測定同位素氣體的光譜學方法及其儀器的製作方法
2023-05-22 07:47:01
專利名稱：測定同位素氣體的光譜學方法及其儀器的製作方法
技術領域：
本發明涉及根據同位素光吸收特徵的不同，測定同位素氣體濃度的光譜學方法及其儀器。
背景技術：
同位素分析可在醫學上用於診斷疾病，當用含同位素的藥物給藥後，通過測定同位素濃度或濃度比的變化可以確定活體的代謝功能。另一方面，同位素分析還用於研究植物的光合作用和代謝以及在地球化學方面用於生態學追蹤。
眾所周知胃潰瘍和胃炎是由稱為幽門螺旋菌(HP)的細菌及緊張引起的。假如患者胃裡有HP，則用抗菌素或類似物對病人給藥以殺滅細菌進行治療。因此必須檢查患者是否帶有HP。HP具有很強的脲素酶活性，它能將脲素分解成二氧化碳和氮。
碳有質量數為12，13，和14的同位素，其中，質量數為13的13C因為其是非放射性的並且穩定很容易操作。
假如用同位素13C標記的脲素對患者給藥後在患者呼出的氣體中13CO2(最終代謝產物)的濃度或13CO2/12CO2的濃度比能夠成功地被測定，則能確定HP的存在。
但是天然存在的CO2中13CO2/12CO2的濃度比是1∶100，因此很難高精確度地測定患者呼氣中的濃度比。
通過紅外光譜測定13CO2/12CO2濃度比的方法是公知方法(見JPB61(1986)-42219和JPB61(1986)42220)。
在JPB(1986)-42220所公開的方法中，分別裝備長程和短程的兩個樣品池，每個樣品池的程長可以調節，以便使一個樣品池中13CO2的光吸收等於另一池中12CO2的光吸收。將透過兩個樣品池的光束導入分光裝置，於每種氣體的最高敏感度的波長下測定光強度。按照這種方法，對於天然存在的二氧化碳中的13CO2/12CO2的濃度比，光吸收比可以調節到「1」。假如濃度比改變了，光吸收比也隨著濃度比變化的數量變化。因此能通過測定光吸收比的變化測定濃度比的變化。
(A)但是按照上述文獻的測定濃度比的方法有以下缺點。
應該用每一有已知12CO2濃度的氣體試樣製備測定12CO2濃度的矯正曲線。
為製備12CO2濃度的矯正曲線，應測定不同12CO2濃度的12CO2吸收，分別用12CO2濃度和12CO2吸收為橫座標和縱座標劃圖，用最小二乘法確定矯正曲線。
以和上述相同的方法製備13CO2濃度的矯正曲線。
對於用紅外光譜法測定濃度，矯正曲線的製備是依據濃度和吸收之間的關係符合朗伯—比爾定律這樣的假定。但是朗伯—比爾定律是一個近似的規律，濃度和吸收之間的關係不總是符合該定律，因此所標出的數據並不能完全適合矯正曲線。
圖1是13CO2/12CO2濃度比對12CO2濃度作圖，12CO2濃度和13CO2濃度用矯正曲線確定，矯正曲線是根據測定有相同濃度比(13CO2濃度/12CO2濃度＝1.077％)的不同12CO2濃度的氣體試樣的吸收製備的。
如圖1所示，對不同12CO2濃度測出的濃度比偏離實際的濃度比(1.077％)，當畫圖時形成一波浪形的曲線。
雖然還不能清楚地說明偏離的原因，但假設偏差是由於光譜學特徵的變化如反射，折射指數，依賴於12CO2濃度的散光，以及在製備矯正曲線時使用最小二乘法中數據的誤差。
假如不對與偏差有關的數據進行矯正，測定氣體成分的濃度，則會出現嚴重的誤差。
(B)許多試驗證明，當用紅外光譜法測定13CO2濃度或13CO2/12CO2濃度比時，(下文稱作「13CO2濃度比」)，依賴於氣體試樣中所含的氧氣的濃度，測量結果不同於實際的13CO2濃度或13CO2濃度比。
圖2是13CO2濃度比對氧含量劃圖，通過測定含用氧氣和氮氣稀釋的，並且有相同13CO2濃度但不同氧氣濃度的氣體試樣確定13CO2的濃度比，以對氧含量0％的13CO2濃度比為基礎將所測定的13CO2濃度比歸一化。
如圖2所示，13CO2濃度比不是常數，隨著氧的濃度改變。
如果不考虛上述事實測定含氧的氣體試樣的13CO2濃度或13CO2濃度比，很明顯測量值和實際值將不一樣。
圖3表明測量有不同13CO2濃度比並且不含氧的氣體試樣時的測定結果。在圖3中，將實際的13CO2濃度比和測定的13CO2濃度比分別作為橫座標和縱座標劃圖，以最小的13CO2濃度比為基礎將13CO2濃度比歸一化。
圖4說明測量有不同13CO2濃度比並且含不同濃度氧氣(直到90％)的氣體試樣的測定結果。在圖4中，實際的13CO2濃度比和測定的13CO2濃度比分別作橫座標和縱座標劃圖，以最小的13CO2濃度比為基礎將13CO2濃度比歸一化。
比較圖3和圖4顯示的結果指出，圖3中實際13CO2濃度比和測定的13CO2濃度比之間的關係約為1∶1(或圖3中擬合曲線的範圍約為1)，圖4中實際13CO2濃度比和測定的13CO2濃度比之間的關係約為1∶0.3(或圖4中直線似合曲線的範圍約是0.3)因此，13CO2濃度或13CO2濃度比的測定受含於氣體試樣中氧的影響，原因還不清楚。
假如測定氣體成分的濃度和濃度比時不對氧的濃度進行矯正，可以預言將會產生嚴重誤差。
(C)因為CO2濃度，特別是13CO2濃度極低，需要極高敏感度的測量。當測量的敏感度增加時，所測定的光強度對測量系統參數的變化很敏感，例如光源的光強度，氣體試樣的溫度，導入氣體的樣品池的溫度，光鑑定器的敏感度等。因此所測值的誤差還可能由與氣體試樣無關的許多因素引起。
為了解決這些問題，測量應在測量系統長時間穩定以後再開始。這將減少操作的有效性，使滿足使用者在短時間內測量大量樣品的要求成為不可能的。
為了測定一個呼出的試樣，測定12CO2的吸收，根據12CO2的矯正曲線確定12CO2的濃度。測定13CO2的吸收並根據13CO2矯正曲線計算13CO2的濃度。以同樣的方式對另一呼出的試樣進行測定。
假如上述兩個呼出樣品中的CO2濃度基本上處於同一水平，用於濃度測定的12CO2和13CO2的矯正曲線的範圍可能受到限制。因此，由於使用有限範圍的矯正曲線，測量精度可能增加。
(D)在上述通常的紅外光譜方法中，盛氣體試樣的袋子連接到光譜儀的一預定的導管上，氣樣用手工擠壓袋子的方法通過上述導管被導入樣品池。
但是因為同位素氣體分析是對微量存在的13CO2吸收進行測定，即使是極小的擾動也會嚴重降低測定的精確性。手動擠壓袋子不能使氣樣以恆定的流速通過樣品池。這將使試樣在樣品池中不能均勻的流動，引起氣體樣品局部的溫度變化及偶然的濃度改變，因之使光檢測信號起伏。
氣樣的流動速度可以通過使用泵並結合流速計控制達到恆定，但不能保證精確地控制流速，這是因為含氣樣的袋子的容量很小，流速也很慢。另外，雖然可以採用被稱為質量流速計的電子流速控制的儀器，可以改進流速的控制，但結果使儀器複雜化，增加了成本。
(E)在JPB61(1986)-42220所述方法中，樣品池長度被減少了，因此無池空間用空氣真充，空氣的空間防礙高精確度的測定，假如光源和樣品池之間以及樣品池和光接受器之間的長度增加，就不能進行高精確度的測定。
更具體地說，因為在同位素氣體測定中對於微量13CO2的吸收進行測定，極小的外界幹撓都會減低測定的準確性。只有百分之幾的12CO2和痕量的13CO2存在於上述空氣的空間及光源和樣品池以及樣品池和光接受器之間的空間，13CO2的光譜部分地疊加在12CO2光譜上，假如使用濾光片，其帶通寬度會影響測定。因此12CO2的存在間接地影響13CO2吸收的測定；痕量的13CO2直接影響13CO2吸收的測定。
為了消除存在於光路中的CO2的影響，建議了下述的儀器(見JPB/3(1991)-31218)，該儀器是將光源，樣品池，參比池，幹涉濾光片，檢測器等器件放在一密封箱中，密封箱通過導管和循環泵連接一裝有CO2吸收劑的柱子，循環泵用以循環密封箱中的空氣，填CO2吸收劑的柱子用以從密封箱中的空氣中除去CO2。
上述文獻公開的儀器可以除掉對測定有不利影響的CO2，但是需要有填充了CO2吸收劑的柱子，導管以及容納每個器件的大的密封箱，造成設備龐大。另外組裝儀器需要費力的勞動，例如密封大的箱體。
