JP2006300674A - 分光光度計 - Google Patents

Abstract

【課題】
小型でありながら高感度、高分解能且つ高速応答を実現し、さらに測定領域内の試料の空間分布を連続して測定できる全く新しい分光光度計を提供することである。
【解決手段】
測定領域ＭＲに赤外線Ｌを照射することにより、当該測定領域ＭＲを移動する試料Ｓに含まれる物質の吸収スペクトルを解析し、前記試料Ｓを分析する分光光度計１であって、前記測定領域ＭＲの一方から当該測定領域ＭＲに赤外線又は紫外線Ｌを照射する光源２と、当該光源２から照射された赤外線又は紫外線Ｌを前記測定領域ＭＲの他方で検出する検出器３とからなる一対の測定要素ＳＥを複数備えていることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

この発明は、測定対象である試料に含まれる物質の吸収スペクトルを得ることで、試料を定性分析及び定量分析する分光光度計に関するものである。

この種の分光光度計、特に赤外分光光度計としては、分散型赤外分光光度計（分散型ＩＲ）、フーリエ変換赤外分光光度計（ＦＴＩＲ）、非分散型赤外分光光度計（ＮＤＩＲ）などがある。

ところが、これらの赤外分光光度計には以下の問題がある。

フーリエ変換赤外分光光度計（ＦＴＩＲ）においては、特許文献１に示すように、干渉計を光源と測定対象セルとの間に設ける必要があり、光源を密に配置するとなると干渉計が邪魔になり、そのように配置することが困難である。つまり、装置の構造上、それら光源を空間的に配置して測定領域内の試料の空間分布を測定するという発想には至らない。

また、分散型赤外分光光度計（分散型ＩＲ）においては、特許文献２に示すように、測定領域を透過した光を回折格子で分散させる必要があり、やはり密に配置することが困難であるため、分散型ＩＲを用いて空間分布を測るという発想には至っていない。

つまり、フーリエ変換赤外分光光度計（ＦＴＩＲ）や分散型赤外分光光度計（分散型ＩＲ）においては、光源と検出器の他に、光源又は検出器を空間的に密に配置する妨げとなる外部機構（干渉計、回折格子）が必要であり、これらの赤外分光光度計を用いて測定領域内の試料の空間分布を測定することは難しい。

一方、既知試料を測定する非分散型赤外分光法（ＮＤＩＲ）は、試料の赤外吸収波長の選択性を多層膜のバンドパスフィルタを用いて行っているため、装置の小型化を図ることはできるが、半値幅の狭い高透過率のものを実現することが難しいという問題があり、吸収ピークが隣接する場合の他成分の吸収による干渉影響を排除することが難しい。さらに、バンドパスフィルタを高温で使用する場合には、周囲温度の影響で多層膜の膜厚が変化してしまい、中心波長がシフトしてしまうという問題もある。

さらに、これらの赤外分光光度計は、たとえ空間的に配置できたとしても、応答速度が遅いため、例えばフローセルなどの測定領域内を移動する試料の移動速度が一定以上大きい場合には、試料の空間分布を連続的に測定することができないという問題がある。
特開２００３−０１４５４３ 特開平０６−１８０２５４

そこで本発明は、上記問題点を全て一挙に解決するためになされたものであり、小型化かつ高速応答を実現し、さらに測定領域内の試料の空間分布を連続して測定できる全く新しい分光光度計を提供することをその所期課題とするものである。

すなわち本発明に係る分光光度計は、測定領域に赤外線又は紫外線を照射することにより、当該測定領域内の試料に含まれる物質の吸収スペクトルを解析し、前記試料を分析する分光光度計であって、前記測定領域の一方から当該測定領域に赤外線又は紫外線を照射する光源と、当該光源から照射された赤外線又は紫外線を前記測定領域の他方で検出する検出器とからなる一対の測定要素を複数備えていることを特徴とする。

このようなものであれば、小型化かつ高速応答を実現し、測定領域内の試料の空間分布を連続して測定することができる。さらに、測定領域内の試料の時間的な変動を測定することもできる。

