光谐振器、使用该光谐振器的碳同位素分析设备以及碳同位素分析方法

本发明涉及一种能够抑制寄生标准具效应的光谐振器，以及使用该光谐振器的碳同位素分析设备和碳同位素分析方法。特别地，本发明涉及用于分析放射性碳同位素¹⁴c等的光谐振器，以及使用该光谐振器的放射性碳同位素分析设备和放射性碳同位素分析方法。

背景技术：

碳同位素分析已应用于许多领域，包括基于碳循环的环境动态的评定以及通过放射性碳年代测定法的历史和实证法研究。可能会随区域或环境因素而变化的碳同位素的天然丰度如下所示：¹²c(稳定同位素)为98.89％，¹³c(稳定同位素)为1.11％，以及¹⁴c(放射性同位素)为1×10^-10％。这些质量不同的同位素表现出相同的化学行为。因此，低丰度同位素的人工富集和该同位素的准确分析可以用于观察各种反应。

在临床领域中，用例如放射性碳同位素¹⁴c进行标记的化合物的体内施用和分析对于评估药物体内分布非常有用。例如，这种标记的化合物被用于药物开发过程的i期或iia期的实际分析。以非常小的剂量(在下文中，可以被称为“微量”)将用放射性碳同位素¹⁴c(在下文中，可以被简称为“¹⁴c”)标记的化合物投于人体的投药以及对该标记的化合物的分析有望显著减少药物发现过程的准备时间，这是因为该分析提供了有关由药物体内分布所引起的药物功效和毒性的发现。

传统的¹⁴c分析的示例包括液体闪烁计数(以下称为“lsc”)和加速器质谱(以下称为“ams”)。

lsc涉及使用相对较小的台式分析仪，因此可以方便且快速地进行分析。不幸的是，由于lsc的¹⁴c检测灵敏度较低(10dpm/ml)，因此无法用于临床试验。相比之下，因为ams的¹⁴c检测灵敏度较高(0.001dpm/ml)，不到lsc的千分之一，所以可以用于临床试验。不幸的是，由于ams需要大型且昂贵的分析仪，因此ams的使用受到了限制。例如，由于在日本仅提供了约十五台ams分析仪，因此受待分析样本的等待时间较长的影响，一个样本的分析需要约一周的时间。因此，出现了对开发方便且快速的¹⁴c分析方法的需求。

已提出了解决上述问题的一些技术(例如，参见非专利文献1和专利文献1)。

i.galli等人在非专利文献1中报道了通过光腔衰荡光谱(以下有时称为“crds”)对天然同位素丰度水平的¹⁴c进行分析，并且该分析受到了关注。

不幸的是，通过crds进行的¹⁴c分析涉及使用具有非常复杂的结构的4.5μm激光源，因此，已出现了对用于分析¹⁴c的简单和方便的装置或方法的需求。因此，本发明人已独特地开发了一种从单个光源生成光学梳的光学梳光源，因此已完成了紧凑且方便的碳同位素分析设备(参见专利文献2)。

相关技术

专利文献

专利文献1：日本专利第3390755号

专利文献2：日本专利第6004412号

非专利文献

非专利文献1：i.gallietal.，phy.rev.lett.2011，107，270802

技术实现要素：

技术问题

为了实现碳同位素分析设备的分析精度的进一步提高，本发明人已进行了进一步的研究，由此已发现：crds引起光谐振器与光路上的光学组件的表面之间的反射，并且由于寄生标准具效应的发生而在基线上引起高噪声。因此，出现了对能够抑制寄生标准具效应的光谐振器的需求。

本发明的目的是提供一种能够抑制寄生标准具效应的光谐振器，以及使用该光谐振器的碳同位素分析设备和碳同位素分析方法。

问题的解决方案

本发明涉及以下方面：

一种光谱仪，包括：光谐振器，具有一对镜片；光电检测器，确定从该光谐振器透射的光的强度；以及第一干涉消除单元，调整镜片之间的相对位置关系。

根据[1]所述的光谱仪，其中，所述第一干涉消除单元是防止照射到所述光谐振器内的照射光的光轴上的光的干涉的对准机构，所述镜片中的一个能够安装在所述对准机构上，并且所述对准机构能够调整所述镜片的三维位置。

根据[2]所述的光谱仪，其中，在将照射到所述光谐振器内的照射光的光轴定义为x轴的情况下，所述对准机构满足如下条件中的至少一个条件：

(i)能够在x轴、y轴和z轴中的每个方向上移动；以及

(ii)能够绕x轴、y轴和z轴中的每个轴旋转约360度。

根据[1]至[3]中任一项所述的光谱仪，其中，所述光谱仪还包括第二干扰消除单元。

一种碳同位素分析设备，包括：二氧化碳同位素生成器，设置有：从碳同位素生成包含二氧化碳同位素的气体的燃烧单元；以及二氧化碳同位素提纯单元；[1]至[4]中任一项所述的光谱仪；以及光产生器。

根据[5]所述的碳同位素分析设备，其中，所述光产生器包括：单个光源；第一光纤，传输来自所述光源的第一光；第二光纤，生成波长比所述第一光长的第二光，所述第二光纤从所述第一光纤的分叉节点分叉并在下游的耦接节点处与所述第一光纤耦接；第一放大器，设置在所述第一光纤的所述分叉节点与所述耦接节点之间；第二放大器，设置在所述第二光纤的所述分叉节点与所述耦接节点之间，且在频带上与所述第一放大器不同；以及非线性光学晶体，允许频率不同的多个光束传播通过，从而根据频率差来生成波长范围为4.5μm至4.8μm的中红外光学频率梳，作为所述二氧化碳同位素的吸收波长的光。

根据[5]或[6]所述的碳同位素分析设备，其中，所述光产生器还包括延迟线，所述延迟线包括：将来自所述光源的光分离为多个光谱分量的波长滤光器；以及调整所述多个光谱分量的相对时间延迟并将所述光谱分量聚焦在非线性晶体上的波长滤光器。

一种碳同位素分析方法，包括如下步骤：从碳同位素生成二氧化碳同位素；将所述二氧化碳同位素馈入具有一对镜片的光谐振器内；将具有所述二氧化碳同位素的吸收波长的照射光照射到所述光谐振器内；调整所述镜片之间的相对位置关系，从而使所述照射光的光轴与通过标准具效应生成的光的光轴不一致；测量由所述照射光所激发的二氧化碳同位素的谐振生成的透射光的强度；根据透射光的强度来计算碳同位素的浓度。

