JP2003507703A

JP2003507703A - 同位体比率を測定するための赤外分光計

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Publication number: JP2003507703A
Application number: JP2001517142A
Authority: JP
Inventors: オーウェン，クリストファー，ジェイ．; トクテウフ，ユーゲン; スキルダ，アナトリー; カールソン，ロバート，エム．; トクテウフ，アレクサンダー; スロボディアン，ビクター
Original assignee: University of Minnesota
Current assignee: University of Minnesota
Priority date: 1999-08-13
Filing date: 2000-07-25
Publication date: 2003-02-25
Anticipated expiration: 2020-07-25
Also published as: EP1208366A2; CA2381742C; WO2001013091A3; US6486474B1; AU6236800A; CA2381742A1; WO2001013091A2; JP4729215B2

Abstract

(57)【要約】同位体比率を測定するための赤外分光計を提供する。【解決手段】気体化合物の同位体比率を決定するための赤外分光計（１００）は、光源（１０２）、分光セレクタ（１３８）、試料室（１０６）、赤外光検出器（１１２）およびプロセッサ（１１４）を含む。分光セレクタ（１３８）は、主として、第１の同位体を含む化合物か、または第２の同位体を含む前記化合物によって吸収される波長領域と重なるように、波長窓を二者択一的に選択することが可能な波長領域をカバーする赤外領域の波長窓を選択的に通過させる。試料室（１０８）は、気体試料を収容し、かつガスの入口とガスの出口を有する。赤外光分光計（１００）は、二酸化炭素の同位体比率を検出するために使用することができ、¹³ＣＯ₂含量が上昇すると、たとえば、Ｈ．ピロリ菌による感染、または特異的酵素の代謝活性の存在が示唆される。好ましい実施形態によれば、視野鏡（４０４）と多分割対物鏡（４０６）とを含む特別なマルチパス光学セル（４００）が使用される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】技術分野この発明は気体試料中の同位体比率の分光評価に関する。詳細にはこの発明は
、気体試料中の化合物中の原子の同位体比率を評価するための低分光分解能の赤
外分光計に関する。分光同位体分析計は医学診断に適する。

【０００２】背景技術同位体比率の評価は、化学、生物学、地学および考古学を含む各種分野に用途
を有する。例を挙げれば、¹⁴Ｃによる年代決定は地学および考古学の分野で使用
され、死亡した生物組織の年齢が評価される。また、生物学では安定同位体の測
定が使用され、代謝過程が研究される。同位体比率の測定は、医学の分野におい
て、病気、とりわけ胃腸管の病気の評価にも使用される。

【０００３】胃腸管系のいくつかの病気、たとえば胃炎や消化性潰瘍は、最近の研究によっ
てヘリコバクタ・ピロリ菌（Helicobacter pylori）による感染と密接に関連し
ていることがわかった。米国内では推定年間４５０万人ものヒトが消化性潰瘍お
よび胃潰瘍にかかっており、そのうち、約８０％がＨ．ピロリ（H. pylori）と
関係があるものと考えられる。また、世界保健機構では、開発途上国の人口の８
０％を超える住人がＨ．ピロリに感染している可能性があると考えている。加え
て、Ｈ．ピロリは、感染したヒトの胃癌の発生を高めるクラスＩに属する発癌原
因であると考えられている。

【０００４】感染に関係する因子を検出するためには、血液検査を使用することができるが
、血液検査は感染が活性化どうかを示すものではない。非光合成細胞の代謝活性
には一般に有機化合物の酸化と、それに相当する二酸化炭素の産出が含まれる。
このように、二酸化炭素の産出は代謝活性の直接的指標である。

【０００５】発明の要約第１の実施形態において、この発明は、気体試料中の同位体比を評価するため
の赤外分光計に関し、前記赤外分光計は、広帯域赤外光源であって、それから放射される光が光路に沿って進行する前記
光源と、赤外波長領域をカバーする赤外光の波長窓を選択的に通過させ、前記波長領域
において、第１の同位体を含む化合物または第２の同位体を含む化合物によって
主として吸収される波長領域と重なるように、前記波長窓を二者択一的に選択す
ることができる、前記光路に置かれる分光セレクタと、前記光路が試料室を通過し、そして前記試料室が気体の入口と出口とを具備す
る、気体試料を収容する前記試料室と、前記分光セレクタと前記試料室とを通過して来る赤外光を受光する、前記光路
に置かれる赤外光検出器と、前記赤外光検出器に接続し、そこからの出力を受信して同位体比率に関連づけ
られる量を評価するためのプロセッサとを具備する。

【０００６】第２の態様において、この発明は、気体試料中の化合物の同位体比率に関係す
る量を決定する方法に関し、前記方法は、広帯域赤外光を気体試料中を通過させることと、前記広帯域赤外光源から光を分光学的に分離することによって、第１の波長窓
を選択し、前記第１の波長窓が、主として第１の同位体を含む前記化合物によっ
て吸収される波長領域と重なるようにすることと、前記広帯域赤外光源から光を分光学的に分離することによって、第２の波長窓
を選択し、前記第２波長窓が、主として第２の同位体を含む前記化合物によって
吸収される波長領域と重なるようにすることと、前記気体試料を通過して出てくる前記第１の波長窓の赤外光を検出し、検出さ
れた赤外光の第１の値を得ることと、前記気体試料を通過して出てくる前記第２の波長窓の赤外光を検出し、検出さ
れた赤外光の第２の値を得ることと、前記検出された赤外光の値から、気体試料中の化合物の同位体比率に関係づけ
られる値を評価することとを含む。

【０００７】また、この発明は、焦点距離と中心軸とを有する視野鏡と、２つの区分の位置を動かして、前記焦点が互いに離れるように移動させること
により、概ね前記視野鏡と向かい合うように配置される２区分対物鏡と、プリズム鏡の互いに交差する面の端が、概ね前記対物鏡の方向に向けられ、か
つ前記プリズム鏡の前記２つの面を二分する面が前記対物鏡の２つの区分を通過
するように配置され、前記視野鏡の焦点距離の約２０％より短い距離だけ、前記
視野鏡からずらして置かれる前記プリズム鏡とを具備するマルチパスセルに関する。

【０００８】図面の簡単な説明図１は、気体試料中の同位体比率を測定するために有用な赤外分光計の概略図
である。図２は、気体試料中の同位体比率を測定するために設計された赤外分光計の実
施形態の構成図である。図３は、気体試料中の同位体比率を測定するために設計された赤外分光計の別
の実施形態の構成図である。図４は、気体試料中の同位体比率を測定するために設計された赤外分光計のさ
らに別の実施形態の部分概略図である。図５Ａは、気体セルと干渉フィルタとの組み合わせフィルタの側面図である。図５Ｂは、図５Ａの組み合わせフィルタの斜視図である。図６は、¹³Ｃ¹⁶Ｏ₂に対する¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂の比を評価する好ましいフィルタに対応
する適切な波長窓のプロットと呼気試料の赤外光通過スペクトル図である。図７Ａは、分散光学素子と１つの赤外光検出器素子とを備えた分光セレクタの
実施形態の概略図である。図７Ｂは、分散光学素子と、選択された波長窓を検出するように配置された複
数個の赤外光検出器素子とを備えた分光セレクタの実施形態の概略図である。図７Ｃは、分散光学素子と選択された波長窓を検出するように配置された検出
器アレーとを備えた分光セレクタの実施形態の概略図である。図８は、マルチパスセルの実施形態の、最初の光束を対物鏡に向けるプリズム
鏡を二分する断面での、断面側面図である。図９は、同位体比率を評価するための赤外分光計の図８を構成する部分のマル
チパス光学セルの、プリズム鏡の中心を通過し、区分鏡の最上区分を通過する断
面での、断面上面図である。図１０Ａは、マルチパスセルの好ましい実施形態のガス入口部分を示す、分割
鏡の中心を通る断面での、断面側面図である。図１０Ｂは、図１０の線Ｂ−Ｂに沿って切断されたマルチパスセルの断面図で
ある。図１１Ａは、図８のマルチパスセルの視野鏡およびプリズム鏡の、鏡の中心を
通る断面での、断面側面図である。図１１Ｂは、マルチパスセルの１つの実施形態について逐次反射点に番号を付
した、図１１Ａの視野鏡の正面図である。図１２Ａは、図８のマルチパスセルの分割対物鏡の正面図である。図１２Ｂは、図１２Ａの線Ｂ−Ｂに沿って切断された分割対物鏡の側面断面図
である。図１３は、光学部分の配置がわかるように構造部分を取り除いた、マルチパス
セルの好ましい実施形態を備えた赤外分光計内部の上面図である。

【０００９】発明を実施するための最良の形態気体試料の化合物中の原子の同位体比率を評価するための赤外分光計は、実質
的に、同位体の１つを含む化合物によって吸収される赤外光の、検出するために
選択された波長窓を通過させる。同位体比率は、異なる波長窓をカバーする吸収
の測定から、きわめて効率的に評価することができる。ただ１つの気体試料で２
回以上の測定が行われ、その測定には、少なくとも複数個の波長窓が含まれ、各
波長窓は、主として同位体の１つを含む化合物によって吸収される波長をカバー
する。スペクトルにおける回転構造を平均化する低分解能分光学を採用すれば、
高い精密度と正確さを素早く得ることができる。測定感度を大幅に高めるために
、好ましくは低コストで非常に有効なマルチパスセルが使用される。

【００１０】同位体を検出するための改良赤外分光計は、広帯域赤外光源、試料室、赤外光
検出器、波長窓内の光を赤外光検出器に二者択一的に導く分光セレクタ・プロセ
ッサを含む。光源から発射された光束は、試料室を通過して赤外光検出器に達す
る。分光セレクタは光源と試料室の間に置くか、試料室と検出器の間に置くこと
ができる。

【００１１】二酸化炭素の同位体比率の評価は特に重要である。二酸化炭素の発生は、生物
による新陳代謝の活動を示している可能性がある。生物または重要な細胞タイプ
によって代謝される基質は、特定の生物／細胞によって作られる二酸化炭素とバ
ックグラウンドの二酸化炭素を識別できるように、同位体含量を高めることがで
きる。あとでさらに述べるように、ヒトが罹病する他の病気も同位体含量を高め
た別の基質を使って検出することもできるが、¹³Ｃ含量を高めた尿素を使ったヘ
リオバクタ・ピロリの検出は特に重要である。

