JP2004163185A

JP2004163185A - 光学センサ

Info

Publication number: JP2004163185A
Application number: JP2002327626A
Authority: JP
Inventors: Akihiko Kato; 明彦加藤; Matsufumi Ishida; 松文石田; Hironobu Yamamoto; 弘信山本
Original assignee: OSP KK; DKK TOA Corp
Current assignee: OSP KK; DKK TOA Corp
Priority date: 2002-11-11
Filing date: 2002-11-11
Publication date: 2004-06-10
Anticipated expiration: 2022-11-11
Also published as: JP4098603B2

Abstract

【課題】雰囲気温度と異なる温度の検体、温度変化する検体或いは温度の異なる一連の検体の測定を行う際などに、常に指示値が安定し、再現性の良好な信頼性の高い測定結果を得ることができる光学センサを提供する。
【解決手段】測定時に検体と接触する検出部２と、検出部２に光を入力する光源１１、及び検出部２から出力される光を検出する光検出器１２を備える光学部１と、を有する光学センサ１００は、検出部２と光学部１とが光学的に結合可能であると共に、光学部１を測定時に検体に接触させずに測定可能なように光学部１が検出部２から分離されており、且つ、検出部２及び光学部１がそれぞれ温度検出手段２４、１４を有する構成とする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、測定対象と物理的若しくは化学的に相互作用する検出素子の光学特性の変化或いは検体（若しくは測定対象）の光学的特性の変化を検出する検出部と、光源及び光検出器などの光学部とを用いて測定対象の存在及び／又は濃度を測定するための光学センサに関するものであり、より詳細には、雰囲気温度と異なる温度の検体、温度変化する検体或いは温度の異なる一連の検体の測定に供される光学センサに好適に適用し得るものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、測定対象と物理的若しくは化学的に相互作用する検出素子の光学特性の変化或いは検体（若しくは測定対象）の光学的特性の変化を利用して、検体中の測定対象の存否及び／又は濃度を光学的に直接検出する光学センサが各種提案されている。
【０００３】
例えば、水中に溶存する有機物を検出する光学センサがある（例えば、特許文献１参照）。この光学センサは、検出素子が備える感応部材としてポリマー薄膜を用いて光反射量を測定する。つまり、水中に溶存する有機物と反応、吸収、吸着などによって相互作用して膜厚に物理的変化を生じるポリマー薄膜を使用し、このポリマー薄膜の物理的変化を干渉増幅反射法によって測定して、水中に溶存する有機物の濃度を決定する。
【０００４】
図７を参照して更に説明すると、斯かる光学センサは、検出素子２０と、光源１１及び光検出器１２などの光学部品とを備える。検出素子２０は、基板及び結合器として作用するプリズム２１の一面にポリマー薄膜２２を所定の膜厚に形成したもので、プリズム２１は、ポリマー薄膜２２が被検液（水溶液）Ｓと接触するように配置されている。
【０００５】
プリズム２１、ポリマー薄膜２２、被検液Ｓの屈折率をそれぞれｎ１、ｎ２、ｎ３として、ｎ１＞ｎ２＞ｎ３であるとき、光源１１より出射されてプリズム２１を介してポリマー薄膜２２に入射された光（入射光）Ｌ１は、プリズム２１とポリマー薄膜２２との界面及びポリマー薄膜２２と被検液Ｓとの界面で反射され、プリズム２１を介して出射された光（反射光）Ｌ２が光検出器１２にて検出される。
【０００６】
このとき、被検液Ｓと接触するポリマー薄膜２２が水中に溶存する有機物を吸収などして膨潤し、膜厚ｄなどが変化することで光の反射特性が変化し、反射光Ｌ２の強度が変化することを利用して、水中に溶存する有機物濃度を測定する。
【０００７】
この他、測定対象と物理的若しくは化学的に相互作用する検出素子の光学特性の変化或いは検体（若しくは測定対象）の光学的特性の変化を利用して、被検液中の測定対象成分の存否及び／又は濃度を測定する光学センサとしては、一例として次のものが挙げられる。
【０００８】
上記干渉増幅反射法と同様、検体中の測定対象と相互作用して、反射特性などの光学特性が変化する感応膜を用いる光学センサとして、表面プラズモン共鳴法センサ（ＳＰＲ）、光導波路型センサ、マッハツェンダー干渉計式センサなどが挙げられる。
【０００９】
このような各種光学センサは、光学的特性の変化を検出することで、検体中の測定対象を、典型的には無試薬にて直接検出することができ、簡易、迅速、且つ、屋外での測定のための携帯型センサへの応用が比較的容易であるといった利点を有し、測定手法として極めて有用である。
