JP2004531742A

JP2004531742A - 鏡映蛍光光度計

Info

Publication number: JP2004531742A
Application number: JP2003508910A
Authority: JP
Inventors: バンクス，ロドニー，エイチ．
Original assignee: Ondeo Nalco Co
Current assignee: ChampionX LLC
Priority date: 2001-06-28
Filing date: 2002-05-03
Publication date: 2004-10-14
Also published as: JP2011047949A; BR0209105A; CA2443603C; WO2003002973A3; US20030006385A1; MXPA03009854A; EP1399729A4; EP1399729A2; WO2003002973A2; TW558637B; NO20034503D0; CA2443603A1; NO20034503L; BRPI0209105B1; US6670617B2

Abstract

一つ又はそれ以上の試料に対し集光した円錐状の励起光を照射することができるように位置されている回転鏡（２４）を有し、試料（３４）中の発蛍光団から放射される蛍光シグナルが検出される蛍光光度計（１０）、天然又は工業用水システムからの試料（３４）からの一つ又はそれ以上の発蛍光団から放射される蛍光シグナルを検出するための鏡映蛍光光度計（１０）を使用する方法、制御装置と接続されることにより製紙プロセスを含む工業プロセス又はシステムを観測及び、必要によっては制御することができる蛍光光度計（１０）。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には、天然又は工業プロセスもしくは系を観測し及び、必要に応じて制御する分析装置及び方法に関する。より具体的には、本発明は、天然又は工業プロセスもしくは系からの試料に存在する一つ又はそれ以上の発蛍光団により発せられる蛍光シグナルを検出できる蛍光光度計に関する。この蛍光光度計を用いることにより、プロセス及び系を観測し、及び必要に応じて制御することができる。
【背景技術】
【０００２】
蛍光光度計は、典型的には、光源、所定の励起波長領域を選択できる手段、試料セル、所定の発光波長領域を選択できる手段、及び検出器を備えた分析装置である。
【０００３】
分光蛍光光度計は、励起及び／又は発光波長領域の選択手段が、格子により実行される特定型式の分光光度計である。格子は、光の連続体をその成分に分散するように作用する。分光蛍光光度計は、励起源及び／又は発光に応じた格子の位置に基づいて波長スペクトルを走査する機械的手段を用いる装置である走査型分光光度計（これは、標準的な実験室型の蛍光光度計を示している。）、又は格子が発光ごとに固定されている固定型分光蛍光光度計に、さらに分類することができる。発光（蛍光発光）は、次に、検出器のアレイに導かれる。検出器のアレイは電荷結合素子であってもよく、これは一般的に「ＣＣＤ」と略される。また、検出器のアレイは光ダイオードであってもよい。検出器は、次に適切な波長単位に較正される。この種類の装置で市販のものは、（株）ドリスデールアンドアソシエイツ（オハイオ州シンシナティー45244、私書箱44055、（513）831-9625）より入手可能である。この種類の固定型分光蛍光光度計は、走査、格子、又はフィルターのような、適切な励起波長選択装置をさらに必要とする。
【０００４】
現場条件に最も適した蛍光光度計は、格子分光蛍光光度計ではなく、むしろフィルター式の蛍光光度計である。フィルター式の蛍光光度計は選択した波長領域以外の全ての波長を排除するためにフィルターを使用する。一般的に、現在入手可能で、よく知られているフィルター式の蛍光光度計は、一つのチャンネルを有しており、このチャンネルは光学的に適切なセルを含んでいる。
【０００５】
光源及び任意の励起フィルターは、光学的に適切なセルの一方側に設置されており、発光検出器及び発光フィルターは光学的に適切なセルの反対側に設置されている。場合によっては、基準検出器を設けることもできる。蛍光は等方性であることから、多くの蛍光光度計は、誤った励起光の収集を最小限にするために、発蛍光団から発せられる蛍光を光源から９０度の角度で検出する。
【０００６】
励起フィルターは、選択した励起波長領域の光が、フィルターを通り抜けてセルに到達するのを許容する。オフラインバッチ試験を行う場合には、例えば、天然又は工業用水システムからの試料水が、光学的に適切なセルの中に設置され保持される。オンライン試験を行う場合には、試料水は光学的に適切なセルの中を流れることができる。光は試料水に存在する発蛍光団により吸収され、次に、励起光と同一又はそれより長波長の蛍光（以下、蛍光シグナルともいう。）を発する。発光フィルターは、発光検出器と光学的に適切なセルとの間に設置されるが、これは発蛍光団から発せられた光（発蛍光団の蛍光シグナル）のみがフィルターを通して発光検出器へ導かれるように選択される。
【０００７】
一般的な工業用水システム又は水文学における発蛍光団の知られた利用法の一つとして、工業用水システムにおける水圧損失を決定するための不活性蛍光トレーサーの使用がある。さらに、再循環又は貫流式冷却水システムへの添加物又は生産物の添加量を調整するための蛍光トレーサーの利用法も知られている（米国特許No.4783314参照）。この方法において、蛍光トレーサーは、一つ又はそれ以上の添加物と、添加物に対するトレーサーの既知の割合で組み合わされ、その後その混合物は冷却システムの水に添加される。その後、蛍光光度計は冷却水中の蛍光トレーサーの存在及び濃度を検出するために用いられ、その結果、添加物の存在及び濃度が検出される。現在入手可能な蛍光光度計の限界とは、一般的には、これらが単一のプロセス試料の蛍光を測定する光学セルを有する一つの経路しか有していないこと（すなわち、ワンチャンネル試料蛍光光度計であること）である。現在入手可能な蛍光光度計のもう一つの限界とは、既知の蛍光光度計の大部分のものは、例えば、不透明スラリー、不透明コロイド及びある種の不透明な金属加工油等の不透明媒体の蛍光シグナルを測定するのには不適当なことである。
