JPWO2016047169A1 - ガス測定装置 - Google Patents

ガス測定装置 Download PDF

Info

Publication number
JPWO2016047169A1
JPWO2016047169A1 JP2016549968A JP2016549968A JPWO2016047169A1 JP WO2016047169 A1 JPWO2016047169 A1 JP WO2016047169A1 JP 2016549968 A JP2016549968 A JP 2016549968A JP 2016549968 A JP2016549968 A JP 2016549968A JP WO2016047169 A1 JPWO2016047169 A1 JP WO2016047169A1
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
light
detection
pipe
sample gas
carbon dioxide
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2016549968A
Other languages
English (en)
Inventor
陽 前川
陽 前川
美幸 草場
美幸 草場
茂行 高木
茂行 高木
長谷川　裕
裕 長谷川
努 角野
努 角野
康友 塩見
康友 塩見
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
Publication of JPWO2016047169A1 publication Critical patent/JPWO2016047169A1/ja
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3504—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing gases, e.g. multi-gas analysis
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/0059—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/08—Detecting, measuring or recording devices for evaluating the respiratory organs
    • A61B5/082—Evaluation by breath analysis, e.g. determination of the chemical composition of exhaled breath
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
    • G01N21/03—Cuvette constructions
    • G01N21/05—Flow-through cuvettes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/39—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using tunable lasers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/483—Physical analysis of biological material
    • G01N33/497—Physical analysis of biological material of gaseous biological material, e.g. breath
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/12—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region the resonator having a periodic structure, e.g. in distributed feedback [DFB] lasers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/12—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region the resonator having a periodic structure, e.g. in distributed feedback [DFB] lasers
    • H01S5/125—Distributed Bragg reflector [DBR] lasers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H01S5/3401—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers having no PN junction, e.g. unipolar lasers, intersubband lasers, quantum cascade lasers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H01S5/3401—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers having no PN junction, e.g. unipolar lasers, intersubband lasers, quantum cascade lasers
    • H01S5/3402—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers having no PN junction, e.g. unipolar lasers, intersubband lasers, quantum cascade lasers intersubband lasers, e.g. transitions within the conduction or valence bands
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H01S5/343—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H01S5/343—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
    • H01S5/34313—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser with a well layer having only As as V-compound, e.g. AlGaAs, InGaAs
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H01S5/343—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
    • H01S5/34346—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser characterised by the materials of the barrier layers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/39—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using tunable lasers
    • G01N2021/396—Type of laser source
    • G01N2021/399—Diode laser
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2201/00—Features of devices classified in G01N21/00
    • G01N2201/12—Circuits of general importance; Signal processing
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/0004—Gaseous mixtures, e.g. polluted air
    • G01N33/0009—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment
    • G01N33/0027—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector
    • G01N33/0036—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector specially adapted to detect a particular component
    • G01N33/004—CO or CO2
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/22—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Hematology (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Urology & Nephrology (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Pulmonology (AREA)
  • Physiology (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Investigating Or Analysing Biological Materials (AREA)

Abstract

呼気診断装置は、セル部と、光源部と、検出部と、制御部と、を含む。前記セル部は、二酸化炭素の第１同位体と、二酸化炭素の第２同位体と、を含む呼気を含む試料気体が導入される空間を含む。前記光源部は、前記空間に光を入射させる。前記光源部は、前記光の波長を、４．３４マイクロメートル以上４．３９マイクロメートル以下の波長帯内で変化させる。前記検出部は、前記試料気体が導入されている前記空間を通過した前記光の強度の第１検出と、前記試料気体が導入されていない前記空間を通過した前記光の強度の第２検出と、を含む動作を実施する。前記制御部は、前記第１検出の結果と、前記第２検出の結果と、に基づいて、前記試料気体中における前記第１同位体の量に対する前記第２同位体の量の比を算出する。