【００１０】
【特許文献１】
特開平１０−１０４１６３号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、例えば、光学センサが携帯可能であり、様々な環境条件下の検体の測定に供される場合、次のような問題があることが分かった。
【００１２】
水中の溶存有機物濃度測定用の光学センサ（以下、「溶存有機物濃度センサ」という。）を例に説明すると、上記従来の溶存有機物濃度センサは、プリズム及びポリマー薄膜を備える検出素子と、光源及び光検出器などの光学部品とが一体に形成されている。
【００１３】
本発明者らは、図８に示すように、光源１１及び光検出器１２などの光学部品と、検出素子２０とを、同一の筐体（センサボディ）２３内に配置して検出部（センシングプローブ）２とし、光源１１及び光検出器１２を信号線５１、５２を通して制御部３に接続して、溶存有機物濃度センサ２００を構成した。プリズム２１にポリマー薄膜２２を形成して成る検出素子２０は、筐体２３の先端に、被検液Ｓにポリマー薄膜２２が接触し得るように配置した。そして、光源１１より出射された入射光Ｌ１が、ポリマー薄膜２２内で多重反射され、その反射光Ｌ２が光検出器１２で受光される。この溶存有機物濃度センサ２００を用いて、様々な環境条件下にある被検液Ｓに対する測定を試みた。
【００１４】
斯かる構成では、センサボディ２３は被検液Ｓに接触するため、検出素子２０と、光源１１及び光検出器１２などの光学部品との双方が被検液Ｓの温度の影響を受ける。そのため、被検液Ｓの温度が変化するか若しくは異なる温度の被検液Ｓを測定した時に、繰り返し性が悪く、再現性のあるデータが得られない、又は指示値がドリフトして安定値が得られないといった問題があった。
【００１５】
更に説明すると、上述のように、溶存有機物濃度センサ２００は、ポリマー薄膜２２が水中の溶存有機物を吸収して膨潤し、膜厚が厚くなることで膜内反射強度が変化することを利用して水中に溶存する有機物の濃度を測定する。即ち、水中に溶存する有機物の濃度に対応して膜厚が変化することから、有機物濃度と反射光光度に相関関係が得られ、水中の溶存有機物の濃度を測定することができる。
【００１６】
一例として、ポリマー薄膜２２に膜厚が１μｍ程度のポリメタクリル酸共重合体を用いた場合、凡そ１００ｐｐｍの有機物を吸収して変動する膜厚は、５０ｎｍ程度であった。これは、０．５ｎｍの膜厚変化は有機物濃度１ｐｐｍに相当することを示す。
【００１７】
しかしながら、ポリマー薄膜２２は、水中に溶存する有機物が無くても、被検液Ｓの温度の変化に対応して膨潤、収縮を生じる。そして、上記ポリマー薄膜２２において、温度に対して凡そ０．５ｎｍ／℃、つまり約１ｐｐｍ／℃程度の影響を受けることがあった。これにより、温度が高くなると見かけ上指示値が大きくなり、温度が低下すると逆に指示値が小さくなる。
【００１８】
一方、光源１１や光検出器１２などの光学部品が、ポリマー薄膜２２より温度影響が大きい場合、一例として、光源１１としてレーザーダイオード、光検出器１２としてフォトダイオードを用いたとき、その温度影響は３〜５ｐｐｍ／℃であった。上記光源１１及び光検出器１２を用いた場合、温度によって影響を受ける方向はポリマー薄膜２２と同じであり、温度が高くなると見かけ上指示値が大きくなり、温度が低下すると逆に指示値が小さくなる。
【００１９】
そして、重要なことに、実際の測定において、室温と異なる温度の被検液を測定した場合、ポリマー薄膜２２は薄膜であるため、温度差Δｔ℃に対応して膜が瞬時に膨張又は収縮して、Δｔ×１ｐｐｍの指示値変化を生じさせる。これに対して、光学部品（光源１１及び光検出器１２）はセンサボディ２３の内部にあるため、外部の温度変化が内部に伝わるのに時間がかかるため、上記ポリマー薄膜２２の温度特性により瞬時に指示値がΔｔ×１ｐｐｍ変動した後に、徐々に指示値がドリフトすることになり、指示値が安定しないという結果になる。
【００２０】
特許文献１は、ポリマー薄膜の屈折率及びポリマー薄膜の膨潤が温度と共に変動するため、温度制御又は温度補償が必要となる可能性を示唆している。しかしながら具体的な手段は示されていない。しかも、本発明者らが成した上記問題認識の１つ、即ち、光源や光検出器などの光学部品が被検液の液温の影響を受けて指示値がドリフトして安定値が得られないといった問題認識については何ら示されていない。
【００２１】
上述のように、検出素子と光学部品とで、その温度の影響の程度及び／又は温度変化に対する応答性に差異があることは、安定な指示値、信頼性ある測定結果を得るために大きな問題となる。
【００２２】
上述のような問題は、検出素子の感応部材として有機物を吸収して膨潤するポリマー薄膜を使用する場合に限られない。上記表面プラズモン共鳴法センサ、光導波路型センサ、マッハツェンダー干渉計式センサなどにおいて用いられる感応膜が温度特性を有し、又光源、光検出器などの光学部品との温度特性の程度及び／又は温度変化に対する応答性に相当の差があると、上記同様の問題が発生する。