【０００８】
プロセス試料を取り替えずに、単一の装置を用いて数種のプロセス試料を観測できる蛍光光度計、及び不透明媒体において蛍光シグナルを測定できる蛍光光度計が必要とされている。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本請求の範囲に記載した発明における第一の態様は、励起光の平行ビームを発生する励起光源、前記励起光源からの光の平行ビームを受けることができ、そして一つ又はそれ以上の試料に対し集光した円錐状の励起光を照射することができるように位置されている回転鏡、それぞれのチャンネルが試料の入った光学セルを保持することが可能な、一つ又はそれ以上のチャンネルを有する試料ホルダー、及び前記一つ又はそれ以上の試料に存在する発蛍光団からの蛍光シグナルを検出することができる検出器、を含む蛍光光度計である。
【００１０】
本請求の範囲に記載した発明における第二の態様は、励起光の平行ビームを発生する励起光源、前記励起光源からの光の平行ビームを受けることができ、そして一つ又はそれ以上の試料に対し集光した円錐状の励起光を照射することができるように位置されている回転鏡、それぞれのチャンネルが試料の入った光学セルを保持することが可能な一つ又はそれ以上のチャンネルを有する試料ホルダー、前記一つ又はそれ以上の試料に存在する発蛍光団からの蛍光シグナルを検出できる検出器、及び、試料が採取された天然又は工業プロセスを観測及び／又は制御するために前記蛍光光度計により検出された蛍光シグナルを用いる制御装置、を含む蛍光光度計である。
【００１１】
本請求の範囲に記載した発明における第三の態様は、ａ）本請求の範囲に記載した発明における第一の態様及び第二の態様において述べた蛍光光度計の提供、ｂ）天然又は工業プロセスにおける流水からの一つ又はそれ以上の試料の提供、及び、ｃ）前記試料中の前記発蛍光団の蛍光シグナルを検出するための前記蛍光光度計の使用、からなる工程を含む、一つ又はそれ以上の試料に存在する発蛍光団を蛍光的に検出する方法である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本特許出願明細書を通して、以下の語句はそれぞれ指示された意味を有している。
「ビーム」とは、多重光線の円筒形の投射をいう。
「平行」とは、光線が互いに平行であることをいう。
「円錐形」とは、多重光線の一つの焦点への投射をいう。
「集光する」とは、同じ焦点に達する又は導かれる光線をいう。
「発散する」とは、一点から発生して、同じ焦点に導かれることなく、そして平行な線を進むことがない光線をいう。
「扇形」とは、一点の光源から１８０度までの角度での、多重光線の投影をいう。
【００１３】
「発蛍光団」とは、電子を分子の電子基底状態（Ｓ_０）から電子励起状態（Ｓ_１又はＳ_２又はＳ_３）へ励起し、続いて励起状態の最低振動順位Ｓ_１に緩和する結果をもたらすような光子のエネルギー（ｈν）の吸収に際し、吸収したものよりもエネルギーが低い（波長は長い）エネルギー「Ｅ」（ｈν）の光子を放射する分子である。ここで留意すべきは、この関係は、Ｅ（吸収）＞Ｅ（蛍光）の式で表すことができることである。このエネルギーの放出は、分子の電子状態を基底状態（Ｓ_０）に戻す結果をもたらす。全体の過程では、等方的分布で蛍光光子を放出している結果となる。本請求の範囲に記載した蛍光光度計により検出できる発蛍光団は、約２００ｎｍから約１２００ｎｍの波長の励起光を吸収し、励起光よりも長い波長においてそれを放射することができる。
【００１４】
「不活性」とは、不活性発蛍光団が、天然あるいは工業プロセスにおけるいかなる化学反応によっても、又は、例えば、金属成分、微生物的活性、生物毒（biocide)、濃度、熱変化、全体の熱含量によっても、感知できるほど又は大きく影響されないという事実を意味している。「感知できるほど又は大きく影響されない」の意味を定量化すると、これは不活性発蛍光団が、天然又は工業プロセスにおいて通常遭う条件において、その蛍光シグナルが１０％以上の変化を示さないことである。天然又は工業プロセスにおいて通常遭う条件は、天然又は工業プロセスの分野での通常の技術を有する人々に知られている。
【００１５】
「等方的」とは、仮にある部分を点源とし、その部分に励起光を向けると、蛍光は２πステラジアンに渡って等しく放射され、その結果、三次元の球体を形成することをいう。蛍光の等方的分布のため、実際には蛍光シグナルの収集は、例えば、励起（光子）源に起因して収集される光子（光）を最小限にするために、励起（光子）源に対し９０°の位置で行うことができる。これはまた光の散乱を最小限にする役割も果たす。
【００１６】
「Nalco」とは、オンデオナルコカンパニー、イリノイ州、ネイパービル、ウエストディールロード、オンデオナルコセンター、1601、(630)305-1000のことである。
「ｎｍ」とは、ナノメーターのことであり、これは１０^−９メーターである。
【００１７】
本発明は、一つ又はそれ以上の試料に存在する発蛍光団から発せられる蛍光を観測、検出又は測定できる蛍光光度計を提供する。この蛍光光度計は、回転鏡を有し、この鏡は光源からの平行ビームを受けることができるように設置されており、この回転鏡は、集光した又は収束した励起光のビームをそれぞれの試料に順々に又は一つづつ投射する。存在する発蛍光団から発せられた集光した円錐状の励起光は、回転鏡によって受け止められる。この鏡は、励起光の平行ビームを、試料にどんな発蛍光団が存在していても選択した波長において蛍光シグナルを検出する検出器に投射する。その後、検出された蛍光シグナルは、蛍光光度計がプロセス又は系を観測し及び場合によっては制御するのに用いられることができるように、さらに処理される。
