JP2005265651A - 濃度測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 試料内の旋光性物質の濃度を測定する方法として、試料に光を入射しその旋光度から濃度を求める方法は有用であるが、光学系を構成する光学素子は温度によってその特性が変化するものが多く、温度が変化した場合にはその光学素子の特性変化や歪みなどによって、測定値が変動してしまうという現象が起こる。
【解決手段】 試料内の旋光性物質による旋光度を測定することにより試料内の旋光性物質の濃度を測定する濃度測定装置において、直線偏光をビームスプリッタにより分割することによって試料を通過しない参照用の光学系を設け、参照用の光学系より得られる出力信号、例えば出力信号の振幅などを用いて算出濃度の温度による変動を補正することによって、周囲の温度ではなく実際に旋光度変調素子が影響を受けている温度を用いた補正が可能となるため、正確な補正ができ、温度変化が起こった場合においても安定かつ高精度の濃度測定が可能となる。
【選択図】 図１

Description

本発明は濃度測定装置に関し、特に試料内に含まれる旋光性物質の濃度を安定かつ高精度に測定する技術に関するものである。

試料内の旋光性物質の濃度を測定する手段として、試料に光線を入射してその旋光度などの測定より濃度を求める光学的な方式は有用であるとされている。これは、例えばグルコース濃度を測定する方法としては、他にＧＯＤ法などの酵素を用いた酵素法が知られているが、この方法では電極を試料に接触させる必要があり、また測定原理上、測定回数に限度があるため一定期間ごとのメンテナンスや、装置の一部の交換、緩衝液の追加などの処置を行う必要が生じる。その点、旋光度測定などの光学的方式においては、直接試料に触れることなく測定することが可能であるため、特にメンテナンス等を必要とせず、長い期間において測定が可能である。

旋光度より試料内の旋光性物質の濃度を求める方法の原理は式１に基づく。
θ（λ）＝α（λ）・ｃ・Ｌ（式１）
ここで、θ（λ）は光線の波長をλとしたときの旋光度、α（λ）は光線の波長をλとしたときの旋光性物質の比旋光度、ｃは試料内における旋光性物質の濃度、Ｌは試料の光路長である。式１において、比旋光度α（λ）は旋光性物質固有の係数であり、試料の光路長Ｌも同様に濃度測定前に既知の値であるため、試料に光線を入射したときの旋光度θ（λ）を測定することにより、旋光性物質の濃度ｃを求めることが出来る。

旋光度の測定方法としては、検光子の透過軸の角度を機械的に変化させてその透過光強度より旋光度を求める方法や、液晶素子やファラデー素子などを旋光度変調手段として用いる方法などが挙げられる。ここで、旋光度変調手段として液晶素子を用いた場合の一般的な旋光度検出器の概略構成を図５に示す。光源５０１より出射した光線を第一の偏光子５０２に入射する。第一の偏光子５０２によって光線は第一の偏光子５０２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度変調素子である液晶素子５０３に入射する。液晶素子５０３を通過する際に直線偏光の偏光面は液晶素子に外部より印加する電圧に依存して変調される。次に旋光した直線偏光を試料５０４に入射する。ここで、直線偏光は試料５０４を通過する際、試料５０４中に含まれる旋光性物質によってある程度旋光される。次に試料５０４を通過した光線を第二の偏光子５０５に入射することで、第二の偏光子５０５の透過軸方向の光成分のみが透過し、光検出器５０６の受光部に到達する。光検出器５０６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５０６からの出力電圧と液晶素子５０３に印加する電圧を測定することにより、試料５０４による旋光度θを測定することが出来る。

このとき、例えば低濃度のサンプルの濃度測定を行う際などには旋光度の変化も微小であり、よって得られる出力信号の変化も極めて微量なものとなる。ここで、光学系を構成する光学素子は温度によってその特性が変化するものが多く、温度が変化した場合にはその光学素子の特性変化や歪みなどによって、測定値が変動してしまうという現象が起こる。そこで、この温度変化による測定値の変動を抑える方法として、これまでに様々な方法が挙げられている。温度変化の影響自体をなくす方法として、素子を高耐熱性および高い機械的強度を有する樹脂等で覆い、外部温度変化の影響を受けにくくする方法（例えば、特許文献１参照）や、装置全体を恒温する方法、また、温度をサーミスタ等で測定し温度が測定範囲内に入るよう、ヒーター等で暖める、または冷ますなどの処置を行う方法（例えば、特許文献２参照）が挙げられる。他に、温度によって測定値を補正する方法として
、素子にサーミスタ等を取り付けて温度を測定し、補正をかける方法などが考えられる。

