JP2008070316A - 分光分析用微小フローセル - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の課題は、分光測定において高感度な微量体積の流動性物質用分光分析用微小フローセルを提供することにある。
【解決手段】本発明は、内面を金属コートした微細径ファイバ１と、微細径ファイバ１の内径と出射光束径が適合する入射光ファイバ２及び出射光ファイバ３と、微細径ファイバ１と前記入射光ファイバ２及び出射光ファイバ３と結合した系に活動性物質が注入される細孔４及び排出される細孔５を具備することを特徴とするものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、流動性物質中に存在する微量物質を検出するセンサーに用いられる分光分析用微小フローセルに関する。

通常の紫外可視分光器においては、底辺１０ｍｍ角×４０ｍｍ程度の石英セルが用いられる。このようなセルを使用するときには検体は３ｃｃ程度必要となる。検体が微量であるときには、このようなセルでは分析が不可能となる。また、気体あるいは液体状態の流動性物質中の濃度ｐｐｂ〜ｐｐｍの微量分析を行なうためには、検出が可能な濃度までの検体中の微量物質の濃縮が必要となる。例えば、大気汚染の原因となる有機ガスの分析においては、一般に分析対象ガスの濃度が希薄であるため、分析操作の前段階で、この低濃度分析対象ガスの濃縮回収処理が必要となる。従来の濃縮分析装置においては、吸着捕集管に充填された吸着剤に分析対象ガスを吸着させ、その後に加熱脱着処理による分析対象ガスを高濃度な濃縮ガスとして回収し、分析装置に導入する装置が最も一般的である。

この従来の濃縮分析装置の使用手順とその問題について、紫外分光器等の分析手段を組み合わせたガス分析装置（例えば、特許文献１参照）、およびガスクロマトグラフとコールドトラップ法とを組み合わせた手法を例として、以下に簡単に説明する。
分析したい場所において、分析対象の有機ガスを含んだ大気を捕集管に導入し、有機ガスを吸着剤に捕集する。その後、この捕集管を加熱することにより吸着剤に吸着されている有機ガスを濃縮ガスとして脱着させる。次いで、紫外分光器などを分析手段とする場合は、この濃縮ガスを紫外分光器等の分析装置へ導入する。ガスクロマトグラフを分析手段として用いる場合は、液化窒素を循環させた冷却回収装置にこの濃縮ガスを再回収した後、一気に再加熱してガスクロマトグラフ分析装置へ導入する。

これらの手順において、次のような問題が生じる。すなわち、加熱脱着によりガスを回収する際、従来用いられている捕集管の大きさは太さ数ｍｍ×長さ数十ｃｍと大きいため吸着部全体が均一に加熱されにくく、脱着回収時間に幅が生じるため濃縮効果が減少して分析感度が低下する。管壁の肉厚も１ｍｍ以上と厚いため、外壁をヒーターで加熱する際、管内に充填された吸着剤とヒーターとに温度差が生じ、温調精度が低下する。また、吸着剤の加熱温度を複数種の吸着ガスの各々に固有な脱着温度に制御して分析対象ガスの成分分離を行なう際、捕集管の体積が大きい場合は温度制御の精度が悪くなるため成分分離能が悪くなる。また加熱部分が大きいと、吸着剤全体をガスの脱着に必要な温度に加熱するために、加熱温度を高く、そして加熱時間を長く設定する必要がある。従って、消費電力も高くなるなどの問題も生じる。
また、捕集管の内径も数ｍｍ程度に大きいため、妨害成分を除去処理した石英ウールを吸着剤の前後に入れて吸着剤を固定する必要がある。粉末吸着剤を使用する際は石英ウールの繊維間に吸着剤が混入して吸着剤とガスの接触断面積が変化してしまい測定精度が低下する原因となるという問題がある。