根据[8]所述的碳同位素分析方法，其中，将照射光照射到放射性二氧化碳同位素¹⁴co2。

根据[8]或[9]所述的碳同位素分析方法，其中，还包括如下步骤：在所述光谐振器未填充有气体的状态下测量第一光谱；在所述光谐振器填充有样本气体的状态下测量第二光谱；以及将所述第一光谱与所述第二光谱进行比较并去除振荡值。

根据[8]至[10]中任一项所述的碳同位素分析方法，包括：使多个光束传播通过非线性光学晶体，从而由于频率差而生成波长范围为4.5μm到4.8μm的中红外光学频率梳，以作为照射光。

本发明的有益效果

本发明提供了一种谐振器，该谐振器能够抑制寄生标准具效应并因此能够降低基线上的噪声，并且还提供了使用该谐振器的碳同位素分析设备和碳同位素分析方法。

附图说明

图1是碳同位素分析设备的第一实施例的概念图。

图2是对准机构的组装图。

图3a、图3b和图3c示出了对准机构的运动。

图4a和图4b示出了通过使用对准机构来去除标准具效应的方法的原理。

图5a示出了在通过常规谐振器的测量中观察到的长周期振荡，以及图5b示出了由于通过本发明的谐振器的测量而抑制长周期振荡的能力。

图6a和图6b示出了使用激光束的高速扫描型腔衰荡吸收光谱的原理。

图7示出了crds的¹³co2和¹⁴co2的吸收量δβ的温度依赖性。

图8是光谐振器的变型的概念图。

图9示出了¹⁴co2和竞争性气体的4.5μm波长范围内的吸收光谱。

图10是碳同位素分析设备的第二实施例的概念图。

图11示出了分析样本的吸收波长与吸收强度之间的关系。

图12示出了通过使用一根光纤来产生中红外梳的原理。

图13a示出了填充有样品气体(co2)的气室的情况和未填充有样品气体的气室的情况的相应光谱。图13b示出了在填充有样品气体(co2)的气室的情况下测量到的光谱(在减法处理之前)以及减法处理之后的光谱。

图14a和图14b各自是标准具效应的概念图。

图15a示出了包含¹⁴co2的气体的测量光谱，并且图15b示出了通过从测量光谱和由计算确定的光谱中确定残差而提取的振荡分量。

具体实施方式

现在将通过实施例的方式来描述本发明，这些实施例不应被解释为限制本发明。在附图中，相同或相似的附图标记被指派给具有相同或相似功能的组件，而无需冗余的描述。应注意的是，附图是示意性的，因此应鉴于以下描述来确定每个组件的实际尺寸。应理解的是，附图之间的相对尺寸和比例可以彼此不同。

贯穿说明书，除非另有说明，否则术语“碳同位素”包括稳定同位素¹²c和¹³c以及放射性同位素¹⁴c。在指定了元素记号“c”的情况下，该记号指示自然丰度的碳同位素混合物。

稳定氧同位素包括¹⁶o、¹⁷o和¹⁸o，并且元素记号“o”指示自然丰度的氧同位素混合物。

除非另外说明，否则术语“二氧化碳同位素”包括¹²co2、¹³co2和¹⁴co2。记号“co2”包括由自然丰度的碳同位素与氧同位素组成的二氧化碳分子。

贯穿说明书，术语“生物样本”包括血液、血浆、血清、尿液、粪便、胆汁、唾液、以及其他的体液和分泌物；呼气气体、口腔气体、皮肤气体和其他的生物气体；各种器官，诸如肺、心脏、肝脏、肾脏、脑和皮肤、以及其破碎物。生物样本的来源的示例包括所有生物，诸如动物、植物和微生物；优选为哺乳动物，优选为人类。哺乳动物的示例包括但不限于人类、猴子、小鼠、大鼠、豚鼠、兔子、绵羊、山羊、马、牛、猪、狗和猫。

为了解决上述问题，并减少由于寄生标准具效应产生的噪声，本发明人已进行了研究，并且结果是发现：在光谐振器中，可以使原始光的光轴和标准具的光轴移位，从而消除基线漂移。发明人已进行了进一步的研究，并且结果是已完成了新的光谱仪和包括该光谱仪的碳同位素分析设备。在下文中，将通过对碳同位素分析设备的描述来描述这种新的光谱仪。

[碳同位素分析设备的第一方面]

图1是碳同位素分析设备的概念图。碳同位素分析设备1包括二氧化碳同位素生成器40、光产生器20、光谱仪10和运算设备30。

在该实施例中，将放射性同位素¹⁴c(碳同位素)作为分析样本的示例。具有从放射性同位素¹⁴c生成的二氧化碳同位素¹⁴co2的吸收波长范围的光是4.5μm波长范围的光。对象物质的吸收线、光产生器和光谐振器模式的组合选择性可以实现高灵敏度(细节稍后进行描述)。

<光谱仪>

参考图1，光谱仪10a包括光谐振器11和确定从光谐振器11透射的光的强度的光电检测器15。光谐振器或光腔11包括：圆柱形的主体，填充有对象二氧化碳同位素；一对高反射镜12a和12b，分别设置在主体的第一纵端和第二纵端，使得镜片的凹面彼此面对；压电元件13，设置在主体的第二端处，以调整镜片12a与12b之间的距离；对准机构(第一干扰消除单元和第二干扰消除单元)14a和14b，调整镜片12a与12b之间的相对位置关系，能够调整镜片12a和12b的三维位置；以及室16，填充有分析对象气体。虽然在此设置了这两个对准机构，但是可以布置这样的对准机构中的一个对准机构，只要可以调整镜片12a与12b之间的相对位置关系即可。

尽管未示出，但是主体的侧面优选地设置有：进气口，通过其注入二氧化碳同位素；以及端口，用于调整主体中的压力。另外，一对镜片12a和12b的反射率优选为99％以上，更优选为99.99％以上。

如图2中所示，对准机构14包括：对准体141和142；镜片座143，设置在对准体141和142中所设置的每个孔中，并且镜片12要安装在其上；以及滑动基座145。滑动基座145、压电元件13和压电元件适配器131可以用粘合剂等一体地形成，而没有任何限制。

