JP2005114662A - 吸光式分析計 - Google Patents

Abstract

【課題】 多成分の吸光式分析計に関し、汎用性が高く、高い測定精度を有するコンパクトな吸光式分析計を提供することを目的とする。
【解決手段】 光源部、試料セル部、光学素子部および複数の検出器を構成要素として含む吸光式分析計であって、該光源部と検出器との中間に１の光学素子を光路に対し所定の傾斜角を有して配するとともに、該光学素子によって透過光と反射光とに分岐された光の内の反射光を受光する他の光学素子を、前記光路および前記１の光学素子に近接して配することを特徴とする。ここで、前記他の光学素子によって生じる反射光の波長特性が、透過光の波長特性と重複することが好適である。また、前記光源部と検出器との中間に、前記１の光学素子および他の光学素子を含む、複数の光学素子の装着あるいは脱着可能なスリット状切欠部を有する光学素子部が設けられることが好適である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、各種流体中の特定成分の濃度を測定する吸光式分析計に関するもので、特に試料中に共存する複数成分を測定する、高精度でコンパクトな流体濃度測定装置に有用である。

近年、各種製造プロセスにおいては、管理対象物質および各種の妨害物質の濃度管理が不可欠となり、多種多様な用途に対応できる精度の良い測定器が求められ、従来から、汎用性が高く、同一構成で多種の成分測定が可能で、多成分同時測定が可能な非分散赤外線分析計（以下、「ＮＤＩＲ」という。）や非分散紫外線分析計（以下「ＮＤＵＶ」という。）などの吸光式分析計が多く用いられている。こうした吸光式分析計は、基本的に試料に非接触であることから各種のプロセスのインラインモニターとしても有用である。

具体的には、多成分で安定な吸光度分析計として、図８（Ａ）および（Ｂ）に例示するように、光源１と検出器３との中間に設けられた光学素子７ａ、さらには７ｂを光路に対して所定の傾斜を有して配し、複数の検出器３ａ、３ｂ、さらには３ｃに対して光を分岐し導入することで、試料セル部２における吸光度の変化を検出することができる方法が実用化されている（例えば特許文献１参照）。

つまり、光源用電源（図示せず）からの電力を注入すると光源部１からの赤外線が試料セル部２を介して検出器３ａ、３ｂ、３ｃに投入される。光源部１と検出器３ａ、３ｂ、３ｃの間には、通常測定対象成分に対応した波長域の赤外線を選択的に透過する光学フィルタ７ａおよび７ｂが設けられ、試料セル部２に導入された試料流体中の測定成分による赤外線吸収の変化のみを検出している。ここで、流体切換機構１１を用いて試料流体Ｓと基準（比較）流体Ｒを一定周期で切換えて変調させ、試料セル部内での赤外線の吸収量の変化分のみを交流信号として取り出した検出器出力は前置増幅器等（図示せず）で増幅された後、信号処理部（図示せず）に入力され整流等の信号処理の後、濃度演算されて表示部（図示せず）に濃度表示される。

また、上記の流体変調方式に代え、モータによって駆動されるチョッパがその光学系の中間に設けられ、前記赤外線は断続光となって検出器に導入される機械的光断続方式や、チョッパの代わりに、光源用電源と光源の間に光源電圧変調手段を設けて光源に印加される電力をＯＮ−ＯＦＦさせて変調する方式などの光変調方式ＮＤＩＲが知られている。さらに、こうした構成を有する測定方法は、上記のＮＤＩＲだけでなく、ＮＤＵＶについてもほぼ同様に提案・実用化されている（例えば特許文献２参照）。
特許第２９０３４５７号公報 特開平８−４３３０２号公報

しかしながら、従来技術で述べた吸光式分析計では、以下のような課題が生じることがある。

図８（Ａ）のような構成例において、光学フィルタ７ａを設けた光学素子部が用いられるが、詳細には、図９に例示するような構成が一般的であり、分岐された光の導入路Ｐによって、透過光に対して光学的なロスを生じることがある。光学フィルタ７ａからの反射光がさらに光学フィルタ７ｃを介して検出器３ｂに導入されるが、測定成分の種類に合せた光学フィルタ７ｃの交換を容易とすべく検出器本体３ｂに光学フィルタ７ｃを設けることが多く、該光学フィルタ７ｃが光路より奥にあることから光学フィルタ７ａの透過側の検出器３ａが利用できる光量が減少するため検出感度の低下を招くことになる。

