JP2004294355A - 濃度測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】試料中の旋光性物質の濃度を測定する方法として、試料に光を照射しその旋光角から濃度を求める方法は有用である。しかし、従来の装置構成では試料を挟んで両側に光源と光強度検出器があったため、装置自体の構成が複雑化し大きさも大きいものとなってしまう。
【解決手段】偏光ビームスプリッタと反射板を組み合わせることにより、光強度検出器を光源からの光線が入射した試料面と等しい面より出射される反射光を検出可能な位置に配置した構成の装置を用いることで、試料の旋光度を測定することができる。これにより、装置構成が簡易化・小型化される。更に、同方法により、角度成分以外の成分を除くことができるため安定した旋光角の測定が可能であり、試料中の旋光性物質の濃度を求めることができる。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、試料中に含まれる旋光性物質の濃度、特にグルコースなどの糖類やアルブミンなどのタンパク類等の濃度を測定する技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
試料中のある物質の濃度を測定する手段として、その物質が旋光性を持っている場合には、試料に光を照射しその旋光角から物質の濃度を求める方法は有用であるといえる。光を用いる旋光角測定方式では、直接試料にふれる他方式と異なり、直接試料に触れることなく測定することが可能である。そのため、特にメンテナンス等を行わずに長い期間において装置の使用が可能であるといえる。
【０００３】
旋光角測定方式の原理は次式、
θ（λ）＝α（λ）・ｃ・ｌ
で表される。ここで、θ（λ）は光線の波長がλであるときの旋光角、α（λ）は光線の波長がλであるときの比旋光度、ｃは旋光性物質の濃度、ｌは測定光路長である。上式において、比旋光度αと測定光路長ｌは測定前に既知の値である。よって、旋光角θ（λ）を測定することにより、旋光性物質の濃度ｃが求まる。
【０００４】
図３は一般的な旋光角測定装置例の概略図である（たとえば非特許文献１参照。）。光源３０１より出射した光線を第一の偏光子３０２に照射する。第一の偏光子３０２によって光線は第一の偏光子３０２の透過軸方向に光軸を持つ直線偏光となり、次に直線偏光を旋光角度変調素子３０３に照射する。旋光角度変調素子３０３を通過する際に直線偏光の偏光面は回転するが、仮に旋光角度変調素子３０３が電気光学的なものだとすると直線偏光の旋光角度は外部より旋光角度変調素子３０３に印加する電圧に依存する。次に旋光した直線偏光を試料３０４に照射する。ここで、直線偏光は試料３０４を通過する際、試料３０４中に含まれる旋光性物質によってその濃度に依存した角度だけ旋光される。次に試料３０４を通過した光線を第二の偏光子３０５に照射することで、第二の偏光子３０５の透過軸方向の光線のみが透過し、光検出器３０６の受光部に到達する。光検出器３０６は受光した光線の強度変化を電圧変化として出力するものである。従って光検出器３０６からの出力電圧の旋光角変調素子３０３に印加する電圧に対する依存性を測定することにより、試料３０４による旋光角θを測定することが出来る。
上記の従来例の方式に限らず、光を用いて旋光度から旋光性物質の濃度を測定する方式においては、光源と試料と光強度検出器が直線上にあり、試料を挟んで光源と光強度検出器が配置されている。
【０００５】
【非特許文献１】
佐藤勝昭著「光と磁気」朝倉書店、１９８８年４月５日、ｐ．５〜１１