【００１２】分光セレクタは、赤外波長領域をカバーする波長窓内の光を、１つまたは複数
の光感知素子を含む赤外光検出器に、二者択一的に送る。１つの波長窓は、主と
して、第１の同位体を含む気体試料中の化合物によって吸収される波長領域と重
なり、第２の波長窓は、主として、第２の同位体を含む気体試料中の化合物によ
って吸収される波長領域と重なる。波長窓を交互に切り換えることによって、異
なる同位体を含む化合物の吸収を別々に測定することができる。

【００１３】波長窓の相互切り換えは、波長窓の伝達を二者択一的に行うか、波長窓の向き
を二者択一的に行うかし、光検出器あるいは一組の検出器群を分離することによ
って行うことができる。参照波長、他の化合物によって吸収される波長、および
／または同じ２つの同位体またはさらに別の同位体を含む、関心のある化合物に
よって吸収される波長に応じて、さらなる波長窓を使用することができる。調和
振動子近似において、異なる同位体を含む化合物の振動周波数は、換算質量比の
平方根だけ移動する。換算質量は原子質量の関数であり、その関数関係は、特定
の正規振動モードの特徴によって決定される。

【００１４】いくつかの好ましい実施形態においては、分光セレクタは、要求される特定の
波長窓内の波長をそれぞれ選択的に通過する複数のフィルタを含む。ホイールに
フィルタを取り付ければ、ホイールを回転させるだけで要求されるフィルタを容
易に選ぶことができる。温度変動は、通過波長窓の特性を変える可能性があるた
め、フィルタの温度は、できれば狭い範囲内に保つことが望ましい。代わりに、
分光セレクタは、波長によって赤外光を空間的に分散させる光学素子を含むこと
ができる。波長窓は、要求される波長窓に相当する空間的に分離された光の処理
部分ごとに選択される。

【００１５】赤外分光計および測定法は、迅速に、そして精密かつ正確に測定できるよう設
計される。低分解能分光法を使用すれば、回転微細構造間の平均化によって、温
度および圧力の変動に対して低感度の測定が達成される。分光セレクタを使用す
ると、ただ１つの気体試料で赤外の多重測定を迅速に行うことができる。気体試
料は１つしか使用しないため、２つの気体試料間の条件の違いによる変動は排除
される。気体試料の温度と圧力は、短い測定時間内における試料中の変動に対し
て、選択された温度に近似的に保持される。さらに、正確な同位体比率をより正
確に分析するため、ただ１つの気体試料で参照赤外光吸収測定を追加的に行うこ
ともできる。

【００１６】赤外光測定の感度は、大きな光路長を得るための、不便な大きな試料セルを使
わなくても、マルチパスセルを使用することで大幅に高めることができる。マル
チパスセルは、有効光路長を長くするために、赤外光を複数、好ましくは多数回
反射する。このようにして、試料を保持するためにコンパクトな光学セルを使用
することができる。試料を充填する時にセルを通る流れを比較的乱すことなしに
、効率よくセルを内を置換し、充填することができるように、好ましくはガス入
口と出口を持つセルが設計される。そのセルには、できれば測定のために、再現
性のある圧力で気体試料を充填することを可能にする圧力制御機構を含むことが
望ましい。また、できれば、試料セルに導入する前に試料中の水分を除去して背
景の赤外吸収を少なくするため、セル入口に除湿機を接続することが好ましい。

【００１７】マルチパスセルの好ましい実施形態は、球面視野鏡と、分割球面対物鏡と、プ
リズム鏡とを有する。球面視野鏡と分割球面対物鏡とは試料セル内で互いに向き
合っている。分割球面対物鏡は、空間的に分離されて、球面視野鏡上の反射光ス
ポットの位置を移動させる球面鏡の２つの部分を有する。プリズム鏡は、入射し
てくる赤外光束を、分割鏡に投影させ、それから２つの鏡間を何回か反射させた
のち、セルから外へ向かわせるために使用される。マルチパスセルは、赤外領域
または別の波長領域で動作する光学系であれば、いかなる別の光学系においても
使用することができるが、試料セルの全体的な設計の中に、上で述べたマルチパ
スセルの改良設計を組み込めば使用性を向上させることができる。

【００１８】赤外分光計の好ましい用途には、¹³Ｃ¹⁶Ｏ₂に対する¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂の比の測定が含
まれる。患者の呼気から採取する気体試料中の他の成分による赤外吸収の妨害が
比較的少ない適切な波長までを選択するには、二酸化炭素のよく知られた振動吸
収スペクトルが使用される。特に、ヒトの患者から採取される気体／呼気試料は
、分子状酸素、窒素、水、二酸化炭素および少量のその他の成分など、比較的予
想可能な種類の気体を含み、その多くは赤外光に対して大きな吸収を持たない。

【００１９】特異的な手段によって代謝活性を検出するために¹³Ｃ含量を高めた基質を使用
すれば、気体試料中の測定される二酸化炭素は、天然に存在する有機化合物およ
び二酸化炭素における対応する比より大きな¹³Ｃ¹⁶Ｏ₂／¹²Ｃ¹⁵Ｏ₂比を有するこ
とになる。¹³Ｃ¹⁶Ｏ₂／¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂比の増加は、代謝活性が存在する疑いを抱かせ
る。同位体含量を高めた基質を使用した場合でも、同位体比率の変更を測定する
には、一般に、天然の二酸化炭素の背景レベルより高い同位体比率で正確に変化
を検出するだけの高い感度が必要である。

【００２０】Ａ．同位体比率を測定するための分光計図１を参照しながら説明する。気体試料中の相対同位体測定のための分光計１
００は、広帯域赤外光源１０２、光学部分の第１セット１０４、光学部分の第２
セット１０６、気体試料セル１０８、ガス調整装置１１０、赤外光検出器１１２
、プロセッサ１１４を含む。分光計１００の３つの実施形態１２０，１２２，１
２４を図２〜４に示す。

【００２１】赤外光源１０２は、対象となる全波長をカバーする適当な発光源であればいか
なる光源でも可能である。図２および３を参照しながら説明する。赤外光源１０
２は、赤外光エミッタ１３０と電流調整器１３２とを含むことができる。赤外光
エミッタは、たとえば、トーマテックリミテッド（Thoma Tech Ltd.）のＬ
Ｃ−ＩＲ−１２エミッタ（９Ｗ，３．９×３．６ｍｍ）、ＣＳ−ＩＲ−２１Ｖエ
ミッタ（４Ｗ，１．５×３．２ｍｍ）およびカリフォルニア州サンタクララ、カ
ルセンサーズインコーポレイテッド（Cal Sensors, Inc.）のＳＡ１０５０
１０−８Ｍ２のような、グロ−バーまたはその他の定常状態エミッタとすること
ができる。また、約１０Ｈｚまでの変調周波数を持つパルスエミッタもカルセ
ンサーズインコーポレイテッドから入手することができる。さらに高い変調周
波数を得るには別個の変調器を使うことができるが、パルスエミッタは、別にな
ったエミッタと変調器の代わりに使用することができる。エミッタ１３０から安
定した強さの発光を得るには電流調整器１３２が使用される。

【００２２】光学部分１０４，１０６は、数種類の機能を果たす。まず、第１光学部分１０
４は、赤外光を集束し、それを試料セル１０８に当てる。図１に示すように、第
２光学部分１０６は、試料セル１０８からの光を受け、集束して検出器１１２に
送る。また、光学部分１０４，１０６は、好ましくは、光束を変調して、ロック
イン増幅を可能にする。さらに光学部分１０４，１０６は、赤外光を分光学的に
分離する分光セレクタ１３８を含む。一般に、光学部分１０４か１０６のいずれ
かが分光セレクタ１３８を含む。

【００２３】あるいは、分光セレクタ１３８を光学部分１０４と連携させる場合は、セル１
０８に送られる光は、選択される波長窓の範囲に広がる。また、もし分光セレク
タ１３８を光学部分１０６と連携させる場合は、広帯域赤外光はセル１０３を通
過し、セル１０８と検出器１１２の間で分光的な選択が行われる。分光セレクタ
１３８は、少なくとも、主として第１の同位体を含む特定の化合物によって吸収
される波長領域と重なる第１の赤外領域の波長窓と、第２の同位体を含む前記化
合物によって吸収される波長領域と重なる第２の波長窓の、両窓全体にわたって
、気体試料による吸収の二者択一的な検出を可能にする。

【００２４】図２および図４を参照しながら説明する。分光セレクタ１３８の一つの実施形
態は、複数個の光学フィルタ１４０を含む。各光学フィルタは、比較的狭い波長
領域をカバーする波長窓の形で赤外光を通過させるように選択される。便宜上、
光学フィルタ１４０は、回転させることによって、光源１０２からの光路１４４
に入れたり出したりできるようにフィルタホイール１４２（図２および４）に取
り付けることができる。フィルタホイール１４２は、ステッパモータ１４６およ
びステッパモータ駆動１４８、またはその他の適当なモータを使って精密に回転
させることができる。

【００２５】好ましい実施形態にあっては、フィルタホイール１４２を回転させながらフィ
ルタ１４０の通過を監視するため、フィルタホイール１４２の周りに少なくとも
２つの光学センサ１５０が設置される。１つの光学センサは各光学フィルタの正
確な位置を監視し、もう１つのセンサは、第１のフィルタが光路に入るのを監視
する。このようにして、後で述べるようにホイールの位置をプロセッサ１１４で
制御することができる。各光学センサは赤外光エミッタと赤外光検出器とを有す
る。適切な光学センサとしては、たとえばミネソタ州ティーフリバーフォー
ルズ、デジ−キーコーポレイション（Digi-Key Corp.）から販売されているＯ
ＭＲＯＮ（登録商標）非増幅型光学センサを挙げることができる。

【００２６】フィルタ１４０は温度変動の影響を受けやすい。フィルタの通過特性は一般に
フィルタ１４０の温度に依存する。それゆえ、フィルタ１４０の温度を特定の狭
い範囲に維持すれば、測定結果の精密さと正確さを大幅に改善することができる
。フィルタ収容部内に設置された温度センサで温度を監視するには、温度制御器
１５２が使用される。また、フィルタを加熱および／または冷却して、温度を要
求される範囲に維持するには温度調節器１５４が使われる。好ましい実施形態に
あっては、温度調節器１５４は、フィルタホイールのハウジング内に設置したヒ
ータを有している。ヒータはパワートランジスタで作ることができる。フィルタ
を維持するのに好都合な温度の約４０゜Ｃに標準化された通過窓を持つ干渉フィ
ルタは、特注で入手することができる。