また、上記構成例において測定成分を増加する場合には図８（Ｂ）のような構成が挙げられるが、こうした場合には、光学素子７ｂを設けた光学素子部が追加され、上記の光学的なロスが増大し、検出感度の低下が課題となることがある。

そこで、本発明の目的は、上記のような問題点を解決し、複数の測定対象に対し、汎用性が高く、高い測定精度を有する吸光式分析計を提供することにある。

本発明者らは、上記課題を解決するために、鋭意研究を重ねた結果、以下に示す吸光式分析計により上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに到った。

本発明は、光源部、試料セル部、光学素子部および複数の検出器を構成要素として含む吸光式分析計であって、該光源部と検出器との中間に１の光学素子を光路に対し所定の傾斜角を有して配するとともに、該光学素子によって透過光と反射光とに分岐された光の内の反射光を受光する他の光学素子を、前記光路および前記１の光学素子に近接して配することを特徴とする。本発明者は、２以上の光学素子を近接させ、かつ光路に対して所定の位置関係を保持することで、光学的なロスの軽減と優れた選択性の確保を可能とすることができることを見出したもので、複数の測定対象に対し、汎用性が高く、高い測定精度を有する吸光式分析計を提供することが可能となる。

ここで、前記他の光学素子によって生じる反射光の波長特性が、前記透過光の波長特性と重複することを特徴とする。上記構成による技術的効果は、前記他の光学素子の光学特性と非常に関連し、特に他の光学素子によって生じる反射光の波長特性の影響が最も大きいとの知見から、該反射光の波長特性を、１の光学素子の透過光の波長特性と重複する波長域を有することと規制したものである。こうした特性によって、２以上の光学素子の光学特性を相互に補完しながら優れた選択性の確保を可能とすることができる。

また、前記光源部と検出器との中間に、前記１の光学素子および他の光学素子を含む、複数の光学素子の装着あるいは脱着可能なスリット状切欠部を有する光学素子部が設けられることを特徴とする。本発明に係る吸光式分析計の最も優れた特長の１つは、各種の測定成分に対応できる汎用性にあり、具体的には、検出器とともにあるいは単独で光学素子を交換することが可能な構造が好適である。本発明者は、光学系に光学素子の装着あるいは脱着可能なスリット状切欠部を有する光学素子部を設けることで、上記の特性を維持しつつ光学素子の交換を実現した。従って、複数の測定対象に対し、さらに汎用性が高く、高い測定精度を有する吸光式分析計を提供することが可能となる。

以上のように、２以上の光学素子を近接させ、かつ光路に対して所定の位置関係を保持することによって、複数の測定対象に対し、汎用性が高く、高い測定精度を有する多成分の吸光式分析計を提供することができる。

特に、２以上の光学素子の波長特性を一部重複させることで、こうした技術的効果を一層高め、優れた選択性の確保を可能とすることができる。

また、複数の光学素子の装着あるいは脱着可能な光学素子部を設けることによって、上記の優れた特性を保持しつつ、さらに汎用性の向上を図ることができる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。
本発明にかかる吸光度分析計の基本的な光学系の第１の構成例を図１に示す。光源用電源４からの電力を受けた光源部１、試料セル部２、検出器３ａ、３ｂ、モータ５によって駆動されるチョッパ６、傾斜を有する光学素子７ａを配する光学素子部７、信号処理部８および表示部９からなる構造となっている。光源部１から照射された光がチョッパ６によって断続光として試料セル部２を通過した後、光学素子７ａによって分配され、透過光が検出器３ａに入射され、反射光が光学素子７ｃを介して検出器３ｂに入射される。各検出器３ａ、３ｂは、試料セル部２に導入された試料中の各測定成分による吸光分を検出器入射光量変化として検知し、各検出器の信号出力として信号処理部８および表示部９によって処理される。

このとき、変調方法や、光源部１と検出器３との中間に設けられる試料セル２や光学素子部７などの要素の配列など光学系の構成については、図１に限定されることはないことはいうまでもない。

