(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
12ＣＯ2の中間赤外線吸収範囲に波長を持つ第１の光ビームおよび13ＣＯ2の吸収範囲に波長を持つ第２の光ビームを発生するレーザー・ダイオード照明器と、該照明器の温度を予め定められた温度に維持するために該レーザー・ダイオード照明器と熱接触する一次熱電冷却器と、該第１および第２の光ビームをその中に通し、かつ、試料ガスを保持する試料チャンバと、該試料チャンバから伝搬する光を検出し、これに反応して試料信号を発生する試料検出器と、該試料信号を受信し、これに反応して該試料ガス中の比：13Ｃ／12Ｃを測定する、該試料検出器と電気的に接続しているコンピュータとからなる、試料ガス中の比：13Ｃ／12Ｃを分析するスペクトロメータであって、
二次熱電冷却器と、該一次と二次の熱電冷却器間に狭持され、これらと熱接触している冷却板と、該二次熱電冷却器と熱接触し、該二次熱電冷却器から見て該冷却板の反対側にある吸熱器とをさらに有し、かつ、該冷却板、吸熱器および二次熱電冷却器は複数の留め具によって並置されていることを特徴とするスペクトロメータ。
【請求項２】
13Ｃ／12Ｃ存在比が既知である参照用ガスを保持する参照用チャンバと、参照用検出器であって、
該参照用チャンバが該照明器および該参照用検出器と光を送受し、かつ、該参照用検出器が、該参照用チャンバ内の13Ｃ／12Ｃ存在比を表す参照用信号を発生する、前記参照用検出器および参照用チャンバをさらに有することを特徴とする、請求の範囲１に記載のスペクトロメータ。
【請求項３】
いずれのチャンバも介して伝搬してこない該照明器からの光ビームを検出し、これに反応してゼロ信号を発生するゼロ検出器であって、該ゼロ検出器は該コンピュータに電気的に接続されており、かつ、該ゼロ検出器および照明器は真空チャンバ内に配置されている、前記ゼロ検出器をさらに有することを特徴とする、請求の範囲２に記載のスペクトロメータ。
【請求項４】
該試料ガスを保持し、該試料ガスを予め定められた温度を上回る温度に維持することによって、該試料チャンバ内に凝結の形成を避ける中空の熱交換器をさらに有することを特徴とする、請求の範囲１に記載のスペクトロメータ。
【請求項５】
各々の留め具が各々のヘッドおよび各々のシャンクによって形成され、かつ、各々の留め具の該シャンクは該冷却板中に配置され、なおかつ、各々の留め具の該ヘッドは該吸熱器と並置され、これと熱絶縁物によって分離され、
それによって、該冷却板、二次熱電冷却器および吸熱器は、該熱電冷却器が該レーザー・ダイオード照明器を冷却するために通電されると、一緒に駆動される、請求の範囲１に記載のスペクトロメータ。
【請求項６】
該スペクトロメータがゼロ信号および、参照用ガスの吸光度を表す参照用信号を発生し、かつ、
該コンピュータによって読み出し可能であって、該試料信号、参照用信号およびゼロ信号を処理する方法ステップを実行する、該コンピュータによって実行可能な命令から成るプログラムを確実に収録するプログラム蓄積装置を該コンピュータが具備し、
該方法ステップが、該ゼロ信号を基準にして該試料信号および参照用信号を正規化するステップと、該試料信号および参照用信号を既知の波数軸にたいして関連付けるステップと、該試料信号および参照用信号の各々において、各々の予め選択された波長において該吸光強度を測定するステップと、該参照用ガスを基準にして該試料ガス中の13Ｃ／12Ｃ存在比を測定するステップとからなる前記のプログラム蓄積装置を具備する、請求の範囲１に記載のスペクトロメータ。
【請求項７】
該レーザ・ダイオード照明器の温度を表す温度信号を発生する、該レーザー・ダイオード照明器に隣接して配置された温度センサーであって、該温度センサーは該コンピュータに電気的に接続されており、該コンピュータが該温度信号を受信しこれに反応して該一次熱電冷却器の通電を制御するようになされた温度センサーをさらに有する、請求の範囲６に記載のスペクトロメータ。
【請求項８】
試料ガス中の第２の同位体種に対する該試料ガス中の第１の同位体種の存在比を測定するスペクトロメータであって、該試料ガスを保持する試料チャンバと、複数の分離波長からなるコヒーレント光を該試料チャンバを通して発するレーザーと、該レーザを予め定められた温度に保つために該レーザーと熱接触する電動式冷却器と、該試料チャンバからの光を検出し、これに反応して試料信号を発生する試料検出器と、該試料信号を受信して、これに反応して、該第２の同位体種に対する該第１の同位体種の存在比を決定するコンピューターとを有し、
該レーザーがダイオード・レーザー照明器であり、該冷却器が一次熱電冷却器であって、二次熱電冷却器と、該一次と二次熱電冷却器間に狭持され、これらと熱接触している冷却板と、該二次熱電冷却器と熱接触し、該二次熱電冷却器から見て該冷却板の反対側にある吸熱器とをさらに有し、該冷却板、吸熱器および二次熱電冷却器が複数の留め具によって並置されているスペクトロメータ。
【請求項９】
参照用検出器と、該第２の同位体種に対する該第１の同位体種の存在比が既知である参照用ガスを保持する参照用チャンバであって、
該参照用チャンバが該照明器および該参照用検出器と光を送受し、かつ、該参照用検出器が、該参照用チャンバ内の該既知の比を表す参照用信号を発生するようになされた、前記参照用検出器と参照用チャンバとをさらに有する、請求の範囲８に記載のスペクトロメータ。
【請求項１０】
