專利名稱：同位素分析方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及同位素分析及用示蹤物同位素進行檢測的領(lǐng)域。
通常，需要確定某一材料中各種同位素的含量。同位素是指相同化學(xué)元素的、原子核質(zhì)量不同的不同形式。例如，天然碳主要由12C和少量的13C和14C同位素組成，12C的原子量為12原子質(zhì)量單位，13C和14C同位素的原子量分別為13和14原子質(zhì)量單位(AMU)。12C和13C同位素是穩(wěn)定的，而14C具有放射性，會隨時間自然衰變成其它元素。在所謂的“碳定年”中，為了測得試樣的年代，要對試樣中14C和12C之比進行測量。許多生物和化學(xué)檢測都采用如14C之類的放射性示蹤物。若用14C代替天然碳制得可與如一種活組織之類的生物系統(tǒng)或化學(xué)系統(tǒng)相互作用的含碳化合物，那么該化合物為用14C“標(biāo)記”或“示蹤”的化合物。然后，將該生物試樣暴露在上述經(jīng)標(biāo)記的化合物中，使試樣與經(jīng)標(biāo)記的化合物相互作用。這種相互作用可生成加入了來自標(biāo)記化合物的14C的檢測試樣或被分析物，其中14C的含量直接與所關(guān)心的生物相互作用有關(guān)。例如，在放射免疫試驗中，通過使試樣受到適于與抗體化學(xué)鍵聯(lián)的14C標(biāo)記抗原的作用可測定生物試樣中特定抗體的量。根據(jù)試樣中測得的抗原量及根據(jù)試樣而測得的14C的含量可推算出試樣中抗體的量。在其它的檢測中，上述試樣也可以是由生物試驗品排出或滲出的物質(zhì)。例如，可以將用14C標(biāo)記的脲引入試驗對象為活哺乳動物的體內(nèi)，例如可以引入人體內(nèi)。如果該對象的腸道中存在某種細(xì)菌，他呼出的二氧化碳就會含有引入脲中的標(biāo)記同位素。因此，通過放射性計量測定出對象呼吸中的14C與12C之比就可檢測出這種細(xì)菌。
通常在這類或其它類測試中常用14C作為標(biāo)記同位素，因為通過計量測定14C衰變時產(chǎn)生的放射性就可檢測出這種同位素，而且只要采用較簡單的設(shè)備就可進行這類計量測定。但是，人們畢竟不希望采用放射性物質(zhì)。這類放射性物質(zhì)原本是不穩(wěn)定的。此外，盡管用于示蹤研究的這類天然放射性物質(zhì)的含量通常很小，但從安全和健康的角度考慮，任何放射性都是不希望的。理論上，可以用穩(wěn)定、稀有的同位素13C作為標(biāo)記同位素來取代14C以進行完全類似的示蹤研究。然而，要檢測出試樣中13C的含量或13C與12C之比是很困難的。迄今為止人常常采用質(zhì)譜儀來進行這類測量。用質(zhì)譜測定法費用很高且很復(fù)雜，這是很突出的缺點，況且在某些情況下還不能采用質(zhì)譜測定法。因為質(zhì)譜測定法不能區(qū)分相同質(zhì)量的不同種類的化合物，人們必須極其細(xì)心地除去與所關(guān)心的那類化合物質(zhì)量相同的本底原子、分子和原子團。因此，長期以來人們渴望能改進檢測被分析物中碳同位素含量的方法。
與此相應(yīng)，也需要改進檢測被分析物中其它元素的同位素含量的方法，例如迫切希望改進測量稀有而穩(wěn)定的氧同位素18O的方法和/或測量18O與常見的16O之比的方法。這種需求其所以特別迫切是因為普通水分子(H2O)與18O原子基本上具有相同質(zhì)量(18原子質(zhì)量單位)。通常，哪怕試樣中只含有微量的水，也不宜用質(zhì)譜測定法來測量試樣中18O與16O之比，尤其在試樣中18O與16O之比很小時就更不宜用質(zhì)譜測定法了，因為試樣中水所引起的信號會完全掩蓋掉18O的信號。由于上述原因，在化學(xué)和生物學(xué)研究中18O沒有被廣泛用作示蹤物。對于其它元素也有類似需求。
在用光譜技術(shù)即測量試樣獲得輻射能后作出的應(yīng)答來測定試樣中同位素的含量方面人們曾作過各種探索。人們早已知道，不同同位素原子的吸收能譜彼此是不同的。在利用這種差別來計量測定被分析物的同位素混合物方面也作了一些工作。如在1986年3月10日出版的“應(yīng)用物理通訊(Applied Physics Letters)“48(10)期第619-621頁中題為”用于同位素分析-測量一氧化碳同位素的高分辨率紅外二極管激光光譜法(作者Lee)一文中所提到的，使由可調(diào)二極管激光器發(fā)出的一束光穿過一氧化碳試樣照射到光電探測器上，連續(xù)調(diào)節(jié)激光波長，使每一波長與含有特定氧同位素的一氧化碳分子的基態(tài)吸收波長相對應(yīng)，在每一波長上被吸收的光量及由此而檢測到的光量與一氧化碳中所存在的特定的氧同位素的含量有關(guān)。但是這種系統(tǒng)復(fù)雜而且要求設(shè)備具有高靈敏度。由CO的不同同位素所吸收的波長彼此極其接近，波數(shù)大約都在(2119.581-2120.235)cm-1的范圍。為了能在該范圍內(nèi)精確調(diào)節(jié)，采用了所謂的“量子阱二極管激光器(quantum well diode laser)。這類激光器必須在液氮溫區(qū)下工作，而且只能發(fā)出很弱的信號，因此還需要一個龐大而復(fù)雜的由LN2冷卻的光接收器。因此，這種方法也未被廣泛采用。
Keller等人在1979年5月出版的“Opt.Soc.Am.”69卷第5期第738-742頁的題為“鈾空心陰極放電中的光電譜法(OptogalvanicSpectroscopyinaUraniumHollowCathodeDischarge)一文中披露了一種光譜方法，在該方法中，金屬鈾在空心陰極放電管中受到濺射。因此，放電管中夾雜有被剝離的處于基態(tài)或未激發(fā)態(tài)的鈾原子。使這種放電管受不同波長的激光輻照，通過監(jiān)測所謂的光電效應(yīng)即監(jiān)測激光輻照下放電電抗的變化可以測出激光和放電之間的相互作用。將由238U原子的一種所謂“超精細(xì)”吸收波長下的光輻照所產(chǎn)生的光電效應(yīng)與由235U原子的一種超精細(xì)吸收波長下的光輻照產(chǎn)生的光電效應(yīng)進行比較，可測得235U/238U的同位素之比。Gagne等人在題為“Effet Optogalvanique Dans Une Decharge a Cathode CreuseMechanisme et Dosage Isotopique de l'araniun，Journal de Physique，C7 No.11，vol.44，pp.c7-355到c7-369(1983年11月)一文中也有類似研究的描述。