試料セルとしては、試料導入口および排出口を有するステンレス鋼やアルミニウムなどの金属製あるいは樹脂製の円筒管の両側に光学結晶を固定した構造をとることが多い。

検出器としては、ＮＤＩＲでは、コンデンサマイクロフォンやフローセンサを内蔵したニューマティック検出器や、パイロ素子あるいはサーモパイル素子などを用いた固体検出器などが挙げられ、前者は検出感度や選択性に優れ、後者は量産性・小型化・汎用性に優れた検出器であり、用途に応じて使い分けが可能である。ＮＤＵＶでは、光電子倍増管や、フォトセルやフォトダイオードなどの固体検出器などが挙げられ、前者は検出感度や選択性に優れ、後者は量産性・小型化・汎用性に優れた検出器である。

光学素子とは、基材に多層膜を形成した光学フィルタや特定の波長域を透過する基材一般あるいは単に光量を分岐する素子（一般には「ビームスプリッタ」といわれることが多い）も含む広い概念をいう。光学フィルタとしては、例えば特定波長域を透過するバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）、特定波長よりも長い波長域のみを透過するロングパスフィルタ（ＬＰＦ）や特定波長よりも短い波長域のみを透過するショートパスフィルタ（ＳＰＦ）などが挙げられる。透過基材としては、紫外線〜赤外線透過基材として、約３．５μｍまでを透過する石英（ＳｉＯ₂ ）約４μｍまでを透過するサファイア（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）、約６μｍまでを透過するフッ化リチウム（ＬｉＦ）、約８μｍまでを透過するフッ化カルシウム（ＣａＦ₂ ）、約１２μｍまでを透過するフッ化バリウム（ＢａＦ₂ ）や約１３μｍまでを透過する塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）などが挙げられる。ビームスプリッタとしては、上記基材自体の表面反射を利用したものあるいは基材の表面に反射膜を形成したものなどが用いられる。

本発明は、１の光学素子７ａを光路に対し所定の傾斜角を有して配置し、透過光が検出器３ａに照射し光学素子７ａによる反射光が検出器３ｂに照射するとともに、他の光学素子７ｃを前記光路および前記１の光学素子に近接して配置している点に特徴がある。こうした配置によって、従来光学的なロスが生じる要因となっていた光の導入路を光路から排除するとともに、光学素子７ｃの反射光の波長特性を有効に活かすことができるというメリットが挙げられる。ここで、光路とは光源部から各検出器に投入されるすべての光の導路をいい、また、光学素子７ａの傾斜角φは、任意に設定可能であるが、検出器３ｂの検出感度を最大とするには４５°とするのが好適である。

具体的には、従来検出器３ａに対してロスになっていた図２において符号Ａａで示すような光が、光路に近接して配置された光学素子７ｃによって反射した後（反射光Ｅａ）、光学素子７ａに照射され、透過光Ｆａとして検出器３ａに照射される。このように検出器３ａに対する光量の増大効果が得られる。こうした増大効果は、従来の導入路の開口径や光路径など種々の条件によって異なるが、実測値として光路径と同径の導入路が設けられていた場合との比較において８〜１２％の感度上昇効果を得ることができた。

また、光学素子７ａおよび光学素子７ｃの波長選択性によって、光学面における技術的効果は異なるが、光学素子７ａをビームスプリッタ、光学素子７ｃをＢＰＦとした場合、光学素子７ａをＢＰＦ、光学素子７ｃをＬＰＦとした場合、の各光路での波長特性を各々図３および図４に例示する。
（１）光学素子７ａをビームスプリッタ、光学素子７ｃをＢＰＦとした場合
図３に例示するように、光学素子部７に導入された光Ａ（全波長域に均等なエネルギーを有する特性を仮定する）は、光学素子７ａによって約半分の光量の透過光Ｂが検出器３ａに照射される。一方、約半分の光量となった反射光Ｃは、一部光学素子７ｃによって特定波長域にフィルタリングされた透過光Ｄとして検出器３ｂに照射され、他の波長域の光は反射光Ｅとして、光学素子７ａに照射され、さらに約半分の光量の透過光Ｆとして検出器３ａに照射される。つまり、光学素子７ｃの存在によって約１／４相当分増加した光量の透過光Ｂが検出器３ａに照射されることが期待できる。実際には、光学素子７ａに照射される光の入射角度の分布あるいは光路を形成する部材あるいは素子などによって生じる反射や散乱等の影響によって、その効果は変化する。

