JP2005121499A - 試料セル、光学測定装置及び光学的測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 試料を希釈したり濃縮したりする必要のない吸光度計を提供する。
【解決手段】 光路長連続可変セルを用い、低濃度の試料に対しては光路長の長い部分で測定し、高濃度の試料に対しては光路長の短い部分で測定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、液体試料の吸光度や蛍光を測定するための試料セル及びそれを用いる光学測定装置に関する。

図２に従来の吸光度計の模式図を示す。光源２１からの光を分光計やバンドパスフィルター等の波長選択手段２２を通すことで所望の波長の単色光を取り出し、スリット２３から直進性のある光を試料セル２４に照射する。試料セル２４は四角柱の形をした石英等からなる容器であり、中に測定する試料溶液が入っている。測定は、試料セル２４中の試料溶液を透過した光２５ａを光検出器２６ａで検出することにより、あるいは光照射によって励起された蛍光２５ｂを、蛍光選択フィルター２７を通して光検出器２６ｂで検出することにより行われる。

従来の吸光度計による濃度測定では、まず検量線を作成するために、物質Ａの濃度が既知の４種の希釈系列、例えば１ｍＭ濃度の溶液、２ｍＭ濃度の溶液、４ｍＭ濃度の溶液、８ｍＭ濃度の溶液を調製し、それぞれについて吸光度計で吸光度測定を行なう。測定の結果は図３のようになる。図３の横軸は物質Ａの濃度、縦軸は吸光度である。試料セル２４を透過する光は、試料セルの内部に充填している試料溶液中に含まれる吸光物質の濃度に比例して減衰する。この減衰した強度を光検出器２６ａで読み取りを行なう。このときの減衰値によって溶液中の指定波長に対して吸収をもつ物質の濃度を相対的に比較することが可能になる。

図３の測定結果から物質Ａの濃度を正確に求めるためには、吸光度が０．２〜１．２の範囲で読み取りを行なえるようにしなくてはならない。未知濃度の物質Ａを試料セルに充填して同様に吸光時計で吸光度測定を行なったときに、吸光度が２以内の範囲に収まっていれば、それを図３の検量線に当てはめて濃度を算出することが可能である。しかし、吸光度が２を超えていると、正確な濃度を求めるためには試料を希釈して再測定する必要があり、逆に吸光度が小さすぎる場合にはノイズの影響が無視できなくなり試料を濃縮して再測定する必要がある。

特開平５−２２３７３４号公報

四角柱の形状をした試料セルを用いて吸光度計で吸光度を測定する場合には、試料濃度が一定以上になると吸光度の変化が少なくなり、正確な測定ができなくなる。また試料濃度が非常に薄い場合にも、同様に正確な濃度測定ができない。従って、試料セルに試料を充填して測定した吸光度が検量線の直線部分に入っていない場合には、測定された吸光度が検量線の直線部分に入るように試料を濃縮あるいは希釈したり、試料セルの大きさを変えたりして測定し直す必要があった。

本発明は、広い濃度範囲の試料を希釈や濃縮する必要なく測定することのできる吸光度計を提供することを目的とする。

本発明では、試料セルとして光路長を連続的に変えることのできる光路長連続可変セル、例えば三角柱の形状をした試料セル、あるいは上部が開放した四角柱状の容器の内部を当該四角柱の対角線位置に設けた隔壁によって２分割した形状を有する試料セルを利用する。光路長連続可変セルによると、直行性をもった光が試料中を通過する距離を試料セルへの光照射位置によって可変することが可能になる。そのため、試料セルの中に入っている試料を濃縮、希釈等する必要がなくなる。また従来は、装置のダイナミックレンジ内であっても、濃度と吸収度は完全には比例しないことから標準溶液の希釈系列を作成して、濃度測定用の検量線を作成する必要性があったが、光路長可変セルを使用することで、標準試料の希釈系列を作成することなく濃度の測定が可能になる。

