JP2009008554A - 分光光度計及び液体クロマトグラフィ - Google Patents

Abstract

【課題】検知器内で紫外域光と可視域光の飽和を起こすことなく、試料セルへの照射光量を増加させ、検出感度を向上すること。
【解決手段】この分光光度計は、測定対象の試料を収容する試料セルと、試料に入射する入射光を供給する可視用光源および紫外用光源と、試料を透過した光を分光する分光器と、分光された光を検出する光学検知器と、前記紫外用光源からの紫外域光を反射または透過させ、前記可視用光源からの可視域光を透過又は反射させるダイクロイック素子とを備えている。前記試料セル中に前記ダイクロイック素子を透過し、又は反射した紫外域光及び可視域光を入射するように光学系を構成したことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は例えば、溶液中の微量物質の吸光度を測定する分光光度計及び液体クロマトグラフィに関する。

従来の分光光度計は、主に、試料への入射光を発生させる光源と、測定対象の試料を収容する試料セルと、試料を透過した光を検出するための分光器と光学検出器から構成されている。光源より発生した光は、集光系により、試料セルに収容された試料へ入射される。

試料セルを透過した光から、分光器により、試料に固有の吸収波長にあたる光を取り出し、光電検出器により、光の透過率を測定することにより、試料内成分の定量分析を行うことができる。

光源としては、重水素ランプやハロゲンランプといったランプが使用される。重水素ランプは、主に、紫外域の光（波長１１５〜４００ｎｍ）と可視域の輝線（４８６ｎｍ、６５６．１ｎｍ）を発光する。ハロゲンランプは、主に可視域の光（３８０〜２４００ｎｍ）を発光する。分光光度計は、測定対象波長が広く、紫外域と可視域の両方を測定対象としているため、重水素ランプとハロゲンランプの両方の光を、試料セルへ入射する必要がある。

従来、両方の光を、同軸上に載せるために、ハーフミラーを用いている。重水素ランプの紫外光と可視域の輝線は、ハーフミラーを透過させる。ハロゲンランプからの可視光は、ハーフミラーに対して反射をさせる。それらを、同軸上に載せ、紫外〜可視域の光を、試料セル内に入射する。

近年、分光光度計の一種である液体クロマトグラフ用検出器では、吸収スペクトルをリアルタイムに取得でき、試料の定性能力に優れた３次元検出器が主流となりつつある。しかし、３次元検出器は従来型検出器と比較して感度面で劣るとともに、特に測定出力が環境温度の変動の影響を受けやすい。これは、３次元検知器を用いて、測定波長範囲（１９０〜９００ｎｍ）の光を、同時に測定するため、試料への照射時間が短く、十分な信号強度が得られず、ＳＮ比が良くないためである。また、３次元検出器は、測定の原理上、シングルビーム測光方式を採らざるを得ず、従来のダブルビーム測光方式の単一波長検出器のように光源光量変動を補正することができず、光源光量変動がそのまま出力値のノイズ・ドリフトとなるためである。そのため、ドリフトを極力小さく抑えるために、試料セルへの入射光を溢れさせる光学系を用いる。つまり、光源の発光点を拡大する光学系を採用し、試料セルの窓径に比べ入射光の結像径を大きくすることで、像の揺らぎに対して強くする。一方で、入射光量が減るため、ノイズは大きくなる。

さらに、近年では、測定試料を分離するカラムや送液ポンプが改良され、高速処理化が進んでいる。そのため、検出器におけるサンプリング時間、つまり、サンプルへの照射時間は、ますます短くなっており、感度を確保するために試料セルへの入射光量及び検知器での検出光量を十分確保することが必要とされている。

特許文献１は、フォトダイオードアレイを受光素子として用いた分光光度計に関し、測定をするときは、２つの光源、即ち、重水素ランプとハロゲンランプが同時に点灯される。光混合素子により混合された測定光が混合素子を介してフローセルの試料に入射されることが記載されている。ただし、混合素子がどのようなものか全く記載がない。

