JP2008275650A

JP2008275650A - フーリエ変換赤外分光光度計

Info

Publication number: JP2008275650A
Application number: JP2008213401A
Authority: JP
Inventors: Toyohiko Tanaka; 豊彦田中
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2008-08-22
Filing date: 2008-08-22
Publication date: 2008-11-13

Abstract

【課題】赤外分光光度計で用いられる潮解性の光学素子が空気中の湿気により潮解するのを防ぐ。
【解決手段】
光学系を収容している密閉室の壁面の一部に、電気分解式除湿素子を設け、密閉室内の水分を、電気分解によりプロトンとして密閉室外側へ移動させ、密閉室内部の湿度を下げる。これにより、密閉度の高い密閉室を使用しながら、密閉室内部の湿度を下げることができ、密閉空間内部に設置されている潮解性を持つ素子が潮解してしまうなどの水分による悪影響を防ぐことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、試料の赤外光吸収スペクトルを測定することにより物質の定性および定量分析を行うフーリエ変換赤外分光光度計に関するものである。

フーリエ変換赤外分光光度計は、試料に赤外光を照射し、被測定試料中を透過した光のスペクトルを測定し、試料に吸収された光の波長または透過した光の波長を調べることにより試料成分を分析する。このような赤外分光光度計を用いて、気体、液体、固体の多種多様な試料の赤外光吸収スペクトルを測定することができる。

フーリエ変換型の赤外分光光度計（以下ＦＴＩＲという）には、赤外干渉光を作るために干渉計が備えられているが、そこには、ビームスプリッタなどの光学素子の材料として臭化カリウム（ＫＢｒ）など、潮解性（空気中の水分を吸収して溶解する性質）を有する光学材料が用いられている。光学素子が潮解してしまうと、満足な測定を行うことができなくなるため、素子の潮解を防ぐために、潮解性を持つ素子を、完全に外気と遮断し低湿度にした気密空間内や、真空に維持した空間に収容したりすればよい。しかし、現実的には、長期間全く外部からの気体の出入りのない状態を保つことができる気密空間や真空空間を形成するのは困難で、非常にコストがかかる。したがって一般的には、光学素子を含む干渉計は、密閉室内に収容されており、密閉室内においては長期的には環境中からの水蒸気の導入は避けられないので、その密閉室内部の湿度を低く保つために、乾燥空気でパージする、シリカゲル等の乾燥剤を内蔵する、などの水蒸気を除去するための機構を備えている。

また一方、水蒸気はFTIRでの測定対象波長領域に吸収ピークを有するので、光路に水蒸気が存在すると、測定データに悪影響を与えてしまう。したがって、必要に応じて、干渉計以外の光路についても、別途外部から乾燥空気や乾燥窒素により装置内部の空気を置換する（エアパージを行う）などの方法により、水蒸気を除去することがある。

このような、水蒸気を系外へ排出する方法として、例えば、ペルチェ方式を原理とする乾燥ユニットをFTIR干渉計密閉室に備えることで解決する方法が提案されている。（特許文献１）
ところがこの乾燥ユニットは、ペルチェ素子の冷却側が密閉室内に配置されており、冷却部から外部に連通する水分の吸着材が設けられている。ペルチェ素子により冷却された水蒸気が結露して水となり、水が吸着材を通り外部へ運ばれ、密閉室外で再び気化し外部へ放出される。すなわち、原理上、水を装置外部へ導出する通路が必要であり、干渉計が密閉できないこと、また原理上低温時に除湿能力が高くないという問題がある。

また別の方法として、潮解性を有する光学材料と赤外光源用ヒータとを使用する干渉計を入れた密閉室で、赤外光源用ヒータの近傍に乾燥剤を入れた箱体を配置し、この箱体には、大気側と連通する第１開口及び密閉室と連通する第２開口とを設け、この２つの開口のいずれか片方のみを開くようにする連動弁を備えたものが提案されている（特許文献２）。