如图3a中所示，通过操作对准机构14，从而在箭头所指示的方向上移动镜片12。安装体141和142不仅能够在x轴、y轴和z轴中的每个方向上移动，而且能够绕x轴、y轴和z轴中的每个轴旋转约360度。因此，安装体141和142可以如图3b中所示的箭头所指示地移动。图3c是从对准体142(后表面)观察的图。

如图14a中所示，在使用了常规的光谐振器111的情况下，镜片12a和12b的后表面(不是高反射表面)上反射的光的光路可以与光谐振器的原始光轴一致。图14b示出了在镜片12a的高反射表面上反射的光的光轴和在其后表面反射的光的光轴e与光谐振器的原始光轴c一致的状态。在这种情况下，在后表面上反射的光到达这样的光轴上的另一光学部件101等，并且在这样的表面之间发生进一步的反射。这不仅导致镜片12a与12b之间的光路长度lc的光的漫反射，而且导致了镜片12a与光学部件101之间的光路长度le处的谐振、标准具效应的发生以及基线上高噪声的发生。至于镜片12b也发生相同的现象，并且在镜片12b的后表面上反射的光到达这样的光轴上的另一光学部件101等，并且在这样的表面之间发生进一步的反射。这不仅导致镜片12a与12b之间的光路长度lc的光的漫反射，而且导致了镜片12b与光学部件101之间的光路长度处的谐振、标准具效应的发生以及基线上高噪声的发生。

如图15a中所示，对室进行填充的包含¹⁴co2的气体的测量光谱包括除包含在该气体中的成分以外的某种成分的吸收。图15b示出了通过确定残差而提取的振荡(表观衰减率的周期性变化)，该残差是根据测量中所获得的实验值以及在计算中确定的包含在气体中的co2、n2o、¹⁴co2和h2o的吸收量来确定的。在分析更微量的¹⁴c时，这样的振荡分量可以具有等于或大于¹⁴co2的吸收量的振幅，从而引起高噪声。

本发明人已基于上面的发现进行了研究，并且结果是，通过操作对准机构使镜片12a的位置沿图4a中所示的y轴移动，或者绕如图4b中所示的z轴旋转该镜片，来使通过标准具效应而生成的光的光轴e从光轴c移位。因此，完成了能够抑制标准具效应的光谐振器。

虽然如图5a中所示在通过常规谐振器的测量中观察到振荡，但是如图5b中所示在通过本发明的谐振器的测量中可以抑制振荡，从而导致噪声的显著降低。

入射到光谐振器11并限制在其内的激光束在镜片之间往复反射数千至上万次，同时光谐振器11发出与镜片的反射率相对应的强度的光。因此，激光束的有效光路长度达到数十公里，并且包含在光谐振器中的微量的分析对象气体可以产生较大的吸收强度。

图6a和图6b示出了使用激光束的高速扫描型腔衰荡吸收光谱(在下文中可以被称为“crds”)的原理。

如图6a中所示，镜片之间处于谐振状态的光谐振器输出高强度的信号。相反，通过操作压电元件13进行的改变而产生的镜片之间的非谐振状态由于光的干涉效应而使得无法检测到任何信号。换言之，通过光谐振器的长度从谐振状态到非谐振状态的快速变化，可以观察到如图6a中所示的指数衰减信号(衰荡信号)。这样的衰荡信号可以通过用光开关快速遮挡入射激光束来观察到。

在光谐振器中不存在光吸收物质的情况下，图6b中的虚线对应于从光谐振器输出的随时间变化的衰荡信号。相反，图6b中的实线对应于光谐振器中存在光吸收物质的情况。在这种情况下，由于激光束在光谐振器中往复反射期间光吸收物质吸收了激光束，因此光衰减时间被缩短。光衰减时间取决于光谐振器中的光吸收物质的浓度和入射激光束的波长。因此，可以基于比尔-朗伯定律ii来计算光吸收物质的绝对浓度。可以通过测量衰荡率的调幅度(其与光吸收物质的浓度成比例)来确定光谐振器中的光吸收物质的浓度。

用光电检测器来检测从光谐振器泄漏的透射光，并且用运算设备来计算¹⁴co2的浓度。然后根据¹⁴co2的浓度来计算¹⁴c的浓度。

光谐振器11中的镜片12a和12b之间的距离、镜片12a和12b的曲率半径、以及主体的纵向长度和宽度应优选地取决于二氧化碳同位素(即，分析对象)的吸收波长而变化。例如，将谐振器长度从1mm调整为10m。

在二氧化碳同位素¹⁴co2的情况下，谐振器长度的增加有助于有效光路长度的增加，但是会导致气室体积的增加，从而导致需要分析的样本量增加。因此，谐振器长度优选为10cm至60cm。优选地，镜片12a和12b的曲率半径等于或略大于谐振器长度。

可以通过压电元件13的驱动来调整镜片之间的距离，例如从几微米到几十微米。可以通过压电元件13微调镜片之间的距离，以准备最佳的谐振状态。

可以用可以提供足够的光路的凹面镜和平面镜的组合或两个平面镜的组合来替代镜片12a和12b(即，一对凹面镜)。

镜片12a和12b可以由蓝宝石玻璃、ca、f2或znse组成。

要用分析对象气体填充的室16优选地具有较小的体积，因为即使少量分析对象也能有效提供光学谐振。室16的体积可以为8ml至1,000ml。可以取决于要分析的¹⁴c源的量适当地确定室体积。例如，对于大量可用的¹⁴c源(例如，尿液)，室体积优选为80ml至120ml，对于仅少量可用的¹⁴c源(例如，血液或泪液)，室体积优选为8ml至12ml。

对光谐振器的稳定性条件的评估

基于光谱数据来计算crds的¹⁴co2吸收量和检测限制。从高分辨率透射分子吸收数据库(hitran)中检索¹²co2和¹³co2的光谱数据，并且从参考文献“s.dobos，etal.，z.naturforsch，44a，633-639(1989)”中提取¹⁴co2的光谱数据。

由¹⁴co2吸收引起的衰荡率(指数衰减率)的变化量(δβ)(δβ＝β-β0，其中，β为有样本时的衰减率，而β0为无样本时的衰减率)被表示为以下表达式：

δβ＝σ14(λ，t，p)n(t，p，x14)c

其中，σ14表示¹⁴co2的光电吸收截面，n表示分子的数量密度，c表示光速，并且σ14和n为λ(激光束的波长)、t(温度)、p(压力)和x14＝¹⁴c/^totalc之比的函数。