【００２３】
従って、本発明の目的は、雰囲気温度と異なる温度の検体、温度変化する検体或いは温度の異なる一連の検体の測定を行う際などに、常に指示値が安定し、再現性の良好な信頼性の高い測定結果を得ることのできる光学センサを提供することである。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
上記目的は本発明に係る光学センサにて達成される。要約すれば、本発明は、測定時に検体と接触する検出部と、前記検出部に光を入力する光源、及び前記検出部から出力される光を検出する光検出器を備える光学部と、を有する光学センサであって、前記検出部と前記光学部とは光学的に結合可能であると共に、前記光学部を検体に接触させずに測定可能なように前記光学部は前記検出部から分離されており、且つ、前記検出部及び前記光学部はそれぞれ温度検出手段を有することを特徴とする光学センサである。
【００２５】
本発明の一実施態様によると、前記検出部は検体と相互作用する検出素子を備えており、前記光源は前記検出素子に入射する光を発し、前記光検出器は前記検出素子から出射される光を検出する。一実施態様では、光学センサは、検体としての被検液中の溶存有機物を検出する。前記検出素子は、検体と接触する高分子薄膜を有するものであってよい。一実施態様では、前記検出素子からの反射光強度を測定する。他の実施態様では、前記検出素子の発する蛍光強度を測定する。更に他の実施態様では、前記検出素子の吸光度若しくは透過率を測定する。光学センサは、干渉増幅反射法を利用したセンサ、表面プラズモン共鳴法を利用したセンサ、光導波路型センサ又はマッハツェンダー干渉計式センサであってよい。
【００２６】
本発明の好ましい一実施態様によると、前記検出部が有する温度検出手段は、前記検出素子の環境温度を検出する。又、好ましい他の実施態様によると、光学センサは更に、前記光源及び前記光検出器を囲包する断熱手段を有し、一実施態様では、前記光学部が有する温度検出手段は、前記断熱手段により囲包された領域内部に設けられる。そして、好ましい一実施態様によると、光学センサは更に、前記検出部及び前記光学部が有する前記温度検出手段のそれぞれの検出結果に基づいて前記光検出器の出力信号を補正する制御手段を有し、該制御部は補正後の該出力信号に基づいて、検体中の測定対象の存否及び／又は濃度を求める。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る光学センサを図面に則して更に詳しく説明する。
【００２８】
実施例１
図１は、本発明に係る光学センサの一実施例の概略構成を示す。本実施例の光学センサは、水中に溶存する有機物、例えば、アルコール、トルエン、ベンゼン、キシレン、ヘキサンなどの存否及び／又は濃度を測定するためのセンサ（溶存有機物濃度センサ）である。又、本実施例の光学センサ１００は携帯可能に構成されている。
【００２９】
光学センサ１００は、大別して光学部１と、検出部（センシングプローブ）２と、制御手段たる制御部（計器）３とを有する。
【００３０】
光学部１は、光源１１、コリメータレンズ１１ａ、集光レンズ１１ｂ、光検出器１２、制御部３からの指示により光源１１の駆動信号を生成し、又光検出器光源１１の出力信号の増幅処理を行う電子回路である駆動回路５４、制御部３との通信手段としてのインターフェイス５５などを、光学部筐体１３内に有する。
【００３１】
光源１１としては、レーザダイオード（ＬＤ）などのレーザ光源、発光ダイオード（ＬＥＤ）などを好適に使用することができる。本実施例では、中心波長６６０ｎｍのＬＥＤを使用した。又、光検出器１２としては、フォトダイオード、フォトトランジスタなどの光電変換素子を好適に使用することができる。本実施例では、フォトダイオードを使用した。
【００３２】
この他、必要に応じて光源１１の光量安定化などのために用いる参照光用の光検出器、光源１１から出射された光又は光検出器１２若しくは参照光用の光検出器に入射する光を偏光、分割、集光或いはコリメートする手段など、適当な光学部品を更に有していてよい。
【００３３】
検出部２は、略円筒形状の検出部筐体（センサボディ）２３内に検出素子２０を有する。検出素子２０は、基板及び結合器としてのプリズム２１の一面にポリマー薄膜２２を所定の膜厚に形成したものである。検出素子２０は、センサボディ２３が被検液Ｓに浸漬された際に被検液Ｓにポリマー薄膜２２が接触するようにセンサボディ２３に取り付けられ、又センサボディ２３の内部に被検液が入らないようになっている。又、検出素子２０が外光の影響を受けないように、内部への被検液Ｓの流入を許す略円筒形状の遮光カバー２３ａが、センサボディ２３の検出素子２０が設けられた側の先端に延長して設けられている。
