(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
二酸化炭素１２ＣＯ２及び１３ＣＯ２を含む被測定ガスを非分散形赤外吸収法を用いて測定する同位体ガス測定装置において、
a)前記被測定ガスが内部に流通される筒状の試料セルと、
b)該試料セルの内部に設置され、該試料セルの両端側に向かって赤外光を放射する光源と、
c)前記試料セルの一方の端面に設けられ、二酸化炭素１２ＣＯ２に対応する波長の赤外光を検出する第１の光検出手段と、
d)前記試料セルの他方の端面に設けられ、二酸化炭素１３ＣＯ２に対応する波長の光を検出する第２の光検出手段と、
e)前記第１及び第２の光検出手段による検出信号に基づいて、二酸化炭素１２ＣＯ２及び１３ＣＯ２のそれぞれの濃度又は両者の濃度比を算出する演算処理手段と、
を備えることを特徴とする同位体ガス測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、互いに同位体である１２Ｃ及び１３Ｃを構成元素とする二酸化炭素１２ＣＯ２及び１３ＣＯ２を含む被測定ガスを非分散形赤外吸収法を用いて測定することにより、１２ＣＯ２及び１３ＣＯ２の濃度又はその濃度比を求める同位体ガス測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
生体内での代謝、蓄積、排泄などを検査するために、従来より、同位体トレーサ法と呼ばれる方法が利用されている。この方法は、生体内にあって追跡する目的元素や物質と同様の挙動を示す物質を同位体で標識してトレーサとし、その同位体を追跡することにより目的物質の挙動を調べるものである。
【０００３】
具体的な応用例として、被検者の胃の中に胃潰瘍などの原因と言われるヘリコバクタピロリ（一般に「ピロリ菌」と呼ばれるので、以下この名称を使用する）が存在するかどうかを調べる検査がある。ピロリ菌には、尿素を二酸化炭素とアンモニアに分解する性質がある。そこで、１２Ｃの同位体である１３Ｃで標識した尿素を被検者に投与し、その被検者の呼気に含まれる１３ＣＯ２の濃度（実際には、１２ＣＯ２と１３ＣＯ２との濃度比）を測定する。被検者の胃の中にピロリ菌が存在すれば、１３ＣＯ２の濃度はピロリ菌を有していない通常者よりも高い筈であるから、これによりピロリ菌の存在の有無を推定することができる。
【０００４】
ところで一般に、被測定ガス中の同位体ガス（例えば１２ＣＯ２及び１３ＣＯ２）の測定には、質量分析装置を用いる方法と、より簡便な非分散形赤外分析計を用いる方法とが知られている。質量分析装置を用いる方法では、精密な測定が行えるという利点はあるものの、装置の価格が高く、熟練したオペレータを必要とする。これに対し、非分散形赤外分析計を用いる方法は、装置の価格が安く取扱いも容易であることから、今後、大きく普及するものと思われる。
【０００５】
非分散形赤外分析計を利用した同位体ガス測定装置の一例は、特許２８８５６８７号公報に記載されている。図２は、この従来の同位体ガス測定装置の要部の概略構成図である。図２において、セル３５は、１２ＣＯ２測定用の短い第１試料セル３５ａと、１３ＣＯ２測定用の長い第２試料セル３５ｂとを含む。セル３５の一方の端部には、平板状のセラミックヒータである光源３１と、該光源３１から第１及び第２試料セル３５ａ、３５ｂにそれぞれ赤外光を照射するための２つの導波管３２、３３とから成る光源装置３０、及び、赤外光を一定周期で遮断・通過させる回転式のチョッパ３４が設けられている。一方、セル３５の反対側の端部には、セル３５を通過した光を検出するための第１及び第２検出器３７、３９が配置され、その第１及び第２検出器３７、３９の直前には、それぞれ１２ＣＯ２の吸収波長（約４２８０ｎｍ）に対応する光を通過させるバンドパスフィルタ３６と１３ＣＯ２の吸収波長（約４４１２ｎｍ）に対応する光を通過させるバンドパスフィルタ３８とが設けられている。
【０００６】