Description

本発明の実施形態は、呼気診断装置に関する。
呼気診断装置においては、呼気のガスを測定する。この測定結果より、病気の予防や早期発見が容易になる。呼気診断装置において、高精度の測定結果を得ることが望まれる。
特開２００３−２３２７３２号公報
本発明の実施形態は、高精度の呼気診断装置を提供する。
本発明の実施形態によれば、呼気診断装置は、セル部と、光源部と、検出部と、制御部と、を含む。前記セル部は、二酸化炭素の第１同位体と、二酸化炭素の第２同位体と、を含む呼気を含む試料気体が導入される空間を含む。前記光源部は、前記空間に光を入射させる。前記光源部は、前記光の波長を、４．３４マイクロメートル以上４．３９マイクロメートル以下の波長帯内で変化させる。前記検出部は、前記試料気体が導入されている前記空間を通過した前記光の強度の第１検出と、前記試料気体が導入されていない前記空間を通過した前記光の強度の第２検出と、を含む動作を実施する。前記制御部は、前記第１検出の結果と、前記第２検出の結果と、に基づいて、前記試料気体中における前記第１同位体の量に対する前記第２同位体の量の比を算出する。
第１の実施形態に係る呼気診断装置を例示する模式図である。 図２（ａ）〜図２（ｃ）は、第１の実施形態に係る呼気診断装置を例示する模式図である。 図３（ａ）及び図３（ｂ）は、二酸化炭素の特性を例示するグラフ図である。 図４（ａ）及び図４（ｂ）は、二酸化炭素の特性を例示するグラフ図である。 図５（ａ）及び図５（ｂ）は、二酸化炭素の特性を例示するグラフ図である。 第１の実施形態に係る呼気診断装置を例示する模式図である。 第１の実施形態に係る呼気診断装置の動作を例示する模式図である。 第２の実施形態に係る呼気診断装置の動作を例示する模式図である。 図９（ａ）〜図９（ｃ）は、実施形態に係る呼気診断装置の一部を例示する模式図である。
以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る呼気診断装置を例示する模式図である。
図１に表したように、本実施形態に係る呼気診断装置１１０は、セル部２０と、光源部３０と、検出部４０と、制御部４５と、を含む。
セル部２０には、試料気体５０が導入される。すなわち、セル部２０に設けられる空間２３ｓに試料気体５０ａが導入される。試料気体５０は、呼気５０ａを含む。呼気５０ａは、例えば、ヒトを含む動物の呼気である。呼気５０ａには、１２Ｃを含む第１二酸化炭素５１（第１同位体）と、１３Ｃを含む第２二酸化炭素５２（第２同位体）とが含まれる。第１二酸化炭素５１は、１２ＣＯ２である。第２二酸化炭素５２は、１３ＣＯ２である。これらの二酸化炭素に酸素の同位体が含まれても良い。
後述するように、呼気５０ａに含まれる１３ＣＯ２の１２ＣＯ２に対する相対的な比を求めることで、診断ができる。例えば、ヒトが１３Ｃを濃縮した標識化合物（１３Ｃ標識化合物）を飲む。このときの呼気５０ａが、評価される。
後述するように、第１二酸化炭素５１の光吸収は、第１波長において、第１ピークを有する。第２二酸化炭素５２の光吸収は、第２波長において、第２ピークを有する。これらの２つのピークの波長に対応した波長の光を用いることで、第１二酸化炭素５１及び第２二酸化炭素５２の量（相対的な比率）が検出できる。
光源部３０は、空間２３ｓに光（測定光３０Ｌ)を入射させる。光源部３０は、その光（測定光３０Ｌ）の波長を、変化させる。波長の変化は、特定の波長帯において行われる。例えば、光の波長が、４．３４マイクロメートル以上４．３９マイクロメートル以下の波長帯内で変化させる。この波長帯は、第１二酸化炭素５１の光吸収の第１ピークの第１波長と、第２二酸化炭素５２の光吸収の第２ピークの第２波長と、を含む。
この例では、光源部３０は、発光部３０ａと、駆動部３０ｂと、を含む。駆動部３０ｂは、発光部３０ａに電気的に接続される。駆動部３０ｂは、発光部３０ａに、発光のための電力を供給する。後述するように、発光部３０ａとして、例えば、分布帰還型（ＤＦＢ型）量子カスケードレーザが用いられる。発光部３０ａとして、インターバンドカスケードレーザ（ＩＣＬ）を用いても良い。
光源部３０において、波長の変更は、短時間（例えば１００ｍｓ程度以下）で行われる。例えば、測定光３０Ｌの波長の中心値は、４．３４マイクロメートル（μｍ）以上４．３９μｍ以下である。波数は、２２７８ｃｍ−１以上２３０４ｃｍ−１以下である。波長帯ＷＬの波数の変更の幅は、例えば、約１ｃｍ−１である。
測定光３０Ｌは、セル部２０の空間２３ｓを通過する。測定光３０Ｌの一部が、試料気体５０に含まれる物質（第１二酸化炭素５１及び第２二酸化炭素５２）により吸収される。測定光３０Ｌのうちの、これらの物質に特有の波長の成分が吸収される。吸収の程度は、物質の濃度に依存する。
検出部４０は、例えば、空間２３ｓに試料気体５０が導入された状態において空間２３ｓを通過した測定光３０Ｌを検出する。検出部４０は、空間２３ｓを通過した光（測定光３０Ｌ）の強度を検出する。検出部４０には、赤外領域に感度を有する素子が用いられる。検出部４０には、例えばサーモパイルまたは半導体センサ素子（例えばＭＣＴ（ＨｇＣｄＴｅ））などが用いられる。実施形態において、検出部４０は任意である。
検出部４０において、空間２３ｓに試料気体５０が導入されているときの光の強度に加えて、空間２３ｓに試料気体５０が導入されていないときの光強度の強度も検出する。後者は、検出における参照値として用いられる。すなわち、検出部４０は、試料気体５０が導入されている空間２３ｓを通過した光（測定光３０Ｌ）の強度の第１検出と、試料気体５０が導入されていない空間２３ｓを通過した光（測定光３０Ｌ）の強度の第２検出と、を実施する。
制御部４５は、上記の第１検出の結果と、上記の第２検出の結果と、に基づいて、前記試料気体中における第１二酸化炭素５１（第１同位体）の量に対する第２二酸化炭素５２（第２同位体）の量の比を算出する。
実施形態において、高精度の呼気診断が可能である。
実施形態において、上記の検出を複数回実施しても良い。すなわち、検出部４０は、試料気体５０が導入されている空間２３ｓを通過した光（測定光３０Ｌ）の強度の第１検出と、試料気体５０が導入されていない空間２３ｓを通過した光（測定光３０Ｌ）の強度の第２検出と、を含む動作を複数回実施する。このとき、制御部４５は、複数回の上記の動作によって得られる結果に基づいて、試料気体５０中における第１二酸化炭素５１の量に対する第２二酸化炭素５２の量の比を算出する。すなわち、複数回の上記の動作によって得られる複数の第１検出の結果と、複数回の上記の動作によって得られる複数の第２検出の結果と、に基づいて、第１二酸化炭素５１の量に対する第２二酸化炭素５２の量の比を算出する。
これにより、さらに高精度の呼気診断が可能となる。
さらに、炭素の同位体を含む二酸化炭素において、１３ＣＯ２の１２ＣＯ２に対する比率は、約１％程度である。そして、このような微量な１３ＣＯ２の相対的な量を高い精度で測定することは容易ではない。このため、高精度で１３ＣＯ２の相対的な量を測定できる、特別な構成が望まれる。
例えば、採取された呼気を所定の容器などに一端格納し、その容器に格納された呼気を分析する方法がある。この方法においては、ヒトなどから排出された呼気を一端容器に格納するため、測定結果が、例えば容器などの変動の影響を受ける場合がある。このため、検出の安定性を十分に高めることが困難である。
これに対して、実施形態においては、ヒトなどから排出された呼気は、容器などに格納することなく、セル部２０の空間２３ｓに導入される。このため、容器などの他の部材の変動の影響を受けることがなく、検出結果の安定性が高い。
