JP2000275176A - 光透過率測定用プローブ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光源からの光を光ファイバを介して試料に照
射し、試料の通過前後の光の強度変化を測定する光透過
率測定用プローブにおいて、従来よりもプローブの外形
を小型化でき、しかも、簡単にオンライン測定ができる
ようにする。 【解決手段】 光ファイバ５２から投光される光を反射
する反射鏡５７を備え、かつ、光ファイバ５２から投光
された光が反射鏡５７で反射されて光ファイバ５４に受
光されるまでの光路の途中に試料が流入する空間４４が
設けられている。また、先端部４５が尖っているため、
セプタム式キャップを容易に突き抜けることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光源からの光を光
ファイバを介して試料に照射し、試料の透過前後の光の
強度変化を測定することで試料の光透過率を測定する場
合に使用される光透過率測定用プローブに関する。

【０００２】

【従来の技術】溶液などの試料の光透過率を測定する場
合に使用されるプローブとして、従来、たとえば、図６
あるいは図７に示すような構成を採用したものがある。 （１）図６に示すものは、一対の光ファイバｆ₁、ｆ₂の
端面同士を所定の空間ｇをあけて対向させ、試料ｓを溜
めるビーカーなどの容器ｈ内に配置する。

【０００３】そして、光源からの光をレンズｍ等で集光
して一方の光ファイバｆ₁に導入して空間ｇに存在する
試料ｓに照射し、これにより減衰した光を他方の光ファ
イバｆ₂で受光して光検出器ｎに導き、試料ｓの透過前
後の光の強度変化を測定することで光透過率を測定す
る。 （２）図７に示すものは、試料ｓを溜めるセルｃを設
け、このセルｃを間に挟んで光源１とコリメートレンズ
ｍ等からなる発光部と、集光レンズｐや光検出器ｎ等か
らなる受光部を対向配置してセルｃ内の試料ｓの光透過
率を測定する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
上記（１）および（２）の従来技術のいずれにも、次の
ような問題がある。

【０００５】前者（１）では、過剰な曲げ損失等が生じ
ないように各光ファイバｆ１、ｆ₂を緩やかなカーブを
描いて容器ｈ内に導入し、かつ、両光ファイバｆ１、ｆ
₂同士の端面が互いに対向するように配置する必要があ
るため、プローブの全体形状が大きくなり、小型化を図
る上で限界がある。

【０００６】また、後者（２）では、試料ｓを溜めるた
めの専用のセルｃが別途必要であり、また、セルｃ内に
サンプリングしてきた試料ｓを移し替えるといった手間
もかかり、オンライン測定ができない。さらに、試料ｓ
を循環させるフローセルを使用する場合には試料の移し
替えの手間は省けるが、循環ポンプ等の余分な設備がさ
らに必要となる。

【０００７】本発明は、上記の問題点を解決するために
なされたもので、小型化でき、しかも、簡単にオンライ
ン測定ができる光透過率測定用プローブを提供すること
を目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明による光透過率測
定用プローブは、光源からの光を光ファイバ手段を介し
て試料に照射し、試料を透過した光の強度を測定する光
透過率測定用プローブであって、前記光ファイバ手段が
前記光源からの光を前記試料に照射するための第１の光
ファイバと、前記第１の光ファイバから出射された光の
うち反射鏡によって反射された光の少なくとも一部を受
け取る第２の光ファイバとを備え、前記第１の光ファイ
バから出射された光が前記反射鏡で反射されてから前記
第２の光ファイバに入射するまでの光路の途中に前記試
料が流入する空間が設けられ、前記第１の光ファイバの
少なくとも一部は前記第２の光ファイバの少なくとも一
部に対して平行に近接配置されるとともに、前記プロー
ブの先端が実質的に尖っていることを特徴とする。

【０００９】前記第２の光ファイバの径は前記第１の光
ファイバの径よりも大きいことが好ましい。

【００１０】前記第１の光ファイバの外径と前記第２の
投光側の光ファイバの外径の合計が２．６ｍｍ以下であ
ることが好ましい。

【００１１】前記反射鏡は平面鏡によって構成されてい
ることが好ましい。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１および図２を参照しながら、
本発明による光透過率測定用プローブの実施形態を説明
する。図１は、本実施形態を模式的に示す斜視図であ
り、図１には、容器（例えば試薬瓶）１０内に貯えられ
た溶液１１の透過率を本発明による光透過率測定用プロ
ーブで測定している様子が示されている。