いずれのチャンバも介さずに伝搬してきた該照明器からの光ビームを検出し、これ応じてゼロ信号を発生するゼロ検出器であって、該ゼロ検出器は該コンピュータと電気的に接続され、かつ、該ゼロ検出器および照明器が真空チャンバ内に配置されるようになされた、前記のゼロ検出器をさらに有する、請求の範囲９に記載のスペクトロメータ。
【請求項１１】
該試料ガスを保持し、かつ、該試料ガスを予め定められた温度より高い温度に維持し、それによって該試料チャンバ中で凝結の形成を避ける中空の熱交換器をさらに有する、請求の範囲１０に記載のスペクトロメータ。
【請求項１２】
各々の留め具が各々のヘッドおよび各々のシャンクから形成されており、かつ、各々の留め具の該シャンクが該冷却板中に配置されており、なおかつ、各々の留め具の該ヘッドが該吸熱器と並置され、熱絶縁物によってこれから分離されていて、
それによって、該冷却板、二次熱電冷却器および吸熱器が、該レーザー・ダイオード照明器を冷却するために該熱電冷却器が通電されると、一緒に駆動される、請求の範囲８に記載のスペクトロメータ。
【請求項１３】
該スペクトロメータがゼロ信号および、参照用ガスの吸光度を表す参照用信号を発生し、かつ、
該コンピュータによって読み出し可能であり、該試料信号、参照用信号およびゼロ信号を処理する方法ステップを実行する、該コンピュータによって実行可能な命令のプログラムを確実に収録するプログラム蓄積装置を該コンピュータが具備し、
該方法ステップが、該ゼロ信号を基準にして該試料信号および参照用信号を正規化するステップと、該試料信号および参照用信号を既知の波数軸に対して関連付けるステップと、該試料信号および参照用信号の各々において、各々の同位体種の少なくとも１つの予め選択された吸収線の強度を測定するステップと、該参照用ガスを基準にして該試料ガス中の該第２の同位体種に対する該第１の同位体種の存在比を測定するステップとからなるようになされた前記のプログラム蓄積装置を具備する、請求の範囲８に記載のスペクトロメータ。
【請求項１４】
該レーザー・ダイオード照明器の温度を表す温度信号を発生する、該レーザー・ダイオード照明器に隣接して配置された温度センサーであって、該温度センサーは該コンピュータに電気的に接続され、該コンピュータは該温度信号を受信してこれに応じて該冷却器を制御するようになされた、前記の温度センサーをさらに有する、請求の範囲１３に記載のスペクトロメータ。
【発明の詳細な説明】
発明の分野
本発明は一般にはレーザー・ベースのスペクトロメータに関し、より特定的には物質中の同位体存在比を分析する方法および装置に関する。
発明の背景
炭素13(13Ｃ)は自然界に存在する炭素の非放射性同位体で、13Ｃは地球上のすべての炭素のうち約1％を占め、残りの９９％の炭素の大半は炭素12(12Ｃ)から構成される。物質中の13Ｃと12Ｃの存在比の変動を測定することにより、生物学者、地質学者、医療関係者に貴重な情報を提供することができる。周知のとおり種々のプロセスが13Ｃと12Ｃの存在比の値に影響を及ぼしているからである。
13Ｃと12Ｃの存在比の知識が貴重なものとなりうる１つの応用例として、植物体からの有機物を含有する土壌中の炭素は、非有機体からの炭素と比較してその比：13Ｃ／12Ｃはかなり低い。このため、火星で採取した種々の土壌の試料について13Ｃと12Ｃの存在比を分析することによって、火星のような惑星が、炭素をベースとする植物体をかつて扶養していたかどうか推測することができる。
もう１つの例として、患者の呼吸に含まれる13Ｃと12Ｃの存在比を測定することによって、その人の病気を診断することができる。呼吸中の13Ｃの含有量を分析して病気を診断することにより、その他の診断検査よりも優れた多くの重要な利点が生まれている。そのような利点には、安全であること、痛みがないこと、結果が早く手に入ること、費用があまりかからないことなどがある。
13Ｃ分析を基礎にして病気を診断するには、患者は食物によく似た物質を含有するカプセルを最初に飲み込む。この物質は「基質(substrate)」と呼ばれ、特に同位体として13Ｃを豊富に有している。異なる基質は異なる酵素によって消化されるため、特定の器官に基質を適応(tailor)させることによって、検査に供する器官を標的にすることが可能である。実際に、このような呼吸の分析を利用して多くの病気を診断することができるとともに、様々な基質が医療診断用に提案または開発されているところである。現在、このような基質としては、胃腸系統におけるヘリコバクテル・ピローリ(Helicobacter pylori)・バクテリア(潰瘍と胃炎の原因)の13Ｃ尿素検査、肝機能および肝硬変の13Ｃガラクトース検査、脂肪吸収不良の13Ｃヒオレイン(Hiolein,登録商標)検査、膵臓および小腸粘膜機能不全の13Ｃネオレート(Neolate,登録商標)検査、小腸バクテリア異常増殖の13Ｃキシロース検査、炭水化物吸収不良の13Ｃグルコース検査、膵臓アミラーゼの13Ｃデンプン検査、蛋白質代謝の13Ｃ蛋白質検査、代謝先天性傷害の13Ｃアミノ酸検査、および乳糖不耐性の13Ｃ乳糖検査などがある。関連する基質を用いたこのような検査は、おそらくより多く開発されるものと認められよう。