さらに、１３ＣＯ２の吸収の強度と、１２ＣＯ２の吸収の強度が大きく異なる。このため、１３ＣＯ２を検出するためのセルと、１２ＣＯ２を検出するためのセルと、を別に設ける参考例がある。しかしながら、この方法においては、異なるセルを用いて検出を行うため、異なる試料を評価することになる。このため、検出の安定性が十分に高くできない。さらに、セルを複数設ける場合にそれぞれのセルについて検出器が設けられる。複数の検出器において、周囲環境（例えば温度）や温度ドリフトの影響が大きい。例えば、複数の検出器において感度（及び出力）のドリフトが異なり、測定結果の精度が低下する。特に、測定光３０Ｌは赤外領域に位置するため、温度の影響が大きい。
これに対して、実施形態においては、１つ空間２３ｓ（１つのセル部２０）において、１３ＣＯ２及び１２ＣＯ２の両方の吸収強度が検出される。１つの検出器（検出部４０）で両方の吸収強度が検出される。そして、光源部３０において、特定の波長帯において、波長を変更することで、実質的に同じタイミングで、１３ＣＯ２及び１２ＣＯ２の両方の吸収強度が検出される。これにより、検出結果の安定性が高い。実施形態においては、周囲環境や温度ドリフトの影響を抑制でき、高い精度が得られる。
さらに、実施形態においては、波長の変更は、比較的短時間で行うことができる。これにより、同じ試料について複数回の検出を行う。複数回の検出結果を平均化（積分）することで、精度の高い検出を行うことができる。
実施形態においては、１つのセル部２０を用いて、１３ＣＯ２及び１２ＣＯ２の両方の吸収強度を検出する。このため、複数のセルを用いる参考例に比べて装置が小型になる。
図２（ａ）〜図２（ｃ）は、第１の実施形態に係る呼気診断装置を例示する模式図である。
図２（ａ）は、光源部３０から出射する測定光３０Ｌを制御する電流Ｉｓの変化の例を示している。電流Ｉｓは、発光部３０ａに供給される電流でも良い。図２（ｂ）は、光源部３０から出射する測定光３０Ｌの波長の変化の例を示している。図２（ｃ）は、検出部４０において検出される信号の変化の例を示している。これらの図において、横軸は時間ｔである。図２（ａ）の縦軸は、電流Ｉｓである。図２（ｂ）の縦軸は、波長λである。図２（ｃ）の縦軸は、信号の強度Ｓｇである。
これらの図に示すように、参照データ測定期間Ｐｒ１と、試料データ測定期間Ｐｓ１と、が設けられる。参照データ測定期間Ｐｒ１においては、空間２３ｓに試料気体５０が導入されていない。試料データ測定期間Ｐｓ１は、空間２３ｓに試料気体５０が導入されている。
参照データ測定期間Ｐｒ１において、光源部３０から出射する測定光３０Ｌの波長が変化される。この変化は、複数回繰り返して行われる。この測定光３０Ｌの強度が、検出部４０により検出される。検出部４０において、信号の強度Ｓｇが、複数回検出される。
試料データ測定期間Ｐｓ１においては、空間２３ｓに試料気体５０が導入されており、測定光３０Ｌの一部が、第１二酸化炭素５１及び第２二酸化炭素５２によって吸収される。例えば、第１二酸化炭素５１の吸収のピークに対応する第１波長λ１において、信号の強度Ｓｇが低くなる。例えば、第２二酸化炭素５２の吸収のピークに対応する第２波長λ２において、信号の強度Ｓｇが低くなる。
参照データ測定期間Ｐｒ１における信号の強度Ｓｇ（参照強度）と、試料データ測定期間Ｐｓ１における信号の強度Ｓｇ（試料強度）と、を比較することで、第１二酸化炭素５１の量に対応した値、及び、第２二酸化炭素５２の量に対応した値が得られる。例えば、参照強度に対する、試料強度の比を求める。例えば、参照強度と試料強度との差異を求める。これにより、第１二酸化炭素５１の量に対応した値、及び、第２二酸化炭素５２の量に対応した値が得られる。第１二酸化炭素５１の量に対する第２二酸化炭素５２の量の比が得られる。
少なくとも１つの参照データ測定期間Ｐｒ１と、少なくとも１つの試料データ測定期間Ｐｓ１と、により、１回の測定（第１二酸化炭素５１の量に対する第２二酸化炭素５２の量の比の算出）が実施される。すなわち、１回の測定期間Ｐｍ１は、少なくとも１つの参照データ測定期間Ｐｒ１と、少なくとも１つの試料データ測定期間Ｐｓ１と、を含む。
図３（ａ）及び図３（ｂ）、並びに、図４（ａ）及び図４（ｂ）は、二酸化炭素の特性を例示するグラフ図である。
図３（ａ）は、１２ＣＯ２の吸収スペクトルを表し、図３（ｂ）は、１３ＣＯ２の吸収スペクトルを表す。これらの図において、光路長は同じである。図４（ａ）は、１２ＣＯ２及び１３ＣＯ２の吸収スペクトルを、波長を拡大して示している。図４（ｂ）は、波数を拡大して示している。図３（ａ）、図３（ｂ）及び図４（ａ）の横軸は、波長λ（μｍ）である。図４（ｂ）の横軸は、波数κ（ｃｍ−１）である。縦軸は、吸収率Ａｂ（％）である。
図３（ａ）、図３（ｂ）、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、１２ＣＯ２及び１３ＣＯ２のそれぞれは、固有の吸収を有する。図４（ｂ）に示すように、例えば、１２ＣＯ２の吸収のピークの１つに対応する第１波長λ１（波数）は、例えば、２２９６．０６ｃｍ−１である。例えば、１３ＣＯの２吸収のピークの１つに対応する第２波長λ２（波数）は、例えば、２２９５．８５ｃｍ−１である。さらに、１２ＣＯ２の吸収のピークの別の１つに対応する第３波長λ３（波数）として、２２９５．５０ｃｍ−１のピークが存在している。
例えば、光源部３０から出射される測定光３０Ｌの波長は、波長帯ＷＬの範囲に変更（スイープされる）。波長帯ＷＬは、第１波長λ１及び第２波長λ２を含む。波長帯ＷＬは、１２ＣＯ２の吸収のピークの別の１つ、及び、１３ＣＯの２吸収のピークの別の１つ、の少なくともいずれかをさらに含むことが好ましい。
波長帯ＷＬの範囲（波数帯の範囲）は、例えば、約１ｃｍ−１である。
１３ＣＯ２において、１２ＣＯ２の吸収強度と比較的近い吸収強度が得られるように、波長帯ＷＬが定められる。これにより、これらの二酸化炭素の量が高い精度で検出できる。
上記のように、光源部３０から出射される波長の変化（波長帯ＷＬ）の幅は、約１ｃｍ−１である。波長帯ＷＬの範囲内に、二酸化炭素についての吸収ピークの数は、３以上であることがさらに好ましい。すなわち、波長帯ＷＬは、第１二酸化炭素の光吸収の第１ピークの第１波長と、第２二酸化炭素の光吸収の第２ピークの第２波長と、第１二酸化炭素の光吸収または第２二酸化炭素の光吸収の第３ピークの第３波長とを含む。第３波長は、例えば、第１波長と第２波長との間である。３以上の数の吸収ピークの測定結果を用い、カーブフィッティングを行うことで、さらに高い精度での検出が可能になる。
波長帯ＷＬの範囲内に、１３ＣＯ２における複数の吸収ピークが存在していても良い。複数のピークの波長における信号（強度Ｓｇ）の変化に基づいて、１３ＣＯ２の濃度を算出することで、より高い精度での検出が可能になる。
例えば、波長帯ＷＬは、１２ＣＯ２の吸収ピークに対応する２２９６．０６ｃｍ−１と、１３ＣＯ２の吸収ピークに対応する２２９５．８５ｃｍ−１と、を含む。波長帯ＷＬは、さらに、１２ＣＯ２の吸収ピークに対応する２２９５．５０ｃｍ−１と、を含む。
１２ＣＯ２の存在比は、約９８％である。一方、１３ＣＯ２の存在比は、約１％である。実施形態において、１３ＣＯ２の存在比の吸収ピークの吸収率が、１２ＣＯ２の存在比の吸収ピークの吸収率と同程度であることが好ましい。これにより、１つの光源部３０と、１つの検出部４０と、によってこれらの同位体の吸収を検出することが容易になる。