【００１３】本実施形態によれば、試薬瓶１０が蓋１２
で閉じられた状態のままで透過率測定を実行することが
可能である。このような測定を行う場合、蓋１２とし
て、中央に円形の開口部が形成された蓋本体と、その開
口部を閉じるように張られた薄いゴム膜１３とから形成
された「セプタム（septum）」式キャップを使用するこ
とが好ましい。

【００１４】本実施形態にかかるプローブ４１は、ファ
イバケーブル４６を介して測定装置（図１において不図
示）に接続されている。

【００１５】以下、図２（ａ）および（ｂ）を参照しな
がらプローブ４１の構造を詳細に説明する。なお、図２
（ａ）は、プローブ４１の先端部の軸方向に平行な断面
を示し、図２（ｂ）は、その軸方向に垂直な断面を示し
ている。

【００１６】本実施形態のプローブ４１は、外径が２ｍ
ｍ以下のＳＵＳ管から形成された円筒状基体４２を備え
ている。基体４２の内部には、図１に示す光ファイバケ
ーブル４６から導出された一対の光ファイバ５２および
５４が軸方向に沿って挿入・固定されている。円筒状基
体４２は、フッ素樹脂やガラスなどの材料から形成され
ていても良い。

【００１７】基体４２の一部には切欠部が設けられてお
り、その部分で光ファイバ５２および５４の各端面が試
料（測定対象）に接触できるように露出している。本実
施形態では、投光側光ファイバ５２の光出射端面の位置
と受光側光ファイバ５４の受光端面の位置とがほぼ同一
レベルにある。

【００１８】プローブ４１のうち、光ファイバ５２およ
び５４の露出端面に対向する面は平坦化されており、平
面反射鏡５７として機能する。より詳細には、ステンレ
ス、金（Ａｕ）、およびアルミニウム（Ａｌ）等の反射
率の高い金属材料膜を平坦化面上に形成することによっ
て平面反射鏡５７を構成することもできるし、また、光
ファイバ５２および５４の露出端面に対向する面が金属
から構成されている場合は、その面を平坦化して平面反
射鏡として用いることもできる。平面反射鏡５７の上に
は石英コーティング膜５６が形成されている。本明細書
では、光ファイバ５２および５４の露出端面と石英コー
ティング膜５６との間をギャップ４４と称することにす
る。

【００１９】投光側の光ファイバ５２は、光源６０から
放射された光（白色光または単色光）をレンズ６１を介
して受け取り、光出射端面からギャップ４４内の試料に
投光する。光ファイバ５２の光出射端面から放射された
光は、ギャップ部４４内の試料を透過し、平面反射鏡５
７によって反射される。反射光のうちの少なくとも一部
は、ギャップ部４４内の試料を再び透過した後、受光側
光ファイバ５４の受光端面に入射する。受光側光ファイ
バ５４によって受け取られた光は、レンズ６２を介して
センサ６３で検知される。光源６０、レンズ６１および
６２、ならびにセンサ６３は、一つの測定装置内に収納
・固定されていることが好ましい。

【００２０】本実施形態では、投光側光ファイバ５２の
径が受光側光ファイバ５４の径よりも小さく設定されて
いる。具体的には、受光側光ファイバ５４のコア径が約
４００μｍであるのに対して、投光側光ファイバ５２の
コア径は１０〜５０μｍ程度である。このように投光側
光ファイバ５２の径を小さくしても、必要な強度の光を
試料に与えることは充分に可能であるが、受光側光ファ
イバ５４の径が小さくなりすぎると、受光側の光ファイ
バ５４が受け取ることのできる光の量が少なくなってし
まうので検出感度が低下してしまう。そこで、本実施形
態では検出感度の低下を招かないようにしながらプロー
ブの円筒状基体を細くために、投光側光ファイバ５２を
受光側光ファイバ５４よりも細くしている。

