JP4158314B2 - Isotope gas measuring device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、互いに同位体である12C及び13Cを構成元素とする二酸化炭素12CO2及び13CO2を含む被測定ガスを非分散形赤外吸収法を用いて測定することにより、12CO2及び13CO2の濃度又はその濃度比を求める同位体ガス測定装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
生体内での代謝、蓄積、排泄などを検査するために、従来より、同位体トレーサ法と呼ばれる方法が利用されている。この方法は、生体内にあって追跡する目的元素や物質と同様の挙動を示す物質を同位体で標識してトレーサとし、その同位体を追跡することにより目的物質の挙動を調べるものである。
【0003】
具体的な応用例として、被検者の胃の中に胃潰瘍などの原因と言われるヘリコバクタピロリ(一般に「ピロリ菌」と呼ばれるので、以下この名称を使用する)が存在するかどうかを調べる検査がある。ピロリ菌には、尿素を二酸化炭素とアンモニアに分解する性質がある。そこで、12Cの同位体である13Cで標識した尿素を被検者に投与し、その被検者の呼気に含まれる13CO2の濃度(実際には、12CO2と13CO2との濃度比)を測定する。被検者の胃の中にピロリ菌が存在すれば、13CO2の濃度はピロリ菌を有していない通常者よりも高い筈であるから、これによりピロリ菌の存在の有無を推定することができる。
【0004】
ところで一般に、被測定ガス中の同位体ガス(例えば12CO2及び13CO2)の測定には、質量分析装置を用いる方法と、より簡便な非分散形赤外分析計を用いる方法とが知られている。質量分析装置を用いる方法では、精密な測定が行えるという利点はあるものの、装置の価格が高く、熟練したオペレータを必要とする。これに対し、非分散形赤外分析計を用いる方法は、装置の価格が安く取扱いも容易であることから、今後、大きく普及するものと思われる。
【0005】
非分散形赤外分析計を利用した同位体ガス測定装置の一例は、特許2885687号公報に記載されている。図2は、この従来の同位体ガス測定装置の要部の概略構成図である。図2において、セル35は、12CO2測定用の短い第1試料セル35aと、13CO2測定用の長い第2試料セル35bとを含む。セル35の一方の端部には、平板状のセラミックヒータである光源31と、該光源31から第1及び第2試料セル35a、35bにそれぞれ赤外光を照射するための2つの導波管32、33とから成る光源装置30、及び、赤外光を一定周期で遮断・通過させる回転式のチョッパ34が設けられている。一方、セル35の反対側の端部には、セル35を通過した光を検出するための第1及び第2検出器37、39が配置され、その第1及び第2検出器37、39の直前には、それぞれ12CO2の吸収波長(約4280nm)に対応する光を通過させるバンドパスフィルタ36と13CO2の吸収波長(約4412nm)に対応する光を通過させるバンドパスフィルタ38とが設けられている。
【0006】
この装置における詳細な測定手順に関する説明は省略するが、上記装置では、互いに連通した第1及び第2試料セル35a、35bに試料ガスを満たし、光源31から発し第1及び第2導波管32、33を通った赤外光をその試料ガス中に通過させる。そして、バンドパスフィルタ36、38により12CO2及び13CO2に対応した波長光のみを抜き出し、第1及び第2検出器37、39により検出している。また、所定周期でチョッパ34を回転させることにより、赤外光を通過・遮断し、これにより、検出器37、39の暗電流や外光の影響などを除去するようにしている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の装置では次のような問題がある。上記構成では、1個の光源31から、第1及び第2試料セル35a、35bに対する2系統の光線を取り出している。この2系統の光線の光量のばらつきは、測定誤差の一要因である。光源31自体は1個であるものの、その面積は広いため、第1及び第2導波管32、33に対応した部位での発光光量を完全に揃えることは困難である。また、温度変動などによってチョッパ34の回転速度が変動することも、セル35に導入される光量の変動要因となり得る。
【0008】