【００３４】
ポリマー薄膜２２としては、種々の側鎖基を有するビニルポリマー類、ポリシロキサン及び種々の重縮合ポリエステル類、ポリアミド類、ポリイミド類、ポリウレタン類及びポリウレア類などを使用することができる。本実施例では、ポリマー薄膜２２としては、ポリメタクリレート共重合体を用い、プリズム２１の一面に厚さ１．５μｍに形成した。
【００３５】
尚、ポリマー薄膜２２をガラス、プラスチックなどの基板上に形成して、プリズム結合器、格子結合器をこの基板のポリマー薄膜が設けられた側とは反対側に設けてもよい。又、ポリマー薄膜２２は、基板上に、スピンコーディング法、ポリマー溶液のキャスティング法など任意公知の薄膜形成方法により形成することができる。
【００３６】
又、検出部２には、温度検出手段（温度センサ）２４が設けられている。温度センサ２４は、本実施例ではサーミスタとされ、温度特性を有する検出部２、特に、検出素子２０のポリマー薄膜２２の温度を検出するためにポリマー薄膜２２の近傍に設けた。これにより、被検液Ｓの温度変化に対してポリマー薄膜２２が瞬時に応答し、指示値が変化するのに対応するように、その温度変化をリアルタイムで検出することができる。温度検出手段はこれに限定されるものではなく、検出部２の、特に、本実施例では検出素子２０のポリマー薄膜２２の環境温度情報信号を生成できるものであればよい。
【００３７】
制御部３は、光学部１の駆動信号の生成や検出信号の演算処理を実行するための演算部３１、記憶部３２、光学部１との通信手段としてのインターフェイス３３、測定開始／停止や各種データの入力のための入力手段３４、測定結果や各種設定値の表示のための表示部３５を有する。
【００３８】
図示の通り、本実施例の溶存有機物濃度センサ１００においては、光源１１、光検出器１２などの光学部品を備える光学部１は、本発明に従ってセンサボディ２３から分離されている。又、本実施例では、光学部１は、コネクタ５０ａを介して制御部３に対して着脱可能になっている。
【００３９】
次に、溶存有機物濃度センサ１００の動作を説明する。
【００４０】
制御部３における操作者の入力などに応じて、測定開始信号が演算部３１より生成されると、この信号は、制御部３のインターフェイス３３、コネクタ５０ａ内の対応する端子、ケーブル５０内を伸張して光学部１と電気的に接続された信号線５１を介して、光学部１に送信される。そして、この信号は、光学部１のインターフェイス５５を介して駆動回路５４に入力され、光源１１は、制御部３の指示により駆動回路５４が生成した駆動信号により発光する。
【００４１】
光学部１の光源１１から出射された光（入射光）Ｌ１は、コリメータレンズ１１ａ、集光レンズ１１ｂを介して、光導波手段としての入射光側光ファイバ４１に導かれる。入射光側光ファイバ４１は、光学部１と検出部２とを光学的に結合する結合部であるケーブル４０内を伸張されて検出部２内まで連続しており、入射光側光ファイバ４１内を導波された入射光Ｌ１は、検出部２内でプリズム２１に入射される。この入射光は更に、プリズム２１によってポリマー薄膜２２に結合され、図７を参照して説明したように、ポリマー薄膜２２内を多重反射される。そして、反射光Ｌ２はプリズム２１を通って出射され、検出部２内で、光導波手段としての反射光側光ファイバ４２に結合される。反射光側光ファイバ４２は、ケーブル４０内を伸張されて光学部１内まで連続しており、反射光Ｌ２は、光学部１内で光検出器４２で受光される。
【００４２】
光検出器１２は、受光した光の強度に比例した電気信号を出力する。この信号は、駆動回路５４にて増幅処理を受けて、光学部１のインターフェイス５５を介して反射光Ｌ２の強度を表す信号（検出信号）として制御部３へと送信される。検出信号は、ケーブル５０内を伸張して制御部３と電気的に接続された信号線５２、コネクタ５０ａ内の対応する端子、制御部３のインターフェイス３３を介して、演算部３１に入力され、測定値の演算に供される。
【００４３】
又、検出部２に設けられた温度センサ２４の出力信号は、ケーブル４０内を伸張する信号線５３ａによって、光学部１の駆動回路５４に電気的に接続されており、検出部２の温度、特に、検出素子２０のポリマー薄膜２２の環境温度を示す信号（温度検出信号）として、光学部１のインターフェイス５５、ケーブル５０内を伸張する信号線５３ｂ、コネクタ５０ａ内の対応する端子、制御部３のインターフェイス３３を介して演算部３１に入力される。
【００４４】
このように、被検液Ｓに接触する検出部２から光学部１を切り離すことにより、光源１１、光検出器１２などの光学部品が被検液Ｓの温度影響を受けないようにすることができる。
【００４５】