图7示出了计算出的由于¹³co2吸收或¹⁴co2吸收而造成的δβ的温度依赖性。如图7中所示，在¹⁴c/^totalc为10^-10、10^-11或10^-12，在300k(室温)下¹³co2的吸收等于或高于¹⁴co2的吸收，因此在这种情况下分析需要冷却。

如果衰荡率的变化量(δβ0)(对应于来自光谐振器的噪声)可以减小到10¹s^-1量级的水平，则可以以10^-11量级的¹⁴c/^totalc之比执行分析。因此，在分析期间需要冷却至约-40℃。在¹⁴c/^totalc之比为10^-11作为检测下限的情况下，该图表明需要由于co2气体的浓缩而导致的co2气体的分压的增加(例如，20％)和上面所述的温度条件。

将在下面所描述的碳同位素分析设备的第二方面的部分中更详细地描述冷却器和冷却温度。

图8示出了所描述的光谐振器11的变型例的概念图(局部横截面图)。如图8中所示，光谐振器51包括：圆筒形绝热室(真空设备)58；气室56，设置在绝热室58中并用于分析；一对高反射镜52，设置在气室56的两端；镜驱动机构55，设置在气室56的一端；环形压电致动器53，设置在气室56的另一端；珀耳帖元件59，用于冷却气室56；以及水冷散热器54，设置有与循环冷却器(未图示)连接的冷却管54a。

<二氧化碳同位素生成器>

二氧化碳同位素生成器40包括：燃烧单元，从碳同位素生成包含二氧化碳同位素的气体；以及二氧化碳同位素提纯单元。二氧化碳同位素生成器40可以是能够将碳同位素转换成二氧化碳同位素的任何类型的设备。二氧化碳同位素生成器40应优选地具有使样本氧化并将样本中所包含的碳转化为二氧化碳的功能。

二氧化碳同位素生成器40可以是二氧化碳生成器(g)41，例如总有机碳(toc)气体生成器、用于气相色谱的样本气体生成器、用于燃烧离子色谱的样本气体生成器或元素分析仪(ea)。

图9是在273k、co2分压为20％、co分压为1.0×10^-4％且n2o分压为3.0×10^-8％的条件下的¹⁴co2和竞争性气体¹³co2、co和n2o的4.5μm波长范围吸收光谱。

可以通过燃烧预处理后的生物样本来产生包含二氧化碳同位素¹⁴co2(以下简称为“¹⁴co2”)的气体；然而，在该过程中会与¹⁴co2一起产生诸如co和n2o的气态杂质。这些co和n9o均呈现出如图9中所示的4.5μm的波长范围吸收光谱，并且干扰指派给¹⁴co2的4.5μm的波长范围吸收光谱。因此，为了提高分析灵敏度，应优选地去除co和n2o。

去除co和n2o的典型过程涉及如下所述的¹⁴co2的收集和分离。该过程可以与用氧化催化剂或铂催化剂来去除或减少co和n²o的过程结合。

(i)通过热解吸塔收集和分离¹⁴co2

二氧化碳同位素生成器应优选地包括燃烧单元和二氧化碳同位素提纯单元。燃烧单元应优选地包括燃烧管和使得燃烧管能够被加热的加热器。优选地，燃烧管由耐火玻璃(诸如，石英玻璃)构成以便能够在其中容纳样本，并设置有形成在其一部分上的样本端口。除了样本端口以外，载气端口也可以形成在燃烧管上，载气通过该载气端口被引入到燃烧管。在此，不仅可以采用将样本端口等设置在燃烧管的一部分上的方面，而且可以采用以下结构：在燃烧管的一端形成样本导入单元以作为与燃烧管分离的组件，并且将样本端口和载气端口形成在该样本导入单元上。

加热器的示例包括电炉，特别是可以在其中放置并加热燃烧管的管状电炉。管状电炉的典型示例是arf-30m(由asahirikaseisakusho提供)。

燃烧管应优选地在载气通道的下游设置有装填有至少一种催化剂的氧化单元和/或还原单元。氧化单元和/或还原单元可以设置在燃烧管的一端，或者以单独组件的形式进行设置。要包含在氧化单元中的催化剂的示例包括氧化铜以及银与氧化钴的混合物。可以预期氧化单元将通过燃烧样本而生成的h2和co氧化为h2o和co2。包含在还原单元中的催化剂的示例包括还原的铜和铂催化剂。可以预期还原单元会将包含n2o的氮氧化物(nox)还原为n2。

二氧化碳同位素提纯单元可以是在气相色谱法(gc)中使用的、通过燃烧生物样本而生成的气体中的¹⁴co2的热解吸塔(co2收集塔)。因此，可以减少或去除co和/或n2o在¹⁴co2的检测阶段中的任何影响。包含¹⁴co2的co2气体会暂时收集在gc塔中，因此预期会有¹⁴co2的浓缩。因此，可以预期¹⁴co2的分压增加。

(ii)通过用¹⁴co2吸附剂捕集¹⁴co2，并从¹⁴co2吸附剂排放¹⁴co2，从而对¹⁴co2进行分离

二氧化碳同位素生成器40b应优选地包括燃烧单元和二氧化碳同位素提纯单元。燃烧单元可具有与上述配置相似的配置。

二氧化碳同位素提纯单元可以由任何¹⁴co2吸附剂制成，例如，苏打石灰或氢氧化钙。因此，可以以碳酸盐的形式分离¹⁴co2，从而使得气态杂质的问题得以解决。¹⁴co2可以作为碳酸盐保留，因此可以暂时保留样本。此处，磷酸可以用在排放中。

可以通过(i)和(ii)中的任一项或这两项除去这样的气态污染物。

(iii)¹⁴co2的浓缩(分离)

通过燃烧生物样本而产生的¹⁴co2在管道中扩散。因此，也可以使¹⁴co2吸附到吸附剂上并使其浓缩，从而提高检测灵敏度(强度)。还可以预期这种浓缩会将¹⁴co2与co和n2o分离。