本発明による光学測定装置は、光源と、光源から発生された光線の光路を２分割する光学系と、前記光学系により２分割された一方の光路中に配置された第１の試料セルと、第１の試料セルを透過した光線を検出する第１の光検出器と、前記光学系により２分割された他方の光路中に配置された第２の試料セルと、第２の試料セルを透過した光線を検出する第２の光検出器と、第２の試料セルを当該試料セルに照射される光線の光路を横切る方向に駆動する駆動部とを含み、第１の試料セルは試料中を透過する光線の光路長が固定の試料セルであり、第２の試料セルは駆動部による駆動量に応じて試料中を透過する光線の光路長が連続的に変化する試料セルであることを特徴とする。光源からの光線を２分割する手段はハーフミラーを用いた空間的な分割であってもよいし、光反射部と光透過部を交互に有するチョッパーなどを用いた時間的な分割であってもよい。

この光学測定装置は、第１の試料セルを透過する光線の光路長と、第１の試料セルの透過光強度と第２の試料セルの透過光強度が等しくなるときの第２の試料セルを透過する光線の光路長の情報と、第１又は第２の試料セルの一方に入っている既知濃度の試料の濃度に基づいて、他方の試料セルに入っている未知濃度の試料の濃度を演算する演算部を有するのが好ましい。

本発明による光学的測定方法は、光路長が固定の第１の試料セルと光路長が可変の第２の試料セルを用意するステップと、第１と第２の試料セルの一方に濃度が既知の試料を注入し、他方に濃度が未知の試料を注入するステップと、光源からの光線を第１の試料セルに照射し、透過光強度を検出するステップと、光源からの光線を第２の試料セルに照射し、透過光強度を検出するステップと、第２の試料セルの光路長を変化させ、第１の試料セルの透過光強度と第２の試料セルの透過光強度が等しくなる光路長を求めるステップと、第１の試料セルの光路長と、第２の試料セルの光路長と、既知の濃度をもとに未知の濃度を算出するステップとを含む。

また、本発明による光学的測定方法は、光路長が可変の試料セルに既知濃度の試料溶液を注入するステップと、光源からの光線を試料セルに照射し、試料セルの光路長を変化させて吸光度を測定し、光路長と吸光度の関係を取得するステップと、その関係を、試料セルに未知濃度の試料を注入したときの光路長と吸光度の関係に一般化するステップと、試料セルに未知濃度の試料を注入して光路長と吸光度の関係を求めるステップと、求めた光路長と吸光度を前記一般化した関係に適用して未知濃度の試料の濃度を算出するステップとを含む。

本発明によると、吸光度計や蛍光強度計などにおける試料のハンドリングが容易になる。また、セルを２分割にすることにより、片方に既知試料、片方に未知試料を入れることで、1セルでの濃度測定が可能となる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して具体的に説明する。

図１は、本発明による光路長連続可変セルの一例を示す図である。ここに示した光路長連続可変セル（以下、単に試料セルという）１０は、四角柱の形状をした試料セルの内部を対角線位置に設けた隔壁１１によって２分割したものであり、内部に三角柱の形状をした空間が２つ形成されている。この２つの三角柱状空間の一方を、試料溶液を注入する第１試料セル１２として用い、他方を純水等のブランク溶液を注入する第２試料セル１３として用いる。ブランク試料を注入する第２セル１３を設けることにより、試料セル１０に入射する入射光の方向と試料セル１０から出射する出射光の方向をほぼ一致させることができ、試料セル１０を組み込む吸光度計の光軸合わせが容易になる。ブランク試料を入れる第２セルは必ずしも設ける必要はないが、三角柱の形状をした第１試料セル１２のみで光路長連続可変セルを構成すると、試料セルへの入射前後で光線が大きく屈折するため、光検出器が試料セルからの出射光を効率よく受光できるように吸光度計の光軸調整を行う必要がある。

図４は、本発明による試料セル１０を上方から見た模式図であり、光路長可変方法についての説明図である。第１セル１２には試料溶液を注入し、第２セル１３には純水を注入して測定する。図中の矢印は、試料セルへの光照射位置を示している。