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記に記載した様な方法を用いた場合、試料を挟んで、光源と光強度検出器がそれぞれ別の側に配置されてしまう。一般に光源や光強度検出器は電気的に駆動する、もしくは電気信号を用いるものであるため、試料を挟んで両側に配置するとその電源や信号線の引き回し等に困難が生じる。また、特に試料が液体の場合などは光源や光強度検出器は完全な防水が必要となるが、試料を挟んで光源と光強度検出器が両側に配置されているため装置全体の構成に困難が生じる。また、測定装置自体も試料の両側に電気的な機器が必要となるため、大型になってしまう。
【０００７】
そこで本発明では上記の課題を解決し、旋光角測定用の装置構成の簡易化や装置の小型化を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
これらの課題を解決するために本発明による濃度測定装置は、下記に記載の手段を採用する。すなわち本発明は、無偏光の光線を出力する光源と、試料と、光強度検出器を備え、試料中の旋光性物質による旋光角を測定することにより試料中の旋光性物質の濃度を測定する濃度測定装置であって、入射した光線をｐ偏光とｓ偏光に分離する偏光ビームスプリッタと反射板を備え、光強度検出器を光源からの光線が入射した試料面と等しい面より出射される反射光を検出可能な位置に配置したことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の濃度測定装置は、光線を出力する光源と、光線を直線偏光にする偏光子と、試料と、光強度検出器を備え、試料中の旋光性物質による旋光角を測定することにより試料中の旋光性物質の濃度を測定する濃度測定装置であって、入射した光線をｐ偏光とｓ偏光に分離する偏光ビームスプリッタと反射板を備え、光強度検出器を光源からの光線が入射した試料面と等しい面より出射される反射光を検出可能な位置に配置したことを特徴とする
【００１０】
また、本発明の濃度測定装置は、試料が尿であり試料中の旋光性物質が尿中グルコースもしくは尿中アルブミンである場合により有用である。
【００１１】
（作用）
試料中の旋光性物質による旋光角を測定することにより試料中の旋光性物質の濃度を測定する濃度測定装置において、偏光ビームスプリッタと反射板を組み合わせることにより装置を構成することで、電源配線や電気信号配線が必要な光源と光強度検出器を試料に対して同じ側に配置することにより、濃度測定装置の構造の簡易化や装置自体の小型化が可能である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明を利用した濃度測定装置の最適な実施形態を説明する。
【００１３】
（第一の実施形態）
図１は本発明の第一の実施形態の例である。実施例の説明のために、図１においては図中に示すようにｘ軸とｙ軸を設定している。図１において、光源１０１より光線を出射する。ここで、光源１０１はレーザダイオードなど、ある一定の波長の光線を出射するものであり、無偏光の光線を出射するものとする。また、本実施例においては光源１０１から出射された光線（ａ）の振幅をＡと仮定する。次に光源１０１より出射された光線を試料１０２に照射する。このとき、試料１０２が液体の場合は液体を入れる容器を配置し、その容器中に試料を入れるものとする。ここで、容器は液体の光路長が既知のもので、容器の素材としては旋光性がないものを用いる。これは、測定結果に容器の旋光度分が含まれてしまうことを防ぐためである。試料１０２に照射された光線の多くは試料１０２を透過するが、一部は試料１０２によって吸収、もしくは散乱される。ここでこの試料１０２を通過したときの光線の振幅の減衰率を１／αと仮定する。よって通過した光線（ｂ）の振幅はＡ／αとなる。
【００１４】