さらに、濃縮ガスを紫外分光器等の分析装置へ導入する際、測定セルの体積が光路長１０ｃｍに比べて数十ｃｍ^３程度に大きい場合、セル内に濃縮ガスが拡散してしまい濃縮効果が減少して分析感度が低下するという問題が生じる。また測定セルが大きいと、セル壁面と中央部でガスの濃度が変化し、定量誤差の原因となるという問題がある。
また、この濃縮ガスを冷却回収装置に回収する際、上記のように高温なガスを冷却回収するため、液体窒素などの冷媒を循環して冷却回収装置を冷却する必要が生じる。このため、１０Ｌ程度の冷媒溜めおよび冷媒循環装置が必要となり装置規模が大きくなるという問題がある。この冷却回収装置ではガスを凝固して回収するため再加熱して取り出す必要があり、ここに別途加熱機構を設ける必要がある。

また、この様な問題を解決する方法として、溝加工された流路に金属膜を形成して光の利用効率を向上しつつ、微小体積化を図る方法も提案されている（例えば、特許文献２参照）。この方法では、溝を機械的に加工し、エッチングにより荒さを使用波長の１／４以下としている。しかし、メタルコートにより光の拡散による伝播損失は低減されるが、表面荒さ１／４程度では光学的な散乱が溝内伝播中に生じ、散乱損による伝播損失が存在する。この様な損失は。高強度な連続スペクトルの得づらい紫外光を利用する検出器においては、光路長の上限が抑えられる等の問題を生じる。
特開２０００−２４１３１３号公報 特開２００６−５３０７８号公報

流動性物質中に存在する微量物質を検出するためには、低濃度の分析対象物質を分析の前段階で濃縮回収し、この濃縮試料を分析装置に導入する方法が一般的である。しかし、上述のように濃縮機構や分析セルの体積が大きい場合は、分光分析の感度、成分分離能、定量精度の低下が生じるという問題があった。また、微小体積化が可能であっても、光の伝播効率が悪く検出感度の向上を行う上で不都合であった。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、分光分析の感度、成分分離能、定量精度の向上を実現し、同時に装置全体の低消費電力化、および小型軽量化を実現することを目的として、液体あるいは気体から成る流動性物質の微小体積でかつ分光測定時に用いられる光の伝播効率に優れた分光分析用微小フローセルを提供する。

上記目的を達成するため、本発明に係る分光分析用微小フローセルは、内面を金属コートした微細径ファイバと、前記微細径ファイバの内径と出射光束径が適合する入出射光ファイバとを備え、前記微細径ファイバと前記入出射光ファイバと結合した系に流動性物質が注入及び排出される細孔が前記微細径ファイバの両端近傍に配置されることを特徴としている。

本発明の分光分析用微小フローセルによれば、分光分析の感度、成分分離能、定量精度の向上を実現することができると共に、装置全体の低消費電力化、および小型軽量化することができる。

以下、本発明の実施の形態による分光分析用微小フローセルについて、図面に基づいて説明する。
本実施の形態による分光分析用微小フローセルは、内面に金属薄膜層を形成した中空ファイバ（微細径ファイバ）と、中空ファイバ１に分光分析用光束を入射する光ファイバ（入射光ファイバ）と、中空ファイバから分光分析用光束を出射する光ファイバ（出射光ファイバ）と、中空ファイバに流動性物質を流入（導入）させる流路（注入される細孔）と、中空ファイバから流動性物質を流出（排出）させる流路（排出される細孔）とを備えている。
このように構成される本実施の形態による分光分析用微小フローセルでは、例えば従来の溝加工金属コートセルと比較して全波長領域において透過率を向上させることができることから、分光分析の感度、成分分離能、定量精度の向上を実現することができ、装置全体の低消費電力化、および小型軽量化することができる。
次に、本実施の形態による分光分析用微小フローセルの具体的な構成とその効果を確認した結果とを実施例１乃至５において詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施例のみに限定されるものではない。

（実施例１）
実施例１について図１に基づいて説明する。
図１は本発明の実施の形態の実施例１による分光分析用微小フローセルの組立を示す図である。
図１に示すように、本実施例１では、中空ガラスの内面にアルミ薄膜層を形成した長さ２０ｍｍ、コア径５００μｍの内面金属コート中空ファイバ１と、片端光ファイバ付きで片端のプライマリコートおよび外皮を除去したコア径３６５μｍ、外径４００μｍのマルチモード石英ファイバ２、３とを用いた。そして、サンドブラスト加工方法により、シリコン基板４とパイレックス（登録商標）ガラス基板５とに半径２１０μｍの半円溝６、７を形成した。さらに、これら半円溝６、７の中央部に、前記半円溝６、７に同軸で軸方向の長さ２１ｍｍの半径３００μｍの半円溝６´、７´を形成した。