図の一番左（１００％と表示）の照射位置ａを用いると、測定光が試料溶液中を透過する距離が一番長いために、吸光度の測定値が一番大きくなる。照射位置ａで測定したとき吸光度が１．２以上であると正確な測定が行なえないために、右に照射位置を移動することで試料の希釈なしに正確な濃度測定を行うことが可能となる。また、一番右（１０％）の照射位置ｄで測定した吸光度が０．２以下の場合は、照射位置ｄでは試料の存在量が少ないために正確な測定が困難であるが、左側に照射位置を移動することで試料の濃縮なしに正確な濃度測定が可能になる。このように、試料セル１０への光照射位置を選択することによって無限段階に希釈系列を作ることが可能である。

光路長連続可変セルとしては、光照射位置を変化させたとき試料溶液中の光路長が単調に変化する形状であれば任意の形状の試料セルを用いることができる。図５には、一例として円錐形状の試料セルと円柱形状の試料セルを示した。図５（ａ）に示す円錐形状の試料セルは、測定光に対して試料セルを上下に移動することにより試料溶液中の光路長を変えることができる。また、図５（ｂ）に示した円柱形状の試料セルの場合には、測定光に対して試料セルを側方に移動することにより試料溶液中の光路長を変えることができる。

図６は、本発明による吸光度計の一例を示す概略図である。制御コンピュータ３１によって制御される光源３２からの出射光は５０％透過のハーフミラー３３で２分割され、一方の光はハーフミラー３３によって反射され、全反射ミラー３４で反射されて光路を曲げられ、第１の試料セル３５に照射される。第１の試料セル３５を透過した光は第１の光検出器３６ａで検出される。ハーフミラー３３を透過した光は、第２の試料セル３７に照射され、その透過光は第２の光検出器３６ｂによって検出される。ここで、第１の試料セル３５は従来型の四角柱の形状をした光路長固定の試料セルであり、第２の試料セル３７は、図１及び図４に示した試料溶液注入部分が三角柱の形状をした光路長連続可変セルである。第２の試料セル３７は光路に対して垂直な方向に移動可動になっていて、試料溶液中の光路長を自由に変えることができるようになっている。これは例えば、モータ４１によって駆動されるベルト４２上に第２の試料セル３７を固定することで実現できる。

図７は、第２の試料セル３７の駆動機構の一例を示す模式図である。プーリー４３，４４に掛けられた無端４２ベルトの上に、固定具４５ａ，４５ｂによって第２の試料セル３７が固定されている。一方のプーリー４３にはモータ４１の駆動軸４６が固定されている。従って、制御コンピュータ３１の指令によってモータ４１を駆動すると、ベルト４２が移動し、その上に固定されている第２の試料セル３７も光路に垂直な方向に移動する。

図８は、制御コンピュータ３１の表示画面例を示す図である。表示画面の上方には第１の試料セル（光路長固定セル）３５に関する情報５１が表示され、下方には第２の試料セル（光路長連続可変セル）３７に関する情報５２が表示される。図示の例の場合、第１の試料セル３５は光路長が１ｃｍで固定であるので、吸光度の測定結果の値も一意である。第２の試料セル３７は、図６及び図７に示したように、モータ４１とベルト４２によって入射光に対して横方向に移動することで光路長を可変できるようになっている。「Manual Setting」ボタン５３は、第２の試料セル（光路長連続可変セル）３７の光路長を指示した値に設定するためのボタンであり、「AutoScan」ボタン５４は第２の試料セル３７を光軸に対して横方向に移動して、可変光路長の全域にわたって吸光度測定を行うためのボタンである。

「Manual Setting」ボタン５３を押すと、図９に示す画面に遷移し、マニュアルモードに移行する。この画面で軸の位置（モータによる試料セルの移動距離）を入力すると、使用している試料セルに合わせて、その位置での光路長とその際に測定した吸光度を即座に表示する仕様となっている。このモードは、三角柱の試料セルに入れる溶液の濃度を調整したい場合に用いると便利である。