試料１０２を通過した光線を次に偏光ビームスプリッタ１０３に照射する。ここで偏光ビームスプリッタ１０３は、偏光ビ−ムスプリッタ１０３に対してｓ波成分を反射し、ｐ波成分を透過するものである。すなわち、偏光ビ−ムスプリッタ１０３においてｙ方向の直線偏光が反射され、ｘ方向の直線偏光が透過する。ここで、偏光ビ−ムスプリッタ１０３に入射した光線（ｂ）は無偏光であるため、反射されるｙ方向の直線偏光（ｃ）と透過するｘ方向の直線偏光（ｄ）の光強度は等しくなる。すなわち、本実施例において偏光ビームスプリッタにおける反射、透過時の吸収・散乱による光強度の減衰はないものと仮定すると、光線（ｃ）と光線（ｄ）の振幅はＡ／２αとなる。
【００１５】
光線（ｃ）は偏光ビ−ムスプリッタ１０３への入射光に対して９０°方向に出射され、第一の反射板１０４に到達する。このとき、第一の反射板１０４はｙ軸方向と平行に配置し、その反射面は入射光に対して４５°となるようにする。すなわち、第一の反射板１０４で反射した光線はｙ方向に偏光した振幅Ａ／２αの直線偏光となり、再度試料１０２に入射される。
【００１６】
光線（ｄ）は偏光ビームスプリッタ１０３を透過し、第二の反射板１０５に到達する。このとき、第二の反射板１０５はｙ軸方向と平行に配置し、その反射面は入射光に対して９０°となるようにする。すなわち、第二の反射板１０５で反射した光線はｘ方向に偏光した振幅Ａ／２αの直線偏光となり、光線（ｃ）と同様に再度試料１０２に入射される。ここで、第一の反射板１０４と第二の反射板１０５における反射時の光の吸収はないものと仮定している。
【００１７】
再度試料に入射した光線（ｃ）と光線（ｄ）は試料を通過する際、その光線の振幅は上記と同様に１／αに減衰される。よって、光線（ｃ）と光線（ｄ）の振幅はＡ／２α^２となる。また試料中の旋光性物質によって、光線（ｃ）と光線（ｄ）の偏光面は、それぞれ旋光性物質の濃度に比例した分だけ旋光される。ここで、その旋光角をθとする。
【００１８】
次に、再度試料を通過してきた光線（ｃ）を偏光子１０６に照射させ、偏光子１０６の透過光を第一の光検出器１０７に入射させる。このとき、偏光子１０６の透過軸方向をｘ軸方向に設定しておいた場合、偏光子１０６を透過してきた光線（ｃ）の振幅はＡｓｉｎθ／２α^２となり、第一の光検出器１０７からは光線の振幅の自乗、すなわち（Ａｓｉｎθ／２α^２）^２ に対応した出力が得られる。また、光線（ｄ）に関しては再度試料１０２を通過してきた光線を直接、第二の光検出器１０８に入射させる。このとき、光線（ｄ）の振幅はＡ／２α^２であるので、第二の光検出器１０８からは（Ａ／２α^２）^２ に対応した出力が得られる。
【００１９】
上記より、第一の光検出器１０７と第二の光検出器１０８の出力から、ｓｉｎ^２θに対応した値が得られるため、この値より、試料１０２を通過したときの旋光角θを求めることができる。ここで、光路長は既知であるため、試料中の旋光性物質の濃度ｃが求まる。
【００２０】
上記のように、光強度検出器を光源からの光線が入射した試料面と等しい面より出射される反射光を検出可能な位置に配置した構造においても試料の中の旋光性物質の濃度を測定することが可能である。更に本実施例方式においては、不確定な要素として挙げられる、光源から出射される光線の振幅Ａや試料を通過する際の減衰の係数αを除くことができ、旋光角θの情報だけを取り出すこと可能であるため安定した測定ができる。
【００２１】
（第二の実施形態）
図２は本発明の第二の実施形態の例である。図１と同様に実施例の説明のために、図２においても図中に示すようにｘ軸とｙ軸を設定している。図２において、光源１０１より光線を出射する。ここで、光源１０１は第一の実施例と同様にレーザダイオードなど、ある一定の波長の光線を出射するものであるが、その偏光面については特に規定しない。光源１０１より出射された光線を第一の偏光子２０１に照射する。このとき、偏光子２０１の透過軸方向はｙ軸となるように設定する。偏光子２０１を通過した光線（ｅ）はｙ方向に偏光した直線偏光となり、本実施例においては偏光子２０１を通過した光線（ｅ）の振幅をＢと仮定する。次に偏光子２０１を通過した光線を試料１０２に照射する。試料１０２に関しては第一の実施例と同様である。試料１０２に照射された光線の多くは試料１０２を透過するが、一部は試料１０２によって吸収、もしくは散乱される。ここで試料１０２を通過したときの光線の振幅の減衰率を１／βと仮定する。よって通過した光線（ｆ）の振幅はＢ／βとなる。また、光線（ｆ）の偏光面は試料中の旋光性物質によってその濃度に比例した分だけ旋光するため、その旋光角をθと仮定すると、試料１０２と通過してきた光線（ｆ）の偏光面はｙ軸方向からθだけ傾いた方向となる。
