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技術 光音響作用によりアイソトープの比を分析しそしてガスを検出するシステム及び方法

出願人 ティアールダブリューインコーポレイテッド
発明者 マウソンチョウ
出願日 1996年8月5日 (24年3ヶ月経過) 出願番号 1996-205543
公開日 1997年5月6日 (23年6ヶ月経過) 公開番号 1997-119921
状態 拒絶査定
技術分野 超音波による材料の調査、分析 光学的手段による材料の調査、分析
主要キーワード テルテール 音響作用 結合帯域 電気的フィルタ 有毒蒸気 非気体状 新陳代謝作用 地球化学的
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重要な関連分野

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図面 (7)

課題

音響作用を用いてアイソトープの比を分析しそしてガスを検出するシステム及び方法を提供する。

解決手段

1700ないし2500nmのテルテール吸収波長を有するアイソトープ及び他の化合物を光音響的に分析するシステム及び方法が開示される。このシステム及び方法は、1700ないし2500nmの間に同調できるCo:MgF2 、光学的パラメータ発振器(OPO)又はダイオードレーザを含み、これは、検出可能な音響放射を発生するに充分なエネルギーサンプルに向けられる。マイクロホンは、この放射を処理及び分析のために検出する。上記システム及び方法は、13CO2 のような安定なアイソトープ化合物及び他の化学的化合物を検出するようにされる。非気体サンプルの場合には、CO2 又はダイオードレーザを用いて、推測される化合物を含むガスサンプルホトアブレートする。

概要

背景

医療の分野では、放射性アイソトープを標識とする化合物を用いて種々の状態を研究することが知られている。しかしながら、放射性アイソトープの使用は、保管及び廃棄の観点からだけでなく、過剰な照射病気又は他の苦痛を回避するために患者に付与する線量を監視しなければならないという観点からも問題を生じる。

放射性アイソトープの使用に関連した欠点とは別に、安定した非放射性アイソトープを用いて種々の医学的状態診断できることも知られている。リー氏の米国特許第4,684,805号に開示されたように、安定な非放射性アイソトープを標識とする脂肪投与した後に被験者呼吸を監視することにより脂肪の新陳代謝を診断することができる。より詳細には、13Cを標識とする脂肪を被験者に投与することができ、脂肪は新陳代謝作用を受け、そしてアイソトープは、呼気中の13CO2 として被験者から排出される。13CO2 の存在及び/又は濃度、或いは自然に発生する12CO2 に対するその濃度の比を用いて、新陳代謝及びその割合を分析研究することができる。

同様に、13Cを標識とする胆汁酸及びガラクトース注入した後に呼気を監視しそして13CO2 として存在する13Cアイソトープに対して呼気を検査することにより回腸及び肝臓機能不全を診断することができる。13Cを標識とするキシローズを吸入した後にこの場合も13CO2 として生じる標識アイソトープに対して呼気を監視することにより小腸の細菌の過剰成長を診断することができる。

マーシャル氏の米国特許第4,830,010号は、アイソトープを標識とする尿素を使用して胃腸病の診断を行うことを開示している。

明らかなように、適用できれば、安定な非放射性アイソトープの使用は、放射性アイソトープの使用に関連した保管及び廃棄の観点からだけではなく、健康上の観点からも、放射性アイソトープの使用に勝る著しい効果を有する。

概要

音響作用を用いてアイソトープの比を分析しそしてガスを検出するシステム及び方法を提供する。

1700ないし2500nmのテルテール吸収波長を有するアイソトープ及び他の化合物を光音響的に分析するシステム及び方法が開示される。このシステム及び方法は、1700ないし2500nmの間に同調できるCo:MgF2 、光学的パラメータ発振器(OPO)又はダイオードレーザを含み、これは、検出可能な音響放射を発生するに充分なエネルギーサンプルに向けられる。マイクロホンは、この放射を処理及び分析のために検出する。上記システム及び方法は、13CO2 のような安定なアイソトープ化合物及び他の化学的化合物を検出するようにされる。非気体サンプルの場合には、CO2 又はダイオードレーザを用いて、推測される化合物を含むガスサンプルホトアブレートする。

目的

高速で、経済的で且つ信頼性のある検出器及び方法が重要となる他の例は、天然ガスパイプラインの近傍の空気をサンプリングして漏れの存在を決定することである。クロロベンゼン等の幾つかの濃密な非水相地層化学物質(DNALP)を汚染物として含む土壌も、このような汚染物の存在を検出するための高速で、経済的で且つ信頼性の高い検出方法、システム及び検出器を必要とする。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

約1700ないし2500nmの範囲の少なくとも1つの吸収波長を有するサンプル内の選択された成分を検出するための光音響システムにおいて、上記成分の少なくとも1つの吸収波長に対応するように約1700ないし2500nmの選択された波長を発生し、上記成分の存在を指示する音波を発生するに充分なエネルギーを有する電磁放射ソースであって、上記放射がサンプルに向けられるような電磁放射のソースと、上記音波を検出し、そしてその音響放射に比例する電子信号を発生するための音響検出器と、上記信号を処理して、成分ガスの音響放射をバックグランド音響放射から抽出すると共に、その成分音響放射を複数のパルスにわたって平均化して信号対雑音比を改善するためのプロセッサとを備えたことを特徴とする光音響システム。