【００２７】１つの実施形態では、好ましいフィルタは、バンド幅の狭い干渉フィルタであ
る。適切な赤外干渉フィルタは、スペクトラゴンユーエスインコーポレイテ
ッド（Spectragon US Inc.）から購入することができる。二酸化炭素測定用の適
切なフィルタセットは、ＮＢ−２５８０−０５０−Ｄ（主としてＨ₂Ｏの吸収）
、ＢＰ−３９００−１１０−Ｄ（参照フィルタ）およびＮＢ−４４２０−０５０
−Ｄ（主として¹³ＣＯ₂、特注）フィルタである。

【００２８】さらに別の好ましい実施形態では、フィルタは、２つの窓の間に選択されたガ
スを含むガス充填フィルタである。これらのガス充填フィルタは、一般に対応す
る干渉フィルタと組み合わせた、組み合わせフィルタとされる。図５Ａおよび図
５Ｂを参照しながら説明する。組み合わせフィルタ１６０は、窓１６２と干渉フ
ィルタ１６４とを有し、それぞれ、気体セル１６６の前面と背面とを形成する。
帯１６８は、窓１６２および干渉フィルタ１６４を一周し、気体セル１６６を取
り囲む。気体セル１６６内の気体は、要求される波長通過窓の内側の赤外光を吸
収し、その結果、対応する干渉フィルタによる必要な濾光は増大する。フィルタ
内のガス濃度は、試料セル中の対応するガスとほぼ等価な光量を吸収するように
調整することができる。５種類の適切な組み合わせフィルタのパラメータを表１
に示す。

【００２９】

【表１】

【００３０】 ¹²ＣＯ₂からの影響を軽減して水の吸収の測定値を得るには、組み合わせフィ
ルタ１を使用することができる。フィルタ２は、直接¹²ＣＯ₂に対する測定値を
与える。フィルタ３および４は、¹²ＣＯ₂からの干渉と、¹³ＣＯ₂バックグラウン
ドレベルを少なくして、増加した¹³ＣＯ₂量の測定値を与える。フィルタ５は参
照フィルタとして使われる。

【００３１】複数個の分光フィルタは、少なくとも、主として第１の同位体を含む特定の化
合物によって吸収される波長領域と重なるスペクトル窓の形で通す１つのフィル
タと、第２の同位体を含む前記化合物によって吸収される波長領域と重なるスペ
クトル窓内を通す第２のフィルタとを有する。好ましい実施形態ではさらに複数
個のフィルタが追加される。たとえば、参照フィルタとして、セル１０８内の気
体分子がほとんど吸収を示さない波長をカバーする波長窓の形で赤外光を通す光
学フィルタを使うことができる。

【００３２】同様に、主として、赤外光を強く吸収する水によって吸収される波長をカバー
する波長窓を通過させる光学フィルタを含めることができる。気体試料中の他の
化合物の吸収を別の波長で補正するために、水蒸気を近似的に定量することがで
きる。このようにして、水蒸気による補正を加えれば、同位体比率のより正確な
値を得ることができる。また、主として、２つの同位体の１つを含む、または異
なる同位体を含む化合物によって吸収される別の波長領域をカバーする波長窓を
通過させる光学フィルタを追加することができる。次に、これらの可能な波長で
測定した吸収を基にして、同位体比率を計算する方法について詳しく説明する。
好ましくは、フィルタから狭い波長幅を得るためには、レンズを使用して入射光
が干渉フィルタ内で焦点を結ぶようにすることが好ましい。

【００３３】呼気試料中の¹³Ｃ¹⁶Ｏ₂／¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂比率を測定するためには、主として¹³Ｃ¹⁶ Ｏ₂による吸収に相当する約４．３６ミクロンから約４．４６ミクロンまでの間
に中心を持つ波長窓全体にわたって通過させ、そして好ましくは約４．３６ミク
ロンから約４．４６ミクロンまでの範囲の波長窓全体にわたって通過させる第１
のフィルタを有するフィルタが好適である。同様に、第２の適切なフィルタは、
主として¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂による吸収に相当する約４．１８ミクロンから約４．２５ミ
クロンまでの間に中心を持つ波長窓全体にわたって通過させ、そして好ましくは
約４．１８ミクロンから約４．２５ミクロンまでの範囲の波長窓全体にわたって
通過させる。また、主として水による吸収に相当する約２．５４ミクロンから約
２．６５ミクロンまでの間に中心を持つ波長窓全体にわたって通過させ、そして
好ましくは約２．５４ミクロンから約２．６５ミクロンまでの範囲の波長窓全体
にわたって通過させるフィルタを含めることができる。同様に、呼気試料中の二
酸化炭素を検出するには、約３．８５ミクロンから約３．９５ミクロンまでの間
、または約２．９５ミクロンから約３．０５ミクロンまでの間、または約３．５
５ミクロンから約３．６５ミクロンまでの間に中心を持つ波長窓全体にわたって
通過させる参照フィルタを含めることができる。特に好ましい実施形態は、この
段落で述べてきた４種類の好ましいフィルタを含む。

【００３４】あるいは、または¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂の吸収帯の全範囲にわたって通過させるフィルタ
を使用することに加えて、主として¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂による吸収に相当する約２．６６
ミクロンから約２．７９ミクロンまでの間に中心を持つ波長窓全体にわたって通
過させ、そして好ましくは約２．６６ミクロンから約２．７９ミクロンまでの範
囲の波長窓全体にわたって通過させるフィルタを含めることができる。別の好ま
しいフィルタの組み合わせは、この段落とその前の段落で述べた５種類のフィル
タを含む。これら５種類のフィルタの通過帯と、ヒトの患者から採取した呼気試
料の吸収スペクトルの概略図を図６に示す。

【００３５】分光にフィルタを使用することに代わって、赤外光を波長に従って空間的に分
離するために分散素子を使用することができる。適切な分散素子としては、たと
えば、回折格子とプリズムが含まれる。赤外光束を波長によって空間的に分散さ
せるために分散素子を使用する場合、要求されるスペクトル窓を選択することは
、要求されるスペクトル窓をカバーする分散光の光束の空間的な広がりを検出器
の光感知素子の方へ向けることに相当する。分散素子、検出器および光学系は、
低スペクトル分解能を有するように設計して、スペクトル回転構造を総計する一
方で、主として、特定同位体を含む問題化合物によって吸収される赤外波長領域
にわたる波長窓をカバーする。適切な波長窓は、約０．０２ミクロンから約０．
３０ミクロンまでの範囲、そして好ましくは、約０．１０ミクロン周辺をカバー
する波長領域をカバーする。

【００３６】分散素子１８０を含む分光セレクタ１３８を図３に示す。図７Ａを参照しなが
ら説明する。分散素子１８０を含む分光セレクタ１３８の第１の実施形態におい
ては、分散素子１８０は、軸マウント１８２の上に置かれる。軸マウント１８２
は、検出素子１８８に当たる光が、特定の波長窓の範囲内に入るように選択でき
るよう、空間的に分散した赤外光が空間的に移動することを想定してある。この
実施形態では、検出器１１２は、一般に、選択された波長領域わたる波長窓を検
出するため、１つの光感知検出素子１８８または隣接する１組の検出素子を含む
。

【００３７】分光セレクタ１３８の別の実施形態を図７Ｂに示す。分光セレクタ１３８は、
波長によって空間的に分散した赤外光束を検出器１１２に入射させる向きに固定
された光分散素子１８０を含む。この実施形態では、検出器１１２は、好ましく
は複数個の光感知素子１９４または隣接する検出器素子群を含み、各検出器素子
１９４または隣接する各検出器素子群は特定の波長窓を検出する。この実施形態
は複数個の要求される波長窓を同時測定することを含む。

【００３８】図７Ｃに示す実施形態は、検出器素子１９４の代わりに検出器アレー１９６が
使用される点を除いて、図７Ｂの実施形態と似ている。検出器アレー１９６は、
選択された波長窓を検出するように、光感知素子１９８または隣接する光感知素
子の群２００が置かれるように設計されている。図７Ｃの実施形態は、ハードウ
ェアに変更を加えなくても、その装置を、異なる化合物の同位体の測定に使用で
きる利点を有する。

【００３９】図１を参照しながら説明する。光学部分１０４、１０６は、図１に示すように
、光学部分１０４か、または光学部分１０６の内部に置くことが可能な変調器２
１０を含むことが好ましい。変調器２１０は、ロックイン増幅のために特定の時
間的長さで信号を変調してノイズを減らし、それだけ信号対ノイズ比を高める。
図２〜４を参照しながら説明する。一般に、変調器２１０は、チョッパホイール
２１２と、チョッパホイール２１２を駆動するためのモータ２１４と、ロックイ
ン増幅の時間を定める光学センサ２１６とを含む。モータ２１４は、たとえば、
ＤＣモータかまたはステッパモータである。光学センサ２１６は、ＩＲエミッタ
とＩＲ感知検出素子を含む。インテラプタ型の適切な光学センサが、ミネソタ州
ティーフリバーフォールズ、デジ−キーコーポレイション（Digi-Key Cor
p.）から入手できる。このようにして、チョッパホイール２１２は、その回転速
度によって決定される時間的長さで光束を遮断と透過とを間欠的に行って赤外光
を変調する。ホイール２１２は、一定回転速度で回転して、所望する周期で変調
を作り出す。光学センサ２１６からの出力は、ロックイン増幅器が使用する変調
の位相調整するために使用される。上で述べたように、赤外光束を変調するため
にパルス赤外光エミッタを使用するときは、ロックイン増幅器における変調の位
相を固定するために、パルスエミッタからの内部信号を使うことができ、もしエ
ミッタの内部信号に連動して時間的遅れが生じれば、それに対して位相が調整さ
れる。

【００４０】一般に光学部分１０４，１０６は、２−４図に図示したように、赤外ビームを
導き焦点を結ばせるために鏡、レンズ等の追加の光学要素を含む。２−３図によ
れば、光学部分１０４が分光セレクタ１３８および／または変調器２１０を含む
ならば、第１の光学素子セット２２０は分光セレクタ１３８および／または変調
器２１０上へ赤外ビームを導き焦点を結ばせる。第２の光学素子セット２２２は
、試料セル１０８内へ赤外ビームを導き、試料セル内１０８に赤外ビームの焦点
を結ばせるのが好ましい。いくつかの実施形態では、赤外ビームは直接、試料セ
ル１０８に到達する。他の例では、試料セル１０８が他の部分に対して別の方向
を持つのに対応するように、試料セル１０８は、鏡と窓を含むことができる。