いったん飲み込まれてしまうと、基質は消化されるか、そうでなければ標的の器官によって処理され、消化の結果として生じた二酸化炭素（ＣＯ2）は、患者の静脈の血液によって患者の肺臓へ輸送され、そこで肺臓の肺胞の壁を通してＣＯ2が移動して排出される。このとき、患者の呼吸中の12ＣＯ2に対する13ＣＯ2の存在比が、特殊目的の機器によって測定される。正常な個体でのその存在比は、病気を抱えた個体での存在比とは異なり、よって医師に診断のための手がかりを与えている。重要なことは、患者の呼吸中の12ＣＯ2に対する13ＣＯ2の存在比を測定するという基本的な分析技術は、このようにして診断することができるすべての病気にとって変わりがないという点である。したがって、単一目的の機器が、種々の基質とともに使用されると、幅広く様々な検査を実行することができる。
しかしながら、今のところ呼吸の検査により病気を診断することはあまり行われていない。同位体分析に使われる機器の値段が現時点では高いことがその主な理由である。このような機器として最も普及しているのは質量スペクトロメータで、１台当たりの値段が150,000ドルから500,000ドルに達する精密機器である。しかも、質量スペクトロメータを操作するには熟練した技術者の手を借りなければならないのが普通である。以上のような事情により、呼吸の検査を診療所や病院で広範に利用することは経済的に実行不可能である。
そこで、患者の呼吸中の13Ｃと12Ｃの存在比を測定するために、質量スペクトロメータよりも安価な分析用機器をその代わりに導入している。より詳細には、光学スペクトロスコピーの原理を援用した機器を導入し、患者の呼吸中の13Ｃと12Ｃの存在比を測定している。光学スペクトロスコピーとは、測定に関する１つの方法で、ガス状物質が一定波長の光学エネルギーを吸収する性質を利用することにより、そのガス状物質の検出と測定を行うことができるというものである。ガス状物質のそれぞれには、その波長で光学エネルギーを吸収する固有の波長がある。波長がある領域にわたる多重スペクトルの光が光源からガスを通して伝わると、吸収された特定の波長とその吸収の大きさからガスの組成がわかるのである。
レーザーは光学スペクトロスコピーの光源として広く使われている。狭いスペクトルの輝線がコヒーレント光の使用によって供給されるからである。本発明にとってとりわけ大切な光源はダイオード・レーザーの光源である。ダイオード・レーザーは半導体技術を基礎にした部類のレーザーで、シリコン、ガリウム砒素、または硫化鉛などの結晶基板上で種々の物質による複数の層から構成される。ダイオード・レーザーには、電流が流されたときに、きわめて狭い波長帯で光を放出するという性質がある。
このような装置の１つの例がリー(Lee)らの米国特許Re.33,493号で開示され、これは３μｍから６μｍの波長で動作するダイオード・レーザーのガス分析スペクトロメータである。二酸化炭素の１次（すなわち、ν3基本）吸収帯は約４．３μｍになるので、リーらの装置はＣ13とＣ12の存在比を検出するために最適の波長で動作する。しかし残念なことに、リーらの装置は低温冷却を必要とし、宇宙飛行体と医療診断での使用の両方にとって不適当なものになっている。
他のダイオード・レーザー・ベースのスペクトロメータがクーパー(Cooper)らの米国特許第5,317,156号で開示され、これは室温温度で動作可能なインジウムガリウム砒素リン(InGaAsP)から作られたダイオード・レーザーを使用し、このため低温冷却を必要としない。しかし残念なことに、クーパーらのスペクトロメータが動作する波長は１．６μｍに限られている。ということは、このスペクトロメータで検出可能な吸収スペクトルは、二酸化炭素のν3基本吸収帯ではなく二酸化炭素の弱吸収帯に位置する。このため、１．６μｍ領域での二酸化炭素による吸収量は、大きさの順序ではν3基本領域での吸収量よりも小さいので、クーパーらの装置で感度の低下に見舞われるのは本質的なことである。呼吸の分析に応用されるときは、測定の感度がダイオード・レーザーでの重要なパラメータになる。感度の劣った機器を使用すると、患者に対して13Ｃを含有する基質を大量に投与しなければならない。その結果、費用は増大し、認可(regulatory approval)を困難にする恐れがある。
それゆえに、本発明の目的は、二酸化炭素の４．３μｍ吸収波長領域で動作し、物質中の13Ｃと12Ｃの存在比を分析するスペクトロメータを提供することである。本発明の他の目的は、低温冷却を必要とすることなく、物質中の13Ｃと12Ｃの存在比を分析するスペクトロメータを提供することである。さらに本発明の他の目的は、使用が簡単で安価な13Ｃと12Ｃの存在比を分析するスペクトロメータを提供することである。
発明の要約
試料ガス中の13Ｃと12Ｃの存在比を分析するスペクトロメータは、12ＣＯ2の中間赤外(mid-infrared)吸収領域の波長を特徴とする第１光ビームと、13ＣＯ2の吸収領域の波長を特徴とする第２光ビームを発生させるレーザー・ダイオード照明器を具備する。また、当該スペクトロメータは、照明器の温度を所定の温度に維持するレーザー・ダイオード照明器と熱接触する１次熱電冷却器を(primary thermoelectric cooler)具備する。さらに当該スペクトロメータは、第１および第２光ビームと光波通信(light communication)を行う試料用チャンバを具備し、試料用チャンバには試料ガスが保持される。試料用検出器は、試料用チャンバからの光の伝播を検出し、それに応じて試料信号を発生させるために試料用チャンバと光波通信を行う。また、試料信号を受信し、それに応じて試料ガス中の13Ｃと12Ｃの存在比を決定するためのコンピュータを試料用検出器に電気的に接続してある。