通常の測定に当たっては、「AutoScan」ボタン５４を押し、図８の右下のグラフ５６に示されているような測定結果を得る。この測定結果から第１の試料セル３５内の試料溶液濃度が未知の場合でも、第２の試料セル３７内の試料溶液濃度が未知の場合でも、他方の試料セル中の試料溶液濃度が既知であればその未知濃度を求めることができる。

いま、第１の試料セル３５中の溶液濃度をｐ_１（Ｍ）、光路長をｘ_１とし、第２の試料セル３７中の溶液濃度をｐ_２（Ｍ）とする。モータ４１を駆動して第２の試料セル３７の光照射位置を移動し、第１の試料セル３５による吸光度と等しい吸光度を示す第２の試料セル３７の位置を探す。その時の第２の試料セル３７の光路長をｘ_２とすると、ｘ_１・ｐ_１＝ｘ_２・ｐ_２である。従って、第１の試料セル３５中の溶液濃度ｐ_１（Ｍ）が既知であれば、第２の試料セル３７の溶液濃度ｐ_２（Ｍ）は、次式（１）から求めることができる。逆に、第２の試料セル３７に入っている溶液の濃度ｐ_２（Ｍ）が既知であれば、第１の試料セル３５の溶液濃度ｐ_１（Ｍ）は、次式（２）によって計算することができる。

ｐ_２＝ｐ_１・（ｘ_１／ｘ_２） …（１）
ｐ_１＝ｐ_２・（ｘ_２／ｘ_１） …（２）

図８の表示画面で、セル１濃度（第１の試料セル中の溶液濃度）あるいはセル２濃度（第２の試料セル中の溶液濃度）の部分に既知の値を入力し、「Calculate」ボタン５５を押すと、制御コンピュータ３１は、上記の関係に従って未知濃度の方を自動的に計算して結果を表示する。また、濃度測定するための条件が例えば、信頼区間以外になっており、正確に濃度の計算ができない場合には「信頼区間外」と表示した後に結果を表示する。吸光度（Abs）が同じであれば、ほぼ同じ濃度と言えるが、Absが低い場合はノイズによる影響が、Absが高い場合は検量線の傾きが一般的になだらかになるため誤差が大きくなる。そのため、エラー表示は出さないが、その旨は計算結果に反映している必要性が生じる。

次に、本発明の試料セルを用いた別の濃度測定方法について説明する。
検量線を作成するために１種類の既知濃度の溶液を用意し、測定するポイント毎に吸光度計で測定し、例えば図１０のように２ｍＭの物質Ａの検量線を作成する。具体例によって説明すると、まず、図１０のようにして作成された検量線から２ｍＭの時の直線は次のように表すことができる。吸光度０．２〜１．０の間は直線性が維持されており信頼区間と仮定すると図１０のグラフから、測定位置５０％のところの吸光度（Abs）は０．３５である。よって、２ｍＭの時の検量線は次式（３）で表される。ここでｐは位置を示し、５０％の場合は５０である。

Abs＝Ｐ×０．３５／５０ …（３）
濃度がＹｍＭの時の検量線は下式（４）のように仮定できる。
Abs×Ｙ／２＝Ｐ×０．３５／５０ …（４）
ここで、未知濃度溶液を測定した際のAbs＝０．５で測定位置ｐ＝６０（％）の部分だったと仮定すると上式より、濃度Ｙは、次式（５）のように求められる。
Ｙ＝６０×０．３５／５０÷０．５÷０．５＝１．６８ｍＭ …（５）

本発明による光路長連続可変セルの一例を示す図。 従来の吸光度計の模式図。 検量線の説明図。 本発明による試料セルを上方から見た模式図。 光路長連続可変セルの他の例を示す図。 本発明による吸光度計の一例を示す概略図。 試料セル駆動機構の一例を示す模式図。 制御コンピュータの表示画面例を示す図。 マニュアルモードの設定画面を示す図。 １種類の既知濃度の溶液を用いた検量線の例を示す図。

