本發(fā)明涉及一種碳同位素分析裝置和用于分析碳同位素的方法。具體地，本發(fā)明涉及一種用于分析放射性碳¹⁴C的放射性碳同位素分析裝置和分析放射性碳同位素的方法。

背景技術(shù)：

碳同位素分析已經(jīng)用于許多領(lǐng)域中，包括基于碳循環(huán)的環(huán)境動力學(xué)的評估，和通過放射性碳測定年代法的歷史和經(jīng)驗研究?？赡茈S著區(qū)域或環(huán)境因素而變化的碳同位素的天然豐度如下：對于¹²C(穩(wěn)定同位素)來說98.89％，對于¹³C(穩(wěn)定同位素)來說1.11％，和對于¹⁴C(放射性同位素)來說1×10^-10％。具有不同重量的這些同位素展示相同的化學(xué)行為。因此，低豐度的同位素的人工富化和同位素的精確分析可以用于許多反應(yīng)的觀察。

在臨床領(lǐng)域，被例如放射性碳¹⁴C標記的化合物的體內(nèi)給藥和分析對于藥物配置的評估是非常有用的。例如，這樣的被標記的化合物用于Phase I或Phase IIa中的實際分析。將用放射性碳¹⁴C(在下文中可以簡稱為“¹⁴C”)標記的化合物對人體以非常低的劑量(在下文中可以稱為“微小劑量”)(即，少于化合物的藥理學(xué)活性劑量)給藥，并且預(yù)期被標記的化合物的分析顯著降低藥物探索過程的研制周期，因為該分析提供了由藥物配置造成的藥物功效和毒性方面的研究結(jié)果。

傳統(tǒng)的¹⁴C分析的實例包括液體閃爍計數(shù)(在下文中可以稱為“LSC”)和加速器質(zhì)譜法(在下文中可以稱為“AMS”)。

LSC包括使用比較小的桌面型分析裝置，并且因此使得能夠進行方便且快速的分析。不幸的是，LSC因為它的高¹⁴C檢出限(10dpm/mL)而不能用在臨床試驗中。相反，AMS因為它的低¹⁴C檢出限(0.001dpm/mL)(小于LSC的檢出限的千分之一)而可以用在臨床試驗中。不幸的是，AMS的用途是受限的，因為AMS需要大且昂貴的分析裝置。由于在日本僅僅提供了幾十臺AMS分析裝置，所以分析一個樣品需要大約一周，原因在于待分析樣品需要等待長的時間。因此，對于開發(fā)方便且快速的分析¹⁴C的方法已產(chǎn)生了需求。

相關(guān)技術(shù)

專利文獻1：日本專利號3390755

非專利文獻

非專利文獻1：I.Galli，等，Phy.Rev.Lett.2011，107，270802

發(fā)明概述

為了解決前述問題，已經(jīng)提出了若干技術(shù)(見例如非專利文獻1和專利文獻1)。

因為在非專利文獻1中I.Galli，等證明了通過腔衰蕩光譜(cavity ring-down spectroscopy，在下文中可以稱為“CRDS”)分析天然豐度水平的¹⁴C，所以該分析已經(jīng)得到了關(guān)注。

盡管通過CRDS的¹⁴C分析已經(jīng)得到了證明，但該分析包括使用具有非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)的4.5μm激光束生成器。因此，對于用于分析¹⁴C的簡單且方便的設(shè)備或方法已產(chǎn)生了需求。

專利文獻1公開了波長可調(diào)的短光學(xué)脈沖生成器，其可以簡單地生成短光學(xué)脈沖。不幸的是，該生成器不能夠生成4.5μm激光束，并且因此不能夠用于¹⁴C分析。

考慮到上述情況，本發(fā)明的一個目的是提供能夠分析同位素碳¹⁴C的簡單且方便的設(shè)備，以及分析碳同位素的方法。

問題的解決方案

本發(fā)明提供了：

方面<1>一種碳同位素分析裝置，所述碳同位素分析裝置包含：同位素碳的二氧化物生成器，所述同位素碳的二氧化物生成器從碳同位素生成同位素碳的二氧化物；分光計，所述分光計包含光學(xué)共振器和光探測器，所述光學(xué)共振器具有一對鏡子，所述光探測器用于確定從所述光學(xué)共振器透過的光的強度；和光生成器，所述光生成器包含光源、第一光纖、第二光纖和非線性光學(xué)晶體，所述第一光纖用于傳導(dǎo)來自光源的光束，所述第二光纖用于波長轉(zhuǎn)換，所述第二光纖在某一點處從所述第一光纖分支并且在所述分支點的下游的另一點處與所述第一光纖合并，所述非線性光學(xué)晶體基于透過所述光學(xué)晶體的光束之間的頻率差生成具有同位素碳的二氧化物的吸收波長的光。

方面<2>根據(jù)方面<1>所述的碳同位素分析裝置，其中所述碳同位素是放射性碳¹⁴C，且所述同位素碳的二氧化物是放射性二氧化碳¹⁴CO₂。

方面<3>根據(jù)方面<1>或<2>所述的碳同位素分析裝置，其中所述光源生成光頻梳。

方面<4>根據(jù)方面<1>至<3>中任一方面所述的碳同位素分析裝置，其中所述光源是光纖激光器源。

方面<5>根據(jù)方面<1>至<4>中任一方面所述的碳同位素分析裝置，其中所述具有同位素碳的二氧化物的吸收波長的光是4.5μm帶區(qū)的光。

方面<6>根據(jù)方面<1>至<5>中任一方面所述的碳同位素分析裝置，其中所述同位素碳的二氧化物生成器利用總有機碳生成器由所述碳同位素生成所述同位素碳的二氧化物。

