CN1077284A - 同位素分析方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种同位素分析方法和设备，使被分析物保持在 一种条件下使同位素载体物处于激发态并用含特定 波长的光照射，测量被分析物中诸如CO₂的多原子 载体物的同位素组成，所用波长与同位素载体物的跃 迁能量相应。检测由不同波长的光引起的光电效应 可测定被分析物与不同波长的光之间的相互使用。 上述光由充有同位素载体物的激光器(10)提供。在 化学或生物试验中，可用¹³C或¹⁸O等稳定同位素作 为示踪物并用本发明的组分测定方法进行检测。

Description

本发明涉及同位素分析及用示踪物同位素进行检测的领域。

通常，需要确定某一材料中各种同位素的含量。同位素是指相同化学元素的、原子核质量不同的不同形式。例如，天然碳主要由¹²C和少量的¹³C和¹⁴C同位素组成，¹²C的原子量为12原子质量单位，¹³C和¹⁴C同位素的原子量分别为13和14原子质量单位（AMU）。¹²C和¹³C同位素是稳定的，而¹⁴C具有放射性，会随时间自然衰变成其它元素。在所谓的“碳定年”中，为了测得试样的年代，要对试样中¹⁴C和¹²C之比进行测量。许多生物和化学检测都采用如¹⁴C之类的放射性示踪物。若用¹⁴C代替天然碳制得可与如一种活组织之类的生物系统或化学系统相互作用的含碳化合物，那么该化合物为用¹⁴C“标记”或“示踪”的化合物。然后，将该生物试样暴露在上述经标记的化合物中，使试样与经标记的化合物相互作用。这种相互作用可生成加入了来自标记化合物的¹⁴C的检测试样或被分析物，其中¹⁴C的含量直接与所关心的生物相互作用有关。例如，在放射免疫试验中，通过使试样受到适于与抗体化学键联的¹⁴C标记抗原的作用可测定生物试样中特定抗体的量。根据试样中测得的抗原量及根据试样而测得的¹⁴C的含量可推算出试样中抗体的量。在其它的检测中，上述试样也可以是由生物试验品排出或渗出的物质。例如，可以将用¹⁴C标记的脲引入试验对象为活哺乳动物的体内，例如可以引入人体内。如果该对象的肠道中存在某种细菌，他呼出的二氧化碳就会含有引入脲中的标记同位素。因此，通过放射性计量测定出对象呼吸中的¹⁴C与¹²C之比就可检测出这种细菌。

通常在这类或其它类测试中常用¹⁴C作为标记同位素，因为通过计量测定¹⁴C衰变时产生的放射性就可检测出这种同位素，而且只要采用较简单的设备就可进行这类计量测定。但是，人们毕竟不希望采用放射性物质。这类放射性物质原本是不稳定的。此外，尽管用于示踪研究的这类天然放射性物质的含量通常很小，但从安全和健康的角度考虑，任何放射性都是不希望的。理论上，可以用稳定、稀有的同位素¹³C作为标记同位素来取代¹⁴C以进行完全类似的示踪研究。然而，要检测出试样中¹³C的含量或¹³C与¹²C之比是很困难的。迄今为止人常常采用质谱仪来进行这类测量。用质谱测定法费用很高且很复杂，这是很突出的缺点，况且在某些情况下还不能采用质谱测定法。因为质谱测定法不能区分相同质量的不同种类的化合物，人们必须极其细心地除去与所关心的那类化合物质量相同的本底原子、分子和原子团。因此，长期以来人们渴望能改进检测被分析物中碳同位素含量的方法。

与此相应，也需要改进检测被分析物中其它元素的同位素含量的方法，例如迫切希望改进测量稀有而稳定的氧同位素¹⁸O的方法和/或测量¹⁸O与常见的¹⁶O之比的方法。这种需求其所以特别迫切是因为普通水分子（H₂O）与¹⁸O原子基本上具有相同质量（18原子质量单位）。通常，哪怕试样中只含有微量的水，也不宜用质谱测定法来测量试样中¹⁸O与¹⁶O之比，尤其在试样中¹⁸O与¹⁶O之比很小时就更不宜用质谱测定法了，因为试样中水所引起的信号会完全掩盖掉¹⁸O的信号。由于上述原因，在化学和生物学研究中¹⁸O没有被广泛用作示踪物。对于其它元素也有类似需求。

在用光谱技术即测量试样获得辐射能后作出的应答来测定试样中同位素的含量方面人们曾作过各种探索。人们早已知道，不同同位素原子的吸收能谱彼此是不同的。在利用这种差别来计量测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“应用物理通讯（Applied Physics Letters）“48（10）期第619-621页中题为”用于同位素分析-测量一氧化碳同位素的高分辨率红外二极管激光光谱法（作者Lee）一文中所提到的，使由可调二极管激光器发出的一束光穿过一氧化碳试样照射到光电探测器上，连续调节激光波长，使每一波长与含有特定氧同位素的一氧化碳分子的基态吸收波长相对应，在每一波长上被吸收的光量及由此而检测到的光量与一氧化碳中所存在的特定的氧同位素的含量有关。但是这种系统复杂而且要求设备具有高灵敏度。由CO的不同同位素所吸收的波长彼此极其接近，波数大约都在（2119.581-2120.235）cm^-1的范围。为了能在该范围内精确调节，采用了所谓的“量子阱二极管激光器（quantum well diode laser）。这类激光器必须在液氮温区下工作，而且只能发出很弱的信号，因此还需要一个庞大而复杂的由LN₂冷却的光接收器。因此，这种方法也未被广泛采用。