而且，空氣在密封箱內不均勻的流動能引起局部溫度變化及偶然的濃度變化，因之使光檢測信號波動。
(F)在紅外光譜測定法中，是在對活體給出診斷藥物之前及之後將呼出的氣體採集到樣品袋中，再將樣品袋中的氣樣分別進行13CO2濃度或13CO2濃度比的測定。
在檢測部門中通常這些氣樣的測定是以職業化的方式進行的。在短時間內要測定大量的試樣，因此給藥之前和給藥之後採集的氣樣經常會被弄錯。
更具體地說，從一個患者給藥前和給藥後採集的試樣可能會和從另一患者採集的試樣弄混，或者將給藥前採集的氣樣和給藥後採集的氣樣弄混。
這種錯誤導致錯誤的測定結果，因此應保證避免。
而且，如果呼出的氣樣含有殘留在口腔中的氣體，測定準確度會降低。為了減少測量誤差，應該從患者的肺部採樣。
還有，呼出氣樣中的水份會影響光學測量，應從氣樣中除去水份。另外，還應考慮防止氣樣從氣樣袋中漏掉。發明的公開本發明的目的是提供一種光譜學測定同位素氣體的方法，當將氣體試樣導入樣品池時，通過光譜學方法，它能夠準確地測定含有許多氣體成分的氣體試樣中的氣體成分的濃度或濃度比。
本發明的另一目的是提供一種光譜學測定同位素氣體的方法，當將氣體試樣導入樣品池時，通過光譜學方法，使用有限範圍的矯正曲線，它能夠準確地測定含有許多氣體成分的氣體試樣中的氣體成分的濃度。
本發明的另一目的是提供一種光譜學測定同位素氣體的方法，當將氣體試樣導入樣品池時，考慮到氧氣的濃度，通過光譜學方法，它能夠準確地測定含於氣體試樣中的13CO2的濃度或濃度比。
本發明的另一目的是提供一種光譜學測定同位素氣體的方法，當將氣體式樣導入樣品池時，通過光譜學方法，它能夠準確地測定含有許多氣體成分的氣體試樣中的氣體成分的濃度或濃度比。在上述方法中，當將氣體試樣導入樣品池時，能夠減少測定系統中與時間有關的影響。
本發明的另一目的是提供一種光譜學測定同位素氣體的裝置，其結構簡單，能夠以恆定的流速導入含有許多氣體成分的氣體試樣，以便進行光譜學測定。
本發明的另一目的是提供一種呼吸氣樣品袋，它考慮到操作時保證防止呼吸氣樣品被搞錯。
本發明的另一目的是提供一種呼吸氣樣品袋，它能夠防止從患者口腔中的空氣採樣，而是從患者肺中的呼吸氣採樣。
本發明的另一目的是提供一種呼吸氣樣品袋，它能夠從吹入的呼吸氣中除去溼氣。
本發明的另一目的是提供一種呼吸氣樣品袋，它有能夠防止呼吸氣從其中漏出的結構。
為了達到上述目的，本發明提供了光譜學測定同位素氣體的方法，如權利要求1所述。
和現有技術的方法比，上述方法包括一個附加的步驟(第三步)，即通過使用矯正曲線，根據氣體成分的濃度矯正氣體試樣中氣體成分的濃度比，矯正曲線是通過分別測定含已知濃度或已知濃度比的氣體試樣製備的。矯正濃度比消除了通常經驗性的缺點，即所測定的氣體成分的濃度比隨著氣體成分濃度比的變化基本上是相同的這一缺點，因此改進了測定氣體成分濃度比的準確性。
本發明光譜學測定同位素濃度的另一方法如權利要求4所述。
在上述方法中，氣體成分的濃度臨時性地用矯正曲線測定，矯正曲線根據在預定範圍內測定含已知濃度的氣體成分的氣體試樣製備(第二步)，但是所有數據不完全適合於臨時性地測定的氣體成分的濃度所依據的矯正曲線，如「背景技術」部分所述。
因此，使用有限範圍內的某些數據製備另一矯正曲線，上述有限範圍是在第二步測定的氣體成分的濃度周圍。可以相信，根據在較窄範圍內的數據製備的矯正曲線的一部分能嚴格地符合朗伯-比爾定律。因此，使用如此製備的矯正曲線並根據氣體的吸收，能夠確定氣體成分的濃度(第三步)。
因為和現有技術相比改進了矯正曲線的準確性，所得到的氣體成分的濃度更準確，因此增加了測定氣體成分濃度的準確性。
本發明光譜學測定同位素濃度的另一方法如權利要求6或7所述。
和現有技術的方法比較，上述方法包括一附加的步驟(第三步)，即通過使用矯正曲線測定的氣體試樣中的氧氣的濃度，矯正氣體試樣中氣體成分的濃度或濃度比，矯正曲線是分別通過測定含已知濃度氧氣的氣體試樣製備的。
矯正消除了新遇到的缺點，即所測定的基本上相同的氣體試樣的濃度依賴於氧的濃度而變化，因此改進了氣體成分濃度或濃度比測定的準確性。
氧氣濃度可以通過任何一種氧氣傳感器或者通過光譜學方法測定氧氣分子光譜的吸收來測定。
本發明光譜學測定同位素濃度的另一方法如權利要求8所述。
通常的實踐是參比氣體的測定和樣品的測定對於測定每一個吸收是操作一次，在參比氣測定中，用樣品池中的參比氣測定光強度，在樣品的測定中，用樣品池中的氣體試樣測定光強度。但是在上述方法中，是根據在試樣測定中測定的光強度以及在試樣測定前後進行的參比氣測定中測定的光強度的平均值確定吸收。
因此，通過使用在參比氣測定中得到的光強度平均值，可以矯正在試樣測定前後測定的吸收依賴於時間的變化，這樣就消除了測定系統依賴時間的變化。
在試樣測定後進行的參比氣測定結果能作為下一個試樣測定前進行的參比氣測定的結果，因此一個參比氣的測定結果能夠使用兩次。
本發明光譜學測定同位素濃度的另一方法如權利要求10所述。
在此方法中，吸收是根據在參比氣測定中測定的光強度以及在參比氣測定前後進行的試樣測定中測定的光強度的平均值確定的。
因為同一個氣體試樣要進行兩次測定，降低了操作效率，但是在試樣測定前後得到的吸收依賴於時間的變化能夠通過使用在試樣測定中得到的光強度平均值矯正，這樣就消除了測定系統依賴時間變化的影響。
本發明光譜學測定同位素濃度的另一方法如權利要求12所述。
在此方法中，兩個呼吸氣試樣能夠在其CO2的濃度處於同樣水平的條件下測定，因此能限制所用的矯正曲線的範圍，因為所用的矯正曲線的範圍較窄，能改進測定的準確性，因此可以通過使用有限範圍的矯正曲線改進測量的準確性。
本發明光譜學測定同位素濃度的另一方法如權利要求13或14所述。此方法根據的前提是，將第一個氣體試樣導入樣品池測定光強度，再將第一個氣體試樣排出，然後將第二個氣體試樣導入樣品池測定光強度。
為達到上述目的，本發明提供了光譜學測定同位素氣體的儀器，它包括吸入氣體試樣，然後通過以恆定的流速機械地推出氣體試樣，將氣體試樣導入樣品池的氣體注入裝置(權利要求15)。
在此儀器中，氣體試樣以恆定的流速注入到樣品池中，因此，氣體試樣在樣品池內均勻地流動，就能更準確地測定濃度，能得到不受幹擾的準確的光檢測信號。
作為機械地以恆定流速將氣體試樣推出的氣體注入裝置，合適的裝置包括活塞和機簡，以及能以恆定的速度移動機筒。
本發明的另一方面是光譜學測定同位素氣體的儀器，還包括維持溫度的裝置，維持接收導入氣體試樣的樣品池於恆定的溫度(權利要求16)。
由於樣品池中的溫度維持恆定，氣體試樣的溫度能夠保持均勻，因此能得到不受幹擾的準確的光檢測信號。
為達到上述目的，本發明提供了光譜學測定同位素氣體的另一儀器，它包括接收導入的氣體樣品的樣品池，它位於光源和光接受器之間光路的中部，參比池位於沒有樣品池的光路部分，並且用對測定波長無吸收的參比氣填充(權利要求17)。
當測量容器不使用參比池，並且填充含與氣體試樣同樣的氣體成分的空氣時，由於測量容器中含有氣體成分，會產生不利的測定結果。但是使用上述裝置，參比池用在測定波長下無吸收的參比氣填充，並且位於光路中，困此消除了光學上的不利影響，能夠更準確地進行濃度測定。
本發明光譜學測定同位素氣體的另一儀器包括兩個接收導入氣體試樣的長度不同的樣品池，每個平行排布在光源和光接受器之間的光路上，參比池位於較短的樣品池和光接受器之間，或者位於較短的樣品池和光源之間，並且用在測定波長下無吸收的參比氣填充。(權利要求20)。
由於樣品池長度不同，在較短的樣品池和光接受器之間，或者在較短的樣品池和光源之間有大量的空間，以及含於氣體樣品中相同類型的氣體成分存在於該空間，對光學測定有不利的影響。通過在該空間設置用在測定波長下無吸收的參比氣填充的參比池，可以保證更準確地進行濃度測定。
本發明的另一方面，上述光譜學測定同位素氣體的儀器還包括使氣體流動的裝置，它使參比氣以恆定的流速恆定地通過參比池(權利要求18和21)。