Tong在題為“用于穩(wěn)定同位素比率分析的新型激光光譜技術(shù)”的PhD論文(Iowa State University，Ames，Iowa，1984年12月，美國DOE報告IS-T-1156)中公開了對銅同位素63Cu和65Cu進行分析的其他類似的研究。在這篇論文中報道了使用光電效應(yīng)測定含有銅原子的放電管中光譜吸收的超精細(xì)光譜組成部分。此方法需要一步后續(xù)解卷積步驟以得到63Cu和65Cu組分的估算值。Tong建議將此技術(shù)與銅基示蹤物研究法結(jié)合起來使用，例如，用一種穩(wěn)定的銅同位素作為示蹤物以研究銅的代謝。該方法中還使用了銅原子基態(tài)躍遷。此參考文獻還指出，象基態(tài)躍遷一樣，也可以觀察到原子由激發(fā)態(tài)躍遷而產(chǎn)生的光電效應(yīng)。但該文章僅建議人們選擇“適當(dāng)?shù)募ぐl(fā)波長以使對譜線的干擾最小”。然而，這種方法在企圖監(jiān)測金屬原子的超精細(xì)吸收時遇到了嚴(yán)重的障礙。由于各種同位素的超精細(xì)譜線包括密集交錯的吸收波長，就需要用復(fù)雜的設(shè)備和復(fù)雜的數(shù)學(xué)解卷積技術(shù)來分開被分析物中不同同位素的吸收作用。
由Aerodyne Research公司提交的、已被接受的、題目為“一種C-13同位素分析器”的申請(NSF Grant No.ISI 88-60778，Abstracts of Phase I Awards，NSF Small Business Invovation Research Program(SBIR)1989，National Science Foundation，1989年11月)的已公開的摘要中提到了所期望的嘗試，它試圖通過當(dāng)當(dāng)映射Co等離子體的發(fā)射光譜并借助于所謂的“譜線處理算法”以抑制各種源所引起的干擾來測定一氧化碳的13C與12C同位素比。但這一研究并未得到廣泛認(rèn)可。
由此可見，盡管迄今為目對這種技術(shù)已作過種種努力，仍明顯地不能滿足對改進同位素分析方法的需要。尤其對適于原子序數(shù)較小的元素如碳、氮、氧和氫之類的同位素分析方法和裝置的改進需求更為迫切。
本發(fā)明則致力于滿足這些要求。
本發(fā)明的一部分內(nèi)容是給出了一些測定被分析物的同位素組成的方法，該被分析物包括含有多種不同同位素的同位素載體物(isotope-bearingspecies)。根據(jù)本發(fā)明這方面內(nèi)容得出的一種方法最好包括為分析物提供某種條件，致使被分析物中至少某些同位素載體物處于激發(fā)態(tài)的步驟。在這種激發(fā)態(tài)下，至少有部分電子處于比同位載體物的基態(tài)或正常態(tài)下的能級高的能級上。對于每一種激發(fā)態(tài)都有躍遷能量，每種躍遷能量都與從激發(fā)態(tài)躍遷到較低能級時釋放的能量一致，或者與從激發(fā)態(tài)躍遷到更高能級激發(fā)態(tài)時所吸收的能量一致。對于含有不同同位素的同位素載體物，其躍遷能量各異。該方法還包括使被分析物受到各種波長的電磁輻射(例如光輻射)的步驟，上述波長與處于激發(fā)態(tài)的含有不同同位素的同位素載體的躍遷能量相應(yīng)。也就是說，應(yīng)選擇所用光的波長，使得在一種波長下所用光的光子具有的能量等于一種處于激發(fā)態(tài)的、包含一種同位素的同位素載體物的躍遷能量，而用另一波長時，每個光子具有的能量等于含有另一種同位素的、被激發(fā)載體物的躍遷能量。因此，所采用的每種波長的光基本上只與含有一種同位素的載體物相互作用。該方法還包括測定被分析物對所選用的輻照的響應(yīng)，從而可測定對于每一種所選用的波長這種響應(yīng)的大小的步驟。
被分析物中的此種同位素載體物最好是多原子部分，例如是分子和多原子離子。上述多原子載體物具有不連續(xù)的、完全離散的躍遷能量。所使用的輻射線可以由鎖定在上述特定的躍遷能量上的激光器提供。在一種特別優(yōu)選的安排中，提供輻照的步驟包括操縱至少一臺激光器的步驟。該激光器中充有至少一種含這種同位素載體物的能產(chǎn)生激光的工作介質(zhì)。上述激光器或激光器組應(yīng)固有地鎖定在此同位素載體物的躍遷波長上。在一種更為優(yōu)選的方法中，通過操縱一臺充有一種激光工作介質(zhì)的激光器來提供激光，該激光工作介質(zhì)中含有的同位素載體物包括種若干不同的同位素，調(diào)節(jié)該激光器使之順序地發(fā)射與不同躍遷能量相應(yīng)的不同波長的光。例如，被分析物中的同位素載體物可以是包含不同碳同位素的CO2分子，所需的激光可以通過啟動一臺充有氣態(tài)激光工作介質(zhì)的氣體激光器(該介質(zhì)帶有含多種同位素的CO2)并調(diào)節(jié)該激光器使之順序地發(fā)射出具有與不同同位素相關(guān)的波長的光的方式來提供。
最好使被分析物在一放電管中呈氣態(tài)，以便該放電管能把該同位素載體物維持在激發(fā)態(tài)。理想的情況是在監(jiān)測被分析物的響應(yīng)的步驟中還包括測定如放電阻抗之類的非光學(xué)現(xiàn)象的步驟，這樣就可以通過觀測光電效應(yīng)來監(jiān)測被分析物對輻照光的響應(yīng)。使同位素載體物處于激發(fā)態(tài)有助于大大增強響應(yīng)。更可取的是處于激發(fā)態(tài)的被分析物中的光電效應(yīng)比處于基態(tài)的被分析物中的光電效應(yīng)更容易檢測?？梢灾苯討?yīng)用在不同波長下所測得的響應(yīng)，或者較可取的是對所測得的這些響應(yīng)的數(shù)據(jù)求比值獲得被分析物中同位素含量的比的測量值。
本發(fā)明此部分內(nèi)容中所推薦的方法可以用于測定如碳、氧、氮和氫之類的元素的同位素比或被分析物中不同同位素的豐度。在一些特別優(yōu)選的方法中，可從由碳氧化物、氮氧化物、二元氮、水蒸汽及它們的組合物的集合中選擇同位素載體物。二氧化碳是一種很好的同位素載體物。最好被分析的各種同位素都是穩(wěn)定的、非放射性的同位素。
