(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
二酸化炭素13ＣＯ2と二酸化炭素12ＣＯ2 とを成分ガスとして含む試料ガスをセルに導き、各成分ガスに適した波長の透過光の強度を測定しデータ処理することによって、成分ガスの濃度比を測定する同位体ガス分析測定方法において、
前記試料ガスは、人の呼気であり、
前記試料ガスをセルと、当該セルと連通したガス注入器に導く第１のステップと、
前記試料ガスを前記ガス注入器によって前記セルに注入し、前記セル内を加圧する第２のステップと、
前記ガス注入器の動作を止めた状態で各成分ガスの測定に適した波長の光を透過させ、それぞれ吸光度を測定する第３のステップと、
前記成分ガスを既知の濃度含む加圧されたガスについて用意された検量線を用いて、前記セル中の前記成分ガスの濃度比を測定する第４のステップとを含むことを特徴とする同位体ガス分析測定方法。
【請求項２】
前記試料ガスは、２気圧まで加圧されることを特徴とする請求項１記載の同位体ガス分析測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
同位体の入った薬物を生体に投与した後、同位体の濃度比の変化を測定することにより、生体の代謝機能が測定できるので、同位体の分析は、医療の分野で病気の診断に利用されている。本発明は、同位体の光吸収特性の相違に着目して、同位体ガスの濃度比を測定する同位体ガス分析測定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、胃潰瘍、胃炎の原因として、ヘリコバクタピロリー（ＨＰ）と言われているバクテリアが存在することが知られている。
患者の胃の中にＨＰが存在すれば、抗生物質の投与による除菌治療を行う必要がある。したがって、患者にＨＰが存在するか否かを確認することが重要である。ＨＰは、強いウレアーゼ活性を持っていて、尿素を二酸化炭素とアンモニアに分解する。
【０００３】
一方、炭素には、質量数が１２のものの他、質量数が１３や１４の同位体が存在するが、これらの同位体の中で質量数が１３の同位体13Ｃは、放射性がなく、安定して存在するため取り扱いが容易である。
そこで、同位体13Ｃでマーキングした尿素を生体に投与した後、最終代謝産物である患者の呼気中の13ＣＯ2の濃度、具体的には13ＣＯ2と12ＣＯ2との濃度比を測定することができれば、ＨＰの存在を確認することができる。
【０００４】
ところが、13ＣＯ2と12ＣＯ2との濃度比は、自然界では１：１００もあり、このため患者の呼気中の濃度比を精度よく測定することは難しい。
従来、13ＣＯ2と12ＣＯ2との濃度比を求める方法として、赤外分光を用いる方法が知られている（特公昭61-42219号公報、特公昭61-42220号公報参照）。
特公昭61-42220号記載の方法は、長短２本のセルを用意し、一方のセルでの13ＣＯ2の吸収と、他方のセルでの12ＣＯ2の吸収が等しくなるようなセルの長さにし、各セルに、それぞれの分析に適した波長の光を当てて、透過光の強度を測定する。この方法によれば、自然界の濃度比での光吸収比を１にすることができ、これから濃度比がずれると、ずれた分だけ光吸収比が変化するので、濃度比の変化を知ることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前記のような方法を採用しても、僅かな濃度比の変化を検知することは難しい。
感度を上げるために、セル長を長くすることも考えられるが、セル長を長くすると、同位体ガス分析測定装置が大きくなる。
セルの端にミラーを設置して何度も反射させる方法があるが、セルの体積が大きくなるので、同位体ガス分析測定装置もこれに連れて大きくなる。
【０００６】