特開平７−０１９９６２号公報（図１） 特開２０００−０４６７３２号公報（図１）

しかし、上述した方法には以下のような短所が生じる。素子を樹脂等で覆い、外部温度変化の影響を受けにくくする方法に関しては、実際に温度が変化した場合に精度良く温度を一定に保つことは難しいと考えられ、安定した測定は難しい。また、装置全体を恒温してしまう方法や、試料を暖めるなどして温度を測定範囲内に変化させる方法に関しては、温度が変化しないという前提において安定した測定が可能であるが、温度を一定にさせるまで時間がかかり、短い時間で測定結果が必要な場合にはふさわしくない。また、素子にサーミスタを取り付けて温度を測定する方法に関しては、温度変化した場合に、素子の表面の温度は測定可能であるが、実際に測定に影響を与える素子の内部の温度とは温度差があるため補正として完全でないと考えられる。

そこで、本発明では上述した従来技術による問題点を解消するため、温度が変化した場合においても試料内の旋光性物質の濃度を安定かつ高精度に測定することが可能な濃度測定装置を提供することを目的とする。

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、光線を出力する光出力手段と、光出力手段から出力された光線を直線偏光にする第一の偏光手段と、直線偏光の旋光度を変調する旋光度変調手段と、旋光度変調手段によって旋光度が変調された直線光線が試料へ出射されることによって、試料内の旋光性物質によって旋光されて試料を透過してくる透過光の一方向成分のみを透過させる第二の偏光手段と、第二の偏光手段を透過してくる透過光の強度を検出する光強度検出手段と、旋光度変調手段によって変調された旋光度と光強度検出手段によって検出された透過光の強度より試料内の旋光性物質による旋光度を算出し、旋光性物質による旋光度より試料内の旋光性物質の濃度を算出する算出手段を備えた濃度測定装置であって、直線偏光をビームスプリッタにより分割することによって試料を通過しない参照用の光学系を設け、参照用の光学系より得られる出力信号を用いて算出濃度の温度による変動を補正することを特徴とする。

また、本発明の濃度測定装置における、算出濃度の温度による変動の補正は参照用の光学系より得られる出力信号の温度による振幅の変動を用いて行うことが好ましい。

また、本発明の濃度測定装置は、試料部に試料の温度を測定する温度測定手段を備え、温度測定手段により濃度測定時の試料の温度を測定することが好ましい。

また、本発明の濃度測定装置は、温度測定手段により測定した濃度測定時の試料の温度における、旋光性物質の比旋光度を用いて濃度を算出することが好ましい。

また、本発明における旋光度変調手段は液晶素子によって構成されることが好ましい。

また、本発明における旋光度変調手段は液晶素子と位相差板によって構成されることが好ましい。

また、本発明における液晶素子はホモジニアス配向の液晶素子であることが好ましい

また、本発明における試料は尿であり、前記試料内の旋光性物質は尿糖である場合により有用である。

（作用）
試料内の旋光性物質による旋光度を測定することにより試料内の旋光性物質の濃度を測定する濃度測定装置において、直線偏光をビームスプリッタにより分割することによって試料を通過しない参照用の光学系を設け、参照用の光学系より得られる出力信号、例えば出力信号の振幅などを用いて算出濃度の温度による変動を補正することによって、周囲の温度ではなく実際に旋光度変調素子が影響を受けている温度を用いた補正が可能となるため、正確な補正ができ、温度変化が起こった場合においても安定かつ高精度の濃度測定が可能となる。

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。

試料内の旋光性物質による旋光度を測定することにより試料内の旋光性物質の濃度を測定する濃度測定装置において、直線偏光をビームスプリッタにより分割することによって試料を通過しない参照用の光学系を設け、参照用の光学系より得られる出力信号、例えば出力信号の振幅などを用いて算出濃度の温度による変動を補正することによって、周囲の温度ではなく実際に旋光度変調素子が影響を受けている温度を用いた補正が可能となるため、正確な補正ができ、温度変化が起こった場合においても安定かつ高精度の濃度測定が可能となる。

