狭帯域半導体レーザーを用いた極微量同位体分析手法に関する研究

緒言レーザーキャビティーリングダウン(CRD)吸収分光法は、単純かつ高感度で、対象とする検出物質の絶対濃度が測定可能な分光法である。本研究では、狭帯域波長可変半導体レーザーによる高速走査型CRD吸収分光法を用いたコンパクトかつ簡便な同位体計測手法の確立と適用性評価を目的とし、二酸化炭素同位体分子種(^<12>CO_2、^<13>CO_2)を分光対象としたCRD吸収分光基礎実験を通じて^<13>C/^<12>C同位体比分析を試みた。CO_2同位体測定実験高フィネスファブリーペロー型光共振器(FPI)を構築し、波長1.6μm DFB半導体レーザーを入射した。共振器長をピエゾ素子により高速(〜10^<-4>m/s)で走査すると、光共振器内で光の蓄積・減衰が繰り返される。この様子をFPI透過光強度としてInGaAs/PINフォトダイオードで検出した。この透過光強度(リングダウン信号)の減衰速度は吸収物質の濃度と比例関係にあるため、この減衰速度より光共振器内に導入したCO_2ガスの吸収スペクトルを測定した。結果と今後の課題その結果、^<12>CO_2/^<13>CO_2に対応した吸収線が測定され、それらのピーク面積(濃度)より求めた^<12>CO_2/^<13>CO_2の同位体比は^<13>C/^<12>C=(0.97±0.42)%であり、天然存在比1.122%と不確かさの範囲内で一致することを確認した。また、高分解能吸収線データベースHITRANとの比較を通して本方式の測定限界濃度を算出した結果、0.1atm・296Kで測定を行う場合、二酸化炭素濃度が約1%(^<13>CO_2:100ppm)まで測定可能であることが分かった。現時点では精度が不十分ではあるが、データ取り込みの高速化を行い統計精度上げる等の改良を行うことで人間の呼気を用いた医療診断技術等への応用や大気循環トレーサーとしてのCO_2中の炭素同位体比リアルタイム計測が可能であると考えられる。

緒言レーザーキャビティーリングダウン(CRD)吸収分光法は、単純かつ高感度で、対象とする検出物質の絶対濃度が測定可能な分光法である。本研究では、狭帯域波長可変半導体レーザーによる高速走査型CRD吸収分光法を用いたコンパクトかつ簡便な同位体計測手法の確立と適用性評価を目的とし、二酸化炭素同位体分子種(^<12>CO_2、^<13>CO_2)を分光対象としたCRD吸収分光基礎実験を通じて^<13>C/^<12>C同位体比分析を試みた。CO_2同位体測定実験高フィネスファブリーペロー型光共振器(FPI)を構築し、波長1.6μm DFB半導体レーザーを入射した。共振器長をピエゾ素子により高速(〜10^<-4>m/s)で走査すると、光共振器内で光の蓄積・減衰が繰り返される。この様子をFPI透過光強度としてInGaAs/PINフォトダイオードで検出した。この透過光強度(リングダウン信号)の減衰速度は吸収物質の濃度と比例関係にあるため、この減衰速度より光共振器内に導入したCO_2ガスの吸収スペクトルを測定した。結果と今後の課題その結果、^<12>CO_2/^<13>CO_2に対応した吸収線が測定され、それらのピーク面積(濃度)より求めた^<12>CO_2/^<13>CO_2の同位体比は^<13>C/^<12>C=(0.97±0.42)%であり、天然存在比1.122%と不確かさの範囲内で一致することを確認した。また、高分解能吸収線データベースHITRANとの比較を通して本方式の測定限界濃度を算出した結果、0.1atm・296Kで測定を行う場合、二酸化炭素濃度が約1%(^<13>CO_2:100ppm)まで測定可能であることが分かった。現時点では精度が不十分ではあるが、データ取り込みの高速化を行い統計精度上げる等の改良を行うことで人間の呼気を用いた医療診断技術等への応用や大気循環トレーサーとしてのCO_2中の炭素同位体比リアルタイム計測が可能であると考えられる。