この装置の測定対象である呼気中の二酸化炭素濃度は、個人差があるとともに同一個人でも身体の状態により相違する。そのため、診断の指標はその試薬の適用前後で呼気中の12CO2と13CO2との存在比率の変化とし、診断閾値としては2.5/mil程度とされている。この値は、通常の大気中の二酸化炭素を測定する場合と比べて、2桁以上の高い精度を要求するものである。そのため、上述したような要因による測定誤差は僅かであるものの、このような高精度の測定にとっては支障となる。勿論、各試料セルに対応してそれぞれ別の光源を設けた構成では、更に光量のばらつきが大きくなることは言うまでもない。
【0009】
本発明はこのような点に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、光源の光量のばらつきや変動の影響を受けず、非常に高い精度で同位体ガスを測定することができる同位体ガス測定装置を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために成された本発明に係る同位体ガス測定装置は、二酸化炭素12CO2及び13CO2を含む被測定ガスを非分散形赤外吸収法を用いて測定する同位体ガス測定装置において、
a)前記被測定ガスが内部に流通される筒状の試料セルと、
b)該試料セルの内部に設置され、該試料セルの両端側に向かって赤外光を放射する光源と、
c)前記試料セルの一方の端面に設けられ、二酸化炭素12CO2に対応する波長の赤外光を検出する第1の光検出手段と、
d)前記試料セルの他方の端面に設けられ、二酸化炭素13CO2に対応する波長の光を検出する第2の光検出手段と、
e)前記第1及び第2の光検出手段による検出信号に基づいて、二酸化炭素12CO2及び13CO2のそれぞれの濃度又は両者の濃度比を算出する演算処理手段と、
を備えることを特徴としている。
【0011】
この構成によれば、上記光源から発して第1の光検出手段に到達するまでの光路において、12CO2 に対応した赤外光の吸収を測定する。一方、同一の光源から発して第2の光検出手段に到達するまでの光路において、13CO2 に対応した赤外光の吸収を測定する。つまり、同一の光源を利用することにより、発光光量のばらつきの影響を受けずにすむ。
【0012】
また、好ましくは、上記光源を所定周期で点滅駆動する駆動手段を更に備え、演算処理手段はその所定周期に応じて、第1及び第2の光検出手段による検出信号を積算する構成とするとよい。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る同位体ガス測定装置の一実施形態である呼気検査装置について説明する。この呼気検査装置は、被検者の呼気に含まれる12CO2と13CO2との濃度比(以下「12CO2と13CO2との濃度比」を「同位体ガスの濃度比」という)を測定するための装置である。
【0014】
図1はこの呼気検査装置の概略構成図である。この装置のガス流路系は、試料ガス導入管10と、大気導入管11と、該大気導入管11上に設けられた二酸化炭素除去フィルタ12と、ガス導入管14と、試料ガス導入管10又は大気導入管11を選択的にガス導入管14に接続する三方弁13と、ガス導入管14及び排気管16が接続された測定セル15と、排気管16に設けられたポンプ17とから構成される。
【0015】
測定セル15は内径が4〜5mm程度の略円筒形状を有し、一方の端面に12CO2 による吸収波長を通過させる第1バンドパスフィルタ19と第1検出器20とが配設され、対向する端面には1 3CO2 による吸収波長を通過させる第2バンドパスフィルタ21と第2検出器22とが配設されている。第1及び第2検出器20、22としては焦電形検出器やPbSe形検出器などが一般的であるが、そのほかに、対象ガスの吸収波長に合わせた検出感度を有するニューマチック形検出器(詳細については、例えば島津評論、Vol.46,No.1,p.29-p.36,1989を参照)が有用である。このニューマチック形検出器を用いる場合には、第1及び第2バンドパスフィルタ19、21は不要になる。
【0016】
測定セル15内の所定位置には小形の電球である赤外光源18が配置されており、点灯時には両側方に光を放射する。この赤外光源18は、光源駆動部24により所定周期でもって点滅駆動される。この点滅周期は水晶振動子等で定められたきわめて正確なものであって、その点滅周波数は例えば10Hz程度とするとよい。なお、測定セル15の内壁面は、例えば金(Au)のコーティング等の方法により鏡面としておくことが望ましい。これによれば、赤外光源18から放射された光が測定セル15の内壁に当たっても、吸収が少なく、両端部の検出器20、22に到達する光量の損失が小さくなることから、測定誤差を小さくすることができる。