<光产生器>

光产生器20可以是能够生成具有二氧化碳同位素的吸收波长的光的任何类型的设备。在该实施例中，将描述紧凑的光产生器，该光产生器可以容易地生成作为放射性二氧化碳同位素¹⁴co2的吸收波长的4.5μm波长范围的光。

光产生器20包括：单个光源；第一光纤，传输来自光源的光；第二光纤，生成波长比第一光纤长的光，第二光纤从第一光纤的分叉节点分叉并在下游的耦接节点处与第一光纤耦接；第一放大器，设置在第一光纤的分叉节点与耦接节点之间；第二放大器，设置在第二光纤的分叉节点与耦接节点之间且在频带上与第一放大器不同；以及非线性光学晶体，使频率不同的多个光束传播通过该非线性光学晶体，从而由于频率差而生成二氧化碳同位素的吸收波长的光。

光源23优选为超短脉冲生成器。在使用超短脉冲生成器作为光源23的情况下，每脉冲的高光子密度使得能够容易地发挥非线性光学效应，容易地生成与放射性碳同位素¹⁴co2的吸收波长相对应的4.5μm波长范围的光。获得每个波长的宽度均等的梳状光束的流量(光学频率梳，在下文中可以被称为“光学梳”)，因此振荡波长的变化可以忽略不计。在将连续振荡生成器作为光源的情况下，振荡波长的变化导致需要通过光学梳等测量振荡波长的变化。

光源23例如可以是通过锁模来生成短脉冲的固态激光器、半导体激光器或光纤激光器。特别地，因为光纤激光器是实用的光源，其紧凑且对环境的稳定性也优异，所以优选使用光纤激光器。

这样的光纤激光器可以是基于铒(er)(1.55μm波长范围)或基于镱(yb)(1.04μm波长范围)的光纤激光器。从经济的观点出发，优选使用基于er的光纤激光器，并且从增强光的强度的观点出发，优选使用基于yb的光纤激光器。

多个光纤21和22可以是传输来自光源的光的第一光纤21和用于波长转换的第二光纤22，第二光纤从第一光纤21分叉并在下游与第一光纤21耦接。第一光纤21可以是从光源连接到光谐振器的任意光纤。多个光学组件和多个光纤可以设置在光纤的每个路径上。

优选地，第一光纤21可以传输高强度的超短光脉冲而不会使脉冲的光学特性劣化。具体示例可以包括色散补偿光纤(dcf)和双包层光纤。第一光纤21应优选地由熔融石英组成。

优选的是，第二光纤22可以有效地生成期望的更长波长的超短光脉冲，并传输高强度的超短光脉冲而不会降低脉冲的光学特性。具体示例可以包括偏振保持光纤、单模光纤、光子晶体光纤和光子带隙光纤。光纤取决于波长偏移的量而具有几米至几百米的长度。第二光纤22应优选地由熔融石英组成。

如图10中所示，光产生器应优选地例如还包括延迟线28，该延长线包括将来自光源23的光分为多个光谱分量的波长滤光器、以及调整多个光谱分量的相对时间延迟并聚焦在非线性晶体24上的波长滤光器。细节稍后将进行描述。

作为放大器，例如，设置在第一光纤21的路径上的第一放大器21优选为掺er的光纤放大器，设置在第二光纤22的路径上的第二放大器26优选为掺tm的光纤放大器。

第一光纤21还应优选地包括第三放大器，更优选地，包括第一放大器21与耦接节点之间的第三放大器，这是因为所获得的光的强度被增强。第三放大器应优选为掺er的光纤放大器。

第一光纤21还应优选地包括波长位移光纤，更优选地，包括第一放大器与耦接节点之间的波长位移光纤，这是因为所获得的光的强度被增强。

非线性光学晶体24取决于入射光和发射光适当地选择。在本实施例中，例如，从根据每个入射光生成约4.50μm波长范围的光的观点来看，可以使用ppmgslt(周期性极化的掺mgo的化学计量钽酸锂(litao3))晶体、ppln(周期性极化的铌酸锂)晶体或gase(硒化镓)晶体。由于使用单个光纤激光光源，因此可以如下所述在差频生成中抵消光学频率的扰动。

因为获得高功率的光学梳，所以非线性光学晶体24在照射方向(纵向)上的长度优选大于11mm，更优选为32mm至44mm。

差频生成(在下文中，可以被称为“dfg”)可以用于生成差频光。详细地，来自第一光纤21和第二光纤22的不同波长(频率)的光束透射通过非线性光学晶体，以基于频率差来生成差频光。在本示例中，通过单个光源23生成具有波长λ1和λ2的两个光束，并且该两个光束传播通过非线性光学晶体，以基于频率差来生成二氧化碳同位素的吸收波长的光。使用非线性光学晶体的dfg的转换效率取决于具有多个波长(λ1、λ2、...、λx)的光源的光子密度。因此，可以通过dfg从单脉冲激光光源生成差频光。

所得的4.5μm波长范围光是这样的光学梳，即，该光学梳由具有规则间隔(fr)的频率(模式)谱组成，每个频率与一个脉冲相对应(频率f＝fceo+n·fr，n：模式编号)。使用光学梳的crds要求将具有分析物的吸收波长的光提取到包括分析物的光谐振器中。在此，根据差频生成的处理，fceo被抵消，因此在所生成的光学梳中fceo为0。

在i.galli等人的非专利文献1中公开的碳同位素分析设备的情况下，从两个激光设备(nd：yag激光器和外腔二极管激光器(ecdl))生成具有不同波长的激光束，并且基于这些激光束之间的频率差来生成具有二氧化碳同位素吸收波长的光。这两个光束均对应于连续的振荡激光束，因此在ecdl的强度上较低，因此，为了提供强度足够的dfg，需要将在dfg中使用的非线性光学晶体放置在光谐振器中并使这两个光束均入射到其中，从而增强光子密度。为了增强ecdl的强度，有必要通过另一nd：yag激光器的双波来激发ti：蓝宝石晶体，从而放大ecdl光。要求控制用于执行这些操作的谐振器，并且导致了设备尺寸的增加并使操作复杂。相反，根据本发明实施例的光产生器由单光纤激光光源、长度为几米的光纤、以及非线性光学晶体构成，因此具有紧凑的尺寸并且易于携带和操作。由于从单个光源生成多个光束，所以这些光束呈现出相同的宽度和扰动定时，因此无需扰动控制器就可以通过生成差频来容易地抵消光频率的扰动。