特許文献２は、広い波長域に亘って均一な照明が可能なプローブビームを作るシステムに関し、ＵＶ光源と白色光源を用い、補助光源としてダイオード又はダイオードアレイを用いている。可視光と紫外光の照射のために、ビームスプリッタや光ファイバを用いて可視光と紫外光を混合している。

特許文献３、４は、紫外、赤外又は蛍光可視分光光度計を開示し、ダイオードアレイ検出器を使用し、重水素ランプと、ハロゲンランプの反射光を利用している。

特開平８−２３３６５９号公報 米国特許第７、１５４、６０７号公報 特開２００５−３２１２４５号公報 特開２００３−１８５４９８号公報

本発明者が鋭意検討した結果、３次元検出器を用いた分光光度計においてハーフミラーを用いた場合、以下のような課題が生じることが判明した。

従来の分光光度計では、紫外用、可視用の２種類の光源からの光を、ハーフミラーやトロイダルミラーを用いて、試料セルへ入射している。ハーフミラーは、紫外用光源の光を透過させ、可視用光源の光を反射させて、同一光軸上に光を配置し、トロイダルミラーを用いて試料セルへ入射している。その光学系において、検出感度を向上させるために、試料セルの窓径に対して、発光点の結像像の大きさを近づけ、光量を増やす方法がとられる。つまり、試料セル径に対して発光点の拡大率を小さくするか、もしくは縮小系を用いるなどして入射光量を増やす方法がとられる。

通常、紫外用光源として用いられる重水素ランプには、可視域に輝線（４８６ｎｍ、６５６．１ｎｍ）がある。ハーフミラーの様に、各波長でほぼ同様の透過特性もしくは反射特性を持つ光学素子の場合、発光点の結像の改善で、紫外光量を増やす際、輝線の信号も同様に増えるため、輝線が検知器内で飽和する恐れがある。さらに、可視用光源の光量を増やすと、輝線が検知器内で、飽和する恐れがある。そのため、輝線のみをカットするフィルタ等を検知器上に導入すると、輝線周辺の可視光量が減少することになる。可視域をカットするフィルタの場合、紫外域の透過率も一緒に減少させるため、紫外光の光量も減少することになる。従来の分光光度計の３次元検知器の場合は、検知器上に結蔵される位置が予めわかっているので、その位置にカットフィルタを設けることが考えられるが、輝線周辺の光量も減少させてしまうので、結局感度が低くなる。

また、可視光量を増やすために、ハーフミラーの可視域の反射率を上げると、紫外域の透過率が下がるため、紫外域の光量が減少するといった問題が生じる。

３次元検出器のようなシングルビーム測光方式の分光光度計の場合、光度計の高感度化を実現するためには、試料セルへの入射光量を増やすことが重要であるものの、安価な方法で入射光量を増やすことは、非常に困難であった。

本発明の課題は、検知器内で紫外域光と可視域光の飽和を起こすことなく、試料セルへの照射光量を増加させ、検出感度を向上することである。

本発明は、測定対象の試料を収容する試料セルと、試料に入射する入射光を供給する可視用光源および紫外用光源と、試料を透過した光を分光する分光器と、分光された光を検出する光学検知器と、前記紫外用光源からの紫外域光を反射または透過させ、前記可視用光源からの可視域光を透過又は反射させるダイクロイック素子とを備え、前記試料セル中に前記ダイクロイック素子を透過し、又は反射した紫外域光及び可視域光を入射するように光学系を構成したことを特徴とする分光光度計を提供するものである。

本発明により、紫外用光源（例えば重水素ランプ）の輝線の影響を極力抑え、紫外域の光量を増やすことが可能となり、また、可視用光源（例えばハロゲンランプ）の光を透過させて用いるため、光学素子の透過率を容易に変化させることができ、可視域光量を増やすことが可能となる。紫外域〜可視域の試料セルへの入射光量を増やすことが可能になるので、特別に設計された高価な素子等を用いずに、高感度な分光光度計を安価に実現することができる。