また、試料部に試料の温度を測定する温度測定手段を備え、温度測定手段により測定した濃度測定時の前記試料の温度における旋光性物質の比旋光度を用いて濃度を算出することにより、周囲の温度変化の影響と試料の温度の影響をそれぞれ補正することができ、周囲の温度と異なる温度の試料の濃度測定を行う際にも有用である。

また本発明によれば、装置全体を恒温化する、試料を暖めるなどして温度を測定範囲内に変化させるなどの必要性が生じないため、例えば装置内の温度を一定にさせるまでの時間等が不要となり、短い時間での測定が可能となる。更に、旋光度変調手段として液晶素子を用いたものを用いることによって、光学系の小型化が可能で、濃度測定装置全体の小型化につながる。

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。

（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。図１において駆動回路１１１によって駆動されるレーザダイオードなどの光源１０１より出射された光線をコリメートレンズ１０２に入射する。ここで、光源１０１はある一定の波長の光線を出射するものであって、レーザダイオードに限るものではない。コリメートレンズ１０２は入射してきた光線を平行光にするものであって、光源からの光線の広がり角等によって位置を変化させる。次に、コリメートレンズ１０２によって平行光となった光線を第一の偏光子１０３に入射する。第一の偏光子１０３によって光線は第一の偏光子１０３の透過軸方向に光軸を持つ直線偏光となる。次に第一の偏光子１０３を透過してきた直線偏光を電気光学的な旋光度変調素子
に入射する。図１に示す本実施形態においては、電気光学的な旋光度変調素子として液晶素子１０４を用いている。ここで、液晶素子１０４は液晶駆動回路１１２によって駆動し、液晶駆動回路１１２より液晶素子１０４へ印加する電圧に応じて液晶素子を通過する直線光線が旋光する。

液晶素子１０４によって旋光した光線を次にビームスプリッタ等の光分岐手段１０５に入射する。光分岐手段１０５によって、２本の光線はそれぞれ透過方向と反射方向に分岐される。ここで、透過方向の光線を光線Ａとし、反射方向の光線を光線Ｂとする。光線Ａは次に試料セル１０６に入射する。ここで、試料セル１０６を通過する光線Ａは、試料を通過する際、その試料内の旋光性物質によって未知の変位量だけ旋光する。このときの変位量は試料内の旋光性物質の濃度、試料を通過する光線の光路長の長さに比例する。ここで、試料セル１０６における光線が通過する面は光線をあまり吸収しない様に透過率の高い透明なものである必要があり、これには例えばガラスなどが挙げられる。

試料セル１０６を通過した光線Ａは次に第二の偏光子１０７に入射する。第二の偏光子１０７においては、第二の偏光子１０７の透過軸方向の光成分のみが透過し、第一の光検出器１０８の受光部に到達する。第一の光検出器１０８は受光した光線の強度を電圧信号として出力するものであり、出力された信号は増幅器等により増幅し、ＰＣなどの演算器１１３に入力する。演算器１１３は濃度算出のみでなくコントローラとして液晶駆動回路１１２のコントロールも行い、また、演算器１１３で算出された結果は表示手段１１４に転送し、表示する。

また、光分岐手段１０５によって分岐された光線の内、反射方向の光線Ｂは次に第三の偏光子１０９に入射する。第三の偏光子１０９においては、第三の偏光子１０９の透過軸方向の光成分のみが透過し、第二の光検出器１１０の受光部に到達する。第二の光検出器１１０は第一の光検出器１０８と同様、受光した光線の強度を電圧信号変化として出力するものであり、出力された信号は増幅器等により増幅し、演算器１１３に入力する。