使參比氣通過參比池是基於以下的考慮，假如參比池用填充於其中的參比氣封閉，參比氣會從參比池的連接處漏掉，並被外面的空氣代替，進入參比池的空氣含有和氣體試樣相同氣體成分，對光學測定會產生不利的影響。而且以恆定流速流動的參比氣在參比池中並不產生非均勻性的氣流，因而光檢測信號不波動。
使氣體流動的裝置可以包括例如從氣體容器中導入參比氣的閥門，導管和流量計。
本發明的另一方面，上述光譜學測定同位素氣體的儀器還包括維持溫度的裝置，維持接收導入氣體試樣的樣品池和參比池於恆定的溫度(權利要求19和22)。
由於樣品池和參比池的溫度保持了恆定，消除了氣體試樣和參比氣之間的溫度差，氣體試樣和參比氣之間的熱條件是平衡的，所以能準確地測定吸收。
為了達到上述目的，本發明提供了呼吸氣樣口袋，它包括連接在一起的分別儲存許多呼吸氣試樣的許多呼吸氣儲存室，分別將呼吸氣試樣從許多呼吸氣儲存室導入測定呼吸氣試樣的氣體測定儀入口的許多呼吸氣導管，每個呼吸氣導管的設計應闢免以錯誤的方式連接到氣體測定儀的入口(權利要求23)。
本發明的氣體測定儀適於測定含於呼吸氣樣品袋中的呼吸氣試樣，呼吸氣樣品袋包括連接在一起的許多呼吸氣儲存室，分別將許多呼吸氣試樣從活體導入呼吸氣儲存室的許多呼吸氣導管，並且包括將呼吸氣試樣分別從呼吸氣儲存室通入呼吸導管的許多呼吸氣入口，每個呼吸氣入口的設計應避免以錯誤的方式連接到呼吸氣導管(權利要求24)。
這種呼吸氣樣品袋和上述構造的氣體測定儀能夠避免如下述的通常發生的偶然事件將呼吸氣樣品袋中呼吸氣儲存室中的一個呼吸氣試樣被錯誤地導入氣體測定儀代替測定另一個呼吸氣儲存室中的呼吸氣試樣。
當將診斷藥物對活體給藥前後從活體採樣並測定13CO2或13CO2濃度比時，可以避免例如將給診斷藥前和給診斷藥後得到的呼吸氣試樣弄錯。而且當進行大量樣品的測定時，以及在給診斷藥後於預定時間間隔採樣時，可以避免將要測定的呼吸氣試樣的次序弄錯。
呼吸氣導管和呼吸氣入口是不對稱地設計的，以避免呼吸氣樣品袋連接錯誤。為了作到不對稱設計，每個呼吸氣導管可以有不同的直徑、長度和不同的截面，每個呼吸氣入口也有相應於呼吸氣導管的不同的直徑、長度和不同的截面。
本發明的另一呼吸氣樣品袋包括儲存呼吸氣的呼吸氣儲存室，將呼吸氣從活體導入呼吸氣儲存室的呼吸氣導管，呼吸氣導管有產生阻力的裝置，在呼吸氣採樣期間產生對呼吸氣吹入的阻力(權利要求25)。
由於這種結構，產生阻力的裝置防止了從活體口腔採樣，能夠從其肺部採樣，因此減少了測量誤差。
產生阻力的裝置位於有某些變化的呼吸氣導管內部，能對吹入的呼吸氣產生阻力。例如可以將呼吸氣導管的內徑減小或者在呼吸氣內徑設置一個阻力元件。
本發明的另一呼吸氣樣品袋包括儲存呼吸氣的呼吸氣儲存室，將呼吸氣從活體導入呼吸氣儲存室的呼吸氣導管，呼吸氣導管有一可拆卸的過濾器，以便在呼吸氣採樣期間從呼吸氣中除去溼氣(權利要求26)。
由於有這種結構，呼吸氣中的溼氣能用過濾器除掉，能避免減少光學測定的準確性。除掉溼氣在紅外光譜測定中是特別有利的。
本發明的另一呼吸氣樣品袋包括儲存呼吸氣的呼吸氣儲存室，將呼吸氣從活體導入呼吸氣儲存室的呼吸氣導管，呼吸氣導管有一防止採樣期間呼吸氣倒流的閥門(權利要求27)。
由於有這種結構，呼吸氣導管中的止回閥能夠防止呼吸氣從呼吸氣樣品袋中漏出。
在本發明的另一適於測定含於呼吸氣樣品袋中的呼吸氣試樣的儀器中，呼吸氣樣品袋包括儲存呼吸氣的儲存室和帶有止回閥的呼吸氣導管，以便將呼吸氣試樣從活體導入呼吸氣儲存室，它包括使呼吸氣試樣從呼吸氣樣品袋通過呼吸氣導管的呼吸氣入口，上述呼吸氣入口有一裝置，它能使連接於呼吸氣入口的呼吸氣導管的閥門失效(權利要求28)。
由於這種裝置，當呼吸氣試樣通過呼吸氣導管被導入氣體測量儀時，連接於呼吸氣入口的呼吸氣導管的閥門不起作用，因此，呼吸氣試樣可以平穩地被導入氣體測量儀。
使閥門功能失效的裝置是通過下述方法實現的，例如從呼吸氣入口裝一長的注射針，當呼吸氣導管連接到呼吸氣入口時，它能夠迫使閥門打開。
本發明的上述和其它目的及特徵從以下說明並參考附圖能被更清楚地說明。附圖的簡要說明下文中12CO2的濃度稱為「12Conc」，13CO2的濃度稱為「13Conc」，12CO2的吸收稱為「12Abs」，13CO2的吸收稱為13Abs」。
圖1是將濃度12Conc2和濃度比13Conc/12Conc分別作橫座標和縱座標繪圖。使用矯正曲線確定濃度12Conc和濃度比13Conc/12Conc，矯正曲線是根據測定有相同濃度比13Conc/12Conc但不同濃度的氣體成分的氣體樣品中各氣體成分的吸收12Abs和13Abs製備的。
圖2是13CO2濃度比對氧氣含量作圖，13CO2濃度比是通過測定含用氧和氮稀釋的，有相同的13CO2濃度比但不同氧濃度的氣體試樣確定的。將13CO2濃度比以氧含量0％的13CO2濃度比為基礎進行歸一化。
圖3是說明測定有不同13CO2濃度比並且不含氧的氣體試樣的測定結果，其中用實際13CO2濃度比和測定的13CO2濃度比分別作橫座標和縱座標劃圖，13CO2濃度比以最小13CO2濃度比為基礎進行歸一化。
圖4說明測定有不同13CO2濃度比並且含各種濃度氧氣(直到90％)的氣體試樣的測定結果。其中將實際13CO2濃度比和測定的13CO2濃度比分別作為橫座標和縱座標劃圖，13CO2濃度比以最小13CO2濃度比為基礎歸一化。
圖5示意說明樣品氣袋連接到光譜法測量同位素氣體的儀上的嘴子上的情況。
圖6是連接到氣樣品袋末端的導管的部分示意圖。
圖7是說明光譜儀全部結構的部件圖。
圖8是說明樣品池11的結構的斷面圖。
圖9是說明調節樣品池溫度的機理的部件示意圖。
圖10A和圖10B分別是定量注入氣體樣品的氣體注入器的平面圖和側面圖。
圖11說明清潔的參比氣的氣體流經路程，目的是清潔氣體流動的路程及光譜儀的樣品池。
圖12說明清潔的參比氣的氣體流經路程，目的是清潔氣體流動的路程及光譜儀的樣品池，以進行參比測定。
圖13說明用注射器21從氣樣袋中吸取底氣同時不讓參比氣體流入第一和第二樣品池11a和11b的情況；圖14說明當吸入到氣體注入器21中的底氣以恆定的速度被氣體注入器21以機械方法推出，以便通過檢測元件25a和25b測定光強度時，被採用的氣體流動路程。
圖15說明用注射器21從氣樣袋中吸取樣氣同時不讓參比氣體流過第一和第二樣品池11a和11b時的情況；圖16說明吸入氣體注射器21的樣氣以恆定的速率被氣體注射器21機械性地推出，以便通過檢測器25a和25b測量光強度時所採用的氣體流程；圖17A是將12CO2濃度和12CO2吸收分別作為橫座標和縱座標作圖，以便製備矯正曲線，12CO2的吸收是在12CO2濃度範圍約0％～6％之內用20個測定點測定的。
圖17B表示將12CO2濃度和12CO2吸收在相對窄的12CO2濃度範圍內以5個數據點分別作為橫座標和縱座標作圖，較窄的12CO2濃度範圍是處在用圖17A的矯正曲線測定的12CO2的濃度附近。
圖18A表示將13CO2濃度和13CO2吸收分別作為橫座標和縱座標作圖，以便製備矯正曲線，13CO2的吸收是在13CO2濃度約0.00％-約0.07％範圍內用20個數據點測定的。
圖18B是將13CO2濃度和13CO2吸收在較窄的13CO2濃度範圍內以5個數據點分別以橫座標和縱座標劃圖，上述13CO2較窄的濃度範圍是處在用圖18A的矯正曲線測定的13CO2濃度附近。
圖19表示以縱座標劃出濃度比13Conc/12Conc以當12Conc是0.5％時得到的濃度比13Conc/12Conc為基礎進行歸一化。
圖20說明12Conc(橫座標)對13CO2濃度比13Conc/12Conc(縱座標)的關係，它是通過測定氣體試樣中的12CO2濃度12Conc和13CO2濃度12Conc確定的。