本発明の１つの観点によれば、可視用光源の光を透過させ、紫外用光源を反射させる光学素子（例えば、ダイクロイックミラー）を用いて、それぞれの光を同一光軸上に配置する光学系を用いる分光光度計を提供する。本発明で用いるダイクロイック素子は、紫外域光及び可視域光に対し、異なった反射特性及び異なった透過特性を有するものである。

このようなダイクロイックミラー等の光学素子を用いて、紫外用光源の紫外域を反射させ、紫外用光源中の可視域輝線は透過、もしくは、反射させても数％とすることで、試料セルへは紫外域成分のみを分離して、入射させることができる。また、可視用光源からの光を、ダイクロイック素子を透過させて、紫外光の光軸上に載せ、試料セル上へ入射する。

本発明の好ましい実施態様を例示すれば以下のとおりである。

前記ダイクロイック素子は、ダイクロイックミラー又はダイクロイックフィルターである。前記ダイクロイック素子は、その片面に該素子に入射する紫外域光を反射し可視域光を透過する膜と、他の面に、可視光を透過する膜を有することが好ましい。前記ダイクロイック素子は、その片面に該素子に入射する可視域光を反射する膜と、他の面に形成され、紫外光を透過する膜を有することが好ましい。前記ダイクロイック素子は、その片面に該素子に入射する可視域光を透過する金属膜と、他の面に形成され、紫外光を反射する誘電体多層膜を有することが好ましい。

前記試料セル中に前記ダイクロイック素子で反射した紫外域光及び前記ダイクロイック素子を透過した可視域光を入射するように光学系を構成することができる。

前記試料セル中に前記ダイクロイック素子を透過した紫外域光及び前記ダイクロイック素子で反射した可視域光を入射するように光学系を構成することができる。

前記ダイクロイック素子により入射光を同光軸上に載せ、反射された紫外用光源中の可視域光を、前記紫外域光及び前記ダイクロイック素子を透過した可視域光を試料セル中に入射するように光学系を構成することができる。

前記ダイクロイック素子による紫外用光源中の可視域成分の反射率を変化させることができる。また、前記ダイクロイック素子による可視光源中の可視域成分の透過率を変化させることができる。

また、本発明は、測定対象の試料を収容する試料セルと、試料に入射する入射光を供給する光源部と、試料を透過した光を分光する分光器と、分光された光を検出する光学検知器とダイクロイック素子と、紫外用光源と、可視用光源とを備え、前記紫外用光源からの紫外域光を反射または透過させ、前記可視用光源からの可視域光を透過又は反射させるダイクロイック素子とを備える分光光度計を提供するものである。この分光光度計において、紫外用光源の光を、前記ダイクロイック素子を用いて、紫外成分と可視成分を分離し、前記試料セル中に前記ダイクロイック素子を透過し、又は反射した紫外域光及び可視域光を入射するように光学系を構成したことを特徴とする
更に、上記分光光度計において、前記ダイクロイック素子は、その片面に該素子に入射する可視域光を反射する膜と、前記ダイクロイック素子の他の面に形成され、紫外光を透過する膜を有することができる。

上記分光光度計において、紫外用光源中の紫外域光を５０％超、特に好ましくは８０％以上反射させるダイクロイック素子を用いて紫外領域の光を反射させることができる。上記分光光度計において、紫外用光源中の可視域成分を５０％未満、特に好ましくは２０％以下反射させるダイクロイック素子を用いて可視域の光を反射させることができる。可視用光源からの可視域光を透過させるダイクロイック素子を用いて入射光を同軸上に載せることが好ましい。

上記分光光度計において、紫外用光源中の紫外域光を５０％超、特に好ましくは８０％以上透過させ、可視域光を５０％未満、特に好ましくは２０％以下透過させるダイクロイック素子を用いて紫外域光を透過させることが好ましい。さらに、可視用光源の可視域光を反射させるダイクロイック素子を用いて、入射光を同軸上に載せる。本発明により、上記分光光度計のいずれかを有する液体クロマトグラフィが提供される。