Keller等人在1979年5月出版的“Opt.Soc.Am.”69卷第5期第738-742页的题为“铀空心阴极放电中的光电谱法（Optogalvanic    Spectroscopy    in    a    Uranium    Hollow    Cathode    Discharge）一文中披露了一种光谱方法，在该方法中，金属铀在空心阴极放电管中受到溅射。因此，放电管中夹杂有被剥离的处于基态或未激发态的铀原子。使这种放电管受不同波长的激光辐照，通过监测所谓的光电效应即监测激光辐照下放电电抗的变化可以测出激光和放电之间的相互作用。将由²³⁸U原子的一种所谓“超精细”吸收波长下的光辐照所产生的光电效应与由²³⁵U原子的一种超精细吸收波长下的光辐照产生的光电效应进行比较，可测得²³⁵U/²³⁸U的同位素之比。Gagne等人在题为“Effet Optogalvanique Dans Une Decharge a Cathode Creuse：Mechanisme et Dosage Isotopique de l'araniun，Journal de Physique，C7 No.11，vol.44，pp.c7-355到c7-369（1983年11月）一文中也有类似研究的描述。

Tong在题为“用于稳定同位素比率分析的新型激光光谱技术”的PhD论文（Iowa State University，Ames，Iowa，1984年12月，美国DOE报告IS-T-1156）中公开了对铜同位素⁶³Cu和⁶⁵Cu进行分析的其他类似的研究。在这篇论文中报道了使用光电效应测定含有铜原子的放电管中光谱吸收的超精细光谱组成部分。此方法需要一步后续解卷积步骤以得到⁶³Cu和⁶⁵Cu组分的估算值。Tong建议将此技术与铜基示踪物研究法结合起来使用，例如，用一种稳定的铜同位素作为示踪物以研究铜的代谢。该方法中还使用了铜原子基态跃迁。此参考文献还指出，象基态跃迁一样，也可以观察到原子由激发态跃迁而产生的光电效应。但该文章仅建议人们选择“适当的激发波长以使对谱线的干扰最小”。然而，这种方法在企图监测金属原子的超精细吸收时遇到了严重的障碍。由于各种同位素的超精细谱线包括密集交错的吸收波长，就需要用复杂的设备和复杂的数学解卷积技术来分开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、题目为“一种C-13同位素分析器”的申请（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）的已公开的摘要中提到了所期望的尝试，它试图通过当当映射Co等离子体的发射光谱并借助于所谓的“谱线处理算法”以抑制各种源所引起的干扰来测定一氧化碳的¹³C与¹²C同位素比。但这一研究并未得到广泛认可。

由此可见，尽管迄今为目对这种技术已作过种种努力，仍明显地不能满足对改进同位素分析方法的需要。尤其对适于原子序数较小的元素如碳、氮、氧和氢之类的同位素分析方法和装置的改进需求更为迫切。

本发明则致力于满足这些要求。

本发明的一部分内容是给出了一些测定被分析物的同位素组成的方法，该被分析物包括含有多种不同同位素的同位素载体物（isotope-bearing    species）。根据本发明这方面内容得出的一种方法最好包括为分析物提供某种条件，致使被分析物中至少某些同位素载体物处于激发态的步骤。在这种激发态下，至少有部分电子处于比同位载体物的基态或正常态下的能级高的能级上。对于每一种激发态都有跃迁能量，每种跃迁能量都与从激发态跃迁到较低能级时释放的能量一致，或者与从激发态跃迁到更高能级激发态时所吸收的能量一致。对于含有不同同位素的同位素载体物，其跃迁能量各异。该方法还包括使被分析物受到各种波长的电磁辐射（例如光辐射）的步骤，上述波长与处于激发态的含有不同同位素的同位素载体的跃迁能量相应。也就是说，应选择所用光的波长，使得在一种波长下所用光的光子具有的能量等于一种处于激发态的、包含一种同位素的同位素载体物的跃迁能量，而用另一波长时，每个光子具有的能量等于含有另一种同位素的、被激发载体物的跃迁能量。因此，所采用的每种波长的光基本上只与含有一种同位素的载体物相互作用。该方法还包括测定被分析物对所选用的辐照的响应，从而可测定对于每一种所选用的波长这种响应的大小的步骤。

被分析物中的此种同位素载体物最好是多原子部分，例如是分子和多原子离子。上述多原子载体物具有不连续的、完全离散的跃迁能量。所使用的辐射线可以由锁定在上述特定的跃迁能量上的激光器提供。在一种特别优选的安排中，提供辐照的步骤包括操纵至少一台激光器的步骤。该激光器中充有至少一种含这种同位素载体物的能产生激光的工作介质。上述激光器或激光器组应固有地锁定在此同位素载体物的跃迁波长上。在一种更为优选的方法中，通过操纵一台充有一种激光工作介质的激光器来提供激光，该激光工作介质中含有的同位素载体物包括种若干不同的同位素，调节该激光器使之顺序地发射与不同跃迁能量相应的不同波长的光。例如，被分析物中的同位素载体物可以是包含不同碳同位素的CO₂分子，所需的激光可以通过启动一台充有气态激光工作介质的气体激光器（该介质带有含多种同位素的CO₂）并调节该激光器使之顺序地发射出具有与不同同位素相关的波长的光的方式来提供。

最好使被分析物在一放电管中呈气态，以便该放电管能把该同位素载体物维持在激发态。理想的情况是在监测被分析物的响应的步骤中还包括测定如放电阻抗之类的非光学现象的步骤，这样就可以通过观测光电效应来监测被分析物对辐照光的响应。使同位素载体物处于激发态有助于大大增强响应。更可取的是处于激发态的被分析物中的光电效应比处于基态的被分析物中的光电效应更容易检测。可以直接应用在不同波长下所测得的响应，或者较可取的是对所测得的这些响应的数据求比值获得被分析物中同位素含量的比的测量值。

本发明此部分内容中所推荐的方法可以用于测定如碳、氧、氮和氢之类的元素的同位素比或被分析物中不同同位素的丰度。在一些特别优选的方法中，可从由碳氧化物、氮氧化物、二元氮、水蒸汽及它们的组合物的集合中选择同位素载体物。二氧化碳是一种很好的同位素载体物。最好被分析的各种同位素都是稳定的、非放射性的同位素。