在一些实施例中，可以在光谐振器和第一光纤与第二光纤的耦接节点之间通过空气传输激光束。备选地，光谐振器与耦接节点之间的光路可以可选地设置有光传输设备，该光传输设备包括用于使激光束通过透镜会聚和/或发散的光学系统。

在本分析中，由于在覆盖了用于分析¹⁴c的波长区域的范围内可以获得光学梳，因此本发明人将重点放在以下方面：在光学梳光源的振荡光谱较窄的情况下，会获得更高功率的光。较窄振荡光谱可以允许用频带不同的放大器进行放大，并且可以使用长度较长的非线性光学晶体。然后，本发明人进行了研究，结果发现，在通过使用差频生成方法来产生光学梳时，通过(a)从单个光源产生频率不同的多个光束，(b)分别使用频带不同的放大器来放大所获得的多个光束的强度，以及(c)使多个光束传播通过比传统的非线性光学晶体更长的非线性光学晶体，从而基于频率差来产生具有二氧化碳同位素的吸收波长的高功率照射光。基于以上发现完成了本发明。在任何常规差频生成方法中，都没有报告以下操作：通过频带不同的多个放大器来放大光的强度，并提供通过使用长度较长的晶体而获得的高功率照射光。

在吸收线的高强度且照射光的高强度的情况下，光吸收材料对光的吸收在与光的吸收相对应的低水平方面显著降低，并且有效的光吸收量似乎是饱和的(被称为饱和吸收)。根据scar理论(饱和吸收crds)，在将吸收线的强度较高的4.5μm波长范围的光照射到光谐振器中的诸如¹⁴co2的样本的情况下，对于所获得的衰减信号(衰荡信号)，由于在光谐振器中积累的光的强度较高，因此最初呈现出较大的饱和效应，并且随着衰减的进行，由于在光谐振器中积累的光的强度逐渐降低，因此随后呈现出较小的饱和效应。因此，呈现出这样的饱和效应的衰减信号并非是根据简单的指数衰减。根据这样的理论，拟合在scar中获得的衰减信号使得能够独立地评估样本的衰减率和背景的衰减率，因此不仅可以在不受(例如，由于寄生标准具效应产生的)背景衰减率的变化的任何影响的情况下确定样本的衰减率，而且由于¹⁴co2的饱和效应大于气态杂质的饱和效应，因此可以更具选择性地测量¹⁴co2的光的吸收。因此，使用强度更高的照射光更有望提高分析的灵敏度。本发明的光产生器可以生成强度较高的照射光，因此在用于碳同位素分析的情况下，有望增强分析的灵敏度。

虽然光学梳被主要描述为光源，但是光源不限于光学梳，并且可以使用各种光源中的任何光源。例如，也可以使用这样的光源，即，在该光源中，从量子级联激光器(在下文中，可以被称为“qcl”)生成的光的振荡波长的扰动被拍信号测量装置校正，在该拍信号测量装置中，将从光产生器产生的窄线宽光(光学梳)用作频率参考。

<运算设备>

运算设备30可以是能够基于衰减时间和衰荡率来确定光谐振器中的光吸收物质的浓度并根据光吸收物质的浓度来计算碳同位素的浓度的任何类型的设备。

运算设备30包括：运算控制器31，诸如在通用计算机系统中使用的运算单元(例如，cpu)；输入单元32，诸如键盘或指示设备(例如，鼠标)；显示单元33，诸如图像显示器(例如，液晶显示器或监视器)；输出单元34，诸如打印机；以及存储单元35，诸如rom、ram或磁盘。

尽管上面已描述了根据第一方面的碳同位素分析设备，但是碳同位素分析设备的配置不应限于上述实施例，并且可以进行各种变型。现在将通过关注第一方面的变型点来描述碳同位素分析设备的其他方面。

[碳同位素分析设备的第二方面]

<冷却器和除湿机>

图10是碳同位素分析设备的第二方面的概念图。如图10中所示，光谱仪1a还可以包括：珀耳帖元件19，冷却光谐振器11；以及真空设备18，容纳光谐振器11。由于¹⁴co2的光吸收具有温度依赖性，因此通过利用珀尔帖元件19使光谐振器11中的温度降低，加大了¹⁴co2吸收线与¹³co2和¹²co2吸收线之间的区别，并且提高了¹⁴co2吸收强度。光谐振器11被设置在真空设备18中，因此光谐振器11不暴露于外部空气，导致了外部温度对谐振器11的影响的减小以及分析精度的提高。

除了珀耳帖元件19以外，用于冷却光谐振器11的冷却器例如可以是液氮槽或干冰槽。考虑到光谱仪10的尺寸减小，优选使用珀尔帖元件19，而考虑到减小装置的生产成本，优选使用液氮槽或干冰槽。

真空设备18可以是能够实现以下功能的任何类型的设备：容纳光谐振器11，将来自光产生器20的照射光照射到光谐振器11，并且将所透射的光透射到光电检测器。

可以设置除湿机。除湿在此处可以通过冷却装置(诸如，珀耳帖元件)进行，或者通过使用用于去除水分的聚合物隔膜(诸如，氟化离子交换隔膜)的隔膜分离方法来进行。

在微量测试中使用碳同位素分析设备1的情况下，对放射性碳同位素¹⁴c的预期检测灵敏度为约0.1dpm/ml。这样的检测灵敏度“0.1dpm/ml”不仅要求使用“窄谱激光”作为光源，而且还要求光源的波长或频率的稳定性。换言之，这些要求包括：不与吸收线的波长偏离、以及窄的线宽。在这方面，包括crds的碳同位素分析设备1可以解决这样的问题，该crds具有使用“光学频率梳光”的稳定光源。碳同位素分析设备1的优点在于，该设备可以确定分析物中的低浓度的放射性碳同位素。

较早的文献(hiromotokazuoetal.，″designingof¹⁴ccontinuousmonitoringbasedoncavityringdownspectroscopy″，preprintsofannualmeeting，theatomicenergysocietyofjapan，march19，2010，p.432)公开了通过crds来确定二氧化碳中的¹⁴c的浓度，这与监测原子能发电中废燃料的浓度有关。尽管该文献中所公开的使用快速傅立叶变换(fft)的信号处理具有较高的处理速率，但是基线的波动增加，因此不能容易地实现0.1dpm/ml的检测灵敏度。