測定領域内を移動する試料の空間分布及び時間的変動を一層好適に測定するためには、前記測定要素が、前記試料の移動方向に沿って配置されていることが特に望ましい。

また、試料に含まれている特定の物質のみの吸収量を主として検出し、高精度測定を実現するためには、前記複数の光源が、同一波長の赤外線又は紫外線を照射するものであることが望ましい。

さらに、試料に含まれている特定の物質であって、複数波長に吸収スペクトルを持つ試料を測定する場合には、前記複数の光源が、複数の波長の赤外線又は紫外線を照射することにより単一の成分を測定するものであることが好ましい。

このようなものであれば、濃度によっては、ある波長の吸収スペクトルで例えば飽和などを生じているとしても、その他の飽和を生じていない波長の吸収スペクトルを利用することができるので、広いレンジで精度の良い測定が容易に可能となる。

その上、試料に含まれている種々の物質の吸収スペクトルを同時に検出するためには、前記測定要素を、さらに前記移動方向と異なる方向に沿って配置するとともに、前記移動方向と異なる方向に沿って配置した前記光源の照射する赤外線又は紫外線の波長を互いに異ならせていることが望ましい。特に、前記測定要素を、さらに前記移動方向と略直交する方向に沿って配置していることが好ましい。

加えて、具体的な実施の態様としては、前記光源が、半導体レーザであることが考えられる。

このように本発明によれば、小型化且つ高速応答を実現し、さらに測定領域内の試料の空間分布を連続して測定できる全く新しい分光光度計を提供することができる。さらに、測定領域内の試料の時間的な変動を測定することもできる。

以下に本発明の分光光度計を赤外分光光度計に適用した場合の実施形態について図面を参照して説明する。

本実施形態に係る赤外分光光度計１は、図１に示すように、測定領域ＭＲに赤外線Ｌを照射することにより、当該測定領域ＭＲを移動する試料Ｓに含まれる物質の吸収スペクトルを解析し、試料Ｓを分析するものであって、測定領域ＭＲの一方から当該測定領域ＭＲに赤外線Ｌを照射する光源２と、当該光源２から照射された赤外線Ｌを前記測定領域ＭＲの他方で検出する検出器３とからなる一対の測定要素ＳＥを複数備え、さらに、検出器３が検出した赤外線Ｌの強度信号を受信して、所定の演算処理を行う情報処理装置４とからなる。

本実施形態では、試料Ｓとしては例えば自動車などから排出された排気ガス等（以下、試料ガスＳという。）を想定し、その試料ガスＳ中に含まれる二酸化炭素（ＣＯ_２）、一酸化炭素（ＣＯ）、水（Ｈ_２Ｏ）の濃度を測定することを目的としているが、試料Ｓが液体或いは固体であってもかまわない。

各部を説明する。

光源２は、半導体レーザを用いるようにしており、図２に示すように光源保持部材５によって、測定領域ＭＲである透明フローセル６の一方から当該透明フローセル６内に赤外線Ｌを放射できるように一体に保持されている。そして、後述する検出器３と一対の測定要素ＳＥを構成している。この半導体レーザは、室温において、発振波長が４〜２０μｍのレーザ光を数百ｍＷの高出力で発振できる量子カスケードレーザを用いている。量子カスケードレーザは、半導体の膜厚を制御して作製することにより任意の波長のレーザ光を発振できるものである。

本実施形態では、光源２として、二酸化炭素（ＣＯ_２）が吸収しやすい波長の赤外線Ｌを照射するＣＯ_２用光源と、一酸化炭素（ＣＯ）が吸収しやすい波長の赤外線Ｌを照射するＣＯ用光源と、水（Ｈ_２Ｏ）が吸収しやすい波長の赤外線Ｌを照射するＨ_２Ｏ用光源と、を用いている。

検出器３は、光源２と一対の測定要素ＳＥを形成するもので、測定領域ＭＲである透明フローセル６の他方で、各光源２から照射された赤外線Ｌの強度を検出して、その強度信号を情報処理装置４に出力する。この検出器３は、１つの光源２に対して１つの検出器３が対応するように設置されていて、検出器保持部材７によって一体に保持されている。