【００１８】
回転鏡は、蛍光光度計の使用及び操作を容易にすること、また、与えられた試験期間において複数の試料を蛍光的に観測することが必要とされる場合において、特にこれらを容易にすることが発見された。本発明の蛍光光度計は、与えられた試験期間において試験する一つ又はそれ以上の試料を保持するように構成されている試料ホルダーを含んでいる。試料が試料ホルダーに設置されたならば、集光ビームを一つの試料から次の試料へと、試料ホルダー内の試料の全て又は一部が試験されるまで動かし及び投射するために鏡を回転させることにより、それぞれの試料は別々に又は個別に試験又は分析される。
【００１９】
図１又は図２に、本発明の第一の態様が示されている。単一試料鏡映蛍光光度計１０は、励起光の平行ビーム１７を発生させるために、一連のフィルター及びレンズを通して励起光１５を発振することができる、励起光源１２を含んでいる。フィルターは、選択した波長域の励起光以外のものを除去又は除外するために用いられる。レンズは、鏡、フィルター、検出器などのような蛍光光度計の構成部品の大きさ及び寸法についての要求に適合するように光の焦点を合わせるために、又は光を平行にするために用いられる。
【００２０】
もし励起光源のスペクトル域が十分に狭い又は単色性であったならば、あるいは発蛍光団のストークスシフトが著しく大きいため光源の励起光スペクトルと発蛍光団の発光スペクトルとの間にスペクトルの重複が無かったならば、励起フィルターを使用することは、任意的であることを理解しておく必要がある。
【００２１】
どのような数、種類及び構成の励起光源、レンズ及びフィルターであっても励起光の平行ビーム１７を発生させるのに用いることができる。本発明の全ての態様において、図１、図２及び図３に示すように、励起光源１２は、励起光のビーム１５を、非球面レンズ１６及び励起フィルター１８を通して、励起二色性フィルター１４に送る。励起光１７の平行ビームは、その後さらに両凹レンズ２０及び平凸レンズ２２を通して、指向性の鏡２６に送られる。指向性の鏡２６は、励起光の平行ビーム１７を回転鏡２４に向ける。両凹レンス２０及び平凸レンズ２２は、励起光の平行ビーム１７が回転鏡２４に送られる前に、励起光の平行ビーム１７の大きさを調整するため（ここで「調整する」とは、「増やす」を意味する。）に用いられる。
【００２２】
図１、図２及び図３においてさらに図示されているように、指向性の鏡２６は励起光の平行ビーム１７を回転鏡２４に向けるために備えられている。指向性の鏡２６は、例えば平面鏡等の適切な鏡であれば、どのようなものであってもよい。指向性の鏡の必要性は任意であり、それは蛍光光度計の構成に依存するということを認識する必要がある。また、本発明は、指向性の鏡２６の大きさ、種類、形及び回転鏡２４に対する位置によって制限されないということも認識する必要がある。
【００２３】
励起光の平行ビーム１７は、回転鏡２４の一面に当たる。励起光の平行ビーム１７の一つの光線が回転鏡２４に当たる一点を図示するために、特定の交点６５を図１及び図２に示す。回転鏡２４はその後、集光した円錐状の励起光３２を前方に投射し、励起光３２は、試料３４に当たり、試料中の発蛍光団を励起する。試料３４中の発蛍光団はその後、扇状に発散した放出光３３の状態で蛍光を発光する。この扇状に発散した放出光３３は、試料３４から出て回転鏡２４の一面に当たる。発散した放出光３３の光線が回転鏡２４に当たる一つの点を図示するために、特定の交点６７を図１及び図２に示す。回転鏡２４は、その後、放出された蛍光の平行ビーム３５を指向性の鏡２６へと前方に投射する。放出された蛍光の平行ビーム３５は、その後平凸レンズ２２、両凹レンズ２０及び放射２色性フィルター４６を通って進む。
【００２４】
試料は、試料中の一つ又はそれ以上の発蛍光団の存在に起因して、蛍光を発する。本発明の蛍光光度計により検出可能な発蛍光団の説明に関して、本発明の蛍光光度計により検出可能であるためには、発蛍光団は約２００ｎｍ〜約１２００ｎｍの波長において光を吸収する必要があり、そして少しだけ長い波長において光を発する必要があるということに注意する必要がある。好ましくは、発蛍光団は約３５０ｎｍ〜約８００ｎｍの波長で光を吸収する。
【００２５】
発光二色性フィルター４６は、光を発光帯に分離するように働く。それぞれの発光帯は、別個の放射フィルター４８又は５０を通り抜け、別個の平凸レンズ５２又は５４を通り抜け、そして別個の検出器５６又は５８へ至る。それぞれの検出器５６又は５８は、蛍光発光帯の強度を表す蛍光シグナルとして知られている出力シグナルを発生する。出力シグナルはその後それぞれの増幅器６０又は６２により処理される。増幅器６０及び増幅器６２は図１においてのみ示されている。増幅器６０及び増幅器６２ともに任意的である。増幅器は、検出前に蛍光シグナルを強めることが必要であるか、又は望ましい場合にのみ用いられる。
【００２６】
図３に示される本発明の別の態様では、回転鏡２４は、図３に示すように、集光した円錐状の励起光３２ａ、集光した円錐状の励起光３２ｂ、集光した円錐状の励起光３２ｃを、それぞれ第一試料３８、第二試料４１及び第三試料４３に動かし、また投射するために、回転鏡２４が回転することができるように、サンプルホルダー３０の開口部２８中に配されている。回転鏡２４には様々な異なる大きさ、寸法及び種類の鏡が含まれる。好ましくは、回転鏡２４は、軸外放射面鏡を含むものである。この種類の鏡は、集光した円錐状の励起光３２ａを、回転鏡２４に対して軸外の位置において、試料３４に投射し、それゆえ、試料に投射される集光した円錐状の励起光３２ａの量が最大化される。
【００２７】