【0017】
第1及び第2検出器20、22の検出出力は共に信号処理部23に入力され、信号処理部23では後述のような演算処理を行うことによって同位体ガスの濃度比を算出する。制御部25は、操作部26からの指示に基づいて上記各部の動作を制御するとともに、信号処理部23で得られた測定結果などを表示部27に表示させる。
【0018】
なお、この例では、第1検出器20から赤外光源18までの距離L1を30mm、第2検出器22から赤外光源18までの距離L2を200mmとしている。これは、対象とする二酸化炭素の濃度が相違するため、その両者の吸収による光の減衰の影響を同程度に合わせ、検出器20、22の入力対出力特性の線形性が良好な範囲で動作するようにするためである。但し、実際の計算上では、L2はもっと長いことが好ましく、ここでは製造上の都合や装置の小型化とのトレードオフを考慮して上記値を採用している。
【0019】
続いて、上記構成の呼気検査装置を用いた測定について説明する。
(i)参照ガスの測定
まず、参照ガス(ゼロガス)の測定を実行する。この例では、二酸化炭素を除去した大気を参照ガスとして利用している。すなわち、制御部25の制御の下で、三方弁13により図1中に点線で示すように流路が設定され、ポンプ17が作動される。これにより、大気導入管11を通して大気が吸引され、二酸化炭素除去フィルタ12で二酸化炭素が除去されたあとに、ガス導入管14を介して測定セル15に導入される。そして、測定セル15内部に拡散して充満し、排気管16を通って外部へと排出される。
【0020】
赤外光源18は光源駆動部24により所定周期で点滅駆動され、赤外光源18から両側方に発した光は測定セル15内部に充満した、二酸化炭素を含まない大気中を通過し、それぞれ適宜の吸収を受けて第1及び第2バンドパスフィルタ19、21に到達する。そして第1及び第2バンドパスフィルタ19、21によりそれぞれ所定波長近傍の光のみが抜き出され、第1及び第2検出器20、22に導入される。赤外光源18は点滅しているから、第1及び第2検出器20、22は、点灯時の受光光の強度に応じた受光信号と消灯時の受光信号(つまり暗電流信号や外光による受光信号)とを上記点滅周期に応じて交互に出力する。
【0021】
信号処理部23はこの第1及び第2検出器20、22からの検出信号を受けるとともに、点滅周期に同期するタイミング信号を制御部25から受け、同期整流により所定時間の間のそれぞれの検出信号を積算する。このとき、第1及び第2検出器20、22に対応して測定された値(信号積算値)をI012 及び I013 とする。この測定値は参照ガスに対する値として一旦記憶される。
【0022】
(ii)試料ガス(呼気)の測定
次に、測定対象である試料ガスの測定を実行する。すなわち、制御部25の制御の下で、三方弁13により図1中に実線で示すように流路が設定され、ポンプ17が作動される。これにより、試料ガス導入管10を通して試料ガス(呼気)が吸引され、ガス導入管14を介して測定セル15に導入される。そして測定セル15内部に拡散して充満し、排気管17を通って外部へと排出される。
【0023】
また、赤外光源18は上記参照ガス測定時と同様に点滅駆動され、このときに第1及び第2検出器20、22で検出された信号は信号処理部23において同様に積算処理される。試料ガス測定時には、赤外光源18から発した赤外光は試料ガスに含まれる二酸化炭素による強い吸収を受ける。第1バンドパスフィルタ19では1 2CO2 による吸収波長近傍のみが抜き出されるから、第1検出器20では1 2CO2 のみによる吸収の影響を受けた赤外光が検出される。一方、第2バンドパスフィルタ21では1 3CO2 による吸収波長のみが抜き出されるから、第2検出器22では1 3CO2 のみによる吸収の影響を受けた赤外光が検出される。このとき、第1及び第2検出器20、22に対応して測定された値(信号積算値)をI12 及び I13 とする。
【0024】
信号処理部23では、ランベルト-ベールの法則を利用した次式に基づいて同位体の存在比Pが算出される。
ここで、α12及びα13は1 2CO2及び1 3CO2の吸光度、L’1 及び L’2は1 2CO2及び1 3CO2に対応する測定赤外光の光路長である。本例のように測定セル15の内径が小さい場合、光路長は赤外光源18から各検出器20、22までの距離と看做すことができるから、L’1 及び L’2 は上述したL1及びL2とすることができる。すなわち、上記式に、I012 、I013 、I12 及び I13 を適用することにより、試料ガス中の1 2CO2と1 3CO2との存在比、つまりは1 2Cと1 3Cとの存在比が求まる。