根据本发明另一部分内容建立起来的方法还进一步包括从试验对象中提取被分析物，从而使各种同位素的含量随该试验对象的特征而变的步骤，这样，被分析物对不同波长的响应的大小就能表示出该试验对象的特征。在一些较为优选的安排中，试验对象是一种活体组织，提取被分析物的步骤包括使该活体组织受到含有一种同位素的至少一种试剂的作用的步骤。按本发明这部分内容所提出的方法中，选用稳定的同位素尤为可取。以本发明这部分内容为基础所提出的优选的方法，可以允许在迄今为止均采用放射性示踪物的测试中采用稳定的同位素作为示踪物。

另一方面，本发明还提供了测定被分析物的同位素组成的设备。本发明的这些测试设备最好包括为被分析物提供条件以使被分析物中的同位素载体物处于激发态、从而使含有不同同位素且处于激发态的同位素载体物具有不同的跃迁能量的装置。这些设备最好还包括产生适于被分析物的、与不同跃迁能量相应的不同波长的电磁辐射的装置，以及测定被分析物在所用的辐照下的响应，从而测定出被分析物对由辐射装置发出的不同波长的每种波长的响应的大小的装置。在提供被分析物的装置中最好包括使含有多原子同位素载体物的被分析物保持在气态并处于激发态的装置。该装置还可包括维持被分析物中放电的装置。上述测定被分析物响应的装置可包括测定放电阻抗的装置。上述用于辐射的装置可以包括一台或多台激光器，激光器中充有至少一种含同位素载体物的激光工作介质。根据本发明这方面内容所提供的设备可用于实现上述方法。

下面结合附图对优选实施例进行详细描述，通过这些描述将更清楚地反映出本发明的上述目的及其它目的、特点和优越性。

图1是根据本发明的一个实施例的设备的方框图;

图2是图1设备中激光器的剖视示意图。

本发明的一个实施例的设备包括一台激光器10。如图2所示，激光器10包括一个支座12及固定在该支座上的细长的放电管14。一对放电电极16和18伸入放电管14的空腔内。放电管两端装有布鲁斯特窗或偏振窗20。部分反射输出镜22装在放电管14的第一端或输出端的附近，并对中窗20。输出镜22上装有常规校正装置，以便将输出镜校正在所需的平面内。一个衍射光栅24可绕枢轴转动地装在支座12上与放电管14的第二端相邻的位置上，并与输出镜22相对。光栅24与调节螺钉26相接，通过调节螺钉使光栅可相对于管14的轴线倾斜。调节螺钉26又与波长调节单元28相连，以便将螺钉的位置信号因而也将光栅的位置信号转送到外部控制设备中。支座12有一个开口30，该开口位于管14输出端一侧并与管轴线对中。激光放电功率源32与电极16和18相连，以便在放电管14中产生放电。上述激光器10的各部件与传统的可调谐气体放电激光器的结构和工作原理相同。在传统的结构中，光栅24使入射到它上面的光发生衍射，衍射光随其与光栅平面的角度不同而有不同的波长。通过调节螺钉26，可使光栅24定位在一特定位置，致使当一束具有特定波长的光沿放电管14的轴向通过窗口20射向该光栅时，有选择地使特定波长的光沿管的轴间反向衍射，而其它波长的光则离轴衍射。

管14中充有含CO₂约9%的混合气体，混合气体中另含约80%的He和11%的N₂。混合气体的绝对压力约为6乇。该混合气体中的二氧化碳分子有一种异常的碳同位素组成。术语“异常同位素组成”在本文中当用来讨论一种元素时，意指同位素之间的比例与地球上自然存在的该元素的来源中同位素间的比例不同。具体说来，在上述混合气体所含的CO₂中，¹³C与¹²C之比要比地球上自然存在的CO₂中的比例高得多。可取的是混合气体中的CO₂至少含约10%的¹³C，尤为可取的是至少含约40%，最好¹²CO₂的含量在约40%-60%之间，余下的部分主要由¹²CO₂组成。CO₂中的氧具有普通的同位素组成，因而主要由¹⁶O组成。

激光器10与图1中所示的其它装置配合工作。激光器的输出窗孔30沿第一光路42射向部分反射镜44。镜44安装成将大部分光沿另一光路46反射，而让一小部分占固定比例的光通过该镜而射到光功率计的输入端。被反射的光沿光路46经一个全反射镜50射到斩波器54的光线入口52。斩波器54是一个可控光闸装置，用来中断由入射口52射入的具有预选频率的光束，并将截断了的光束经光出射口56沿光路57输出。斩波器54还有一个电信号输出端58，当光束未被截断时，斩波器的输出端58发出一个第一信号，当光束被截断时，其输出端发出一个不同的第二信号。将一个由绝缘材料制成的试样盒60放置在斩波器54的光输出端56和全反射镜66之间，该试样盒具有透明端壁62和64。希望将试样盒制成空心管状容器，容器两端壁62和64之间的试样通过长度至少约3cm。称心的试样盒60的容积应小于约100cm³，最好小于约10cm³。端壁由可透过测量过程中所用的光的绝缘材料制成，最好用硒化锌制成。将试样盒60和镜66安装成使得发出的光通过斩波器54的光出口56沿光路57再通过端壁和样品室的内部射到镜66上，再由镜66通过端壁64反射到试样盒的内部。

试样盒60的内腔经过一个切断阀69与一个压力控制装置68相边，该压力控制装置可以包括一台通用的真空泵和一个压力传感器（未示出）。试样盒60的内腔经过另一切断阀71与气体混合器70相通，气体混合器可以包括一根常规的混合集气管。混合器70与载气供给单元72相通，该供气单元包括常规的容纳所需载气的贮气容器，容器上装有压力调节器和流量调节器。混合器70还与盛装待研究的被分析物试样的试样供给单元74相连。将试样供给装置74、载气供给单元72和混合器70安装成当切断阀71打开时可使含有按任何所需要的比例混合的被分析物和载气的混合气体通过该切断阀，进而充入盒60的内部。