回転鏡２４は、手動又は自動等のいかなる好適な機構によっても回転させることができる。鏡は自動的に回転させるのが好ましい。これにより回転をより正確に、的確に制御することができる。鏡の回転の自動化は、例えば入手可能なステッピングモーター機構のような、いかなる好適な方法によって実施されてもよい。ステッピングモーター機構は、以下で述べるように、機内に搭載の、又は外部の制御装置によって制御することができる。
【００２８】
回転鏡２４は、約３６０度回転するように、又は一周（すなわち３６０度）よりも少ない角度で回転するように製作される。一つの実施態様においては、おのおのの試料に集光した円錐状の励起光３２を動かし、また投射するために、鏡が３６０度完全に回転する必要がないように、試料は回転鏡２４を完全には取り囲んではいない。
【００２９】
上述したように、本発明の回転鏡２４により、それぞれの試験毎に試料を取り替える必要なしに数種類の試料を試験することができる。回転鏡２４は、蛍光を検出する前に、発光又は蛍光に対する散乱光の比率を最小化することを容易にすることもできる。反射蛍光光度法において、散乱された励起光は、特に不透明な試料において問題である。散乱された励起光は、反射された蛍光発光よりも数倍強い。したがって、散乱光をできるだけ抑制することが望ましい。
【００３０】
光学セル及び試料からの望ましくない励起光の反射（すなわち散乱光）は、回転鏡２４の焦点を、反射した光の大部分が鏡の収集容量（collection volume）の外側に投射されるように、光学セル上に好適に位置づけることにより最小化することができる。所望の蛍光発光は等方性であるので、それは最大効率で収集でき、それゆえ散乱に対する発光の割合を増加させることができる。
【００３１】
特に、図１に示すように光学セルが円形（すなわち円筒型）のガラス管３４の場合に、この結果は起こる。このような円形管においては、管上に、光の励起ビームと管表面の接面との間の角度が、集光した散乱光が最小になり集光した放射光が最高になるような、二つの位置（対称的に位置している）が存在する。
【００３２】
検出器に送られる散乱光の量を減らすことにより、ノイズ（「ノイズ」とは、例えば、散乱光の検出に相当する蛍光シグナルのことである。）に対するシグナル（「シグナル」とは、蛍光の検出に相当する蛍光シグナルである。）は、最大となる。これにより、ノイズを打ち消したり最小化するために検出器の出力シグナルを処理することなしに、測定された蛍光の、より正確かつ厳密な分析を行うことができる。
【００３３】
回転鏡２４は、試料に対して、どの好適な部分に位置していてもよく、特に鏡がおのおのの試料へ集光した円錐状の励起光を適切に投射することができるのであれば、試料ホルダー３０（図３参照）の開口部２８に関して、どの好適な部分に位置していてもよい。
【００３４】
試料ホルダー３０には、様々な好適な構成のものが含まれる。図３に示すように、試料ホルダー３０は開口部２８を有する円形あるいはカルーセル形状であり、この開口部をとおして回転鏡２４が位置されている。試料（第一試料３８、第二試料４１及び第三試料４３）は、開口部２８の外側に位置しているそれぞれのチャンネル３６によって保持されている光学セル（図３には示されていない。）中に設置されている。光学セルは、例えば、円筒状、長方形等、どのような好適な形状のものであってもよい。光学セルは、前述したように好ましくは円筒状である。
【００３５】
光学セルは、オンライン試験において用いられるフローセル（図示していない。）として構成することもできる。フローセルは、どのような好適な態様によっても構成し、使用することができる。好ましい態様は、もし蛍光光度計が反転されると、液体が蛍光光度計中を適切に流れないようにさせる球体を有するフローセルである。しかしながら、重力とは関係ないフロー制御装置が用いられていたなら、蛍光光度計が完全に反転し、又は０度から３６０度の間のいずれの角度において傾いていたとしても、蛍光光度計は依然として機能することができる。このようなフローセル制御装置は、この分野においてよく知られたものである。
【００３６】
フローセルの構成を備えた蛍光光度計は、工業用水システム等を含む系の一つ又はそれ以上の工程の流れから得られた数種の試料を検出又は試験するために用いることができる。試料は、工程の流れに沿った様々な箇所で採取することもできる。蛍光光度計は、特にオンライン試験用に構成される場合に、工業用あるいは天然の水系のようなプロセス又は系を観測するための、及び必要によっては制御をするための制御装置と通信できるように、適合させることができる。
【００３７】
もし用途によって、試験中の試料に対して攪拌、加熱、冷却、通気又は他の有効な操作をすることを必要とするならば、蛍光光度計は、そのような操作を行えるように適応させることもできる。
【００３８】
図３は、複数の試料を測定する場合の、蛍光光度計の構成を図示したものである。図３において、回転鏡２４は、まず集光した円錐形の励起光３２ａを第一試料３８に導き、この試料は、蛍光４０を発散した扇状の放出光として発光する。蛍光４０は、次に回転鏡２４により集められ、先に詳細に説明した一つ又はそれ以上の検出器に送られる。第一試料３８の試験が終わった後、回転鏡２４は、集光した円錐形の励起光３２ｂを第二試料４２上に動かし、投射するために回転し、今度は第二試料４１が、蛍光４２を発散した扇状の放出光として発光する。第二試料４１の試験後、回転鏡２４は、集光した円錐形の励起光３２ｃを第二試料４３上に動かし、投射するために回転し、今度は第三試料４３が、蛍光４４を発散した扇状の放出光として発光する。回転鏡２４は、試料の一部又は全てを分析するために、その回転軸にそって、どんな好適な順序及び方向にも回転することができる。
【００３９】