根據(jù)本發(fā)明另一部分內(nèi)容建立起來的方法還進一步包括從試驗對象中提取被分析物，從而使各種同位素的含量隨該試驗對象的特征而變的步驟，這樣，被分析物對不同波長的響應(yīng)的大小就能表示出該試驗對象的特征。在一些較為優(yōu)選的安排中，試驗對象是一種活體組織，提取被分析物的步驟包括使該活體組織受到含有一種同位素的至少一種試劑的作用的步驟。按本發(fā)明這部分內(nèi)容所提出的方法中，選用穩(wěn)定的同位素尤為可取。以本發(fā)明這部分內(nèi)容為基礎(chǔ)所提出的優(yōu)選的方法，可以允許在迄今為止均采用放射性示蹤物的測試中采用穩(wěn)定的同位素作為示蹤物。
另一方面，本發(fā)明還提供了測定被分析物的同位素組成的設(shè)備。本發(fā)明的這些測試設(shè)備最好包括為被分析物提供條件以使被分析物中的同位素載體物處于激發(fā)態(tài)、從而使含有不同同位素且處于激發(fā)態(tài)的同位素載體物具有不同的躍遷能量的裝置。這些設(shè)備最好還包括產(chǎn)生適于被分析物的、與不同躍遷能量相應(yīng)的不同波長的電磁輻射的裝置，以及測定被分析物在所用的輻照下的響應(yīng)，從而測定出被分析物對由輻射裝置發(fā)出的不同波長的每種波長的響應(yīng)的大小的裝置。在提供被分析物的裝置中最好包括使含有多原子同位素載體物的被分析物保持在氣態(tài)并處于激發(fā)態(tài)的裝置。該裝置還可包括維持被分析物中放電的裝置。上述測定被分析物響應(yīng)的裝置可包括測定放電阻抗的裝置。上述用于輻射的裝置可以包括一臺或多臺激光器，激光器中充有至少一種含同位素載體物的激光工作介質(zhì)。根據(jù)本發(fā)明這方面內(nèi)容所提供的設(shè)備可用于實現(xiàn)上述方法。
下面結(jié)合附圖對優(yōu)選實施例進行詳細(xì)描述，通過這些描述將更清楚地反映出本發(fā)明的上述目的及其它目的、特點和優(yōu)越性。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的設(shè)備的方框圖;
圖2是圖1設(shè)備中激光器的剖視示意圖。
本發(fā)明的一個實施例的設(shè)備包括一臺激光器10。如圖2所示，激光器10包括一個支座12及固定在該支座上的細(xì)長的放電管14。一對放電電極16和18伸入放電管14的空腔內(nèi)。放電管兩端裝有布魯斯特窗或偏振窗20。部分反射輸出鏡22裝在放電管14的第一端或輸出端的附近，并對中窗20。輸出鏡22上裝有常規(guī)校正裝置，以便將輸出鏡校正在所需的平面內(nèi)。一個衍射光柵24可繞樞軸轉(zhuǎn)動地裝在支座12上與放電管14的第二端相鄰的位置上，并與輸出鏡22相對。光柵24與調(diào)節(jié)螺釘26相接，通過調(diào)節(jié)螺釘使光柵可相對于管14的軸線傾斜。調(diào)節(jié)螺釘26又與波長調(diào)節(jié)單元28相連，以便將螺釘?shù)奈恢眯盘栆蚨矊⒐鈻诺奈恢眯盘栟D(zhuǎn)送到外部控制設(shè)備中。支座12有一個開口30，該開口位于管14輸出端一側(cè)并與管軸線對中。激光放電功率源32與電極16和18相連，以便在放電管14中產(chǎn)生放電。上述激光器10的各部件與傳統(tǒng)的可調(diào)諧氣體放電激光器的結(jié)構(gòu)和工作原理相同。在傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中，光柵24使入射到它上面的光發(fā)生衍射，衍射光隨其與光柵平面的角度不同而有不同的波長。通過調(diào)節(jié)螺釘26，可使光柵24定位在一特定位置，致使當(dāng)一束具有特定波長的光沿放電管14的軸向通過窗口20射向該光柵時，有選擇地使特定波長的光沿管的軸間反向衍射，而其它波長的光則離軸衍射。
管14中充有含CO2約9%的混合氣體，混合氣體中另含約80%的He和11%的N2?；旌蠚怏w的絕對壓力約為6乇。該混合氣體中的二氧化碳分子有一種異常的碳同位素組成。術(shù)語“異常同位素組成”在本文中當(dāng)用來討論一種元素時，意指同位素之間的比例與地球上自然存在的該元素的來源中同位素間的比例不同。具體說來，在上述混合氣體所含的CO2中，13C與12C之比要比地球上自然存在的CO2中的比例高得多。可取的是混合氣體中的CO2至少含約10%的13C，尤為可取的是至少含約40%，最好12CO2的含量在約40%-60%之間，余下的部分主要由12CO2組成。CO2中的氧具有普通的同位素組成，因而主要由16O組成。
激光器10與圖1中所示的其它裝置配合工作。激光器的輸出窗孔30沿第一光路42射向部分反射鏡44。鏡44安裝成將大部分光沿另一光路46反射，而讓一小部分占固定比例的光通過該鏡而射到光功率計的輸入端。被反射的光沿光路46經(jīng)一個全反射鏡50射到斬波器54的光線入口52。斬波器54是一個可控光閘裝置，用來中斷由入射口52射入的具有預(yù)選頻率的光束，并將截斷了的光束經(jīng)光出射口56沿光路57輸出。斬波器54還有一個電信號輸出端58，當(dāng)光束未被截斷時，斬波器的輸出端58發(fā)出一個第一信號，當(dāng)光束被截斷時，其輸出端發(fā)出一個不同的第二信號。將一個由絕緣材料制成的試樣盒60放置在斬波器54的光輸出端56和全反射鏡66之間，該試樣盒具有透明端壁62和64。希望將試樣盒制成空心管狀容器，容器兩端壁62和64之間的試樣通過長度至少約3cm。稱心的試樣盒60的容積應(yīng)小于約100cm3，最好小于約10cm3。端壁由可透過測量過程中所用的光的絕緣材料制成，最好用硒化鋅制成。將試樣盒60和鏡66安裝成使得發(fā)出的光通過斬波器54的光出口56沿光路57再通過端壁和樣品室的內(nèi)部射到鏡66上，再由鏡66通過端壁64反射到試樣盒的內(nèi)部。
試樣盒60的內(nèi)腔經(jīng)過一個切斷閥69與一個壓力控制裝置68相邊，該壓力控制裝置可以包括一臺通用的真空泵和一個壓力傳感器(未示出)。試樣盒60的內(nèi)腔經(jīng)過另一切斷閥71與氣體混合器70相通，氣體混合器可以包括一根常規(guī)的混合集氣管?；旌掀?0與載氣供給單元72相通，該供氣單元包括常規(guī)的容納所需載氣的貯氣容器，容器上裝有壓力調(diào)節(jié)器和流量調(diào)節(jié)器?；旌掀?0還與盛裝待研究的被分析物試樣的試樣供給單元74相連。將試樣供給裝置74、載氣供給單元72和混合器70安裝成當(dāng)切斷閥71打開時可使含有按任何所需要的比例混合的被分析物和載氣的混合氣體通過該切斷閥，進而充入盒60的內(nèi)部。
