JP2008070245A - 流体試料用フローセル - Google Patents

Abstract

【課題】旋光度計や分光光度計などの光測定において様々な流体試料中の成分を連続的に定量測定するなどの目的で用いられる流体試料用フローセルにおいて、流体試料中に気泡が混入しており、気泡が測定用流路中に入ってしまった場合、光線が気泡により散乱してしまうため、正確な測定をすることができなくなってしまう。
【解決手段】測定用流路を鉛直に配置し、流体試料を下から上に流す構成とすることで、気泡はその液体中で上に行く性質により、測定用流路中に留まることなくスムーズに流れるため、測定用流路中に気泡が留まるのを防ぐことが可能となる。これにより、流体試料用フローセルを装置からはずしてメンテナンスしたり交換したりする必要がなくなるものである。
【選択図】図１

Description

本発明は流体試料用フローセルの構造に関し、特に光信号を透過させる長光路長のフローセルにおいて、流体試料がスムーズに流れ、かつ光測定時に測定用流路内に気泡が留まることを防ぐことが可能な技術に関するものである。

流体試料用フローセルは、主に様々な流体試料中の成分を連続的に定量測定するなどの目的で用いられる。例えば、流体試料用フローセルに光を入射してその透過光信号より測定を行う光測定においては旋光度計や分光光度計などが挙げられる。図６は一般的な旋光度計の構成を示す概略図である。図６において、光源６０１より出射した光線を偏光子６０２に照射する。偏光子６０２によって光線は偏光子６０２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角度変調素子６０３に照射する。旋光角度変調素子としては、例えば、液晶素子やファラデー素子などが挙げられる。旋光角度変調素子６０３を通過する際に直線偏光はその偏光方向が変調される。次に偏光方向が変調された直線偏光を試料の入った流体試料用フローセル６０４に照射する。ここで、直線偏光は流体試料用フローセル６０４を通過する際、流体試料内に含まれる旋光性物質によって旋光する。次に流体試料用フローセル６０４を通過した光線を検光子６０５に照射することで、検光子６０５の透過軸方向の光線のみが透過し、光検出器６０６の受光部に到達する。このとき、検光子６０５を回転させ、光検出器６０６で検出される光強度が最小となるときの検光子６０５の角度を測定することにより試料の旋光度を測定することが出来る。

上述のような旋光度計や、分光光度計などで流体試料内の成分を光を用いて測定する際、流体試料中の気泡が大きな問題となる。すなわち、流体試料中に気泡が存在する場合、気泡により光が散乱し、直進光が光検出器に到達しないため正確に測定することはできない。また、光線の径よりも小さい微小な気泡が混入した場合でも、本来到達する光線の一部が同様に散乱してしまうため、測定誤差を招く可能性が大きい。また、フローセルであるため、流体試料と共に気泡が流れ出ていく場合は、測定できない時間はその間のみで収まるが、気泡が光路内に一度留まってしまった場合、その後水等を大量に流してもその気泡を取り除くことは難しく、装置からはずしてのメンテナンスやフローセルの交換が必要となる。

そこで、この問題を解決するために、例えば特許文献１によれば、フローセルの入り口をフローセル内室に比べて細い径とし、加えて入り口に塵除去用のフィルタをつけることにより、気泡のフローセル内室への混入を防いでいる。また、フローセルに超音波振動子を設け、超音波によりフローセル内面に付着した気泡や塵を取り外す構成としている。また、特許文献２によれば、フローセルの出口を２箇所に設けることによって気泡が流れ易い構造としている。

実開平７−８７５９号公報（図１） 実開平６−６２３５５号公報（図１）

しかし、前述の従来技術では以下に示す問題を有している。フローセルの入り口をフローセル内室に比べて細い径とし、加えて入り口に塵除去用のフィルタをつけることにより、気泡のフローセル内室への混入を防ぐ方法においては、例えば、気泡が多量に流れてきた場合などはそのまま気泡はフローセルに入るため、フローセル内に混入することを防ぐ
ことは出来ない。また、フローセルに超音波振動子を設け、超音波によりフローセル内面に付着した気泡や塵を取り外す構成とする方法では、超音波振動子を配置するためにフローセル自体の構成が非常に複雑になってしまい、かつ大電力を必要としてしまう。更に、本来非常に精密な構成の光学系に超音波振動を加えることは光学素子のずれなどを引き起こす可能性があり、好ましくない。また、フローセルの出口を２箇所に設けることによって気泡が流れ易い構造とする方法においては出口側に気泡が留まる可能性は減少するが、光路入り口側や光路途中に気泡が留まることは大いに考えられる。