特開２００４―１０８９７０号公報特開平１０−２５３４５４号公報

ＦＴＩＲ装置の潮解性素子を含む干渉計は密閉室内に配置されているが、密閉室内部は、長期的には外部からの水分の導入が避けられないので、何らかの除湿手段を備えることが必要とされており、上記したように、従来より様々な機構が使用されている。

しかしながら、シリカゲル等の乾燥剤を設置する場合には、定期的に、密閉室を開放して乾燥剤の交換を行う必要がある。また、乾燥空気や乾燥窒素で装置内部の空気を置換するには、そのための設備が必要であり、置換されるまでに時間がかかる。また、ペルチェ素子を用いる方法においては、環境の温度が低い場合には、十分な除湿効果を得ることができず、また、密閉室内部で液体となった水を外部へ排出する通路が必要となるので、密閉室内部の密閉性は非常に悪い。特許文献２に記載された方法についても、密閉室には開口部を設ける必要があり、密閉性が非常に悪い。

そこで本発明は、上記の課題を解決し、密閉室の密閉性を保ったまま、内部の湿度を低く保つことができるＦＴＩＲを提供することを目的とする。

さらには、乾燥剤の交換作業を不要とするかまたは交換頻度を低減することができ、もしくは乾燥ガスのパージの必要が無いかまたは短時間で効果が出るようにすることができる。

本発明のフーリエ変換赤外分光光度計は、潮解性を有する光学材料を密閉室内に入れた状態で使用する赤外分光光度計であって、前記密閉室は、その一部に電気分解式乾燥ユニットを備えたことを特徴とする。

電気分解式の乾燥ユニットにより、密閉室内の水は、プロトンが室外へ移動させられることにより密閉室内から除去されていくので、水や水蒸気を直接出入りさせるような実質的な開口部を設ける必要がない。

本発明に係るＦＴＩＲでは、密閉室には実質的に開口部はなく、電気分解式除湿素子を用いた乾燥ユニットを稼動させることで、密閉度の高い密閉室としたまま、密閉室内部の湿度を低くすることができる。また、乾燥剤の交換などのメンテナンス作業の負担を軽減することができる。また、乾燥空気や乾燥窒素によるパージを併用する際でも、パージに要する時間やガス流量を減らすことが可能である。

したがって、本発明によれば、より確実に、光学素子の潮解を防ぐことができ、また、水蒸気の吸収による影響を減らすことができる。

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施例であるフーリエ変換分光光度計の概略構成図を示す。

図１において、干渉計は、赤外光源１１、集光鏡１２、コリメータ鏡１３、ビームスプリッタ１４、固定鏡１５、移動鏡１６等から構成され、スペクトル測定を行うための干渉赤外光を生成する。すなわち、赤外光源１１から出射された赤外光は、集光鏡１２、コリメータ鏡１３を介してビームスプリッタ１４に照射され、ここで固定鏡１５及び移動鏡１６の二方向に分割される。固定鏡１５及び移動鏡１６にてそれぞれ反射した光はビームスプリッタ１４によって再び合一され、放物面鏡２１へ向かう光路に送られる。このとき、移動鏡１６は前後（図１中の矢印Ｍの方向）に往復移動しているため、合一された光は時間的に振幅が変動する干渉光（インターフェログラム）となる。窓板２２を通って密閉室１から出てきた干渉光は、放物面鏡２１にて集光され、試料室２に配置された試料２３を通過し、楕円面鏡２４により赤外光検出器２５へ集光される。

また、干渉計には、レーザ光源１７、レーザ用ミラー１８、ビームスプリッタ１４、固定鏡１５、移動鏡１６が備えられ、干渉縞信号を得るためのレーザ干渉光を発生させている。すなわち、レーザ光源１７から出射された光はレーザ用ミラー１８を介してビームスプリッタ１４に照射され、上記赤外光と同様に干渉光となって放物面鏡２１の方向へ送られる。このレーザ干渉光は非常に小さな径の光束となって進行するため、光路中に挿入されたレーザ用ミラー１９により反射されてレーザ検出器２０に導入される。