电感线圈78大致绕在盒60上。选择该线圈的开关和尺寸，使得在由线圈60电感所生的合适的电场的作用下，试样60中存在的气体之间可以保持放电。

线圈78与放电电源80相连，以向线圈78提供射频或称“RF”电能。最好采用所谓“ISM”频率（这些频率是由政府射频谱管理部门为用于工业、科学和医学而分配的），尤其可取的是采用的频率范围为约10MHz-约20MHz。当然，也可用其它频率。若用一组适当的电极代替线圈78，则可以用直流电（频率为0）。也可将线圈78和电源80与阻抗监测装置82相连，该阻抗监测装置用于将一个表示线圈内部形状的阻抗因而也表示试样盒60中的气体的阻抗的电信号传送到输出线84上。阻抗监测装置82的具体结构取决于放电电源80的构造。在一种典型的阻抗监测结构中，测量由电源提供的、维持放电的电流。用于测定放电、阻抗的各种装置是放电系统领域普通专业人员所熟知的，此类装置中任一装置都可采用。

阻抗监测装置的信号输出线84与锁定放大器86的信号输入端相接。锁定放大器86还与斩波器84的电信号输出58相连。锁定放大器可用于有选择地放大与信号线58上的信号同步的线84上的信号分量。也就是说，该锁定放大器只选择那些直线84上随斩波器动作同步变化因而也随光路57上光线周期地通和断变化的阻抗信号分量进行放大。于是，该锁定放大器就产生一个在与斩波器54的截光频率相应的频率变化于第一和第二极值之间的振荡信号。此振荡信号表示与通过光路57的光线变化相应的阻抗分量，而将不随所用光而变的阻抗分量排除在该振荡信号之外。锁定放大器的输出信号为该振荡信号的平均值。

锁定放大器的输出信号经输出线88被送至控制和计算的计算机90。计算机90也与功率计48相连，以接收功率计给出的光功率读数。该控制和计算的计算机还与激光器10的激光放电电源32（见图2）相连，以便计算机90能控制放电功率。此外，该控制和计算装置还与激光器的波长调节单元（见图2）相连，因而计算机90能随时接收表示所用的特定波长的信号。该计算机还配有常规的输入输出设备，如键盘、显示器和打印机（未示出），用户可以输入控制指令及得到结果。

在根据本发明一方面内容的一种方法中，将含有二氧化碳（包括普通¹²CO₂和¹³CO₂）的被分析物充入试样供给装置74中。用N₂∶CO₂的克分子比约为20∶1的氮气与被分析物混合。通过切断阀71将气体混合物送入试样盒60中，启动压力控制装置68的真空泵，使盒60中的压力达到适于辉光放电的压力。此压力应低于约15乇，可取的是低于5乇，最好是在约3乇到5乇之间。当压力达到所需值时，关闭阀71和69，以隔离盒60的内腔。接通放电电源80，以便给盒60中所充的气体提供射频能量，于是产生放电。放电使试样盒60内大部分CO₂分子处于激发态，即处于比正常态或基态能级高的状态。也就是说，处于放电中的CO₂分子不再是处于热力学平衡状态，而是处于高能量的亚稳态或稳态。接通激光放电电源32（见图2），使激光放电管14中产生放电，从而使激光管中的混合气体处于类似的激发态。

处于每一种激发态的CO₂分子只能独立地、量子化地向较低能级或更高能级跃迁。每一次跃迁都要释放或吸收一特定的、量子化的能量。于是，在每次跃迁中，都要释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长。据此，每一次跃迁都与特定波长有关，而处于激光管14辉光放电中的CO₂分子只能发射出特定、离散的波长的光，每一个这种离散的波长都与一次跃迁有关。¹³CO₂分子的跃迁能量及与此有关的跃迁波长和¹²CO₂分子的跃迁波长明显不同。下表Ⅰ示出了一些重要的跃迁波长。

表    Ⅰ

¹³CO₂和¹²CO₂的某些跃迁波长:

光束I    波长(微米)

¹³CO₂ ¹²CO₂

P(12)    11.06    10.51

P(14)    11.08    10.53

P(16)    11.10    10.55

P(18)    11.12    10.57

P(20)    11.15    10.59

P(22)    11.17    10.61

P(24)    11.19    10.63

P(26)    11.22    10.65

P(28)    11.24    10.67

P(30)    11.26    10.70

由于管14中的气体混合物既含有¹³CO₂又含有¹²CO₂，所以激光管中的气体混合物¹³CO₂和¹²CO₂都会出现跃迁，于是将发射出与两类跃迁相应的波长的光。

根据光栅24与激光管光轴的夹角及与输出镜22所在平面的夹角，通过放电管14的布鲁斯特窗20射出的具有选定波长的光有选择地沿激光管的轴反射回来。该特定波长随光栅24的位置改变而不同。当由光栅所建立的波长与¹³CO₂或¹²CO₂的某一跃迁波长一致时，反射回来的光将激发具有相同跃迁波长的附加发射，导致发射出一束具有特定跃迁波长的强的、大体上为单色的相干光。一部分光通过部分反射镜22及激光器的输出窗口30沿光路42射出。波长调节单元28将调节螺钉26的位置传送给控制单元90，因此也是将激光器10发出的激光的波长传送给了控制单元90

首先，将激光器调整到发射的激光波长为¹³CO₂跃迁波长。由激光器10发射的激光沿第一光路42射到部分反射镜44上。照射到镜44上的光的固定部分射入功率计48。功率计将这部分光转换为与激光光束的功率成正比的电信号，再将此信号送到可控制和计算的计算机90。通过控制由激光放电电源32（见图2）提供激光放电的功率，计算机90可控制激光光束的功率。大部分激光光束沿光路46经镜50射入斩波器54，该斩波器以选定的截光频率截断光束。斩波器使光束在每一通断周期中中断和通过的时间之隔大体相等，也就是说，使通过斩波器出口56沿光路57射出的光束具有大约50%的时间通，50%的时间断的工作周期，并且在选定的截光频率下，通过和截断来回切换。