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、簡単な構成でフローセル内に入った気泡をスムーズにかつ確実に流れ出すような構造のフローセルを提供する事を目的とする。

これらの課題を解決するために本発明による流体試料用フローセルは、下記に記載の手段を採用する。すなわち本発明の流体試料用フローセルは、流体試料に光線を照射し流体試料に関する情報を得る光計測において、光線が入射し、流体試料が光線の光軸に沿って通過する測定用流路と、流体試料を測定用流路へ送り込むセル入口と、流体試料を測定用流路から外部へ排出するセル出口と、を有する流体試料用フローセルであって、測定用流路を鉛直方向に配置し、セル出口を測定用流路の上端に接続することを特徴とする。

また、本発明の流体試料用フローセルは、セル入口と前記測定用流路との間に気泡溜めを配置することが好ましい。

また、本発明におけるセル入口は測定用流路の下端につながる第一のセル入口と、測定用流路の上端につながる第二のセル入口とを有することが好ましい。

また、本発明の流体試料用フローセルは、第一のセル入口へ流体試料を流す経路と第二のセル入口へ流体試料を流す経路とを切替弁によって切り替えることが好ましい。

また、本発明の流体試料用フローセルは、セル入口を測定用流路の下端に配置し、セル入口と測定用流路の間に測定用流路と平行し光線が入射しない予備流路を有することが好ましい。

また、本発明の流体試料用フローセルは、予備流路の下端と前記測定用流路の下端の間に、疎水性のフィルムを配置することが好ましい。

（作用）
流体試料用フローセルにおいて、流体試料に気泡が混入していた場合、気泡が流体試料用フローセルの測定用流路に留まってしまうと、光線が散乱して正確な測定ができなくなってしまう。そこで、測定用流路を鉛直方向に配置し、流体試料の流れを下から上に発生させることにより、気泡はその液体中で上に行く性質により測定用流路中をスムーズに流れるため、測定用流路中に気泡が留まるのを防ぐことが可能となる。更に、測定用流路上端に水平方向の水流を発生させたり、気泡が測定用流路に流れ込むのを防ぐ予備流路を配置したりすることにより、より測定用流路中に気泡が留まるのを防ぐことが可能となる。

以上の説明のように、本発明の流体試料用フローセルにおいては、下記に記載する効果を有する。

旋光度計や分光光度計などの光測定において様々な流体試料中の成分を連続的に定量測
定するなどの目的で用いられる流体試料用フローセルにおいて、流体試料中に気泡が混入しており、気泡が測定用流路中に入ってしまった場合、光線が気泡により散乱してしまうため、正確な測定をすることができなくなってしまう。そこで、気泡が入った場合でもスムーズに排出されることが望ましいが、気泡が測定用流路中に留まってしまうという現象が発生する可能性がある。そこで、測定用流路を鉛直に配置し、流体試料を下から上に流す構成とすることで、気泡はその液体中で上に行く性質により、測定用流路中に留まることなくスムーズに流れるため、測定用流路中に気泡が留まるのを防ぐことが可能となる。これにより、流体試料用フローセルの構成を複雑にすることなく、流体試料用フローセルを装置からはずしてメンテナンスしたり交換したりする必要がなくなるものである。また、気泡の流れる速度も流体試料の流れる速度に加え、気泡が液体中を上昇する速度が加わるため気泡が測定用流路中に入っている時間も短縮することが出来る。

また更に、測定用流路への入口を上下二ヶ所に設け、測定用流路上端に水平方向の水流を発生させることにより、より確実に測定用流路内に入った気泡をセル出口より排出することが可能となる。また、気泡が測定用流路に流れ込むのを防ぐ予備流路を配置することにより、測定用流路中に気泡が進入すること自体を防ぐことができるため、気泡の影響を受けずに測定することが可能となる。