【0025】
この装置では、参照ガスの測定と試料ガスの測定とを引き続いて、又はあまり時間をおかずに行うようにすれば(順序は問わない)、赤外光源18の発光光量の長期的変動(例えば経時劣化による発光量の減少など)の影響を相殺することができる。また、より短い時間における発光光量の変動があった場合でも、同一の赤外光源18を利用しているため、その影響は1 2CO2と1 3CO2の両方に現れ、結果的に相殺されることになる。
【0026】
なお、上記例では、赤外光源18を点滅駆動する構成としていたが、点灯時の光量と消灯時の光量との比、つまりは変調率が小さいと信号積算の効果があまり得られず、暗電流や外光などが誤差要因となる。そこで、このような場合(例えば、光源の点灯/消灯の追従性が良好でない場合など)には、点滅制御を行う代わりに、従来用いられているような機械的チョッパを利用してもよい。
【0027】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る同位体ガス測定装置では、2つの同位体ガスを同時に測定する際に同一の光源を利用しているので、光源の発光光量の短時間の変動の影響を除去して、きわめて精度の高い測定を行うことができる。また、光源を中心に挟んで両側に測定セルを配置した構成であるので、光源を小さくすることができる。平板状の大きな光源を利用する場合、その光源の部位によって発光光量がばらつき易いが、本発明では光源を小さくすることによって、そのような発光光量のばらつきも回避することができる。
【0028】
また、本発明に係る同位体ガス測定装置において光源を点滅駆動する構成とすれば、従来の機械的チョッパと異なり可動部を有していないので、振動に強く、しかも、チョッパを取り付けるために光源とセルとの間に窓材を挿入して分離する必要がなく、またチョッパ駆動用のモータも不要になるのでコスト的にも有利である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る同位体ガス測定装置の一実施例である呼気検査装置のの概略構成図。
【図2】 従来の呼気検査装置の要部の構成図。
【符号の説明】
10…試料ガス導入管
11…大気導入管
12…二酸化炭素除去フィルタ
13…三方弁
14…ガス導入管
15…測定セル
16…排気管
17…ポンプ
18…赤外光源
19…第1バンドパスフィルタ
20…第1検出器
21…第2バンドパスフィルタ
22…第2検出器
23…信号処理部
24…光源駆動部
25…制御部
26…操作部
27…表示部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention is by measurement using nondispersive infrared absorption method the measurement gas containing the carbon dioxide 12 CO 2 and 13 CO 2 of a constituent element 12 C and 13 C which is an isotope with one another, 12 The present invention relates to an isotope gas measurement device for obtaining the concentration of CO 2 and 13 CO 2 or the concentration ratio thereof.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a method called an isotope tracer method has been used to examine metabolism, accumulation, excretion, etc. in a living body. In this method, a substance that has the same behavior as the target element or substance to be traced in the living body is labeled with an isotope to form a tracer, and the behavior of the target substance is examined by tracing the isotope.