【００４１】図３および４によれば、光学部分１０６が分光セレクタ１３８および／または
変調器２１０を含むならば、第３の光学素子セット２４０は、分光セレクタ１３
８および／または変調器２１０上へ赤外ビームを導き、焦点を結ばせる。図２−
４によれば、第４の光学素子セット２４２は、赤外ビームを検出器１１２上へ導
き、焦点を結ばせるのに使用できる。光学部分１０４，１０６はさらにシャッ
タ、スリット、その他の光学素子を含むこともできる。

【００４２】赤外光用レンズは、フッ化カルシウムまたはフッ化マグネシウムから製造でき
る。これらの材質は、レンズ表面から反射損失を少なくするような低い屈折率を
有する。レンズの最も高い効率が得られるよう、フッ化カルシウムレンズには１
５ｍｍ、フッ化マグネシウムレンズには１２.３８ｍｍの曲率半径を使用できる
。

【００４３】図１によれば、赤外ビーム１４４は、試料セル１０８を透過する。試料セル１
０８は、赤外ビーム１４４が試料セル１０８の一方の端で窓２２４を通じ、試料
セル１０８の他方の端で窓２２６を通じて導かれるような形態とすることができ
る。窓２２４，２２６は、赤外光に関して少なくとも部分的に透明であり、窓
表面からの反射による干渉を少なくするような曲面となっていることが好ましい
。試料セル１０８は、図１に示されたように、試料セル１０８を通る赤外ビーム
を偏向させる第１の鏡２２８と、試料セル１０８からの赤外ビームを偏向させる
第２の鏡２３０とを含むことができる。赤外ビーム１４４を試料セル１０８の中
へ、およびそれから導くための鏡２２８，２３０を用いて、試料セル１０８は
、よりコンパクトな分光計の構成とすることができる。試料セル１０８は、赤外
ビーム１４４をセル１０８内へ導くための別の鏡を含むことができる。

【００４４】好ましい実施形態では、試料セル１０８は、赤外ビーム１４４を複数回気体試
料中に導くマルチパス光学セルである。マルチパス光学セルを使うことによって
、セルを通る光路は効果的に増加し、気体試料によるビームの吸収が増加する。
たとえば、試料セル１０８は市販されているマルチパス光学セルであってもよい
。好ましいマルチパス光学セルの実施形態では、以下に詳細に述べるように、第
１の鏡２２８および第２の鏡２３０がプリズム鏡の２つの面であり、赤外ビーム
は、最初プリズム鏡の１つの面で焦点を外され、分割された球面対物レンズ上へ
焦点を結ぶ。同位体測定のためには、マルチパス光学セルは、ビーム強度の約４
０ないし９５パーセントが吸収されるよう約６メートルないし１０メートルの全
光路長を持つ。

【００４５】図２のように、試料セル１０８は、温度制御２５０および温度調節器２５２を
含むのが好ましい。温度制御２５０は、試料区分２５４の温度を監視する。温度
調節器２５２は、試料区分２５４の温度を要求される範囲内に保つよう調整する
。好ましい実施形態では、温度調節器２５４は、試料区分２５４のまわりに巻か
れた、電気的に絶縁された金属線のような抵抗加熱素子である。試料区分２５４
は、たとえばアルミニウムで作ることができる。

【００４６】図２および３のように、試料セル１０８は、気体入口２５６および気体出口２
５８を含むのが好ましい。入口２５６および出口２５８は、気体調整装置１１０
に接続している。マルチパス試料セルの好ましい実施形態では、以下に詳細に述
べるように、入口２５６は、流入気体を試料管の周囲におおよそ対称に流下させ
て相対的に層流にし、相応して試料セルを迅速かつ均一に満たすこととを保証す
る開口に接続している。図２および３のように、好ましい実施形態では、気体調
整装置１１０は、気体入口２５６に接続する入口管２７０および除湿機２７２を
含む。除湿機２７２は、単純にシリカゲル乾燥剤で満たされた管であってよく、
また、除湿機２７２は、半透性の吸水膜から構成された物でもよく、適切な膜は
ミネソタ州ミネアポリス、ネオマックス社（Neomax Corp.）から入手できる。

【００４７】入口管２７０は、２基の弁２７４，２７６に接続しているのが好ましい。弁
２７４は、管２７０内への気体試料の流れを制御する。弁２７４は、さらに入口
２７８に接続することができ、これは呼気試料を直接導入するための口金であっ
てもよく、または保存された呼気試料を間接的に供給するためのマイラバルーン
のような気体貯蔵容器であってもよい。別の気体試料を第１の気体試料に連続し
て導入して処理するように、別の弁が含まれてもよい。弁２７６は、浄化ガス入
口２８０に接続している。浄化ガス入口２８０は、空気を管２７０内へ導入する
ための開口へ連なることができ、または窒素等の適切な浄化ガスの気体タンクへ
接続されていてもよい。

【００４８】気体調整装置１１０は、一般に、試料区分２５４へ連なる測定管２８４に接続
された圧力センサ２８２を含む。適切な圧力センサは、たとえばモトローラ社（
Motorola Inc.）により製作され、ミネソタ州ミネアポリス、ニューアーク・エ
レクトロニクス（Newark Electronics）により流通されているモデルＭＰＸ５１
００ＡＰを含む。圧力センサ２８２は、試料の圧力を分光測定準備中および測定
中に規定値に保つために用いられる。同位体測定のためには、セル中の圧力は、
一般に約５０ｋＰａと約１００ｋＰａの間に保たれる。

【００４９】気体調整装置１１０は、一般に、出口２５８に接続された第３の弁２８６を含
む。弁２８６は、試料の流出間で試料区分２５４を浄化している間に開き、一た
び気体試料が試料区分２５４内に入ると閉じることができる。弁２７４，２７６
，２８６は、圧力センサ２８２によって測定される圧力を要求範囲内に保つよう
制御することができる。気体調整装置１１０は、また、弁２８６の後または気体
調整装置１１０内の他の位置に配置することのできるポンプ２８８をも含む。適
切なポンプは、たとえばカリフォルニア州サン・マルコス、ＡＣＩメディカル（
ACI Medical, Inc.）社製精密ダイアフラム・ポンプ、シリーズ０５０.７０−１
２１２Ｖを含む。気体調整装置１１０は、また一般に、セル１０８内へのおよび
そこからの流れを測定するため、適切な場所、たとえば気体入口２５６内へ連な
る場所の１基以上の流量計をも含む。

【００５０】赤外検出器１１２は、図７Ａに示すように単一検出器素子１８８を含むことが
できる。前記のように、光分散素子１８０は、光センサ素子１８８に当る波長窓
を変えるよう、軸マウント１８２上に取り付けられている。その代わりに、また
はそれに加えて、光センサ素子１８８は、ある特別な波長窓が光センサ素子１８
８に当るよう選ぶために、光センサ素子１８８が空間的に分散された光ビーム内
で動くことのできるよう、可動プラットフォーム２９２上に取り付けることがで
きる。検出器１１２は、図７Ｂに示すように、同時に複数個の波長窓を検出する
よう、副数基の光センサ素子１９４または隣接する光センサ素子のセットを含む
ことができる。好ましい実施形態では、光センサ素子は、要求される波長窓全体
の波長を吸収するよう、約０．５ｍｍ×３ｍｍないし約３ｍｍ×３ｍｍの大きさ
を有する。適切な赤外センサ検出器素子は、たとえば、ペンシルヴァニア州モン
ゴメリー、ＥＧ＆Ｇジャドソン（EG&G-Judson）製Ｐｅ−３−３３検出器のよう
なＰｂ−Ｓｅ検出器や、フロリダ州デイトナ・ビーチ、エルテック・インスツル
メンツ社（Eltec Instruments, Inc.）製シリーズ４０４検出器のような焦電気
検出器を含む。図７Ｃに示すように、検出器１１２は検出器アレー１９６を含む
ことができる。適切な検出器アレーは、たとえば、エルテック・インスツルメン
ツ社製モデルＡＲ−１７０のようなセレン化鉛（Ｐｂ−Ｓｅ）検出器アレーを含
む。

【００５１】図３のように、検出器１１２は、さらに、必要な場合、光センサ素子・アレー
が要求する電圧を発生させるための変圧器２９４、および熱電（ＴＥＣ）コント
ローラ２９６を含むことができる。適切なＴＥＣコントローラはＥＧ＆Ｇジャド
ソンから入手できる。ＴＥＣコントローラは、感度を改善するためＰｂ−Ｓｅ検
出器を冷却する。セレン化鉛検出器アレーは、一般に約１００Ｖの電圧バイアス
を作るため、一般に電圧変換器を使う。

【００５２】プロセッサ１１４は、前置増幅器３００、ロックイン増幅器３０２、コントロ
ーラ３０４および計算機３０６を含む。前置増幅器３００は、検出器１１２から
の出力を受信し、信号を増幅する。前置増幅器３００からの出力は、ロックイン
増幅器３０２へ導かれる。適切な前置増幅器は、たとえばＥＧ＆Ｇジャドソン製
のモデルＰＡ−８２００を含む。ロックイン増幅器３０２は、雑音を減らすため
の変調器２１０における赤外光の変調のための信号を増幅する。適切なロックイ
ン増幅器は、たとえば、テネシー州オークリッジ、ＥＧ＆Ｇインスツルメンツ製
のモデル５１０６を含む。コントローラ３０４は、テキサス州アーリントン、ウ
ィン・システム社（WinSystems Inc.）製のモデルＳＡＴ−Ｖ４１のようなマイ
クロコントローラ・ボードとすることができる。コントローラは一般に、適切な
アナログおよびデジタルの入力および出力、出力ドライバ、アナログ・デジタル
変換器、マイクロプロセッサおよび適切なメモリを含む。コントローラ３０４は
たとえばＲＳ−２３２シリアル・ポートを介して計算機へ接続することができ、
計算機は適切なデータ管理プログラムを走らせるパソコンであることが好ましい
。計算機３０４は、図４に示すように、適切な出力機器３０８に接続されている
。