実施形態において、例えば、１３ＣＯ２の吸収ピークの波長における、１２ＣＯ２の吸収は、非ピークに対応する。このとき、この波長における１３ＣＯ２の吸収ピークの吸収率は、この波長における１２ＣＯ２の吸収率（１２ＣＯ２の非ピークにおける吸収率）よりも高いことが好ましい。
一方、ＤＦＢ型量子カスケードレーザにおいてスイープされる波長帯ＷＬの波数の範囲は、約１ｃｍ−１である。例えば、この波長帯ＷＬの範囲において、１２ＣＯ２の吸収ピークと、１３ＣＯ２の吸収ピークと、が存在する。波長帯ＷＬを有する光を用いて測定が行われる。これにより、ＤＦＢ型量子カスケードレーザを用いて、高速で、高感度の測定が可能になる。
さらに、波長帯ＷＬの波数の範囲（約１ｃｍ−１）に、１２ＣＯ２の１つの吸収ピークと、１３ＣＯ２の１つの吸収ピークと、１２ＣＯ２及び１３ＣＯ２のいずれかの吸収ピークと、の３つの吸収ピークが存在していることが好ましい。これにより、カーブフィッティングによる高精度の検出が可能になる。
すなわち、例えば、同位体比を求める際に、測定で得られた吸収スペクトルと、基準となるスペクトル（例えば理論的なスペクトル）と、をフィッティングする。例えば、図２（ａ）〜図２（ｃ）に関して説明したように、時間ｔを基に、波長（すなわち、波数）が定められる。例えば、測定で得られる時間−吸収係数の特性カーブが、まず、波数−吸収係数の特性カーブに変換される。そして、この変換された特性が、基準となるスペクトル（例えば理論的なスペクトル）の特性カーブとフィッティングされる。
このとき、図２（ａ）に例示した時間−電流の特性は、既知（設定した鋸波）であるが、電流−波長特性は、量子カスケードレーザの特性に依存する。発明者の検討によると、この電流−波長特性は、線形ではなく、２次関数の特性とすると、正確であることが分かった。従って、時間−波数の特性は、２次関数となる。
例えば、３つ以上の吸収ピークを取得し、これらのピークのそれぞれの時間と対応する波数を基に、時間−波数の変換式の係数（３つの係数）を求める。これにより、フィッティング精度を向上することができる。
実施形態において、波長帯ＷＬの波数の範囲（約１ｃｍ−１）に、３つ以上の吸収ピークが存在する。これにより、カーブフィッティングによる高精度の検出が可能になる。
すなわち、実施形態において、波長帯ＷＬの波数を、２２８１ｃｍ−１以上２３０１ｃｍ−１以下とする。すなわち、波長帯ＷＬの波長を、４．３４５μｍ以上４．３８４μｍ以下とする。これにより、上記の条件を満たすことができる。
図５（ａ）及び図５（ｂ）は、二酸化炭素の特性を例示するグラフ図である。
これらの図は、２ＣＯ２及び１３ＣＯ２の吸収スペクトルを表している。
波長帯ＷＬは、二酸化炭素の吸収スペクトルに応じて適切に定められる。波長帯ＷＬは、１３ＣＯ２の吸収ピークの強度が１２ＣＯ２の非ピークの強度よりも高いことが好ましい。
図６は、第１の実施形態に係る呼気診断装置を例示する模式図である。
図６に表したように、呼気診断装置１１０において、筐体１０ｗが設けられる。筐体１０ｗ内に、セル部２０と、光源部３０と、検出部４０と、制御部４５と、が設けられる。制御部４５は、筐体１０ｗの外に設けられても良い。
ガス導入部６０ｉが、筐体１０ｗに接続される。ガス導入部６０ｉは、例えば、マウスピースである。ガス導入部６０ｉとして、カニューレ管などを用いても良い。ガス導入部６０ｉとして、マスクを用いても良い。
筐体１０ｗ内に第１配管６１ｐが設けられる。第１配管６１ｐの一端は、ガス導入部６０ｉに接続される。第１配管６１ｐの他端は、外界と接続される。この例では、第１配管６１ｐの入り口側に、流量計６１ｆｍが設けられている。流量計６１ｆｍは、ガス導入部６０ｉと接続される。第１配管６１ｐの出口側に、一方向弁６１ｄｖが設けられる。ガス導入部６０ｉから導入された試料気体５０の一部は、一方向弁６１ｄｖを経て外界に放出される。
第１配管６１ｐに、第２配管６２ｐが接続される。第２配管６２ｐの一端が、第１配管６１ｐに接続され、第２配管６２ｐの他端がセル部２０に接続される。この例では、第２配管６２ｐの経路上に、除湿部６２ｆが設けられる。除湿部６２ｆには、例えば、水を吸着するフィルタなどが用いられる。第１配管６１ｐとセル部２０との間に、第１電磁弁Ｖ１が設けられる。この例では、第１電磁弁Ｖ１と除湿部６２ｆとの間にニードルバルブ６２ｎｖが設けられる。この例では、第１電磁弁Ｖ１とセル部２０との間には、スパイラルチューブ６２ｓが設けられている。スパイラルチューブ６２ｓは、省略しても良い。ニードルバルブ６２ｎｖは、必要に応じて設けられ、省略しても良い。
セル部２０には、例えばヒータ２８が設けられても良い。セル部２０には、圧力計２７が設けられても良い。
第１電磁弁Ｖ１とスパイラルチューブ６２ｓとの間の部分に、第３配管６３ｐの一端が接続される。第３配管６３ｐの他端は、一方向弁６３ｄｖに接続される。第３配管６３ｐは、セル部２０に、外界から空気を導入することが可能である。第３配管６３ｐにおいて、第３電磁弁Ｖ３が設けられる。第３電磁弁Ｖ３と一方向弁６３ｄｖとの間にＣＯ２フィルタが設けられる。ＣＯ２フィルタ６３ｆは、外界から導入された空気における二酸化炭素の量を減少させる。この例では、第３電磁弁Ｖ３とＣＯ２フィルタ６３ｆとの間に、ニードルバルブ６３ｎｖが設けられる。一方向弁６３ｄｖを介して外界から空気が導入される。ＣＯ２フィルタを通過することで、空気からＣＯ２が除去される。ＣＯ２が除去された空気が第３電磁弁Ｖ３を通過して、セル部２０に導入可能である。ニードルバルブ６３ｎｖは、必要に応じて設けられ、省略しても良い。
電磁弁の動作により、第２配管６２ｐを経て、試料気体５０がセル部２０に導入される。または、第３配管６３ｐを経て、ＣＯ２が除去された空気がセル部２０に導入される。
セル部２０の出口側には、第４配管６４ｐの一端が接続される。第４配管６４ｐの他端は、外界（筐体１０ｗの外側）に繋がる。この例では、第４配管６４ｐに第２電磁弁Ｖ２が設けられている。第２電磁弁Ｖ２と外界との間に、排気部６５（ポンプまたはファンなど）が設けられる。この例では、排気部６５と第２電磁弁Ｖ２との間に、ニードルバルブ６４ｎｖが設けられている。ニードルバルブ６４ｎｖは、必要に応じて設けられ、省略しても良い。
すなわち、ガス導入部６０ｉから導入された試料気体５０の一部が、第２配管６２ｐを経てセル部２０に導入される。この気体（呼気５０ａ）中の第１二酸化炭素５１及び第２二酸化炭素５２が、セル部２０において検出される。
ガス導入部６０ｉから導入された試料気体５０の別の一部（多くの部分）が、第１配管６１ｐを経て、外界に放出される。すなわち、第１配管６１ｐを流れる試料気体５０の量（流量）は、第２配管６２ｐを流れる試料気体５０の量（流量）よりも多い。これにより、試料気体５０の採取において、被検者（ヒト）は、苦しさを感じることが抑制される。
流量計６１ｆｍを用いることで、試料気体５０の導入の状態が検出される。この検出結果に基づいて、検出動作が行われる。すなわち、試料気体５０の導入開始が明確になり、検出の精度が向上する。
ニードルバルブ６２ｎｖを用いることで、第２配管６２ｐの内部の流量を制限し、安定した試料気体５０の供給が可能になる。
第１電磁弁Ｖ１を開状態にすることで、試料気体５０がセル部２０に導入される。セル部２０に導入された試料気体５０中の第１二酸化炭素５１と第２二酸化炭素５２との検出中（すなわち、試料データ測定期間Ｐｓ１）においては、第１電磁弁Ｖ１及び第２電磁弁Ｖ２を閉状態する。これにより、セル部２０内の気体の状態が安定し、検出の動作が高まる。試料データ測定期間Ｐｓ１においては、第３電磁弁Ｖ３は、閉状態である。
セル部２０に導入される試料気体５０の温度は一定であることが好ましい。スパイラルチューブ６２ｓとヒータなどとを用いることで、セル部２０に導入される試料気体５０の温度を精度良く制御できる。温度は、例えば、約４０℃である。