請求項2

上記電磁放射のソースは、1700ないし2500nmの波長に同調できる請求項1に記載のシステム

請求項3

上記電磁放射のソースは、パルス式のソースである請求項2に記載のシステム。

請求項4

上記電磁放射のソースは、変調され連続波のソースである請求項2に記載のシステム。

請求項5

上記電磁放射のソースは、1ないし160mJのエネルギーレベルにおいて1700ないし2500nmに同調できるCo:MgF2レーザである請求項3に記載のシステム。

請求項6

上記電磁放射のソースは、光学パラメータ発振器(OPO)レーザである請求項3に記載のシステム。

請求項7

上記電磁放射のソースは、ダイオードレーザである請求項3に記載のシステム。

請求項8

上記レーザの出力を送信する光ファイバコンジットと、上記出力をサンプルへ収束するレンズとを備えた請求項5に記載のシステム。

請求項9

上記光ファイバコンジットは、1700ないし2500nmの範囲において低い吸収性をもつようにされた請求項8に記載のシステム。

請求項10

サンプルの種々の成分を分離するためのガスクロマトグラフと、このガスクロマトグラフの流出物をCO2 の形態としてサンプルに変換する燃焼室とを更に備えた請求項1に記載のシステム。

請求項11

サンプルを保持するためのテストセルを更に備えた請求項1に記載のシステム。

請求項12

約1700ないし2500nmの範囲の少なくとも1つの吸収波長を有する蒸気サンプル内の推測される成分を検出するための光音響システムにおいて、上記成分の少なくとも1つの吸収波長に対応するように1700ないし2500nmの波長に同調でき、上記吸収に応答して上記サンプルに音波を発生するに充分なエネルギーを有する電磁放射のソースであって、上記サンプルに向けられた電磁放射のソースと、上記吸収に応答して発生された音波を検出し、そしてその検出された音波の強度に比例する電子信号を発生するためのマイクロホンと、上記電子信号を処理して、上記成分による吸収に応答して発生された音響放射を外来検出音響放射から抽出するためのプロセッサとを備えたことを特徴とする光音響システム。

請求項13

上記電磁放射のソースは、同調可能なCo:MgF2レーザである請求項9に記載のシステム。

請求項14

上記放射のソースは、光学パラメータ発振器(OPO)レーザである請求項12に記載のシステム。

請求項15

上記放射のソースは、ダイオードレーザである請求項12に記載のシステム。

請求項16

上記レーザソースの出力はパルス状であり、上記プロセッサは、成分音響放射を複数のパルスにわたって平均化する請求項13に記載のシステム。

請求項17

上記出力レーザは、変調された連続的ソースレーザである請求項13に記載のシステム。

請求項18

上記レーザの出力をサンプルへ導通する光ファイバコンジットを更に備えた請求項13に記載のシステム。

請求項19

上記光ファイバは、二酸化シリコンベースとするものである請求項18に記載のシステム。

請求項20

上記レーザの出力をサンプルへ収束するためのレンズを更に備えた請求項19に記載のシステム。

請求項21

上記サンプルを保持しそして分離するためのテストセルを更に備えた請求項12に記載のシステム。

請求項22

ガスクロマトグラフと、組成をCO2 の形態として蒸気サンプルへ変換する燃焼室とを更に備えた請求項12に記載のシステム。

請求項23

ホトアブレーションにより、非蒸気組成から蒸気サンプルを解放するための手段を更に備えた請求項12に記載のシステム。

請求項24

約1700ないし2500nmの範囲の少なくとも1つの吸収波長を有する蒸気サンプル内の推測される成分を光音響検出するための方法において、電磁照射を上記サンプルに向け、この電磁放射は、上記成分の少なくとも1つの吸収波長に対応するように1700ないし2500nmの間の選択された波長に同調でき、そして上記吸収に応答して上記サンプルに音波を発生するに充分なエネルギーを有し、上記吸収に応答して発生された音波を検出し、そしてその音波の強度に比例する電子信号を発生し、上記成分による吸収に応答して発生された音響放射を表す信号を他の信号から抽出するように信号を処理し、そしてその処理された信号を読み取り可能な形態で与える、という段階を備えたことを特徴とする方法。