图11(引用自appliedphysicsvol.24，pp.381-386，1981)示出了分析样本¹²c¹⁶o2、¹³c¹⁸o2、¹³c¹⁶o2和¹⁴c¹⁶o2的吸收波长与吸收强度之间的关系。如图11中所示，每个二氧化碳同位素都具有不同的吸收线。实际的吸收线具有由样本的压力和温度引起的有限宽度。因此，优选地将样本的压力和温度分别调整为大气压以下和273k(0℃)以下。

如上所述，由于¹⁴co2的吸收强度具有温度依赖性，因此优选地将光谐振器11内的温度调整为最小可能水平。详细地，优选地将光谐振器11中的温度调整为273k(0℃)以下。温度可以具有任何下限。鉴于冷却效果和成本，将光谐振器11中的温度优选地调整为173k至253k(-100℃至-20℃)，更优选为约233k(-40℃)。

光谱仪还可以设置有减振器。减振器可以防止由于外部振动而导致的镜片之间的距离的扰动，从而提高了分析精度。减振器可以是冲击吸收器(聚合物凝胶)或隔震器。隔震器可以是能够为光谱仪提供相位与外部振动的相位相反的振动的任何类型的设备。

<延迟线>

如图10中所示，可以在第一光纤21上设置延迟线28(光路差调整器)。因此，有利于对在第一光纤21上生成的光的波长进行精细调整，并且有利于对光产生器进行维护。

图12示出了通过使用一根光纤来产生中红外梳的原理。参考图10和图12来描述延迟线28。图10中的碳同位素分析设备1包括延迟线28，该延迟线在光源23与非线性光学晶体24之间包括多个波长滤光器。第一光纤21传输来自光源23的光，并且光谱被扩展(光谱扩展)。如图10所示，如果光谱分量具有时滞，则延迟线28(光路差调整器)将光谱分量分开并调整相对时间延迟。光谱分量可以聚焦在非线性晶体25上，从而生成中红外梳。

尽管这样的延迟线被例示为波长滤光器，但是也可以使用分散介质，并且对此没有任何限制。

[碳同位素分析设备的第三方面]

为了实现碳同位素分析设备的分析精度的进一步增强，本发明人已进行了进一步的研究，因此发现了衰减率的误差(由于用于确定衰荡信号的衰减率的衰减函数而导致的拟合中的残差)是由于光开关性能(开/关比)低于预期的性能而引起的。然而，尚未发现任何简单且有效的开/关控制机构或方法。因此，已出现对通过增强光开关性能(开/关比)消除衰荡信号的拟合中的任何残差并增强分析精度的需求。

在碳同位素分析设备中使用的光开关是各种光开关中的任何光开关而没有特别限制，并且可以使用包括光学晶体和压电元件在内的声光调制器(在下文中，被称为“aom”)。可以操作aom的压电元件，使声波在光学晶体中传播，使得在光学晶体中出现周期性的折射率分布，并使入射光发生衍射，因此可以控制来自光源的光的开/关。然而，问题在于：即使在光发射被控制为关的情况下，稍微泄漏出的未被控制的光也会导致衰荡信号发生误差。因此，本发明人已完成了一种光产生器，该光产生器包括所设置的镜片并包括双路径。

即，本发明还涉及碳同位素分析设备，包括：光产生器，该光产生器包括光源、控制来自光源的光的开/关的光开关、以及反射来自光开关的光并将光发送回光开关镜片；二氧化碳同位素生成器，设置有从碳同位素生成包含二氧化碳同位素的气体的燃烧单元，并且还设置有二氧化碳同位素提纯单元；光谱仪，包括光谐振器和光电检测器。在此使用的光开关可以是声光调制器。碳同位素分析设备的第三方面提供了一种在衰荡信号的拟合中残差较小的光产生器，以及使用该光产生器的放射性碳同位素分析设备和放射性碳同位素分析方法。

[碳同位素分析方法的第一方面]

现在将描述作为分析对象的示例的放射性同位素¹⁴c的分析。

(生物样本的预处理)

(a)提供了图1中所示的碳同位素分析设备1。还制备包含¹⁴c的生物样本，诸如血液、血浆、尿液、粪便和胆汁，作为放射性同位素¹⁴c源。

(b)对生物样本进行预处理以去除蛋白质，由此以去除生物碳源。从广义上讲，对生物样本的预处理可以分为去除源自生物体的碳源的步骤和去除或分离气态杂质的步骤。在该实施例中，现在将主要描述去除源自生物体的碳源的步骤。

微剂量测试对包含极微量的¹⁴c标记的化合物的生物样本(诸如，血液、血浆、尿液、粪便或胆汁)进行分析。因此，应优选地对生物样本进行预处理以利于分析。由于crds单元的特性，生物样本中¹⁴c与总碳的比(¹⁴c/^totalc之比)是确定测量中的检测灵敏度的参数之一，因此优选去除包含在生物样本中的源自生物体的碳源。

脱蛋白的示例包括用酸或有机溶剂使蛋白不溶；基于分子大小的差异进行超滤和透析；以及固相提取。如下所述，优选用有机溶剂进行脱蛋白，可以提取¹⁴c标记的化合物并在处理后可以容易地去除有机溶剂。

用有机溶剂进行脱蛋白涉及将有机溶剂添加到生物样本中以使蛋白不溶。在此过程中，将吸附在蛋白质上的¹⁴c标记的化合物导入到有机溶剂中。为了增强¹⁴c标记的化合物的回收率，将溶液转移到另一槽中，并且将新鲜有机溶剂添加到残留物中，以进一步提取标记的化合物。提取操作可以重复数次。在生物样本是无法均匀地分散在有机溶剂中的粪便或诸如肺的器官的情况下，应优选将生物样本均质化。如果需要，可以通过离心过滤或过滤器过滤来去除不溶的蛋白质。

然后通过蒸发来去除有机溶剂，以得到干燥的¹⁴c标记的化合物。由此可以去除源自有机溶剂的碳源。有机溶剂的优选示例包括甲醇(meoh)、乙醇(etoh)和乙腈(acn)。特别优选的是乙腈。