【００５３】Ｂ．マルチパス光学セル図４，８，９によれば、好ましいマルチパス光学セルの実施形態４００は、
プリズム鏡４０２、球面視野鏡４０４および分割球面鏡４０６を含む。一般に、
マルチパスセル４００は、鏡４０２，０４，４０６を気密性環境中に納めるケー
シング４０８を含む。便宜上、ケーシング４０８は、一般に円筒形であることが
でき、それぞれ球面鏡４０４および分割球面鏡４０６を支持するマウント４１０
および４１２で囲まれ、またはその近くに納められる。

【００５４】ケーシング４０８は、気体入口２５６および気体出口２５８、および圧力測定
用接続を含む。特に好ましい実施形態の気体入口２５６では、気体がセル４００
を迅速に満たし、浄化するためにセル４００の終端から流れるよう、図１０Ａお
よび１０Ｂに示すように、分割鏡４０６を囲む開口に連なっている。気体入口４
２０は、分割鏡４０６を一周する経路４２２と共に流体通路を形成する。経路４
２２は、分割鏡４０６の両部分間にある溝４２４内へ開いている。

【００５５】プリズム鏡４０２は、球面視野鏡４０４の近くでケーシング４０８に沿って永
久的に取り付けられていてよい。そうする代わりにプリズム鏡は、気密シールを
形づくるためケーシング４０８内へ可逆的にねじ込むキャップ４１４に付着させ
ることもできる。キャップ４１４は、プリズム鏡４０２を清掃および／または交
換するときにアクセスを容易とするため取り外すことができる。

【００５６】ケーシング４０８は、窓４３０を通じて赤外光を導入し、窓４３２を通じてセ
ル４００から赤外光を発射させるのを可能とするため、窓４３０，４３２を含む
。窓４３０，４３２は、赤外光に対して少なくとも部分的に透明であり、ＣａＦ ₂ で製造することができる。好ましい実施形態では、窓４３０，４３２は、窓４
３０，４３２をそれぞれ取り付けるためのケーシング４０８内の２個の孔がケ
ーシング４０８を通してまっすぐに開けることができるよう、直線路に沿って取
り付けられている。窓４３０，４３２が球面視野鏡４０４の近くに取り付けられ
ているならば、プリズム鏡４０２は、窓４３０，４３２の間に直接取り付けるこ
とができる。別の方法として、光をプリズム鏡４０２に向かってある角度で窓４
３０，４３２を通じて導くこともできる。

【００５７】プリズム鏡４０２は、図８−１０に示すように、視野鏡４０４の近くに取り付
けられている。プリズム鏡４０２は、窓４３０に向けられた第１の面４３４およ
び窓４３２に向けられた第２の面４３６を有する。第１の面４３４と第２の面４
３６との間の角は、分割鏡４０６と、プリズム鏡４０２の第１の面４３４および
第２の面４３６を二等分する面との交線における曲線に近似的に沿って赤外ビー
ムを反射させるように選ばれる。面４３４，４３６の間の角は、プリズム鏡４０
２が直接、窓４３０，４３２の間にあるならば、９０度より大きいだろう。プリ
ズム鏡４０２は、反射した赤外ビームが、図８および１１Ａに示すように、分割
鏡４０６上の要求される点に当たるよう、視野鏡４０４および対物鏡４０６の中
心を連結する線に関して傾けられる。

【００５８】プリズム鏡は、分割対物鏡４０６から球面視野鏡４０４へ向かう反射を妨げる
ほど大きくあってはならない。合理的なセルの大きさから言って、プリズム鏡は
、約５ｍｍと約２０ｍｍの間の長さとすることによって、面４３４，４３６の間
に縁を持つ。好ましくは、図８および９に示すように、鏡４０４，４０６から反
射することなく窓４３０から窓４３２への間を過ぎる光を妨げるよう、遮蔽４３
８をプリズム鏡４０２に付着させる。遮蔽４３８は、プリズム鏡４０２のまわり
に溝を切ることによって、またはプリズム鏡４０２に接着剤で付けるなどのでき
る遮蔽４３８の縁に沿ったマウントを用いることによって、プリズム鏡４０２に
付着することができる。遮蔽４３８は、必ずしも表面４３４，４３６を二等分す
る面に沿って正確に配置する必要はない。

【００５９】球面視野鏡４０４は、一般にケーシング４０８の一つの終端近くに取り付けら
れる。鏡４０４は、セル４００の終端を形づくるエンドキャップ４４０に一体化
できるミラーマウント４１０へ固定でき、たとえば接着剤で付けることができる
。球面鏡４０４は、光がセル４００を通して多重反射する間に焦点を合わせたま
まとどまるよう、球面視野鏡４０４と分割対物鏡４０６との距離に近似的に等し
い焦点距離を有する。合理的なセルの大きさから言って、球面鏡４０４は約３０
ｍｍと約１５０ｍｍの間の直径を有する。分割球面鏡４０６は、図４および８に示すように、上部区分４５０および下部区
分４５２を形づくるよう互いに離されている球面鏡の２つの部分を含む。上部区
分４５０および下部区分４５２は、取り付け部品４５６へ接着剤等で固定される
。上部区分４５０および下部区分４５２を形づくるのに使われる球面鏡は、視野
鏡４０４と対物鏡４０６との間の距離に近似的に等しい曲率半径をそれぞれが有
するのが好ましい。

【００６０】セル内での反射回数を最大とするには、上部区分４５０の湾曲中心を近似的に
視野鏡４０４の中心に置く。反対に、下部区分４５２の湾曲中心は、視野鏡４０
４の中心と視野鏡４０４の湾曲中心とを結ぶ線に相対的に下方へずらす。このよ
うに上下の区分間で湾曲中心をずらすことは図１１Ｂに示されており、ここでは
上方区分４５０の湾曲中心は”１”で、下方区分４５２の湾曲中心は”２”で表
示されている。上方区分４５０および下方区分４５２の湾曲中心のずれ量は、以
下に述べるように、マルチパスセル４００内の反射回数に影響をおよぼす。一般
に、ずれは約１ｍｍから約１０ｍｍの範囲であり、より好ましくは約２ｍｍから
約５ｍｍの範囲とされる。視野鏡４０４の湾曲中心は、図１２Ａおよび１２Ｂに
おいて湾曲”Ｆ”として示される。

【００６１】対物鏡４０６を直截的に製造する方法は、球面視野鏡４０４と同等の鏡を分割
することを含む。鏡の２つの分割片は、切り離され、２つの区分が別々の湾曲中
心をもって１つの鏡ユニットを形づくるよう、取り付け部品４５６へ固定される
。取り付け部品４５６は、プリズム鏡４０２の表面４３４，４３６を二等分する
面にほぼ沿って球面鏡４０４に相対的に上部区分４５０および下部区分４５２の
湾曲中心を置くように位置付けることができる。原理的には、対物鏡４０６は、
単一の鏡を多数に切断することにより、あるいは最初の材料として別々の鏡を用
いて製造できるが、湾曲中心を視準することに関して微小な変化の増大や困難性
のため、こうした代わりの手法は、適用が極度に難しい。赤外光については、鏡
４０２，４０４，４０６の鏡面は、アルミニウムまたは金のコーティングによっ
て、好ましくは、たとえば電気的にあるいは電子ビーム蒸着によって堆積できる
、たとえばサファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）の薄い保護コーティングによって製造するこ
とができる。

【００６２】分割対物鏡４０６は、マウント４１２内に固定される。マウント４１２は、視
野鏡４０４に対する分割対物鏡４０６の向きを合わせるための調整具を含むのが
好ましい。好ましい実施形態では、上部区分４５０および下部区分４５２の湾曲
中心は、図１１Ｂに示すように、プリズム鏡４０２の表面４３４, ４３６を二等
分する面に沿って球面視野鏡４０４の中心のまわりに近似的に対称に分布してい
る。これに代えて、分割対物鏡４０６は、表面４３４，４３６を二等分する面に
沿って上部区分４５０および下部区分４５２の湾曲中心をずらすよう傾けること
ができ、この傾かせることは、一般にセル４００内での反射回数を減少させる。
一つの実施形態では、マウント４１２は、分割対物鏡４０６を載せたマウント４
１２の向きに小さい変化を与える４本の調節ねじを含む。他の適切な調節可能マ
ウントも用いることができる。これに代えて、またはこれに加えて、球面視野鏡
４０４用のマウント４１０が鏡４０４の向きのための調節具を含むことができる
。マウント４１２は、一般にセル４００の終端を形づくるエンドキャップ４６０
に、またはその近くに固定される。

【００６３】ここでは同位体測定のための赤外光反射をもっぱらとりあげているが、マルチ
パスセル４００は、可視光または紫外線のような他の電磁スペクトル部分にわた
る波長にも用いることができる。窓および鏡の材料は、要求される光の波長のた
めに直截的に修正することができる。同様に、ここで述べられている応用は、伝
達波長窓あるいは比較的広帯域の放射にもっぱら関しているが、マルチパスセル
４００は、気体試料を通すレーザ光のような単色光を反射させるのにも用いるこ
とができる。

【００６４】図１１Ａ，１１Ｂ，１２Ａおよび１２Ｂのように、入射光は、点４７０でプリ
ズム鏡４０２から分割鏡４０６の上部区分４５０へ反射する。球面鏡４０４の中
心を通る面から点４７０への距離”ｄ”は、球面鏡４０４の曲率半径の約１０分
の１より小さくなければならない。最初に反射した光は、点４７２において上部
区分４５０に当たるが、その位置はプリズム鏡４０２の傾きに依存する。

【００６５】光は、その後、図１１Ｂに示すように視野鏡４０４上で反射パターンを形づく
りながら、球面視野鏡４０４と分割対物鏡４０６との間で反射する。位置Ｘ₁は
プリズム鏡４０２上へ入射するビームの照準に依存する。区分４５０，４５２の
分割の結果、区分４５０，４５２の湾曲中心にずれがあるため、視野鏡４０４上
での反射点は、たとえば一組のパラメータに対して図１１Ｂに示したようにずれ
る。図１１Ｂでは数字は増加する順に順次の反射点を表す。こうして、この実施
形態では、光は、試料セルを通して３０回反射する。これら３０回の通過は、視
野鏡４０４上に１４個の像を結ぶ。点１６は、窓４３２を通じてマルチパスセル
４００から偏向出力するプリズム鏡４０２の表面４３６の反射点に対応する。