方面<7>根據(jù)方面<1>至<6>中任一方面所述的碳同位素分析裝置，其中所述第一光纖從所述光源延伸至所述光學(xué)共振器。

方面<8>根據(jù)方面<1>至<7>中任一方面所述的碳同位素分析裝置，其中所述第一光纖包含在所述光源和所述非線性光學(xué)晶體之間延伸的第一光纖段a以及在所述非線性光學(xué)晶體和所述光學(xué)共振器之間延伸的用于中紅外光的第一光纖段b。

方面<9>根據(jù)方面<1>至<6>和<8>中任一方面所述的碳同位素分析裝置，其中所述光生成器還包含用于將光從所述非線性光學(xué)晶體傳導(dǎo)至所述光學(xué)共振器的光傳導(dǎo)器。

方面<10>根據(jù)方面<9>所述的碳同位素分析裝置，其中所述第一光纖是在所述光源和所述非線性光學(xué)晶體之間延伸的所述第一光纖段a。

方面<11>根據(jù)方面<1>至<6>和<8>至<10>中任一方面所述的碳同位素分析裝置，其中所述光生成器還包含在所述非線性光學(xué)晶體和所述第一光纖與所述第二光纖合并處的點之間的、和/或在所述非線性光學(xué)晶體和所述光學(xué)共振器之間的光學(xué)透鏡。

方面<12>根據(jù)方面<1>至<11>中任一方面所述的碳同位素分析裝置，其中所述第一光纖的下游端與所述鏡子中的一個接觸。

方面<13>根據(jù)方面<1>至<12>中任一方面所述的碳同位素分析裝置，其中所述第二光纖由非線性光纖構(gòu)成。

方面<14>根據(jù)方面<1>至<13>中任一方面所述的碳同位素分析裝置，其中所述分光計還包含冷卻器，所述冷卻器用于冷卻所述光學(xué)共振器。

方面<15>根據(jù)方面<1>至<14>中任一方面所述的碳同位素分析裝置，其中所述分光計還包含真空單元，所述真空單元容納所述光學(xué)共振器。

方面<16>根據(jù)方面<1>至<15>中任一方面所述的碳同位素分析裝置，其中所述分光計還包含振動吸收器。

方面<17>根據(jù)方面<1>至<16>中任一方面所述的碳同位素分析裝置，其中所述分光計還包含衍射光柵，所述衍射光柵用于將透過的光分散成不同波長的光譜分量，并且所述光探測器包含子-光探測器a和子-光探測器b，所述子-光探測器a和子-光探測器b檢測所述不同波長的光譜分量。

方面<18>一種分析碳同位素的方法，所述方法包括：由碳同位素形成同位素碳的二氧化物；將所述同位素碳的二氧化物進料至具有一對鏡子的光學(xué)共振器；從光源生成多個具有不同波長的光束，并且將所述光束傳導(dǎo)通過非線性光學(xué)晶體，以基于所述光束之間的頻率差生成入射光，所述入射光具有所述同位素碳的二氧化物的吸收波長；將所述入射光施加至所述同位素碳的二氧化物，并且確定通過所述入射光的共振生成的透過的光的強度；以及基于所述透過的光的強度計算所述碳同位素的濃度。

方面<19>根據(jù)方面<18>所述的方法，其中所述碳同位素是放射性碳¹⁴C，且所述同位素碳的二氧化物是放射性二氧化碳¹⁴CO₂。

方面<20>根據(jù)方面<18>或<19>所述的方法，其中所述入射光是4.5μm帶區(qū)的光。

方面<21>根據(jù)方面<18>至<20>中任一方面所述的方法，其中從所述光源生成光頻梳。

方面<22>根據(jù)方面<18>至<21>中任一方面所述的方法，其中所述光源是光纖激光器源。

方面<23>根據(jù)方面<18>至<22>中任一方面所述的方法，其中在將第一光纖的下游端與所述鏡子之一接觸以防止所述透過的光接觸空氣的同時確定所述透過的光的強度。

方面<24>根據(jù)方面<18>至<23>中任一方面所述的方法，其中在將所述同位素碳的二氧化物冷卻至273K(0℃)以下的同時確定所述透過的光的強度。

方面<25>根據(jù)方面<18>至<24>中任一方面所述的方法，其中將來自光源的第一光傳導(dǎo)通過所述第一光纖；還將所述第一光傳導(dǎo)通過用于波長轉(zhuǎn)換的第二光纖，以生成波長與所述第一光的波長不同的第二光，所述第二光纖在某一點處從所述第一光纖分支；在所述某一點的下游將所述第二光與通過所述第一光纖傳導(dǎo)的所述第一光合并；以及將所述第一光和所述第二光傳導(dǎo)通過所述非線性光學(xué)晶體，以基于所述第一光和所述第二光之間的頻率差生成入射光，所述入射光具有所述同位素碳的二氧化物的吸收波長。

方面<26>根據(jù)方面<18>至<25>中任一方面所述的方法，其中所述第一光纖從所述光源延伸至所述光學(xué)共振器。

方面<27>根據(jù)方面<18>至<26>中任一方面所述的方法，其中所述第一光纖包含在所述光源和所述非線性光學(xué)晶體之間延伸的第一光纖段a以及在所述非線性光學(xué)晶體和所述光學(xué)共振器之間延伸的用于中紅外光的第一光纖段b。

