯のいずれかにおいて生じる。例えば、ｐｎ接合によるホールと電子との再結合は必要ではない。例えば、ホール及び電子のいずれかのキャリアｃ１により光学遷移が生じて、光が放出される。
【００６９】
活性層３１ｃにおいて、例えば、第１電極３４ａと、第２電極３４ｂと、の間に印加される電圧により、障壁層（例えば第１障壁層ＢＬ１）を介して、キャリアｃ１（例えば電子）が量子井戸層（例えば第１量子井戸層ＷＬ１）へ注入される。これにより、サブバンド間光学遷移を生じる。
【００７０】
第２領域ｒ２は、例えば、複数のサブバンドを有する。サブバンドは、例えば、ミニバンドである。サブバンドにおけるエネルギー差は、小さい。サブバンドにおいて、連続エネルギーバンドに近いことが好ましい。この結果、キャリアｃ１（電子）のエネルギーが緩和される。
【００７１】
第２領域ｒ２では、例えば、光（例えば３μｍ以上１８μｍ以下の波長の赤外線）は、実質的に放出されない。第１領域ｒ１の低準位Ｌｌのキャリアｃ１（電子）は、第２障壁層ＢＬ２を通過して、第２領域ｒ２へ注入され、緩和される。キャリアｃ１は、カスケード接続された別の第１領域ｒ１ａへ注入される。この第１領域ｒ１ａにおいて、光学遷移が生じる。
【００７２】
カスケード構造では、複数の単位構造ｒ３のそれぞれにおいて光学遷移が生じる。これにより、活性層３１ｃの全体において、高い光出力を得ることが容易になる。
【００７３】
このように、光源１０は、半導体発光素子３０ａＬを含む。半導体発光素子３０ａＬは、複数の量子井戸（例えば、第１量子井戸層ＷＬ１及び第２量子井戸層ＷＬ２など）のサブバンドにおける電子のエネルギー緩和により、測定光３０Ｌを放射する。
【００７４】
量子井戸層（例えば第１量子井戸層ＷＬ１及び第２量子井戸層ＷＬ２など）には、例えば、ＩｎＧａＡｓが用いられる。例えば、障壁層（例えば、第１〜第４障壁層ＢＬ１〜ＢＬ４など）には、例えば、ＩｎＡｌＡｓが用いられる。このとき、例えば、基板３５としてＩｎＰを用いると、量子井戸層及び障壁層において、良好な格子整合が得られる。
【００７５】
第１クラッド層３１ａ及び第２クラッド層３１ｅは、例えば、ｎ形不純物として、Ｓｉを含む。これらの層における不純物濃度は、例えば、１×１０１８ｃｍ−３以上１×１０２０ｃｍ−３以下（例えば、約６×１０１８ｃｍ−３）である。これらの層のそれぞれの厚さは、例えば、０．５μｍ以上２μｍ以下（例えば約１μｍ）である。
【００７６】
第１ガイド層３１ｂ及び第２ガイド層３１ｄは、例えば、ｎ形不純物として、Ｓｉを含む。これらの層における不純物濃度は、例えば１×１０１６ｃｍ−３以上１×１０１７ｃｍ−３以下（例えば、約４×１０１６ｃｍ−３）である。これらの層のそれぞれの厚さは、例えば２μｍ以上５μｍ以下（例えば、３．５μｍ）である。
【００７７】
距離３１ｗ（積層体３１の幅、すなわち、活性層３１ｃの幅）は、例えば、５μｍ以上２０μｍ以下（例えば、約１４μｍ）である。
【００７８】
リッジ導波路ＲＧの長さは、例えば、１ｍｍ以上５ｍｍ以下（例えば約３ｍｍ）である。半導体発光素子３０ａＬは、例えば、１０Ｖ以下の動作電圧で動作する。消費電流は、炭酸ガスレーザ装置などに比べて低い。これにより、低消費電力の動作が可能である。
【００７９】
本実施形態の呼気測定装置および呼気測定方法によれば、測定誤差が低減された呼気測定装置および呼気測定方法を提供する。
【００８０】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【図１】
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【図５】
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【図６】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【手続補正書】
【提出日】平成28年10月5日(2016.10.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外光を放出する光源と、
１３ＣＯ２および１２ＣＯ２を含むガスが導入され、前記赤外光が入射する入射面および前記赤外が透過する出射面を有し、２．５ｃｍ以上２０ｃｍ以下のセル長を有するガスセルと、