【００２１】また、投光側の光ファイバ５２はモード数
が１０³以下の光を伝搬するように構成されていること
が好ましい。このように伝搬光のモード数が少ないと、
投光側光ファイバ５２から出た光が反射鏡５７で反射さ
れた際の反射光平面強度分布が相対的に均一化され、受
光側光ファイバ５４に入射する光の強度が安定する。そ
の結果、透過率を再現性良く正確に測定することが可能
となる。なお、投光側の光は、シングルモード光である
ことが最も好ましい。

【００２２】以上説明したように、本実施形態の光透過
率測定用プローブ４１は、投光側の光ファイバ５２から
の光が反射鏡５７で反射されることで光路が折り返され
て受光側の光ファイバ５４に入射される。このため、一
対の光ファイバ５２、５４を並行して近接配置すること
ができ、図６に示した従来技術のように光ファイバ同士
を対向させる構成のものよりも全体的に小型化できる。

【００２３】更に、本実施形態のプローブ４１は、その
先端部４５が円錐状に尖っている点にも大きな特徴を有
している。プローブ４１の外径が細く形成されていると
ともに、先端部４１が針先のように尖っているため、図
１に示す蓋１２のゴム膜１３を突き抜くようにして容器
１０の内部にプローブ４１を差し込むことができる。セ
プタム式キャップの場合、プローブ４１を差し込むこと
によってゴム膜１３に形成された小さな孔は、プローブ
４１を引き抜くことによって再び塞がることになる。セ
プタム式キャップに対してプローブ４１の出し入れを繰
り返し実行できるようにするには、プローブ４１の外径
を２．６ｍｍ以下に抑えることが好ましい。

【００２４】本実施形態の構成によれば、光透過率の測
定が随時必要とされる現場においても、このプローブ４
１を持参して溶液中に浸漬さえすれば簡単に光透過率を
計測することができる。 （他の実施形態）上記実施形態では平面鏡を使用してい
るが、平面鏡に代えてプリズムを使用しても良い。

【００２５】図３（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、直
角プリズム２０を反射鏡１６として用いているプローブ
の内部構成を模式的に示している。図３（ａ）の例で
は、光ファイバ１２および１７の先端面とギャップ１８
を介して直角プリズム２０が配置されている。直角プリ
ズム２０の反射面には金属薄膜２１がコーティングさ
れ、それによって反射率を向上させている。一方、図３
（ｂ）の例では、同様の直角プリズム２０を反射鏡１６
として用いているが、試料を流入させるギャップ１８を
光ファイバ１４の光軸上に設けている。

【００２６】直角プリズム２０の反射面に金属薄膜２１
をコーティングする場合、測定対象となる試料が強酸ま
たは強アルカリ性のようなものでは、金属薄膜２１と試
薬が接触すると、金属薄膜２１が容易に腐食されてしま
うおそれがある。このような金属薄膜２１の腐食を防止
するため、図４（ａ）に示すように、直角プリズム２０
上の金属薄膜２１を耐食材料（たとえばフッ素樹脂、Ｍ
ｇＦ₂、ＳｉＯ₂等）２４で覆っても良い。なお、金属薄
膜２１の使用に代えて、図４（ｂ）に示すように、直角
プリズム２０の反射面に誘電体多層膜２６をコーティン
グしてもよい。 −測定の実施例− 次に、本発明による光透過率測定用プローブによる測定
の実施例を説明する。

【００２７】一般に、光透過率は試料による散乱と吸収
とに依存して変化する。白濁は散乱に起因する現象であ
り、着色は吸収に起因する現象である。下記の実施例で
は、主に散乱の程度（濁度と呼ばれることもある）が時
間とともに変化する試料について、その光透過率を測定
している。

【００２８】なお、物質（気体、液体、固体）には、特
有な光波長（紫外、可視、赤外など）を吸収する性質が
ある。各種分析および検出においては、これらの性質を
利用し、物質の特定及び定量を行うことができる。しか
し、汎用性を持たせた結晶析出センサーを作製するに
は、これらの吸収の影響を少なくし、散乱による光の透
過率の影響を大きくしなければいけない。