即ち、前述のように、光学部１の光源１１及び光検出器１２などの光学部品、又、検出部２、特に、検出素子２０のポリマー薄膜２２は温度特性を有する。そして、これらの温度特性は、その程度、温度変化に対する応答性に相当の差がある。更に、本実施例のように、溶存有機物濃度センサ１００が携帯可能であり、例えば屋外での測定などにおいて、被検液Ｓの温度が変化したり、雰囲気温度とは異なる様々な温度の被検液Ｓの測定を行うことが想定される。そこで、光源１１及び光検出器１２などの光学部品を備える光学部１と、検出素子２０を備える検出部２とを分離して、以下説明するような温度補償を行うことによって、再現性、指示値の安定性は格段に良好になる。
【００４６】
本実施例では、被検液Ｓ内に検出部２を浸漬し、更にケーブル４０の一部をも被検液Ｓに浸した場合であっても光学部１が被検液Ｓに接触することがなく、又作業性も良好であるように、ケーブル４０に沿う光学部１から検出部２までの距離Ｄは、約１ｍとした。勿論、この距離Ｄは制限されるものではない。光学部１が被検液Ｓに接触して被検液Ｓの温度の影響を受けることがないようにして、且つ、操作性など他の制約に鑑みて、適宜、距離Ｄを選定することができる。
【００４７】
［検出部の温度補償］
検出部２に設けられた温度センサ２４の温度検出結果を用いて、検出部２の温度補償を行う。
【００４８】
本実施例では、制御部３の演算部３１が記憶部３２に格納されたプログラム及びデータに応じて、検出部２の温度センサ２４の温度検出信号から、光検出器１２の検出信号の温度補償を行う。
【００４９】
一例として、本実施例の構成においては、検出部２、特に、検出素子２０のポリマー薄膜２２に関して、温度Ｔ_Ｈの被検液Ｓの測定で得られる反射強度ＲＨｔと換算基準温度における反射強度ＲＨとの比ｒ_Ｈと、温度Ｔ_Ｈとの関係は４次式となる。
【００５０】
ｒ_Ｈ＝ＲＨｔ／ＲＨ＝Ａ_ＨＴ_Ｈ ^４＋Ｂ_ＨＴ_Ｈ ^３＋Ｃ_ＨＴ_Ｈ ^２＋Ｄ_ＨＴ_Ｈ＋Ｅ_Ｈ・・・（１）
Ａ_Ｈ、Ｂ_Ｈ、Ｃ_Ｈ、Ｄ_Ｈ、Ｅ_Ｈ：定数
従って、予め上記式（１）中の定数を求めておくことによって、温度Ｔ_Ｈの被検液Ｓの測定で得られる反射強度ＲＨｔを、上記（１）より算出した反射強度比で除することで、換算基準温度での値に補償することができる。
【００５１】
上記式（１）中の定数は、検出部２、特に検出素子２０のポリマー薄膜の温度依存性、即ち、有機物濃度ゼロの水の温度を適当に変化させて（少なくとも４種）、光学部１の温度を一定に保つと共に光検出器１２の出力値を測定する。そして、出力値と温度との相関式、即ち、上記式（１）中の定数を求める。こうして得た相関式を、テーブル、演算式などの形態で制御部３の記憶部３２に記憶させておき、実際の測定の際には演算部３１がこの記憶部３２に記憶された相関式（１）を用いることによって、温度センサ２４で検出した被検液Ｓの温度から、出力値の温度変化による（基準温度における出力値に対する）変動分を補正する。
【００５２】
こうして検出信号は、演算部３１で補正され、更に例えば有機物濃度（ｐｐｍ）表示に変換され、表示部３５にて表示される。勿論、表示部３５における表示に限らず、制御部３自体が有するか或いはこれに通信可能に接続された出力装置（プリンタ）を介して、記録用紙などの記録媒体に記録して出力してもよい。或いは、記憶部３２、その他適当な記憶媒体に記憶させて保持させ、或いは取り出すことも可能である。
【００５３】
尚、記憶部３２には、温度補償後の出力値、即ち、基準温度での出力値と、水中の溶存有機物濃度との関係が、所定の校正操作、或いはデータの入力などにより、テーブルデータ、演算式などの形態で格納されており、演算部３１は、この情報を用いることにより有機物濃度（ｐｐｍ）を算出する。
【００５４】
本実施例に従う検出部２の温度補償の効果を試験した。
【００５５】
（試験例１）
周囲の雰囲気温度を２５℃恒温とし、被検液Ｓとして有機物濃度ゼロの純水を使用して、その水の温度を２０℃から３５℃の間で変化させた。この時の出力値を濃度換算し、２５℃での温度を基準として、温度に対する有機物濃度指示値（ｐｐｍ）の変化分を求めた。
【００５６】
試験は、本実施例に従い検出部２の温度補償を行った場合と、図８を参照して説明したように、光源１１及び光検出器１２などの光学部品と検出素子２０とを同一の筐体内に収納し、温度補償を行わなかった場合（比較例）とで行った。図８中、本実施例の溶存有機物濃度センサ１００と同様の機能、構成を有する要素には同一符号を付している。結果を表１及び図４に示す。
【００５７】
【表１】

【００５８】
表１及び図４の結果に示すように、比較例では、被検液Ｓの温度の上昇に伴い、急激に測定値が上昇し、その変化量は、約０．６ｐｐｍ／℃であった。
【００５９】
これに対して、本実施例に従い検出部２の温度補償を行った場合、被検液Ｓの温度上昇に対する測定値の変化はごく僅かに抑えられており、その変化量は約０．０２ｐｐｍ／℃程度であった。光学部１が検出部２から分離されていることで、光学部１が被検液Ｓの温度変化に影響されないことが分かる。
【００６０】
［光学部の温度補償］