(c)对预处理后的生物样本进行加热并使其燃烧，以从放射性同位素¹⁴c源生成包含二氧化碳同位素¹⁴co2的气体。然后从所得气体中去除n2o和co。

(d)优选地，从所得¹⁴co2中去除水分。例如，优选地，通过使¹⁴co2气体通过干燥剂(例如，碳酸钙)或冷却¹⁴co2气体以进行水分冷凝，而从二氧化碳同位素发生器40中的¹⁴co2气体中去除水分。由包含在¹⁴co2气体中的水分引起的光谐振器11上的冰或霜的形成可能会导致镜片的反射率降低，从而导致低检测灵敏度。因此，除去水分提高了分析精度。优选将¹⁴co2气体冷却，然后导入到光谱仪10中用于随后的光谱过程。在室温下导入¹⁴co2气体会大大改变光谐振器的温度，从而导致分析精度下降。

(e)如图1中所示，将¹⁴co2气体馈入具有一对镜片12a和12b的光谐振器11中。优选地，将¹⁴co2气体冷却至273k(0℃)或更低，以增强激发光的吸收强度。光谐振器11优选地保持真空，因为通过减小外部温度对光谐振器的影响，提高了分析精度。

(f)如图4a和4b中所示，操作图2的对准机构14以进行调整，从而使从镜片12a和镜片12b的后表面反射的光的光轴e与光谐振器的光轴(从镜片12a和镜片12b的高反射表面反射的光的光轴)不一致。

(g)通过第一光纤21传输从光源23获得的第一光。通过第二光纤22传输第一光，该第二光纤从第一光纤21分叉并在下游的耦接节点处与第一光纤21耦接，从而使得从第二光纤22生成波长比第一光长的第二光。所得到的第一光和第二光的强度分别被频带不同的放大器21和26放大。较短波长的第一光纤21生成波长范围为1.3μm至1.7μm的光，而较长波长的第二光纤22生成波长范围为1.8μm至2.4μm的光。然后，第二光与第一光纤21的下游耦接，使第一光和第二光传播通过非线性光学晶体24，并且基于频率差而生成4.5μm到4.8μm的波长范围的中红外光学频率梳，作为与二氧化碳同位素¹⁴co2的吸收波长相对应的4.5μm波长范围的光。长度方向上的长度大于11mm的长轴晶体可以用作非线性光学晶体24，从而生成高强度的光。

(h)二氧化碳同位素¹⁴co2与光谐振。为了提高分析精度，优选通过减振器减少光谐振器11的外部振动，以防止镜片12a与12b之间的距离发生扰动。在谐振期间，第一光纤21的下游端应优选地邻接于镜片12a，以防止光与空气接触。然后确定从光谐振器11透射的光的强度。如图5a和图5b中所示，可以对光进行划分，并且可以测量通过这种划分而获得的每种光的强度。

(i)根据透射光的强度来计算碳同位素¹⁴c的浓度。

尽管上面已描述了根据第一方面的碳同位素分析方法，但是碳同位素分析方法的配置不应限于上述实施例，并且可以进行各种变型。现在将通过关注第一方面的变型点来描述碳同位素分析方法的其他方面。

[碳同位素分析方法的第二方面]

从改善光谱仪的结构的观点出发，第一方面是为了解决上面的问题而做出的。然而，从控制的观点出发，本发明也可以解决如下问题。

(a)在室中没有气体(样本)的状态下测量光谱。获得了仅周期性变化的光谱。

(b)引入了样本气体(例如，co2)并测量了光谱。

(c)根据在(a)和(b)中获得的各个光谱来确定残差。

这使得基线上的噪声能够显著降低。

图13b是在调整之后获得的光谱。

(其他实施例)

尽管上面已描述了本发明的实施例，但是作为本公开一部分的描述和附图不应被解释为限制本发明。本公开将使本领域技术人员能够找到各种备选实施例、示例和操作技术。

已通过关注作为碳同位素的分析对象是放射性同位素¹⁴c的情况描述了根据实施例的碳同位素分析设备。除了放射性同位素¹⁴c以外，碳同位素分析设备还可以分析稳定的同位素¹²c和¹³c。在这种情况下，例如在基于¹²c或¹³c的分析的¹²co2或¹³co2的吸收线分析中优选使用2μm或1.6μm的激发光。

在¹²co2或¹³co2的吸收线分析的情况下，镜片之间的距离优选为10至60cm，并且镜片的曲率半径优选等于或大于其间的距离。

尽管碳同位素¹²c、¹³c和¹⁴c表现出相同的化学行为，但是¹⁴c(放射性同位素)的自然丰度低于¹²c或¹³c(稳定同位素)的自然丰度。放射性同位素¹⁴c的人工富集和同位素的准确分析可以应用于观察各种反应机理。

根据实施例的碳同位素分析装置还可以包括由非线性光纤构成的第三光纤，该第三光纤从第一光纤分叉并在分叉节点的下游与第一光纤耦接。这样的第一光纤至第三光纤可以被组合，由此产生频率不同的两个或更多个的各种光束。

包括第一实施例中所描述的对准机构的光谐振器可以防止标准具效应，由此消除了基线上的噪声，因此可以在各种应用中进行利用。例如，还可以生产部分地包括第一实施例中所描述的配置的测量设备、医学诊断设备、环境测量设备(年代测定系统)等。

光学频率梳对应于这样的光源，在该光源中，激光光谱的纵向模式以非常高的精度以相等的频率间隔进行布置，并且光学频率梳有望在精密光谱和高精度距离测量的领域中用作新型且功能强大的光源。由于在中红外区域存在许多物质的吸收光谱频带，因此开发中红外光学频率梳光源非常重要。可以在各种应用中利用上述光产生器。

如上所述，本发明当然包括例如在本文未描述的各种实施例。因此，本发明的技术范围仅由本发明的要求保护的要素来限定，该要求保护的要素是根据基于以上描述的适当权利要求的要素。

附图标记列表

1碳同位素分析设备

10a、10b光谱仪

11光谐振器

12a、12b镜片

13压电元件

14a、14b对准机构(第一干扰消除单元或第二干扰消除单元)

15光电检测器

16室

18真空设备

19珀尔帖元件

20a、20b光产生器

21第一光纤

22第二光纤

23光源

24非线性光学晶体

25第一放大器

26第二放大器

28延迟线

29光开关

30运算设备

40二氧化碳同位素生成器

50光产生器。