また、前記パイレックス（登録商標）ガラス基板５には、半径２１０μｍの半円溝７と３００μｍの半円溝７´との結合部Ｔ１、Ｔ２に、電着ダイヤモンドドリルを用いて０．４ｍｍ径の貫通穴８、９を作製した。この貫通穴８、９は、流体の導入流路あるいは排出流路に対応している。
これらを陽極接合装置（ユニオン光学製、ＳＩＧ・Ｓ）内でアライメントし、−０．９ｋＶの電圧を印可し、ヒーター温度３００℃にて、１分間の条件で陽極接合を行い張り合わせて、分光分析用微小フローセルを作製した。

本実施例１による分光分析用微小フローセルでは、光波長２００〜７８００ｎｍの紫外／可視光領域の透過率を、従来の長さ２０ｍｍの溝加工金属コートセルと比較したところ、全波長領域においておおよそ５倍透過率が向上した。

（実施例２）
次に、実施例２について図２に基づいて説明する。
図２は本発明の実施の形態の実施例２による分光分析用微小フローセルの組立を示す図である。
図２に示すように、本実施例２では、中空ガラスの内面にアルミ薄膜層を形成した長さ２０ｍｍ、コア径２００μｍの内面金属コート中空ファイバ１０と、片端光ファイバ付きで片端のプライマリコートおよび外皮を除去したコア径３６５μｍ、外径４００μｍのマルチモード石英ファイバ１１、１２とを用いた。そして、ダイシングソーを用いてパイレックス（登録商標）ガラス基板１３及びパイレックス（登録商標）ガラス基板１４に半径２１０μｍの半円溝１５、１６を形成した。さらに、これら半円溝１５、１６の中央部に前記半円溝１５、１６に同軸で軸方向の長さ２１ｍｍの半径３００μｍの半円溝１７、１８を形成した。
また、前記パイレックス（登録商標）ガラス基板１４には、半径２１０μｍの半円溝１６と３００μｍの半円溝１８との結合部Ｔ３、Ｔ４に、電着ダイヤモンドドリルを用いて０．４ｍｍ径の貫通穴１９、２０を形成させた。この貫通穴１９、２０は、流体の導入流路あるいは排出流路に対応している。

また、半円溝１５、１６の軸方向と垂直方向（ずなわちガラス基板１３、１４の厚さ方向）に深さ２５０μｍの溝２１、２２、２３、２４を、半円溝１５、１６、１７、１８と同じ面内にダイシングソーを用いて形成した。これらの溝２１、２２、２３、２４は、マルチモード石英ファイバ１１、１２の挿入端部から注入した紫外線硬化樹脂が中空ファイバ１０の端面に達しないようにするための溝である。そして、半円溝１７、１８の軸方向と垂直方向（すなわちガラス基板１３、１４の厚さ方向）に深さ３５０μｍの溝２５、２６、２７、２８を、溝２１、２２、２３、２４に対して貫通穴１９、２０を挟む位置で、半円溝１５、１６、１７、１８と同じ面内にダイシングソーを用いて形成した。これらの溝２５、２６、２７、２８は、後述する溝２９、３０から注入した紫外線硬化樹脂が中空ファイバ１０に流れ込まないようにするための溝である。
さらに、半円溝１７、１８の中央部付近に深さ４２０μｍで半円溝１７、１８が形成されている面１４ａ、１５ａと対向する面（１４ｂ、１５ｂ）内に溝２９、３０を、これもダイシングソーを用いて形成した。
これらを実施例１と同様の装置、条件によりアライメントし、全体を圧着状態に機械的に保ち、マルチモード石英ファイバ１１、１２の挿入端部と溝２９、３０から紫外線硬化樹脂を注入し、紫外光を照射して固着して、分光分析用微小フローセルを作製した。

本実施例２による分光分析用微小フローセルでは、光波長２００〜７８００ｎｍの紫外／可視光領域の透過率を従来の長さ２０ｍｍの溝加工金属コートセルと比較したところ、全波長領域においておおよそ５倍透過率が向上した。