レーザ検出器２０の受光信号、つまりレーザ光干渉縞信号は、赤外干渉光に対する受光信号をサンプリングするためのパルス信号として利用される。なお、このレーザ光干渉縞信号は安定した移動鏡の摺動制御を行うためにも利用される。赤外光検出器２５で得られた受光信号はデータ処理部３へ送られ、スペクトルを作成する。

上記干渉計を構成する光源１１やビームスプリッタ１４は密閉室１内に配置されており、外気と遮断されている。ビームスプリッタ１４は、たいていは潮解性を有する材料（ＫＢｒなど）で構成されている。密閉室１を構成する壁面の一部には、電気分解式除湿素子１０が設けられている。何らかの原因で内部に水分が入ってしまうことも考えられるために、密閉室１内部には、乾燥剤８を備えているのが好ましい。

電気分解式除湿素子１０に通電することによって密閉室内部の水分を外部に放出することができる。電気分解式除湿素子１０の概略を図２に示す。電気分解式除湿素子は、プロトン導電性固体電解質とそれを挟む２枚の多孔性電極および図示されていない電圧供給源により構成されており、絶縁物７により、密閉室１の壁面にあけられた穴に固着されている。プロトン導電性固体電解質５の密閉室内部側の多孔性電極４が陽極、密閉室外部側の多孔性電極６が陰極となるように電圧が供給されている。

多孔性電極（陽極）４は、正に帯電されているので、電極４上では、
Ｈ_２Ｏ→２Ｈ⁺+1/2Ｏ_２＋２ｅ^―
のような反応が起こっており、多孔性電極（陰極）６は、負に帯電されているので、電極６上では、
２Ｈ^＋＋1/2Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ
のような反応が起こっている。
すなわち、電極４ではＨ_２Ｏは分解され、Ｏ_２およびＨ^＋（プロトン）が生成している。分解の際に生成したプロトンは、プロトン導電性固体電解質５の内部を多孔性電極（陰極）６に向かって移動し、電極６においてプロトンが酸素と反応し、再びＨ_２Ｏとなっている。これら一連の反応により、多孔性電極（陽極）４側のＨ_２Ｏが除去されることになり、密閉室内部の水分が除去されていき、湿度が下がっていくこととなる。

このように、電気分解式除湿素子１０により、密閉室内部の水分は、プロトンとして素子を通過し、密閉室外部へ移動している。このとき、電気分解式素子によって、密閉室の内外は分離されているので、密閉室内を密閉に保ったまま、水分を室外へ排出することができるのである。

またさらに、試料測定部においても、密閉室１を出てから検出器２５までの光路が配置される試料測定室２を、密閉可能とし、試料測定室２の一部にも電気分解式除湿素子を設けてもよい。このようにすれば、光源から検出器までのすべての光路から水蒸気を減らすことができるので、測定波長領域における水蒸気の吸収によるデータへの悪影響をより減らすことができる。

本発明の一実施例によるＦＴＩＲの概略構成図。本発明の一実施例による電気分解式除湿素子の概略構成図。

符号の説明

１・・・密閉室
２・・・試料測定室
３・・・データ処理部
４・・・多孔性電極（陽極）
５・・・プロトン導電性電解質
６・・・多孔性電極（陽極）
７・・・絶縁物
８・・・乾燥剤
１０・・・電気分解式除湿素子
１１・・・光源
１２・・・集光鏡
１３・・・コリメータ鏡
１４・・・ビームスプリッタ
１５・・・固定鏡
１６・・・移動鏡
１７・・・レーザ光源
１８・・・レーザ用ミラー
１９・・・レーザ用ミラー
２０・・・レーザ検出器
２１・・・放物面鏡
２２・・・窓板
２３・・・サンプル
２４・・・楕円面鏡
２５・・・赤外光検出器

Claims

潮解性を有する光学材料を密閉室内に入れた状態で使用するフーリエ変換赤外分光光度計であって、前記密閉室は、その一部に電気分解式乾燥ユニットを備えたことを特徴とするフーリエ変換赤外分光光度計。