（２）光学素子７ａをＢＰＦ、光学素子７ｃをＬＰＦとした場合
本発明の技術的効果は、光学素子７ａおよび光学素子７ｃの波長選択性に加え、光学素子部７に導入される光Ａ（上記と同様の特性を仮定する）の角度成分によっても異なる。つまり、光学素子と入射角との関係は、透過波長域や光学素子の構成によって異なるが、例えば、多層膜光学フィルタにおける実測例として図５に示すように、入射角が大きくなると、図５（Ａ）のようにＢＰＦの中心波長が短波長へシフトすることを表しており、さらに概念的には、図５（Ｂ）に示すように、半値幅ｗが広がり、立上り波長域（ｕ）および立下り波長域（ｄ）の傾斜が緩やかになるとの知見を得たものである。本発明はこの特性を、上記光学系に活用したものである。こうした短波長へのシフトは、ＢＰＦに限らず、ＬＰＦあるいはＳＰＦについても同様である。以下、光Ａの３つの角度成分に分けて考察する。

光路に平行な光Ａは、図４（Ａ）に例示するように、光学素子７ａによって特定波長域のみの透過光Ｂが検出器３ａに照射される。一方、他の波長域に限定された反射光Ｃは、一部光学素子７ｃによって短波長域をカットされた透過光Ｄとして検出器３ｂに照射され、他の波長域の光は反射光Ｅとして、光学素子７ａに照射され、さらに特定波長域のみに限定された透過光Ｆとして検出器３ａに照射されるが、実質的に透過光Ｆは殆どエネルギーを有していない。

次に、光路に対して一定の角度（α）を有する光Ａａの場合を図４（Ｂ）に例示すると、まず、光学素子７ａによって特定波長域のみの透過光Ｂａが検出器３ａに照射される。このとき、光Ａａは光Ａに比べ入射角が大きくなることから中心波長は短波長側にシフトした透過光Ｂａとなる。一方、他の波長域に限定された反射光Ｃａは、一部光学素子７ｂによって短波長域をカットされた透過光Ｄａとして検出器３ｂに照射され、他の波長域の光は反射光Ｅａとして、光学素子７ａに照射され、さらに特定波長域のみに限定された透過光Ｆａとして検出器３ａに照射される。このとき、反射光Ｅａは、図４（Ｂ）右上部実線に示すようにＥ（破線部）に比較して短波長側シフトした波長特性を有する光となっており、この光が光学素子７ａに対し小さな入射角で照射されることから、透過光Ｆａは図４（Ｂ）右中部実線に示すように中心よりも長波長域にエネルギーを有する光となる。従って、光Ａａに対する検出器３ａに照射される光は、両者を加算した光（Ｂａ＋Ｆａ）であり、図４（Ｂ）右下部実線のように上記Ｆよりも広い波長域であって、光学素子７ｂによってエネルギーの加増した光となる。

また、光路に対して角度（α）と反対の角度（β）を有する光Ａｂの場合を図４（Ｃ）に例示すると、まず、光学素子７ａによって特定波長域のみの透過光Ｂｂが検出器３ａに照射される。このとき、光Ａｂは光Ａに比べ入射角が小さくなることから中心波長は長波長側にシフトした透過光Ｂｂとなる。一方、他の波長域に限定された反射光Ｃｂは、一部光学素子７ｃによって短波長域をカットされた透過光Ｄｂとして検出器３ｂに照射され、他の波長域の光は反射光Ｅｂとして、光学素子７ａに照射され、さらに特定波長域のみに限定された透過光Ｆｂとして検出器３ａに照射される。このとき、反射光Ｅｂは、図４（Ｃ）右上部実線に示すようにＥ（破線部）に比較して長波長側シフトした波長特性を有する光となっており、この光が光学素子７ａに対し大きな入射角で照射されることから、透過光Ｆｂは図４（Ｃ）右中部実線に示すように中心よりも短波長域にエネルギーを有する光となる。従って、光Ａｂに対する検出器３ａに照射される光は、両者を加算した光（Ｂｂ＋Ｆｂ）であり、図４（Ｃ）右下部実線のように上記Ｆよりも広い波長域であって、光学素子７ｃによってエネルギーの加増した光となる。