以下、上記及びその他の本発明の新規な特徴と効果について、図面を参酌して実施例を詳細に説明する。ただし、実施例及び図面はもっぱら本発明の実施態様を説明するためのものであって、本発明の範囲を限定するものではない。

図１に、液体クロマトグラフ用３次元検出器の構成を示す。

３次元検出器は、測定対象の試料を収容する試料セルであるフローセル７と、試料に入射する入射光を供給する光源部である光源室４と、試料を透過した光を分光する分光器であるグレーティング９と、分光された光を検出する光学検知器であるフォトダイオードアレイ検知器１０を備える。

紫外用光源１、可視用光源２及びダイクロイック素子３は光源室４内に格納されている。紫外用光源１より放出された光源光は、光学素子３で折り返し、集光ミラー６を用いて、フローセル７へ入射させる。一般的に、紫外用光源１として重水素ランプが、菓子用光源２としてハロゲンランプが多く用いられる。同様に、可視用光源２より放出された光源光は、光学素子３を透過し、集光ミラー６を用いて、フローセル７へ入射される。

フローセル透過光を集光ミラー６’にてスリット８に集光し、スリット透過光をグレーティング９にて分光し、分光した光を５００〜１０００個の受光素子を持つフォトダイオードアレイ検知器１０にて各波長の光を同時に測定する。測定したデータを計算部１１でデータ処理する。これにより、液体クロマトグラフの分離部により分離された試料の成分ごとの吸収スペクトルが取得可能であり、未知試料の定性能力に優れるばかりでなく、吸収スペクトルの形状異常より、各成分の純度を知ることも可能である。

図２は、液体クロマトグラフ用光源部の模式図で，（ａ）はダイクロイック素子の構成を示す概略断面図、（ｂ）はそれを用いた光学系の概略図である。図２（ａ）において、ダイクロイック素子３は透明基体１６の片面に、誘電体多層膜などによりダイクロイックミラー面１７を形成し、他方の面に金属膜または誘電体多層膜により、ミラー面又は透過面１５を形成する。図２の場合は、右側がダイクロイックミラー面で、紫外用光源１の光を紫外光を反射させ、可視光成分を左の反射面を用いて反射させる。一方、可視用光源２からの光は、素子を透過して、可視光が取り出される。

図２（ｂ）に示すように、光源室４に格納されている紫外用光源１より放出された光源光をダイクロイック素子３で折り返し、集光ミラー６を用いて、フローセル７へ入射させる。その際、紫外用光源１の紫外成分は、光学素子３のダイクロイックミラー面により、高い反射率で反射する。ダイクロイックミラーの特性として、紫外用光源の紫外光を、可視光よりも多く反射させることができる。例えば、紫外光のみ（１９０ｎｍ付近）を５０％より多く、２００〜４００ｎｍでは８０％以上の高い反射率で反射させることができる。従って、本実施例の場合は、紫外用光源１の紫外成分のみを高効率で、入射させることができる。極端に言えば、紫外光のみを反射させることができる。また、可視域成分の輝線（４８６ｎｍ、６５６．１ｎｍ）は、ダイクロミラー面で通過する。

同様に、可視用光源２より放出された光源光は、光学素子３を透過し、集光ミラー６を用いて、フローセル７へ入射される。本実施例では、可視用光源２の光量をある程度制限して、可視域項と紫外域項のバランスをとるために、ダイクロイックミラー面とは反対側に金属膜を蒸着する。

光学素子３の可視域の透過率を増やすことで、可視域の光量を増やすことができる。また、ダイクロイックミラー面を透過した可視用光源２の可視輝線成分は、金属膜面で反射され、フローセル７へ入射される。この輝線の成分は、分析後との波長校正（検知器の校正）に使用される。