[0003]
As a specific application example, there is a test to check whether Helicobacter pylori (generally referred to as “H. pylori”), which is said to be the cause of stomach ulcer, etc., exists in the stomach of the subject. is there. H. pylori has the property of decomposing urea into carbon dioxide and ammonia. Therefore, urea labeled with 13 C, which is a 12 C isotope, is administered to a subject, and the concentration of 13 CO 2 contained in the breath of the subject (in reality, 12 CO 2 and 13 CO 2 and Concentration ratio). If H. pylori is present in the stomach of the subject, the concentration of 13 CO 2 should be higher than that of a normal person who does not have H. pylori. Can do.
[0004]
In general, a method using a mass spectrometer and a method using a simpler non-dispersive infrared analyzer are known for measuring isotope gases (for example, 12 CO 2 and 13 CO 2 ) in a gas to be measured. It has been. Although the method using a mass spectrometer has an advantage that precise measurement can be performed, the price of the apparatus is high and a skilled operator is required. On the other hand, the method using a non-dispersive infrared analyzer is expected to become widely used in the future because the price of the apparatus is low and the handling is easy.
[0005]
An example of an isotope gas measurement apparatus using a non-dispersive infrared analyzer is described in Japanese Patent No. 2885687. FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a main part of the conventional isotope gas measuring apparatus. In FIG. 2, the
[0006]
Although a detailed description of the measurement procedure in this apparatus is omitted, in the apparatus described above, the first and
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional apparatus has the following problems. In the above configuration, two light beams for the first and
[0008]
The concentration of carbon dioxide in exhaled breath, which is a measurement target of this device, varies among individuals and varies depending on the physical condition of the same individual. Therefore, the diagnostic index is the change in the abundance ratio of 12 CO 2 and 13 CO 2 in exhaled breath before and after application of the reagent, and the diagnostic threshold is about 2.5 / mil. This value requires a high accuracy of two orders of magnitude or more compared to the case of measuring carbon dioxide in a normal atmosphere. Therefore, although the measurement error due to the factors as described above is slight, it becomes a hindrance for such high-accuracy measurement. Of course, in the configuration in which different light sources are provided corresponding to the respective sample cells, it is needless to say that the variation in the amount of light further increases.
[0009]
The present invention has been made in view of these points, and the object of the present invention is to measure isotope gas with very high accuracy without being affected by variations or fluctuations in the light amount of the light source. An object of the present invention is to provide an isotope gas measuring device that can be used.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
An isotope gas measuring apparatus according to the present invention, which has been made to solve the above problems, is an isotope for measuring a gas to be measured containing carbon dioxide 12 CO 2 and 13 CO 2 using a non-dispersive infrared absorption method. In the gas measuring device,
a) a cylindrical sample cell through which the gas to be measured flows;
b) a light source installed inside the sample cell and emitting infrared light toward both ends of the sample cell;
c) a first light detecting means provided on one end face of the sample cell for detecting infrared light having a wavelength corresponding to carbon dioxide 12 CO 2 ;
d) a second light detecting means provided on the other end face of the sample cell for detecting light having a wavelength corresponding to carbon dioxide 13 CO 2 ;
e) arithmetic processing means for calculating the respective concentrations of carbon dioxide 12 CO 2 and 13 CO 2 or a concentration ratio thereof based on detection signals from the first and second light detection means;
It is characterized by having.
[0011]
According to this configuration, the absorption of infrared light corresponding to 12 CO 2 is measured in the optical path from the light source to the first light detection means. On the other hand, the absorption of infrared light corresponding to 13 CO 2 is measured in the optical path from the same light source to the second light detection means. That is, by using the same light source, it is possible to avoid the influence of variations in the amount of emitted light.
[0012]
Preferably, the light source further includes a driving unit that blinks and drives the light source at a predetermined cycle, and the arithmetic processing unit is configured to integrate detection signals from the first and second light detection units according to the predetermined cycle. .
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a breath test apparatus which is an embodiment of an isotope gas measurement apparatus according to the present invention will be described. In this breath test apparatus, a concentration ratio between 12 CO 2 and 13 CO 2 contained in a subject's breath (hereinafter referred to as “concentration ratio between 12 CO 2 and 13 CO 2 ” is referred to as “concentration ratio of isotope gas”). ).