由斩波器射出的、通和断交替的光束经窗62射入试样盒60的内部，并穿过盒内的放电区由窗64射出，经镜66反射到试样盒内。通过盒60内放电区的光与放电中处于激发态的¹³CO₂分子相互作用。当光束具有某一与¹³CO₂在较高能级激发态和如较低能级激发态或基态之类的较低态之间跃迁相一致的特定波长时，光将与处于第一或较高能级激发态的¹³CO₂分子相互作用，使之在高能级激发态与较低态之间发生共振跃迁。但该光束基本上不与盒60内放电中的¹²CO₂相互作用。

光激发的跃迁将改变放电管中¹³CO₂分子的能态分布，因而通过所谓的光电效应也就改变了放电阻抗。虽然本发明不对其工作原理进行任何探讨，但仍可认为光电效应是由跃迁引起的放电电离状况的变化或总的电子温度变化的结果。因此，当激光器10发射具有与处于激发态的¹³CO₂的跃迁能量相应的跃迁能量的激光时，试样盒60中放电阻抗将在斩波器54使光线通过和斩断光束时的第一值和第二值之间变化。放电阻抗不会随光束的通、断瞬时变化，而需要一段短而有限的转变时间，以达到在新的数值下的平衡。通常，该转变时间为几微秒的量级。选择斩波器的循环周期，使其每次的通时间和每一截断时间大体上比转变时间长。例如，斩波器频率可以低于约500Hz，通常约为200Hz到约350Hz。在斩波器接通的时间内，放电阻抗平衡于第一值上，在斩波器断开的时间内，放电阻抗平衡于第二值上，上述放电阻抗的第一、第二值之差即为与所用光束波长有关的特定的¹³CO₂跃迁的光电信号。由阻抗监测装置82测得的阻抗信号中的交流分量则反应出阻抗的变化。锁定放大器84将上述交流分量隔开，送至控制计算设备90，信号岭间值由计算机当作光电信号而记录下来。

对于给定装置，在固定的放电条件下：

S₁₃＝[P₁₃][M₁₃][W₁₃] （1）

其中：

S₁₃为用于特定的¹³CO₂跃迁的光电信号;

P₁₃为试样盒60中气体内¹³CO₂所占的分压或分子浓度;

W₁₃为与¹³CO₂跃迁相应的波长下激光光束的功率;

M₁₃为一比例常数，它与下述因素例如用于特定跃迁的光电效应的大小、在放电条件下处于激发态的¹³CO₂分子的比例以及装置的结构有关。

上述关系式适于W₁₃的值低于饱和值的情况。该饱和值为激发几乎所有处于第一激发态的¹³CO₂发生跃迁所需的激光光束的功率。而大于该极限功率时，即使再提高激光束功率，光电信号S₁₃也不会增强。

得到¹³CO₂的光电信号后，调节螺钉26（见图2），使光栅24定位于另一角度而将激光器10调到与¹²CO₂跃迁相一致的波长，使激光器在¹²CO₂的这种跃迁波长下工作。从激光器射出的与¹²CO₂跃迁相应的光束与处于某一特定激发态的¹²CO₂分子相互作用，而基本上不与试样盒60中的¹³CO₂相互作用。斩波器54重又反复截断沿光路57射入试样盒60中的光束，使得由阻抗监测器82测得的放电阻抗在第一值和第二值之间反复振荡，上述第一值和第二值之差就是使¹²CO₂跃迁的光电信号。在这种情况中：

S₁₂＝[P₁₂][M₁₂][W₁₂] （2）

其中：S₁₂为¹²CO₂跃迁的光电信号;

P₁₂为试样盒60内¹²CO₂气体中的分压或分子浓度;

M₁₂为该特定跃迁的比例常数;

W₁₂为具有与¹²CO₂跃迁相一致的波长的激光光束的功率，在该波长下工作期间由功率计48测量比功率。此公式仅适于功率W12值低于激发放电中所有处于激发态的¹²CO₂分子跃迁所需的饱和值的情况。与S₁₃一样，S₁₂也是由阻抗监测装置82送出的信号中与斩波频率相应的占率的交流分量的岭间值。此交流分量由锁定放大器86隔出，并送至控制和计算单元90。

试样中同位素之比或¹³CO₂与¹²CO₂之比由以下公式给出：

$\frac{{\mathrm{［S}}_{\mathrm{13}}{\mathrm{］\; ［M}}_{\mathrm{12}}{\mathrm{］\; ［W}}_{\mathrm{12}}］}{{\mathrm{［S}}_{\mathrm{12}}{\mathrm{］\; ［M}}_{\mathrm{13}}{\mathrm{］\; ［W}}_{\mathrm{13}}］}=\frac{P_{\mathrm{13}}}{P_{\mathrm{12}}}{\mathrm{=R}}_{\mathrm{13/12}}$

其中R_13/12为试样盒60内的被分析物中¹³CO₂与¹²CO₂之比。也可按另一公式求出：

$\frac{{\mathrm{［S}}_{\mathrm{13}}{\mathrm{］\; ［W}}_{\mathrm{12}}］}{{\mathrm{［S}}_{\mathrm{12}}{\mathrm{］\; ［W}}_{\mathrm{13}}］}{\mathrm{K=R}}_{\mathrm{13/12}}$

其中：K为修正系数，它等于M₁₂/M₁₃，对于试样盒60中特定的¹³CO₂和¹²CO₂跃迁、装置结构及放电功率条件该值是固定的。K值可用已知R_13/12值的气体校准该装置而得到。