電感線圈78大致繞在盒60上。選擇該線圈的開關(guān)和尺寸，使得在由線圈60電感所生的合適的電場的作用下，試樣60中存在的氣體之間可以保持放電。
線圈78與放電電源80相連，以向線圈78提供射頻或稱“RF”電能。最好采用所謂“ISM”頻率(這些頻率是由政府射頻譜管理部門為用于工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)而分配的)，尤其可取的是采用的頻率范圍為約10MHz-約20MHz。當(dāng)然，也可用其它頻率。若用一組適當(dāng)?shù)碾姌O代替線圈78，則可以用直流電(頻率為0)。也可將線圈78和電源80與阻抗監(jiān)測裝置82相連，該阻抗監(jiān)測裝置用于將一個表示線圈內(nèi)部形狀的阻抗因而也表示試樣盒60中的氣體的阻抗的電信號傳送到輸出線84上。阻抗監(jiān)測裝置82的具體結(jié)構(gòu)取決于放電電源80的構(gòu)造。在一種典型的阻抗監(jiān)測結(jié)構(gòu)中，測量由電源提供的、維持放電的電流。用于測定放電、阻抗的各種裝置是放電系統(tǒng)領(lǐng)域普通專業(yè)人員所熟知的，此類裝置中任一裝置都可采用。
阻抗監(jiān)測裝置的信號輸出線84與鎖定放大器86的信號輸入端相接。鎖定放大器86還與斬波器84的電信號輸出58相連。鎖定放大器可用于有選擇地放大與信號線58上的信號同步的線84上的信號分量。也就是說，該鎖定放大器只選擇那些直線84上隨斬波器動作同步變化因而也隨光路57上光線周期地通和斷變化的阻抗信號分量進行放大。于是，該鎖定放大器就產(chǎn)生一個在與斬波器54的截光頻率相應(yīng)的頻率變化于第一和第二極值之間的振蕩信號。此振蕩信號表示與通過光路57的光線變化相應(yīng)的阻抗分量，而將不隨所用光而變的阻抗分量排除在該振蕩信號之外。鎖定放大器的輸出信號為該振蕩信號的平均值。
鎖定放大器的輸出信號經(jīng)輸出線88被送至控制和計算的計算機90。計算機90也與功率計48相連，以接收功率計給出的光功率讀數(shù)。該控制和計算的計算機還與激光器10的激光放電電源32(見圖2)相連，以便計算機90能控制放電功率。此外，該控制和計算裝置還與激光器的波長調(diào)節(jié)單元(見圖2)相連，因而計算機90能隨時接收表示所用的特定波長的信號。該計算機還配有常規(guī)的輸入輸出設(shè)備，如鍵盤、顯示器和打印機(未示出)，用戶可以輸入控制指令及得到結(jié)果。
在根據(jù)本發(fā)明一方面內(nèi)容的一種方法中，將含有二氧化碳(包括普通12CO2和13CO2)的被分析物充入試樣供給裝置74中。用N2∶CO2的克分子比約為20∶1的氮氣與被分析物混合。通過切斷閥71將氣體混合物送入試樣盒60中，啟動壓力控制裝置68的真空泵，使盒60中的壓力達(dá)到適于輝光放電的壓力。此壓力應(yīng)低于約15乇，可取的是低于5乇，最好是在約3乇到5乇之間。當(dāng)壓力達(dá)到所需值時，關(guān)閉閥71和69，以隔離盒60的內(nèi)腔。接通放電電源80，以便給盒60中所充的氣體提供射頻能量，于是產(chǎn)生放電。放電使試樣盒60內(nèi)大部分CO2分子處于激發(fā)態(tài)，即處于比正常態(tài)或基態(tài)能級高的狀態(tài)。也就是說，處于放電中的CO2分子不再是處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)，而是處于高能量的亞穩(wěn)態(tài)或穩(wěn)態(tài)。接通激光放電電源32(見圖2)，使激光放電管14中產(chǎn)生放電，從而使激光管中的混合氣體處于類似的激發(fā)態(tài)。
處于每一種激發(fā)態(tài)的CO2分子只能獨立地、量子化地向較低能級或更高能級躍遷。每一次躍遷都要釋放或吸收一特定的、量子化的能量。于是，在每次躍遷中，都要釋放或吸收一定能量的光子。有一定能量的光子具有特定的波長。據(jù)此，每一次躍遷都與特定波長有關(guān)，而處于激光管14輝光放電中的CO2分子只能發(fā)射出特定、離散的波長的光，每一個這種離散的波長都與一次躍遷有關(guān)。13CO2分子的躍遷能量及與此有關(guān)的躍遷波長和12CO2分子的躍遷波長明顯不同。下表Ⅰ示出了一些重要的躍遷波長。
表Ⅰ13CO2和12CO2的某些躍遷波長:
光束I波長(微米)13CO212CO2P(12)11.0610.51P(14)11.0810.53P(16)11.1010.55P(18)11.1210.57P(20)11.1510.59P(22)11.1710.61P(24)11.1910.63P(26)11.2210.65P(28)11.2410.67P(30)11.2610.70
由于管14中的氣體混合物既含有13CO2又含有12CO2，所以激光管中的氣體混合物13CO2和12CO2都會出現(xiàn)躍遷，于是將發(fā)射出與兩類躍遷相應(yīng)的波長的光。
根據(jù)光柵24與激光管光軸的夾角及與輸出鏡22所在平面的夾角，通過放電管14的布魯斯特窗20射出的具有選定波長的光有選擇地沿激光管的軸反射回來。該特定波長隨光柵24的位置改變而不同。當(dāng)由光柵所建立的波長與13CO2或12CO2的某一躍遷波長一致時，反射回來的光將激發(fā)具有相同躍遷波長的附加發(fā)射，導(dǎo)致發(fā)射出一束具有特定躍遷波長的強的、大體上為單色的相干光。一部分光通過部分反射鏡22及激光器的輸出窗口30沿光路42射出。波長調(diào)節(jié)單元28將調(diào)節(jié)螺釘26的位置傳送給控制單元90，因此也是將激光器10發(fā)出的激光的波長傳送給了控制單元90首先，將激光器調(diào)整到發(fā)射的激光波長為13CO2躍遷波長。由激光器10發(fā)射的激光沿第一光路42射到部分反射鏡44上。照射到鏡44上的光的固定部分射入功率計48。功率計將這部分光轉(zhuǎn)換為與激光光束的功率成正比的電信號，再將此信號送到可控制和計算的計算機90。通過控制由激光放電電源32(見圖2)提供激光放電的功率，計算機90可控制激光光束的功率。大部分激光光束沿光路46經(jīng)鏡50射入斬波器54，該斬波器以選定的截光頻率截斷光束。斬波器使光束在每一通斷周期中中斷和通過的時間之隔大體相等，也就是說，使通過斬波器出口56沿光路57射出的光束具有大約50%的時間通，50%的時間斷的工作周期，并且在選定的截光頻率下，通過和截斷來回切換。