しかして、複数の測定要素ＳＥは、試料ガスＳの移動方向すなわち本実施形態では透明フローセル６の延伸方向に沿って一定間隔で配置されている。具体的には、図３に示すように、試料ガスＳの移動方向に沿って測定要素ＳＥが５つ配置されており、試料ガスＳの移動方向と略直交する方向に沿って３つ測定要素ＳＥが配置されている。

光源２のみに着目すると、試料ガスＳの移動方向に沿って、ＣＯ_２用光源、ＣＯ用光源、Ｈ_２Ｏ用光源のそれぞれが、５個ずつ配置されている。そして、ＣＯ_２用光源、ＣＯ用光源、Ｈ_２Ｏ用光源が試料ガスＳの移動方向と略直交する方向に沿って配置されている。図３においては、各種類の光源２を一列に配置しているが、用途に応じて２列以上ずつ配置することも考えられる。

情報処理装置４は、各検出器３からの強度信号に基づいて、赤外線Ｌが試料ガスＳを通過するときに吸収されるエネルギを各波数（波長）について観測し、その吸収スペクトルの位置により試料ガスＳに含まれる物質を定性し、その強度から定量を行うものである。その機器構成は、図４に示すように、ＣＰＵ４０１、メモリ４０２、入出力インターフェイス４０３等を備えた汎用乃至専用のコンピュータであり、前記メモリ４０２の所定領域に記憶させた所定プログラムにしたがってＣＰＵ４０１、周辺機器等を協働させることにより、図５に示すように、受付部４１、吸収スペクトル算出部４２、濃度算出部４３等としての機能を発揮する。

受付部４１は、各検出器３からの強度信号をそれぞれ受信して、それら強度信号を吸収スペクトル算出部４２に出力するものである。

吸収スペクトル算出部４２は、各検出器３からの各強度信号に基づいて、吸収スペクトルを算出し、その吸収スペクトルデータを濃度算出部４３に出力するとともに、例えばディスプレイ等の表示手段（図示しない）に出力するものである。

濃度算出部４３は、吸収スペクトル算出部４２からの吸収スペクトルデータに基づいて、測定領域ＭＲ内を移動する試料ガスＳに含まれる物質の空間分布及びその物質の濃度を算出するものである。さらに、その濃度算出データを例えばディスプレイ等の表示手段（図示しない）に連続的に出力するものである。

このように本実施形態によれば、小型でありながら高感度、高分解能且つ高速応答を実現することができ、さらに測定領域ＭＲ内の試料ガスＳに含まれる物質の空間分布を連続して測定することができる。これにより、試料ガスＳに含まれる物質の濃度を空間的、時間的にトレースすることができる。

さらに、各物質の吸収スペクトルの干渉など他成分ガスによる相互影響評価や、セル６の大きさ、形状等、光学系、測定条件（温度／湿度）などの評価をすることも可能となる。その上、測定対象である試料ガスＳをトレースガスとして用いることにより、流速分布を測定することもできる。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

例えば、前記実施形態では、移動方向に沿って各物質用の光源を配置するようにしたがこれに限られることはなく、例えば図６に示すように、ＣＯ_２用光源、ＣＯ用光源、Ｈ_２Ｏ用光源をそれぞれ移動方向と略直交する方向に配置し（図６では３個）、各物質用光源を移動方向に順番に配置するようにしても良い。この場合には、移動方向と略直交する方向に配置された各物質用光源の波長をそれぞれ互いに異なるようにしている。

このようなものであれば、試料に含まれる物質の空間分布を連続して測定できるだけでなく、複数波長で１成分を測定するようにしているので、ある波長で他成分と吸収スペクトルが干渉していたとしても、その他の波長の干渉していない吸収スペクトルを用いることができ、高精度に測定することもできる。