図３に、本実施例の光学素子の特性を示す。紫外域光を反射させるためのダイクロイックミラー面の特性として、反射率は高く、１９０〜２００ｎｍでは５０％超で、２００〜４００ｎｍでは、８０％以上である。また、可視域の光量を制御する金属膜の可視域光透過率は２０〜３５％で、従来のハーフミラーを用いた可視光反射型の光学系の場合（反射率は数％程度）に比べて、光量を有効に使うことができる。金属膜の反射率は、同様に約３０％であり、可視用光源２の輝線をフローセル７に入射させることができる。

図４に、本発明により得られる、試料セルへの入射光のスペクトル特性を示す。従来の分光光度計におけるスペクトルは、紫外〜可視域全体に光量を増やすと、輝線が検知器内で飽和する恐れがあるのに対し、本発明の光学系では、輝線の影響が小さくなり、輝線の飽和を起こすことなく、紫外〜可視域全体の光量を増やすことが可能である。

従来の光学系に比べて、本発明の実施例による光学系では数倍の光量が得られるため、微量サンプルの測定や高速測定における光量減少があっても、従来の光学系と同等の感度を得ることができる。

可視域の光量が十分大きいため、可視用光源２（例えばハロゲンランプ）の入力電力を小さくして発光量を減らすことができる。これにより、ハロゲンランプの寿命を著しく伸ばすことができる。ハロゲンランプは紫外域における迷光の原因となる。迷光が大きいと、吸光度の直線性が損なわれる。本発明の実施例に拠れば、紫外域の直線性が求められる測定を行う場合は、ハロゲンランプの光量を落とすことにより、高い直線性のある分析が可能となる。

次に図５を用いて他の実施例を説明する。図は、従来一般的に用いられてきた紫外光源透過型、可視光源反射型の光学系に本発明を適用した例である。ダイクロイック素子３は紫外域光を透過し、可視域光を通さないダイクロイックミラーを使用した。図６に、図５で用いたダイクロイック素子の特性を示した。紫外用光源１の紫外域光のみを８０％以上の高い透過率で透過させ、可視用光源２の可視域光の透過率は１０％以下と低くすることにより、輝線を極力抑えた分光系を構成することができる。また、紫外用光源１は７０％以上の高い反射率で使用されるため、可視域光の十分な光量を得ることができる。以上により、輝線の影響を小さくし、紫外域から可視域までの広い範囲で光量を増やすことができる。

本実施例により、紫外用光源（例えば重水素ランプ）の輝線の影響を極力抑え、紫外域の光量を増やすことが可能となり、また、可視用光源（例えばハロゲンランプ）の光を透過させて用いるため、光学素子の透過率を容易に変化させることができ、可視域光量を増やすことが可能となる。紫外域〜可視域の試料セルへの入射光量を増やすことが可能になり、特殊な光学素子を用いることなく高感度な分光光度計を安価に提供できる。

本発明の実施例による液体クロマトグラフ用３次元検出器の基本構成図。 本発明の実施例における分光光度計の光源部とダイクロイック素子の関係及び光学系を示す概略図。 本発明の実施例によるダイクロイック素子の特性図。 本発明の実施例による試料セルへの入射光のスペクトル特性図。 本発明の実施例による分光光度計の光源部とダイクロイック素子の関係を示す概略図。 本発明の他の実施例におけるダイクロイック素子の特性図。

符号の説明

１…紫外用光源、２…可視用光源、３…光学素子、４…光学室、５…光学系、６…集光ミラー、７…フローセル、８…スリット、９…グレーティング、１０…フォトダイオードアレイ検知器、１１…計算部。

Claims (19)