上述のように、光学部１は、検出部２から分離されており、被検液Ｓに接触することはないので、被検液Ｓの温度変化、被検液Ｓ毎の様々な温度の影響を受けることはない。しかし、上述のように、光学部１、特に、光源１１及び光検出器１２などの光学部品がポリマー薄膜２２よりも温度影響が大きい場合などに、雰囲気温度の変化の影響を受け易い。
【００６１】
そこで、図２に示すように、更に光学部２の内部の温度変化を検出するために、本実施例ではサーミスタとされる温度検出手段（温度センサ）１４を光学部１の内部に設けた。温度検出手段はこれに限定されるものではなく、光学部２の内部の温度情報信号を生成できるものであればよい。温度センサ１４の出力信号は、光学部１の内部の温度を示す信号（温度検出信号）として、光学部１のインターフェイス５５、ケーブル５０内を伸長する信号線５３ｃ、コネクタ５０ａ内の対応する端子、制御部３のインターフェイス３３を介して演算部３１に入力される。
【００６２】
そして、その温度検出結果を用いて、検出部２の温度補償とは独立して、光学部１の温度補償を行う。このように、光学部１と検出部２とを分離し、それぞれ独立して温度検知、温度補償を行うことで、得られる検出結果の再現性、指示値の安定性は更に良好になる。
【００６３】
一例として、本実施例の構成においては、光学部１、特に、光源１１及び光検出器１２に関して、温度Ｔ_Ｏの雰囲気下の測定で得られる反射強度ＲＯｔと換算基準温度における反射強度ＲＯとの比ｒ_Ｏと、温度Ｔ_Ｏとの関係は４次式となる。
【００６４】
ｒ_Ｏ＝ＲＯｔ／ＲＯ＝Ａ_ＯＴ_Ｏ ^４＋Ｂ_ＯＴ_Ｏ ^３＋Ｃ_ＯＴ_Ｏ ^２＋Ｄ_ＯＴ_Ｏ＋Ｅ_Ｏ・・・（２）
Ａ_Ｏ、Ｂ_Ｏ、Ｃ_Ｏ、Ｄ_Ｏ、Ｅ_Ｏ：定数
従って、予め上記式（２）中の定数を求めておくことによって、温度Ｔ_Ｏの雰囲気下の測定で得られる反射強度ＲＯｔを、上記（２）より算出した反射強度比で除することで、換算基準温度での値に補償することができる。
【００６５】
上記式（２）中の定数は、光源１１と光検出器１２を含む光学部１の温度依存性、即ち、雰囲気温度を適当に変化させて（少なくとも４種）、検出部２の温度を一定に保つと共に光検出器１２の出力を測定する。そして、出力値と温度との相関式、即ち、上記式（２）中の定数を求める。こうして得た相関式を、テーブル、演算式などの形態で制御部３の記憶部３２に記憶させておき、実際の測定の際には演算部３１がこの記憶部３２に記憶された相関式（２）を用いることによって、温度センサ１４で検出した光源１１及び光検出器１２を含む光学部１の内部の温度から、出力値の温度変化による（基準温度における出力値に対する）変動分を補正する。
【００６６】
そして、上記検出部２と、光学部１とについてそれぞれ独立して求めた補正量を実際の出力値にそれぞれ適用して、光学部１及び検出部２の温度特性による影響を排除した基準温度における出力値を得る。更に、上記同様、この出力値は、有機物濃度（ｐｐｍ）表示に変換されて、表示部３５にて表示される。
【００６７】
本実施例に従う光学部１の温度補償の効果を試験した。
【００６８】
（試験例２）
被検液Ｓとして有機物濃度ゼロの純水を使用して、この水の温度を２５℃恒温にした状態で、周囲の雰囲気温度を１２℃から３５℃に変化させた。この時の出力値を濃度換算し、２５℃での温度を基準として、温度に対する有機物濃度指示値（ｐｐｍ）の変化分を求めた。
【００６９】
試験は、本実施例に従い光学部１の温度補償を行った場合と、図８を参照して説明したように、光源１１及び光検出器１２などの光学部品と検出素子２０とを同一の筐体内に収納し、温度補償を行わなかった場合（比較例）とで行った。結果を表２及び図５に示す。
【００７０】
【表２】

【００７１】
表２及び図５の結果に示すように、比較例では、雰囲気温度の上昇に伴い、急激に測定値が上昇し、その変化量は約２．６ｐｐｍ／℃であった。
【００７２】
これに対して、本実施例に従い光学部１の温度補償を行った場合、雰囲気温度の上昇に対する測定値の変化はごく僅かに抑えられており、その変化量は、約０．０２ｐｐｍ／℃程度であった。
【００７３】
更に、上記光学部１の温度センサ１４に加えて、図２に示すように、光学部１の内部の温度分布が均一となるように、光源１１及び光学部品１２を含む光学部１の光学部品を断熱手段１５で覆い、外部と熱的に遮断した。そして、断熱手段１５で囲包された領域の内部に、温度検出手段１４を設けることで、光学部１としての温度変化をリアルタイムで検出することができる。断熱手段１５としては、発泡スチロール、発泡ウレタンなどを好適に用い得る。本実施例では、発泡ウレタンを用いた。
【００７４】
これにより、例えば、屋外での測定などにおいて光学部１の雰囲気温度が変化した場合であっても、光学部１、特に、光源１１及び光学部品１２などの光学部品はその温度変化から遮断されているため、雰囲気温度の変化が光源１１及び光検出器１２などの光学部品に徐々に伝達されて、指示値がドリフトするようなことは、ほぼ完全に排除することができる。
【００７５】