方面<28>根據(jù)方面<18>至<27>中任一方面所述的方法，其中所述第二光纖由非線性纖維構(gòu)成。

方面<29>根據(jù)方面<18>至<28>中任一方面所述的方法，其中將所述同位素碳的二氧化物在引入到所述分光計中之前冷卻。

方面<30>根據(jù)方面<18>至<29>中任一方面所述的方法，其中在將所述光學(xué)共振器保持在真空下的同時，確定所述透過的光的強度。

方面<31>根據(jù)方面<18>至<30>中任一方面所述的方法，其中在吸收對所述光學(xué)共振器的外部振動的情況下，確定所述透過的光的強度。

方面<32>根據(jù)方面<18>至<31>中任一方面所述的方法，其中將所述透過的光分散成不同的光譜分量，并且確定光譜分量的強度。

發(fā)明效果

本發(fā)明提供了一種能夠分析同位素碳¹⁴C的簡單且方便的設(shè)備和分析同位素碳的方法。

附圖簡述

圖1是碳同位素分析裝置的示意性圖示。

圖2A和2B示出了基于激光的高速腔衰蕩光譜的原理。

圖3是碳同位素分析裝置的變型1的示意性圖示。

圖4示出了¹⁴CO₂的吸收線的溫度相關(guān)性。

圖5是碳同位素分析裝置的變型2的示意性圖示。

圖6是變型的光學(xué)共振器的示意性圖示。

圖7示出了CRDS中¹³CO₂吸收或¹⁴CO₂吸收時的變量(Δβ)的溫度相關(guān)性。

實施方案描述

現(xiàn)在將參照實施方案描述本發(fā)明，這些實施方案不應(yīng)被解釋為限制本發(fā)明。用相同或相似的附圖標記指示具有相同或相似功能的部件，而不進行重復(fù)描述。在示意性圖中，應(yīng)當考慮以下描述來確定具體的尺寸。當然，附圖也包括尺寸的不同的關(guān)系和比率。

(碳同位素分析裝置)

圖1是碳同位素分析裝置的示意性圖示。碳同位素分析裝置1包括同位素碳的二氧化物生成器40、光生成器20、分光計10和運算裝置30。在以下描述中，被分析物是放射性碳¹⁴C。由放射性同位素¹⁴C生成的同位素碳的二氧化物¹⁴CO₂吸收4.5μm帶區(qū)(region)的光。如下詳述的，可以通過被分析物的吸收線、光生成器和光學(xué)共振器模式的適當組合，得到高靈敏度。

<分光計>

如圖1中圖示的，分光計10包括光學(xué)共振器(或光學(xué)腔)11和用于確定從光學(xué)共振器11透過的光的強度的光探測器15。光學(xué)共振器11包括：將用目標同位素碳的二氧化物填充的圓柱形主體；分別安置在所述主體的第一和第二縱向端從而使得鏡子的凹面彼此相對的一對高反射性鏡子12a和12b(反射率：99.99％以上)；安置在主體的第二端處以調(diào)節(jié)鏡子12a和12b之間的距離的壓電元件13；和將用被分析物氣體填充的小室16。盡管未圖示，主體的側(cè)面優(yōu)選設(shè)置有通過其注入同位素碳的二氧化物的氣體入口和用于調(diào)節(jié)主體中的壓力的端口。

入射在光學(xué)共振器11上的激光束在鏡子之間反復(fù)反射數(shù)千次至數(shù)萬次，同時光學(xué)共振器11以對應(yīng)于鏡子的反射率的強度發(fā)射光。因此，激光束的有效光路長度達到數(shù)十千米，并且在光學(xué)共振器中所含的痕量的被分析物氣體吸收激光束的大部分。

圖2A和2B示出了基于激光的高速腔衰蕩光譜(在下文中可以稱為“CRDS”)的原理。

如在圖2A中所示，從在鏡子之間處于共振狀態(tài)的光學(xué)共振器中輸出高強度的信號。相反，歸因于由通過壓電元件13的操作使得在鏡子之間距離變化所造成的非共振狀態(tài)中的光學(xué)干涉，沒有探測到信號。因此，通過光學(xué)共振器的長度的快速改變(即從共振狀態(tài)到非共振狀態(tài)的快速改變)，觀察到如圖2A中所示的指數(shù)衰減信號(衰蕩信號)。通過用光學(xué)開關(guān)26快速遮擋入射激光束，可以觀察到這樣的衰蕩信號(見圖3)。

圖2B中的虛線對應(yīng)于在光學(xué)共振器中沒有光吸收物質(zhì)的情況下從光學(xué)共振器輸出的與時間相關(guān)的衰蕩信號。相反，圖2B中的實線對應(yīng)于光學(xué)共振器中存在光吸收物質(zhì)的情況。在這種情況下，光衰減時間縮短，因為在激光束在光學(xué)共振器中反復(fù)反射期間，激光束被光吸收物質(zhì)吸收。光衰減時間與光學(xué)共振器中光吸收物質(zhì)的濃度和入射激光束的波長相關(guān)。因此，可以基于比爾-朗伯定律ii計算光吸收物質(zhì)的絕對濃度。通過測量與光吸收物質(zhì)的濃度成比例的衰蕩率的變化，可以確定光學(xué)共振器中光吸收物質(zhì)的濃度。