第３電磁弁Ｖ３を開状態とし、第２電磁弁Ｖ２、ニードルバルブ６４ｎｖ及び排気部６５の動作により、セル部２０内の気体が外界に放出される。
セル部２０に試料気体５０を導入しない状態で検出動作を行う際（すなわち、参照データ測定期間Ｐｒ１）においては、第１電磁弁Ｖ１を閉状態にし、第３電磁弁Ｖ３を開状態とする。これにより、外界からの空気（ＣＯ２が除去された空気）がセル部２０に導入される。
図７は、第１の実施形態に係る呼気診断装置の動作を例示する模式図である。
図７に示すように、測定を開始する。
まず、電磁弁を操作する（ステップＳ１）。具体的には、第２電磁弁Ｖ２及び第３電磁弁Ｖ３を開状態にし、第１電磁弁Ｖ１を閉状態にする。
指定時間、待機した後に、電磁弁を操作する（ステップＳ２）。具体的には、第１電磁弁Ｖ１、第２電磁弁Ｖ２及び第３電磁弁Ｖ３を閉状態にする。
参照データを測定する（ステップＳ３）。
この後、電磁弁を操作する（ステップＳ４）。具体的には、第１電磁弁Ｖ１及び第２電磁弁Ｖ２を開状態にし、第３電磁弁Ｖ３を閉状態にする。
流量計データのモニタを行う（ステップＳ５）。
流量計出力値が設定値（例えば予め定められた値）を超えるかどうかを判断する（ステップＳ６）。ステップＳ６において、流量計出力値が設定値を超えないときには、ステップ５に戻る。ステップＳ６において、流量計出力値が設定値を超えるときには、以下のステップＳ７を実施する。
すなわち、電磁弁を操作する（ステップＳ７）。具体的には、第１電磁弁Ｖ１、第２電磁弁Ｖ２及び第３電磁弁Ｖ３を閉状態にする。
その後、試料データを測定する（ステップＳ８）。そして、データ解析を行う（ステップＳ９）。
測定時間が設定時間を超えるかどうかを判断する（Ｓ１０）。ステップＳ１０において、測定時間が設定時間を超えないときは、ステップＳ１に戻る。ステップＳ１０において、測定時間が設定時間を超えるときは、測定を終了する。上記のステップＳ１〜Ｓ９が、１回の測定期間Ｐｍ１に対応する。
（第２の実施形態）
図８は、第２の実施形態に係る呼気診断装置の動作を例示する模式図である。
図８に示すように、本実施形態においては、測定期間Ｐｍ１の動作が複数回、連続して実施される。すなわち、図７に関して説明したステップＳ１〜Ｓ９が、複数回、実施される。
１回の測定期間Ｐｍ１において、第１二酸化炭素５１の量に対する第２二酸化炭素５２の量の比の算出が行われる。複数回の測定期間Ｐｍ１を連続して設け、連続して測定することで、第２二酸化炭素５２の量の時間的な変化が分かる。すなわち、制御部４５は、上記の比の算出を複数回実施する。
例えば、呼気５０ａに含まれる１３ＣＯ２の１２ＣＯ２に対する相対的な比の経時変化が測定できる。例えば、胃における排出能と、１３ＣＯ２の相対的な量と、に関連がある。１３ＣＯ２の１２ＣＯ２に対する相対的な比の経時変化の測定結果に基づいて、胃の排出能の診断ができる。
ヒトが、１３Ｃを濃縮した標識化合物（１３Ｃ標識化合物）を飲むことで、そのヒトの健康状態を診断することができる。例えば、ヒトが、１３Ｃ標識化合物として、１３Ｃ−尿素を飲む。このとき、ピロリ菌があると、１３ＣＯ２の相対的な量が多くなる。一方、例えば、ヒトが、１３Ｃ標識化合物として１３Ｃ−ａｃｅｔａｔｅを飲む。このときの呼気５０ａを評価することで、胃排出能について診断することができる。１３Ｃ−ａｃｅｔａｔｅを飲んだ場合において、胃排出能と、１３ＣＯ２の相対的な量と、に関連がある。
図９（ａ）〜図９（ｃ）は、実施形態に係る呼気診断装置の一部を例示する模式図である。
図９（ａ）は、模式的斜視図である。図９（ｂ）は、図９（ａ）のＡ１−Ａ２線断面図である。図９（ｃ）は、光源部３０の動作を例示する模式図である。
この例では、光源部３０として、半導体発光素子３０ａＬが用いられる。半導体発光素子３０ａＬとして、レーザが用いられる。この例では、量子カスケードレーザが用いられる。
図９（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。
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。
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。
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。
図９（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。
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。
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。
図９（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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
このように、光源部３０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。
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。
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。
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。
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。
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。
実施形態によれば、高精度の呼気診断装置が提供できる。
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、呼気診断装置に含まれる供給部、セル部、光源部、検出部及び制御部などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
その他、本発明の実施の形態として上述した呼気診断装置を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての呼気診断装置も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
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。
本発明の実施形態は、ガス測定装置に関する。
本発明の実施形態は、高精度のガス測定装置を提供する。
本発明の実施形態によれば、ガス測定装置は、セル部と、光源部と、検出部と、制御部と、を含む。前記セル部は、二酸化炭素の第１同位体と、二酸化炭素の第２同位体と、を含むガスを含む試料気体が導入される空間を含む。前記光源部は、前記空間に光を入射させる。前記光源部は、前記光の波長を、４．３４５マイクロメートル以上４．３８４マイクロメートル以下の波長帯内で変化させる。前記検出部は、前記試料気体が導入されている前記空間を通過した前記光の強度の第１検出と、前記試料気体が導入されていない前記空間を通過した前記光の強度の第２検出と、を含む動作を実施する。前記制御部は、前記第１検出の結果と、前記第２検出の結果と、に基づいて、前記試料気体中における前記第１同位体の量に対する前記第２同位体の量の比を算出する。