請求項25

1700ないし2500nmの間の選択された波長に同調できる電磁放射のソースとしてCo:MgF2レーザを設ける請求項24に記載の方法。

請求項26

1700ないし2500nmの間の選択された波長に同調できる電磁放射のソースとして光学パラメータ発振器を設ける請求項24に記載の方法。

請求項27

ダイオードレーザに同調できる電磁放射のソースとして光学パラメータ発振器を設ける請求項24に記載の方法。

請求項28

レーザの出力をパルス化する請求項24に記載の方法。

請求項29

電磁放射の連続波ソースを変調することを含む請求項24に記載の方法。

請求項30

光ファイバコンジットを経てサンプルへ電磁放射を向けることを含む請求項24に記載の方法。

請求項31

電磁放射をサンプルへレンズで収束することを含む請求項30に記載の方法。

請求項32

サンプルを閉じたテストセルに配置し、電磁放射をテストセル及びサンプルに向ける請求項24に記載の方法。

請求項33

気体サンプルにおいて約1700ないし2500nmの範囲の少なくとも1つの吸収線を有するサンプル内の選択された成分の存在を検出するための光音響システムにおいて、選択された成分を含む蒸気としてサンプルから揮発物をホトアブレートするための装置と、1700ないし2500nmの間の波長にわたって同調できるパルス状のコリメートされた電磁放射のソースと、選択された成分によって吸収されるように蒸気に放射を向ける手段とを備え、上記電磁ソースは、選択された成分の存在を指示する音響信号を蒸気に発生するに充分なエネルギーを有し、上記音響信号を検出するマイクロホンと、上記放射の各パルスごとに検出信号を処理して、成分ガスの音響放射をバックグランド音響放射から抽出し、そしてそれを複数のパルスに対して平均化して、信号対雑音比を改善するためのプロセッサとを備えたことを特徴とする光音響システム。

請求項34

上記ホトアブレーション装置は、CO2レーザ又はダイオードレーザより成るグループから選択されたレーザである請求項33に記載のシステム。

請求項35

上記放射のソースは、1700ないし2500nmに同調できそして1ないし160mJの範囲の出力エネルギーを有するレーザであり、そしてCo:MgF2 レーザ、光学的パラメータ発振器レーザ又はダイオードレーザより成るグループから選択される請求項33に記載のシステム。

請求項36

サンプルを保持するためのテストセルを更に備えた請求項33に記載のシステム。

請求項37

気体組成において約1700ないし2500nmの範囲の少なくとも1つの吸収線を有する選択された成分の存在を検出するための方法において、上記成分を含む揮発物を上記組成からホトアブレートし、電磁放射を上記揮発物に向け、上記放射は、1700ないし2500nmの間の波長にわたり同調可能であって、上記成分が上記電磁エネルギーを吸収するのに応答して揮発物に音響信号を発生するのに充分なエネルギーを有し、上記音響信号を検出し、そして上記検出された音響信号を処理して、吸収に応答して発生された音響放射信号を読み取り可能な形態で抽出する、という段階を備えたことを特徴とする方法。

請求項38

上記電磁放射のソースとしてCo:MgF2レーザを設ける請求項37に記載の方法。

請求項39

上記電磁放射のソースとして光学的パラメータ発振器レーザを設ける請求項37に記載の方法。

請求項40

上記電磁放射のソースとしてダイオードレーザを設ける請求項37に記載の方法。

請求項41

上記放射をパルス化することを含む請求項37に記載の方法。

請求項42

電磁放射の連続波ソースを変調することを含む請求項37に記載の方法。

請求項43

生体新陳代謝状態を検査する方法において、安定なアイソトープ化合物を、新陳代謝系統により吸い上げるように生体に導入し、この化合物は、新陳代謝作用を受けて、生体からサンプルとして取り出され、このサンプルは、1700ないし2500nmの吸収波長を有する形態でアイソトープを含み、レーザのパルス出力をサンプルに向け、上記レーザは、新陳代謝したアイソトープを含む化合物の吸収波長に対応する波長にわたって同調され、そしてアイソトープ化合物の存在に応答して音波を発生するに充分なエネルギーを有し、上記音波を検出しそしてその音響放射に比例する電気信号を発生し、そして上記電気信号を処理して、成分ガスの音響放射をバックグランド音響放射から抽出すると共に、成分音響放射を複数のパルスにわたって平均化して、信号対雑音比を改善する、という段階を備えたことを特徴とする方法。

請求項44

Co:MgF2レーザのパルス出力をサンプルに向け、このレーザは、1700ないし2500nmの間に同調できそして1ないし160mJのエネルギーレベルの出力を有する請求項43に記載の方法。

請求項45

光学的パラメータ発振器レーザのパルス出力をサンプルに向け、このレーザは、1700ないし2500nmの間に同調できそして1ないし160mJのエネルギーレベルの出力を有する請求項42に記載の方法。

請求項46

ダイオードレーザのパルス出力をサンプルに向け、このレーザは、1700ないし2500nmの間に同調できそして1ないし160mJのエネルギーレベルの出力を有する請求項43に記載の方法。

請求項47

13Cを標識とする脂肪化合物を導入することを含み、生体で脂肪が新陳代謝され、13Cアイソトープを生体から13CO2呼気サンプルとして取り出す請求項43に記載の方法。

請求項48

13Cを標識とする胆汁酸及びガラクトース化合物を導入することを含み、生体でこの化合物が新陳代謝され、13Cアイソトープを生体から13CO2呼気サンプルとして取り出す請求項43に記載の方法。

技術分野

0001

本発明は、アイソトープの比を分析しそしてガスを検出するシステム及び方法に係り、より詳細には、光音響作用を用いてアイソトープの比を分析しそしてガスを検出するシステム及び方法に係る。

背景技術

0002

医療の分野では、放射性アイソトープを標識とする化合物を用いて種々の状態を研究することが知られている。しかしながら、放射性アイソトープの使用は、保管及び廃棄の観点からだけでなく、過剰な照射病気又は他の苦痛を回避するために患者に付与する線量を監視しなければならないという観点からも問題を生じる。