由光探測器探測來自光學(xué)共振器的光，并且利用運算裝置計算¹⁴CO₂的濃度。隨后，從¹⁴CO₂的濃度計算¹⁴C的濃度。

可以將光探測器與衍射光柵14組合使用，以探測具有特定波長的光(見圖5)。細節(jié)將在下文與光生成器一起描述。

優(yōu)選取決于同位素碳的二氧化物(即，被分析物)的吸收波長，改變在光學(xué)共振器11中的鏡子12a和12b之間的距離、鏡子12a和12b的曲率半徑、和主體的縱向長度和寬度。例如，將光學(xué)共振器的長度調(diào)節(jié)到1mm至10m。

光學(xué)共振器的長度的增加有助于確保有效的光路長度，但是導(dǎo)致氣體小室的體積的增加，導(dǎo)致分析所需的樣品的量增加。因此，在同位素碳的二氧化物¹⁴CO₂的情況下，光學(xué)共振器的長度優(yōu)選為10cm至60cm。優(yōu)選地，鏡子12a和12b的曲率半徑等于或稍長于光學(xué)共振器的長度。

可以通過壓電元件13的驅(qū)動將鏡子之間的距離調(diào)節(jié)到例如數(shù)微米至數(shù)十微米。可以通過壓電元件13精細地調(diào)節(jié)鏡子之間的距離，以準備光學(xué)共振狀態(tài)?？梢杂冒济骁R與平面鏡的組合或兩塊平面鏡的組合代替前述鏡子12a和12b(即，一對凹面鏡)，只要可以提供充足的光路即可。

鏡子12a和12b可以由藍寶石玻璃構(gòu)成。

將用被分析物氣體填充的小室16優(yōu)選具有小體積，因為甚至小量的被分析物也有效地提供光學(xué)共振。小室16的體積可以為8mL至1,000mL?？梢匀Q于要分析的¹⁴C源的量，適當?shù)卮_定小室體積。例如，對于可大量獲得的¹⁴C源(例如，尿)，小室體積優(yōu)選為80mL至120mL，并且對于僅可少量獲得的¹⁴C源(例如，血液或乳頭流出物)，優(yōu)選為8mL至12mL。

光學(xué)共振器的穩(wěn)定性條件的評價

基于光譜數(shù)據(jù)，計算CRDS的¹⁴CO₂吸收和檢出限。由高分辨透射分子吸收數(shù)據(jù)庫(HITRAN)獲得¹²CO₂和¹³CO₂的光譜數(shù)據(jù)，并且由參考文獻“S.Dobos，等，Z.Naturforsch，44a，633-639(1989)”獲得¹⁴CO₂的光譜數(shù)據(jù)。

由以下表達式表示由¹⁴CO₂吸收造成的衰蕩率(指數(shù)衰減率)的變量(Δβ)(Δβ＝β-β₀，其中β是存在樣品時的衰減率，且β₀是不存在樣品時的衰減率)：

Δβ＝σ₁₄(λ，T，P)N(T，P，X₁₄)c

其中σ₁₄表示¹⁴CO₂的光吸收橫截面，N表示分子的數(shù)密度，c表示光速，且σ₁₄和N是λ(激光束的波長)、T(溫度)、P(壓力)，和X₁₄＝¹⁴C/^總C)的函數(shù)。

圖7示出了算得的在¹³CO₂吸收或¹⁴CO₂吸收時的Δβ的溫度相關(guān)性。如圖7中所示，在300K(室溫)，在¹⁴C/^總C為10^-10、10^-11或10^-12的情況下，¹³CO₂吸收等于或大于¹⁴CO₂吸收，并且在這種情況下所述分析需要冷卻。

如果可以將衰蕩率的變量(Δβ₀)(對應(yīng)于源自光學(xué)共振器的噪聲)減小到10¹s^-1量級的水平，則可以在10^-11量級的¹⁴C/^總C進行分析。因此，在分析期間，需要在約-40℃的冷卻。

在分析中使用的冷卻器和冷卻溫度將在下文的碳同位素分析裝置的變型1中詳述。

<光生成器>

光生成器20可以是能夠生成具有同位素碳的二氧化物的吸收波長的光的任何類型的光生成器?，F(xiàn)在，將描述可以容易地生成4.5μm的光的緊湊型光生成器，這是同位素碳的二氧化物¹⁴CO₂的吸收波長。光生成器20包括：光源23、用于從光源23生成具有不同頻率的光束的第一光纖21和第二光纖22、和非線性光學(xué)晶體25，所述非線性光學(xué)晶體25基于透過光學(xué)晶體的光束之間的頻率差而生成具有同位素碳的二氧化物的吸收波長的光。

考慮到生成具有規(guī)則波長間隔的光梳形光譜(在下文中可以稱為“光梳”)，光源23優(yōu)選為短波長脈沖生成器。如果光源是連續(xù)波生成器，波長間隔在所得的光學(xué)譜的中央增加；即，不能生成具有規(guī)則波長間隔的光梳形光譜。

光源23可以是，例如，固態(tài)激光器、半導(dǎo)體激光器、或通過鎖模生成短脈沖的光纖激光器。特別優(yōu)選的是光纖激光器，其是具有高環(huán)境穩(wěn)定性的緊湊且實用的光源。

光纖激光器可以是鉺(Er)光纖激光器(1.55μm束)或鐿(Yb)光纖激光器(1.04μm束)。從經(jīng)濟的觀點，Er光纖激光器是優(yōu)選的，而從增強光學(xué)吸收強度的觀點，Yb光纖激光器是優(yōu)選的。