【００６６】プリズム鏡４０２の表面間の角度とプリズム鏡４０２の傾きとの調節は、マル
チパスセル４００から好ましい結果を得るための重要な調整である。マルチパス
セル４００を通じての通路数ＮはＮ＝（４Ｙ₁／ｓ）＋２で与えられ、ここでｓ
は図１１Ｂに示されるような区分４５０，４５２の湾曲中心におけるずれ、お
よびＹ₁は入射光ビームのずれ、すなわち図１１Ａに示されるような視野鏡４０
４上の湾曲中心＃１に相対的な、図１１Ｂの第１の反射点Ｙ₁である。傾き角（
ｆ）およびプリズム鏡４０２の表面間の鏡角（ｚ）は、鏡表面上での入射ビーム
の座標および分割鏡４０６上での最初の反射点に関係づけることができ、次のよ
うである。：ｚ＝９０°＋arcsin(Ｘ_p／((Ａ−ｄ＋Ｈ₁)²＋(Ｘ_p−Ｘ_m)²＋(Ｙ_p−Ｙ_m)²)^0.5)
およびｆ＝arcsin((Ｘ_p−Ｘ_m)／((Ａ−ｄ＋Ｈ₁)²＋(Ｘ_p−Ｘ_m)²)^0.5) ここでＡ＝Ｒ−(Ｈ₁−Ｈ_m)、Ｒは、視野鏡４０４の曲率半径である。Ｘ_pおよび
Ｙ_pは、プリズム鏡４０２上の点によって定義され、Ｘ_p＝(Ｘ₁−Ｘ_m)・(Ａ−ｄ
＋Ｈ₁)／Ａ，Ｙ_p＝(Ｙ₁−Ｙ_m)・(Ａ−ｄ＋Ｈ₁)／Ａである。Ｘ₁，Ｙ₁，Ｈ₁は、
プリズム鏡表面上における第１点によって定義され、Ｈ₁は、Ｈ₁＝Ｒ−(Ｒ²−(
Ｘ₁ ²＋Ｙ₁ ²))^0.5に等しい。Ｘ_mは、分割対物鏡４０６の中心における湾曲中心Ｆ
と上部区分４５０の第１反射点との間の距離である。Ｙ_mは、対物鏡上における
第１反射点がプリズム鏡の二等分によって定義される面内にあるような好ましい
実施形態では、ゼロである。マルチパスセル４００の２つの特定な構成のための
パラメータが表２に提示されている。

【００６７】

【表２】

【００６８】分割対物鏡を有するマルチパス光学セルは、種々の光学機器で用いられている
が、マルチパス光学セルは、特に、同位体比率測定用の赤外分光計の構成に効果
的に用いることができる。分割対物鏡を有するマルチパスセル用いた同位体比率
決定用の赤外分光計は、図１３に示されており、ここでは光学部分の配置を見せ
るために囲いが取り除かれている。この実施形態では、窓４３０および４３２は
、直径１２．７ｍｍ、中心厚さ３ｍｍ、焦点距離３２ｍｍのフッ化カルシウム（
ＣaＦ₂）で作られた凸球面レンズである。光学素子２２０，２２２および２４
２は窓４３０，４３２と同一の凸球面レンズである。これらの光学素子が与えら
れる場合、その形態は以下の距離を有するのが好ましい：ａ−２６ｍｍ，ｂ−８
ｍｍ，ｃ−４８ｍｍ，ｆ−５ｍｍ，（ｌ₁＋ｌ₂）＝Ｒ−２００ｍｍ、ここでＲは
、視野鏡４０４および対物鏡４０６の曲率半径である。

【００６９】Ｃ．同位体比率の評価同位体比率の評価を、例として二酸化炭素を用いて例示する。個々の化合物の
ために適切な波長窓を用いて他の化合物の同位体比率を評価することは、この例
から直截的に一般化できる。基本的な考えは、特定の波長を吸収する試料内にお
ける特定の種の濃度の表現で、特定の波長における光の吸収の結果生じる光学濃
度を記述することである。

【００７０】分析した波長の光学濃度は、赤外光源、赤外検出器、環境の温度および光学部
分の光伝送において起こり得る変動のため補正しなければならない。起こり得る
誤差に対する適切な方法は、較正値を求めることを含む。較正値を求めるに、各
分析波長および参照波長に対する電圧信号が、空気または窒素を満たしたセルを
用いて測定される。セルが試料気体で満たされているとき、電圧信号を分析波長
および参照波長について再び測定する。たとえば、上で論じた好ましい波長を用
いて二酸化炭素を測定するには、分析波長に対する光学濃度は以下のように計算
される：

【００７１】

【数１】

【００７２】 ⁰Ｕ_4.42，⁰Ｕ_3.90，⁰Ｕ_2.68，⁰Ｕ_2.58は、セルが空気／窒素で満たされている
とき、それぞれ波長４.４２ミクロン、３.９０ミクロン、２.６８ミクロン、２
．５８ミクロンに対する電圧信号である。^sＵ_4.42，^sＵ_3.90，^sＵ_2.68，^sＵ_2.58 は、試料がセル内にあるとき、それぞれ波長４．４２ミクロン、３．９０ミクロ
ン、２．６８ミクロン、２．５８ミクロンに対する電圧信号である。光学系が比
較的安定ならば、較正は週に一度くらい行えばよい。

【００７３】濃度に対する一組の線型方程式を、光学濃度を用いて書くことができる。全吸
収が比較的高いため、非線型に対する補正は、以下に述べるように、精度を高め
るように行うことができる。線型方程式の解から要求される答が導かれる。

【００７４】二酸化炭素の同位体比率の計算は、上記した好ましい波長窓を用いて記述され
る。水は完全に除去するのがむずかしい汚染物質であり、強い赤外吸収物質であ
る。したがって、水の存在に対する補正が、ある波長においては要求されるだろ
う。水の濃度は以下のように２．５８ミクロンでの光学濃度Ｄ_2.58に関係づけら
れている：Ｄ_2.58＝^H2OＫ_2.58・Ｃ_H2O・ＬここでＬは試料セル内における全吸収通路長、Ｃ_H2OはＨ₂Ｏの濃度、^H2OＫ_2.58
は２．５８ミクロンにおけるＨ₂Ｏの吸収係数である。吸収係数は、個々のシス
テムの精確な光学的性質を表すように個々のシステムを較正するため、水、¹²Ｃ
Ｏ₂および¹³ＣＯ₂のいくつかの既知の濃度に対しての値が求められる。光学濃度
Ｄ_2.58は測定により得られる。こうして、Ｈ₂Ｏの濃度は、Ｃ_H2Oのみが未知であ
るから、この方程式からかたやすく求められる。

【００７５】２．６８ミクロンでの吸収は、Ｃ−１２二酸化炭素の濃度を求めるのに用いる
ことができる。２．６８ミクロンにおける光学濃度は、Ｄ_2.68＝^H2OＫ_2.68・Ｃ_H2O・Ｌ＋¹²Ｋ_2.68・Ｃ₁₂・Ｌで与えられる。ここでＣ₁₂は¹²ＣＯ₂の濃度、¹²Ｋ_2.68は２．６８ミクロンにお
ける¹²ＣＯ₂の吸収係数である。Ｄ_2.68は、測定から得られる。Ｃ_H2Oは、２．５
８ミクロンにおける吸収から決定できるから、方程式中で唯一の未知数であるＣ ₁₂ の値は、上記方程式から求めることができる。

【００７６】４.４２における光学濃度Ｄ_4.42は、以下のように¹³ＣＯ₂の濃度のための方程
式を与える。：Ｄ_4.42＝¹²Ｋ_4.42・Ｃ₁₂・Ｌ＋¹³Ｋ_4.42・Ｃ₁₃・ＬここでＣ₁₃は¹³ＣＯ₂の濃度、¹³Ｋ_4.42は４.４２ミクロンにおける¹³ＣＯ₂の吸
収係数である。Ｄ_4.42は赤外測定から得られる。ここで、Ｃ_H2OとＣ₁₂の値が２
．５８ミクロンおよび２．６８ミクロンでの測定から求められたと仮定すれば、
Ｃ₁₃は唯一の未知数である。要求される同位体比率はＣ₁₃／Ｃ₁₂で与えられる。
測定された光学濃度Ｄ_4.42，Ｄ_2.68およびＤ_2.58は、濃度によって弱い非線型性
を示すかもしれない。この弱い非線型性に対する補正は、以下の方程式によって
経験的に説明することができる： ^corrＣ₁₃＝ａ₁₃・^meanＣ₁₃＋ｂ₁₃・(^meanＣ₁₃)² ^corrＣ₁₂＝ａ₁₂・^meanＣ₁₂＋ｂ₁₂・(^meanＣ₁₂)² ここで^meanＣ₁₃および^meanＣ₁₂は、測定された¹³ＣＯ₂および¹²ＣＯ₂の濃度、^co ^rr Ｃ₁₃および^corrＣ₁₂は、補正された¹³ＣＯ₂および¹²ＣＯ₂の濃度、ａ₁₃，ｂ₁₃ ，ａ₁₂およびｂ₁₂は、既知の試料を用いて行われた較正測定から見出された補正
係数である。

【００７７】他の波長における測定を、内部濃度を評価し、精度を高めるために用いること
ができる。もしＣ₁₃および／またはＣ₁₂が異なる波長測定を用いた異なる手法に
よって求められたものであれば、その結果の値を平均して最終的な同位体比率の
精度を高めることができる。

【００７８】Ｄ.呼気試料からの二酸化炭素同位体測定二酸化炭素はエアロビクスの新陳代謝の副産物である。すなわち、二酸化炭素
の発生は新陳代謝の活動の診断に役立つ。特定の有機体または関心のある新陳代
謝作用がある基質を特に代謝させているなら、これら特定の基質の二酸化炭素副
産物を看視して、関心のある特定の細胞または有機体の新陳代謝の活動を検出す
ることができる。ある状態を検出するのに有用な特定の基質の例を表３に提示す
る。

【００７９】

【表３】

【００８０】ほとんどの環境では、背景の新陳代謝の活動は、特定の基質から作り出される
二酸化炭素を識別するために二酸化炭素の有意な背景を与える。たとえば患者、
好ましくは哺乳類の患者、特にヒトの患者は、感染有機体または特定の細胞機能
によって代謝する特定の基質から作り出される二酸化炭素から識別されなければ
ならない二酸化炭素を作り出す。同様に、空気は、背景に加わる二酸化炭素をい
くらか含んでいる。ここに述べられた赤外測定は、非常に鋭敏ではあるが複雑で
高価な設備を要求する同位体比率質量分析法の使用に代わる方法を与える。