前記１３ＣＯ２の吸収線のうち波長帯域内の第１波長における前記出射面からの透過光の第１透過率と、前記１２ＣＯ２の吸収線のうち前記波長帯域内の第２波長における前記出射面からの透過光の第２透過率と、測定し、前記１３ＣＯ２および前記１２ＣＯ２の濃度をそれぞれ算出可能な検出部と、
を備えたガス測定装置。
【請求項２】
前記入射面に近接して設けられ、前記赤外光を平行光とする入射部と、
前記出射面に近接して設けられ、前記平行光を集光する出射部と、
をさらに備えた請求項１記載のガス測定装置。
【請求項３】
前記赤外光の光軸は、前記入射面および前記出射面にそれぞれ直交する請求項２記載のガス測定装置。
【請求項４】
前記赤外光は、４．３４μｍ以上かつ４．３９μｍ以下の波長帯域において、波長チューニング可能である、請求項１記載のガス測定装置。
【請求項５】
前記赤外光は、量子カスケードレーザから放出される請求項４記載のガス測定装置。
【請求項６】
前記検出部は、前記第１波長において前記ガスセル内に導入された基準ガスを透過した光の強度が入射光強度に等しいとして前記第１透過率を算出し、前記第２波長において前記基準ガスを透過した光の強度が入射光強度に等しいとして前記第２透過率を算出して前記濃度を算出する請求項１記載のガス測定装置。
【請求項７】
前記入射面に近接して設けられ、前記赤外光を平行光とする入射部と、
前記出射面に近接して設けられ、前記平行光を集光する出射部と、
をさらに備えた請求項６記載のガス測定装置。
【請求項８】
前記ガスセルの容量は、５００ミリリットル以下である請求項１記載のガス測定装置。
【請求項９】
前記ガスセルの内部は減圧可能とされる請求項１記載のガス測定装置。
【請求項１０】
前記ガスセルを内部に収納する恒温層をさらに備えた請求項１記載のガス測定装置。
【請求項１１】
セル長が２．５ｃｍ以上２０ｃｍ以下のガスセルに１３ＣＯ２および１２ＣＯ２を含むガスを導入し、
赤外入射光を前記ガスに向けて照射し、
前記第１波長において前記ガスセルを透過した透過光の第１透過率および前記第２波長において前記ガスセルを透過した透過光の第２透過率を測定し、
前記１３ＣＯ２と前記１２ＣＯ２の濃度を算出するガス測定方法。
【請求項１２】
前記ガスは、減圧した前記ガスセルに導入される請求項１１記載のガス測定方法。
【請求項１３】
前記赤外入射光は、透過率が０．０７以上０．７５以下となるように、前記第１波長の前記１３ＣＯ２の吸収線および前記第２波長の前記１２ＣＯ２の吸収線の波長を４．３４μｍ以上かつ４．３９μｍ以下の波長範囲内において選択される請求項１１記載のガス測定方法。
【請求項１４】
赤外光の入射面と、
前記赤外光の出射面と、
第１バルブを有するガスおよび基準ガスの導入口と、
第２バルブを有する前記ガスおよび前記基準ガスの排出口と、
を備え、
セル長が２．５ｃｍ以上２０ｃｍ以下であり、前記第１バルブおよび前記第２バルブをともに閉状態にしたときの容量が５００ミリリットル以下である、ガスセル。      
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
本発明の実施形態は、ガス測定装置およびガス測定方法、並びにガスセルに関する。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
測定誤差が低減されたガス測定装置およびガス測定方法、並びにガスセルを提供する。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
実施形態のガス測定装置は、光源と、ガスセルと、検出部と、を有する。光源は、赤外光を放出する。ガスセルは、１３ＣＯ２および１２ＣＯ２を含むガスが導入され、前記赤外光が入射する入射面および前記赤外が透過する出射面を有する。前記ガスセルのセル長は２．５ｃｍ以上２０ｃｍ以下とされる。検出部は、前記１３ＣＯ２の吸収線のうち前記波長帯域内の第１波長における前記出射面からの透過光の第１透過率と、前記１２ＣＯ２の吸収線のうち前記波長帯域内の第２波長における前記出射面からの透過光の第２透過率とを、測定し、前記１３ＣＯ２および１２ＣＯ２の濃度をそれぞれ算出可能である。
【国際調査報告】
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