この装置における詳細な測定手順に関する説明は省略するが、上記装置では、互いに連通した第１及び第２試料セル３５ａ、３５ｂに試料ガスを満たし、光源３１から発し第１及び第２導波管３２、３３を通った赤外光をその試料ガス中に通過させる。そして、バンドパスフィルタ３６、３８により１２ＣＯ２及び１３ＣＯ２に対応した波長光のみを抜き出し、第１及び第２検出器３７、３９により検出している。また、所定周期でチョッパ３４を回転させることにより、赤外光を通過・遮断し、これにより、検出器３７、３９の暗電流や外光の影響などを除去するようにしている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の装置では次のような問題がある。上記構成では、１個の光源３１から、第１及び第２試料セル３５ａ、３５ｂに対する２系統の光線を取り出している。この２系統の光線の光量のばらつきは、測定誤差の一要因である。光源３１自体は１個であるものの、その面積は広いため、第１及び第２導波管３２、３３に対応した部位での発光光量を完全に揃えることは困難である。また、温度変動などによってチョッパ３４の回転速度が変動することも、セル３５に導入される光量の変動要因となり得る。
【０００８】
この装置の測定対象である呼気中の二酸化炭素濃度は、個人差があるとともに同一個人でも身体の状態により相違する。そのため、診断の指標はその試薬の適用前後で呼気中の１２ＣＯ２と１３ＣＯ２との存在比率の変化とし、診断閾値としては２．５／ｍｉｌ程度とされている。この値は、通常の大気中の二酸化炭素を測定する場合と比べて、２桁以上の高い精度を要求するものである。そのため、上述したような要因による測定誤差は僅かであるものの、このような高精度の測定にとっては支障となる。勿論、各試料セルに対応してそれぞれ別の光源を設けた構成では、更に光量のばらつきが大きくなることは言うまでもない。
【０００９】
本発明はこのような点に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、光源の光量のばらつきや変動の影響を受けず、非常に高い精度で同位体ガスを測定することができる同位体ガス測定装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために成された本発明に係る同位体ガス測定装置は、二酸化炭素１２ＣＯ２及び１３ＣＯ２を含む被測定ガスを非分散形赤外吸収法を用いて測定する同位体ガス測定装置において、
a)前記被測定ガスが内部に流通される筒状の試料セルと、
b)該試料セルの内部に設置され、該試料セルの両端側に向かって赤外光を放射する光源と、
c)前記試料セルの一方の端面に設けられ、二酸化炭素１２ＣＯ２に対応する波長の赤外光を検出する第１の光検出手段と、
d)前記試料セルの他方の端面に設けられ、二酸化炭素１３ＣＯ２に対応する波長の光を検出する第２の光検出手段と、
e)前記第１及び第２の光検出手段による検出信号に基づいて、二酸化炭素１２ＣＯ２及び１３ＣＯ２のそれぞれの濃度又は両者の濃度比を算出する演算処理手段と、
を備えることを特徴としている。
【００１１】
この構成によれば、上記光源から発して第１の光検出手段に到達するまでの光路において、１２ＣＯ２  に対応した赤外光の吸収を測定する。一方、同一の光源から発して第２の光検出手段に到達するまでの光路において、１３ＣＯ２  に対応した赤外光の吸収を測定する。つまり、同一の光源を利用することにより、発光光量のばらつきの影響を受けずにすむ。
【００１２】
また、好ましくは、上記光源を所定周期で点滅駆動する駆動手段を更に備え、演算処理手段はその所定周期に応じて、第１及び第２の光検出手段による検出信号を積算する構成とするとよい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る同位体ガス測定装置の一実施形態である呼気検査装置について説明する。この呼気検査装置は、被検者の呼気に含まれる１２ＣＯ２と１３ＣＯ２との濃度比（以下「１２ＣＯ２と１３ＣＯ２との濃度比」を「同位体ガスの濃度比」という）を測定するための装置である。
【００１４】
図１はこの呼気検査装置の概略構成図である。この装置のガス流路系は、試料ガス導入管１０と、大気導入管１１と、該大気導入管１１上に設けられた二酸化炭素除去フィルタ１２と、ガス導入管１４と、試料ガス導入管１０又は大気導入管１１を選択的にガス導入管１４に接続する三方弁１３と、ガス導入管１４及び排気管１６が接続された測定セル１５と、排気管１６に設けられたポンプ１７とから構成される。
【００１５】