¹²CO₂的跃迁能量与¹³CO₂的跃迁能量不同，所以与¹²CO₂跃迁相应的波长不会激发¹³CO₂跃迁，或者不会对¹³CO₂产生明显的影响。在¹²CO₂波长下的光电信号大体与¹³CO₂的浓度无关。换句话说，在系统中选择使用特定的¹²CO₂和¹³CO₂的跃迁，使¹²CO₂跃迁的跃迁能量不同于任何¹³CO₂跃迁的跃迁能量，而系统中所用的¹³CO₂跃迁的跃迁能量同样也不适于任何¹²CO₂的跃迁。同样，选择特定的跃迁能量和跃迁波长，使该跃迁波长与系统中存在的其它气体种类的跃迁波长不同，例如与载气的跃迁能量及所预料的杂质的跃迁能量不同。例如，若被分析物中的CO₂是从生物源中提取的，它含有水，则应选择跃迁波长使其与水分子、OH^-离子或由于杂质存在而在放电管中含有的络合物的跃迁波长不同。上面所讨论的方法和设备具有极高的灵敏度而且检测限低，即使同位素比率R_13/12的值低至约10^-4至约10^-6，仍可准确测量。为了测量小数值的R，所选择的跃迁能量应具有高的M₁₃值，致使在测量S₁₃过程中具有相当大的S₁₃值和最大信噪比。在这种情况下，所推荐采用的¹³CO₂跃迁波长约为11.12微米。同样，也应使¹³CO₂发生跃迁的激光光束功率W₁₃接近饱和功率。在这种情况下，为了确保¹²CO₂信号S₁₂具有可与S₁₃相比的量级，可以采用M₁₂值较小的跃迁波长和/或较低功率的CO₂跃迁光束，该光束的W₁₂值低。也有很多具有低M₁₂值的¹²CO₂微弱的跃迁，其中有些跃迁波长为10.49微米、10.30微米和10.76微米。

可以对上面已讨论过的方法和设备在许多方面作出改变。在一种变型中，采用了两台独立的激光器。每台激光器在一种跃迁波长下工作，每一束激光通过光路上不同的斩波器射到试样室上。两个斩波器的截光频率不同，使具有不同跃迁波长的两束激光光束以不同占率通过和截断。可以同时使用此两束激光。在这种情况下，从阻抗监测装置输出的信号包括其频率为两个分离的截光频率的两个分开的交流分量。将上述阻抗监测装置的输出信号送至两个独立的锁定放大器，每个锁定放大器在各自的截光频率下工作，因而，对于两种同时采用的波长中的一种，每个锁定放大器可隔出一个截光频率下代表光电效应信号的交流分量。

按照另外一些变型，可以通过监测除光电效应以外的现象来测定被分析物对不同波长的光的响应。照射光束与放电气体相互作用将在放电管中产生机械压力。当以给定频率截断光线时，反复的通、断循环在放电时会形成声波，其频率为截光频率。对于不同波长的光，可以用这种光声效应的大小来取代光电效应的大小。但是，一般来讲，光声效应的灵敏度较低。

如上所述，照射光和被激发的同位素载体分子之间的相互作用可激发该类分子在不同态之间跃迁。根据定义，任何跃迁都涉及较低能态和较高能态。每一跃迁都可按第一方向进行，即从较低能态跃迁到较高能态，或者按从较高能态跃迁到较低能态的第二方向进行。以第一方向跃迁则吸收入射光子，而以第二方向跃迁则发射光子。放电管中能级的布居决定了主要是以第一方向跃迁还是以第二方向跃迁。因此，在某些放电条件下，对特定波长的光的主要响应可以是吸收作用或称以第一方向进行，而在另一些放电条件下，对某些波长的光的主要响应可以是发射或称以第二方向进行。这种作用可以形成光电信号，也可以形成光声信号。如果主要作用是发射或跃迁到较低能级，对照射光的响应包括在与跃迁能相应的波长上发射更多的光子。因此通过被分析物在该波长上的发射可将与该跃迁能相应的波长的照射光放大。可测量出这种作用，并可将其用来表示不同跃迁波长的光对被分析物的作用。可以对图1所示设备进行改造，用一个光功率计代替镜66，不用斩波器54，而变更放电电源，使其在选定的开关频率下反复放电和中止放电，这样就得到了这类测量设备。上述附加的功率计可测出激光光束通过试样盒60内放置有被分析物的放电区之后的功率。比较放电和中止放电时附加功率计上的读数可得知放大的程度。这种仪器可以重复测量与两种同位素有关的两种跃迁波长的光。

由照射光激发的跃迁可以称之为一次跃迁。在某些情况中，一次跃迁是使处于激发态的同位素载体物跃迁到较高能级或较低能级的激发态，然后在进一步的二次跃迁中衰变成第二低能态。上述第二低能态可以是另一种激发态或基态。每一次这样的二次跃迁发出具有第二跃迁波长的光子。二次跃迁的量亦即发射出的具有第二跃迁波长的光的数量随由照射光激发的一次跃迁的量增加而增加。因此，可以用被分析物发出的具有第二跃迁波长的光的数量来测定入射光对被分析物的作用。采用具有第一跃迁波和工的入射光通过测量在第二跃迁波长下的发射可测出上述响应，上述第一跃迁波长与处于激发态的、含有一种同位素的载体物的一次跃迁有关。采用具有第二种一次跃迁波长的光可以监测出所引起的第二种发射，上述第二种一次跃迁波长与处于激发态的、含有另一种同位素的载体物的一次跃迁有关。将由具有第一种和第二种一次跃迁波长的入射光引起的二次发射的振幅与被分析物中同位素比率的给定测量值进行比较，可以用常规的光电管探测器检测上述二次发射。通常，这类仪器中的光电管检测器装有一个波长选择滤波器，该滤波器的作用是滤掉具有一次跃迁波长的光而使具有二次跃迁波长的光通过。也可以交替使用第一种和第二种具有一次跃迁波长的光，在这种情况下，该光电管检测器发出的信号将顺序地表示处于激发态的、含有两种同位素的载体物的二次发射。或者，如果以一个不同的频率截断具有每种一次跃迁波长的光，或调制其振幅，也可以同时使用具有两种一次跃迁波长的光。在这种情况下，由光电控测器发出的信号包括随时间而变的、具有两种不同调制频率的分量，上述不同调制频率代表由两种不同的一次跃迁波长的辐射引起的二次发射。可以将这些信号分离成代表对每一个一次跃迁波长响应的离散信号。