第一光纖21傳導(dǎo)來自光源的光束。用于波長轉(zhuǎn)換的第二光纖22在某一點處從第一光纖21分支，并且在分支點的下游的某一點處與第一光纖21合并。第一光纖21可以從光源延伸至光學(xué)共振器。

第一光纖21的下游端優(yōu)選與鏡子12a接觸。在這樣的情況下，防止從光學(xué)共振器11透過的光與空氣接觸，導(dǎo)致透過的光的強度的測量的準確性增加。

第一光纖21優(yōu)選是能夠傳導(dǎo)高強度的超短脈沖光的同時保持脈沖的光學(xué)性質(zhì)的光纖。第一光纖21優(yōu)選由熔凝石英構(gòu)成。

第二光纖22優(yōu)選為具有反常色散并且能夠通過受激拉曼散射和孤波效應(yīng)高效生成長波長超短脈沖的光纖。第二光纖22可以是，例如，偏振保持(polarization-maintaining)纖維、單模(single-mode)纖維、光子晶體(photonic crystal)纖維、或光子帶隙(photonic bandgap)纖維。光纖優(yōu)選具有數(shù)米至數(shù)百米的長度，取決于波長偏移。第二光纖22優(yōu)選由熔凝石英構(gòu)成。

可以使用差頻產(chǎn)生(在下文中可以稱為“DFG”)生成差頻(difference-frequency)光。詳細地，來自第一和第二光纖21和22的不同頻率(波長)的光束傳導(dǎo)通過非線性光學(xué)晶體，以基于頻率差生成差頻光。因此，由光源23產(chǎn)生的具有波長λ₁和λ₂的兩個光束傳導(dǎo)通過非線性光學(xué)晶體，以基于頻率差生成4.5μm(即，同位素碳的二氧化物的吸收波長)的光。在使用非線性光學(xué)晶體的情況下，DFG轉(zhuǎn)化效率取決于具有不同波長(λ₁，λ₂，…λ_x)的光束的光子密度。因此，可以由單一的脈沖激光光源通過DFG生成差頻光。

所得的4.5μm帶區(qū)的光是由具有規(guī)則間隔的頻率(f_r)(模)的光譜構(gòu)成的光學(xué)梳，每個頻率對應(yīng)于一個脈沖(頻率f＝f_ceo+N·f_r，N：模數(shù))。使用光學(xué)梳的CRDS需要提取具有被分析物的吸收波長的光。

在由I.Galli等的非專利文獻1中公開的碳同位素分析裝置的情況下，從兩個激光裝置生成具有不同波長的激光束，并且基于這些激光束頻率差，生成具有同位素碳的二氧化物的吸收波長的光。因此，分析裝置具有大尺寸，并且需要復(fù)雜的操作。從兩個光源生成的兩個束展示不同的寬度和波動時機，并且難以減小由兩個束構(gòu)成的光的波動。因此，分析裝置需要用于控制光的波動的裝置。相反，根據(jù)本發(fā)明的實施方案的光生成器包括：一個光纖激光器光源、具有數(shù)米長度的光纖、和非線性光學(xué)晶體。因此，光生成器具有小尺寸，并且易于攜帶和操作。因為兩個光束由單一光源產(chǎn)生，這些束展示相同的寬度和波動時機，并且因此可以在不使用波動控制器的情況下，容易通過差頻產(chǎn)生來消除光學(xué)頻率的波動。

在一些實施方案中，可以將激光束通過光學(xué)共振器和第一光纖與第二光纖的接合點之間的空氣來傳導(dǎo)。備選地，光學(xué)共振器和合并點之間的光路可以任選地設(shè)置有光學(xué)傳導(dǎo)裝置，包括具有鏡頭的用于激光束的收斂和/或發(fā)散的光學(xué)系統(tǒng)。在一個更優(yōu)選的實施方案中，光源和光學(xué)共振器之間的光路具有更穩(wěn)定的構(gòu)造；即，該光路完全由光纖構(gòu)成，以防止激光束被空氣散射和吸收，并減小光軸的偏離。

在一些實施方案中，可以通過空間或光纖將光在光學(xué)共振器和探測器之間傳導(dǎo)。

<運算裝置>

運算裝置30可以是能夠基于前述的衰減時間和衰蕩率來確定光學(xué)共振器中光吸收物質(zhì)的濃度的任何類型的運算裝置，以從光吸收物質(zhì)的濃度計算碳同位素的濃度。

運算裝置30包括運算控制器31，如在一般計算機系統(tǒng)中使用的運算單元(例如，CPU)；輸入單元32，如鍵盤或指向裝置(例如，鼠標)；顯示單元33，如圖像顯示器(例如，液晶顯示器或監(jiān)視器)；輸出單元34，如打印機；和儲存器35，如ROM、RAM、或磁盤。

<同位素碳的二氧化物生成器>

同位素碳的二氧化物生成器40可以是能夠?qū)⑻纪凰剞D(zhuǎn)化成同位素碳的二氧化物的任何類型的生成器。同位素碳的二氧化物生成器40優(yōu)選具有將樣品氧化以將樣品中的碳轉(zhuǎn)化成二氧化碳的功能。同位素碳的二氧化物生成器40可以是，例如，二氧化碳生成器(G)41，如總有機碳(在下文中可以稱為“TOC”)生成器、用于氣相色譜法的樣品氣體生成器、或用于燃燒離子色譜法的樣品氣體生成器。特別優(yōu)選的是TOC生成器，其可以容易地從碳同位素制備同位素碳的二氧化物。