この時、演算器１１３に入力した２つの信号を比較して試料内の旋光性物質による旋光度を算出する。以下に算出方法の一例を記載する。例えば、第一の偏光子１０４の透過軸を垂直方向、第二の偏光子１０７と第三の偏光子１０９の透過軸を水平方向とし、液晶素子１０４は初期状態において偏光状態を変化させないとすると、光線Ｂは試料を通過していないため初期状態において第二の光検出器１１０に到達する光の強度は０となる。ここで、偏光子はクロスニコルの状態で光を完全に透過させないものとする。次に、液晶素子１０４の状態を変化させて、第一の偏光子１０３を透過した直線偏光を液晶素子１０４を通過することによって右または左方向に旋光させると、第三の偏光子１０９に入射する直前の光線Ｂの偏光軸と第三の偏光子１０９の吸収軸に角度差が生じるため、第二の光検出器１１０で検出される光線Ｂの強度は０ではなくなる。このように、例えば液晶素子１０４の状態を変化させて液晶素子１０４による旋光量をある周波数で左右に均等に変調させることによって、図２（ｂ）のような波形が観察される。図２において横軸は時間軸、縦軸は検出された光線の強度を示す。

この時、光線Ａに関しては、試料内の旋光性物質により未知量だけ旋光されるので、液晶素子が初期状態であっても第二の偏光子１０７に入射する直前の光線Ａの偏光軸と第二の偏光子１０７の吸収軸に角度差が生じるため、第一の光検出器１０８によってある強度が検出される。更に、液晶素子１０４の状態を変化させて液晶素子１０４による旋光量を左右に均等に変調させた場合、図２（ａ）に示す様な波高比のずれた波形が観察される。

ここで、光線Ａの波形の波高比に着目し、あらかじめ波高比と旋光度、旋光度と濃度の関係式を構築しておき、関係式に従い、波高比の値に対応して濃度を算出する。ここで、
波高比と旋光度の関係式は特に液晶の種類、変調幅に依存するものである。実際の測定では試料を通過していない光線Ｂの波高比が常に１を保つようにフィードバックをかけながら、その状態での光線Ａの波高比を用いて濃度の算出を行う。

ここで、液晶素子を始めとする旋光度変調手段には特性の温度依存性があるため温度に関しては更に補正が必要となる。この補正は、例えば、上述の波高比が常に１に保たれた光線Ｂの波形の振幅を用いる方法が挙げられる。図３に示すように、液晶素子１０４への印加電圧に変化がない場合にも液晶素子の温度の違いによって、光線Ｂの波形の振幅は異なったものとなる。一般に温度が高いときに振幅が大きくなり、逆に温度が低いときに振幅が小さくなる。これは熱により液晶分子のエントロピーが変化するためであり、液晶素子１０４の温度と光線Ｂの波形の振幅は相関があるため、光線Ｂの波形の振幅より液晶素子１０４の温度を算出でき、温度補正が可能となる。

この方式は、液晶素子１０４の表面にサーミスタ等を配置して温度測定する方法とは異なり、液晶素子１０４の表面の温度ではなく、内部の温度に対応した補正が可能であるため、より正確な補正が出来る。

なお、上述の実施形態においては、参照光の波形における振幅を用いて温度補正を行っているが、振幅に限るものではなく、参照光の信号より得られるその他の情報を用いる方法も挙げられる。

また、上述の実施形態における旋光度変調手段としては液晶素子を用いているが、例えばファラデー素子などを用いた場合にも、コイルの抵抗変化などによって温度変化による特性の変化はみられ、本手法による温度補正は有効である。

（第二の実施形態）
次に第二の実施形態について図４を用いて説明する。光学素子等に関しては第一の実施形態と同様のものとする。第一の実施形態と同様、駆動回路１１１によって駆動される光源１０１より出射された光線をコリメートレンズ１０２によって平行光とし、第一の偏光子１０３に入射する。第一の偏光子１０３を透過した直線偏光は、例えば液晶素子１０４などの電気光学的な旋光度変調素子に入射する。第一の実施形態と同様、液晶素子１０４によって旋光した光線は次にビームスプリッタ等の光分岐手段１０５に入射し、透過方向の光線Ａと反射方向の光線Ｂに分岐させる。

光線Ａは次に試料セル１０６に入射し、試料を通過する際、その試料内の旋光性物質によって未知の変位量だけ旋光する。このときの変位量は試料内の旋光性物質の濃度、試料を通過する光線の光路長の長さに比例する。試料セル１０６を通過した光線Ａは次に第二の偏光子１０７に入射し、第二の偏光子１０７の透過軸方向の光成分のみが透過し、第一の光検出器１０８の受光部に到達する。第一の光検出器１０８より検出された信号は増幅器等を経て、演算器１１３に入力する。