在上面讨论过的设备中，用一台或多台充有激光工作介质的激光器可以获得用于照射被分析物的光。上述激光工作介质中含有在被分析物中所存在的同位素载体物。在上面讨论过的用CO₂作为同位素载体物的设备中，可以用充有¹³CO₂和¹²CO₂混合气的单台CO₂激光器或两台独立的CO₂激光器来获得照射光。最好选用这类设备，因为照射光原本就要调到上述同位素载体物的跃迁波长。当然，也可采用其它光源，只要该光源能发出具有合适的跃迁波长的光。例如，可以采用可调的染料激光器或波长连续可调的其它类型的激光器。可以将这类激光器发出的光锁定在与特定同位素有关的跃迁频率上。例如，可以将部分激光光束射到一个与上述试样盒类似的参照盒上。该参照盒中充有与已知同位素载体物样品一致的气体混合物，还有一个与其有关的放电电源。也可用如上面所讨论的监测光电效应或发射的装置来监测激光光束与参照盒中的放电的相互作用。将这种相互作用（如光电信号）作为反馈信号送至激光器的调频装置，这样，调频装置能将激光频率调到使激光光束与参照盒中的已知样品之间的相互作用最大的频率上。

也可以采用除CO₂之外的同位素载体物。通常，任何多原子部分例如分子、多原子离子或多原子游离基均可用作同位素载体物，只要这些部分足以稳定到在所用的试验条件下处于激发态时能保存适当的量。例如，在被分析物中发生放电时，用作同位素载体物的部分应当稳定到足以在放电条件下能保存适当的量。用作同位素载体物的稳定分子最好含有的原子数较少，通常应少于5个原子，更理想的是3个或更少于3个原子。尤为可取的是该同位素载体物在室温或接近室温的条件下为气态。原则上本发明的方法的设备可用来测定被分析物中任何元素的同位素组成，然而，它们尤其适于测定被分析物中含由碳氧、氮和氢组成的族中择出的元素的同位素组成。例如，同位素载体物中的许多同位素可以是一些碳的同位素，氧的同位素，氮的同位素或氢的同位素。对这类分析而言，尤其可取的同位素载体物是碳氧化物，氮氧化物，N₂和H₂O。对于测定氧同位素浓度而言，与其用碳不如用CO₂作为同位素载体物，在这种情况下，可选择跃迁波长使之与¹²C¹⁶O₂的跃迁波长以及与¹²C¹⁶O¹⁸O的跃迁波长一致。在这种情况中，可用加入了¹²C¹⁸O₂和¹²C¹⁶O¹⁸O的CO₂激光器提供入射光。用¹²C¹⁶O₂和¹²C¹⁸O₂作为同位素载体也可使用类似的系统。与此相似，可用¹⁴N₂及¹⁵N₂和¹⁵N¹⁴N中的一种或二者作为同位素载体物测定试样中氮的同位素组成。可以用一台含有这些同位素载体物的氮激光器提供入射光。本发明的方法还可用来测定被分析物中多于一种元素的同位素组成。在这种情况中，被分析物中的同位素载体物应包括同位素载体物的混合物，例如上述优选的同位素载体物的混合物。

无论这些同位素是稳定的还是放射性的，本发明的方法和设备可用于测定被分析物的含量。但是测定稳定的非放射性同位素的含量的方法尤其有用，因为这些方法可以用稳定同位素作为示踪物。例如，本发明的方法还可包括从试验对象中提取含同位素载体物的被分析物，使得被分析物中不同同位素的含量随试验对象的特征而变的步骤。这样，按上述步骤本应测到的同位素组成就能表示出试验对象的特征。该试验对象可以是化学系统，物理系统或生物系统。例如，可以从试验对象上取出试样而获得被分析物，如果需要的话，可以将试验对象的一种或多种化学组分转换成所需要的同位素载体物。例如，可以将试样中的碳载体组分转换成二氧化碳。从试验对象中提取被分析物的步骤可以用另一步骤代替或附加上另一步骤，此步骤为使试验对象受到加有用作示踪物的特定同位素的试剂的作用，其中的示踪物最好是一种稳定的非放射性同位素。例如，在试验对象是一种活体组织的情况中，当将试剂加入营养基中时，该试验对象可以受到试剂、试验对象的环境中的空气或水的作用。从由器官排出的渗出的或呼出的物质中或者从作用后的器官中取出的组织试样中可得到被分析物。

例如，一种医学检验方法包括将用放射性¹⁴C标记的脲引入怀疑患有溃疡（例如十二指肠溃疡或胃溃疡）的病人体内。通常这类病人是被对幽门有影响的趋光菌（Heliobacter phylori）感染，引入标记有¹⁴C的脲之后，如果体内存在这种微生物，大部分所施用的用¹⁴C标记的脲会迅速转变成CO₂，所以施用了用¹⁴C标记的脲的病人呼出的气中含¹⁴CO₂的比例会相当高。通过检测呼出气中¹⁴C的放射性可方便地测出这种比例。按照本发明，也可用以¹³C标记的脲代替用¹⁴C标记的脲。用上述方法和设备就可确定出病人呼出的气中¹³CO₂的比例。对医学和生物学领域的普通专业人员而言，用放射性同位素作为示踪物的很多方法都是公知的。用每一种方法都可得到一种含有放射性示踪原子、同位素的被分析物。通过测定被分析物放射出的放射性的量可确定出被分析物中示踪原子的量。根据本发明，用稳定同位素作为示踪物可重复这些方法，而且用已讨论过的方法和设备可以确定这些稳定的示踪原子同位素的含量。属用本方法可复现的方法如蛋白质、抗原、抗体、核酸之类的生物分子的可选择结合、吸收或解吸。属于这些方法之列的是结合分析方法和竞争性结合分析方法，例如放射性免疫测定和放射性标记的肺部扫描。按照上面已讨论过的方法和设备，除可以采用稳定同位素并从所得到的被分析物中确定这种同位素的含量之外，检测过程中所包含的生物或化学反应完全与用放射性同位素作为示踪物的情况相同。本说明书中所用的术语“光”意指电磁辐射，完全不局限于可见光，因此，可以使用与特定跃迁能量有关的波长、可见光波长、红外光波长、紫外光波长及其它波长。