0003

放射性アイソトープの使用に関連した欠点とは別に、安定した非放射性アイソトープを用いて種々の医学的状態診断できることも知られている。リー氏の米国特許第4,684,805号に開示されたように、安定な非放射性アイソトープを標識とする脂肪投与した後に被験者呼吸を監視することにより脂肪の新陳代謝を診断することができる。より詳細には、13Cを標識とする脂肪を被験者に投与することができ、脂肪は新陳代謝作用を受け、そしてアイソトープは、呼気中の13CO2 として被験者から排出される。13CO2 の存在及び/又は濃度、或いは自然に発生する12CO2 に対するその濃度の比を用いて、新陳代謝及びその割合を分析研究することができる。

0004

同様に、13Cを標識とする胆汁酸及びガラクトース注入した後に呼気を監視しそして13CO2 として存在する13Cアイソトープに対して呼気を検査することにより回腸及び肝臓機能不全を診断することができる。13Cを標識とするキシローズを吸入した後にこの場合も13CO2 として生じる標識アイソトープに対して呼気を監視することにより小腸の細菌の過剰成長を診断することができる。

0005

マーシャル氏の米国特許第4,830,010号は、アイソトープを標識とする尿素を使用して胃腸病の診断を行うことを開示している。

0006

明らかなように、適用できれば、安定な非放射性アイソトープの使用は、放射性アイソトープの使用に関連した保管及び廃棄の観点からだけではなく、健康上の観点からも、放射性アイソトープの使用に勝る著しい効果を有する。

発明が解決しようとする課題

0007

医療分析における放射性アイソトープの使用から非放射性アイソトープの使用への移行は、標識アイソトープの存在を検出する満足な手段および技術が存在する場合にのみ著しく有用である。安定なアイソトープを化学的に分析するために質量分析がしばしば使用される。しかしながら、この技術に伴う欠点は、低レベル水蒸気を除去するために非常に質の高い真空、精巧なサンプル作成を必要とし、及び/又は装置及び技術者の労力という観点から比較的高価なことである。更に、質量分析方法では、同じ質量をもつ化合物を容易に区別できず、例えば、13CO2 を12COOH及び12C16O17Oから区別できない。

0008

従って、例えば、患者の新陳代謝率を研究するために安定な非放射性アイソトープを使用することが普及しそして放射性アイソトープを必要とするこれまでのテストに取って代わる場合には、標識とする安定な非放射性アイソトープの存在を検出するための方法及び装置であって、上記の分析技術に関連した問題を克服する方法及び装置が基本的に要望される。

0009

医療分野に加えて、アイソトープの研究は、地質学的な分野でも有用である。炭酸塩沈殿又は大気中における13CO2 と12CO2 の比の分析は、CO2 の生成及び吸収のサイクルを決定するのに重要である。クランドール氏の米国特許第4,517,461号には、オイルサンプルの多数の個々の有機化合物のアイソトープ組成を測定することによる地球化学的オイル踏査及び調査を利用して、他のオイル埋蔵層の位置を予想したり又はオイルが通常の埋蔵部又は地層から移動した場所を予想することが説明されている。このシステムにおいては、アイソトープ化合物又は当該成分の存在を検出するための検出器であって、上記質量分析のような分析技術の問題や欠点のない検出器が必要とされる。

0010

更に、アイソトープ分析とは別に、サンプル内の他の幾つかの推測される成分の存在を検出するための検出器が一般的に要望される。多数の例として、化学プラント電力プラント等において又はその周囲でCO、NH3 、HCL、H2 S及びHFのような有毒蒸気に対し、空気のサンプルを監視して分析することができる。このような成分の存在に向けられた高速で、信頼性がありそして経済的な検出器は、汚染対抗しそして有害成分の漏出、放出又は存在を検出するための貴重なツールを構成する。多くの現在の化学的分析技術は、低速で且つ高価であるという点でしばしば不充分である。

0011

路上を走行する乗物の汚染に対する放出物検査も、主たる汚染源を排除しそして全体的な空気の質を改善するために重要である。この場合も、高速で、信頼性がありそして正確な検出方法及び検出器は、空気汚染に対抗する貴重なツールである。

0012

高速で、経済的で且つ信頼性のある検出器及び方法が重要となる他の例は、天然ガスパイプラインの近傍の空気をサンプリングして漏れの存在を決定することである。クロロベンゼン等の幾つかの濃密な非水相の地層の化学物質(DNALP)を汚染物として含む土壌も、このような汚染物の存在を検出するための高速で、経済的で且つ信頼性の高い検出方法、システム及び検出器を必要とする。

0013

別の例として、事又はセキュリティの分野で、爆発物又は化学兵器化合物の存在を決定するために、高速で、信頼性があり且つ正確な検出器及び方法が要望される。

0014

以上は、質量分析又はガスクロマトグラフィーの欠点を被らない信頼性のある安価な検出器を必要とする幾つかの例である。

課題を解決するための手段

0015

本発明によれば、約1700ないし2500nmの範囲の少なくとも1つの吸収波長を有するガス中の選択された成分を検出するための光音響システム及び方法が提供される。又、安定なアイソトープ化合物を生体に導入することにより生体の新陳代謝状態を検査し、成分分子を含むサンプルとして生体から解放されるアイソトープは、1700ないし2500nmの間の少なくとも1つの吸収波長を有するアイソトープを含み、そして生体から解放されたサンプルを光音響的に分析して上記成分を含む当該アイソトープを検出するためのシステム及び方法も提供される。成分の存在及び濃度の決定を用いて、上記化合物を含むアイソトープが生体によりいかに新陳代謝されるかを決定することができる。