【００２２】
次に試料１０２を通過した光線を偏光ビームスプリッタ１０３に照射する。ここで偏光ビームスプリッタ１０３は、偏光ビ−ムスプリッタ１０３に対してｓ波成分を反射し、ｐ波成分を透過するものである。すなわち、偏光ビ−ムスプリッタ１０３においてｙ方向の直線偏光が反射され、ｘ方向の直線偏光が透過する。ここで、偏光ビ−ムスプリッタ１０３に入射した光線（ｆ）は偏光面がｙ軸方向からθだけ傾いた直線偏光であるため、反射されるｙ方向の直線偏光（ｇ）の振幅はＢｃｏｓθ／βとなり、透過するｘ方向の直線偏光（ｈ）の振幅はＢｓｉｎθ／βとなる。ここで、本実施例において偏光ビームスプリッタにおける反射、透過時の吸収・散乱による光強度の減衰はないものと仮定する。
【００２３】
光線（ｇ）は偏光ビ−ムスプリッタ１０３への入射光に対して９０°方向に出射され、第一の反射板１０４に到達する。このとき、第一の反射板１０４はｙ軸方向と平行に配置し、その反射面は入射光に対して４５°となるようにする。すなわち、第一の反射板１０４で反射した光線はｙ方向に偏光した振幅Ｂｃｏｓθ／βの直線偏光となり、再度試料１０２に入射される。
【００２４】
光線（ｈ）は偏光ビームスプリッタ１０３を透過し、第二の反射板１０５に到達する。このとき、第二の反射板１０５はｙ軸方向と平行に配置し、その反射面は入射光に対して９０°となるようにする。すなわち、第二の反射板１０５で反射した光線はｘ方向に偏光した振幅Ｂｓｉｎθ／βの直線偏光となり、光線（ｇ）と同様に再度試料１０２に入射される。ここで、第一の反射板１０４と第二の反射板１０５における反射時の光の吸収はないものと仮定している。
【００２５】
再度試料に入射した光線（ｇ）と光線（ｈ）は試料を通過する際、その光線の振幅は上記と同様に１／βに減衰される。よって、光線（ｇ）の振幅はＢｃｏｓθ／β^２となり、光線（ｈ）の振幅はＢｓｉｎθ／β^２となる。また光線（ｆ）と同様に試料中の旋光性物質によって、光線（ｇ）と光線（ｈ）の偏光面は、それぞれθだけ旋光される。
【００２６】
次に、再度試料を通過してきた光線（ｇ）を第二の偏光子２０２に照射させ、第二の偏光子２０２の透過光を第一の光検出器１０７に入射させる。このとき、第二の偏光子２０２の透過軸方向をｘ軸方向に設定しておいた場合、第二の偏光子２０２を透過してきた光線（ｇ）の振幅はＢｃｏｓθ・ｓｉｎθ／２β^２となり、第一の光検出器１０７からは光線の振幅の自乗、すなわち（Ｂｃｏｓθ・ｓｉｎθ／２β^２）^２ に対応した出力が得られる。また、光線（ｈ）に関しては再度試料１０２を通過してきた光線を直接、第二の光検出器１０８に入射させる。このとき、光線（ｈ）の振幅はＢｓｉｎθ／β^２であるので、第二の光検出器１０８からは（Ｂｓｉｎθ／β^２）^２ に対応した出力が得られる。
【００２７】
上記より、第一の光検出器１０７と第二の光検出器１０８の出力から、ｃｏｓ^２θに対応した値が得られるため、この値より、試料１０２を通過したときの旋光角θを求めることができる。ここで、光路長は既知であるため、試料中の旋光性物質の濃度ｃが求まる。
【００２８】
上記のように、入射光が無偏光でなく、偏光状態が特定できないような状態であっても、第一の実施例と同様に、光源と光強度検出器を試料に対して同じ側に配置した構造においても試料の中の旋光性物質の濃度を測定することが可能であり、光源から出射される光線の振幅Ｂや試料を通過する際の減衰の係数βを除くことができ、旋光角θの情報だけを取り出すこと可能であるため安定した測定が可能である。