Claims (7)

  1. 二酸化炭素の第１同位体と、二酸化炭素の第２同位体と、を含む呼気を含む試料気体が導入される空間を含むセル部と、
    前記空間に光を入射させる光源部であって、前記光の波長を、４．３４マイクロメートル以上４．３９マイクロメートル以下の波長帯内で変化させる、光源部と、
    前記試料気体が導入されている前記空間を通過した前記光の強度の第１検出と、前記試料気体が導入されていない前記空間を通過した前記光の強度の第２検出と、を含む動作を実施する検出部と、
    前記第１検出の結果と、前記第２検出の結果と、に基づいて、前記試料気体中における前記第１同位体の量に対する前記第２同位体の量の比を算出する制御部と、
    を備えた呼気診断装置。
  2. 前記光源部は、
    複数の量子井戸のサブバンドにおける電子のエネルギー緩和により発光光を放射する半導体発光素子と、
    前記発光光の波長を調整して前記光を生成する波長制御部と、
    を含む請求項１記載の呼気診断装置。
  3. 前記制御部は、前記比の算出を複数回実施する請求項１記載の呼気診断装置。
  4. 前記試料気体が導入されるガス導入部と、
    第１配管と、
    第２配管と、
    をさらに備え、
    前記第１配管の一端は前記ガス導入部に接続され、前記第１配管の他端は外界と接続され、
    前記第２配管の一端は、前記第１配管または前記ガス導入部に接続され、前記第２配管の他端は、前記セル部に接続される請求項１記載の呼気診断装置。
  5. 前記第１配管を流れる試料気体の量は、前記第２配管を流れる試料気体の量よりも多い請求項４記載の呼気診断装置。
  6. 前記セル部に外界から空気を導入する第３配管をさらに備え、
    前記第３配管は、前記外界から導入された前記空気における二酸化炭素の量を減少させるフィルタを含む請求項４記載の呼気診断装置。
  7. 前記検出部は、半導体センサ素子を含む請求項１記載の呼気診断装置。
JP2016549968A 2014-09-22 2015-03-16 ガス測定装置 Pending JPWO2016047169A1 (ja)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014192322 2014-09-22
JP2014192322 2014-09-22
PCT/JP2015/057700 WO2016047169A1 (ja) 2014-09-22 2015-03-16 呼気診断装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPWO2016047169A1 true JPWO2016047169A1 (ja) 2017-04-27