圖21說明12Conc(橫坐標)對濃度比13Conc/12Conc(縱座標)的關係，它是通過測量氣樣中的12CO2的濃度12Conc和13CO2的濃度13Conc並較正濃度比13Conc/12Conc而確定的；圖22說明12Conc(橫坐標)對濃度比13Conc/12Conc(縱坐標)的關係，該圖是在測量氣樣的基礎上，運用圖17A和圖18A中的較正曲線，通過確定12CO2的濃度12Conc和13CO2的濃度13Conc而得到的。
圖23說明12Conc(橫坐標)和濃度比13Conc/12Conc(縱坐標)之間的關係，該圖是在圖17A和圖18A中所示的校正曲線以及圖17B和18B中所示的限定範圍內的較正曲線的基礎上，通過確定氣樣中的濃度比13Conc/12Conc而得到的。
圖24說明了氣體樣品在不同的13CO2濃度比和不同的氧氣濃度(最高達90％)時的測量結果。按照本發明，該測量值經過了校正，圖中真實的13CO2濃度比和測量的13CO2的濃度比分別作為橫坐標和縱坐標畫出，並在最小的13CO2濃度比的基礎上對13CO2的濃度比進行了歸一化。實施本發明的最佳方式以下將參考附圖對本發明的優選實施方式加以描述。該實施方式適用於光譜法確定對標記3同位素13C的脲診斷藥物給藥後，呼吸氣試樣中13CO2的濃度或濃度比13Conc/12Conc。1.呼氣試驗在將脲診斷藥物給服病人之前，把病人的呼出氣採集到一個氣樣袋裡，氣樣袋的容量大約為250ml。然後給病人服用脲診斷藥物，10至15分鐘後，以與以上採集呼吸氣樣同樣的方式把病人的呼吸氣體採集到一個氣樣袋裡。
圖5是將氣樣袋1連接到裝置的氣嘴N1和N2上用於光譜測量同位素氣體的示意圖。氣樣袋1包括一個用於容納給服脲診斷藥物之後病人的呼吸氣樣的腔室1a和一個用於容納給服脲診斷藥物之前病人的呼吸氣樣的腔室1b，氣樣室1a和1b都是完整地做或並連接一起形成一個單個形體。
管子2a連接於氣樣室1a的末端，管子2b連接於氣室1b的末端，氣樣室1a和1b的底端5a和5b都是封閉的。管子2a和2b各有兩個功能，例如，管子2a和2b不僅作為呼吸氣吹入氣樣室1a和1b的入口，還可以在氣樣袋與儀器氣嘴N1和N2連接時作為將氣樣從氣樣室1a和1b引入光譜儀。
採集氣樣時，將一個圓筒形過濾器(有點象香菸過濾嘴)7a和7b裝到管子2a和2b上，然後把呼吸氣吹進氣樣袋1。過濾器7a和7b用於除去呼吸氣中的水汽。
如圖6所示，在管子2a和2b上分別安裝止回閥3a和3b以避免吹進氣樣袋的呼吸氣倒流回來。
管子2a和2b均有一段內徑狹窄的部分(如內徑狹窄的部分4a或4b)以對吹氣產生阻力，該吹氣阻力允許病人從肺裡呼出氣體。實驗證明從病人肺裡呼出的氣體與病人口腔裡的氣體相比，其所含的CO2濃度更為穩定。
完成呼吸氣的採樣後，去掉過濾器，把管子2a和2b分別插入光譜儀的氣嘴N1和N2。氣嘴N1和N2內徑不同，相應於氣嘴N1和N2的內徑，管子2a和2b外徑也不同。這就避免了管子2a和2b被錯誤地插入氣嘴N2和N1，從而避免了服用脲診斷藥物前後所採集的氣樣被錯誤地使用。
光譜儀的氣嘴N1和N2分別有突起6a和6b，用於當管子2a和2b插入氣嘴N1和N2時使止回閥3a和3b不再起作用。
在這個實施例中雖然管子2a和2b的外徑被做成不同，但是任何其它的設計也可以用來避免管子2a和2b與氣嘴N1和N2之間的錯誤連接。例如，管子可以有不同的長度，相應於管子的不同長度，光譜儀的氣嘴N1和N2其深度也可不同。對於這種設計，長管子插入深度小的氣嘴將不能很好地將管子裝入氣嘴。另外，管子也可有不同的橫截面(例如圓形，矩形或三角形截面)。
連接好氣樣袋1後，光譜儀完成下列自動控制。
2.測量同位素氣體光譜的儀器裝置圖7是說明測量同位素氣體光譜的裝置的總體構造的示意流程圖。
氣樣袋應這樣連接到裝置上以使盛有給藥後採集的呼吸氣(稱為樣氣)的氣樣室和盛有給藥前採集的呼吸氣(稱為底氣)的氣樣室分別與氣嘴N1和N2連接。氣嘴通過一個透明的樹脂管子(以下簡稱管子)與一個三通閥V1的一個出口連接，氣嘴N2通過一個管子與另一個三通閥V2的一端相連。
參比氣體(任何在測量的波長下沒有吸收的氣體如N2氣)通過氣體圓筒過濾器引入光譜儀。參比氣體分兩路流動一路通過流速計M1流入參考池11c，另一路通過流速計M2通向三通閥V3的一端。參比氣體流入參考池11c，然後排放。
三通閥V3的另外兩端與三通閥V1的另一個出口和第一個樣品池11a相連以測量12CO2的吸收。三通閥V2的其餘兩端與第一個樣品池通過一個二通閥V4連接，與三通閥V1的剩餘一個埠連接。
用於定量注射樣氣或底氣的氣體注射器21(容量60cc)插入三通閥V3與第一個樣品池11a之間。氣體注射器是一個注射器樣的裝置，有一個活塞和一個圓筒。活塞受馬達驅動，有螺杆與馬達相連，螺母固定活塞(這將在以後描述)。
如圖7所示，池室11，其第一樣品池11a長度較小用於測量12CO2的吸收，其第二樣品池11b長度較大用於測量13CO2的吸收，其參考池11c為參比氣體通過的。第一樣品池11a與第二樣品池11b相通。樣氣或底氣引入第一樣品池11a後進入第二樣品池11b，然後排放。參比氣體引入參考池11c然後排放。具體地說，第一和第二樣品池11a和11b長度分別為13mm和250mm，參考池11c長度為236mm。
從第二樣品池11b延伸出來的排放管後接O2傳感器18。可用作O2傳感器18的有可從商業上得到的O2傳感器如固體電解質氣體傳感器(像氧化鋯傳感器)和電化學氣體傳感器(像原電池傳感器)。
參數L代表紅外光源，有兩個傳導用於照射的紅外光線的導波器23a和23b。紅外線可以以任何方式產生。例如，可用陶瓷加熱器(表面溫度450℃)等。鄰近紅外光源L處安置一個旋轉式切光器L，用於周期性地阻擋紅外光線。從紅外光源L發出的紅外線沿第一條光路透射到第一樣品池11a和參考池11c，沿第二條光路透射到第二樣品池11b(見圖8)。
參數D代表紅外檢測器，用於檢測透過樣品池的紅外線。紅外檢測器D在第一光路中有一個第一波長過濾器24a和一個第一檢測元件25a，在第二光路中有一個第二波長過濾器24b和一個第二檢測元件25b。
第一波長過濾器24a(帶寬大約20nm)透過波長大約為4280nm的紅外線以用於測量12CO2的吸收。第二波長過濾器24b(帶寬約50nm)透過波長大約為4412nm的紅外線以用於測量13CO2的吸收。可用作第一和第二檢測元件25a和25b的元件是任何能檢測紅外線的元件，例如，半導體紅外線傳感器，像PbSe傳感器(本發明所用的)。
第一波長過濾器24a和第一檢測元件25a放在盒子26a中，其中充滿惰性氣體如氬氣。相似地，第二波長過濾器24b和第二檢測元件25b置於盒子26b中，其中充滿惰性氣體。
整個紅外檢測器D用加熱器和電熱元件維持恆定的溫度(25℃)。盒子26a和26b的內部溫度用一電熱元件保持在0℃。
池腔11由不鏽鋼製成，沿垂直和側面方向夾在金屬板(如銅板)12中間。沿池腔的上、下、以及側面安置加熱器13。池腔11用絕緣材料14(如聚苯乙烯泡沫)密封，加熱器放在絕緣材料中間。用於測量池腔11的溫度的溫度傳感器(如鉑溫度傳感器)放在池腔11中(雖然圖中不能看到)。
池腔11有兩層，第一樣品池11a和參考池11c放在一層裡，第二樣品池11b放在另一層裡。
第一光路沿依次排列的第一樣品池11a和參考池11c延伸，第二光路沿第二樣品池11b延伸。參數15，16，17代表能透過紅外線的藍寶石透射窗。
圖9是說明調節池腔11溫度的原理示意圖。調溫機制由池腔11中的溫度傳感器32。調溫基質31和加熱器13構成。調溫基質31的溫度可以按任意方式調節。例如可以以溫度傳感器32測量的溫度信號為基礎，通過改變流過加熱器13的電流的功率而實現對溫度的調節。以這種溫度調節方法為基礎來控制加熱器是為了維持池腔11在一個恆定的溫度上(40℃)。
圖10A和圖10B分別是用於定量注入氣體樣品的氣體注射器21的平面圖和側面圖。