由斬波器射出的、通和斷交替的光束經(jīng)窗62射入試樣盒60的內(nèi)部，并穿過盒內(nèi)的放電區(qū)由窗64射出，經(jīng)鏡66反射到試樣盒內(nèi)。通過盒60內(nèi)放電區(qū)的光與放電中處于激發(fā)態(tài)的13CO2分子相互作用。當(dāng)光束具有某一與13CO2在較高能級激發(fā)態(tài)和如較低能級激發(fā)態(tài)或基態(tài)之類的較低態(tài)之間躍遷相一致的特定波長時，光將與處于第一或較高能級激發(fā)態(tài)的13CO2分子相互作用，使之在高能級激發(fā)態(tài)與較低態(tài)之間發(fā)生共振躍遷。但該光束基本上不與盒60內(nèi)放電中的12CO2相互作用。
光激發(fā)的躍遷將改變放電管中13CO2分子的能態(tài)分布，因而通過所謂的光電效應(yīng)也就改變了放電阻抗。雖然本發(fā)明不對其工作原理進行任何探討，但仍可認(rèn)為光電效應(yīng)是由躍遷引起的放電電離狀況的變化或總的電子溫度變化的結(jié)果。因此，當(dāng)激光器10發(fā)射具有與處于激發(fā)態(tài)的13CO2的躍遷能量相應(yīng)的躍遷能量的激光時，試樣盒60中放電阻抗將在斬波器54使光線通過和斬斷光束時的第一值和第二值之間變化。放電阻抗不會隨光束的通、斷瞬時變化，而需要一段短而有限的轉(zhuǎn)變時間，以達(dá)到在新的數(shù)值下的平衡。通常，該轉(zhuǎn)變時間為幾微秒的量級。選擇斬波器的循環(huán)周期，使其每次的通時間和每一截斷時間大體上比轉(zhuǎn)變時間長。例如，斬波器頻率可以低于約500Hz，通常約為200Hz到約350Hz。在斬波器接通的時間內(nèi)，放電阻抗平衡于第一值上，在斬波器斷開的時間內(nèi)，放電阻抗平衡于第二值上，上述放電阻抗的第一、第二值之差即為與所用光束波長有關(guān)的特定的13CO2躍遷的光電信號。由阻抗監(jiān)測裝置82測得的阻抗信號中的交流分量則反應(yīng)出阻抗的變化。鎖定放大器84將上述交流分量隔開，送至控制計算設(shè)備90，信號嶺間值由計算機當(dāng)作光電信號而記錄下來。
對于給定裝置，在固定的放電條件下S13＝[P13][M13][W13] (1)其中S13為用于特定的13CO2躍遷的光電信號;
P13為試樣盒60中氣體內(nèi)13CO2所占的分壓或分子濃度;
W13為與13CO2躍遷相應(yīng)的波長下激光光束的功率;
M13為一比例常數(shù)，它與下述因素例如用于特定躍遷的光電效應(yīng)的大小、在放電條件下處于激發(fā)態(tài)的13CO2分子的比例以及裝置的結(jié)構(gòu)有關(guān)。
上述關(guān)系式適于W13的值低于飽和值的情況。該飽和值為激發(fā)幾乎所有處于第一激發(fā)態(tài)的13CO2發(fā)生躍遷所需的激光光束的功率。而大于該極限功率時，即使再提高激光束功率，光電信號S13也不會增強。
得到13CO2的光電信號后，調(diào)節(jié)螺釘26(見圖2)，使光柵24定位于另一角度而將激光器10調(diào)到與12CO2躍遷相一致的波長，使激光器在12CO2的這種躍遷波長下工作。從激光器射出的與12CO2躍遷相應(yīng)的光束與處于某一特定激發(fā)態(tài)的12CO2分子相互作用，而基本上不與試樣盒60中的13CO2相互作用。斬波器54重又反復(fù)截斷沿光路57射入試樣盒60中的光束，使得由阻抗監(jiān)測器82測得的放電阻抗在第一值和第二值之間反復(fù)振蕩，上述第一值和第二值之差就是使12CO2躍遷的光電信號。在這種情況中
S12＝[P12][M12][W12] (2)其中S12為12CO2躍遷的光電信號;
P12為試樣盒60內(nèi)12CO2氣體中的分壓或分子濃度;
M12為該特定躍遷的比例常數(shù);
W12為具有與12CO2躍遷相一致的波長的激光光束的功率，在該波長下工作期間由功率計48測量比功率。此公式僅適于功率W12值低于激發(fā)放電中所有處于激發(fā)態(tài)的12CO2分子躍遷所需的飽和值的情況。與S13一樣，S12也是由阻抗監(jiān)測裝置82送出的信號中與斬波頻率相應(yīng)的占率的交流分量的嶺間值。此交流分量由鎖定放大器86隔出，并送至控制和計算單元90。
試樣中同位素之比或13CO2與12CO2之比由以下公式給出［S13］ ［M12］ ［W12］［S12］ ［M13］ ［W13］=P13P12=R13/12]]>其中R13/12為試樣盒60內(nèi)的被分析物中13CO2與12CO2之比。也可按另一公式求出［S13］ ［W12］［S12］ ［W13］K=R13/12]]>其中K為修正系數(shù)，它等于M12/M13，對于試樣盒60中特定的13CO2和12CO2躍遷、裝置結(jié)構(gòu)及放電功率條件該值是固定的。K值可用已知R13/12值的氣體校準(zhǔn)該裝置而得到。
12CO2的躍遷能量與13CO2的躍遷能量不同，所以與12CO2躍遷相應(yīng)的波長不會激發(fā)13CO2躍遷，或者不會對13CO2產(chǎn)生明顯的影響。在12CO2波長下的光電信號大體與13CO2的濃度無關(guān)。換句話說，在系統(tǒng)中選擇使用特定的12CO2和13CO2的躍遷，使12CO2躍遷的躍遷能量不同于任何13CO2躍遷的躍遷能量，而系統(tǒng)中所用的13CO2躍遷的躍遷能量同樣也不適于任何12CO2的躍遷。同樣，選擇特定的躍遷能量和躍遷波長，使該躍遷波長與系統(tǒng)中存在的其它氣體種類的躍遷波長不同，例如與載氣的躍遷能量及所預(yù)料的雜質(zhì)的躍遷能量不同。例如，若被分析物中的CO2是從生物源中提取的，它含有水，則應(yīng)選擇躍遷波長使其與水分子、OH-離子或由于雜質(zhì)存在而在放電管中含有的絡(luò)合物的躍遷波長不同。上面所討論的方法和設(shè)備具有極高的靈敏度而且檢測限低，即使同位素比率R13/12的值低至約10-4至約10-6，仍可準(zhǔn)確測量。為了測量小數(shù)值的R，所選擇的躍遷能量應(yīng)具有高的M13值，致使在測量S13過程中具有相當(dāng)大的S13值和最大信噪比。在這種情況下，所推薦采用的13CO2躍遷波長約為11.12微米。同樣，也應(yīng)使13CO2發(fā)生躍遷的激光光束功率W13接近飽和功率。在這種情況下，為了確保12CO2信號S12具有可與S13相比的量級，可以采用M12值較小的躍遷波長和/或較低功率的CO2躍遷光束，該光束的W12值低。也有很多具有低M12值的12CO2微弱的躍遷，其中有些躍遷波長為10.49微米、10.30微米和10.76微米。