【００２９】
上記の方式を用いることで、電源配線や電気信号配線が必要な光源と光強度検出器を試料に対して同じ側に配置することができるため、濃度測定装置の構造が簡易化され、装置自体の小型化も可能である。例えば、光源と光強度検出器を同じ基板上に配置することも可能である。また、試料が液体の場合などは光源や光強度検出器などは電気信号等を用いるため、完全な防水が必要となるが、試料に対して同じ側にあることにより、光源と光強度検出器の防水をひとまとめにすることなども可能である。
【００３０】
また、上記の方式を用いることで、例えば尿など色素の影響で測定毎に透過率に差がある試料の場合にも尿中に含まれる旋光性物質であるグルコース、アルブミンなどのより安定した濃度測定が可能である。
【００３１】
【発明の効果】
以上の説明のように、本発明の濃度測定装置においては、下記に記載する効果を有する。
【００３２】
偏光ビームスプリッタと反射板を組み合わせることにより装置を構成することによって、電源配線や電気信号配線が必要な光源と光強度検出器を試料に対して同じ側に配置した場合にも旋光度の測定が可能で、試料中の旋光性物質の濃度を測定できる。これにより、例えば、光源と光強度検出器を同じ基板上に配置するなどの方法を用いて、濃度測定装置の構造の簡易化や装置自体の小型化が可能である。
【００３３】
更に本方式においては、旋光度の測定上不確定な要素として挙げられる、光源から出射される光線の振幅や試料を通過する際の減衰の係数を除くことができ、旋光角の情報だけを取り出すこと可能であるため安定した測定ができる。例えば尿など色素の影響で測定毎に透過率に差がある試料の場合にも測定が可能で、尿中に含まれる旋光性物質であるグルコース、アルブミンなどのより安定した濃度測定が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施形態における濃度測定装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の第二の実施形態における濃度測定装置の構成を示す図である。
【図３】従来例における旋光角度測定装置の概略図である。
【符号の説明】
１０１ 光源
１０２ 試料
１０３ 偏光ビームスプリッタ
１０４ 第一の反射板
１０５ 第二の反射板
１０６ 偏光子
１０７ 第一の光検出器
１０８ 第二の光検出器
２０１ 第一の偏光子
２０２ 第二の偏光子

Claims (3)

1. 無偏光の光線を出力する光源と、試料と、光強度検出器とを備え、前記試料中の旋光性物質による旋光角を測定することにより前記試料中の旋光性物質の濃度を測定する濃度測定装置であって、入射した光線をｐ偏光とｓ偏光とに分離する偏光ビームスプリッタと反射板とを備え、前記光源からの光線が入射した試料面と等しい面より出射される反射光を検出可能な位置に前記光強度検出器を配置した濃度測定装置。
2. 光線を出力する光源と、光線を直線偏光にする偏光子と、試料と、光強度検出器とを備え、前記試料中の旋光性物質による旋光角を測定することにより前記試料中の旋光性物質の濃度を測定する濃度測定装置であって、入射した光線をｐ偏光とｓ偏光とに分離する偏光ビームスプリッタと反射板とを備え、前記光源からの光線が入射した試料面と等しい面より出射される反射光を検出可能な位置に前記光強度検出器を配置した濃度測定装置。
3. 前記試料は尿であり、前記試料中の旋光性物質は尿中グルコースまたは尿中アルブミンであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の濃度測定装置。

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