試料ホルダー３０は、どのような好適な数の試料でも保持するように構成できことを認識しておく必要がある。好ましくは、試料ホルダーは、１６又はそれ以下の試料を保持するように構成される。この試料の数の制限は、例えば鏡、試料ホルダー、光学的セル等の大きさによるコストのような、実際的な限界を含むものである。試料の数が増えるにつれ、より長い焦点距離を有する鏡が必要とされることを認識しておく必要がある。しかしながら、分析する試料の数が増えても回転鏡の焦点距離内に試料が位置できるように、光学セルの大きさを小さくする必要もある。
【００４０】
上述したように、回転鏡２４は試料から発せられた蛍光を集める。これは、その後、様々な方法で一つ又はそれ以上の検出器に放出された光を送る。図１、２及び３において図示したように、回転鏡２４は、蛍光が検出器に届く前に、蛍光を一連のレンズ及びフィルターを通して送る。レンズは、試料からの反射光のビームの大きさを調整するために用いられる。反射光は、蛍光発光に加えて、例えば散乱光等のような望ましくない光を含んでいる。フィルターは、上記したように、それぞれの発蛍光団からの蛍光シグナルが、より正確に、また厳密に検出されるように、全ての、又は少なくとも望ましくない反射光の一部を、除去又は排除するために用いられる。
【００４１】
図１〜３に示すように、回転鏡２４は反射光を指向性鏡２６に送り、指向性鏡は、反射光を平凸レンズ２２、両凹レンズ２０及び励起二色性フィルター１４を通して、発光二色性フィルター４６に導く。発光二色性フィルター４６は、検出するために蛍光発光を二つの選択した蛍光発光帯に分割することに用いられる。それぞれの発光帯は、検出器５６又は５８により検出される前に、別々の発光フィルター４８又は５０及び平凸レンズ５２又は５４に通される。それぞれの検出器５６又は５８は、蛍光発光帯の強度を表す出力又は蛍光シグナルを発生する。出力シグナルは、その後それぞれの増幅器６０又は６２により処理される。増幅器６０及び増幅器６２の両方とも、任意的に、この蛍光光度計に含まれるものである。増幅器は、蛍光シグナルをその検出前に増幅することが必要であったり、望ましい場合にのみ用いられる。
【００４２】
二つの異なる蛍光発光帯を検出する能力は、種々の異なる適用例において望ましいものである。例えば、蛍光光度計は、種々の工業プロセス及びシステム中の発蛍光団の蛍光シグナルを検出するために用いられる。蛍光光度計の一つの適用例は、例えば、製紙プロセス、工業用水システム等の工業プロセス又はシステムにおいて微生物学的活性を観測することである。
【００４３】
本発明は、単一試料からの二つの発光帯を検出することには限定されない。例えば、より簡易に設計したものを、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザーのような、単色性励起光源によって引き起こされる単一波長励起からの、単一波長発光を検出するのに用いることができる。単一波長検出蛍光光度計が、反射光を二つの発光帯に互いに直角で分離するのに用いられる第二の二色性フィルター（すなわち、発光二色性フィルター）を含んでいないという点を除いては、単一波長発光を検出するための蛍光光度計の構造は、二つの蛍光発光帯を検出できる蛍光光度計の構造に基本的に類似している。
【００４４】
本発明は、多波長走査反射蛍光光度計として設計することもできる。この構成においては、蛍光光度計はスペクトル域において蛍光発光を検出することができる。これにより、蛍光光度計は、異なる励起光及び発光帯の光を吸収し、発光する一つ又はそれ以上の発蛍光団を検出及び／又は観測することができる。
【００４５】
ある態様においては、回転鏡に到達する前にモノクロメーター又は格子を通して送信又は走査されるスペクトル域の励起光を発生するために、キセノンランプ等の多色性励起光源が用いられる。集められた光（すなわち、回転鏡により集められた試料からの反射光）は、所望の蛍光発光を分離するためにモノクロメーターによって同様に処理される。または、集められた光は、光ファイバー上に集光され、光ファイバー分光計又はモノクロメーターに送られる。言い換えれば、蛍光光度計が、各試料に存在する数種の異なる発蛍光団から出る蛍光発光スペクトルを検出できるように、励起光及び発光の両方が走査される。
【００４６】
鏡、レンズ、フィルター、検出器、増幅器及び励起光源には、種々の好適な市販されている又は既知の製品が含まれるということを認識する必要がある。例えば、平面鏡（部品番号 01MFG013/23）、軸外放物面鏡（部品番号 02P0A013）、大凸面鏡（部品番号 01LPX129）、両凹レンズ（部品番号 01LDK007）、非球面レンズ（部品番号 01ＬAG111）及び平凸レンズ（部品番号 01LPX061）が、メレスグリオ社（92614カリフォルニア州、アーバイン、ケターリングストリート、1770、 (714)261-5600）から市販されている。励起フィルター（部品番号 535DF35）、励起二色性フィルター（部品番号 560DRLP）、発光二色性フィルター（部品番号 630DRLP）、発光フィルター（部品番号 580DF35）及び発光フィルター（部品番号 635DF55）が、オメガオプティカル社（05302バーモント州、ブラトレボロ、私書箱573、 (802)254-2690）から市販されている。増幅器（部品番号 Burr-Brown AFC2101）は、バーブラウン社（85706アリゾナ州、タクソン、タクソンビル、6730S、 (520)746-1111）の市販の二重電流インテグレーター(dual current integrator)である。光ダイオード（S2386-5K）等の検出器は、ハママツ社（08807ニュージャージー、ブリッジウォーター、フットヒルロード360）から市販されている。
【００４７】
本発明は、処理制御、観測及び自動化を最適化するために、種々の異なる、付加的な構成部品を含むことができる。本発明の第二の態様においては、蛍光光度計は、それぞれが好適で既知の構成において（図示しない。）、制御装置に接続したプリント基板アセンブリを含むのものである。例えば、本発明の第二の態様において使用するのに適した市販の制御装置は、テクノバ社（60031イリノイ州、ガーニー、セントポールアヴェニュー1486、(847)662-6260）から購入できる。