以下、図面を用いて本発明を利用した流体試料用フローセル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を示す図である。図１は本実施形態における流体試料用フローセルの断面図を示す。また、図２は流体試料用フローセル１０６を旋光度計に組み込んだ図を示す。図２において、光源２０１より出射した光線１０３を偏光子２０２に照射する。偏光子２０２によって光線１０３は偏光子２０２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角度変調素子２０３に照射する。旋光角度変調素子としては、例えば、液晶素子やファラデー素子などが挙げられる。旋光角度変調素子２０３を通過する際に直線偏光はその偏光方向が変調される。次に偏光方向が変調された直線偏光を試料の入った流体試料用フローセル１０８に照射する。ここで、直線偏光は流体試料用フローセル１０８を通過する際、試料内に含まれる旋光性物質によって旋光する。次に流体試料用フローセル１０８を通過した光線１０３を検光子２０４に照射することで、検光子２０４の透過軸方向の光線１０３のみが透過し、光検出器２０５の受光部に到達する。このとき、検光子２０４を回転させ、光検出器２０５で検出される光強度が最小となるときの検光子２０４の角度を測定することにより試料の旋光度を測定することが出来る。

ここで流体試料用フローセル１０８は、セルボディ１０１と窓板１０２によって挟まれた空間に流体試料を流すことが出来るものである。ここで、セルボディ１０１の材質としては、外力に対し変形し難い金属類や硬い樹脂類などが考えられる。また、窓板１０２は光線１０３が通過するため、透過率の高い素材である必要があり、ガラスや、透明プラスチックなどを用いる。この際、窓板１０２の表面に光線に対する反射防止膜などを形成すると光源に対する反射光が減少し、より安定した測定が可能となる。また、流体試料を測定する測定用流路１０４は光線１０３に沿って配置し、光線１０３が測定用流路１０４と両端の窓板１０２を通過できるように構成する。ここで、本実施形態においては、測定用流路１０４が鉛直方向を向いているものとする。また、流体試料用フローセル１０８へ流体試料を流すセル入口１０６からの流路を測定用流路１０４の下端に配置し、流体試料用フローセル１０８から流体試料を外へ排出するセル出口１０７は測定用流路１０４の上端に接続する。これにより、流体試料は測定用流路１０４の下側から入って、上側から出る構造となり、流れが下から上に形成されるものである。

ここで、流体試料中に気泡が混入しており、気泡が測定用流路１０４中に入ってしまった場合、光線１０３は気泡により散乱してしまうため、直進光が光検出器２０５に到達できず、正確な測定をすることはできなくなってしまう。また、光線１０３の径よりも小さい微小な気泡が混入した場合でも、本来光検出器２０５に到達する光線１０３の一部が同様に散乱してしまうため、測定誤差を招く可能性が大きい。そのため、気泡が測定用流路１０４中に存在する間は正確な測定ができないため、気泡が測定用流路１０４に入ってしまった場合でも、出来るだけスムーズに排出される必要がある。本実施形態においては、流体試料の流れが下から上に形成されており、かつ気泡は液体中で上に向かう性質があるため、気泡が測定用流路１０４中をスムーズに流れ、排出されるものである。更に、気泡の流れる速度も流体試料の流れる速度に加え、気泡が液体中を上昇する速度が加わるため気泡が測定用流路１０４中に入っている時間も短縮することが出来る。

本実施形態においては、更に、セル入口１０６と測定用流路１０４との間に気泡溜め１０５を配置する。気泡溜め１０５は例えば、流路を上側に湾曲させる、流路の上部に窪みを付ける、などの方法で配置することが出来る。上述のように気泡は液体中で上に向かう性質があるため、流路が上側に湾曲していたりする場合、そこに一旦留まるものと考えられる。ここで、仮に流体試料中に細かい気泡が連なって含まれていた場合などは、細かい気泡が順次測定用流路１０４に入ってくるため、長い時間正確な測定が出来なくなってしまう。この際、気泡溜め１０５を配置することによって細かい気泡は一旦気泡溜め１０５に留まり、気泡がある程度溜まって留まりきれなくなったときに、大きめの気泡となって測定用流路１０４に流れ込むものである。測定用流路１０４に流れ込んだ気泡は上述のように、測定用流路１０４中をスムーズに流れ、排出される。この方法によれば、流体試料中に細かい気泡が連なって含まれていた場合でも、正確な測定が難しい時間を短縮することが出来る。

上述のように、測定用流路１０４を鉛直方向に配置し、流体試料を下から上に流す構成とすることで、気泡が測定用流路１０４中に留まることなくスムーズに流れるため、流体試料用フローセルを装置からはずしてメンテナンスしたりや交換したりする必要がなくなるものである。更に、気泡溜め１０５を配置することにより、気泡による測定不可の時間を短縮することが可能である。