可以對上面已討論過的方法和設(shè)備在許多方面作出改變。在一種變型中，采用了兩臺獨立的激光器。每臺激光器在一種躍遷波長下工作，每一束激光通過光路上不同的斬波器射到試樣室上。兩個斬波器的截光頻率不同，使具有不同躍遷波長的兩束激光光束以不同占率通過和截斷?？梢酝瑫r使用此兩束激光。在這種情況下，從阻抗監(jiān)測裝置輸出的信號包括其頻率為兩個分離的截光頻率的兩個分開的交流分量。將上述阻抗監(jiān)測裝置的輸出信號送至兩個獨立的鎖定放大器，每個鎖定放大器在各自的截光頻率下工作，因而，對于兩種同時采用的波長中的一種，每個鎖定放大器可隔出一個截光頻率下代表光電效應(yīng)信號的交流分量。
按照另外一些變型，可以通過監(jiān)測除光電效應(yīng)以外的現(xiàn)象來測定被分析物對不同波長的光的響應(yīng)。照射光束與放電氣體相互作用將在放電管中產(chǎn)生機械壓力。當(dāng)以給定頻率截斷光線時，反復(fù)的通、斷循環(huán)在放電時會形成聲波，其頻率為截光頻率。對于不同波長的光，可以用這種光聲效應(yīng)的大小來取代光電效應(yīng)的大小。但是，一般來講，光聲效應(yīng)的靈敏度較低。
如上所述，照射光和被激發(fā)的同位素載體分子之間的相互作用可激發(fā)該類分子在不同態(tài)之間躍遷。根據(jù)定義，任何躍遷都涉及較低能態(tài)和較高能態(tài)。每一躍遷都可按第一方向進行，即從較低能態(tài)躍遷到較高能態(tài)，或者按從較高能態(tài)躍遷到較低能態(tài)的第二方向進行。以第一方向躍遷則吸收入射光子，而以第二方向躍遷則發(fā)射光子。放電管中能級的布居決定了主要是以第一方向躍遷還是以第二方向躍遷。因此，在某些放電條件下，對特定波長的光的主要響應(yīng)可以是吸收作用或稱以第一方向進行，而在另一些放電條件下，對某些波長的光的主要響應(yīng)可以是發(fā)射或稱以第二方向進行。這種作用可以形成光電信號，也可以形成光聲信號。如果主要作用是發(fā)射或躍遷到較低能級，對照射光的響應(yīng)包括在與躍遷能相應(yīng)的波長上發(fā)射更多的光子。因此通過被分析物在該波長上的發(fā)射可將與該躍遷能相應(yīng)的波長的照射光放大?？蓽y量出這種作用，并可將其用來表示不同躍遷波長的光對被分析物的作用?？梢詫D1所示設(shè)備進行改造，用一個光功率計代替鏡66，不用斬波器54，而變更放電電源，使其在選定的開關(guān)頻率下反復(fù)放電和中止放電，這樣就得到了這類測量設(shè)備。上述附加的功率計可測出激光光束通過試樣盒60內(nèi)放置有被分析物的放電區(qū)之后的功率。比較放電和中止放電時附加功率計上的讀數(shù)可得知放大的程度。這種儀器可以重復(fù)測量與兩種同位素有關(guān)的兩種躍遷波長的光。
由照射光激發(fā)的躍遷可以稱之為一次躍遷。在某些情況中，一次躍遷是使處于激發(fā)態(tài)的同位素載體物躍遷到較高能級或較低能級的激發(fā)態(tài)，然后在進一步的二次躍遷中衰變成第二低能態(tài)。上述第二低能態(tài)可以是另一種激發(fā)態(tài)或基態(tài)。每一次這樣的二次躍遷發(fā)出具有第二躍遷波長的光子。二次躍遷的量亦即發(fā)射出的具有第二躍遷波長的光的數(shù)量隨由照射光激發(fā)的一次躍遷的量增加而增加。因此，可以用被分析物發(fā)出的具有第二躍遷波長的光的數(shù)量來測定入射光對被分析物的作用。采用具有第一躍遷波和工的入射光通過測量在第二躍遷波長下的發(fā)射可測出上述響應(yīng)，上述第一躍遷波長與處于激發(fā)態(tài)的、含有一種同位素的載體物的一次躍遷有關(guān)。采用具有第二種一次躍遷波長的光可以監(jiān)測出所引起的第二種發(fā)射，上述第二種一次躍遷波長與處于激發(fā)態(tài)的、含有另一種同位素的載體物的一次躍遷有關(guān)。將由具有第一種和第二種一次躍遷波長的入射光引起的二次發(fā)射的振幅與被分析物中同位素比率的給定測量值進行比較，可以用常規(guī)的光電管探測器檢測上述二次發(fā)射。通常，這類儀器中的光電管檢測器裝有一個波長選擇濾波器，該濾波器的作用是濾掉具有一次躍遷波長的光而使具有二次躍遷波長的光通過。也可以交替使用第一種和第二種具有一次躍遷波長的光，在這種情況下，該光電管檢測器發(fā)出的信號將順序地表示處于激發(fā)態(tài)的、含有兩種同位素的載體物的二次發(fā)射?；蛘撸绻砸粋€不同的頻率截斷具有每種一次躍遷波長的光，或調(diào)制其振幅，也可以同時使用具有兩種一次躍遷波長的光。在這種情況下，由光電控測器發(fā)出的信號包括隨時間而變的、具有兩種不同調(diào)制頻率的分量，上述不同調(diào)制頻率代表由兩種不同的一次躍遷波長的輻射引起的二次發(fā)射?？梢詫⑦@些信號分離成代表對每一個一次躍遷波長響應(yīng)的離散信號。
在上面討論過的設(shè)備中，用一臺或多臺充有激光工作介質(zhì)的激光器可以獲得用于照射被分析物的光。上述激光工作介質(zhì)中含有在被分析物中所存在的同位素載體物。在上面討論過的用CO2作為同位素載體物的設(shè)備中，可以用充有13CO2和12CO2混合氣的單臺CO2激光器或兩臺獨立的CO2激光器來獲得照射光。最好選用這類設(shè)備，因為照射光原本就要調(diào)到上述同位素載體物的躍遷波長。當(dāng)然，也可采用其它光源，只要該光源能發(fā)出具有合適的躍遷波長的光。例如，可以采用可調(diào)的染料激光器或波長連續(xù)可調(diào)的其它類型的激光器?？梢詫⑦@類激光器發(fā)出的光鎖定在與特定同位素有關(guān)的躍遷頻率上。例如，可以將部分激光光束射到一個與上述試樣盒類似的參照盒上。該參照盒中充有與已知同位素載體物樣品一致的氣體混合物，還有一個與其有關(guān)的放電電源。也可用如上面所討論的監(jiān)測光電效應(yīng)或發(fā)射的裝置來監(jiān)測激光光束與參照盒中的放電的相互作用。將這種相互作用(如光電信號)作為反饋信號送至激光器的調(diào)頻裝置，這樣，調(diào)頻裝置能將激光頻率調(diào)到使激光光束與參照盒中的已知樣品之間的相互作用最大的頻率上。