とくに、13Ｃと12Ｃとの比が既知である参照ガスを保持する参照用検出器と参照用チャンバを設けることが望ましい。参照用チャンバは、照明器および参照用検出器と光波通信を行うとともに、参照用検出器は参照用チャンバ内の13Ｃと12Ｃの存在比を伝える参照信号を発生させる。
本発明での好ましい実施態様では、ゼロ検出器(null detector)は、どちらのチャンバも経由せずに伝播する照明器からの光ビームを検出する。本発明で意図されているとおり、ゼロ検出器はゼロ信号(null signal)を発生させる。また、ゼロ検出器と照明器の両方を真空チャンバ内に配設する。
しかも、中空熱交換器(hollow heat exchanger)が試料ガスを保持するとともに、所定の温度よりも高く試料ガスの温度を維持し、よって試料用チャンバ内で凝結(condensation)が形成されるのを防ぐものとする。さらに、当該スペクトロメータは、２次熱電冷却器(secondary thermoelectric cooler)、１次および２次熱電冷却器の間に挟まれた冷却板(cold plate)、２次熱電冷却器と熱接触し、２次熱電冷却器に関して冷却板に対向した熱吸収装置(heat sink)を具備する。好ましい実施態様では、冷却板、熱吸収装置、２次熱電冷却器が複数個の留め具(fastener)によって並設される。
好ましい実施態様によると、各留め具はそれぞれの頭部(head)とそれぞれの軸部(shank)とともに形成される。各留め具の軸部は冷却板に配設され、各留め具の頭部は熱吸収装置に並置されるとともに、断熱材によって熱吸収装置から分離され、熱電冷却器を通電してレーザー・ダイオード照明器を冷却するときに、冷却板、２次熱電冷却器、および熱吸収装置がいっしょに駆動されるようにする。
本発明のスペクトロメータはコンピュータにより運用され、コンピュータにはコンピュータによって読取り可能なプログラム記憶装置が内蔵されて、コンピュータによって実行可能な命令からなるプログラムを確実に具体化して、試料信号、参照信号、およびゼロ信号を処理する方式の諸段階を実行する。当該方式の諸段階には、ゼロ信号に関する試料信号および参照信号の正規化(normalizing)と、さらに試料信号および参照信号の既知の波数軸(wavenumber axis)に関連付ける(referencing)ことが含まれる。しかも、当該方式の諸段階には、試料信号の第１予選択波長での吸収度の決定と、参照信号の第２予選択波長での吸収度の決定と、参照ガスを基準とする試料ガス中の13Ｃと12Ｃの存在比の決定が含まれる。
特に、スペクトロメータには、レーザー・ダイオード照明器の温度を伝える温度信号を発生させる温度センサが、レーザー・ダイオード照明器に隣接して設置されることが望ましい。コンピュータは温度信号を受信し、その信号に応じて１次熱電冷却器の通電を制御する。
本発明の他の側面では、スペクトロメータは試料ガス中の第１同位体種と第２同位体種の存在比を測定するものとして開示される。当該スペクトロメータは、試料ガスを保持する試料用チャンバと、試料用チャンバを通じて複数の離散的な波長でコヒーレント光を放出するレーザーを具備する。また、当該スペクトロメータは、レーザーを所定の温度に設定するためにレーザーと熱接触する電動式冷却器を具備する。また、試料用チャンバから光を検出し、それに応じて試料信号を発生させる試料用検出器が設けられる。さらに、試料信号を受信し、それに応じて第１同位体種と第２同位体種の存在比を決定するコンピュータが試料用検出器と結合してある。
さらに本発明の別の側面では、プログラム記憶装置はコンピュータによって読取り可能で、コンピュータによって実行可能な命令からなるプログラムを確実に具体化し、試料ガスの同位体種の存在比を伝える試料信号、参照ガスの同位体種の存在比を伝える参照信号、およびゼロ信号を処理する方式の諸段階を実行する。信号はダイオード・レーザー・スペクトロメータによって発生し、当該方式の諸段階には、ゼロ信号に関する試料信号および参照信号の正規化と、さらに試料信号および参照信号を既知の波数軸に関連付けることが含まれる。次に、試料信号における各同位体種の予選択波長での吸収度と、参照信号における各同位体種の予選択波長での吸収度が決定される。このとき、参照ガスを基準とする試料ガス中の予選択同位体種の存在比が決定される。
本発明の詳細、とくにその構造と動作の両方に関する詳細は、添付する図面を参照すると最もよく理解することができる。添付する図面では、同類参照符号は同類部品を指示するものとする。次のとおりである：
【図面の簡単な説明】
図１は、真空チャンバ内部の配線を省略して明確にした、本発明のスペクトロメータの概略を示す平面図である。
図２は、コンピュータとバルブ・マニホルドを省略して明確にした、本発明のスペクトロメータの概略を示す正面図である。
図３は、コンピュータとバルブ・マニホルドを省略して明確にした、本発明のスペクトロメータの概略を示す側面図である。
図４は、本発明に関する分析の諸段階を示したフローチャートである。
好ましい実施態様の詳細な説明
最初に図１を参照すると、ダイオード・レーザー・スペクトロメータが一般に符号10で示してある。図面で示されるとおり、スペクトロメータ10は、バルブの動作を制御するバルブ・マニホルド14に電気的に接続されたコンピュータ12を収容するスペクトロフォトメータである。また、バルブ・マニホルド14は参照ガスの真空ポンプ14Aとソース14Bを具備するのが望ましい。さらに、コンピュータ12は複数の配線15を経由してハウジング16内部の構成部品に電気的に接続され、以下に開示されるとおり構成部品の動作を制御する。コンピュータ12、バルブ・マニホルド14、およびハウジング16をすべて1個のケースに内臓することができると理解されるところである。