Family

ID=55580711

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2016549968A Pending JPWO2016047169A1 (ja) 2014-09-22 2015-03-16 ガス測定装置

Country Status (4)

Country Link
US (2) US9829432B2 (ja)
JP (1) JPWO2016047169A1 (ja)
CN (1) CN106062536A (ja)
WO (1) WO2016047169A1 (ja)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FI127556B (en) * 2017-02-06 2018-09-14 Teknologian Tutkimuskeskus Vtt Oy Respiratory analysis method and apparatus
US10330592B2 (en) 2017-07-21 2019-06-25 Serguei Koulikov Laser absorption spectroscopy isotopic gas analyzer

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS59197837A (ja) * 1983-04-25 1984-11-09 Japan Spectroscopic Co 光学式同位体ガス分析装置
JP2000097854A (ja) * 1998-09-25 2000-04-07 Nippon Koden Corp 呼吸ガス濃度測定装置
US20020101580A1 (en) * 2001-01-30 2002-08-01 Manning William H. Apparatus and method for synchronizing high-speed optical measurements made over a range of wavelengths
JP2002340795A (ja) * 2001-05-16 2002-11-27 Shimadzu Corp 同位体ガス測定装置
JP2003232732A (ja) * 2002-02-06 2003-08-22 Shimadzu Corp 同位体ガス測定装置
JP2010509586A (ja) * 2006-11-09 2010-03-25 ユニフェルシテイト トウェンテ ガス混合物中のアンモニア含有量の測定装置
JP2013515950A (ja) * 2009-12-24 2013-05-09 ヒューメディックス ゲーエムベーハー 赤外線吸収分光法により試料ガスを分析する測定装置およびその分析方法
JP2013117517A (ja) * 2011-11-02 2013-06-13 Fuji Electric Co Ltd レーザ式ガス分析計