また、複数波長に吸収スペクトルを持つ成分を測定する場合、濃度によっては、ある波長の吸収スペクトルで例えば飽和などを生じているとしても、その他の飽和を生じていない波長の吸収スペクトルを利用して測定を行うことができるので、広いレンジで精度の良い測定が容易に可能となる。

前記実施形態では、本発明を赤外分光光度計に適用しているがこれに限られることはなく、紫外線を照射する光源を用い、試料中の物質の紫外線吸収スペクトルを解析して、試料を分析するようにしても良い。

また、前記実施形態では、光源を光源保持部材により、検出器を検出器保持部材によりそれぞれ一体に保持するようにしているが、光源及び検出器をそれぞれ別個に保持するようにしても良い。

さらに、前記実施形態では、光源からの赤外線を測定領域に直接照射するように構成しているが、空間分布の測定に影響を与えない程度において、レンズなどの集光光学系を含めるようにしても良い。

その上、その集光光学系にプリズムなどを用いてＡＴＲ測定を行うようにしても良い。そしてそのプリズム底面に金属膜を堆積し、表面プラズモン共鳴を利用するようにしても良い。

あるいは、ＣＶＤ成膜装置に用いることにより、成膜室内に供給されるソースガスの濃度を測定することにより、成膜処理前又は成膜時のソースガスの濃度を制御することも考えられる。

このようなものであれば、高品質な膜を生成することができる。

上記に加えて、１素子で多波長発振可能な複数の光源とそれぞれの光源に対応した検出器（例えばＭＣＴアレイセンサ）を用いる構成として、被測定物の２次元イメージング情報を得るようにすることも考えられる。

前記実施形態では、透明フローセルを用いて、その透明フローセル内を通過する試料を分析するようにしているが、固定セルを用いて固定セル内の試料を分析するようにしても良い。

その他、前述した各実施形態や変形実施形態の一部又は全部を適宜組み合わせてもよいし、本発明は前記各実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

本発明の実施形態に係る赤外分光光度計の模式的機器構成図。 同実施形態における測定要素を主として示す図。 同実施形態における光源の配置パターンを示す図。 同実施形態における情報処理装置の機器構成図。 同実施形態における情報処理装置の機能構成図。 本発明のその他の実施形態における光源の配置パターンを示す図。

符号の説明

１・・・分光光度計（赤外分光光度計）
Ｓ・・・試料（試料ガス）
２・・・光源
３・・・検出器
ＳＥ・・・測定要素
ＭＲ・・・測定領域
Ｌ・・・赤外線
４・・・情報処理装置

Claims (7)

1. 測定領域に赤外線又は紫外線を照射することにより、当該測定領域内の試料に含まれる物質の吸収スペクトルを解析し、前記試料を分析する分光光度計であって、
   前記測定領域の一方から当該測定領域に赤外線又は紫外線を照射する光源と、当該光源から照射された赤外線又は紫外線を前記測定領域の他方で検出する検出器とからなる一対の測定要素を複数備えていることを特徴とする分光光度計。
2. 前記測定要素が、前記試料の移動方向に沿って配置されていることを特徴とする請求項１記載の分光光度計。
3. 前記複数の光源が、同一波長の赤外線又は紫外線を照射するものであることを特徴とする請求項１又は２記載の分光光度計。
4. 前記複数の光源が、複数の波長の赤外線又は紫外線を照射することにより単一の成分を測定するものである請求項１又は２記載の分光光度計。
5. 前記測定要素を、さらに前記移動方向と異なる方向に沿って配置するとともに、
   前記移動方向と異なる方向に沿って配置した前記光源の照射する赤外線又は紫外線の波長を互いに異ならせていることを特徴とする請求項３又は４記載の分光光度計。
6. 前記測定要素を、さらに前記移動方向と略直交する方向に沿って配置するとともに、
   前記移動方向と略直交する方向に沿って配置した前記光源の照射する赤外線又は紫外線の波長を互いに異ならせていることを特徴とする請求項３又は４記載の分光光度計。
7. 前記光源が、半導体レーザであることを特徴とする請求項１、２、３、４、５又は６記載の分光光度計。