氣體注射器21包括一個放在底座21a上的圓筒21b，一個塞在圓筒21b中的活塞21c和一個連在活塞21c上的可活動的螺母21d，一個進動螺杆21e，其螺紋與螺母21d相套，一個馬達21f，用於轉動安置在底座21a下面的進動螺杆。
馬達21f受驅動電路驅動向前向後旋動，圖中沒有顯示。當進動螺杆21e隨馬達21f轉動而轉動時，螺母21d依進動螺杆21e的轉動方向而向前或向移動。活塞21c向著圖10A中虛線標示的位置前進。這樣，氣體注射器21可被靈活地控制以向圓筒21b送入氣樣或從圓筒中取出氣樣。3.測量程序1測量程序包括參比氣體測量，底氣測量，參比氣體測量，樣氣測量和參比氣體測量，按照這個次序進行。另外，也可按照底氣測量，參比氣體測量，底氣測量，樣氣測量，參比氣體測量和樣氣測量的順序進行。在後一程序中，底氣測量和樣氣測量每個都進行了兩次，因此操作效率降低了。前一種測量程序效率較高，將在下面加以描述。
測量過程中，參比氣體經常地流過參考池11c，因此用流速計M1使流速經常保持恆定。3a-1.參比測量如圖11所示，乾淨的參比氣體以200ml/分鐘的速率流過氣路和光譜儀的池腔11約15秒用於清洗氣路和池腔11。
輪流地，如圖12所示，改變氣路，讓參比氣通過以清洗氣路和池腔11。30秒之後，用檢測元年25a和25b測量光強度。
在參比測量的基礎上計算吸收。
這樣通過第一和第二檢測元件25a和25b獲得的光強度，分別以12R1和13R1表示。3a-2底氣測量不讓參比氣體流過第一和第二樣品池11a和11b，把底氣從氣樣袋吸入氣體注射器21(見圖13)然後，以恆定速率(60ml/分鐘)用氣體注射器21將底氣機械地壓出，如圖14所示，同時用檢測元件25a和25b測量光強。
這樣通過第一和第二檢測元件25a和25b得到的光強，分別用12B和13B表示。3a-3參比測量清洗氣路和池腔，再次測量參比氣體的光強(見圖11和圖12)。
這樣通過第一和第二檢測元件25a和25b獲得的光強分別用12R2和13R2表示。3a-4樣氣測量不讓參比氣體流過第一和第二樣品池11a和11b，把樣氣從氣樣袋吸入注射器21(見圖15)。
然後，用氣體注射器21以恆定的速率(60ml/分鐘)機械性地將樣氣擠出如圖16所示，同時用檢測元件25a和25b測量光強。
這樣通過第一和第二檢測元件25a和25b獲得的光強分別用12S和13S表示。3a-5參比測量清洗氣路和池腔，再次測量參比氣體的光強度(見圖11和12)。
這樣通過第一和第二檢測元件25a和25b獲得的光強分別以12R3和13R3表示。3b測量程序2在測量程序1中，底氣和樣氣中的CO2濃度沒有調整到同一水平。
如果底氣和樣氣的CO2濃度在同一水平，用於確定濃度的12CO2和13CO2校正曲線的範圍將變窄。用有限範圍的校正曲線，測量準確性將會增加。
與測量程序2相適應，底氣和樣氣的CO2濃度被調整到基本上同一水平。首先，在初步測量中測量底氣和樣氣中的CO2濃度。如果初步測量中得到的底氣的CO2濃度高於樣氣中CO2的濃度，則稀釋底氣使其CO2濃度水平與樣氣相同，然後在主測量中測量底氣和樣氣中的CO2濃度。
如果初步測量中得到的底氣中CO2濃度低於樣氣中CO2的濃度，則在主測量中測量底氣中CO2的濃度。稀釋樣氣使其CO2濃度水平與底氣相同，再測量其CO2濃度。
測量程序2包括初步的底氣測量，初步的樣氣測量，參比氣體測量，底氣測量，參比氣體測量，樣氣測量和參比氣體測量，按照這個次序進行。3b-1初步的底氣測量乾淨的參比氣體流過氣路和光譜儀的池腔11以清洗氣路和池腔11，同時測量參比光強。
輪流地，把底氣從氣樣袋吸入氣體注射器21，然後以恆定的流速用氣體注射器21機械性地底氣擠出，同時用檢測元件25a測量透過底氣的光強以確定吸收值。在吸收值的基礎上，利用校正曲線確定底氣中的CO2濃度。3b-2初步的樣氣測量乾淨的參比氣體流過氣路和光譜儀的池腔11以清洗氣路和池腔11，同時測量參比光強。
輪流地，把樣氣從氣樣袋吸入氣體注射器11，然後以恆定的流速用氣體注射器21機械性地把樣氣擠出，同時用檢測元件25a測量透過樣氣的光強以確定吸收值。在吸收值的基礎上利用校正曲線確定樣氣中CO2的濃度。3b-3參比測量改變氣路，然後讓參比氣體流過，清洗氣路和池腔11。30秒之後，用檢測元件25a和25b測量光強。
這樣用第一和第二檢測元件25a和25b得到的光強分別以12R1和13R1表示。3b-4底氣測量在「3b-1初步的底氣測量」中用第一檢測元件25a得到的底氣中CO2的濃度與在「3b-2，初步的樣氣測量」中用第一檢測元件25a得到的樣氣中CO2的濃度比較。如果底氣中CO2的濃度高於樣氣中CO2的濃度，則用注射器21中的參比氣體稀釋底氣使其CO2的濃度水平與樣氣相同，然後在經過這樣稀釋的底氣的基礎上測量光強。
由於經過稀釋兩個氣樣中CO2的濃度基本在同一水平，所用的12CO2與13CO2校正曲線的範圍將變窄。
應當注意的是，本實施例中的測量程序2其特徵在於兩個氣樣中CO2的濃度基本上調整到同一水平，並不一定要求採取措施把CO2的濃度維持在一個恆定水平(像JPB4(1992-124141描述的那樣)。使用有限範圍的校正曲線可以僅僅通過調整底氣和樣氣中的CO2濃度以使它們基本上達到同一水平而實現。由於在實際測量中，底氣和樣氣中CO2的濃度在1％-5％之間變化，經常性地維持CO2濃度在恆定水平是比較麻煩的事。
如果底氣中CO2的濃度低於樣氣中CO2的濃度，底氣不稀釋而直接測量底氣。
底氣用氣體注射器21以恆定速率機械擠出，光強由檢測元件25a和25b測量。
這樣由第一和第二檢測元件25a和25b得到的光強用12B和13B表示。3b-5參比測量再一次清洗氣路和池腔，測量參比氣體的光強。
這樣由第一和第二檢測元件25a和25b測得的光強用12R2和13R3表示。3b-6樣氣測量如果在「3b-4底氣測量」中底氣被稀釋的話，則把樣氣用氣體注射器21從氣樣袋吸取並隨後以恆定的流速擠出，這時，用檢測元件25a和25b測量光強。
如果在「3b-4底氣測量」中底氣沒有被稀釋，樣氣用參比氣體稀釋到使其CO2濃度與氣體注射器21中的底氣的處於同一水平，然後用檢測元件25a和25b測量透過樣氣的光強。
這樣由第一和第二檢測元件25a和25b測得的光強分別用12S和13S表示。3b-7參比測量再次清洗氣路和池腔，測量透過參比氣體的光強。
這樣由經一和第二檢測元件25a和25b測得的光強分別用12R3和13R3表示。4.數據處理4-1底氣吸收的計算以測量程序1或測量程序2中測得的代表參比氣體的透射光強12R1，13R1，12R2，13R2和代表底氣的透射光強12B，13B為基礎，計算底氣中12CO2的吸收12Abs(B)和13CO2的吸收13Abs(B)。〕12CO2的吸收12Abs(B)按下列方程計算12Abs(B)＝-log[2.12B/(12R1+12R2)]13CO2的吸收13Abs(B)按下列方程計算13Abs(B)＝-log[2.13B/(13R1+13R2)]由於吸收值的計算是基於底氣測得中測得的光強和底氣測量前後進行的參比測量中測得的光強的平均值(12R1+12R2)/2及(13R1+13R2)/2，漂移(時間相關的影響測量的因素)的影響可以消除。因此，儀器打開後，沒有必要等待使儀器達到熱平衡狀態(這通常需要幾個小時)。
使用「3a」開始時描述的測量程序即底氣測量，參比氣體測量，底氣測量，樣氣測量，參比氣測量和樣氣測量時，底氣中12CO2的吸收12Abs(B)按下列方程計算12Abs(B)＝-log[(12B1+12B2)/2.12R]13CO2的吸收13Abs(B)按下列方程計算13Abs(B)＝-log[(13B1+13B2)/2.13R]其中12R和13R是參比氣的透射光強，12B1和13B1是參比氣測量前測得的底氣的透射光強，12B2和13B2是參比氣測量後測得的底氣的透射光強。4-2.樣氣吸收值的計算以測量程序1或測量程序2中測得的代表參比氣的透射光強12R2，13R2，12R3，13R3和代表樣氣的透射光強12S，13S為基礎，計算樣氣中12CO2的吸收12Abs(B)和13CO2的吸收13Abs(B)。