0016

更に、非気体サンプルに含まれた成分であって、約1700ないし2500nmの間の吸収波長を有する成分の光音響検出を用いるためのシステム及び方法も提供される。

0017

この目的のために、約1700ないし2500nmの範囲の少なくとも1つのテルテール又はフィンガープリント吸収波長を有するガス中の選択された成分を検出するための光音響システム及び方法を説明する。このシステム及び方法は、推測される成分の1つ以上のフィンガープリント波長に対応するように1700ないし2500nmの選択された波長に同調できる電磁放射ソースを含む。この放射は、成分によって吸収されるべくサンプルに向けられる。吸収波長に対応する波長の電磁放射の吸収は、成分分子を励起し、それらを周囲の分子衝突させて、検出可能な音響放射を発生する。このため、電磁ソースは、吸収に応答してサンプル内に音響放射を発生するに充分なエネルギーを有する。約1ないし160mJ/パルスエネルギー出力を有するパルス式Co:MgF2レーザは、検出及び測定のための比較的強力な音響放射を誘起する。マイクロホンのような検出器を用いて、音響放射を検出し、そしてそれに応答して、その音響放射に比例する電気信号を発生する。データプロセッサは、電気信号を処理して、検出された音響放射をバックグランドの音響放射から抽出し、そしてこれら放射を複数のパルス放射にわたって平均化し、これにより、信号対雑音比を改善する。

0018

特定の用途においては、上記の光音響検出システム及び方法を用いて生体の新陳代謝状態が検査される。この方法は、安定なアイソトープ化合物を生体に導入し、検査を受ける新陳代謝系統により吸い上げるようにすることを含む。この化合物は、生体によって代謝作用を受け、アイソトープは、生体から、例えば、呼気として通過される。例えば、安定なアイソトープは、13Cを標識とする脂肪、13Cを標識とする胆汁酸及びガラクトース、又は13Cを標識とするキシローズとして投与される13Cであり、これは、代謝作用を受けると、患者の呼気によって13CO2 として解放される。レーザの出力は、呼気サンプルに向けられ、レーザは、13CO2 のフィンガプリント吸収波長に対応する波長に同調され、そして成分アイソトープ、即ち13CO2 の存在に応答して音響放射を発生するに充分なエネルギーを有している。この場合も、1700ないし2500nmに同調できそして約1ないし160mJ/パルスのエネルギー出力を有するパルス式Co:MgF2 レーザは、その範囲内の上記フィンガプリント波長を有する13CO2 のような安定なアイソトープ化合物の存在を検出するのに特に適すると分かった。吸収されたエネルギーにより発生される音響放射はマイクロホンにより検出され、音響放射に比例する電気信号が発生されて処理され、成分ガスの音響放射をバックグランド音響放射から抽出し、そしてそれら放射を複数のレーザパルスにわたって平均化して、信号対雑音比を改善する。13CO2 の濃度、及び/又は自然発生する12CO2 に対する13CO2 の比をある時間にわたって分析し、13Cを標識とする脂肪又は他の標識の化合物が代謝作用を受ける割合を決定することができる。呼吸のCO2 の分析は、レーザ放射を患者からの呼気に向けることによってその場で行われる。或いは又、呼気を収集しそしてテストセルにおいて光音響検出を通して分析される。

0019

別の実施形態においては、非気体状サンプルに含まれた推測される成分の濃度を検出しそして決定するための光音響検出システム及び方法が開示され、推測される成分は、1700ないし2500nmのフィンガプリント吸収波長を有するものである。この実施形態によれば、ホトアブレーション(photoablation) プロセスを用いて土壌又は液体のような非気体サンプルから蒸気が放出される。このため、CO2 又はダイオードレーザがサンプルに向けられて蒸気サンプルをホトアブレートする。その後、解放された蒸気サンプルは、上記した光音響検出システム及び方法を受ける。1700ないし2500nmのフィンガプリント吸収波長を有する成分の存在は、検出しようとする成分のフィンガプリント波長に対応する波長にわたってCo:MgF2レーザを同調し、それにより得られる音響放射を検出しそしてその検出された音響信号を処理することにより検出される。

0020

明らかなように、1700ないし2500nmの吸収波長を有するサンプル内の成分の存在を検出するための簡単で、安価で且つ使用し易い光音響検出システム及び方法が提供される。これまで質量分析及び/又はガスクロマトグラフィー分析を必要としたこの範囲内の吸収波長を有するあるアイソトープ、化学物質、及び化合物は、ここで、光音響検出により分析することができる。

0021

更に、特定の用途として、安定なアイソトープを導入しそしてそれらの呼気を光音響検出することにより生体の新陳代謝状態を検査することができ、これにより、他の高価な技術の使用又は危険な放射性アイソトープの使用を回避できる。