【００８１】特定の基質から作り出される二酸化炭素を他の背景二酸化炭素から識別するた
め、基質の炭素同位体を高めることができる。基質の¹⁴Ｃか¹³Ｃかどちらか一方
の割合を高めることができるが、¹³Ｃは、放射性でないという利点を有する。す
なわち、¹³Ｃが高められた基質は、放射性種に必要な取扱注意なしに用いること
ができる。自然に存在している炭素は約１．１％の¹³Ｃを含んでいる。好ましい
実施形態では、基質は、約９９パーセントの¹³Ｃを含むまでに高められる。

【００８２】臨床で用いるとき、一般に基質の約４０ミリグラムないし約２００ミリグラム
が患者に与えられる。基質の新陳代謝に見込まれる適切な時間長は、探査されて
いる個々の機能タイプによってさまざまである。経口的に与えられる¹³Ｃで高め
られた尿素を用いてＨ．ピロリを検出するためには、患者の呼気は一般に、同位
体が高められた基質を消費した後、約１０分から約９０分の間、監視される。

【００８３】患者から吐き出される空気は、一般に約３ないし約５原子パーセントの¹²ＣＯ ₂ を持つ。患者が活性の感染を持たず、基質が代謝されないならば、吐き出され
る空気は天然の多量の同位体のため約０.０３ないし約０.０５原子パーセントの ¹³ ＣＯ₂を持ち、¹³ＣＯ₂の¹²ＣＯ₂に対する同位体比率は約０.０１１２５となる
。患者が活性のＨ．ピロリの感染を持つならば、吐き出される空気は、同位体が
高められた尿素基質の新陳代謝のため、好ましい実施形態では約０．０１１３２
ないし約０．０１１６３の¹³ＣＯ₂の¹²ＣＯ₂に対する同位体比率を持つ。

【００８４】呼気試料からの二酸化炭素の同位体比率を求める手順は、図２，９および１３
に示した実施形態を個々に参照して説明することができる。第１に、分光計は、
電源投入され、少なくとも約１分ないし約５分の間ウォームアップされる。コン
トローラ３０４は、入力弁および出力弁２７８，２８０，２８６を開くためおよ
びポンプ２８８をスイッチ・オンするため、論理信号を送出する。二酸化炭素の
濃度の低い気体（空気または窒素）が、セルを浄化するためセルを通して約３０
秒間以上ポンプで送られる。

【００８５】次に、コントローラ３０４は、ポンプを止め、弁をすべて閉じる。コントロー
ラ３０４は、次にセル内の空気または窒素による較正用赤外吸収測定を開始する
。ＩＲ放射器１３０からの赤外放射は、チョッパ２１２によって変調され、光学
素子２２０，２２２はフィルタホイール１４２のフィルタを通じて窓４３０へ光
を向ける。ステッピングモータは、全ての選択された分析波長および参照波長で
測定するために、光路内でフィルタを周期的に切り換える。マルチパスセル２５
４内へ導入された赤外放射は、プリズム鏡、２基の区分対物鏡および視野鏡によ
り、マルチパスセル２５４内で多重反射後、出力窓に導かれる。

【００８６】マルチパスセルの出力窓から、赤外放射は、光学素子１０６によって光検出器
１８８へ導かれる。光検出器１８８の信号は、前置増幅器３００および、光学セ
ンサ２１６からの同期信号を受信するロックイン増幅器１１４によって増幅され
る。コントローラ３０４はロックイン増幅器からの電圧信号を測定する。安定な
測定がロックイン増幅器により得られた後、コントローラ３０４は、回転フィル
タホイール１４２によってフィルタを次の位置へ切り換えるため、ステッピング
モータ駆動１４８へ論理信号を送出する。選択された波長すべてについて電圧信
号を測定した結果は、較正値として用いるためメモリ内に保存される。

【００８７】試料測定を開始するため、試料１および２がそれぞれ気体入口２７８および２
８０へ結合される。コントローラ３０４は、入力バルブ２７８および出力バルブ
２８６を開くため、およびポンプ２８８を１５秒間スイッチ・オンしてセル２５
４を気体試料１で満たすため、論理信号を送出する。赤外吸収測定は、全ての選
択された分析波長および参照波長に対して繰り返される。コントローラ３０４は
次に、入力バルブ２８０および出力バルブ２８６を開くため、およびポンプ２８
８を約１５秒間スイッチ・オンしてセル２５４を気体試料２で満たすため、論理
信号を送出する。赤外吸収測定は、全ての選択された分析波長および参照波長に
対して繰り返される。気体試料１と気体試料２との同位体比率は、上記に提案し
た方程式に従って求められる。２つの試料間の同位体比率の差は、表示あるいは
印刷される。この手法および上記装置を用いることにより、気体試料についての
同位体比率は、一たび較正値が得られていれば、Ｐｂ−Ｓｅ検出器を用いて約１
ないし約２分、焦電検出器を用いて約１２ないし約１５分で、適当な精度で得ら
れる。

【００８８】上記の実施形態は例であり、限定することを意図するものではない。他の実施
形態も以下の請求の範囲に含まれる。本発明は好ましい実施形態に関して説明さ
れたが、この分野に熟練した作業者は、本発明の精神および観点から逸脱するこ
となく、形態および詳細において変更が可能であることを認識するであろう。

【図面の簡単な説明】

【図１】気体試料中の同位体比率を測定するために有用な赤外分光計の概略図である。

【図２】気体試料中の同位体比率を測定するために設計された赤外分光計の実施形態の
構成図である。

【図３】気体試料中の同位体比率を測定するために設計された赤外分光計の別の実施形
態の構成図である。

【図４】気体試料中の同位体比率を測定するために設計された赤外分光計のさらに別の
実施形態の部分概略図である。

【図６】 ¹³Ｃ¹⁶Ｏ₂に対する¹²Ｃ¹⁶Ｏ₂の比を評価する好ましいフィルタに対応する適切
な波長窓のプロットと呼気試料の赤外光通過スペクトル図である。

【図１０Ａ】マルチパスセルの好ましい実施形態のガス入口部分を示す、分割鏡の中心を通
る断面での、断面側面図である。

【図１０Ｂ】図１０の線Ｂ−Ｂに沿って切断されたマルチパスセルの断面図である。

【図１１Ａ】図８のマルチパスセルの視野鏡およびプリズム鏡の、鏡の中心を通る断面での
、断面側面図である。

【図１１Ｂ】マルチパスセルの１つの実施形態について逐次反射点に番号を付した、図１１
Ａの視野鏡の正面図である。

【図１２Ａ】図８のマルチパスセルの分割対物鏡の正面図である。

【図１２Ｂ】図１２Ａの線Ｂ−Ｂに沿って切断された分割対物鏡の側面断面図である。

【符号の説明】

１０２……光源、１０４、１０６……光学部分、１０８……試料セル、１１２
……検出器、１１４……プロセッサ、１３８……分光セレクタ、１４０……光学
フィルタ、１４２……フィルタホイール、１４４……光路、１５０……光学セン
サ、２１０……変調器、２１２……チョッパホイール、２１６……光学センサ、
２４０……第３の光学素子セット、２４２……第４の光学素子セット、３００…
…前置増幅器、３０２……ロックイン増幅器、３０４……コントローラ、３０６
……計算機、３０８……出力機器、４０２……プリズム鏡、４０４……球面視野
鏡、４０６……分割球面鏡、４３４……第１の面、４３６……第２の面、４５０
……上部区分、４５２……下部区分