そこで、本発明は、二酸化炭素13ＣＯ2と二酸化炭素12ＣＯ2 とを成分ガスとして含む被測定ガスをセルに導き、各成分ガスに適した波長の透過光の強度を測定しデータ処理することによって、各成分ガスの濃度を測定する場合に、同位体ガス分析測定装置を大きくすることなく、測定再現性を良好にすることができ、もって測定精度を上げることのできる同位体ガス分析測定方法を実現することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の同位体ガス分析測定方法は、人の呼気である試料ガスをセルと、当該セルと連通したガス注入器に導く第１のステップと、前記試料ガスを前記ガス注入器によって前記セルに注入し、前記セル内を加圧する第２のステップと、前記ガス注入器の動作を止めた状態で各成分ガスの測定に適した波長の光を透過させ、それぞれ吸光度を測定する第３のステップと、前記成分ガスを既知の濃度含む加圧されたガスについて用意された検量線を用いて、前記セル中の前記成分ガスの濃度比を測定する第４のステップとを含むことを特徴とする。被測定ガスを加圧することにより、被測定ガス中の二酸化炭素濃度を上げたのと同じ効果が得られ、測定Ｓ／Ｎを向上させ、データの再現性を良好にすることができる。
【０００８】
加圧により、セル内を２気圧としても、十分な効果が得られる（請求項２、後の実施例参照）。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、同位体13Ｃでマーキングしたウレア診断薬を人間に投与した後、呼気中の13ＣＯ2 の濃度を分光測定する場合の、本発明の実施の形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
Ｉ．呼気テスト
まず、ウレア診断薬を投与する前の患者の呼気を呼気バッグに採集する。その後、ウレア診断薬を経口投与し、約２０分後、投与前と同様の方法で呼気バッグに呼気を採集する。
【００１０】
投与前と投与後の呼気バッグをそれぞれ同位体ガス分光測定装置の所定のノズルにセットし、以下の自動測定を行う。
II．同位体ガス分光測定装置
図１は、同位体ガス分光測定装置の全体構成を示すブロック図である。
投与後の呼気（以下「サンプルガス」という）を採集した呼気バッグと投与前の呼気（以下「ベースガス」という）を採集した呼気バッグとはそれぞれノズルＮ1 ，Ｎ2 にセットされる。ノズルＮ1 は、金属パイプ（以下単に「パイプ」という）を通して電磁バルブ（以下単に「バルブ」という）Ｖ2 につながり、ノズルＮ2 は、パイプを通してバルブＶ3 につながっている。さらに、空気を取り込むパイプにバルブＶ5がつながっている。
【００１１】
一方、リファレンスガス供給部３０（後述）から供給されるリファレンスガスは三方に分かれ、一方は補助セル１１ｃに入り、他方はバルブＶ1 に通じている。さらに他方は、光源装置Ｌの温度調節のために光源装置Ｌに供給される。
補助セル１１ｃに入ったりファレンスガスは補助セル１１ｃから出てセル室１０内に排出される。
バルブＶ1の出口は、三方バルブＶ4につながり、三方バルブＶ4 から分かれた一方は、サンプルガス又はべースガスを定量的に注入するためのガス注入器２１が介在している。このガス注入器２１は、ピストンとシリンダーを有する注射器のような形状のもので、ピストンの駆動は、パルスモータと、パルスモータに連結された送りネジと、ピストンに固定されたナットとの共働によって行われる（後述）。
【００１２】
三方バルブＶ4 の他方は、12ＣＯ2 の吸収を測定するための第１サンプルセル１１ａにつながっている。また、バルブＶ2、バルブＶ3、バルブＶ5からつながる各パイプが、バルブＶ1と三方バルブＶ4とを連結するパイプに合流している。