0022

サンプルが所望の形態、例えば、CO2 の形態にない用途では、ガスクロマトグラフ及び燃焼室を用いて、所望の化合物を分離し、それをCO2 に変換することができる。

0023

更に、本発明による検出システム及び方法は、約1700ないし2500nmの範囲内に入る特性フィンガプリント吸収波長を有する化学物質及び化合物の現場での検出に適用される。これは、光音響検出をこれまで利用し得なかったある爆発物、化学兵器物質ロケット排出物有毒化学物質核廃棄物又は汚染物の検出を含む。

発明を実施するための最良の形態

0024

本発明のこれら及び他の特徴及び効果は、添付図面を参照した以下の詳細な説明及び特許請求の範囲から良く理解されよう。

0025

図1を参照し、本発明の一般的な特徴を説明する。図示されたように、本発明は、1700ないし2500nmの範囲に入る1つ以上のテルテール又はフィンガプリント吸収波長、即ち4000ないし5880cm-1の波数をもつ分子を有した推測される成分に対しサンプルを光音響分析するためのシステム10に関する。このため、システム10は、上記範囲内に入る波長に同調できる電磁放射のソースであってレーザ12として実施されたソースを備えている。このレーザ12は、Co:MgF2 レーザ、光学パラメータ発振器(OPO)レーザ又はダイオードレーザのようなパルス式のものであって、1700ないし2500nmの範囲に同調できそして少なくとも1ないし160mJのエネルギー出力を有するのが好ましい。Co:MgF2 レーザは、広い同調範囲を有し、近赤外線領域上音及び結合帯域において分子吸収の励起に使用でき、約0.6cm-1の比較的狭いスペクトル線を有していて、特定の化学分子を他の分子による干渉を最小にして選択的に励起することができ、そして励起の際に比較的強い音響放射を誘起するに充分なエネルギー出力を有するという点で、好ましい。

0026

レーザ12の出力をテストセル14に向けるために、システム10は、光ファイバ16のような光送信手段を備えている。光ファイバ16は、レーザ12のパルス出力をテストセル14に通信する。光ファイバ16は、レーザ12の出力波長において低い吸収性を有する二酸化シリコンベースファイバ又はフッ素ガラスベースのファイバである。レンズ18は、ファイバ16からの電磁放射をテストセル14及びそこに含まれたサンプルに収束する。

0027

テストセル14は、適当な手段により閉じられそして推測される成分を含むサンプルが充填される。透明な窓20は、選択された分子を励起するためにレーザ12の出力をテストセル14へ収束できるようにする。或いは又、光ファイバ16をテストセル14へ通すように配置しそしてレンズ18をテストセル内に配置することもできる。

0028

更に図1を参照すれば、テストセル14における音響応答を検出するために、システム10は、レーザ12の同調範囲を通して分子の励起に対する音響応答を検出するためのマイクロホン22のような音響検出器を備えている。マイクロホン22は、音響放射のためのいかなる適当な検出器でもよい。検出可能な音響放射に応答して、マイクロホン22は、電子信号を発生し、この信号は、前置増幅器24によって増幅され、そしてその後、電気的フィルタ26に通される。フィルタ26から、音響信号の検出に応答した信号は、遠隔配置することのできるデータプロセッサ28へ向けられる。

0029

明らかなように、1つ以上のフィンガプリント吸収波長が1700ないし2500nmの範囲に入るような推測される成分を有するガスを含むサンプルがテストセル14に受け取られると、システム10は、その成分の存在を検出するのに使用することができる。レーザ12は、パルス状のコリメートされた電磁放射を発生するように付勢され、上記成分の推測されるフィンガプリント波長の範囲を通じて同調される。レーザ12は、実質的な検出可能な音響信号を形成するに充分なエネルギーの出力を有し、上記音響信号は、マイクロホン22によって検出され、そして推測される成分の有無を指示するデータを得るように処理される。

0030

図1を参照し続けると、テストセル14へ導入されるべきサンプルがCO2 の形態でない場合には、ガスクロマトグラフ30を使用して、サンプル内の種々の成分を分離することができ、ガスクロマトグラフ30からの流出物は燃焼室32へ供給されて、炭素アイソトープを含む成分がCO2 の形態に変換され、例えば13Cが13CO2 に変換される。今やCO2 の形態に変換されたアイソトープを含む成分は、次いで、テストセル14に分析のために送られる。それ故、ガスクロマトグラフ30及び燃焼室32を含むシステム10は、炭素アイソトープに対してサンプルを分析するのに使用できることが明らかである。

0031

図2には、本発明によるシステム10の更に別の実施形態が示されている。この実施形態は、1700ないし2500nmの範囲に入るフィンガプリント吸収波長を有する成分分子に対して屋外環境においてサンプルを現場で分析するのに用いられる。例えば、空気のサンプルは、図2のシステム10により、CO、NH3 、H2 O、HCO、H2 S、HF、CH4 、C2 H2 又はC2 H6 のアイソトープ組成の種々の形態に対し、或いは1700ないし2500nmのフィンガプリント吸収波長の分子を有する他の組成に対して分析される。図2のシステム10は、レーザ12と、光ファイバ16と、レンズ18とを備えている。レンズ18は、パルス状のコリメートされた電磁放射を、テストされるべき屋外環境に配置されたマイクロホン22の至近へ向ける。マイクロホン22の至近の屋外サンプル、より詳細には、適当な帯域巾のレーザ12によって付勢されたときに1700ないし2500nmの吸収波長を有する成分の分子は、マイクロホン22によって検出される音響信号を発生する。マイクロホン22は、上記のように、音響応答の強度に比例して電気信号を発生し、これら信号は、前置増幅器24へ送られ、フィルタ26を経て、プロセッサ28へ送られる。