１つの好ましい実施様態では、コンピュータ12はペンティアム(登録商標)・セントラル・プロセッサとプログラム記憶装置18を内蔵するラップトップ型コンピュータである。本発明で意図されるとおり、プログラム記憶装置18は、実行可能な一連の命令を実行するプロセッサをコンピュータ12内部に備えることができる。例えば、これらの命令をコンピュータ12のＲＡＭに格納することができる。
その代わりになるものとして、コンピュータ・ディスケットなどのデータ記憶媒体上に命令を収納することができる。また、ＤＡＳＤアレイ、磁気テープ、通常型ハードディスク・ドライブ、電子式読取り専用メモリ、光学式記憶装置、またはその他の適切なデータ記憶装置上に命令を記憶することもできる。本発明の実施態様の説明では、おそらく実行可能な命令はコンパイルされたＣ++言語コードのラインである。
図１で示される好ましい実施態様では、ハウジング16は真空チャンバ20とセル・アッセンブリ22を具備し、配線15は真空ロック取付部23を通じて真空チャンバ20を通過する。本発明に従うと、真空チャンバ20は製造の最中に真空排気されてから密閉される。ダイオード・レーザー24はセル・アッセンブリ22と光波通信(optical communication)を行う真空チャンバ20に設置される。より詳細には、試料・参照用ビーム分割器(beam splitter)28と30の方へダイオード・レーザー24からの光を反射するように凹面反射鏡(concave reflective mirror)26を設置しておき、次に、ビーム分割器28と30はセル・アッセンブリ22の中に試料・参照用入力ビーム32と34のそれぞれを反射する。１つの好ましい実施態様では、ビーム分割器28と30はポリプロピレン／ポリエチレン薄膜ビーム分割器(pellicle beamsplitters)である。ダイオード・レーザー24は配線15のうちの１つを経由してコンピュータ12にも電気的に接続される。コンピュータ12は、ダイオード・レーザー24の出力ビームの所望する周波数に適するように、ダイオード・レーザー24を流れる電流を設定する。
ダイオード・レーザー24は、その動作温度が７７ケルビン（７７°Ｋ）を超えて、放出スペクトルが約３マイクロメータから１２マイクロメータ（３μｍから１２μｍ）に及び、ダイオード・レーザー24への入力電流を変化させることによって周波数掃引を行うことができる単色光ビーム(monochromatic chherent light beam)出力を備えた調整可能な(tunable)鉛塩(lead-salt)ダイオード・レーザーであることが望ましい。さらに、ダイオード・レーザー24の動作温度は２００°Ｋよりも高く、その光ビーム出力の波長を４．３μｍ領域で掃引できることが望ましい。好ましい実施態様では、ダイオード・レーザー24はマサチューセッツ州アンドーバーのレーザー・フォトニクス社(Laser Photonics of Andover,Mass.)が製造した埋設ヘテロ構造型(buried heterostructure-type)ダイオード・レーザーで、その構成は４．２μｍから４．４μｍ（２２８０ｃｍ-1から２３８０ｃｍ-1）スペクトル領域で動作するように調整してある。
ダイオード・レーザー24を恒常的な所定の温度に設定するには、電気冷却器36をダイオード・レーザー24と熱接触するように設置する。図１で示すとおり、ダイオード・レーザー24は電気冷却器36に物理的に搭載される。本発明での1つの好ましい実施態様では、電気冷却器36は１次熱電冷却器(primary thermoelectric cooler)で、実際はおそらく熱電冷却器の単体を積重したものである。その代わりとなる実施態様では、電気冷却器36はクライオクーラで、オハイオ州アシネのサンパワー社(Sunpower Inc.of Athens,OH)が製造したクライオクーラのうちの１台などがその例である。本発明で意図されているとおり、クライオクーラは可逆スターリング・エンジン(reverse Sterling engine)で、冷却器のシールド・サイクル(sealed cycle)を通じて冷却液を汲み出すピストンに連結された電気線型誘導モータを備える。どちらの場合でも、本発明では通常型低温冷却の利用を回避して、本発明を宇宙飛行体と医療診断での応用の両方に適するようにしていることが認められよう。
ダイオード・レーザー24と同様に、電気冷却器36はコンピュータ12に電気的に接続され、コンピュータ12は冷却器36の動作を制御し、ダイオード・レーザー24を所定の温度に設定する。このような目的のために、コンピュータ12には、レーザー・フォトニクス社(Laser Photonics)などが製造するクライオスタット37を組み込むことができる。コンピュータ12へ温度フィードバック信号を供給するには、ダイオード温度センサ38を電気冷却器36に搭載して冷却器36の温度を感知し、それに応じて温度フィードバック信号を発生させる。ダイオード温度センサ38は、コンピュータ12へ温度フィードバック信号を送信する1本以上の配線15を経由して、コンピュータ12に電気的に接続してある。その代わりになるものとして、コンピュータ12は冷却器36ともまた熱接触する加熱器39の動作を制御することができるとともに、それによってダイオード・レーザー24に所定の温度を設定する。