又、上述では、検出部２から切り離された光学部１は、図１に示すように、ケーブル４０、５０を介して制御部３と検出部２との間に配置されるとした。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、図３に示すように、検出部２から切り離した光学部１を、制御部（計器）３の内部に組み込み、ケーブル４０で検出部２と制御部３内の光学部１とを結合することもできる。図示の例では、制御部３の内部に配置された光学部１は、温度センサ１４及び断熱手段１５を具備する。これにより、通常使用状態においては、光学部１は確実に操作者の雰囲気温度下にあり、被検液Ｓの温度の影響を受けることはない。
【００７６】
尚、上述では、ポリマー薄膜２２の厚みｄの変化による検出素子２０の光学特性の変化によって、反射強度が変化するとして説明したが、本発明は特定の理論に束縛されることを意図しておらず、ポリマー薄膜２２の吸光度、屈折率などのその他の各種パラメータにより反射強度が変化することもある。温度変化によるポリマー薄膜２２の光学特性の変化は、その厚みｄの変化のみならず、吸光度、屈折率などのその他の各種パラメータが温度により変化することによりもたらされたものであっても、本発明は等しく適用可能である。
【００７７】
以上説明した如く、本発明によれば、常に指示値が安定し、再現性の良好な信頼性の高い測定結果を得ることができる。
【００７８】
実施例２
次に、本発明の他の適用例を説明する。
【００７９】
上記各実施例では、ポリマー薄膜２２による光の反射を利用した溶存有機物濃度センサに本発明を適用した場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。測定対象と物理的若しくは化学的に相互作用する検出素子が、測定対象に対する感応部材として薄膜を利用する光学センサとしては、干渉増幅反射法センサの他、例えば、表面プラズモン共鳴法センサ（ＳＰＲ）、光導波路型センサ、マッハツェンダー干渉式センサなどの、各種光学的性質を利用して検体中の測定対象の存否及び／又は濃度を測定する光学センサがある。
【００８０】
表面プラズモン共鳴法センサは、金属／液体の界面で表面プラズモンが励起した場合に起こる所謂表面プラズモン共鳴を利用する。表面プラズモン共鳴は、入射角を変化させつつ、検出素子に光を入射させたとき、入射角がある角（共鳴角）の時に反射光の強度が著しく低減する現象である。
【００８１】
表面プラズモン共鳴法センサは、例えば図６に示すように、一般的に、基板、結合手段としてのプリズム２１と、プリズム２１の一面に設けられた金などの金属薄膜２５とを備えてなる検出素子２０が検出部２のセンサボディ２３に具備される。そして、例えば、測定対象（例えば、抗原）と特異的に結合する分子認識物２６（例えば、抗体）などを金属薄膜２５の表面に担持させることにより、検体中の測定対象が付着した金属薄膜２５の表面状態に応じて共鳴角の大きさが変化するため、予め共鳴角と測定対象の濃度との相関を求めておくことで、検体中の測定対象の存否及び／又は濃度を測定することができる。
【００８２】
光導波路型センサとしては、ガラスなどの基板上に光導波路層を形成し、この光導波路の表面に例えば測定対象（例えば、酵素反応基質）と特異的に反応する分子認識物（例えば、酵素）を固定し、基板上に格子結合器などを設けた検出素子を用いるものがある。そして、光導波路層内に光を導入し、例えば、分子認識物と測定対象との反応生成物による吸光量；分子認識物と測定対象との反応生成物の蛍光量；分子認識物と測定対象との反応生成物と、分子認識物と一緒に光導波路層の表面に固定された色素との反応生成物の吸光量；分子認識物と測定対象との反応生成物と、分子認識物と一緒に光導波路層の表面に固定された蛍光物質との反応生成物の蛍光量；などを測定する。この吸光量、蛍光量などと測定対象の濃度との相関を予め求めておくことで、検体中の測定対象の存否及び／又は濃度を測定することができる。
【００８３】
マッハツェンダー干渉計式センサは、位相の揃ったコヒーレント光を、光ファイバやその他の光導波路で２光路に分岐させ、これを再び合流させた時の位相のずれによる干渉パターンの変化を検出して、２光波間の相対的位相変化量を測定する。斯かる原理を利用した測定方法は、分岐した光路の片側に、検体によって光波の位相が変化する検出領域を設置する。例えば、該検出領域において、光ファイバのクラッドを一部取り去り、そこに検出素子として実施例１にて説明したような有機物感応膜をコーティングする。これにより、検体中の有機物との相互作用により感応膜自体の屈折率が変化して光ファイバのコアから漏れ出す光の量が変化し、検出領域を設置した光路と、上流側で分岐されたもう一方の光路を伝搬される光波とで位相差が生じる。この位相のずれを光学部で測定することにより、検体中の有機物の存否及び／又は濃度を検出することができる。
【００８４】