还应想到，在不超出本发明权利要求书所限定的保护范围的情况下，可以对上面已讨论过的特点作各种改变和组合。因此，上面对各优选实施例的描述只能作为对由权利要求书限定的本发明的具体解释，而不能看作对本发明的限制。

下面的非限制性实例可具体说明本发明的某些特征：

实例

用纯度为分析纯（99.995%）的瓶装二氧化碳作为试样，干燥的氮气作为图1所示的设备中的载气导入试样盒中。气体的混合比为1∶19，盒中压力为3.61乇。首先，将充有含¹³CO₂∶¹²CO₂约为1∶1的CO₂激光器调节到使¹²CO₂P（20）在10.59微米波长下跃迁，斩波器工作频率为311Hz，激光器输出为1.94W。然后，将该激光器调节到使¹³CO₂的P（20）线的波长为11.15微米，输出功率为0.71W。由锁定放大器送出的平均光电信号所产生的每单位功率的信号比为0.0198（信号为3650μV和26.50μV）。假定上述瓶装的CO₂可代表天然CO₂的同位素组成（含¹³CO₂1.108%），测量修正系数为0.5596。

Claims (23)

1、一种测定被分析物的同位素组成的方法，该被分析物包括一种含有许多同位素的同位素载体物，该方法的其特征在于通过若干步骤为上述被分析物提供条件，使该同位素载体物处于激发态，从而使处于激发态的、含有不同同位素的同位素载体物具有不同的跃迁能量；使上述被分析物经受与不同跃迁能量相应的若干波长的辐照，借此使每一波长的辐射线有选择地与含有上述同位素的不同的同位素载体物的被分析物中的被激发的同位素载体物相互作用；监测上述被分析物对所用辐照的响应，从而测定出对上述每一波长的响应的大小。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于上述同位载体物是一种多原子部分。

3、如权利要求2所述的方法，其特征在于上述多原子部分是一种含有少于5个原子的分子。

4、如权利要求1所述的方法，其特征在于在上述提供被分析物的步骤中还包括使被分析物成为气态的步骤。

5、如权利要求4所述的方法，其特征在于在上述提供被分析物的步骤中还包括使上述气态被分析物保持在放电状态的步骤。

6、如权利要求1所述的方法，其特征在于在上述监测被分析物的响应的步骤中还包括测定上述放电阻抗的步骤。

7、如权利要求6所述的方法，其特征在于在上述应用辐射的步骤中还包括周期地变化所述辐照幅度的步骤并且上述监测电阻的步骤包括测定随幅度变化而同步变化的阻抗分量的步骤。

8、如权利要求1所述的方法，其特征在于在上述应用辐射的步骤中还包括操纵至少一个激光器的步骤，该激光器充有至少一种含有上述同位素载体物的激光工作介质。

9、如权利要求8所述的方法，其特征在于上述至少一个激光器包括单个充有含带一些不同同位素的同位素载体物的激光工作介质，上述操纵至少一个激光器的步骤包括调节该单个激光器以产生与上述跃迁能量相应的若干波长的激光。

10、如权利要求9所述的方法，其特征在于上述调节单个激光器的步骤包括将该单个激光器顺序地调节到上述一些波长上的步骤。

11、如权利要求8所述的方法，其特征在于在上述提供被分析物的步骤中包括提供气态被分析物的步骤。

12、如权利要求1-11中任一项所述的方法，其特征在于在被分析物中的一些同位素是从由碳、氧和氮组成的族中择出的一种或多种元素的一些同位素。

13、如权利要求12所述的方法，其特征在于在上述同位素载体物是从由碳氧化物、氢、氮氧化物、N₂、H₂O及其组合物组成的族中择出来的。

14、如权利要求13所述的方法，其特征在于在上述同位素载体物为二氧化碳。

15、如权利要求1-11中任一项所述的方法，其特征在于上述一些同位素是稳定的同位素。

16、如权利要求15所述的方法，其特征在于通过从试验对象中提取被分析物的步骤，使被分析物中的稳定同位素的含量随试验对象的特征而变，借助于对不同波长响应的大小表示出上述试验对象的上述特征。

17、如权利要求16所述的方法，其特征在于在上述试验对象是一种活体组织，上述提取被分析物的步骤包括使上述活体组织受到至少一种试剂的作用，该试剂含一种上述的稳定同位素。

18、测定被分析物的同位素组成的设备，该被分析物包括含有许多同位素的同位素载体物，该设备的特征在于包括使被分析物处于非平衡态而使上述同位素载体物处于激发态、从而使含有不同同位素的被激发的同位素载体物具有各种跃迁能量的装置;使被分析物经受与所述的不同的跃迁能量相应的一些波长的辐照作用从而使每一波长下的辐射线有选择地与含有上述同位素的不同的同位素载体物的被分析物中的被激发的同位素载体物相互作用的装置;以及监测上述被分析物对所用辐照的响应从而测定出对上述每一波长的响应的大小的装置。

19、如权利要求18所述的设备，其特征在于上述辐照装置包括至少一台激光器，该激光器充有至少一种激光工作介质，上述至少一种激光工作介质含有同位素载体物。

20、如权利要求19所述的设备，其特征在于上述至少一台激光器包括单台激光器，该激光器中充有带许多同位素的同位素载体物的激光工作介质。

21、如权利要求19所述的设备，其特征在于上述激光工作介质是一种气态物。

22、如权利要求18所述的设备，其特征在于上述提供被分析物的装置包括使被分析物在放电中处于气态的装置。

23、如权利要求18-22中任一项所述的设备，其特征在于上述监测被分析物响应的装置包括测定放电阻抗的装置。

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