図１、図２、および図３を相互に参照すると、１次電気冷却器36が熱電冷却器であるときには、アルミニウム製、スチール製、または銅製の冷却板40が１次電気冷却器36と対置され、電気冷却器36は冷却板40に搭載される。また、２次熱電冷却器42は冷却板40と熱接触するように設置され、アルミニウム製、スチール製、または銅製の熱吸収装置44が２次熱電冷却器42と熱接触するように設置される。図に示すとおり、複数個の留め具46が、望ましくはスレッデッド・ボルト(threaded bolts)が、２次冷却器42と対置させて熱吸収装置(heat sink)44を固設し、また冷却板40と対置させて２次冷却器42を固設する。留め具46は、冷却板40の相補形状構造と折曲可能(threadably)に係合されるが、留め具46はその他の金属製の構成部品と熱接触しない。
別に述べられるとおり、冷却板40は１次冷却器36と２次冷却器42の間に挟まれて、冷却板40は１次冷却器36および２次冷却器42と熱接触し、熱吸収装置44が２次熱電冷却器42に関して冷却板40に対向されている。冷却板40、熱吸収装置44、および２次熱電冷却器42は留め具46によって並設される。
おそらく図２と図３を相互に参照して最もよく示されるとおり、各留め具46はそれぞれの軸部46aとそれぞれの頭部46bを具備する。各留め具46の軸部46bは、熱吸収装置44、２次熱電冷却器42、および冷却板40に配設される。さらに、各留め具46の頭部46aは熱吸収装置44と並置され、それぞれの断熱材48によってそこから分離される。熟練した技師により、図に示されるような留め具46の配向で、金属の熱膨張特性のために、電気冷却器36と42を通電するときに、留め具46を効果的に締め付ける、または緩めることが認められよう。そのことによって、冷却板40、２次熱電冷却器42および熱吸収装置44がより緊密に駆動され、電気冷却器36と42を通電するときに、電気冷却器36と42から別の向きへの熱輸送を改善する。
図２が示すように、冷却板温度センサ50を都合よく冷却板40に搭載することができるとともに、コンピュータ12に電気的に接続されて、コンピュータ12に追加温度フィードバック信号を供給する。センサ50はサーミスタまたはその他の適当な温度センサとすることができる。図３が示すように、熱吸収装置44は冷却フィン49と熱接触し、冷却フィン49はファン49Aによって冷却され、熱吸収装置44から熱を除去する。
あらためて図１を参照すると、ダイオード・レーザー24の出力ビームのゼロ・ビーム部分51は、ビーム分割器28と30の中を伝搬し、ゼロ検出器54の方へゼロ鏡面52によって反射され、その両方を真空チャンバ20に配置してある。図に示されるとおり、ゼロ・ビーム部分51はセル・アッセンブリ22に進入しない。しかも、試料・参照用検出器56と58は、セル・アッセンブリ22からのそれぞれの試料・参照用リターン・ビーム60と62を受信するために真空チャンバ20に設置してある。３台の検出器54、56、58がそれぞれの検出器に突き当たる光を伝える電気的なゼロ信号、試料信号、参照信号を発生させて、コンピュータ12へ向けてその個々の信号を送信するために、検出器54、56、58をコンピュータ12に電気的に接続してあるということが理解されるところである。
１つの実施態様では、検出器54、56、58はニュージャージー州クランベリーのインフラレッド社(InfraRed Associates of Cranbury,NJ)が製造したアンチモン化インジウム(InSb)検出器であるが、水銀・カドミウム・テルル(HgCdTe)検出器などのその他の適切な赤外線検出器を使用することもできる。検出器54、56、58は、検出器54、56、58を所定の温度に設定するために、上記で開示された金属製熱伝達用構成部品36、40、42、44のうちの１つに搭載される。それゆえに、コンピュータ12は検出器54、56、58に直流結合してあるトランスインピーダンス増幅器を具備するか、またはアクセス可能に設けることができるとともに、増幅器はコンピュータ12内の12ビット／100kHzのアナログ・デジタル変換器ボードに接続される。本発明での１つの好ましい実施態様では、変換器ボードはマサチューセッツ州マンスフィールドのコンピュータ・ボード社(Copmuter Boards of Mansfield,MA)が製造したモデルＣＩＯ−ＡＤ１６／Ｆボードにすることができる。
試料・参照用検出器56と58はそれぞれの試料・参照用リターン・ビーム60と62を受信することを思い起こしておく。図１に示すとおり、試料・参照用リターン・ビーム60と62は、セル・アッセンブリ22における中空円筒状の試料・参照用セル68と70にそれぞれ配設してある試料・参照用鏡面64と66から試料・参照用入力ビーム32と34を反射したものである。
本発明で意図されているとおり、試料用セル68は未知の濃度で第１および第２同位体種を有する試料ガスを保持する試料用チャンバを規定する。それに対して、参照用セル70は既知の濃度で第１および第２同位体種を有する参照ガスを保持する参照用チャンバを規定する。本発明の目的は、試料ガス中の第１同位体種の濃度と、試料ガス中の第２同位体種の濃度との比を決定することである。試料ガスは、同位体の存在比を測定したい任意のガスを選択することができる。好ましい実施態様では、試料ガスは13ＣＯ2と12ＣＯ2との混合物で、求められる同位体種の存在比は比：13Ｃ／12Ｃである。