12CO2的吸收12Abs(B)按下列方程計算12Abs(S)＝-log[2.12S/(12R2+12R3)]13CO2的吸收13Abs(S)按下列方程計算13Abs(S)＝-log[2.13S/(13R2+13R3)]由於吸收值的計算是基於樣氣測量中測得的光強和樣氣測量前後進行的參比測量中測得的光強的平均值，漂移的影響可以消除。
採用「3a」開始時描述的測量程序即底氣測量，參比氣測量，底氣測量，樣氣測量，參比氣測量和樣氣測量時，樣氣中12CO2的吸收12Abs(S)按下列方程計算12Abs(S)＝-log[(12S1+12S2)/2.12R]13CO2的吸收13Abs(S)按下列方程計算13Abs(S)＝-log[(13S1+13S2)/2.13R]其中12R和13R代表參比氣體的透射光強，12S1和13S1代表參比氣體測量前測得的樣氣的透射光強，12S2和13S2代表參比氣體測量後測得的樣氣的透射光強。4-3.濃度計算12CO2的濃度和13CO2的濃度通過使用校正曲線來進行計算。
12CO2和13CO2的校正曲線是在分別運用已知濃度的12CO2氣樣和已知濃度的13CO2氣樣進行測量的基礎上製得的。
為了製作12CO2的校正曲線，測量0％-6％範圍內不同濃度的12CO2的吸收。12CO2的濃度和12CO2的吸收分別按橫坐標和縱坐標作圖，以最小二乘法確定曲線。本實施例中使用具有相對小的偏差的近似的二次曲線作為較正曲線。
為了製作13CO2的較正曲線，測量0.00％-0.07％範圍內不同濃度的13CO2的吸收。13CO2的濃度和13CO2的吸收分別按橫坐標和縱坐標作圖，以最小二乘法確定曲線。本實施例中使用具有相對小的偏差的近似的二次曲線作為較正曲線。
嚴格來說，由測量分別包含12CO2和13CO2的單個氣體所確定的13CO2吸收值不同於測量包含12CO2和13CO2的氣體而確定的13CO2吸收值。這是因為波長過濾器有帶寬而12CO2吸收譜與13CO2吸收譜部分重迭。由於在這種測量方法中測量的是同時包含12CO2和13CO2的氣體，這些光譜的重迭應當校正以製作校正曲線。這種測量方法中所用的較正曲線受吸收光譜重迭的校正的影響。
為了製作12CO2濃度的校正曲線，測量了0％-6％範圍內20個不同濃度的12CO2的吸收值。分別以12CO2濃度為橫坐標，12CO2吸收為縱坐標作圖，如圖17A所示。
穿過有效數據點的曲線通過最小二乘法來確定。一條近似的二次曲線含有最小偏差。因此，本實施例中，近似的二次曲線用作12CO2的校正曲線。
依次地，在預先通過12CO2校正曲線確定的底氣的12CO2濃度周圍選取5個數據點。這5個數據點落在1.5％的濃度範圍內，佔圖17A中所示校正曲線的整個濃度範圍的25％。然後，用所限定的濃度範圍的數據製作一條新的校正曲線(見圖17B)。已經證實，在限定的數據範圍內製作校正曲線改進了數據與近似曲線之間的一致性，因而顯著地減小了與製作校正曲線有關的偏差。在底氣的吸收值12Abs(B)的基礎上，使用新的12CO2的校正曲線就可確定底氣中12CO2的濃度。
樣氣中12CO2的濃度也以同樣的方式確定。
為了製作13CO2濃度的較正曲線，測量了0.00％-0.07％範圍內20個不同濃度的13CO2的吸收值。13CO2的濃度和13CO2的吸收分別作為橫坐標和縱坐標畫圖，如圖18A所示。
這條穿過有效數據點的曲線由最小二乘法確定。一條近似的二次曲線包含最小的誤差。因此，本實施例中，近似的二次曲線被用作13CO2的校正曲線。
依次地，在以13CO2的校正曲線為基礎而先期確定的底氣的13CO2濃度周圍選取5個數據點，該5個數據點落在0.015％的濃度範圍內，佔圖18A中所示校正曲線的整個濃度範圍的1/4。然後，用所限定的濃度範圍內的數據製作一條新的較正曲線(見圖18B)。已經證明，在限定的數據範圍內製作校正曲線改進了數據與近似曲線之間的一致性，因而顯著地減小了與製作校正曲線有關的誤差。底氣中13CO2的濃度是在底氣的吸收值13Abs(B)的基礎上，使用新的13CO2校正曲線而確定的。
樣氣中13CO2的濃度以同樣的方式確定。
底氣中的12CO2的濃度和13CO2的濃度分別用12Conc(B)和13Conc(B)表示，樣氣中12CO2的濃度和13CO2的濃度分別以12Conc(S)和13Conc(S)表示。4-4.濃度比的計算13CO2與12CO2的濃度比被確定了。
底氣中和樣氣中的濃度比分別表達為13Conc(B)/12Conc(B)和13Conc(S)/12Conc(S)。
另外，底氣中和樣氣中的濃度比也可分別定義為13Conc(B)/12Conc(B)+13Conc(B)和13Conc(S)/12Conc(S)+13Conc(S)。由於12CO2的濃度遠遠高於13CO2的濃度，按前者方式表達的濃度比與按後者方式表達的濃度比幾乎是一樣的。4-5a.濃度比的較正正如「背景技術」中描述的那樣，按所說的方式得到的濃度比依12CO2的濃度而偏離實際濃度。
雖然產生偏差的原因還未闡明，但認為偏差產生於光譜特徵如反射、折光係數、依賴於12CO2濃度的漫射光的變化和製作較正曲線時所用的最小二乘法的誤差特性。
如果不校正偏差就確定濃度比，就會產生嚴重的誤差。因此，測定了濃度比一樣但12CO2濃度不一樣的氣樣中12CO2的吸收12Abs和13CO2的吸收13Abs，而氣樣中13CO2和12CO2的濃度以及13CO2的濃度比用校正曲線確定。然後分別以12CO2的濃度12Conc作橫坐標，濃度比13Conc/12Conc作縱坐標作圖。
結果如圖1所示。
圖1中作為縱坐標的濃度比沒有歸一化。濃度比也可以歸一化以便於數據處理。圖19說明通過濃度比的標準化而得到的圖，其中具有最低的CO2濃度的氣樣的濃度比被看作為「1」。(這樣歸一化了的濃度比因此叫歸一化濃度比。)為了得到符合這些圖譜數據的擬合曲線，用最小二乘法對數據進行擬合。由經驗得知，用下列公式表達的四次函數能給出最為準確的擬合曲線，F(x)＝ax4+bx3+cx2+dx+e……(1)其中F是歸一化的濃度比，a到d是係數，e是常數，x是12CO2的濃度。因此，四次函數被用作校正方程。另外，也可用仿樣函數。
在病人氣樣中的12CO2濃度12Conc(B)和12Conc(B)的基礎上從校正方程(1)計算標準化的13CO2/12CO2濃度比。然後測量中得到的底氣和樣氣的濃度比13Conc(B)/12Conc(B)和13Conc(S)/12Conc(S)分別被從校正方程(1)中計算得到的歸一化的濃度比除。這樣得到了校正的濃度比如下所示校正的濃度比＝13Conc(B)/[12Conc(B)·F(12Conc(B)]校正的濃度比＝13Conc(S)/[12Conc(S)·F(12Conc(S)]4-5b.濃度比的校正按照本發明，底氣和樣氣中13CO2的濃度比受氧氣濃度的校正的影響。
13CO2的濃度比可以用圖(圖2)來校正，其中測量的13CO2濃度比對氣樣中的氧氣含量作圖。
更具體地說，以用O2傳感器測得的氣樣中的O2濃度為基礎，從圖2所示的圖形中得到歸一化的13CO2濃度比。然後底氣和樣氣的13CO2濃度比分別除以歸一化的13CO2濃度比。這樣就得到了依賴於氧氣濃度的校正的13CO2濃度比。
4-6.13C變化的測定樣氣和底氣的13C的差從下列方程中計算Δ13C＝[樣氣的濃度比—底氣的濃度比]×103/底氣的濃度比(單位每百萬)5.修正本發明不限於以上描述的實施例。在以上提到的實施例中，先確定底氣和樣氣中的12CO2和13CO2的濃度，然後計算濃度比，濃度比受氧氣濃度校正的影響。另外，濃度比也可以在底氣和樣氣中的12CO2和13CO2濃度確定之後以及12CO2和13CO2濃度用氧氣濃度校正修正之後確定。6.實驗6-1.