【００４８】
本発明の第二の観点の蛍光光度計に好適なプリント基板（PCB）アセンブリは、制御装置又は蛍光光度計の構成部品である他のデバイス（例えば、回転鏡のモーター、励起源のドライバー並びに電流−電圧変換及び光検出器からのシグナル増幅を実行する増幅器を含む。）により動力供給するように組み立てられるべきである。シグナルを操作し、シグナルの大きさを伝達するための回路もまた、PCBにとっては不可欠である。温度及び／又はフロースイッチの状態を測定する付加的な回路が含まれていてもよい。
【００４９】
蛍光光度計は、前記したように、さらに蛍光光度計の部品を制御するために、制御装置が蛍光光度計と電気的に通信できる通信ケーブルによって、制御装置に接続されていてもよい。好適な通信プロトコルは、蛍光光度計を操作する観点から、選択されるべきである。好適な標準的通信プロトコルは、RS−２３２、I²C、CAN、TCP／IP及び標準RS−４８５シリアル通信プロトコルを含むが、これらに限定されない。好ましい通信プロトコルは、標準RS-４８５シリアル通信プロトコルである。また、蛍光光度計と制御装置との間で、ワイヤレス通信プロトコルを用いることも可能である。そのような好適なワイヤレス通信プロトコルの一つは、ブルートゥースである。
【００５０】
制御装置は、分離した、多数のアナログ入力を含んでいる。これらの入力は、４−２０ｍAの通信を通して、それらのシグナルの大きさに基づく情報を提供する。シグナルは、アナログ入力によって読まれる。これは、例えば、工業用水システムに対して、付加的なレベルの制御を提供するための制御装置のロジックを制御するためである。好ましい態様においては、制御装置は２０個の別個のアナログ入力を有している。
【００５１】
前の段落で述べたように、制御装置は、４−２０ｍAの通信ラインにおいて利用可能なシグナルを処理することができる。これらのシグナルは、他の分析装置に加え、蛍光光度計から発生したものであってもよい。それゆえ制御装置は、以下に挙げるものを含むシステムの要素を測定するための、分析装置からのシグナルを処理することができる。ただし、システムの要素は以下に挙げるものに限定されるものではない：
ｐH、
伝導性、
酸化還元電位又は「ORP」、
カルシウム、マグネシウム、全硬度、鉄、銅、塩化物、硫酸塩、マグネシウム、アルミニウム、シリカ、アルカリ度及びアンモニア等の化学的観測、
分散性ポリマー、亜鉛、モリブデン酸塩、リン酸塩、濃縮無機リン酸塩、ホスホン酸塩及びトリアゾール誘導体等の処理活性物の付加的な化学的観測、
濁度、
全懸濁物、
処理における漏れ、
遊離残留物及び全酸化剤／ハロゲン／塩素、
水温、
システムにおける種々の場所での処理側の温度、
水側及び／又は処理側の液体流速、
液体速度、
流体圧力及び水側及び／又は処理側の圧力差、
化学物質リスト／用法、
化学的汲み上げ速度、
ブローダウン速度、
補給水速度、
腐食観測、
付着物／沈殿物観測、
微生物標識、及び
水中物質の吸光度。
【００５２】
アナログ入力に加えて、制御装置は、蛍光光度計以外の他の装置を制御することができるように、十分な数のアナログ出力を有している。このようにして、制御装置は、工業用水システム、製紙プロセス等の全体のプロセス又はシステムを操作することができる。
【００５３】
工程の自動化、本発明の蛍光光度計又は数種の蛍光光度計を使用するシステムの制御及び観測を容易化するために、種々の異なるそして複数の制御装置を用いることができるということを認識しておく必要がある。例えば、第二の制御装置は、例えば、本発明の蛍光光度計によって観測される工業用水システムの処理水に加えられる付加的化学物質の割合を制御するために、任意的に使用することができる。第二の制御装置をもし用いるとしたならば、上記制御装置と接続されていてもよい。好ましくは、第二の制御装置は、不活性TRASAR（登録商標）システムを制御する。この不活性TRASAR（登録商標）システムは、Nalcoから市販されている。
【００５４】
前記したように、本発明の蛍光光度計は、自然水システム、工業用水システム、製紙プロセスのようなものを含む、適切なプロセス又はシステムから取り除かれる試料中の一つ又はそれ以上の発蛍光団の存在を観測及び検出するために用いられる。試料としては、例えば、懸濁液又はスラリー等の不透明光散乱物質を有する、製紙プロセスの原材料又は被覆試料を含む、。
【００５５】
工業用水システムには、
冷却塔水システム（開放循環系、閉鎖系、および貫流系を含む）；油井、穴(doｗnhole)形成、地熱井及び他の石油分野の用途；給湯タンク及び給湯水システム、鉱物洗浄を含む鉱物処理水、遊離選鉱及びベネファクション（benefaction）；製紙用蒸解剤、洗浄機、漂白設備及び白濁水(white water)システム；パルプ工業における黒液蒸留器；ガス洗浄器及び空気洗浄器：冶金工業における連続鋳造プロセス；エアーコンディショニング及び冷蔵システム；工業用及び石油プロセス水；低温殺菌水のような、間接接触冷却及び加熱水；水処理及び精製システム；膜ろ過水システム；食物処理システム（肉、野菜、砂糖ビート、サトウキビ、穀物、鶏肉、果物及び大豆）；浄化槽、液体−固体アプリケーション、下水処理、および工業用水あるいは水道水系におけるものの他の、汚水処理システム
を含むが、これらに限定されるものではない。
【００５６】
本発明の蛍光光度計によって分析するのに適した不透明媒体には、例えば、鉱物処理工業において使用され、パルプ及び紙工業において使用され、セラミック工業において使用され、塗装工業において使用され、及び天然又は工業プロセスにおいて使用される他の不透明懸濁液又は不透明コロイド又は不透明金属加工油等の本発明の方法により処理可能な特定の懸濁液、コロイド、及び金属加工油が含まれる。