【００２９】下記実施例では、近赤外線７８０ｎｍの波
長を持つ光を用いている。この波長帯域の光は一般的に
物質に吸収される度合いが少ないため、散乱による透過
率変化を観測するのに適している。その結果、例えば化
学反応溶液中に生成される化合物が溶液の光吸収特性を
変化させた場合でも、その吸収の影響を少なくすること
ができ、析出の検知が高い精度で実行できるようにな
る。なお、物質に吸収されやすい波長帯域の光を用いる
場合は、物質の光吸収効果によって光透過率を感度よく
検知することができない場合もある。

【００３０】（実施例１）本実施例では、エマルジョン
の濃度を変化させながら光透過率を測定した。ここで
は、水に牛乳を一定速度で滴下しながら光透過率を測定
した。人為的に遮光した状態の光透過率を相対値０、牛
乳を滴下する前の水の光透過率を相対値１００として、
牛乳の濃度に対して相対光透過率をプロットしたグラフ
を図５に示す。

【００３１】図５から明らかなように、牛乳の濃度の増
加とともに、相対光透過率が指数関数的に低下してい
る。測定の再現性も良好であった。

【００３２】（実施例２）本実施例では、溶液中で結晶
が析出する過程の光透過率の変化を測定した。

【００３３】＜無色透明溶液中での結晶析出過程＞ま
ず、無色透明の溶液中での結晶析出過程の光透過率の変
化を測定した。試験管中で、メタノール５０ｍｌにトリ
フェニルホスフィン４ｇを約６０℃に加熱・撹拌しなが
ら溶解し、試料溶液１を調製した。人為的に遮光した状
態の光透過率を相対値０、トリフェニルホスフィンが完
全に溶解したとき試料溶液の光透過率を相対値１００と
し、加熱を停止後の相対光透過率の時間変化を測定し
た。

【００３４】加熱停止後、試料溶液の温度が約２５℃に
達した時点から、結晶の析出が観察された。結晶の析出
とともに相対光透過率は低下し始め、約１分で最終値相
対透過率１４に到達した。この間、相対光透過率の値は
ばらつきながら低下した。相対光透過率のばらつきは、
析出した結晶の粒が大きかったためと考えられる。

【００３５】上述したように、結晶粒が大きいと相対透
過率はばらつくものの、結晶析出過程における相対透過
率が１００から１４まで変化しているので、本実施例の
方法によって、結晶析出過程を光透過率変化として十分
に追跡・評価できることがわかる。

【００３６】＜着色の影響＞次に、着色した溶液中での
結晶析出過程の光透過率測定を行った。試験管中で上記
と同様にトリフェニルホスフィン４ｇをメタノール５０
ｍｌに溶解した溶液に、ブリリアントグリーン２０ｍｇ
を添加し溶解したものを試料溶液２とした。得られた試
料溶液２は、濃緑色を呈し、目視観察では非常に低い透
明度であった。この試料溶液２の相対光透過率は、無色
透明の上記試料溶液１の相対光透過率９５に相当した。
また、試料溶液１と同じ条件で結晶析出過程の光透過率
を測定した結果、ほぼ同じ結果が得られた。従って、着
色した溶液中での結晶析出過程における光透過率の変化
を十分に測定できることがわかる。

【００３７】＜エマルジョンの影響＞結晶の析出が不透
明な媒体中、例えば、エマルジョン中で起こる場合もあ
る。そこで、エマルジョンの光透過率への影響を検討し
た。ここでは、水と酢酸エチルとの混合液を用いてエマ
ルジョンを調製した。

【００３８】２００ｍｌ容の反応フラスコに水４０ｍｌ
と酢酸エチル４０ｍｌとを入れ、撹拌条件を変えて、水
だけの光透過率を相対値１００として、混合液の相対光
透過率を測定した。

【００３９】弱い撹拌の場合： 水と酢酸エチルとが、
目視で確認できる程度の大きさの液滴となって分散し
た。この状態の相対光透過率は約９３〜約１３０の範囲
内でばらついた。