0032

図2に示す実施形態によるシステム10は、波数が約4800ないし5150cm-1の自然発生するアイソトープを含むCO2 のスペクトルを検出するために実験的に使用された。レーザ12は、フロリダ州オリアンドのシュワルツ・エレクトルオプティック社により製造されたCobra 2000 Co:MgF2 レーザであり、マイクロホン22は、ジョージア州デカチュアのB&Kインツルーメント社により供給されるタイプ4136マイクロホンであり、前置増幅器24は、B&Kインスツルーメント社のタイプ2618であり、そしてデータプロセッサ28は、ヒュレットパッカード社の5411Dデジタイジングオシロスコープであった。CO2ガスが屋外へ放出され、そしてレーザ12の出力は、レンズ18により、放出されたCO2ガス中に配置されたマイクロホン22から約3cmの焦点に収束された。

0033

図4には、波数が約4885ないし4927cm-1の天然豊富にあるアイソトープを含み上記装置を用いて光音響的に検出されたCO2 のスペクトルが示されている。レーザ12は上記範囲にわたり同調されているので、多数のスペクトル構造が検出される。これら構造のCO2 は、その構造に対応する波数においてエネルギーを吸収して、CO2 の分子を励起し、これら分子は、次いで、周囲の分子と衝突して、検出可能な音響信号を形成する。図示された波数にわたるエネルギーの導入に対する検出可能な音響応答は、CO2 に最も豊富にあるアイソトープの存在を特に表している。図5には、同じ範囲において天然に豊富にあるアイソトープを含むCO2 の理論的線強度が示されている。測定されて図4に示された音響応答は、図5に示された12CO2 及び13CO2 の合成された理論的な線強度に厳密に一致することが明らかである。

0034

図4に示されたセグメント「A」の構造は、13CO2 に起因し、一方この帯域「A」の各側のスペクトル構造「B」及び「C」は、12CO2 に起因する。従って、本発明の光音響システム10は、天然に豊富にあるレベルにおいて13CO2:12CO2 の比を求めるのに使用することができる。本発明による光音響システム10は、5x10-5の低いレベルにおいて13CO2 :12CO2 のアイソトープ比を求めることができると考えられる。

0035

システム10は、比較的簡単で、安価で、使い易く、且つサンプル内の微量の推測される成分を検出できることが明らかである。

0036

図1を参照すれば、システム10は、人間のような生体における新陳代謝率を診断する方法に適用される。一例として、この方法は、安定なアイソトープ化合物を生体に導入し、検査を受ける新陳代謝系統によって取り込んで処理させることを含む。この化合物は、脂肪がいかに新陳代謝されるかを検査するための13COを標識とする脂肪、回腸又は肝臓に機能不良が推測される場合の13COを標識とする胆汁酸及びガラクトースであり、或いは小腸の細菌の過剰成長を検査するために13Cを標識とするキシローズが投与されてもよい。13Cを標識とする脂肪が投与される場合には、脂肪が新陳代謝を受け、13Cアイソトープが13CO2 に変換され、身体から呼気として放出される。呼吸のCO2 は、図2に示すような開放環境においてその場で測定することができる。或いは又、13CO2 を含む呼気のサンプルをテストセルにおいてある間隔で測定された体積に収集し、光音響検出してもよい。

0037

呼気のサンプルは、その後、システム10により分析される。より詳細には、各々の又は多数のサンプルがテストセル14に入れられ、そしてレーザ12が作動されて約4892ないし4913cm-1の波長を通して同調され、13CO2 の存在を表す音響応答を発生するようにされる。電力レベルは、13CO2 の分子が励起されたときに検出可能な音響応答を発生するように選択される。この形態において、新陳代謝、即ち脂肪の新陳代謝は、安定なアイソトープを標識とする化合物及びシステム10を用いて検査することができる。以上の方法は、放射性アイソトープの使用を必要とせず、アイソトープ化合物の存在を迅速に且つ確実に検出し、この方法の効率を向上させる。

0038

或いは又、呼吸のCO2 を光音響検出方法及び装置により患者の口の前方において現場で分析することができる。この構成は、分析結果をほぼ瞬時に発生し、サンプルをテストセルに収集して保存することに関連したコストを低減するという効果を有する。

0039

13Cを標識とする胆汁酸及びガラクトースを投与した後に呼気を検査することにより回腸又は肝臓の機能不良を調査することができ、そして13Cを標識とするキシローズが投与されさ後に小腸の細菌の過剰成長を検査することができる。安定なアイソトープ化合物が被験者からCO2 でない形態で放出されるとすれば、ガスクロマトグラフ30及び燃焼室32を使用して、その放出されたサンプルをCO2 の形態に変換し、システム10によって分析することができる。