【００５７】
本発明の蛍光光度計を用いて一連の試料を試験する場合には、ワンチャンネル試料の蛍光光度計（すなわち、試料が試験された後、次の試料が試験される前に、試料を物理的に取り除き、次の試料に取り替えることが必要な蛍光光度計）に比べて、操作者は、より少ない時間、より少ない努力、より少ない操作しか必要としない。この点において、本発明の蛍光光度計は、薄いフィルムや層をなした懸濁液等の脆い又は混合に過敏な物質を試験するのによく適している。さらに、複数試料を試験するための本発明の蛍光光度計の操作を簡易にすることにより、本発明は、現場への応用に望ましい及び／又は適したものである。
【００５８】
本発明の蛍光光度計は、許容できる構成の態様において種々の部品を含んでいてもよい。本発明の蛍光光度計は、例えば、分析される試料の数、励起光及び発光の波長領域、データ収集の速度、試料表面の一次元走査、散乱強度に対する蛍光の比率の最適化等を含む、特定の応用に適合するように複数の特別の構成をとることができる。
【００５９】
本発明の蛍光光度計は、例えば以下の米国特許出願において開示されている種々の工業用水システムへの適用において使用することができる。
【００６０】
本発明の蛍光光度計及び制御装置は、「冷却水システム制御用制御マトリックスの使用」という名称で、２０００年５月１日に出願され、現在係属中である米国特許出願09/562,397（この全体が参考文献として組み込まれている。）において記載及びクレームされている冷却水システムを制御するために機能することができる。
【００６１】
本発明の蛍光光度計及び制御装置は、「給湯タンクの制御のための制御マトリックスの使用」という名称で、２０００年５月１日に出願され、現在係属中である米国特許出願09/563,085、「給湯タンクの制御のための制御マトリックスの使用」という名称で、２０００年１２月１３日に出願され、現在係属中である米国特許出願09/737,257（これらの全体が参考文献として組み込まれている。）において記載及びクレームされている給湯タンクを制御するために機能することができる。
【００６２】
上記の方法に加えて、本発明の蛍光光度計は、継続中で、出願番号が09/475,585であり、１９９９年１２月３０日に出願された、米国特許出願「工業用水システムにおける定着性及びプランクトン微生物学的活性の測定及び制御」（これらの全体が参考文献として組み込まれている。）に記載及びクレームされた方法を実施するのに用いることができる。米国特許出願09/475,585において記載及びクレームされている方法を実施するために本発明の蛍光光度計を使用する時には、未反応の蛍光性色素及び反応した蛍光性色素の蛍光的シグナルが両方とも測定され、必要な比率を計算するために使用されるように、蛍光光度計が構成される必要がある。
【００６３】
本発明の蛍光光度計は、例えば、不透明懸濁液又は不透明コロイド又はある種の不透明金属加工油等の不透明媒体の微生物学的活性を観測及び任意的に制御するために用いることができる。
【００６４】
ある種の不透明媒体は、製紙のプロセスの流れから発生するプロセス流を含んでいる。例えば、蛍光光度計は、製紙プロセスの原料又は被覆試料の微生物学的活性を検出するのに用いられる。これは、原料又は被覆試料が、プロセスにおいて用いることができない、又は使用前に処理が必要であるというレベルの、微生物学的活性を示しているかどうかを決定するために用いられる。
【００６５】
実施態様としては、蛍光性色素は微生物学的活性を観測するのを容易化するのに用いることができる。蛍光性色素は、上記したように活性を観測するために蛍光的に測定できる、レザルリン及びレゾルフィン等の複数の要素を含むことができる。
【００６６】
本発明の蛍光光度計は、「不透明媒体における微生物学的活性の蛍光測定」とう名称で共に出願した米国特許出願、この特許出願と同時に２００１年６月２８日に出願した代理人明細書５６８９（これらの全体が参考文献として組み込まれている。）に記載及びクレームした方法において用いることができる。
【００６７】
以下の実施例は、本発明の説明に役に立つものとして示したものであり、本発明の製造方法及び使用方法を当業者に教示するため示したものである。この実施例は、決して発明の範囲又は権利範囲を制限を意図するものではない。
【実施例１】
【００６８】
本発明の蛍光光度計が、微生物学的活性を、特に製紙プロセスの原料又は被覆試料の微生物学的活性を観測するのに用いることができることを実証するために、実験室的試験が行われた。そのようなプロセスをシュミレートするために、九つの不透明媒体の試料が、製紙プロセスの原料又は被覆サンプルの不透明光散乱特性をシュミレートするために準備された。それぞれのサンプルは、１０ミリリッター(ml)の円筒型のガラス管に入れられた。それぞれの試料には、２５ｐｐｍの蛍光性染料が加えられた。先に組み込んだ参考文献である「懸濁液又はコロイド中の微生物学的活性の蛍光的測定」という発明の名称の米国特許出願において記載及びクレームされたように、サンプル中の蛍光性染料として、種々の微生物的活性レベルをシュミレートするために、量を変えて、既知の量のレザズリン及びレゾルフィンを含ませた。データは下記の表１に記載されている。
【００６９】
準備すると直ぐに、それぞれの試料は、色素成分の存在を検出するために鏡映蛍光光度計に入れられる。使用された蛍光光度計は、図１及び２において示した蛍光光度計のように構成されたものである。この種類の構成は、単一試料中のレサズリン及びレゾルフィンの両方の存在を検出するのに適している。レサズリン及びレゾルフィン共に、約５２５ｎｍの励起光の平行ビームによって励起される。レサズリン及びレゾルフィンは、蛍光を異なる発光帯において放射する。特に、２０ｍＡの電流で、約５２５ｎｍに発光中心がある発光ダイオードが用いられる。加えて、二色性発光フィルターが、６３５ｎｍにおいて発光するレサズリン蛍光と、５８０ｎｍにおいて発光するレゾルフィン蛍光とを分離選択するために使用される。それぞれの蛍光シグナル発光の大きさは、別個の検出器によって検出され測定される。