（第二の実施形態）
次に第二の実施形態について説明する。図３は本実施形態における流体試料用フローセルの断面図を示す。第一の実施形態と同様に、流体試料用フローセル３０４は、セルボディ１０１と窓板１０２によって挟まれた空間に流体試料を流すことが出来るものである。ここで、セルボディ１０１の材質としては、外力に対し変形し難い金属類や硬い樹脂類などが考えられる。また、窓板１０２は光線１０３が通過するため、透過率の高い素材である必要があり、ガラスや、透明プラスチックなどを用いる。また、流体試料を測定する測定用流路１０４は光線１０３に沿って配置し、光線１０３が測定用流路１０４と両端の窓板１０２を通過できるように構成する。ここで、本実施形態においては、測定用流路１０４が鉛直方向を向いているものとする。

ここで、本実施形態においては測定用流路１０４の下端につながる第一のセル入口３０２に加えて、測定用流路１０４の上端につながる第二のセル入口３０３を配置する。第一のセル入口３０２と第二のセル入口３０３は切替弁３０１に接続し、切替弁３０１によって流体試料をどちらの入口に流すかを切り替える。ここで、第二のセル入口３０３は第一のセル入口３０２と比較して十分細い径とし、また、通常の測定時には流体試料は第一のセル入口３０２から測定用流路１０４に流れ込むように切替弁３０１を切り替える。また、測定用流路１０４から流体試料を外へ排出するセル出口１０７は測定用流路１０４の上
端に配置する。これにより、流体試料は基本的に測定用流路１０４の下側から入って、上側から出る構造となり、流れが下から上に形成される。また、第一の実施形態と同様、気泡溜め１０５を配置してもよい。

流体試料を流して測定を行う際、流体試料中に気泡が混入していた場合、流体試料の流れが下から上に形成されており、かつ気泡は液体中で上に向かう性質があるため、気泡が測定用流路１０４中をスムーズに流れ、測定用流路１０４の上端に到達する。このとき、窓板１０２の材質等によっては、気泡が測定用流路１０４上端の窓板１０２に付着してしまい、そのまま留まってしまうという現象が発生する可能性が考えられる。その場合、上述のように測定用流路１０４上にある気泡によって正確な測定が困難になってしまうため、気泡を測定用流路１０４上から取り除く必要がある。そこで、切替弁３０１を切り替えて第二のセル入口３０３から流体試料を流す。ここで、第二のセル入口３０３はセル出口１０７と同様、測定用流路１０４の上端につながるため、第二のセル入口３０３から流れた流体試料は図４に示すように水平方向の流れを発生させてセル出口１０７から排出される。このとき、測定用流路１０４の上端に留まっていた気泡４０１にも横からの力が加わるため、セル出口１０７方向に流れ、排出されるものである。気泡４０１が取り除かれた後は、切替弁３０１を第一のセル入口に切替え、通常の測定を行うことが可能となる。

ここで、測定用流路１０４上の気泡の有無を検出する方法としては、流体試料用フローセル３０４を通過した光線を検出する光検出器の信号強度を観察する方法が考えられる。測定用流路１０４上に気泡がある場合は、上述のように、光線が散乱するため光検出器に到達する光線の光強度が下がるため検出が可能となるものである。また、本実施形態においては第二のセル入口方向に流体試料が流れるが、第二のセル入口の径は十分細い径であるため流れる流体試料の容量も少なく、測定に大きな影響を与えるものではない。

上述のように、測定用流路１０４へ流体試料を流すセル入口を測定用流路１０４の下端と上端に配置することによって、仮に測定用流路１０４の上端に気泡が留まってしまった場合でも、測定用流路１０４の上端に水平方向の水流を発生させ、気泡をセル出口１０７より排出することができるものである。

（第三の実施形態）
次に第三の実施形態について説明する。図５は本実施形態における流体試料用フローセルの断面図を示す。第一の実施形態と同様に、流体試料用フローセル５０３は、セルボディ１０１と窓板１０２によって挟まれた空間に流体試料を流すことが出来るものである。ここで、セルボディ１０１の材質としては、外力に対し変形し難い金属類や硬い樹脂類などが考えられる。また、窓板１０２は光線１０３が通過するため、透過率の高い素材である必要があり、ガラスや、透明プラスチックなどを用いる。また、流体試料を測定する測定用流路１０４は光線１０３に沿って配置し、光線１０３が測定用流路１０４と両端の窓板１０２を通過できるように構成する。ここで、本実施形態においては、測定用流路１０４が鉛直方向を向いているものとする。また、測定用流路１０４へ流体試料を流すセル入口１０６は測定用流路１０４の下端に配置し、測定用流路１０４から流体試料を外へ排出するセル出口１０７は測定用流路１０４の上端に配置する。これにより、流体試料は測定用流路１０４の下側から入って、上側から出る構造となり、流れが下から上に形成される。