1. 測定対象の試料を収容する試料セルと、試料に入射する入射光を供給する可視用光源および紫外用光源と、試料を透過した光を分光する分光器と、分光された光を検出する光学検知器と、前記紫外用光源からの紫外域光を反射または透過させ、前記可視用光源からの可視域光を透過又は反射させるダイクロイック素子とを備え、前記試料セル中に前記ダイクロイック素子を透過し、又は反射した紫外域光及び可視域光を入射するように光学系を構成したことを特徴とする分光光度計。
2. 前記ダイクロイック素子は、ダイクロイックミラー又はダイクロイックフィルターであることを特徴とする請求項１記載の分光光度計。
3. 前記ダイクロイック素子は、その片面に該素子に入射する紫外域光を反射し可視域光を透過する膜と、他の面に形成された、可視光を透過する膜を有す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. 前記ダイクロイック素子は、その片面に該素子に入射する可視域光を反射する膜と、他の面に形成され、紫外光を透過する膜を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の分光光度計。
5. 前記ダイクロイック素子は、その片面に該素子に入射する可視域光を透過する金属膜と、他の面に形成され、紫外光を反射する誘電体多層膜を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の分光光度計。
6. 前記ダイクロイック素子で反射した紫外域光及び前記ダイクロイック素子を透過した可視域光を、前記試料セル中に入射するように光学系を構成したことを特徴とする請求項１又は３に記載の分光光度計。
7. 前記ダイクロイック素子を透過した紫外域光及び前記ダイクロイック素子で反射した可視域光を、前記試料セル中に入射するように光学系を構成したことを特徴とする請求項１又は４に記載の分光光度計。
8. 前記ダイクロイック素子の紫外域光源中の可視域成分の反射率を変化させることができることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の分光光度計。
9. 前記ダイクロイック素子の可視光源中の可視域成分の透過率を変化させることができることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の分光光度計。
10. 測定対象の試料を収容する試料セルと、試料に入射する入射光を供給する紫外用光源と、可視用光源と、試料を透過した光を分光する分光器と、分光された光を検出する光学検知器と、ダイクロイック素子とを備え、前記ダイクロイック素子は前記紫外用光源からの紫外域光を反射または透過させ、前記可視用光源からの可視域光を透過又は反射させるものであり、紫外用光源の光を前記ダイクロイック素子を用いて、紫外成分と可視成分を分離し、前記試料セル中に前記ダイクロイック素子を透過し又は反射した紫外域光及び可視域光を入射するように光学系を構成したことを特徴とする分光光度計。
11. 前記ダイクロイック素子は、ダイクロイックミラー又はダイクロイックフィルターである請求項１０に記載の分光光度計。
12. 前記ダイクロイック素子は、その片面に該素子に入射する紫外光を反射し可視域光を透過する膜と、前記ダイクロイック素子の他の面に形成され、可視光を透過する膜を有することを特徴とする請求項１０又は１１に記載の分光光度計。
13. 前記ダイクロイック素子は、その片面に該素子に入射する可視域光を反射する膜と、前記ダイクロイック素子の他の面に形成され、紫外光を透過する膜を有することを特徴とする請求項１０又は１１に記載の分光光度計。
14. 前記ダイクロイック素子は、その片面に該素子に入射する可視域光を透過する金属膜と、他の面に形成され、紫外光を反射する誘電体多層膜を有することを特徴とする請求項１０〜１２のいずれかに記載の分光光度計。
15. 紫外用光源中の紫外域光を５０％超反射させるダイクロイック素子を用いて紫外領域の光を反射させることを特徴とする請求項１０〜１２のいずれかに記載の分光光度計。
16. 紫外用光源中の可視域光を反射させるダイクロイック素子を用いて可視域光を反射させることを特徴とする請求項１１又は１４に記載の分光光度計。
17. 可視域光を透過させるダイクロイック素子を用いて入射光を同軸上に載せることを特徴とする請求項１１〜１７のいずれかに記載の分光光度計。
18. 紫外用光源中の紫外域光を５０％超反射させ、可視域光を５０％未満透過させるダイクロイック素子を用いて紫外領域の光を反射させることを特徴とする請求項１１〜１７のいずれかに記載の分光光度計。
19. 請求項１〜１８のいずれかに記載の分光光度計を有することを特徴とする液体クロマトグラフィ。

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