セル室１１は、図１に示すように、12ＣＯ2 の吸収を測定するための短い第１サンプルセル１１ａ、13ＣＯ2 の吸収を測定するための長い第２サンプルセル１１ｂ及びリファレンスガスを流す補助セル１１ｃからなり、第１サンプルセル１１ａと第２サンプルセル１１ｂとは連通しており、第１サンプルセル１１ａに導かれたガスは、そのまま第２サンプルセル１１ｂに入り、バルブＶ６を通して排気されるようになっている。また、補助セル１１ｃにはリファレンスガスが導かれる。
【００１３】
第１サンプルセル１１ａの容量は約０．６ｍｌ、第２サンプルセル１１ｂの容量は約１２ｍｌである。
セル室１１の端面には、赤外線を透過させるサファイヤ透過窓が設けられている。セル室１１は、断熱材（図示せず）で包囲されている
符号Ｌは、赤外線光源装置を示す。赤外線光源装置Ｌは赤外線を照射するための２つの導波管２３ａ，２３ｂを備えている。赤外線発生の方式は、任意のものでよく、例えばセラミックスヒータ（表面温度４５０℃）等が使用可能である。また、赤外線を一定周期でしゃ断し通過させる回転するチョッパ２２が取り付けられている。
【００１４】
赤外線光源装置Ｌから照射された赤外線のうち、第１サンプルセル１１ａ及び補助セル１１ｃを通るものが形成する光路を「第１の光路Ｌ1」といい、第２サンプルセル１１ｂを通るものが形成する光路を「第２の光路Ｌ2」という（図１参照）。
符号Ｄは、セルを通過した赤外線を検出する赤外線検出装置を示している。
赤外線検出装置Ｄは、第１の光路に置かれた第１の波長フィルタ２４ａと第１の検出素子２５ａ、第２の光路に置かれた第２の波長フィルタ２４ｂと第２の検出素子２５ｂを備えている。
【００１５】
第１の波長フィルタ２４ａは、12ＣＯ2 の吸収を測定するため約４２８０ｎｍの波長の赤外線を通し、第２の波長フィルタ２４ｂは、13ＣＯ2 の吸収を測定するため約４４１２ｎｍの波長の赤外線を通すように設計されている。第１の検出素子２５ａ、第２の検出素子２５ｂは赤外線を検出する素子である。
第１の波長フィルタ２４ａ、第１の検出素子２５ａ、第２の波長フィルタ２４ｂ、第２の検出素子２５ｂは、Ａｒ等の不活性ガスで満たされたパッケージ２６の中に入っている。
【００１６】
赤外線検出装置Ｄの全体はヒータ及びペルチェ素子により一定温度に保たれ、パッケージ２６ａ，２６ｂの中はペルチェ素子２７により低温に保たれている。
また、同位体ガス分光測定装置内部の空気を換気するファン２８，２９が設けられている。
同位体ガス分光測定装置の本体に付属して、ＣＯ2を除いた空気を供給するリファレンスガス供給部３０が設けられている。リファレンスガス供給部３０は、防塵フィルタ３１，コンプレッサ３２，水分除去部３３，ドライフィルタ３４，流量計３５，炭酸ガス吸収部３６を直列につないだ構成となっている。
【００１７】
炭酸ガス吸収部３６は、例えばソーダライム（水酸化ナトリウムと水酸化カルシウムとを混合したもの）を炭酸ガス吸収剤として用いている。
図２は、被測定ガスを定量的に注入するためのガス注入器２１を示す平面図（同図(a) ）と正面図（同図(b) ）である。このガス注入器２１が「加圧手段」として機能する。
ガス注入器２１は、基台２１ａの上に、ピストン２１ｃの入ったシリンダー２１ｂが配置され、基台２１ａの下に、ピストン２１ｃと連結した移動自在なナット２１ｄ、ナット２１ｄと噛み合う送りネジ２１ｅ、及び送りネジ２１ｅを回転させるパルスモータ２１ｆが配置された構造である。
【００１８】
前記パルスモータ２１ｆは、図示しない駆動回路によって、正転、逆転駆動される。パルスモータ２１ｆの回転によって送りネジ２１ｅが回転すると、回転方向に応じてナット２１ｄが前後移動し、これによって、ピストン２１ｃが任意の位置に前後移動する。したがって、シリンダー２１ｂへの被測定ガスの導入と、シリンダー２１ｂからの被測定ガスの導出を自在に制御することができる。
III ．測定手順
測定は、リファレンスガス測定→ベースガス測定→リファレンスガス測定→サンプルガス測定→リファレンスガス測定→・・・という手順で行う。図３から図１１において、ハッチングを施した部分は、気体の流れていることを意味する。