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1596182A3 (en) * 1995-10-09 2008-02-20 Otsuka Pharmaceutical Company, Limited Method for spectrometrically measuring isotopic gas and apparatus thereof
DE19607062C2 (de) * 1996-02-24 1998-02-19 Draegerwerk Ag Verfahren zur Bestimmung der Ethanolkonzentration in einer Atemgasprobe
AUPO425896A0 (en) * 1996-12-18 1997-01-23 University Of Wollongong, The Method and apparatus for measuring gas concentrations and isotope ratios in gases
JP3014652B2 (ja) 1997-01-14 2000-02-28 大塚製薬株式会社 同位体ガス分光測定方法
IL121793A (en) * 1997-09-17 2008-06-05 Lewis Coleman Isotopic gas analyzer
JP4158314B2 (ja) * 2000-05-12 2008-10-01 株式会社島津製作所 同位体ガス測定装置
JP2002350340A (ja) 2001-05-25 2002-12-04 Shimadzu Corp 同位体ガス測定装置、及び測定方法
US6599253B1 (en) * 2001-06-25 2003-07-29 Oak Crest Institute Of Science Non-invasive, miniature, breath monitoring apparatus
JP4317728B2 (ja) 2003-09-29 2009-08-19 三菱重工業株式会社 ガス濃度フラックス計測装置
EP1985993B1 (en) 2006-02-03 2014-12-03 Otsuka Pharmaceutical Co., Ltd. Method of exhaled gas measuring and analysis and apparatus therefor
WO2009101374A1 (en) 2008-02-15 2009-08-20 The Science And Technology Facilities Council Infrared spectrometer

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS59197837A (ja) * 1983-04-25 1984-11-09 Japan Spectroscopic Co 光学式同位体ガス分析装置
JP2000097854A (ja) * 1998-09-25 2000-04-07 Nippon Koden Corp 呼吸ガス濃度測定装置
US20020101580A1 (en) * 2001-01-30 2002-08-01 Manning William H. Apparatus and method for synchronizing high-speed optical measurements made over a range of wavelengths
JP2002340795A (ja) * 2001-05-16 2002-11-27 Shimadzu Corp 同位体ガス測定装置
JP2003232732A (ja) * 2002-02-06 2003-08-22 Shimadzu Corp 同位体ガス測定装置
JP2010509586A (ja) * 2006-11-09 2010-03-25 ユニフェルシテイト トウェンテ ガス混合物中のアンモニア含有量の測定装置
JP2013515950A (ja) * 2009-12-24 2013-05-09 ヒューメディックス ゲーエムベーハー 赤外線吸収分光法により試料ガスを分析する測定装置およびその分析方法
JP2013117517A (ja) * 2011-11-02 2013-06-13 Fuji Electric Co Ltd レーザ式ガス分析計

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
STEPANOV E V: "Laser analysis of the 13C/12C isotope ratio in CO2 in exhaled air", QUANTUM ELECTRONICS, vol. 32, no. 11, JPN6017031267, November 2002 (2002-11-01), pages 981 - 986, XP001166579, ISSN: 0003911981, DOI: 10.1070/QE2002v032n11ABEH002332 *
WORLE K , ET.AL.: "Breath Analysis with Broadly Tunable Quantum Cascade Lasers", ANALYTICAL CHEMISTRY, vol. 85, JPN6017031266, 15 January 2013 (2013-01-15), US, pages 2697 - 2702, ISSN: 0003754499 *

Also Published As

Publication number Publication date
US20180059012A1 (en) 2018-03-01
US9829432B2 (en) 2017-11-28
CN106062536A (zh) 2016-10-26
WO2016047169A1 (ja) 2016-03-31
US20160377534A1 (en) 2016-12-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20160377596A1 (en) Exhalation diagnistic apparatus
JPWO2016117173A1 (ja) ガス測定装置およびガス測定方法、並びにガスセル
US20110198501A1 (en) Analysis apparatus
EP3183559A1 (en) Measurement device and method of measuring a concentration of a component of a gas mixture
Meinen et al. Using a high finesse optical resonator to provide a long light path for differential optical absorption spectroscopy: CE-DOAS
WO2016147451A1 (ja) 呼気分析装置
US8957376B1 (en) Optopairs with temperature compensable electroluminescence for use in optical gas absorption analyzers
WO2006012825A1 (de) Sensor-vorrichtung und verfahren zur ermittlung einer physikalischen grösse
Jahjah et al. A QEPAS based methane sensor with a 2.35 μm antimonide laser
Wojtas et al. Cavity-enhanced absorption spectroscopy and photoacoustic spectroscopy for human breath analysis
JPWO2016047169A1 (ja) ガス測定装置
Hofstetter et al. CO 2 isotope sensor using a broadband infrared source, a spectrally narrow 4.4 μm quantum cascade detector, and a Fourier spectrometer
US20180006434A1 (en) Quantum cascade laser
CN106165220B (zh) 半导体激光装置
FI130319B (en) Method and apparatus for measuring the spectrum of a gas sample
WO2015125323A1 (ja) 呼気診断装置
Schilt et al. Ethylene spectroscopy using a quasi-room-temperature quantum cascade laser
US11624742B2 (en) Photonic crystal gas sensor
WO2015125327A1 (ja) 呼気診断装置
WO2015125324A1 (ja) 呼気診断装置
WO2015136744A1 (ja) 呼気診断装置
US20160374591A1 (en) Bandstructure cascade laser capnography
JP2015155803A (ja) 呼気診断装置
JP2017072372A (ja) 呼気診断装置
Hlavatsch et al. Infrared Sensing Strategies: Toward Smart Diagnostics for Exhaled Breath Analysis

Legal Events

Date Code Title Description
A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20170823

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20170906

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20180308

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20180501

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20181102