符号の説明

１０：光路長連続可変セル、１１：隔壁、１２：第１試料セル、１３：第２試料セル、２１：光源、２２：波長選択手段、２３：スリット、２４：試料セル、２５ａ：透過光、２５ｂ：蛍光、２６ａ，２６ｂ：光検出器、２７：蛍光選択フィルター、３１：制御コンピュータ、３２：光源、３３：ハーフミラー、３４：全反射ミラー、３５：第１の試料セル、３６ａ，３６ｂ：光検出器、３７：第２の試料セル、４１：モータ、４２：ベルト、４３，４４：プーリー、４５ａ，４５ｂ：固定具、４６：駆動軸

Claims (7)

1. 上部が開放した四角柱状の容器の内部を当該四角柱の対角線位置に設けた隔壁によって２分割した形状を有することを特徴とする試料セル。
2. 光源と、
   前記光源から発生された光線の光路を２分割する光学系と、
   前記光学系により２分割された一方の光路中に配置された第１の試料セルと、
   前記第１の試料セルを透過した光線を検出する第１の光検出器と、
   前記光学系により２分割された他方の光路中に配置された第２の試料セルと、
   前記第２の試料セルを透過した光線を検出する第２の光検出器と、
   前記第２の試料セルを当該試料セルに照射される光線の光路を横切る方向に駆動する駆動部とを含み、
   前記第１の試料セルは試料中を透過する光線の光路長が固定の試料セルであり、前記第２の試料セルは前記駆動部による駆動量に応じて試料中を透過する光線の光路長が連続的に変化する試料セルであることを特徴とする光学測定装置。
3. 請求項２記載の光学測定装置において、前記第２の試料セルは、上部が開放した四角柱状の容器の内部を当該四角柱の対角線位置に設けた隔壁によって２分割した形状を有することを特徴とする光学測定装置。
4. 請求項２記載の光学測定装置において、前記第１の試料セルを透過する光線の光路長と、前記第１の試料セルの透過光強度と前記第２の試料セルの透過光強度が等しくなるときの前記第２の試料セルを透過する光線の光路長の情報と、前記第１又は第２の試料セルの一方に入っている既知濃度の試料の濃度に基づいて、他方の試料セルに入っている未知濃度の試料の濃度を演算する演算部を有することを特徴とする光学測定装置。
5. 光路長が固定の第１の試料セルと光路長が可変の第２の試料セルを用意するステップと、
   前記第１と第２の試料セルの一方に濃度が既知の試料を注入し、他方に濃度が未知の試料を注入するステップと、
   光源からの光線を前記第１の試料セルに照射し、透過光強度を検出するステップと、
   前記光源からの光線を前記第２の試料セルに照射し、透過光強度を検出するステップと、
   前記第２の試料セルの光路長を変化させ、前記第１の試料セルの透過光強度と前記第２の試料セルの透過光強度が等しくなる光路長を求めるステップと、
   前記第１の試料セルの光路長と、前記第２の試料セルの光路長と、前記既知の濃度をもとに前記未知の濃度を算出するステップとを含むことを特徴とする光学的測定方法。
6. 光路長が可変の試料セルに既知濃度の試料溶液を注入するステップと、
   光源からの光線を前記試料セルに照射し、前記試料セルの光路長を変化させて吸光度を測定し、光路長と吸光度の関係を取得するステップと、
   前記関係を、前記試料セルに未知濃度の試料を注入したときの光路長と吸光度の関係に一般化するステップと、
   前記試料セルに未知濃度の試料を注入して光路長と吸光度の関係を求めるステップと、
   求めた光路長と吸光度を前記一般化した関係に適用して未知濃度の試料の濃度を算出するステップとを含むことを特徴とする光学的測定方法。
7. 請求項５又は６記載の光学的測定方法において、前記光路長が可変の試料セルとして上部が開放した四角柱状の容器の内部を当該四角柱の対角線位置に設けた隔壁によって２分割した形状を有する試料セルを用いることを特徴とする光学的測定方法。

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