【００１９】
測定の間、補助セル１１ｃにはリファレンスガスが常時流れていて、その流速は流量計３５ により常に一定に保たれるよう設定される。
III −１．リファレンス測定
図３に示すように、同位体ガス分光測定装置のガス流路及びセル室１１に、清浄なリファレンスガスを流してガス流路及びセル室１１の洗浄をする。このとき、ピストン２１ｃを前後移動させて、シリンダー２１ｂ内も洗浄する。
【００２０】
次に、図４に示すように、シリンダー２１ｂ内のリファレンスガスを注出し、それぞれの検出素子２５ａ，２５ｂにより、光量測定をする。
このようにして、第１の検出素子２５ａで得られた光量を12Ｒ1 、第２の検出素子２５ｂで得られた光量を13Ｒ1 と書く。
III ‐２．ベースガス測定
次に、図５に示すように、バルブＶ１を閉じ、バルブＶ４を二方だけ開いて、リファレンスガスが第１サンプルセル１１ａ、第２サンプルセル１１ｂを流れないようにして、バルブＶ２を開いて、呼気バッグより、ベースガスをガス注入器２１で吸い込む。
【００２１】
ベースガスを吸い込んだ後、図６に示すように、バルブＶ４を一方だけ開くとともに、バルブＶ６を開き、ガス注入器２１を用いてべースガスを機械的に押し出し、第１サンプルセル１１ａ、第２サンプルセル１１ｂをベースガスで満たす。
次に、図７に示すように、バルブＶ６を閉じ、シリンダー２１ｂ内の残りのベースガスを全部注入する。これにより、第１サンプルセル１１ａ、第２サンプルセル１１ｂの中のベースガスの圧力は、上昇する。図７では、圧力の上がった気体をクロスハッチングで示している。
【００２２】
この加圧した状態で、それぞれの検出素子２５ａ，２５ｂにより、光量測定をする。
このようにして、第１の検出素子２５ａで得られた光量を12Ｂ、第２の検出素子２５ｂで得られた光量を13Ｂと書く。
III −３．リファレンス測定
再び、ガス流路及びセルの洗浄と、リファレンスガスの光量測定をする（図３、図４参照）。
【００２３】
このようにして、第１の検出素子２５ａで得られた光量を12Ｒ2 、第２の検出素子２５ｂで得られた光量を13Ｒ2 と書く。
III −４．サンプルガス測定
図８に示すように、バルブＶ５を開き、サンプルガス希釈用の空気を吸い込む。このサンプルガスの希釈は、サンプルガスのＣＯ2濃度が、ベースガスのＣＯ2濃度よりも高いときに、両方のＣＯ2濃度が等しくなるように行うものである。
【００２４】
もし、ベースガスのＣＯ2濃度が、サンプルガスのＣＯ2濃度よりも高ければ、ベースガスを吸い込む時点（図５参照）の前に、ベースガスの希釈を行う。
ベースガスのＣＯ2濃度やサンプルガスのＣＯ2濃度は、検出素子２５ａ，２５ｂにより、予め光量測定をしておく。
以上の希釈工程の詳細は、特開平１０−１９７４４４号公報参照。
ついで、リファレンスガスが第１サンプルセル１１ａ、第２サンプルセル１１ｂを流れないようにして、呼気バッグより、サンプルガスをガス注入器２１で吸い込む（図９参照）。これにより、シリンダー２１ｂの中でサンプルガスが空気で希釈される。
【００２５】
サンプルガスを吸い込んだ後、図１０に示すように、第１サンプルセル１１ａ、第２サンプルセル１１ｂをサンプルガスで満たす。
それから、図１１に示すように、バルブＶ６を閉め、ガス注入器２１を用いてサンプルガスを機械的に押し出す。これにより、第１サンプルセル１１ａ、第２サンプルセル１１ｂの中のサンプルガスを加圧する。
ガス注入器２１の動きを止め、この間、それぞれの検出素子２５ａ，２５ｂにより、光量測定をする。
【００２６】
このようにして、第１の検出素子２５ａで得られた光量を12Ｓ、第２の検出素子２５ｂで得られた光量を13Ｓと書く。
III −５．リファレンス測定
再び、ガス流路及びセルの洗浄と、リファレンスガスの光量測定をする（図３、図４参照）。