0040

図6には、約2150ないし2450nmの塩化メチレン蒸気の光音響的に検出されたスペクトルが示されている。この蒸気は、塩化メチレンの液体に窒素ガスで泡を立てそして随伴蒸気を空気中へ放出することにより生成された。レーザ12が蒸気に収束されそして上記範囲に同調されると、多数のスペクトル構造が検出される。これらのスペクトル構造は、文献で知られているメチレン蒸気の吸収スペクトルに良好に一致する。これらの構造は、ここに述べる光音響検出方法により蒸気を分析するための診断特性として使用することができる。

0041

図2のシステム10は、多数のガス及び蒸気を現場で簡単に、安価に且つ正確にテストすることが明らかであろう。屋外システムにおいてCH4 、C2 H2 及びC2 H6 に対し各々約1x10-5、6x10-5及び1x10-5の濃度を検出できると考えられる。

0042

図3には、本発明によるシステム10の更に別の実施形態が示されている。上記したように、図3のシステム10は、上記形式のレーザ12を備え、その出力は、光ファイバ16及びレンズ18を経てテストセル14へ向けられる。テストセル14内には、爆発物、化学溶媒、化学兵器化合物等の半揮発物を含む固体又は液体サンプルのような非蒸気サンプルが含まれている。この実施形態では、システム10により検出するためにサンプルから蒸気を放出するための装置が設けられる。この装置は、例えば、CO2 又はダイオードレーザ34であり、これはレンズ36によりテストセル14及びサンプルに収束される。CO2 レーザ34からのエネルギーは、ホトアブレーションにより、システム10により検出するための揮発物をサンプルから放出させる。幾つかの例として、土壌へ流されて、非水相の層として一緒凝集する傾向のあるトリクロロエチレン、クロロベンゼン、1,1−ジクロロエタン、1,1−ジクロロ−エチレン、1,2ジクロロ−エタン、クロロホルム四塩化炭素、1,1,2,2−四塩化エタン、テトラクロロエチレン二臭化エチレン、O−クレゾール、P−クレソ、M−クレソ、フェノール及びナフタリンは、これらの化学物質が上記波長帯域内に入る強力な吸収線を有するという点で検出することができる。更に、例えば、硝酸アンモニウム(約2300nm)、過塩素酸アンモニウム(約2000nm)、ニトロベンゼン、及び非対称ジメチルヒドロジンのような多くの爆発物は、近赤外線の吸収が強力であると共に、上記波長帯域における吸収が強力である。これら爆発物の至近で得られたサンプルを分析するか、又はサンプルが蒸気であるこの又は前記の実施形態によりそれらの放出に続いて分析することにより、システム10は、これら化合物の存在を決定するのに使用できる。

0043

又、図2のシステム10により、非気体サンプル、即ち液体、固体又はその混合サンプルに対してホトアブレーションを現場で使用することもできる。この実施形態では、ホトアブレーションにより、液体又は固体から蒸気サンプルが放出され、レーザ12が上記のように検出のために蒸気に向けられる。

0044

更に、光音響技術は、空気又は土壌中の化学兵器物質の存在を監視するのに使用することもできる。タブン(Taben) (GA)は、4255nmにおいて強力なC=Nの基本的な伸びを有し、それに対応する上音帯域が約2128nm付近で生じるはずである。サリン(Sarin) (GB)及びソマン(Soman) (GD)も、同様に、3465nmにおいて強力なP−CH3 の基本的な伸びを有し、それに対応する上音帯域が、約1732nm付近で生じるはずである。CO2レーザ32(又はダイオードレーザ)を含む図3に示すシステム10は、化学兵器化合物を非接触で、現場で、リアルタイムで監視できるようにこれら化学物質の検出性を向上するのに使用できる。サンプルが蒸気の場合は、図2のシステム10を使用することができる。

0045

他の幾つかの例として、ロケットの排出物及びより詳細にはそのHCL成分を上記システム10により検出することができる。

0046

以上、本発明の幾つかの実施形態を説明したが、請求の範囲に規定された本発明の精神及び範囲から逸脱せずに多数の修正や変更がなされ得ることが理解されよう。

図面の簡単な説明

0047

図1本発明によりアイソトープの比を分析するための検出システム及び方法を示す概略図である。
図2蒸気サンプル中の成分の存在を検出するための本発明による光音響検出システム及び方法の概略図である。
図3気体サンプル中の成分の存在を検出するための光音響検出システム及び方法の概略図である。
図44885ないし4927cm-1のCO2 (天然に豊富にあるアイソトープを含む)の光音響スペクトルを示すグラフである。
図5天然に豊富にある各成分における12CO2 及び13CO2 の吸収線の理論的な線強度を示すグラフである。
図6空気中の塩化メチレン蒸気の光音響スペクトルを示すグラフである。

--

0048

10 光音響分析のためのシステム
12レーザ
14テストセル
16光ファイバ
18レンズ
20透明窓
22マイクロホン
26電気的フィルタ
28データプロセッサ
30ガスクロマトグラフ
32燃焼室
34 レーザ
36 レンズ

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