（実施例３）
次に、実施例３について図３に基づいて説明する。
図３は本発明の実施の形態の実施例３による分光分析用微小フローセルの組立を示す図である。
図３に示すように、本実施例３では、中空ガラスの内面にアルミ薄膜層を形成した長さ４０ｍｍ、コア径５００μｍ、外径５７０μｍの内面金属コート中空ファイバ３１と、片端光ファイバ付きで片端のプライマリコートおよび外皮を除去したコア径３６５μｍ、外径４００μｍのマルチモード石英ファイバ３２、３３とを用いた。そして、サンドブラスト加工方法により窒化膜付きパイレックス（登録商標）基板３４、３５およびパイレックス（登録商標）ガラス基板３６、３７に半径２１０μｍの半円溝３８、３９、４０、４１を形成した。

さらに、半円溝３８、４１の一部に前記半円溝３８、４１と同軸で長さ１０ｍｍの半径３００μｍの半円溝４２、４５を形成し、半円溝３９、４０の一部に前記半円溝３９、４０と同軸で長さ２５ｍｍの半径３００μｍの半円溝４３、４４を形成した。また、前記パイレックス（登録商標）ガラス基板３６、３７には、半径２１０μｍと３００μｍの半円溝の結合部Ｔ５、Ｔ６に、電着ダイヤモンドドリルを用いて０．４ｍｍ径の貫通穴４６、４７を作製した。この貫通穴４６、４７は流体の導入流路あるいは排出流路に対応している。
これらを陽極接合装置（ユニオン光学製、ＳＩＧ・Ｓ）内でアライメントし、−０．９ｋＶの電圧を印可し、ヒーター温度４００℃にて、１分間の条件で陽極接合を行い張り合わせて、分光分析用微小フローセルを作製した。

本実施例３による分光分析用微小フローセルでは、光波長２００〜７８００ｎｍの紫外／可視光領域の透過率を従来の長さ２０ｍｍの溝加工金属コートセルと比較したところ、全波長領域においておおよそ２．５倍透過率が向上した。

（実施例４）
次に、実施例４について図４に基づいて説明する。
図４は本発明の実施の形態による実施例４の分光分析用微小フローセルの組立を示す図である。
図４に示すように、本実施例４では、中空ガラスの内面にアルミ薄膜層を形成した長さ１００ｍｍ、コア径５００μｍ、外径５７０μｍの内面金属コート中空ファイバ４８と、片端光ファイバ付きで片端のプライマリコートおよび外皮を除去したコア径３６５μｍ、外径４００μｍのマルチモード石英ファイバ４９、５０とを用いた。そして、サンドブラスト加工方法により窒化膜付きパイレックス（登録商標）基板５１、５２およびパイレックス（登録商標）ガラス基板５３、５４に半径２１０μｍの半円溝５５、５６、５７、５８を形成した。さらに、これらの一部に前記半円溝と同軸で長さ４０ｍｍ、３５ｍｍ、２０ｍｍおよび１０ｍｍのそれぞれに対応した半径３００μｍの半円溝５９、６０、６１、６２を形成した。
また、前記パイレックス（登録商標）ガラス基板５３、５４には、半径２１０μｍと３００μｍの半円溝の結合部Ｔ７、Ｔ８に、電着ダイヤモンドドリルを用いて０．４ｍｍ径の貫通穴６３、６４を作製した。この貫通穴６３、６４は流体の導入流路あるいは排出流路に対応している。

これらを陽極接合装置（ユニオン光学製、ＳＩＧ・Ｓ）内でアライメントし、−０．９ｋＶの電圧を印可し、ヒーター温度４００℃にて、１分間の条件で陽極接合を行い張り合わせて、分光分析用微小フローセルを作製した。

本実施例４による分光分析用微小フローセルでは、光波長２００〜７８００ｎｍの紫外／可視光領域の透過率を従来の長さ２０ｍｍの溝加工金属コートセルと比較したところ、全波長領域においておおよそ同程度であった。しかし、ベンゼンを含む気体の分析において、検体ガスを一時的にセル内に封じ込めることにより分析感度は５倍程度に向上した。