このようにして、第１の検出素子２５ａで得られた光量を12Ｒ3 、第２の検出素子２５ｂで得られた光量を13Ｒ3 と書く。
【００２７】
IV．データ処理
IV−１．ベースガスの吸光度の算出
まず、前記リファレンスガスの透過光量12Ｒ1 、13Ｒ1 、ベースガスの透過光量12Ｂ、13Ｂ、リファレンスガスの透過光量12Ｒ2 、13Ｒ2 を使って、ベースガスにおける12ＣＯ2 の吸光度12Ａbs(B) と、13ＣＯ2 の吸光度13Ａbs(B) とを求める。
【００２８】
ここで12ＣＯ2 の吸光度12Ａbs(B) は、
12Ａbs(B) ＝−log 〔２12Ｂ／（12Ｒ1 ＋12Ｒ2 ）〕
で求められ、13ＣＯ2 の吸光度13Ａbs(B) は、
13Ａbs(B) ＝−log 〔２13Ｂ／（13Ｒ1 ＋13Ｒ2 ）〕
で求められる。
このように、吸光度を算出するときに、前後で行ったリファレンス測定の光量の平均値（Ｒ1 ＋Ｒ2 ）／２をとり、その平均値と、ベースガス測定で得られた光量とを用いて吸光度を算出しているので、ドリフト（時間変化が測定に影響を及ぼすこと）の影響を相殺することができる。したがって、装置の立ち上げ時に完全に熱平衡になるまで（通常数時間かかる）待たなくても、速やかに測定を始めることができる。
【００２９】
IV−２．サンプルガスの吸光度の算出
次に、前記リファレンスガスの透過光量12Ｒ2 、13Ｒ2 、サンプルガスの透過光量12Ｓ、13Ｓ、リファレンスガスの透過光量12Ｒ3 、13Ｒ2 を使って、サンプルガスにおける12ＣＯ2 の吸光度12Ａbs(S) と、13ＣＯ2 の吸光度13Ａbs(S) とを求める。
ここで12ＣＯ2 の吸光度12Ａbs(S) は、
12Ａbs(S) ＝−log 〔２12Ｓ／( 12Ｒ2 ＋12Ｒ3 ）〕
で求められ、13ＣＯ2 の吸光度13Ａbs(S) は、
13Ａbs(S) ＝−log 〔２13Ｓ／（13Ｒ2 ＋13Ｒ3 ）〕
で求められる。
【００３０】
このように、吸光度を算出するときに、前後で行ったリファレンス測定の光量平均値をとり、その平均値と、サンプルガス測定で得られた光量とを用いて吸光度を算出しているので、ドリフトの影響を相殺することができる。
IV−３．濃度の算出
検量線を使って、12ＣＯ2 の濃度と13ＣＯ2 の濃度を求める。
検量線は、12ＣＯ2 濃度の分かっている被測定ガスと、13ＣＯ2 濃度の分かっている被測定ガスを用いて、作成する。被測定ガスを加圧して測定するので、検量線についても、加圧して測定する必要がある。
【００３１】
検量線を求めるには、12ＣＯ2 濃度を０％〜６％程度の範囲で変えてみて、12ＣＯ2 の吸光度を測定する。横軸を12ＣＯ2 濃度にとり、縦軸を12ＣＯ2 吸光度にとり、プロットし、最小自乗法を用いて曲線を決定する。２次式で近似したものが、比較的誤差の少ない曲線となったので、本実施形態では、２次式で近似した検量線を採用している。
前記検量線を用いて求められた、ベースガスにおける12ＣＯ2 の濃度を12Conc(B) 、ベースガスにおける13ＣＯ2 の濃度を13Conc(B) 、サンプルガスにおける12ＣＯ2 の濃度を12Conc(S) 、サンプルガスにおける13ＣＯ2 の濃度を13Conc(S) と書く。
【００３２】
IV−４．濃度比の算出
13ＣＯ2 と12ＣＯ2 との濃度比を求める。ベースガスにおける濃度比は、
13Conc(B) ／12Conc(B)
サンプルガスにおける濃度比は、
13Conc(S) ／12Conc(S)
で求められる。
【００３３】
なお、濃度比は、13Conc(B) ／（12Conc(B) ＋13Conc(B)） ，13Conc(S) ／（12Conc(S) ＋13Conc(S)） と定義してもよい。12ＣＯ2 の濃度のほうが13ＣＯ2 の濃度よりはるかに大きいので、いずれもほぼ同じ値となるからである。
IV−５．13Ｃの変化分の決定