とくに、セル68と70の両方のチャンバを最初に真空排気してから試料ガスと参照ガスで充填しておき、セル68と70は相互に熱接触してセル間の温度差を最小にすることが望ましい。バルブ・マニホルド14は、試料用チャンバの中に試料ガスを選択的に導通させるために、流体管路72を経由して試料用セル68と流通している。患者の呼吸などから試料ガスを収集するために、バルブ・マニホルド14と試料収集管74の間に流通を確立することができる。試料収集管74の中へ患者の呼吸を導くことができる。
所望の場合には、流体管路76を経由して参照用セル70とバルブ・マニホルド14の間に流通を確立することもできる。参照用セル70をソース14Bからの参照ガスで再充填するか、または真空ポンプ14Aを適切に動作させることによって参照用セルを真空排気する。実際に、参照用セル70とゼロ・ビーム部分51を省略することができるとともに、その代わりに試料用セル68を試料ガスで充填して参照ガスで真空排気と再充填を行い、参照用セル70とゼロ・ビーム部分51の機能を継承することを本発明では想定している。
さらに図１を参照すると、試料用セル68と参照用セル70は赤外線透過性試料・参照用光学ウィンドウ78と80によってそれぞれ真空チャンバ20から分離される。このウィンドウにより、試料・参照用入力ビーム32と34が試料・参照用チャンバに進入し、試料・参照用鏡面64と66へ伝搬し、この鏡面から試料・参照用リターン・ビーム60と62として反射されるようにしている。
ビームが試料・参照用セル68と70の中を伝搬するにつれて、セル内のガスによって部分的に吸収され、その吸収の特性はガス中の第１および第２同位体種の濃度によって影響される。このため、ビームを試料・参照用検出器56と58によって検出できるとともに、その吸収の特性をコンピュータ12によって分析し、第１同位体種の濃度と第２同位体種の濃度の比を決定する。
図３で最もよく示されるように、セル・アッセンブリ22は中空熱変換器82を具備する。熱変換器82は試料ガスを試料用チャンバに導通させる前に試料ガスを保持する。好ましい実施態様に従うと、熱変換器82は熱吸収装置44と熱接触し、それによって暖められて、試料ガスの温度を所定の温度よりも高く維持して、よって試料用チャンバ内で水分の凝縮が形成されるのを妨げる。所望の場合には、熱交換器84を加熱するために、熱変換器84と熱接触するようにコンピュータ12が制御する電気コイル84を配設することができる。熱変換器温度センサ86は熱変換器82に搭載されて熱変換器82の温度を伝える信号を発生させるとともに、温度センサ86からの信号はコンピュータ12に送信される。
次に図４を参照すると、スペクトロメータ10の動作において、コンピュータ12は最初にブロック90で走査を開始し、そこから結果として生じる参照信号、ゼロ信号および試料信号を収集する。走査を生成する際に、第１および第２同位体種の光吸収周波数にそれぞれ対応する少なくとも２つの周波数で、ダイオード・レーザー24がレーザー光を放出するようにしたのに応じて、コンピュータ12は電流がダイオード・レーザー24を通過するようにしておく。
言い換えれば、各走査サイクルごとに、コンピュータ12はダイオード・レーザー24が第１同位体種の中赤外線吸収周波数に対応する波長を特徴とする第１光ビームと、第２同位体種の中赤外線吸収周波数に対応する波長を特徴とする第２光ビームを発生させるようにする。該当する吸収スペクトルをダイオード・レーザー24が掃引するように、入力電流の大きさを掃引することができるとともに、単一の走査により、例えば512などの複数のスイープの平均を表すことができるということを理解すべきである。
第１同位体種が13Ｃ16Ｏ16Ｏで、第２同位体種が12Ｃ16Ｏ16Ｏであるときは、該当する吸収スペクトルが２２８０ｃｍ-1から２３８０ｃｍ-1に及び、とくに第１および第２光ビームは、ν3中赤外帯域(mid-infrared band)における13ＣのＲ（１０）ラインと12ＣのＰ（６０）ラインにそれぞれ対応する２２９１．６８１ｃｍ-1と２２９１．５４２ｃｍ-1の周波数を特徴とすることが望ましい。これらのラインが選択されるのは、ライン同士が近接しているので必要とする波長のスイープが簡単になることと、13ＣＯ2と12ＣＯ2のそれぞれによる２つのラインの吸収がほぼ等しくなるので存在比の測定精度が向上するためである。１次電気冷却器36の熱負荷を軽減するために、例えば約１０％の軽減された負荷サイクルでダイオード・レーザー24をパルス化することがある。
上記で論じたとおり、試料・参照用セル68と70を伝搬するリターン・ビーム60と62は、試料・参照用検出器56と58によって検出される。試料・参照用信号とほぼ同時に収集されるゼロ検出器54からの信号といっしょに、検出器56と58からの信号はコンピュータ12に送信される。
試料信号、参照信号、およびゼロ信号を受信した後に、コンピュータ12はブロック92へ移行して、そこでコンピュータ12はゼロ・スペクトルを設定し、熱的および電気的なドリフトを是正する。ゼロ・スペクトルを設定するには、ダイオード・レーザー24がそれぞれのゼロ信号を設定するようにアクティブ化されないときに、検出器54、56、58からの信号を測定する。次に、ダイオード・レーザー24がアクティブ化されるときに感知されるゼロ信号が、試料信号、参照信号、およびゼロ信号から差し引かれる。その代わりになるものとして、スペクトル走査と同調させながら、(図示されていない)シャッターによって周期的な入力光ビーム32と34を機械的に封鎖する。