TOC生成器通過從在樣品中所含的總碳(在下文中可以稱為“TC”)中移除無機碳(在下文中可以稱為“IC”)來制備TOC。從TC水平減去IC水平延長了總測量時間。在一個優(yōu)選的實施方案中，為了生成TOC，將高純度空氣進料至樣品溶液，用于移除IC，隨后將鉑催化劑加入至樣品溶液，并且隨后將高純度空氣在加熱下進料至溶液，以將TC氧化成二氧化碳(CO₂)(此過程稱為“NPOC”過程)。盡管包括通過通氣移除IC的過程可能在通氣期間損失揮發(fā)性有機碳(purgeable organic carbon，POC)(例如，三鹵甲烷)，但該過程幾乎不影響TOC水平，因為揮發(fā)性有機碳與TOC的比率通常非常低。

如本文所使用的，術(shù)語“總有機碳”指的是與氫、氧和/或氮原子結(jié)合形成有機化合物的碳。如本文所使用的，術(shù)語“無機碳”指的是形成無機物質(zhì)如二氧化碳、碳酸鹽離子或碳酸氫鹽(hydrogen carbontate)離子的碳。

現(xiàn)在將描述LSC和AMS的預(yù)處理過程(它們是本發(fā)明之前的典型放射性碳同位素分析技術(shù))與本發(fā)明的涉及使用TOC的原理和二氧化碳生成器41的預(yù)處理過程的比較。

生物樣品的LSC分析的預(yù)處理過程需要數(shù)分鐘至約28小時，并且預(yù)處理時間隨著生物樣品的類型變化。現(xiàn)在將描述用于尿和血液的分析的預(yù)處理過程。

在尿樣品的LSC分析的情況下，樣品可以任選地用蒸餾水稀釋。用于該分析的預(yù)處理過程需要數(shù)分鐘。

在LSC分析中，輻射的強度是通過探測從樣品發(fā)射出的輻射和從閃爍器發(fā)射的熒光來確定的。在血液樣品的LSC分析的情況下，源自血液的顏料可能阻止熒光的探測，導(dǎo)致不能正確分析。在這樣的情況下，可能需要預(yù)處理，其包括例如向血液樣品加入組織穩(wěn)定劑Soluene-350(由PerkinElmer制造)，將混合物在40℃至60℃加熱數(shù)小時，并且向混合物加入30％過氧化氫，以使顏料褪色。此預(yù)處理需要約4至24小時。備選的預(yù)處理過程涉及例如血液樣品的干燥、通過燃燒將在樣品中所含的碳氧化成二氧化碳、以及用胺捕獲所得的二氧化碳。此預(yù)處理過程需要約4至24小時。

用于生物樣品的AMS分析的預(yù)處理過程包括如下文示意性描述的第一至第五步。生物樣品的實例包括血液、血漿、尿、糞便和膽汁。

第一步包括用稀釋劑對生物樣品的任選稀釋，以及對稀釋的樣品的分餾。稀釋劑優(yōu)選為例如超純水或空白樣。

第二步包括將分餾的樣品氧化，以將樣品中所含的碳轉(zhuǎn)化成二氧化碳。

第三步包括將二氧化碳從例如水或氮中分離和純化。確定純化的二氧化碳的碳含量。

第四步包括將純化的二氧化碳還原成石墨。例如，通過將二氧化碳與鐵粉和氫氣(即，還原劑)混合，并將混合物在電爐中加熱，來將二氧化碳還原成石墨。

第五步包括壓制所得的石墨。

以上預(yù)處理過程需要約六天。

用于LSC分析的預(yù)處理過程需要數(shù)分鐘至約28小時，并且用于AMS分析的預(yù)處理過程需要約六天。相反，根據(jù)本實施方案的預(yù)處理過程(即，用TOC生成器生成二氧化碳)需要約數(shù)分鐘至約28小時。預(yù)處理過程的實例包括稀釋、萃取和濃縮。原則上，進行預(yù)處理過程，直到在被分析物中所含的碳通過碳的完全燃燒轉(zhuǎn)化成二氧化碳。根據(jù)本實施方案，預(yù)處理時間與LSC分析的時間一樣短。

根據(jù)本實施方案的碳同位素分析裝置的性能和尺寸如下：

¹⁴C分析裝置對¹⁴C的探測靈敏度：0.1dpm/mL

分析能力：400份樣品/天

尺寸：2m×1m×1m以下

LSC分析裝置的性能和尺寸如下：

對¹⁴C的探測靈敏度：10dpm/mL

分析能力：400份樣品/天

尺寸：1m×1m×0.5m

AMS分析裝置的性能和尺寸如下：

對¹⁴C的探測靈敏度：0.001dpm/mL

分析能力：5份樣品/天

尺寸：約15m×10m×3m

盡管已經(jīng)參考實施方案描述了本發(fā)明的碳同位素分析裝置，但碳同位素分析裝置的構(gòu)造不應(yīng)當限于上述的構(gòu)造，并且可以進行許多變型。現(xiàn)在將通過聚焦于變型的要點來描述碳同位素分析裝置的若干變型。

(碳同位素分析裝置的變型1)