也可以采用除CO2之外的同位素載體物。通常，任何多原子部分例如分子、多原子離子或多原子游離基均可用作同位素載體物，只要這些部分足以穩(wěn)定到在所用的試驗條件下處于激發(fā)態(tài)時能保存適當(dāng)?shù)牧?。例如，在被分析物中發(fā)生放電時，用作同位素載體物的部分應(yīng)當(dāng)穩(wěn)定到足以在放電條件下能保存適當(dāng)?shù)牧?。用作同位素載體物的穩(wěn)定分子最好含有的原子數(shù)較少，通常應(yīng)少于5個原子，更理想的是3個或更少于3個原子。尤為可取的是該同位素載體物在室溫或接近室溫的條件下為氣態(tài)。原則上本發(fā)明的方法的設(shè)備可用來測定被分析物中任何元素的同位素組成，然而，它們尤其適于測定被分析物中含由碳氧、氮和氫組成的族中擇出的元素的同位素組成。例如，同位素載體物中的許多同位素可以是一些碳的同位素，氧的同位素，氮的同位素或氫的同位素。對這類分析而言，尤其可取的同位素載體物是碳氧化物，氮氧化物，N2和H2O。對于測定氧同位素濃度而言，與其用碳不如用CO2作為同位素載體物，在這種情況下，可選擇躍遷波長使之與12C16O2的躍遷波長以及與12C16O18O的躍遷波長一致。在這種情況中，可用加入了12C18O2和12C16O18O的CO2激光器提供入射光。用12C16O2和12C18O2作為同位素載體也可使用類似的系統(tǒng)。與此相似，可用14N2及15N2和15N14N中的一種或二者作為同位素載體物測定試樣中氮的同位素組成?？梢杂靡慌_含有這些同位素載體物的氮激光器提供入射光。本發(fā)明的方法還可用來測定被分析物中多于一種元素的同位素組成。在這種情況中，被分析物中的同位素載體物應(yīng)包括同位素載體物的混合物，例如上述優(yōu)選的同位素載體物的混合物。
無論這些同位素是穩(wěn)定的還是放射性的，本發(fā)明的方法和設(shè)備可用于測定被分析物的含量。但是測定穩(wěn)定的非放射性同位素的含量的方法尤其有用，因為這些方法可以用穩(wěn)定同位素作為示蹤物。例如，本發(fā)明的方法還可包括從試驗對象中提取含同位素載體物的被分析物，使得被分析物中不同同位素的含量隨試驗對象的特征而變的步驟。這樣，按上述步驟本應(yīng)測到的同位素組成就能表示出試驗對象的特征。該試驗對象可以是化學(xué)系統(tǒng)，物理系統(tǒng)或生物系統(tǒng)。例如，可以從試驗對象上取出試樣而獲得被分析物，如果需要的話，可以將試驗對象的一種或多種化學(xué)組分轉(zhuǎn)換成所需要的同位素載體物。例如，可以將試樣中的碳載體組分轉(zhuǎn)換成二氧化碳。從試驗對象中提取被分析物的步驟可以用另一步驟代替或附加上另一步驟，此步驟為使試驗對象受到加有用作示蹤物的特定同位素的試劑的作用，其中的示蹤物最好是一種穩(wěn)定的非放射性同位素。例如，在試驗對象是一種活體組織的情況中，當(dāng)將試劑加入營養(yǎng)基中時，該試驗對象可以受到試劑、試驗對象的環(huán)境中的空氣或水的作用。從由器官排出的滲出的或呼出的物質(zhì)中或者從作用后的器官中取出的組織試樣中可得到被分析物。
例如，一種醫(yī)學(xué)檢驗方法包括將用放射性14C標(biāo)記的脲引入懷疑患有潰瘍(例如十二指腸潰瘍或胃潰瘍)的病人體內(nèi)。通常這類病人是被對幽門有影響的趨光菌(Heliobacter phylori)感染，引入標(biāo)記有14C的脲之后，如果體內(nèi)存在這種微生物，大部分所施用的用14C標(biāo)記的脲會迅速轉(zhuǎn)變成CO2，所以施用了用14C標(biāo)記的脲的病人呼出的氣中含14CO2的比例會相當(dāng)高。通過檢測呼出氣中14C的放射性可方便地測出這種比例。按照本發(fā)明，也可用以13C標(biāo)記的脲代替用14C標(biāo)記的脲。用上述方法和設(shè)備就可確定出病人呼出的氣中13CO2的比例。對醫(yī)學(xué)和生物學(xué)領(lǐng)域的普通專業(yè)人員而言，用放射性同位素作為示蹤物的很多方法都是公知的。用每一種方法都可得到一種含有放射性示蹤原子、同位素的被分析物。通過測定被分析物放射出的放射性的量可確定出被分析物中示蹤原子的量。根據(jù)本發(fā)明，用穩(wěn)定同位素作為示蹤物可重復(fù)這些方法，而且用已討論過的方法和設(shè)備可以確定這些穩(wěn)定的示蹤原子同位素的含量。屬用本方法可復(fù)現(xiàn)的方法如蛋白質(zhì)、抗原、抗體、核酸之類的生物分子的可選擇結(jié)合、吸收或解吸。屬于這些方法之列的是結(jié)合分析方法和競爭性結(jié)合分析方法，例如放射性免疫測定和放射性標(biāo)記的肺部掃描。按照上面已討論過的方法和設(shè)備，除可以采用穩(wěn)定同位素并從所得到的被分析物中確定這種同位素的含量之外，檢測過程中所包含的生物或化學(xué)反應(yīng)完全與用放射性同位素作為示蹤物的情況相同。本說明書中所用的術(shù)語“光”意指電磁輻射，完全不局限于可見光，因此，可以使用與特定躍遷能量有關(guān)的波長、可見光波長、紅外光波長、紫外光波長及其它波長。
還應(yīng)想到，在不超出本發(fā)明權(quán)利要求書所限定的保護范圍的情況下，可以對上面已討論過的特點作各種改變和組合。因此，上面對各優(yōu)選實施例的描述只能作為對由權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的具體解釋，而不能看作對本發(fā)明的限制。
下面的非限制性實例可具體說明本發(fā)明的某些特征實例用純度為分析純(99.995%)的瓶裝二氧化碳作為試樣，干燥的氮氣作為圖1所示的設(shè)備中的載氣導(dǎo)入試樣盒中。氣體的混合比為1∶19，盒中壓力為3.61乇。首先，將充有含13CO2∶12CO2約為1∶1的CO2激光器調(diào)節(jié)到使12CO2P(20)在10.59微米波長下躍遷，斬波器工作頻率為311Hz，激光器輸出為1.94W。然后，將該激光器調(diào)節(jié)到使13CO2的P(20)線的波長為11.15微米，輸出功率為0.71W。由鎖定放大器送出的平均光電信號所產(chǎn)生的每單位功率的信號比為0.0198(信號為3650μV和26.50μV)。假定上述瓶裝的CO2可代表天然CO2的同位素組成(含13CO21.108%)，測量修正系數(shù)為0.5596。