測定セル１５は内径が４〜５ｍｍ程度の略円筒形状を有し、一方の端面に１２ＣＯ２ による吸収波長を通過させる第１バンドパスフィルタ１９と第１検出器２０とが配設され、対向する端面には1３ＣＯ２ による吸収波長を通過させる第２バンドパスフィルタ２１と第２検出器２２とが配設されている。第１及び第２検出器２０、２２としては焦電形検出器やＰｂＳｅ形検出器などが一般的であるが、そのほかに、対象ガスの吸収波長に合わせた検出感度を有するニューマチック形検出器（詳細については、例えば島津評論、Vol.46,No.1,p.29-p.36,1989を参照）が有用である。このニューマチック形検出器を用いる場合には、第１及び第２バンドパスフィルタ１９、２１は不要になる。
【００１６】
測定セル１５内の所定位置には小形の電球である赤外光源１８が配置されており、点灯時には両側方に光を放射する。この赤外光源１８は、光源駆動部２４により所定周期でもって点滅駆動される。この点滅周期は水晶振動子等で定められたきわめて正確なものであって、その点滅周波数は例えば１０Ｈｚ程度とするとよい。なお、測定セル１５の内壁面は、例えば金（Ａｕ）のコーティング等の方法により鏡面としておくことが望ましい。これによれば、赤外光源１８から放射された光が測定セル１５の内壁に当たっても、吸収が少なく、両端部の検出器２０、２２に到達する光量の損失が小さくなることから、測定誤差を小さくすることができる。
【００１７】
第１及び第２検出器２０、２２の検出出力は共に信号処理部２３に入力され、信号処理部２３では後述のような演算処理を行うことによって同位体ガスの濃度比を算出する。制御部２５は、操作部２６からの指示に基づいて上記各部の動作を制御するとともに、信号処理部２３で得られた測定結果などを表示部２７に表示させる。
【００１８】
なお、この例では、第１検出器２０から赤外光源１８までの距離Ｌ１を３０ｍｍ、第２検出器２２から赤外光源１８までの距離Ｌ２を２００ｍｍとしている。これは、対象とする二酸化炭素の濃度が相違するため、その両者の吸収による光の減衰の影響を同程度に合わせ、検出器２０、２２の入力対出力特性の線形性が良好な範囲で動作するようにするためである。但し、実際の計算上では、Ｌ２はもっと長いことが好ましく、ここでは製造上の都合や装置の小型化とのトレードオフを考慮して上記値を採用している。
【００１９】
続いて、上記構成の呼気検査装置を用いた測定について説明する。
（ｉ）参照ガスの測定
まず、参照ガス（ゼロガス）の測定を実行する。この例では、二酸化炭素を除去した大気を参照ガスとして利用している。すなわち、制御部２５の制御の下で、三方弁１３により図１中に点線で示すように流路が設定され、ポンプ１７が作動される。これにより、大気導入管１１を通して大気が吸引され、二酸化炭素除去フィルタ１２で二酸化炭素が除去されたあとに、ガス導入管１４を介して測定セル１５に導入される。そして、測定セル１５内部に拡散して充満し、排気管１６を通って外部へと排出される。
【００２０】
赤外光源１８は光源駆動部２４により所定周期で点滅駆動され、赤外光源１８から両側方に発した光は測定セル１５内部に充満した、二酸化炭素を含まない大気中を通過し、それぞれ適宜の吸収を受けて第１及び第２バンドパスフィルタ１９、２１に到達する。そして第１及び第２バンドパスフィルタ１９、２１によりそれぞれ所定波長近傍の光のみが抜き出され、第１及び第２検出器２０、２２に導入される。赤外光源１８は点滅しているから、第１及び第２検出器２０、２２は、点灯時の受光光の強度に応じた受光信号と消灯時の受光信号（つまり暗電流信号や外光による受光信号）とを上記点滅周期に応じて交互に出力する。
【００２１】
信号処理部２３はこの第１及び第２検出器２０、２２からの検出信号を受けるとともに、点滅周期に同期するタイミング信号を制御部２５から受け、同期整流により所定時間の間のそれぞれの検出信号を積算する。このとき、第１及び第２検出器２０、２２に対応して測定された値（信号積算値）をＩ０１２ 及び Ｉ０１３ とする。この測定値は参照ガスに対する値として一旦記憶される。
【００２２】
（ii）試料ガス（呼気）の測定
次に、測定対象である試料ガスの測定を実行する。すなわち、制御部２５の制御の下で、三方弁１３により図１中に実線で示すように流路が設定され、ポンプ１７が作動される。これにより、試料ガス導入管１０を通して試料ガス（呼気）が吸引され、ガス導入管１４を介して測定セル１５に導入される。そして測定セル１５内部に拡散して充満し、排気管１７を通って外部へと排出される。