圖3是碳同位素分析裝置的變型1的示意性圖示。如圖3中圖示的，分光計10還可以包含用于將光學(xué)共振器11冷卻的珀耳帖元件19和用于容納光學(xué)共振器11的真空單元18。¹⁴CO₂的光吸收具有溫度相關(guān)性。因此，用珀耳帖元件19將光學(xué)共振器11中的溫度降低促進了¹⁴CO₂吸收線與¹³CO₂及¹²CO₂吸收線之間的區(qū)別，并且增強了¹⁴CO₂吸收強度。將光學(xué)共振器11安置在真空單元18中阻止了共振器11暴露到外部空氣，導(dǎo)致外部溫度對共振器11的影響減少，以及分析準確性提高。用于冷卻光學(xué)共振器11的冷卻器可以是，例如，除了珀耳帖元件19之外的液氮浴或干冰浴?？紤]到減小分光計10的尺寸，珀耳貼元件19是優(yōu)選的，而考慮到降低分析裝置的制備成本，液氮浴或干冰浴是優(yōu)選的。

真空單元18可以是任何類型的，只要能夠容納光學(xué)共振器11、將來自光生成器20的光施加至光學(xué)共振器11并將光傳導(dǎo)至光探測器即可。

圖4(引自Applied Physics第24卷，第381-386頁，1981)圖示了被分析物¹²C¹⁶O₂、¹³C¹⁸O₂、¹³C¹⁶O₂和¹⁴C¹⁶O₂的吸收波長和吸收強度之間的關(guān)系。如圖4中所示的，每個同位素碳的二氧化物具有獨特的吸收線。實際的吸收線具有由樣品的壓力和溫度造成的有限的寬度。因此，優(yōu)選將樣品的壓力和溫度分別調(diào)節(jié)到大氣壓以下和273K(0℃)以下。

因為¹⁴CO₂的吸收強度具有如上所述的溫度相關(guān)性，所以優(yōu)選將光學(xué)共振器11中的溫度調(diào)節(jié)至最小可能水平。具體地，優(yōu)選將光學(xué)共振器11中的溫度調(diào)節(jié)至273K(0℃)以下。溫度的下限可以是任何水平。考慮到冷卻效果和成本，優(yōu)選將光學(xué)共振器11中的溫度調(diào)節(jié)到173K至253K(-100℃至-20℃)，特別優(yōu)選約233K(-40℃)。

分光計可以進一步設(shè)置有振動吸收器。振動吸收器可以防止由于外部振動導(dǎo)致的鏡子之間的距離的變化，從而導(dǎo)致分析準確性的提高。振動吸收器可以是抗沖吸收劑(聚合物凝膠)或免震裝置(seismic isolator)。免震裝置可以是任何類型的，只要能夠向分光計提供具有與外部振動的相相反的相的振動即可。

圖6是變型的光學(xué)共振器11的示意性圖示(部分截面圖)。如圖6中所示，光學(xué)共振器51包含：圓柱形絕熱室(真空單元)58；安置在絕熱室58中的用于分析的氣體小室56；安置在氣體小室56的兩端處的一對高反射性鏡子52；安置在氣體小室56的一端處的鏡子驅(qū)動機構(gòu)55；安置在氣體小室56的另一端處的環(huán)狀壓電致動器53；用于冷卻氣體小室56的珀耳帖元件59；和水冷的冷源54，其設(shè)置有連接至循環(huán)盤管(未示出)的冷卻管54a。

<光遮擋裝置(light shield)>

在前述實施方案中，用壓電元件13調(diào)節(jié)鏡子之間的距離，用于在分光計10中生成衰蕩信號。為了生成衰蕩信號，可以在光生成器20中設(shè)置光遮擋裝置，用于入射到光學(xué)共振器11的光的開/關(guān)控制。光遮擋裝置可以是任何類型的，只要能夠快速阻擋具有同位素碳的二氧化物的吸收波長的光即可。光遮擋裝置是，例如，在圖3中所示的光學(xué)開關(guān)26。應(yīng)當在比光學(xué)共振器中的光的衰減時間短的多的時間內(nèi)，阻擋入射光。

在前述實施方案中，第一光纖21從光源23延伸到光學(xué)共振器11。第一光纖21可以由在光源23和非線性光學(xué)晶體25之間延伸的第一光纖段21a以及在非線性光學(xué)晶體25和光學(xué)共振器11之間延伸的用于中紅外光的第一光纖段21b構(gòu)成。第一光纖段21b可以有效地將4.5μm的光從非線性光學(xué)晶體傳導(dǎo)到光學(xué)共振器11。第一光纖段21a可以與第一光纖21是相同類型的。第一光纖段21b可以是任何幾乎不吸收4.5μm帶區(qū)的光的任何中紅外光纖。第一光纖段21b優(yōu)選是氟化物纖維或空心纖維。

光生成器20可以設(shè)置有用于將光從非線性光學(xué)晶體25傳導(dǎo)至光學(xué)共振器11的光傳導(dǎo)器，代替圖3中所示的第一光纖段21b。光傳導(dǎo)器可以例如由一個以上光學(xué)透鏡構(gòu)成。光傳導(dǎo)器可以是由安置在非線性光學(xué)晶體的上游和/或下游的光學(xué)透鏡構(gòu)成的光路，或者包括該光路的光學(xué)模塊。

(碳同位素分析裝置的變型2)

圖5是碳同位素分析裝置的變型2的示意性圖示。如圖5所示，分光計10可以還包含用于將透過的光分散成不同波長的光譜分量的衍射光柵14。在這種情況下，考慮到提高在透過的光的這些光譜分量的分析過程中的分析準確性，光探測器優(yōu)選由子-光探測器15a和子-光探測器15b構(gòu)成，它們探測不同波長的光譜分量。

可以基于僅必要的吸收線的強度確定樣品氣體的¹⁴C濃度，所述吸收線是通過用光學(xué)共振器選擇預(yù)定的光和用衍射光柵選擇通過后的光的波長而獲得的。安置在分光計中的衍射光柵有助于分析性能的進一步提高。