以上のように、光学素子７ａをＢＰＦ、光学素子７ｃをＬＰＦとした場合には、（１）の場合よりも顕著な技術的効果が得られることとなる。つまり、他の光学素子７ｃによって生じる反射光Ｅ（ＥａおよびＥｂを含む）の波長特性が、透過光Ｂ（ＢａおよびＢｂを含む）の波長特性と重複する場合に上記の技術的効果が強化されることになる。

また、光学フィルタは通常基材の両面に設けられた多層膜によって波長選択性を形成しているが（図３のＰ面およびＱ面）、種々の角度から光学フィルタに光が入射する場合にあっては、透過光路に近接する面（Ｐ面）に設けられた多層膜によって反射する光の方が一旦基材に入り反対面（Ｑ面）で反射し再度Ｐ面を経由して出る光よりも形成された多層膜の波長選択性に近い反射光の波長特性が得られることから光学フィルタの近接する面での波長選択性が透過光Ｂの波長特性と重複する場合に上記の技術的効果がさらに一層強化されることになる。

図６は、上記構成を具体的に加工部材として例示したものである。ほぼ直方体状のブロックの１面に光路Ａ−Ｂに対し所定の傾斜角を有する１のスリット状切欠部１０ａを設けるとともに、光路Ａ−Ｂと近接しかつ平行に他のスリット状切欠部１０ｂを設けている。スリット状切欠部１０ａの上部から１の光学素子７ａを挿入し、スリット状切欠部１０ｂの上部から他の光学素子７ｃを挿入することで、本発明に係る光学素子部７を形成することができる。同時に例えば、各切欠部の底部からの押圧によって脱着できる構造も可能となり、検出器とともにあるいは単独で光学素子を交換することが可能な構造となる。従って、各種の測定成分に対応できる高い汎用性を確保することができ、光学的なロスの軽減と優れた選択性の確保を可能としつつ、複数の測定対象に対し、高い測定精度を有する吸光式分析計を提供することが可能となる。

本発明の別の構成例を図７に示す。図１の構成例に、検出器３ｃおよび傾斜を有する光学素子７ｂを配する光学素子部が追加された構造となっている。つまり、測定成分の追加に際しても、光学素子部と検出器の追加を行うことで容易に光学系を形成することができ、従来のような測定成分の追加に伴う光学的なロスを大幅に軽減することができる。特に追加する光学素子部の数が多くなればなるほど、本発明の技術的効果を有効に活かすことができ、複数の測定対象に対し、さらに汎用性が高く、高い測定精度を有する吸光式分析計を提供することが可能となる。

本発明に係る吸光式分析計の構成例を示す説明図 本発明に係る光学素子部の構成例の詳細を例示する説明図 本発明に係る光学素子における波長特性の１例を示す説明図 本発明に係る光学素子における波長特性を他の例を示す説明図 光学素子における入射角と波長特性との関係を例示する説明図 本発明に係る光学素子部の構成例の詳細を例示する説明図 本発明に係る吸光式分析計の他の構成例を示す説明図 従来技術に係る吸光式分析計の構成例を示す説明図 従来技術に係る光学素子部の構成例の詳細を示す説明図

符号の説明

１ 光源
２ 試料セル部
３、３ａ、３ｂ、３ｃ 検出器
７ 光学素子部
７ａ、７ｂ、７ｃ 光学素子
１０ａ、１０ｂ スリット状切欠部

Claims (3)

1. 光源部、試料セル部、光学素子部および複数の検出器を構成要素として含む吸光式分析計であって、前記光源部と検出器との中間に１の光学素子を光路に対し所定の傾斜角を有して配するとともに、前記光学素子によって透過光と反射光とに分岐された光の内の反射光を受光する他の光学素子を、前記光路および前記１の光学素子に近接して配することを特徴とする吸光式分析計。
2. 他の光学素子によって生じる反射光の波長特性が、透過光の波長特性と重複することを特徴とする請求項１に記載の吸光式分析計。
3. 光源部と検出器との中間に、１の光学素子および他の光学素子を含む、複数の光学素子の装着あるいは脱着可能なスリット状切欠部を有する光学素子部が設けられることを特徴とする請求項１または２記載の吸光式分析計。
   
   

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