ここで、本実施形態においてはセル入口１０６と測定用流路１０４の間に測定用流路１０４と平行し光線１０３が入射しない予備流路５０１を配置する。予備流路５０１は流体試料中に含まれる気泡や塵などが予備流路５０１に流れ込み、測定用流路１０４に流れ込むのを防ぐものである。また、予備流路５０１の上下に気泡寄せ５０２を配置する。気泡寄せ５０２は例えば、疎水性のフィルムや板などであり、気泡を付着させる性質を持つも
のである。このとき、流体試料を流して測定を行う際、流体試料中に気泡が混入していた場合、気泡はセル入り口１０６から流体試料用フローセル５０３に流れ込む。ここで、気泡は気泡寄せ５０２に付着し、気泡の液体中で上に向かう性質により予備流路５０１方向に流れるものである。予備流路５０１を流れた気泡は予備流路５０１の上端でセル出口１０７方向への流体試料の流れにのってセル出口１０７より排出される。このとき、予備流路５０１の上端にある気泡寄せ５０２により気泡は測定用流路１０４の方向に回り込まないようにするものである。

上述のように、予備流路５０１を設けることにより、測定用流路１０４に気泡や塵が混入するのを防ぐため、安定した測定が可能となる。ここで、予備流路５０１は測定用流路１０４と比較して十分細い径であり、予備流路５０１に流れ込んだ流体試料の容量は少ないため、測定に大きな影響を与えるものではない。

上述の実施形態において、窓板１０２の流体試料と接する面に親水処理を行うことで、窓板１０２に気泡が付着する現象の発生を低減することも可能である。

また、上述の実施形態においては、流体試料用フローセルの測定用流路１０４の表面を滑らかにすることにより、流路の側面に気泡が付着する現象の発生を低減することも可能である。

本発明の第一の実施形態における流体試料用フローセルの構成を示す断面図である。 本発明の第一の実施形態における旋光度計の構成を示す図である。 本発明の第二の実施形態における流体試料用フローセルの構成を示す断面図である。 本発明の第二の実施形態における流体試料の流れを示す図である。 本発明の第三の実施形態における流体試料用フローセルの構成を示す断面図である。 従来における旋光度計の概略図である。

符号の説明

１０１ セルボディ
１０２ 窓板
１０３ 光線
１０４ 測定用流路
１０５ 気泡溜め
１０６ セル入口
１０７ セル出口
１０８ 流体試料用フローセル
３０１ 切替弁
３０２ 第一のセル入口
３０３ 第二のセル入口
５０１ 予備流路
５０２ 気泡寄せ

Claims (6)

1. 流体試料に光線を照射し該流体試料に関する情報を得る光計測において、前記光線が入射し、前記流体試料が前記光線の光軸に沿って通過する測定用流路と、前記流体試料を前記測定用流路へ送り込むセル入口と、前記流体試料を前記測定用流路から外部へ排出するセル出口とを有する流体試料用フローセルであって、前記測定用流路を鉛直方向に配置し、前記セル出口を前記測定用流路の上端に接続する流体試料用フローセル。
2. 前記セル入口と前記測定用流路との間に気泡溜めを配置することを特徴とする請求項１に記載の流体試料用フローセル。
3. 前記セル入口は前記測定用流路の下端に接続する第一のセル入口と、前記測定用流路の上端に接続する第二のセル入口とを有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の流体試料用フローセル。
4. 前記第一のセル入口へ前記流体試料を流す経路と前記第二のセル入口へ前記流体試料を流す経路とを切替弁によって切り替えることを特徴とする請求項３に記載の流体試料用フローセル。
5. 前記セル入口を前記測定用流路の下端に接続し、前記セル入口と前記測定用流路との間に前記測定用流路と平行し前記光線が入射しない予備流路を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の流体試料用フローセル。
6. 前記予備流路の下端と前記測定用流路の下端との間に、疎水性のフィルムを配置することを特徴とする請求項５に記載の流体試料用フローセル。
   

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