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者トクテウフ，ユーゲンアメリカ合衆国 55812 ミネソタ州、デュルス、ジェファーソンストリート 2001 (72)発明者スキルダ，アナトリーアメリカ合衆国 55812 ミネソタ州、デュルス、ジェファーソンストリート 2015 (72)発明者カールソン，ロバート，エム．アメリカ合衆国 55812 ミネソタ州、デュルス、イーストサードストリート 2231 (72)発明者トクテウフ，アレクサンダーアメリカ合衆国 55803 ミネソタ州、デュルス、ウェストオワトンナストリート 302 (72)発明者スロボディアン，ビクターアメリカ合衆国 55806 ミネソタ州、デュルス、ノーストゥエンティセカンドアヴェニューウェスト 123 Ｆターム(参考） 2G057 AA01 AB02 AB06 AC03 BA01 DA13 EA06 GA01 2G059 AA01 BB01 BB12 CC04 CC16 DD12 DD16 EE01 EE12 FF08 GG06 GG10 HH01 HH06 JJ02 JJ03 JJ11 JJ13 JJ14 JJ24 KK01 KK03 KK04 MM01 NN01 NN02 NN04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】広帯域赤外光源であって、それから放射される光が光路に沿っ
て進行する前記光源と、赤外波長領域をカバーする赤外光の波長窓を選択的に通過させ、前記波長領域
において、第１の同位体を含む化合物または第２の同位体を含む化合物によって
主として吸収される波長領域と重なるように、前記波長窓を、二者択一的に選択
することができる、前記光路に置かれる分光セレクタと、前記光路が試料室を通過するように構成され、前記試料室は気体の入口と出口
とを具備し、気体試料を収容する前記試料室と、前記分光セレクタと前記試料室とを通過して来る赤外光を受光するよう構成さ
れ、かつ前記光路に置かれる赤外光検出器と、前記赤外光検出器に接続され、そこからの出力を受信し、同位体比率に関連づ
けられる量を評価するためのプロセッサとを具備する、気体試料中の同位体比率を評価するための赤外分光計。
【請求項２】前記分光セレクタが複数個の分光フィルタを具備し、そしてそ
れらを選択的に前記光路内に移動させることによって、対応する波長窓を選択す
ることができ、その際、第１のフィルタは、前記第１の同位体を含む前記化合物
の吸収領域と重なる波長窓の形で通過させ、そして第２のフィルタは、前記第２
の同位体を含む前記化合物の吸収領域と重なる波長窓の形で通過させる、請求項
１に記載の赤外分光計。
【請求項３】前記複数個の分光フィルタが、ホイールを回転させることによ
って、選択されたフィルタが前記光路内へ移動するように、前記ホイール上に取
り付けられる、請求項２に記載の赤外分光計。
【請求項４】前記分光セレクタが、前記光路内のフィルタの温度をある温度
範囲内に維持するための温度制御装置を具備する、請求項２に記載の赤外分光計
。
【請求項５】前記第１の光学フィルタが、４．３６ミクロンから４．４６ミ
クロンまでの間に中心を持つ波長窓を有し、前記第２の光学フィルタが、４．１
８ミクロンから４．２５ミクロンまでの間に中心を持つ波長窓を有する、請求項
２に記載の赤外分光計。
【請求項６】前記第１の光学フィルタが、４．３６ミクロンから４．４６ミ
クロンまでの間に中心を持つ波長窓を有し、前記第２の光学フィルタが、２．６
６ミクロンから２．７９ミクロンまでの間に中心を持つ波長窓を有する、請求項
２に記載の赤外分光計。
【請求項７】前記複数個の分光フィルタが、水の赤外吸収領域と重なる波長
窓内を通過させるフィルタを具備する、請求項２に記載の赤外分光計。
【請求項８】前記複数個の分光フィルタが、概ね、化合物による吸収がない
波長窓内を通過させる参照フィルタを具備する、請求項２に記載の赤外分光計。
【請求項９】前記フィルタが、干渉フィルタを有する、請求項２に記載の赤
外分光計。
【請求項１０】前記フィルタが、そのフィルタを通過する前記光路内に気体
を有する、請求項２に記載の赤外分光計。
【請求項１１】前記気体が¹²ＣＯ₂を含む、請求項１０に記載の赤外分光計
。
【請求項１２】前記フィルタが、さらに干渉フィルタを具備する、請求項１
０に記載の赤外分光計。
【請求項１３】前記分光セレクタが、低スペクトル分解能を有するように設
計されたスペクトル分散素子を具備する、請求項１に記載の赤外分光計。
【請求項１４】前記検出器が、複数個の赤外領域の波長窓を同時に測定する
ために、複数個の赤外光感知素子位置を有する、請求項１３に記載の赤外分光計
。
【請求項１５】前記検出器が、少なくとも３個の光感知素子を具備する、請
求項１４に記載の赤外分光計。
【請求項１６】前記検出器が検出器アレーを具備する、請求項１４に記載の
赤外分光計。
【請求項１７】前記赤外光検出器が単一光感知素子を具備する、請求項１に
記載の赤外分光計。
【請求項１８】前記赤外光検出器が光感知素子のアレーを具備する、請求項
１に記載の赤外分光計。
【請求項１９】前記試料室がマルチパスセルを具備する、請求項１に記載の
赤外分光計。
【請求項２０】前記マルチパスセルが、焦点距離と中心軸とを有する視野鏡と、２つの区分の位置を動かして、前記焦点が互いに離れるように移動させること
により、概ね前記視野鏡と向かい合うように配置される２区分対物鏡と、プリズム鏡の互いに交差する面の端が、概ね前記対物鏡の方向に向けられ、か
つ前記プリズム鏡の前記２つの面を二分する面が前記対物鏡の２つの区分を通過
するように配置され、前記視野鏡の焦点距離の約２０％より短い距離だけ、前記
視野鏡からずらして置かれる前記プリズム鏡とを具備する、請求項２１に記載の赤外分光計。
【請求項２１】さらに、前記試料室内の圧力をあらかじめ定められた圧力に
するための圧力調整器を具備する、請求項１に記載の赤外分光計。
【請求項２２】前記試料室の前記気体入口に除湿機を接続する、請求項１に
記載の赤外分光計。
【請求項２３】前記除湿機が半透膜を具備する、請求項２２記載の赤外分光
計。
【請求項２４】前記ガスが、概ね層流として前記試料室に一様に充填される
ように、前記気体入口が、前記試料室への複数個の開口部を具備する、請求項１
に記載の赤外分光計。
【請求項２５】前記試料室が加熱素子を具備する、請求項１に記載の赤外分
光計。
【請求項２６】前記加熱素子が、前記試料室の周囲を包む銅線を具備する、
請求項２５に記載の赤外分光計。
【請求項２７】前記試料室が温度センサを具備する、請求項１に記載の赤外
分光計。
【請求項２８】前記試料室が約５０ｋＰａないし約１００ｋＰａの圧力でガ
スを含む、請求項１に記載の赤外分光計。
【請求項２９】広帯域赤外光を気体試料中を通過させることと、前記広帯域赤外光源から光を分光学的に分離することによって、第１の波長窓
を選択し、前記第１の波長窓が、主として第１の同位体を含む前記化合物によっ
て吸収される波長領域と重なるようにすることと、前記広帯域赤外光源から光を分光学的に分離することによって、第２の波長窓
を選択し、前記第２の波長窓が、主として第２の同位体を含む前記化合物によっ
て吸収される波長領域と重なるようにすることと、前記気体試料を通過して出てくる前記第１の波長窓の赤外光を検出し、検出さ
れた赤外光の第１の値を得ることと、前記気体試料を通過して出てくる前記第２の波長窓の赤外光を検出し、検出さ
れた赤外光の第２の値を得ることと、前記検出された赤外光の値から、気体試料中の化合物の同位体比率に関係づけ
られる値を評価することとを含む、気体試料中の化合物の同位体比に関係づけられる量を決定する方法。
【請求項３０】前記第１のスペクトルの分離が、前記光を第１の分光フィル
タに通すことにより、そして前記第２のスペクトルの分離が、前記光を第２の分
光フィルタに通すことによって行われる、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】前記第１の分光フィルタと前記第２の分光フィルタとが、ホ
イールに取り付けられ、それから、該当するスペクトルを分離するために、前記
ホイールを回転させて光を前記フィルタに通す、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】前記波長窓が赤外光検出器素子によって検出されるように、
前記第１のスペクトルの分離と前記第１のスペクトルの分離が、前記広帯域光を
空間的に分散させることによって行われる、請求項２９に記載の方法。
【請求項３３】スペクトル的に分離された前記第１の波長窓とスペクトル的
に分離された前記第２の波長窓が、同時に複数個の検出器素子によって検出され
る、請求項２９に記載の方法。
【請求項３４】スペクトル的に分離された前記第１の波長窓とスペクトル的
に分離された前記第２の波長窓が、分散素子を使うことによって空間的に分離さ
れる、請求項２９に記載の方法。
【請求項３５】前記第１の波長窓と前記第２の波長窓が、空間的に分離され
た波長窓を検出器素子に対して動かすことによって、逐次的に検出される、請求
項３４に記載の方法。
【請求項３６】焦点距離と中心軸とを有する視野鏡と、２つの区分の位置を動かして、前記焦点が互いに離れるように移動させること
により、概ね前記視野鏡と向かい合うように配置される２区分対物鏡と、プリズ
ム鏡の互いに交差する面の端が、概ね前記対物鏡の方向に向けられ、かつ前記プ
リズム鏡の前記２つの面を二分する面が、前記対物鏡の２つの区分を通過するよ
うに配置され、前記視野鏡の焦点距離の約２０％より短い距離だけ、前記視野鏡
からずらして置かれる前記プリズム鏡とを具備するマルチパスセル。
【請求項３７】前記視野鏡が、ある曲率半径を有する球面鏡を具備する、請
求項３６に記載のマルチパスセル。
【請求項３８】前記対物鏡の前記区分が、前記視野鏡の曲率半径とほぼ等し
い曲率半径を有する球面鏡の部分を成し、かつ、前記視野鏡と前記対物鏡の間の
距離が、前記視野鏡の曲率半径にほぼ等しい、請求項３６に記載のマルチパスセ
ル。
【請求項３９】前記プリズム鏡が、前記視野鏡に隣接して取り付けられる、
請求項３６に記載のマルチパスセル。
【請求項４０】前記プリズム鏡と前記対物鏡の対称面の交点にほぼ沿う前記
対物鏡のほぼ１つの区分に対して前記光路を反射するように、前記プリズム鏡の
面の間の角度が選択される、請求項３６に記載のマルチパスセル。
【請求項４１】前記光学セルに入る集束光線が、前記セルから出るまでに前
記セル内で約１０回ないし約１００回反射する、請求項３６に記載のマルチパス
セル。
【請求項４２】前記対物鏡が、前記対物鏡の向きを調整する調整台を有する
、請求項３６に記載のマルチパスセル。
【請求項４３】視野鏡が、視野鏡の向きを調整する調整台を有する請求項３
６に記載のマルチパスセル。
【請求項４４】前記分割鏡の各部分間の隔たりが、約１ｍｍないし約１０ｍ
ｍである、請求項３６に記載のマルチパスセル。
【請求項４５】さらに、前記鏡および前記プリズムの周りを囲み、気体入口
と気体出口とを有する密封された気体室を形成する概ね円柱状の管を具備する、
請求項３６に記載のマルチパスセル。
【請求項４６】前記円筒管が、前記光学セルから出て、前記プリズム鏡の角
度を成す第１の表面に光路を与える第１の窓と、プリズム鏡の角度を成すもう一
方の表面からの光路を与える第２の窓とを具備する、請求項４５に記載のマルチ
パスセル。
【請求項４７】前記２つの窓が、前記視野鏡の対称軸を通る面に垂直に、直
線的な光路を形成するように置かれ、そして前記直線的な光路がプリズム鏡に遮
断され、そして前記プリズム鏡の角度を成す前記面の間の角度が約９０゜より大
きい、請求項４６に記載のマルチパスセル。
【請求項４８】前記窓が曲面を有する、請求項４６に記載のマルチパスセル
。
【請求項４９】赤外光を通さない遮光体が前記プリズム鏡の前記２つの面が
合わさる先端付近から延びる、請求項３６に記載のマルチパスセル。
【請求項５０】さらに、前記セル内の圧力を監視する圧力センサを具備する
、請求項３６に記載のマルチパスセル。
【請求項５１】さらに、温度センサおよび温度調節器を具備する、請求項３
６に記載のマルチパスセル。
【請求項５２】前記温度調節器が、気体収容容器の周りを包む電気的に絶縁
された針金を含むヒータを具備する、請求項５１に記載のマルチパスセル。
【請求項５３】さらに、前記セル内の圧力が約５０ｋＰａないし約１００ｋ
Ｐａの範囲に維持されるように制御されるポンプおよび弁を具備する、請求項３
６に記載のマルチパスセル。