このように、表面プラズモン共鳴法センサ、光導波路型センサ、マッハツェンダー干渉計式センサなどにおいても、検出素子と光学部品とで、その温度の影響の程度及び／又は温度変化に対する応答性に差異があることは、安定な指示値、信頼性ある測定結果を得るために大きな問題となる。又、例えば分子認識物と測定対象との反応性など、検体自体が温度による影響を受けることもあり、その温度変化による影響の程度、応答性は、通常、光学部１とは異なる。従って、このような光学センサにおいても、本発明に従って光学部１と検出素子を設けた検出部２とを分離し、光学部１と検出部２とで独立して温度補償することにより、斯かる問題を解決することができる。
【００８５】
以上の各実施例から明らかなように、本発明は、測定対象と物理的若しくは化学的に相互作用する検出素子の光学特性の変化或いは検体（若しくは測定対象）の光学的特性の変化を検出する検出部と、光源、光検出器などの光学部とを用いて測定対象の存在及び／又は濃度を測定するための光学センサに広く適用し得るものである。
【００８６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光学センサは、測定時に検体と接触する検出部と、検出部に光を入力する光源、及び検出部から出力される光を検出する光検出器を備える光学部と、を有し、検出部と光学部とは光学的に結合可能であると共に、光学部を測定時に検体に接触させずに測定可能なように光学部は検出部から分離されており、且つ、前記検出部及び前記光学部はそれぞれ温度検出手段を有する構成とされるので、雰囲気温度と異なる温度の検体、温度変化する検体或いは温度の異なる一連の検体の測定を行う際などに、常に指示値が安定し、再現性の良好な信頼性の高い測定結果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光学センサの一実施例（溶存有機物濃度センサ）の概略構成図である。
【図２】本発明に従った光学部の他の構成例を示す概略構成図である。
【図３】本発明に従った光学センサの光学部の更に他の構成例を示す概略構成図である。
【図４】検出部の温度補償の効果を示すグラフ図である。
【図５】光学部の温度補償の効果を示すグラフ図である。
【図６】本発明を適用し得る光学センサの他の例（表面プラズモン共鳴法センサ（ＳＰＲ））を説明するための検出部の概略構成図である。
【図７】溶存有機物濃度センサの測定原理を説明するための模式図である。
【図８】従来技術に従う光学センサの一例の概略構成図である。
【符号の説明】
１光学部
２検出部
３制御部（計器）
１１光源
１３光検出器
１４温度センサ（光学部温度検出手段）
１５断熱手段
２０検出素子
２１プリズム
２２ポリマー薄膜
２４温度センサ（検出部温度検出手段）

Claims

測定時に検体と接触する検出部と、前記検出部に光を入力する光源、及び前記検出部から出力される光を検出する光検出器を備える光学部と、を有する光学センサであって、前記検出部と前記光学部とは光学的に結合可能であると共に、前記光学部を検体に接触させずに測定可能なように前記光学部は前記検出部から分離されており、且つ、前記検出部及び前記光学部はそれぞれ温度検出手段を有することを特徴とする光学センサ。
前記検出部は検体と相互作用する検出素子を備えており、前記光源は前記検出素子に入射する光を発し、前記光検出器は前記検出素子から出射される光を検出することを特徴とする請求項１の光学センサ。
検体としての被検液中の溶存有機物を検出することを特徴とする請求項３の光学センサ。
前記検出素子は、検体と接触する高分子薄膜を有することを特徴とする請求項２又は３の光学センサ。
前記検出素子からの反射光強度を測定することを特徴とする請求項２、３又は４の光学センサ。
前記検出素子の発する蛍光強度を測定することを特徴とする請求項２、３又は４の光学センサ。
前記検出素子の吸光度若しくは透過率を測定することを特徴とする請求項２、３又は４の光学センサ。
干渉増幅反射法を利用したセンサ、表面プラズモン共鳴法を利用したセンサ、光導波路型センサ又はマッハツェンダー干渉計式センサであることを特徴とする請求項２、３又は４の光学センサ。
前記検出部が有する温度検出手段は、前記検出素子の環境温度を検出することを特徴とする請求項２〜８のいずれかの項に記載の光学センサ。
更に、前記光源及び前記光検出器を囲包する断熱手段を有することを特徴とする請求項１〜９のいずれかの項に記載の光学センサ。
前記光学部が有する温度検出手段は、前記断熱手段により囲包された領域内部に設けられることを特徴とする請求項１０の光学センサ。
更に、前記検出部及び前記光学部が有する前記温度検出手段のそれぞれの検出結果に基づいて前記光検出器の出力信号を補正する制御手段を有し、該制御部は補正後の該出力信号に基づいて、検体中の測定対象の存否及び／又は濃度を求めることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかの項に記載の光学センサ。