【００４０】強い撹拌の場合： 水と酢酸エチルとが互
いに細かく分散したエマルジョン（白濁状態）が得られ
た。このエマルジョン状態の相対光透過率は約７０〜約
９０の範囲内でばらついた。

【００４１】極めて強い撹拌の場合：水と酢酸エチルと
のエマルジョン中に気泡が混入した状態となった。この
状態の相対光透過率は約５０〜６５の範囲内でばらつい
た。また、気泡の混入量が多いほど相対光透過率の値は
小さくなった。

【００４２】以上の結果から、エマルジョン中であって
も気泡を混入しない程度の撹拌状態であれば、約７０以
上の相対光透過率を確保できるので、結晶析出過程にお
ける光透過率の変化を十分に測定できることがわかる。

【００４３】上述したように、本願発明の光透過率測定
用プローブは、たとえエマルジョンの生成中であって
も、結晶析出過程の追跡・評価に好適に用いられる。

【００４４】

【発明の効果】本発明によれば、光ファイバで投受光さ
れる光の光路を反射鏡で折り返すようにしているので、
従来のものよりも全体構成を小型化することができる。
また、光透過率の測定が必要とされる現場にも持参して
溶液中に浸漬さえすれば簡単に光透過率を計測できるた
め、オンラインでの測定も可能となる。反射鏡に耐食性
をもたせれば、工業用、食品用、医療用、実験用といっ
た広い分野での使用が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による光透過率測定用プローブの実施形
態を模式的に示す斜視図であるある。

【図２】（ａ）は、本発明による光透過率測定用プロー
ブの第２の実施形態の軸方向に平行な断面図、（ｂ）は
その軸方向に垂直な断面図である。

【図３】（ａ）および（ｂ）は、何れも、本発明による
光透過率測定用プローブの他の実施形態の主要部を示す
構成図である。

【図４】（ａ）および（ｂ）は、何れも、本発明による
光透過率測定用プローブに好適に用いられる反射鏡の構
造例を示す図である。

【図５】本発明による光透過率測定用プローブを用いて
測定した相対光透過率と牛乳濃度との関係を示すグラフ
である。

【図６】従来の光透過率測定用プローブの要部を示す構
成図である。

【図７】従来の他の光透過率測定用プローブの要部を示
す構成図である。

【符号の説明】

１０ 容器（例えば試薬瓶） １１ 溶液 １２ 蓋 １３ ゴム膜 ４１ プローブ ４２ 円筒状基体 ４４ ギャップ ４５ 先端部 ４６ ファイバケーブル ５２ 投光側光ファイバ ５４ 受光側光ファイバ ５６ 石英コーティング膜 ５７ 平面反射鏡 ６０ 光源 ６１ レンズ ６２ レンズ ６３ センサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2G059 AA02 BB04 DD13 EE01 FF07 HH01 HH02 HH06 JJ12 JJ13 JJ17 2H038 AA02 AA08 AA09

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源からの光を光ファイバ手段を介して
   試料に照射し、試料を透過した光の強度を測定する光透
   過率測定用プローブであって、 前記光ファイバ手段が前記光源からの光を前記試料に照
   射するための第１の光ファイバと、前記第１の光ファイ
   バから出射された光のうち反射鏡によって反射された光
   の少なくとも一部を受け取る第２の光ファイバとを備
   え、 前記第１の光ファイバから出射された光が前記反射鏡で
   反射されてから前記第２の光ファイバに入射するまでの
   光路の途中に前記試料が流入する空間が設けられ、 前記第１の光ファイバの少なくとも一部は前記第２の光
   ファイバの少なくとも一部に対して平行に近接配置され
   るとともに、前記プローブの先端が実質的に尖っている
   ことを特徴とする光透過率測定用プローブ。
2. 【請求項２】 前記第２の光ファイバの径が前記第１の
   光ファイバの径よりも大きいことを特徴とする請求項１
   に記載の光透過率測定用プローブ。
3. 【請求項３】 前記第１の光ファイバの外径と前記第２
   の投光側の光ファイバの外径の合計が２．６ｍｍ以下で
   あることを特徴とする請求項１または２に記載の光透過
   率測定用プローブ。