入力ビーム32と34の強度を必ずしも正確に知ることができるとは限らない場合がある。そこで、本発明ではブロック94でこの問題に対処し、そこでコンピュータ12は、ゼロ信号を用いて試料信号と参照信号を分離することにより、ゼロ検出器54からのゼロ信号に関して試料用検出器56からの試料信号と参照用検出器58からの参照信号を正規化する。
このとき、ブロック96では、コンピュータ12が波数軸を設定し、試料信号と参照信号を波数軸に関連付ける。好ましい実施態様では、コンピュータ12は、既知の相対または絶対波数を表示する数からなる第1アレイを組み立てる。さらに、コンピュータ12は、該当するスペクトルのスペクトル・マーカーを表示する数からなる第2アレイを組み立てる。
第２アレイを組み立てる際に、本来はコンピュータ12により、試料信号または参照信号のうちの１つにおいて周知の場所に局在する吸収ピークを識別する。これらのピークは第２アレイのエントリを設定する。その代わりになるものとして、第２アレイを設定するマーカー・ピークの役割を果たすよく知られた等間隔の干渉縞を発生させるために、（図示されていない）エタロン(etalon)と（図示されていない）４番目の検出器をスペクトロメータ１０に組み込むことができる。
このとき、コンピュータ12は第１および第２アレイを通じて滑らかな曲線を逐次近似し、曲線を滑らかにするのに応じてアレイを効果的に推移させる。本発明の１つの好ましい実施態様では、曲線は多項式によって表現され、多項式は試料信号と参照信号が表示する吸収スペクトル・データに波数軸を関連付けるように展開される。
次に、ブロック98では、コンピュータ12により、同位体種のそれぞれについて該当する吸収ピークの吸収パラメータを決定する。各吸収ピークの特性はいわゆるフォークト関数(Voigt function)によって定まり、ブロック98では、コンピュータ12により、該当する吸収ピークを表示するフォークト関数の一定の特性を決定し、よってその周波数ピークでの吸収量を決定する。求められる特性は、吸収強度、波数軸を基準とする位置、ガウス幅、およびローレンツ幅である。最初のパラメータの吸収強度だけが同位体種の濃度の比を計算する際に使われるが、そのほか３つのパラメータはこの吸収強度を決定する際に必要とされる。
本発明の好ましい実施態様では、コンピュータ12はいわゆるレーベンバーグ・マークワード・エンジン(Levenberg-Marquardt engine)を使用し、データの非線形最小二乗近似を用いてフォークト関数の特性を決定する。コンピュータ12は次のようなフォークト関数による透過率(transmittance)の方程式（および各変数に関するその導関数）をエンジンに提供する。
透過率（ν）＝Ｂ（ν）＋Ｅｘｐ（−Σi（Ｓi×Ｖ（Ｄi,Li,ν−νi）））
ここでＶは、幅Ｌのローレンツ関数(Lorentzian function)を幅Ｄのガウス関数(Gaussian function)に畳み込んだフォークト関数(Voigt function convolution)である。Ｂは、計器の不備を明らかにする線形ベースライン関数である。Ｓは、与えられたスペクトル線の吸光度（すなわち強度）を積分したものである。νiは、ｉ番目の吸収線の中心周波数である。総和はスペクトルのすべての吸収線にわたる。
パラメータそれぞれの初期の評価といっしょに、試料・参照用信号データと与えられた方程式を基礎にして、レーベンバーグ・マークワード・エンジンは、計算されたスペクトルを測定されたとおりのスペクトルに逐次近似することによって、逐次計算された更新フォークト・パラメータに非線形最小二乗近似を導き入れる。計算による近似と測定したスペクトルの間の差を改善することにより、いったんその差が所定の値よりも小さくなると、エンジンにより、該当する各吸収ピークを表示する計算された曲線が戻される。逐次近似の処理の間に、求められる特定の吸収ピークを表示する最終目標の方程式に達するために、周知の畳み込みの技法に従ってスペクトロメータ10の特徴を表示する計器特有の関数と計算された曲線を畳み込むことができる。
このとき、ブロック100では、コンピュータ12が次のように参照ガスに関する試料ガスの同位体濃度を決定する。
0003816107.tif 000002
ここで、Ｒは求められた存在比で、強度の値は上記で計算されたフォークト関数の強度である。
したがって、ブロック98では、コンピュータ12が試料信号と参照信号のそれぞれにおける各同位体種の少なくとも１つの予選択吸収線の強度を決定し、このとき、ブロック100では、参照ガスを基準にした試料ガス中の第２同位体種に対する第１同位体種の存在比（例えば13Ｃと12Ｃの存在比）が決定される。
ここで詳細に図示および説明されたとおり、特定の「物質中の同位体存在比を分析するレーザー・ダイオード・スペクトロメータ」は、上記で説明された発明の目的を完全に発生することができるものであるが、それは本発明の好ましい実施態様であるとともに、本発明によって広範に熟考された主題を表現し、本発明の範囲は当業者にとってはおそらく明白となるその他の実施態様を完全に包摂し、それゆえに本発明の範囲は添付クレーム以外の何かによって制約されるものではないということが理解されるところである。
【図１】
0003816107.tif 000003
【図２】
0003816107.tif 000004
【図３】
0003816107.tif 000005
【図４】
0003816107.tif 000006