（実施例５）
次に、実施例５について図５に基づいて説明する。
図５は本発明の実施の形態による実施例５の分光分析用微小フローセルの組立を示す図である。
図５に示すように、本実施例５では、中空ガラスの内面にアルミ薄膜層を形成した長さ１００ｍｍ、コア径５００μｍ、外径５７０μｍの内面金属コート中空ファイバ６５と、両端ＦＣ光コネクタ付きファイバコードでコア径３６５μｍ、外径４００μｍのマルチモード石英ファイバ６６と、さらに外径１／１６インチのテフロン（登録商標）製流体流路用パイプ６７（流入出流路）とを用いた。これらを光および流体用コネクタ６８により一体化した。

マルチモード石英ファイバ６６のフェルール６９、中空ファイバ６５、パイプ６７は、それぞれオーリング７０、７１、７２と中子７３、７４、７５と嵌合し、それぞれにキャップ７６、７７、７８をねじ込むことによりオーリング７０、７１、７２がコネクタ６８の各内壁６８ａ、６８ｂ、６８ｃとフェルール６９、中空ファイバ６５、パイプ６７と密着して封止構造をなす。このコネクタ６８によってマルチモード石英ファイバ６６と外径１／１６インチのテフロン（登録商標）製流体流路用パイプ６７を装着させた中空ファイバ６５を一体化し、中空ファイバ６５の両端に同構造物を取り付けることにより分光分析用微小フローセルを作製した。なお、図５は中空ファイバ６５の一端側の構成を示したものであり、中空ファイバ６５の他端側にも前記一端側と対照形をなす同じ構成の構造物が取り付けられている。

本実施例５による分光分析用微小フローセルでは、光波長２００〜７８００ｎｍの紫外／可視光領域の透過率を従来の長さ２０ｍｍの溝加工金属コートセルと比較したところ、全波長領域において透過率はおおよそ同程度であった。しかし、ベンゼンを含む気体の分析において、検体ガスを一時的にセル内に封じ込めることにより分析感度は５倍程度向上した。

本発明の実施の形態の実施例１による分光分析用微小フローセルの組立を示す図である。 本発明の実施の形態の実施例２による分光分析用微小フローセルの組立を示す図である。 本発明の実施の形態の実施例３による分光分析用微小フローセルの組立を示す図である。 本発明の実施の形態の実施例４による分光分析用微小フローセルの組立を示す図である。 本発明の実施の形態の実施例５による分光分析用微小フローセルの組立を示す図である。

符号の説明

１ 内面金属コート中空ファイバ
２、３ 片端光ファイバ付きマルチモード石英ファイバ
４ シリコン基板
５ パイレックス（登録商標）ガラス基板
６、７ 半円溝
８、９ 貫通穴
１０ 内面金属コート中空ファイバ
１１、１２ 片端光ファイバ付きマルチモード石英ファイバ
１３、１４ パイレックス（登録商標）ガラス基板
１５、１６、１７、１８ 半円溝
１９、２０ 貫通穴
２１〜３０ 溝
３１ 内面金属コート中空ファイバ
３２、３３ マルチモード石英ファイバ
３４、３５ 窒化膜付きパイレックス（登録商標）基板
３６、３７ パイレックス（登録商標）ガラス基板
３８〜４５ 半円溝
４６、４７ 貫通穴
４８ 内面金属コート中空ファイバ
４９、５０ マルチモード石英ファイバ
５１、５２ 窒化膜付きパイレックス（登録商標）基板
５３、５４ パイレックス（登録商標）ガラス基板
５５〜６２ 半円溝
６３、６４ 貫通穴
６５ 内面金属コート中空ファイバ
６６ マルチモード石英ファイバ
６７ テフロン（登録商標）製流体流路用パイプ
６８ 光および流体用コネクタ
６９ フェルール
７０、７１、７２ オーリング
７３、７４、７５ 中子
７６、７７、７８ キャップ

Claims (1)

1. 内面を金属コートした微細径ファイバと、前記微細径ファイバの内径と出射光束径が適合する入出射光ファイバとを備え、
   前記微細径ファイバと前記入出射光ファイバと結合した系に流動性物質が注入及び排出される細孔が前記微細径ファイバの両端近傍に配置されることを特徴とする分光分析用微小フローセル。

Images