サンプルガスとべースガスとを比較した13Ｃの変化分は次の式で求められる。
Δ13Ｃ＝〔サンプルガスの濃度比−ベースガスの濃度比〕×１０3 ／〔ベースガスの濃度比〕（単位：パーミル（千分率））
【００３４】
【実施例】
12ＣＯ2 の濃度が１％の被測定ガスを対象として、ガス注入器２１を用いて複数段階に加圧したとき及び加圧しないときのΔ13Ｃを算出した。
ここで、「被測定ガス」には、人の呼気であるサンプルガスやベースガスを使わず、12ＣＯ2 の濃度が１％の空気を１つの大きな呼気バッグに入れて用いた。呼気バッグには出口が２本付いていてそれぞれをノズルＮ1 ，Ｎ2につないだ。したがって、同じガスを測定するため、Δ13Ｃは本来０となるものである。
【００３５】
表１は、ガス余分注入量が０ｍｌ（１気圧），５ｍｌ（約１．２５気圧），１０ｍｌ（約１．５気圧），１５ｍｌ（約１．７５気圧），２０ｍｌ（約２気圧）の場合に、それぞれ１０回ずつ測定して、Δ13Ｃを算出した。
【００３６】
【表１】
0004460134.tif 000002
【００３７】
この余分注入量と、Δ13Ｃのデータのバラツキを示す「標準偏差」との関係を示したグラフが図１２である。
図１２によれば、余分注入量と、標準偏差とは明らかな相関があり、標準偏差が余分注入量（加圧量）が多いほど小さくなっていることが分かる。
したがって、加圧により、測定データの再現性が向上するという効果が現れている。
【００３８】
【発明の効果】
以上のように本発明の同位体ガス分析測定方法によれば、セル内の被測定ガスを加圧して測定するので、セル長を長くすることなく、Ｓ／Ｎが改善され、測定精度、再現性が向上する。また、測定装置を大型化することもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】同位体ガス分光測定装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】被測定ガスを定量的に注入するためのガス注入器２１を示す平面図（同図(a) ）と正面図（同図(b) ）である。
【図３】同位体ガス分光測定装置のガス流路を示す図である。
【図４】同位体ガス分光測定装置のガス流路を示す図である。
【図５】同位体ガス分光測定装置のガス流路を示す図である。
【図６】同位体ガス分光測定装置のガス流路を示す図である。
【図７】同位体ガス分光測定装置のガス流路を示す図である。
【図８】同位体ガス分光測定装置のガス流路を示す図である。
【図９】同位体ガス分光測定装置のガス流路を示す図である。
【図１０】同位体ガス分光測定装置のガス流路を示す図である。
【図１１】同位体ガス分光測定装置のガス流路を示す図である。
【図１２】余分注入量と、Δ13Ｃのデータのバラツキを示す「標準偏差」との関係を示したグラフである。
【符号の説明】
Ｄ    赤外線検出装置
Ｌ    赤外線光源装置
Ｎ1 ，Ｎ2     ノズル
Ｖ1 〜Ｖ6     バルブ
１１ａ  第１サンプルセル
１１ｂ  第２サンプルセル
１１ｃ  補助セル
２１    ガス注入器
２１ａ  シリンダー
２１ｂ  ピストン
２４ａ  第１の波長フィルタ
２５ａ  第１の検出素子
２４ｂ  第２の波長フィルタ
２５ｂ  第２の検出素子
【図１】
0004460134.tif 000003
【図２】
0004460134.tif 000004
【図３】
0004460134.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0004460134.tif 000009
【図８】
0004460134.tif 000010
【図９】
0004460134.tif 000011
【図１０】
0004460134.tif 000012
【図１１】
0004460134.tif 000013
【図１２】
0004460134.tif 000014