[0014]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of the breath test apparatus. The gas flow path system of this apparatus includes a sample gas introduction pipe 10, an
[0015]
The
[0016]
An infrared
[0017]
The detection outputs of the first and
[0018]
In this example, the distance L1 from the
[0019]
Next, measurement using the breath test apparatus configured as described above will be described.
(I) Measurement of reference gas First, measurement of a reference gas (zero gas) is performed. In this example, air from which carbon dioxide has been removed is used as a reference gas. That is, under the control of the
[0020]
The infrared
[0021]
The
[0022]
(Ii) Measurement of sample gas (exhalation) Next, measurement of the sample gas which is a measurement object is executed. That is, under the control of the
[0023]
The infrared
[0024]
In the
Here, α 12 and α 13 are absorbances of 1 2 CO 2 and 1 3 CO 2 , and L ′ 1 and L ′ 2 are optical path lengths of the measurement infrared light corresponding to 1 2 CO 2 and 1 3 CO 2. . When the inner diameter of the
[0025]
In this apparatus, if the measurement of the reference gas and the measurement of the sample gas are performed continuously or without taking much time (the order does not matter), long-term fluctuations in the amount of light emitted from the infrared light source 18 (for example, over time) The effect of a decrease in the amount of light emission due to deterioration) can be offset. Even if there is a fluctuation in the amount of light emitted in a shorter time, since the same infrared
[0026]
In the above example, the infrared
[0027]
【The invention's effect】
As described above, in the isotope gas measurement device according to the present invention, the same light source is used when measuring two isotope gases at the same time. It can be removed to make extremely accurate measurements. In addition, since the measurement cells are arranged on both sides with the light source in the center, the light source can be reduced. When a large flat light source is used, the amount of emitted light is likely to vary depending on the portion of the light source. However, in the present invention, such variation in the amount of emitted light can be avoided by reducing the light source.
[0028]
In addition, if the light source is driven to blink in the isotope gas measurement device according to the present invention, unlike the conventional mechanical chopper, it does not have a movable part, so that it is resistant to vibrations, and further, the light source for attaching the chopper. There is no need to insert and separate a window material between the cell and the cell, and a motor for driving the chopper is unnecessary, which is advantageous in terms of cost.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a breath test apparatus which is an embodiment of an isotope gas measurement apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is a configuration diagram of a main part of a conventional breath test apparatus.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Sample
Claims (1)
a)前記被測定ガスが内部に流通される筒状の試料セルと、
b)該試料セルの内部に設置され、該試料セルの両端側に向かって赤外光を放射する光源と、
c)前記試料セルの一方の端面に設けられ、二酸化炭素12CO2に対応する波長の赤外光を検出する第1の光検出手段と、
d)前記試料セルの他方の端面に設けられ、二酸化炭素13CO2に対応する波長の光を検出する第2の光検出手段と、
e)前記第1及び第2の光検出手段による検出信号に基づいて、二酸化炭素12CO2及び13CO2のそれぞれの濃度又は両者の濃度比を算出する演算処理手段と、
を備えることを特徴とする同位体ガス測定装置。In an isotope gas measurement apparatus for measuring a measurement gas containing carbon dioxide 12 CO 2 and 13 CO 2 using a non-dispersive infrared absorption method,
a) a cylindrical sample cell through which the gas to be measured flows;
b) a light source installed inside the sample cell and emitting infrared light toward both ends of the sample cell;
c) a first light detecting means provided on one end face of the sample cell for detecting infrared light having a wavelength corresponding to carbon dioxide 12 CO 2 ;
d) a second light detecting means provided on the other end face of the sample cell for detecting light having a wavelength corresponding to carbon dioxide 13 CO 2 ;
e) arithmetic processing means for calculating the respective concentrations of carbon dioxide 12 CO 2 and 13 CO 2 or a concentration ratio thereof based on detection signals from the first and second light detection means;
An isotope gas measuring device comprising:
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