【００７０】
下記の表１に示すように、強度比すなわちレサズリン発光の強度（「Ｉ_６３５」）（代理人明細書５６８９からの「蛍光性色素」）に対するレゾルフィン発光の強度（「Ｉ_５８０」）（代理人明細書５６８９では、別名「反応した蛍光性色素」）の比率は、色素中のレゾルフィンの量が増加するに従い増加する。
【００７１】
【表１】

【００７２】
表１の上記結果は、レゾルフィンの濃度変化に対して、強度比の変化の間に相互関係があることを示している。このように、レゾルフィン及びレサズリンの蛍光発光を測定することにより、生物学的活性の量を定量化することができる。
【００７３】
前記したように、微生物の存在下において、レサズリンはレゾルフィンに変換されるため、微生物学的活性の量が増加するに従いレゾルフィンの量が増加する。このように、強度比の増加はレゾルフィンがより多く存在することを示し、すなわち生物学的活性が増加したことを示している。
【００７４】
これらの結果に基づいて、本発明の蛍光光度計は、一つ又はそれ以上の試料の微生物学的活性を検出又は観測するために用いることができる。
【００７５】
ここで述べた現在好ましい態様に対する種々の変更及び修正は、当業者にとって明白であるということを理解する必要がある。そのような変更及び修正は、本発明の趣旨及び範囲から離れずに、そして付随する利点を減少せずに、行うことができる。そのため、そのような変更及び修正についても、添付した特許請求の範囲によって保護されることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】図１は、単一試料において蛍光シグナルを測定することができる、本発明に沿って作成された蛍光光度計を示す側面透視図である。
【図２】図２は、単一試料において蛍光シグナルを測定することができる、本発明に沿って作成された蛍光光度計を示す上面透視図である。
【図３】図３は、複数試料において蛍光シグナルを測定することができる、本発明に沿って作成された蛍光光度計を示す上面透視図である。

Claims

励起光の平行ビームを発生する励起光源、
前記励起光源からの光の平行ビームを受けることができ、そして一つ又はそれ以上の試料に対し集光した円錐状の励起光を照射することができるように位置されている回転鏡、
それぞれのチャンネルが試料の入った光学セルを保持することが可能な、一つ又はそれ以上のチャンネルを有する試料ホルダー、及び
前記一つ又はそれ以上の試料に存在する発蛍光団からの蛍光シグナルを検出することができる検出器、
を含む蛍光光度計。
励起光の平行ビームを発生する励起光源、
前記励起光源からの光の平行ビームを受けることができ、そして一つ又はそれ以上の試料に対し集光した円錐状の励起光を照射することができるように位置されている回転鏡、
それぞれのチャンネルが試料の入った光学セルを保持することが可能な、一つ又はそれ以上のチャンネルを有する試料ホルダー、
前記一つ又はそれ以上の試料に存在する発蛍光団からの蛍光シグナルを検出することができる検出器、及び
試料が採取された天然又は工業プロセスを観測及び、必要に応じて制御するために、前記蛍光光度計によって検出された蛍光シグナルを使用する制御装置
を含む蛍光光度計。
（ａ）励起光の平行ビームを発生する励起光源、
前記励起光源からの光の平行ビームを受けることができ、そして一つ又はそれ以上の試料に対し集光した円錐状の励起光を照射することができるように位置されている回転鏡、
それぞれのチャンネルが試料の入った光学セルを保持することが可能な、一つ又はそれ以上のチャンネルを有する試料ホルダー、
前記一つ又はそれ以上の試料に存在する発蛍光団からの蛍光シグナルを検出することができる検出器、及び、任意で試料が採取された天然又は工業プロセスを観測及び必要に応じて制御するために、前記蛍光光度計によって検出された蛍光シグナルを使用する制御装置、を含む蛍光光度計の提供、
（ｂ）天然又は工業的プロセス流れからの一つ又はそれ以上の試料の提供、及び
前記試料中の前記発蛍光団の蛍光シグナルを検出するための前記蛍光光度計の使用、
からなる工程を含む、一つ又はそれ以上の試料に存在する発蛍光団を蛍光的に検出する方法。
前記鏡が、約３６０度回転することができる請求項１に記載の蛍光光度計。
前記鏡が、軸外放物面鏡である請求項１に記載の蛍光光度計。
前記試料ホルダーが、開口部を有しており、この開口部を通して励起光の平行ビームを光学セルに照射することができるように前記鏡が位置されている請求項１に記載の蛍光光度計。
前記光学セルが、円筒状のガラス管を含んでいる請求項６記載の蛍光光度計。
前記光学セルが、オンライン試験用のフローセルを含んでいる請求項６記載の蛍光光度計。
回転する前記回転鏡上へ、前記励起光の平行ビームを向けるように位置されている指向性鏡をさらに含む、請求項１に記載の蛍光光度計。
前記励起光源が、単色性光源又は多色性光源を含む請求項１に記載の蛍光光度計。
前記試料が、製紙プロセスの原料又は被覆試料から得られる請求項１に記載の蛍光光度計。
工業用水システムを観測及び、必要に応じて制御するために、蛍光シグナル及び他のアナログ入力を、前記制御装置が使用できるように、前記制御装置が一つ又はそれ以上の分離したアナログ入力及び出力を含む請求項２に記載の蛍光光度計。
製紙プロセスから得られた原料又は被覆試料の微生物学的活性を観測及び、必要に応じて制御するために、前記制御装置が蛍光シグナルを処理する請求項１２に記載の蛍光光度計。
前記光学セルが、オンライン観測及び、必要に応じた制御のためのフローセルを含む請求項１に記載の蛍光光度計。
前記検出した蛍光シグナルが、製紙プロセスからの原料中又は被覆試料中に存在する発蛍光団のものである請求項３に記載の方法。