與光譜測量同位素氣體的方法相一致，分別測定13Conc/12Conc濃度比為1.077％，包含的12CO2的濃度12Conc分別為1％，2％，3％，4％，5％和6％的氣樣的吸收。在測量的吸收值的基礎上，用校正曲線確定氣樣中12CO2的濃度12Conc和13CO2的濃度13Conc。以12CO2的濃度12Conc和濃度比13Conc/12Conc分別作為橫坐標和縱坐標作圖，如圖20所示。
濃度比13Conc/12Conc的最大值和最小值分別為1.083％和1.076％，二者相差0.007％。
依次地，用校正方程(1)校正濃度比13Conc/12Conc，這樣給出一個波動不大的曲線如圖21所示。在圖21中，濃度比13Conc/12Conc的最大值和最小值分別為1.078％和1.076％，二者相差0.0015％。
因此，用校正方程(1)校正顯著地減小了濃度比13Conc/12Conc的變差。6-2.
與光譜測量同位素氣體的方法相一致，測量濃度比13Conc/12Conc為1.065％，包含的12CO2濃度12Conc分別為1％，2％，3％，4％，5％和6％的氣樣的吸收。在測量的吸收值的基礎上，用圖17A和圖18A中所示的校正曲線來確定12Conc和13Conc。分別以12CO2的濃度12Conc和濃度比13Conc/12Conc作為橫坐標和縱坐標畫圖，如圖22所示。
濃度比13Conc/12Conc的最大值和最小值分別為1.077％和1.057％，二者相差0.02％。
依次地，用圖17A和圖18A中所示的校正曲線以及圖17B和圖18B中所示的限定範圍的校正曲線確定濃度比13Conc/12Conc，這樣給出一個如圖23所示的波動較小的曲線。在圖23中，濃度比13Conc/12Conc的最大值和最小值分別為1.066％和1.064％，二者相差0.002％。
因此，本發明的方法，由於再次產生了校正曲線，顯著地減小了濃度比13Conc/12Conc的變差。6-3測量不同的已知13CO2濃度比的並包含各種氧氣濃度(最高達90％)的氣樣的吸收，然後在測量的吸收值的基礎上，用校正曲線確定13CO2的濃度比。更進一步地，用圖2所示的較正線校正已確定的13CO2的濃度比。
真實的13CO2濃度比和這樣校正過的13CO2濃度比經歸一化分別作為橫坐標和縱坐標畫圖，如圖24所示。
在圖24中，真實的13CO2濃度與測量的13CO2的濃度比之間的關係大約為1∶1(或者說圖24中的擬合曲線的範圍大約為1)。與圖4中所示的現有的技術方法(在該方法中，真實的13CO2濃度比與測量的13CO2濃度比之間的關係大約為1∶0.3(或者說擬合曲線的範圍大約為0.3))相比，經過校正的測量的準確性極大地提高了。
這樣，用校正曲線進行的校正顯著地提高了測量13CO2濃度比的準確性。6-4用光譜測量同位素氣體所用的儀器多次測量含有CO2的同一樣氣的12CO2濃度。
儀器預熱1小時後，對同一樣氣進行由參比氣測量，樣氣測量，參比氣測量，樣氣測量，和參比氣測量組成的測量程序10次。在測量程序的每一個循環中確定12CO2的濃度，這與本發明的方法A相一致，在該方法中，樣氣中12CO2的吸收是以樣氣測量前後進行的參比氣的測量中測得的平均值為基礎而確定的。也與現有的技術方法B相一致，在該方法中，樣氣中12CO2的吸收是以樣氣測量前進行的參比氣測量中得到的數值為基礎而確定的。
與方法A相對應的濃度的計算結果如表1所示。在表1中，通過把第1次測量得到的濃度看作「1」，將在第2次以及以後各次測量中得到的濃度歸一化。對應於方法A而計算出的濃度數據的標準偏差是0.0009。
表11 2 3 4 51 1.00110.9996 0.9998 1.00116 7 8 9 100.99821 1.0014 1.0005 1.0006
對應於方法B的濃度的計算結果如表2所示。在表2中，通過把在第1次測量中得到的濃度看作「1」，將在第2次及以後各次測量中得到的濃度歸一化。相應於方法B而計算出來的濃度數據的標準偏差是0.0013。
表21 23 4511.00241.00010.99961.00186 78 9100.9986 1 1.00221.00141.0015從上述可以理解，本發明的方法，其吸收值是以測得的樣氣的光強和測得的參比氣體的光強的平均值為基礎而確定的，產生很小的濃度數據偏差。
權利要求
1.一種光譜學測定同位素氣體的方法，包括以下步驟將含多種成分的氣體試樣導入樣品池，於對每種氣體成分合適的波長下測定通過氣體試樣的透射光的強度，並且將光強度數據進行處理，以便確定氣體試樣中各成分氣體的濃度，該方法的特徵是第一步將氣體試樣導入樣品池，並且測定氣體樣品中各種氣體成分的吸收；第二步根據矯正曲線確定氣體試樣中各氣體成分的濃度和濃度比；第三步根據在第二步使用矯正曲線得到的各氣體成分的濃度得到濃度比矯正值，上述矯正曲線是通過在含已知濃度和已知濃度比各種氣體成分的氣體試樣中測定各種氣體的吸收預先製備的，根據矯正曲線確定出氣體試樣中各氣體成分的濃度和濃度比，標出所確定的氣體試樣中各氣體成分的濃度和濃度比，分別去除在第二步中用各氣體成分的濃度矯正值得到的各氣體成分的濃度比，由此矯正氣體試樣中各氣體成分的濃度比。
2.按照權利要求1的方法，其特徵在於第三步製備的矯正曲線是近似的四級曲線，分別表示在第三步測定的氣體試樣中各氣體成分的濃度和濃度比之間的關係。
3.按照權利要求1的方法，其特徵在於多種氣體成分包括12CO2和13CO2。
4.一種光譜學測定同位素氣體的方法，包括以下步驟將含多種成分的氣體試樣導入樣品池，於對每種氣體成分合適的波長下測定通過氣體試樣的透射光的強度，並且將光強度數據進行處理，以便確定氣體試樣中各成分氣體的濃度，該方法的特徵是第一步將氣體試樣導入樣品池，並且測定氣體樣品中各種氣體成分的吸收；第二步根據矯正曲線臨時性地確定氣體試樣中各氣體成分的濃度，所述矯正曲線是使用通過在預定範圍內測定分別含已知濃度的各氣體成分得到的數據製備的；第三步在氣體試樣中的各氣體成分濃度周圍的有限範圍內，使用在第二步臨時性地測定的某些數據製備新的矯正曲線，通過使用由此得到的矯正曲線確定氣體試樣中各氣體成分的濃度。
5.按照權利要求4的方法，其特徵在於多種氣體成分包括12CO2和13CO2
6.一種光譜學測定同位素氣體的方法，包括以下步驟將含13CO2的氣體試樣導入樣品池，於對13CO2合適的波長下測定通過氣體試樣的透射光的強度，並且將光強度數據進行處理，以便確定氣體試樣中13CO2的濃度，該方法的特徵是第一步將氣體試樣導入樣品池，並且測定氣體樣品中13CO2的吸收；第二步根據矯正曲線確定氣體試樣中13CO2的濃度；第三步測定氣體試樣中氧氣的濃度，根據矯正曲線得到13CO2的濃度矯正值，上述矯正曲線是通過在含已知濃度13CO2和氧氣的氣體試樣中測定13CO2的吸收預先製備的，根據矯正曲線確定出氣體試樣中13CO2的濃度，標出相對於氧氣濃度所確定的13CO2的濃度，用根據矯正曲線確定的13CO2的濃度矯正值去除第二步中得到的13CO2的濃度，由此矯正氣體試樣中13CO2的濃度。