(分析碳同位素的方法)

現(xiàn)在將描述分析放射性同位素¹⁴C的方法。

(A)提供圖1中圖示的碳同位素分析裝置1。提供含有¹⁴C的生物樣品(例如，血液、血漿、尿、糞便、或膽汁)作為放射性同位素¹⁴C源。

(B)從放射性同位素¹⁴C源生成含有同位素碳的二氧化物¹⁴CO₂的氣體(在下文中稱為“¹⁴CO₂氣體”)。優(yōu)選地，從所得的¹⁴CO₂氣體中除去水分。例如，通過使¹⁴CO₂氣體經(jīng)過干燥劑(例如，碳酸鈣)或通過冷卻¹⁴CO₂氣體以進行水分冷凝，使得水分優(yōu)選從在同位素碳的二氧化物生成器40中的¹⁴CO₂氣體中除去。由于在¹⁴CO₂氣體中所含的水分導(dǎo)致的在光學(xué)共振器11上冰或霜的形成可以導(dǎo)致鏡子的反射率的降低，從而導(dǎo)致低的探測靈敏度。因此，除去水分提高了分析準確性。優(yōu)選將¹⁴CO₂氣體冷卻，并隨后引入分光計10中，用于后續(xù)的分光過程。¹⁴CO₂氣體在室溫的引入明顯改變光學(xué)共振器的溫度，從而導(dǎo)致分析準確性的下降。

(C)將¹⁴CO₂氣體進料至具有成對鏡子12a和12b的光學(xué)共振器11。考慮到入射光的吸收強度的增加，優(yōu)選將¹⁴CO₂氣體冷卻至273K(0℃)以下。優(yōu)選將光學(xué)共振器11保持在真空下，因為外部溫度對光學(xué)共振器的影響的減小提高了分析準確性。

(D)從光源23生成第一光(光頻梳)。將第一光傳導(dǎo)通過第一光纖21。還將第一光傳導(dǎo)通過用于波長轉(zhuǎn)換的從第一光纖21分支的第二光纖22，以生成波長與第一光的波長不同的第二光。在第一光纖21的下游，將第二光與第一光合并，并且將第一光和第二光傳導(dǎo)通過非線性光學(xué)晶體25，以生成4.5μm的入射光，這是同位素碳的二氧化物¹⁴CO₂的吸收波長。

(E)將入射光施加至同位素碳的二氧化物¹⁴CO₂，并且允許其共振。為了提高分析準確性，優(yōu)選通過振動吸收器吸收對光學(xué)共振器11的外部振動，以防止鏡子12a和12b之間的距離的變化。在施加入射光期間，優(yōu)選使第一光纖21的下游端與鏡子12a接觸，以防止入射光與空氣接觸。隨后確定從光學(xué)共振器11透過的光的強度。如圖5中所示，可以將透過的光分散成光譜分量，并且可以確定光譜分量的強度。

(F)基于透過的光的強度，計算碳同位素¹⁴C的濃度。

(其他實施方案)

盡管以上已經(jīng)描述了本發(fā)明的實施方案，但作為本公開的一部分的說明書和附圖不應(yīng)當解釋為限制本發(fā)明。此公開將能夠使得本領(lǐng)域技術(shù)人員找到各種替代實施方案、實例、和操作技術(shù)。

根據(jù)實施方案的碳同位素分析裝置已經(jīng)通過對被分析物是放射性同位素¹⁴C的情況進行了描述。碳同位素分析裝置可以分析除放射性同位素¹⁴C之外的穩(wěn)定同位素¹²C和¹³C。在這樣的情況下，優(yōu)選將2μm或1.6μm的入射光用于，例如，基于¹²C或¹³C的分析的¹²CO₂或¹³CO₂的吸收線分析。

在¹²CO₂或¹³CO₂的吸收線分析的情況下，鏡子之間的距離優(yōu)選為10至60cm，且鏡子的曲率半徑優(yōu)選等于或長于它們之間的距離。

盡管碳同位素¹²C、¹³C和¹⁴C展示相同的化學(xué)行為，但是¹⁴C(放射性同位素)的天然豐度低于¹²C或¹³C(穩(wěn)定同位素)的天然豐度?？梢允褂梅派湫酝凰?sup>14C的人工富化和同位素的準確分析來觀察多種反應(yīng)。

根據(jù)實施方案的碳同位素分析裝置還可以設(shè)置有由從第一光纖分支并且在分支點的下游與第一光纖合并的非線性纖維構(gòu)成的第三光纖。第一至第三光纖的合并可以生產(chǎn)兩個以上差頻的光。

可以如在碳同位素分析裝置中一樣，制備包括在以上實施方案中所述的構(gòu)造的醫(yī)療診斷裝置或環(huán)境測量裝置。

如上所述，本發(fā)明當然包括，例如，各種未在本文描述的實施方案。因此，本發(fā)明的技術(shù)范圍僅由按照通過上述說明的合適的權(quán)利要求的本發(fā)明所要求的要素所限定。

附圖標記清單

1：碳同位素分析裝置

10：分光計

11：光學(xué)共振器

12：鏡子

13：壓電元件

14：衍射光柵

15：光探測器

16：小室

18：真空單元

19：珀耳帖元件

20：光生成器

21：第一光纖

22：第二光纖

23：光源

25：非線性光學(xué)晶體

26：光學(xué)開關(guān)

30：運算裝置

40：同位素碳的二氧化物生成器