また、光分岐手段１０５によって分岐された光線の内、反射方向の光線Ｂは第三の偏光子１０９に入射し、第三の偏光子１０９の透過軸方向の光成分のみが透過し、第二の光検出器１１０の受光部に到達する。第二の光検出器１１０は第一の光検出器１０８と同様、受光した光線の強度を電圧信号変化として出力するものであり、出力された信号は増幅器等により増幅し、演算器１１３に入力する。

この時、演算器１１３に入力した２つの信号を比較して試料内の旋光性物質による旋光度を算出する。算出方法に関しては第一の実施形態と同様である。ここで、試料内の旋光性物質の濃度は比旋光度と旋光度と光路長で表されることは上述したが、比旋光度は温度
により変化することが知られているため、正確な濃度算出を行うには試料の温度を測定することが必要となる。そこで、試料中もしくは試料セルに例えばサーミスタ等の温度測定手段４０１を配置し、温度測定手段４０１によって測定した温度データを演算器１１３に入力し、温度測定手段４０１によって測定した温度における比旋光度を用いて濃度の算出を行うことにより正確な濃度測定が可能となる。

この方式により、周囲の温度変化の影響と試料の温度の影響をそれぞれ補正することができ、周囲の温度と異なる温度の試料の濃度測定を行う際にも正確な測定が可能となる。

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。 本発明の実施形態における光検出器の出力波形を示す図である。 本発明の実施形態における光検出器の出力波形を示す図である。 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。 従来例における旋光度測定装置の概略図である。

符号の説明

１０１ 光源
１０２ コリメートレンズ
１０３ 第一の偏光子
１０４ 液晶素子
１０５ 光分岐手段
１０６ 試料セル
１０７ 第二の偏光子
１０８ 第一の光検出器
１０９ 第三の偏光子
１１０ 第二の光検出器
１１１ 駆動回路
１１２ 液晶駆動回路
１１３ 演算器
１１４ 表示手段
４０１ 温度測定手段

Claims (8)

1. 光線を出力する光出力手段と、該光出力手段から出力された光線を直線偏光にする第一の偏光手段と、前記直線偏光の旋光度を変調する旋光度変調手段と、該旋光度変調手段によって旋光度が変調された直線光線が試料へ出射されることによって、前記試料内の旋光性物質によって旋光されて前記試料を透過してくる透過光の一方向成分のみを透過させる第二の偏光手段と、該第二の偏光手段を透過してくる透過光の強度を検出する光強度検出手段と、前記旋光度変調手段によって変調された旋光度と前記光強度検出手段によって検出された透過光の強度より前記試料内の旋光性物質による旋光度を算出し、前記旋光性物質による旋光度より前記試料内の旋光性物質の濃度を算出する算出手段を備えた濃度測定装置であって、前記直線偏光をビームスプリッタにより分割することによって前記試料を通過しない参照用の光学系を設け、該参照用の光学系より得られる出力信号を用いて算出濃度の温度による変動を補正する濃度測定装置。
2. 前記算出濃度の温度による変動の補正は前記参照用の光学系より得られる出力信号の温度による振幅の変動を用いて行うことを特徴とする請求項１に記載の濃度測定装置。
3. 前記試料部に前記試料の温度を測定する温度測定手段を備え、該温度測定手段により濃度測定時の前記試料の温度を測定することを特徴をする請求項１または請求項２に記載の濃度測定装置。
4. 前記温度測定手段により測定した濃度測定時の前記試料の温度における、旋光性物質の比旋光度を用いて濃度を算出することを特徴とする請求項３に記載の濃度測定装置。
5. 前記旋光度変調手段は液晶素子によって構成されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の濃度測定装置。
6. 前記旋光度変調手段は液晶素子と位相差板によって構成されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の濃度測定装置。
7. 前記液晶素子はホモジニアス配向の液晶素子であることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の濃度測定装置。
8. 前記試料は尿であり、前記試料内の旋光性物質は尿糖であることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の濃度測定装置。

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