7.一種光譜學測定同位素氣體的方法，包括以下步驟將含12CO2和13CO2的氣體試樣導入樣品池，於對12CO2和13CO2合適的波長下測定通過氣體試樣的透射光的強度，並且將光強度數據進行處理，以便確定氣體試樣中12CO2和13CO2的濃度或它們之間的濃度比，該方法的特徵是第一步將氣體試樣導入樣品池，並且測定氣體樣品中12CO2和13CO2的吸收；第二根據矯正曲線確定氣體試樣中12CO2和13CO2的濃度或它們之間的濃度比；第三步測定氣體試樣中氧氣的濃度，根據矯正曲線和測量的氧氣濃度得到12CO2和13CO2的濃度矯正值或它們之間濃度比的矯正值，上述矯正曲線是通過在含已知濃度的12CO2，13CO2和氧氣的氣體試樣中測定12CO2和13CO2的吸收預先製備的，根據矯正曲線確定出氣體試樣中12CO2和13CO2的濃度或它們之間的濃度比，標出相對於氧氣濃度所確定的12CO2和13CO2的濃度或它們之間的濃度比，分別用根據矯正曲線確定的12CO2和13CO2的濃度矯正值或它們之間的濃度比矯正值去除第二步中確定的12CO2和13CO2的濃度或它們之間的濃度比，由此矯正氣體試樣中12CO2和13CO2的濃度或它們之間的濃度比。
8.一種光譜學測定同位素氣體的方法，包括以下步驟將含多種成分的氣體試樣導入樣品池，於對每種氣體成分合適的波長下測定通過氣體試樣的透射光的吸收，根據矯正曲線確定各氣體成分的濃度，上述矯正曲線是通過測定含已知濃度的各氣體成分的氣體試樣製備的，該方法的特徵是參比氣體的測定和樣品的測定是交替進行的，在參比氣體測定中，光強度用導入樣品池的參比氣體測定，在樣品測定中，光強度用導入樣品池的氣體試樣測定；並且吸收是根據在樣品測定中得到的光強度和在樣品測定前後進行的參比氣體測定中得到的平均光強度確定的。
9.按照權利要求8的方法，其特徵在於多種氣體成分包括12CO2和13CO2。
10.一種光譜學測定同位素氣體的方法，包括以下步驟將含多種成分的氣體試樣導入樣品池，於對每種氣體成分合適的波長下測定通過氣體試樣的透射光的吸收，根據矯正曲線測定各氣體成分的濃度，上述矯正曲線是通過分別測定含已知學度的各氣體成分的氣體試樣製備的，該方法的特徵是參比氣體的測定和樣品的測定是交替進行的，在參比氣體測定中，光強度用導入樣品池的參比氣體測定，在樣品測定中，光強度用導入樣品池的氣體試樣測定；並且吸收是根據在參比氣體測定中得到的光強度和在參比氣體測定前後進行的樣品測定中得到的平均光強度確定的。
11.按照權利要求10的方法，其特徵在於多種氣體成分包括12CO2和13CO2。
12.一種光譜學測定同位素氣體的方法，包括以下步驟將含12CO2和13CO2作為氣體成分的氣體試樣導入樣品池，於對每種氣體成分合適的波長下測定通過氣體試樣的透射光的吸收，根據矯正曲線測定各氣體成分的濃度，上述矯正曲線是通過分別測定含已知濃度的各氣體成分的氣體試樣製備的，該方法的特徵是測定從一個人體得到的兩個氣體試樣，假如兩個氣體試樣中有一個其中的12CO2的濃度高於另一氣全試樣中12CO2的濃度，則將上述一個氣體試樣的12CO2濃度稀釋到等於另一氣體試樣的12CO2濃度，再測定每個氣體試樣中13CO2/12CO2的濃度比。
13.按照權利要求12的方漢，進一步的特徵是分為初步測定和主要測定，在初步測定中，分別測定從一個人體得到的第一個和第二個氣體試樣中的CO2的濃度，假如第一個氣體試樣中測定的CO2的濃度高於在第二個氣體試樣中測定的CO2的濃度，則將上述第一個氣體試樣的CO2濃度稀釋到等於第二個體試樣的CO2濃度，再測定由此稀釋的第一個氣體試樣中的13CO2/12CO2的濃度比；測定第二個氣體試樣中的13CO2/12CO2的濃度比作為主要測定。
14.按照權利要求12的方法，進一步的特徵是分為初步測定和主要測定，在初步測定中，分別測定從一個人體得到的第一個和第二個氣體試樣中的CO2的濃度，假如第一個氣體試樣中測定的CO2的濃度低於在第二個氣體試樣中測定的CO2的濃度，則測定第一個氣體試樣中的13CO2/12CO2的濃度比；再將上述第二個氣體試樣的CO2濃度稀釋到等於第一個體試樣的CO2濃度，再測定由此稀釋的第二個氣體試樣中的13CO2/12CO2的濃度比作為主要測定。
15.一種光譜學測定同位素氣體的儀器，它適合於通過將氣體試樣導入樣品池測定氣體試樣中各氣體成分的濃度，然後於對每種氣體成分合適的波長下測定通過氣體試樣的透射光的強度，並且處理光強度數據，其特徵是氣體注入方法是吸入其氣體試樣，然後以恆定速度用機械方式推動氣體試樣將氣體試樣注入樣品池。
16.按照權利要求15的儀器，其另一特徵是維持溫度的方法是維持接收導入氣體試樣的樣品池處於恆定的溫度。
17.一種光譜學測定同位素氣體的儀器，它適合於通過將氣體試樣導入樣品池測定氣體試樣中各氣體成分的濃度，然後於對每種氣體成分合適的波長下測定通過氣體試樣的透射光的強度，並且處理光強度數據，其特徵是接收導入氣體試樣的樣品池位於光源和光接受器之間的光路上，用在測定波長下無吸收的參比氣體填充的參比池處於無樣品池的光路部分。
18.按照權利要求17的儀器，其另一特徵是，使氣體流動的方法是以恆定的流速使參比氣體恆定地通過參比池。
19.按照權利要求17的儀器，其另一特徵是維持溫度的方法是維持接收導入氣體試樣的樣品池和參比池於恆定的溫度。
20.一種光譜學測定同位素氣體的儀器，它適合於通過將氣體試樣導入樣品池測定氣體試樣中各氣體成分的濃度，然後於對每種氣體成分合適的波長下測定通過氣體試樣的透射光的強度，並且處理光強度數據，其特徵是接收導入氣體試樣的兩個樣品池是沿著光源和光接受器之間的光路排布，並且有不同的長度，用在測定波長下無吸收的參比氣體填充的參比池處於兩個樣品池中較短的一個和光接受器之間，或者光源和較短的樣品池之間。
21.按照權利要求20的儀器，其另一特徵是，使氣體流動的方法是以恆定的流速使參比氣體恆定地通過參比池。
22.按照權利要求20的儀器，其另一特徵是維持溫度的方法是維持接收導入氣體試樣的樣品池和參比池於恆定的溫度。
23.一種呼吸氣採樣袋，它包括連接在一起的分別儲存許多呼吸氣試樣的許多呼吸氣儲存室，和分別連接於許多測定呼吸氣的氣體測量儀中呼吸氣入口的許多呼吸氣導管，以便將呼吸氣試樣從每個呼吸氣儲存室導入氣體測量儀，其特徵是每個呼吸氣導管的配置為不使呼吸氣導管連接到氣體測量儀的呼吸氣入口時發生錯誤。
24.一種氣體測量儀，它適於測定儲存於呼吸氣樣品袋中的許多呼吸氣樣品，上述樣品袋包括連接在一起的許多呼吸氣儲存室和許多呼吸氣導管，通過這些導管將呼吸氣樣品分別從活體導入許多呼吸氣儲存室，它包括許多使呼吸氣試樣從呼吸氣儲存室通過呼吸氣導管的呼吸氣入口，其特徵是每個呼吸氣入口的配置為不使呼吸氣入口連接到呼吸氣導管時發生錯誤的連接。
25.一種呼吸氣採樣袋，它包括儲存呼吸氣的呼吸氣儲存室和將呼吸氣從活體導入呼吸氣儲存室的呼吸氣導管，其特徵是呼吸氣導管有產生阻力的裝置，以便在呼吸氣採樣時對吹入呼吸氣產生阻力。
26.一種呼吸氣採樣袋，它包括儲存呼吸氣的呼吸氣儲存室和將呼吸氣從活體導入呼吸氣儲存室的呼吸氣導管，其特徵是呼吸氣導管有一可拆卸的過濾器，以便在呼吸氣採樣期間從呼吸氣中除去溼氣。
27.一種呼中氣採樣袋，它包括儲存呼吸氣的呼吸氣儲存室和將呼吸氣從活體導入呼吸氣儲存室的呼吸氣導管，其特徵是呼吸氣導管有一閥門，防止呼吸氣倒流。
28.一種氣體測量儀，它適於測定儲存於呼吸氣樣品袋中的呼吸氣樣品，上述樣品袋包括呼吸氣儲存室和有止回閥的呼吸氣導管，通過上述導管將呼吸氣樣品從活體導入呼吸氣儲存室，它包括使呼吸氣試樣從呼吸氣樣品袋通過呼吸氣導管的呼吸氣入口，其特徵是，當呼吸氣導管連接於呼吸氣入口時，呼吸氣入口有一使閥門功能失效的裝置。
全文摘要
通過將
文檔編號A61B5/00GK1177399SQ9619130
公開日1998年3月25日 申請日期1996年10月2日 優先權日1995年10月9日
發明者久保康弘, 森澤且廣, 座主靖, 池上英司, 筒井和典, 浜尾保, 森正昭, 丸山孝 申請人:大製藥株式會社