【００２３】
また、赤外光源１８は上記参照ガス測定時と同様に点滅駆動され、このときに第１及び第２検出器２０、２２で検出された信号は信号処理部２３において同様に積算処理される。試料ガス測定時には、赤外光源１８から発した赤外光は試料ガスに含まれる二酸化炭素による強い吸収を受ける。第１バンドパスフィルタ１９では1２ＣＯ２ による吸収波長近傍のみが抜き出されるから、第１検出器２０では1２ＣＯ２ のみによる吸収の影響を受けた赤外光が検出される。一方、第２バンドパスフィルタ２１では1３ＣＯ２ による吸収波長のみが抜き出されるから、第２検出器２２では1３ＣＯ２ のみによる吸収の影響を受けた赤外光が検出される。このとき、第１及び第２検出器２０、２２に対応して測定された値（信号積算値）をＩ１２ 及び Ｉ１３ とする。
【００２４】
信号処理部２３では、ランベルト-ベールの法則を利用した次式に基づいて同位体の存在比Ｐが算出される。
0004158314.tif 000002
ここで、α１２及びα１３は1２ＣＯ２及び1３ＣＯ２の吸光度、Ｌ’1 及び Ｌ’2は1２ＣＯ２及び1３ＣＯ２に対応する測定赤外光の光路長である。本例のように測定セル１５の内径が小さい場合、光路長は赤外光源１８から各検出器２０、２２までの距離と看做すことができるから、Ｌ’1 及び Ｌ’2 は上述したＬ１及びＬ２とすることができる。すなわち、上記式に、Ｉ０１２ 、Ｉ０１３ 、Ｉ１２ 及び Ｉ１３ を適用することにより、試料ガス中の1２ＣＯ２と1３ＣＯ２との存在比、つまりは1２Ｃと1３Ｃとの存在比が求まる。
【００２５】
この装置では、参照ガスの測定と試料ガスの測定とを引き続いて、又はあまり時間をおかずに行うようにすれば（順序は問わない）、赤外光源１８の発光光量の長期的変動（例えば経時劣化による発光量の減少など）の影響を相殺することができる。また、より短い時間における発光光量の変動があった場合でも、同一の赤外光源１８を利用しているため、その影響は1２ＣＯ２と1３ＣＯ２の両方に現れ、結果的に相殺されることになる。
【００２６】
なお、上記例では、赤外光源１８を点滅駆動する構成としていたが、点灯時の光量と消灯時の光量との比、つまりは変調率が小さいと信号積算の効果があまり得られず、暗電流や外光などが誤差要因となる。そこで、このような場合（例えば、光源の点灯／消灯の追従性が良好でない場合など）には、点滅制御を行う代わりに、従来用いられているような機械的チョッパを利用してもよい。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る同位体ガス測定装置では、２つの同位体ガスを同時に測定する際に同一の光源を利用しているので、光源の発光光量の短時間の変動の影響を除去して、きわめて精度の高い測定を行うことができる。また、光源を中心に挟んで両側に測定セルを配置した構成であるので、光源を小さくすることができる。平板状の大きな光源を利用する場合、その光源の部位によって発光光量がばらつき易いが、本発明では光源を小さくすることによって、そのような発光光量のばらつきも回避することができる。
【００２８】
また、本発明に係る同位体ガス測定装置において光源を点滅駆動する構成とすれば、従来の機械的チョッパと異なり可動部を有していないので、振動に強く、しかも、チョッパを取り付けるために光源とセルとの間に窓材を挿入して分離する必要がなく、またチョッパ駆動用のモータも不要になるのでコスト的にも有利である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る同位体ガス測定装置の一実施例である呼気検査装置のの概略構成図。
【図２】  従来の呼気検査装置の要部の構成図。
【符号の説明】
１０…試料ガス導入管
１１…大気導入管
１２…二酸化炭素除去フィルタ
１３…三方弁
１４…ガス導入管
１５…測定セル
１６…排気管
１７…ポンプ
１８…赤外光源
１９…第１バンドパスフィルタ
２０…第１検出器
２１…第２バンドパスフィルタ
２２…第２検出器
２３…信号処理部
２４…光源駆動部
２５…制御部
２６…操作部
２７…表示部
【図１】
0004158314.tif 000003
【図２】
0004158314.tif 000004