權(quán)利要求
1.一種測定被分析物的同位素組成的方法，該被分析物包括一種含有許多同位素的同位素載體物，該方法的其特征在于通過若干步驟為上述被分析物提供條件，使該同位素載體物處于激發(fā)態(tài)，從而使處于激發(fā)態(tài)的、含有不同同位素的同位素載體物具有不同的躍遷能量；使上述被分析物經(jīng)受與不同躍遷能量相應(yīng)的若干波長的輻照，借此使每一波長的輻射線有選擇地與含有上述同位素的不同的同位素載體物的被分析物中的被激發(fā)的同位素載體物相互作用；監(jiān)測上述被分析物對所用輻照的響應(yīng)，從而測定出對上述每一波長的響應(yīng)的大小。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于上述同位載體物是一種多原子部分。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于上述多原子部分是一種含有少于5個原子的分子。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在上述提供被分析物的步驟中還包括使被分析物成為氣態(tài)的步驟。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于在上述提供被分析物的步驟中還包括使上述氣態(tài)被分析物保持在放電狀態(tài)的步驟。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在上述監(jiān)測被分析物的響應(yīng)的步驟中還包括測定上述放電阻抗的步驟。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于在上述應(yīng)用輻射的步驟中還包括周期地變化所述輻照幅度的步驟并且上述監(jiān)測電阻的步驟包括測定隨幅度變化而同步變化的阻抗分量的步驟。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在上述應(yīng)用輻射的步驟中還包括操縱至少一個激光器的步驟，該激光器充有至少一種含有上述同位素載體物的激光工作介質(zhì)。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于上述至少一個激光器包括單個充有含帶一些不同同位素的同位素載體物的激光工作介質(zhì)，上述操縱至少一個激光器的步驟包括調(diào)節(jié)該單個激光器以產(chǎn)生與上述躍遷能量相應(yīng)的若干波長的激光。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于上述調(diào)節(jié)單個激光器的步驟包括將該單個激光器順序地調(diào)節(jié)到上述一些波長上的步驟。
11.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于在上述提供被分析物的步驟中包括提供氣態(tài)被分析物的步驟。
12.如權(quán)利要求1-11中任一項所述的方法，其特征在于在被分析物中的一些同位素是從由碳、氧和氮組成的族中擇出的一種或多種元素的一些同位素。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于在上述同位素載體物是從由碳氧化物、氫、氮氧化物、N2、H2O及其組合物組成的族中擇出來的。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于在上述同位素載體物為二氧化碳。
15.如權(quán)利要求1-11中任一項所述的方法，其特征在于上述一些同位素是穩(wěn)定的同位素。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于通過從試驗對象中提取被分析物的步驟，使被分析物中的穩(wěn)定同位素的含量隨試驗對象的特征而變，借助于對不同波長響應(yīng)的大小表示出上述試驗對象的上述特征。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于在上述試驗對象是一種活體組織，上述提取被分析物的步驟包括使上述活體組織受到至少一種試劑的作用，該試劑含一種上述的穩(wěn)定同位素。
18.測定被分析物的同位素組成的設(shè)備，該被分析物包括含有許多同位素的同位素載體物，該設(shè)備的特征在于包括使被分析物處于非平衡態(tài)而使上述同位素載體物處于激發(fā)態(tài)、從而使含有不同同位素的被激發(fā)的同位素載體物具有各種躍遷能量的裝置;使被分析物經(jīng)受與所述的不同的躍遷能量相應(yīng)的一些波長的輻照作用從而使每一波長下的輻射線有選擇地與含有上述同位素的不同的同位素載體物的被分析物中的被激發(fā)的同位素載體物相互作用的裝置;以及監(jiān)測上述被分析物對所用輻照的響應(yīng)從而測定出對上述每一波長的響應(yīng)的大小的裝置。
19.如權(quán)利要求18所述的設(shè)備，其特征在于上述輻照裝置包括至少一臺激光器，該激光器充有至少一種激光工作介質(zhì)，上述至少一種激光工作介質(zhì)含有同位素載體物。
20.如權(quán)利要求19所述的設(shè)備，其特征在于上述至少一臺激光器包括單臺激光器，該激光器中充有帶許多同位素的同位素載體物的激光工作介質(zhì)。
21.如權(quán)利要求19所述的設(shè)備，其特征在于上述激光工作介質(zhì)是一種氣態(tài)物。
22.如權(quán)利要求18所述的設(shè)備，其特征在于上述提供被分析物的裝置包括使被分析物在放電中處于氣態(tài)的裝置。
23.如權(quán)利要求18-22中任一項所述的設(shè)備，其特征在于上述監(jiān)測被分析物響應(yīng)的裝置包括測定放電阻抗的裝置。
全文摘要
一種同位素分析方法和設(shè)備，使被分析物保持在一種條件下使同位素載體物處于激發(fā)態(tài)并用含特定波長的光照射，測量被分析物中諸如CO
文檔編號G01N33/497GK1077284SQ93102399
公開日1993年10月13日 申請日期1993年2月3日 優(yōu)先權(quán)日1992年2月3日
發(fā)明者D·E·默尼克 申請人:新澤西州州立大學(xué)(拉特格斯)